Avaliação do desgaste em cilindros de motores de combustão interna - mapeamento de mecanismos e quantificação do desgaste.

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Obara, Rafael Brisolla
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Cast iron; Desgaste; Ferro fundido; Flex-fuel; Internal combustion engines; Motores de combustão interna; Tribologia; Tribology; Wear
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3151/tde-23052018-110318/

O sistema tribológico anel/cilindro é considerado de elevada complexidade. Condições de regime de lubrificação limítrofe, mista e hidrodinâmica se intercalam devido às cargas alternadas e velocidades variáveis do sistema. As elevadas temperaturas envolvidas e a presença de substâncias corrosivas e de outros contaminantes também contribuem para a ocorrência de diferentes intensidades e mecanismos de desgaste ao longo do cilindro. Apesar dos significativos avanços na avaliação do desgaste em cilindros de motores, algumas questões permanecem em aberto, tais como: Quais são os principais causadores do desgaste por abrasão em motores flex-fuel? Quais são os principais mecanismos de endurecimento atuantes em cilindros de motores flex-fuel? É possível que o ponto morto superior (PMS) não seja a região do cilindro com maior desgaste? É possível estimar o desgaste de cilindros de motores considerando apenas alterações topográficas em nível de rugosidade? O folded metal pode afetar significativamente o desgaste de cilindros de motores? Como este defeito é formado? Estas e outras perguntas são respondidas ao longo deste trabalho. Para tanto, o presente trabalho avalia o desgaste em cilindros de motores de combustão interna por meio de duas vertentes, sendo elas: o mapeamento de modos e mecanismos de desgaste e a quantificação do desgaste via perda volumétrica. Além disso, são investigadas eventuais causas de intensificação do desgaste e possíveis modos de minimização do desgaste. Os efeitos das alterações topográficas decorrentes do desgaste no desempenho do motor também são analisados. O método da perfilometria óptica foi utilizado nas análises de quantificação do desgaste com o propósito de avaliar a perda volumétrica de material em diferentes regiões do cilindro. Para tanto, dez diferentes métodos para estimativa de desgaste foram propostos. Embora a maior parte dos trabalhos publicados utilize os vales como altura de referência para comparação entre superfícies antes e após o desgaste, o presente trabalho mostrou que melhores resultados para estimativa de desgaste de cilindros com acabamento do tipo plateau honing podem ser obtidos utilizando-se a altura correspondente ao Smr2 como referência absoluta. Contudo, a mesma altura de referência não apresentou resultados satisfatórios na quantificação de desgaste em cilindros com acabamento do tipo standard honing. Deste modo, constatou-se que a escolha do melhor método para estimativa do desgaste via perda volumétrica é altamente dependente do acabamento do cilindro. Verificou-se também no trabalho que os principais mecanismos de desgaste atuantes nos cilindros do motor flex-fuel são desgaste por abrasão e por reações triboquímicas, com participação menos expressiva de desgaste por fadiga de contato e por adesão. Neste mesmo motor, verificou-se também que o desgaste por abrasão ocorreu principalmente devido à ação abrasiva de debris e/ou pela interação direta entre anel e cilindro, sendo que os produtos de combustão tiveram menor importância. Contudo, fatores como mau funcionamento do motor ou acabamento do cilindro podem afetar na contribuição da ação de resíduos do processo de combustão sobre o desgaste abrasivo total do cilindro. Verificou-se que o desgaste de cilindros de motores ocorre preferencialmente nas bordas dos sulcos de brunimento, de modo que a redução da quantia de folded metal pode contribuir significativamente para a redução do desgaste. Estudou-se também o efeito dual da grafita: como lubrificante sólido (o que contribui para a diminuição de atrito e desgaste do cilindro) e como concentradora de tensões (o que contribui para o aumento do desgaste). Além disso, verificou-se que grafitas também podem contribuir para o surgimento do defeito folded metal. Assim, sugere-se que a morfologia da grafita pode ser alterada de modo a se obter não apenas um material com maior resistência à fadiga, mas também uma superfície com menos defeitos superficiais e, consequentemente, com menor propensão ao desgaste. Constatou-se também que o tipo de óxido formado na superfície do cilindro pode afetar consideravelmente sua taxa de desgaste e, portanto, dependendo da composição do cilindro e das condições operacionais do motor, é possível que o PMS não seja a região do cilindro com desgaste mais acentuado. O trabalho também mostrou que os mecanismos de endurecimento atuantes em cilindros de motores flex-fuel são decorrentes de recristalização com refino de grão e encruamento. Finalmente, verificou-se por meio de simulações computacionais que o alisamento da topografia do cilindro (resultante do processo de desgaste) tende a aumentar o coeficiente de atrito na região de meio de curso do pistão e a diminuí-lo nos pontos de reversão.