Prêmio AEA 2012 - Projetos de Meio Ambiente NOVA BRONZINA COM COBERTURA POLIMÉRICA PARA REDUÇÃO DE ATRITO E EMISSÃO DE CO2 Matheus dos Santos Ferreira, Mário Sérgio da Silva Praça, Samantha Uehara, Sandra Matos Cordeiro Costa Centro Tecnológico MAHLE METAL LEVE S.A. RESUMO Em função da necessidade de redução na emissão de gases poluentes, guiada basicamente pela redução de CO2, há condições de operação intermitente de motor com lubrificação reduzida nas bronzinas. Essas condições podem ocorrer mais freqüentemente em certas aplicações tais como: motores flex, motores equipados com dispositivo stop-start, especificações de óleos com baixa viscosidade e em regimes de altas rotações nos casos em que bielas e virabrequim possuem rigidez reduzida. Nessas ocasiões a ruptura do filme de óleo ocasionará condições de cargas mais elevadas e o aumento da robustez do sistema é necessária. Para tanto, o desenvolvimento de coberturas de baixo atrito e melhora na resistência ao desgaste se torna uma demanda indispensável. A resposta da MAHLE para essas condições especiais de operação se dá na forma de uma nova cobertura polimérica para as bronzinas. Esta cobertura, aplicada na forma de spray sobre bronzinas bimetálicas, possui as propriedades de baixo atrito necessárias para essas operações. Nessas novas bronzinas com cobertura polimérica, as temperaturas de operação bem como o atrito são reduzidos gerando redução expressiva no desgaste. Além disso, suportam cargas mais elevadas do que as bronzinas bimetálicas sem essa cobertura, o que auxilia na manutenção da robustez do funcionamento das mesmas nas aplicações citadas, viabilizando um design ótimo dos motores para redução de emissão de gases poluentes. APLICABILIDADE Motores flex (bicombustíveis), híbridos e stop-start. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com OBJETIVO Demonstrar a redução de atrito e desgaste proporcionado pela cobertura polimérica aplicada sobre bronzinas bimetálicas e seus benefícios na redução de emissão de gases poluentes. 1. Introdução Em motores modernos, o projeto dos componentes tem se tornado cada vez mais complexo devido ao aumento das cargas necessárias para se atingir melhor eficiência e redução de emissões de gases poluentes. Para tanto, as propriedades dos materiais também devem ser melhoradas para suportar essas novas demandas. Em função da interação entre as superfícies nos mancais, a redução do atrito é um importante parâmetro de projeto a ser observado durante o desenvolvimento do motor. O atrito nas bronzinas pode ser medido basicamente pelo aumento da temperatura neste componente. Esse aumento de temperatura pode ocasionar a diminuição da viscosidade do filme de óleo que mantém as condições de trabalho controladas, provocando condições de eventual contato metal-metal. Em alguns casos pode causar a falha do componente [1]. A Figura 1 mostra a distribuição das perdas de energia por atrito de alguns componentes internos de um motor a gasolina de 1.9l em uma condição de carga parcial a 2000rpm. A contribuição das bronzinas é de 1.7% na perda total da energia por atrito. Anéis 19% Potência Efetiva 15% Perdas Mecânicas 11% Perdas Térmicas 74% Pistões 3% Bielas 2% Bronzinas 15% Perda por Troca Gasosa e Auxiliares 61% Figura 1: Perda de energia por componente [2] A Figura 2 ilustra as diferentes condições de lubrificação a que uma bronzina pode ser submetida durante seu funcionamento. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Figura 2: Condições de lubrificação em uma bronzina [3] Durante o funcionamento do motor, as bronzinas operam a maior parte do tempo em regime de lubrificação hidrodinâmica. Porém, em alguns casos, especialmente nas partidas do motor, até que haja a completa formação do filme de óleo o contato metal-metal poderá acontecer ocasionando desgaste prematuro e perda de energia por atrito. Para suportar esse ambiente de lubrificação marginal, as bronzinas devem apresentar características de superfície adequadas. As condições de lubrificação marginal e também carregamentos mais elevados ocorrem mais freqüentemente em algumas aplicações, descritas a seguir: - Motores flex (bicombustíveis) e Injeção Direta de Etanol; - Stop-start (controle de partida e parada do motor) e Híbridos; 2. Tecnologias de Motores 2.1 Motores Flex (bicombustíveis) e com Injeção Direta de Etanol A Figura 3 mostra a comparação entre diversas soluções alternativas para redução de emissões de CO2. O etanol é a melhor alternativa mesmo quando comparada com veículos elétricos. Novas tecnologias tais como injeção direta de combustível estão sendo desenvolvidas para o etanol com a finalidade de melhorar a emissão de CO2, pois produzem uma combustão mais eficiente e homogênea. Por essa razão o etanol está sendo amplamente utilizado em todos os mercados, especialmente no Mercosul onde os veículos flex (bicombustíveis) representam mais de 85% das vendas totais. [4] Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com 120 Emissões de CO2 (%) 100 REF -23% Gasolina Padrão Diesel Padrão -32% -36% -49% -73% -81% Veículo Elétrico Biodiesel Etanol 80 60 40 20 0 Gasolina + Diesel + Híbrido Híbrido Figura 3: Vantagem da utilização de etanol frente a diversas tecnologias para redução de CO2 [5] Pressão Máxima de Combustão (bar) A Figura 4 mostra que o motor que utiliza etanol geralmente apresenta uma pressão máxima de combustão 20-30% maior que a dos motores utilizando gasolina, exigindo portanto componentes com melhor desempenho. etanol gasolina Ângulo do Virabrequim Figura 4: Diferença na pressão máxima de combustão entre etanol e gasolina para um motor 1.6l flex em potência máxima [5] A tendência de utilização de motores cada vez menores implicará na utilização de mancais mais carregados e como consequência as bronzinas serão submetidas a cargas maiores. Assim, com menores espessuras de filme de óleo, operação em temperaturas mais elevadas e eventual contato direto com o eixo, o desgaste poderá ser prematuro. Além disso, poderá ocorrer a degradação do óleo lubrificante provocada pela contaminação com o etanol. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com 2.2 Aplicações Híbridas e Stop-Start As tecnologias de motores híbridos e stop-start já estão em produção em outros países. Nestes tipos de aplicações as condições de lubrificação dos mancais normalmente são diferentes dos motores comuns. A tecnologia stop-start é utilizada para reduzir o consumo de combustível quando o veiculo pára por certo período de tempo, como por exemplo, nos semáforos. Nesse tipo de tecnologia, por curtos períodos a disponibilidade de óleo lubrificante nos mancais é reduzida afetando diretamente as condições de operação das bronzinas. É importante ressaltar que nestas aplicações o número de partidas aumenta significativamente provocando desgaste prematuro dos mancais. A tecnologia híbrida combina um motor de combustão interna com um motor elétrico trabalhando em paralelo ou em série para aumentar a eficiência total do veiculo. Quando as baterias estão com carga suficiente para operar o veiculo no modo elétrico o motor de combustão interna desliga e conseqüentemente a bomba de óleo cessa o fornecimento da lubrificação aos mancais provocando desgaste prematuro nas bronzinas. Para lidar com essas demandas especiais a superfície das bronzinas deve possuir propriedades especiais como redução de atrito, capacidade de carga elevada e resistência adequada ao engripamento e desgaste. Neste artigo são realçadas as vantagens da cobertura polimérica desenvolvida pela MAHLE. Sua aplicação sobre bronzinas bimetálicas se mostra adequada especialmente para os motores com condições de lubrificação reduzidas e cargas elevadas, em aplicações bicombustíveis (flex), híbridos e com dispositivo stop-start. 3. Bronzinas para Motores de Combustão Interna A bronzina é um componente utilizado para reduzir o atrito e para manter a folga entre os componentes estacionários e rotativos do motor. As bronzinas estão localizadas nos mancais, na biela, no eixo de comando e no bloco do cilindro [6]. A maioria das bronzinas do motor tem uma estrutura em camadas, que proporciona uma combinação ótima das propriedades do material de apoio, resistência à fadiga (capacidade de carga), resistência ao engripamento (compatibilidade), resistência ao desgaste, conformabilidade, capacidade de absorção de partículas, resistência à corrosão e resistência à cavitação. Estas propriedades são muito importantes no período inicial de funcionamento do motor, onde as bronzinas irão conformar-se ao eixo [6]. De acordo com o numero de camadas funcionais, as bronzinas podem ser classificadas como Mono-metálicas (sólido), Bimetálicas, Trimetálicas ou Multicamadas. A maioria das bronzinas do motor são bimetálicas ou trimetálicas. Estruturas típicas das bronzinas de motores são apresentadas nas Fig. 5 e 6. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Aço steel back (stiffness) intermediate layer Material (bonding) intermediário Ligamaterial lining Bimetálica (running surface) Figura 5: Estrutura típica de uma bronzina bimetálica steel Aço back (stiffness) lining material Liga de Bronze (emergency run) Anti-diffusion barrier Barreira anti-difusão overlay (running surface) Cobertura Figura 6: Estrutura típica de uma bronzina trimetálica 3.1 Camadas de Bronzinas de Motores e suas Funções 3.1.1 Aço: tem função estrutural da bronzina, proporciona rigidez e retenção em condições severas de temperatura e aumento de carga. 3.1.2 Liga: é uma camada localizada sobre o aço, geralmente composta por uma liga de bronze ou alumínio com propriedades de conformação, compatibilidade, absorção de partículas e de baixo atrito. Contém elevada resistência à fadiga proporcionando durabilidade a bronzina, trabalhando sob cargas alternadas geradas pelo motor de combustão. 3.1.4 Camada superficial: é uma fina camada feita de um material com propriedades ainda melhores de baixo atrito, resistência ao engripamento, compatibilidade, conformabilidade e absorção de partículas. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com 3.2 Camada Superficial em Bronzinas As propriedades da camada superficial são cruciais particularmente sob condições de lubrificação limite e em velocidades de baixa rotação do motor. As baixas espessuras das camadas de superfície são necessárias para atingir o nível exigido de resistência à fadiga, este que é dependente da espessura da cobertura. 3.3 Nova Cobertura Superficial Polimérica para Bronzinas Bimetálicas Carga Específica (MPa) As bronzinas de alumínio são preparadas para fornecer boas propriedades de deslizamento e menor custo de produção, no entanto apresentam menor carga especifica máxima, quando comparada com materiais trimetalicos com camada intermediaria de cobre. A Figura 7 mostra a carga especifica máxima para as bronzinas de alumínio em comparação as bronzinas trimetálicas com camada intermediária de cobre. Bimetálica Base Al Trimetálica Sputter Base Cu Figura 7: Carga específica máxima típica para bronzinas (MPa) Os materiais de bronzinas devem apresentar um compromisso entre as exigências contraditórias de forças e boas propriedade de superfície. A composição do material considera o equilíbrio para as exigências a que uma bronzina é submetida [6]. Como alternativa a camadas metálicas a MAHLE ampliou seu conhecimento e desenvolveu uma camada a base de polímeros (compósitos), como camada de superfície para bronzinas bimetálicas que possuem uma liga de alumínio. A camada de superfície polimérica é o mais recente produto desenvolvido pela MAHLE e apresenta boa resistência ao desgaste. O novo revestimento consiste em um polímero (PAI poliamida-imida) resistente à alta temperatura, com um lubrificante sólido e partículas metálicas impregnadas na sua matriz. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com É conhecido que a resina PAI apresenta alta resistência térmica e química. O desgaste causado pelo contato metal-metal em aplicações stop-start pode ser reduzido com a presença de lubrificantes sólidos no revestimento polimérico. As partículas metálicas distribuídas homogeneamente na matriz polimérica e orientadas na direção horizontal proporcionam maior resistência e boa transferência de calor. A Figura 8 mostra as camadas da bronzina bimetálica com o revestimento polimérico. A Figura 9 mostra detalhes da cobertura polimérica para bronzinas. Cobertura Polimérica Polymeric Coating Liga de alumínio Al alloy - Lining Steel Açoback Figura 8: Bronzina bimetálica com revestimento polimérico Partícula Metálica Polímero Figura 9: Estrutura do revestimento polimérico para bronzinas O gráfico apresentado abaixo ilustra o aumento na capacidade especifica de carga da cobertura polimérica comparada com a bronzina bimetálica de alumínio. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Carga Específica (MPa) Bimetálica Bimetálica + Polímero Base Al Trimetálica Sputter Base Cu Figura 10: Carga específica máxima do novo revestimento polimérico 4. Testes de Bancada Diversos testes de bancada foram realizados a fim de comparar as propriedades de bronzinas bimetálicas convencionais (liga de Al) com as bronzinas com cobertura polimérica. 4.1 Avaliação de Atrito O teste de bloco contra disco foi utilizado para verificar o coeficiente de atrito e desgaste do material bimetálico e do mesmo com cobertura polimérica. A Figura 11 ilustra a montagem do teste e a Tabela 1 indica os parâmetros do teste. Amostra Disco de Teste Óleo Lubrificante Figura 11: Configuração do teste bloco contra disco Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Tabela 1: Parâmetros de Teste – Bloco contra Disco Parâmetros de Teste Carregamento Duração Velocidade do Disco de Teste Rugosidade do Disco de Teste Óleo Lubrificante Temperatura do Óleo Valor 133.5 N 5000 ciclos 72 rpm 0.08µm < Ra < 0.12µm SAE 30 120 ± 3°C O valor de coeficiente de atrito da liga de alumínio foi maior desde o início do teste (veja Fig.12). Foi observado que o coeficiente de atrito apresenta um pico quando o teste se inicia e então é reduzido, enquanto que para a bronzina com cobertura polimérica o valor do coeficiente de atrito é sempre menor é quase estável desde o início do teste. A razão deste comportamento pode ser explicada pelo elevado desgaste da peça em liga de alumínio e quando a peça é desgastada torna-se mais lisa e o coeficiente de atrito reduz. Após a conclusão do teste foi observado que o desgaste da peça de alumínio foi muito maior que a peça com cobertura. Os resultados são apresentados na Figura 13. Evolução no coeficiente de atrito – Teste Block on Ring Test Bloco Contra Disco Friction Coefficient (µ) Coeficiente de atrito (µ) 0,3 AlBimetálica alloy 0,25 AlBimetálica + polymeric coating + Polímero 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 0,5 1 1,5 Time (min) 2 3 Tempo (min) Figura 12: Avaliação do coeficiente de atrito durante o teste Bloco contra Disco Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Volume de desgaste – Teste Bloco Contra Disco 1,60 1,20 Worn Volume ( mm³ ) Volume de desgaste (mm³) 1,40 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Bimetálica Al alloy Al alloy + polymeric coating Bimetálica + Polímero Figura 13: Avaliação de desgaste após o teste Bloco contra Disco 4.2 Avaliação de Temperatura A fim de verificar a capacidade de trabalhar sob condições de lubrificação limítrofe e avaliar a influência da cobertura em relação ao atrito, um teste de bancada num equipamento Sapphire (Fig. 14) foi realizado. Entrada de óleo Volante Acoplamento Bronzinas de teste Bronzinas de apoio Motor elétrico Eixo excêntrico Sensores Biela Eixo Pistão Figura 14: Configuração do Teste Sapphire Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com O teste é realizado com lubrificação e o suprimento de óleo é controlado para manter a temperatura de entrada de 110°C. A temperatura durante o teste foi avaliada nas costas das bronzinas (aço). O alojamento tem uma furação que permite que termopares sejam colocados diretamente contra as costas da peça em que a carga está sendo aplicada. A Tabela 2 apresenta as condições de realização do teste e a Figura 15 mostra a avaliação de temperatura durante a execução do teste. Tabela 2 – Parâmetros do Teste Sapphire Material do Eixo Rotação Óleo EN30B – Endurecido por indução térmica 2690 rpm Óleo Sintético (SAE 20) 110°C Temperatura do Óleo Carregamento 83 MPa Aplicado Rugosidade 0.15 – 0.25 um do Eixo (Ra) Do gráfico apresentado na Figura 15 pode-se notar que a bronzina com cobertura polimérica apresentou em média temperaturas 4°C menor durante o teste em comparação com a bronzina convencional. Este resultado é um indicativo que a temperatura na superfície da peça durante a lubrificação limítrofe é menor. Temperatura (ºC) Temperatura da bronzina Bimetálica Bimetálica + Polímero Tempo (min) Figura 15: Avaliação de temperatura nas costas das bronzinas durante teste Sapphire Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com 4.3 Teste de Fadiga O mesmo equipamento de teste Sapphire foi utilizado para verificar o limite de fadiga da bronzina com cobertura polimérica e da bronzina convencional. Os parâmetros de teste foram os mesmos apresentados na Tabela 2, exceto pelo carregamento. Desta vez foram aplicados 3 tipos de carregamento (Médio, Alto e Extremamente Alto). As peças foram testadas com o carregamento nominal durante 20 horas (3,6 x 106 ciclos) após isto foram inspecionadas para verificação de danos por fadiga. Os resultados são apresentados no gráfico da Figura 16. Para os carregamentos médio e alto os dois tipos de peça tiveram sucesso, mas quando testadas no nível de carregamento extremamente alto um maior número de peças com cobertura polimérica apresentou sucesso. Isto demonstra a robustez das peças com cobertura polimérica com relação a resistência à fadiga. Os níveis de carregamento das peças neste teste não pode ser diretamente comparado com a carga específica máxima utilizada para determinar a aplicação de uma peça. Este teste de bancada não representa completamente as condições de um motor. Resultados de teste de Fadiga - Sapphire 7 Número de Testes 6 5 4 Fail ComFalha Pass Sem Falha 3 2 1 0 Bimetálica Bimetálica + Polímero Carga Média Bimetálica Bimetálica + Polímero Carga Alta Bimetálica Bimetálica + Polímero Carga Extremamente Alta Figura 16: Teste de Fadiga – Sapphire Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com 4.4 Teste de Desgaste O foco no desempenho do produto tem sido na melhora de sua resistência ao desgaste em condições de lubrificação marginal. A avaliação de desgaste foi realizada num equipamento denominado Mautus, que foi projetado pelo Centro Tecnológico da MAHLE especialmente para teste de bronzinas. Este equipamento permite o teste de bronzinas com diferentes dimensões (largura e diâmetro), através da utilização de alojamentos e eixos customizados que permitem simular as condições de trabalho da bronzina versus virabrequim. O carregamento é aplicado no alojamento através de um pistão hidráulico, perpendicular ao eixo do equipamento. Durante o teste é possível monitorar a temperatura nas costas da bronzina (aço) através de um termopar. A Figura 17 mostra o esquema do equipamento. Alojamento Mancal de Suporte Entrada de Óleo Eixo Bronzina de Teste Carregamento Figura 17: Esquema de Aplicação de Carga – Equipamento Mautus O carregamento foi aplicado em forma de curva senoidal e para comparação as peças bimetálicas convencionais e com cobertura polimérica foram testadas com um nível de carregamento de 80MPa. A Tabela 3 apresenta os parâmetros do teste. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Tabela 3 – Parâmetros de teste Mautus Número de ciclos Carregamento Aplicado Frequência de Carregamento Rotação do Eixo Pressão de Óleo Temperatura do óleo Rugosidade do Eixo Material do Eixo 2.5x106 80 MPa 35 Hz 1000 rpm 7.5 bar 110ºC 0.10 – 0.15µm Ra DIN MnVs5 Resultados de teste de Desgaste - Mautus 0,025 Desgaste (mm) Wear (mm) 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 Al alloy Bimetálica Al alloy + Bimetálica polymeric + Polímerocoating Figura 18: Avaliação de Desgaste – Equipamento Mautus Variação de massa (mg) Resultados de Variação de Massa - Mautus Al alloy Bimetálica Al alloy + Bimetálica + Polímero Figura 19: Avaliação de Perda de Massa – Equipamento Mautus Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Através dos resultados mostrados na Figura 18, pode-se concluir que as bronzinas bimetálicas com cobertura polimérica apresentaram menor desgaste, cerca de 2.5 vezes menor, que as bronzinas sem cobertura quando submetidas a um carregamento de 80MPa por 2,5x106 ciclos. 5.Testes de Motor 5.1 Teste de Motor com Combustível E85 Um conjunto de bronzinas de biela com cobertura polimérica foi submetida a um teste de motor com combustível E85 (85% de etanol), as condições de teste são apresentadas na Tabela 4. Tabela 4: Condições do Teste de Motor – E85 Tipo de Motor I4 – E85 Turbo 2.0L 132 kW 81 MPa Volume Potência Carga específica máxima Espessura mínima de filme de 0.27 µm óleo Após 775h de teste de durabilidade, as peças apresentaram boa resposta ao elevado carregamento específico com pouca marcação de contato e baixo desgaste. Pode-se notar que a cobertura polimérica ainda está presente sobre toda a superfície das peças sem apresentar sinais de corrosão, demonstrando boa compatibilidade quando testada numa aplicação E85. Figura 20: Aspecto Visual – Bronzinas com cobertura polimérica após 775h de teste de motor 5.2 Teste de Motor Stop-Start Para verificar o desempenho das peças com cobertura polimérica também em posições de mancal central as peças foram submetidas a um teste com ciclos stopstart para verificar o desgaste. A Tabela 5 apresenta as características do motor utilizado para este teste. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com Tabela 5 – Características do Motor Tipo de Motor I4 – Gasolina 2.4L 85 kW 28.8 MPa Volume Potência Carga específica máxima Espessura mínima de filme de 0.62 µm óleo Temperatura de Òleo na 130°C Galeria O teste foi realizado em um motor que permite realizar o ciclo stop-start. Devido a flexão do eixo virabrequim, o carregamento na bronzina é localizado na borda da mesma. A Figura 21 apresenta a marcação típica de uma bronzina central localizada no lado do volante, onde o carregamento é geralmente maior. Figura 21: Típica marcação de uma bronzina central frontal após teste stop-start O desgaste das peças foi avaliado após 100.000 ciclos stop-start. A Figura 22 mostra os resultados, pode-se concluir que as peças sem cobertura apresentaram um desgaste 10 vezes maior que as peças com cobertura polimérica. Desgaste [microns] Avaliação de desgaste após 100.000 ciclos stop-start 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Al Bimetálica Material da Bronzina Al Bimetálica + Polímero Figura 22: Comparativo de desgaste após 100.000 ciclos stop-start Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com 6. Conclusão A nova cobertura polimérica desenvolvida pela MAHLE, aplicada sobre bronzinas bimetálicas, mostrou um desempenho adequado tanto em testes de bancada quanto em testes de motor para ocasiões em que a condição de lubrificação é reduzida. Esse resultado satisfatório se deve em função da cobertura polimérica apresentar características favoráveis a redução de atrito e desgaste o que possibilita redução de emissão de gases poluentes, como CO2. Além disso, apresenta melhor resistência a fadiga e suporta cargas mais elevadas. Essas condições estão presentes em motores flexl, com injeção direta, com dispositivo stop-start e híbridos. Desta forma o produto descrito nesse trabalho possibilita de maneira robusta o contínuo desenvolvimento de motores flex que são capazes de reduzir até 80% de emissões de CO2 em comparação com um motor somente a gasolina. Além de também tornar possível a utilização de sistemas stop-start para uma redução extra de consumo de combustível em torno de 3 a 5% e emissões de CO2, principalmente quando em aplicações metropolitanas. 7. Referências 1. UEHARA, S and PEIXOTO, V., “Influence of Surface Finishing on Bearing Performance”, SAE 2006-01-2893, 2006. 2. TOMANIK et al. “Reduced Friction Power Cell Components” - SAE2000-01-3321, São Paulo - Brasil, 2000. 3. Tomanik, E. and Ferrarese, A., Low Friction Ring Pack for Gasoline Engines, ASME ICEF Fall 2006, ICEF2006-1566, 2006. 4. ANFAVEA, “Anuário da indústria automobilística brasileira”, ed 2010. Disponível em http://www.anfavea.com.br/anuario.html, acessado em: 11.05.2011. 5. FERRARESE, A. et al, “The Interaction of Piston-Ring-Cylinder on Flex Fueled Engines”, SAE 2010-36-0327I, 2010. 6. BASSHUYSEN, R. and SCHÄFE, F, Internal Combustion Engine Handbook – Basics, Components, Systems, and Perspectives, Cap. 7 – p.224 – 240, SAE International, 2004. Associação Brasileira de Engenharia Automotiva R. Salvador Correia, 80 - Aclimação CEP : 04109-070 - São Paulo - SP Tel. / Fax: 55 (11) - 5908-4043 E-mail: [email protected] www.aea.org.br • www.aeabrazil.com