BR102012032765A2

BR102012032765A2 - Pistão de motor de combustão interna

Info

Publication number: BR102012032765A2
Application number: BRBR102012032765-1A
Authority: BR
Inventors: Marcio Paulo Alves Dos Santos Dias; Rodrigo Scaranello Tavares Leite; Thais De Moraes Spiandorello; Estela Mari Ricetti Bueno
Original assignee: Mahle Int Gmbh; Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-09-30
Also published as: CN104870794A; WO2014094096A1; EP2937547A1; US20150330329A1; JP2016502025A

Abstract

PISTÃO DE MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA. A presente invenção refere-se a um pistão de motor de combustão interna, dotado de uma porção de topo (2) substancialmente circular a partir de cujo perímetro externo se projeta uma porção lateral (3) composta por pelo menos um primeiro segmento (3') posicionado na porção do pistão que sofre um maior esforço de compressão radial (TS) e pelo menos um segundo segmento (3") posicionado na porção do pistão, oposta, que sofre um menor esforço de compressão radial (AIS), o pistão compreendendo ainda uma porção substancialmente cilíndrica definindo um orifício radial (4) posicionado substancialmente paralelo na porção inferior em relação à porção de topo (2), para o posicionamento de um pino de pistão/biela e pelo menos duas primeiras paredes estruturais (5') efetuando a ligação entre o primeiro segmento da porção lateral (3') com a porção que define o orifício radial (4) e pelo menos duas segundas paredes estruturais (5") efetuando a ligação entre o segundo segmento da porção lateral (3") com a porção que define o orifício radial (4), onde as primeiras paredes estruturais (5') são substancialmente divergentes na direção da porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial (4) e as segundas paredes estruturais (5") são substancialmente convergentes na direção da porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial (4).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PISTÃO DE MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA".

A presente invenção refere-se a um pistão de um motor de combustão interna, particularmente idealizado para um motor de combustão 5 interna que opera segundo o ciclo Otto ou Diesel, cuja geometria construtiva propicia vantagens como aumento de resistência, redução de massa e diminuição de atrito, otimizando o funcionamento do motor de combustão interna com ele equipado.

Descrição do Estado da Técnica Um pistão de motor de combustão interna, como aquele utiliza

do em motores que operam segundo os ciclos Otto e Diesel, apresenta um formato geralmente cilíndrico, tendo uma porção superior ou cabeça que define a câmara de combustão juntamente com o cabeçote e o bloco do motor, uma parede lateral ou saia cilíndrica que compreende pelo menos dois re15 cessos anelares para o posicionamento dos anéis de pistão (compressão, intermediário e raspador de óleo) e um orifício radial para o posicionamento do pino de pistão, que o fixa articulavelmente à biela.

Nos motores mais antigos, os pistões apresentam um formato quase que perfeitamente cilíndrico; porém, o aperfeiçoamento tecnológico e as demandas cada vez mais crescentes de grande potência, reduzido consumo e limites de emissão de poluentes cada vez mais restritivos levou ao aperfeiçoamento considerável nos formato desse componente.

Assim, os motores de projeto mais moderno apresentam pistões cuja forma geométrica, embora evidentemente cilíndrica para que seja cooperante com o cilindro no interior do qual se movimentará milhões de vezes, é bastante diversa em elementos como orifício radial, saia, cabeça, canaletes e demais elementos de reforço.

Em essência, os projetistas buscam reduzir o tamanho da saia lateral com vistas à redução de peso e atrito, porém mantendo as propriedades de resistência estrutural da peça. Uma série de soluções foi proposta recentemente, sendo que algumas das mais relevantes estão brevemente comentadas abaixo. O documento de patente US 2011/0168124 refere-se a um pistão cujo aperfeiçoamento reside na geometria específica das paredes que unem as duas secções da saia lateral (nos lados do carregamento, denominado thrust side - TS e no lado não carregado, denominado anti-thrust side 5 - ATS) com a porção central do pistão, onde se encontra o orifício para posicionamento do pino. De acordo com os ensinamentos dessa invenção, as paredes que fazem a ligação da saia lateral no TS com o orifício são arqueadas, ao passo em que as paredes que efetuam a ligação da saia lateral no ATS são substancialmente retas e paralelas entre si. Como resultado dessa 10 geometria, as paredes arqueadas no lado TS apresentam maior elasticidade, importante já que não sofrem forças tangenciais tão elevadas e definem o curso de movimentação do pistão.

O documento de patente DE 10 14 5589 refere-se a um pistão para um motor de combustão interna cuja inovação, mais uma vez, está nas 15 paredes de conexão dos segmentos de saia com a região central do pistão, onde se localiza o orifício para posicionamento do pino de pistão. As paredes de conexão são convexas na área das extremidades periféricas inferiores e côncavas ou retas na área superior, logo abaixo dos canaletes dos anéis. As paredes do orifício para posicionamento do pino do pistão podem 20 apresentar espessura constante ou variável.

O documento de patente JP 11-036978 refere-se a um pistão capaz de distribuir com eficiência as forças no lado do carregamento. Para tanto, a porção de saia no lado do carregamento é mais espessa, sendo que sua espessura é maior na porção adjacente aos canaletes dos anéis e decresce gradualmente.

O documento de patente JP 2008-286030 refere-se a um pistão de um motor de combustão interna capaz de resistir a esforços de deformação radiais nas porções de extremidade livre da saia. Para tanto, é provida uma parede interna, na forma de uma travessa que ancora ambas as pare30 des que unem as duas secções da saia lateral com o orifício para posicionamento do pino, garantindo a resistência estrutural da peça.

Por fim, o documento de patente JP 2008-309118 refere-se a um anel de pistão que apresenta reduzidas taxas de desgaste dos canaletes e dos anéis. Para tanto, é provido um recesso adjacente aos anéis que recebe um inserto, o qual colabora para reduzir o desgaste daqueles elementos.

Até o momento, portanto, não havia sido desenvolvido um pistão

que atingisse os objetivos de reduzido desgaste, durabilidade e leveza a partir da alteração geométrica inovadora efetuada pela depositante, após exaustivos estudos e simulações.

Objetivos da invenção A presente invenção tem por objetivo um pistão de motor de

combustão interna cuja geometria construtiva propicia vantagens como aumento de resistência, redução de massa e diminuição de atrito, otimizando o funcionamento do motor com ele equipado.

Breve Descrição da Invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados por um pis

tão de motor de combustão interna, dotado de uma porção de topo substancialmente circular a partir de cujo perímetro externo se projeta uma porção lateral composta por pelo menos um primeiro segmento posicionado na porção do pistão que sofre um maior esforço de compressão radial e pelo me20 nos um segundo segmento posicionado na porção do pistão, oposta, que sofre um menor esforço de compressão radial. O pistão compreende ainda uma porção substancialmente cilíndrica definindo um orifício radial posicionado substancialmente paralelo na porção inferior em relação à porção de topo, para o posicionamento de um pino de pistão/biela e pelo menos duas 25 primeiras paredes estruturais efetuando a ligação entre o primeiro segmento da porção lateral com a porção que define o orifício radial e pelo menos duas segundas paredes estruturais efetuando a ligação entre o segundo segmento da porção lateral com a porção que define o orifício radial. As primeiras paredes estruturais são substancialmente divergentes na direção da 30 porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial e as segundas paredes estruturais são substancialmente convergentes na direção da porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial. Breve Descrição dos Desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

figura 1 - é uma primeira vista lateral de uma concretização pos

sível do pistão de motor objeto da presente invenção.

Figura 2 - é uma segunda vista lateral do pistão ilustrado na figura 1, defasada em 90° em relação a ela.

Figura 3 - é uma vista em corte do pistão na posição ilustrada na

figurai.

Figura 4 - é uma vista em corte do pistão na posição ilustrada na

figura 2.

Figura 5 - é uma vista inferior em perspectiva do pistão ilustrado nas figuras 1 a 4.

Figura 6 - é uma vista inferior do pistão ilustrado nas figuras 1 a

5.

Descrição Detalhada das Figuras

De acordo com uma concretização preferencial e como pode ser visto a partir da figura 1, a presente invenção refere-se a um pistão de motor 20 de combustão interna 1, particularmente idealizado para utilização em um motor que opera segundo os ciclos Otto e Diesel. De maneira preferível, o pistão é idealizado para utilização em motores a Diesel, como é o caso da concretização ilustrada nas figuras; porém, conceitualmente nada impede que o pistão seja utilizado em um motor do ciclo Otto, tal como um motor a 25 gás, ou ainda em outras utilizações, como em um motor dois tempos ou em um compressor de fluidos.

Como a grande maioria dos pistões atualmente conhecidos, o pistão 1 objeto da presente invenção é dotado de uma porção de topo 2 (usualmente chamada de porção "superior", sendo aquela que entra em con30 tato com a mistura ar-combustível) substancialmente circular a partir de cujo perímetro externo se projeta uma porção lateral 3 que compreende pelo menos dois (mas na prática três ou quatro) recessos anelares para o posicionamento dos anéis de segmento, que se dividem em anéis de compressão, anéis intermediários ou de segundo canalete e anéis raspadores ou de controle de filme de óleo. Por não ser relevante na definição do escopo de proteção do presente pistão, a forma, quantidade e posicionamento dos recessos anelares podem variar livremente.

A porção lateral do pistão 1 pode ser contínua ou segmentada e de maneira preferível, mas não obrigatória, compreende pelo menos um primeiro segmento 3’ posicionado na porção do pistão que sofre os maiores esforços de compressão radial, denominada TS, do inglês thrust side (de10 correntes da explosão da mistura ar-combustível, que movimenta o pistão violentamente na direção do virabrequim, acarretando uma mudança no ângulo da biela que acaba por gerar uma componente de força radial não desprezível). É provido ainda pelo menos um segundo segmento 3" posicionado na região oposta do pistão, defasada de 180°, e que não sofre esforços de 15 compressão radial daquela magnitude, denominada ATS, de anti-thrust side.

Devido à diferença de força radial a que são submetidos, o primeiro segmento lateral 3’ apresenta espessura média superior à espessura média do segundo segmento lateral 3". Se medidas em pontos correspondentes de cada um dos segmentos, a espessura no primeiro segmento 3’ será sempre superior à espessura do segundo segmento 3".

De outro lado, é o segundo segmento lateral 3" o responsável pela guia da movimentação do pistão no interior do cilindro, notadamente nos tempos de compressão e exaustão, pelo que apresenta largura (arco) superior ao do primeiro segmento lateral 3’. Em outras palavras, a largura do 25 primeiro segmento lateral 3’ é inferior à largura do segundo segmento lateral 3".

De modo preferível, mas não obrigatório, cada um dos primeiro e segundo segmentos laterais 3’,3" possui uma extremidade livre 30, oposta em relação à porção de topo 2 da qual se projetam, a espessura dos pelo menos primeiro e segundo segmentos laterais 3’,3" diminuindo da porção de topo 2 em direção à extremidade livre 30.

O pistão 1 compreende também uma porção substancialmente cilíndrica definindo um orifício radial 4 posicionado substancialmente paralelo, e na porção inferior em relação à região de topo 2, para o posicionamento de um pino de pistão/biela, que permitirá a movimentação angular da bieIa em relação ao pistão.

5 Há ainda paredes estruturais 5’, 5" unindo os primeiro e segundo

segmentos laterais 3’, 3" com a porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial 4, com a função precípua de conferir estruturação de forma e resistência mecânica ao pistão 1. As paredes estruturais existem na grande maioria dos pistões mais modernos, mas a configuração que elas 10 assumem no pistão 1 objeto da presente invenção é absolutamente nova e inovadora, conferindo a ele propriedades de resistência e leveza.

Em essência, qualquer que seja sua configuração específica, o pistão 1 objeto da presente invenção compreende pelo menos duas primeiras paredes estruturais 5’ que efetuam a ligação entre o primeiro segmento 15 da porção lateral 3’ com a porção que define o orifício radial 4 e pelo menos duas segundas paredes estruturais 5" efetuando a ligação entre o segundo segmento da porção lateral 3" com a porção que define o orifício radial 4.

As primeiras paredes estruturais 5’ são substancialmente divergentes na direção da porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial 4 e as segundas paredes estruturais 5" são substancialmente convergentes na direção da porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial 4. As paredes 5’, 5" podem ser vistas em especial nas figuras 5 e 6.

Além de as duas primeiras paredes estruturais 5’ serem divergentes e as segundas paredes 5" serem convergentes na direção da porção 25 substancialmente cilíndrica que define o orifício radial 4, elas são essencial e substancialmente retas na extremidade livre 30. Cada primeira parede 5’ possui a espessura variável e crescente na direção de 3’. A superfície externa da parede 5’ pode ser paralela ou divergente em relação ao orifício 4 e a superfície interna da parede 5’ é obrigatoriamente divergente em relação ao 30 orifício 4. Por seu turno, cada parede 5" possui espessura constante. Agora em relação à porção superior 2 (topo), as paredes 5’, 5" são convergentes, o que pode ser visto especialmente na figura 4. Sua inclinação, combinadas com o fato de serem retas e respectivamente convergentes/divergentes faz com que as primeiras e segundas paredes estruturais 5’, 5" sejam muito importantes no comportamento estrutural aperfeiçoado do pistão 1 objeto da presente invenção frente àqueles atualmente conhecidos.

De maneira opcional, o pistão compreende pelo menos um elemento de reforço 6 para aumento de resistência na região de cooperação entre as paredes 5’, 5" e a porção de topo 2. De maneira preferível, são providas quatro nervuras de reforço (podendo ser de dimensões/tamanhos dis10 tintos) que aumentam a rigidez do pistão e ajudam a evitar que a porção periférica tenda a "torcer" lateralmente sobre o aludido orifício radial, em especial quando o motor equipado com o pistão 1 apresenta taxa de compressão elevada, como no caso de um pistão idealizado para motores a Diesel. As nervuras podem ser visualizadas em especial na figura 1.

Ainda opcionalmente, é provida uma cavidade 7 adjacente à

região de cooperação entre a porção que define o orifício radial 4 e a porção de topo 2, a cavidade possuindo pelo menos uma janela de acesso T. Essa cavidade é utilizada para possibilitar um fluxo de óleo na região interna do pistão, importante para reduzir a temperatura da porção de topo e adjacências.

Sendo a cavidade 7 provida, pode-se prever uma ramificação no circuito de lubrificação do motor que cria um fluxo de óleo ali, retirando calor.

De toda forma, e até mesmo por ser característica opcional, a forma da cavidade e a forma e quantidade da(s) respectiva(s) janela(s) de acesso 7’ podem variar livremente.

Por fim, outra característica opcional, mas não Iimitante do pistão 1 objeto da presente invenção é a existência de um recesso 20 na porção de topo 2 que define a câmara de combustão do motor quando o pistão está posicionado no interior do cilindro.

Devido às características acima mencionadas, o presente pistão

1 apresenta uma série de vantagens quando comparado com os pistões atualmente existentes, como aumento de resistência (devido à geometria otimizada, sobretudo, no tocante às primeiras e segundas paredes estruturais 5’, 5"), redução de massa (decorrente da redução dimensional e da espessura das diversas partes do pistão 1), diminuição de atrito.

Evidentemente, o pistão 1 pode ser confeccionado com qualquer material metálico ou não metálico necessário ou desejável.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Pistão de motor de combustão interna, dotado de uma porção de topo (2) substancialmente circular a partir de cujo perímetro externo se projeta uma porção lateral (3) composta por pelo menos um primeiro segmento (3’) posicionado na porção do pistão que sofre um maior esforço de compressão radial (TS) e pelo menos um segundo segmento (3") posicionado na porção do pistão, oposta, que sofre um menor esforço de compressão radial (ATS), o pistão compreendendo ainda uma porção substancialmente cilíndrica definindo um orifício radial (4) posicionado substancialmente paraleia, e na porção inferior em relação à porção de topo (2), para o posicionamento de um pino de pistão/biela e pelo menos duas primeiras paredes estruturais (5’) efetuando a ligação entre o primeiro segmento da porção lateral (3’) com a porção que define o orifício radial (4) e pelo menos duas segundas paredes estruturais (5") efetuando a ligação entre o segundo segmento 15 da porção lateral (3") com a porção que define o orifício radial (4), o pistão sendo caracterizado pelo fato de que: - as primeiras paredes estruturais (5’) são substancialmente divergentes na direção da porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial (4); e - as segundas paredes estruturais (5") são substancialmente convergentes na direção da porção substancialmente cilíndrica que define o orifício radial (4).

2. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos primeiro e segundo segmentos laterais (3’,3") possui uma extremidade livre (30), oposta em relação à porção de topo (2) da qual se projetam, a espessura dos pelo menos primeiro e segundo segmentos laterais (3’,3") diminuindo da porção de topo (2) em direção à extremidade livre (30).

3. Pistão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a espessura média do primeiro segmento lateral (3’) é superior à espessura média do segundo segmento lateral (3").

4. Pistão de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a largura do primeiro segmento lateral (3’) é inferior à largura do segundo segmento lateral (3").

5. Pistão de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um elemento de reforço (6) para aumento de resistência na região de cooperação entre a as paredes (5’, 5") e a porção de topo (2).

6. Pistão de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma cavidade (7) adjacente à região de cooperação entre a porção que define o orifício radial (4) e a porção de topo (2), a cavidade possuindo pelo menos uma janela de acesso (7’).

7. Pistão de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um recesso (20) na porção de topo (2) que define a câmara de combustão do motor quando o pistão está posicionado no interior do cilindro.