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Prêmio AEA 2012 - Projetos de Meio Ambiente

CAMISA DE CILINDRO REVESTIDA COM FILME DE CARBONO AMORFO NA FORMA DE DIAMANTE

Edney D Rejowski, Paulo J. da Rocha Mordente, Dra. Marina F. Pillis

Centro Tecnológico MAHLE METAL LEVE SA., Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

RESUMO

Nas ultimas décadas questões sobre controle de emissões atmosféricas vem sendo debatidas globalmente com desdobramentos em leis mais restritivas para liberação de novos motores a combustão interna. Mesmo com a introdução de novas tecnologias, estes motores ainda apresentam grande perda da energia devido ao atrito e consequentemente elevado consumo de combustível. Com base neste contexto, os projetos dos novos motores visam por componentes de baixo atrito. Um dos contribuintes mais relevantes para as perdas por atrito em um motor é o sistema formado pelo pistão, anéis e cilindro. Por este motivo este sistema vem sendo objeto de muitos trabalhos para redução do atrito. Aqui se discute o uso de um filme amorfo de carbono na forma de diamante depositado sobre a superfície interna funcional do cilindro aplicado em motor diesel pesado (MDP) para redução do atrito do motor e o seu desempenho tribológico quanto a resistência ao desgaste. O processo de deposição química na fase vapor assistido à plasma foi utilizado para obtenção do filme. Os anéis de compressão são revestidos com CrN. Testes de bancada para avaliar o coeficiente de atrito (COF) e testes de motor em dinamômetro para medir o consumo específico de combustível mostraram reduções de 19% (atrito) e 2,5% (consumo combustível) respectivamente.

APLICABILIDADE

Motor diesel com camisa de cilindro.

OBJETIVO

Demonstrar menor coeficiente de atrito no tribo sistema camisa-anel de pistão que impacta na redução do consumo de combustível específico com a utilização de um filme DLC de baixo atrito assim como avaliar a resistência ao desgaste dos cilindros revestidos após serem submetidos a testes de rodagem em motores diesel pesados.





1. Introdução

Aproximadamente 40% da energia consumida num MDP é convertida em trabalho útil e até 15% da energia total gerada na câmara de combustão é perdida pelo atrito entre os componentes que formam o motor [1, 2]. Uma abordagem muito utilizada para aumentar o trabalho efetivo num motor de combustão interna (MCI) é a redução da dissipação da energia [1]. Embora a distribuição das perdas por atrito nos componentes do motor dependa de muitos fatores, por exemplo, do projeto do motor e do regime de operação, é bem aceito que o sistema formado por pistão, anéis e cilindro apresenta uma contribuição significativa para as perdas mecânicas devido ao atrito. Consequentemente estes componentes são naturalmente selecionados para trabalhos de pesquisas visando obter soluções de baixo atrito [2,3].

A figura 1 demostra como é a distribuição da energia gerada na câmara de combustão em um motor diesel e como o sistema pistão, anéis e bielas, que trabalham dentro do cilindro, se apresentam com relação ao atrito. Sabe-se também que a mudança na rugosidade da superfície de trabalho de um cilindro, mais fina, auxilia para a redução do atrito [4,5]. Portanto uma abordagem possível para redução das perdas mecânicas num motor diesel é o uso de revestimentos com baixo coeficiente de atrito sobre a superfície interna da camisa de cilindro.

Figura 1 - Distribuição total da energia utilizada e das perdas mecânicas em um motor diesel de combustão interna [2]

Esforços para desenvolver revestimentos de baixo atrito aplicado em camisas de cilindro são raramente encontrados [4] na literatura. Mais raro ainda é a aplicação de revestimentos de carbono amorfo na forma de diamante, também conhecido como Diamond LikeCarbon(DLC)coating.

Para este tipo filme a quantidade de ligações com hibridização sp3é importante, pois está associada qualidade do filme devido à elevada força de ligação interatômica.





Uma grande variedade de filmes DLC é relatada na literatura, podendo apresentar de 1% até 50% de átomos de hidrogênio [7] o que afeta enormemente suas características físicas e mecânicas.

Adicionalmente a esta complexidade relacionada ao filme o projeto dos motores de combustão tem demandado pressão de combustão cada vez mais elevada. Isto aumenta o carregamento térmico e mecânico dos motores e também gera, na câmara de combustão, ambiente mais agressivo para os componentes [6]. Por estes motivos é fundamental a correta seleção do revestimento e seu processo de obtenção para o bom desempenho do componente.

Neste trabalho, a superfície funcional de cilindros aplicados em motores diesel pesado foi revestida com 3,5 µm por filme DLC. Este foi obtido pelo processo de deposição química na fase vapor assistido à plasma (PECVD). A formação do plasma é por efeito de catodo oco e melhores informações são apresentados na secção 2.

2. Processo de obtenção do filme DLC

A figura 2 mostra esquematicamente o sistema de deposição. Neste caso o próprio cilindro funciona como câmara de vácuo e catodo para geração do plasma de elevada densidade por efeito de catodo oco (CO) através de excitação elétrica pulsada e assimétrica requerido pela característica dielétrica do filme. O crescimento do filme com boa aderência depende da tensão de polarização do substrato (catodo) em relação ao potencial elétrico do plasma. Os gases de processo são introduzidos em uma extremidade do cilindro enquanto o bombeamento ocorre pela extremidade oposta. Embora a admissão de gases seja feita a taxas constantes, a pressão no interior da câmara é controlada através da velocidade de bombeamento por meio de válvula borboleta posicionada entre a saída da câmara e entrega das bombas. O gás ionizado percorre o interior desta cavidade proporcionando a nucleação e crescimento do filme [12,13].

Figura 2 – Esquema do processo de deposição HCPIIP [12].

Nota-se, que se trata de um processo muito mais amigável com o meio ambiente do algumas outras opções de recobrimento como Cromo por exemplo.





3. Cilindros revestidos e caracterização do filme DLC

Os cilindros foram fabricados pelo processo de fundição centrifugada em ferro fundido cinzento. A figura 3 mostra um cilindro seccionado após aplicação do filme de DLC na superfície interna funcional do diâmetro interno. Observa-se que a textura devido ao processo de brunimento que antecede a etapa de deposição do filme esta preservada.

Figura 3 – Detalhe da superfície interna da camisa de cilindro recoberta com filme DLC. Parâmetros de rugosidade (Ra, Rz, Rpk, Rk e Rvk) conforme ISO 13565-2 foram medidos, antes e após a deposição do filme, em duas alturas em relação ao topo da camisa (30 e 90 mm) e em quatro posições angulares (0, 90, 180 e 270°). Os resultados obtidos na altura de 30 mm são mostrados na tabela 1. A mesma tendência de se manter o padrão de rugosidade do substrato após a deposição do filme DLC na altura de 90 mm foi observado. Tabela 1 – Valores de rugosidade a 30 mm de altura antes e depois do filme DLC.

Ra Rz Rpk Rk Rvk Mr1 Mr2 Antes 0.515 4.16 0.29 0.79 1.73 7.1 75Depois 0.637 4.71 0.25 0.99 2.04 5.8 73Diferença (∆) 0.122 0.55 -0.04 0.20 0.31 -1.3 -2Antes 0,423 3,81 0,23 0,55 1,77 6.5 78Depois 0,445 3,77 0,19 0,59 1,81 7.8 76Diferença (∆) 0.022 -0.04 -0.04 0.04 0.04 1.3 -2Antes 0.468 4.39 0.14 0.62 1.83 5.8 76Depois 0.459 3.80 0.19 0.62 1.70 6.3 75Diferença (∆) -0.009 -0.59 0.05 0.00 -0.13 0.5 -1Antes 0.572 4.98 0.17 0.73 2.06 5.4 73Depois 0.580 5.16 0.27 0.84 2.14 8.5 75Diferença (∆) 0.008 0.18 0.10 0.11 0.08 3.1 2Antes 0.495 4.34 0.21 0.67 1.85 6.2 76Depois 0.530 4.36 0.23 0.76 1.92 7.1 75Diferença (∆) 0.036 0.03 0.02 0.09 0.07 0.9 -1

Parâmetros de rugosidade

Altu

ra d

a c

am

isa @

Po

siç

ão

an

gu

lar

30mm / 180°

30mm / 270°

Average at 30mm

30mm / 90°

30mm / 0°





Pouca variação nos parâmetros de rugosidade foi observada antes e após a aplicação do filme o que valida o método de deposição como o último estágio da obtenção do componente não requerendo acabamento posterior. Controles dimensionais como circularidade, cilindricidade, retilineidade e diâmetro interno e externo também foram executados antes e após o processo de deposição apresentando Morfologia do filme foi caracterizada através da analise da secção transversal do filme emmicroscópioeletrônico de varredura (MEV). A figura 4 mostra um resultado representativo da analise por MEV.

Figura 4 – Analise de MEV na seção transversal da camisa revestida com filme DLC. 4. Caracterização de atrito

Corpos de prova de cilindros brunidos com e sem revestimento de DLC foram obtidos das camisas aplicadas em MDP. Segmentos de anel de pistão revestidos com CrN na face de contato foram utilizados como contra corpo. Ambas as amostras são representativas dos componentes aplicados em motor diesel. Elas foram testadas em tribômetro modelo CETR UMT-2 com movimento alternativo deslizante e lubrificação por imersão em óleo com viscosidade SAE30 aquecido a 120 oC. A carga normal, entre anel e cilindro, é aplicada através de um servomecanismode controle e a força de atrito é resultado da carga normal simultâneo ao movimento relativo entre as superfícies. O aparato de teste é mostrado esquematicamente na figura 5.





Figura 5 - Configuração do teste de bancada com movimento alternativo.

O COF foi medido com carregamento normal de 50N, representando pressão nominal da face de contato dos anéis de primeiro canalete de 0,21 MPa. Sete velocidades relativas de deslizamento entre anel e cilindro foram utilizadas para medição do COF: 25, 50, 75, 100, 150, 250 e 375 rpm. Dois ciclos de amaciamento com duração de 2 horas e carregamento normal constante de 360 MPa intermediaram os ciclos de medição do COF.

Com este procedimento de teste é obtido uma curva de atrito similar a curva de Stribeck conforme mostrado na figura 6, amplamente discutida na literatura. Fica evidente a grande diminuição do COF, da ordem de 19%, devido ao filme DLC na superfície da camisa. Este fato é observado em toda faixa de velocidades de deslizamento testado e com a mesma tendência nos dois ciclos de COF, após o primeiro ciclo de amaciamento denominado de 2 h e após o segundo denominado 4 h.

Figura 6 – Atrito para cilindros com e sem revestimento de DLC.

5. Teste de desempenho em motor

A criticidade para os componentes do motor esta atrelado com o regime de operação (velocidades e cargas) assim como pelas características geométricas do motor. Por este





motivo foi selecionado um MDP com elevado carregamento mecânico para as camisas de cilindro para servir como teste de validação dos benefícios do filme DLC. A tabela 2 apresenta as principais características do motor utilizado nos testes em dinamômetro.

Tabela 2 – Dados do motor MDP utilizado nos testes de dinamômetro

Tipo de motor: 6 cilindros em linha

Tipo de combustível: Diesel Máxima pressão de combustão: 22 MPa Taxa de compressão: 18.5 : 1 Deslocamento volumétrico: 12.8 L Diâmetro Cilindro / Curso: 131.0 mm / 158.0 mm Potencia Máxima: 430 kW @ 1800 rpm Torque máximo: 2850 Nm @ 1200 rpm

Foram montados dois motores similares com jogos de camisas distintos, o primeiro com camisas convencionais sem revestimento e o segundo com um jogo de camisas com filme DLC na superfície interna, em ambos os casos se manteve o mesmo padrão de rugosidade da superfície de trabalho nas camisas assim como design do pistão e do pacote de anéis e folgas de montagem.

Cada teste de durabilidade completou 125 h de acordo com um ciclo que cobre nove condições de operação em carga total e parcial. Ao final de cada teste de durabilidade, se levantou uma curva de desempenho do motor na faixa de velocidade de 1000 a 2000 rpm em carga total onde a potencia, o torque e o consumo de combustível foram medidos. Após término da curva de desempenho do motor, as camisas e os respectivos jogos de anéis foram retirados para registro visual e dimensional, focando no desgaste dos componentes.

Para suportar os testes de durabilidade, um dinamômetro equipado com sensor de carga AVL W700 foi utilizado com precisão de medição de 1,5% do valor de medição. O consumo de combustível específico foi controlado pelo equipamento AVL 733S com precisão de medição de 0,1% do valor atual medido.

Verificou-se que tanto as camisas como os anéis de pistão que foram montados na configuração do filme DLC apresentaram menor padrão de desgaste nas regiões de contato. Tal fato pode ser também observado quando se comparou o consumo específico de combustível, conforme apresentado na figura 7, onde a configuração de motor com filme DLC se mostrou mais vantajosa nas condições de baixa velocidade do motor.

Entre 1000 e 1400 rpm não se observou variações da potência e torque, porém foi possível notar uma redução de até 2,5% no consumo de combustível especifico quando o motor trabalhou com cilindro revestidos com filme de DLC.

Entre 1400 e 2000 rpm não se observou significante diferença nos parâmetros de desempenho do motor. Os pequenos desvios observados nas curvas de torque e potência são normais dentro da faixa de operação do motor.





A maior redução de consumo de combustível em baixa velocidade de operação do motor se explica pelo elevado carregamento mecânico (alta pressão na câmara de combustão interna) simultâneo à reduzida velocidade de deslizamento das superfícies deslizantes o que promove regime de lubrificação limítrofe para o filme de óleo. Neste momento as propriedade tribológicas do filme DLC se sobressaem em relação as camisas sem revestimento.

Figura 7 – Resultados comparativos dos testes de motor.

6. Conclusões

O processo de deposição por HCPIIP se mostrou ser um método de deposição eficaz para aplicar filmes DLC na superfície interna da camisa do cilindro, com a vantagem para revestir uma superfície acabada (superfície brunida) sem a necessidade de operações posteriores de acabamento devido a rugosidade original do substrato se manter com as mesmas características.

O DLC apresentou boa aderência sobre o substrato de ferro fundido cinzento, inicialmente





comprovada pela análise metalográfica e posteriormente com a analise visual após os testes de bancada e motor realizados, sem apresentar sinais de delaminação na superfície de contato.

A propriedade de baixo atrito de filmes de DLC foi primeiramente demonstradapor um teste de bancada simplificado que apresentou redução do coeficiente de atrito na ordem de 19% em comparação com camisa do cilindro sem revestimento.

O teste funcional, em motor, mostrou um desempenho superior com a utilização de camisas de cilindro revestidas com DLC, principalmente em velocidades até 1400 rpm, onde o consumo de combustível específico apresentou redução de 2,5%, estando alinhado com as demandas de mercado e meio ambiente que focam em menor consumo de combustíveis fósseis e conseqüentemente menores emissões de gases proveniente de queima de combustíveis.

7. Referências

[1] C. Öner, H. Hazar, M. Nursoy, K. Bobzin, “Surface properties of CrN coated engine cylinders”. Materials and Design 2009;30: 914-920.

[2] D. E. Richardson, “Review of power cylinder friction for diesel engines”. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power – ASME, October, 2000, vol. 122.

[3] E. Tomanik, A. Ferrarese, “Low friction ring pack for gasoline engines”. Proceedings of the ASME ICEF2006-1566, November, 2006, 5th-8th, Sacramento, USA.

[4] J. Jocsak, et al. “The effects of cylinder liner finish on piston ring-pack friction”. ASME paper ICEF2004-952, 2004.

[5] E. Tomanik, “Friction and Wear Bench Tests of Different Engine Liner Surface Finishes”. Tribology International 2008;41(11):1032-8.

[6] R. Morgenstern, W. Kiessling, “Reichstein S., Reduced friction losses and wear by DLC coating of piston pins”. Proceedings of the ASME ICES2008-1650, April, 2008, 27th-30th, Chicago, Illinois, USA.

[7] A. Grill, “Diamond-like carbon: state of the art”, Diamond and Related Materials, 1999;8: 428-434, New York, USA.

[8] R. Schamel et al., “Amorphous Carbon Coatings for Low Friction and Wear in Bucket Tappet Valvetrains”, SAE Paper 970004 (1997).

[9] A. Erdemir et al., “Near-frictionless Carbon Coatings for Use in Fuel Injectors and Pump Systems Operating with Low-sulfur Diesel Fuels”, SAE Paper 2000-01-0518 (2000)

[10] H. Bewilogua, G. Bräuer, A. Dietz, J. Gäbler, G. Goch, B. Karpuschewski, B. Szyszka, “Surface technology for automotive engineering”. CIRP Annals 2009 – Manufacturing Technology 58 (2009) 608-627.

[11] M. Grischke, A. Hieke, F. Morgenweck, H. Dimigen, “Variation of the Wettability of DLC-coatings by Network Modification Using Silicon and Oxygen”. Diamond and Related





Materials (1998) 7:454–458.

[12] H. Maciel S.et al., “Studies of Hollow Cathode Discharges Using Mass Spectrometry and Electrostatic Probe Techniques”, 12th International Congress on Plasma Physics, 25-29 October 2004, Nice (France)

[13] D. Lusk, M. Gore, W. Boardman, T. Casserly, K. Boinapally, M. Oppus, D. Upadhyaya, A. Tudhope, M. Gupta, Y. Cao, S. Lapp, “Thick DLC films deposited by PECVD on the internal surface of cylindrical substrates”. Diamond and Related Materials 8 (1999) 428-434.

[14] S. Uehara, “Overview of the new surface finishings for SI bores”. SAE Paper 2007-01-2823(2007).

8. Definições/Abreviações

COF Coeficiente de atrito

DLC Filme a base de carbono (Diamond-likeCarbon)

HCPIIP Processo de imersão iônica por plasma em catodo oco

MDP Motor diesel pesado

PECVD Processo de deposição química na fase vapor assistida por plasma

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