BR102013011586B1

BR102013011586B1 - Conjunto de deslizamento e bloco de motor

Info

Publication number: BR102013011586B1
Application number: BR102013011586-0A
Authority: BR
Inventors: Antônio Eduardo Meirelles Tomanik
Original assignee: Mahle International Gmbh; Mahle Metal Leve S/A
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2022-03-03
Also published as: BR102013011586A2; US10006545B2; WO2014180985A2; EP2994671B1; US20160084379A1; CN105164452A; CN105164452B; WO2014180985A3; EP2994671A2

Abstract

CONJUNTO DE DESLIZAMENTO, CAMISA DE PISTÃO E BLOCO DE MOTOR. A presente invenção refere-se a um conjunto de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro (4) ou um bloco de motor dotado de pelo menos um cilindro integrado (4') e pelo menos um anel de pistão (2), onde o anel (2) define uma superfície deslizante (3) externa e a camisa/cilindro integrado (4,4') define uma superfície deslizante (5) interna, a superfície deslizante externa (3) do anel (2) cooperando deslizante com a superfície deslizante interna (5) da camisa/cilindro integrado (4,4'), onde pelo menos parte da superfície deslizante (3) externa do anel (2) apresenta um revestimento de material cerâmico e pelo menos parte da superfície deslizante (5) interna da camisa/cilindro integrado (4,4') apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um conjunto de deslizamento formado por pelo menos um anel de pistão e pelo menos uma camisa de cilindro ou um cilindro parte integrante de um bloco de motor (cilindro integrado) no qual pelo menos parte da superfície de deslizamento definida pela camisa ou cilindro apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

Descrição do Estado da Técnica

[0002] Durante a finalização da fabricação da camisa de cilindro ou do cilindro integrado ao bloco de um motor de combustão interna, sua superfície interna de deslizamento sofre uma operação denominada honing, ou brunimento, visando à obtenção de propriedades como um coeficiente de rugosidade adequado para que o seu funcionamento seja adequado durante muitas horas de operação com alto desempenho e baixa queima de óleo lubrificante.

[0003] Durante a operação de honing ou brunimento, ocorre na superfície tratada uma dada quantidade de metal dobrado (folded metal), que é desvantajoso porque pode levar ao fenômeno de destacamento (spalling) do revestimento aplicado à superfie de deslizamento externa do anel de pistão, em particular no caso de um revestimento cerâmico aplicado pelo processo de PVD (physical vapour deposition). O destacamento do revestimento reduz a vida útil do motor de combustão interno quando atinge certa proporção, já que o anel começa a desgastar o seu substrato em com isso a vedação da câmara de combustão se deteriora.

[0004] Uma solução para aumentar a durabilidade dos revestimentos de componentes de motor (bloco de motor ou camisas, fixas ou removíveis) dotados de pelo menos um cilindro e compostos primordialmente por Ferro, está revelada no documento PI 1100176-3, da própria depositante, que ensina dotar os componentes de um revestimento que se apresenta subdividi-do em três diferentes camadas que estão depositadas em cima do substrato metálico, sendo uma primeira camada pura de silício depositada no substrato com a função de promover uma interface com boa adesão entre o substrato metálico e as camadas subsequentes que contêm carbono amorfo, uma camada de transição que contem, uma porcentagem de silício e de carbono amorfo (a-C:H:Si) e, por fim, na superfície de trabalho, uma segunda camada dotada de uma composição pura de carbono amorfo (a-C:H), sendo que tal revestimento é gerado pelo efeito de catodo oco (HCE) através de deposição química de vapor potencializada por plasma (PECVD).

[0005] Outra alternativa é utilizar camisas de cilindro/cilindro com revestimento por termospray, porém esse tipo de revestimento apresenta um custo de aplicação sensivelmente mais elevado, até mesmo em vista da maior espessura do material aplicado. Adicionalmente, esse tipo de revestimento não prescindiu de um estudo conjunto com o tipo de revestimento dos anéis de pistão com vistas à maximização dos resultados no tocante à durabilidade.

[0006] O documento de patente alemão DE 102007008604 refere- se a um método de avaliação de estruturas brunidas, como uma superfície de deslizamento de uma camisa/cilindro, o qual possibilita a quantificação do percentual de metal dobrado, tornando possível estudar e correlacionar o percentual existente com o destacamento no revestimento dos anéis de pistão e outras características que se deseje estudar e estejam relacionadas a essa ocorrência.

[0007] O documento de patente alemão DE 10302055 refere-se a um interferômetro de luz branca que possibilita, a partir da influência de um campo ótico ou magnético, realizar o escaneamento profundo de um objeto, de forma a se aquilatar a existência e o percentual de metal dobrado na superfície interna de deslizamento de uma camisa/cilindro.

[0008] Por fim, o documento de patente alemão DE 102005023212 refere-se a um método de incremento de medição de velocidade e precisão que permite a medição mais precisa de objetos.

[0009] A existência de tais tecnologias de medição permitiu à requerente estudar exaustivamente o percentual de quantificação do percentual de metal dobrado em estruturas brunidas, tornando possível correlacionar o percentual existente com o destacamento no revestimento dos anéis de pistão e outras características que se deseje estudar e estejam relacionadas a essa ocorrência, em função de parâmetros interligados de desenvolvimento de produto, como desempenho, durabilidade e custo.

Objetivos da Invenção

[00010] Descrevendo de forma essencial, a presente invenção tem por objetivo a obtenção da combinação de um anel de pistão com revestimento da sua superfície de deslizamento externa em PVD (physical vapour deposition) com uma superfície de deslizamento interna de uma camisa ou cilindro que contém baixo percentual de metal dobrado.

[00011] De forma mais pormenorizada, a presente invenção tem por objetivo um conjunto de deslizamento formado por pelo menos um anel de pistão e pelo menos uma camisa de cilindro ou um cilindro parte integrante de um bloco de motor (cilindro integrado) no qual pelo menos parte da superfície de deslizamento definida pelo anel de pistão possui um revestimento cerâmico e pelo menos parte da superfície deslizante interna da camisa/cilindro apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

[00012] A presente invenção tem por objetivo ainda uma camisa de cilindro onde pelo menos parte da superfície de deslizamento definida pelo anel possui um revestimento cerâmico e pelo menos parte da superfície deslizante interna da camisa/cilindro apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

[00013] Finalmente, a presente invenção tem como objetivo um bloco de motor dotado de pelo menos um cilindro integrado, onde quais pelo menos parte da superfície de deslizamento definida pelo anel possui um revestimento cerâmico e pelo menos parte da superfície deslizante interna da camisa/cilindro apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%. Breve Descrição da Invenção

[00014] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um conjunto de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro ou um bloco de motor dotado de pelo menos um cilindro integrado e pelo menos um anel de pistão, onde o anel define uma superfície deslizante externa e a camisa/cilindro integrado define uma superfície deslizante interna, a superfície deslizante externa do anel cooperando deslizantemente com a superfície deslizante interna da camisa/cilindro integrado, onde pelo menos parte da superfície deslizante externa do anel apresenta um revestimento de material cerâmico e pelo menos parte da superfície deslizante interna da camisa/cilindro integrado apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

[00015] Também, os objetivos da presente invenção são alcançados por uma camisa de cilindro, particularmente para utilização em um motor de combustão interna, que define uma superfície deslizante interna, em pelo menos uma parte da qual há a ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

[00016] Ainda, os objetivos da presente invenção são alcançados por um bloco de motor, dotado de pelo menos um cilindro integrado que define uma superfície deslizante interna, em pelo menos uma parte da qual há a ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

Breve Descrição dos Desenhos

[00017] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[00018] Figura 1 - é uma vista esquemática do conjunto de deslizamento objeto da presente invenção.

[00019] Figura 2 - é uma vista de um gráfico comparativo da performance do conjunto de deslizamento objeto da presente invenção quando comparado com um conjunto de deslizamento atualmente conhecido.

[00020] Figura 3 - é uma vista ampliada da porção superior da superfície de contato de um anel de primeiro canalete após operação em uma camisa/cilindro cuja superfície interna de deslizamento apresenta um percentual normal, padrão ou controle de metal dobrado.

[00021] Figura 4 - é uma vista ampliada da porção intermediária da superfície de contato de um anel de primeiro canalete após operação em uma camisa/cilindro cuja superfície interna de deslizamento apresenta um percentual normal, padrão ou controle de metal dobrado.

[00022] Figura 5 - é uma vista ampliada da porção superior da superfície de contato de um anel de primeiro canalete após operação em uma camisa/cilindro cuja superfície interna de deslizamento apresenta um percentual de metal dobrado inferior a 3% (presente invenção).

[00023] Figura 6 - é uma vista ampliada da porção intermediária da superfície de contato de um anel de primeiro canalete após operação em uma camisa/cilindro cuja superfície interna de deslizamento apresenta um percentual de metal dobrado inferior a 3% (presente invenção).

[00024] Figura 7 - é uma vista de uma tabela que ilustra o destacamento no anel de pistão dotado de revestimento de PVD nas situações (i) de operação em uma camisa/cilindro cuja superfície interna de deslizamento apresenta um percentual elevado de metal dobrado e (ii) de operação em uma camisa/cilindro cuja superfície interna de deslizamento apresenta um percentual de metal dobrado inferior a 3% (presente invenção).

Descrição Detalhada das Figuras

[00025] A presente invenção refere-se, essencialmente, a combinação, em um conjunto de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, de um anel de pistão com revestimento da sua superfície de deslizamento externa cerâmico aplicado por PVD (physical vapour deposition) com uma superfície de deslizamento interna de uma camisa ou cilindro que contém baixo percentual de metal dobrado.

[00026] O conjunto de deslizamento, em essência, compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro 4 ou um bloco de motor dotado de pelo menos um cilindro integrado 4’ e pelo menos um anel de pistão 2. O anel 2 define uma superfície deslizante 3 externa e a camisa/cilindro integrado 4,4’ define uma superfície deslizante 5 interna, a superfície deslizante externa 3 do anel 2 cooperando deslizantemente com a superfície deslizante interna 5 da camisa/cilindro integrado 4,4’.

[00027] De toda forma, o anel de primeiro canalete não é o objeto principal da presente invenção e sua forma e composição podem variar livremente, contanto que à sua superfície de deslizamento externa 3 seja depositado um revestimento cerâmico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD).

[00028] Embora em tese o revestimento possa variar livremente, um revestimento cerâmico depositado pelo processo de PVD apresenta uma série de características que o torna vantajoso em muitas aplicações quando comparado com outros tipos de revestimentos ou tratamentos superficiais, e/ou aplicados por outros processos. Entretanto, é também o mais sensível à ocorrência de destacamento (spalling).

[00029] De forma mais particular, o revestimento cerâmico aplicado ao anel 2 é um revestimento de nitreto de cromo (CrN); entretanto, a composição desse material cerâmico pode variar sem que a invenção resultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações. Como alternativas pode-se usar um revestimento de nitreto de cromo (Cr2N), nitreto de nióbio (NbN) ou qualquer outro cerâmico necessário ou desejável.

[00030] No tocante à camisa de cilindro 4 ou ao cilindro integrado ao bloco de motor 4’, a superfície deslizante 5 de ambos também pode apresentar diversas constituições sem que deixem de estar incluídas no escopo de proteção da invenção. Conforme mencionado mais acima, a superfície interna de deslizamento 5 sofre uma operação denominada honing, ou brunimento, durante o processo de fabricação da peça, a fim de garantir seu funcionamento eficiente durante muitas horas de operação com alto desempenho e baixa queima de óleo lubrificante.

[00031] Todavia, é conhecido por aqueles técnicos na área que, durante a aludida operação de honing ou brunimento, ocorre na superfície tratada uma dada quantidade de metal dobrado (folded metal), que leva ao fenômeno de destacamento (spalling) do revestimento aplicado à superfie de deslizamento externa do anel de pistão, em particular no caso de um revestimento cerâmico aplicado pelo processo de PVD (physical vapour deposition).

[00032] O destacamento do revestimento reduz a vida útil do motor de combustão interno quando atinge certa proporção, já que o anel começa a desgastar o seu substrato e, com isso a vedação da câmara de combustão se deteriora.

[00033] Até o presente momento, não se havia estudado detidamente a correlação entre o percentual de metal dobrado e o destacamento dos revestimentos dos anéis, nem tampouco estudos de viabilidade para remoção de maior quantidade desse metal dobrado versus o benefício do aumento de durabilidade dos anéis.

[00034] O caminho que vinha sendo seguido pelos fabricantes de componentes de motor era o aprimoramento dos revestimentos cerâmicos aplicados aos anéis por PVD, e soluções alternativas, para que o desempenho do motor fosse mantido em níveis adequados por mais tempo.

[00035] A requerente, com o presente estudo e invenção, mudou completamente o paradigma de tratamento desse tipo de destacamento, o que mostra o alto grau de inovação de sua pesquisa e a originalidade dos resultados alcançados, os quais nunca haviam sido cientificamente analisados e eram, portanto, imprevisíveis, ou inesperados.

[00036] Após a realização de diversos ensaios e testes, a requerente descobriu que a redução no percentual de metal dobrado na superfície deslizante interna 5 traz a reboque uma redução do destacamento do revestimento aplicado à superfície de deslizamento externa 3 do anel, mormente no caso dos usualmente utilizados revestimentos cerâmicos aplicados por PVD.

[00037] A figura 2 corresponde a um gráfico composto que ilustra um ensaio comparativo. Na porção esquerda do gráfico, há os resultados do ensaio de um anel de pistão dotado de um revestimento cerâmico de CrN aplicado por PVD, em uma camisa/cilindro cuja superfície interna 5 possuía, ao menos em parte, um percentual de metal dobrado de 4,4% (+/- 1,1%), valor esse considerado normal, padrão ou controle. Após o ensaio, viu-se que o desgaste no revestimento foi de 0,14 μm.

[00038] Na porção direita do gráfico, observam-se os resultados de um ensaio com um anel idêntico, sob as mesmas condições, porém nesse caso a superfície interna 5 da camisa/cilindro possuía, ao menos em parte, um percentual de metal dobrado de 1,8% (+/- 0,4%), considerado baixo. Após o ensaio, observou-se que o desgaste no revestimento foi de 0,04 μm.

[00039] Uma vez que as demais variáveis dos dois ensaios foram as mesmas, resta clara a grande redução de desgaste (que foi de 0,04 μm contra 0,14 μm, inferior a um terço).

[00040] Este teste foi um dos inúmeros testes efetuados e é bastante representativo ao revelar que a redução de desgaste do revestimento do anel, quando o percentual de metal dobrado cai de cerca de 4% para 2%, é substancial.

[00041] Assim, tendo a depositante feito uma série de simulações e testes, concluiu que as melhores propriedades são obtidas quando pelo menos parte da superfície deslizante 5 interna da camisa/cilindro integrado 4,4’ apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

[00042] As figuras 3 e 5, tomadas comparativamente, ilustram de maneira muito clara a redução considerável do destacamento (cavidades irregulares mais escuras, indicando pedaços do revestimento que foram ‘arrancados’) quando o anel foi ensaiado na camisa/cilindro integrado 4,4’ com metal dobrado em percentual de 1,8% (figura 5) em comparação com um anel idêntico, porém ensaiado na camisa/cilindro integrado 4,4’ com metal dobrado em percentual de 4,4% (fig. 3).

[00043] Analogamente, a análise comparativa das figuras 4 e 6 revela igual redução no destacamento, porém agora tomado na porção intermediária da superfície de contato de um anel, e não em sua porção superior, onde os esforços são mais críticos.

[00044] Por fim, a tabela ilustrada na figura 7 revela a ocorrência comparativa de destacamento de anéis ensaiados em um motor de combustão interna de seis cilindros, porém sob o prisma do posicionamento desses destacamentos em relação aos 360o do formato de um anel.

[00045] Quando o anel foi testado sob a superfície 5 dotada de um percentual de metal dobrado normal ou controle, houve destacamento em anéis de quatro dos seis cilindros. Quando o texto foi repetido no mesmo motor, e em idênticas condições com exceção do percentual de metal dobrado (agora, baixo), houve destacamento em anéis de somente dois cilindros e os desgastes foram muito inferiores.

[00046] Por fim, cumpre ainda notar que a presente invenção compreende ainda uma camisa de cilindro 4 e um bloco de motor, tomados isoladamente.

[00047] A camisa de cilindro 4 objeto da presente invenção é caracterizada pelo fato de que define uma superfície deslizante 5 interna, em pelo menos uma parte da qual há a ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

[00048] O bloco de motor objeto da presente invenção é dotado de pelo menos um cilindro integrado 4’, e, identicamente, caracterizado pelo fato de que o cilindro 4’ define uma superfície deslizante 5 interna, em pelo menos uma parte da qual há a ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

[00049] 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. Conjunto de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro (4) ou um bloco de motor dotado de pelo menos um cilindro integrado (4’) e pelo menos um anel de pistão (2), onde o anel (2) define uma superfície deslizante (3) externa e a camisa/cilindro integrado (4,4’) define uma superfície deslizante (5) interna, a superfície deslizante externa (3) do anel (2) cooperando deslizantemente com a superfície deslizante interna (5) da camisa/cilindro integrado (4,4’); o conjunto de deslizamento sendo caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte da superfície deslizante (3) externa do anel (2) apresenta um revestimento de material cerâmico e pelo menos uma parte da superfície deslizante (5) interna da camisa/cilindro integrado (4,4’) apresenta ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.

2. Conjunto de deslizamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento cerâmico aplicado a pelo menos parte da superfície deslizante (3) externa do anel (2) é composto por nitreto de cromo (CrN) aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD).

3. Bloco de motor, dotado de pelo menos um cilindro integrado (4’), caracterizado pelo fato de que o cilindro (4’) define uma superfície deslizante (5) interna, em pelo menos uma parte da qual há a ocorrência de metal dobrado em percentual inferior a 3%.