ANÁLISE DE DANOS MORFOLOGICOS OBSERVADOS EM VÁLVULAS E SEDES APÓS DIFERENTES ENSAIOS DE MOTOR. COF

ANÁLISE DE DANOS MORFOLOGICOS OBSERVADOS EM VÁLVULAS

E SEDES APÓS DIFERENTES ENSAIOS DE MOTOR.

COF-2015-0256

Resumo: Este artigo apresenta os resultados da análise visual e da topografia das válvulas e sedes de admissão e escape de dois motores 8 válvulas com o objetivo de caracterizar o desgaste. A terminologia utilizada não está alinhada com as designações conhecidas na literatura, de modo a evitar idéias pré-concebidas do desgaste. O desgaste foi documentado utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV) e lupa estereoscópica (MO). Muitos danos foram observados tanto nas válvulas de admissão como nas de escape, apesar de alguns danos, como por exemplo, oxidação foi observada somente nas válvulas e sedes de escape. Os danos foram caracterizados como: presença de depósitos, faixa clara central, endentação, oxidação, polimento, riscos circunferenciais e radiais, assim como sulcos e valas circunferenciais. Através de uma descrição detalhada e documentação dos danos das válvulas e sedes, é esperado contribuir com a caracterização de sua morfologia do desgaste na indústria automotiva.

Palavras-chave: motor, desgaste, válvula, sede.

1. INTRODUÇÃO

A constante evolução da tecnologia nos motores à combustão interna possibilitou a produção de motores com maior eficiência energética, menor consumo de combustível, redução da emissão de poluentes, maior desempenho e a utilização de combustíveis alternativos, como por exemplo, o etanol. Com todas estas mudanças, houve também aumento das solicitações mecânicas de seus componentes, exigindo melhor um domínio de seus modos de operação e solicitações mecânicas.

Neste trabalho foram analisados os modos de desgaste presentes no par tribológico válvula e sede com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) e lupa estereoscópica (MO). A nomenclatura dos danos observados na superfície foi realizada conforme trabalho desenvolvido por TANAKA D., 2014:

• Degrau

• Desgaste central • Depósito

• Faixa clara central • Endentação/esmagamento • Óxido superficial

• Superfície polida (lisa) • Riscos • Usinagem • Radial • Inclinada • Sulcos e valas • Circunferencial • Inclinado

Os motores analisados foram designados por MT-1 e MT-2. O motor MT-1 foi testado em veículo em ensaios do sistema de injeção eletrônica, com um ciclo de rodagem de rua e temperaturas padrão de funcionamento. O motor MT-2 foi testado em um banco de dinamômetro com um ciclo de choque térmico, operando em regime de rotação de marcha lenta à rotação máxima, carga 0 à 100% e temperatura de água do motor variando de 40 à 100° C. Serão analisadas as válvulas e sedes de admissão e escape do cilindro 1 de ambos os motores.

2. CARACTERIZAÇÃO DA MORFOLOGIA DO DESGASTE DE VÁLVULAS E SEDES

As análises de desgaste foram realizadas nas válvulas e sedes, como pode ser observado na Fig. (1a). A região analisada neste trabalho está identificada na Fig. (1b) como “superfície de contato”.

Figura 1 - Válvula à esquerda e sede, à direita (a); contato entre a válvula e sede (b). 2.1. Válvulas novas

Inicialmente foram realizadas análises na superfície de contato de válvulas novas dos motores MT-1 e MT-2, de maneira a auxiliar na identificação dos mecanismos de desgaste após ensaios. Na Fig. (2) podem-se observar os riscos de usinagem da operação final de fabricação das válvulas.

Figura 2 – Superficie das válvulas (MT-1) admissão (a) e escape (b) obtidas por MEV.

Na Fig. (3) é possível observar os riscos de usinagem das válvulas do motor MT-2. A superfície de contato é similar às válvulas do motor MT-1, devido ao mesmo processo final de fabricação. A principal diferença entre a superfície de contato das válvulas se deve ao tipo de camada superficial.

Figura 3 - Superficie das válvulas (MT-2) admissão (a) e escape (b) obtidas por MEV.

Sede de válvula

Superfície de contato

Válvula

(a)

(b)

(a)

(b)

Riscos de Usinagem Riscos de Usinagem

2.2. Válvulas de Admissão

A Fig. (4) mostra a superfície da válvula de admissão do motor MT-1. A superfície de contato foi dividida em duas regiões, com características distintas, denominadas 1 e 2. A região 1 apresenta uma superfície com riscos circunferenciais mais pronunciados e a região 2 apresenta um aspecto mais homogêneo com coloração acinzentada.

Figura 4 - Superfície da válvula de admissão (MT-1) obtida por MO.

Na Fig. (5), utilizando o MEV, é possível observar riscos circunferenciais provenientes de usinagem (similar ao que foi observado no item 2.1) e manchas escuras, que através de uma análise detalhada, conclui-se que as mesmas são provenientes de deposição de material, já que abaixo da mancha existem riscos de usinagem descontínuos.

Figura 5 - Superfície da válvula de admissão (MT-1) obtida por MEV.

A região 2 da Fig. (5) apresenta marcas mais pronunciadas de desgaste do que na região 1, com marcas de riscos circunferenciais não uniformes. O desgaste é maior na região 2, possivelmente, devido à maior pressão de contato que ocorre na borda externa, indicando que o desgaste ocorre da borda externa para a interna da interface de contato. Isto talvez ocorra devido à recomendação de projeto entre válvula e sede (MAHLE, 2013), na qual se deseja que a primeira linha de contato seja na região próxima à borda externa, a fim de garantir a vedação do contato, conforme Fig. (6).

Figura 6 - Esquema do projeto no contato válvula – sede (MAHLE, 2013).

(b)

2

1

2

1

(b)

(b)

(a)

(a)

(b)

Primeira linha de contato Diâmetro teórico da sede Diâmetro cabeça da válvula Largura da sede

Na superfície de contato da válvula de admissão do motor MT-2, é possível separar a superfície em duas regiões com características distintas, indicadas por 1 e 2 na Fig. (7). A região 1 se encontra em ambas as bordas do contato e é caracterizada por apresentar riscos circunferenciais de usinagem e depósito. A região 2 é definida por uma faixa central clara e superfície lisa e polida.

Figura 7 - Superfície da válvula de admissão (MT-2) obtida por MO (a) e por MEV (b).

Foi observado endentação na superfície da válvula de admissão, como mostrado na Fig. (8). A endentação foi provocada possivelmente por uma partícula pequena que causou deformação plástica, além de promover riscos inclinados na superfície.

Figura 8 - Endentação na superfície da válvula de admissão (MT-2) obtida por MO.

Em algumas partes da superfície foram encontrados sulcos e valas, Fig. (9), que são marcas de riscamento mais largas e profundas. Pode-se notar, através da imagem obtida no MEV, que houve remoção de material.

Figura 9 - Sulcos na válvula de admissão (MT-2) obtidos por MO (a) e por MEV (b).

1

1

1

1

2

(b)

(a)

2

(b)

(a)

(a)

(b)

2.3. Sedes de Admissão

Na Fig. (10) é possível observar que as marcas de risco circunferencial seguem um padrão uniforme. Após análises da superfície de uma sede nova (sem utilização), é possível inferir que estas marcas são provenientes da usinagem.

Figura 10 - Superfície da sede de admissão (MT-1) obtida por MEV.

Em outra região da sede, identificada na Fig. (11), pode-se observar uma diferente coloração. No entanto, esta não representa uma mudança no desgaste da superfície e sim uma deposição de algum material, como verificado na imagem obtida por MEV.

Figura 11 - Superfície da sede de admissão (MT-1) obtida por MO (a) e por MEV (b).

Na Fig. (12) é possível notar a deposição de material na superfície de contato, caracterizados por sua coloração alaranjada na Fig. (12a). Isto pode ser proveniente da interação entre o material da sede com os compostos da mistura ar-combustível. Também pode-se observar sulcos como mostrado na Fig. (12b). Os sulcos foram causados por pequenas partículas que também deixaram um depósito de material como pode ser visualizado na imagem do MEV.

Figura 12 - Superfície da sede de admissão (MT-2) obtida por MO (a) e por MEV (b).

(a)

(b)

(a)

(b)

(b)

2.4. Válvulas de escape

A superfície de contato da válvula de escape do motor MT-1, mostrada na Fig. (13), pode-ser dividida em três regiões, que apresentam diferentes colorações e aspectos indicando que o desgaste ocorreu de forma distinta.

Figura 13 - Superfície da válvula de escape (MT-1) obtida por MO (a) e por MEV (b).

A região 1 apresenta depósitos, mancha escura e riscos circunferenciais de usinagem, que podem ser melhor observados na Fig. (14a). A região 2 apresenta uma característica de transição entre as regiões 1 e 3. A região 3 apresenta uma superfície lisa com deposição desorganizada de material, o que pode indicar, como citado anteriormente, um maior desgaste nesta região.

Figura 14 - Região 1 da válvula de escape (MT-1) obtida por MEV (a) e por EDS para análise do ponto 001 (b).

Foi realizada uma análise de espectrometria de energia dispersiva de raios-X (EDS) na mancha escura. Na Fig. (14b) observa-se a presença de elementos como: Fe, C, Si, P, K, S, Mn, Ni e Cr, todos elementos constituintes das válvulas e sedes, porém foi observado um pico de oxigênio que indica existir oxidação neste local. A presença de Na e Zn, podem indicar que talvez seja um depósito proveniente do óleo lubrificante.

3

2

1

(a)

(b)

(a)

(b)

A superfície da válvula de escape do motor MT-2 apresentada na Fig. (15a) foi dividida em duas regiões. A região 1 possui marcas de riscamento circunferencial e sulcos provenientes de desprendimento de material causada por pequenas partículas ou por superfície com protuberâncias. A região 2 (Fig. (15b) apresenta superfície lisa. Pode-se observar também uma mancha, resultado de oxidação causada possivelmente pelas altas temperaturas dos gases de exaustão. A oxidação pôde ser visualizada melhor com iluminação angulada de 45º. Nas imagens obtidas por MEV, Fig. (15c) e (15d), nota-se que existe deposição de material nas bordas da mancha.

Figura 15 - Mancha de oxidação na superfície da válvula de escape (MT-2) obtida por MO com iluminação normal (a), iluminação angulada de 45º (b) e por MEV (c) e (d).

2.5. Sedes de válvula de escape

A superfície da sede de escape do motor MT-1, apresentada na Fig. (16), foi dividida em duas regiões que apresentam diferentes aspectos e coloração. A região 1 caracterizada por apresentar superfície menos rugosa e outra mais próxima da borda interna (região 2), caracterizada por apresentar marcas de risco circunferencial de usinagem. Este fato pode indicar que a região 1 sofreu maior desgaste (conforme explicado anteriormente no item 2.2).

Figura 16 - Superfície da sede de escape (MT-1) obtida por MO.

(a)

(b)

(c)

(d)

(b)

₁

2

1

(a)

2

1

2

Algumas regiões da superfície da sede apresentaram aspecto diferente conforme pode ser visto na Fig. (17a). Na região central existem marcas de risco circunferencial, como pode ser observado na Fig. (17b) obtida por MEV. Apesar de colorações diferentes obtidas por microscopia óptica, o desgaste das regiões não foi diferente daquele descrito para a seção de referência, como pode ser visto na imagem por MEV.

Figura 17 - Superfície da sede de escape (MT-1) obtida por MO (a) e por MEV (b).

A superfície da sede de escape mostrada na Fig. (18), pode ser dividida em duas regiões indicadas por 1 e 2. A região 1 é caracterizada por apresentar superfície lisa e a região 2, caracterizada por apresentar depósitos com distribuição circunferencial, identificados por manchas com a coloração alaranjada na faixa central do contato.

Figura 18 - Superfície da sede de escape (MT-2) obtida por MO (a) e (b).

Na Fig. (19) observa-se depósito de material, o qual ocupava toda a superfícia de contato. Na imagem obtida por MO é notado que o depósito possui tom alaranjado com oxidação em estágio inicial na região indicada pela seta. Na imagem obtida por MEV pode-se observar que a deposição não possui nenhum padrão de distribuição, mostrando que esse depósito não está relacionado ao desgaste acarretado pelo contato entre a sede e a válvula, mas sim pela interação com os gases quentes produzidos na combustão.

Figura 19 - Superfície da sede de escape (MT-2) obtida por MO (a) e por MEV (b).

(a)

1

2

(c)

(a)

(b)

(b)

(a)

(b)

(b)

(c)

2.6. Sumário

Abaixo segue a tabela resumindo o comparativo dos danos encontrados nas válvulas e sedes de admissão e escape de ambos os motores analisados (MT-1 e MT-2).

Dano

Motor

MT-1 MT-2

Válvula Sede de Válvula Válvula Sede de Válvula

Adm. Esc. Adm. Esc. Adm. Esc. Adm. Esc.

Degrau

Desgaste na região central

Depósito X X X X X X X

Faixa clara central X

Endentação/esmagamento X

Óxido superficial X X X

Superfície polida (lisa) X X

Riscos Circunferenciais X X X X X X

Riscos Radiais X

Riscos Inclinados X

Sulcos e Valas Circunferenciais X X X Sulcos e Valas Inclinados

Tabela 1 - Resumo dos danos encontrados nos pares tribológicos.

Após as análises realizadas bastante distintas entre os pares tribológicos de admissão e escape, no qual devido à severidade das condições de funcionamento das válvulas e sedes de escape, seu desgaste foi mais acentuado quando comparado com as válvulas e sedes de admissão.

A diferença observada no desgaste dos pares tribológicos de admissão entre os motores MT-1 e MT-2 deve-se principalmente ao ciclo de rodagem e variações de projeto.

As mudanças mais significativas da superfície ocorreram nas sedes, e isto pode ser explicado devido à definição conhecida de projeto, na qual a relação do desgaste entre válvulas e sedes, de forma geral, deve ser de 2/3 nas sedes e 1/3 nas válvulas.

Os danos: degrau, desgaste na região central e sulcos não foram encontrados nos pares tribológico analisados.

3. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Fundação de Amparo e Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP pelo apoio financeiro através do Projeto FAPESP 2009/54891-8 “Desafios Tribológicos em Motores Flex-Fuel – TriboFlex”.

Os autores agradecem ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade de São Paulo – PPGEM USP e à agencia de fomento CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nivel Superior) pela bolsa de doutorado.

4. REFERÊNCIAS

Tanaka, D. K., 2013, “FL 01 - CARACTERIZAÇÃO TRIBOLÓGICAS DE VÁLVULAS E SEDES”, Relatório final, Rev. 1 - “Desafios Tribológicos em Motores Flex-Fuel – TriboFlex” (Processo: FAPESP 2009/54891-8).

Sinatora, A. and Tanaka. D. K., 2014, “Analysis of engine valves damage morphology observed after engine dynamometer test”, SAE International, 2014-36-0305.

Mahle GmbH, 2013, “Valve train System and Components” 306 pp.

Wang, Y., 2007, “Introduction to Engine Valvetrains”, SAE International 586 pp.

Forsberg, P. 2013. “Combustion Valve Wear: A Tribological Study of Combustion Valve Sealing Interfaces”. Acta Universitatis Upsaliensis. Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 1058. 57 pp. Uppsala. ISBN 978-91-554-8715-7.

Lewis, R. Dwyer-Joyce R.S., 2002, “Automotive Engine Valve Recession”. Suffolk, UK: Professional Engineering 137 pp.

5. DIREITOS AUTORAIS

ANALYSIS OF VALVE AND VALVE SEAT INSERT DAMAGE

MORPHOLOGY OBSERVED AFTER DIFFERENT ENGINE TESTS.

Alexander Zuleta Durango, alexanderzuleta12@usp.br1

Leonardo Andrioli Thiodoro, leothiodoro@usp.br1

Felipe Mazuco, felipe.mazuco@usp.br1

Deniol K. Tanaka, dktanaka@usp.br1

Amilton Sinatora, sinatora@usp.br1

1 _{Universidade de São Paulo,Av. Prof. Mello Moraes 2231, São Paulo, SP, Brazil}

Abstract: This paper presents visual examination results and topographic analysis of two 8-valves engines intake and exhaust valves in order to characterize wear damages. The terminology used to describe observed damages was not lined up with the commonly used designations in the literature, to avoid preconceived ideas of the damage. The damage was documented using Scanning Electron Microscopy (SEM) and photographically using optical microscopy. Many damages were observed in both: intake and exhaust valves of both engines, although some damages, such as oxidation, was observed only in the exhaust valves and valve seats. The damages characterized as: deposit, bright central belt, indentation, oxidation, polishing, circumferential and radial scratch and circumferential groove. Through detailed description and documentation of valves damages it is expected to contribute to the characterization of valves wear morphology by the automotive industry.