¿Por qué utilizar pistones de acero en motores diésel?

Pistón de aluminio (izquierda) contra pistón de acero (derecha) de motores diésel Mercedes-Benz

En el sector de los vehículos industriales el uso de pistones de acero no es ninguna novedad, pero sí lo es relativamente en turismos diésel. Tradicionalmente -desde los años 20- se han estado utilizando pistones de aluminio, un material de menor densidad que el acero, y que se utiliza a veces para aligerar peso respecto al acero.

Pero las técnicas metalúrgicas no paran de avanzar, y el acero aún tiene mucho que decir, sobre todo en el corazón de los motores. MAHLE presentó en el Salón de Frankfurt de 2011 nuevos pistones de acero destinados a motores diésel para turismos, con especificación 42CrMo4, más rígidos y resistentes que el aluminio.

Renault los introdujo en los motores diésel 1.5 y 1.6 a partir de 2014

Las propiedades del aluminio son muy interesantes. En el motor diésel los pistones sufren grandes esfuerzos mecánicos y de temperatura, y se les presupone una elevada vida útil. Mediante los pistones de acero la fiabilidad aumenta, ya que es un material que resiste mejor la fatiga a largo plazo.

Además, el acero se dilata menos, por lo que se pueden arrimar más las camisas al pistón.

Pistones de acero MAHLE

En principio eso es bueno, pero tiene un efecto secundario. Como el acero resiste el calor mejor, el aceite se convierte en el punto débil del sistema. A temperaturas a las que el acero aguanta, algunos aceites no, por lo que es necesario elegir muy bien el tipo de aceite para que no se pierdan sus propiedades lubricantes y refrigerantes.

Con acero de alta resistencia, se puede hacer un pistón más chato, por lo que se pueden conseguir dos beneficios, o uno u otro:

• Se rebaja la altura de la culata: esos milímetros que se ganan al pistón pueden derivar en motores de menor altura, por lo que se pueden rebajar los capós o colocar los motores más abajo, mejorando el centro de gravedad del coche.
• Se aumenta la longitud de la biela: de esta forma las fuerzas laterales se reducen, por lo que hay menos necesidad de balancear el motor para que sea confortable, ergo se ahorra peso y fricciones mecánicas en componentes internos.

Por otro lado, la unión pistón-biela puede ser más pequeña.

Al rebajar la altura del pistón la biela puede ser más larga, reduciendo las fuerzas laterales y por tanto las vibraciones

También son más ligeros que el aluminio a pesar de su mayor densidad por unidad de volumen. Menos peso implica menos carga para el cigüeñal y el resto del motor. Por otro lado, al reducir la altura del pistón también se reduce la fricción entre el pistón y las camisas, por lo que se ahorra energía. Poco a poco, se va logrando un ahorro en varios frentes.

La combustión es un poco más rápida con acero por su menor conductividad térmica

De acuerdo a los proveedores MAHLE y Kolbenschmidt se pueden conseguir ahorros de combustible entre un 3 y un 5% respecto a los pistones de aluminio, que en un motor diésel corriente, con una homologación cercana a 4,5 l/100 km, supone una reducción de hasta 0,25 l/100 km. Puede parecer muy poco, pero a lo largo de la vida útil del motor es mucho combustible.

Por ejemplo, Mercedes-Benz empleó pistones de acero en el E 350 BlueTEC en 2014, logrando 258 CV. El motor de la generación previa, que daba la misma potencia, consumía un 3% más con pistones de aluminio. También se reducen un poco las emisiones, ya que el gasto de aceite es menor y se quema menos en la cámara de combustión.

Comparativa de rendimiento entre pistones de aluminio y de acero, aproximadamente un 3% menos de consumo con los últimos

Varios fabricantes están detrás de esta tecnología para incorporarla a sus motores diésel. Por ejemplo, el proveedor Kolbenschmidt producirá a partir de 2019 pistones de aluminio para un fabricante Premium (no se ha querido mencional) que tiene motores diésel de seis cilindros, en una planta dentro de la República Checa. Podría ser Audi, Jaguar, BMW...

SIn embargo, hay que considerar algunas desventajas. Es más caro producir estos pistones debido a los útiles necesarios, y también hay que invertir más en desarrollo para lidiar con la alta concentración de temperatura que soporta el aceite entre las camisas del cilindro y el pistón, efecto secundario de la menor conductividad térmica del acero.

Al motor de combustión no le queda mucho de vida, dos o tres décadas de liderazgo, pero los fabricantes tienen que sacar ahorro de cualquier lado. A pesar de que el diseño básico de los motores de combustión interna tiene más de un siglo, pequeñas mejoras pueden tener efectos positivos en el rendimiento, desde el componente más básico hasta el más sofisticado.