BRPI0709637A2 - revestimento de cilindro para um motor diesel de combustão interna, e, métodos para inibir fluxo de gás e fluido além de uma porção de uma parede interna de revestimento de cilindro, e para construir um revestimento de cilindro - Google Patents
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Abstract
REVESTIMENTO DE CILINDRO PARA UM MOTOR DIESEL DE COMBUSTãO INTERNA, E, MéTODOS PARA INIBIR FLUXO DE GáS E FLUIDO ALéM DE UMA PORçãO DE UMA PAREDE INTERNA DE REVESTIMENTO DE CILINDRO, E PARA CONSTRUIR UM REVESTIMENTO DE CILINDRO. Um revestimento de cilindro para um motor diesel de combustão interna e método correspondente de construção e método de melhorar o desempenho de motor com o mesmo tem uma parede interna de cilindro provendo um furo se estendendo ao longo de um eixo centra para alternância de um pistão no mesmo. A parede interna tem uma porção inferior axial e uma porção superior axial. A porção inferior tem um primeiro diâmetro abaixo de um ponto-morto-superior e a porção superior tem um segundo diâmetro provido por um material formado como peça única com a parede interna, onde o primeiro diâmetro é maior do que o segundo diâmetro.
Description
"REVESTIMENTO DE CILINDRO PARA UM MOTOR DIESEL DECOMBUSTÃO INTERNA, E, MÉTODOS PARA INIBIR FLUXO DE GÁSE FLUIDO ALÉM DE UMA PORÇÃO DE UMA PAREDE INTERNA DEREVESTIMENTO DE CILINDRO, E PARA CONSTRUIR UMREVESTIMENTO DE CILINDRO"
REFERÊNCIA A PEDIDO RELACIONADO
Este pedido reivindica o benefício do pedido provisório U.S.60/794.363, depositado em 24 de abril de 2006, aqui incorporado em suatotalidade pela referência.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
1. Campo técnico
Esta invenção refere-se geralmente a motores de combustãointerna, e mais particularmente a revestimentos de cilindro para motoresdiesel.
2. Técnica relacionada
Sabe-se que motores diesel consomem quantidadesrelativamente elevadas de óleo, e neste processo, produz emissões de descargaindesejáveis. Por isso, existem esforços contínuos para melhorar odesempenho do consumo de óleo do motor diesel, o que, por sua vez, resultaem emissões de descarga melhoradas. Infelizmente, devido aos materiaisgeralmente usados para revestimentos do cilindro do motor diesel, como ferrofundido e aço, e aos processos de acabamento do furo de cilindro exigidos,como polimento, para alcançar padrões de alto desempenho para o motor,pouco progresso tem sendo feito em relação ao revestimento para melhorar oconsumo de óleo e para reduzir emissões de descarga.
Desse modo, temos uma característica conhecida de projetoque pode ser usada na lateral do revestimento para melhorar o consumo deóleo, e por sua vez, reduzir as emissões de descarga. A característica respondepor diversos nomes, incluindo "anéis de economia", "anéis anti-polimento",anéis de fogo", "anéis anti-arrasto", e "anéis raspadores". Independente donome, a característica é uma faixa anular feita de material apropriado que éintroduzida dentro de um encaixe anular usinado no topo do revestimento docilindro. A faixa anular tem um diâmetro interno provendo uma porçãoressaltada tendo diâmetro ligeiramente menor do que o diâmetro interno dorevestimento do cilindro, com a porção ressaltada ocupando a maior parte dovolume da fenda, onde o volume da fenda é definido por uma parede internado revestimento de cilindro, um anel de topo do pistão e face de topo dopistão.
Desse modo, a porção ressaltada da faixa anular atua paralimpar a face superior do pistão quando o pistão se aproxima de uma posiçãode ponto morto superior (TDC), raspando depósitos da face, às vezes referidocomo polimento do furo. Além disso, a porção ressaltada da faixa atua comouma barreira mecânica para o óleo raspado para cima e o óleo jogado parafora, ambos sendo os principais contribuintes para o consumo de óleo. Assim,a faixa provê resultados benéficos uma vez que reduz o consumo de óleo,reduz emissões de descarga, e igualmente prolonga a vida útil do motor.
Embora as faixas anulares descritas acima sejam benéficas aodesempenho do motor e ao ambiente, elas vêm com um custo. Comoexplicado, elas são construídas como anéis separados de material, e, portanto,não apenas exigem operações de fabricação separadas das do revestimento decilindro, como exigem, igualmente, que o revestimento de cilindro passe poroperações de usinagem secundárias para sua instalação. Além disso, dado anatureza de seu uso, as tolerâncias entre a faixa e o revestimento de cilindroprecisam ser controladas de perto para assegurar o desempenho apropriado domotor. Conseqüentemente, as eficiências da fabricação e da montagem sãoreduzidas com a incorporação das faixas, e assim, o custo para produzirmotores que utilizam as faixas é aumentado.
Um revestimento de cilindro fabricado de acordo com apresente invenção supera ou minimiza extremamente quaisquer limitações datécnica anterior descrita acima, permitindo, desse modo, que motores dieseloperem em um nível aumentado de desempenho, ao reduzir seu consumo deóleo e emissões de descarga, e melhorando sua vida útil, tudo a um custoglobal reduzido.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Um revestimento de cilindro para um motor diesel decombustão interna, fabricado de acordo com a presente invenção, reduzemissões de descarga, melhora o desempenho da operação do motor, eaumenta sua vida útil. O revestimento de cilindro tem uma parede internacilíndrica provendo um furo se estendendo ao longo de um eixo central paraalternância de um pistão no mesmo. A parede interna tem uma porção inferioraxial e uma porção superior axial separadas, uma da outra, por um plano seestendendo transversalmente para o eixo central em uma posição de pontomorto superior de um anel de pistão superior. A porção inferior tem umprimeiro diâmetro abaixo do plano de ponto morto superior e a porçãosuperior tem um segundo diâmetro provido por um material formado comouma única peça com a parede interna, onde o primeiro diâmetro é maior doque o segundo diâmetro. O material do revestimento de cilindro se estendendoradialmente para dentro pode, por exemplo, ser extrusado da parede internapara definir um padrão de picos se estendendo radialmente para dentro e valesse estendendo radialmente para fora, ou pode ser ligado à parede interna,como por revestimento por pulverização, impressão a tela, ou similar, ougravado na parede interna.
Outro aspecto da invenção provê um método para inibir gás efluxo de fluido, axialmente, além de uma porção de uma parede interna dorevestimento de cilindro, onde a parede interna tem uma porção inferioratravés da qual um pistão alterna e, uma porção superior separada axialmenteda porção inferior por uma posição de ponto morto superior de um anel depistão de topo. O método inclui a formação de uma superfície de materialsobre pelo menos uma porção da porção superior, onde a superfície domaterial se estende radialmente para dentro da porção inferior para inibir,desse modo, o gás e o fluxo de fluido.
O método, entre, outras coisas, pode incluir formar a superfíciedo material, por exemplo, extrusando material da parede interna, ligando umacamada de material à parede interna, como por revestimento por pulverizaçãoda superfície do material na parede interna, ou imprimindo à tela a superfíciedo material na parede interna, ou gravando a parede interna para formar asuperfície do material.
Ainda outro aspecto da invenção provê um método deconstruir um revestimento de cilindro. O método inclui a formação de umfuro tendo uma parede interna em um bloco de cilindro. A parede interna éformada se estendendo ao longo de um eixo central e tem uma porção inferioraxial com um primeiro diâmetro para alternância de um pistão na mesma euma porção superior axial, separada da mencionada porção inferior, por umplano se estendendo transversalmente ao eixo central em uma posição deponto morto superior de um anel de pistão superior. O método adicionalmenteinclui formar uma superfície de material sobre a porção superior de modo quea superfície de material tenha um segundo diâmetro que seja reduzido a partirdo primeiro diâmetro.
Conseqüentemente, os revestimentos de cilindro produzidos deacordo com a invenção, são úteis para inibir o fluxo de óleo e gases para forado furo do cilindro via emissões de descarga, enquanto, igualmente, reduzema taxa de consumo de óleo e estendem a vida útil do motor. Além disso, osrevestimentos de cilindro são de fabricação, montagem e uso econômicos.Conseqüentemente, o custo total para implementar um mecanismo parareduzir o consumo de óleo e emissões de descarga, e aumentar a vida útil domotor, é reduzido.DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
Estes e outros aspectos, características e vantagens se tornarãoprontamente aparentes àqueles experientes na técnica em vista da seguintedescrição detalhada das melhores maneiras e modos de realizaçãopresentemente preferidos, reivindicações anexas, e desenhos deacompanhamento, nos quais:
Figura 1 é uma vista em seção transversal de um revestimentode cilindro construído de acordo com um modo de realização presentementepreferido da invenção com um pistão mostrado na mesma em uma posição deponto morto superior;
Figura 2 é uma vista fragmentada ampliada da área envolta emcírculo da Figura 1 mostrada em um estado de uso inicial; e
Figura 3 é uma vista similar à Figura 2 mostrada
DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODOS DE REALIZAÇÃO
PREFERIDOS
Com referência mais detalhada aos desenhos, a fig. 1 ilustraum revestimento de cilindro 10 construído de acordo com o presentementemodo de realização preferido da invenção, disposto em um bloco de cilindro12 de um motor diesel. O revestimento de cilindro 10 tem um corpo 14 comuma parede interna cilíndrica 16 definindo um furo de cilindro 18 paraalternância de um pistão 20 ao longo de um eixo central 21 do mesmo. Opistão 20 tem, tipicamente, pelo menos uma ranhura de anel anular 22 para arecepção flutuante de um anel de pistão, onde um anel de pistão mais superiorde topo 24 facilita a guia do pistão 20 durante a alternância, enquanto tambéminibe a passagem ascendente de óleo proveniente da parte baixa do pistão 20.A fig. 1 mostra o pistão 20 em uma posição de ponto-morto-superior (TDC,em inglês), com o anel de pistão de topo 24 tendo uma superfície superior 26(figs. 2 e 3) coincidente com uma linha de TDC anular imaginária ou plano 28que se estende, geralmente, transversalmente ao eixo central 21 ao redor daparede interna 16. O plano de TDC 28 separa duas porções do furo de cilindro18, com uma porção inferior 30 tendo um primeiro diâmetro D definidoabaixo do plano TDC 28, através do qual o pistão alterna, e uma porçãosuperior 32 tendo um segundo diâmetro dl definido acima do plano TDC. Aporção superior 32 inclui um material 34 que pode ser formado como umapeça monolítica com a parede interna 16. O material 34 se estenderadialmente para dentro, em direção ao eixo centra 21 do furo de cilindro 18em relação a um diâmetro interno D da superfície 16 da porção inferior 30.
O material 34 inibe, desse modo, o fluxo de fluido e gases,reduzindo, assim, a quantidade de óleo expelida via escape de óleo para cima(resultante de óleo acima do anel de pistão mais superior ser expelido paracima pelo pistão 20 e/ou anel de pistão 24 durante um curso ascendente dopistão), para as emissões de descarga, enquanto também atua para prover umlabirinto para os gases de combustão fluindo para o anel de pistão maissuperior 24. Conseqüentemente, qualquer formação localizada de lubrificaçãooxidada fica inibida de se acumular nas costas da ranhura de anel de pistão22, que, por sua vez, atua para impedir uma condição conhecida como"carbonização" dos anéis 24, ou "emperramento" dos anéis 24. Além disso, omaterial 34 atua para remover ou raspar acúmulo de carvão de uma porção deelevação de superfície 26 do pistão 20, onde a porção elevada superior 36 édefinida geralmente entre o anel mais superior 24 e uma coroa 38 do pistão20. Isto é particularmente verdadeiro após algum uso do motor, onde umaquantidade desejável de acúmulo de carbono (fig. 3, mostrando acúmulo noplano de frente, como plano de fundo mostrado sem acúmulo para finsilustrativos apenas)formou-se no material 34. Conseqüentemente, orevestimento de cilindro 10 provê um mecanismo custo-efetivo pelo qualreduz as emissões de descarga, melhora o consumo de óleo e estende a vidaútil do motor.
O material 34 sobre a porção superior 32 do revestimento 10 é,de preferência, formado para prover um espaçamento radial a frio ® com asuperfície superior 36 do pistão 20, até cerca de O5IOOmm de profundidade.
Geralmente, o material 34 é formado para o menor diâmetro interno dl sobrepelo menos uma seção da porção superior 32, por cerca de 0,5-1,5% emrelação ao diâmetro interno D da porção inferior 30. A largura (w) do material34 se estende axialmente ao longo do eixo central 21, e pode ser variada emcomprimento de cobertura, conforme desejado, porém, estendendo-se parauma área da porção superior do cilindro 32 imediatamente adjacente ao planoTDC imaginário 28. Desse modo, a raspagem da superfície superior 36 dopistão 20 é facilitada no uso, conforme mostrado na fíg. 3.
O revestimento de cilindro 10, com o material 34 formadosobre a porção superior 32, pode se adicionalmente processado, comousinado, tratado a quente, seja endurecido com revestimento ou totalmenteendurecido, sem dificuldades adicionais. Entretanto, dado que o diâmetrointerno dl da porção superior 32 é menor do que o diâmetro interno D daporção inferior 30, é geralmente preferido, e em alguns casos necessário paraa montagem do pistão 20, com anéis 24 montados sobre o mesmo, norevestimento de cilindro 10 a partir de seu lado de baixo, com o pistão 20sendo ligado à haste de conexão (não mostrada), antes da montagem do blocode cilindro 12 ao bloco do motor.O material 34 estendendo-se radialmentepara dentro da parede interna 16 pode ser formado por um ou diversosmecanismos. Por exemplo, o material 34 pode ser formado em um processode extrusão no qual o material da parede interna 16 é extrusado ou serrilhadodo material do revestimento de cilindro para produzir picos 40 (fígs. 2 e 3) seestendendo radialmente para dentro em relação ao diâmetro interno D daporção inferior 30 por uma distância predeterminada P, de modo que os picos40 definam o segundo diâmetro dl, e vales se estendendo radialmente parafora em relação ao diâmetro interno D da porção inferior 30 por uma distânciapredeterminada V para definir um terceiro diâmetro d2. Com esta construçãodo material 34, o diâmetro D da porção inferior 30 é maior do que o diâmetrodl dos picos 40 e o diâmetro d2 dos vales 42 é maior do que o diâmetro D daporção inferior 30. De preferência, um padrão uniforme dos picos 40 e vales42 é formado, como em um padrão losangular ou hachurado transversalmente,por exemplo. Além de extrusado, o material 34 pode ser plasticamenteformado, utilizando-se outros processos de formação de material, comoestampagem ou jateamento de mídia, por exemplo. Deve ser reconhecido quemascaramento pode ser usado para impedir formação de material sobre asuperfície interna da porção inferior 30, e assim, a formação de material 34pode ser restrita à porção superior 32 da parede interna 16. Deve serreconhecido também que, em adição à formação de material 34 como umapeça monolítica com a superfície superior 32, o material 34 pode ser formadopela união de uma camada de material adicional como peça única com aparede interna 16, seja por impressão serigráfica ou revestimento por spray,por exemplo. Além disso, deve ser reconhecido que quando um materialseparado é aplicado à parede interna 16, o material 34 pode se selecionado deum material adequado para suportar o ambiente operacional do motor. Devese reconhecido ainda que, a despeito de como o material se estendendoradialmente para dentro 34 seja formado, que ele deverá ser preferencialmente formado de acordo com os parâmetros de espaçamento radial a frioapresentados acima.
No uso, o material 34 formado sobre a superfície superior 32atua para beneficiar a operação do motor de vários modos. Inicialmente, omaterial 32 provê um labirinto para inibir o fluxo descendente de gasescombustão quentes e fluido em direção ao anel de pistão mais superior 24 eranhura 22. Desse modo, o ingresso de gases e fluido quente provenientes dacâmara de combustão além do anel de pistão mais superior 24 é inibida,retardando, desse modo, a oxidação loca de lubrificante e diminuindo aformação de carvão dentro e sobre o lado de trás da ranhura 22, promovendo,assim, o funcionamento apropriado dos anéis de pistão 24. Comomencionado, isto atua para reduzir a probabilidade de emperramento de anele. assim, a vida útil, e eficiência do motor entre reparos é realçada.
Com a continuidade do uso do motor ao longo do tempo, omaterial se estendendo radialmente para dentro 34 atua para atrair e acumularuma quantidade desejada de acumulação (figura 3), como depósitos decarbono 44, no mesmo. A acumulação começa com o óleo sendo depositadosobre a superfície do material 34, onde a coesão do óleo sobre a superfície érealçada pela geometria ondulada dos picos 40 e vales 42, sobre a qual o óleoé oxidado para começar a formar as camadas dos depósitos de carbono 44. Aacumulação dos depósitos de carbono 44 serve como uma barreira mecânicapara a penetração descendente do gás, enquanto atua igualmente como umabarreira ao arrasto ascendente e lançamento do óleo para fora. A quantidadedo acúmulo de carbono 44 é auto-regulada em conseqüência de uma bordasuperior 46 da face do topo do pistão 36 que raspa para longe qualquerexcesso de acumulação durante um curso ascendente do pistão 20.
Conseqüentemente, qualquer carbono, raspado para fora seráconsumido/queimado durante a combustão ou descarregado durante o cursode descarga. Dado as quantidades mínimas de formação do carbono por ciclotermodinâmico do motor, qualquer excesso é facilmente processado econsumido pelo motor próprio.
A barreira mecânica 44 formada pelo acúmulo de carbono, queé facilitado pelo material 34, executa, assim, pelo menos dois papéisimportantes para aumentar o desempenho da operação do motor. Primeiro,inibe a penetração de gás e fluido para baixo, e em segundo, inibe a raspagemdo óleo para cima e seu lançamento para fora. O primeiro dos quais atua paraaumentar a vida útil do motor, impedindo o início do alçamento e aderênciado anel enquanto o segundo atua para melhorar o consumo de óleo do motor ereduzir as emissões de descarga.Conseqüentemente, um revestimento de cilindro 10 construídodentro do escopo da presente invenção, como definido pelas reivindicações,provê pelo menos os benefícios das faixas discutidas na seção fundamento,acima, as quais, como mencionado, exigem usinagem complexa e precisa einstalação secundária, sem ter que incorrer nos aspectos negativos associadosa ela. Além disso, acredita-se que a vida útil do motor entre manutençõespode ser ainda mais realçada em relação à vida útil atingível com o uso dasfaixas acima mencionadas. Também, revestimentos de cilindro de qualquertamanho e espessura podem se beneficiar desta invenção, ao contrário do usode faixas separadas, que exigem que os revestimentos de cilindro sejam deespessura apropriada para formar as ranhuras ou encaixes se estendendoradialmente para fora para recebimento do mesmo.
Deve ser compreendido que outros modos de realização dainvenção que realizem a mesma função estão aqui incorporados dentro doescopo de quaisquer reivindicações de patentes finalmente permitidas.
Claims (22)
1. Revestimento de cilindro para um motor diesel decombustão interna, caracterizado pelo fato de compreender:uma parede interna cilíndrica provendo um furo se estendendoao longo de um eixo central para alternância de um pistão no mesmo, amencionada parede interna tendo uma porção inferior axial e uma porçãosuperior axial, separadas uma da outra por um plano se estendendotransversalmente para o mencionado eixo central em uma posição de pontomorto superior de um anel de pistão superior, a mencionada porção inferiortendo um primeiro diâmetro abaixo do mencionado plano e a mencionadaporção superior tendo um segundo diâmetro definido por um materialformado em peça única com a mencionada parede interna, o mencionadoprimeiro diâmetro definido por um material formado como peça única com amencionada parede interna, o mencionado primeiro diâmetro sendo maior doque o mencionado segundo diâmetro.
2. Revestimento de cilindro de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato do mencionado material ser material extrusado damencionada parede interna.
3. Revestimento de cilindro de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato do mencionado material extrusado definir um padrãode picos se estendendo radialmente para dentro e vales se estendendoradialmente para fora.
4. Revestimento de cilindro de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato dos mencionados picos definirem o mencionadosegundo diâmetro e os mencionados vales definirem um terceiro diâmetro, omencionado terceiro diâmetro sendo maior do que o mencionado primeirodiâmetro.
5. Revestimento de cilindro de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato do mencionado padrão ter, geralmente, forma delosango.
6. Revestimento de cilindro de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato do mencionado material ser unido à mencionadaparede interna.
7. Revestimento de cilindro de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato do mencionado segundo diâmetro ser reduzido domencionado primeiro diâmetro por cerca de 0,5 a 1,5 porcento.
8. Método para inibir fluxo de gás e fluido além de uma porçãode uma parede interna de revestimento de cilindro, em que a parede internatem uma porção inferior através da qual um pistão alterna e uma porçãosuperior separada axialmente da porção inferior por um ponto-morto-superiorde um anel de pistão de topo, caracterizado pelo fato de compreender:formar uma superfície de material sobre pelo menos umaporção da porção superior, a mencionada superfície de material se estendendoradialmente para dentro da porção inferior para, desse modo, inibir fluxo degás e fluido.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de incluir adicionalmente a formação da mencionada superfície dematerial pela extrusão do material da parede interna.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação de um padrão uniforme nasuperfície do material.
11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação de uma pluralidade de picos seestendendo radialmente para dentro em relação à mencionada porção inferiorna etapa de extrusão.
12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação de uma pluralidade de vales seestendendo radialmente para fora em relação à mencionada porção inferior naetapa de extrusão.
13. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação da mencionada superfície dematerial pela união de uma camada de material à parede interna.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente revestir por aspersão a mencionadacamada de material na parede interna.
15. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente impressão serigráfica da mencionadacamada de material na parede interna.
16. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a gravação em relevo da parede internapara formar a mencionada superfície de material.
17. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente prover a porção inferior com um primeirodiâmetro e formar a mencionada superfície de material tendo um segundodiâmetro menor do que o mencionado primeiro diâmetro por cerca de 0,5 a-1,5 porcento.
18. Método para construir um revestimento de cilindro,caracterizado pelo fato de compreender:formar um furo em um bloco de cilindro, o me furo tendo umaparede interna se estendendo ao longo de um eixo central, a mencionadaparede interna tendo uma porção inferior axial com um primeiro diâmetropara alternância de um pistão na mesma e uma porção superior axial separadada mencionada porção inferior por um plano se estendendo transversalmentepara o mencionado eixo centra em uma posição de ponto morto superior deum anel de pistão superior; eformar uma superfície de material sobre a mencionada porçãosuperior, a mencionada superfície de material tendo um segundo diâmetromenor do que o mencionado primeiro diâmetro.
19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação da mencionada superfície dematerial pela extrusão da parede interna do material de bloco de cilindro.
20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação de uma pluralidade de picos seestendendo radialmente para dentro em relação à mencionada porção inferiore uma pluralidade de vales se estendendo radialmente para fora em relação àmencionada porção inferior na etapa de extrusão.
21. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação da mencionada superfície dematerial pela união de uma camada de material à parede interna.
22. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de incluir adicionalmente a formação do mencionado segundodiâmetro tendo um diâmetro menor do que o mencionado primeiro diâmetropor cerca de 0,5 a 1,5 porcento.
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