BR102021005792A2

BR102021005792A2 - Anel de controle de óleo para motores de combustão interna

Info

Publication number: BR102021005792A2
Application number: BR102021005792-0A
Authority: BR
Inventors: Bruno Fineto; José Valentim Lima Sarabanda
Original assignee: Mahle Metal Leve S.A.; Mahle International Gmbh
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-09-27
Also published as: WO2022200465A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um anel de controle de óleo idealizado para motores de combustão interna e que, dada a sua configuração construtiva, permite uma melhor distribuição da pressão de contato, raspagem de óleo e uma melhor conformabilidade do anel com a parede do cilindro, em que o anel de controle de óleo (1) é formado por um corpo (2), compreendendo duas superfícies de contato externas (10), cada qual contendo uma primeira (11) e uma segunda (12) aresta de extremidade, duas faces inclinadas (20) cada qual contendo uma terceira aresta de extremidade (13), uma seção transversal periférica (4) voltada para a parede do cilindro (5) e uma seção interna (6) voltada para o lado do pistão (7), em que cada superfície de contato (10) é plana e paralela a parede do cilindro (5) e são orientadas de maneira que as respectivas faces inclinadas (20) são voltadas uma oposta a outra e são simétricas.

Description

ANEL DE CONTROLE DE ÓLEO PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

[0001] A presente invenção refere-se a um anel de controle de óleo idealizado para motores de combustão interna e que, dada a sua configuração construtiva, permite uma melhor distribuição da pressão de contato, raspagem de óleo e uma melhor conformabilidade do anel com a parede do cilindro.

Descrição do Estado da Técnica

[0002] Os motores de combustão interna são mecanismos transformadores de energia utilizados pela imensa maioria dos veículos automotores, e compreendem basicamente duas partes principais: um ou mais cabeçotes e o bloco do motor. Na base do(s) cabeçote(s) estão localizadas as câmaras de combustão (em motores a diesel em geral as câmaras de combustão estão nas cabeças dos pistões) e no bloco do motor estão localizados os cilindros e o conjunto da árvore de manivelas ou conjunto do virabrequim. O conjunto da árvore de manivelas é composto por pistões, bielas e pelo virabrequim.

[0003] O motor converte a energia produzida pela combustão da mistura (combustível e ar) nas câmaras de combustão, em energia mecânica capaz de imprimir movimento às rodas.

[0004] Como a força motriz necessária para movimentar o automóvel provém da queima da mistura ar/combustível na câmara de combustão, e a fim de assegurar uma combustão homogênea e sem queima de óleo e ainda evitar a passagem em demasia de gases do cilindro para o cárter, faz-se necessária a utilização de anéis para prover uma boa vedação da folga existente entre o pistão e a parede do cilindro.

[0005] Normalmente, são utilizados três anéis, sendo dois anéis de compressão e um anel de óleo. Os anéis de compressão têm a função impedir a passagem dos gases da combustão para o interior do cárter e o anel de óleo tem a função de raspar o excesso de óleo da parede do cilindro e devolvê-lo ao cárter.

[0006] Além disso, os anéis de óleo encontrados no estado da técnica possuem fendas ou furos distribuídos ao longo da seção transversal periférica do corpo.

[0007] Estas fendas ou furos têm a função de drenar o excesso de óleo acumulado entre as duas faces externas de trabalho do anel e aumentar sua flexibilidade por meio da redução de rigidez da seção transversal que contém as fendas.

[0008] Outra função importante dos anéis é servir de ponte de transmissão de calor desde o pistão até a parede do cilindro/camisa aonde ocorre a dissipação de calor através do sistema de arrefecimento.

[0009] Os anéis de óleo podem ser compostos por uma, duas ou de três peças, sendo mais comumente utilizados em motores de combustão interna os dois últimos tipos.

[00010] Como principais características, o anel de uma peça utiliza-se das propriedades elásticas inerentes ao material base a fim de atender à força de expansão solicitada para a aplicação, enquanto o anel de duas peças compreende basicamente um corpo e um elemento elástico e o anel de três peças compreende basicamente um corpo suporte e dois segmentos de anel para atender à mesma finalidade.

[00011] Motivados pela busca por maior eficiência energética, as tendências de projeto de motores têm apontado para a confecção de motores menores, com redução de perdas de potência por fricção.

[00012] Para acompanhar estes desenvolvimentos, os anéis de óleo têm passado a apresentar alturas cada vez mais reduzidas, assim como menores carregamentos e /ou força de expansão.

[00013] Seguindo ainda estas tendências de redução de atrito no funcionamento do motor, é possível manter uma pressão de contato apropriada na interface anel/cilindro, reduzindo a área de contato do anel, mesmo sob a atuação de cargas de expansão reduzidas.

[00014] Entretanto, dificuldades quanto à fabricação, manuseio das peças e mesmo uma eventual quebra em trabalho são alguns obstáculos que devem ser vencidos em projetos que tem como objetivo a redução da área de contato dos anéis de controle de óleo.

[00015] Tal qual, o anel descrito no pedido de patente brasileiro PI 9202268 procura solucionar o problema de redução da área de contato utilizando perfis de superfície de contato tronco-cônicos, todavia, a superfície de contato é dotado de uma face inclinada onde tal configuração permite apenas um contato pontual na aresta com a parede do cilindro, podendo ocasionar a quebra da mesma e consequentemente causar danos à parede do cilindro além de ser mais suscetível ao aumento da região de contato devido ao desgaste radial.

[00016] Já o anel descrito nos pedidos de patente brasileiros PI 1014611-3 e PI1003187-1 procura solucionar o problema de redução da área de contato utilizando perfis que compreendem superfície de contato paralelas à parede do cilindro e associadas a faces inclinadas.

[00017] Detalhadamente, o anel descrito nestes pedidos apresenta superfícies de contato orientadas de maneira que as faces inclinadas estejam voltadas uma de frente para a outra, ou seja, simétricas, ou alternativamente, de maneira que as faces inclinadas estejam voltadas para um mesmo sentido, ou seja, assimétricas, em que foca principalmente a redução de atrito das superfícies de contato para com a parede do cilindro.

[00018] Como já pontuado, a indústria automotiva vem sendo atualmente guiada pelo desafio de atender a regulamentações ambientais cada vez mais restritas, resultando em desenvolvimentos cada vez mais norteados pela busca de menores fricções e motores menores e energeticamente mais eficientes.

[00019] Sendo assim, o presente pedido versa sobre um anel de controle de óleo que, devido ao uso de perfil aprimorado, é capaz de aprimorar os níveis adequados de pressão de contato, propiciar contato reduzido do anel com a interface do cilindro, além de robustez construtiva, de manuseio e em funcionamento.

Objetivos da Invenção

[00020] Um primeiro objetivo da presente invenção é prover um anel de controle de óleo que, pelo uso da face periférica de trabalho com superfície de contato reduzida, permite uma melhor distribuição da pressão, garantindo uma espessura adequada da película de óleo entre o anel e a parede do cilindro e possibilitando a redução do carregamento dado pela força expansiva de projeto do anel e, portanto, a correspondente redução da potência dissipada por fricção.

[00021] Um segundo objetivo da presente invenção é prover um anel de controle de óleo que, pelo uso da face periférica de trabalho com superfície de contato reduzida, permite que o óleo lubrificante não se acumula (ou se acumula menos) na parte superior do anel, além de possibilitar uma menor raspagem de óleo pelo anel, óleo este sendo melhor redistribuído ao longo do seu campo de atuação.

[00022] Um terceiro objetivo da presente invenção é prover um anel de controle de óleo onde o uso de perfil de face periférica de trabalho com superfície de contato reduzida, associado ao uso de ângulo cônico mais elevado da face de contato contra a parede interna do cilindro, visa minimizar o efeito do desgaste radial no aumento da largura axial da face de contato, provendo assim, a manutenção da pressão de projeto e consequentemente do controle da película de óleo entre o anel e a parede do cilindro durante a vida útil do motor.

Breve Descrição da Invenção

[00023] Os objetivos da presente invenção são alcançados por meio de um anel de controle de óleo, para motores de combustão interna formado por um corpo, compreendendo duas superfícies de contato externas, cada qual contendo uma primeira e uma segunda aresta de extremidade, duas faces inclinadas cada qual contendo uma terceira aresta de extremidade, uma seção transversal periférica voltada para a parede do cilindro e uma seção interna voltada para o lado do pistão, em que cada superfície de contato é plana e paralela a parede do cilindro e são orientadas de maneira que as respectivas faces inclinadas são voltadas opostas uma a outra e são simétricas.

[00024] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende cada face inclinada compreendendo ângulo entre 10 e 60 graus.

[00025] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende cada superfície de contato compreendendo uma altura de até 0,15 milímetros entre a primeira e a segunda arestas de extremidade.

[00026] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende corpo compreendendo uma altura entre 1,5 milímetros e 4 milímetros.

[00027] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende pelo menos uma das superfícies de contato (10) é cônica

[00028] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende seção transversal periférica compreendendo ao menos uma fenda ou furo

[00029] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende o corpo formado de ferro fundido ou aço.

[00030] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende superfície externa do anel compreendendo a aplicação de revestimento metálico.

[00031] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende superfície externa do anel compreendendo a aplicação de revestimento cerâmico.

[00032] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende a superfície externa do anel compreendendo a aplicação de tratamento térmico superficial.

[00033] Em uma concretização possível, o anel de controle de óleo compreende a superfície externa do anel recebendo aplicação de revestimento de carbono amorfo

[00034] As características acima mencionadas, além de outros aspectos da presente invenção, serão mais bem compreendidas através dos exemplos e da descrição detalhada das figuras que se seguem.

Breve Descrição dos Desenhos

[00035] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[00036] Figura 1 - é uma vista da seção transversal de um anel de óleo para motores de combustão interna do estado da técnica.

[00037] Figura 2 - é uma vista da seção transversal de um anel de óleo para motores de combustão interna do estado da técnica.

[00038] Figura 3 - é uma vista da seção transversal do anel de óleo para motores de combustão interna, objeto da presente invenção.

[00039] Figura 4 - é uma vista esquemática da seção transversal do anel de óleo para motores de combustão interna da presente invenção.

[00040] Figura 5 - é um gráfico comparativo da mínima película de óleo entre a face de contato paralela e a parede do cilindro do objeto da presente invenção e de anéis do estado da técnica.

[00041] Figura 6 - é um gráfico comparativo da película de óleo deixada na parede do cilindro após a passagem do anel do objeto da presente invenção e de anéis do estado da técnica.

Descrição Detalhada das Figuras

[00042] As figuras 1 e 2 representam o anel descrito nos pedidos de patente brasileiro PI 1014611-3 e PI1003187-1, em que superfícies de contato são orientadas de maneira que as faces inclinadas estejam voltadas uma de frente para a outra ou de maneira que as faces inclinadas estejam voltadas para um mesmo sentido.

[00043] De maneira distinta, conforme observado na figura 3, o objeto da presente invenção trata de anel de controle de óleo em que cada superfície de contato é plana e paralela a parede do cilindro e são orientadas de maneira que as respectivas faces inclinadas são voltadas opostas uma a outra.

[00044] Detalhadamente, conforme observado na figura 4, o anel de controle de óleo 1, objeto da presente invenção é formado por um corpo 2, compreendendo duas superfícies de contato externas 10, cada qual contendo uma primeira 11 e uma segunda 12 arestas de extremidade, duas faces inclinadas 20 cada qual contendo uma terceira aresta de extremidade 13, uma seção transversal periférica 4 voltada para a parede do cilindro 5 e uma seção interna 6 voltada para o lado do pistão 7, em que cada superfície de contato 10 é plana e paralela a parede do cilindro 5 e são orientadas de maneira que as respectivas faces inclinadas 20 são voltadas opostas uma a outra.

[00045] Assim, vantajosamente, as faces inclinadas 20 voltadas opostas uma a outra provê um controle aprimorado da película de óleo entre o anel e a parede do cilindro durante a vida útil do motor.

[00046] Isto porque essa solução, comparada ao estado da técnica, elimina a possibilidade ou probabilidade da ocorrência de armazenamento de óleo na região acima do contato do anel, diminuindo assim o consumo de óleo do conjunto motriz do veículo.

[00047] De um modo preferencial, mas não limitativo, o anel de controle de óleo 1 objeto da presente invenção é formado por um corpo preferivelmente ferroso 2, tal como ferro fundido ou um aço qualquer e por um elemento resiliente/elástico, tal como uma mola helicoidal, mola plana ou ainda outro meio expansor, para prover a força de expansão necessária a este tipo de aplicação.

[00048] Alternativamente, pode-se conceber um anel no qual as próprias propriedades/ características mecânicas do material base do corpo 2 são suficientes para gerar a força de expansão desejada.

[00049] De um modo preferencial, mas não limitativo, o corpo 2 possui altura total H entre 1,5 e 4,0 milímetros (mm) tomada em sentido axial, a fim de conferir um pouco mais de rigidez muito embora seja perfeitamente possível conceber um anel incluído no escopo de proteção dessa invenção cujo corpo possua altura inferior a 1,5 mm.

[00050] O corpo 2, independentemente de sua altura H, possui duas superfícies de contato externas 10 delimitado cada uma por uma face uma face inclinada 20, uma seção intermediária 4 voltada para a parede do cilindro 5 e uma seção circular 6 voltada para o lado do pistão 7, em que as superfícies de contato externas 10 se projetam de encontro à parede do cilindro 5 quando o conjunto está montado.

[00051] Cada superfície de contato externa 10 do anel de controle de óleo 1 contém uma primeira 11 e segunda 12 arestas de extremidade, e apresenta uma altura h, formada desde a aresta 11 até a aresta 12, onde se inicia a face inclinada 20. Essa altura corresponde à superfície de contato com a película de óleo.

[00052] De um modo preferencial, mas não limitativo, a altura h de cada uma das superfícies de contato externas 10 é de até 0,15 milímetros

[00053] De modo similar, o ângulo (a) da face inclinada 20 deve estar compreendido entre 10° e 60°, preferencialmente 26° a 34° (graus), em relação ao comprimento axial do anel.

[00054] Assim, vantajosamente, o objeto da presente invenção pos-sibilita uma menor raspagem de óleo pelo anel no sentido da câmara de combustão, de modo a resultar em uma película de óleo sendo melhor redistribuída ao longo do seu campo de atuação.

[00055] Em continuidade, o objeto da presente invenção, por meio de cada superfície de contato 10 ser plana e paralela a parede do cilindro 5 e serem orientadas de maneira que as respectivas faces inclinadas 20 são voltadas opostas uma a outra, foca a solução do problema do contato irregular entre a projeção de contato superior e inferior do anel de óleo (isto é, diferente, o contato de uma projeção sendo maior do que o da outra), que pode vir a ocorrer (e na prática ocorre) devido à deformação do canalete do pistão e do deslocamento do centro de gravidade dos anéis devido à singularidade adicionada às porções de contato do anel.

[00056] O posicionamento das superfícies de contato 10, de maneira que as respectivas faces inclinadas 20 estejam opostas uma a outra colabora decisivamente para que as características de estabilidade e balanceamento geométrico do anel sejam tais que o contato de ambas as superfícies de contato seja substancialmente uniforme, mesmo em situações de elevada solicitação dinâmica do anel.

[00057] Adicionalmente, conforme mostrado nas figuras 5 e 6, o objeto da invenção apresenta vantagens significativas face ao estado a técnica relacionadas a diminuição de desgaste do anel e da parede do cilindro, a redução considerável no acúmulo de óleo lubrificante na parte superior do anel de modo que ele é melhor redistribuído ao longo do seu campo de atuação.

[00058] Isto porque na presente invenção, diferente do estado da técnica, ocorre uma menor raspagem do óleo devido a uma redução do excesso de óleo entre a parede do cilindro e o anel no sentido da câmara de combustão.

[00059] Uma vez que este excesso de óleo é diminuído, há uma maior eficiência do conjunto, pois a camada de óleo é melhor distribuída. É de se notar, ainda, que a menor raspagem de óleo no sentido da câmara de combustão, tipicamente descendente, está associada a uma manutenção aprimorada do funcionamento do pistão, haja vista que o fluxo óleo coletado da parede do cilindro é expressivamente menor.

[00060] Isso pode ser observado nas figuras 5 e 6, pela formação de uma maior película de óleo no objeto da invenção do que nos anéis do estado da técnica. Ou seja, uma maior espessura da película de óleo é mantida entre o anel e a parede do cilindro 5 quando do movimento do pistão no sentido da câmara de combustão, movimento tipicamente ascendente.

[00061] De maneira a reduzir ainda mais o acúmulo de lubrificante, o anel pode compreender uma ou mais áreas de drenagem de óleo na forma preferencial de uma fenda ou furo 8 posicionado na seção intermediária 4 de forma a possibilitar o fluxo de lubrificante.

[00062] Por se tratar de uma solução conhecida daqueles versados na técnica, não há necessidade de um maior detalhamento na descrição. A existência dessas fendas 8 é mais interessante, e preferível, quando a altura do anel é superior a 2,0 mm, o que mantém um valor ainda aceitável de rigidez, porém nada impede que eles sejam providos em um anel cujo valor de altura seja inferior, se necessário ou desejável.

[00063] Ainda, a presente invenção tem como benefício a possibilidade de propiciar o uso de superfícies de contato reduzidas em anéis de óleo fabricados em aço com a aplicação de revestimentos metálicos ou cerâmicos e o uso de tratamentos superficiais de endurecimento da superfície de contato a fim de tornar o produto mais resistente ao desgaste, corrosão e diminuição das forças de atrito.

[00064] Nas descrições encontradas no estado da técnica o uso desta tecnologia em superfícies de contato reduzidas pode resultar em altos níveis de tensão localizada pelo fato da relação entre espessura da porção de contato e da camada endurecida ser de aproximadamente unitária.

[00065] Assim, está claro que o anel objeto da presente invenção viabiliza o seu uso com recobrimentos e tratamentos superficiais para aumento de resistência ao desgaste nos quais o uso de perfis com redução excessiva da superfície de contato, tal e qual os anéis pertencentes ao estado da técnica, torna-se restritivo, dado o acúmulo de tensões provocadas pela alta dureza superficial proporcionada pelos recobrimentos e tratamentos superficiais, isso sem contar da outra grande vantagem da invenção, comentada acima, que é a superior manutenção da pressão de contato ao longo da vida do motor por possuir maior ângulo de inclinação da aresta de suporte à face de contato.

[00066] 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 apenas, aí incluídos os possíveis equivalentes

Claims

Anel de controle de óleo (1), para motores de combustão interna formado por um corpo (2), compreendendo duas superfícies de contato externas (10), cada qual contendo uma primeira (11) e uma segunda (12) aresta de extremidade, duas faces inclinadas (20) cada qual contendo uma terceira aresta de extremidade (13), uma seção transversal periférica (4) voltada para a parede do cilindro (5) e uma seção interna (6) voltada para o lado do pistão (7), caracterizado pelo fato de que cada superfície de contato (10) é plana e paralela a parede do cilindro (5) e são orientadas de maneira que as respectivas faces inclinadas (20) são voltadas uma oposta a outra e são simétricas
Anel de controle de óleo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada face inclinada (20) compreende ângulo (a) entre 10 e 60 graus.
Anel de controle de óleo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das superfícies de contato (10) é cônica.
Anel de controle de óleo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado cada superfície de contato (10) compreender uma altura (h) de até 0,15 milímetros entre a primeira (11) e a segunda (12) arestas de extremidade.
Anel de controle de óleo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o corpo (2) compreender uma altura (H) entre 1,5 milímetros e 4 milímetros.
Anel de controle de óleo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a seção transversal periférica (4) compreender ao menos uma fenda ou furo (8).
Anel de controle de óleo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o corpo (2) ser de ferro fundido ou aço.
Anel (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a superfície externa do anel receber aplicação de revestimento metálico.
Anel (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a superfície externa do anel receber aplicação de revestimento cerâmico.
Anel (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a superfície externa do anel, receber tratamento térmico superficial.
Anel (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a superfície externa do anel receber aplicação de revestimento de carbono amorfo.