Conhecimentos sobre motores – Pistão
Para os Pistons, que sabem que o motor é a parte mais importante do motor.
O conjunto da haste do pistão é composto pelo pistão, pelos anéis de pistão, pelos pinos de pistão, pela biela, pelos rolamentos da biela e por outros componentes.
Função: O pistão funciona sob pressão de gás e, através do pino do pistão e da biela, é acionado pela rotação do virabrequim, encontrando-se na parte superior da câmara de combustão.
Condições de funcionamento: o pistão opera em condições de alta temperatura, alta pressão, alta velocidade e lubrificação insuficiente. O contacto direto do pistão com o gás quente, com temperaturas instantâneas que podem atingir os 2500 K ou mais, resulta em condições térmicas extremas e desfavoráveis; por isso, a temperatura de funcionamento do pistão é elevada, podendo atingir os 600 a 700 K na parte superior, e a distribuição da temperatura é muito irregular; A parte superior do pistão está sujeita à pressão do gás, especialmente durante o curso de potência máxima: nos motores a gasolina, esta pressão atinge 3 a 5 MPa, e nos motores a gasóleo, 6 a 9 MPa, o que provoca um impacto no pistão e obriga-o a suportar uma pressão lateral; o pistão realiza um movimento recíproco no cilindro a alta velocidade (8 a 12 m/s), e a velocidade está em constante variação, o que gera uma grande inércia, representando assim uma carga adicional significativa para o pistão. O pistão, em condições de funcionamento tão adversas, sofre deformações e desgaste acelerado, além de gerar cargas adicionais, tensões térmicas e corrosão química causada pelos gases. Por conseguinte, é necessário que: (1) possua rigidez e resistência suficientes, bem como fiabilidade na transmissão de potência; (2) apresente boa condutividade térmica e resistência à alta pressão, às altas temperaturas e ao desgaste; (3) deve ser de baixa densidade e peso leve, para minimizar a força de inércia do movimento recíproco. A liga de alumínio satisfaz basicamente os requisitos acima referidos; por isso, os pistões são geralmente fabricados em liga de alumínio de alta resistência, embora em alguns motores diesel de baixa velocidade se utilize ferro fundido ou aço avançado resistente ao calor.
Estrutura: O pistão pode ser dividido em três partes: o corpo do pistão, a cabeça do pistão e a saia do pistão.
1. Pistão: pistão sob pressão de gás, que faz parte da câmara de combustão; a sua forma, posição, dimensão e todas as características específicas da câmara de combustão devem satisfazer os requisitos relativos à formação da mistura combustível e à combustão; A forma da parte superior pode ser dividida em quatro categorias: pistão de topo plano, pistão de topo convexo, pistão de topo côncavo e pistão de topo plano. O pistão de cabeça plana é liso, simples, de fácil fabrico, aquece uma área reduzida e apresenta uma distribuição de tensão mais uniforme na parte superior, sendo geralmente utilizado em motores a gasolina e raramente em motores a gasóleo. A parte superior do pistão apresenta uma forma de cúpula convexa elevada; a parte superior de alta resistência, a partir da guia, ajuda a melhorar o processo de ventilação; o pistão de topo convexo é frequentemente utilizado em motores a gasolina de dois tempos. O pistão com topo côncavo apresenta uma cavidade; a forma e a localização da cavidade devem favorecer a combustão da mistura combustível, podendo assumir formas como cavidades de duplo vórtice, cavidades esféricas, cavidades em forma de U, entre outras.
(2) Cabeça do pistão: a cabeça do pistão refere-se à primeira ranhura do anel do pistão, situada acima do orifício do pino do pistão. Essa ranhura de anel, destinada à instalação dos anéis de pistão, é responsável pela vedação, sendo também conhecida como secção estanque. Nos motores a diesel, devido à relação de compressão, existem geralmente quatro ranhuras de anel: as três superiores destinam-se à instalação dos anéis de compressão e a inferior ao anel de óleo. Os motores a gasolina têm, geralmente, três ranhuras de anéis, das quais duas destinam-se aos anéis de gás e uma ao anel de óleo; este último apresenta, na sua superfície inferior, vários orifícios radiais, de modo que o óleo raspado das paredes do cilindro do motor pelo anel de óleo flua de volta para o cárter através desses orifícios. A ranhura do primeiro anel apresenta as piores condições de funcionamento, pelo que, em geral, deve ficar mais afastada da parte superior. O calor absorvido pelo pistão principal é transmitido através da ranhura de vedação para a parede do cilindro e, em seguida, dissipado pela água de arrefecimento. Em suma, a função da cabeça do pistão do motor, para além da instalação dos anéis de pistão, inclui efeitos de vedação e transferência de calor; em conjunto com a vedação entre o pistão e o cilindro, evita a fuga da mistura de gás combustível para o cárter e também permite que (70 ~ 80)% calor a passar através das paredes do cilindro do pistão.
3. Saia do pistão: a ranhura do anel de óleo da saia do pistão estende-se desde a extremidade até à parte seguinte da base do pistão, incluindo a saliência onde se encaixa o furo do pino do pistão. A saia do pistão serve de guia ao movimento recíproco do pistão no cilindro do motor e suporta a pressão lateral. A saia depende da magnitude da pressão lateral e do diâmetro do pistão. A chamada pressão lateral no curso de compressão e no curso de potência é a componente horizontal da pressão exercida pelo gás no pistão do motor, na parte superior, contra a parede do cilindro. No curso de compressão e no curso de potência, a direção da pressão dos gases é oposta; devido à pressão de combustão ser muito superior à pressão de compressão, a pressão lateral no curso de potência é também muito superior à do curso de compressão. A saia do pistão, que suporta a pressão lateral de ambos os lados, é designada por «superfície de impulso»; estas estão em fase com o eixo do pino do pistão, perpendicular à direção. Características estruturais:
(1) De forma oval pré-definida, de modo a suportar a pressão dos gases na saia lateral e no cilindro do motor e a manter um espaço reduzido e seguro, exigindo que o pistão no cilindro do motor funcione corretamente. No entanto, devido à espessura da saia do pistão ser muito irregular, a espessura do metal na parte do furo do pino do pistão, juntamente com a grande expansão térmica ao longo do eixo, faz com que a deformação do assento do pino do pistão do motor seja maior nessa direção do que na outra. Além disso, a saia lateral tem de suportar a pressão dos gases, o que leva a uma deformação ao longo do pino do pistão, na direção vertical em relação à do pino do pistão. Assim, se a saia do pistão for circular quando fria, ao funcionar torna-se um pistão oval; a folga entre o pistão e o cilindro ao longo da circunferência não é igual, fazendo com que o pistão fique preso no cilindro e o motor deixe de funcionar. Por isso, na pré-fabricação, a saia do pistão do motor é concebida com uma forma oval. O eixo longo da elipse fica na vertical em relação à sede, enquanto a sede se estende na direção do eixo curto. Este processo aproxima o pistão de um círculo perfeito.
(2) A distribuição da temperatura ao longo da altura do pistão é muito irregular: a temperatura na parte superior do pistão é elevada e na parte inferior é baixa; a expansão é, consequentemente, maior na parte superior e menor na parte inferior. Para que o pistão, ao mover-se para cima e para baixo, tenha um diâmetro mais ou menos igual — ou seja, seja cilíndrico —, o pistão deve ser fabricado de forma a apresentar uma transição gradual da parte superior, de maior diâmetro, para a parte inferior, de menor diâmetro, assumindo uma forma cónica.
(3) A fim de reduzir a deformação da saia do pistão do motor causada pelo calor, normalmente é aberta uma ranhura na saia de isolamento horizontal; para compensar a deformação da saia devido ao calor, é aberta uma ranhura de expansão vertical na saia. A ranhura tem a forma de “T” ou de “Π”. A ranhura horizontal é a mais comum; situa-se abaixo do anel, na extremidade da saia, em ambos os lados do assento do pino (e existe também uma abertura entre as ranhuras do anel de óleo), com o objetivo de reduzir a transferência de calor para a saia; denomina-se ranhura térmica. A ranhura vertical confere à saia uma certa flexibilidade, de modo a que a folga entre o pistão do motor e o conjunto do cilindro seja a menor possível e, em condições de calor, haja compensação, evitando que o pistão fique preso no cilindro; esta ranhura vertical é designada por ranhura de expansão. No caso de uma ranhura vertical aberta na saia, a rigidez do lado da ranhura é menor, de modo a que, na montagem, o conjunto deva suportar a pressão lateral do curso de potência no lado mais estreito. Os pistões dos motores a diesel, devido à força envolvida, geralmente não apresentam ranhuras na saia.
(4) Em alguns pistões, para reduzir o peso, é praticado um orifício na saia ou é recortada uma parte da saia para diminuir a pressão lateral em ambos os lados, reduzindo assim a força de inércia e a deformação do pino do motor junto à sede quente; isto dá origem a uma estrutura de placa elástica de arrasto da saia do pistão ou de um pequeno atraso na placa do pistão, a massa é reduzida e, nos motores de alta velocidade, a folga entre o pistão e o cilindro é menor.
(5) A fim de reduzir a expansão térmica da saia do pistão de alumínio, é incorporado aço na saia do pistão ou na sede do pino do pistão. As características estruturais dos pistões de aço da Heng Fan devem-se ao facto de o aço de níquel 33% ser uma liga de ferro-níquel de baixo teor de carbono do tipo 36%, cujo coeficiente de expansão é apenas 1/10 do do alumínio, enquanto o assento do pino de aço, ligado à saia pelo sistema da Heng Fan, a saia contém a deformação causada pela expansão térmica.
(6) Em alguns motores a gasolina, a linha central do orifício do pino do pistão está desviada do plano central do pistão, o que permite que o pistão desloque-se, compensando a pressão lateral em 1 a 2 mm. Esta estrutura permite que a transição do pistão, desde a fase de compressão até à fase de potência, seja mais suave, passando do lado de pressão do cilindro para o outro lado, reduzindo assim o ruído de detonação. No momento da instalação, este desvio do pino do pistão não pode ser ignorado, caso contrário, a potência aumentará, provocando impactos e danos na saia do pistão.