Desgaste do par anel e camisa

De acordo com Hu et al. (2013), o regime de lubrificação para os componentes do motor, em especial anel e camisa, pode ser do tipo limite ou por filme completo, dependendo da viscosidade do lubrificante, rugosidade das superfícies, carga, velocidade de deslizamento do pistão e sua posição ao longo do curso, etc..

No que diz respeito aos mecanismos de desgaste do par tribológico anel- camisa, pode-se dizer que o desgaste ocorre devido ao deslizamento dos anéis na camisa, podendo haver principalmente adesão, corrosão e abrasão.

No mecanismo abrasivo, as partículas duras presentes na interface anel de pistão e camisa podem ser provenientes da: i/ entrada de impurezas na câmara de combustão através do sistema de admissão de ar, como, por exemplo, contaminantes existentes no ar atmosférico ou partículas de fuligem direcionadas para a câmara de combustão devido a utilização do EGR; ii/ destacamento de partículas duras do próprio material das superfícies, quando há corrosão preferencial da matriz; iii/ fragmentos de desgaste encruados advindos de outros mecanismos de desgaste, como, por exemplo, adesão ou fadiga de superfície (GARCIA, 2003).

Em uma condição de desgaste moderado, reações triboquímicas entre a superfície de contato e o ambiente do sistema tendem a ocorrer, formando quantidades de substâncias corrosivas (resíduos ácidos de combustão) as quais a alcalinidade do óleo não é suficiente para realizar a neutralização. Nestas condições os valores médios de desgaste podem ser de 2 a 5 vezes acima do desgaste normal, com picos a 10% do curso do pistão partindo do ponto morto superior (PMS) (GARCIA, 2003).

Numa condição de desgaste severo, a condição de lubrificação limite é esperada, ocorrendo o contato metal-metal e intensificando os mecanismos com grande deformação plástica (como, por exemplo, o scuffing - adesão). Nessas condições, um maior desgaste é esperado.

Se o filme de lubrificante for rompido, poderá ocorrer o desgaste crítico das camisas principalmente nas regiões de inversão de velocidade dos anéis, em especial no PMS, podendo gerar depressões e polimento desta região (GARCIA, 2003). De acordo com Obert et al. (2016), as maiores taxas de desgaste ocorrem no PMS logo após a combustão, quando as pressões internas na camisa são máximas. Truhan et al. (2005) observou que o processo de scuffing ocorria principalmente nos pontos de reversão de velocidade, os quais correspondem ao PMS e PMI. Scuffing em altas temperaturas e com pouca alimentação de óleo foi também observado por Shuster et al. (1999).

O contato no PMS logo após a explosão é predominantemente caracterizado por altas forças de contato, temperaturas elevadas e pequena quantidade de óleo lubrificante, fazendo desse ponto uma região tribológica bastante crítica (OBERT et al., 2016).

No que diz respeito a lubrificação, Spencer et al. (2013) apud Obert et al. (2016) mostraram que a espessura de filme no contato entre os anéis e camisa variam de 0,2 a 3 µm dependendo da carga e da camisa. Para Obert et al. (2016), a espessura do filme de óleo no PMS no momento da combustão, em um nível grosseiro, é uma hipótese realística, uma vez que a lubrificação mista nesse ponto é esperada.

De uma maneira geral, pode-se dizer que o desgaste de anéis e camisas contemplam, basicamente, duas fases: i/ amaciamento e ii/ progressivo. A fase de amaciamento ocorre nas superfícies ainda não deformadas e o desgaste promove um alisamento com a diminuição da rugosidade inicial e acomodação entre as superfícies. No período de amaciamento são formadas camadas encruadas, camadas protetoras de óxido ou filmes adsorvidos. Durante o período de amaciamento ou conformação entre as superfícies, o carregamento não pode ser excessivo. Se houver uma lubrificação deficiente poderá ocorrer o contato metal- metal e o mecanismo de scuffing, por exemplo, poderá se manifestar em uma eventual sobrecarga. O tempo de amaciamento para motores em dinamômetro tem

duração de aproximadamente 12 horas. Após o período de amaciamento, ocorre o período de desgaste progressivo com taxas menores e praticamente constantes (GARCIA, 2003).

2.3.2.1 Efeito da velocidade

No que tange à formação de óxidos superficiais, verifica-se que aumentando a velocidade de deslizamento, diminui-se o tempo disponível para a formação de filmes óxidos e há um aumento da temperatura superficial (GARCIA, 2003).

No cilindro de motores diesel, o maior desgaste é esperado na região de baixa velocidade dos anéis, particularmente na região do ponto morto superior (PMS), onde há a queda da velocidade e altas cargas. Nesta região, a menor velocidade pode estar associada ao maior desgaste, acentuando a formação de calo ou aumentando a área polida, ou seja, isenta de brunimento. De forma geral, observa-se que há um maior desgaste quanto menor a velocidade de rotação (GARCIA, 2003).

2.3.2.2 Efeito da temperatura

Alguns estudos têm mostrado que a temperatura da camisa e dos anéis no ponto morto superior durante a explosão é de aproximadamente 220 ºC (OBERT et al, 2016).

Em determinadas temperaturas, ocorre a dissorção de filmes protetores, porém acelera-se a formação de óxidos, protegendo a superfície de contato. Em temperaturas menores, os óxidos não são formados tão rapidamente, assim como os filmes não sofrem dissorção. Porém, se a temperatura for tal que haja a dissorção dos filmes e o óxido não possa ser formado rápido o suficiente, então a superfície estará desprotegida e um desgaste pronunciado poderá ocorrer por processo adesivo. Elevadas pressões de combustão nos motores resultam em altas cargas nos anéis, e também em altas temperaturas do óleo lubrificante e consequentemente na diminuição da viscosidade, que reduz a espessura do filme de óleo durante os ciclos de admissão, compressão e exaustão. Esta grande variação na espessura do filme de óleo ao longo de cada ciclo é uma das razões das alterações do regime de lubrificação dos anéis entre condições de lubrificação limite e hidrodinâmico (GARCIA, 2003).

2.4 LUBRIFICANTES

A grande maioria dos equipamentos mecânicos apresentam superfícies deslizando umas sobre as outras, logo, sempre que duas superfícies estiverem em contato, o atrito e o desgaste irão coexistir. O desgaste, de certa forma, sempre foi um grande vilão dos componentes mecânicos e, quando mal administrado ou mal acompanhado, pode levar ao colapso das máquinas.

A introdução de um lubrificante na interface onde se dá o deslizamento tem vários efeitos benéficos no que diz respeito à redução do coeficiente de atrito e dos efeitos dos mecanismos de desgaste. Pode-se dizer que uma camada de lubrificante e seus aditivos podem auxiliar na prevenção do contato direto entre as superfícies, provendo uma redução dos efeitos do desgaste abrasivo.

Adicionalmente, um lubrificante pode auxiliar de forma a inibir a adesão das superfícies, até mesmo em metais compatíveis, reduzindo dessa forma, o atrito e o desgaste adesivo. Além disso, os lubrificantes também podem agir como contaminantes nas superfícies dos metais cobrindo-os com uma camada simples de moléculas que agem de forma a proteger os componentes contra a corrosão/oxidação.