A presente invenção refere-se a um componente de motor de combustão interna, mais concretamente a pelo menos uma camisa de cilindro engastada por fundição em um bloco de motor, sendo que a superfície externa circunferencial é dotada de um revestimento capaz de promover a adesão entre a camisa e o bloco de motor.

Descrição do Estado da Técnica

Em função das novas demandas de mercado, os componentes internos de motores sofrem maiores exigências e, nesse sentido, necessitam apresentar soluções capazes de garantir melhor desempenho, e também de contribuir para uma maior confiabilidade e rendimento do motor.

Diversos fabricantes de componentes automotivos buscam diferentes soluções técnicas, nomeadamente para camisas de cilindro de motores de combustão interna, entre outros. Note-se que os cilindros de motores de combustão interna podem ser formados por camisas de cilindro que são engastadas no bloco de motor por fundição do bloco de motor ao redor da porção externa circunferencial das camisas.

Independentemente da solução técnica aplicada, camisas de cilindro de motores de combustão interna são componentes de motor que sofrem significativo desgaste devido ao tipo de trabalho que desempenham. Entre as solicitações a que estão sujeitas, realça-se o esforço axial da camisa no interior do furo de cilindro e a capacidade de escoar o calor da combustão para o bloco de motor.

O escoamento de calor e a espessura da parede da camisa são fatores importantes para minimizar distorções térmicas e mecânicas no funcionamento. Motores com maiores distorções tendem a apresentar maior nível de desgaste de seus componentes bem como maiores níveis de consumo de óleo e emissões de poluentes. Assim, o aumento da troca térmica tem diversos efeitos benéficos, pois evita o desgaste excessivo dos componentes e melhora as condições de consumo combustível, óleo e emissões. Adicionalmente, uma melhor troca térmica permite também reduzir as dimensões do bloco (interbore).

Via de regra, as camisas de cilindro são compostas de material ferroso, em especial ferro fundido, sendo que os blocos de motores mais modernos são fundidos com alumínio ou uma liga de alumínio, usualmente contendo silício.

Com vista a solucionar os problemas inerentes à tecnologia de motores de combustão interna dotados de camisas de cilindro, o documento alemão DE19729017 apresenta uma camisa de cilindro cuja superfície externa apresenta ondulação no sentido axial para travamento desta no bloco de motor. Adicionalmente, o documento aponta a utilização de um processo de aspersão térmica {thermal spray) para formação de um revestimento na superfície externa da camisa de cilindro. Tal revestimento é compreendido por um uma liga de alumínio silício (Al-Si) com um teor de Si inferior a 15%.

Segundo o documento germânico, a superfície externa da camisa de cilindro pode receber a mencionada camada de AlSi diretamente, ou alternativamente, pode ter depositada uma camada de ligação intermediária. Ademais, pode ser depositada uma fina camada de zinco após a camada de AlSi, com o objetivo de oferecer proteção à oxidação. Assim, este documento compreende pelo menos uma camada de AlSi depositada por pulverização térmica, podendo ainda ser aplicadas diversas outras camadas, tanto antes quanto depois da camada de AlSi.

Cumpre, no entanto notar que a solução apresentada pelo documento alemão não consegue resolver um dos problemas típicos decorrentes do vazamento da liga do bloco de motor sobre as camisas de cilindro. Primeiramente, muito embora haja uma preocupação em tentar encontrar certa paridade química com do revestimento com a liga do bloco de motor através da utilização de uma camada de alumínio com até 15% de silício, o revestimento é realizado em camadas homogéneas, cada qual dotada de um coeficiente de expansão térmica distinto. Tal configuração tem a desvantagem de que, no momento em que o metal líquido é vazado no molde do bloco de motor e envolve as camisas de cilindro, começa a arrefecer promo- vendo a contração do mesmo. Tal contração é naturalmente distinta da camada depositada e o cilindro em material ferroso, o que acaba promovendo a presença de defeitos de fundição (vazios - vide referência 4 na figura 5), na região do bloco de motor adjacente às camisas de cilindro.

Estes defeitos de fundição, doravante denominados por ou vazios, têm como grande inconveniente o fato de prejudicar a correta troca de calor, oriunda da combustão que ocorre no interior do cilindro, para o bloco de motor, aumentando distorções térmicas, e levando a um desgaste precoce do motor, ou mesmo ao seu engripamento.

A patente norte americana US7757652 também revela uma solução para a associação entre uma camisa de cilindro de ferro fundido e um bloco de motor de alumínio. Este documento faz uso de uma aplicação por aspersão a frio cold spray) de uma camada metálica de alumínio, liga de alumínio, cobre ou liga de cobre que é depositada na superfície externa da camisa de cilindro.

O grande foco da tecnologia apresentada pelo documento norte americano diz respeito à formação de uma rugosidade específica na camada depositada para melhor adesão com o bloco de motor. Muito embora o documento comente que a camada depositada é altamente condutora termicamente, esta solução, tal como no documento alemão acima comentado, faz uso de um revestimento em camadas dotadas de diferentes índices de expansão térmica, o que também originará vazios no metal fundido e, consequentemente, uma troca de calor menos eficiente. Assim, a tecnologia da patente US7757652 embora consiga adesão entre a camisa de cilindro e o bloco de motor, não consegue garantir uma boa troca térmica também em função de defeitos que aparece na interface entre o material fundido e a camisa, ou próxima dela.

O documento do estado da técnica japonês JP2008008209 revela uma camisa híbrida que recebe uma camada de AlSi por aspersão térmica. A produção do bloco de motor contendo uma dessas camisas (revestida somente de AlSi), ocorre através de um método de fundição por pressão, ou seja, existe uma prensa que promove a pressurização do metal líquido. As- sim, este metal (líquido) é lançado a um temperatura de fundição próxima da linha 'liquidus' do diagrama de fase do AlSi, dado que o tempo para solidificação do metal líquido deve ser muito reduzido. De outra forma, a camada adicionada por aspersão térmica seria toda liquefeita e os benefícios de se aplicar uma camada de AlSi seriam perdidos aparecendo os típicos defeitos que prejudicam a troca térmica necessária ao bom funcionamento do motor. De todo o modo, este documento, ao fazer uso de uma camada maciça de AlSi não consegue promover um bom gradiente de dilatação térmica, nem garantir uma ancoragem excelente, que permita maior troca de calor, tal como se verá que uma estrutura 'esponjosa' (compósita) consegue alcançar. Ademais, a tecnologia revelada por este documento japonês apenas permite a produção com alta pressão (high pressure die cast), não permitindo fazer uso da fundição por gravidade. De notar também que esta tecnologia não permite flexibilidade da temperatura do metal fundido para formação do bloco quando comparada com a matriz do compósito da presente invenção, que apresenta ponto de fusão consideravelmente maior que a temperatura do material líquido adicionado ao molde de fundição.

Qualquer que seja a solução do estado da técnica que faça uso de camadas depositadas poderá melhorar a condição de ancoragem do cilindro em ferro fundido comparativamente a uma solução sem nenhum material. No entanto, um melhor resultado será obtido com a utilização de materiais específicos com coeficientes de expansão térmica adequados para evitar a formação de vazios durante o arrefecimento e contração do metal fundido do bloco de motor.

Note-se que este problema ocorrerá em maior ou menor grau, mesmo com a seleção de matérias com coeficientes de expansão térmica adequados. Assim, a solução técnica não passa apenas por uma escolha adequada da composição química do revestimento. Ademais, qualquer dos revestimentos apresentados pelo estado da técnica faz uso de um metal ou liga metálica compreendendo diversos elementos em diferentes quantidades. A formação de revestimentos com tais camadas também não contribui para um bloco de motor isento de vazios, pois a liga ou metal comporta-se homogeneamente ao longo de toda a superfície externa do cilindro. Por outras palavras, quando o metal líquido do bloco de motor contata a superfície o revestimento, ocorre um gradiente de temperatura para o interior do revestimento até a camisa e tal gradiente tem um comportamento homogéneo por se tratar de um mesmo material em todo o revestimento. Por sua vez, o metal líquido ao encontrar uma superfície mais fria inicia o ciclo de solidificação, primeiramente ao redor da camisa de cilindro e depois em direção a porção externa do bloco de motor. Como o arrefecimento vai ocorrendo e a cavidade do molde já está cheia do metal fundido, a contração gera vazios nas regiões com maior gradiente de arrefecimento e de interface com outros elementos, ou seja, nas camisas de cilindro.

Por conta disso, embora seja possível garantir uma boa adesão da camisa de cilindro com o bloco de motor, continuam ocorrendo os problemas de troca de calor decorrentes dos vazios presentes no bloco de motor, tal como o mostram as figuras 2, 3, 4 e 5.

Não foi, portanto, ainda encontrada uma solução técnica que seja capaz de promover uma excelente adesão entre a camisa de cilindro e o bloco de motor, sem a presença de vazios que impeçam uma boa troca de calor com o bloco de motor e garantindo elevada durabilidade dos motores de combustão interna.

Objetivos da Invenção

É, portanto, um objetivo da presente invenção prover uma camisa de cilindro dotada de um revestimento capaz de inibir a formação de vazios no bloco de motor decorrente de sua solidificação, garantindo uma excelente adesão e consequentemente boa troca térmica entre a câmara de combustão e o bloco de motor.

É, também, um objetivo da invenção prover uma camisa de cilindro de ferro fundido dotada de um revestimento de um material compósito contendo cobre (Cu) e úma liga de alumínio silício (AlSi) em estado sólido, revestimento esse obtido por aspersão a frio (cold spray).

É, ainda, um objetivo da invenção prover uma camisa de cilindro cujo revestimento tenha uma espessura entre 20 e 300 mícron, compreen- dendo 30% a 90% de um componente condutor dotado de temperatura de fusão superior à do metal fundido do bloco de motor e a quantidade restante da camada cujo ponto de fusão seja equivalente ao do metal fundido do bloco de motor.

Breve Descrição da Invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados através da formação de uma camisa de cilindro para engastamento em um bloco de motor de combustão interna, a camisa de cilindro compreendendo um corpo cilíndrico metálico dotado de uma superfície externa circunferencial envolta por um revestimento depositado na superfície externa circunferencial do corpo cilíndrico, sendo que o revestimento compreende um material compósito aplicado em estado sólido por aspersão a frio (co/d spray) para formação de uma matriz composta de um componente condutor e um componente adesivo, sendo que o componente condutor tem uma temperatura de fusão superior à do metal do bloco de motor e a temperatura de fusão do componente adesivo é equivalente à do metal do bloco de motor, o revestimento compreendendo 30% a 90% do componente condutor e uma condutibilidade térmica superior à do metal do bloco de motor.

Os objetivos da presente invenção são ainda alcançados através da provisão de um bloco de motor para combustão interna compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro tal como acima definida.

Breve Descrição dos Desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em exemplos de execução representados nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - é uma ilustração em perspectiva de uma camisa de cilindro;

Figura 2 - é uma fotografia de uma seção circunferencial de uma camisa de cilindro engastada em um bloco de motor do estado da técnica;

Figura 3 - é uma fotografia de uma seção de uma camisa de cilindro engastada em um bloco de motor do estado da técnica evidenciando em detalhes a formação de defeitos de fundição (vazios) na região adjacente ao revestimento da camisa;

Figura 4 - é uma fotografia de uma seção de uma camisa de cilindro engastada em um bloco de motor do estado da técnica evidenciando em detalhes a formação de defeitos de fundição (vazios) na região adjacente ao revestimento da camisa;

Figura 5 - é uma fotografia de uma seção de uma camisa de cilindro engastada em um bloco de motor do estado da técnica evidenciando em detalhes a formação de defeitos de fundição (vazios) na região adjacente ao revestimento da camisa;

Figura 6 - é uma ilustração do revestimento da presente invenção;

Figura 7 - é uma ilustração do revestimento da presente invenção comparando os valores de expansão térmica, condutividade térmica e ponto de fusão de seus elementos; e

Figura 8 - é um gráfico ilustrando a ponderação necessária do material compósito para se alcançar um compromisso ótimo entre adesão e troca térmica.

Descrição Detalhada das Figuras

Para se entender corretamente a presente invenção, faz-se necessário esclarecer a diferença entre um material metálico, ou liga metálica, e um material compósito.

Em um material metálico, tal como alumínio ou uma liga de alumínio (por exemplo, alumínio silício - AlSi), tem-se sempre um material homogéneo. Por outras palavras, significa dizer que os elementos foram fundidos e deram origem a um componente que pode ser aplicável consoante as necessidades.

De modo diferente, no caso de um material compósito, coexistem obrigatoriamente pelo menos dois componentes distintos em estado sólido, isto é, a mistura dos dois componentes forma uma matriz que compreende as características do componente A somadas às características do componente B. Se o material compósito for aquecido acima do ponto de fusão de ambos os componentes, aí passa a existir uma liga formada por A e B, não sendo mais o mesmo material compósito acima definido. Cumpre notar que o material compósito deve ser entendido como uma mistura heterogénea de materiais, em que um dos materiais não está em solução sólida, ou seja, que este material participa na estrutura cristalina de um segundo. Tal material compósito pode ser obtido por um processo de aspersão a frio (co/d spray), sendo possível obter a mistura de fases sem solução sólida, devido a reduzida temperatura de trabalho.

Por conta das características de um material compósito, há que ter especial atenção ao processo de sua obtenção. Assim, o processo em questão não pode fazer uso de uma temperatura que funda um dos componentes, o que poderia originar, por exemplo, uma liga ternária caso se trabalhe com dois compostos, um de metal puro e outro de uma liga binária.

De todos os processos conhecidos de aspersão térmica, só recentemente foi possível alcançar uma temperatura de aspersão inferior a 600°C pelo método de aspersão a frio (cold spray). Este é, naturalmente, um dos motivos pelos quais não seria possível anteriormente realizar pesquisas no presente campo tecnológico, mais particularmente na possibilidade de criação de compósitos para deposição de camisas de cilindro 10.

A presente invenção faz assim uso de um processo de pulverização térmica, mais particularmente de aspersão a frio (cold spray), também conhecido como metalização, cujas temperaturas de processamento são garantidamente inferiores a 600°C.

Tendo compreendida a formação de um material compósito, cumpre explorar as características da presente invenção. Conforme explicado, o campo da presente invenção diz respeito a motores de combustão interna, mais particularmente à interação entre as camisas de cilindro 10 e o respectivo bloco de motor 8 em que são engastadas através do vazamento de metal líquido ao redor das camisas de cilindro previamente dispostas no respectivo molde. Tipicamente, o metal do bloco de motor é de um metal leve, tal como alumínio ou uma liga de alumínio.

A camisa de cilindro 10, tal como referido, precisa assegurar a sua adesão ao bloco do motor 8, bem como garantir que, após o arrefeci- mento do metal líquido vazado no molde, não surjam regiões vazias 4 sem metal (defeitos de fundição). Como foi explicado no estado da técnica, garantir esta combinação é algo complexo.

Tal como mostra a figura 1 , uma camisa de cilindro 10 é dotada de um tubo ou corpo cilíndrico 1 vazado, geralmente constituído de uma liga ferrosa, tal como ferro fundido ou ferro fundido cinzento. Esse corpo cilíndrico 1 confere duas superfícies em particular, a superfície interna 3 onde ocorrerá o movimento axial de um pistão e a superfície externa 2 circunferencial. É esta região externa que será envolta pelo metal líquido do bloco de motor 8, mas só depois de a superfície externa 2 ter sido submetida ao revestimento 5, configurando a presente invenção.

Conforme explicado, o revestimento 5 da presente invenção a- plicado diretamente na superfície externa 2 sem preparação especial, sendo constituído de um material compósito compreendendo pelo menos dois compostos distintos podendo ser ao menos um destes materiais uma liga. A combinação dos compostos é ponderada de acordo com o comportamento previsto na figura 8. Assim, o ideal é que um composto promova uma boa capacidade de adesão (comportamento identificada pela letra B) entre o par, camisa de cilindro 1 e bloco de motor 8, denominado componente adesivo 7, e o outro composto tenha uma boa condução térmica (comportamento identificada pela letra A), denominado por componente condutor 6. O problema dos vazios 4, conforme se verá adiante, é resolvido pela formação compósita do revestimento 5.

A melhor relação entre o componente condutor 6 e componente adesivo 7 é alcançada quando o componente condutor está presente no revestimento 5 em uma proporção de 30% a 90%, preferencialmente entre 55% a 90%. O restante será preenchido pelo componente adesivo 7. Cumpre notar que podem ser utilizados um ou mais componentes condutores 6 e adesivos 7, conquanto que seja mantida a proporção mencionada. Por sua vez, cada componente pode ser constituído de um metal ou liga metálica.

De modo preferencial, mas não obrigatório, a presente invenção está representada pela figura 6 que mostra uma camisa de cilindro 10 em corte. A camisa de cilindro 10 da presente invenção compreende assim um corpo cilindro 1 de ferro fundido cinzento dotada de um revestimento 5 compósito de um componente condutor 6 de metal cobre (Cu), ou suas ligas, e um componente adesivo 7 de alumínio, ou suas ligas, tal como uma liga de alumínio silício (AlSi) aplicado por aspersão a frio (cold spray), a camisa de cilindro 10 sendo envolta pelo bloco de motor 8 constituído de uma liga de alumínio, tal como, por exemplo, uma liga de alumínio silício (AlSi).

Conforme se percebe facilmente, o componente adesivo 7 garante a sua função de adesão por conta da paridade química com a liga do bloco de motor 8. Por outro lado, o componente condutor 6 escoa o calor oriundo da combustão com facilidade por ser constituído do metal cobre, notoriamente conhecido como um material termicamente condutor. Naturalmente que dependendo da liga do bloco de motor 8, o material compósito do revestimento 5 pode ser compreendido por outros materiais, haja vista que o que se quer garantir aqui é a relação entre paridade química e a transferência de calor.

Cumpre notar, também, que o material compósito da presente invenção (formado, por exemplo, pelos componentes condutor e adesivo 6,7 Cu e AlSi, respectivamente) apresenta um coeficiente de dilatação térmica intermediário ao do material da camisa de cilindro 10 (por exemplo, ferro) e ao da liga do bloco de motor 8 (por exemplo, AlSi) -vide figura 8. A gradação do coeficiente de dilatação evita os defeitos (trincas e vazios 4) decorrentes do resfriamento na região adjacente a interface do material do bloco de motor 8 (AlSi) fundido. Este efeito benéfico é potencializado pela melhor transferência de calor devido a presença da matriz de cobre no compósito. Esta melhor transmissão de calor minimiza o gradiente térmico, o que por sua vez elimina os defeitos de contração (trincas e vazios 4) durante a solidificação e posterior resfriamento do material. Note-se que a condutibilidade térmica do revestimento 5 deve ser considerada como de pelo menos 250 W/(mK).

Para melhor compreensão, a figura 7 ilustra os diferentes valores de expansão térmica, condutividade térmica e ponto de fusão do metal bloco de motor 8, da camisa 10 e do revestimento. Com uma distribuição similar à apontada, a expansão térmica do componente condutor 6 minimiza as fraturas e defeitos adjacentes ao substrato de ferro fundido da camisa 10. Por sua vez, o metal do bloco de motor 8 gera fusão localizada do elemento adesivo 7 do revestimento 5, o que promove um aumento da área superficial para troca de calor. Consequentemente, o revestimento 5 compósito melhora a adesão e condução térmica devido à integração das interfaces entre a camisa de cilindro 10 e o revestimento 5.

Como comentado acima, existe um ponto de equilíbrio entre as quantidades de cada componente 6, 7 utilizado e essa relação está profundamente enraizada na formação do material compósito.

A formação do material compósito ocorre através do bombardeamento de partículas de cada um dos componentes na superfície externa 2 da camisa de cilindro 10 proporcionado pelo método de aspersão. Quando cada partícula alcança a superfície externa, sofre uma deformação elevadíssima, mantendo-se, obrigatoriamente no estado sólido. Este é um fator limitador na escolha dos componentes 6, 7 já que estes necessitam ter elevada ductilidade e plasticidade.

Conforme mostra o gráfico da figura 8, é preferivelmente depositado em maior quantidade o componente condutor 6, ficando o componente adesivo 7 localizado no interior do componente condutor 6. Para se ter uma melhor percepção de como fica o material compósito, se eventualmente fosse possível remover todo o componente adesivo 7, ficaria com uma estrutura porosa formada pelo componente condutor 6, estrutura essa que permitiria a comunicação entre seus vazios. Ademais, o componente condutor 6 tem de ter uma temperatura de fusão superior à do metal do bloco de motor 8 e, a temperatura de fusão do componente adesivo 7 deverá ser substancialmente equivalente à do metal do bloco de motor 8.

A compreensão da estrutura compósita é da mais alta importância, pois permite perceber o que ocorre durante o vazamento do metal líquido do bloco de motor 8 contendo pelo menos uma camisa da presente invenção. Assim, há dois metais com pontos de fusão similares, são eles o componente adesivo 7 e o metal líquido do bloco de motor 8, ambos em uma liga de alumínio silício (AlSi). Por sua vez, o componente condutor 6, ao ser em cobre (Cu), tem uma temperatura de fusão superior à liga de alumínio silício (AlSi). Respeita-se deste modo as condições da presente invenção.

O que ocorre durante a fundição é que o metal líquido do bloco de motor 8, ao entrar em contato com o revestimento 5, promove o seu a- quecímento, provocando, ao menos parcialmente, a fusão do componente adesivo 7, tanto pelo contato direto, quanto pela alta transferência de calor que o cobre permite. Como a liga do componente adesivo 7 tem alta paridade química com a liga do bloco de motor 8, a adesão é altíssima. Concomitantemente, a liga do componente adesivo 7 comunica entre si, o que permite enraizar a adesão do metal líquido do bloco de motor 8 dentro da estrutura do componente condutor 6, ou seja, ao longo de toda a sua espessura. Esta dupla adesão (paridade química e enraizamento na estrutura do material compósito) garante elevadíssima adesão pelo fato de fazer um uso combinado não antes experimentado.

No tocante à espessura do revestimento 5 da presente invenção, pode varia entre os 20 e 300 mícrons. Ademais, o revestimento 5 apresentará uma rugosidade tal como depositado.

Ao contrário do estado da técnica que apenas se preocupava com a paridade química ou rugosidade, a presença de um revestimento 5 compósito da presente invenção permite controlar o processo de ancoragem das camisas ao longo da fundição do bloco com maior profundidade ao permitir estudar um revestimento em função da quantidade de cada componente 6,7, de sua deformabilidade, condução térmica e paridade química com o metal do bloco de motor 8.

O estado da técnica nunca trabalhou com esta relação tripartite, muito menos quando tal relação converge para a formação de um revestimento 8 compósito, cujas características permitem acomodar perfeitamente as contrações decorrentes do arrefecimento do metal líquido do bloco de motor 8 sem que ocorra a formação de vazios 4. Assim, não só tal desvantagem é ultrapassada, como a própria camisa consegue escoar melhor o calor durante o funcionamento do motor pelo bloco de motor 8 pelo fato de ter um revestimento mais condutor que atua como um dissipador entre os diferentes materiais que compõe o conjunto em comento.

A solução técnica da presente invenção, ao contribuir para um melhor escoamento de calor e possibilitar reduzir a espessura da parede da camisa, possibilita a minimização de distorções térmicas e mecânicas no funcionamento do motor 8. Motores com maiores distorções tendem a apresentar maior nível de desgaste de seus componentes bem como maiores níveis de consumo de óleo e emissões de poluentes. Assim, o aumento da troca térmica tem diversos efeitos benéficos, pois evita o desgaste excessivo dos componentes e melhora as condições de consumo combustível, óleo e emissões. Adicionalmente, uma melhor troca térmica permite também reduzir as dimensões do bloco (interbore), resultando em blocos de motor 8 mais compactos e, portanto, mais leves.

Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.