¿Por qué los motores de gasolina sufren desgaste en las cámaras de combustión?

¿Por qué los motores de gasolina sufren desgaste en las cámaras de combustión?

Durante el funcionamiento, el pistón y los anillos del pistón se desplazan a gran velocidad en un movimiento alternativo dentro del cilindro. Bajo la acción de la enorme fuerza de expansión generada por la combustión de la mezcla de aire‑combustible, el pistón y los anillos del pistón mantienen un estrecho contacto con la pared interna del cilindro gracias a la película de aceite formada por el lubricante del motor. En condiciones normales, debido al efecto de aislamiento y amortiguación de dicha película, el pistón y los anillos no entran en contacto directo con el cilindro. Sin embargo, en determinadas circunstancias específicas, pueden llegar a tocarse directamente, lo que provoca fricción de deslizamiento y genera una considerable cantidad de calor. Si las condiciones de disipación térmica no se mejoran eficazmente, las superficies metálicas del pistón, de los anillos o de la pared interna del cilindro podrían fundirse, provocando la soldadura entre las superficies en fricción. Durante el movimiento a alta velocidad del pistón, se producen ralladuras longitudinales y, en casos graves, ambos componentes pueden soldarse, fenómeno conocido como “griñado” del cilindro.

Las principales razones son las siguientes:

1. Insuficiente rodaje inicial del motor y desgaste por tracción en los cilindros causado por un funcionamiento a alta velocidad

En un motor recién ensamblado, la aparentemente lisa superficie interior del cilindro y las superficies exteriores del pistón y de los anillos del pistón están en realidad formadas por innumerables protuberancias microscópicas de distintas alturas. Antes de que el motor pueda funcionar sin restricciones, las superficies de contacto deben someterse a un proceso inicial de asentamiento para eliminar las puntas afiladas de estas protuberancias, logrando así superficies lisas y con una distribución uniforme de las tensiones, evitando que se “muerdan” entre sí durante el deslizamiento y asegurando un funcionamiento suave. Por ello, un motor recién montado debe someterse a un cierto grado de asentamiento; de lo contrario, las protuberancias más elevadas en las superficies de contacto del pistón, los anillos del pistón y el cilindro soportarán cargas concentradas, con una presión unitaria extremadamente alta. Tras el rozamiento, la temperatura aumenta, las protuberancias se ablandan y se funden, lo que puede provocar el arrastre del cilindro.

2. Arrastre del cilindro causado por el sobrecalentamiento del pistón

Cuando el pistón se sobrecalienta, se produce una expansión local anómala. Debido a la deformación del pistón, las ranuras de los segmentos se vuelven onduladas, y los segmentos y sus ranuras entran en contacto, ya sea de forma breve o prolongada, lo que impide que los segmentos desempeñen adecuadamente su función. En este momento, el borde del segmento entra en contacto directo con la pared interna del cilindro bajo una presión por unidad de superficie extremadamente elevada; ello no solo anula su capacidad para sellar los gases de combustión, sino que también destruye la película de aceite presente en la pared interna del cilindro, provocando así el arrastre del cilindro.

Las principales causas del exceso de calor en el pistón son:

① La baja calidad de la gasolina provoca una combustión anormal de la mezcla de combustible y aire, lo que genera altas temperaturas.

② Un sistema de suministro de combustible, una configuración o un ajuste de encendido inadecuados provocan una combustión anormal de la mezcla de aire‑combustible y generan altas temperaturas.

③ Un diseño deficiente del cuerpo del pistón o una baja densidad de la aleación de aluminio utilizada en el pistón provocan una transferencia de calor insuficiente del pistón al cilindro, lo que hace que el pistón se sobrecaliente.

④ La refrigeración externa insuficiente del motor provoca el sobrecalentamiento.

3. Desgaste del cilindro causado por una holgura inadecuada del anillo del pistón

Durante el funcionamiento del motor, es frecuente que se formen depósitos de carbono en la cámara de combustión. Aunque el aceite del motor y los anillos del pistón cumplen la función de eliminar estos depósitos, resulta muy difícil retirar los que se acumulan en las ranuras de los anillos, especialmente en la primera ranura del anillo de gas. A medida que los depósitos en las ranuras de los anillos van aumentando, provocan un juego lateral y un juego trasero inadecuados para los anillos, lo que dificulta su desplazamiento y ejerce una presión anormal sobre ellos, haciendo que entren en contacto directo y se frotan contra la pared interna del cilindro, lo que a su vez puede ocasionar el raspado del cilindro.

Las principales causas de la formación de depósitos de carbono en la cámara de combustión son las siguientes:

① Mala calidad de la gasolina utilizada;

② Combustión anormal de la mezcla;

③ Mezcla excesivamente rica en el sistema de alimentación de combustible;

④ Fallos del sistema de encendido, especialmente fallos en las bujías;

⑤ Aceite residual excesivo en la pared interna del cilindro;

⑥ Fuga de aceite del motor desde la culata hacia la cámara de combustión.

4. Desgaste del cilindro causado por una holgura inadecuada entre el pistón y el cilindro

Debido a la baja precisión de mecanizado del cilindro y de los diámetros exteriores del pistón y de los anillos del pistón, la holgura entre el pistón y el cilindro resulta inadecuada, lo que provoca el desgaste por rozamiento del cilindro. Cuando la holgura es demasiado pequeña, aumenta la presión de contacto entre el pistón y el cilindro, pudiendo incluso producirse el agarrotamiento del pistón. Si la holgura es excesivamente grande, se incrementa el movimiento oscilatorio de la cabeza del pistón, de modo que la cabeza y la falda del pistón, o el borde del anillo del pistón, entran en contacto con el cilindro, generando una presión unitaria extremadamente elevada y ocasionando el desgaste por rozamiento del cilindro.

5. Desgaste del cilindro causado por una mala conformación de la superficie del pistón y del cilindro

Durante el funcionamiento del motor, la forma ideal de las superficies de contacto entre el pistón y el cilindro debería ser cilíndrica, a fin de garantizar un contacto uniforme y evitar presiones excesivas sobre grandes áreas. Debido a la dilatación y contracción térmicas, a temperatura ambiente, la falda del pistón presenta una forma de barril en la dirección longitudinal y una forma elíptica en la dirección transversal. Esta compleja geometría exige unos requisitos de precisión muy elevados. Sin embargo, por motivos de diseño, fabricación o materiales, la forma puede resultar subóptima, lo que conduce a la abrasión del cilindro.

Las principales razones son:

① Precisión de mecanizado insuficiente del faldón del pistón, lo que provoca deformación de la forma;

② Mala conformación de la superficie interior del cilindro (exceso de redondez y cilindricidad);

③ La insuficiente precisión de mecanizado del diámetro exterior del pasador del pistón o del diámetro interior del orificio del pasador, lo que origina un juego demasiado reducido entre ambos, o la presencia de partículas extrañas atrapadas entre ellos, provoca que el pasador se dilate y se agarrote en el orificio tras la puesta en marcha del motor, dificultando la expansión de la falda del pistón en dirección al orificio del pasador y impidiendo que adquiera la forma ideal.

④ Diseño deficiente de la estructura de la falda del pistón, que conlleva una rigidez insuficiente, provocando que las superficies frontales y posteriores de soporte de carga de la falda se deformen y se hundan bajo la presión, lo que aumenta la presión local en el lado a 45° de la falda y origina el desgaste por rozamiento del cilindro;

⑤ Diseño o material deficientes de la camisa del cilindro, que provocan deformación del cilindro, lo cual origina un ajuste estrecho entre el pistón y el cilindro cerca del punto muerto superior, aumentando la fricción y causando desgaste por rozamiento en la superficie del cilindro.

6. Desgaste del cilindro causado por un tratamiento superficial deficiente

Desde el punto de vista material, el pistón, los anillos del pistón y el cilindro se encuentran en movimiento a alta velocidad, lo que genera calor por fricción. En casos severos, las superficies metálicas pueden fundirse y soldarse entre sí. Por ello, generalmente se aplican diversos tratamientos superficiales al pistón, a los anillos del pistón e incluso a la superficie interna del cilindro, como cromado, niquelado, pulverización de molibdeno, nitruración, fosfatado y PVD (Depósito Físico de Vapor), con el fin de formar sobre la superficie una capa de material de alto punto de fusión que evite la soldadura por altas temperaturas. Sin embargo, si el tratamiento superficial es deficiente —por ejemplo, por un espesor de recubrimiento insuficiente o una adherencia pobre—, el pistón y los anillos acabarán soldándose al cilindro a altas temperaturas, lo cual resulta inevitable.

7. Desgaste del cilindro causado por el fallo de la lubricación con aceite del motor

Durante el funcionamiento del motor, el aceite lubricante forma una película entre el cilindro, el pistón y los anillos del pistón, evitando eficazmente el contacto directo y la fricción. Sin embargo, las siguientes situaciones pueden impedir que el aceite cumpla plenamente su función lubricante, lo que puede provocar el desgaste por rozamiento del cilindro:

① Aceite de motor insuficiente. Es evidente que, cuando el aceite de motor no se añade en cantidad suficiente y se consume de manera continua durante el funcionamiento del motor sin ser reabastecido a tiempo, no puede formarse una película de aceite lo bastante gruesa, lo que provoca el raspado del cilindro.

② Emulsificación del aceite de motor. Especialmente en invierno, cuando el motor se apaga y la temperatura desciende, el agua procedente del aire presente en la parte inferior del cilindro y del cárter (que ingresa a través del tubo de ventilación) se condensa y se mezcla con el aceite de motor, provocando gradualmente su emulsificación. Al mismo tiempo, la mezcla que se fuga de la cámara de combustión se incorpora de forma continua al aceite de motor, favoreciendo aún más la emulsificación. El aceite de motor emulsionado se vuelve más fluido y se degrada, lo que dificulta la formación de una película lubricante eficaz entre el cilindro, el pistón y los anillos del pistón.

③ Selección inadecuada del grado de aceite de motor. Deben elegirse los grados de aceite de motor adecuados según la región y la temporada. Si la selección es incorrecta, el aceite de motor resultará demasiado viscoso y con escasa fluidez en invierno, o demasiado ligero en verano; en ambos casos, ello puede provocar una lubricación deficiente.

8. Desgaste del cilindro causado por objetos extraños e impurezas

Cuando existen objetos extraños duros entre el cilindro y el pistón o los anillos del pistón, estos actúan como materiales abrasivos, acelerando el desgaste de sus superficies. En casos graves, puede provocar el raspado del cilindro.

Las principales fuentes de objetos extraños son las siguientes:

Sustancias extrañas, como el polvo, introducidas debido a que las piezas del motor no fueron limpiadas a fondo;

② Rebarbas remanentes en piezas del motor;

③ Limaduras de hierro y aluminio desprendidas durante el funcionamiento del motor;

④ Polvo que ingresa con el aire debido a una filtración deficiente del filtro de aire;

⑤ Depósitos de carbono resultantes de la combustión incompleta de la mezcla de aceite de motor y combustible;

Cuando se realizó el arenado del silenciador, la arena de hierro que quedaba en su interior fue aspirada de nuevo a la cámara de combustión.