BR102012022305A2 - Camisa de cilindro - Google Patents

Abstract

CAMISA DE CILINDRO. A presente invenção refere-se a uma camisa de cilindro úmida para utilização em motores de combustão interna de movimento alternado, dotada de uma cavidade interna que define um superfície interna (10) e uma superfície lateral externa (20) que entra em contato com o fluido refrigerante quando a camisa está montada em um bloco de motor, sendo que a pelo menos parte da superfície lateral externa (20) é aplicado um adesivo protetivo (21).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CAMISA DE CILINDRO".

A presente invenção refere-se a uma camisa de cilindro úmida para utilização em motores de combustão interna de movimento alternado, como aqueles que operam segundo os ciclos Otto e Diesel.

A camisa possui um adesivo aplicado a pelo menos parte de sua superfície lateral externa de maneira a evitar o desgaste da superfície protegida por efeito da cavitação a que é acometido o líquido refrigerante que a circunda.

Descrição do Estado da Técnica

Os motores de combustão interna a pistão possuem um ou mais cilindros no interior dos quais um pistão realiza movimento alternado. No bloco do motor, é aplicada uma camisa confeccionada com um material adequado e tendo um padrão de acabamento na superfície 15 interna que possibilita a movimentação do pistão com um mínimo de atrito e desgaste.

Em alguns tipos de motor, a camisa, ao ser inserida no bloco, fica em contato direto com o líquido refrigerante, sendo denominada camisa úmida. Essa construção é majoritária nos motores que operam segundo o 20 ciclo Diesel, devido à maior capacidade de trocas térmicas inerentes a essa solução, uma característica imperiosa em motores que operam segundo uma alta razão de compressão e, como corolário, geram grandes quantidades de calor.

Embora o uso de camisas úmidas seja uma regra nos projetos 25 de motores Diesel, as atuais demandas estão evidenciando os pontos baixos dessa solução. Atualmente, os cada vez mais restritivos limites de consumo, emissão de poluentes e ruídos a que estão sendo submetidos os fabricantes de veículos como automóveis, utilitários e veículos comerciais pesados estão levando à necessidade de se projetar motores cada vez 30 menores e econômicos, porém capazes de gerar elevados valores de torque e potência.

Isso é conseguido por meio da redução na capacidade cúbica (cilindrada) do motor, aliado ao uso de valores cada vez maiores de pressão de sobrealimentação (aumento na pressão de turbo) e do redesenho dos componentes internos do motor. Essas novas premissas de projeto e funcionamento geram um aumento considerável de carga térmica e 5 vibrações, que acabam levando ao fluido refrigerante (água e aditivo de radiador) a cavitar em ao menos parte da área definida pela superfície externa da camisa.

A cavitação e um fenômeno bem conhecido em sistemas hidráulicos, e que pode ser definido como um fenômeno originado em 10 quedas repentinas de pressão, segundo o qual a combinação entre a pressão, temperatura e velocidade resulta na liberação de ondas de choque e microjatos altamente energéticos, causando a aparição de altas tensões mecânicas e elevação da temperatura, provocando danos na superfície atingida.

Essa erosão constante a que as camisas úmidas estão sendo

submetidas em alguns motores acaba por danificar sua estrutura, substituição onerosa da camisa e outros componentes do motor.

Estudos levados a cabo pela depositante constataram elevados desgastes em camisas de alguns tipos de motor em simulações de uso 20 correspondentes a uma quilometragem reduzida como, por exemplo, 50 mil quilômetros. Os mesmos estudos detectaram que a erosão causada pela cavitação é, em geral, mais pronunciada na área de entrada de fluxo de líquido refrigerante, próxima à bomba d'água.

Alguns documentos de técnica anterior que revelam soluções para redução de desgaste em tubulações por efeito de cavitação estão brevemente discutidos a seguir, porém, nenhum deles tem aplicação a camisas úmidas para aumento de resistência à cavitação, o que motivou a depositante a desenvolver a presente invenção.

O documento de patente norte-americano US 2006/0383772 refere-se a uma camada protetiva aplicada à superfície interna uma tubulação para transporte de produtos líquidos. Essa camada protetiva é fixada à superfície por meio de uma camada de adesivo. O documento de patente britânico GB 19600007076 refere-se a uma placa metálica utilizada para proteger a parede interna da galeria de água do bloco de um motor de combustão interna contra cavitação. Essa placa metálica é afixada por meio de um adesivo de união e pode ser 5 posteriormente soldada de forma a estar fixada, mas com possibilidade de movimentação relativa, o que reduz a ocorrência do fenômeno.

O documento de patente sul coreano KR 20070067796 referese a um método para aplicação de um material spray à base de epóxi ao leme de um navio, de maneira a reduzir os efeitos da cavitação. O documento discute espessuras e demais características do método de aplicação.

O documento de patente chinês CN 20032114405U refere-se a um material nano metálico cerâmico resistente ao desgaste e à cavitação, composto por um adesivo solidificado com nanogrânulos de metal cerâmico uniformemente distribuídos. Esse material pode ser utilizado para proteger contra desgastes advindos da cavitação.

Por fim, o documento de patente europeu EP 1794434 refere-se a uma camisa de cilindro para uso em motores Diesel dotada de uma proteção contra a cavitação na forma de um revestimento de fosfato de magnésio aplicado à superfície exterior da camisa.

O fosfato de magnésio é aplicado de maneira tal que uma estrutura cristalina de tamanho médio de grão de 2-8pm é formada, criando uma barreira que mantém as bolhas surgidas da cavitação a uma dada distância da superfície da camisa justamente pela camada de revestimento 25 aplicada (por efeito da textura dos grãos na camada depositada). Ao explodirem, afastadas da parede da camisa pela existência do revestimento, as bolhas dissipam a energia sem danificar a estrutura.

Esta última técnica anterior, embora voltada para camisas de cilindro, apresenta alguns inconvenientes, sendo o maior deles o alto custo de aplicação e a necessidade, devido ao processo, de aplicação do revestimento a toda a superfície externa da camisa, ainda que a cavitação só a ataque em pontos localizados. Ademais, o revestimento prejudica as trocas térmicas entre a camisa e o fluido refrigerante, o que é outro grande inconveniente dessa solução.

Assim, não havia sido desenvolvida até o presente momento uma camisa de cilindro úmida que possibilitasse de forma barata e eficiente 5 um aumento considerável na resistência ao desgaste ocorrido pelo fenômeno da cavitação, sem a necessidade da aplicação de desvantajosos revestimentos e a especificação de materiais mais resistentes e caros. Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por objetivo uma camisa de cilindro úmida em material ferroso para utilização em motores de combustão interna de movimento alternado, como aqueles que operam segundo os ciclos Otto e Diesel, dotada de meios para evitar a cavitação, na forma de um adesivo aplicado a pelo menos parte de sua superfície lateral externa.

Breve Descrição da Invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados por uma

camisa de cilindro úmida para utilização em motores de combustão interna de movimento alternado, dotada de uma cavidade interna que define uma superfície interna e uma superfície lateral externa que entra em contato com o fluido refrigerante quando a camisa está montada em um bloco de motor, 20 sendo que a pelo menos parte da superfície lateral externa é aplicado um adesivo protetivo.

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 vista em perspectiva de uma camisa de cilindro qualquer pertencente ao estado da técnica.

Figura 2 - é uma vista em corte de uma camisa de cilindro qualquer pertencente ao estado da técnica.

Figura 3 - é um gráfico da erosão relativa entre classes de

materiais normalmente aplicados a camisas de cilindro obtido por testes de cavitação ultrassônica. Figura 4 - é uma vista em perspectiva de uma camisa de cilindro qualquer pertencente ao estado da técnica depois de usada em um motor de combustão interna, desgastada pela cavitação.

Figura 5 - é uma vista ampliada de uma primeira porção da superfície externa da camisa de cilindro ilustrada na figura 4.

Figura 6 - é uma vista ampliada de uma segunda porção da superfície externa da camisa de cilindro ilustrada na figura 4.

Figura 7 - é uma vista em perspectiva da camisa de cilindro objeto da presente invenção.

Descrição Detalhada das Figuras

A presente invenção é uma camisa de cilindro úmida constituídas em material ferroso que apresenta alta resistência ao desgaste/erosão decorrente do fenômeno da cavitação.

Na imensa maioria dos motores Diesel, a camisa é do tipo 15 úmido, ou seja, fica em contato direto com o fluido refrigerante quando instalada no bloco do motor. Se de um lado essa solução é vantajosa por apresentar alta capacidade de trocas térmicas camisa/líquido refrigerante, de outro a necessidade atual de aumentar torque e potência dos motores recorrendo a valores cada vez mais altos de pressão de sobrealimentação 20 gera um aumento considerável de carga térmica e vibrações, que acabam levando o fluido refrigerante (água e aditivo de radiador) a cavitar em ao menos parte da área definida pela superfície externa da camisa.

Afinal, os cada vez mais restritivos limites de emissão de poluentes, consumo e ruídos a que estão sendo submetidos os fabricantes 25 de veículos como automóveis, utilitários e veículos comerciais pesados levam à necessidade de se projetar motores cada vez menores e econômicos, porém capazes de gerar elevados valores de torque e potência.

O aumento considerável de carga térmica e vibrações a que as camisas estão sendo submetidas nos motores de projeto mais atuais favorece a ocorrência de cavitação em intensidade potencialmente destrutiva ao menos em parte de sua superfície externa e, pelos estudos efetuados a cabo pela depositante, detectou-se a possibilidade de uma redução considerável na vida útil dos motores assim configurados.

Por conta desse indesejado panorama atual, a depositante desenvolveu a nova e inovadora camisa de cilindro 10 ora revelada e definida.

As figuras 1 a 6 referem-se a uma camisa úmida qualquer atualmente conhecida. Geometricamente, a camisa apresenta um formato cilíndrico de abertura passante, dotada de uma cavidade interna que define uma superfície interna 10 e uma superfície lateral externa 20.

A superfície interna 10 é aquela que define os limites do cilindro

e é a superfície contra a qual os anéis de segmento são pressionados, permitindo o funcionamento adequado do motor.

A superfície lateral externa 20, por sua vez, é aquela que define a interação da camisa 1 com o bloco de motor (no qual ela é fixada por forte interferência), evitando que ocorra qualquer movimentação sua em relação ao bloco que venha a afetar o funcionamento do motor. A fixação da camisa

1 no bloco (não ilustrado) é feita de forma que determinada parcela da superfície lateral externa atrita com a parede do bloco e a parcela restante define parte da galeria de água, sendo banhada diretamente pelo fluido refrigerante.

Embora o formato básico de qualquer camisa seja internamente cilíndrico, podem existir particularidades como variação de diâmetro externo e espessura ao longo da peça, presença de rebaixos/recesso/estrias ou ainda qualquer outra característica construtiva geométrica sem que a camisa 25 objeto da presente invenção resultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações apensas.

As figuras 4 a 6 ilustram uma camisa do estado da técnica. Na figura 4, vê-se uma vista em perspectiva parcial de uma camisa desgastada pela cavitação. O fenômeno não ocorre em toda a superfície lateral externa 30 20, mas sim na região delimitada com o número 200. Estudos levados a cabo pela depositante indicaram que, em alguns casos, a área que mais sofre os efeitos da cavitação é aquela voltada para o fluxo de fluido refrigerante, muito embora isso possa variar de acordo com o projeto do motor. As figuras 5 e 6 correspondem a ampliações das regiões erodidas pela cavitação em dois pontos diferentes da camisa, e ali podem-se ver o número e a profundidade consideráveis de cavidades formadas.

Essas cavidades resultantes de erosão enfraquecem a camisa,

podendo em casos extremos levar ao surgimento de trincas ou perfurações que levarão à substituição da camisa de cilindro e outros componentes do motor.

Até o presente momento, os fabricantes de camisa tinham algumas estratégias para reduzir o desgaste decorrente da cavitação e aumentar a vida útil da peça, mas todas elas apresentam contrapontos indesejáveis.

Uma primeira estratégia competitiva, mas não ideal é a aplicação de uma camada de revestimento eletrodepositada formando uma microtextura, que absorve e dissipa a energia de impacto da cavitação. Outra possibilidade é a aplicação de um revestimento resistente pelo processo de termo spray.

Todas essas alternativas, embora eficazes, tem como contrapartida indesejável o aumento de custo de produção da camisa e uma perda, ainda que não tão expressiva, na capacidade de trocas térmicas devido ao revestimento.

Outra alternativa, também desvantajosa em termos de custos, é a especificação de um material mais resistente e caro para a confecção da camisa, como o ferro fundido perlítico vermicular.

Em paralelo, há a possibilidade de se promover alterações nas

galerias de água e na redução de vibrações de segunda ordem no sistema biela-manivela do motor, mas tais alterações exigem extensas modificações e testes, sendo por isso mesmo bastante onerosas.

O gráfico representado na figura 3 ilustra o desgaste da superfície lateral externa de camisas de diversos materiais ensaiadas em um banco de testes de cavitação ultrassônica. O gráfico indica erosão por massa arrancada. No eixo das abscissas, da esquerda para a direita, estão indicados os materiais base com que as camisas ensaiadas são constituídas (diversas especificações de ferro fundido), tendo como base sua resistência. Quanto mais à direita, maior a resistência e o custo da camisa. Assim, se de um lado a camisa mais resistente à cavitação (na 5 extrema direita do gráfico) apresenta excelente performance técnica, de outro lado seu custo está além do que os fabricantes de motor estão dispostos a pagar.

A solução inovadora proposta e desenvolvida pela depositante corresponde à aplicação de um adesivo protetivo 21 na camisa, conseguindo com isso reduzir drasticamente a ocorrência de erosão por cavitação e aumentar a vida útil da peça.

A presença do adesivo protetivo 21 faz com que o material utilizado possa ser mais barato sem que haja um comprometimento na durabilidade da peça. O adesivo protetivo permite que camisas sejam especificadas nos materiais representados mais á esquerda no gráfico e garantir que a camisa não apresente erosão média superior a 1,5.

Um material exemplificativo não Iimitante que pode ser utilizado para a confecção da camisa 1' objeto da presente é o ferro fundido cinzento, mais especificamente o ferro fundido perlítico Iamelar (GJL) aditivado com os elementos da tabela abaixo.

Elemento químico Percentual em massa Carbono (C) 3,20-3,50 Silício (Si) 1,60-2,10 Manganês (Mn) 0,60-0,80 Fósforo (P) 0,35-0,50 Enxofre (S) 0,06 max Cromo (Cr) 0,20 - 0,40 Molibdênio (Mo) 0,30-0,50 Ferro (F) Balanço As propriedades desse material, que passam a ser suficientes dadas a aplicação do adesivo protetivo 21, estão descritas abaixo._

Dureza 230 - 270 HBW30 Resistência à tração 260 MPa (mínimo) Módulo de elasticidade 100-120 GPa Coeficiente de expansão térmica 1,20E-05 KM Coeficiente de condutividade térmica 35 W/m.K A camisa 1' objeto da presente invenção está ilustrada na figura

1, sendo o adesivo protetivo 21 esquematicamente representado na mesma 5 região 200 cujo desgaste pode ser observado na figura 4. Uma vez que a função principal do adesivo 21 é proteger contra a cavitação, não há necessidade de aplicá-lo por toda a superfície lateral externa 20, o que reduz sobremaneira o seu custo em comparação aos revestimentos atualmente utilizados, aplicados a toda a peça por questões produtivas.

Diversos adesivos 21 podem ser utilizados e aplicados à região

200 que sofre com os efeitos da cavitação, contanto que atendam à função precípua de resistir durante toda a vida útil do motor.

De maneira preferível, mas não obrigatória, o adesivo 21 é do tipo multicamada (multilayer), tendo uma base adesiva à qual é aplicado pelo menos uma camada de material resistente à cavitação, que pode ser metálico, cerâmico ou polimérico.

De maneira mais preferível, mas ainda assim não limitante, o adesivo 21 é uma fita de duas camadas composta por uma base de adesivo polimérico por sobre é posicionada uma fita metálica resistente à cavitação composta por alumínio, cobre,ligas de cobre-níquel, níquel, ligas de níquel e fósforo, ligas de níquel e titânio entre outras.

Quando se utiliza uma camada cerâmica, um material bastante indicado é o nitreto de titânio.

Por fim, na hipótese de a camada resistente à cavitação ser polimérica, materiais indicados para a missão são Polietileno (PE), Politetrafluoretileno (PTFE), Poliamida imida (PAI), Polieteretercetona (PEEK) ou poliésteres. Evidentemente, outras composições desejadas podem ser aplicadas se necessário ou desejável, dentre as quais adesivos monocamada.

O formato e a espessura do adesivo 21 podem variar em função do tipo de camisa e motor que ela equipará, mas deve ser tão reduzida quanto possível, para reduzir custos e possibilitar a montagem da camisa por interferência no bloco sem que seja danificado.

A camisa objeto da presente invenção traz uma série de benefícios frente às atuais soluções existentes:

- reduz significativamente a redução de erosão devido à

cavitação em camisas úmidas;

- é uma solução inovadora de baixo custo se comparada com a aplicação de revestimentos (coatings) ou a especificação de materiais mais resistentes e caros para a confecção das camisas;

- não requer redesenho de componentes ou alteração no projeto

de motores;

- por ser meramente colado sobre a camisa, não traz nenhuma dificuldade em termos de processo de aplicação; e

- pode ser aplicada em componentes para o aftermarket (mercado de reposição) para uso em motores já em campo.

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 (5)

1. Camisa de cilindro úmida para utilização em motores de combustão interna de movimento alternado, dotada de uma cavidade interna que define uma superfície interna (10) e uma superfície lateral externa (20) que entra em contato com o fluido refrigerante quando a camisa está montada em um bloco de motor, caracterizada pelo fato de que a pelo menos parte da superfície lateral externa (20) é aplicado um adesivo protetivo (21).

2. Camisa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o adesivo protetivo (21) é aplicado na região (200) que sofre desgaste devido à cavitação do fluido refrigerante.

3. Camisa de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o adesivo protetivo (21) compreende uma base adesiva à qual é aplicado pelo menos uma camada de material resistente à cavitação.

4. Camisa de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o material resistente à cavitação pode ser metálico, cerâmico ou polimérico.

5. Camisa de acordo com a reivindicação 1, 2, 3 ou 4, caracterizada pelo fato de ser constituída em materiais ferrosos.