ES2318244T3 - Revestimiento de segmentos de envolo. - Google Patents
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Abstract
Sistema (10) para reducir la microsoldadura de un segmento de émbolo (14) con un émbolo (12), caracterizado por un segmento de émbolo (14) que tiene una superficie recubierta con una composición de polímero de poli aril éter cetona.
Description
Revestimiento de segmentos de émbolo.
La presente invención se refiere a composiciones
lubricantes y, más particularmente, a composiciones lubricantes que
se utilizan en el revestimiento de segmentos de émbolo instalados
en motores de combustión interna.
Se han hecho grandes progresos en el
alargamiento de la vida útil del motor de combustión interna.
Muchas de estas mejoras han sido posibles gracias a la utilización
de materiales que reducen la fricción entre los componentes en
movimiento utilizados dentro del motor de combustión interna. Se
sabe, por ejemplo, por el documento US 5,713.324 que el
recubrimiento de la superficie de un segmento de émbolo que se
acopla a la pared del cilindro con poli tetrafluor etileno (PTFE) o
una composición de una resina termoendurecible, poli tetrafluor
etileno y molidisulfuro para reducir el rozamiento por
deslizamiento entre el segmento de émbolo y la pared del cilindro
reduce el rozamiento del motor. También se conoce la forma de
depositar PTFE o la composición de la resina termoendurecible, poli
tetrafluor etileno y molidisulfuro entre los cojinetes de la biela
y las caras respectivas del soporte del cigüeñal de un motor de
combustión interna para reducir el rozamiento al mínimo.
A pesar de estos avances, siguen existiendo
diversas zonas de gran rozamiento en los diseños de motores
convencionales que no han encontrado una solución adecuada, ni
siquiera utilizando los revestimientos más modernos para reducir el
rozamiento. Uno de esta serie de problemas se refiere a la zona
interfacial entre émbolos y segmentos de émbolo de motores de
combustión interna.
En gran parte de los motores de combustión
interna que utilizan émbolos, éstos están rodeados por segmentos de
émbolo para crear una obturación de gas relativamente eficaz entre
el émbolo y la pared del cilindro. Por consiguiente, cuando se
enciende una carga dentro del cilindro del motor, creando elevadas
presiones en la cámara de combustión, los gases que se expanden,
formados durante el proceso de combustión, se confinan en la cámara
de combustión. Los gases confinados ejercen una fuerza hacia abajo
sobre el émbolo y no se dejan escapar entre el émbolo y la pared del
cilindro. Aunque el segmento de émbolo queda capturado dentro de
una ranura realizada a lo largo de una superficie circunferencial
exterior del émbolo, el segmento se ha dimensionado con respecto a
la ranura, de modo que tiene libertar para moverse dentro de la
ranura. Es importante que el segmento de émbolo se pueda mover
(axialmente, radialmente y circunferencialmente) respecto de la
ranura ya que su movimiento relativo permite una obturación
adecuada con el calibre del cilindro al moverse axial y radialmente
el émbolo y cuando el segmento atraviesa una deformación en la
pared del cilindro.
Existe un período de tiempo crítico para los
nuevos motores, conocido con el nombre de período de rodaje,
durante el cual las superficies en movimiento de componentes unidos
se ajustan para adaptarse y acoplarse la una a la otra. Durante
este período de rodaje, la superficie de separación émbolo/segmento
del émbolo es particularmente susceptible de experimentar lo que se
llama microsoldadura, donde existe la propensión por parte del
aluminio del émbolo a desplazarse hacia los laterales (por lo
general el borde inferior del segmento del émbolo).
Si durante el rodaje, se puede mantener el
segmento del émbolo de modo que tenga libertad para moverse
respecto de las paredes de la ranura del émbolo y se puede reducir
la presión de contacto localizada por medio de un material
relativamente elástico, la ranura del émbolo/segmento del émbolo se
acoplará de modo uniforme y no se producirá microsoldadura.
La presente invención se refiere a un sistema
para evitar la microsoldadura de un segmento con un émbolo y
comprende un segmento revestido con un polímero de poli aril éter
cetona.
La presente invención se refiere también a un
sistema para evitar la microsoldadura de un segmento con un émbolo
y comprende un émbolo adaptado para moverse alternativamente dentro
de la cámara de combustión de un motor. El émbolo tiene una
superficie exterior con una ranura circunferencial dispuesta en la
misma. Se dispone un segmento dentro de la ranura circunferencial,
segmento que comprende una superficie que se acopla a la pared del
cilindro y una superficie que se acopla a la ranura del émbolo. La
superficie que se acopla a la ranura del émbolo está recubierta con
un polímero de poli aril éter cetona. De preferencia, el segmento
comprende una superficie superior que se extiende radialmente y una
superficie inferior que se extiende radialmente, con la
particularidad de que la superficie que se acopla a la ranura del
émbolo incluye la superficie inferior del segmento.
La presente invención también se refiere a un
método para evitar la microsoldadura de un émbolo con el segmento.
Se deposita sobre una superficie de un segmento de émbolo una
composición que comprende una poli aril éter cetona. La composición
se endurece de preferencia exponiendo el segmento de émbolo a una
temperatura elevada durante cierto período de tiempo.
La figura 1 muestra el segmento de émbolo de la
presente invención instalado en una ranura circunferencia de un
émbolo.
La figura 2 muestra una primera realización del
segmento de émbolo de la presente invención.
La figura 3 es una vista parcial, en sección
transversal, a lo largo de las líneas 3-3 de la
figura 1.
La figura 4 es una segunda realización del
segmento de émbolo preferido de la presente invención.
En un sistema preferido 10 de la presente
invención, como se puede apreciar en la figura 1, se provee un
émbolo 12 de por lo menos una ranura circunferencial 13 (véase
figura 3). La ranura 13 queda definida por unas paredes, superior e
inferior, 18, 20 respectivamente, que se extienden radialmente y
una pared vertical 22. Se instala generalmente un segmento de
émbolo 14 dentro de la ranura 13. El émbolo 12 suele tener dos o más
segmentos 14, 14', 14'' para garantizar una obturación eficaz de
los gases de la cámara de combustión y también para garantizar una
circulación mínima de aceite lubricante dentro de la cámara de
combustión, desde el cárter del motor.
Como se puede ver en la figura 3, una primera
realización de segmento de émbolo 14 comprende unas superficies,
superior e inferior, 24, 26, que se extienden radialmente, una
superficie vertical interior radial 28 y una superficie 30 que se
acopla radialmente a la pared exterior del cilindro. La superficie
inferior 26 está recubierta de una composición 32 que contiene un
polímero de poli aril éter cetona. En una segunda realización,
mostrada en la figura 4, toda la superficie exterior del segmento
14 está recubierta con una composición 32' que comprende una poli
aril éter cetona. La composición se comercializa actualmente con el
nombre comercial de PEEK-HT^{TM}, y se puede
comprar en Victrex® plc, Lancashire, Reino Unido
(www.victrex.com). Específicamente,
PEEK-HT^{TM} es un polímero termoplástico con una
unidad de repetición que comprende
oxi-1,4-fenileno-oxi-1,4-fenileno-carbonil-1,4-fenileno.
PEEK-HT^{TM} tiene unas excelentes propiedades de
fricción y desgaste y se suele aplicar a las piezas para reducir el
desgaste. En el caso de la presente invención, no obstante, se
utiliza para permitir que el segmento 14 se mueva respecto de las
paredes 18, 20, y 22 de la ranura del émbolo 13 y para reducir las
presiones punta de contacto del segmento con respecto a la ranura,
evitando de este modo la microsoldadura. En algunas aplicaciones
extremadamente delicadas, puede ser necesario recubrir las
superficies del segmento de émbolo 24, 26, 28 y 30 con
PEEK-HT^{TM}. No obstante, las pruebas realizadas
en la actualidad indican que, en la mayoría de las aplicaciones,
solamente es necesario recubrir la superficie de acoplamiento
inferior del segmento de émbolo 14 para evitar la microsoldadura.
Una vez finalizado el período de rodaje, el
PEEK-HT^{TM} dura mucho más que los
revestimientos convencionales y ofrece una protección contra la
microsoldadura de mayor duración que la que ofrecen los
recubrimientos convencionales, como XYLAN® 1620 y puede seguir
evitando la microsoldadura.
El PEEK-HT^{TM} evita que se
produzca la microsoldadura al permitir que las superficies de la
ranura del émbolo y el segmento de émbolo se muevan entre sí y al
reducir la presión pico de contacto. Por lo tanto, se favorece un
acoplamiento uniforme a lo largo del período crítico de rodaje.
PEEK-HT^{TM} reduce o elimina el contacto directo
entre el segmento 14 y las paredes de la ranura del émbolo 18, 20 y
22. El segmento de émbolo 14 suele ser de acero o de hierro fundido
dúctil. El émbolo 12 suele ser de una aleación de aluminio.
Separando el émbolo 12 y el segmento 14, de composición no similar,
durante el período crítico de rodaje, la transmisión de calor entre
los mismos se vuelve uniforme en la superficie de separación entre
el segmento 14 y las paredes 18, 20 y 22 de la ranura del émbolo.
Por consiguiente, las dos superficies se adaptan la una a la otra,
sin las elevadas presiones y temperaturas localizadas que se
podrían experimentar si no fuera por la presencia del
PEEK-HT^{TM}.
Es preferible que el
PEEK-HT^{TM} se aplique a la o las superficies del
segmento y no a las paredes 18, 20, 22 de la ranura del émbolo 13.
Es mucho más fácil controlar el grosor y la ubicación del
recubrimiento de PEEK-HT^{TM} cuando el
PEEK-HT^{TM} se deposita sobre el segmento de
émbolo 14 opuesto a las paredes de la ranura del émbolo. Además,
cuando se aplica al émbolo 12, el PEEK-HT^{TM}
puede actuar como barrera térmica, produciéndose en este caso
demasiada resistencia térmica en el émbolo, con la consecuencia de
un posible fallo del émbolo. Además, si el aluminio más blando de la
ranura del émbolo 13 estuviera revestido, el
PEEK-HT^{TM} puede desprenderse, de forma no
deseable, de las paredes 18, 20 y 22 durante el período crítico de
rodaje.
De preferencia, el
PEEK-HT^{TM} se aplica al segmento de émbolo por
inmersión, pulverización, por medio de rodillo, o similar, para
depositar un grosor preciso, deseado de
PEEK-HT^{TM} sobre el segmento de émbolo.
Ulteriormente, el segmento se endurece en un horno, siguiendo las
recomendaciones del fabricante del PEEK-HT^{TM}.
Por ejemplo, el PEEK-HT^{TM} se puede aplicar por
inmersión y después, se endurecen los segmentos durante unos diez
minutos a una temperatura aproximada de 232ºC.
Se realizaron pruebas para determinar la
eficacia de la utilización de PEEK-HT^{TM} sobre
el segmento de émbolo a la hora de reducir la microsoldadura entre
el segmento de émbolo 14 y las paredes de la ranura del émbolo 18,
20 y 22. Los resultados de las pruebas indicaron que la utilización
de PEEK-HT^{TM} producía una clase de
microsoldadura de 2,6 para un segmento de émbolo alabeado,
revestido con PEEK-HT^{TM} comparado con una clase
de microsoldadura de 3,6 para un segmento de émbolo no alabeado, no
recubierto, una clase de microsoldadura de 4,4 para un segmento de
émbolo alabeado, no recubierto y una clase de microsoldadura de 4,8
para un segmento de émbolo alabeado, estañado. Estos resultados
constituyen la verificación inesperada de la considerable reducción
de la clase de microsoldadura, si se compara con un segmento de
émbolo convencional, recubierto o no.
Claims (11)
1. Sistema (10) para reducir la microsoldadura
de un segmento de émbolo (14) con un émbolo (12),
caracterizado por un segmento de émbolo (14) que tiene una
superficie recubierta con una composición de polímero de poli aril
éter cetona.
2. El sistema (10) de la reivindicación 1, donde
el citado segmento de émbolo (14) incluye una superficie que se
acopla a la pared de cilindro (30) y por lo menos una superficie
que se acopla a la ranura del émbolo, donde solamente la superficie
que se acopla a la ranura del émbolo está recubierta con dicha
composición.
3. El sistema (10) de la reivindicación 2, donde
el citado segmento de émbolo (14) comprende una superficie superior
que se extiende radialmente (24) y una superficie inferior que se
extiende radialmente (26), con la particularidad de que la
superficie de dicho segmento de émbolo (14) que se acopla a la
ranura del émbolo incluye la mencionada superficie inferior
(26).
4. El sistema (10) de la reivindicación 1, en el
que el mencionado segmento (14) es de hierro fundido.
5. El sistema (10) de la reivindicación 1, en el
que el mencionado segmento (14) es de acero.
6. Sistema (10) para reducir la microsoldadura
de un segmento de émbolo con un émbolo según la reivindicación 1,
que comprende:
un émbolo (12) adaptado para moverse
alternativamente dentro de la cámara de combustión de un motor,
donde dicho émbolo (12) comprende unas paredes (18, 20) que se
extienden radialmente hacia el interior desde una superficie radial
exterior de dicho émbolo (12), paredes (18, 20) que definen una
ranura circunferencial (13); y un segmento de émbolo (14) dispuesto
dentro de la citada ranura circunferencial (13), segmento (14) que
comprende una superficie (30) que se acopla a la pared del cilindro
y por lo menos una superficie que se acopla a la ranura del émbolo,
donde por lo menos una de las superficies que se acopla a la ranura
del émbolo de dicho segmento (14) y la mencionada ranura
circunferencial (13) del émbolo está recubierta con una composición
de polímero de poli aril éter cetona.
7. El sistema (10) de la reivindicación 6, en el
que el mencionado émbolo (12) es de aluminio.
8. El sistema (10) de la reivindicación 7, en el
que el mencionado segmento (14) es de hierro fundido y de
acero.
9. El sistema (10) de la reivindicación 6, donde
el citado segmento (14) comprende una superficie superior que se
extiende radialmente (24) y una superficie inferior que se extiende
radialmente (26), con la particularidad de que la superficie que se
acopla a la ranura del émbolo incluye la mencionada superficie
radial inferior (26).
10. Utilización de un polímero de poli aril éter
cetona que se aplica a la superficie de un segmento de émbolo
depositando sobre dicha superficie del segmento de émbolo (14) una
composición que comprende dicho polímero de poli aril éter cetona,
y solidificando esta composición exponiendo el segmento de émbolo
(14) a una temperatura elevada durante un período determinado de
tiempo, reduciendo dicho polímero la microsoldadura de dicho
segmento de émbolo con un émbolo.
11. Utilización según la reivindicación 10, en
la que dicha etapa de depósito comprende también el depósito de la
citada composición únicamente en una parte inferior de dicho
segmento de émbolo (14).
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