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Prêmio AEA 2016 - Projetos de Meio Ambiente

Redução de emissão de CO2 a partir de camisas com revestimento de níquel em blocos modernos de alumínio

Rafael Bettini Rabello, Edney Rejowski, André Ferrarese

MAHLE METAL LEVE S.A.

RESUMO Motivado pela demanda de redução de combustível e de emissão de CO2, as inovações do mercado automobilístico trabalham no caminho de produzir motores menores e mais leves, substituindo o tradicional ferro fundido do material do bloco pelo alumínio. Pelo alto grau de otimização desses motores, existe a necessidade técnica de controlar o nível de deformação do bloco para não prejudicar o desempenho do motor e não acarretar em um aumento do consumo de óleo, o que impacta na lei de emissões de poluentes. Nesse sentido, o presente trabalho propõe uma camisa de cilindro com revestimento de níquel na superfície externa com o objetivo de aumentar a dissipação de calor entre câmara de combustão e canais de refrigeração do motor, através da formação de uma camada metalúrgica de difusão entre camisa de cilindro e bloco de alumínio do motor, reduzindo assim a distorção dos cilindros. Isto possibilita a utilização de um pacote de anéis de pistão com menor força tangencial sem prejuízos em relação à conformabilidade destes no cilindro, o que tem o potencial de reduzir ainda mais as perdas mecânicas por atrito, reduzindo, assim, o consumo de combustível e emissões de CO2. Informações detalhadas sobre o revestimento de níquel e a camada de difusão de Fe-Ni-Al foram obtidas através das técnicas de energia dispersiva de raio-X (EDS) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A ancoragem da camisa de cilindro com o bloco de alumínio foi avaliada através de testes de tração e a taxa de condutividade térmica também foi verificada a partir de testes de bancada. Por fim, um teste de motor comparativo entre camisas fundidas em bloco de alumínio com e sem o revestimento de níquel foi realizado, comprovando a maior condutividade térmica de camisas de cilindro com níquel, além de, evidenciar um beneficio adicional de redução de 35% no consumo de óleo do motor, possibilitando a utilização de um pacote de anéis com menor força tangencial, o que acarreta em 1.5% de redução no consumo de combustível.




1. APLICABILIDADE Motores flex (bicombustíveis) com bloco de alumínio. 2. OBJETIVO Demonstrar a redução de consumo de combustível e, consequentemente, emissões de CO2, através da utilização de camisas de cilindro com um revestimento externo de níquel, que otimiza a transferência de calor e reduz a distorção dos cilindros, permitindo a utilização de um pacote de anéis com menor força tangencial. 3. INTRODUÇÃO 3.1 TENDÊNCIAS DO MERCADO A redução do consumo de combustível em motores modernos de combustão interna é a principal força motriz para as inovações em desenvolvimento de motor. Novas legislações estão colocando prazos para o atingimento das metas de emissões em veículos e para limitar os níveis de emissões de CO2. Alguma das técnicas utilizadas para atingir as metas de CO2 é através do “downsizing”, injeção direta e utilização de turbo compressor. No lado mecânico, muitas tecnologias para redução de atrito foram desenvolvidas e implementadas com sucesso nos últimos anos [1,2]. Especialmente nos componentes do cilindro, o aumento da eficiência da combustão dos motores, que resulta no aumento das pressões de combustão, aumento da densidade de potência [3] e das temperaturas [4], pode causar um aumento na distorção dos cilindros e comprometer a vedação dos anéis de pistão. A consequência disto é um maior consumo de óleo e o aumento do atrito nos motores, levando também a um maior consumo de combustível. Os componentes do cilindro contribuem para o consumo de combustível devido às suas inevitáveis perdas por atrito. A Figura 1 mostra a distribuição das perdas de energia por atrito de alguns componentes internos de um motor a gasolina de 1.9l em uma condição de carga parcial a 2000rpm [5]. A contribuição dos componentes do cilindro é de 2.4% na perda total da energia por atrito, mas pode significar até 20% de potência útil que não é utilizada.




Anéis 19%

Potência Efetiva

Bronzinas 15%

15%

11%

Perdas Térmicas 74%

Perda por Troca Gasosa e Auxiliares 61%

Bielas 2% Pistões 3%

Perdas Mecânicas

Figura 1 - Perda de energia por componente [6]. Em motores modernos, que utilizam blocos de alumínio, existe a necessidade técnica de controlar o nível de distorção do bloco para não prejudicar o desempenho do motor e não elevar o nível do consumo de óleo, o que impacta no atingimento da meta da lei de emissões. A distorção do cilindro ocorre quando há o desvio da circularidade ideal. É inevitável que ocorra um nível de distorção do cilindro quando submetido a uma tensão dinâmica (calor e pressão) [7]. O cilindro pode ser distorcido tanto durante a usinagem quanto em operação quando sujeito a cargas elevadas, devido às pressões de combustão, deformações térmicas e forças de inércia. Assim, o anel de pistão deve conformar a um cilindro levemente imperfeito [8]. O diâmetro do cilindro (deformação de ordem 0), nestes motores, pode aumentar (até 0.2mm) e assumir uma deformação de segunda ordem, especialmente na região próxima ao ponto de reversão do pistão no cilindro, com impacto significativo em blow-by e no consumo de óleo do motor [9]. A Figura 2 mostra as diferentes deformações que ocorrem no cilindro e os valores esperados para cada ordem de deformação.




Figura 2 – Representação geral das diferentes formas de distorção e mudança da deformação durante operação [10,11]. O novo desenvolvimento de camisas de cilindro de ferro fundido com um revestimento de níquel aplicado na superfície externa reduz a distorção do cilindro no bloco através de uma melhor condutividade térmica em relação a outros materiais em ferro fundido. Quando fundidas em blocos de alumínio, a formação de uma camada metalúrgica de difusão entre ferro, níquel e alumínio também proporciona uma maior ancoragem da camisa no bloco e, aliado à redução de distorção, permite a utilização de um anel de pistão com menor força tangencial, sem prejuízos em conformabilidade (capacidade de vedação mesmo sob alta deformação). O pacote de anéis, por sua vez, exerce um importante papel em um motor de combustão interna. Sua principal função é promover a vedação entre pistão e camisa de cilindro, prevenindo a passagem de gases de combustão para o cárter (blow-by), e ao mesmo tempo, minimizar o transporte de óleo na direção oposta [12]. Um dos principais desafios de design de anéis de pistão é como diminuir a força tangencial aplicada na superfície do cilindro mantendo o mesmo desempenho em relação à vedação e à raspagem do óleo lubrificante e controle do blow-by. [13]. Assim, a partir de medições reais de forma e circularidade dos cilindros de blocos de alumínio com e sem camisas revestidas com níquel, é esperado que a distorção dos




cilindros seja reduzido e, com um auxílio computacional, seja possível reduzir a força tangencial dos pacotes de anéis mantendo o mesmo desempenho de vedação, trazendo o benefício da redução do consumo de combustível e de emissões de CO2 (Figura 3).

Figura 3 – Rota proposta no trabalho. 3.2 CAMISAS DE CILINDRO A camisa de cilindro (Figura 4) é uma parte cilíndrica a ser montada no bloco do motor para formar um cilindro. A parede interna da camisa de cilindro forma uma superfície deslizante com os anéis de pistão, retendo o óleo lubrificante e prevenindo que os gases de compressão e combustão escapem para o cárter do motor. Além disso, as camisas de cilindro recebem o calor da combustão através do pistão e dos anéis de pistão, tendo a função de transmitir o calor para o líquido de resfriamento.

Figura 4 – Camisa de cilindro típica de um motor de bloco de alumínio




3.3 REVESTIMENTO DE NÍQUEL Neste trabalho, um revestimento de níquel eletrodepositado foi aplicado no externo das camisas de cilindro de ferro fundido. A camada de níquel tem como principal função de formar uma camada metalúrgica de difusão entre o ferro fundido e o alumínio do bloco de motor, promovendo um aumento da condutividade térmica. A Figura 5 mostra a camada de níquel como depositada sobre o ferro fundido.

Figura 5 – Camada de níquel como depositado sobre ferro fundido. 3.4 FUNDIÇÃO EM BLOCOS DE ALUMÍNIO Após a deposição de níquel no externo das camisas de cilindro, estas são fundidas em blocos de alumínio por um processo de fundição sob alta pressão. A Figura 6 mostra os vazios entre o bloco do motor e uma camisa de cilindro fundida sem o revestimento de níquel e a formação da camada metalúrgica nas camisas com o revestimento de níquel após fundidas no bloco de alumínio.




Figura 6 – Camisa de cilindro a) sem camada de níquel, aderência mecânica com o alumínio b) com camada de níquel, aderência metalúrgica com o alumínio. 4. RESULTADOS DOS TESTES DE BANCADA A partir de blocos de alumínio, corpos de prova foram extraídos para serem realizados testes de aderência do alumínio com a camisa de cilindro e de condutividade térmica, para avaliar a eficiência na troca térmica das camisas revestidas com níquel. Também a partir do bloco de motor, foram feitas medições de forma e circularidade para avaliar a distorção das camisas de cilindro após a finalização de todas as etapas de usinagem. 4.1 TESTE DE ADERÊNCIA AO BLOCO DE ALUMÍNIO Um teste de tração foi realizado em amostras retiradas do topo, meio e fundo de um cilindro do bloco de motor, como ilustrado pela Figura 7.




Figura 7 – Teste de tração realizado a partir de corpos de prova de um cilindro usinado do bloco de alumínio. Os resultados mostraram um aumento significativo à resistência à tração, devido à maior aderência atingida através da formação da camada metalúrgica. A Figura 8 mostra o resultado dos testes realizados com camisas de cilindro com o mesmo design, fundidas em um bloco de alumínio, sem e com a camada de níquel, comprovando-se um contato mais eficiente com o alumínio.

Figura 8 – Resultados do teste de tração mostram um aumento da aderência da camisa com o alumínio devido à adição da camada de níquel. Após o teste de tração, os corpos de prova foram analisados com o auxílio de um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) através da técnica de elétrons retro espalhados (BSE) e da energia dispersiva de raio-X (EDS) para avaliar a difusão da camada de níquel entre o ferro fundido e o alumínio (Figura 9).




Observou-se que no segmento de ferro fundido (material da camisa de cilindro) há predominância de níquel na superfície, enquanto que no segmento de alumínio (bloco de motor) também há cerca de 80% da área do corpo de prova com níquel, comprovando-se a difusão desta camada com o alumínio.

Figura 9 – Corpo de prova após teste de tração. Observa-se difusão do níquel no bloco de alumínio. 4.2 TRANSFERÊNCIA DE CALOR Medições de condutividade térmica foram realizadas com o equipamento NETZSCH modelo LFA 447 Nanoflash. Testes foram realizados a partir da indução de uma temperatura de 100ºC. Mede-se, assim, o aumento da temperatura na face posterior do corpo de prova nas amostras retiradas do bloco de motor com camisas sem camada de níquel e com camada de níquel, utilizando um detector In-Sb. A Figura 10 descreve em detalhes a metodologia do teste.

Figura 10 – Metodologia de teste para avaliar condutividade térmica




Assim, a resistência térmica de contato (m².K/W) é obtida. Os valores foram normalizados em eficiência de transferência de calor (%) para melhor visualização dos resultados (Figura 11). Observa-se que as camisas revestidas com níquel apresentaram uma maior eficiência na troca de calor do que camisas usinadas de mesmo design sem o revestimento de Níquel (Design 1) e camisas com design rugoso (Design 2) também sem o revestimento de Níquel, independente da espessura da parede do cilindro.

Figura 11 – Eficiência na transferência de calor de camisas revestidas com níquel superior em relação a outros designs típicos de camisas de cilindro no mercado. 4.3 DEFORMAÇÃO DOS CILINDROS Blocos de motor com camisas com e sem revestimentos de níquel foram analisadas em relação à deformação dos cilindros na condição livre à temperatura ambiente e na condição torqueada (com o cabeçote montado) à temperatura ambiente. Para isto, foi utilizado um equipamento Jenoptik Incometer, que faz as medições precisas de forma e circularidade de um cilindro. A Figura 12 demonstra que o bloco com camisas revestidas de níquel apresentou uma menor deformação máxima de cilindros. Esta máxima deformação de cilindro está sempre localizada próximo a região de menor espessura de parede do bloco de cilindro (entre-cilindros). Esta redução foi expressiva principalmente na 2ª e 4ª ordem devido à maior




capacidade de transferência de calor das camisas revestidas com níquel, e de sua maior aderência ao bloco de alumínio.

Figura 12 – Distorção dos cilindros dos blocos com camisas sem e com revestimento de níquel. 5. RESULTADOS DE TESTE DE MOTOR Um teste de motor (Flex, com bloco de alumínio) foi realizado com combustível etanol (E100) e avaliou a influência da camisa com revestimento de níquel em termos de transferência de calor e conformabilidade dos anéis (consumo de óleo do motor). Resultados medidos foram comparados com outro teste de motor utilizando camisas sem o revestimento de níquel. Os pacotes de anéis foram selecionados com intuito de manter a mesma força tangencial. 5.1 MEDIÇÕES DE TEMPERATURA PARA AVALIAÇÃO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR Com o intuito avaliar a transferência de calor, foram instrumentados termopares em diversas regiões do bloco de motor para realizar um mapeamento de temperatura. Os termopares foram posicionados no bloco de alumínio a uma distância de 1.5mm da parede externa da camisa de cilindro e a 10mm e 45mm do topo tanto no lado de pressão do cilindro como no lado de contra-pressão. A Figura 13 ilustra a posição dos termopares.




Figura 13 – Posicionamento dos termopares no bloco de motor. Assim, aumentando a taxa de transferência de calor nas camisas revestidas por níquel da câmara de combustão até a água de refrigeração, devido à ligação metalúrgica, é esperado que a temperatura medida pelos termopares nos blocos de alumínio também seja maior. A Figura 14 mostra os resultados da diferença da temperatura máxima medida nos blocos testados. Mostrou-se que, em todos os cilindros, houve um aumento da temperatura medida pelo termopar no bloco com camisa com revestimento de níquel (maior transferência de calor). As diferenças de temperatura foram maiores nos cilindros 3 e 4 do motor testado, devido ao design de refrigeração do bloco de motor (água de refrigeração entra pelo cilindro 1 e sai pelo cilindro 4).




Figura 14 – Bloco com camisa com revestimento de níquel aumenta a taxa de transferência de calor da câmara de combustão para o canal de refrigeração, aumentando, assim, a medida de temperatura realizada pelo termopar. 5.2 AVALIAÇÃO DO CONSUMO DE ÓLEO PARA AVALIAR A CONFORMABILIDADE DOS ANÉIS. Nos mesmos blocos utilizados para avaliação de temperatura, foram realizadas diversas medições de consumo de óleo em regimes parciais e de carga e rotação máxima (WOT) a partir do escoamento e pesagem deste. A Figura 15 representa percentualmente o consumo de óleo reduzido em 35% no regime de alta carga e rotação a partir da utilização de camisas revestidas de níquel em blocos de motor de alumínio.




Figura 15 – Redução de 35% do consumo de óleo em blocos com camisas revestidas com níquel. Isto indica que, devido à melhor transferência de calor da câmara de combustão para os canais de refrigeração e à menor distorção de cilindros, os anéis de pistão utilizados neste teste conseguem se conformar ao cilindro e realizar muito bem sua função de vedação e raspagem de óleo lubrificante, além de controlar o blow-by. Assim, é possível introduzir anéis que apliquem menor força tangencial na superfície do cilindro (Tabela 1), devido à sua menor deformação, mantendo o desempenho de consumo de óleo adequado, reduzindo as forças de atrito no motor em 6% e, consequentemente, redução de 1.5% de consumo de combustível. Tabela 1 – Redução da força tangencial no pacote de anéis de pistão a partir da redução da distorção dos cilindros e do consumo de óleo do motor.

Força tangencial no pacote de anéis de pistão [N/mm] Pacote de anéis típico

(utilizados nos testes) Pacote de anéis de baixo atrito

Anel de 1º canalete 0,12 0,11 Anel de 2º canalete 0,11 0,11 Anel de 3º canalete 0,52 0,30 Total: 0,75 0,52




6. CONCLUSÃO A nova cobertura de níquel sobre camisas de ferro fundido desenvolvido pela MAHLE, aplicada em motores flex modernos de alumínio, demonstrou a possibilidade de reduzir em 1.5% o consumo de combustível a partir do decréscimo da força tangencial dos anéis, uma vez que se reduziu a deformação do bloco de alumínio pela maior eficiência na transferência de calor da câmara de combustão para os canais de refrigeração. Análises metalográficas mostraram a difusão da camada de níquel com o ferro fundido da camisa de cilindro e o alumínio do bloco de motor. Esta camada de difusão elevou a aderência da camisa ao bloco, como comprovado pelos testes de tração realizados a partir de amostras retiradas de motores. Além disso, o teste de bancada de condutividade térmica mostrou que um contato mais eficiente com o alumínio leva a uma maior transferência de calor. Já o teste de motor para medição de temperatura, através de termopares, e a medição de consumo de óleo para avaliar a conformabilidade dos anéis de pistão, revelaram uma maior transferência de calor quando utilizadas camisas com revestimento de níquel, atingindo diferenças de temperatura de até 8ºC, e uma redução no consumo de óleo em carga máxima de até 35%. A menor distorção de cilindro e redução de consumo de óleo do motor permitiu a redução da força tangencial dos anéis em 30%, o que tem o potencial de diminuir o consumo de combustível em até 1.5%.

7. REFERÊNCIAS

[1] Schwaderlapp M, Dohmen J, Haubner F, Barthel R, Biwer C. Reibungsreduzierung als Verbrauchsmaßnahme. MTZ 3 p. 222-229, 2003.

[2] Schommers J, Scheib H, Hartweg H, Bosler A. Minimising friction in combustion engines. MTZ 7-8 p. 28-35, 2013.

[3] Maasen F, Bick W, Haubner F. Lightweight Engine Concepts for a Passenger Car Diesel Engine With 200 Bar Peak Pressure. SAE Technical Paper 2005-01-0659, 2005.

[4] Wölfle, P.; Müller, T; Füsser, H; Bartel, D. The influence of oil supply and cylinder liner temperature on friction, wear and scuffing behavior of piston ring cylinder liner contacts – A new model test. Tribology International 94 p. 306-314, 2016.

[5] Ferreira, M.; Praça, M.; Uehara, S.; Costa, S. Nova bronzina com cobertura polimérica para redução de atrito e missão de CO2. Paper AEA, 2012.

[6] Tomanik et al. Reduced Friction Power Cell Components. SAE2000-01-3321, 2000.




[7] Mirajkar, P; Kanase, K., Chhapkhane, N. Cylinder Liner bore distortion estimation during assembly of diesel engine with FEA. International Journal on Mechanical Engineering and Robotics (IJMER), 2013.

[8] Maassen, F; Koch, F.; Schwaderlapp, M.; Ortjohann, T; Dohmen, J. Analytical and Empirical Methods for Optimization of Cylinder Liner Bore Distortion. SAE paper –2001-01-056, 2001.

[9] Tomanik, E. Improved Criterion for Ring Conformability Under Realistic Bore Deformation. Paper SAE 2009-01-0190, 2009.

[10] Tomanik, E. Piston Ring Conformability in a Distorted Bore. Paper SAE 960356, 1996.

[11] Abe, S.; Suzuki, M. Analysis of Cylinder Bore Distortion During Engine Operation. Paper SAE 95041, 1995.

[12] Liu, L.; Tian, T. Modeling Piston Ring-Pack Lubrication with consideration of Ring Structural Response. Paper SAE 2005-01-1641, 2005.

[13] Ferrarese A.; Silva D.; Silva, E.; Nocera, E. Reducing emissions through low friction ring pack in passenger car diesel engine. First International Brazilian Conference on Tribology TriboBr, 2010.

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