Hliníkové plíšky uvnitř vašeho motoru žijí v ohnivém pekle. Při plném plynu a 6000 otáčkách za minutu působí na píst benzinového motoru každých 0,02 sekundy téměř 10 tun síly, protože opakované exploze zahřívají kov na více než 600 stupňů Fahrenheita.
V dnešní době je tento válcový Hádes žhavější a intenzivnější než kdykoli předtím a pro písty to bude pravděpodobně ještě horší. Automobilky se honí za vyšší účinností, a tak se výrobci pístů připravují na budoucnost, kdy nejsilnější benzinové motory s přirozeným sáním budou mít výkon 175 koní na litr, oproti dnešním 130 koním. S přeplňováním turbodmychadlem a vyšším výkonem přicházejí ještě náročnější podmínky. Za posledních deset let se provozní teploty pístů zvýšily o 120 stupňů a maximální tlaky ve válcích vzrostly z 1500 psi na 2200.
Píst vypovídá o motoru, ve kterém je uložen. Korunka může prozradit vrtání, počet ventilů a to, zda je palivo vstřikováno přímo do válce. Konstrukce a technologie pístu však může vypovídat také o širších trendech a výzvách, kterým automobilový průmysl čelí. Zjednodušeně řečeno: Jak se vyvíjí automobil, tak se vyvíjí i motor, a jak se vyvíjí motor, tak se vyvíjí i píst. Ve snaze o vyšší spotřebu paliva a nižší emise požadují výrobci automobilů lehčí písty s nižším třením a odolností vůči náročnějším provozním podmínkám. Právě tyto tři problémy – trvanlivost, tření a hmotnost – zaměstnávají dodavatele pístů.
V mnoha ohledech se vývoj zážehových motorů ubírá cestou, kterou před 15 lety vytyčily diesely. Aby se kompenzoval padesátiprocentní nárůst špičkových tlaků ve válci, mají nyní některé hliníkové písty železnou nebo ocelovou vložku, která podpírá horní kroužek. Nejžhavější zážehové motory budou brzy vyžadovat chladicí galerii neboli uzavřený kanál na spodní straně věnce, který je při odvodu tepla účinnější než dnešní metoda prostého postřiku spodní strany pístu olejem. Stříkačky stříkají olej do malého otvoru na dně pístu, který napájí galerii. Zdánlivě jednoduchou technologii však není snadné vyrobit. Vytvořit dutý průchod znamená odlít píst jako dva kusy a spojit je třením nebo laserovým svařováním.
Písty se na tření motoru podílejí nejméně 60 procenty a zlepšení v této oblasti má přímý vliv na spotřebu paliva. Záplaty snižující tření, napuštěné grafitovou pryskyřicí a natištěné sítotiskem na suknici, jsou dnes téměř univerzální. Dodavatel pístů Federal-Mogul experimentuje s kuželovou plochou olejového kroužku, která umožňuje snížit napětí kroužku bez zvýšení spotřeby oleje. Nižší tření kroužku může uvolnit až 0,15 koně na válec.
Automobilky také touží po nových povrchových úpravách snižujících tření mezi díly, které se o sebe třou nebo rotují. Tvrdý a kluzký povlak podobný diamantu neboli DLC je příslibem pro vložky válců, pístní kroužky a zápěstní čepy, kde může eliminovat potřebu ložisek mezi čepem a ojnicí. Je však drahý a v dnešních automobilech má jen málo aplikací.
„O DLC se mluví často, ale zda se dostane do sériových automobilů, je otázkou,“ říká Joachim Wagenblast, vrchní ředitel pro vývoj produktů ve společnosti Mahle, německém dodavateli autodílů.
Stále dokonalejší počítačové modelování a přesnější výrobní metody umožňují také složitější tvary. Kromě misek, kopulí a ventilových důlků potřebných pro zajištění vůle a dosažení určitého kompresního poměru mají asymetrické prahy menší a tužší plochu na tlačné straně pístu, aby se snížilo tření a koncentrace napětí. Otočte píst a uvidíte kuželovité stěny silné sotva více než 0,1 palce. Tenčí stěny vyžadují přísnější kontrolu tolerancí, které se již měří v mikrometrech neboli tisícinách milimetru.
Tenší stěny také vyžadují lepší pochopení tepelné roztažnosti objektu, který se někdy musí během několika sekund zahřát z teploty pod bodem mrazu na několik set stupňů. Kov v motoru se při zahřívání neroztahuje rovnoměrně, takže optimalizace tolerancí vyžaduje zkušenosti s konstrukcí a možnosti přesného obrábění, které umožní vytvořit v dílech mírné excentricity.
„Nic, co vyrábíme, není záměrně rovné nebo kulaté,“ říká Keri Westbrookeová, ředitelka konstrukce a technologie ve společnosti Federal-Mogul. „Vždy zapracováváme nějakou kompenzaci.“
Písty dieselových motorů procházejí svým vlastním vývojem, protože maximální tlaky ve válcích stoupají k 3600 psi. Mahle a Federal-Mogul předpovídají přechod od hliníkových odlitků ke kovaným ocelovým pístům. Ocel je hustší než hliník, ale třikrát pevnější, což vede k tomu, že píst je odolnější vůči vyšším tlakům a teplotám bez zvýšení hmotnosti.
Ocel umožňuje pozoruhodnou změnu geometrie zkrácením kompresní výšky pístu, definované jako vzdálenost od středu zápěstního čepu k vrcholu korunky. Tato oblast tvoří 80 % hmotnosti pístu, takže kratší obecně znamená lehčí. Rozhodující je, že nižší kompresní výška neznamená pouze zmenšení pístů. Umožňuje také zkrátit a odlehčit blok motoru, protože se sníží výška jeho paluby.
Mahle vyrábí ocelové písty pro špičkové turbodieselové aplikace, jako je například motor Audi R18 TDI, který čtyřikrát zvítězil v Le Mans, a motor LMP2 Skyactiv-D společnosti Mazda. Ještě letos začne společnost dodávat své první ocelové písty pro lehký sériový vznětový motor, 1,5litrový čtyřválec Renault.
Trvalý význam spalovacího motoru je dán neustálým vývojem jeho komponent. Písty nejsou sexy. Nejsou tak módní jako lithium-iontová baterie, tak složité jako dvouspojková převodovka nebo tak zajímavé jako diferenciál s vektorováním točivého momentu. Přesto i po více než sto letech automobilového pokroku vyrábějí písty většinu výkonu, který nás pohání.
Ferrari F136
Applications: Ferrari 458 Italia (shown), 458 Spider
Engine Type: DOHC V-8
Displacement: 274 cu in, 4497 cc
Specific Output: 125.0 hp/l
Max engine speed: 9000 rpm
Bore: 3.70 in
Weight: 2.1 lb
Ford Fox
Applications: Ford Fiesta (shown), Focus
Engine Type: turbocharged DOHC inline-three
Displacement: 61 cu in, 999 cc
Specific Output: 123.1 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 2.83 in
Weight: 1.5 lb
Cummins ISB 6.7
Applications: Ram Heavy Duty (shown)
Engine Type: turbocharged pushrod diesel inline-six
Displacement: 408 cu in, 6690 cc
Specific Output: 55.3 hp/l
Max engine speed: 3200 rpm
Bore: 4.21 in
Weight: 8.9 lb
Ford Coyote
Applications: Ford F-150, Mustang (shown)
Engine Type: DOHC V-8
Displacement: 302 cu in, 4951 cc
Specific Output: up to 84.8 hp/l
Max engine speed: 7000 rpm
Bore: 3.63 in
Weight: 2.4 lb
Fiat Fire 1.4L Turbo
Applications: Dodge Dart; Fiat 500 Abarth (shown), 500L, 500 Turbo
Engine Type: turbocharged SOHC inline-four
Displacement: 83 cu in, 1368 cc
Specific Output: up to 117.0 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 2.83 in
Weight: 1.5 lb
Cummins ISX15
Applications: heavy-duty trucks (International Prostar shown)
Engine Type: turbocharged SOHC diesel inline-six
Displacement: 912 cu in, 14,948 cc
Specific Output: up to 40.1 hp/l
Max engine speed: 2000 rpm
Bore: 5.39 in
Weight: 26.4 lb
Chrysler LA-Series Magnum V-10
Applications: Dodge Viper (shown)
Engine Type: pushrod V-10
Displacement: 512 cu in, 8382 cc
Specific Output: 76.4 hp/l
Max engine speed: 6400 rpm
Bore: 4.06 in
Weight: 2.8 lb
Ford EcoBoost 3.5L
Applications: Ford Expedition, Explorer Sport, F-150 (shown), Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator
Engine Type: twin-turbocharged DOHC V-6
Displacement: 213 cu in, 3496 cc
Specific Output: up to 105.8 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 3.64 in
Weight: 2.6 lb
Toyota 2AR-FE
Applications: Scion tC (shown); Toyota Camry, RAV4
Engine Type: DOHC inline-four
Displacement: 152 cu in, 2494 cc
Specific Output: up to 72.2 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 3.54 in
Weight: 2.5 lb
Stihl MS441 Chain Saw
Applications: MS441 C-M Magnum chain saw (shown), MS441 C-MQ Magnum chain saw
Engine Type: two-stroke single-cylinder
Displacement: 4 cu in, 71 cc
Specific Output: 79.7 hp/l
Max engine speed: 13,500 rpm
Bore: 1.97 in
Weight: 0.4 lb
Chrysler Hellcat 6.2L
Applications: Dodge Challenger SRT Hellcat
Engine Type: supercharged pushrod V-8
Displacement: 376 cu in, 6166 cc
Specific Output: 114.7 hp/l
Max engine speed: 6200 rpm
Bore: 4.09 in
Weight: 3.0 lb
As the workload for pistons increases, so do the demands on connecting rods. Higher combustion pressures translate to greater stresses on the sticks linking the pistons to the crank. Až na vzácné výjimky exotických titanových kusů se ojnice obvykle vyrábějí buď z práškové oceli, stlačené a zahřáté ve formě, nebo kované z ocelového materiálu pro aplikace s vyšším výkonem. Hlavním technologickým posunem jsou prasklá víčka velkých konců jak u práškových, tak u kovaných ojnic. Dříve se ojnice a koncovka klikového čepu vyráběly jako samostatné kusy. Tyče s prasklými víčky vycházejí z formy jako jediný kus ve tvaru krabicového klíče. Koncovka klikového čepu se vyleptá a pak se lisem rozlomí na dvě části. Výsledný nepravidelný povrch zlepšuje souosost, poskytuje bezpečnější spojení víčka s tyčí a umožňuje vyrobit štíhlejší a lehčí sestavu ojnice.
Nokovové písty: Keramika a kompozitní materiály nabízejí lákadla v podobě nižší tepelné roztažnosti, nižší hmotnosti a vyšší pevnosti a tuhosti ve srovnání s hliníkem. V osmdesátých letech minulého století využila společnost Mercedes-Benz grant německé vlády k vytvoření motoru 190E s písty z uhlíkových kompozitů, které bez problémů ujely 15 000 kilometrů. Technologie je sice dobrá, ale limitujícím faktorem byla výroba. Studie NASA z roku 1990 zjistila, že obrábění jednoho pístu z uhlíkově-karbonového polotovaru stálo 2 000 dolarů. Alternativou bylo časově náročné ruční vrstvení.
Rotory Wankel: Dobře, dobře, víme, že to není píst, ale litinový trojúhelníkový rotor je obdobou pístu Wankelova motoru, protože přeměňuje energii spalování na točivý moment. Vzhledem k tomu, že na obzoru není žádná nová Mazda RX, zdá se, že naší jedinou nadějí na oživení rotačního motoru je Audi, které nás škádlilo Wankelovým prodloužením dojezdu ve svém plug-in hybridním konceptu Audi A1 e-tron z roku 2010.
Oválné písty: V době, kdy byly dvoutaktní motocyklové motory normou, přivezla Honda v roce 1979 na Světovou motocyklovou Grand Prix čtyřtaktní motor. Je to jeden z nejpodivnějších motorů v historii. Motocykl Honda NR500 GP byl poháněn motorem V-4 s úhlem stoupání 100 stupňů, oválnými válci zakončenými vždy osmi ventily a dvěma ojnicemi na píst. Utěsnění oválných pístů se ukázalo jako obtížné (Soichiro Honda původně dodával pístní kroužky Toyotě), ale to patřilo k nejmenším starostem týmu. Motocykly pravidelně odstupovaly ze závodů GP světa a občas se nekvalifikovaly. Během tří let se Honda vrátila k tradičnímu dvoutaktnímu závodnímu motoru.
Motory s odpruženými písty: Dvoutaktní motor EcoMotors s protiběžnými písty a protiběžnými válci (OPOC) má podle tvrzení společnosti EcoMotors až o 15 % vyšší účinnost než klasický motor s kompresním zapalováním. Umístěním spalovací komory mezi dva písty společnost eliminovala hlavy válců a ventilový rozvod, které jsou zdrojem značných tepelných ztrát a tření. Motor OPOC s menším počtem dílů by měl být také levnější a lehčí, pokud neskončí na poličce s fantastickým rybím karburátorem.