Material exclusiv pentru abonați
Pistonul este una din cele mai importante piese din componența motorului cu ardere internă. Pistoanele din oțel sunt din ce în ce mai des utilizate din nou în motoarele diesel. Acest lucru crește eficiența și performanța.
Sarcinile pistoanelor din motor sunt variate și solicitante: etanșează camera de ardere, trebuie să transfere lucrul generat de ardere către bielă și să alunece extrem de ușor în cilindru. De asemenea, trebuie să reziste unei presiuni masive de ardere la temperaturi ridicate.
Dacă presupunem că o forță de cinci până la șase tone acționează asupra coroanei pistonului unui motor diesel la o presiune a gazului de 90 bar, ne putem imagina sarcinile la care este expus un astfel de piston. Marginea cuvei trebuie să suporte cele mai mari solicitări termice și chimice. Iar acestea cresc și mai mult prin reducerea dimensiunilor. Acest lucru se datorează faptului că componentele sunt supuse unor solicitări mult mai mari ca urmare a capacității cilindrice reduse pentru aceeași putere de ieșire. În viitor, se vor utiliza cu siguranță mai multe pistoane din oțel în motoarele diesel de dimensiuni reduse. Acest lucru se datorează faptului că experții presupun că presiunea de aprindere în viitoarele motoare va fi semnificativ crescută. Cu toate acestea, din cauza obiectivelor politice actuale, este puțin probabil ca noi motoare diesel să mai fie dezvoltate pentru autoturisme. O eră lungă se apropie de sfârșit. Situația este diferită în cazul vehiculelor comerciale, unde trecerea la propulsia fără CO2 este încă departe.
Pe piața mondială există trei jucători importanți care produc peste 50 % din totalul pistoanelor: Mahle, Kolbenschmidt și Federal Mogul. Având în vedere că legislația europeană prevede interzicerea motoarelor cu combustie din 2035, aceste companii își relocalizează capacitățile de dezvoltare și producție în alte țări, cum ar fi China sau SUA.
Elementele pistonului:

Deși poate părea o componentă relativ simplă pentru profani, pistonul este de fapt rezultatul unui design complex bazat pe peste 100 de ani de experiență și optimizare.
Acest lucru poate fi observat în multitudinea de detalii prezentate în imaginea în secțiune a unui piston simplu de motor diesel.

Tensiunea asupra pistonului:
Cerințele au crescut în ultimii ani. Presiunile mai mari ale cilindrilor impun o sarcină mecanică mult mai mare asupra pistoanelor și cilindrilor. Presiunile cilindrilor pentru motoarele pe benzină au crescut de la 65-85 bar în urmă cu câțiva ani la 80-100 bar în prezent. Chiar și presiuni maxime de 120 bar pentru motoarele supraalimentate pot fi găsite la Audi, Mercedes și Stellantis (Peugeot și Citroën), de exemplu.
Pentru pistoanele diesel, care trebuie deja să facă față unei presiuni de vârf mai mari, de 160-180 bar în prezent în sine, aceasta ar putea crește la 230 bar în viitor. În cazul motoarelor moderne DI turbo CDI/PDI pentru vehicule comerciale, se observă deja presiuni de combustie de peste 200 bar.
Reducerea dimensiunii necesită un randament mai mare pe litru. Prin urmare, motoarele diesel au presiuni cilindrice de până la 200 bar, iar presiunea motoarelor pe benzină este, de asemenea, în creștere.

Prin urmare, dezvoltatorii de pistoane sunt extrem de critici cu privire la creșterea performanțelor prin reglarea cipurilor în ceea ce privește durata de viață a pistonului. Mai ales dacă tuningul nu este efectuat în mod profesional.
În cursul dezvoltării, puterea pe litru a crescut de la 50 la 65 kW/litru. Acest lucru solicită mult pistonul. Presiunile ridicate și forțele de inerție deformează pistoanele minim în timpul funcționării, dar destul de măsurabil.
Pistonul este deformat de presiunea gazului și de tensiunea dinamică. În Fig. 4, deformarea este clar amplificată.

Imaginea de mai sus arată deformarea unui piston în timpul funcționării într-o simulare computerizată. Acestea sunt însă semnificativ amplificate la scară, deoarece în realitate pistoanele se deformează doar cu aproximativ 18 µm în timpul funcționării – adică aproximativ două sutimi de milimetru.
Atunci când primele pistoane din aluminiu (Al) au fost utilizate în motoarele cu combustie în 1920, majoritatea dezvoltatorilor de motoare erau convinși că acest material nu va putea rezista niciodată temperaturilor ridicate din camera de combustie. În cel mai bun caz, aluminiul era potrivit pentru utilizarea ca folie de ambalaj pentru ciocolată. Dezvoltatorii de motoare au demonstrat contrariul. Faptul că, în prezent, numai Mahle produce anual peste 100 de milioane de pistoane din aluminiu în întreaga lume arată că aluminiul poate face mult mai mult decât se aștepta inițial.
Materialul pistonului s-a schimbat în ultimii zece ani. În trecut, erau utilizate materiale hipereutectice cu o rezistență la temperatură de până la 250° C. În prezent, adăugarea de cupru și nichel la aliajul de bază din aluminiu produce o rezistență la temperatură de peste 250° c.
Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că pistonul se topește la temperaturi sporadice de până la 390 de grade. Temperatura de topire a aliajelor de aluminiu-siliciu este de 677° C. Cu toate acestea, pistonul își pierde din rezistență. Deteriorarea pistonului poate fi prevenită prin acoperirea zonelor cu cele mai mari solicitări ale pistonului. De exemplu, marginea cavității este anodizată dur.
Pistonul din aluminiu cu canal de răcire pentru un motor diesel. Are o cavitate și un suport de inele din oțel. Coroana pistonului și marginea cuvei sunt anodizate. Butucul axului pistonului este întărit cu bucșe din alamă (vezi Fig. 1).
Prin prelucrarea suprafeței pistonului cu ajutorul unor electroliți speciali, se creează un strat ceramic de oxid de aluminiu cu o grosime între 40 și 80 µm.
Zona foarte solicitată a inelului, în special canelura din jurul inelului de compresie, este anodizată dur. În tehnologiile mai noi, pistoanele sunt uneori întărite cu fibre ceramice turnate. Cu toate acestea, deoarece aceste fibre fac pistoanele mult mai scumpe, utilizarea lor este valabilă doar pentru motoarele diesel mai mari.
Pistoanele noi par mai delicate decât cele vechi, foarte solide. În special în cazul motoarelor diesel moderne, pistoanele din oțel înlocuiesc pistoanele din aluminiu, de exemplu în cazul motorului diesel Mercedes de doi litri OM 654.
Odată cu introducerea OM 654, Mercedes trece de la un piston din aluminiu la unul din oțel (Fig. 5, stânga). Diferențele sunt clare.

Cu ajutorul nervurilor, pereții pot fi ușori, păstrând în același timp aceeași deformare. Nervurile garantează rigiditatea în zonele pistonului care sunt supuse unor tensiuni ridicate.
Mahle calculează că pistoanele au devenit cu 30% mai ușoare în acest mod în ultimii zece ani. Dezvoltarea în aceeași direcție a început și în cazul bielelor, deși presiunile maxime au crescut.
Frecarea dintre piston și peretele cilindrului:
Pistonul este presat de peretele opus al cilindrului datorită poziției înclinate alternante a bielii. Această presiune generează o frecare crescută, la care fusta pistonului trebuie să fie capabilă să reziste. Acesta este motivul pentru care pistoanele primesc diferite acoperiri care reduc frecarea.
În timp ce în trecut se foloseau în general pistoane din fontă, modelul Chevrolet Vega dezvoltat în anii 1970 folosea pistoane acoperite cu fier în motoare din aluminiu. Acesta a fost momentul nașterii perechii inverse. Totuși, din motive legate de materiale, descoperirea majoră nu s-a materializat în acel moment.
Porsche 911 are un motor fabricat din aliaj de aluminiu hipereutectic și pistoane acoperite cu fier. Pistoanele motoarelor BMW cu opt și doisprezece cilindri sunt feritizate galvanic cu sare de fier. Aceasta creează un strat de fier cu grosimea de 10 până la 15 µm, care asigură o protecție indestructibilă pentru piston. Stratul de fier conferă pistoanelor un luciu auriu atunci când sunt noi.
Pistoanele diesel sunt acoperite cu straturi de molibden sau primesc un strat de rășină sintetică. Stratul de grafit este lipit cu rășină fenol-cressol, iar cel de molibden cu rășină epoxidică. Toate acestea reduc frecarea și măresc durata de viață a pistonului.
Producerea zgomotului:
Aproape de punctul mort superior, poziția înclinată a bielii se modifică. Ca urmare, fusta pistonului este presată de celălalt perete al cilindrului, ceea ce se numește o schimbare de contact.
Pistonul trebuie să se asigure că presiunea gazelor poate transfera cât mai multă energie către bielă și astfel către arborele cotit în timpul funcționării. Deoarece biela exercită o forță laterală ridicată asupra pistonului în timpul mișcării descendente a pistonului din cauza presiunii de lucru ridicate, aceasta este denumită partea de presiune. Înainte de momentul aprinderii, pistonul se află pe partea de contrapresiune. La punctul mort superior, pistonul se înclină foarte ușor de la partea de contrapresiune la partea de presiune. Acest lucru cauzează zgomot.
Dacă ar exista deja o presiune ridicată în camera de ardere, pistonul s-ar înclina destul de violent de pe o parte pe alta. Totuși, acest lucru trebuie prevenit.
Dezaxializarea pistonului:

Cu cât este mai mare jocul pistonului, cu atât mai „vioaie” este lovitura pistonului. Acesta este motivul pentru care axa bolțului este decalată în direcția părții de presiune. Ca urmare, sistemul este schimbat mai devreme înainte de PMS, când pistonul nu este încă expus la presiunea de combustie. Un proces care a fost utilizat încă din 1954.
Prin dezaxializarea la partea de presiune, pistonul trece la partea de contact înainte ca presiunea să crească în poziția de aprindere și reduce zgomotul rezultat (Fig. 6)
La motoarele pe benzină, aproximativ un procent este dezaxializat la partea de presiune. Dezaxializarea unui piston de 80 mm este deci de 0,8 mm. Pistoanele diesel sunt dezaxializate cu 0,5 % pe partea de presiune. Cu toate acestea, din motive tribologice și pentru disiparea căldurii, unele motoare utilizează dezaxializarea și pe partea de contrapresiune.
Cu cât jocul pistonului în cilindru este mai strâns, cu atât zgomotul de înclinare este mai redus. Cu toate acestea, dacă jocul este foarte strâns, pistonul din aluminiu, care se dilată mai mult, și cilindrul din fontă cenușie, care se dilată mai lent, pot face ca pistonul să se dilate mai mult decât cilindrul sub sarcini mari. Dacă această expansiune depășește jocul de rulare, apare lipirea pistonului. Datorită experienței lor de zeci de ani, producătorii de motoare au atât de multă expertiză încât sunt capabili să găsească combinația perfectă de materiale pentru cilindru și piston. Lipirea pistonului este practic inexistentă în cazul motoarelor în serie.
Canale de răcire pentru pistoane diesel:
Coroana pistonului absoarbe atât presiunea, cât și căldura de ardere. Atunci când un piston se încălzește, circumferința sa se dilată mai mult în punctele fierbinți decât în punctele mai puțin fierbinți. Prin urmare, diametrul pistonului este redus prin strunjire fină la nivelul peretelui de protecție, acolo unde se încălzește cel mai mult. Acesta este motivul pentru care pistoanele au o formă de coroană. Ca urmare, uleiul este mai bine atras în spațiul de lubrifiere și nu este împins de o margine componentă a pistonului în timpul mișcării.
Deoarece distribuția termică a pistonului scade de la masă spre fustă, pistonul are un diametru mai mic la fustă.

Sursa foto © Motor Service International
La pistoanele diesel cu cavitate, marginea cavității se încălzește cel mai mult. Astfel de pistoane sunt adesea răcite cu ulei pulverizat de jos.
Canalele de răcire sunt necesare pentru disiparea căldurii de la pistonul unui motor diesel. Uleiul este injectat în acestea (Fig. 7).
Acest ulei este agitat înainte și înapoi într-un canal de răcire prin mișcarea pistonului.
Prin inversarea direcției de mișcare, fluxul de ulei este transportat prin canalul de răcire, îmbunătățind astfel răcirea (Fig. 8).

Canalele de răcire au o funcție de agitare. Mișcarea ascendentă și descendentă a pistoanelor transportă uleiul de la orificiul de intrare către orificiul de ieșire, disipând astfel căldura de sus în jos. Dacă suportul inelului este răcit, temperatura la marginea jgheabului scade de la 386 la 380° C.
Forma pistonului:

Pistonul rece este sferic și ușor oval. Acesta devine cilindric numai la temperatura de funcționare. Pistonul se dilată mai mult în zonele fierbinți. Acesta este motivul pentru care zona inelară este ușor răsucită, rezultând un diametru ușor mai mic în aceste puncte. După cum se poate observa din comparația dintre motoarele pe benzină și cele diesel din Fig. 9, pistonul motorului pe benzină trebuie să facă față unei sarcini termice ușor mai mici.
Comparația dintre motoarele pe benzină și cele diesel arată că la pistoanele motoarelor diesel predomină temperaturi enorme la nivelul coroanei pistonului. Peretele de protecție este cel mai încălzit în ambele tipuri de motoare, motiv pentru care se dilată foarte puternic.
Pistoanele primesc forma lor fină prin procesul de prelucrare fină a matriței. Canelurile mici create de piston sunt capabile să absoarbă particulele de uzură. Vârfurile sunt șlefuite, iar pe platouri este creată o suprafață portantă.
Criterii de proiectare:
Proiectarea pistonului pentru un semi-slipper cu greutate optimizată este descrisă în următoarele reguli de proiectare. Spre deosebire de un piston de curse (alunecător), un piston cu jumătate de alunecare are o suprafață de contact semnificativ mai mare pe fusta pistonului, ceea ce înseamnă că schimbarea de contact este mai silențioasă.
Grosimile pereților sunt optimizate pentru a reduce greutatea și a rezista în continuare la deformare. De exemplu, o fustă asimetrică asigură utilizarea mai multor materiale pe partea de presiune pentru stabilitate dimensională.
Coroana pistonului este susținută prin turnare complexă folosind pereți înclinați ai cutiei. Comparativ cu pistonul cu fustă completă, forma pereților laterali permite spații libere mari pentru a economisi greutate în spatele câmpului inelar. Conturul miezului interior urmează forma bazei, optimizând astfel grosimea bazei. Butucul șurubului este poziționat spre interior prin cutia îngustă. Acest lucru permite un știft scurt, care economisește greutate, la fel ca și suportul trapezoidal al butucului. Fig. 10 prezintă o selecție de pistoane de diferite modele.

Presiunile actuale mai mari ale cilindrilor necesită coroane de piston mai groase. Pistoanele de control, care au devenit ovale la rece și rotunde la cald, în special în anii 1980, din cauza inserării benzilor de oțel și a efectului bimetalic rezultat, își pierd astfel eficiența. Efectul bimetalic înseamnă că aluminiul și oțelul sunt unite. Deoarece aluminiul se întinde mai mult decât banda de oțel, bimetalul se îndoaie în partea laterală a benzii de oțel. Prin urmare, peretele pistonului, în spatele căruia se află banda de oțel, se îndoaie mai mult atunci când pistonul este fierbinte. Pistoanele actuale nu mai pot fi deformate prin efectul bimetalic; coroana pistonului este pur și simplu prea rigidă pentru aceasta.