BR102014025812A2 - camisa de cilindro molhada para motores de combustão interna, processo para obtenção de camisa de cilindro molhada e motor de combustão interna - Google Patents

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Abstract

camisa de cilindro molhada para motores de combustão interna, processo para obtenção de camisa de cilindro molhada e motor de combustão interna. a presente invenção refere-se a um componente de motor de combustão interna, particularmente uma camisa (10) de cilindro do tipo molhada dotada de uma superfície externa (12) circunferencial que recebe a aplicação de uma primeira camada (1) contendo silicone sobre a qual se aplica uma segunda camada (2) elastomérica contendo nanopartículas de óxido de silício, de modo a aumentar a durabilidade da camisa (10) quando em trabalho sob a ação de erosão por cavitação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CAMISA DE CILINDRO MOLHADA PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, PROCESSO PARA OBTENÇÃO DE CAMISA DE CILINDRO MOLHADA E MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA".
[001] A presente invenção refere-se a um componente de motor de combustão interna, particularmente uma camisa de cilindro do tipo molhada dotada de uma superfície externa circunferencial que recebe a aplicação de uma primeira camada contendo silicone sobre a qual se aplica uma segunda camada elastomérica contendo nanopartículas de óxido de silício, de modo a aumentar a durabilidade da camisa quando em trabalho sob a ação de erosão por cavitação.
DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA
[002] Camisas de cilindros para motores de combustão interna diesel, para veículos pesados ou de grande porte, geralmente têm suas superfícies externas envoltas por um fluido de arrefecimento ou líquido refrigerante que atua de modo a dissipar o calor gerado. Essas camisas de cilindro molhadas, mais conhecidas por wet sleeve ou c-ylinder liner, são suscetíveis a um mecanismo de falha conhecido como erosão por cavitação.
[003] A cavitação é a formação de bolhas de vapor em meios líquidos, originadas a partir de quedas repentinas de pressão. A movimentação dos cilindros leva a altas velocidades de vibração externas à camisa do cilindro molhada, de modo que o fluido de arrefecimento ao ser acelerado tem uma redução de pressão abaixo do ponto de pressão mínima em que ocorre a vaporização do fluido. Sendo assim, o-corre uma vaporização local do fluido de arrefecimento, formando-se bolhas de vapor. Quando a pressão local volta a aumentar, ocorre o colapso das bolhas de vapor formadas no fluído. Caso a região de colapso das bolhas de vapor seja próxima à superfície externa da camisa, as bolhas poderão provocar erosões na superfície, promovendo a perda de material e até a ruptura da camisa de cilindro molhada.
[004] Dentro das condições citadas acima, o fenômeno de cavita-ção pode ocorrer em qualquer parte próxima à superfície externa da camisa de cilindro molhada, porém dois tipos de cavitação recorrentes são observados. Um primeiro tipo de cavitação ocorre na região de maior força (thrust side ou anti-thrust side) da camisa de cilindro molhada, onde ocorre um impacto do pistão, devido ao movimento secundário. Um segundo tipo de cavitação ocorre nas folgas de montagem entre a camisa de cilindro e o bloco do motor, onde estão presentes altas taxas de fluxo do fluído de arrefecimento. Essas altas taxas de fluxo reduzem a pressão local do fluído e são atingidas por pequenas movimentações da camisa de cilindro.
[005] Tentativas de tecnologia anteriores de impedir ou reduzir o fenômeno de cavitação e erosão resultante são encontrados no estado da técnica, como por exemplo, no documento coreano KR20070060326 que descreve uma camisa de cilindro do tipo molhada com maior resistência ao desgaste e à cavitação. A camisa de cilindro recebe, em sua superfície externa, uma camada de revestimento polimérico composta por um polímero com propriedades de condução de calor. Um agente condutor de calor é adicionado ao polímero resultando em um revestimento heterogêneo, com uma matriz polimérica e agentes condutores de calor distribuídos ao longo da matriz.
[006] O documento britânico GB76954 descreve uma camisa de cilindro do tipo molhada a qual recebe, em sua superfície externa, um revestimento de borracha natural ou sintética, que pode ser pulverizada, vulcanizada ou engastada à superfície.
[007] Ambos os documentos descritos, assim como outras técnicas encontradas não apresentam soluções eficazes para o problema da erosão por cavitação e possível ruptura das camisas de cilindro do tipo molhada.
[008] Faz-se assim necessário encontrar uma solução para camisas de cilindro do tipo molhada capazes de garantir excelente durabilidade quando solicitadas em decorrência de erosão por cavitação, de tal modo que a camisa de cilindro sofra uma menor perda de massa, evitando assim a possível ruptura da camisa.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[009] O objetivo da presente invenção consiste em prover uma camisa de cilindro molhada dotada de uma superfície externa resistente à cavitação.
[0010] O objetivo da presente invenção consiste ainda em prover uma camisa de cilindro molhada a qual compreenda uma primeira camada composta por, por exemplo, um silicone e uma segunda camada silano-elastomérica contendo nanopartículas de óxido de silício, de modo a aumentar a resistência da superfície externa da camisa sob a ação de erosão devido à cavitação.
[0011] O objetivo da presente invenção consiste também em prover um processo de aplicação de camadas de revestimento em uma camisa de cilindro molhada por forma a aumentar a resistência à cavitação.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0012] A presente invenção tem por objeto uma camisa de cilindro molhada para motores de combustão interna, compreendendo um corpo cilíndrico de uma liga ferrosa dotado de uma superfície externa cir-cunferencial sobre a qual se aplica, sequencialmente, uma primeira camada e uma segunda camada, a segunda camada atuando como interface entre um fluído de arrefecimento e a primeira camada depositada na superfície externa, a camisa de cilindro compreendendo a primeira camada é composta por pelo menos um silicone ou pelo menos um adesivo epóxi bicomponente e a segunda camada compreende um compósito silano-elastomérico contendo nanopartículas de óxido de silício e um aditivo modificador de adesão, a segunda camada estando sujeita a erosão por cavitação e a primeira camada atuando opcionalmente como uma interface de resistência a altas temperaturas.
[0013] A presente invenção tem por objeto ainda um processo para obtenção de uma camisa de cilindro molhada para motores de combustão interna compreendendo as etapas de: [0014] etapa i) fundição por centrifugação e brunimento;
[0015] etapa ii) jateamento da superfície na qual a primeira camada será depositada;
[0016] etapa iii) aspersão ou pintura de uma primeira camada sobre a superfície externa, a primeira camada sendo composta por um silicone, a camisa sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 30 minutos; ou pulverização de uma primeira camada sendo composta por um adesivo epóxi bicomponente, a camisa sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 24 horas; e [0017] etapa iv) aspersão ou pintura de uma segunda camada sobre a primeira camada, compreendendo um compósito silano-elastomérico contendo nanopartículas de óxido de silício e um aditivo modificador de adesão, a camisa sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 24 horas ou mantida em temperatura de 115°C por pelo menos 30 minutos.
[0018] A presente invenção tem por objeto também um motor de combustão interna compreendendo ao menos uma camisa de cilindro molhada tal como definida acima.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0019] A camisa de cilindro molhada para motores de combustão interna pode ser mais bem compreendida através da seguinte descrição detalhada que é baseada nas figuras abaixo listadas: [0020] Figura 1 - vista em perspectiva de uma camisa de cilindro;
[0021] Figura 2 - esquema da seção transversal da estrutura de camadas aplicadas na camisa de cilindro da presente invenção; e [0022] Figura 3 - resistência à perda de massa para camisas de cilindro em teste de cavitação indireto.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS
[0023] A presente invenção refere-se a uma camisa 10 de cilindro molhada para motores de combustão interna. Mais particularmente, a presente invenção trata de uma camisa 10 de cilindro dotada de uma superfície externa 12 circunferencial sobre a qual é aplicado um revestimento composto por duas camadas. Tal revestimento compreende uma primeira camada 1 contendo silicone, aplicada diretamente sobre a superfície externa 12 da camisa 10, e uma segunda camada 2 sila-no-elastomérica contendo nanopartículas de óxido de silício, aplicada sobre a primeira camada 1. Como resultado, a camisa 10 tem maior resistência à cavitação, diminuindo a erosão da superfície externa 12 o que proporciona menor perda de massa da camisa 10 e, consequentemente, maior durabilidade.
[0024] Para se entender corretamente a presente invenção, faz-se necessário esclarecer a ação do mecanismo de falha conhecido por erosão por cavitação. Primeiramente, o fenômeno da cavitação apenas ocorre em meios fluídos ou líquidos, devido à variação de pressões de acordo com as cargas de trabalho. Sendo assim, a camisa 10 de cilindro molhada está sujeita a ação da cavitação, uma vez que sua superfície externa 12 é envolta por um fluido de arrefecimento.
[0025] Durante a operação do motor de combustão interna, ocorrem variações de pressão no interior dos cilindros, fazendo com que o fluido de arrefecimento passe por zonas de baixa pressão e zonas de alta pressão. Quando a baixa pressão do fluido de arrefecimento cai abaixo do ponto de pressão mínima, ocorre a vaporização do fluido e a consequente formação de bolhas de vapor. Ao passar por uma zona de alta pressão, as bolhas de vapor colapsam rapidamente em torno da superfície externa 12 da camisa. Essa formação e colapso de bolhas de vapor ocorrem frequentemente e resultam na erosão da camisa 10 gerando uma perda de massa, diminuindo assim sua durabilidade. O colapso dessas bolhas de vapor pode ainda chegar a furar sua superfície externa da camisa, levando a ruptura da camisa 10.
[0026] Tal como mostra a figura 1, a camisa 10 de cilindro molhada é dotada de um tubo ou corpo cilíndrico 11 vazado, geralmente constituído de uma liga ferrosa, tal como ferro fundido. Esse corpo cilíndrico 11 compreende duas superfícies em particular, uma superfície interna 13 onde ocorre o movimento axial de um pistão e uma superfície externa 12 circunferencial. A superfície externa 12 é envolta por um fluído de arrefecimento ou líquido refrigerante e recebe a aplicação de um revestimento, configurando assim a presente invenção.
[0027] Conforme pode-se observar na figura 2, o revestimento da presente invenção compreende duas camadas, sendo uma primeira camada 1 polimérica contendo silicone, aplicada diretamente sobre a superfície externa 12 da camisa 10, e uma segunda camada 2 silano-elastomérica contendo nanopartículas de óxido de silício e um aditivo modificador de adesão a qual é aplicada sobre a primeira camada 1.
[0028] No tocante à primeira camada 1, sua composição é preferencialmente silicone, podendo ser utilizado opcionalmente um epóxi bicomponente com a adição de partículas de cobre, de modo a aumentar a resistência a altas temperaturas.
[0029] O silicone utilizado na primeira camada 1 é aplicado através de um processo de aspersão ou pintura com pistola de pressão e mantido em temperatura ambiente por pelo menos 30 minutos para que a primeira camada 1 possa aderir à superfície externa 12. Em uma configuração opcional, o epóxi bicomponente será aspergido sobre a superfície externa da camisa e será mantido em temperatura ambiente por pelo menos 24 horas.
[0030] Falando mais especificamente, a segunda camada 2 compreende um compósito silano-elastomérico reforçado, do tipo poli-dimetilsiloxano, com uma concentração de 8% a 22% em volume de nanopartículas de óxido de silício, preferencial mente 16% a 22% em volume de nanopartículas de óxido de silício, e uma concentração de 8% a 9% em volume de aditivo modificador de adesão, do tipo vinilsi-lanos e epoxisilanos ou aminossilanos.
[0031] As nanopartículas de óxido de silício possuem um tamanho de 10 nanômetros a 800 nanômetros, preferencialmente um tamanho de 300 a 600 nanômetros. A segunda camada 2 é aspergida sobre a primeira camada 1 e a camisa 10 é mantida em temperatura ambiente por pelo menos 24 horas, podendo também passar por um processo acelerado através de um aquecimento a 115°C por pelo menos 30 minutos.
[0032] As camadas 1, 2 são dotadas de uma espessura total de 50 a 500 micrometros, preferencialmente uma espessura entre 50 e 300 micrometro, enquanto a primeira camada 1 é dotada de uma espessura entre 5 e 50 micrometros.
[0033] Processo para obtenção de uma camisa 10 de cilindro molhada para motores de combustão interna compreendendo as etapas de: [0034] etapa i) fundição por centrifugação e brunimento;
[0035] etapa ii) jateamento da superfície na qual a primeira camada 1 será depositada;
[0036] etapa iii) aspersão ou pintura de uma primeira camada 1 sobre a superfície externa 12, a primeira camada 1 sendo composta por um silicone, a camisa 10 sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 30 minutos; ou pulverização de uma primeira camada 1 sendo composta por um adesivo epóxi bicomponente, a camisa 10 sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 24 horas; e [0037] etapa iv) aspersão ou pintura de uma segunda camada 2 sobre a primeira camada 1, compreendendo um compósito silano-elastomérico contendo nanopartículas de óxido de silício e um aditivo modificador de adesão, a camisa 10 sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 24 horas ou mantida em temperatura de 115°C por pelo menos 30 minutos.
[0038] O processo de aplicação das camadas 1, 2 pode ser aplicado na totalidade, ou seja, em 100% da área da superfície externa 12 da camisa 10 ou, pode ser aplicado parcialmente em 50% da área da superfície externa 12 da camisa 10.
[0039] O objeto da presente invenção apresenta clara vantagem em relação ao estado da técnica, como comprovam os resultados, a-presentados na figura 3, de testes realizados em bancos de provas.
[0040] Como pode-se analisar na figura 3, são apresentadas taxas de perda de massa em mg/h (miligramas por hora) para camisas de cilindro molhada, de modo que a camisalO do estado da técnica compreende ferro fundido perlítico.
[0041] Os testes para avaliação da perda de massa das camisas de cilindro molhada foram realizados conforme norma ASTM G32, compreendendo teste de cavitação em bancos de provas.
[0042] A camisa 10 do estado da técnica apresentou uma taxa de perda de massa de 4,9mg/h. Pode-se observar ainda, que a camisa da presente invenção apresentou 0,5mg/h de taxa de perda de massa.
[0043] Como pode-se notar, a camisa 10 de cilindro da presente invenção apresenta uma média de 85% a 90% menos perda de massa em relação à camisa 10 do estado da técnica. Assim, a camisa 10 de cilindro da presente invenção alcança uma redução significativa das taxas de perda de massa quando em comparação às soluções apresentadas no estado da técnica.
[0044] Essa redução da taxa de perda de massa comprova que o revestimento silano-elastomérico em duas camadas proposto pela presente invenção garante à camisa 10 de cilindro uma maior resistência, prevenindo assim que camisas de cilindro molhada sofram desgastes ou rupturas quando em ação da erosão por cavitação.
[0045] Tendo sido descritos exemplos de concretizações preferidos, 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.
REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Camisa de cilindro molhada para motores de combustão interna, compreendendo um corpo cilíndrico (11) de uma liga terrosa dotado de uma superfície externa (12) circunferencial sobre a qual se aplica, sequencialmente, uma primeira camada (1) e uma segunda camada (2), a segunda camada (2) atuando como interface entre um fluído de arrefecimento e a primeira camada (1) depositada na superfície externa (12), a camisa (10) de cilindro sendo caracterizada pelo fato de que a primeira camada (1) é composta por pelo menos um silicone ou pelo menos um adesivo epóxi bicomponente e a segunda camada (2) compreende um compósito silano-elastomérico contendo nanopartículas de óxido de silício e um aditivo modificador de adesão, a segunda camada (2) estando sujeita à erosão por cavitação e a primeira camada (1) atuando opcionalmente como uma interface de resistência a altas temperaturas.
2. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (2) compreende um compósito silano-elastomérico do tipo poli-dimetilsiloxano.
3. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (2) compreende um aditivo modificador de adesão do tipo vinilsilanos e epoxissilanos ou aminossilanos.
4. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (2) compreende de 8% a 22% em volume de nanopartículas de óxido de silício, preferencialmente 16% a 22% em volume de nanopartículas de óxido de silício.
5. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (2) compreende de 8% a 9% em volume de aditivo modificador de adesão.
6. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada pelo fato de que a segunda camada (2) compreende nano-partículas de óxido de silício de um tamanho de 10 a 800 nanômetros, preferencialmente entre 300 e 600 nanômetros.
7. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as camadas (1, 2) são dotadas de uma espessura total entre 50 e 500 micrometros, preferencialmente entre 150 e 300 micrometros.
8. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a primeira camada (1) é dotada de uma espessura entre 5 e 50 micrometros.
9. Camisa de cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a primeira camada (1) é depositada por um processo de aspersão ou pintura.
10. Camisa de cilindro de acordo com reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (2) é depositada por um processo de aspersão ou pintura.
11. Processo para obtenção de uma camisa (10) de cilindro molhada para motores de combustão interna compreendendo as etapas de: etapa i) fundição por centrifugação e brunimento; etapa ii) jateamento da superfície na qual a primeira camada (1) será depositada; o processo (20) sendo caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente as seguintes etapas: etapa iii) aspersão ou pintura de uma primeira camada (1) sobre a superfície externa (12), a primeira camada (1) sendo composta por um silicone, a camisa (10) sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 30 minutos; ou pulverização de uma primeira camada (1) sendo composta por um adesivo epóxi bicomponente, a camisa (10) sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 24 ho- ras; e etapa iv) aspersão ou pintura de uma segunda camada (2) sobre a primeira camada (1), compreendendo um compósito siiano-elastomérico contendo nanopartículas de óxido de silício e um aditivo modificador de adesão, a camisa (10) sendo mantida em temperatura ambiente por pelo menos 24 horas ou mantida em temperatura de 115°C por pelo menos 30 minutos.
12. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a aplicação das camadas (1,2) é feita em 100% da área da superfície externa (12) da camisa (10) ou em 50% da área da superfície externa (12) da camisa (10).
13. Motor de combustão interna caracterizado pelo fato de que compreende ao menos uma camisa (10) de cilindro molhada tal como definida na reivindicação 1.
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