1. ANALISIS TERMO - ESTRUCTURAL DE UN PISTON A
GASOLINA
Hugo A. Posada Villarreal1, Martín Caudillo Ramírez2,
Alberto Soria Viñas1, Luis Ballesteros Martínez.1
1
Centro de Desarrollo Tecnológico, Pistones MORESA S.A. de C.V.
Carretera Panamericana Km 284, C.P. 38110, Celaya, Gto, México.
Tel. 01(461)85339, 85322, ext. 2047, Fax 01(461)85333,
hposada@altavista.net, asoria@mail.uniko.com.mx, lballesteros@mail.uniko.com.mx,
2
Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto Tecnológico de Celaya
Av. Tecnológico y Antonio García Cubas S/N, C.P.38010, Celaya, Gto, México.
Tel. 01(461)17575, ext. 206,207, Fax 01(461)17979
cmartin@itc.mx
RESUMEN
En el presente trabajo se analiza el comportamiento de un pistón automotriz,
evaluando las deformaciones y niveles de esfuerzos que resultan del proceso de
combustión, persiguiendo conocer también, el claro diametral que debe existir entre
el pistón y la pared del cilindro, al igual que la distribución de temperaturas. El
análisis formado por el pistón, anillos, cilindro, perno y refrigerante, acopla tanto las
cargas mecánicas como las térmicas. Se emplea el método del elemento finito como
técnica numérica de solución. Fueron utilizados como parámetros de entrada para la
simulación algunos valores de temperatura tomados de pruebas en dinamómetro.
Los resultados obtenidos ayudan a la optimización de la geometría del pistón e
incrementan la confiabilidad entre las simulaciones y pruebas.
INTRODUCCION
Uno de los retos para los fabricantes de pistones es la producción de un mismo
número de parte el cual sirva para diferentes aplicaciones, tal es el caso, en que el
cliente solicita un pistón el cual será ensamblado en un motor de tres, cuatro o cinco
cilindros, persiguiendo construir motores de mayor potencia y torque. Sin embargo,
no se cuenta con toda la información de los distintos sistemas de alimentación en
combustible y aire desconociendo así, los incrementos y efectos de la temperatura y
presiones generadas en el interior del motor.
Otra situación es la tendencia a la estandarización de algunos componentes de los
motores para distintas capacidades de motor, ejemplo de esto son, tres tipos de
motores como 5.0 , 5.7 y 6.0 litros en los cuales se pretende adquirir un pistón igual y
variar tanto el volumen de la cámara de combustión como posiblemente los sistemas
de admisión. Lógicamente se percibe una variación en las condiciones de operación
del pistón, de nuevo, se presenta principalmente interés sobre el conocimiento de las

2. temperaturas generadas bajo estas nuevas condiciones. Véase Figura 1 resultado de
una prueba en dinamómetro. Debido a que comúnmente en estos casos son diseños
conceptuales o prototipos, se carece de resultados de pruebas experimentales. Es
cuando surge la necesidad de apoyo sobre las simulaciones en computadora.
El presente estudio está enfocado principalmente a la obtención de la distribución de
temperaturas de un pistón a gasolina y su efecto en un análisis estructural de
elemento finito por variación de las propiedades mecánicas del material visualizando
los incrementos o variación en los niveles de esfuerzos y desplazamientos. Para
realizar una estimación más próxima a la realidad, se ha considerado el sistema
cilindro, anillos, pistón y perno.
Pistón Válvula
Figura 1. Falla por exceso de temperatura (Preignición).
NOMENCLATURA
hc, W/m2.K Coef. transf. calor convectivo S p , m/s velocidad promedio
h, W/m2.K Coef. transf. calor del aceite Nud, Número de Nusselt
B, m Diámetro del pistón , Relación de Poisson
d, m diámetro de la sección circular FL, Mpa Fuerza Lateral
r, m Radio del cigüeñal k, Coef. politrópico de los gases(1.3)
l, m Longitud de la biela K, W/m.ºK Conductividad térmica
k, W/m.K Conductividad térmica T, K Temperatura promedio
Pi, kPa Presión, P1,P2,P3,P4 , 1/ºK Coef. Expansión térmica.
P, kPa Presión máxima , Kg/m3 Densidad
Pxc, Pa Presión de carrera compresión E, N/m2 Módulo Elasticidad
PXe, Pa Presión de carrera expansión w, m/s Velocidad promedio local del gas
P1, Pa Presión de succión(admisión) C, Porcentaje de volumen muerto
Pi, KPa Presión instantánea del cilindro X, Porcentaje de volumen desplazado
2
C1 y C2 Constantes para cada periodo y, N/m Esfuerzo a la Cedencia
2
(wt), grados ángulo de giro del cigüeñal G, N/m Modulo Cortante
Vi, m3 Volumen, V1, V2, V3, V4 Vd, m3 volumen desplazado
Ti, °C Temperatura, T1, T2, T3, T4 HTC, W/m2C Coef. Treansf. Calor Convectivo
1. DECISION DE SIMULACION
Es obtener la distribución de temperaturas en el pistón, los esfuerzos, y
desplazamientos alcanzados. Como paso inicial, se desea simular el efecto de las
cargas mecánicas adicionando el efecto de la temperatura, para ello se han definido
las siguientes condiciones de operación. Ver Figura 2.

3. - Convección en la cabeza del pistón por la combustión, HTC1,T1.
- Fenómeno de conducción en el interior del pistón, K1.
- Fenómeno de conducción por contacto entre pistón y perno, K2.
- Conducción a través de los anillos, K3.
- Conducción a través del cilindro, K4.
- Conducción entre parte de falda y parte de cilindro en zona de Fuerza Lateral, K5.
- Convección con el aceite y el interior del pistón, HTC2, T2.
- Convección entre el aceite lubricante, HTC2, T2.
- Fuerza lateral, Presión.
Figura 2. Decisiones para simular .
2. CONDICIONES FRONTERA
Para ir formulando el análisis termo estructural, se comienza con la determinación de
las condiciones frontera a las cuales se pretende simular, ver Figura 3; Para la etapa
estructural se ha considerado la presión máxima y la reacción o fuerza lateral
previamente establecido por, (Shigley,1988),
2.1 Presión Máxima
Se propone obtener la curva de presión a través del giro del cigüeñal y tomar el valor
máximo.
a)Presión de succión o Admisión es 1 atm 1.0132X105 N/m2, trabajando de
{-360º a 180º),
b)Presión de compresión {-180º a 0º),
k
100 C
PXc P1 (1)
X C
c)Presión de expansión {0º a 1800º),
k
100 C
PXe PEmin (2)
X C
d)Presión de escape es igual a la del medio ambiente, 1atm 1.0132X105
N/m2 y esto es de {180º a 360º).

4. 2.2 Fuerza Lateral, Se calcula de la siguiente manera,
r r2
FL P sen wt (1 2
sen 2 wt ) (3)
l 2l
Para la etapa térmica está contemplada la determinación de los coeficientes de
transferencia de calor haciendo uso de la correlación de Woschni(1967) expuesta
también por Heywood(1988), HTC1. Véase Figura 5.
hc 3.26B 0.2
pi 0.8T 0.55
w0.8 (4)
Figura 5. Curva de Presión de un M.C.I.
MOTOR DE CUATRO TIEMPOS
Admisión Compresión Expansión Escape
1 2 3 4
-360º a -180º -180º a 0º 0º a 180º 180º a 360º
C1=6.18 C1=2.28 C1=2.28 C1=3.24E-3
C2=0 C2=0 C2=2.28 C2=3.24E-3
V1 V2 V3 V4
T1 T2 T3 T4
P1 P2 P3 P4
Pi [-360º a 180º) Pi [-180º a 0º) Pi [0º a 180º) Pi [180º a 360º)
Pm [-360º a 180º) Pm [-180º a 0º) Pm [0º a 180º) Pm [180º a 360º)
C1 S p C1 S p VT VT
C1 S p C2 d 3 Pi Pm C1 S p C2 d 4 Pi Pm
P3V3 P4V4
6.18S p 2.28S p Vd T3 3 Vd T4
2.28S p 2.28 Pi Pm 3.24x10 3 S p 3.24x10 Pi Pm
P3V3 P4V4
Tabla 1:Determinación de la velocidad promedio local según giro del cigüeñal.
En ella se involucra una temperatura promedio T1, determinada por un análisis
termodinámico desarrollado por Stone,(1993), Para completar es también necesario
conocer la temperatura del aceite como la del refrigerante.
Para la determinación del coeficiente HTC2, se sugiere hacerlo en una proporción del
60% de HTC1 (Tzabari et al, 1990). La correspondiente temperatura T2 fue medida
del aceite del cárter .
En el caso del coeficiente de transferencia de calor HTC3 se supone la correlación de
tubos se sección circular constante(Holman, 1996).

5. Nu d k
h (5)
d
La medición de temperatura del aceite en la pared del cilindro resultó ser T3.
Finalmente queda definir la conductividad térmica en función de los materiales para
K1(Aluminio del Pistón), K2(Acero del perno), K3(Acero de los anillos), K4(Fierro
del cilindro o monoblock), y K5(Contacto en lado de apoyo del pistón sobre el
cilindro).
3. ANALISIS DE ELEMENTO FINITO
Se construyó un modelo siguiendo el orden de la Figura 4. La manera como se
acoplan las cargas mecánicas y coeficientes de transferencia de calor es empleando el
módulo "Heat Transfer y Linear Statics" posteriormente se crean las rutas entre los
componentes usando un módulo especial llamado TMG Thermal analysis capaz de
enlazar el sistema por medio de los elementos "Thermo couplings". El software
comercial que se uso para resolver la simulación fue IDEAS Master Series.
Figura 3. Condiciones Frontera Figura 4. Análisis Elemento Finito.
3.1 GEOMETRIA
En lo que respecta al análisis de elemento finito(FEA), fueron modelados el cilindro,
pistón y perno, para los anillos, no fue necesario debido a que el software empleado
tiene la capacidad de hacer rutas de flujo de calor a través de Termo-coples y no es
necesaria la geometría.
3.2 MATERIALES
Las propiedades de los materiales de los componentes empleados en la simulación,
están definidas en la Tabla 2 y Tabla 3.
MATERIAL PISTON PERNO ANILLOS
Propiedad 1ª.Ranura 2ª.Ranura 3ª.Ranura
Símbolo Unidades M124 ACERO PC 110-204 PC 110 PC 110
E N/m2 8.5665E+10 2.065E+11 - - -
*(adimensional) 0.31 0.29 - - -
Kg/m3 2826 7840 - - -
G N/m2 3.2696E+10 8.0039E+10 - - -
1/ºK 2.0816E-05 1.3E-05 1.17E-05 1.08E-05 1.08E-05
k W/(m.K) 224.50 74.587 32 47 47
y N/m2 2.25E+08 6.7581E+08 - - -
Tabla 2: Propiedades físicas de los materiales.

6. Propiedad CILINDRO
Símbolo (Monoblock)
E 1.8E+08 N/m2
0.33*(adimensional)
7350 Kg/m3
G 7.58423E+10 N/m2
1.3E-05 1/ºK
k 46 W/(m.K)
y 7.52E+08 N/m2
Tabla 3: Propiedades físicas de los materiales.
CASO DE ESTUDIO
Para aplicar la estrategia de simulación se presenta el siguiente caso de estudio:
Diámetro pistón: 101.6 mm
Carrera: 88.392 mm
Longitud biela: 101.725 mm
Relación compresión: 9.4:1
Rel. aire/combustible: 25
Numero cilindros: 8
Velocidad máxima: 5400 r.p.m.
Presión pico: 70 bar
Potencia: 250HP@4600rpm
Como resumen de las condiciones frontera de la figura 2, se agrupan en la Tabla 4.
Presión 7.0 MPa Fuerza Lateral 4.941 MPa
HTC1 500 W/m2C T1 893 ºC
2
HTC2 300 W/m C T2 110 ºC
HTC3 2400 W/m2C T3 115 ºC
K1 224.5 W/mK T4 115 ºC
K2 74.587 W/mK K4 46 W/mK
K3 32 W/mK K5 224.5 W/mK
Tabla 4. Resumen de condiciones frontera.
RESULTADOS
A
B
C
Min: 115ºC Min: 115ºC
Máx: 252ªC Máx: 252ªC
Figura 6. Temperatura. Figura 7. Temperatura.
Se desarrollo la simulación para los componentes cilindro, pistón, anillos, y perno,
como primer resultado se obtuvo la distribución de temperaturas en el sistema
completo, ver Figura 6.

7. El interés está puesto sobre el pistón y se realizan tres mediciones de temperatura
para compararlas con las obtenidas por el método experimental de "templug". Ver
Tabla 5
Punto Prueba Experimental Simulación Variación
Cilindro 1(Templug) %
A 246 °C 252 °C 2.4
B 172 °C 170 °C 1.2
C 178 °C 171°C 3.9
Tabla 5. Comparativo entre simulación y Templugs.
D
Min: 5.19E-05mm (0.0000519mm). Min: 1.00E+06 Pa (1 MPa).
Máx: 2.68E-04mm (0.000268 mm). Máx: 3.31E+08 Pa (331 MPa).
Figura 8. Desplazamientos. Figura 9. Esfuerzos Von Mises.
Los desplazamientos son indicados en la Figura 8. El esfuerzo máximo se presenta
en el punto D de la Figura 9 que corresponde al barreno de perno del pistón en la
cara superior y con un valor de 331 Mpa.
Se realizaron dos tipos de simulaciones, la primera no contempla la temperatura
Figura 10 y la segunda que si la considera, Figura 11. Con ello, se midieron ciertos
elementos y se realiza una comparación directa entre ellos. Ver Tabla 6.
E E
F F
G G
H H
I I
J J
K K
Figura 10. Esfuerzos Von Mises Figura 11. Esfuerzos Von Mises
Sin efecto de temperatura. Con efecto de temperatura.

8. No. Elemento Valor Valor Variación
Punto (Malla) Sin efecto Térmico Con efecto térmico %
[MPa] [MPa]
E 221 64.3 110 71.1
F 3 31.5 33.5 6.3
G 5854 58.2 41.4 28.9
H 13002 133 311 133.8
I 12874 115 276 140
J 14095 147 163 10.9
K 13519 46.1 118 156
Tabla 6. Comparación de Esfuerzos con y sin efecto de la temperatura.
CONCLUSIONES
El método analítico descrito en esta publicación, ha logrado una aproximación
cercana a los resultados de distribución de temperatura en el sistema del pistón
obtenidos también por el método experimental de templugs, ya que se tiene una
variación menor al 4%. Con esto incrementa la confiabilidad de las simulaciones y
pruebas. Respecto a los niveles de esfuerzos alcanzados, el contemplar la presencia
de la temperatura, permite variaciones hasta el orden de un 150% y estos datos no
son visualizados en una simulación estructural común. Además, el valor máximo de
esfuerzo aparece en otra zona, con esto, surge otro criterio de diseño y así poder
disminuir la incertidumbre de diseño.
Este tipo de simulación resulta ser una herramienta en el desarrollo de pistones y
prototipos.
AGRADECIMIENTOS
-Se hace un reconocimiento al Centro de Desarrollo Tecnológico de Pistones
MORESA S.A. de C.V. por la aportación de las pruebas experimentales y el
desarrollo del presente proyecto.
-Se agradece el apoyo brindado por CONACyT(Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología).
REFERENCIAS
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Graw Hill. pp. 488-506. ISBN 968-451-297-X.
WOSCHNI, G. (1967). A Universally Applicable Equation for the Instantaneous
Heat Transfer Coefficient in the internal Combustion Engine. SAE Paper No.670931.
HEYWOOD, J.B. (1988). Internal Combustion Engines Fundamentals. Mc Graw
Hill. pp. 43-46, 668-701. ISBN 0-07-100499-8.
STONE, R. (1993). Introduction to Internal Combustion Engines. SAE International,
Warrendale, PA. pp. 27-31. ISBN 1-56091-390-8.
TZABARI, Y., GUTMAN, M., STOTTER, A., BRANDON, D. (1990). Ceramic
Piston Cup: Design and Testing. SAE Paper No. 900402.
HOLMAN, J.P. (1996). Transferencia de Calor. CECSA. pp. 218, 230, 256-265,
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