WO2015015283A2 - Anel de pistão e seu processo de fabricação - Google Patents

Anel de pistão e seu processo de fabricação Download PDF

Info

Publication number
WO2015015283A2
WO2015015283A2 PCT/IB2014/001436 IB2014001436W WO2015015283A2 WO 2015015283 A2 WO2015015283 A2 WO 2015015283A2 IB 2014001436 W IB2014001436 W IB 2014001436W WO 2015015283 A2 WO2015015283 A2 WO 2015015283A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ring
face
piston ring
coating layer
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/IB2014/001436
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2015015283A3 (pt
Inventor
Antonio Eduardo Meirelles Tomanik
Daniel Lopez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Metal Leve SA
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle Metal Leve SA
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle Metal Leve SA, Mahle International GmbH filed Critical Mahle Metal Leve SA
Priority to US14/909,296 priority Critical patent/US9995393B2/en
Priority to DE112014003548.3T priority patent/DE112014003548T5/de
Priority to CN201480045448.3A priority patent/CN105452736B/zh
Publication of WO2015015283A2 publication Critical patent/WO2015015283A2/pt
Publication of WO2015015283A3 publication Critical patent/WO2015015283A3/pt
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/12—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/12—Details
    • F16J9/14—Joint-closures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/28—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction of non-metals

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring, particularly designed for use in an internal combustion engine or compressor, having a thermal barrier applied to at least part of the surface area. resulting in a reduction in the ring temperature and, as a corollary, less wear on the ends of the part (tips).
  • the present invention further relates to the process of manufacturing such a piston ring.
  • Piston rings work with heat transfer bridges between the piston and the cylinder liner, from where it will be dissipated through fins or by transfer to water in cooling galleries.
  • Free end wear impairs the performance of the ring with respect to combustion chamber sealing and / or oil film control and forces the development of techniques to maintain it at an acceptable level.
  • the vast majority of solution alternatives to date were stuck to an old paradigm whereby free end wear was treated by applying more elaborate coatings and / or by manipulating the geometric shape of the ring in order to reduce considerably the radial pressure exerted by the free ends of the ring.
  • Japanese Patent Document JP 2008-057671 discloses a piston ring having inner peripheral portions which are formed of a material having a coefficient of thermal expansion lower than that of material forming other portions of the ring. This allows the radia pressure to be harmonized! exerted by the ring in its various portions regardless of the engine operating condition.
  • German patent document DE 0 2007 029992 refers to a piston ring in which the free ends are made of a material whose coefficient of thermal expansion is lower than the rest of the ring, ensuring that the expansion, and hence the radial pressure , will increase less in this region. As a result, free end wear is less than a conventional ring.
  • WO 2008/016010 relates to a piston ring whose applied voltage varies between low temperature and low load conditions and high load and temperature conditions in order to minimize friction losses and increase engine efficiency. (less fuel consumption).
  • the ring is formed of a shape memory titanium-tantalum alloy comprising tantalum in the proportion of not less than 30 mol% and less than 40 mol%, the remainder being titanium and the inevitable impurities.
  • WO 2008/016009 relates to a piston ring whose applied voltage varies between low temperature and low load conditions and high load and temperature conditions in order to minimize friction losses and increase engine efficiency. (less fuel consumption). According to the document, this is achieved by medium of a shape memory alloy comprising 34,7 to 48,5 mole% Nickel, 9 to 22,5 mole% of any of the Zirconium and Hafnium elements and 1 to 30 mole% Niobium, the rest being titanium and the inevitable impurities.
  • WO 2009/069703 relates to a combination of piston ring and cylinder liner that satisfy a plurality of hardness and surface finish conditions such that the linear expansion of the ring follows the linear expansion of the cylinder, ensuring thereby the durability of the assembly.
  • Patent document WO2009 / 069762 relates to a piston ring steel and the piston ring made therewith which guarantees a coefficient of thermal expansion very similar to that presented by an aluminum cylinder liner, allowing the use of such a ring. on aluminum liners with excellent sealing results.
  • the product (ring) comprises (by mass) 0.01% to 1.9% Carbon, 0.01% to 1.9% Silicon and 5.0% to 24.0% Manganese, the remainder being Iron and the inevitable impurities. Additionally, the ring comprises 18.0% or less of Chromium and / or 12.0% or less of Nickel in addition to the above essentials.
  • German patent document DE 10 2007 035502 relates to a piston ring having a wear protective coating formed of a material having a thermal conductivity of at least 180 W / (mK), with at least 5% by volume of the coating layer consists of an aluminum nitride.
  • Japanese patent document JP 4008327 relates to a piston ring comprising an outer metal ring over a resin ring.
  • the resin ring acts to reduce / control the thermal expansion of the ring, keeping it at an acceptable value from engine cold start to high speed operation.
  • Japanese Patent Document JP 2004-340075 relates to a two-piece oil scraper piston ring comprising two expansion rings, each formed of a specific material, a position memory alloy with a given coefficient of thermal expansion specific and different from the other. This allows the control of the thermal expansion percentage for the ane! the various engine operating situations.
  • Japanese Patent Document JP 2003-042294 refers to a piston ring to which a hard carbon coating is applied which, in addition to acting as an abrasion resistant film, has a coefficient of thermal expansion greater than or equal to [15 ⁇ 10 (-6) / ° C]. This results in proper ring behavior with respect to thermal expansion.
  • 201 1/0312860 refers to a coating for the coating of wear components and high operating temperatures, such as gas turbine parts and piston rings. This coating, in addition to acting resisting abrasion, also acts as a thermal barrier to minimize loss of efficiency in high temperature operating situations.
  • the coating disclosed in US 201 1/0312860 comprises a hard ceramic phase, an adhesive metal phase and a lubricating phase comprising a multi-component oxide.
  • a hard ceramic phase an adhesive metal phase
  • a lubricating phase comprising a multi-component oxide.
  • the present invention also relates to a piston ring manufacturing process objectified above.
  • a piston ring for use on the piston of an internal combustion engine or compressor having a substantially annular shape defining an inner face facing the channel, an upper face facing the chamber. combustion and substantially orthogonal to the inner face and one face substantially opposite to the second face, where a thermally insulating coating layer is provided on at least part of the surface of the upper or lower inner face.
  • a process of manufacturing a piston ring as defined in the previous paragraph comprising the step of applying a thermally insulating coating layer on at least part of the upper inner face surface. or bottom of the ring.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a state-of-the-art piston ring in the region of one of its free ends.
  • Figure 2 is a schematic perspective view of a possible embodiment of the piston ring object of the present invention in the region of one of its free ends.
  • Figure 3 is a photograph of a state-of-the-art piston ring in a thermal gradient application test and its influence on changing ring geometry at a temperature of 0 ° C.
  • Figure 4 is a photograph of a state-of-the-art piston ring in a thermal gradient application test and its influence on changing ring geometry at a temperature of 80 ° C.
  • Figure 6 is a graph illustrating the influence of the radial temperature gradient on the ring contact pressure over its entire perimeter.
  • Figure 7 is a schematic view of the bending moment applied to the free end of a piston ring due to the temperature gradient.
  • Figure 8 is a schematic view of the pressure exerted on the outer surface of the ring at a temperature gradient of 0 ° C.
  • Figure 9 is a schematic view of the pressure exerted on the outer surface of the ring at a temperature gradient of 20 ° C.
  • Figure 10 is a schematic view of the pressure exerted on the outer surface of the ring at a temperature gradient of 30 ° C.
  • Figure 11 is a schematic perspective view of the piston ring object of the present invention.
  • Figure 6 illustrates a graph that corresponds to the simulation of the influence of the temperature gradient on the radial contact pressure value of a piston ring along its perimeter.
  • measure 0 o is considered to be the free end of the ring (i / p) and it is clearly visible that in the region of the aperture (0 o ) the value of the contact force is zero when the thermal gradient is 0 ° C and increases considerably when the gradient becomes 20 ° C, 30 ° C or when the 40 ° C gradient is maintained.
  • figures 8 to 10 illustrate the values of the graph of figure 6 on the ring body for each thermal gradient. Analyzing the figures compared sees clearly increased pressure on the outer surface of the ring in the open position (the 0) insofar as it increases the thermal gradient.
  • the piston ring 1 object of the present invention which is intended for use on a piston ring of an internal combustion engine or compressor (not shown), and considered the position illustrated in figure 2, comprises an inner face 2, facing the channel, an upper face 3 substantially facing the combustion chamber and substantially orthogonal to the inner face 2 and a lower face 4 substantially opposite the upper face 3.
  • ring 1 is a compression ring (or first channel ring) and further comprises an outer face 5 substantially opposite to the inner face 2 and facing the cylinder liner.
  • the outer face 5 receives, in the vast majority of applications, an abrasion-resistant protective coating as it will rub against the jacket for millions of cycles.
  • ring 1 may assume other configurations, such as a second channel ring, a piston compressor ring or any other.
  • each free end defines the aforementioned extreme transverse face S which essentially corresponds to the cross-sectional profile of the part.
  • a thermally insulating coating layer P is provided.
  • a thermally insulating coating layer P is provided on at least a portion of the surface of the inner and / or upper and / or lower surfaces 2, 3, 4.
  • a thermally insulating coating layer P is provided on at least one extreme transverse face S.
  • the main feature of the P layer is that it is thermally insulating in order to prevent the heat from the combustion gases as a result of the explosion of the fuel-fuel mixture causing a high thermal gradient to the ring to the point where an increase in pressure exerted on the outer surface of the ring in the open position of such a mount that causes more accelerated wear of that portion of the ring.
  • the coating layer P is composed of a material commonly known as YSZ, or yttrium stabilized zirconia.
  • YSZ is a zirconium oxide-based ceramic material that performs well in this application, in which the crystalline structure of zirconium oxide (Zr02, known as zirconia) is kept stable at room temperature by the addition of yttrium oxide (Y2O3, known as as yttria).
  • Coating layer P may be applied to part (or all) of inner face 2 to prevent heat transfer from flue gases, upper face part 3 for the same purpose and lower face part 4, in the event that the piston groove has a temperature higher than that of the ring.
  • the application of the coating layer P to the inner 2 and / or upper 3 and / or lower 4 and / or extreme transverse faces S reflects the heat present therein preventing it from being absorbed by the ring body, which is especially important in the regions adjacent to the ends. ring tips. As a result, there is a lower thermal gradient and therefore no undesirable increase in pressure exerted on the outer surface of the ring in the open position.
  • the coating layer P may be applied to the underside 4 in situations where the piston groove has a higher temperature than the ring and, therefore, thermal insulation is interesting for reducing the temperature gradient in the ring.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

A presente invenção refere-se a um anel de pistão, para uso no pistão de um motor de combustão interna ou compressor, apresentando um formato substancialmente anelar definindo urna face interna (2), voltada para o canalete, uma face superior (3) voltada para a câmara de combustão e substancialmente ortogonal à face superior (2) e uma face inferior (4) substancialmente oposta à segunda face (3), onde uma camada de revestimento termicamente isolante (P) é provida em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior (2,3,4).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE PISTÃO E SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO".
A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particularmente idealizado para utilização em um motor de combustão interna ou compressor, dotado de uma barreira térmica aplicada a pelo menos parte da área -superficia! do anel, acarretando uma redução na temperatura do anel e, como corolário, um menor desgaste nas extremidades da peça (tips).
A presente invenção refere-se ainda ao processo de fabricação desse anel de pistão.
Descrição do estado da técnica
Os anéis de pistão funcionam com pontes de transmissão de calor entre o pistão e a camisa do cilindro, de onde ele será dissipado através de aletas ou da transferência para água existente em galerias de refrigeração.
O calor, advindo da explosão da mistura ar-combustível, faz com que o anel de pistão se expanda. Uma vez que o anel funciona como uma "ponte" condutora de calor entre o pistão e o bloco, o calor (e por consequência, a temperatura) é maior na porção interna do anel, de forma que ela se dilata mais do que a porção externa. Essa diferença de expansão é tão maior quanto maior for o gradiente térmico. A diferente expansão ao longo da linha radial do anel faz com que a pressão radial exercida por suas extremidades livres {tips) de encontro à parede do cilindro aumente sobremaneira, aumentando indesejavelmente a velocidade do desgaste do anel nesse local.
O desgaste das extremidades livre prejudica o desempenho do anel no tocante à vedação da câmara de combustão e/ou controle do filme de óleo e obriga ao desenvolvimento de técnicas que o mantenham em um nível aceitável. Nesse sentido, contrariamente à presente invenção, a imensa maioria das alternativas de solução até o presente momento estava pre- sa a um paradigma antigo, segundo o qual o desgaste nas extremidades livres era tratado pela aplicação de revestimentos mais elaborados e/ou pela manipulação do formato geométrico do anel, de maneira a reduzir conside- ravelmente a pressão radial exercida pelas extremidades livres do anel.
O documento de patente japonês JP 2008-057671 revela um anel de pistão dotado de porções periféricas internas que são formadas por um material que apresenta coeficiente de expansão térmica inferior ao do material que forma outras porções do anel. Assim, consegue-se harmonizar a pressão radia! exercida pelo anel em suas diversas porções independentemente da condição de funcionamento do motor.
O documento de patente alemão DE 0 2007 029992 refere-se a um anel de pistão no qual as extremidades livres são constituídas em um material cujo coeficiente de expansão térmico é inferior ao do restante do anel, garantindo que a expansão, e portanto a pressão radial, aumentará menos nessa região. Como resultado disso, o desgaste nas extremidades livres é menor em relação a um anel convencional.
O documento de patente japonês JP 2008-069884 refere-se a um anel de pistão combinado para controle de filme de óleo que consegue garantir bom desempenho sob qualquer temperatura de operação. Para tanto, o anel compreende um elemento de refrigeração C posicionado no interior do elemento expansor, o qual absorve calor e com isso consegue limitar a deformação radial do anel resultante, notadamente nas extremidades livres.
O documento de patente WO 2008/016010 refere-se a um anel de pistão cuja tensão aplicada varia entre condições de baixa temperatura e baixa carga e condições de alta carga e temperatura de forma a conseguir minimizar as perdas por fricção e aumentar a eficiência do motor (menos consumo de combustível). Para tanto, o anel é formado por uma liga de titâ- nio-tântalo com memória de forma compreendendo tântalo na proporção de não menos de 30% em mol e menos do que 40% em mol, o restante sendo titânio e as inevitáveis impurezas.
O documento de patente WO 2008/016009 refere-se a um anel de pistão cuja tensão aplicada varia entre condições de baixa temperatura e baixa carga e condições de alta carga e temperatura de forma a conseguir minimizar as perdas por fricção e aumentar a eficiência do motor (menos consumo de combustível). Segundo o documento, isso é conseguido por meio de uma liga com memória de forma compreendendo 34,7 a 48,5% em mol de Níquel, 9 a 22,5% em mol de qualquer um dentre os elementos Zirconio e Háfnio e de 1 a 30% em mol de Nióbio, o restante sendo titânio e as inevitáveis impurezas.
O documento de patente WO 2009/069703 refere-se a uma combinação de anel de pistão e camisa d@ cilindro que satisfazem uma pluralidade de condições de dureza e acabamento superficial de forma que a expansão linear do anel acompanhe a expansão linear do cilindro, garantindo com isso a durabilidade do conjunto.
O documento de patente WO2009/069762 refere a um aço para produção de anéis de pistão e ao anel de pistão com ele fabricado, que garante um coeficiente de expansão térmica muito similar àquele apresentado por uma camisa de cilindro de alumínio, permitindo a utilização desse anel em camisas de alumínio com excelentes resultados quanto à vedação. O produto (anel) compreende (em massa) 0,01 % a 1 ,9% de Carbono, 0,01% a 1 ,9% de Silício e 5,0% a 24,0% de Manganês, o restante sendo ferro e as inevitáveis impurezas. Adicionalmente, o anel compreende 18,0% ou menos de Cromo e/ou 12,0% ou menos de Níquel em adição aos elementos essenciais acima. Adicionalmente, o produto pode conter 1% ou menos de Alumí- nio e/ou 0,3% ou menos de Nitrogénio, bem como um ou mais dos elementos entre Nióbio, Titânio, Zircônio, Molibdênio e Cobre em um percentual de até 4,0%.
O documento de patente alemão DE 10 2007 035502 refere-se a um anel de pistão que possui um revestimento protetivo de desgaste for- mado com um material que apresenta condutividade térmica de pelo menos 180 W/(m.K), sendo que pelo menos 5% em volume da camada de revestimento consiste em um nitreto de alumínio.
O documento de patente japonês JP 4008327 refere-se a um anel de pistão que compreende um anel metálico externo que encima um anel de resina. O anel de resina atua no intuito de reduzir/controlar a expansão térmica do anel, mantendo-a em um valor aceitável desde a partida a frio do motor até sua operação em alta rotação. O documento de patente japonês JP 2004-340075 refere-se a um anel de pistão do tipo raspador de óleo em duas peças, que compreende dois anéis de expansão, cada qual formado por um material específico, uma liga com memória de posição com um dado coeficiente de expansão térmica específico e diferente da outra. Com isso, consegue-se o controle do percentual de expansão térmica para o ane! nas diversas situações de funcionamento do motor.
O documento de patente japonês JP 2003-042294 refere-se a um anel de pistão ao qual é aplicado um revestimento de carbono duro que, além de funcionar como filme resistente a abrasão, apresenta um coeficiente de expansão térmico maior ou igual a [15χ 10(-6) / °C]. Com isso, obtém- se um comportamento adequado do anel no tocante à expansão térmica.
O documento de patente japonês JP 2004-156472 compreende um anel de óleo de três peças dotado de um espaçador que é composto por dois membros soldados entre si, onde o segundo membro é constituído por um material que apresenta um coeficiente de expansão térmico superior ao do material que constitui o primeiro membro. Com isso, o anel resultante apresenta boa performance nas diversas situações de funcionamento do motor.
Por fim, o documento de patente norte-americano US
201 1/0312860 refere-se a um revestimento para o recobrimento de componentes sujeitos a desgaste e altas temperaturas de operação, como peças de turbinas a gás e anéis de pistão. Esse revestimento, além de atuar resistindo à abrasão de funcionamento, também tem atuação como uma barreira térmica para minimizar a perda de eficiência em situações de funcionamento a altas temperaturas.
Descrevendo de maneira genérica, o revestimento revelado em US 201 1/0312860 compreende uma fase cerâmica dura, uma fase metálica com função adesiva e uma fase lubrificante compreendendo um óxido multi- componente. Não há, entretanto, nenhuma discussão no relatório descritivo deste documento acerca das propriedades do revestimento quanto à redução de expansão térmica que venha a proporcionar no componente mecâni- co ao qual foi aplicado.
Como se vê, todos os documentos de técnica anterior acima, que são muito representativos do estado da técnica dos anéis de pistão de motores de combustão interna, estão presos a um paradigma anterior no qual se altera o material da peça para que os valores de expansão térmica estejam dentro de parâmetros desejados, sem que nenhum deles discuta, com clareza, a utilização de um revestimento térmico que atue, em maior ou menor grau como barreira térmica.
Não havia sido desenvolvido até o presente momento um anel de pistão que, por meio da aplicação de um revestimento térmico adicional (em adição ao revestimento contra desgaste existente nesse tipo de componente), em locais onde há transferência de calor dos gases ou das regiões mais quentes do pistão para o anel (como por exemplo nas faces de contato do anel com o pistão), para que se consiga reduzir a expansão radial do anel e principalmente da região das pontas, aumentando a vida útil do anel minimizando a necessidade da aplicação de revestimentos específicos, mas resistentes ao desgaste, na face de contato com o cilindro.
Objetivos da invenção
A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, particu- larmente idealizado para utilização em um motor de combustão interna ou compressor, dotado de uma barreira térmica aplicada a pelo menos parte das faces interna e/ou superior e/ou ou inferior de uma das extremidades laterais próximas à abertura do anel (tips), acarretando uma redução na temperatura do anel e, como corolário, um menor desgaste naquela região.
A presente invenção tem por objetivo também um processo de fabricação do anel de pistão objetivado acima.
Breve descrição da invenção
Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão, para uso no pistão de um motor de combustão interna ou com- pressor, apresentando um formato substancialmente anelar definindo uma face interna, voltada para o canalete, uma face superior voltada para a câmara de combustão e substancialmente ortogonal à face interna e uma face inferior substancialmente oposta à segunda face, onde uma camada de revestimento termicamente isolante é provida em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior.
Ainda, os objetivos da presente invenção são alcançados por um processo de fabricação de um anel de pistão tal como definido no parágrafo antsncr, que compreende a etapa de aplicação de urna camada de revestimento termicamente isolante em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior do anel.
Descrição resumida dos desenhos
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exempio de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:
Figura 1 - é uma vista esquemática em perspectiva de um anel de pistão pertencente ao estado da técnica, na região de uma de suas ex- tremidades livres.
Figura 2 - é uma vista esquemática em perspectiva de uma concretização possível do anel de pistão objeto da presente invenção, na região de uma de suas extremidades livres.
Figura 3 - é uma fotografia de um anel de pistão pertencente ao estado da técnica em um teste de aplicação de um gradiente térmico e sua influência na alteração da geometria do anel, em uma temperatura de 0°C.
Figura 4 - é uma fotografia de um anel de pistão pertencente ao estado da técnica em um teste de aplicação de um gradiente térmico e sua influência na alteração da geometria do anel, em uma temperatura de 80°C.
Figura 5 - é um gráfico que ilustra os valores obtidos no teste de aplicação de um gradiente térmico relativo às figuras 3 e 4 e sua influência na alteração da geometria do anel, e portanto na vedação à luz nas pontas (tips) considerando um anel pertencente ao estado da técnica.
Figura 6 - é um gráfico que ilustra a influência do gradiente de temperatura radial na pressão de contato do anel, em todo o seu perímetro.
Figura 7 - é uma vista esquemática do momento fletor aplicado à extremidade livre de um anel de pistão devido ao gradiente de temperatura. Figura 8 - é uma vista esquemática da pressão exercida na superfície externa do anel para um gradiente de temperatura de 0°C.
Figura 9 - é uma vista esquemática da pressão exercida na superfície externa do anel para um gradiente de temperatura de 20°C.
Figura 10 - é uma vista esquemática da pressão exercida na superfície externa do anel para um gradiente de temperatura de 30°C.
Figura 1 1 - é uma vista esquemática em perspectiva do anel de pistão objeto da presente invenção.
Descrição detalhada das figuras
É conhecido por aqueles técnicos no assunto que a expansão térmica de um anel de pistão, inevitável quando o motor de combustão interna com ele equipado está em funcionamento, altera para mais o valor da pressão radial exercida em suas extremidades livres.
Se um dado valor máximo (um dado parâmetro de projeto) é atingido ou ultrapassado, esse aumento excessivo no valor de pressão radial pode desgastar prematuramente a camada de revestimento nas extremidades livres do anel, reduzindo sua eficiência no tocante aos valores de compressão e/ou manutenção do filme de óleo naquela porção da parede do cilindro.
Tal fenómeno ocorre porque os anéis de pistão funcionam com pontes de transmissão de calor entre o pistão e a camisa do cilindro, de onde ele será dissipado através de aletas ou da transferência para água existente em galerias e, por conta disso, o calor (e por consequência, a temperatura) é maior na porção interna do anel, de forma que ela se dilata mais do que a porção externa. O calor faz com que o anel de pistão se expanda, sendo que essa expansão é tão maior quanto maior for o gradiente de calor. A expansão do anel faz com que a pressão radial exercida por suas extremidades livres (tips) de encontro à parede do cilindro aumente sobremaneira, aumentando indesejavelmente a velocidade do desgaste do anel nesse local.
O desgaste das extremidades livres prejudica o desempenho do anel no tocante à vedação da câmara de combustão e/ou controle do filme de óleo e obriga ao desenvolvimento de técnicas que o mantenham em um nível aceitável. Nesse sentido, contrariamente à presente invenção, a imensa maioria das alternativas de solução estava presa a um paradigma antigo, no qual o material da peça era alterado para que os valores de expansão térmica ficassem dentro de parâmetros desejados.
Esse problema é indireíarnente demonstrado a partir da realização de um teste segundo a norma SAE 831283, onde um anel qualquer, no qual não há contato na região das pontas (ou seja, criando uma abertura de luz - tips radial clearance), é submetido a diferentes gradientes térmicos. Quanto maior o gradiente térmico, menor é o espaçamento (clearance), o que pode ser visto pela análise comparativa das figuras 3 e 4.
O gráfico ilustrado na figura 5 mostra, no ensaio, a redução considerável da abertura de luz na medida em que o gradiente de temperatura aumenta.
A figura 6 ilustra um gráfico que corresponde à simulação de influência do gradiente de temperatura no valor de pressão de contato radial de um anel de pistão ao longo de seu perímetro. Nesse gráfico, considera- se a medida 0o a extremidade livre do anel (í/p) e é claramente visível que na região da abertura (0o) o valor da força de contato é zero quando o gra- diente térmico é de 0°C e aumenta consideravelmente quando o gradiente passa a ser de 20°C, 30°C ou quando se mantém o gradiente de 40°C.
Nessa esteira, as figuras 8 a 10 ilustram os valores do gráfico da figura 6 no corpo do anel, para cada gradiente térmico. Analisando as figuras comparativamente vê-se claramente o aumento da pressão exercida na superfície externa do anel na posição de abertura A (0o) na medida em que aumenta o gradiente térmico.
Tendo essa realidade fática e inexorável, a depositante buscou um novo paradigma de estudo e desenvolvimento para enfrentar esse problema. Ao invés de alterar o revestimento na região das pontas ou de alterar o material base ao longo do corpo do anel com vistas a reduzir a pressão na área das pontas, a depositante desenvolveu uma solução completamente nova, inovadora e eficiente, descrita a seguir. Em essência, o anel de pistão 1 objeto da presente invenção, que é idealizado para uso em um canalete de um pistão de um motor de combustão interna ou compressor (não ilustrado), e considerada a posição ilustrada na figura 2, compreende uma face interna 2, voltada para o canale- te, uma face superior 3 substancialmente voltada para a câmara de combustão e substancialmente ortogonal à interna face 2 e uma face inferior 4 substancialmente oposta à face superior 3.
Ainda no tocante à sua descrição geométrica, o anel 1 apresenta um formato substancialmente anelar e define uma abertura A que deter- mina duas extremidades livres, cada qual definindo uma respectiva face transversal extrema S, tal e qual ilustrado na figura 1 1 .
De modo preferível, o anel 1 é um anel de compressão (ou anel de primeiro canalete) e compreende ainda uma face externa 5, substancialmente oposta à face interna 2 e voltada para a camisa de cilindro. A face externa 5 recebe, na imensa maioria das aplicações, um revestimento prote- tivo resistente à abrasão haja vista que atritará de encontro à camisa por milhões de ciclos.
Evidentemente, o anel 1 pode assumir outras configurações, como a de um anel de segundo canalete, um anel de compressor a pistão ou ainda qualquer outra..
Na região da abertura do anel A, cada uma das extremidades livre define a aludida face transversal extrema S que corresponde, em essência, ao perfil da secção transversal da peça.
Qualquer que seja sua constituição específica, e qualquer que seja o material base utilizado em sua confecção, é uma característica essencial do anel 1 objeto da presente o fato de que a pelo menos parte da superfície nas regiões adjacentes às suas extremidades livres (tips) é provida uma camada de revestimento termicamente isolante P. Descrevendo mais pormenorizadamente, uma camada de revestimento termicamente iso- lante P é provida em pelo menos uma parte da superfície da faces interna e/ou superior e/ou ou inferior 2, 3, 4.
Ademais, qualquer que seja sua constituição específica, e qual- quer que seja o material base utilizado em sua confecção, é uma característica opcional do anel 1 objeto da presente invenção o fato de que uma camada de revestimento termicamente isolante P é provida em pelo menos uma face transversal extrema S.
Diversas variantes configurativas não limitantes podem existir, apresentando a camada de revestimento termicamente isolante P provida somente em pelo menos uma parte da superfície da face interna 2, em pelo menos uma parte da superfície da face interna 2 e pelo menos uma parte da superfície da faces superior 3, somente em pelo menos uma face transver- sal extrema S, e outras possíveis combinações dessas três possibilidades.
A camada de revestimento P tem como característica precípua o fato de ser termicamente isolante, a fim de evitar que o calor proveniente dos gases de combustão como resultado da explosão da mistura ar- combustível ocasione um gradiente térmico elevado ao anel a ponto de ha- ver um aumento da pressão exercida na superfície externa do anel na posição de abertura de tal monta que ocasione o desgaste mais acelerado dessa porção do anel.
De modo preferível mas não limitante, a camada de revestimento P é composta por um material comumente conhecido por YSZ, ou zircô- nia estabilizada com ítrio. O YSZ é um material cerâmico baseado em óxido de zircônio que apresenta bom desempenho nesta aplicação, no qual a estrutura cristalina de óxido de zircônio (Zr02, conhecido como zircônia) é mantido estável à temperatura ambiente pela adição de óxido de ítrio (Y2O3, conhecido como ítria).
De forma alternativa mas não limitante, pode-se utilizar outros materiais cerâmicos quaisquer que sejam necessários ou desejáveis, como zircônia estabilizada com Cálcio, Magnésio, Cério, Háfnio ou Alumínio. Ainda de forma alternativa, pode-se utilizar a zircônia parcialmente estabilizada, conhecida pelos técnicos no assunto como PSZ (partially stabilized zircônia) ou até mesmo outros tipos de material, poliméricos ou não, sendo que todos estão incluídos no escopo de proteção das reivindicações apensas.
A camada de revestimento P, qualquer que seja sua composi- ção específica, pode ser aplicada por qualquer processo, como por exemplo um processo de aplicação de revestimento qualquer, na forma de tinta/pintura ou qualquer outra.
A camada de revestimento P pode ser aplicada a parte da (ou a toda a) face interior 2, para evitar a transferência de calor oriunda dos gases de combustão, a parte da face superior 3, com o mesmo propósito e a parte da face inferior 4, na situação de o canalete do pistão apresentar uma temperatura maior do que a do anel.
A aplicação da camada de revestimento P nas faces interior 2 e/ou superior 3 e/ou inferior 4 e/ou transversais extremas S reflete o calor ali presente evitando que seja absorvido pelo corpo do anel, o que especialmente importante nas regiões adjacentes às extremidades livres (tips) do anel. Com isso, há um menor gradiente térmico e, por consequência, não ocorre um aumento indesejável da pressão exercida na superfície externa do anel na posição de abertura.
A aplicação da camada de revestimento P na face interna 2, quando efetuada, se dá com o intuito de reduzir a transferência de calor dos gases quentes resultantes da mistura ar-combustível para o anel de pistão. O mesmo objetivo é atingido quando se aplica uma camada de revestimento P a face superior 3, que é voltada para a câmara de combustão e portanto fica diretamente em contato, ao menos parcialmente, com os aludidos gases quentes.
Por fim, a camada de revestimento P pode ser aplicado na face inferior 4 nas situações em que o canalete do pistão apresenta temperatura superior a do anel e, portanto, um isolamento térmico é interessante para a redução do gradiente de temperatura no anel.
Com o desenvolvimento do anel de pistão 1 objeto da presente invenção, não ocorre apenas uma redução no fenómeno de spalling, mas também uma redução de scuffing, devido à redução de temperatura do anel, colaborando também para que se reduza o desgaste do canalete do pistão. Ademais, ocorre a redução do desgaste na parede do cilindro e a redução da temperatura de trabalho do óleo lubrificante, diminuindo a velocidade de sua degradação.
É ainda uma invenção nova e dotada de atividade inventiva um processo de fabricação do presente anel de pistão 1 , que compreende a etapa de aplicação da camada de revestimento termicamente isolante P em pelo menos uma parte da superfície das faces interna e/ou superior e/ou inferior 2, 3, 4 do anel.
De maneira preferencial, ou possível, o processo compreende ainda uma etapa de aplicação da camada de revestimento termicamente isolante P em pelo menos uma parte da superfície de uma das faces trans- versais extremas S.
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 apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Anel de pistão, para uso no pistão de um motor de combustão interna ou compressor, apresentando um formato substancialmente anelar definindo uma face interna (2), voltada para o canalete, uma face superior (3) voltada para a câmara de combustão e substancialmente ortogonal à facs interna (2) e uma face inferior (4) substancialmente oposta à segunda face (3), o anel sendo caracterizado pelo fato de que uma camada de revestimento termicamente isolante (P) é provida em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior (2,3,4).
2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que define uma abertura (A) que determina duas extremidades livres, cada qual definindo uma respectiva face transversal extrema (S), a camada de revestimento termicamente isolante (P) sendo provida em pelo menos parte da superfície de uma das faces transversais extremas (S).
3. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento termicamente isolante (P) é um revestimento cerâmico.
4. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento termicamente isolante (P) é um revestimento cerâmico composto por uma zircônia estabilizada.
5. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento termicamente isolante (P) é um revestimento cerâmico de YSZ.
6. Processo de fabricação de um anel de pistão tal como defini- do nas reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de aplicação de uma camada de revestimento termicamente isolante (P) em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior (2,3,4) do anel.
7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa adicional de aplicação de uma camada de revestimento termicamente isolante (P) em pelo menos parte da superfície de uma das faces transversais extremas (S) do anel.
PCT/IB2014/001436 2013-08-01 2014-07-31 Anel de pistão e seu processo de fabricação Ceased WO2015015283A2 (pt)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/909,296 US9995393B2 (en) 2013-08-01 2014-07-31 Piston ring and method for manufacturing same
DE112014003548.3T DE112014003548T5 (de) 2013-08-01 2014-07-31 Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung
CN201480045448.3A CN105452736B (zh) 2013-08-01 2014-07-31 活塞圈和用于制造活塞圈的方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BRBR1020130196860 2013-08-01
BR102013019686-0A BR102013019686B1 (pt) 2013-08-01 2013-08-01 anel de pistão e seu processo de fabricação

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2015015283A2 true WO2015015283A2 (pt) 2015-02-05
WO2015015283A3 WO2015015283A3 (pt) 2015-04-30

Family

ID=51794906

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/IB2014/001436 Ceased WO2015015283A2 (pt) 2013-08-01 2014-07-31 Anel de pistão e seu processo de fabricação

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9995393B2 (pt)
CN (1) CN105452736B (pt)
BR (1) BR102013019686B1 (pt)
DE (1) DE112014003548T5 (pt)
WO (1) WO2015015283A2 (pt)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR102014026128B8 (pt) * 2014-10-20 2021-08-17 Mahle Int Gmbh anel de pistão e motor a combustão interna
US12523163B2 (en) 2023-08-15 2026-01-13 Ge Infrastructure Technology Llc Thermal protection methods using barrier coatings with strain tolerance grooves

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3794334A (en) * 1970-05-11 1974-02-26 Ramsey Corp Piston ring facings
US3697091A (en) * 1970-05-11 1972-10-10 Ramsey Corp Piston ring facings
JPS57196766A (en) * 1981-05-27 1982-12-02 Tokyo Shibaura Electric Co Engine parts
GB8400750D0 (en) * 1984-01-12 1984-02-15 Ae Plc Piston
GB8704325D0 (en) 1987-02-24 1987-04-01 Ae Plc Piston & ring
DE4203869C2 (de) 1992-02-11 1994-06-16 Daimler Benz Ag Hochbelastbare, beschichtete Bauteile aus einem Werkstoff, der aus der intermetallischen Phase Titan-Aluminid besteht
DE69313972T2 (de) 1992-10-30 1998-03-26 Corning Inc Mikrolaminierte Verbundstoffe und Verfahren zu deren Herstellung
EP0645463B1 (en) 1993-09-17 1997-12-29 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha TiAl-based intermetallic compound piston ring and process for treating the surfaces thereof
DE4417936C1 (de) 1994-05-21 1995-12-07 Max Planck Inst Eisenforschung Nickel-Aluminium-Legierung
DE4447130A1 (de) 1994-12-29 1996-07-04 Nils Claussen Herstellung eines aluminidhaltigen keramischen Formkörpers
SE521471C2 (sv) * 2001-03-27 2003-11-04 Koncentra Holding Ab Kolvring och beläggning på en kolvring innefattande ett kompositmaterial av en keram och en intermetallisk förening
JP2003042294A (ja) 2001-07-31 2003-02-13 Nippon Piston Ring Co Ltd ピストンリング
JP4008327B2 (ja) 2002-09-26 2007-11-14 帝国ピストンリング株式会社 組合せピストンリング
JP4323773B2 (ja) 2002-11-05 2009-09-02 トヨタ自動車株式会社 ピストン装置
JP2004340075A (ja) 2003-05-16 2004-12-02 Toyota Motor Corp オイルリング
US20050016489A1 (en) * 2003-07-23 2005-01-27 Endicott Mark Thomas Method of producing coated engine components
DE102004056519B4 (de) * 2004-11-24 2017-07-13 Mahle Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor
CN1776019A (zh) * 2005-11-18 2006-05-24 邹志尚 于引擎活塞环的表面运用的硬质复合纳米陶瓷薄膜的镀层
JP2008031545A (ja) 2006-07-31 2008-02-14 Shuichi Miyazaki ピストンリング
JP2008032183A (ja) 2006-07-31 2008-02-14 Shuichi Miyazaki ピストンリング
JP2008057671A (ja) * 2006-08-31 2008-03-13 Toyota Motor Corp ピストンリング
JP4724080B2 (ja) 2006-09-14 2011-07-13 トヨタ自動車株式会社 組合せオイルリング
DE102007029992A1 (de) * 2007-06-28 2009-01-08 Mahle International Gmbh Kolbenring
DE102007035502A1 (de) 2007-07-28 2009-02-05 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring
US20100319647A1 (en) 2007-11-30 2010-12-23 Nippon Piston Ring Co., Ltd. Combination structure of piston ring and cylinder liner for internal combustion engine
DE112008003230T5 (de) 2007-11-30 2010-10-07 Nippon Piston Ring Co., Ltd. Stahlprodukte für Kolbenringe und Kolbenringe
WO2010123761A2 (en) * 2009-04-20 2010-10-28 Borgwarner Inc. Insulating spacer for ball bearing cartridge
CN201439816U (zh) * 2009-07-18 2010-04-21 安庆帝伯格茨活塞环有限公司 一种带有氮化层和铬-陶瓷复合镀涂层活塞环
CN101644206A (zh) * 2009-07-21 2010-02-10 南京飞燕活塞环股份有限公司 一种内燃机活塞环
BRPI0905186A2 (pt) * 2009-12-21 2011-08-09 Mahle Metal Leve Sa anel de pistão
US20110312860A1 (en) 2010-06-17 2011-12-22 General Electric Company Wear-resistant and low-friction coatings and articles coated therewith
CN202417732U (zh) * 2012-01-05 2012-09-05 仪征双环活塞环有限公司 具有不粘涂层的活塞环
CN202883145U (zh) * 2012-10-24 2013-04-17 仪征双环活塞环有限公司 内燃机耐磨活塞环

Also Published As

Publication number Publication date
CN105452736B (zh) 2018-02-23
BR102013019686A2 (pt) 2015-09-22
CN105452736A (zh) 2016-03-30
DE112014003548T5 (de) 2016-05-04
US20160169387A1 (en) 2016-06-16
US9995393B2 (en) 2018-06-12
WO2015015283A3 (pt) 2015-04-30
BR102013019686B1 (pt) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106837585B (zh) 气缸体
EP1418366A1 (en) Fluid cooled diaphragm
US9835171B2 (en) Vane carrier assembly
BR102013019686A2 (pt) anel de pistão e seu processo de fabricação
KR101893774B1 (ko) 복합재 코팅을 갖는 피스톤 링
BRPI1003187A2 (pt) anel de controle de óleo de corpo ferroso para motores de combustão interna
JPS6350683A (ja) ガス流体の圧縮に用いる往復動機械用のピストンおよび該ピストンを備えた機械
WO2010124353A1 (pt) Anel de controle de óleo de corpo ferroso com altura menor que 2.0 milímetros para motores de combustão interna
JP3792413B2 (ja) ピストンリング
JP2003254157A (ja) ピストンリング
US8991353B2 (en) Valve system
JP6991223B2 (ja) 銅－ニッケル－スズ合金のピストン圧縮リング
US20120263403A1 (en) Sliding bearing structure for a shaft member
WO2014066965A1 (pt) Anel de controle de óleo em peça única
KR20190104337A (ko) 구리 합금의 피스톤 압축 링
CN110905678B (zh) 用于内燃发动机的发动机缸体
KR20190099451A (ko) 구리-베릴륨 합금의 피스톤 압축 링
US11933204B2 (en) Systems and methods for thermal barrier coatings to modify engine component thermal characteristics
US1561030A (en) Piston
JP4853469B2 (ja) 内燃機関用ピストン及び内燃機関
RU2582538C1 (ru) Поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания
WO2014094096A1 (pt) Pistão de motor de combustão interna
US1998277A (en) Trunk piston
BR102012019166A2 (pt) Anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna.
JPH05195871A (ja) 内燃機関のシリンダ構造

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201480045448.3

Country of ref document: CN

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14909296

Country of ref document: US

Ref document number: 112014003548

Country of ref document: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14789353

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14789353

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2