Lucrurile de aluminiu din interiorul motorului dumneavoastră trăiesc într-un iad de foc. La turație maximă și la 6000 rpm, un piston dintr-un motor pe benzină este supus la aproape 10 tone de forță la fiecare 0,02 secunde, pe măsură ce exploziile repetate încălzesc metalul la peste 600 de grade Fahrenheit.
În zilele noastre, acel Hades cilindric este mai fierbinte și mai intens ca niciodată, iar pentru pistoane este posibil să fie din ce în ce mai rău. Pe măsură ce producătorii de automobile urmăresc o eficiență mai mare, producătorii de pistoane se pregătesc pentru un viitor în care cele mai puternice motoare pe benzină cu aspirație naturală produc 175 de cai putere pe litru, față de 130 în prezent. Odată cu turbocompresia și cu creșterea puterii vin condiții și mai dificile. În ultimul deceniu, temperaturile de funcționare a pistonului au urcat cu 120 de grade, în timp ce presiunile maxime ale cilindrilor s-au umflat de la 1500 psi la 2200.
Un piston spune o poveste despre motorul în care se află. Coroana poate dezvălui alezajul, numărul de supape și dacă combustibilul este sau nu injectat direct în cilindru. Cu toate acestea, designul și tehnologia unui piston pot spune, de asemenea, multe despre tendințele și provocările mai largi cu care se confruntă industria auto. Ca să folosim o maximă: Cum merge automobilul, așa merge și motorul; și cum merge motorul, așa merge și pistonul. În căutarea unei economii de combustibil îmbunătățite și a unor emisii mai reduse, producătorii de automobile solicită pistoane mai ușoare, cu frecare mai redusă și cu rezistența necesară pentru a rezista în condiții de funcționare mai dificile. Aceste trei preocupări – durabilitatea, frecarea și masa – sunt cele care consumă zilele de lucru ale furnizorilor de pistoane.
În multe privințe, dezvoltarea motoarelor pe benzină urmează calea trasată de motoarele diesel în urmă cu 15 ani. Pentru a compensa creșterea cu 50 de procente a presiunilor de vârf ale cilindrilor, unele pistoane din aluminiu au acum o inserție din fier sau oțel pentru a susține inelul superior. Cele mai fierbinți motoare pe benzină vor necesita în curând o galerie de răcire, sau un canal închis pe partea inferioară a coroanei, care este mai eficient în eliminarea căldurii decât metoda actuală, care constă în simpla pulverizare a părții inferioare a pistonului cu ulei. Stropitoarele aruncă ulei într-o mică deschidere de la baza pistonului care alimentează galeria. Totuși, această tehnologie aparent simplă nu este ușor de fabricat. Crearea unui pasaj gol înseamnă turnarea pistonului în două bucăți și îmbinarea lor prin frecare sau sudare cu laser.
Pistonii reprezintă cel puțin 60 la sută din frecarea motorului, iar îmbunătățirile de aici au un impact direct asupra consumului de combustibil. Plasturii din rășină impregnată cu grafit, care reduc frecarea, serigrafiați pe fustă, sunt acum aproape universali. Furnizorul de pistoane Federal-Mogul experimentează o față conică pe inelul de ulei care permite o reducere a tensiunii inelului fără a crește consumul de ulei. Reducerea frecării inelului poate debloca până la 0,15 cai putere pe cilindru.
Producătorii de automobile sunt, de asemenea, dornici de noi finisaje care să reducă frecarea între piesele care se freacă sau se rotesc unele de altele. Acoperirea dură și alunecoasă asemănătoare diamantului, sau DLC, este promițătoare pentru cămășile de cilindru, inelele de piston și știfturile de încheietură, unde poate elimina nevoia de rulmenți între știft și bielă. Dar este scump și are puține aplicații în mașinile actuale.
„Se discută des despre DLC, dar dacă vor ajunge sau nu în mașinile de serie este un semn de întrebare”, spune Joachim Wagenblast, director senior de dezvoltare a produselor la Mahle, un furnizor german de piese auto.
Modelarea computerizată din ce în ce mai sofisticată și metodele de fabricație mai precise permit, de asemenea, forme mai complexe. Pe lângă bolurile, cupolele și adânciturile supapelor necesare pentru joc și pentru a obține un anumit raport de compresie, fustele asimetrice prezintă o zonă mai mică și mai rigidă pe partea de împingere a pistonului pentru a reduce frecarea și concentrațiile de tensiuni. Întoarceți un piston și veți vedea pereți conici cu o grosime abia dacă depășește 0,1 inch. Pereții mai subțiri necesită un control mai strict asupra toleranțelor care sunt deja măsurate în microni, sau miimi de milimetru.
Pereții mai subțiri necesită, de asemenea, o mai bună înțelegere a dilatării termice a unui obiect care uneori trebuie să se încălzească de la temperaturi sub zero grade la câteva sute de grade în câteva secunde. Metalul din motor nu se dilată uniform pe măsură ce se încălzește, astfel încât optimizarea toleranțelor necesită experiență de proiectare și capacități precise de prelucrare pentru a crea ușoare excentricități în piese.
„Nimic din ceea ce facem nu este drept sau rotund în mod deliberat”, spune Keri Westbrooke, director de inginerie și tehnologie la Federal-Mogul. „Întotdeauna construim o anumită compensare.”
Pistoanele motoarelor diesel trec prin propria lor evoluție pe măsură ce presiunile maxime ale cilindrilor cresc spre 3600 psi. Mahle și Federal-Mogul prevăd o trecere de la pistoanele din aluminiu turnat la cele din oțel forjat. Oțelul este mai dens decât aluminiul, dar de trei ori mai rezistent, ceea ce duce la un piston care este mai rezistent la presiuni și temperaturi mai mari, fără a crește în greutate.
Oțelul permite o schimbare notabilă a geometriei prin scurtarea înălțimii de compresie a pistonului, definită ca fiind distanța de la centrul știftului de încheietură până la partea superioară a coroanei. Această zonă reprezintă 80 la sută din greutatea pistonului, așa că mai scurt înseamnă, în general, mai ușor. În mod critic, o înălțime de compresie mai mică nu doar micșorează pistoanele. De asemenea, permite un bloc motor mai scurt și mai ușor, deoarece înălțimea punții este redusă.
Mahle produce pistoane din oțel pentru aplicații turbo-diesel de ultimă generație, cum ar fi Audi R18 TDI, de patru ori câștigător la Le Mans, și motorul LMP2 Skyactiv-D de la Mazda. Compania va începe să livreze primele sale pistoane din oțel pentru un motor diesel de producție ușoară, un Renault de 1,5 litri cu patru cilindri, în cursul acestui an.
Relevanța de durată a motorului cu ardere internă se datorează evoluției continue a componentelor sale. Pistoanele nu sunt sexy. Nu sunt la fel de modești ca o baterie litiu-ion, la fel de complexe ca o transmisie cu dublu ambreiaj sau la fel de interesante ca un diferențial cu vectorizare a cuplului. Cu toate acestea, după mai mult de un secol de progres în domeniul automobilelor, pistoanele alternative continuă să producă cea mai mare parte a puterii care ne mișcă.
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. Cu rarele excepții ale pieselor exotice din titan, bielele de legătură sunt, de obicei, fie fabricate din pulberi de oțel, comprimate și încălzite într-o matriță, fie forjate din oțel pentru aplicații de înaltă performanță. Schimbarea tehnologică majoră este reprezentată de capacele big-end crăpate atât pentru biela din metal sub formă de pulbere, cât și pentru cea forjată. Anterior, tija și capacul de capăt de bielă erau fabricate ca piese separate. Tijele cu capacele crăpate ies din matriță ca o singură piesă, în formă de cheie de cutie. Capătul manivelei este gravat, apoi rupt în două cu ajutorul unei prese. Suprafața neregulată rezultată îmbunătățește alinierea; produce o conexiune mai sigură între capac și bielă; și permite realizarea unui ansamblu bielă-capcană mai subțire și mai ușor.
Pistoane nemetalice: Ceramica și materialele compozite oferă atracția unei dilatări termice mai mici, a unei greutăți mai mici și a unei rezistențe și rigidități mai mari în comparație cu aluminiul. În anii 1980, Mercedes-Benz a folosit o subvenție guvernamentală germană pentru a crea un motor 190E cu pistoane din carbon-compozit care a funcționat timp de 15.000 de mile fără probleme. Deși tehnologia este solidă, fabricarea a fost factorul limitativ. Un studiu realizat de NASA în 1990 a constatat că prelucrarea unui singur piston dintr-o bucata de carbon-carbon a costat 2.000 de dolari. Alternativa a fost un proces manual de stabilire manuală care consuma mult timp.
Rotoare Wankel: Bine, bine, știm că nu este un piston alternativ, dar rotorul triunghiular din fontă este analogul pistonului motorului Wankel, deoarece transformă energia de combustie în cuplu. În lipsa unei noi Mazda RX la orizont, singura noastră speranță pentru o renaștere a motoarelor rotative pare să fie Audi, care ne-a provocat cu un prelungitor de autonomie de tip Wankel în conceptul hibrid plug-in Audi A1 e-tron din 2010.
Pistoane ovale: Într-o perioadă în care motoarele de motociclete în doi timpi erau norma, Honda a adus un motor în patru timpi la Marele Premiu Mondial de Motociclism în 1979. Acesta rămâne unul dintre cele mai ciudate motoare din istorie. Motocicleta Honda NR500 GP a fost propulsată de un motor V-4 cu un unghi înclinat de 100 de grade, cu cilindri ovali acoperiți de câte opt supape fiecare și cu două tije de legătură pentru fiecare piston. Etanșarea pistoanelor ovale s-a dovedit a fi dificilă (afacerea inițială a lui Soichiro Honda a fost furnizarea de inele pentru pistoane către Toyota), dar aceasta a fost printre cele mai mici preocupări ale echipei. Motocicletele se retrăgeau cu regularitate din cursele de World GP și, ocazional, nu reușeau să se califice. În decurs de trei ani, Honda a revenit la un motor de curse tradițional în doi timpi.
Motoare cu pistoane opuse: Motorul EcoMotors cu combustie diesel în doi timpi cu pistoane opuse și cilindri opuși (OPOC) susține o îmbunătățire a eficienței de până la 15% față de un motor convențional cu aprindere prin compresie. Prin plasarea camerei de combustie între două pistoane, compania a eliminat capetele cilindrilor și sistemul de distribuție a supapelor, care sunt surse semnificative de pierderi de căldură și fricțiune. Un motor OPOC cu mai puține piese ar trebui să fie, de asemenea, mai ieftin și mai ușor, dacă nu sfârșește pe raft împreună cu fantasticul Fish Carburetor.
.