WO2014107780A1

WO2014107780A1 - Anel de pistão para uso em motores de combustão interna e processo de fabricação de anel de pistão

Info

Publication number: WO2014107780A1
Application number: PCT/BR2014/000001
Authority: WO
Inventors: Davi Antônio DA SILVA
Original assignee: Mahle Metal Leve SA; Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle Metal Leve SA; Mahle International GmbH
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2015-07-11
Also published as: BR102013000809A2; DE112014000402T5

Abstract

A presente invenção refere-se a um anel de pistão (A) para uso em motores de combustão interna, dotado de um corpo anelar definindo uma superfície lateral externa (1) que desliza em relação à parede de um cilindro e que compreende pelo menos uma primeira porção de rebaixo (2) anelar e uma segunda porção, não rebaixada (3), onde a primeira porção de rebaixo (2) recebe pelo menos uma camada de revestimento (4) depositada de forma a atingir a altura da segunda porção não rebaixada (3), definindo uma superfície de contato (5). Descreve-se ainda o processo de fabricação do anel de pistão (A).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE PISTÃO PARA USO EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA E PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE ANEL DE PISTÃO".

A presente invenção refere-se a um anel de pistão para uso em motores de combustão interna dotado de aplicação de um revestimento em apenas parte de sua superfície lateral externa, de maneira que ao menos a porção inferior do anel (ou seja, aquela voltada para o lado do virabrequim) não receba nenhum tipo de revestimento análogo ao aplicado no restante.

A presente invenção refere-se ainda a um processo de fabricação desse anel de pistão.

Descrição do estado da técnica

Os motores de combustão interna dotados de pistões de movimento reciprocante, como os motores que operam segundo os ciclos Otto e Diesel, possuem pelo menos dois anéis dispostos concentricamente ao(s) pistão(ões) de forma a garantir a vedação da câmara de combustão, garantindo a queima da mistura ar/combustível e evitando a queima indesejada de óleo lubrificante. Na imensa maioria dos casos, utilizam-se três anéis, sendo o anel de compressão (o mais próximo da câmara de combustão, ou seja, da porção superior do cilindro), o anel de segundo canalete e o anel raspador de óleo.

O anel de compressão, que é o objeto da presente invenção, tem a função precípua de evitar o vazamento da mistura ar/combustível para fora da câmara de combustão, o que tende a ocorrer sobretudo nos tempos de compressão e explosão do motor.

Para possibilitar o correto funcionamento de um anel de compressão ao longo dos milhões ou bilhões de rotações de um motor, ele possui um revestimento em sua superfície lateral externa, voltada para a parede do cilindro. Esse revestimento tem propriedades de dureza e tenacidade que, concomitantemente, buscam garantir ao anel durabilidade e elasticidade sob as mais variadas situações de funcionamento do motor.

Entretanto, descobriu-se que o melhor desempenho do anel de compressão é alcançado quando sua porção inferior, ou seja, aquela volta- da para o lado do virabrequim, não recebe nenhum tipo de revestimento análogo ao aplicado no restante de sua superfície lateral externa. A partir dessa constatação, uma importante solução tecnológica para a fabricação de um anel de compressão assim constituído foi desenvolvida e revelada na patente US 7.871.078.

Em essência, esse documento de técnica anterior refere-se a um anel de pistão cujo perfil da superfície deslizante compreende um revestimento aplicado por deposição física de vapor. Durante a fabricação do anel, a superfície deslizante é dotada de uma porção protuberante que, assim como o restante, recebe a aplicação do aludido revestimento. Ocorre que a porção protuberante tem altura superior à da camada de revestimento aplicada e, posteriormente à aplicação do revestimento, ela é retirada até que a altura da região que ela ocupava seja a mesma do restante da porção lateral do anel incluindo o revestimento aplicado.

Tem-se, assim, uma superfície deslizante com aplicação de revestimento com exceção da porção onde havia a projeção, e que se tornou a porção inferior da superfície lateral. Uma ilustração exemplificativa do anel de pistão revelado na patente norte-americana pode ser encontrado na figura 1 anexa à presente.

Ainda que essa solução seja absolutamente funcional e resulte no anel de pistão desejado, ela apresenta alguns inconvenientes de ordem técnica, como o desperdício do material de revestimento aplicado à porção protuberante (que é descartada durante o processo produtivo) e também a dificuldade de se garantir a planicidade da superfície de deslizamento sem a necessidade de se remover, ainda que pouco, parte do revestimento, dada a remoção prévia da porção protuberante.

Até o momento, não havia sido desenvolvida uma tecnologia que proporcionasse um anel de pistão cuja superfície lateral externa não possuísse revestimento ao menos em sua extremidade inferior e cujo processo de fabricação não incorresse nos inconvenientes acima mencionados.

Objetivos da invenção

A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, ideali- zado para uso em motores de combustão interna, que apresenta uma porção lateral externa (ou seja, voltada para a parede do cilindro) que não seja dotada de revestimento ao menos em sua extremidade inferior.

A presente invenção tem por objetivo também um anel de pistão que, descrevendo mais particularmente, seja um anel de compressão e apresenta porção externa lateral com revestimento aplicado por deposição física de vapor com exceção da porção inferior, que não apresenta o revestimento.

Ainda, a presente invenção tem por objetivo 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 em motores de combustão interna, dotado de um corpo anelar definindo uma superfície lateral externa que desliza em relação à parede de um cilindro e compreende pelo menos uma primeira porção de rebaixo anelar e uma segunda porção, não rebaixada, onde a primeira porção de rebaixo recebe pelo menos uma camada de revestimento depositada de forma a atingir a altura da segunda porção não rebaixada, definindo uma superfície de contato.

Também, os objetivos da presente invenção são alcançados por um processo de fabricação de anel de pistão, particularmente um anel de pistão tal e qual definido acima, que compreende as seguintes etapas:

(i) obtenção de um corpo anelar definindo uma superfície lateral externa que desliza em relação à parede de um cilindro;

(ii) aplicação de pelo menos uma película repelente em pelo menos parte da superfície lateral externa;

(iii) realização de um rebaixo anelar definindo uma primeira porção de rebaixo e uma segunda porção, não rebaixada; e

(iv) aplicação de pelo menos uma camada revestimento depositada na primeira porção de rebaixo.

Descrição resumida dos desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des- crita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - é uma vista esquemática de um anel de pistão fabricado de acordo com os ensinamentos da patente US 7.871.078 pertencente ao estado da técnica.

Figura 2 - é uma vista esquemática do processo de fabricação de uma primeira variação configurativa do anel de pistão de acordo com os ensinamentos da presente invenção.

Figura 3 - é uma vista esquemática do processo de fabricação de uma segunda variação configurativa do anel de pistão de acordo com os ensinamentos da presente invenção.

Descrição detalhada das figuras

Como pode ser visto nas figuras 2 e 3, a presente invenção refe- re-se a um anel de pistão A para uso em motores de combustão interna dotado de aplicação de um revestimento em apenas parte de sua superfície lateral extrema, de maneira que ao menos a porção inferior do anel não receba nenhum tipo de revestimento análogo ao aplicado.

De maneira preferível, o anel A possui a configuração de um anel de compressão ou de primeiro canalete, mas alternativamente ele pode apresentar a configuração de um anel de segundo canalete ou de um anel raspador de óleo, estando ainda assim incluído no escopo de proteção das reivindicações apensas.

Qualquer que seja sua configuração específica, o anel de pistão A objeto da presente invenção é dotado de um corpo anelar definindo uma superfície lateral externa 1 que desliza em relação à parede de um cilindro quando está montado no pistão no interior de um cilindro. A superfície lateral externa 1 compreende pelo menos uma primeira porção de rebaixo 2 anelar e uma segunda porção, não rebaixada 3.

Conforme pode ser visto na figura 2, a primeira porção de rebaixo 2 anelar é efetuada em toda a superfície lateral externa 1 do anel com exceção de sua extremidade inferior 7, de maneira a definir, ao lado dela, a aludida segunda porção 3, não rebaixada. Em outras palavras, a primeira porção de rebaixo 2 faz com que a segunda porção 3, não rebaixada, assuma a forma de uma protuberância anelar, definindo o diâmetro máximo do anel de pistão.

A primeira porção de rebaixo 2 é efetuada por qualquer ferramenta/processo de conformação mecânica necessário ou desejável, sendo que a escolha de uma dada técnica para sua realização é indiferente para a definição do escopo de proteção da invenção.

Previamente à realização do rebaixo anelar que define a primeira porção 2, aplica-se uma película repelente 6, com o intuito de evitar que o revestimento adira por sobre ela. A película repelente 6 é aplicada em toda a superfície lateral externa 1 ou ao menos em parte dela, na parte que, após a realização do rebaixo anelar, configurará a segunda porção, não rebaixada, 3.

Como parte do material do corpo do anel foi removido, definindo a primeira porção 2, a película repelente 6 que havia sido depositada naquela região não existe mais, restando película somente na segunda porção, não rebaixada 3, que não sofreu nenhuma operação de conformação mecânica.

Tendo sido efetuado o rebaixo anelar, ou seja, compreendendo a superfície lateral externa 1 a primeira porção de rebaixo 2 anelar e a segunda porção, não rebaixada 3, passa-se à aplicação de uma camada de revestimento 4, importante para que o anel de pistão apresente durabilidade e conformabilidade, por milhões de ciclos, quando da operação do motor de combustão interna com ele equipado.

A primeira porção de rebaixo 2 recebe pelo menos uma camada de revestimento 4 depositada de forma a atingir a altura da segunda porção não rebaixada 3, definindo uma superfície de contato 5.

De maneira preferível mas não obrigatória, a camada de revestimento 4 é depositada/aplicada pelo processo de deposição física de vapor (PVD). Embora ela seja aplicada a toda a superfície lateral externa 1 do anel, ela não aderirá à segunda porção, não rebaixada, eis que lá há a película repelente 6. Assim, a camada de revestimento somente será efetiva- mente depositada na primeira porção de rebaixo 2, e o será até atingir a altura da segunda porção não rebaixada 3, frise-se, para definir uma superfície de contato 5.

De maneira ainda mais preferível, a camada de revestimento 4 é composta por um material cerâmico como nitreto de cromo (CrN), muito embora possa variar livremente sem que a invenção resultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações. A fim de possibilitar que a camada de revestimento 4 não adira à segunda porção não rebaixada 3, a película repelente 6 é composta por nitreto de Boro, mas é evidente que pode variar, sendo que a única exigência é que ela efetivamente funcione como repelente, impedindo a deposição da camada de revestimento 4 na segunda porção não rebaixada. Analogamente, a película 6 pode ser aplicada por qualquer processo necessário ou desejável.

Como a camada de revestimento 4 é depositada até que atinja a altura da segunda porção não rebaixada 3, definindo uma superfície de contato 5, não é necessária nenhuma etapa drástica de conformação mecânica como era necessário nos anéis do estado da técnica, o que torna a fabricação de um anel de acordo com os ensinamentos da presente invenção mais fácil e económico.

Pode-se, caso necessário ou desejável, remover a película repelente 6 presente na porção não rebaixada 3 após a deposição da camada de revestimento 4, em uma operação de acabamento superficial leve, mas isso é feito por meio de uma operação simples de brushing, não sendo necessária a realização de procedimentos mais complexos e custosos como usina- gem, retífica ou lapidação.

Ainda que a concretização preferível da presente invenção apresente a porção não rebaixada 3 como aquela que define a porção inferior da superfície lateral externa 1 do anel, pode-se conceber um anel A de acordo com os ensinamentos da presente invenção no qual há duas porções 3 não rebaixadas, respectivamente definindo porções inferior e superior da superfície lateral 1 , de maneira a definirem, entre si, uma primeira porção de rebaixo 2 à qual o revestimento é aplicado. Essa variação configurativa está ilustrada na figura 3.

É ainda uma invenção nova e dotada de atividade inventiva o processo de fabricação do anel de pistão A ora descrito e definido. Em essência, o processo de fabricação do anel compreende as seguintes etapas:

(i) obtenção de um corpo anelar definindo uma superfície lateral externa 1 que desliza em relação à parede de um cilindro, por qualquer modo de conformação necessário ou desejável;

(ii) aplicação de pelo menos uma película repelente 6 em pelo menos parte da superfície lateral externa 1 ;

(iii) realização de um rebaixo anelar definindo uma primeira porção de rebaixo 2 e uma segunda porção, não rebaixada 3; e

(iv) aplicação de pelo menos uma camada revestimento 4 depositada na primeira porção de rebaixo 2.

A etapa (ii) compreende a aplicação de uma película repelente 6 que, como mencionado anteriormente, apresenta constituição preferível de nitreto de boro, muito embora possa variar livremente.

Também conforme comentado anteriormente, na etapa (iii), o rebaixo anelar que define a primeira porção de rebaixo 2 é efetuado em toda a superfície lateral externa 1 com exceção de sua extremidade inferior 7.

Cumpre ainda notar que, na etapa (iv), a camada revestimento é aplicada pelo processo de deposição física de vapor (PVD) e composta por um material cerâmico como nitreto de cromo (CrN).

Opcionalmente, é provida ainda uma etapa (v), de acabamento superficial leve para remoção da película repelente 6.

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 em motores de combustão interna, dotado de um corpo anelar definindo uma superfície lateral externa (1) que desliza em relação à parede de um cilindro, caracterizado pelo fato de que a superfície lateral externa (1) compreende pelo menos uma primeira porção de rebaixo (2) anelar e uma segunda porção, não rebaixada (3), onde a primeira porção de rebaixo (2) recebe pelo menos uma camada de revestimento (4) depositada de forma a atingir a altura da segunda porção não rebaixada (3), definindo uma superfície de contato (5).

2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (4) depositada na primeira porção de rebaixo (2) é aplicada pelo processo de deposição física de vapor (PVD).

3. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (4) é composta por um material cerâmico como nitreto de cromo (CrN).

4. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 , 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a segunda porção (3), não rebaixada, sofre uma operação de acabamento superficial leve para remoção de uma película repelente (6).

5. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 , 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a segunda porção (3), não rebaixada, não sofre nenhuma operação de acabamento superficial.

6. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 , 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a segunda porção, não rebaixada (3), define a extremidade inferior (7).

7. Processo de fabricação de anel de pistão, particularmente um anel de pistão tal como definido nas reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:

(i) obtenção de um corpo anelar definindo uma superfície lateral externa (1) que desliza em relação à parede de um cilindro;

(ii) aplicação de pelo menos uma película repelente (6) em pelo menos parte da superfície lateral externa (1);

(iii) realização de um rebaixo anelar definindo uma primeira porção de rebaixo (2) e uma segunda porção, não rebaixada (3); e

(iv) aplicação de pelo menos uma camada revestimento (4) depositada na primeira porção de rebaixo (2).

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a etapa (ii) compreende a aplicação de uma película repelente (6) à base de nitreto de boro.

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a película repelente (6) é aplicada a toda a superfície lateral externa (1).

10. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que, na etapa (iii), o rebaixo anelar que define a primeira porção de rebaixo (2) é efetuado em toda a superfície lateral externa (1) com exce- ção de sua extremidade inferior (7).

11. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que, na etapa (iv), a camada revestimento é aplicada pelo processo de deposição física de vapor (PVD) e composta por um material cerâmico como nitreto de cromo (CrN).

12. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma etapa (v) de acabamento superficial leve para remoção da película repelente (6).