[Escribir texto] Página 1

Transcripción

1 TRIBOLOGÍA de los AROS de PISTÓN - Lubricación y Fricción Roberto J. Leonetti Consultor Desgaste y Lubricación Motores de C.I.- Resumen Los aros de Pistón funcionan bajo condiciones tribológicas extremas. El aro y el cilindro están lubricados hidrodinámicamente en gran parte del recorrido del ciclo pero en el Punto Muerto Superior (PMS) el aro y cilindro poseen velocidad relativa casi nula, altas presiones de contacto y temperaturas superiores a los 3 grados. Solo la demora en desplazarse del aceite retenido entre las superficies de contacto de aro y cilindro ( squeeze film ) evita en el PMS el contacto metal-metal. La forma del perfil del aro debe maximizar esa retención de aceite y poseer un recubrimiento de alta resistencia a la abrasión para soportar los contactos metálicos cuando esa película de aceite se hace muy delgada. Los nuevos desarrollos en perfiles y recubrimientos han logrado aumentar la durabilidad y bajar la fricción en el sistema aro-cilindro. Las reducciones de fricción alcanzados fueron de hasta un 2% que significa una disminución del 1,5% el consumo de combustible del motor y 3g /km en la baja de emisiones de CO2. Introducción El actual aumento de la eficiencia de los motores (mayores presiones de combustión), menores fricciones internas y reducción del tamaño (downsizing) son debido a las normas ambientales. El objetivo más importante es reducir las emisiones de CO2. Lubricación Aros - Cilindro La reducción de la fricción se logra por mejorar la lubricación del aro disminuyendo los rozamientos. El espesor de la película de aceite depende del ángulo y el perfil del aro respecto al cilindro para crear el efecto cuña. La perdida por fricción entre los aros y el cilindro es el mayor responsable individual de las pérdidas totales por fricción de un motor (aprox. un 24% del total). Las cargas y momentos que actúan sobre el aro producen una torsión que lo inclina con respecto al cilindro provocando fuerzas de roce elevadas en las áreas de contacto. La tensión mecánica o elástica del aro es necesaria para asegurar un contacto con el cilindro pero la verdadera tensión de sellado se obtiene por las presiones de la combustión que aplastan el aro contra la ranura y el cilindro. La reducción de las perdidas por fricción de los aros es una prioridad para lograr menores consumos de combustible especialmente a bajas o medias cargas donde la mayoría de los motores operan normalmente. La alimentación de lubricante sobre el cilindro es por el salpicado de aceite desde el cojinete de biela. La tendencia a usar menor rugosidades en la superficie del cilindro y lubricantes de baja viscosidad para disminuir la fricción reducen la [Escribir texto] Página 1

2 retención del lubricante en el cilindro dificultando la creación de la película de aceite. Además los aros transfieren calor del pistón al cilindro (y de este al sistema de enfriamiento). Los motores downsizing con potencias específicas más altas generan más calor por unidad de superficie que debe ser transmitido desde el pistón al cilindro a través del aro, lo cual aumenta su temperatura y la dificultad de retener el aceite. Las presiones máximas de combustión actuales de 25 bares crean altísimas presiones del aro contra el cilindro. Conclusión: La película de aceite debe soportar mayores presiones de contacto con menor lubricante retenido. Los aros han sido siempre el elemento del motor con menor vida útil. Esto no es más aceptable. Deben sellar efectivamente y mantener un bajo consumo de aceite con la misma vida útil del resto de los componentes del motor sin necesidad de un recambio El espesor de película de aceite en el primer aro (el más comprometido) varía en las distintas etapas del ciclo del motor de acuerdo al ángulo de giro del cigüeñal. En el grafico adjunto se observa Pero el squeeze film no pude impedir algún contacto metal-metal que genera desgaste abrasivo acumulativo en el PMS (TDC Top Dead Center) como muestra la foto adjunta. La naturaleza del desgaste es una combinación de la abrasión y la corrosión en las zonas de contacto desgarradas y expuestas a la condensación de los gases de combustión. El apoyo y la presión de contacto de la cara de trabajo de los aros contra el cilindro deben ser uniformes en todo el perimetro para lograr un perfecto sellado. que en el PMS alcanza un valor por debajo al que garantiza el no contacto metálico (3 veces las rugosidades promedios del aro-cilindro). En el PMS la presión del aro en contra del cilindro es máxima por la presión de la combustión que comprime el aro contra el cilindro, la lubricación hidrodinámica desaparece por las velocidades relativas nulas entre aro y cilindro y las temperaturas del cilindro escurren el lubricante. El contacto no es totalmente metal/metal por la acción del squeeze film que mantiene una película de aceite cuya capacidad portante es muy alta en cortos periodos (la viscosidad aumenta por las altas presiones). Debe conformarse a las deformaciones del cilindro y compensar las torsiones del propio aro. El desgaste del aro modifica su perfil y esto tendrá influencia en la creación de la película de aceite y la lubricación. Es crítico mantener la forma del borde inferior del aro en toda su vida para crear correctamente la cuña hidrodinámica en el ciclo de la combustión. e-tribos Junio 214 Página 2 P

3 un soliviantado del primer aro y su pérdida de sellados. Esto es usualmente reducido aumentando el volumen del 2do tabique pero eso afecta la emisión de gases. Los perfiles de los aros se diseñan para que la presión de contacto contra el cilindro este equilibrada con las presiones de sellado sobre el interior del aro y estén cercanos a los puntos de mayor presión hidrodinámica del lubricante. RECUBRIMIENTOS Los recubrimientos de cromo aplicados por electrodeposición son usados en general en la cara del trabajo del primer aro y poseen una alta resistencia al desgaste. La baja adhesividad del cromo al lubricante puede crear un desgaste adhesivo severo en el cilindro ( peeling and polish ). El proceso de lapidado del aro cromado es crítico para mejorar la adhesividad del lubricante (wettability) al cromo para retenerlo. Creando microfisuras en la superficie se mejoro la Durante el ciclo de escape las presiones sobre el 1er aro (responsable del 7% del sellado) caen rápidamente pero las del tabiqué Nro.2 son retenidas entre los aros y pueden ser superiores a las del 1er tabique (ver círculo rojo). Esto produce resistencia al agarre (scuffing) en aplicaciones bajo altas cargas. También la deposición de e-tribos Junio 214 Página 3

4 Óxidos de Aluminio (Al2O3) en un proceso de multicapas mejoro la performance (CKS). Una evolución de este recubrimiento reemplazo el Oxido de Aluminio por micropartículas de diamante (GDC). Para aplicaciones de cargas extremas este último disminuyo sensiblemente el desgaste en el aro y en el cilindro. 12 Desgaste relativo de los recubrimientos CKS GDC Cilindro Aro Estos nuevos revestimientos de contenido cerámico incrementa la resistencia al engrane y al mismo tiempo reducen el desgaste. Para la mayoría de las nuevas generaciones de motores el sistema ofrece todavía un potencial de seguridad suficiente. Spray Térmico (Thermal spray) Es un proceso donde el metal en polvo impacta sobre la superficie del aro a una temperatura moderada sinterizándose. Se emplean cuando existe alto riesgo de contacto metal/metal. Los materiales depositados (usualmente Molibdeno o cerámicas) soportan mejor el desgaste abrasivo que el cromado en el contacto metálico arocilindro. Pero las aplicaciones de Molibdeno se emplean cada vez menos por su baja adherencia y baja resistencia al desgaste catastrófico. Los materiales basadas en cerámica aun deben resolver el problema de su natural característica a ser quebradizas. PVD (Physical Vapor Deposition) Los recubrimientos por PVD (Physical Vapor Deposition) CrNx son aplicados en la superficie del aro mediante la vaporización e ionización del metal a aplicar. El metal ionizado es acelerado hacia la superficie y la recubre formando nitruros, carburos, óxidos, etc. Su espesor esta en el rango de los 7 micrones con alta dureza, tensiones de compresión residuales moderadas y adhesión aceptable. Son resistentes al desgaste adhesivo (scuffing). Su espesor está limitado por las tensiones residuales que se crean en valores superiores a los 8 micrones. Recubrimientos DLC La nueva generación de motores con extremas potencias supera el límite de los anteriores recubrimientos por lo cual puede producirse alto desgaste abrasivo y fallas catastróficas en condiciones limites de servicio. Para estos casos se han desarrollado nuevos recubrimientos basados en la tecnología DLC (Diamond Like Carbon). Estos revestimientos alcanzan una temperatura límite de alrededor de 5 C y una excepcional dureza con buena resistencia a la adhesión, a la abrasión y al agarre más elevado que los otros revestimientos. El grafito de estos recubrimientos se deposita sobre el cilindro durante el funcionamiento en una delgada capa disminuyendo la fricción del sistema aro-cilindro. Esta es una de las razones de su bajo coeficiente de fricción. Durante un ocasional contacto metal/metal este film de grafito demora una falla catastrófica. Esta propiedad hace muy apropiado este revestimiento para motores de altas potencias específicas. Una limitación que debió superarse es el riesgo de delaminación cuando los espesores superaban unos pocos micrones. Las tensiones mecánicas por las deformaciones del cilindro y las tensiones internas en el recubrimiento sumadas a las diferencias entre los coeficientes de dilatación del recubrimiento y del material base del aro aumentaban el riesgo de delaminación con espesores superiores a 5 micrones. Para ello se recurrió a un recubrimiento compuesto por tres capas. - Una capa de adhesión de cromo muy delgada en la interface con el sustrato del material del aro - Una capa intermedia de tungsteno y carbono hidrogenado (tungsten and hydrogenated carbón) en la cual el carburo de tungsteno esta incrustado en forma de nano cristales. - La capa superior o de trabajo que es un DLC (Diamond Like Carbón) amorfo. El espesor de la capa superior es un 5% del total del e-tribos Junio 214 Página 4

5 recubrimiento para mantener bajo control las tensiones residuales. La estructura consiste en una mezcla de grafito ( sp2) con fases de diamante (sp3). El espesor total de este recubrimiento puede alcanzar 1 micrones.,6,5,4,3,2,1 DLC PVC Coeficiente de Friccion Capa de adhesión de Cromo Capa Intermedia Capa de trabajo DLC Estos recubrimientos con una dureza superficial entre 18 and 31 HV.2 y un espesor del doble de los recubrimientos normales de DLC logro una significativa reducción del desgaste del aro en condiciones Tribológicas limites. Su coeficiente de fricción es inferior a los otros recubrimientos existentes en el mercado y su desgaste menos de la mitad en condiciones de lubricación limite. Estos recubrimientos siguen en desarrollo y deben combinarse con perfiles de aro apropiados para evitar que las diferencias de la dilatación del recubrimiento y del material base del aro provoquen distorsiones que generen un contacto no uniforme en el cilindro Resistencia al Desgaste Relativo DLC PVC Bibliografia: -Piston Ring Coatings and Engine Friction-Federal Mogul Burscheid -Piston Ring Coatings-Engine Technology International September 213 -Kolbenringhandbuch-Goetze -Modelling of Piston Rings Wear Behaviour-Mahle COFAP e-tribos Junio 214 Página 5