Atualização de Pistões e Anéis

O projeto básico do pistão e do anel é praticamente o mesmo de quando o primeiro motor de combustão interna foi inventado. O pistão ainda é uma massa redonda de metal que desliza para cima e para baixo no cilindro. E os anéis ainda são usados ​​para vedar a compressão, minimizar o vazamento da combustão e controlar o óleo.

Apesar das semelhanças com os homólogos anteriores, o projeto do pistão tornou-se um processo muito complicado, onde até mesmo a forma é meticulosamente plotada em um programa de modelagem de computador conhecido como Finite Element Analysis (FEA). Os pistões também não são realmente redondos hoje em dia. Muitos são projetados especificamente para ter uma forma elíptica quando frio, que se expande para uma forma redonda à medida que os motores aquecem até a temperatura operacional. No entanto, a força causada pelo processo de combustão coloca a maior parte da pressão inicial na área da cabeça do pistão à medida que a frente da chama se expande.

Para anéis de pistão, a tendência continua em direção a anéis de aço de largura mais fina com revestimentos faciais avançados. Embora não diretamente devido à injeção direta e indução forçada, os revestimentos faciais para anéis de pistão continuam a evoluir para atender às altas demandas desses motores. Normalmente, qualquer novo motor no mercado hoje utiliza aço para todos os anéis, bem como algum tipo de revestimento de deposição física de vapor (PVD).

Embora os materiais e designs dos pistões tenham evoluído ao longo dos anos para compensar pressões e expansão de calor mais altas, selecionar um pistão otimizado para as condições da câmara de combustão pode ser um desafio porque há muitas variáveis ​​a serem consideradas. Os fabricantes de motores devem considerar o tipo de material, o processo de fabricação, seja forjado, fundido ou tarugo, o pacote de anéis, incluindo revestimentos, custo e assim por diante. Os pistões forjados oferecem a maior resistência e durabilidade, mas podem não ser a melhor escolha para todas as aplicações, mesmo que estejam disponíveis. Os projetos de tarugos oferecem flexibilidade no que diz respeito ao design e mais flexibilidade para dimensionamento, mas também são mais caros de produzir devido à quantidade de usinagem necessária para cortar um plugue de alumínio em uma peça utilizável. Os pistões fundidos são feitos em grandes quantidades, mas não são tão fortes quanto os feitos de tarugos ou peças forjadas. Em última análise, cabe aos fabricantes de motores determinar a melhor combinação para o cliente.

Turboalimentar motores menores é a tendência que os OEMs estão seguindo atualmente, o que permite que motores menores e mais econômicos tenham potência semelhante a seus primos de maior cilindrada, mas também aumenta a carga e a temperatura que os pistões e anéis têm de suportar. Motores menores de alta potência requerem um pistão feito de um material que pode lidar com temperaturas e pressões de combustão mais altas. Os pistões fundidos de ontem simplesmente não funcionam para as aplicações atuais de injeção direta de gasolina (GDI) ou injeção direta de turbocompressor (TGDI).

A maioria dos motores GDI usa cames com comando variável de válvulas (VVT). Embora o VVT possa fornecer muito espaço para ajustar o desempenho do motor, essa configuração exige a necessidade de alívios de válvula mais profundos nos topos dos pistões para dar folga suficiente para as válvulas à medida que o came avança e retarda. Os phasers de came na maioria dos motores com VVT podem girar os cames em até 40 graus, e alguns podem mudar o tempo de came em até 60 graus. Isso é muita rotação do came, portanto, se os pistões não tiverem a folga correta para os alívios das válvulas, peças de metal valiosas podem colidir se as válvulas forem mantidas abertas por muito tempo.

Os pistões para motores GDI são muito semelhantes em design aos motores injetados na porta, exceto na área da coroa. A maioria dos pistões nos motores GDI tem uma depressão na coroa que direciona o combustível para a vela de ignição depois de injetada. Essa poça de uma mistura de combustível relativamente rica é direcionada à vela de ignição para iniciar a combustão. Após a vela de ignição acender a poça de combustível, o resto do combustível na câmara pode ser queimado para produzir uma mistura mais eficiente.

Para a maioria dos motores de alto desempenho e alto rendimento, os pistões forjados são o caminho a seguir porque são fabricados com as ligas mais duráveis, como 4032 e 2618. Quando se trata de resistência à tração, as duas ligas não estão muito distantes. O 4032 tem uma classificação de cerca de 55.000 psi e o 2618 é classificado em cerca de 65.000 psi. Um pistão 4032 é ligeiramente mais leve do que um pistão feito de 2618. Os pistões feitos com ligas 4032 têm cerca de 10-12 por cento de teor de silício e são populares para aplicações como óxido nitroso ou motores de indução forçada levemente reforçados. O teor de silício dá ao alumínio uma taxa de expansão menor em comparação com a liga 2618 e pode ser executado com um pistão mais apertado à folga da parede do cilindro para melhor durabilidade. Os pistões feitos de 4032 também têm a característica adicional de não fazer tanto barulho enquanto o motor está chegando à temperatura de operação.