Grupul piston

    Atunci când vorbim despre un motor nu putem afirma că o anumita piesa este cea mai importantă sau cel mai puțin importantă. Fiecare piesa are rolul ei fără de care funcționarea motorului ar fi imposibilă sau nu ar mai respecta performanțele impuse. Cu toate acestea pistonul unui motor cu ardere internă ocupă un loc aparte datorita rolului pe care-l are și datorită solicitărilor complexe la care este supus. Pentru un motor cu ardere internă, pistonul este "călcâiul lui Achile", deoarece puterea motorului este limitată de rezistența pistonului la solicitările termice și mecanice.

    Pistonul este un organ mecanic, în mișcare alternativă de translație, care, împreuna cu piesele care-l însoțesc (segmenții și bolțul), îndeplinește următoarele funcții:

  • realizează variația de volum în interiorul cilindrului
  • asigură evoluția fluidului motor în cilindru (admisia și evacuarea gazelor)
  • ghidează mișcarea bielei transmițând în același timp forțele de presiune ale gazelor
  • asigură etanșeitatea cilindrului, împiedicând scăpările de gaze și pătrunderea uleiului în exces
  • contribuie la evacuarea căldurii rezultate în timpul arderii

Piston de motor diesel

Foto: Piston de motor diesel
Sursa: Wikimedia Commons

    Parțile componente ale unui piston sunt:

  1. capul pistonului
  2. regiunea port-segmenți
  3. mantaua/fusta pistonului

    Capul pistonului este cea mai solicitată zona din punct de vedere termic deoarece vine în contact cu gazele de ardere și în același timp preia forțele de presiune. În funcție de tipul motorului cu ardere internă (benzină sau motorină) capul pistonului are diferite forme: plat, bombat sau să conțină o parte din camera de ardere.

    Regiunea port-segmenți conține trei canale în care sunt montați segmenții. Primul segment, cel mai apropiat de capul pistonului, se numește segmentul de compresie/foc (a), al doilea se numește segment de etanșare (b) iar al treilea segment de ungere/raclor (c). Legătura pistonului de bielă se realizează cu ajutorul bolțului montat în umerii pistonului numiți și locașurile bolțului (d).

Particularități constructive ale pistonului

    La o examinare cu ochiul liber forma pistonului pare cilindrica, dar nu este perfect adevărat. Pistoanele sunt făcute din materiale metalice: aluminium, otel și în unele cazuri fontă. Deoarece aceste materiale au coeficient termic de dilatare, este clar că dimensiunile pistonului nu sunt fixe ci variabile, în funcție de temperatură.

Conicitatea pistonului

Foto: Conicitatea pistonului (desenat exagerat).
Sursa: e-automobile.ro

    Astfel, pentru ca pistonul să se poată deplasa în cilindru, între piston și cilindru trebuie să existe un joc. Acest joc este mai mare când motorul este rece și scade pe măsură ce temperatura crește.

Deformarea termică a pistonului

Foto: Deformarea termică a pistonului (desen exagerat).
Sursa: e-automobile.ro

    Dilatarea termică a pistonului nu este uniformă, este mai mare în zona capului pistonului datorită cantității mai mare de material. Nici distribuția temperaturii în corpul pistonului nu este uniforma, fiind mai mare în zona capului și mai mică în partea inferioară, în zona mantalei. Din acest motiv forma pistonului trebuie sa fie ușor conică, pentru ca prin dilatare sa devina cilindrică.

Deformarea eliptică a pistonului

Foto: Deformarea eliptică a pistonului (desen exagerat).
Sursa: e-automobile.ro

    Datorită forței de apăsare a pistonului pe locașurile bolțurilor și a dilatării termice, mantaua pistonului se deformează, luând forma unei elipse, cu axa mare dispusă după axa bolțului. Dacă axa mare a elipsei este mai mare decât alezajul cilindrului, apare pericolul de gripare/blocare a pistonului în cilindru. Din acest motiv mantaua pistonului nu este continuă ci este decupată în zonele de sub axa bolțului.

Poziționarea axei pistonului în raport cu axa cilindrului

Foto: Poziționarea axei pistonului în raport cu axa cilindrului (desen exagerat).
Sursa: e-automobile.ro

    Jocul diametral de montaj al pistonului, în timpul funcționării motorului, induce un efect de basculare în jurul bolțului. Acest efect se produce cu șoc, cilindrul intra în vibrație și apar zgomote caracteristice numite "bătaia pistonului". Pe lângă efectul acustic neplăcut, "bătaia pistonului" intensifică efectul de uzură al pistonului și a segmenților. Pentru a diminua acest efect de basculare, fără a modifica jocurile diametrale, se practică decalarea axei pistonului în raport cu axa cilindrului.

Diferențele dintre pistoanele motoarelor pe benzină și diesel

    Un motor diesel se remarcă prin faptul ca presiunea gazelor din cilindru are valori mult mai mari decât în cazul unui motor pe benzină. Pentru motoarelor pe benzină presiunea maximă ajunge în jurul valorii de 60 – 90 bari în timp ce pentru motoarele diesel ajunge până la 130 – 160 bari. Acest lucru impune motoarelor diesel utilizarea unor piese mecanice care au o rezistență mult mai mare.

Tipuri de pistoane

Foto: Tipuri de pistoane
Sursa: Wikimedia Commons

    Motoarele diesel moderne, cu injecție directă, au camera de ardere în capul pistonului, injectorul fiind poziționat central, deasupra pistonului.

    De reținut faptul că un piston de motor diesel, în comparație cu pistonul motorului pe benzină, este mai robust, are mantaua mai înaltă și conține camera de ardere în capul pistonului. Dezavantajul este că robustețe mai mare înseamnă masă mai mare. Acesta este unul dintre motivele pentru care turația maximă a unui motor diesel este mai mica, în general cu 2000 – 2500 rot/min, decât cea a unui motor pe benzină. Toate piesele în mișcare ale unui motor diesel au masa mai mare și deci, implicit, inerții mai mari. Turațiile maxime, de nivelul unui motor pe benzină, nu sunt posibile la un motor diesel deoarece induce șocuri și vibrații foarte mari ce pot conduce la avarierea parțială sau totală a motorului.

Încărcarea termică a pistonului

    O parte din căldura rezultată în urma arderii este evacuată prin intermediul pistonului. Cea mai mare parte a căldurii se evacuează prin regiunea port-segmenți (70%), la nivelul mantalei se evacuează în jur de 25% iar restul se transmite bolțului, bielei, gazelor de carter și uleiului. Distribuția temperaturii la nivelul pistonului depinde în mare măsura de arhitectura acestuia. Pentru un pistonul cu capul plat maximul temperaturii se atinge în centrul pistonului și scade spre extremități.

    Nivelul maxim de temperatură depinde de regimul de funcționare al motorului. Temperatura poate crește în două moduri:

  • prin creșterea sarcinii, datorită cantității mai mare de combustibil introdus în cilindru;
  • prin creșterea turație, datorită numărului mai mare de cicli efectuați în unitate de timp.

Nivelul de temperatură al pistonului în funcției de turație

Foto: Nivelul de temperatură al pistonului în funcției de turație
Sursa: e-autmobile.ro

    Pentru o mai bună înțelegere a distribuției de temperaturi pe corpul unui piston, în etapa de proiectare a unui motor, se face cu ajutorul stațiilor grafice o analiză cu element finit. Pistonul, modelat tridimensional este supus acțiunii unei surse de căldură, de unde rezultă distribuția temperaturilor:

Distribuția temperaturilor în corpul pistonului

Foto: Distribuția temperaturilor în corpul pistonului.
Sursa: f1technical.net

  1. 267 °C
  2. 235 °C
  3. 226 °C
  4. 218 °C
  5. 191 °C

    În concluzie pentru a limita încărcarea termică a unui piston motorul ar trebui să funcționeze la turații și sarcini cat mai joase.

Tehnologii avansate aplicate pistoanelor

Injecție de ulei în capul pistonului

    Mai mulți producători de motoare utilizează injectoare de ulei pentru fiecare piston în parte pentru a facilita răcirea acestora. Injectoarele sunt montate pe blocul motor, și injectează ulei într-un orificiu aflat în capul pistonului.

Injector de ulei pentru piston

Foto: Injector de ulei pentru piston
Sursa: General Motors

    Ulei injectat în capul pistonului este evacuat prin orificii circulare eliminând astfel căldura acumulată în piston.

Protecție termică a capului pistonului (Federal Mogul – Thermoshield)

    Începând cu anul 2006 Federal Mogul a demarat comercializarea pistoanelor Thermoshield, destinate motoarelor de puteri mari. Inovația constă în acoperirea capului pistonului cu un strat ceramic care suporta temperaturi de până la 1093 °C având durabilitate sporită în comparație cu pistoanele obișnuite.

Pistonul Thermoshield

Foto: Pistonul ThermoshieldTM
Sursa: Federal Mogul

    Procedeul constă într-o acoperire electrolitică specială ce transformă suprafața pistonului într-un complex ceramic cu înaltă rezistență mecanică și termică. Aceasta tehnologie se poate aplica și pentru canalul segmentului de foc, în acest fel evitându-se microsudurile dintre piston și segment.

Pistoane din oțel (Federal Mogul – Monosteel)

    În anul 2006, în cadrul unei ceremonii organizate pe 3 Aprilie la Detroit, compania Federal Mogul primește premiul PACE pentru inovație, avans tehnologic și performanță în afaceri. Acest premiu se acordă furnizorilor din industrie care produc, procesează sau oferă servicii producătorilor de automobile.

Pistonul Monosteel

Foto: Pistonul Monosteel
Sursa: Federal Mogul

    La categoria produs, pistonul Monosteel a fost desemnat câștigător. Tehnologiile inovative ce stau la baza pistonului Monosteel contribuie la îmbunătățirea performantelor legate de rezistența termică, mecanică, abrazivă și corozivă, acest piston fiind utilizat în aplicațiile diesel de transport rutier.

    Inginerii de la Federal Mogul au dezvoltat o tehnologie de sudură prin frecare, ce a dat naștere unui pistonul din oțel ușor numit Monosteel. Pe lângă o rezistență mecanică mărită, pistonul mai beneficiază și de galerii masive de răcire cu ulei care-i permit regimuri termice mai înalte.

Călire locală a capului pistonului (Federal Mogul – DuraBowlTM)

    O soluție adoptată de producătorii de automobile pentru reducerea emisiile de CO2 și îmbunătățirea consumul de combustibil constă în creșterea puterii litrice a motorului. Cu alte cuvinte se dorește ca din motoare cu capacități cilindrice din ce în ce mai mici să se obțină puteri din ce în ce mai mari (engine downsizing).

Pistonul DuraBowl

Foto: Pistonul DuraBowlTM
Sursa: Federal Mogul

   Pentru a veni în întâmpinarea creșterii puterilor specifice ale motoarelor, mai ales prin supraalimentare, Federal Mogul a dezvoltat un piston de aluminiu care posedă rezistență termică și mecanică remarcabilă. Numit DuraBowl pistonul beneficiază de o tehnologie de călire locală a capului, ceea ce conduce la creșterea rezistenței la oboseală în zonele în care solicitările sunt mai intense.

Pistonul DuraBowl

Foto: Pistonul DuraBowlTM
Sursa: Federal Mogul

    Puterile litrice curente ale unui motor diesel au crescut de la 50 CP/litru până la aproximativ 94 CP/litru. Aceste performanțe sunt obținute datorită unor procese fizice extreme ce au în capul pistonului (temperaturi de până la 400 °C și presiune ce depășesc 200 bari). În aceste condiții capul pistonului, fiind zona cea mai expusă la solicitări, era o sursa de defect. Prin călirea locală a aluminiului din capul pistonului s-a obținut o granulație mai bună a particulelor de siliciu (10% din valoarea inițială) ceea ce conduce la mărirea rezistenței și a durabilității.

    Această unică tehnologie de retopire locală a aliajului de aluminiu-siliciu, combinată cu un procedeu de răcire rapidă, conduce la schimbarea microstructurii metalului prin reducerea dimensiunilor particulelor de siliciu. Rezultatul este un piston cu un strat superficial de câțiva milimetri care posedă o rezistență termică și mecanică ridicată.

Pistoane bimetal (Mahle – FerrothermTM)

    O soluție oferită de Mahle pentru creșterea regimurilor termice și a presiunii din motoarele diesel, destinate transportului rutier, este pistonul FerrothermTM. Acesta este compus din două piese, detașabile, din materiale diferite. Capul pistonului este din oțel forjat iar mantaua pistonului este din aluminiu. Cele doua piese, ce compun pistonul, sunt unite prin intermediul bolțului.

Piston Ferrotherm

Foto: Piston FerrothermTM
Sursa: Mahle

    Acest design este răspunsul pentru diferitele solicitări la care este supus piston. Astfel mantaua pistonului, din aluminiu, are rol de ghidare iar capul pistonului, din oțel, preia solicitărilor termice și mecanice din camera de ardere. Fiind din oțel, în comparație cu un piston integral din aluminiu, capul pistonului rezistă la solicitări mecanice și termice mai mari. Totodată durabilitatea pistonului este îmbunătățită iar ciclul de viața al primului segment este extins. Un alt avantaj al capului din oțel este coeficientul de dilatare termică, care, în comparație cu aluminiu, este mai redus și permite jocuri mai mici intre piston și cilindru. Pentru a compensa transferul termic mai scăzut al oțelului pistonul este prevăzut cu galerii generoase de răcire cu ulei.

Piston din oțel (Mahle – MonothermTM)

    O nouă generație de pistoane restabilesc standardul pentru motoarele diesel, de înaltă performanță, destinate transportului rutier: pistoanele Monotherm. Chiar și în condiții extreme de operare (peste 200 bari) durabilitatea unui motor pentru vehiculele de transport se dorește de a fi peste un milion de kilometri. O soluție la acestă cerință este MonothermTM, pistonul produs integral din oțel forjat.

Piston din oțel Monotherm

Foto: Piston din oțel MonothermTM
Sursa: Mahle

    Particularitate pistonului MonothermTM constă în închiderea canalului de răcire dintre cap și regiunea port-segmenți prin intermediul un capac metalic. Coeficientul de dilatare termică mai mic, în cazul oțelului, a permis jocuri de montaj mai mici, ceea a avut ca rezultat funcționare mai silențioasă a motorului și un consum de ulei mai scăzut.

Video - tehnologia de fabricare a pistoanelor

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

Alexandra1104
Marți, 26 Aprilie 2016 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5
Liviu13
Miercuri, 29 Ianuarie 2014 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5

Login

Logo motorul anului