As lesmas de alumínio dentro do seu motor vivem num inferno ardente. A pleno vapor e a 6000 rpm, um pistão num motor a gasolina é sujeito a quase 10 toneladas de força a cada 0,02 segundos, à medida que explosões repetidas aquecem o metal a mais de 600 graus Fahrenheit.
Hoje em dia, esse Hades cilíndrico é mais quente e mais intenso do que nunca, e só é provável que piore para os pistões. Enquanto os fabricantes de automóveis perseguem uma maior eficiência, os fabricantes de pistões preparam-se para um futuro em que os motores a gasolina mais potentes, naturalmente aspirados, produzem 175 cavalos de potência por litro, acima dos 130 de hoje. Com a turboalimentação e o aumento da potência, as condições são ainda mais difíceis. Na última década, as temperaturas de operação dos pistões subiram 120 graus, enquanto as pressões de pico dos cilindros aumentaram de 1500 psi para 2200.
Um pistão conta uma história sobre o motor em que ele reside. A coroa pode revelar o diâmetro, o número de válvulas e se o combustível é ou não injetado diretamente no cilindro. Mas o design e a tecnologia de um pistão também podem dizer muito sobre as tendências e desafios mais amplos que a indústria automotiva enfrenta. Para cunhar uma máxima: Como o automóvel vai, o motor também vai; e como o motor vai, o pistão também vai. Na busca por maior economia de combustível e menores emissões, os fabricantes de automóveis estão pedindo pistões mais leves e de menor atrito com a resistência necessária para suportar condições de operação mais duras. São estas três preocupações – durabilidade, fricção e massa – que consomem os dias de trabalho dos fornecedores de pistões.
De muitas maneiras, o desenvolvimento do motor a gasolina segue o caminho traçado pelos diesels há 15 anos. Para compensar o aumento de 50 por cento no pico de pressão do cilindro, alguns pistões de alumínio agora têm um inserto de ferro ou aço para suportar o anel superior. Os motores a gasolina mais quentes exigirão em breve uma galeria de refrigeração, ou um canal fechado na parte inferior da coroa que é mais eficiente na remoção de calor do que o método actual de simplesmente pulverizar a parte inferior do pistão com óleo. Os esguichadores aspergem óleo numa pequena abertura na parte inferior do pistão que alimenta a galeria. A tecnologia aparentemente simples não é fácil de fabricar, no entanto. Criar uma passagem oca significa fundir o pistão como duas peças e uni-las por fricção ou soldagem a laser.
Os pistões são responsáveis por pelo menos 60% do atrito do motor, e as melhorias aqui têm um impacto direto no consumo de combustível. As manchas de resina impregnadas de grafite e redutoras de fricção impressas na saia são agora quase universais. O fornecedor de pistões Federal-Mogul está experimentando uma face cônica no anel de óleo que permite uma redução na tensão do anel sem aumentar o consumo de óleo. O menor atrito do anel pode desbloquear até 0,15 cavalos de potência por cilindro.
Automakers também estão famintos por novos acabamentos redutores de atrito entre as peças que esfregam ou giram umas contra as outras. O revestimento duro e escorregadio em forma de diamante, ou DLC, é promissor para camisas de cilindro, anéis de pistão e pinos de pulso, onde pode eliminar a necessidade de rolamentos entre o pino e a biela. Mas é caro e tem poucas aplicações nos carros de hoje.
“O DLC é discutido com freqüência, mas se eles vão ou não transformá-lo em carros de produção é um ponto de interrogação”, diz Joachim Wagenblast, diretor sênior de desenvolvimento de produtos da Mahle, um fornecedor alemão de autopeças.
A modelagem computadorizada cada vez mais sofisticada e métodos de fabricação cada vez mais sofisticados também permitem formas mais complexas. Além das tigelas, cúpulas e reentrâncias de válvulas necessárias para a folga e para alcançar uma determinada taxa de compressão, as saias assimétricas apresentam uma área menor e mais rígida no lado de empuxo do pistão para reduzir o atrito e as concentrações de tensão. Vire um pistão e você verá paredes cônicas com pouco mais de 0,1 polegada de espessura. Paredes mais finas requerem um controle mais apertado sobre tolerâncias que já são medidas em mícrons, ou milésimos de milímetro.
Paredes mais finas também exigem uma melhor compreensão da expansão térmica de um objeto que às vezes tem que aquecer de abaixo de zero a várias centenas de graus em questão de segundos. O metal no seu motor não se expande uniformemente à medida que aquece, por isso a optimização das tolerâncias requer a experiência do design e capacidades de maquinação precisas para criar pequenas excentricidades nas peças.
“Nada do que fazemos é direito ou redondo deliberadamente”, diz Keri Westbrooke, director de engenharia e tecnologia da Federal-Mogul. “Estamos sempre construindo em alguma compensação.”
Os pistões com motores diesel estão passando por sua própria evolução à medida que as pressões de pico dos cilindros aumentam para 3600 psi. Mahle e Federal-Mogul estão prevendo uma mudança de alumínio fundido para pistões de aço forjado. O aço é mais denso que o alumínio, mas três vezes mais forte, levando a um pistão que é mais resistente a pressões e temperaturas mais elevadas sem aumento de peso.
Aço permite uma mudança notável na geometria, encurtando a altura de compressão do pistão, definida como a distância do centro do pino do pulso até o topo da coroa. Esta área é responsável por 80% do peso do pistão, portanto, mais curto geralmente significa mais leve. Criticamente, uma altura de compressão mais baixa não encolhe apenas os pistões. Ela também permite um bloco de motor mais curto e mais leve à medida que a altura do convés é reduzida.
Mahle fabrica pistões de aço para aplicações turbo-diesel de ponta, tais como o quatro vezes vencedor do Le Mans Audi R18 TDI e o motor LMP2 Skyactiv-D da Mazda. A empresa começará a enviar os primeiros pistões de aço para um motor diesel de produção leve, um Renault de 1,5 litros de quatro cilindros, ainda este ano.
A relevância duradoura do motor de combustão interna deve-se à evolução contínua dos seus componentes. Os pistões não são sensuais. Não são tão “modish” como uma bateria de iões de lítio, tão complexos como uma transmissão de dupla embraiagem, ou tão interessantes como um diferencial vectorial de binário. No entanto, após mais de um século de progresso automóvel, os pistões de reciprocidade continuam a produzir a maior parte da potência que nos move.
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. Com a rara exceção das peças exóticas de titânio, as bielas são normalmente feitas de aço em pó, comprimidas e aquecidas em um molde, ou forjadas a partir de um estoque de aço para aplicações de maior desempenho. A principal mudança tecnológica são as grandes tampas de ponta rachadas, tanto para as bielas em pó como para as bielas forjadas. Anteriormente, a haste e a tampa da extremidade do pino da manivela eram fabricadas como peças separadas. As hastes com tampas rachadas saem do molde como uma peça única, em forma de chave de caixa. A extremidade da manivela é gravada e depois encaixada em duas com uma prensa. A superfície irregular resultante melhora o alinhamento; produz uma conexão mais segura entre tampa e haste; e permite uma montagem mais esbelta e mais leve da biela.
Nonmetallic Pistons: As cerâmicas e compósitos oferecem o fascínio de uma menor expansão térmica, peso mais leve e maior resistência e rigidez em comparação com o alumínio. Nos anos 80, a Mercedes-Benz usou um subsídio do governo alemão para criar um motor 190E com pistões compostos de carbono que funcionava por 15.000 milhas sem emissão. Embora a tecnologia seja sólida, a fabricação foi o fator limitante. Um estudo da NASA de 1990 descobriu que a usinagem de um único pistão a partir de um tarugo de carbono custou US$ 2.000. A alternativa era um processo demorado de colocação manual.
Wankel Rotors: Ok, ok, nós sabemos que não é um pistão alternativo, mas o rotor triangular de ferro fundido é o análogo do motor Wankel porque converte a energia de combustão em torque. Sem um novo Mazda RX no horizonte, a nossa única esperança para um renascimento rotativo parece ser a Audi, o que nos provocou com um extensor de alcance do tipo Wankel no seu conceito híbrido de plug-in Audi A1 e-tron 2010.
Oval Pistons: Durante uma época em que os motores de motocicleta a dois tempos eram a norma, a Honda trouxe um 4 tempos para o Grande Prémio Mundial de Motocicletas em 1979. É um dos motores mais estranhos da história. A moto da Honda NR500 GP era movida por um motor V-4 com um ângulo vee de 100 graus, cilindros ovais encimados por oito válvulas cada, e duas bielas por pistão. A selagem dos pistões ovais revelou-se difícil (o negócio original da Soichiro Honda era fornecer anéis de pistão à Toyota), mas isso estava entre as menores preocupações da equipa. As motos retiravam-se regularmente das corridas do GP Mundial e ocasionalmente não se qualificavam. Em três anos, a Honda regressou a um motor de corrida tradicional de dois tempos.
Motores de Pistão Opposed-Piston: O motor EcoMotors a diesel de dois tempos com pistão oposto e cilíndro oposto (OPOC), reivindica uma melhoria de eficiência de até 15 por cento em relação a um motor convencional de ignição por compressão. Ao colocar a câmara de combustão entre dois pistões, a empresa eliminou as cabeças dos cilindros e o trem de válvulas, que são fontes de perda de calor e atrito significativos. Um motor OPOC com menos peças também deve ser mais barato e mais leve, se não acabar na prateleira com o fantástico Carburador de Peixe.