ANÉIS DE PISTÃO DE BAIXO ATRITO

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1 ANÉIS DE PISTÃO DE BAIXO ATRITO André Ferrarese MAHLE Metal Leve SA. RESUMO A redução de consumo de combustível e consequentemente a redução de emissões de gases CO 2, tem norteado os desenvolvimentos de tecnologia em anéis de pistão. Seguindo esse foco, a MAHLE Metal Leve SA através de seu Centro Tecnológico no Brasil, desenvolveu um conjunto de tecnologias para anéis de pistão capazes de reduzir o atrito destes com o cilindro do motor e por resultado são capazes de reduzir o consumo de combustível e as emissões de CO 2 do motor. Esse trabalho apresenta as principais linhas de desenvolvimento que levaram à composição do pacote de anéis de baixo atrito, assim como os resultados experimentais que o embasam. Basicamente foram realizadas avaliações em bancada tribológica e sequencialmente em sistema de medição precisa de atrito, dispositivo de Camisa Flutuante (Floating Liner). Com essas avaliações foi possível disponibilizar um pacote de anéis capaz de reduzir o atrito em cerca de 28% em regimes de carga parcial, o que corresponde a reduções de cerca de 1% de consumo de combustível. APLICABILIDADE Motores de tecnologia Otto em geral. OBJETIVO Desenvolvimento de anéis de pistão para motores de tecnologia Otto de baixo atrito e adequado desempenho de raspagem e vedação. 1. Participação dos anéis nas perdas mecânicas do motor As perdas mecânicas em um motor a combustão interna representam 1% de toda a energia do combustível consumido. Essa quantidade corresponde cerca de 25% da potência específica a plena carga, e é maior em cargas parciais. Em vazio ou marcha lenta, 1% da potência indicada é consumida pelo atrito. O pistão e os anéis de pistão são as peças de maior contribuição para as perdas mecânicas, mas sua contribuição varia relativamente com o tipo de motor e a condição de

2 carregamento. A Fig. 1 mostra a distribuição de energia em um motor 2.L Otto em plena carga a 5 rpm. 1 % = total energy input 1 % = motoring power Fig.1- Distribuição da energia total e das perdas mecânicas em um motor [1]. A procura por redução de atrito é contínua, mas o interesse para componentes de baixo atrito tem crescido recentemente em especial pela demanda de redução de emissões. Uma pergunta comum durante o projeto de um motor é "quanto de economia de combustível pode ser esperada para uma determinada geometria?". A Fig. 2 mostra uma estimativa grosseira baseada em atrito total. Por sua vez se mantem a dificuldade de se ter uma estimativa de benefícios de uma mudança específica, como saia de pistão por exemplo. Simulações podem ser realizadas para endereçar tais influências individuais, que mais tarde podem ser testadas em motor com um pacote completo de anéis de pistão. Um exercício dessa abordagem foi feito em [2], onde simples equações estimaram mudanças no atrito e depois foram comparadas com modelos mais complexos e finalmente as peças foram testadas em motor. Fig.2- Estimativa de economia de combustível devido a redução de atrito no motor a 2 rpm [3].

3 Apesar da participação específica do atrito entre os components depender do projeto do motor, condições de operação e outros fatores, é geralmente aceito que o principal responsável pelo atrito é o sistema pistão-cilindro. Dentre os principais potenciais de redução de atrito podemos destacar: - Acamento de cilindro - Força do anel de controle de óleo - Altura dos anéis - Materiais com menor coeficiente de atrito. Esses itens serão discutidos a frente. 2. Acabamento de cilindros Atrito em superficies deslizantes lubrificadas pode ser considerado como a soma das contribuições dos regimes de lubrificação limite e hidrodinâmico. Veja Fig. 3. O coeficiente de atrito do regime limite (contato das asperezas) é muito maior do que o coeficiente de atrito relativo ao regime hidrodinâmico, logo transferir a carga suportada pelas asperezas ao filme de óleo reduz significativamente o atrito [4]. Superfícies mais lisas usualmente apresentam menor contato de asperezas e menor espessura de óleo lubrificante, reduzindo não somente o atrito, mas também o consumo de óleo lubrificante. Como exemplo de redução de atrito devido a acabamentos de cilindros mais lisos, a Fig. 4 mostra o coeficiente de atrito médio por ciclo de dois diferentes acabamentos de cilindros testados contra um anel de pistão coberto com PVD (Physical Vapor Deposition). Os corpos de prova foram feitos usando anéis e camisas (cilindros) que são usados realmente no motor. O teste foi feito num equipamento que reproduz um movimento alternativo (reciprocativo) entre os corpos CETR UMT-2. Para esse estudo os corpos foram testados sob diferentes velocidades e submetidos a uma carga normal de 5N. O curso do movimento alternativo foi de 1mm e os corpos extraídos do cilindro eram imersos em óleo classe SAE 3 em temperatura ambiente. Um estudo prévio similar, porém mais detalhado, é descrito em [5]..4 Limit Friction Coefficient.3 Hydrodynamic Mixed.2.1 Asperity Contact Total Hydrodynamic Surface separation Film Parameter (Λ ou t) = combined roughness Fig.3- Curva de Stribeck.

4 Brunimento Plateau Brunimento Slide R q [µm] R pk [µm] R k [µm] R vk [µm] Experimental Friction Coef Plateau Honing Slide Honing Speed (rpm) Fig.4- Teste de bancada de atrito - movimento alternativo. Em condições de baixa velocidade, o atrito é dominado pelo contato das asperezas e definido principalmente pelas propriedades dos materiais em teste de bancada com movimento alternativo. Veja Fig.4. A 25 rpm os dois tipos de acabamento superficial apresentaram o mesmo coeficiente de atrito. Com o aumento da velocidade, o regime de lubrificação vai à direção ao regime hidrodinâmico. O acabamento Slide, mais fino, apresentou menor atrito. A redução de atrito medida com o brunimento slide foi em torno de 4% a 375 rpm. 3. Anéis de controle de óleo Devido a sua relativa alta força, necessária para bom controle de óleo lubrificante, o anel de controle de óleo é o de maior contribuição com o atrito do pacote de anéis. Para anéis de 3-peças, os valores típicos de pressão são.6 a 1.2 MPa. Reduzir a força do anel de controle de óleo é um caminho óbvio para a redução de atrito. Mas um contra ponto importante é a sua consequente redução de conformabilidade. Conformabilidade é a capacidade do anel de se conformar a um cilindro distorcido [6]. Uma maneira de preservar a necessária conformabilidade do anel, enquanto se reduz a sua força, é o uso de seções transversais mais flexíveis. Fig.5 compara diferentes projetos de anéis de óleo em termos de conformabilidade. O anel de controle de óleo de 2-peças usualmente é aplicado para motores de alto carregamento, dada a sua alta conformabilidade e durabilidade. Por outro lado, anéis de óleo de 3-peças são basicamente aplicados para motores Otto por causa de sua capacidade de vedação lateral, o que proporciona melhor controle de consumo de óleo lubrificante em cargas parciais [9].

5 Conformability (k) mm Baseline Low Width 1.5 mm. 3-piece 2-piece Fig.5 - Comparação de conformabilidade de diferentes anéis de óleo. Comparado com anéis usuais de 2 mm de 3-peças, o anel de 1,5 mm possibilita dois principais caminhos: conformabilidade similar com redução da força, ou maior conformabilidade com força similar. Veja Fig mm 3-piece OCR 1.5 mm 3-piece OCR Ft (N) Contact Pressure (MPa) Fig.6 Anéis de óleo de 3-peças, comparação de forças para diferentes alturas. 4. Experiências com Camisa Flutuante Nos próximos itens serão apresentadas as influência da cobertura do anel, força tangencial do anel de óleo (OCR) e altura do anei, usando medições feitas em um dispositivo de camisa flutuante (floating liner). O Instituto Musashi desenvolveu o dispositivo de cilindro flutuante, que tem sido bastante usado para se efetuar medições de atrito em motores [7], [8]. Basicamente, o dispositivo de camisa flutuante consiste em um motor mono-cilíndrico modificado, onde o cilindro apresenta um grau de liberdade vertical e células de carga medem a força vertical que o pistão / anéis exercem sobre a camisa durante o movimento alternativo. Ver Fig. 7. O atrito foi medido em 5 condições de operação: 15 rpm com valores de BMEP (representação do carregamento do motor) de 38, 5 e 63 kpa; 25 rpm com BMEP 5 kpa e a 25 rpm com BMEP de 5 kpa.

6 Tabela 1- Características do Dispositivo de Camisa Flutuante (Floating Liner) Tipo de motor Mono-cilíndrico, 4 tempos, Otto Volume (litros),499 Diâmetro x Curso (mm) 86 x 86 Taxa de Compressão 1 : 1 Razão de Biela / 3,5 Manivela (L/R) Condições de Operação (Rotação e BMEP) Tipo de Óleo Temp. Cilindro [ºC] Temp. Óleo [ºC] 15 38, 5, 63 kpa 2 5 kpa 25 5 kpa SAE 5W-3 SL/GF-3 class 1 (no meio do curso) 85 (na galleria principal) Fig.7- Dispositivo de Cilindro Flutuante. O pistão apresenta uma altura da zona de fogo maior (7,5mm) devido às características geométricas do dispositivo, mas o mesmo modelo de pistão a menos das dimensões dos canaletes, que eram mudadas quando necessário foi usado em todos os testes descritos. O offset do pino é de 1,mm. O mesmo cilindro foi usado para todos os testes. O cilindro foi rodado por 1h antes dos testes para sofrer amaciamento. O primeiro teste (cronológico) teve 6 ciclos de teste devido ao amaciamento do novo pistão e do novo pacote de anéis. Os outros testes contaram com 4 ciclos cada um. O primeiro ciclo de medição foi logo após a montagem. A cada 15 minutos era feito um novo ciclo de medições. Cada ciclo consistia em 5 condições de operação. Cada medição é uma media de 128 ciclos de combustão. Para cada condição de operação eram medidos o atrito e a pressão de combustão a cada ângulo do virabrequim. Fig. 8 mostra como exemplo uma medição típica a 15 rpm, BMEP= 38 kpa.

7 [N Friction Force ] Crank Angle [deg.] Fig.8- Medição típica a 15 rpm, BMEP= 38 kpa. Para esse artigo, foram consideradas e apresentadas na forma de média as medidas das 3 últimas condições de pacote de anéis / operação. Com isso foi calculada FMEP (Pressão Efetiva Média de Atrito) O pacote de anéis de referência (alturas 1,2 / 1,2/ 2,mm) foi o último a ser testado para minimizar eventuais efeitos de amaciamento dos pacotes de anéis de baixo atrito. Como esperado, para a mesma velocidade, o atrito aumentou quanto maior a carga (BMEP) e, para uma mesma carga, o atrito aumentou com a velocidade. A Tabela abaixo mostra os valores médios medidos para o pacote de anéis de referência. Apesar de algumas diferenças, o ranqueamento de atrito entre os pacotes de anéis testados foi o mesmo para as 5 condições de operação do motor. Tabela 2 Medições no Dispositivo de Camisa Flutuante / Pacote de anéis de Referência rpm BMEP [kpa] FMEP [kpa] Atrito % Cylinder Pressure [MPa] 5. Força dos anéis controladores de óleo A Figura 9 compara anéis de óleo 3-peças com pressões,6 e,8 MPa, forças iguais a 27,3 e 32,3 N, respectivamente. As figuras apresentam a medição da força de atrito a 15 rpm, 38 kpa e a FMEP para 5 condições de teste. O pacote de anéis com anéis de,6 MPa de pressão apresentaram cerca de 32% de redução de atrito a 15 rpm e 21% a 25 rpm.

8 P =.8 MPa P =.6 MPa BMEP (kpa) speed (rpm) Fig.9- Força de atrito e FMEP com diferentes pressões de anéis de óleo. 6. Pacote de anéis de baixa altura Um menor atrito pode ser obtido usando-se anéis com altura reduzida. Especialmente para os anéis de primeiro canalete, sua altura define a carga radial aplicada por ele à parede do cilindro, uma vez que a maior parte de sua pressão é proveniente da pressão de combustão atuando sobre a superfície do diâmetro interno do anel. Para anéis de segundo canalete, basicamente a força tangencial é proporcional a sua altura. Para anéis de óleo (OCR), o uso de anéis e segmentos mais finos permite uma boa conformabilidade mesmo com forças tangenciais reduzidas. Como exemplo, o anel testado de 1,5mm de altura apresenta conformabilidade 4% maior que o anel de 2,mm de altura, mesmo com uma força 25% menor. Veja a tabela a seguir. O atrito do pacote de anéis com alturas 1,2/1,2/2,mm foi comparado ao atrito de um pacote com alturas 1,/1,/1,5 mm.

9 Tabela 3 Características dos pacotes de anéis 1,2/1,2/2, mm 1./1./1.5 mm 1, mm GNS Face Abaulada Simétrica Força= 6,6 N 1. 1,2 mm Nitretado (GNS) Face Abaulada Assimétrica Força= 8,9 N 2. 1,2 mm Face Cônica Ferro Fundido Cinzento Força= 8,2 N 3. 2, mm 3-peças GNS P = 1, MPa Força= 33,3 N Σ Força 5,4 N 29,3 N 1, mm Face Cônica Ferro Fundido Nodular Força= 7, N 1,5 mm 3-peças GNS P =,6 MPa Força= 15,7 N O pacote de anéis de baixa altura apresentou atrito aproximadamente 28% menor. A redução foi levemente maior em condição de baixa velocidade / baixa carga, diminuindo em condição de alta velocidade / alta carga. Veja Fig. 1. Essa redução pode significar uma redução de atrito da ordem de 1% da BMEP do motor. Veja a tabela a seguir. Uma economia de combustível similar pode ser esperada. Friction Force (N) /1.2/2. mm Ring Pack 1./1./1.5 mm Ring Pack rpm, 38 kpa Crank Angle (degrees) FMEP [kpa] /1.2/2. mm Ring Pack 1./1./1.5 mm Ring Pack 8 BMEP (kpa) speed (rpm) Fig.1- Comparação de força de atrito e FMEP entre os pacotes de anéis com alturas 1,2/1,2/2, mm e 1,/1,/1,5 mm.

10 Table 4 - Redução de atrito e potencial redução do consumo de combustível FMEP (kpa) Porcentagem Velocidade BMEP de atrito Ganho de BMEP (rpm) (kpa) (FMEP/BME Teste 1 Teste 2 P) % 1.4% % 1.2% % 1.1% %.8% %.8% Média 3.8% 1.1% 7. Anéis de primeiro canalete recobertos com camada PVD Normalmente os anéis de primeiro e terceiro canaletes são recobertos com uma camada resistente ao desgaste ou um tratamento superficial, usualmente a base de Molibidênio, Cromo ou Aço Nitretado. CrN PVD está sendo introduzido no mercado de motores Otto devido a sua excelente resistência ao desgaste e baixo atrito. Fig. 11 compara o coeficiente de atrito dessas camadas..15 Friction Coefficient Moly Hard Cr Cr Ceramic GNS PVD Fig.11- Coeficiente de atrito para diferentes coberturas de anéis. GNS (aço nitretado) e PVD foram comparados no equipamento de Camisa Flutuante. Um pacote ainda menor de anéis foi usado para essa comparação,,8/,8/1,5 mm. A menos do recobrimento do primeiro anel, todas as outras características foram mantidas nos dois pacotes de anéis. A Fig. 12 apresenta a medição de força de atrito a 15 rpm, 38 KPa e FMEP para 5 condições de teste. O anel de primeiro canalete recoberto com PVD apresentou 1% menos atrito a 15 rpm, 5% a 25 rpm.

11 Friction Force (N) FMEP [kpa] 1 8 GNS on Top Ring PVD on Top Ring Crank Angle (degrees) GNS on Top Ring PVD on Top Ring 8 BMEP (kpa) speed (rpm) Fig.12- Força de atrito e comparação de FMEP para anéis recobertos com PVD contra anéis típicos de Aço Nitretado. 8. Blow-by e consumo de óleo lubrificante Pela redução da inércia, os anéis de compressão são mais estáveis axialmente, em especial sob condições de alta rpm e baixa carga. Picos de Blow-by (vazamento de gases da combustão) podem ocorrer em tais condições. A Fig.13 apresenta a melhoria no controle de Blow-by com anéis mais finos. A referência (Base Line) tinha pacote de anéis de 1,2/1,5/2, mm de altura com anel de óleo 3-peças com pressão de,6 MPa. O pacote de baixo atrito tinha altura de,8/1,/1,5 mm com anel de óleo de 3-peças com pressão de,6 MPa. Blow-by (L/min) Base Line % Load 25% Load Low Friction Fig. 13 Blow-by a 6 rpm com motor Otto V6 e 3,2L.

12 Como discutido anteriormente, o anel de óleo de 1,5 mm de altura possibilita menores forças com pressão e conformabilidade similares ao de referência. Fig. 14 compara anéis 3-peças de 2, e 1,5 mm de altura em um motor Otto de 2,L e 83 kw. Os anéis de primeiro e segundo canaletes foram os mesmos nos dois testes. O consumo de óleo foi similar a plena carga e em carga parcial. Gasoline engine, 2. L, 4 cyl, 73 kw Full Load Dyno Tests - 3h average of 6 measurements LOC (g/h) mm 1.5 mm 2. mm 1.5 mm Part Load Dyno Tests average of 3 measurements LOC (g/h) mm 1.5 mm 2. mm 1.5 mm Fig. 14 Comparação de anéis de óleo 3-peças de 2, e 1,5 mm de altura. O uso de anéis de baixo atrito com acabamentos regulares de cilindro podem prejudicar o consumo de óleo devido ao aumento do tempo de amaciamento e maiores filmes de óleo. Como exemplo, a Fig. 15 compara pacotes de anéis: referência (1,2/1,5/2, mm) e baixo atrito (1,/1,2/1,5 mm). O pacote referência tinha anel de óleo 2-peças com pressão de 1,7 MPa, enquanto que o anel de óleo para pacote de baixo atrito tinha pressão de 1,2MPa.

13 Acamento de Cilindro Baseline Smooth Rpk (µm).3.1 Rk (µm) Rvk (µm) Ring Pack: Baseline Low Friction Relative L.O.C Bore Finish: Baseline Smooth Fig. 15 Consumo de óleo a plena potência, motor 2.L com injeção direta. CONCLUSÕES - A redução da força do pacote de anéis, em especial do anel de óleo, reduz o atrito. Em um anel de óleo, ao se reduzir de.8 para.6 MPa de pressão, observou-se uma redução de 21% no atrito 25 rpm. - Ao mudar o pacote de anéis de 1,2/1,2/2, para 1,/1,/1,5 mm, e ao mesmo tempo reduzir a pressão do anel de óleo de 1, para,6 MPa, o atrito é reduzido em 28%. Isso equivale à cerca de 1% de economia de combustível. - O uso de camada PVD em anel de primeiro canalete reduz o atrito medido em torno de 1%. - O uso de pacote de anéis de baixo atrito deve ser combinado com cilindros de acabamento fino para adequados resultados de consumo de óleo lubrificante. - A economia obtida com os anéis de baixo atrito se aplicados à frota de carros de São Paulo, poderia gerar uma economia de cerca de 5. toneladas de CO 2 por ano. REFERÊNCIAS [1] SCHELLING, Freier. Factors influencing the friction power of pistons - publicação MAHLE, circa [2] TOMANIK et al. Reduced Friction Power Cell Components - artigo SAE , São Paulo - Brasil, 2. [3] BASSHUYSEN, R.; SCHAFER, F. Internal combustion Engine Handbook, SAE International.

14 [4] JOCSAK, J. et al. The effects of cylinder liner finish on piston ring-pack friction, artigo ASME ICEF24-952, Sacramento, EUA, 24. [5] JOCSAK, J. et al. The Characterization and Simulation of Cylinder Liner Surface Finishes, artigo ASME ICES25-18, Canadá, 25. [6] TOMANIK, E. Piston Ring Conformability in a Distorted Bore, artigo SAE 96356, Detroit - EUA, [7] SATO, O. et al. Improvement of Piston Lubrication in a Diesel Engine by Means of Cylinder Surface Roughness, artigo SAE , Detroit - EUA, 24. [8] NAKAYAMA, K. et al. The Effect of Crankshaft Offset on Piston Friction Force in a Gasoline Engine, artigo SAE , Detroit-EUA, 2. [9] FERRARESE, A.; ROVAI, F. Oil Ring Design Influence on Lube Oil Consumption of SI Engines, artigo ASME ICEF24-868, Sacramento - EUA, 24.