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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2018.tde-23052018-110318
Documento
Autor
Nome completo
Rafael Brisolla Obara
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Sinatora, Amilton (Presidente)
Cousseau, Tiago
Guesser, Wilson Luiz
Pintaúde, Giuseppe
Souza, Roberto Martins de
Título em português
Avaliação do desgaste em cilindros de motores de combustão interna - mapeamento de mecanismos e quantificação do desgaste.
Palavras-chave em português
Desgaste
Ferro fundido
Flex-fuel
Motores de combustão interna
Tribologia
Resumo em português
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.
Título em inglês
Analysis of wear in cylinder bores from internal combustion engines: the assessment of wear mechanisms and quantification.
Palavras-chave em inglês
Cast iron
Flex-fuel
Internal combustion engines
Tribology
Wear
Resumo em inglês
The tribological system piston ring/cylinder bore is considered to be of high complexity. Due to the presence of alternate loads and variable speeds, boundary, mixed and hydrodynamic lubrication regimes occur at each stroke of the engine. High temperature and corrosive substances also contribute to the occurrence of different wear intensities and mechanisms in cylinder bores. Despite significant advances in the wear assessment of cylinder bores, some issues still remain, like: What are the main causes of abrasion in cylinder bores from flex-fuel engines? What are the main strengthening mechanisms in cylinder bores from flex-fuel engines? Is it possible that the top dead center (TDC) of the engine is not the region with highest wear? Is it possible to estimate wear of cylinder bores considering just topographic changes in roughness level? Can folded metal significantly affect the amount of wear in cylinder bores? How is this defect generated? These and other questions will be answered in this work. Therefore, the present work is focused on the analysis of wear in cylinder bores based upon two different approaches: the assessment of wear modes and mechanisms and the quantification of wear volume losses. Also, possible causes of wear intensification and possible ways of minimizing wear in cylinder bores will be investigated. The effects of topographic changes due to wear in engine performance will also be analyzed. The method of optical profilometry was used in the wear quantification of cylinder bores to assess wear volume losses in different regions of the cylinder. Therefore, ten different methods for wear estimation were proposed. Although most publications consider valleys as the reference height for comparison between surfaces before and after wear, the present work has shown that better results for wear estimation of plateau honed cylinder bores can be obtained by using the height corresponding to the Smr2 as absolute reference. However, the same reference height did not present satisfactory results in the wear quantification of cylinder bores honed with a standard honing. Therefore, this work has shown that the choice of the best method for wear estimation based on wear volume losses is highly dependent upon the cylinder bore surface finish. In this work, it was also verified that the main wear mechanisms in cylinder bores from flex-fuel engines are abrasion and tribochemical reaction, with less significant contribution of fatigue and adhesive wear. In the same engine, it was verified that abrasive wear was more affected by wear debris and/or by two body abrasion than from combustion products. However, some factors, like engine malfunction or cylinder bore surface finish can affect the contribution of residues from the combustion process in the total abrasive wear of the cylinder. It was also verified that wear occurs preferentially at the edges of honing grooves, so that the reduction in the amount of folded metal can significantly contribute to the wear reduction in cylinder bores. The dual effect of graphite was also studied: as solid lubricant (which contributes to decrease friction and wear) and as stress concentrator (which contributes to increase wear). Also, it was verified that graphite can contribute to the occurrence of folded metal. Therefore, it is suggested that graphite morphology can be changed in order to obtain not only higher fatigue life, but also a cylinder finish with lower amount of honing defects and, therefore, less prone to wear. The present work has also verified that the oxide composition in the cylinder surface can considerably affect its wear rate and, therefore, depending on cylinder chemical composition and engine operating conditions, it is possible that the TDC is not the region of the cylinder with the highest wear rates. It was also noticed that the strengthening mechanisms in cylinder bores from flex-fuel engines are resulting from recrystallization with grain refinement and strain hardening. Finally, it was verified by computational simulations that the surface smoothing of the cylinder (from engine wear) tends to increase the coefficient of friction (COF) in the middle region on the cylinder and to decrease it in top and bottom dead centers.
 
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Data de Publicação
2018-05-23
 
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