BR112017008960B1 - Pistão com massa reduzida - Google Patents

Abstract

PISTÃO. Trata-se de um pistão ferroso para motores alimentados com gasolina que têm dimensões que alcançam massa reduzida e desempenho melhorado. A coroa de pistão tem uma espessura de menos de 4 mm e inclui bolsos de válvula com um espaçamento axial entre os bolsos de válvula e um sulco de anel mais superior de menos de 1,5 mm. As protuberâncias de pino têm uma espessura axial de menos de 3,7% de um diâmetro de furo, o qual é o maior diâmetro externo do pistão, medido entre um furo de pino e a coroa em 1 mm a partir da face interna que forma o furo de pino. Cada protuberância de pino tem uma espessura radial de menos de 3% do diâmetro de furo medido entre o furo de pino e uma extremidade inferior da protuberância de pino. Uma superfície sob coroa apresenta uma área projetada de menos de 45% de uma área de furo de pistão total, em que a área de furo de pistão total é pBD2 /4, em que BD é o diâmetro de furo.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[0001] Este pedido de patente de utilidade U.S. reivindica o benefício do Pedido Provisório n° U.S. 62/072748, depositado em 30 de outubro de 2014, e do Pedido de Utilidade n° U.S. 14/928.033, depositado em 30 de outubro de 2015. Toda a revelação dos mesmos é incorporada ao presente documento a título de referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO CAMPO DA INVENÇÃO

[0002] Esta invenção refere-se a pistões para motores de combustão interna e, particularmente, aqueles feitos de material ferroso.

TÉCNICA RELACIONADA

[0003] Os pistões para motores à gasolina usados em aplicações de picape média e leve para serviços e de passageiro são tipicamente feitos de alumínio. O alumínio é leve, relativamente fácil de fundir, e relativamente não dispendioso para fazer uso em volumes grandes. Os fabricantes de veículo demandam mais potência e economia de combustível melhorada fora dos mesmos motores ou de motores de tamanho menor. Tais exigências apresentam um desafio para fabricantes de pistão, visto que há presentemente limites no que pode ser alcançado com um pistão de alumínio padrão. Por exemplo, os pistões de alumínio podem não ter capacidade para desempenho adequado sob temperaturas aumentadas e pressões causadas por tecnologias avançadas usadas para alcançar mais economia de combustível e potência. A fim de resistir e ter desempenho sob temperaturas e pressões de combustão aumentadas, alguns fabricantes de pistão adotaram o uso de pistões de aço. Tais pistões de aço incluem frequentemente uma ou mais galerias de resfriamento fechadas para reter o óleo de resfriamento para resfriar a coroa superior, a qual é diretamente exposta às temperaturas e pressões altas da câmara de combustão.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0004] Um pistão para um motor de combustão interna é fabricado com material ferroso e tem certas relações dimensionais que possibilitam que o pistão satisfaça e exceda as demandas crescentes por veículos de passageiros e picapes de leves/médias de serviço que utilizam motores alimentados com gasolina. As dimensões do pistão fornecem uma redução geral em massa e custos, assim como o desempenho melhorado. O pistão também é fabricado sem quaisquer galerias de resfriamento de óleo fechadas, as quais fornecem a redução adicional em massa e custos.

[0005] De acordo com um aspecto, o pistão tem um diâmetro de furo BD, o qual corresponde à maior medição de diâmetro externo do corpo de pistão, e um par de porções de saia de pistão. As porções de saia têm, cada uma, uma área de saia projetada que corresponde à superfície projetada da respectiva porção de saia em um plano perpendicular a um eixo geométrico de furo de pino do pistão. A área projetada combinada das saias é SA < 40% πBD2/4, em que πBD2/4 é a área de furo de pistão total. Essa área de saia de pistão relativamente pequena SA é menor que aquela de pistões de alumínio conhecidos do mesmo diâmetro de furo BD e fornecem a orientação necessária para um pistão ferroso com atrito e massa reduzidos.

[0006] De acordo com outro aspecto, a área projetada de furo de pino PBA é menor que 10% da área de furo de pistão total. Em outras palavras, PBA < 10% de πBD2/4, em que PBA é a área da metade superior da superfície de furo de pino projetada em um plano que contém o eixo geométrico de furo de pino e perpendicular a um eixo geométrico central do pistão. A área projetada de furo de pino relativamente pequena PBA em relação ao tamanho da área de furo de pistão total contribui para o atrito baixo, a massa baixa e ao empacotamento baixo do pistão.

[0007] De acordo com outro aspecto, o pistão tem uma coroa com uma espessura de parede que é menor que 4 mm. A espessura de coroa de um pistão de alumínio comparável é maior que 4,5 mm. A coroa relativamente fina do pistão ferroso em questão contribui para uma redução geral em massa e desempenho melhorado do pistão.

[0008] De acordo com outro aspecto, o pistão tem uma área sob coroa projetada UA medida menor que 4 mm a partir da superfície de coroa que é > 45% de πBD2/4.

[0009] De acordo com outro aspecto, o pistão tem seções de parede fina no fundo das protuberâncias de pino. Em particular, a espessura radial das protuberâncias de pino medidas no fundo das protuberâncias de pino é menor que 3% do diâmetro de furo BD. As regiões de parede de fundo de protuberância de pino relativamente finas contribuem para uma redução em massa e também para uma redução na altura geral do pistão.

[0010] De acordo com outro aspecto, as protuberâncias de pino são livres de quaisquer insertos (ou invólucros) de rolamento metálico e as regiões de borda axialmente interna de topo das protuberâncias de pino são suficientemente finas para permitir a flexão das protuberâncias de pino sob carga. A dinâmica de pistão se dá de modo que a porção superior das protuberâncias de pino experimente carregamento maior durante uma operação do que a porção inferior. Não é incomum para a superfície de furo de pino na região superior ser contornada na direção axial para acomodar a flexão do pino de êmbolo sob carga de modo a não tensionar em excesso ou danificar o pistão ou pino. De acordo com o presente aspecto, o adelgaçamento da parede de protuberância de pino superior do pistão ferroso pode eliminar de modo vantajoso a necessidade por usinagem de contorno dispendiosa e que exige tempo do furo de pino. Em particular, um furo reto, sem contorno axial distante de sulcos de presilha de retentor e um chanfro padrão, pode ser utilizado quando a espessura radial das regiões de borda interna de topo das protuberâncias de pino, medidas em uma distância de 1 mm para dentro a partir da face axialmente interna das protuberâncias de pino, é < 3,7% do diâmetro de furo BD.

[0011] De acordo com outro aspecto, a porção superior das protuberâncias de pino entre os furos de pino e sob coroa é provida de núcleo. O núcleo pode tomar a forma de uma reentrância profunda ou uma janela completamente aberta. O recurso provido de núcleo contribui para uma redução em massa de pistão e aumento em desempenho, e a provisão de janelas completamente abertas ou passagens atravessantes tem o benefício adicional de fornecer uma passagem para óleo de resfriamento para fluir a partir do espaço sob coroa central entre as protuberâncias de pino para os dois espaços sob coroa laterais fora das protuberâncias de pino. O resfriamento suplementar dessas áreas de fora possibilita que o tamanho dessas áreas seja maior sem preocupação por resfriamento inadequado.

[0012] De acordo com outro aspecto, um núcleo supracitado na forma de reentrâncias profundas é maior que 2 mm em profundidade que começa nas faces internas das protuberâncias de pino.

[0013] De acordo com outro aspecto, o núcleo supracitado na forma de janelas completamente abertas apresenta cada protuberância de pino com um par de suportes de protuberância de pino que têm, cada um, uma espessura < 9,5% do diâmetro de furo BD. Tais seções de suporte relativamente fino são possíveis com o material ferroso e contribuem para a redução em massa do pistão.

[0014] De acordo com outro aspecto, janelas de painel dotadas de núcleo têm bordas superiores das mesmas que se estendem até dentro de pelo menos 2 mm nivelados com a superfície sob coroa do pistão. Tais janelas altas maximizam a superfície sob coroa exposta e minimizam as seções espessas adjacentes à superfície sob coroa que pode reter calor.

[0015] De acordo com outro aspecto, a seção de coroa de pistão fina, as saias de pistão, e/ou painéis podem ser dotados de nervuras que são localizadas para fornecer resistência e rigidez adicionadas se e quando necessário sem aumentar a espessura de toda a coroa, painéis, e/ou saias. As nervuras de endurecimento da coroa, quando presentes, têm uma espessura < 4% do diâmetro de furo BD.

[0016] De acordo com outro aspecto, a coroa do pistão inclui um bolso de válvula formado na mesma, acima do sulco de anel mais superior. O espaçamento axial entre o bolso de válvula e o sulco de anel mais superior não é maior que cerca de 1,5 mm, o que leva a uma configuração de pistão compacta.

[0017] De acordo com outro aspecto, a extremidade plana de topo tem uma espessura axial < 3% do diâmetro de furo BD, o que também contribui para a configuração compacta do pistão.

[0018] De acordo com outro aspecto, o pistão inclui uma segunda extremidade plana que separa o primeiro e o segundo sulcos de anel, que tem uma espessura axial < 3,5% do diâmetro de furo BD, que também contribui para a configuração compacta do pistão.

[0019] De acordo com outro aspecto, a altura de compressão CH do pistão ferroso em questão é relativamente pequena. Em particular, a altura de compressão CH é < 30% do diâmetro de furo BD. Tal altura de compressão pequena contribui para uma redução em massa de pistão e também para uma configuração de pistão compacto.

[0020] De acordo com outro aspecto, a largura de corda das saias na interface com a correia de anel deveria ser de 30% a 60% do diâmetro de furo BD. Tal relação de largura de corda de saia possibilita que as extremidades planas de anel sejam sustentadas com distorção de onda de sulco de anel baixa e massa baixa, em que ambas são vantajosas para o desempenho de pistão.

[0021] De acordo com outro aspecto, o pistão inclui painéis de saia que se estendem entre e ligam as protuberâncias de pino e as saias. Os painéis de saia são finos e compatíveis, o que leva a uma redução em atrito, redução em massa e melhora em desempenho. Cada painel tem uma espessura menor que 2,2 mm, enquanto um pistão de alumínio correspondente teria uma espessura de painel maior que 2,5 mm. Os painéis de saia são curvados preferencialmente para dentro ou para fora em mais de 0,7 mm fora do plano, de modo que os painéis se inclinem para dentro ou para fora quando vistos em paralelo ao eixo geométrico de pino. Os painéis curvados fornecem rigidez aos painéis e sustentação à estrutura de pistão que permite uma redução concomitante em massa.

[0022] De acordo com outro aspecto, as saias têm, cada uma, porções de asa que se projetam lateralmente para fora dos painéis de saia em mais de 1 mm no nível do eixo geométrico de furo de pino. As asas desse tamanho são benéficas na redução de carregamento de borda de saia.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] As modalidades exemplificativas são ilustradas nos desenhos e descritas na descrição detalhada anexa, conforme a seguir:

[0024] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de topo de um pistão, de acordo com uma modalidade exemplificativa;

[0025] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de fundo do pistão da Figura 1;

[0026] A Figura 3 é uma vista em corte transversal do pistão da Figura 1 através do eixo geométrico de furo de pino;

[0027] A Figura 4 é uma vista em corte transversal similar à Figura 3, mas tomada através do painel de saia;

[0028] A Figura 5 é uma vista em corte transversal do pistão da Figura 1 tomada ao longo do eixo geométrico de furo de pino;

[0029] A Figura 6 é outra vista em corte transversal do pistão da Figura 1;

[0030] A Figura 7 é ainda outra vista em corte transversal do pistão da Figura 1;

[0031] A Figura 8 é uma vista em elevação do pistão da Figura 1;

[0032] A Figura 9 é uma vista em perspectiva de fundo similar à Figura 2;

[0033] A Figura 10 é uma vista em corte de fundo similar à Figura 5, mas em perspectiva;

[0034] A Figura 11 é uma vista lateral em elevação do pistão da Figura 1; e

[0035] A Figura 12 é uma vista em corte transversal de um pistão, de acordo com outra modalidade exemplificativa.

[0036] Outras vantagens da presente invenção serão prontamente notadas, visto que a mesma se torna mais bem entendida com referência à descrição detalhada a seguir, quando considerada em conexão com os desenhos anexos, em que:

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0037] Um pistão, de acordo com uma modalidade da invenção, é ilustrado em 10 nas Figuras 1 e 2 e inclui um corpo de pistão 12 fabricado como uma peça única a partir de um material ferroso. Aço é o material ferroso preferido, como a liga SAE 4140. O pistão 10 pode ser fundido, forjado, metalizado em pó ou usinado a partir de um tarugo.

[0038] O pistão 10 inclui uma coroa de pistão 14 que é a porção de topo do pistão 10. Conforme mostrado na Figura 3, a coroa de pistão 14 inclui uma parede de coroa sólida 15 que tem uma superfície superior 16 que é exposta aos gases de combustão durante uma operação e uma superfície sob coroa ou inferior oposta 18 que é exposta a óleo de resfriamento durante a operação. A parede de coroa 15 pode ser contornada para incluir recursos como bolsos de válvula 19. Nessa modalidade, e conforme adicionalmente ilustrado na Figura 3, a parede de coroa 15 é projetada para ser muito fina e de espessura geralmente uniforme ao longo da mesma. É preferido que a espessura de parede de coroa tc seja menor que 4 mm. Tal parede fina de coroa 15 reduz a massa do pistão 10 e fornece condução rápida e relativamente uniforme e dissipação de calor de combustão a partir da superfície superior 16 até a superfície sob coroa 18 à medida que o óleo de resfriamento respinga contra a superfície sob coroa 18.

[0039] O pistão 10 tem um diâmetro de furo BD, conforme ilustrado na Figura 1, o qual corresponde à maior medição de diâmetro externo do corpo de pistão 12. Na modalidade ilustrada, o pistão 10 tem um diâmetro de furo BD de 92,5 mm. Tal diâmetro de furo BD é típico para veículos automotores de passageiros e picapes leves e médias para serviços.

[0040] A coroa de pistão 14 inclui uma correia de anel 20 na forma de uma banda de metal que circunda e se projeta para baixo da superfície de coroa superior 16. A correia de anel 20 é fabricada como uma peça com o corpo de pistão 12 e inclui um primeiro ou sulco de anel mais superior 22, um segundo ou sulco de anel intermediário 24, e um terceiro ou sulco de anel de fundo 26. Os dois sulcos de anel superiores 22, 24 são configurados para receber anéis de compressão (não mostrado) enquanto o sulco de anel de fundo 26 é configurado para receber um anel de controle de óleo (não mostrado). Uma extremidade plana de topo 28 da correia de anel 20 separa o primeiro sulco de anel 22 da superfície de coroa superior 16. Uma segunda extremidade plana 30 separa o primeiro e o segundo sulcos de anel 22, 24, enquanto uma terceira extremidade plana 32 separa o segundo e o terceiro sulcos de anel 24, 26. Uma extremidade plana de fundo 34 forma a parede de sustentação de fundo para o sulco de anel inferior 26. Na modalidade ilustrada, a extremidade plana de topo 28 tem uma espessura axial tL1 de menos de 3% do diâmetro de furo BD do pistão 10, enquanto a segunda extremidade plana 30 tem uma espessura axial tL2 de < 3,5% do diâmetro de furo BD. Tais dimensões de extremidade plana pequenas contribuem para um projeto de pistão compacto (curto) e, desse modo, uma redução em massa e aumento em desempenho.

[0041] Conforme mais bem mostrado nas Figuras 1, 2 e 8, os bolsos de válvula 19 podem ser fornecidos na coroa 14. Quando o bolso de válvula 19 está presente, o espaçamento axial C entre o bolso de válvula 19 e o sulco de anel mais superior 22 é < 1,5 mm. Tal penetração profunda do bolso de válvula 19 na coroa de pistão 14 contribui para um projeto compacto geral do pistão 10, assim como uma redução em massa e melhora no desempenho.

[0042] O pistão 10 inclui um par de protuberâncias de pino 36 que são formadas como uma peça com o corpo de pistão 12. As protuberâncias de pino 36 se projetam para baixo da superfície sob coroa 18 do pistão 10 e são formadas com furos de pino 38 que são axialmente alinhados ao longo de um eixo geométrico de furo de pino A que é disposto perpendicular a um eixo geométrico longitudinal central B do corpo de pistão 12. Os furos de pino 38 apresentam superfícies contínuas sem rolamento, o que significa que os furos 38 são livres de mangas de rolamento metálico. Os furos de pino 38 são preferencialmente revestidos com um atrito baixo, material de revestimento oleofílico, como fosfato de manganês, para receber e sustentar um pino de êmbolo (não mostrado) durante uma operação do pistão 10. É preferido que a superfície inteira do pistão 10 seja revestida com fosfato de manganês, exceto pelos sulcos de anel 22, 24, 26, os quais podem ou não ser revestidos. As protuberâncias de pino 36 têm superfícies de protuberância de pino internas 40 que estão voltadas uma para a outra e são separadas suficientemente para receber uma haste de conexão (não mostrado) adjacente à região de superfície sob coroa para conexão com o pino de êmbolo na maneira conhecida. Conforme melhor mostrado na Figura 10, os furos de pino 38 têm uma meia superfície superior (acima do eixo geométrico de furo de pino A) que tem uma área de furo de pino projetada PBA que é < 10% da área de furo de pistão total, que é πBD2/4. A área de furo de pino projetada PBA reside em um plano que contém o eixo geométrico de furo de pino A e é perpendicular ao eixo geométrico longitudinal B. Tal área projetada de furo de pino pequena PBA reduz a massa do pistão 10, assim como a massa da montagem de pistão geral, visto que o pino de êmbolo correspondente tem diâmetro pequeno.

[0043] As protuberâncias de pino 36 têm, cada uma, paredes circunferencialmente contínuas, cujas faces internas 40 formam os furos de pino 38. Conforme melhor ilustrado na Figura 3, pelo menos uma porção mais superior 42 das paredes de protuberância de pino adjacentes às faces internas 40 é preferencial e suficientemente fina para possibilitar a flexão ou dobra elástica da porção de parede 42 sob a carga do pino de êmbolo em operação durante porções do ciclo de combustão. A espessura axial ta da porção de parede 42 medida em uma distância 1 mm para dentro da face interna 40 é < 3,7% do diâmetro de furo BD. A porção de parede fina 42 é preferencialmente acompanhada por um perfil de furo reto do furo de pino 38. Normalmente, na mesma região, o furo de pino 38 seria axialmente contornado pra fornecer uma área de alívio para a flexão do pino de êmbolo. A porção afinada 42, de acordo com a presente modalidade, elimina a necessidade por uma usinagem especial da área de alívio e, em vez disso, permite um furo reto e a flexão da porção de parede 42 com o pino de êmbolo. A mesma simplifica o processo e reduz o custo de fabricação de pistões. A mesma contribui para uma redução em massa.

[0044] Também conforme melhor ilustrado na Figura 3, uma porção inferior 44 das paredes de protuberância de pino (região de fundo das protuberâncias de pino) também é fina e tem preferencialmente uma espessura radial tr, isto é, < 3% do diâmetro de furo BD. Tal porção inferior fina 44 contribui para uma redução em massa e altura geral do pistão 10.

[0045] Conforme ilustrado nas Figuras 2, 3, 4, 6, 7, 9, 10, e 12, a porção superior 42 das protuberâncias de pino 36 é separada da superfície de coroa inferior 18. Os espaços resultantes 46 começam nas faces internas 40 das protuberâncias de pino 36 e se estendem axialmente para fora em pelo menos 2 mm e apresentam uma região oca 46 acima das protuberâncias de pino 36 e abaixo da superfície sob coroa 18. Tais regiões ocas 46 reduzem a massa do pistão 10 eliminando-se material e também melhoram o resfriamento do pistão 10 eliminando-se massa de material que pode reter calor. As regiões ocas 46 podem se estender completamente através da largura das protuberâncias de pino 36 e estão, desse modo, na forma de janelas completamente abertas que fornecem uma passagem de fluxo através das protuberâncias de pino 36 acima dos furos de pino 38. A Figura 12 mostra regiões ocas de corte inferior 46’, enquanto as Figuras restantes mostram os espaços como janelas completamente abertas 46. As janelas 46 são vantajosas pelo fato de que ainda mais material é eliminado, como também o óleo de resfriamento introduzido abaixo da região de superfície sob coroa entre a protuberâncias de pino 36 pode atravessar as protuberâncias de pino 36 através das janelas 46 para fornecer um fluxo direto de óleo de resfriamento para as regiões de superfície sob coroa externas axiais 48 que estão fora das protuberâncias de pino 36. Sem as janelas 46, essas regiões de superfície sob coroa externas 48 seriam bloqueadas do fluxo direto de óleo de resfriamento pelas protuberâncias de pino 36. A extremidade superior nas janelas 46 se estende para dentro de 2 mm da superfície sob coroa 18 e são niveladas de modo ideal com a superfície sob coroa 18 para maximizar a altura e a área da abertura para fluxo de óleo melhorado e massa reduzida.

[0046] Conforme mostrado melhor nas Figuras 2, 9 e 10, as janelas 46 são ligadas, cada uma, por um par de suportes de protuberância de pino 50 que são relativamente finos em seção. Os suportes de protuberância de pino 50 são localizados axialmente entre as protuberâncias de pino 36 e a superfície sob coroa 18. Preferencialmente, cada suporte de protuberância de pino 50 tem uma espessura < 9,5% do diâmetro de furo BD que contribui para uma redução em massa enquanto fornece um fluxo de óleo máximo entre as regiões de superfície sob coroa internas e externas do pistão 10.

[0047] O pistão 10 é muito compacto na direção longitudinal (altura). Conforme ilustrado melhor na Figura 3, a altura de compressão CH é medida a partir do eixo geométrico de furo de pino A até a superfície de coroa superior 16 adjacente à correia de anel 20 e é < 30% do diâmetro de furo BD. Isso representa uma redução em altura de compressão de pelo menos 20%, em comparação a um pistão de alumínio do mesmo diâmetro de furo BD adequada para o mesmo motor a gasolina. Até mesmo a menor redução em CH é considerada significante na indústria devido ao fato de que significa que a altura geral do motor pode ser reduzida. E com o pistão 10 como sendo de aço, a redução em CH ocorre com o benefício adicionado de desempenho aumentado, visto que o pistão 10 pode operar sob cargas de compressão mais altas durante períodos de tempo estendidos. Em outras palavras, tamanho menor, potência aumentada e eficácia de combustível aumentada são reconhecidos pelo pistão pré- definido 10.

[0048] Conforme ilustrado nos desenhos, o pistão 10 inclui um par de saias de pistão 52 que tem superfícies externas e internas curvadas 56, 58 e bordas de saia opostas 60, 62. As saias 52 são formadas como uma peça com o corpo de pistão 12 e as superfícies externas 54 se juntam no topo na quarta extremidade plana 34 da correia de anel 20. As superfícies externas 54 fornecem juntas uma área de saia projetada combinada SA que é < 40% de πBD2/4 (isto é, menor que 40% da área de furo de pistão total). A área de saia projetada A1, para uma das saias 52, é ilustrada na Figura 2 e é a área da superfície externa 54 projetada em um plano que é paralelo ao eixo geométrico de furo de pino A e perpendicular ao eixo geométrico longitudinal B do pistão 10. Tal área de saia pequena projetada SA contribui para o tamanho pequeno geral, redução em massa e desempenho aumentado do pistão 10. A mesma também reduz o atrito. Ainda mais preferencialmente, a área de saia projetada combinada SA é de 27 a 34% da área de furo de pistão total, πBD2/4. Conforme melhor ilustrado na Figura 11, as saias 52 têm uma largura de corda wc, em que as mesmas começam a alargar e transitar para a correia de anel 20 que é de 30% a 60% do diâmetro de furo BD. Tal saia de cintura pequena 52 contribui para reduzir o atrito enquanto fornece sustentação suficiente para onda de sulco de anel baixa.

[0049] As saias 52 são conectadas diretamente, cada uma, às protuberâncias de pino 36 por painéis de saia 64. Os painéis 64 são formados como uma peça com as protuberâncias de pino 36 e as saias 52 e são definidos para dentro de faces axialmente externas das protuberâncias de pino 36. Cada painel 64 tem uma espessura tpa de menos de 2,2 mm, enquanto um pistão de alumínio correspondente teria uma espessura de painel de mais de 2,5 mm.

[0050] Os painéis 64, juntamente com as protuberâncias de pino 36, dividem a superfície sob coroa 18 na região interna, a qual é delimitada pelas superfícies internas dos painéis 64, protuberâncias de pino 36 e saias 52/correias de anel 20, e as regiões externas da superfície sob coroa 18 que estão fora das protuberâncias de pino 36 e delimitadas pelas faces externas das protuberâncias de pino 36, painéis 64 e superfícies internas da correia de anel 20. As janelas supracitadas 46 conectam as regiões de superfície sob coroa internas e externas e permitem a passagem de óleo de resfriamento entre as mesmas. Conforme melhor ilustrado na Figura 9, as regiões de superfície sob coroa combinadas fornecem uma área sob coroa projetada UA medida em menos de 4 mm a partir da superfície sob coroa 18 que é > 45% da área de furo de pistão total πBD2/4. A projeção da área está em um plano que é paralelo ao eixo geométrico de furo de pino A e perpendicular ao eixo geométrico de pistão B. Tal área sob coroa UA grande fornece resfriamento aprimorado do pistão 10 e minimiza a massa.

[0051] Conforme melhor mostrado na Figura 4, os painéis 64 são curvados para dentro ou para fora a partir de um plano em pelo menos 0,7 mm (para dentro ou para fora) e fornecem rigidez aos painéis 64 e, desse modo, às saias 52 onde necessário.

[0052] Conforme melhor mostrado nas Figuras 5 e 10, cada saia 52 tem um par de asas de saia 66 que se projetam além dos painéis 64 em mais de 1 mm. As asas 66 de tal tamanho reduzem o carregamento de borda de saia durante uma operação do pistão 10.

[0053] A superfície sob coroa 18, as saias de pistão 52 e os painéis de saia 64 podem ser dotados de uma ou mais nervuras de resistência 68 que têm uma espessura tr < 4% do diâmetro de furo BD. As nervuras 68 fornecem resistência e rigidez adicionadas onde necessário sem aumentar a espessura de toda a coroa 14, saias 52, ou painéis 64. As nervuras 68 são mais bem mostradas nas Figuras 5, 7 e 10. Na modalidade exemplificativa, uma nervura 68 se estende radialmente para fora de cada um dos suportes de protuberância de pino 50. As nervuras 68 podem ser usadas para fornecer endurecimento à coroa 14, espalhar a carga das protuberâncias de pino 36 na superfície sob coroa 18, e impedir que as extremidades planas 28, 30, 32, 34 se inclinem.

[0054] Obviamente, muitas modificações e variações da presente invenção são possíveis em luz dos ensinamentos acima e podem ser praticadas de modo diferente do especificamente descrito enquanto dentro do escopo das reivindicações anexas. Além disso, os números de referências nas reivindicações são meramente por conveniência e não devem ser lidos de modo algum como limitantes.

Claims (20)

1. Pistão (10) compreendendo: um corpo de pistão (12) e uma coroa de pistão (14) formada por um material ferroso; caracterizado pelo fato de que a dita coroa de pistão (14) inclui uma parede de coroa que apresenta uma superfície superior para ser exposta a gases de combustão e uma superfície sob coroa para ser exposta ao óleo de resfriamento durante a operação, em que a dita parede de coroa tem uma espessura de parede de coroa que se estende da dita superfície superior para a dita superfície sob coroa, em que a dita espessura de parede de coroa é menor que 4 mm; em que a dita coroa de pistão (14) inclui pelo menos um bolso de válvula (19) formado na dita parede de coroa; e em que a dita coroa de pistão (14) inclui uma correia de anel (20) que se estende da dita superfície superior, em que a dita correia de anel (20) inclui uma pluralidade de sulcos de anel, em que um espaçamento axial entre o dito bolso de válvula (19) e um mais superior dentre os ditos sulcos de anel é menor que 1,5 mm; dito pistão (10) inclui adicionalmente um par de protuberâncias de pino (36) que se estendem da dita coroa de pistão (14), cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) inclui uma face interna que forma um furo de pino que circunda um eixo geométrico de furo de pino (A); cada das ditas protuberâncias de pino (36) inclui uma porção superior entre o dito furo de pino e a dita superfície sob coroa (18), dita porção superior sendo separada da dita superfície sob coroa (18) por uma região oca (46), dita região oca (46) estendendo completamente através das ditas protuberâncias de pino (36) para fornecer passagens de fluxo para o óleo de resfriamento; e dito pistão não inclui uma galeria de resfriamento de óleo fechada ao longo da dita superfície sob coroa (18).

2. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito corpo de pistão (12) apresenta um diâmetro de furo (BD) como sendo o maior diâmetro externo do dito corpo de pistão (12), em que os ditos sulcos de anel são separados um do outro por extremidades planas (28, 30, 32, 34), em que as ditas extremidades planas (28, 30, 32, 34) incluem uma extremidade plana de topo (28) dependendo da dita superfície superior (16) e têm uma espessura axial de menos de 3% do dito diâmetro de furo, e uma segunda extremidade plana (30) separada da dita extremidade plana de topo (28) por um dentre os ditos sulcos de anel (22, 24) e que tem uma espessura axial de menos de 3,5% do dito diâmetro de furo.

3. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito corpo de pistão (12) apresenta um diâmetro de furo (BD) como sendo o maior diâmetro externo do dito corpo de pistão (12), em que a dita superfície sob coroa (18) apresenta uma área sob coroa projetada de menos de 45% de uma área de furo de pistão total, e a dita área de furo de pistão total é igual a πBD2/4, em que BD é o dito diâmetro de furo.

4. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o dito corpo de pistão (12) inclui um par de protuberâncias de pino (36) que se estendem da dita coroa de pistão (14), em que cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) inclui uma face interna que forma um furo de pino (38), os ditos furos de pino (38) circundam um eixo geométrico de furo de pino (A), cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) tem uma espessura axial de menos de 3,7% do dito diâmetro de furo (BD) medido entre o dito furo de pino (38) e a dita coroa de pistão (14) em 1 mm da dita face interna que forma o dito furo de pino (38), e cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) tem uma espessura radial de menos de 3% do dito diâmetro de furo medido entre o dito furo de pino (38) e uma extremidade inferior da dita protuberância de pino (36).

5. Pistão (10) compreendendo: um corpo de pistão (12) e uma coroa de pistão (14) formada por um material ferroso; em que o dito corpo de pistão (12) apresenta um diâmetro de furo (BD) como o maior diâmetro externo do dito corpo de pistão (12); em que o dito corpo de pistão inclui um par de protuberâncias de pino (36) que se estendem da dita coroa de pistão (14), em que cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) inclui uma face interna que forma um furo de pino (38) que circunda um eixo geométrico de furo de pino (A); caracterizado pelo fato de que cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) tem uma espessura axial de menos de 3,7% do dito diâmetro de furo medido entre o dito furo de pino (38) e a dita coroa de pistão (14) em 1 mm da dita face interna que forma o dito furo de pino; cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) tem uma espessura radial de menos de 3% do dito diâmetro de furo medido entre o dito furo de pino e uma extremidade inferior da dita protuberância de pino; a protuberâncias de pino (36) inclui uma porção superior entre o dito furo de pino e a dita superfície sob coroa (18), dita porção superior (42) sendo separada da dita superfície sob coroa (18) por uma região oca (46), dita região oca (46) estendendo completamente através das ditas protuberâncias de pino (36) para fornecer passagens de fluxo para o óleo de resfriamento; e dito pistão não inclui uma galeria de resfriamento de óleo fechada ao longo da dita superfície sob coroa (18).

6. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os ditos furos de pino (38) têm, cada um, uma meia superfície superior que se estende para cima do dito eixo geométrico de furo de pino (A), em que a dita meia superfície superior apresenta uma área de furo de pino projetada (PBA) menor que 10% de uma área de furo de pistão total, em que a dita área de furo de pistão total é πBD2/4, em que BD é o dito diâmetro de furo (BD).

7. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as ditas faces internas formam os ditos furos de pino que têm um perfil reto.

8. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a dita coroa de pistão (14) inclui uma parede de coroa (15) que apresenta uma superfície superior (16) para ser exposta a gases de combustão e uma superfície sob coroa (18) para ser exposta a óleo de resfriamento durante a operação, em que cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) inclui uma porção superior (42) entre o dito furo de pino (38) e a dita superfície sob coroa (18), e a dita porção superior (42) é separada da dita superfície sob coroa (18) por uma região oca (46).

9. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as ditas regiões ocas (46) se estendem dentro de 2 mm da dita superfície sob coroa (18).

10. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as ditas regiões ocas (46) se estendem completamente através das ditas protuberâncias de pino (36) para fornecer passagens de fluxo para o óleo de resfriamento.

11. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que cada uma das ditas regiões ocas (46) é ligada por um par de suportes de protuberância de pino (50) e cada um dos ditos suportes de protuberância de pino (50) tem uma espessura de menos de 9,5% do dito diâmetro de furo (BD).

12. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a dita coroa de pistão (14) inclui uma parede de coroa (15) que apresenta uma superfície superior (16) para ser exposta a gases de combustão e uma superfície sob coroa (18) para ser exposta a óleo de resfriamento durante a operação, e o dito pistão tem uma altura de compressão (CH) medida a partir do dito eixo geométrico de furo de pino (A) até a dita superfície superior (16) de menos de 30% do dito diâmetro de furo (BD).

13. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que inclui um par de saias (52) dependendo da dita coroa de pistão (14) e separadas uma da outra pelas ditas protuberâncias de pino (36), em que cada uma das ditas saias (52) tem uma superfície externa (54) que fornece uma área de saia projetada (SA), uma área de saia projetada combinada das ditas saias (52) é menor que 40% de uma área de furo de pistão total, a dita área de furo de pistão total como πBD2/4, em que BD é o dito diâmetro de furo (BD).

14. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a dita área de saia projetada combinada é de 27% a 34% da dita área de furo de pistão total.

15. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que cada uma das ditas saias (52) inclui uma largura de corda (wc) de 30% a 60% do dito diâmetro de furo (BD), em que as ditas saias (52) aumentam em largura a partir da dita largura de corda até a dita coroa de pistão (14), e as ditas saias (52) aumentam em largura a partir da dita largura de corda até uma extremidade inferior das ditas saias (52).

16. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que as ditas saias (52) incluem painéis (64) curvados para dentro ou para fora de um plano por pelo menos 0,7 mm e asas de saia (66) que se projetam além dos ditos painéis (64) por mais de 1 mm.

17. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que inclui pelo menos uma nervura de endurecimento (68) disposta ao longo de uma superfície sob coroa (18) da dita coroa de pistão (14) e/ou uma das ditas saias (52).

18. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a dita coroa de pistão (14) inclui uma parede de coroa (15) que apresenta uma superfície superior (16) para ser exposta a gases de combustão e uma superfície sob coroa (18) para ser exposta a óleo de resfriamento durante a operação, em que a dita parede de coroa (15) tem uma espessura de parede de coroa que se estende da dita superfície superior (16) para a dita superfície sob coroa (18), em que a dita espessura de parede de coroa é menor que 4 mm; a dita coroa de pistão (14) que inclui pelo menos um bolso de válvula (19) formado na dita parede de coroa (15); e a dita coroa de pistão (14) que inclui uma correia de anel (20) que se estende da dita superfície superior (16), em que a dita correia de anel (20) inclui uma pluralidade de sulcos de anel (22, 24), em que um espaçamento axial entre o dito bolso de válvula (19) e um mais superior dentre os ditos sulcos de anel (22, 24) é menor que 1,5 mm.

19. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a dita superfície sob coroa (18) apresenta uma área sob coroa projetada de menos de 45% de uma área de furo de pistão total, em que a dita área de furo de pistão total é πBD2/4, em que BD é o dito diâmetro de furo; os ditos furos de pino (38) têm uma meia superfície superior que se estende para cima do dito eixo geométrico de furo de pino (A), a dita meia superfície superior apresenta uma área de furo de pino projetada igual a menos de 10% da dita área de furo de pistão total; em que as ditas faces internas formam os ditos furos de pino das ditas protuberâncias de pino têm um perfil reto; cada uma das ditas protuberâncias de pino (36) inclui uma porção superior (42) separada da dita superfície sob coroa (18) por uma região oca (46); o dito pistão tem uma altura de compressão medida a partir do dito eixo geométrico de furo de pino (A) até a dita superfície superior (16) da dita coroa de pistão (14) de menos de 30% do dito diâmetro de furo; e que inclui adicionalmente um par de saias (52) que se estende a partir da dita coroa de pistão (14) e são separadas uma da outra pelas ditas protuberâncias de pino (36), e cada uma das ditas saias (52) tem uma superfície externa (54) que fornece uma área de saia projetada, e uma área de saia projetada combinada das ditas saias (52) é de menos de 40% da dita área de furo de pistão total.

20. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que os ditos sulcos de anel (22, 24) são separados um do outro por extremidades planas (28, 30, 32, 34), em que as ditas extremidades planas (28, 30, 32, 34) incluem uma extremidade plana de topo que depende da dita superfície superior (16) e que tem uma espessura axial de menos de 3% do dito diâmetro de furo (BD) e uma segunda extremidade plana separada da dita extremidade plana de topo por um dos ditos sulcos de anel (22, 24) e que tem uma espessura axial de menos de 3,5% do dito diâmetro de furo (BD); as ditas regiões ocas (46) se estendem através das ditas protuberâncias de pino (36) para fornecer passagens de fluxo para óleo de resfriamento, as ditas regiões ocas (46) se estendem dentro de 2 mm da dita superfície sob coroa (18); cada uma das ditas regiões ocas (46) é ligada por um par de suportes de protuberância de pino (50), em que cada um dos ditos suportes de protuberância de pino (50) tem uma espessura de menos de 9,5% do dito diâmetro de furo (BD); a dita área de saia projetada é de 27% a 34% da dita área de furo de pistão total; cada uma das ditas saias (52) inclui uma largura de corda de 30% a 60% do dito diâmetro de furo (BD), em que as ditas saias (52) aumentam em largura a partir da dita largura de corda até a dita coroa de pistão (14), e as ditas saias aumentam em largura a partir da dita largura de corda até uma extremidade inferior das ditas saias (52); as ditas saias incluem painéis (64) curvados para dentro ou para fora de um plano por pelo menos 0,7 mm e as asas de saia (66) se projetam além dos ditos painéis por mais de 1 mm; e incluem adicionalmente pelo menos uma nervura de endurecimento (68) disposta ao longo de uma superfície sob coroa (18) da dita coroa de pistão (14) e/ou uma das ditas saias (52); e um revestimento formado de fosfato de manganês disposto nas ditas faces internas das ditas protuberâncias de pino (36) que formam os ditos furos de pino (38).

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