BR102014031075A2 - processo de obtenção de um anel de pistão, anel de pistão e motor a combustão interna - Google Patents

Abstract

processo de obtenção de um anel de pistão, 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 processo de obtenção de um anel de pistão. de acordo com uma realização da invenção, o processo compreende as etapas de: a) prover um anel de pistão de motor de combustão interna, e b) submeter pelo menos uma superfície do dito anel a um tratamento térmico de superfície a laser.

Description

“PROCESSO DE OBTENÇÃO DE UM ANEL DE PISTÃO, 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 óleo em peça única com resistência aprimorada ao desgaste e um processo de obtenção de tal anel de pistão.

Antecedentes da Invenção [002] Motores de 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, estes 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 de combustão interna é bastante conhecida e consiste, basicamente, em 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 tampões 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 de combustão interna tanto do ciclo Otto como do ciclo Diesel são de conhecimento comum aos técnicos no assunto, motivo pelo qual são desnecessárias maiores explicações no presente relatório descritivo.

[005] Existe hoje uma preocupação crescente com a diminuição das emissões produzidas pelos motores de 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), os óxidos de nitrogênio (NOx), bem como de materiais particulados e/ou outros GEEs, uma série de tecnologias foi incorporada aos motores de 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 de combustão interna. Outras tecnologias mais recentes, como a injeção direta de combustível, a tecnologia 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 de combustão estão desenvolvendo uma maior potência por volume de deslocamento do pistão no cilindro, comumente denominada de potência específica. O rendimento de um motor de combustão no ciclo Otto na década de 1980 chegava, em média, a 50 CV/L, e hoje facilmente 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, rotação mais elevada e temperatura de combustão mais elevada. Dessa forma, seus componentes devem ser igualmente dimensionados para suportar estas condições operacionais mais rígidas, 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 taxas de compressão, pressão de combustão, temperatura e rotação maiores, os anéis também exercem uma maior pressão sobre o pistão e sobre as paredes do cilindro, o 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, pode 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 raspador em peça única com características melhoradas de resistência ao desgaste.

[012] É um objetivo adicional da invenção prover um processo de obtenção do anel raspador mencionado com características melhoradas de resistência.

[013] A fim de atender os objetivos acima, dentre outros, a invenção refere-se a um produto e um processo relacionado de obtenção de um anel raspador em peça única. De acordo com um primeiro aspecto da invenção, o processo compreende as etapas de: a) prover um anel de pistão de um motor de combustão interna; e b) submeter a superfície deslizante do dito anel a um tratamento térmico de superfície a laser.

[014] De acordo com realizações adicionais e/ou alternativas da invenção, as seguintes características, isoladamente ou em combinações tecnicamente possíveis, também podem estar presentes: - dita superfície deslizante é a superfície de contato do anel com a camisa do cilindro; - dito anel de pistão em peça única é um anel raspador em peça única que compreende um formato em U tomado em relação à sua seção transversal; - dita superfície é pelo menos uma das superfícies formadas pelo perfil em U e que se destina a se manter em contato com a camisa do cilindro; - dita superfície são as duas superfícies formadas pelo perfil em U e que se destinam a se manter em contato com a camisa do cilindro; - dito anel é realizado em aço carbono ou aço de liga; - dito aço carbono compreende de 0,4 a 0,95 % em peso de carbono, dentre outros elementos e inevitáveis impurezas; - O dito aço de liga compreende Cr, Mo, Nb, dentre outros elementos. - dito tratamento térmico de superfície a laser é um tratamento de têmpera; - dito tratamento térmico de superfície a laser é um tratamento de cementação; - dito tratamento térmico de superfície a laser é seguido por um tratamento de revenimento. - dito anel é submetido, anteriormente à etapa de tratamento térmico de superfície a laser, a etapas de conformação e/ou usinagem e/ou tratamento térmico.

[015] A invenção trata igualmente de um anel de pistão obtido pelo processo acima descrito e a um motor de combustão interna que compreende pelo menos um anel, o anel sendo obtido por um processo tal como definido acima.

Breve Descrição das Figuras [016] A invenção será agora descrita com relação às suas realizações particulares, fazendo-se referência às figuras anexas. Tais figuras são esquemáticas e suas dimensões e proporções podem não corresponder à realidade, uma vez que visam somente descrever a invenção de maneira didática, e não impõem quaisquer limitações além daquelas definidas nas reivindicações mais adiante. Certas características técnicas podem ter sido omitidas das figuras para fins de maior clareza e compreensão, em que: A figura 1 é uma vista em perspectiva parcial de um anel de pistão, particularmente um anel raspador em peça única de um pistão; A figura 2 é um fluxograma do fluxo do processo de fabricação da presente invenção; A figura 3a é uma vista esquemática espacial do feixe de laser que trata o anel raspador em peça única em uma superfície deslizante; A figura 3.b é uma vista em seção transversal esquemática do anel raspador em peça única já tratado pelo laser em um em um flanco e sob tratamento de laser no segundo flanco no mesmo anel, de acordo com a figura 3a; A figura 4 é uma imagem obtida por um microscópio óptico que mostra a profundidade do material modificado em função do tratamento de endurecimento a laser; A figura 5.a é uma imagem obtida por um microscópio óptico que mostra a profundidade do material modificado em função da cementação a laser; A figura 5.b é uma imagem da análise da medição do teor de carbono para aço de carbono carburado a laser; e A figura 6 é um gráfico que mostra um comportamento de desgaste comparativo para duas versões de anéis tratados a laser e anel não tratado a laser.

Descrição de Realizações da Invenção [017] A invenção é agora descrita com relação às suas realizações particulares. Realizações específicas são descritas em detalhes, entendendo-se que devem ser consideradas como 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. Os numerais de referência são repetidos para as mesmas características técnicas ao longo das figuras.

[018] A figura 1 representa uma vista em perspectiva parcial de um anel (10) de um motor de combustão interna e, de forma particular, um anel raspador em peça única de um pistão de um motor de combustão interna. Conforme mencionado acima, o anel de óleo possui a finalidade de retirar a película de óleo formada entre a camisa do cilindro e o pistão, a fim de evitar a queima de óleo durante a combustão e, com isso, evitar igualmente o consumo de óleo e a emissão de gases poluentes. Um anel raspador como representado na figura 1 já é conhecido na técnica, por exemplo, na publicação de patente WO 2014/066965, aqui incorporada a título de referência.

[019] A figura 2 representa o processo de fabricação para anéis de controle de óleo em peça única. As principais etapas compreendem a perfuração e conformação (2) da forma em U pelo processo de cunhagem que é obtido a partir de um fio plano (1). Então o fio em forma de U é enrolado em espiral na forma de um anel (etapa 3). As dimensões finais do anel são ajustadas por operação de esmerilhamento (4). Propriedades do material da superfície deslizante (33) são modificadas por tratamento a laser, que é assunto de uma realização específica desta invenção, para que a seja feito o acabamento da superfície deslizante por usinagem da mesma, utilizando-se um processo de polimento ou de esmerilhamento ou de brunimento (6). Essas etapas de um processo para a obtenção de um anel de pistão, exceto pela etapa 5, que é o objeto desta invenção, já são conhecidas na técnica.

[020] A invenção propõe que a superfície de contato (33, 33’) com a camisa do cilindro seja submetida a um processo de endurecimento utilizando-se radiação laser.

[021] Na primeira realização da invenção, é proposto o uso de radiação laser para carbono temperado ou aço de liga. Para se obter tal efeito de endurecimento, é necessário pelo menos 0,3% do teor C equivalente. Para fins de produção industrial, os anéis são montados em um mandril que gira em velocidade angular constante (ω) em torno de um eixo 3-3’ (Figuras 3a e 3b). Para a finalidade da presente invenção foi utilizado ω na faixa capaz de prover velocidade relativa entre o feixe de laser e a superfície periférica do anel sob tratamento (33 e 34) de 25 mm/seg. a 105 mm /seg. Um outro parâmetro chave utilizado para o endurecimento da superfície deslizante é a densidade de potência do feixe de laser incidente. O feixe de laser foi ajustado para operação na faixa de 20 a 180 W/mm2. Deve ser observado que diferentes tipos de laser, isto é, laser sólido de diodo, o CO2, podem ser usados para obtenção de resultados similares. Entretanto, a densidade de potência e velocidade relativa entre o feixe de laser e superfície sob tratamento deve ser ajustada em função da absorção da radiação laser. Para atingir a faixa de densidade de potência descrita anteriormente, diferentes geometrias de pontos de laser podem ser usadas, isto é, projeção incidente do feixe de laser na superfície sob tratamento. O ponto do feixe de laser pode ser ajustado por óptica laser (32), por exemplo, retangular, circular, elíptica e alguns outros formatos podem ser produzidos por óptica laser (32) adequada.

[022] A figura 4 apresenta uma seção transversal parcial da região tratada na superfície deslizante obtida pelo processo da invenção. Foi gravada quimicamente para revelar a região tratada. A amostra apresentada foi gerada em uma única passagem do feixe de laser sobre a superfície a ser modificada pela densidade de potência ajustada em 100 W/mm2 e velocidade relativa de 70 mm/seg. A dureza de material na região P atingiu 1.000 HVq.os enquanto o material do núcleo (região C) apresenta 550 HV0.05- A profundidade do revestimento modificado atingiu 60 pm. A profundidade do revestimento endurecido pode ser aumentada elevando-se a densidade de potência ou diminuindo-se a velocidade relativa fornecida pelo movimento rotacional dos anéis sob tratamento.

[023] Em uma segunda realização da invenção, a temperatura elevada gerada pelo feixe de laser é usada para produzir a difusão de um material químico externo na superfície. A seção transversal mostrada na figura 5a é um exemplo de superfície carburada causada pelo laser. Nesse caso, velocidade relativa inferior a 70 mm/seg. deve ser ajustada. Tal velocidade inferior permitirá uma temperatura mais elevada e um tempo maior para difusão do carbono aplicado na superfície a ser carburada. Tipicamente, negro de fumo é aplicado na superfície a ser tratada a laser. O exemplo apresentado na figura 5a foi gerado aplicando-se uma densidade de potência de 200 W/mm2 e velocidade relativa de 40 mm/seg. Diferentemente do endurecimento a laser que foi realizado em uma única passagem, a cementação é realizada repetindo-se a interação do feixe de laser sobre a superfície a ser carburada. Experimentos mostraram que apenas 5 passagens puderam prover 5 pm de difusão de carbono. A difusão do carbono diminui em função da profundidade do revestimento carburado e, para 10 mícrones de revestimento carburado apresentado na figura 5b foi obtido utilizando-se 15 passagens do feixe de laser sobre a mesma região. Estendendo-se consideravelmente a duração do tempo para tratamento, revestimentos carburados mais espessos podem ser obtidos. Um tempo de tratamento muito longo (ou muitas passagens) pode gerar derretimento localizado na superfície sob tratamento, portanto, uma redução adicional na densidade de potência pode ser usada para monitorar tais efeitos indesejados para obtenção de profundidade carburada maior do que 50 pm.

[024] De acordo com a invenção, o desempenho de desgaste do anel raspador em peça única obtido pelo processo de fabricação descrito na primeira e segunda realizações foi elevado. O comportamento de desgaste foi caracterizado pelo fato de conter um conjunto de anéis de controle de óleo em peça única (aquelas três versões diferentes, não-revestido, endurecido e carburado) na mesma disposição e prover movimento deslizante alternado sob condições lubrificadas. Partículas abrasivas foram intencionalmente adicionadas no óleo para acelerar o desgaste na superfície deslizante dos anéis de controle de óleo em peça única. A seleção cuidadosa dos anéis sob teste foi realizada para prover uma boa avaliação comparativa, considerando-se que a modificação da superfície é a única característica que influencia o comportamento de desgaste. Em outras palavras, a geometria, a pressão de contato da superfície deslizante e a condição de teste foram exatamente as mesmas para aquelas três diferentes versões dos anéis sob teste.

[025] Superfícies deslizantes carburadas, assim como endurecidas, apresentam resistência ao desgaste aprimorada quando comparadas com superfícies não tratadas. A figura 6 mostra desgaste radial medido por sobrepondo-se os perfis, antes e depois do teste, para as superfícies deslizantes (contatos superior e inferior do anel raspador em peça única). A modificação de superfície por carburização ou endurecimento destina-se a diminuir o desgaste nas superfícies deslizantes. A constatação mostra uma redução de desgaste de 40%, considerando-se a superfície não tratada.

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

Claims (13)

1. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE UM ANEL DE PISTÃO, que compreende as etapas de: a) prover um anel de pistão de motor de combustão interna, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a etapa de: b) submeter a superfície deslizante do dito anel a um tratamento térmico superficial a laser.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita superfície é a superfície de contato do anel com a camisa do cilindro.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito anel de pistão em peça única é um anel raspador em peça única que compreende um formato em U tomado ao longo de sua seção transversal.

4. PROCESSO, de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado pelo fato de que dita superfície é pelo menos uma das superfícies formadas pelo perfil em U e que se destina a se manter em contato com a camisa do cilindro.

5. PROCESSO, de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado pelo fato de que dita superfície são as duas superfícies formadas pelo perfil em U e que se destinam a se manter em contato com a camisa do cilindro.

6. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que dito anel é executado em aço carbono, particularmente um aço carbono compreendendo entre 0,4 e 0,95 % em peso de carbono, dentre outros elementos e inevitáveis impurezas.

7. PROCESSO, de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dito anel é executado em aço de liga que compreende Cr, Mo, Nb dentre outros elementos.

8. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que dito tratamento térmico de superfície a laser é um tratamento de têmpera.

9. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que dito tratamento térmico de superfície a laser é um tratamento de cementação.

10. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que dito tratamento térmico de superfície a laser é seguido por um tratamento de revenimento.

11. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que dito anel é submetido, anteriormente à etapa de tratamento térmico de superfície a laser, a etapas de conformação e/ou usinagem e/ou tratamento térmico.

12. ANEL DE PISTÃO, particularmente um anel raspador em peça única de um motor de combustão interna, caracterizado pelo fato de que é obtido pelo processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11.

13. MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um pistão e pelo menos um anel de pistão, caracterizado pelo fato de que dito anel é obtido pelo processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9.