Fundamentos do Pistão: Guia Completo para Engenheiros e Entusiastas

O que é Pistão?

O Pistão é parte importante de motores alternativos, bombas alternativas, compressores de gás, cilindros hidráulicos e pneumáticos, entre outros dispositivos similares.

É componente da câmara de combustão de motor diesel marítimo que converte forças dos gases de escape em potência mecânica por movimento alternativo.

Forma a parte inferior da câmara de combustão.

Do ponto de vista do marítimo:

O pistão forma a parte inferior da câmara de combustão e transfere a energia produzida nela para o exterior via virabrequim, onde pode ser canalizada para usos como girar a hélice na água do mar para mover o navio ou acionar um alternador para gerar eletricidade em plantas menores.

De forma geral:

É um disco ou parte cilíndrica que se ajusta firmemente e se move dentro de um cilindro, seja para comprimir ou mover fluidos (ar, água) coletados no cilindro, ou para converter a energia fornecida por um fluido que entra ou se expande no cilindro (ar comprimido, gases explosivos, vapor) em movimento retilíneo, normalmente convertido em rotativo por meio de uma biela.

Função do Pistão

É componente móvel e integral do motor de combustão interna, encerrado na camisa do cilindro e vedado a gás pelos anéis do pistão.

1. Veda a câmara de combustão (camisa do cilindro) do motor CI para que a combustão ocorra em espaço fechado (forma a parte inferior da câmara).

2. Transmite forças/energia.

A. No motor de combustão interna, transmite a força da expansão dos gases no cilindro ao virabrequim através da haste do pistão e/ou biela (converte energia química da combustão em energia mecânica no virabrequim).

B. Em certos motores (2 tempos) o pistão frequentemente serve como válvula, cobrindo e descobrindo as luzes do cilindro.

C. Em bomba alternativa, a função inverte-se: forças e energia do virabrequim transferidas ao pistão para comprimir e expelir fluido no cilindro.

O que faz um Pistão?

Transfere energia química ao virabrequim via biela, forma parte inferior da câmara de combustão, veda a camisa do cilindro e transfere calor à camisa via anéis.

Em qualquer motor diesel de combustão interna, ocorrem quatro processos: admissão, compressão, expansão e escape. Estes são realizados com o pistão.

Portanto, auxilia na combustão do combustível.

Como Funciona um Pistão?

Explicamos o funcionamento em motores 2 e 4 tempos.

Motor 4 tempos

1. Admissão: Pistão desce, válvula de admissão abre, ar entra e injeção de combustível ocorre.

2. Compressão: Virabrequim gira, pistão sobe (admissão e escape fechadas), comprimindo mistura ar-combustível. Ao atingir temperatura de ignição, ocorre combustão.

3. Expansão/Potência: Combustão expande gases, empurrando pistão para baixo.

4. Escape: Virabrequim gira, pistão sobe (válvula de escape aberta), expelindo gases ao coletor de escape.

Processos ocorrem continuamente (100 a 1000 vezes por minuto).

Motor 2 tempos

Todos os processos completam-se em dois tempos.

1. Admissão/Compressão: Pistão projetado para que ao subir admita ar e comprima mistura simultaneamente.

2. Potência/Escape: Pistão desce e simultaneamente empurra gases de escape ao coletor.

Todas as partes do Motor Diesel

Base (Bed plate), A-Frame, Tirantes (Tie-bolt), Tampa do cilindro (Cylinder cover), Camisa do cilindro (Cylinder liner), Pino do pé de biela (Gudgeon pin), Biela (Connecting rod), Guia do crosshead e sapata (Cross head Guide and guide shoe).

Tipos de Pistão

Geralmente, dois tipos de arranjo para motores de combustão interna.

1. Pistão Crosshead: Coroa, saia e haste do pistão conectada ao crosshead para transferir empuxo lateral à estrutura do motor.

Em grandes motores 2 tempos, o movimento da biela cria duas forças: axial e transversal. Motores diesel lentos de grande porte requerem suporte adicional para empuxo lateral no pistão. Usam pistões crosshead.

2. Pistão Tipo Trunk (tronco): Saia alongada para absorver empuxos laterais, conectada à biela por mancal de pé (small end bearing).

Relativamente ao diâmetro, pistões trunk são longos. Operam como pistão e crosshead cilíndrico. Há força lateral contra a parede do cilindro. Saia mais longa ajuda a suportar. Característica: ranhura para anel de óleo abaixo do pino do pé de biela.

Baseado no formato da coroa:

1. Pistão Plano (Flat): Coroa plana, fácil fabricação. Usado em motores a gasolina (Otto). Raro em diesel por ignição por centelha.

2. Côncavo: Coroa côncava. Principalmente em motores diesel.

3. Convexo: Topo convexo (forma de bola), alta potência. Melhora troca gasosa e atua como guia. Comum em motores 2 tempos de motocicletas.

Materiais de Construção

Materiais devem ter propriedades similares às de camisas e tampas de cilindro.

1. Rigidez para alta pressão: Coroa suporta alta carga de gás e transmite à haste.
2. Alta resistência mecânica e à fadiga: Longa vida à fadiga sob tensões mecânicas e térmicas flutuantes; superfície exposta a gases quentes seguida de ar de varredura frio a cada ciclo.
3. Baixo coeficiente de expansão: Resistência a fluência (creep), corrosão e erosão a alta temperatura; boa condutividade térmica mas expansão limitada para manter folgas com camisa e anéis.
4. Altas propriedades superficiais: dureza e anticorrosão.
5. Saia corretamente conformada para apoio uniforme em operação.
6. Silêncio em operação.

Materiais usados:

Dependem de potência, tamanho, velocidade e combustível do motor.

Mais comuns:

1. Ferro Fundido

2. Ligas de Alumínio

Ferro fundido para motores moderadamente potentes com velocidade do pistão abaixo de 6 m/s. Possui excelentes qualidades de desgaste, coeficiente de expansão e fabricabilidade.

Ligas de alumínio para velocidades acima de 6 m/s. Redução de peso em partes alternadas torna alumínio essencial. Para igual resistência, precisa maior espessura, perdendo vantagem de leveza. Alumínio é inferior a ferro fundido em resistência e desgaste, e maior coeficiente de expansão exige maiores folgas para evitar travamento.

Condutividade térmica do alumínio é ~3x a do ferro fundido; combinada com maior espessura, permite pistões de alumínio rodarem a temperaturas muito menores (200–250 °C vs 400–450 °C). Resultado: óleo carbonizado não forma na face inferior do pistão, mantendo cárter mais limpo. Essa propriedade de rodar frio é tão valiosa quanto a leveza; às vezes pistões são feitos mais espessos que o necessário para melhor arrefecimento.

Partes do Pistão

Características do pistão:

1. Cabeça ou coroa (Head or crown)
2. Terras (Lands)
3. Ranhuras dos anéis (Ring grooves)
4. Furos de óleo (Oil holes)
5. Alma separadora (Separating web)
6. Furo do pino do pistão ou pino do pé de biela (Piston pin or gudgeon pin hole)
7. Saia (Piston skirt)

1. Cabeça ou Coroa

Também chamada de coroa ou cúpula do pistão. Contata diretamente gases de combustão, aquecendo a temperaturas extremas. Feita com ligas especiais, incluindo aço.

Geralmente a cabeça tem canais e cavidades que criam turbilhonamento (swirl) melhorando combustão. Diferentes tipos de cabeça usados em vários motores. Configuração escolhida depende de desempenho esperado e tipo de motor.

A cabeça é a superfície superior (mais próxima da tampa do cilindro) submetida a tremendas forças e calor.

Funções da Cabeça do Pistão

• Criar swirl para combustão uniforme e regular batida de pino (knock).
• Atuar como barreira térmica entre câmara de combustão e partes inferiores do pistão.
• Conter pressões resultantes de knock no cilindro.
• Converter pressão do tempo de ignição em força descendente — transmitir à haste do pistão.
• Sustentar ondas de pressão de eventuais knocks.

2. Terras (Lands)

Terras dos anéis são as duas superfícies paralelas da ranhura dos anéis que atuam como superfície de vedação dos anéis.

Na circunferência do topo do pistão há ranhuras para os anéis. As faixas entre ranhuras são as "terras". Função: sustentar os anéis contra pressão de gás.

Terras guiam os anéis para rotação livre circular. As almas de apoio transmitem força de explosão diretamente da coroa aos bossos do pino do pistão. Terras aliviam grandes cargas das ranhuras dos anéis.

3. Ranhuras dos Anéis (Ring Grooves)

Área recuada ao redor do perímetro do pistão para fixar anel do pistão.

4. Anéis do Pistão (Piston Rings)

Anéis fendidos colocados nas ranhuras. Motor típico tem 3 anéis; número varia. Terras dos anéis são áreas entre anéis. Ranhuras mantêm posição dos anéis.

Design fendido permite ação de mola, mantendo folga correta dos anéis. Facilita instalação. Para garantir mola constante sob calor, carga, pressão, fabricantes preferem ferro fundido ou aço.

Função dos Anéis do Pistão

Principal: vedar câmara de combustão e controlar/regular óleo lubrificante. Também conduzem calor à camisa do cilindro. A maioria usa três anéis: dois anéis de compressão superiores e um anel de controle de óleo inferior.

• Anel de compressão: Topo, mais próximo da câmara. Também chamado de anel de vedação, gás ou pressão. Impede vazamento de gases de combustão ao cárter. Transfere calor do pistão às paredes da camisa.
• Anel raspador/limpador (Scraper/wiper ring): Entre anéis de compressão e óleo. Superfície cônica; veda câmara e limpa óleo das paredes.
• Anel de controle de óleo (Oil control ring): Anel inferior; duas superfícies finas com furos. Fendas permitem retorno de óleo ao cárter. Remove excesso de óleo das paredes do cilindro durante movimento do pistão.

Pino do Pistão ou Pino do Pé de Biela (Gudgeon pin):

Furo do pino do pé de biela (Gudgeon pin bore) é furo no lado do pistão perpendicular ao curso, que recebe o pino.

Pino do pé de biela (Gudgeon pin) é eixo oco conectando a extremidade pequena da biela. Também chamado pino de pulso (wrist pin) ou pino do pé de biela. Fica na parte da saia. Haste do pistão gira neste pino, alojado na bucha do anel do pistão. Para resistência à tração, pinos geralmente de aço liga, usinados para mancal do pistão. Furos na biela levam óleo ao pino de pulso, reduzindo atrito.

Montagens e estilos de fixação do pino variam. Três categorias:

1. Livre para girar tanto no pistão quanto na biela.
2. Fixado à biela.
3. Fixado rigidamente aos bossos do pistão.

Funções do Pino do Pistão / Pino do Pé de Biela

Forma conexão ou ponto de articulação entre biela e pistão. Fornece apoio de mancal e ajuda pistão a funcionar. Facilita movimento alternado do pistão.

Três métodos de montagem geram tipos de pinos:

• Pino fixo/estacionário (Stationary/fixed pin): Parafusa-se aos bossos do pistão; haste gira no pino.
• Semiflutuante (Semi-floating): Fixado à biela no meio; extremidades movem-se livremente na bucha do pistão e nos bossos.
• Totalmente flutuante (Full floating): Não fixado a pino ou biela. Preso por tampões, clipes ou anéis elásticos nos bossos. Oscila tanto nos bossos quanto na biela.

Saia do Pistão (Piston Skirt): Porção mais próxima do virabrequim que ajuda alinhamento do pistão no furo do cilindro.

Algumas saias têm perfis recortados para reduzir massa e dar folga a contrapesos do virabrequim.

Saia existe em motores 2 e 4 tempos, mas funções diferem.

Em grandes motores 2 tempos crosshead com varredura unifluxo, saias são curtas; atuam como guia e estabilizam posição do pistão na camisa.

Saia geralmente de ferro fundido.

Nota: Diâmetro da saia ligeiramente maior que do pistão para evitar dano à superfície da camisa pelo movimento. Anéis de bronze na saia ajudam na amaciamento (running-in) do motor novo; substituíveis conforme necessidade.

Em motores 2 tempos com varredura loop ou cross, saias ligeiramente maiores para fechar luzes de varredura e escape na camisa.

Em motores 4 tempos ou pistão trunk, saia tem arranjo para pino do pé de biela, transmitindo potência do pistão ao pino ou mancal superior. Sem guias de crosshead, saias transferem empuxo lateral da biela às paredes da camisa.

Dois tipos principais de saias:

• Saia completa (Full skirt): Também saia sólida. Forma tubular; comum em motores IC de grandes automóveis (ex.: motor diesel marítimo 2 tempos).
• Saia slipper (Slipper skirt): Usada em pistões de motocicletas e alguns carros. Parte da saia recortada, deixando apenas superfícies na frente e trás da parede do cilindro. Vantagem: reduz peso e área de contato pistão-cilindro.

8. Haste do Pistão (Piston Rod)

Folga do Pistão (Piston Clearance)

Pistões têm diâmetro menor que furo do cilindro. Área entre pistão e parede do cilindro é a folga do pistão.

Ou: folga entre pistão e cilindro metálico para evitar dano por expansão excessiva do pistão ao aquecer durante combustão. Também chamada folga pistão-cilindro (piston to bore clearance).

Folga Essencial Pelos Seguintes Motivos

1. Espaço para filme de lubrificante entre pistão e parede, reduzindo atrito.
2. Evita travamento (seizure): alta temperatura expande pistão e bloco. Cilindro arrefece mais rápido que pistão; folga suficiente permite expansão do pistão, senão ocorre travamento.
3. Sem folga, pistão não reciprocaria no cilindro.
4. Pistão geralmente de liga de alumínio fundido para boa condutividade térmica. Alumínio expande mais que cilindro metálico ao aquecer. Folga adequada mantém movimento livre.

Folga depende do diâmetro do furo e metal do pistão. Geralmente 0,025 mm a 0,100 mm. Em operação, preenchida com óleo para que pistão e anéis deslizem em filmes de óleo.

Se folga muito pequena:

• Perda de potência por atrito excessivo, desgaste severo, possível travamento.
• Pistão travado no cilindro por expansão excessiva.
• Pistão muito apertado, perda por atrito excessivo.
• Pistão pode danificar parede do cilindro.

Se folga muito grande:

• Pistão move-se livremente para frente e trás, causando batida de pistão (knock) e podendo danificar saia.
• Grande folga reduz vedação dos anéis de compressão.
• Ocorre "piston slap" (batida de pistão): inclinação súbita do cilindro quando pistão desce no tempo de potência.

Pistão muda de um lado para outro do cilindro com força suficiente para produzir ruído distinto. Ao aquecer, folga reduz e ruído costuma desaparecer. Para usar folgas fixas sem risco de travamento, ligas especiais e muitos designs de pistão são usados (retífica excêntrica, saias semiflexíveis com fendas oblíquas, distribuição controlada, etc.).

Pistão de Motor Diesel Marítimo 2 Tempos

Pistão de 2 tempos marítimo consiste em duas peças: Coroa e Saia.

Coroa exposta a altas temperaturas na câmara de combustão; superfície sujeita a erosão e queima. Material deve preservar resistência e resistir à corrosão a alta temperatura. Por isso, aço ligado com cromo e molibdênio. Alguns pistões têm liga especial soldada na parte mais quente da coroa para reduzir corrosão por queima de combustível.

Coroa tem 4 a 5 ranhuras de anéis, podem ser cromadas.

Saia de ferro fundido atua como guia na camisa.

Face inferior da coroa aparafusada a haste de pistão de aço fundido. Outra extremidade da haste conectada ao pino do crosshead.

Arrefecimento do pistão necessário para remover calor excessivo da combustão e limitar tensões térmicas. Também limita expansão térmica para manter folgas. Feito circulando refrigerante em passagens internas: água ou óleo do cárter.

Água tem vantagem sobre óleo (capacidade térmica) mas risco de vazamento ao cárter. Motores modernos usam pistões arrefecidos a óleo. Haste do pistão é oca, com tubo central para levar e trazer óleo.

Pistão MAN B&W tem revestimento de 8 mm de liga dura níquel-cromo (Inconel) soldado na parte mais quente da coroa para resistir à "queima" da coroa.

Pistão de Motor Diesel Marítimo 4 Tempos

Pistões para motores de média velocidade que queimam combustível residual são pistões compostos (coroa e saia de materiais diferentes).

Coroa é forjamento de aço resistente ao calor, liga de Cr, Mo, Ni. Mantém resistência a alta temperatura e resiste à corrosão. Projetada para formar câmara de combustão com recortes para válvulas. Terra superior (área entre anel superior e topo do pistão) pode ser cônica para permitir maior expansão onde pistão mais quente.

Saia pode ser ferro fundido nodular, forjado ou liga de alumínio fundido.

Vantagens do alumínio: leve, baixa inércia, reduz carga nos mancais. Mas coeficiente de expansão menor que aço, exigindo maior folga na fabricação. Folga da saia na camisa maior que ferro fundido em baixas cargas. Saia transmite empuxo lateral à camisa devido à angularidade variável da biela. Folga excessiva causa inclinação do pistão.

Pino do pé de biela para mancal pequeno da biela fica na saia. Pino flutua na saia, preso por anel elástico (circlip). Dependendo do material da saia (alumínio fundido), pode usar bucha para o pino.

Anéis podem ser montados na coroa ou em ambas. Normalmente cromados ou revestidos a plasma para resistir ao desgaste. Como camisa é lubrificada, anel raspador de óleo (controle de óleo) fica na saia.

Arrefecimento a óleo: jato de óleo guiado para cima de furo no topo da biela para face inferior da coroa. Mais eficaz: uso de coletor de óleo (oil catcher) direcionando óleo a câmaras de arrefecimento na base da coroa; efeito "coqueteleira" do pistão alternado garante arrefecimento positivo. Raro controlar temperatura de retorno do óleo (em motores 2 tempos crosshead lentos, tanto temperatura quanto quantidade são monitoradas).

Alguns motores usam pistões de uma peça em ferro fundido ou liga alumínio-silício. Não servem para combustível residual pois temperaturas maiores queimam coroa. Alumínio sofre acúmulo de carbono acima de 300 °C. Ranhuras em pistões de alumínio geralmente usam inserto de ferro fundido cromado.

Tipos de Motores a Pistão (Piston Engines Types)

Motor em Linha (InLine): Cilindros em linha reta. Fabricantes chamam de "Straight Engine". Podem ter 2, 3, 4, 5, 6 ou 8 cilindros. Four-cylinder in-line = Inline-4 ou I4/L4.

Motores Rotativos (Rotary): Câmaras de combustão e cilindros giram com eixo acionado em torno de eixo de controle fixo ao qual pistões estão acoplados; pressão dos gases de combustão gira o eixo. Alguns têm pistões deslizantes toroidais; outros rotores de lóbulos simples ou múltiplos.

Motores em V (Vee): Dois bancos de cilindros ligados a virabrequim comum, geralmente mesmo número de cilindros por banco. Bancos em ângulo, formando "V" visto de frente.

Motores V são mais curtos que equivalentes em linha, mas mais largos. V6, V8, V12 são configurações comuns.

Motores Radiais (Radial): Cilindros irradiam do cárter central como raios de roda. Parece estrela vista de frente.

Consiste em uma ou mais fileiras de cilindros ímpares ao redor do virabrequim central. Usados principalmente em aviões.

Motor de Pistões Opostos (Opposite piston Engine): Cada cilindro tem pistão em ambas extremidades, sem cabeçote.

Motores a óleo/diesel de pistões opostos usados em larga escala: navios, tanques militares, fábricas.

Vantagens: Sem cabeçote; varredura unifluxo; altura reduzida do motor.

O que é Piston Slap (Batida de Pistão)?

Som produzido quando saia do pistão toca parede do cilindro ao pivotar levemente para cima ou baixo.

Ocorre se saia desgastada aumenta folga, ou se pistão usinado para folga folgada (ex.: pistões forjados de alumínio em motores alta performance, dragsters). Espera-se que pistão expanda ao aquecer, reduzindo folgas.

Piston slap mais audível e notável em motor frio.

O que é top-high land (terra superior alta)? Por que? Em que tipo de motor MC?

Terra superior (top land) é área anular ao redor do pistão acima do anel superior. Para proteger anéis da carga térmica da combustão, altura da terra superior foi aumentada. Volume de buffer aumentado entre coroa e parede do cilindro melhora condições dos anéis e permite maiores intervalos entre revisões. Terra superior alta introduzida em meados dos anos 1990, experiência positiva levou a seu uso em todos novos tipos de motor. É desenvolvimento de motor MC-C.