Într-un articol anterior am discutat în detaliu despre designul camerelor de ardere și continuăm pe acest fir către pistoane - această componentă este indispensabilă.
În articolul de mai jos, prezentăm câteva considerente de design, funcții de bază și design-uri din lumea reală.

Definiție
În lanțul de transmisie a puterii motorului, pistonul reprezintă primul element, deci „linia din față”. În timpul conversiei energiei termice eliberate în arderea propulsorului în lucru mecanic, aceasta nu trebuie doar să transmită puterea, ci și să asigure ghidarea dreaptă a bielei în cilindru.
În plus, cu ajutorul segmentelor pistonului, îndeplinește și o funcție de etanșare între camera de ardere și carter, și garantează disiparea căldurii în direcția lichidului de răcire.
Sarcinile nu impun neapărat aceleași cerințe asupra pistonului, motiv pentru care proiectarea lor este o sarcină complexă. Chiar și astăzi este realizată doar parțial cu simulări, o mare parte bazându-se pe fapte empirice și măsurători reale.
Este important de menționat că motoarele cu piston nu sunt doar motoare pe benzină și diesel în patru timpi - includem și motoarele cu abur cu piston, motoarele cu ardere internă în doi timpi și motorul Stirling discutat anterior. În acest articol, ne concentrăm pe motoarele cu ardere internă.

Structura și aspecte de planificare
Geometria finală a pistonului și materialul utilizat sunt de obicei rezultatul unui parametru definit anterior. În planificarea drumurilor, spațiul disponibil pentru motor determină în mare parte volumul cursei, care limitează dispunerea și numărul de cilindri, precum și raportul dintre alezaj și lungimea cursei. În cazul mașinilor de curse și al mașinilor sport, se întâmplă ca vehiculul să fie proiectat în jurul sursei de alimentare, ceea ce oferă constructorilor un plus de libertate.
Metoda de utilizare are un efect decisiv asupra designului pistonului, așa cum am subliniat în articolul despre eficiența motoarelor:
„Deoarece performanța motorului poate fi crescută în mod eficient prin creșterea turației motorului, o soluție de compensare promițătoare este creșterea alezajului cilindrului față de lungimea cursei, deplasând astfel raportul alezaj/cursă într-o direcție crescătoare.
Cu toate acestea, dimensiunea găurii nu poate fi mărită la infinit: cu cât această valoare crește, cu atât forma camerei de ardere devine mai nefavorabilă, ceea ce duce la o ardere din ce în ce mai puțin eficientă.
Numărul de cilindri are și el efect asupra performanței: dacă același volum de cursă este asigurat de mai mulți cilindri mai mici, încărcarea va fi mai eficientă, gestionarea căldurii va fi mai favorabilă.”

Piston autoturism  din aluminiu (Sursă: www.wikipedia.org)

Consecința directă a celor de mai sus este că la motoarele sport întâlnim cilindri cu o înălțime foarte mică și un raport mare alezaj/cursă, în timp ce de exemplu, în cazul motoarelor diesel de camioane, se observă exact invers.

Pistonul motorului diesel la un vehicul utilitar (Sursă: www.wikipedia.org)

Alegerea materialului și producția
Timp de zeci de ani, materialul pistonului a fost din fontă, în principal datorită durabilității sale. Cu toate acestea, pe măsură ce turațiile maxime ale motorului au crescut, producția de pistoane mai ușoare a devenit din ce în ce mai justificată și, prin urmare, industria s-a îndreptat către aliaje metalice ușoare. Deoarece un număr semnificativ de blocuri de motor sunt acum fabricate din aliaj de aluminiu sau magneziu, coeficientul diferit de dilatare termică nu devine un dezavantaj al pistonului din metal ușor.
În zilele noastre, procesul general este forjarea la cald a pistoanelor din metal ușor, când se produce un piston cu cel puțin aceeași durabilitate ca fonta, dar mult mai ușor.

Fazele de producție ale pistoanelor forjate la cald (Sursă: www.lezo.hu)

Deoarece pistonul se mișcă în sus și în jos și biela alternează, acestea nu pot fi conectate rigid. O parte semnificativă a transmisiei forței este concentrată în jurul orificiului știftului, astfel încât în acest moment trebuie asigurată o armătură specială în timpul planificării.
Întâlnim adesea tăieturi și despicari în partea inferioară a carcasei pistonului. Acestea sunt menite să evite lipirea cauzată de dilatarea termică.
Este greu de observat cu ochiul liber, dar partea superioară a pistonului este de obicei realizată cu un diametru mai mic decât partea inferioară. Motivul pentru aceasta este că capacul pistonului intră în contact cu mult mai multă căldură, astfel că dilatarea sa termică va fi și mai mare în timpul funcționării. În consecință, dacă calculele preliminare sunt corecte, diametrele vor fi aceleași atunci când vehiculul este în funcțiune.

Segmentul pistonului
Pentru a îndeplini funcția de etanșare menționată, pistonul are nevoie de o altă componentă, segmentul pistonului. Câteva dintre acestea pot fi găsite la pistoanele motoarelor de astăzi. Unul dintre acestea este skimmer-ul de ulei. Acesta este utilizat în toate sursele de alimentare unde există riscul formării peliculei de ulei pe peretele cilindrului. Acest lucru nu poate fi găsit doar la motoarele în doi timpi.
Numărul de segmenți și amplasarea lor depinde în primul rând dacă vorbim despre un motor pe benzină sau diesel. Primul inel de compresie (cunoscut și ca „inel de foc”) este de obicei mai departe de coroana pistonului la motoarele diesel decât la motoarele pe benzină, numărul total de inele este de asemenea mai mare și au și două separatoare de ulei.
Inelele de compresie trebuie sa fie prevăzute cu protectie sporita in cazul motoarelor diesel, printre altele pentru a preveni o potențială scanteie, intrucat aceasta reprezinta un pericol crescut. Prin urmare, distanța dintre piston și peretele cilindrului este adesea redusă la minimum, dar în acest caz trebuie avut grijă pentru a reduce șansa de lipire.
Această problemă este de obicei rezolvată cu un profil similar cu un sigiliu labirint, care reține flacăra perforatoare și, de asemenea, reduce probabilitatea de lipire. În practică, aceasta înseamnă un profil în formă de U cu o bază pătrată, cu capătul deschis îndreptat spre peretele cilindrului.

Viitorul pistoanelor
Mai mulți producători produc în prezent motoare care folosesc pistoane fabricate de imprimante 3D. Tehnologia s-a dovedit a fi funcțională în practică, așa că se poate prevedea că se va răspândi și în segmentele inferioare de îndată ce va fi posibil să facă producția mai rentabilă.