Influência da topografia da superfície de deslize na performance de componentes de motores a combustão interna

Abstract

A perda de energia e desgaste devido ao movimento relativo entre superfícies em contato em um sistema tribológico de cilindro/pistão é um problema persistente desde a criação do primeiro motor a combustão interna em 1854. Durante o funcionamento do motor, existem regiões onde a pressão estabelecida por uma fina película de lubrificante não é suficiente para manter as superfícies relativamente separadas durante o movimento, levando as superfícies a entrarem em contato uma com a outra. Além de lubrificantes e de revestimentos protetores, a texturização da superfície do cilindro pode auxiliar na redução de atrito e desgaste dos motores de combustão interna. A topografia da superfície apresenta grande influência na performance de motores a combustão interna, onde a texturização com microcavidades afeta a distribuição e retenção de óleo na superfície, o que pode propiciar uma melhor lubrificação do sistema tribológico e reduzindo o desgaste. Assim, este trabalho avalia o papel da topografia de superfície na retenção e distribuição de óleo de componentes de motores de combustão, analisando a diferença de desgaste devido à possível diferença na capacidade de retenção e distribuição de óleo entre os grupos X e Y estudados, o qual apresentam diferentes topografias e características de microcavidades. As amostras foram avaliadas por microscopia ótica, medidor de rugosidade 2D e interferometria óptica tridimensional, além de testes funcionais de rodagem. Os corpos de prova do grupo X apresentaram superfícies caracterizadas por microcavidades mais rasas, bem como em maior número, quando comparado às superfícies do grupo Y. Essas características levaram a um melhor desempenho do motor nos testes de desgaste, atribuído à melhor retenção e distribuição do lubrificante entre os anéis do pistão e a camisa do cilindro. Os parâmetros topográficos relacionados aos vales (diâmetro e profundidade) e também ao número de cavidades na superfície foram os parâmetros que mais influenciaram na distribuição e retenção do lubrificante, permitindo uma maior força hidrodinâmica de sustentação entre as superfícies móveis (anel de pistão / cilindro). Isso reduziu a força de atrito e melhorou a vida útil do cilindro.

Energy loss and wear due to relative movement between contacting surfaces in a cylinder/piston tribological system has been a persistent problem since the creation of the first internal combustion engine in 1854. During engine operation, there are regions where the pressure established by a thin film of lubricant is not sufficient to keep the surfaces relatively separated during movement, causing the surfaces to come into contact with each other. In addition to lubricants and protective coatings, texturing the cylinder surface can help reduce friction and wear in internal combustion engines. Surface topography has a major influence on the performance of internal combustion engines, where texturing with microcavities affects the distribution and retention of oil on the surface, which can lead to better lubrication of the tribological system and reduce wear. Therefore, this work evaluates the role of surface topography on the retention and distribution of oil in combustion engine components, analyzing the difference in wear due to the possible difference in oil retention and distribution capacity between the X and Y groups studied. The samples were evaluated using optical microscopy, 2D roughness and three-dimensional optical interferometry, as well as functional running-in tests. The specimens from group X had surfaces characterized by a greater number of shallower microcavities. These characteristics led to better engine performance during wear tests, attributed to better retention and distribution of the lubricant between the piston rings and the cylinder liner. The topographical parameters related to the valleys (diameter and depth) and also the number of cavities on the surface were the parameters that had the greatest influence on the distribution and retention of the lubricant, allowing for a greater hydrodynamic support force between the moving surfaces (piston ring / cylinder). This reduced the friction force and improved the service life of the cylinder.