[001 ] A presente invenção refere-se a uma válvula de alívio para um turbocompressor, em que o braço de manivela é fabricado em um primeiro material e o eixo é fabricado em um segundo material distinto do primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela, cada um dos materiais contendo uma composição que fornece as propriedades necessárias de acordo com a aplicação de cada componente da válvula de alívio A presente invenção refere-se também a um processo para a fabricação da válvula de alívio que permite fabricar separadamente o braço de manivela e o eixo, utilizando-se materiais distintos para a fabricação de cada componente.

Descrição do estado da técnica

[002] As válvulas de alívio, também conhecidas como “wastegate" , estão presentes na maioria dos automóveis que possuem turbocompressor. Esta válvula é instalada no coletor de escape e sua função é regular o fluxo de gases que passam pela turbina. Seu principal objetivo é evitar que a turbina gire rápido demais, o que significaria excesso de ar no motor. Seu funcionamento é relativamente simples: quando a pressão dos gases atinge o máximo regulado pelo sistema, a válvula se abre e permite que parte dos gases sejam desviados direto para o escapamento, não passando pela turbina.

[003] Resumidamente, o turbocompressor é um dispositivo que basicamente melhora o desempenho do motor de combustão interna, aumentando sua potência. Ele aproveita os gases de escape, que são coletados e giram a turbina em temperaturas elevadas. Em seguida, o ar passa por uma pequena entrada onde é resfriado e comprimido junto com o ar sugado pelo lado do compressor do turbo. Esse processo, que vai do lado quente para o lado frio, sopra um ar resfriado e, portanto, mais rico para a mistura de queima do motor. [004] Na metade quente do turbocompressor, os gases chegam a temperaturas elevadas. Alto calor significa alta pressão, sendo nesse momento que as válvulas de alívio entram em ação. A válvula de alívio é acionada assim que a pressão desejada pré-estabelecida no coletor de admissão é alcançada. Neste momento, a válvula abre e permite que parte dos gases de escape contorne a turbina e sejam direcionados diretamente para o tubo de escape, não aproveitando a energia presente nos gases que deixaram de passar pelo sistema de turbocompressão.

[005] Esta medida faz com que a rotação da turbina seja controlada, entregando uma compressão mais alta, além de garantir que a pressão não ultrapasse a pressão máxima de trabalho, o que evita possíveis danos ao equipamento.

[006] Assim, turbocompressores que contém com uma válvula de alívio permitem controlar de forma eficaz a rotação e aumento da pressão do turbocompressor, otimizando a pressão do ar de admissão em baixas rotações do motor.

[007] As válvulas de alívio podem ser internas ou externas e são constituídas, basicamente, por duas peças: uma cabeça de válvula (“ valve flap”) e um elemento de suporte, conforme ilustrado na figura 2. Este elemento de suporte consiste de um eixo (“ shaff ), o qual é acionado por um atuador, e um braço de manivela (“ crank arm "), que transfere movimento à cabeça de válvula.

[008] A cabeça de válvula de alívio tem a função de vedar o alojamento da turbina e é submetida diretamente às temperaturas extremamente elevadas dos gases de escape. Dessa forma, a cabeça de válvula deve apresentar excelente resistência à corrosão, resistência a temperaturas elevadas e resistência à deformação.

[009] O braço de manivela e o eixo da válvula de alívio são atualmente produzidos em um único corpo, formando o elemento de suporte da válvula de alívio. Enquanto o braço de manivela deve apresentar excelente resistência à corrosão, a temperaturas elevadas e à deformação, o eixo deve apresentar adicionalmente boas propriedades tribológicas (contato seco com uma bucha), como-resistência ao desgaste e a escoriações (“ scuffing”) em altas temperaturas.

[0010] Tanto a cabeça de válvula quanto o elemento de suporte, braço de manivela e eixo, são usualmente produzidos por fundição de precisão (“ investment casting”) ou, alternativamente, por sinterização, de modo que o material mais comum utilizado para produção dos componentes da válvula de alívio é composto por uma superliga à base de níquel.

[001 1 ] Tem-se, porém, que as elevadas pressões aplicadas no processo de fundição de precisão costumam favorecer a formação de porosidades gasosas. Essa formação de porosidades gasosas reduz a resistência à quebra da válvula de alívio, em particular na porção de união entre o braço de manivela e o eixo, considerada a porção mais crítica da válvula e que está mais sujeita a sofrer quebra.

[0012] Atualmente, o elemento de suporte formado pelo braço de manivela e pelo eixo é fabricado em uma única peça e, portanto, utilizando- se o mesmo material tanto para a fabricação do braço de manivela quanto para a fabricação do eixo.

[0013] Cumpre notar, porém, que esses componentes estão sujeitos a solicitações distintas quando em funcionamento em um motor, de modo que o braço de manivela deve apresentar excelente resistência à corrosão e a temperaturas elevadas que variam entre 800°C e 1050°C, enquanto o eixo deve apresentar excelente desempenho tribológico quando em contato com uma contraparte, com boas propriedades de atrito, desgaste e resistência a escoriações, sob variações de temperatura entre 350°C e 600°C.

[0014] Em vista das solicitações distintas as quais o braço de manivela e o eixo são submetidos, faz-se necessária a obtenção de uma válvula de alívio em que o braço de manivela e o eixo sejam fabricados em materiais diferentes específicos para cada aplicação e que forneçam as propriedades necessárias para o excelente funcionamento de cada um dos componentes da válvula.

Objetivos da invenção [0015] Assim, o objetivo da presente invenção está em prover uma válvula de alívio para um turbocompressor em que os componentes que formam a válvula de alívio são fabricados em peças separadas, utilizando-se materiais distintos para a fabricação de cada componente.

[0016] É também objetivo da presente invenção prover uma válvula de alívio para um turbocompressor formada por uma cabeça de válvula e um elemento de suporte, o elemento de suporte sendo formado por um braço de manivela e um eixo, em que o braço de manivela é fabricado em um primeiro material e o eixo é fabricado em um segundo material distinto do primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela.

[0017] Ainda, é um objetivo da presente invenção prover uma válvula de alívio em que o braço de manivela e o eixo da válvula são associados por um processo que fornece elevada robustez à porção de união entre os componentes, proporcionando excelente resistência à quebra.

[0018] Ademais, é um objetivo da presente invenção prover um processo para obtenção de válvula de alívio que possibilite a utilização de materiais distintos para o braço de manivela e o eixo da válvula, referido processo sendo mais simples e apresentando custo reduzido em relação aos processos de fabricação de válvulas de alívio atualmente utilizados.

Breve descrição da invenção

[0019] Os objetivos da presente invenção são alcançados por uma válvula de alívio para um turbocompressor formada por uma cabeça de válvula e um elemento de suporte, o elemento de suporte sendo formado por um braço de manivela e um eixo, o braço de manivela sendo fabricado em um primeiro material e o eixo sendo fabricado em um segundo material distinto do primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela, o primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela sendo composto por um material à base de níquel com pelo menos 30% em peso de níquel, preferencialmente contendo até 0.08% em peso de carbono, 0.5% em peso de silício, até 0.5% em peso de manganês, até 0.015% em peso de fósforo, até 0.01 % em peso de enxofre, entre 13.5% e 15.5% em peso de cromo, entre 30% e 33.5% em peso de níquel, entre 0.4% e 1 % em peso de molibdênio, entre 1.6% e 2.2% em peso de alumínio e ferro como resíduo; alternativamente, o primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela sendo composto por um aço inoxidável austenítico com pelo menos 10% em peso de cromo e 15% em peso de níquel, preferencialmente contendo até 0.15% em peso de carbono, até 0.75% em peso de silício, até 2% em peso de manganês, até 0.045% em peso de fósforo, até 0.03% em peso de enxofre, entre 24% e 26% em peso de cromo, entre 19% e 22% em peso de níquel e ferro como resíduo; o segundo material utilizado para a fabricação do eixo sendo composto por um material à base de níquel com pelo menos 60% em peso de níquel, preferencialmente contendo entre 0.04% 0.10% em peso de carbono, até 1 % em peso de silício, até 1 % em peso de manganês, até 0.02% em peso fósforo, até 0.015% em peso de enxofre, entre 18% e 21 % em peso de cromo, pelo menos 65% em peso de níquel, entre 1 % e 1.8% em peso de alumínio e até 3% em peso de ferro; a cabeça de válvula sendo fabricada com o primeiro material utilizado na fabricação do braço de manivela ou com o segundo material utilizado na fabricação do eixo, a cabeça de válvula, o braço de manivela e o eixo recebendo um revestimento cerâmico, PVD ou CVD, ou um tratamento de nitretação ou um tratamento de endurecimento.

[0020] Os objetivos da presente invenção são alcançados ainda por um processo para fabricação de válvula de alívio tal como descrita acima, o processo compreendendo as etapas de:

[0021 ] i) forjamento ou usinagem do braço de manivela e do eixo em peças separadas; e

[0022] ii) realização de um processo de união de soldagem por atrito para a associação entre o braço de manivela e o eixo.

[0023] iii) realização de um processo de união de soldagem por atrito para a associação entre o braço de manivela e o eixo, em que a cabeça de válvula, o braço de manivela e o eixo recebem um revestimento cerâmico, PVD ou CVD, ou um tratamento de nitretação ou um tratamento de endurecimento. [0024] Ademais, os objetivos da presente invenção são alcançados por uma válvula de alívio para um turbocompressor formada por uma cabeça de válvula e um elemento de suporte, o elemento de suporte sendo formado por um braço de manivela e um eixo, em que a válvula é obtida por um processo que compreende as etapas de:

[0025] i) forjamento da cabeça de válvula;

[0026] ii) forjamento ou usinagem do braço de manivela e do eixo em peças separadas; e

[0027] iii) realização de um processo de união de soldagem por atrito para a associação entre o braço de manivela e o eixo.

Descrição resumida das figuras

[0028] A válvula de alívio para um turbocompressor da presente invenção pode ser mais bem compreendida por meio da seguinte descrição detalhada que é baseada nas figuras abaixo listadas:

[0029] Figura 1 - representação esquemática de um turbocompressor com indicação da posição de instalação da válvula de alívio;

[0030] Figura 2 - representação de uma válvula de alívio com todas as partes que a compõem;

[0031 ] Figura 3 - representação da microestrutura obtida na porção de união entre o braço de manivela e o eixo da válvula de alívio da presente invenção;

[0032] Figura 4 - representação da cabeça de válvula da válvula de alívio da presente invenção;

[0033] Figura 5 - representação da cabeça de válvula da válvula de alívio da presente invenção, ilustrando o pino associado ao componente de fixação;

[0034] Figura 6 - representação da microestrutura obtida na poção de união entre o braço de manivela e o eixo da válvula de alívio da presente invenção; e [0035] Figura 7 - representação gráfica da resistência à fadiga alcançada por uma válvula de alívio do estado da técnica, representada pela letra A, e a válvula de alívio da presente invenção, representada pela letra B. Descrição detalhada das figuras

[0036] A presente invenção apresenta uma válvula de alívio 1 para um turbocompressor em que os componentes que formam a válvula de alívio 1 são fabricados em peças separadas, utilizando-se materiais distintos para a fabricação de cada componente. A figura 1 é uma representação esquemática de um turbocompressor, indicando a posição da válvula de alívio 1.

[0037] Usualmente, uma válvula de alívio é formada por basicamente duas peças, sendo uma cabeça de válvula 2 (“ valve flap”) e um elemento de suporte, conforme ilustrado na figura 2. Este elemento de suporte consiste de um eixo 4 (“ shaff ) e um braço de manivela 3 {“crank arm").

[0038] A válvula de alívio 1 da presente invenção apresenta o braço de manivela 3 sendo fabricado em um primeiro material e o eixo 4 sendo fabricado em um segundo material distinto do primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela 3.

[0039] Em uma primeira configuração construtiva preferencial, o primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela 3 é composto por um material à base de níquel com pelo menos 30% em peso de níquel. Particularmente, o braço de manivela 3 é fabricado em um primeiro material que contém até 0.15% em peso de carbono, até 0.75% em peso de silício, até 2% em peso de manganês, até 0.045% em peso de fósforo, até 0.03% em peso de enxofre, entre 24% e 26% em peso de cromo, entre 19% e 22% em peso de níquel e ferro como resíduo.

[0040] Em uma segunda configuração construtiva preferencial, o primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela 3 é composto por um aço inoxidável austenítico com pelo menos 10% em peso de cromo e 15% em peso de níquel. Particularmente, o braço de manivela 3 é fabricado em um primeiro material que contém até 0.08% em peso de carbono, 0.5% em peso de silício, até 0.5% em peso de manganês, até 0.015% em peso de fósforo, até 0.01 % em peso de enxofre, entre 13.5% e 15.5% em peso de cromo, entre 30% e 33.5% em peso de níquel, entre 0.4% e 1 % em peso de molibdênio, entre 1.6% e 2.2% em peso de alumínio e ferro como resíduo.

[0041 ] Independentemente da composição do primeiro material utilizado para a fabricação do braço de manivela 3, o eixo 4 deve necessariamente ser fabricado em um segundo material distinto do primeiro material. Preferencialmente, o segundo material utilizado para a fabricação do eixo 4 é composto por um material à base de níquel com pelo menos 60% em peso de níquel. Em particular, eixo 4 é fabricado em um segundo material contendo entre 0.04% 0.10% em peso de carbono, até 1 % em peso de silício, até 1 % em peso de manganês, até 0.02% em peso fósforo, até 0.015% em peso de enxofre, entre 18% e 21 % em peso de cromo, pelo menos 65% em peso de níquel, entre 1 % e 1.8% em peso de alumínio e até 3% em peso de ferro.

[0042] A cabeça de válvula 2 é fabricada em um primeiro material, idêntico ao utilizado na fabricação do braço de manivela 3, ou em um segundo material, idêntico ao utilizado na fabricação do eixo 4. A seleção entre o primeiro ou o segundo material para a fabricação da cabeça de válvula 2 varia de acordo com cada projeto e aplicação.

[0043] Entre os processos utilizados para a fabricação da válvula de alívio 1 da presente invenção, destacam-se o forjamento e usinagem, seguido de um processo de união realizado por soldagem por atrito.

[0044] Em uma primeira configuração construtiva preferencial, a cabeça de válvula 2, o braço de manivela 3 e o eixo 4 são fabricados separadamente por meio de um processo de forjamento. A cabeça de válvula 2 e o braço de manivela 3 são associados por meio de um pino, enquanto que o braço de manivela 3 e o eixo 4 são unidos por um processo de soldagem por atrito.

[0045] O processo de forjamento em si alcança propriedades mecânicas superiores em relação ao processo de fundição de precisão, utilizado no estado da técnica, uma vez que proporciona maior densidade de discordâncias e evita a formação de microporosidades, aumentando a robustez dos componentes.

[0046] Por sua vez, o processo de soldagem por atrito é capaz de refinar a microestrutura da porção de união 5 entre o braço de manivela 3 e o eixo 4, elevando as propriedades mecânicas nessa porção de união 5 e, principalmente, aumentando a robustez contra quebras. A figura 3 ilustra a microestrutura refinada obtida na porção de união 5 submetida ao processo de soldagem por atrito.

[0047] Adicionalmente, o fato de cada um dos componentes da válvula ser fabricado separadamente, permite a utilização de materiais distintos na fabricação dos componentes, possibilitando a seleção de materiais otimizados específicos para a obtenção de diferentes propriedades.

[0048] Por exemplo, o primeiro material selecionado para a fabricação do braço de manivela 3 alcança propriedades específicas para proporcionar um aumento da resistência a temperaturas elevadas e resistência à corrosão. Por outro lado, o segundo material selecionado para a fabricação do eixo 4 fornece propriedades tribológicas específicas.

[0049] Alternativamente, em uma segunda configuração construtiva preferencial, a cabeça de válvula 2, o braço de manivela 3 e o eixo 4 são fabricados separadamente por meio de um processo de usinagem, com a cabeça de válvula 2 e o braço de manivela 3 sendo associados por meio de um pino, enquanto que o braço de manivela 3 e o eixo 4 são unidos por um processo de soldagem por atrito.

[0050] A elevada resistência à quebra, obtida na porção de união 5 entre o braço de manivela 3 e o eixo 4, é comprovada pela realização de um teste de resistência à fadiga por meio da utilização de uma máquina de pulsação vertical em um banco de testes.

[0051 ] Para o teste, foram comparadas duas válvulas de alívio com designs idênticos, porém, para a válvula de alívio 1 do estado da técnica, indicada pela letra A, sendo utilizado um único material para a fabricação de todos os componentes que formam a válvula, e para a válvula de alívio 1 da presente invenção, indicada pela letra B, sendo utilizado um primeiro material para a fabricação do braço de manivela 3 e um segundo material, distinto ao primeiro material, para a fabricação do eixo 4, com a união entre o braço de manivela 3 e o eixo 4 sendo realizada por meio de um processo de soldagem por atrito.

[0052] Tem-se, ainda, que a válvula de alívio do estado da técnica (letra A) ensaiada no teste de resistência à fadiga é obtida por meio de um processo de fundição de precisão, enquanto a válvula de alívio 1 da presente invenção (letra B) é obtida por meio de processos de forjamento e/ou usinagem, seguido de um processo de soldagem por atrito, tal como descrito anteriormente.

[0053] Conforme é possível observar na representação gráfica do teste de resistência a fadiga, ilustrada na figura 7, a válvula A do estado da técnica apresentou uma probabilidade de sobrevivência de 50% quando se aplicava uma força ligeiramente superior a 480 Newton (N). Em contrapartida, a válvula B da presente invenção apresenta uma probabilidade de sobrevivência de 50% quando uma força superior a 650 Newton (N) foi aplicada.

[0054] Fica, portanto, comprovado o aumento da resistência à fadiga para a válvula B da presente invenção em relação à válvula A do estado da técnica.

[0055] Além dos materiais distintos utilizados para a fabricação da cabeça de válvula 2, do braço de manivela 3 e do eixo 4 da válvula de alívio 1 da presente invenção e da utilização de processo de fabricação de forjamento/usinagem e soldagem, a presente invenção ainda prevê a aplicação de um recobrimento na superfície externa de cada um dos componentes da válvula 1 , o referido recobrimento compreende um revestimento cerâmico, PVD ou CVD, ou um tratamento de nitretação de endurecimento.

[0056] Tais recobrimentos, em conjunto com os materiais e processos utilizados para a obtenção da válvula de alívio 1 da presente invenção garantem excelente resistência e durabilidade não só à válvula em si, mas do turbocompressor como um todo, uma vez que alcança melhor funcionamento e desempenho da válvula 1.

[0057] Em suma, a válvula de alívio 1 da presente invenção apresenta maior resistência em relação ás válvulas do estado da técnica, devido a possibilidade de utilização de materiais distintos e específicos para cada componente da válvula 1 , sendo obtida por meio de processos mais simples e que apresentam custos reduzidos em relação aos processos utilizados no estado da técnica.

Tendo sido descritos 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 apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.