Simulação numérica do comportamento tribológico de superfícies texturizadas de cilindros de motores de dois tempos

Abstract

Atualmente o desenvolvimento de motores de combustão interna mais eficientes tem por foco a redução do atrito entre as interfaces móveis do motor, principalmente no contato entre as superfícies dos anéis do pistão e do cilindro. Dentre os vários meios existentes para diminuir o atrito deste tribossistema, há a inserção de texturas de sulcos de brunimento em uma ou ambas as superfícies. Algumas técnicas lançam mão da criação de modelos numéricos de superfícies brunidas para simular o comportamento em regime de lubrificação mista de superfícies texturizadas em sistemas pistão/cilindro. Este trabalho busca a otimização de padrões de brunimento para a superfície do cilindro de motores de dois tempos. Ainda pouco explorado, o estudo do brunimento possui poucas referências sobre a simulação numérica de seu comportamento nestes tipos de motores, principalmente sobre a combinação de uma textura estocástica com sulcos de brunimento, formando uma textura híbrida. Estes cilindros possuem uma textura estocástica prévia resultante de um revestimento de cromo duro aplicado industrialmente, seguido de polimento. Com o auxílio de ferramentas computacionais para inserção de sulcos de brunimento, foram realizadas simulações numéricas para avaliar os efeitos do ângulo de cruzamento (α), profundidade (dp), largura (w) e densidade (de) destes sulcos na lubrificação e atrito do tribossistema pistão/cilindro. Através destes métodos, chegou-se aos valores de α = 40°, de = 0.15, w = 15 μm e dp = 1.5 μm, os quais apresentaram melhor comportamento entre as superfícies numericamente modificadas. Os resultados sugerem que, neste caso, os sulcos não resultariam em redução de atrito. Isso provavelmente ocorre porque, para os casos estudados, já havia uma textura estocástica resultante da deposição anterior de cromo duro, a qual possuía dimensões mais significativas que os sulcos de brunimento digitalmente introduzidos.

Currently, the development of more efficient internal combustion engines focuses on reducing friction between the engine's moving interfaces, especially in the contact between the piston ring and cylinder liner surfaces. Among the various means to reduce friction in this tribosystem, there is the insertion of honing groove textures on one or both surfaces. Some techniques make use of the creation of numerical models of honed surfaces used to simulate the behavior of textured surfaces in mixed lubrication regimes in piston/cylinder systems. This work seeks to optimize honing patterns for the cylinder surface of two-stroke engines. Still little explored, the study of honing has few references on the numerical simulation of its behavior in these types of engines, mainly on the combination of a stochastic texture with honing grooves, forming a hybrid texture. These cylinders have a previous stochastic texture resulting from an industrially applied hard chromium coating, followed by polishing. With the aid of computational tools for inserting honing grooves, numerical simulations were carried out to evaluate the effects of crossing angle (α), depth (dp), width (w), and density (de) of these grooves on lubrication and friction in the piston/cylinder tribosystem. Through these methods, values of α = 40°, de = 0.15, w = 15 μm and dp = 1.5 μm were reached, which showed better behavior among the numerically modified surfaces. The results suggest that, in this case, the grooves would not improve tribology. This probably occurs because, in this case, there was already a stochastic texture resulting from a previous hard chrome deposition.