ES2318244T3 - Revestimiento de segmentos de envolo. - Google Patents

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Thomas J. Smith
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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.
Antecedentes de la invención Ámbito de la invención
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.
Descripción del estado de la técnica
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.
Resumen de la invención
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.
Breve descripción de las figuras
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.
Descripción de la realización preferida
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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