O motor 1,2 L TDI, da Volkswagen, consiste em um motor turbo diesel com injeção direta de 1,2 L e três cilindros. Atualmente, ele é a menor unidade da linha de motores da montadora com injeção direta sob alta pressão (common rail), mas também a mais inovadora.

Com este motor, é possível alcançar um valor de dióxido de carbono (CO₂) de apenas 87 g/km no modelo Polo BlueMotion, por exemplo. Ele é baseado no motor 1,6 L TDI, que possui quatro cilindros e segue o conceito de motores diesel compactos (downsizing).

Com a redução de quatro para três cilindros, a conservação do tamanho e da geometria da câmara de combustão, o seu volume não cai abaixo do mínimo necessário.

Ao contrário do que ocorre quando há a redução da cilindrada com a diminuição da câmara de combustão, neste caso não há quaisquer perdas do grau de eficiência termodinâmico. Inclusive, é possível aproveitar todas as vantagens da redução de peso e do atrito, devido à redução do número de cilindros.

Para o estabelecimento dos padrões deste novo motor, é necessário considerar os seguintes requisitos:

• padrão de referência em termos do consumo e das emissões
• maior dinâmica possível com uma cilindrada reduzida
• conforto acústico máximo
• redução de peso coerente
• redução dos custos com a utilização máxima de peças idênticas e efeitos sinergéticos na fabricação

 

Em razão do cabeçote de cilindro de alumínio do motor 1,2 L TDI ter sido desenvolvido com base no modelo de 1,6 L, foi possível adotar o mesmo conceito de resfriamento do macho da camisa d’água, dos canais de aspiração de gás e do canal de retorno dos gases de escapamento.

A novidade ficou por conta do percurso do óleo, que é realizado por meio do próprio canal de retorno, através do mancal, do cabeçote de cilindro e do bloco de motor. Para isso, foi necessário modificar o projeto do macho de cobertura do cabeçote de cilindro. Um tubo coletor de óleo possibilita que o volume de óleo pulverizado no cabeçote de cilindro possa ser reconduzido com segurança ao cárter do óleo.

Com o objetivo de satisfazer as altas solicitações requeridas pelo motor, o cabeçote de cilindro deve ser fabricado com tolerâncias estreitas e segurança de processo. Por este motivo, a sua produção é submetida a altas exigências, tanto com relação ao posicionamento dos canais e dos machos, como em termos da qualidade do fundido.

Fig. 1 – Motor completo VW 1,2 L TDI, da Volkswagen

 

O processo de vazamento

Os requisitos para a fabricação de cabeçotes de cilindro em alumínio altamente solicitado são um enchimento da coquilha com baixa turbulência (livre de óxidos), uma solidificação direcionada e o alcance de uma estrutura de grãos finos, com espaçamento pequeno entre os braços dendríticos, especialmente nas proximidades da placa da câmara de combustão.

No caso do processo de fundição do cabeçote de cilindro do motor 1,2l TDI, o objetivo era uma técnica que possibilitasse a produção de um componente com excelentes propriedades estruturais, principalmente na região da placa da câmara de combustão.

Fig. 2 – Cabeçote de cilindro do motor VW 1,2 L TDI

Atualmente, os cabeçotes de cilindro em alumínio são fundidos em coquilha, com diferentes técnicas de alimentação do metal. Na Europa, por exemplo, é utilizada a fundição em coquilha estacionária, com sistemas de canais de alimentação pelo topo ou pelo fundo, e a fundição com coquilha móvel, em que o basculamento varia entre 0° e menos de 90°, ou a coquilha é girada 180° (fundição em coquilha basculante do tipo Rotacast).

O vazamento estacionário no topo da coquilha mostra uma solidificação a partir da placa da câmara de combustão, até o massalote do lado do eixo comando de válvulas. Isso resulta em baixos valores do espaçamento entre os braços dendríticos (18-23 μm) na câmara de combustão, mas o enchimento da coquilha ainda sofre turbulências.

O vazamento estacionário pelo fundo da coquilha resulta em um enchimento de baixa turbulência, embora apresente valores piores do espaçamento entre os braços dendríticos, devido à inversão da introdução de energia

O vazamento por basculamento com canais de alimentação no topo da coquilha e um ângulo de basculamento de até 30° resulta em turbulências durante o enchimento da coquilha, que são difíceis de serem eliminadas. Além disso, a qualidade da peça fundida depende fortemente da geometria do componente.

Para satisfazer os requisitos do cabeçote de cilindro do motor 1,2l TDI, a KS Aluminium- Technologie adotou o vazamento por gravidade com basculamento de 90°. Desta forma, é possível alcançar um enchimento da coquilha quase sem turbulências, com bons valores do espaçamento entre os braços dendríticos e uma solidificação direcionada. Isso é conseguido com o basculamento da máquina de vazamento durante o enchimento da coquilha.

O dispositivo de vazamento é composto de uma bacia de vazamento disposta na parte da frente da máquina. O banho fundido é introduzido por meio de uma colher de alimentação, uma coquilha de fundição, que é abastecida com o banho fundido através de um canal de distribuição ao lado da bacia de vazamento, e canais de alimentação que desembocam no massalote.

O vazamento por basculamento de 90° atende aos seguintes critérios:

• enchimento da coquilha com baixa turbulência
• ausência de escórias ou óxidos
• solidificação rápida e direcionada

O enchimento da coquilha é dividido em três fases (figura 3). Na primeira, tem-se o preenchimento estático da cavidade da coquilha com aproximadamente 25% do banho fundido, o que é feito com o basculamento da bacia de vazamento a 90°.

Fig. 3 – Princípio do processo de fundição por gravidade com basculamento (90°). Fase 1: pré-enchimento; fase 2: enchimento com movimento basculante; fase 3: retorno do basculamento.

Em seguida, a máquina de vazamento efetua o basculamento da coquilha e o seu enchimento é iniciado (fase 2). Durante o basculamento de retorno, o robô de vazamento enche a bacia continuamente, utilizando uma colher de alimentação que acompanha o movimento basculante até um ângulo de aproximadamente 50°. Nesta posição, a colher de alimentação fica completamente vazia.

O vazamento é concluído na terceira fase, quando o enchimento da coquilha é completado com o basculamento de retorno para 0° (posição básica)^{[1, 2]}. A figura 4 mostra a simulação do enchimento com um ângulo de basculamento em torno de 50° (à esquerda), assim como a simulação da solidificação (à direita).

 

Fig. 4 – Simulação do enchimento (à esquerda) e da solidificação do cabeçote de cilindro do motor VW 1,2 I TDI

As particularidades deste sistema são a bacia de vazamento e o canal de distribuição, que é isento de pressão e possui vários canais de ataque amplamente dimensionados.

O enchimento da coquilha não é realizado preferencialmente através da sua cavidade. Ele se dá diretamente no massalote da peça fundida.

Com o enchimento ascendente e gradual da coquilha, é possível obter uma distribuição da temperatura vantajosa no fundido e na região do massalote. Desta maneira, a solidificação é influenciada positivamente em relação à sua tendência à chupagem.

O sistema de vazamento descrito proporciona uma solidificação rápida da placa da câmara de combustão. O pequeno espaçamento alcançado entre os braços dendríticos atinge um valor de referência de 16 a 17 μm (figura 5).

Fig. 5 – Corte feito no cabeçote de cilindro fundido por gravidade e com basculamento, mostrando a graduação da microestrutura fundida

 

Escolha da liga

Durante a operação do veículo, as temperaturas na sede da válvula ficam muito altas, em comparação com os outros componentes do motor. Consequentemente, o cabeçote de cilindro deve ser fabricado em um material com resistência termomecânica à fadiga adequada aos motores que equipam automóveis de passeio altamente solicitados.

Um conflito de objetivos entre exigências contraditórias resulta na necessidade de se assumir o melhor compromisso possível para a obtenção de uma alta resistência térmica estática/dinâmica e dureza, mesmo depois de uma operação prolongada do motor. Outros requisitos são uma resistência termomecânica adequada, alta ductilidade (alongamento à ruptura), excelente condutividade térmica, boa fundibilidade e baixa susceptibilidade a trincas a quente. Dois tipos de ligas podem ser empregadas na produção de cabeçotes de cilindro em alumínio:

• ligas de AlSiMg, para o envelhecimento artificial
• ligas de AlSiCu, para o envelhecimento natural

Com tratamentos térmicos apropriados, é possível ajustar a resistência, a dureza e a ductilidade da liga. Deste modo, é necessário resolver o conflito de objetivos entre uma alta resistência e dureza (ligas de AlSiCu) e uma ductilidade adequada (ligas de AlSiMg).

As ligas de AlSiMg permitem a utilização de temperaturas de envelhecimento relativamente baixas, possibilitando o alcance de uma dureza e resistência adequadas no estado inicial e, consequentemente, uma estabilização parcial.

Apesar das perdas da dureza e resistência após um tempo de operação mais prolongado, é atribuído um maior potencial ao grupo de ligas de AlSiMg, considerando-se todas as suas vantagens e desvantagens^{[3, 4]}. Atualmente, a liga que está sendo utilizada na produção do cabeçote de cilindro do motor 1,2l TDI é a AlSi₁₀Mg(Cu).

 

Fig. 6 – Pacote de machos do cabeçote de cilindro do motor 1,2 L TDI

 

Pacote de machos

O pacote de machos do cabeçote do motor 1,2l TDI, com três cilindros, consiste em um macho de cobertura, um macho de retorno dos gases de escapamento, um macho de admissão dos gases, um macho de descarga dos gases e outro da camisa de água (figura 6). Para a fabricação destes machos, são utilizadas areias novas.

As altas solicitações dos canais de admissão e descarga com relação à rugosidade superficial (Rz = 70 μm) requerem o emprego de uma areia fina, dispensando uma pintura adicional.

Uma areia com qualidade reproduzível é alcançada por meio da sua fluidificação. Nesta etapa do processo, uma parte dos finos é removida e o condicionamento térmico da areia é realizado. Todo o processo de fabricação da mistura de areia é automatizado e monitorado permanentemente, de modo que as mínimas divergências registradas são corrigidas imediatamente.

Em virtude das grandes exigências em relação ao espaçamento entre os braços dendríticos na área das calotas da câmara de combustão e da estrutura filigranada da camisa d’água, é utilizado o processo de caixa-morna na produção deste macho. Esta técnica oferece uma maior estabilidade térmica, além de uma menor formação de condensados, em comparação com o processo cold-box, suportando a pressão do banho fundido gradualmente ascendente, sem provocar uma deflexão dos machos.

Por outro lado, este processo possui ciclos mais prolongados e, portanto, mais demorados, além do custo do seu ferramental ser maior.

O aglomerante escolhido foi aprimorado com antecedência, graças a um trabalho feito em colaboração estreita com o seu fabricante. Também foram realizados exames laboratoriais, particularmente com relação à estabilidade no estado úmido e de armazenagem.

O macho do canal de retorno dos gases de escapamento é fabricado em conjunto com o macho da camisa d’água, em uma caixa de machos múltipla.

Para os machos restantes (de admissão, descarga e cobertura), foi escolhido o processo cold-box, que é apropriado em termos tecnológicos e econômicos.

Na escolha do aglomerante, foram consideradas tanto as exigências e propriedades ambientais, como as propriedades tecnológicas.

Os exames laboratoriais e os ensaios na fase de prototipagem mostraram que estas exigências podem ser satisfeitas da melhor forma com a utilização de um sistema cold-box com solventes silicáticos. Para uma fabricação econômica dos machos, são utilizadas ferramentas com múltiplas cavidades.

A excelente qualidade inicial dos machos foi aprimorada ainda mais com a simulação do seu sopro, que foi introduzida nesse meio tempo na empresa KS Aluminium-Technologie.

Inicialmente, foi feito o modelamento do processo de fabricação dos machos, que foi examinado especificamente em relação aos seus eventuais pontos fracos. Em seguida, estes aspectos defeituosos foram eliminados via simulação e as otimizações resultantes em relação à técnica de enchimento foram integradas nas caixas de macho.

A figura 7 mostra o enchimento aprimorado da coquilha na parte inferior, após a adaptação da ventilação. Por meio da condução específica do enchimento da areia, foi possível evitar um corte prematuro do percurso de enchimento e garantir uma compactação otimizada.

Com o auxílio da simulação do sopro dos machos e a ação conjunta de diversos sistemas de aglomerantes e tamanhos de grão, tornou-se possível fabricar os machos de areia em série, com segurança de processo. Isso é absolutamente necessário para manter as tolerâncias estreitas da forma do perfil do canal de admissão e de descarga.

Estas tolerâncias só podem ser mantidas com a estabilidade dimensional dos próprios machos e com o posicionamento exato dos machos de areia durante o vazamento.

O motivo para a necessidade destas tolerâncias estreitas em motores diesel consiste no fato de que os canais de admissão destes motores ficam curvados não apenas ao redor do eixo longitudinal do motor, mas também ao redor do eixo vertical, ao contrário dos machos dos motores a gasolina.

A geometria do canal exerce grande influência sobre o movimento da mistura e, consequentemente, sobre a qualidade da combustão. Este aspecto exerce uma influência direta sobre a eficiência do motor e também sobre as suas emissões de dióxido de carbono. Desta forma, é necessário assegurar que as tolerâncias exigidas sejam mantidas com segurança de processo.

Portanto, estas condições exigem o emprego de conceitos especialmente adaptados para as marcações do macho, a aspiração dos seus gases e a limpeza das coquilhas, além de uma medição 3D completa da posição dos canais.

Neste caso, é utilizada a técnica Virtuell-Taktile, que consiste em um processo de medição sem contato, com base em sensores interferométricos de luz branca. Esta unidade de medição é construída de modo análogo a uma máquina de medição vertical, apresentando dois braços de medição que trabalham de forma independente entre si.

Estes braços são acionados por eixos NC de alta velocidade e equipados com uma unidade giratória basculante e um sensor. A aceleração dos eixos NC alcança 1.050 mm/s2 e a sua velocidade máxima (v_máx.) chega a 700 mm/s.

Devido a estas acelerações altíssimas e aos sensores de medição sem contato, é possível realizar medições extremamente rápidas. O tempo médio entre uma medição e outra é de cerca de 2,5 segundos.

Fig. 7 – Sequência da simulação do enchimento no sopro do macho da tampa. Na figura do meio, observa-se o bloqueio do caminho de enchimento, o qual é eliminado com a adaptação da configuração de ventilação.

 

O conceito da instalação e do ferramental

Na produção seriada do cabeçote de três cilindros, sempre são utilizadas duas máquinas de fundição com disposição em tandem.

Cada célula de fundição dispõe de um robô de vazamento, dois fornos de cadinho (dos quais um sempre efetua o vazamento e o outro está em posição de preparação do banho), uma linha de paletização e resfriamento e um comando de toda a instalação. Cada máquina de fundição pode ser controlada individualmente, sendo possível fundir diferentes peças dentro de uma célula. A aspiração dos gases do macho integrada à máquina de fundição completa esta unidade. A inserção dos diferentes machos e a retirada das peças fundidas são realizadas manualmente.

As máquinas basculantes de fundição, as quais foram desenvolvidas em conjunto com a empresa Kurtz, se destacam por seu projeto compacto e oferecem uma larga gama de equipamentos e possibilidades.

O ângulo de basculamento, que chega a 100º, assim como a velocidade de basculamento, é de programação livre, realizada pelo comando da instalação. A alimentação do metal, por sua vez, é realizada a partir de fornos de cadinho equipados com robôs e colheres de alimentação. Eles são aquecidos por resistências elétricas e possuem capacidade para aproximadamente 1.700 kg. Estes fornos ainda contam com tampas isolantes, que só são abertas quando existe a necessidade de alimentação do banho. O peso e o comportamento de dosagem também são programados individualmente.

Devido ao emprego de comandos transparentes e facilmente manuseados, é possível ajustar as alterações dos parâmetros do processo e da máquina de maneira simples e armazená-las.

Com vistas à fabricação de cabeçotes de cilindro altamente solicitados com segurança de processo, também é necessário utilizar um conceito de ferramental correspondente.

O resfriamento intensivo do ferramental é um fator decisivo para o cumprimento das altíssimas exigências de qualidade e curtos tempos de ciclo. Para obter os melhores resultados possíveis, cada máquina de fundição foi equipada com sistemas individuais de distribuição da refrigeração, com dez circuitos de ar e outros dez de água.

Os circuitos de ar são executados como circuitos de controle, enquanto os circuitos de água atuam como circuitos de regulagem. O tempo e a temperatura de cada um destes circuitos podem ser regulados individualmente. Deste modo, a vazão ajustada é permanentemente controlada e regulada.

O conceito da máquina e do ferramental foi projetado de modo que é possível trabalhar alternativamente com duas ou quatro gavetas corrediças, que podem ser levantadas para facilitar a limpeza e a manutenção.

Todas as peças fundidas possuem um código data matrix (matriz de dados), o que permite a sua rastreabilidade completa. Adicionalmente, todos os dados relevantes gerados são transferidos para um computador central, garantindo uma qualidade duradoura.

O desenvolvimento da coquilha foi realizado em parceria entre a empresa Meco Eckel e a ferramentaria da Volkswagen (Alemanha).

O objetivo era a construção de uma coquilha que reunisse alta funcionalidade associada a um projeto simples, para se garantir uma alta disponibilidade do processo de fundição. Outra meta importante foi a obtenção de uma alta estabilidade dimensional das ferramentas de fundição, assim como a possibilidade de se utilizar o mesmo conceito para os cabeçotes com três e quatro cilindros.

Desta forma, foi escolhido um projeto simples, partindo-se de uma placa base termicamente estável e amplamente dimensionada, com elementos de guia estáveis e uma função de retenção segura para as gavetas compactas. Para o apoio dos machos, as suas marcações foram dimensionadas e executadas por insertos temperáveis. Nas marcações do macho, foi dada especial importância à definição geométrica, à função de retenção e à possibilidade de uma limpeza simples.

O canal de distribuição foi colocado em um inserto separado e termicamente desacoplado. As calotas da câmara de combustão foram colocadas individualmente, sendo possível resfriá-las separadamente.

Com o enchimento descrito, foi possível dispensar a utilização de ligas de tungstênio (Densimet). Na fase de desenvolvimento, também procurou-se reduzir o uso de peças em demasia, diminuindo a demanda de peças sobressalentes e intercambiáveis.

Desta forma, surgiu um conceito de coquilha simples e robusto, que é apropriado tanto para a fundição estacionária, como por basculamento. Este conceito é empregado na produção de coquilhas para toda a linha de cabeçotes de cilindro EA 189, da Volkswagen.

 

Conclusões

Cabeçotes de cilindro pequenos e altamente solicitados são cada vez mais “objeto de desejo” dos fabricantes de automóveis. A compensação da potência dos motores compactos, assim como a otimização do processo de combustão dos motores diesel, requerem cabeçotes de cilindro altamente solicitados no que diz respeito às tensões térmicas e mecânicas.

Ao produzir o cabeçote de cilindro do motor 1,2l TDI, a empresa KS Aluminium-Technologie se viu diante de elevados requisitos de resistência estática e dinâmica, à fadiga térmica e à estanqueidade. As exigências em relação à qualidade da superfície e às tolerâncias dimensionais e de forma também eram altíssimas.

Por meio da simulação do sopro dos machos, do enchimento da coquilha e da solidificação, foi possível simular os processos com antecedência, identificar erros, elaborar medidas e introduzi-las nas ferramentas do macho e de fundição. Além disso, a fundição basculante por gravidade de 90º satisfez todos os requisitos deste componente.

Desde janeiro de 2010, a KS Aluminium-Technologie é a responsável pela fabricação dos cabeçotes de três cilindros do motor 1,2l TDI. A empresa atentou especialmente para um conceito de fabricação integrada, com circuitos de regulagem curtos. Para isso, a ferramentaria, o abastecimento do banho fundido, as máquinas sopradoras de machos, as células de fundição, as unidades de usinagem e o controle dos componentes estão integrados em um único edifício (figura 8).

Fig. 8 – Produção do cabeçote de cilindro pelo processo de fundição por gravidade: máquina de fundição com coquilha basculante (à esquerda); vista da fundição (à direita)