Il pistone è un organo animato di moto rettilineo alternativo del manovellismo di spinta rotativa di una macchina alternativa (per esempio un motore a vapore, un motore ad accensione comandata, un motore diesel, un motore Stirling), su cui agisce la pressione di un fluido.

Parti del pistone Il pistone di un motore endotermico è costituito da: Mantello: parte laterale del pistone, un solido cilindrico che presenta: Sedi delle fasce elastiche e raschiaolio: solchi presenti nella parte alta prossima al cielo. Portate dello spinotto: fori presenti nella mezzeria del mantello. Più l'asse che li attraversa passa vicino al baricentro del pistone, più si riduce il fenomeno dello scampanamento, cioè i movimenti oscillatori che avvengono durante la corsa. Cielo: porzione superiore del pistone, costituisce la parte inferiore della camera di combustione. Spinotto: perno che consente l'accoppiamento cinematico con la biella. Fasce elastiche: anelli metallici inseriti in cave appositamente lavorate sul diametro esterno del pistone, il cui compito è garantire la migliore tenuta alla pressione generata dalla combustione. Anello raschiaolio: altro anello di tenuta la cui funzione specifica è quella di eliminare l'eventuale eccesso di olio lubrificante dalla canna del cilindro, riducendo gli attriti idrodinamici e la possibilità di travaso di lubrificante in camera di combustione.

Misure Il pistone viene misurato in varie parti: Diametro o Alesaggio, misura necessaria per il giusto accoppiamento con il cilindro Altezza di compressione, misura la parte del mantello posta presente nella parte alta del pistone, dal centro dello spinotto fino allo spigolo superiore del mantello Forma cielo, il tipo di testa viene indicato generalmente tramite lettere, in modo da poterlo facilmente distinguere. Misura della testa, misura dell'altezza del cielo, dallo spigolo superiore del mantello alla quota più elevata della bombatura. In casi particolari (specialmente con camere di combustione Heron o Diesel), il valore può essere negativo. Lunghezza totale, misura l'intera lunghezza del pistone, che è data sia dal mantello che dal profilo del cielo pistone Tipo segmenti, il tipo di sedi e di fasce compatibili vengono segnate generalmente tramite lettere, in modo da poterle facilmente distinguere Numero segmenti, indica quante sedi sono presenti Altezza segmenti, indica l'altezza del segmento Diametro spinotto, indica la misura dello spinotto Lunghezza spinotto, indica quanto questo è lungo

Produzione La produzione si differenzia per il tipo di realizzazione del pistone, che può essere: Fuso in conchiglia o più semplicemente Fuso, dove la lega viene fatta colare per gravità nello stampo, ma esiste una variante dove si sfrutta la forza centrifuga e in cui lo stampo ruota e applica una lieve compressione alla lega fusa Stampati, la lega viene prima utilizzata per la creazione del grezzo del pistone che poi viene sottoposto a una pressione tramite una pressa, in modo da ravvicinare ulteriormente le molecole della lega, come risultati è una via di mezzo tra i fusi e i forgiati. Forgiato, la lega viene fatta riscaldare fino al punto di fusione e spinta tramite un maglio a una pressione elevata dentro lo stampo, questa tecnica rispetto alla fusione permette d'avere una lega più compatta e più ricca di legami molecolari, che a parità di volume è più pesante, ma estremamente più resistente, il che permette di creare anche pistoni più leggeri e resistenti (differenze minime) rispetto ai fusi.

Forma del pistone La forma reale a freddo del pistone non è cilindrica, in quanto la distribuzione della massa e delle temperature di funzionamento è disomogenea, e questo comporta dilatazioni non uniformi. La sua forma è più o meno tronco-conica in sezione (in realtà il diametro massimo è solitamente a circa 10 mm dal bordo inferiore del mantello) e ovale in pianta, dove l'asse inferiore passa per lo spinotto e le sue portate. La sagoma precisa per ogni motore e applicazione viene definita con simulazioni al computer e prove di funzionamento, in modo che alla temperatura di regime assuma la forma corretta per garantire le minori oscillazioni nella canna, una corretta lubrificazione, gli attriti più bassi e la più efficace tenuta ai gas di combustione.

Forme particolari

Oltre alle forme classiche esistono anche pistoni, generalmente per motori rotativi, dove la forma risulta essere completamente diversa, come nel caso del motore Wankel, dove il pistone o rotore ha una forma trocoidale, ma esiste anche il caso di un motore classico (a pistoni alternati) dove questi, invece della consueta sezione rotonda (insieme a quella del relativo cilindro), hanno un profilo ovale. È quello utilizzato sulle motociclette Honda NR, sia nelle competizioni, che per uso stradale.

Il mantello del pistone L'altezza del mantello, quindi la parte del pistone a contatto con il cilindro è molto importante, perché meno mantello si ha e più si riduce l'attrito e si alleggerisce il pistone, ma se il mantello si riduce di troppo si ha la possibilità che perda le sue funzioni.

Nel caso del 2 tempi, se il mantello è troppo corto davanti alla luce di scarico, si genera una fuoriuscita di miscela dal condotto di scarico o un'infiltrazione dei gas di scarico e di conseguenza perdita di potenza del motore, se invece è troppo lungo sui fianchi, riduce la capacità di travaso, riducendo anche in questo caso la potenza.

Nel caso dei 4 tempi, se il mantello è molto ridotto, con un funzionamento ad alti regimi e sotto sforzo (accoppiato ad un'eventuale usura delle parti) il pistone può girarsi e provocare la rottura di tutto il motore, rendendolo inutilizzabile.

Accorgimenti

Per aumentare la resa del motore, il pistone può essere conformato in vari modi: Mantello sagomato nella parte inferiore. Nel caso del quattro tempi, questa zona viene sagomata in modo che si possano utilizzare bielle più corte, mentre nel due tempi viene sagomata in modo da lasciare il passaggio libero per i travasi. Parte del mantello non a contatto con il cilindro. In questo caso possono mancare vere e proprie parti del mantello nei punti dove questo non è assolutamente necessario o più semplicemente alcune parti di esso non vanno a contatto diretto con il cilindro. In ogni caso queste parti sono opportunamente circondate dalle altre che invece contattano il cilindro per mantenere il giusto accoppiamento. Il ridurre al minimo il contatto tra il mantello e la parete del cilindro fa sì che si possa ridurre l'attrito e quindi diminuire il calore da esso prodotto. Generalmente le parti del mantello non a diretto contatto con il cilindro sono quelle vicine ai fori di inserzione dello spinotto. Foratura o fenestratura del mantello. Consiste nel creare nel mantello dei fori o fenestrature. Nel caso dei quattro tempi questi fori sono disposti sulla sede della fascia raschiaolio, in modo da poter raccogliere più olio, mentre per il due tempi queste fenestrature servono per migliorare la lubrificazione del piede di biella o il raffreddamento o la funzionalità dei travasi o fasi del ciclo di funzionamento del motore, come l'aspirazione Uso di materiale autolubrificante. Consiste nel fabbricare una parte del mantello del pistone con un riporto di materiale che riesce a lubrificarsi da solo, quest'accorgimento permette di effettuare un rodaggio più rapido e ridurre i rischi di grippaggio, ed è attualmente il più usato. Scivolo sul lato scarico. Tale soluzione è utilizzata solo su alcuni motori a due tempi ed ha il vantaggio di consentire una fasatura di scarico maggiore, senza dover ampliare l'altezza della luce di scarico sul cilindro permettendo anche di non pregiudicare eccessivamente il rendimento volumetrico rispetto a una luce di scarico di pari fasatura ma più alta, inoltre permette di avere una sezione più costante della luce di scarico ed una minore turbolenza dei gas nella fuoriuscita, in particolar modo a inizio apertura.Di contro essa peggiora la forma della camera di combustione, mantenendo una maggiore quantità di combustibile al lato della camera e riducendo l'effetto squish della testata, dato che generalmente non è una soluzione adoperata dai costruttori, ma ricavata per lavorazione artigianale, non si ha un profilo della testata appositamente studiato per essa, il che riduce il rendimento termico ed è il motivo per cui tale soluzione è caduta in disuso. Sede spinotto disassata. Con quest'accortezza si cerca di ridurre il rumore del pistone rendendo più graduale il passaggio dell'appoggio da un lato all'altro del cilindro, andando a creare o meno anche un manovellismo obliquo, può essere utilizzata anche nei pistoni che presentano il cielo inclinato per ridurre il movimento di coppia e la rotazione del pistone durante la varie fasi, in quanto la forza risultante dal piano del cielo genera un vettore che non passa attraverso una sede pistone centrata. Portate spinotto lavorate a chiave di volta (sede di biella trapezoidale). Le portate del pistone vengono lavorate in modo tale da essere meno ingombranti nella parte inferiore del pistone, in modo da favorire la lubrificazione dello spinotto pistone, migliorare il raffreddamento della porzione inferiore del cielo pistone tramite i getti di lubrificazione e ridurre il peso del pistone e delle masse alterne.

Il cielo del pistone

Il cielo del pistone può avere varie forme: Tronco conica Cupa. Questo tipo è quello che richiede maggior lavorazione e permette la migliore resa termica e creazione di turbolenze, ma risulta anche più costoso. Si tratta di un pistone con il cielo tronco conico con la parte più centrale cupa (concava), la quale può essere ricavata tramite lavorazione (Tronco conica) o fusione (bombata). Invessa o Cupa. Il cielo è in questo caso concavo e la concavità può essere estesa a tutta la superficie del pistone o essere delimitata alla parte più centrale di esso. Permette di raccogliere meglio la miscela al centro della camera di combustione e migliorarne la combustione, inoltre di sfruttare meglio i gas combusti, concentrandoli al centro della camera di combustione permettendo di sollecitare meno le fasce elastiche. Questo tipo di cielo è compatibile con qualsiasi tipo di testata. Cupa a sacca (solo nei motori con iniezione diretta sul pistone). Tale conformazione è usata principalmente nei motori diesel. Il cielo è piatto, con una zona cupa (limitata all'area più centrale ma talvolta decentrata) al centro della quale si trova un cono o sporgenza di altre forme, in modo che il getto dell'iniettore venga raccolto il più possibile nel pistone, che costituirà esso stesso la camera di combustione, dato che la parte di cielo intorno alla concavità si trova quasi a contatto con la testata. Tronco conica. Il cielo è conformato a tronco di cono, ed è caratterizzato con la base minore verso l'alto e piatta. Questo tipo ha la caratteristica di ridurre la quantità di benzina ai lati della camera di combustione, migliorando l'effetto dello squish (come nel pistone bombato), inoltre riesce ad aumentare la creazione di turbolenze nella camera di combustione più di qualsiasi altro tipo di pistone. Conica. Ha la capacità d'aumentare il rapporto di compressione, migliorando lo sfruttamento della combustione, inoltre riesce anch'essa a ridurre la quantità di benzina ai lati della camera di combustione, migliorando l'effetto dello squish.Tale forma viene ricavata tramite lavorazione ed i pistoni con questo tipo di cielo sono utilizzati principalmente per motori che richiedono misure precise.