New processing technologies for improved compression piston ring performance

Abstract

Nos motores de combustão interna um dos pares tribológicos mais estudados é representado pelo contacto entre o segmento e o cylindro do motor. O seu funcionamento sob altas temepaturas e exposto a cargas elevadas torna a superfície do segmento mais susceptível a apresentar um elevado desgaste, podendo afectar a sua principal função que é a vedação da câmara de combustão. Uma vedação pouco eficaz pode estar associada ao aumento de emissão de gases, ao aumento do consumo de combustível e ainda a um acréscimo dos custos de manutenção. Como tal, e tendo em conta a elevada competitiividade desta indústria, o seu desempenho deverá ser otimizado. A solução mais convencional é a aplicação de revestimentos na superfície radial dos segmentos de compressão. Esta camada é habitualmente depositada através de uma técnica de deposição física de em fase de vapor, o arco catódico. No presente trabalho de doutoramento será desenvolvida, produzida e testada uma nova solução para a superfície do segmento utilizando novas tecnologias de processamento que permitam uma melhoria do seu desempenho. De forma a utilizar o mesmo equipamento de avaliação tribológica ao longo de todo o projecto for desenvolvido um novo tribómetro adaptado para o contacto entre as amostras do segmento e do cilindro e capaz de reproduzir condições de teste semelhantes às do motor. Numa abordagem inicial foi estudada a influência dos parâmetros de deposição (utilizando a técnica de deposição convencional) no desempenho tribológico do contacto entre o segmento e o cilindro. Posteriormente foi ainda investigada a influência de técnicas de acabamento de superfíce na resistência ao desgaste dos dois componentes. A introdução de novas tecnologias passaram pela utilização da ténica de texturização a laser para produzir cavidades ao longo da superfície radial do segmento, eficazes na redução do atrito e do desgaste. A tecnologia laser associada à tecnica de metalurgia dos pós hot pressing foram duas das novas tecnologias de manufactura utilizadas no desenvolvimento de um segmento com superficie multifunctional.

In the internal combustion engine (ICE), the piston ring-cylinder liner contact is one of the most studied tribological pairs. Operating under elevated temperatures and heavy-loaded conditions, the compression piston ring surface is more prone to wear, which affects the efficacy of the main top ring role, the combustion chamber sealing. The principal consequences of an ineffective combustion chamber sealing are the increase in exhaust emissions, the increase in fuel consumption and an increment of maintenance costs. In an increasingly competitive global market, the ICE performance must continue under improvement. The conventional compression piston ring possesses a bulk coating layer over its radial surface, the one in contact with the cylinder liner bore. The coating layer is usually deposited through a physical vapor deposition technique, the cathodic vacuum arc. In this PhD thesis is concerned the development, production and testing of a new piston ring surface solution using new processing technologies to obtain an improved compression piston ring performance. In order to use the same testing equipment during the PhD thesis it was developed a new tribometer, adapted for the ring-liner samples assembly and able to reproduce similar engine operation conditions. In a preliminary approach it was studied the influence of different deposition parameters, using the conventional PVD technique, on the final ring-liner tribological performance. In a subsequent study, it was investigated the influence of the post-deposition processing. Different surface finishing techniques were applied and it was assessed the piston ring and cylinder liner wear resistance. The introduction of new processing technologies encompassed the use of the laser surface texturing (LST) to produce dimples over the ring radial surface. Those revealed to be effective for friction reduction and consequent improvement of the ring wear resistance. This latter manufacturing technology, LST, combined with a powder metallurgy technique, hot pressing, were used on the development of a multifunctional piston ring surface.