BR102014026128A2 - anel de pistão e motor a combustão interna - Google Patents

Abstract

anel de pistão e motor a combustão interna a invenção se refere, de maneira geral, a um componente de um motor de combustão interna e, mais especificamente, a invenção está relacionada a um anel de pistão de um motor a combustão interna. a invenção também se refere a um motor a combustão interna que comporta tal anel. de acordo com uma realização da invenção, o anel de pistão compreende entre 8 e 15% em peso de cromo, além de outros elementos e inevitáveis impurezas, e tendo uma dureza compreendida entre 350 e 420 hv, sendo que o dito anel compreende uma camada superficial nitretada com uma profundidade menor ou igual a 60 um e tendo uma dureza medida na superfície maior que 800 hv, em que as partículas de nitreto da camada nitretada possuem um tamanho máximo de 5 pm e estão distribuidas entre 4 e 8% da área da camada nitretada, sendo que a camada branca está ausente na camada nitretada.

Description

“ANEL DE PISTÃO E MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA” Campo da Invenção [001] A invenção se refere, de maneira geral, a um componente de um motor de combustão interna e, mais especificamente, a invenção está relacionada a um anel de pistão de um motor a combustão interna. A invenção também se refere a um motor a combustão interna que comporta tal anel.

Antecedentes da Invenção [002] Motores a combustão interna, tais como os motores que empregam os conhecidos ciclos Otto ou Diesel, são ampla e comumente utilizados em veículos destinados à mobilidade tanto de pessoas como de bens, tais como veículos de passeio, de transporte e de cargas, incluindo caminhões e locomotivas. Em síntese, tais motores utilizam um combustível contendo alto teor de hidrocarbonetos, como combustíveis fósseis e/ou oriundos de fontes renováveis, para transformar a energia térmica da queima do combustível em energia cinética.

[003] A construção de um motor a combustão interna é bastante conhecida e consiste, basicamente, de um pistão que se move no interior de um cilindro que está associado a um virabrequim. No lado superior do pistão, é prevista uma câmara de combustão que compreende, dentre outros elementos como velas e/ou bicos injetores, pelo menos uma válvula de admissão e uma válvula de exaustão. O pistão, por sua vez, geralmente compreende três anéis em contato com a camisa do cilindro, sendo que os dois anéis superiores, ou seja, aqueles mais próximos à cabeça do pistão onde é feita a compressão dos gases de combustão na câmara, possuem a função de assegurar a vedação da mistura e evitar o escape tanto da mistura como dos gases de combustão para o interior do bloco e, por isso, são geralmente denominados de “anéis de compressão”. O terceiro anel, normalmente localizado abaixo dos anéis de compressão, tem a finalidade de retirar ou “raspar” a lâmina de óleo quando da descida do pistão, para evitar a queima de óleo e, assim, também diminuir a emissão de gases. Este anel é geralmente denominado de “anel raspador”.

[004] Os componentes e funcionamento de um motor a combustão interna tanto do ciclo Otto como do ciclo Diesel são de conhecimento comum aos técnicos no assunto, motivo pelo quai são desnecessárias maiores explicações no presente relatório descritivo.

[005] Existe hoje uma preocupação crescente com a diminuição das emissões de gases produzidos pelos motores a combustão interna, que são responsáveis por grande parte da liberação de C02 na atmosfera. A mudança climática é um dos desafios ambientais mais relevantes da atualidade, com consequências possivelmente graves. Este problema vem sendo causado pela intensificação do efeito estufa, que, por sua vez, está relacionado ao aumento da concentração na atmosfera de gases geradores de efeito estufa (GEE), dentre eles o dióxido de carbono.

[006] Nos últimos anos, a fim de minimizar a emissão de gases nocivos ao ambiente, como o monóxido de carbono (CO), gases hidrocarbonetos (HC), óxidos de nitrogênio (NOx), bem como de materiais particulados e/ou outros GEEs, uma série de tecnologias foi incorporada aos motores a combustão interna. A redução de emissões de gases está relacionada, dentre outros fatores, ao aumento do rendimento térmico do motor e, consequentemente, à redução do consumo específico de combustível.

[007] Nesse sentido, tecnologias como a injeção eletrônica, o catalisador, filtros de materiais particulados são, hoje em dia, bastante difundidas e empregadas quase que obrigatoriamente em todos os motores a combustão interna. Outras tecnologias mais recentes, como a injeção direta de combustível, o common-rail para motores que utilizam o ciclo Diesel, e a utilização em maior escala de tecnologias há muito conhecidas, como compressores mecânicos ou turbocompressores, também estão sendo associadas a fim de aumentar a eficiência energética e atender a normas de emissões cada vez mais rígidas, [008] Como consequência, os motores a combustão estão desenvolvendo uma maior potência por volume de deslocamento do pistão no cilindro, comumente denominada de potência específica. O rendimento de um motor a combustão no ciclo Otto na década de 1980 chegava, em média, a 50 CV/L, e hoje facialmente pode atingir mais de 100 CV/L. Isso significa que a pressão de combustão no interior dos cilindros aumentou consideravelmente, o que também significa que os motores a combustão estão trabalhando sob maiores esforços mecânicos, maior rotação e temperatura de combustão mais elevada. Dessa forma, seus componentes devem ser igualmente dimensionados para suportar estas condições operacionais mais severas, a fim de garantir tanto a confiabilidade do conjunto como manter a vida útil esperada, hoje estimada em cerca de 300.000 km para motores do ciclo Otto de carros de passeio.

[009] Este maior esforço operacional se traduz, igualmente, em um maior esforço sofrido pelos componentes, dentre eles o pistão e os anéis associados ao pistão. Com as maiores taxa de compressão, pressão de combustão, temperatura e rotação, os anéis também exercem uma maior pressão sobre o pistão e sobre as paredes do cilindro, que leva igualmente a um maior desgaste ou fadiga dos anéis, que pode aumentar a folga existente entre o anel e o cilindro e, dessa forma, causar problemas relacionados ao desgaste da camisa do cilindro e/ou do próprio pistão, vazamento de óleo, aumento de consumo de combustível e/ou de óleo e, até mesmo, a quebra do anel.

[010] A invenção visa contornar estes inconvenientes encontrados no estado da técnica, dentre outros.

Descrição da Invenção [011] Portanto, é um primeiro objetivo da invenção prover um anel de pistão que apresente características melhoradas de resistência à quebra.

[012] É um objetivo adicional da invenção prover um anel de pistão que apresente características mecânicas melhoradas de resistência à fadiga e, consequentemente, à quebra.

[013] A fim de atender os objetivos acima, dentre outros, a invenção refere-se a um anel de pistão realizado em aço inoxidável compreendendo entre 8 e 15% em peso de cromo, além de outros elementos e inevitáveis impurezas, e tendo uma dureza compreendida entre 350 e 420 HV, sendo que o dito anel compreende uma camada superficial nitretada com uma profundidade menor ou igual a 60 pm e tendo uma dureza medida na superfície maior que 800 HV, em que as partículas de nitreto da camada nitretada possuem um tamanho máximo de 5 pm e estão distribuídas entre 4 e 8% da área da camada nitretada.

[014] De acordo com realizações adicionais e/ou alternativas da invenção, as seguintes características, sós ou em combinações tecnicamente possíveis, também podem estar presentes: - a camada branca está ausente na camada nitretada. - dito anel é um anel de compressão de um pistão de motor a combustão interna; - dito aço inoxidável é um aço inoxidável martensítico. - dito anel é realizado em um aço inoxidável compreendendo de 8 a 15% em peso de Cr; de 0,4 a 0,9% em peso de C; de 0,1 a 1% em peso de Si; de 0,1 a 1% em peso de Mn; até 0,04% em peso de P; e até 0,04% em peso de S, o balanço sendo formado por Fe e inevitáveis impurezas; - dito anel compreende adicionalmente uma cobertura de cromo aplicada em uma de suas superfícies; - a dita superfície é a superfície de contato do anel com a camisa do cilindro; - dita cobertura é aplicada por meio de um processo de deposição de íons;

[015] A invenção trata igualmente de um motor a combustão interna que compreende pelo menos um cilindro e pelo menos um pistão montado no interior do dito cilindro, sendo que compreende adicionalmente pelo menos um anel tal como definido acima.

Descrição de Realizações da Invenção [016] A invenção é agora descrita com relação às suas realizações particulares. Realizações específicas são descritas em detalhes, com o entendimento que devem ser consideradas uma exemplificação de seus princípios, e não se destina a limitar a invenção ao que está apenas descrito no presente relatório. Deve-se reconhecer que os diferentes ensinamentos das realizações discutidas a seguir podem ser empregados separadamente ou em qualquer combinação adequada para produzir os mesmos efeitos técnicos.

[017] Conforme mencionado acima, os motores a combustão interna estão sendo cada vez mais exigidos em termos de esforços mecânicos e, consequentemente, seus componentes estão sendo submetidos a maiores exigências de trabalho. O anel de pistão é um componente essencial para garantir o adequado funcionamento do motor, tanto em termos de performance como em termos de consumo de combustível e controle de emissão de gases.

[018] Os anéis de pistão conhecidos geralmente são realizados em um material apresentando características de alta resistência ao desgaste e, portanto, geralmente utilizam um aço inoxidável martensítico contendo alto teor de cromo, tipicamente acima de 17% em peso de cromo, e podem também receber um tratamento de nitretação para aumentar a dureza superficial e a resistência ao desgaste e à corrosão.

[019] No entanto, constatou-se que um anel de pistão realizado em material apresentando características de alta dureza, tais como os anéis encontrados no estado da técnica, podem igualmente apresentar uma tendência à quebra devido à propagação de microfissuras que podem ser formar durante a operação do motor a combustão interna. Isso ocorre devido à maior presença de fases duras (Carbonetos) após a nitretação e, dessa forma, à maior disposição a propagação de trincas uma vez que estas se iniciam na interface entre as fases duras e a matriz.

[020] A invenção visa, por um lado, prover um anel de pistão que apresente as mesmas características de dureza e, consequentemente, alta resistência ao desgaste, porém promovendo uma maior tenacidade ao anel, de forma que sejam melhoradas suas qualidades de resistência à fadiga, tanto estática como dinâmica, de forma a minimizar ou até mesmo eliminar problemas relacionados à quebra do anel.

[021] Nesse sentido, a invenção trata de um anel de motor a combustão interna que é montado no pistão do motor e está em contato com a parede ou camisa do cilindro. O anel é realizado, de forma particular, em um aço inoxidável compreendendo entre 8 e 15% em peso de cromo, além de outros elementos e inevitáveis impurezas, o balanço sendo formado por ferro. Tipicamente, um aço inoxidável com estas características em sua composição compreende uma dureza média situada entre 350 e 420 HV.

[022] O cromo, como é de conhecimento pelos técnicos no assunto, é um elemento fundamental para promover, além de um aumento da dureza, uma resistência à corrosão e se encontra dissolvido na matriz de ferro também na forma de carboneto de cromo.

[023] O anel compreende adicionalmente uma camada periférica nitretada, que promove um aumento da dureza superficial, tipicamente uma dureza média medida na superfície maior que 800 HV. Os processos de nitretação são bem conhecidos para os técnicos no assunto e, basicamente, consistem em colocar o componente metálico, geralmente o aço, incluindo o aço inoxidável, em um ambiente rico em nitrogênio a uma temperatura abaixo da temperatura de austenização do material, e pode ser realizado tanto por um processo gasoso como a plasma. O nitrogênio difundido no material cria uma camada que aumenta a sua dureza superficial. Como resultado, a nitretação geralmente cria duas camadas no material metálico. Uma primeira camada superficial, também chamada de “camada branca” (White Layer ou Compound Layer), que tem uma predominância de nitretos-ε (com nitretos Fe2-3N contendo N em quantidade superior a 8% em peso) sobre nitretos fase γ’ (com nitretos F4N contendo N entre 5,9 e 6,5% em peso), e uma segunda camada de difusão.

[024] Durante o tratamento de nitretação, o nitrogênio se difunde a partir da superfície da peça e, como a afinidade do nitrogênio com o cromo é maior que com o carbono, ocorre uma reação entre o nitrogênio e os carbonetos de cromo, formando nitretos de cromo, além de nitretos de carbono e carbonetos de cromo residuais. Verificou-se que quando a porcentagem de cromo é superior a 15% em peso, a tenacidade do material é prejudicada, devido à presença de partículas grandes, ou seja, com um tamanho médio superior a 5 pm, e esta característica pode ocasionar pequenas fissuras que podem se propagar e gerar quebras no anel. Por outro lado, verificou-se que quando o teor de cromo está compreendido entre 8 e 15% em peso, é possível obter partículas duras na camada nitretada com um tamanho médio de partícula não superior a 5 pm e que, preferencíalmente, devem estar dispersas de 4 a 8% da área da camada nitretada. Esta característica permite que o material apresente boa tenacidade, o que melhora significativamente a resistência à fadiga, tanto estática como dinâmica, sem prejuízo à dureza verificada na superfície do anel, o que garante uma boa resistência ao desgaste.

[025] Exemplo de uma composição adequada de um aço inoxidável para o anel da invenção compreende de 8 a 15% em peso de Cr, de 0,4 a 0,9% em peso de C, de 0,1 a 1% em peso de Si, de 0,1 a 1% em peso de Mn, até 0,04% em peso de P, e até 0,04% em peso de S, o balanço sendo formado por Fe e inevitáveis impurezas. No entanto, outras composições compatíveis também podem ser utilizadas.

[026] Ainda de forma particular, a camada nitretada possui uma penetração menor ou igual a 60 pm, a fim de manter a boa tenacidade do anel e, além do mais, a relativa pequena penetração da camada nitretada permite igualmente uma menor propagação de trincas que geralmente se formam na interface entre a fase dura e o aço. Adicionalmente, a camada nitratada não possui a camada branca, ou seja, apresenta uma ausência da camada branca. A ausência da camada branca pode ser realizada por meios conhecidos, tal como aplicando-se um processo de retifica na superfície do anel, ou por controle dos parâmetros do tratamento de nitretação. Tais meios de promover uma ausência da camada branca são conhecidos pelos técnicos no assunto, motivo pelo qual são dispensáveis maiores explicações no presente relatório descritivo.

[027] O anel da invenção pode compreender adicionalmente uma camada de CrN aplicada por um processo de deposição de íons. A implantação de íons é um processo já conhecido pelo qual íons de um material são acelerados em um campo magnético e irradiados sobre o material metálico. Como os íons possuem massa e composição distinta do material sobre os quais são irradiados, o impacto faz com que tenham uma penetração limitada, e se fixem no material, criando íons livres presentes na composição do material. De forma particular, a superfície de contato com a camisa ou parede do cilindro recebe a camada adicional de cromo. A camada adicional de CrN pode ser vantajosa tanto para melhorar a resistência ao desgaste da superfície do anel que está em contato com a parede ou camisa do cilindro como para melhorar a resistência à corrosão, particularmente permitir uma maior resistência à corrosão intergranular.

[028] Apesar de a invenção ter sido descrita com relação às suas realizações particulares, os técnicos no assunto poderão realizar alterações ou combinações não contempladas acima sem, no entanto, se desviar dos ensinamentos aqui descritos, além de expandir para outras aplicações não apreciadas no presente relatório descritivo. Por exemplo, apesar de a realização aqui descrita fazer referência a um anel raspador de um motor a combustão interna, é evidente que o processo da invenção pode ser aplicado para outras peças cuja característica aprimorada de dureza superficial pode ser desejosa, tal como o anel de compressão. Portanto, as reivindicações anexas devem ser interpretadas como cobrindo todos e quaisquer equivalentes que se enquadram dentro dos princípios da invenção.

Claims (9)

1. ANEL DE PISTÃO, realizado em um aço inoxidável caracterizado por compreender entre 8 e 15% em peso de cromo, além de outros elementos e inevitáveis impurezas, e tendo uma dureza compreendida entre 350 e 420 HV, sendo que o dito anel compreende uma camada superficial nitretada com uma profundidade menor ou igual a 60 pm e tendo uma dureza medida na superfície maior que 800 HV, em que as partículas de nitreto da camada nitretada possuem um tamanho máximo de 5 pm e estão distribuídas entre 4 e 8% da área da camada nitretada.

2. ANEL DE PISTÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada branca está ausente na camada nitretada.

3. ANEL DE PISTÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito anel é um anel de compressão de um pistão de motor a combustão interna.

4. ANEL DE PISTÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito anel é realizado em um aço inoxidável compreendendo de 8 a 15% em peso de Cr, de 0,4 a 0,9% em peso de C; de O, 1 a 1% em peso de Si; de 0,1 a 1% em peso de Mn, até 0,04% em peso de P, e até 0,04% em peso de S, o balanço sendo formado por Fe e inevitáveis impurezas.

5. ANEL DE PISTÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que dito anel compreende adicionalmente uma cobertura de cromo aplicada em uma de suas superfícies.

6. ANEL DE PISTÃO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que dita superfície é a superfície de contato do anel com a camisa do cilindro.

7. ANEL DE PISTÃO, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que dita cobertura é aplicada por meio de um processo de deposição de íons.

8. ANEL DE PISTÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito aço inoxidável é um aço inoxidável martensítico.

9. MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA, que compreende pelo menos um cilindro e pelo menos um pistão montado no interior do dito cilindro, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um anel tal como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.