Aggiornamento pistoni e fasce elastiche

Il design di base del pistone e dell'anello è praticamente lo stesso di quando fu inventato il primo motore a combustione interna. Il pistone è ancora un pezzo rotondo di metallo che scorre su e giù nel cilindro. E gli anelli sono ancora utilizzati per sigillare la compressione, ridurre al minimo lo scoppio della combustione e controllare l'olio.

Nonostante le somiglianze con le controparti precedenti, la progettazione del pistone è diventata un processo molto complicato in cui anche la forma viene accuratamente tracciata su un programma di modellazione computerizzata noto come Finite Element Analysis (FEA). Anche i pistoni non sono proprio rotondi al giorno d'oggi. Molti sono progettati specificamente per avere una forma ellittica a freddo che si espande in una forma rotonda quando i motori si riscaldano fino alla temperatura di esercizio. Tuttavia, la forza causata dal processo di combustione esercita la maggior parte della pressione iniziale sulla zona del cielo del pistone man mano che il fronte di fiamma si espande.

Per le fasce elastiche, la tendenza continua verso larghezze più sottili, anelli in acciaio con rivestimenti superficiali avanzati. Sebbene non siano direttamente dovuti all'iniezione diretta e all'induzione forzata, i rivestimenti delle superfici per le fasce elastiche continuano ad evolversi per soddisfare le elevate esigenze di questi motori. In genere, qualsiasi nuovo motore oggi sul mercato utilizza acciaio per tutti gli anelli, nonché qualche tipo di rivestimento PVD (deposizione fisica in fase di vapore).

Sebbene i materiali e il design dei pistoni si siano evoluti nel corso degli anni per compensare pressioni più elevate e dilatazione termica, selezionare un pistone ottimizzato per le condizioni della camera di combustione può essere difficile perché ci sono così tante variabili da considerare. I costruttori di motori devono considerare il tipo di materiale, il processo di produzione (forgiato, fuso o ricavato dal pieno), il pacco anelli, compresi i rivestimenti, i costi e così via. I pistoni forgiati offrono la massima resistenza e durata, ma potrebbero non essere la scelta migliore per ogni applicazione, anche se disponibili. I design delle billette offrono flessibilità in termini di progettazione e maggiore flessibilità per il dimensionamento, ma sono anche più costosi da produrre a causa della quantità di lavorazione necessaria per tagliare un tappo di alluminio in una parte utilizzabile. I pistoni fusi sono prodotti in quantità elevate ma non sono robusti come quelli realizzati in billetta o forgiati. Spetta infine ai costruttori di motori determinare la combinazione migliore per il cliente.

La turbocompressione dei motori più piccoli è la tendenza che gli OEM stanno seguendo in questi giorni, che consente ai motori più piccoli e più efficienti nei consumi di avere una potenza simile ai loro cugini di cilindrata più grande, ma aumenta anche il carico e la temperatura che i pistoni e gli anelli devono sopportare. I motori più piccoli e ad alto rendimento richiedono un pistone realizzato con un materiale in grado di gestire temperature e pressioni di combustione più elevate. I pistoni fusi di ieri semplicemente non sono adatti alle applicazioni di oggi a benzina a iniezione diretta (GDI) o turbocompresse a iniezione diretta (TGDI).

La maggior parte dei motori GDI utilizza camme con fasatura variabile delle valvole (VVT). Sebbene il VVT possa fornire molto spazio per la messa a punto delle prestazioni del motore, questa configurazione richiede la necessità di rilievi delle valvole più profondi sulla parte superiore del pistone per fornire spazio sufficiente per le valvole mentre la camma avanza e ritarda. I fasatori delle camme nella maggior parte dei motori con VVT possono ruotare le camme fino a 40 gradi e alcuni possono spostare la fasatura delle camme fino a 60 gradi. Si tratta di una rotazione elevata della camma, quindi se i pistoni non hanno il gioco giusto per i valori di scarico delle valvole, parti metalliche di valore potrebbero entrare in collisione se le valvole vengono tenute aperte troppo a lungo.

I pistoni per i motori GDI sono molto simili nel design ai motori a iniezione diretta, ad eccezione dell'area della corona. La maggior parte dei pistoni dei motori GDI presenta una depressione nella corona che dirige il carburante verso la candela una volta iniettato. Questa pozza di miscela di carburante relativamente ricca è diretta verso la candela per avviare la combustione. Dopo che la candela ha acceso la riserva di carburante, il resto del carburante nella camera può essere bruciato per produrre una miscela più efficiente.

Per la maggior parte dei motori ad alte prestazioni e ad alto rendimento, i pistoni forgiati sono la strada da percorrere perché sono realizzati con le leghe più durevoli come 4032 e 2618. Quando si tratta di resistenza alla trazione, le due leghe non sono molto distanti. 4032 ha una valutazione di circa 55.000 psi e 2618 ha una valutazione di circa 65.000 psi. Un pistone 4032 è leggermente più leggero di un pistone realizzato in 2618. I pistoni realizzati con le leghe 4032 hanno un contenuto di silicio di circa il 10-12% e sono popolari per applicazioni come il protossido di azoto o i motori a induzione forzata leggermente potenziati. Il contenuto di silicio conferisce all'alluminio un tasso di espansione inferiore rispetto alla lega 2618 e può essere utilizzato con un gioco più stretto tra pistone e parete del cilindro per una migliore durata. I pistoni realizzati in 4032 hanno anche la caratteristica aggiuntiva di non produrre troppo rumore mentre il motore raggiunge la temperatura di esercizio.