Los anillos de pistón se fabrican y clasifican en base a su función y utilidad. El uso principal del anillo de pistón es sellar la cámara (donde se mueve el pistón), que puede ser una cámara de combustión de un motor de 2 tiempos o de 4 tiempos. Los motores marinos tienen tres o más tipos de anillos instalados en la circunferencia del pistón.
El anillo del pistón es una parte esencial del pistón, y sus números y funcionalidad difieren según el tipo y la capacidad del motor.
En los motores grandes de 2 tiempos, los anillos de pistón de tipo de compresión se utilizan para sellar la cámara de combustión y los anillos limpiadores se instalan debajo de ellos para limpiar los depósitos de la camisa y distribuir el aceite en la superficie de la camisa.
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Sin embargo, en los motores marinos más pequeños, se utilizan diferentes tipos de segmentos para fines específicos. Por ejemplo, el anillo rascador de aceite se utiliza en el motor de 4 tiempos, ya que es un motor de tipo tronco, y el aceite del cárter tiene acceso directo a la camisa del cilindro y el pistón. En este artículo, vamos a echar un vistazo a los diferentes tipos de anillos de pistón utilizados en los motores marinos.
Tipos y funciones de los segmentos de pistón
Anillos de compresión o anillos de presión
Los anillos de compresión se encargan de la estanqueidad por encima del pistón y evitan la fuga de gases por el lado de la combustión. Los anillos de compresión se encuentran en las primeras ranuras del pistón.
Sin embargo, esto puede diferir según el diseño del motor. La función principal de estos anillos es sellar los gases de combustión y transferir el calor del pistón a las paredes del pistón.
El aceite es controlado por el cizallamiento de la capa del aceite que deja el anillo de aceite, proporcionando así los anillos de compresión superior suficiente lubricación. Además, también proporciona ayuda al anillo de compresión superior en el sellado y la transferencia de calor.
Anillo limpiador
El anillo limpiador, también llamado anillo Napier, o anillo de compresión de apoyo, se instala debajo del anillo de compresión. Su función principal es limpiar la superficie de la camisa del exceso de aceite y actuar como anillo de apoyo en la detención de cualquier fuga de gas más abajo que se escapó el anillo de compresión superior. La mayoría de los anillos limpiadores tienen una cara con ángulo cónico que se coloca hacia la parte inferior para proporcionar una acción de limpieza cuando el pistón se mueve hacia el cigüeñal.
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Si el anillo limpiador se instala incorrectamente con el ángulo cónico más cercano al anillo de compresión, se produce un consumo excesivo de aceite. Esto se debe a que el anillo rascador limpia el exceso de aceite hacia la cámara de combustión.
Anillos de control de aceite / rascadores
Los anillos de aceite controlan la cantidad de aceite lubricante que pasa hacia arriba o hacia abajo por las paredes del cilindro. Estos anillos también se utilizan para repartir el aceite uniformemente alrededor de la circunferencia de la camisa.
El aceite salpica las paredes del cilindro. Estos anillos también se denominan anillos rascadores ya que raspan el aceite de las paredes del cilindro y lo devuelven al cárter.
Estos anillos no permiten que el aceite pase del espacio entre la cara del anillo y el cilindro.
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En el anillo de aceite, se cortan agujeros o ranuras en el centro radial del anillo que permiten que el exceso de aceite fluya de vuelta al depósito.
Los anillos de aceite pueden ser de una o dos piezas. Para aumentar la presión de contacto entre el anillo y la superficie de la camisa, los anillos pueden tener bordes biselados en los lados exteriores de las tierras o de cara a la cámara de combustión para reducir el consumo de aceite a través de un mejor raspado del aceite del agujero.
Los segmentos de control de aceite de dos piezas constan de un segmento de hierro fundido o de acero perfilado y de un muelle helicoidal que está hecho de acero para muelles resistente al calor y que actúa alrededor de toda la circunferencia del segmento para mantener la presión y el contacto.
Material de los segmentos de pistón
Uno de los materiales más destacados que se utilizan en la fabricación de segmentos de pistón es el hierro fundido. Esto se debe a que contiene grafito en la forma laminar que a su vez actúa como un lubricante ayudando al movimiento de deslizamiento entre los anillos y el revestimiento.
Las aleaciones y los revestimientos se hacen en los anillos de pistón, y variará según el tipo de anillo ya que la funcionalidad de estos anillos son diferentes entre sí.
La forma más común de alear el hierro fundido es el cromo, el molibdeno, el vanadio, el titanio, el níquel y el cobre.
El material del anillo de pistón se mantiene más duro que la camisa del cilindro para proporcionar la máxima vida útil.
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El Pistón del Motor Principal
La cámara de combustión de un motor marino de 2 tiempos es un gran espacio que produce una enorme cantidad de calor y tensiones.
Los segmentos superiores del pistón están directamente en contacto con la cámara de combustión, de ahí que necesiten una mejor protección y recubrimiento para hacer frente al estrés térmico y proporcionar un sellado adecuado.
Se han introducido muchos diseños nuevos especialmente para los grandes motores marinos de dos tiempos. Algunos de los diseños importantes introducidos son:
Motor MAN
El anillo de pistón superior es de tipo de alivio de presión controlada en el que varias ranuras oblicuas poco profundas (cromado duro) se proporcionan en la cara que permite un poco de presión de gas para pasar al segundo anillo reduciendo así la carga en el anillo superior. Tiene una junta de tipo «S» en los extremos del anillo.
También se ha introducido recientemente un nuevo diseño que es una versión modificada de los anillos CPR conocida como anillos CPR Port on Plane (CPR POP).
La modificación se realiza en la posición de las ranuras que ahora se colocan en el lado inferior del anillo ya que se observó que el desgaste de las ranuras de los anillos CPR en el lado de funcionamiento era más rápido de lo habitual.
Segundos anillos o anillos intermedios
Los otros anillos tienen un corte oblicuo en los extremos del anillo. Todos los segmentos están recubiertos de aluminio en la superficie exterior para ayudar al rodaje.
Motor Wartsila
En el motor Wartsila de 2 tiempos, las ranuras de los segmentos en la superficie del pistón están endurecidas para una excelente resistencia al desgaste. Los segmentos superiores del pistón (también conocidos como segmentos Gas Tight (GT) en Wartsila) tienen los extremos superpuestos para evitar las fugas de gas con una forma de barril asimétrica. Están recubiertos de cromo-cerámica (CC) junto con un recubrimiento de rodaje (RC).
El número de segmentos de pistón variará dependiendo del tamaño del motor. Por ejemplo, un RTflex 35 tendrá una falda muy corta y está equipado con tres anillos de pistón, pero un motor RTA puede tener 5 anillos de pistón.3
Motor de 4 tiempos
La necesidad de anillos de pistón en un motor de 4 tiempos es diferente ya que el conjunto de la camisa del pistón está abierto al cárter. Por lo tanto, los anillos rascadores de aceite son necesarios adicionalmente en el paquete de anillos de pistón de 4 tiempos. Suele constar de 2 a 5 segmentos según el tipo de motor y las especificaciones. Por lo general, 2-4 anillos de compresión se proporcionan para sellar los gases de la cámara de combustión, y 1-3 anillos de control de aceite se proporcionan para el exceso de evitar la entrada de aceite en la cámara de combustión.
Los anillos de compresión suelen ser de tipo barril con cara cónica para un sellado eficiente de los gases. Los perfiles de los anillos de control de aceite comprenden dos tierras y un muelle helicoidal insertado para soportar la pretensión del anillo.
¿Cómo funcionan los anillos de pistón?
Como se ha explicado, existen diferentes tipos de segmentos previstos en un pistón a varios niveles, que realizan diferentes tareas.
La ranura más alta del pistón consta de un anillo de compresión cuya función principal es sellar cualquier tipo de fuga dentro de la cámara de combustión durante el proceso de combustión.
Cuando la mezcla de aire y combustible se enciende, la presión de los gases de combustión se aplica a la cabeza del pistón, forzando el pistón hacia el cigüeñal.
Los gases presurizados se desplazan a través del hueco entre la pared del cilindro y el pistón y entran en la ranura del anillo del pistón.
Durante el proceso de combustión, la fuerza de los gases a alta presión presiona el anillo del pistón contra la pared de la camisa del cilindro, lo que le ayuda a formar un sellado eficaz. Esta presión que empuja el anillo del pistón es proporcional a la presión de los gases de combustión.
El siguiente conjunto de anillos en el pistón que se colocan por debajo del anillo de compresión y por encima de los anillos de aceite se llaman anillos de limpieza.
Tienen una construcción de cara cónica y se utiliza para sellar aún más la cámara de combustión. Como su nombre indica, ayudan a limpiar la pared de la camisa de cualquier exceso de aceite e impurezas. Si alguno de los gases de combustión pudiera pasar por el anillo de compresión, estos gases serán bloqueados por el anillo limpiador en buen estado.
El último conjunto de anillos son los anillos de aceite que se encuentran en las ranuras inferiores del pistón más cercanas al cárter. La función principal del anillo de aceite es raspar cualquier exceso de aceite de las paredes de la camisa del cilindro cuando el pistón está en movimiento.
La mayor parte del aceite limpiado se dirige al cárter de vuelta al cárter de aceite. Estos anillos de aceite vienen con un resorte instalado en la parte posterior en un motor de 4 tiempos para proporcionar un empuje adicional para limpiar la camisa.
¿Por qué fallan los anillos de pistón?
La cámara de combustión ejerce una enorme presión sobre los segmentos del pistón. Si la presión de combustión del gas que se produce dentro de la cámara es superior a la habitual, puede afectar al rendimiento de los segmentos.
Esto puede deberse a la detonación y al ping del combustible procedente del inyector con fugas o cuando el combustible se mezcla con aire sucio.
El fuel-oil contaminado o el grado incorrecto del aceite del cilindro también afectarán al rendimiento del segmento. A medida que el anillo comienza a desgastarse, su capacidad para sellar los gases de combustión se hará evidente.
La mala calidad del combustible o del aceite del cilindro, el mal proceso de combustión, la sincronización incorrecta del combustible, el desgaste de la camisa, etc. son la causa normal del desgaste de los anillos de pistón. La indicación más común o signo de un anillo desgastado es el paso de gas en el cárter o bajo el área del pistón conocido como blowby.
El anillo pegajoso debido a los depósitos de carbono o lodo y la rotura o grieta en el anillo puede resultar debido al desgaste.
Cosas a comprobar durante la inspección de los anillos de pistón
La inspección de los anillos de pistón es una tarea importante para determinar el buen funcionamiento de los anillos de pistón seguido por la limpieza o la sustitución de los anillos de pistón (si está roto o desgastado).
En los motores de ciclo de 2 tiempos, el puerto que contiene el anillo superior suele estar en una posición más alta que la ranura del anillo superior del motor de 4 tiempos.
Durante la inspección de rutina
Durante la inspección normal del espacio de barrido, los anillos del pistón se presionan con la ayuda de un destornillador. Esto se hace para comprobar la acción del resorte o la tensión de los anillos. Esto también indica si el anillo está roto o no. Si el anillo está roto no habrá acción de resorte.
Se comprueba la libertad de los anillos en las ranuras, ya que podrían atascarse debido a los depósitos de carbono y finalmente podrían romperse causando mucho daño a la camisa.
También se comprueba la holgura entre el anillo y la ranura y se calcula el desgaste. Se comprueba si el anillo tiene marcas de rozaduras y daños, y también se evalúa el estado general.
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Durante la revisión mayor
Durante las revisiones mayores, los anillos de pistón se cambian completamente con el nuevo juego. Pero hay que tener en cuenta los siguientes pasos para el desguace de los segmentos:-
1) Si el segmento del pistón se encuentra atascado en la ranura.
2) Si la altura axial de los segmentos se reduce y la holgura en los segmentos y la ranura es grande.
3) Si la capa de cromo está pelada o dañada.
Durante la revisión, las ranuras tienen que ser limpiadas adecuadamente de los depósitos de carbono y comprobar si hay daños en las ranuras de los anillos.
Antes de poner los anillos de pistón, se debe primero redondear en las ranuras. En este proceso, el anillo se desplaza completamente dentro de las ranuras.
Con esta prueba, podemos comprobar que las ranuras son más profundas que la anchura radial del anillo.
Mientras se inserta el pistón con los segmentos sustituidos en la camisa, se utiliza la herramienta de compresión de segmentos del pistón adecuadamente lubricada, que asegurará que los segmentos no se peguen a la cara de la camisa al entrar en la cámara de combustión.
Los segmentos del pistón se colocan dentro de la camisa desgastada, y también se comprueba la separación de la culata. En el caso de los segmentos del pistón pequeño (por ejemplo, del compresor), los extremos se pueden tratar con una limadora de segmentos, pero en el caso de los motores marinos, los segmentos deben enviarse al taller de tierra para su reacondicionamiento si la holgura a tope es inusual. Al poner los anillos, se debe comprobar si hay marcas en cuanto a qué parte está arriba o abajo y también comprobar diferentes marcas para diferentes posiciones.
Los anillos se deben poner con la ayuda de un peaje adecuado, es decir, con la ayuda de un expansor de anillos. La holgura entre el anillo y la ranura se comprueba con la ayuda de la galga.
La holgura axial y radial del anillo viejo se comprueba y se registra para evaluar la cantidad de desgaste durante un número de horas de funcionamiento.
¿Cómo se hace la instalación de los anillos de pistón?
Antes de instalar el anillo de pistón, se comprueba el marcado del anillo nuevo o de repuesto y se compara con el antiguo para el mismo grado o posición. Si la marca del anillo de pistón antiguo está borrada, compruebe en el manual la identificación del anillo de pistón para poder colocarlo en su ranura correspondiente.
La ranura debe ser limpiada adecuadamente para asegurar que no hay depósitos de carbón y lodo en ella. Durante la limpieza, hay que tener en cuenta que algunas ranuras del pistón están recubiertas con una película de protección especial. No deben ser dañadas por el uso de una herramienta de astillado o amolado.
Una vez que la ranura está bien limpia, el anillo de pistón se instala utilizando la herramienta de anillo de pistón que expande el anillo para ser insertado en la ranura deslizándolo desde la parte superior de la cabeza del pistón. Asegúrese de insertar el anillo manteniendo la marca superior en el lado superior.
La mayoría de los segmentos de pistón están provistos de la marca «TOP» o la superficie estampada con el número de identificación se considera como la cara superior si no hay ninguna marca específica.
Es extremadamente importante utilizar la herramienta de expansión de anillos de forma adecuada ya que un uso incorrecto puede dañar el anillo o puede dañar al operador ya que el anillo está bajo una tensión constante.
En los motores pequeños de 4 tiempos, en caso de no disponer de la herramienta, el anillo puede ser expandido mediante el uso de ropa o trapos disponibles en la sala de máquinas.
Se colocan dos trapos a cada lado de los extremos de los segmentos y se tira de ellos para que los segmentos puedan expandirse e insertarse desde la parte superior del pistón.
Después de colocar todos los segmentos del pistón, asegúrese de que la abertura o el extremo de la culata de todos los segmentos del pistón no están alineados para evitar la fuga de gas de la cámara.
Vida útil de los aros de pistón
Al igual que todas las demás piezas de la maquinaria, el aro de pistón también tendrá un periodo de tiempo determinado de revisión y sustitución. La vida útil de un anillo de pistón depende totalmente del tipo de anillo de pistón, del tamaño del motor en el que se monta y del estado de funcionamiento del anillo y de la camisa.
Para un anillo de pistón grande de dos tiempos con un diámetro de aproximadamente 900 mm, la vida útil total del anillo puede ser de hasta 24.000 horas y para motores más pequeños de 500 mm de diámetro, puede ser de hasta 16.000 horas.
Para los motores marinos auxiliares de 4 tiempos que tienen una alta velocidad, la vida del anillo del pistón suele ser menor que la del motor de 2 tiempos. La vida media de un motor marino de 4 tiempos de alta velocidad es de aproximadamente 8000 horas, después de lo cual se requiere la renovación.
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