ANÉIS DE PISTÃO DE BAIXO ATRITO

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 CO2, 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 CO2 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 10% 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, 100% 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
carregamento. A Fig. 1 mostra a distribuição de energia em um motor 2.0L Otto em
plena carga a 5000 rpm.
100 % = total energy input
100 % = 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
2000 rpm [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 50N. O curso do movimento alternativo foi de 10mm e os corpos
extraídos do cilindro eram imersos em óleo classe SAE 30 em temperatura
ambiente. Um estudo prévio similar, porém mais detalhado, é descrito em [5].
Limit
Friction Coefficient
0.4
0.3
Hydrodynamic
Mixed
0.2
Total
0.1
Asperity
Contact
Hydrodynamic
0
0
1
2
3
4
5
Film Parameter (Λ ou t)
6
7
8
9
10
Surface separation
= combined roughness
Fig.3- Curva de Stribeck.
Rq [µm]
Rpk [µm]
Rk [µm]
Rvk [µm]
Brunimento Brunimento
Plateau
Slide
0.84
0.49
0.25
0.28
0.74
0.39
1.85
1.47
Plateau Honing
0.12
Experimental Friction Coef.
Slide Honing
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
50
100
150
200
250
300
350
400
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 40% 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 0.6 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].
1.2
Baseline
2.0 mm
Conformability (k)
1.0
Low Width
1.5 mm
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
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. 6.
50
45
2.0 mm 3-piece OCR
40
1.5 mm 3-piece OCR
Ft (N)
35
30
25
20
15
10
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
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: 1500 rpm com valores de
BMEP (representação do carregamento do motor) de 380, 500 e 630 kPa; 2500 rpm
com BMEP 500 kPa e a 2500 rpm com BMEP de 500 kPa.
Tabela 1- Características do Dispositivo de Camisa Flutuante (Floating Liner)
Tipo de motor
Mono-cilíndrico, 4
tempos, Otto
Volume (litros)
0,499
Diâmetro x Curso (mm)
86 x 86
Taxa de Compressão
10 : 1
Razão de Biela /
3,5
Manivela (L/R)
Condições de
1500 rpm @ 380, 500,
Operação
630 kPa
(Rotação e BMEP)
2000 rpm @ 500 kPa
2500 rpm @ 500 kPa
Tipo de Óleo
SAE 5W-30 SL/GF-3
class
Temp. Cilindro [ºC]
100 (no meio do curso)
Temp. Óleo [ºC]
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 1,0mm. O mesmo cilindro
foi usado para todos os testes. O cilindro foi rodado por 10h 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 1500
rpm, BMEP= 380 kPa.
6
Friction Force [ ]
75
Ｎ 50
4
25
0
-25
2
-50
-75
-100
-360
-180
0
180
Cylinder Pressure [MPa]
100
0
360
Crank Angle [deg.]
Fig.8- Medição típica a 1500 rpm, BMEP= 380 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/ 2,0mm) 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 FMEP
Atrito
[kPa]
[kPa]
%
380
15.3
4.0
1500
500
16.1
3.2
630
17.4
2.0
2000
500
16.6
3.3
2500
500
19.5
3.9
5. Força dos anéis controladores de óleo
A Figura 9 compara anéis de óleo 3-peças com pressões 0,6 e 0,8 MPa, forças
iguais a 27,3 e 32,3 N, respectivamente. As figuras apresentam a medição da força
de atrito a 1500 rpm, 380 kPa e a FMEP para 5 condições de teste. O pacote de
anéis com anéis de 0,6 MPa de pressão apresentaram cerca de 32% de redução de
atrito a 1500 rpm e 21% a 2500 rpm.
P0= 0.8 MPa
P0= 0.6 MPa
BMEP (kPa) 380
speed (rpm)
500
1500
630
500
500
2000
2500
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 40% maior que o anel de 2,0mm de altura, mesmo com uma força
25% menor.
Veja a tabela a seguir. O atrito do pacote de anéis com alturas 1,2/1,2/2,0mm foi
comparado ao atrito de um pacote com alturas 1,0/1,0/1,5 mm.
Tabela 3 – Características dos pacotes de anéis
1,2/1,2/2,0 mm
1.0/1.0/1.5 mm
1,2 mm Nitretado (GNS) 1,0 mm GNS
Face Abaulada
Face Abaulada Simétrica
Assimétrica
Força= 6,6 N
Força= 8,9 N
1,2 mm Face Cônica
1,0 mm Face Cônica
Ferro Fundido Cinzento Ferro Fundido Nodular
Força= 8,2 N
Força= 7,0 N
1.0
2.0
3.0
2,0 mm
3-peças GNS
P0= 1,0 MPa
Força= 33,3 N
1,5 mm
3-peças GNS
P0= 0,6 MPa
Força= 15,7 N
Σ Força
50,4 N
29,3 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. 10. 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.
1.2/1.2/2.0 mm Ring Pack
1.0/1.0/1.5 mm Ring Pack
Friction Force (N)
120
80
40
0
-40
-80
-120
-360
-270
1500 rpm, 380 kPa
-180
-90
0
90
180
270
360
Crank Angle (degrees)
22
FMEP [kPa]
20
18
16
14
12
1.2/1.2/2.0 mm Ring Pack
10
1.0/1.0/1.5 mm Ring Pack
8
BMEP (kPa) 380
speed (rpm)
500
1500
630
500
500
2000
2500
Fig.10- Comparação de força de atrito e FMEP entre os pacotes de anéis com
alturas 1,2/1,2/2,0 mm e 1,0/1,0/1,5 mm.
Table 4 - Redução de atrito e potencial redução do consumo de combustível
FMEP (kPa) Porcentagem
Velocidade BMEP
de atrito
Ganho de BMEP
Teste Teste
(kPa)
(rpm)
(FMEP/BME
1
2
P)
380
17.5
12.0
4.6%
1.4%
1500
500
18.7
12.7
3.7%
1.2%
630
20.2
13.5
3.2%
1.1%
2000
500
17.7
13.6
3.5%
0.8%
2500
500
19.8
15.6
4.0%
0.8%
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.
Friction Coefficient
0.15
0.12
0.09
0.06
0.03
0.00
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,
0,8/0,8/1,5 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 1500 rpm, 380 KPa e FMEP para 5 condições de teste.
O anel de primeiro canalete recoberto com PVD apresentou 10% menos atrito a
1500 rpm, 5% a 2500 rpm.
Friction Force (N)
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-360
GNS on Top Ring
PVD on Top Ring
-270
-180
-90
0
90
180
270
360
Crank Angle (degrees)
22
GNS on Top Ring
FMEP [kPa]
20
PVD on Top Ring
18
16
14
12
10
8
BMEP (kPa) 380
speed (rpm)
500
1500
630
500
500
2000
2500
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
Blow-by (L/min)
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 1,2/1,5/2,0 mm de altura com anel de óleo 3-peças com pressão
de 0,6 MPa. O pacote de baixo atrito tinha altura de 0,8/1,0/1,5 mm com anel de óleo
de 3-peças com pressão de 0,6 MPa.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0% Load
25% Load
Base Line
Low Friction
Fig. 13 – Blow-by a 6000 rpm com motor Otto V6 e 3,2L.
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 2,0 e 1,5 mm de altura em um motor Otto de 2,0L 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, 2.0 L, 4 cyl, 73 kW
Full Load Dyno Tests - 300h
average of 6 measurements
2.0 mm
1.5 mm
Part Load Dyno Tests
average of 3 measurements
14
6
12
5
LOC (g/h)
10
LOC (g/h)
2.0 mm
1.5 mm
8
6
4
4
3
2
1
2
0
0
2.0 mm
1.5 mm
2.0 mm
1.5 mm
Fig. 14 – Comparação de anéis de óleo 3-peças de 2,0 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 (1,2/1,5/2,0 mm) e baixo atrito (1,0/1,2/1,5 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.
Acamento de Cilindro
Baseline Smooth
Rpk
0.3
0.1
(µm)
1.4
0.5
Rk (µm)
Rvk
1.5
0.7
(µm)
Relative L.O.C.
Ring Pack:
Baseline
Low Friction
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1
Bore Finish:
2
Baseline
3
Smooth
Fig. 15 – Consumo de óleo a plena potência, motor 2.0L 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 0.8 para 0.6 MPa de pressão, observou-se
uma redução de 21% no atrito 2500 rpm.
- Ao mudar o pacote de anéis de 1,2/1,2/2,0 para 1,0/1,0/1,5 mm, e ao mesmo tempo
reduzir a pressão do anel de óleo de 1,0 para 0,6 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 10%.
- 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 500.000 toneladas de CO2 por
ano.
REFERÊNCIAS
[1] SCHELLING, Freier. “Factors influencing the friction power of pistons” - publicação
MAHLE, circa 1995.
[2] TOMANIK et al. “Reduced Friction Power Cell Components” - artigo SAE2000-013321, São Paulo - Brasil, 2000.
[3] BASSHUYSEN, R.; SCHAFER, F. “Internal combustion Engine Handbook”, SAE
International.
[4] JOCSAK, J. et al. “The effects of cylinder liner finish on piston ring-pack friction”,
artigo ASME ICEF2004-952, Sacramento, EUA, 2004.
[5] JOCSAK, J. et al. “The Characterization and Simulation of Cylinder Liner Surface
Finishes”, artigo ASME ICES2005-1080, Canadá, 2005.
[6] TOMANIK, E. “Piston Ring Conformability in a Distorted Bore”, artigo SAE
960356, Detroit - EUA, 1996.
[7] SATO, O. et al. “Improvement of Piston Lubrication in a Diesel Engine by Means
of Cylinder Surface Roughness”, artigo SAE 2004-01-0604, Detroit - EUA, 2004.
[8] NAKAYAMA, K. et al. “The Effect of Crankshaft Offset on Piston Friction Force in a
Gasoline Engine”, artigo SAE 2000-01-0922, Detroit-EUA, 2000.
[9] FERRARESE, A.; ROVAI, F. “Oil Ring Design Influence on Lube Oil Consumption
of SI Engines”, artigo ASME ICEF2004-868, Sacramento - EUA, 2004.