El segmento de Powertrain de
Federal-Mogul (NASDAQ: FDML) ha reducido significativamente la fricción de los
aros de pistón de los vehículos industriales diesel gracias a una combinación
de tecnologías, materiales y diseños, que permiten a los fabricantes de
vehículos reducir las emisiones de CO2 y ahorrar combustible. En un avance para
el rendimiento del aro, mientras que reduce la fricción, la compañía ha
mejorado simultáneamente la resistencia a la abrasión y la durabilidad.
El enfoque en la reducción
de la fricción del aro se ha visto impulsado por su importancia a la hora de
reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Los motores diesel de
los vehículos industriales queman hasta un 10% de combustible en pérdidas
mecánicas. Entre ellas, uno de los mayores contribuyentes es la fricción entre
el ring pack y la superficie interna del cilindro, que representan un 25% del
total de las pérdidas mecánicas y entorno al 4% del consumo de combustible del
vehículo.
“La fricción entre el ring
pack y la superficie interna del cilindro está influenciada por tres factores
principales: fuerzas tangenciales del aro, altura del aro axial y el
revestimiento en el borde de la superficie de deslizamiento del aro”, ha
declarado Dr. Steffen Hoppe, director de tecnología de aros y camisas de
cilindros, de Federal-Mogul Powertrain. “Hemos utilizado un enfoque combinado
para reducir la fricción proveniente de estas tres fuentes, a la vez que
mejoramos la resistencia al desgaste para ofrecer más durabilidad a la vez que
conservamos e incluso optimizamos su función principal que consiste en sellar
la cámara de combustión frente al cárter”.
El enfoque de Federal-Mogul
de conseguir la reducción de la fricción en estas áreas incluye tecnología
innovadora, soluciones de procesos y materiales, incluyendo el DuroGlide®, el
revestimiento para aros de pistón de la compañía, su aro de pistón patentado
LKZ® y un proceso de fundición vertical combinado con el uso del material de
acero fundido altamente refinado GOE70.
DuroGlide®: un gran avance
en el rendimiento del revestimiento
DuroGlide® de Federal-Mogul
está considerado un avance en la tecnología de revestimiento de aro de pistón
ya que supera incluso a productos premium existentes al ofrecer la mejor
combinación de baja fricción con una durabilidad excepcional, incluso en los
entornos de motor más críticos. En las pruebas, los aros de pistón con
revestimiento DuroGlide® demostraron una durabilidad mayor que cualquier tipo
de revestimiento de aro de pistón y mejoraron el ahorro de combustible hasta un
1,2%. DuroGlide® también presenta una resistencia superior al desgaste, lo que
la convierte en una tecnología particularmente conveniente para motores de alto
rendimiento y de bajo consumo, donde las condiciones adversas de lubricación
son debidas a superficies internas de los cilindros más suaves, aceites de baja
viscosidad, estrategias agresivas de conducción y temperaturas muy altas.
La innovación del material
avanzado de DuroGlide® se basa en un revestimiento amorfo de gran dureza basado
en el carbono, que evita el contacto de lubricación límite entre las
superficies proporcionando una barrera física y químicamente inerte. Contiene
carbono diamante en la concentración más alta que se haya conseguido (en torno
al 50 por ciento), aportando una firmeza excepcional (hasta 5000HV0.2) e
índices de desgaste obtenidos que equivalen a la mitad de lo registrado en el
caso de los mejores revestimientos de aros de pistones.
“Hasta ahora, los
revestimientos de gran durabilidad basados en el carbono disponibles en el
mercado se han visto por lo general restringidos a un máximo de espesor de unas
pocas micras debido a que un espesor mayor aumenta las tensiones residuales, lo
que conlleva un mayor riesgo de delaminación”, ha explicado Hoppe. “Por otra
parte, un buen rendimiento en cuanto a fricción y desgaste requiere unas
superficies de revestimiento muy suaves que no se pueden conseguir con los
procesos de acabado de superficies habituales.”
Federal-Mogul ha
desarrollado un tratamiento de superficie innovador y un proceso de fabricación
de deposición física de vapor que tiene como resultado un espesor de hasta 25
micras sin riesgo de delaminación. Estas innovaciones de procesos permiten el
uso del revestimiento especializado en componentes con elevada presión de
contacto como los aros de pistón. La compañía también ha implementado un
proceso de pulido especial que ofrece un acabado de superficie extremadamente
suave para reducir aún más la fricción. Ya son varios los clientes que han
firmado un contrato con Federal-Mogul por esta tecnología y la preparación para
la producción en serie del revestimiento de aros DuroGlide® está actualmente en
curso.
Fuerzas tangenciales menores
Las fuerzas de aro
tangenciales en los productos actuales de Federal-Mogul para un vehículo
industrial diesel típico compatible con Euro-6 (Ø 130mm orificio) se encuentran
entorno a los 100N, en comparación con los 138N de los motores Euro-3 de hace
apenas unos años. La compañía está actualmente desarrollando soluciones que permitirán
reducciones todavía mayores de las fuerzas tangenciales hasta los 60N. Para
asegurar bajos niveles de consumo de aceite con unas fuerzas tangenciales tan
reducidas, Federal-Mogul ha desarrollado LKZ®, su anillo de control de aceite
patentado que combina una superficie escalonada y cónica en su borde de
contacto, reduciendo la fricción hasta en un 20%, en comparación con los
mejores anillos de aceite de dos piezas convencionales.
“Los aros de pistón típicos
aplican la misma presión a la superficie interna del cilindro en la bajada, a
través del cárter, que en la subida, a través de la cámara de combustión”, ha
comentado Hoppe. “Nuestro anillo LKZ® aporta un efecto mayor en la bajada,
cuando se necesita devolver aceite al depósito de aceite, que en la subida y es
tan efectivo a la hora de apartar aceite de la cámara de combustión, reduciendo
el consumo de aceite, que somos capaces de reducir la tensión y la fricción del
aro”.
Aros más finos, material más
fuerte
Federal-Mogul también ha
reducido la altura axial de los aros de pistón de 3-4mm a 2.5-3.5mm en un motor
típico de Euro-6, y con próximos desarrollos que ya están en marcha la altura
se reducirá a unos 2-3mm. Con el fin de obtener un rendimiento más robusto de
los aros más finos, la compañía desarrolló un proceso de fundición
completamente nuevo y totalmente automatizado, optimizado gracias a una
simulación para fabricar aros consistentes y de calidad excepcional.
El proceso optimizado de
fundición ha dado la oportunidad de desarrollar simultáneamente un material más
refinado de acero fundido, el GOE70, con una resistencia a la tracción un 50%
más alta que la de los aros de hierro de grafito nodular tradicionales. La
producción en serie del nuevo material comenzó en 2012 siendo la primera aplicación
en un motor de vehículo pesado con alta carga que cumplía con la normativa
europea sobre emisiones EU6.
Con respecto al futuro,
Hoppe piensa que la fricción del aro puede verse reducida en un 30% adicional,
lo que equivale a un 1,2% de reducción en BSFC (consumo de combustible
específico de los frenos) en condiciones de carga por carretera, y recalca la
importancia de trabajar estrechamente con los clientes. “Sólo se puede alcanzar
el potencial completo de optimización del paquete de aro de pistón cuando el
diseño del pistón, el diseño del aro, la topografía del cilindro y otros
parámetros del bloque están en sintonía para encajar unos con otros”, ha
añadido.
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