UNIVERSIDADE FEREDAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
AVALIAÇÃO DO DESGASTE TRIBOQUÍMICO DE AGULHAS DOS BICOS
INJETORES EM MOTORES DIESEL OPERANDO COM BIODIESEL
LEONARDO CHAGAS DA SILVA
NATAL
2015
LEONARDO CHAGAS DA SILVA
AVALIAÇÃO DO DESGASTE TRIBOQUÍMICO DE AGULHAS DOS BICOS
INJETORES EM MOTORES DIESEL OPERANDO COM BIODIESEL
Dissertação apresentada ao programa de pós-
graduação em Engenharia Mecânica, do
Centro de Tecnologia, da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, como parte
dos requisitos para obtenção do título de
mestre em Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Tecnologia de Materiais
Orientadora: Profª. Drª. Salete Martins Alves
Co-Orientador: Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros
NATAL
2015
AVALIAÇÃO DO DESGASTE TRIBOQUÍMICO DE AGULHAS DOS BICOS
INJETORES EM MOTORES DIESEL OPERANDO COM BIODIESEL
Dissertação apresentada em 06 de agosto de 2015 ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica da UFRN, como requisito para conclusão de mestrado na área de
concentração de Tecnologia de Materiais.
Banca Examinadora
_________________________________________________________
SALETE MARTINS ALVES – PPGEM – UFRN
Presidente da Comissão – Orientadora
_________________________________________________________
JOÃO TELÉSFORO NÓBREGA DE MEDEIROS – PPGEM – UFRN
Examinador Interno
_________________________________________________________
ROBERTO SILVA DE SOUSA
Examinador externo – IFRN
Catalogação da Publicação na Fonte. Bibliotecária Verônica Pinheiro da Silva – CRB-15/692.
Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio convencional ou
eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte.
Silva, Leonardo Chagas da.
Avaliação do desgaste triboquímico de agulhas dos bicos injetores em motores
diesel operando com biodiesel / Leonardo Chagas da Silva. – Natal, RN, 2015.
115f. : il.
Orientadora: Salete Martins Alves.
Co-orientador: João Telésforo Nóbrega de Medeiros.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
1. Lubrificação – Dissertação. 2. Oxidação – Dissertação. 3. Scuffing –
Dissertação. 4. Common Rail – Dissertação. 5. Desgaste – Dissertação. 6.
Biocombustível – Dissertação. I. Alves, Salete Martins. II. Medeiros, João
Telésforo Nóbrega de. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV.
Título.
CDU 621.89
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a Deus, pela oportunidade da vida
e a sustentabilidade até o dia de hoje.
Aos meus pais, Jone e Edilma por tudo que fizeram
nesta vida por mim e por todo o apoio para a conclusão
deste curso, serei eternamente grato a vocês.
À minha irmã Elizete e Ricardo, seu marido, pelos
incentivos e por estarem ao meu lado.
Aos meus sobrinhos Davi e Ester, pelos momentos de
descontração e alegrias, que serão entendidos
futuramente.
A todos os meus familiares e amigos que tenho
certeza, torcem muito por mim.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, por ter me concebido a oportunidade da vida e por tudo que Ele me
proporciona para poder da melhor forma desfrutá-la, com base em tudo que Ele nos ensina.
Ao meu pai, Jone, meu grande amigo, a quem me incentivou e enveredar pelos
caminhos da mecânica e a minha mãe Edilma, que sempre deu todo apoio e suporte para que
aqui eu chegasse.
À minha irmã, Elizete e seu esposo Ricardo, que sempre me apoiaram e deram
suporte em muitas horas difíceis. A Davi e Ester em especial, pela parceria nas horas de
lazer.
À minha orientadora, Professora Salete Martins Alves, por todas as horas de
dedicação, orientação, paciência, amizade e pela incrível capacidade de incentivar a buscar o
melhor para o trabalho e ao crescimento acadêmico.
Ao meu co-orientador, Professor João Telésforo Nobrega Medeiros pelas orientações,
sugestões e visões a longo prazo do trabalho, tendo sempre como meta, o engrandecimento do
mesmo.
Ao Professor Manoel Fernandes de Oliveira Filho, pela figura de amigo, nas horas de
humor, pai, nas horas de inúmeros conselhos e profissional, nas horas de ciências e parcerias.
Ao Professor Eduardo Lins de Barros Neto, pela contribuição do conhecimento e
auxílio na execução do projeto.
Aos técnicos, Francisco Paulino, pelo apoio às mudanças mecânicas realizadas na
bancada. Cristiane, por tudo que precisei de auxílio no laboratório. Kátia, pela qualidade e
agilidade na obtenção das imagens de MEV, e Camila pela competência e os inúmeros
auxílios que me fora dado no desenvolvimento do projeto, para que enfim ele pudesse ser
realizado.
Aos amigos, Adalberto, Daniel, Luiz e Ramón, pela dedicação a infindáveis horas de
companheirismo, ensaios e aprendizado compartilhados na área técnica.
Aos amigos do IFRN, Marcelo Marques, José de Anchieta, Neemias Silva, Jorge
Magner, Gabriela Bruno, Roberto Silva e Tadeu Félix, pelos inúmeros apoios a quem me
fora dado.
Às reuniões científicas e amigos, em especial a Aline Cristina, Ana Emilia, Erinéia
Kaká e Franklin Kaic e Valdicleide Melo, que pude construir no Grupo de Estudo de
Tribologia, GET na UFRN.
Aos amigos mecânicos, Valdeque, Ewerton, Hélio, Jamilson e Paulo, que fizeram a
parceria, concordaram e me auxiliaram a responder os questionamentos na realização da
entrevista.
“Todo contato deixa uma marca”.
Edmond Locard.
SILVA, L.C. (2015). Avaliação do desgaste triboquímico de agulhas dos bicos injetores
em motores diesel operando com. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio
Grande do Norte, Natal, 2015.
RESUMO
No sistema de alimentação de combustível dos motores do ciclo diesel, o bico injetor
é uma peça chave para determinar o desempenho e o nível de emissões que esses motores
geram. Têm sido feitas mudanças significativas na composição dos combustíveis, nas
legislações que regulamentam as emissões de poluentes e, em uma escala bem menor, há
alguns estudos detalhados do impacto dessas mudanças nos componentes dos motores, como
por exemplo, o bico injetor. O presente estudo teve como objetivo avaliar os principais
mecanismos de falhas que atuam nos componentes de um bico injetor, em particular, na
agulha do injetor, situada na ponta do bico. Este trabalho foi dividido em três etapas: na
primeira delas, foi feito um estudo de campo, com visitas às oficinas mecânicas especializadas
na manutenção do sistema de injeção diesel, para elaboração de um relatório sobre as
problemáticas encontradas neste sistema. Na segunda, realizaram-se ensaios em uma bancada
contendo um grupo motor-gerador, onde foram avaliados dois biocombustíveis: B6 e B6
aditivado, a fim de levantar parâmetros de desempenho dos biodieseis, que permitissem
avaliar o desgaste qualitativo da superfície dessas agulhas. Por fim, a última etapa consistiu da
análise microscópica da superfície desgastada das agulhas do bico injetor, estas foram
analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), Energy Dispersive Spectroscopy
(EDS) e por espectroscopia Raman. O motor que utilizou o B6 apresentou melhor
desempenho em consumo específico e temperatura de funcionamento do bico injetor mais
baixa em comparação com o motor que utilizou B6 aditivado. Além disso, também foi
possível observar a presença do fenômeno do scuffing no guia da agulha do primeiro motor e
pits de oxidação na mesma região da agulha do bico injetor que utilizou B6 aditivado.
Palavras-chave: Agulha do bico injetor, Biodiesel aditivado, Scuffing, Oxidação
SILVA, L.C. (2015). Qualitative evaluation of wear's tribochemical in the injector's
needle of diesel’s cycle engines supplied by different biodiesels. Dissertation (Master's
degree) – Federal University of Rio Grande do Norte, Natal, 2015.
ABSTRACT
The injector nozzle of the fuel injection system of the diesel engines is decisive to
determine the engine's performance and the emissions levels. It was made many significant
changes on the fuels' composition, in the legislations that regulate the pollutants’ emission
and, in a smaller scale, there were some detailed studies of the impact of those changes in the
engines' components, such as injector nozzle. This study aims to evaluate the main failure
mechanisms that act on an injector nozzle components, in particular, on the nozzle’s needle,
that is located in the tip of the nozzle. This study was divided in three stages: at the first one,
it was made a field study with technical visits in mechanical repair shops specialized on diesel
injection system’s maintenance, to perform a report about the problems found on this type of
system. At the following step, it was performed tests in a test rig equipped with a stationary
engine and a dynamometer where the following types of biodiesel were tested: B6 and
additivated B6 were tested with the purpose to obtain performance parameters of the fuels that
allow to qualitatively evaluate the nozzle's needles surface wear which were analyzed through
Scanning Electrons Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Diffraction (EDS) and
Raman. The engine where was used B6 showed better performance in specific consumption
and operating temperature of the nozzle’s needle lower than that founded motor where
additivated B6 was used. Moreover, it was also possible to observe the presence of scuffing
phenomenon in the first engine needle guide and oxidation pits in the same nozzle’s needle
region which used B6 additivated.
Keywords: Injector nozzle needle, Additivated biodiesel, Scuffing, Oxidation
LISTA DE FIGURAS E QUADROS
Figura 1 – Produção de motores no MERCOSUL .................................................................. 21
Figura 2 – Componentes do sistema de injeção de combustível de um motor diesel common
rail – (1) Eletro-injetores; (2) Bomba de alta pressão; (3) ECM; (4) Tubo rail ........... 22
Figura 3 – Evolução da pressão injeção do sistema de injeção diesel..................................... 22
Figura 4 – Princípio do fluxo de funcionamento da ECM ...................................................... 23
Figura 5 – Visão geral do sistema common rail ...................................................................... 24
Figura 6 – Aplicação da válvula EGR e SCR ......................................................................... 25
Quadro 1 – Materiais usados na composição dos componentes do sistema de injeção em
motores diesel ............................................................................................................... 26
Figura 7 – Ponta e agulha do bico injetor diesel ..................................................................... 27
Figura 8 – Componentes do bico injetor common rail utilizado em veículos leves................ 28
Figura 9 – Sequência de injeção de um bico injetor ................................................................ 29
Quadro 2 – Principais causas, falhas e prevenções do sistema common rail .......................... 30
Figura 10 – Cronograma para implantação do diesel de baixo teor de enxofre ...................... 33
Figura 11 – Sede da vedação feita pela esfera (a) Desgaste normal, homogêneo. (b) Peça sob
desgaste irregular, de forma abrasiva ........................................................................... 34
Figura 12 – Sede de vedação do disco intermediário da válvula piloto .................................. 34
Figura 13 – (a) Início da trinca na ponta do injetor; (b) Colapso total da ponta do bico, devido
a não formação do colchão hidráulico .......................................................................... 35
Figura 14 – Depósito de coque na ponta do injetor ................................................................. 36
Quadro 3 – Mecanismos de falha de um injetor common rail ................................................ 37
Figura 15 – Seção longitudinal da ponta (cilindro) de um bico injetor ................................... 48
Figura 16 – Ponta da agulha na sede da ponta do bico ............................................................ 49
Quadro 4 – Aços aplicados em agulhas de bicos injetores ..................................................... 49
Figura 17 – Trinca na superfície externa do injetor ................................................................ 53
Figura 18 – Ponta de um bico injetor com presença de trincas ............................................... 54
Figura 19 – Ponta de um bico injetor com presença de depósitos .......................................... 55
Figura 20 – Comparativo desgaste adesivo nas pontas de bicos injetores, fazendo uso de
diesel puro com B20 de Jatropha .................................................................................. 56
Figura 21 – Curva de Stribeck: Regimes de lubrificação no deslizamento lubrificado .......... 57
Figura 22 – Região de ocorrência do scuffing ......................................................................... 58
Figura 25 – Principais pontos de ocorrência de corrosão na ponta do bico injetor ................. 60
Quadro 5 – Etapas de realização dos experimentos ................................................................ 61
Quadro 6 – Identificação dos mecânicos................................................................................. 62
Quadro 7 – Lista de perguntas aplicadas no questionário ....................................................... 63
Figura 26 – Bancada HFRR para avaliação de lubricidade das amostras ............................... 66
Figura 27 – Esquema simplificado da montagem da bancada ................................................ 70
Quadro 8 – Especificações técnicas do motor ......................................................................... 70
Figura 28 – (a) Curva de desempenho do motor BD 5.0. (b) Motor instalado na bancada
dinamométrica .............................................................................................................. 71
Quadro 9 – Parâmetros avaliados em ensaios, meios de medição e equipamentos de obtenção
...................................................................................................................................... 71
Figura 29 – Bancada de ensaio dinamométrica ....................................................................... 72
Quadro 10 – Respostas do questionário .................................................................................. 77
Figura 30 – Pontas dos bicos injetores coletados na oficina ................................................... 80
Figura 31 – Região do guia das agulhas - (a) ponta do bico 1; (b) ponta do bico 2; (c) ponta
do bico 3; (d) ponta do bico 4 ....................................................................................... 81
Figura 32 – Espectros do FT-IF do B6 e B6 aditivado ........................................................... 85
Figura 33 – Ensaio de lubricidade HFRR: (a) Formação de filme para o B6 e B6 aditivado;
(b) Coeficiente de atrito para B6 e B6 aditivado .......................................................... 86
Figura 34 – Valores de diâmetro da escara de desgaste dos biodieseis, em (a) do B6 e em (b)
o B6 aditivado ............................................................................................................... 87
Figura 35 – Gráfico de consumo específico em função da variação de potência.................... 89
Figura 36 – Histograma de consumo específico em função da variação de potência ............. 89
Figura 37 – Temperaturas dos bicos injetores em funcionamento com B6 e B6 aditivado,
medidos por termopar ................................................................................................... 91
Figura 38 – Temperatura no bico injetor medido por termopar para o B6 e B6 aditivado ..... 92
Figura 39 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6, obtida por câmera
termográfica .................................................................................................................. 92
Figura 40 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6 aditivado, obtida por
câmera termográfica ..................................................................................................... 93
Figura 41 – Avaliação visual do estado inicial e final das agulhas em função dos respectivos
biodieseis utilizados ...................................................................................................... 94
Figura 43 – Agulha utilizada no ensaio com B6 ..................................................................... 95
Figura 44 – Pontas dos bicos injetores utilizados nos ensaios com B6 e B6 aditivado .......... 96
Figura 45 – Faixa de ensaio de microdureza ........................................................................... 97
Figura 46 –MEV da (a) Agulha na condição nova 40X – corpo da agulha; (b) Agulha na
condição nova 400X – corpo da agulha; (c) Agulha na condição nova 1000X – corpo
da agulha; (d) Agulha na condição nova 2000X – corpo da agulha ............................. 99
Figura 47 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra sem aditivo
40X – corpo da agulha; (b) Amostra sem aditivo 400X – corpo da agulha; (c) Amostra
sem aditivo 1000X – corpo da agulha; (d) Amostra sem aditivo 2000X – corpo da
agulha; (e) Amostra sem aditivo 4000X – corpo da agulha (f) Amostra sem aditivo
5000X – corpo da agulha ............................................................................................ 100
Figura 48 – (a) Região da agulha sem aditivo após 150h de ensaio, em análise por EDS. (b)
Espectro da região analisada ....................................................................................... 101
Figura 49 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra com aditivo
40X – corpo da agulha (b) Amostra com aditivo 400X – corpo da agulha (c) Amostra
com aditivo 1000X – corpo da agulha (d) Amostra com aditivo 2000X – corpo da
agulha (e) Amostra com aditivo 3000X – corpo da agulha (f) Amostra com aditivo
6000X – corpo da agulha ............................................................................................ 103
Figura 50 – (a) Região da agulha com aditivo, em análise por EDS. (b) Espectro da região
analisada ..................................................................................................................... 104
Figura 50 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra sem aditivo; (b) Banda
espectroscópica ........................................................................................................... 105
Figura 52 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra aditivada; (b) Banda
espectroscópica ........................................................................................................... 106
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Principais propriedades físico-química dos aditivos. ............................................ 63
Tabela 2 – Condições de ensaio HFRR ................................................................................... 67
Tabela 3 – Dados de caracterização dos ensaios ..................................................................... 73
Tabela 4 – Caracterização das pontas dos bicos injetores coletados na oficina ...................... 80
Tabela 5 – Propriedades dos combustíveis .............................................................................. 84
Tabela 6 – Avaliação do consumo específico dos combustíveis utilizados durante a realização
dos ensaios .................................................................................................................... 88
Tabela 7 – Avaliação da temperatura do bico injetor em função dos combustíveis utilizados
durante a realização dos ensaios ................................................................................... 91
Tabela 8 – Resultado de microdureza, em HV, na superfície das agulhas dos bicos injetores97
Tabela 9 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos
elementos presente na superfície da liga .................................................................... 101
Tabela 10 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos
elementos presente na superfície da liga .................................................................... 104
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas;
AISI – American Iron and Steel Institute;
ANP – Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis;
ANSI – American National Standards Institute;
ASM – American Society Metal;
ASTM – American Society for Testing and Materials;
B10 – Biodiesel a 10% de óleo transesterificado;
B20 – Biodiesel a 20% de óleo transesterificado;
B5 – Biodiesel a 5% de óleo transesterificado;
B6 – Biodiesel a 6% de óleo transesterificado;
B7 – Biodiesel a 7% de óleo transesterificado;
BD – Branco Diesel;
CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente;
CNPE – Conselho Nacional de Política Energética;
CRS – Common Rail sistem;
CRI – Common Rail Injector;
DIN – Instituto Alemão para Normalização (Deutsches Institut für Normung);
DPF – Diesel Particulate Filter;
ECM – Engine Control Module;
ECU – Eletronic Central Control;
EDS – energy dispersive spectroscopy;
EGR – Exhaust Gas Recirculation;
EURO 6 – Norma Europeia de padrão de emissões, nível 6.
FISPQ – Ficha de Informações e de Segurança de Produto Químico;
FRX – Fluorescence X-ray
FUV – Espectrômetro por Fluorescência de Ultravioleta;
GET – Grupo de Estudos da Tribologia e Integridade Estrutural;
HC – Hidrocarbonetos;
HFRR – High Frequency Reciprocating Test Rig;
HPCR – High Pressure Common Rail;
IC – Ignição por compressão;
ISO – International Organization for Standardization;
LCL – Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes do departamento de Química;
MCI – Motor de Combustão Interna;
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura;
MERCOSUL – Mercado Comum do Sul;
MME – Ministério de Minas e Energias;
MO – Microscopia Óptica;
NBR – Denominação de Norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas;
NC – Número de Cetano;
NOX - Óxidos de Nitrogênio;
NTI – Núcleo Tecnológico Industrial;
NUPEG II – Núcleo de Pesquisa em Petróleo e Gás II;
PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.;
PNPB – Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel;
ppm – partes por milhão (0,01 %);
S1800 – Diesel com Teor de Enxofre de 1800 ppm;
S500 – Diesel com Teor de Enxofre de 500 ppm;
S50 – Diesel com Teor de Enxofre de 50 ppm;
S10 – Diesel com Teor de Enxofre de 10 ppm;
SAE – Society of Automotive Engineers International;
SOx – Óxidos de enxofre;
UIS – Unit Injector System;
UPS – Unit Pump System;
ULSD – Diesel com ultrabaixo teor de enxofre (Ultra-Low Sulfur Diesel Fuel);
SUMÁRIO
I – INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 17 1.1. OBJETIVOS GERAL ...................................................................................................... 19
1.1.1. Objetivos Específicos .......................................................................................... 19 II – REVISÃO DA LITERATURA ...................................................................................... 20
2.1. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE INJEÇÃO .............................................................. 20
2.1.1. Funcionamento da Agulha do Bico Injetor ....................................................... 27 2.2. PROBLEMAS NOS SISTEMAS DE INJEÇÃO ............................................................ 28
2.3. UTILIZAÇÃO DO BIODIESEL NO MCI POR COMPRESSÃO ...................................... 38
2.3.1. Consolidação do Biodiesel como Alternativa Energética ................................ 39 2.3.2. Aspectos Físico-Químicos dos biodieseis ........................................................... 41
2.3.2.1. Poder calorífico................................................................................................ 42 2.3.2.2. Viscosidade ...................................................................................................... 43 2.3.2.3. Índice de acidez ............................................................................................... 44 2.3.2.4. Teor de enxofre ................................................................................................ 44
2.3.2.5. Ponto de fulgor ................................................................................................ 45 2.3.2.6. Massa Específica ............................................................................................. 45 2.3.2.7. Índice de Cetano .............................................................................................. 46 2.3.2.8. Lubricidade ...................................................................................................... 46
2.3.2.9. Aditivos ........................................................................................................... 47 2.4. TRIBOLOGIA E ESTRUTURA DO SISTEMA AGULHA-BICO ................................ 47
2.4.1. – Cilindro e agulha do bico injetor .................................................................... 48
2.4.2. Contato mecânico e mecanismos de desgaste do par tribológico .................... 50 2.4.2.1. – Falhas no bico injetor por Cavitação ............................................................ 51 2.4.2.2. – Falha no bico injetor por trincas ................................................................... 52
2.4.2.3. – Falha no bico injetor por depósitos............................................................... 54 2.4.2.4. – Falha no injetor por scuffing ......................................................................... 56 2.4.2.5. – Falha no injetor por oxidação ....................................................................... 58
III - MATERIAIS ................................................................................................................... 61 E MÉTODOS .......................................................................................................................... 61
3.1 ESTUDO DE CASO EM OFICINAS ..................................................................................... 62
3.2. COMBUSTÍVEIS ANALISADOS ................................................................................. 63
3.2.1. Aquisição do biodiesel e sua Aditivação ............................................................ 63
3.2.2. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis ................................................. 64 3.2.2.1. Massa Específica a 20 °C ................................................................................ 64
3.2.2.2. Viscosidade cinemática a 40°C ....................................................................... 64 3.2.2.3. Índice de Cetano .............................................................................................. 65 3.2.2.4. Ponto de Fulgor ............................................................................................... 65
3.2.2.5. Teor de Enxofre ............................................................................................... 65 3.2.2.6. Caracterização química por FT-IR .................................................................. 66
3.2.2.7. Corrosividade ao Cobre ................................................................................... 66 3.2.2.8. Lubricidade ...................................................................................................... 66 3.2.2.9. Volatilidade ..................................................................................................... 67
3.2.2.10. Índice de acidez ............................................................................................. 67
3.2.2.11. Poder calorífico.............................................................................................. 68
3.3. ENASIOS NA BANCADA DINAMOMÉTRICA .......................................................... 69
3.3.1. Motor Estacionário ............................................................................................. 70 3.3.2. Sistema de Aquisição e Análise de Dados ......................................................... 71
3.3.3. Ensaio na Bancada Dinamométrica .................................................................. 72 3.4. ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DAS AGULHAS DOS BICOS INJETORES ................ 73
3.4.1. Análise visual ....................................................................................................... 74 3.4.2. Microdureza......................................................................................................... 74 3.4.3. MEV, EDS e Raman ........................................................................................... 74
IV – Resultados e Discussão ................................................................................................... 76 4.1. ANÁLISE DO ESTUDO DE CASO ............................................................................... 76 4.2. CARACTERIZAÇÃO DOS BIODIESEIS ..................................................................... 83
4.2.1. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis ................................................. 83 4.2.2. Caracterização qualitativa por FT-IR .............................................................. 85 4.2.3. Análise Tribológica dos Biodieseis ..................................................................... 86
4.2.4. Corrosividade ao Cobre dos Biodieseis ............................................................. 88 4.3. - AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DOS MOTORES ................................................ 88
4.3.1. – Avaliação do Consumo Específico .................................................................. 88 4.3.2. – Avaliação da temperatura no bico .................................................................. 90
4.4. AVALIAÇÃO DAS AGULHAS..................................................................................... 93
4.4.1 Inspeção visual ...................................................................................................... 93
4.4.2 Microdureza.......................................................................................................... 97 4.4.3. MEV e EDS .......................................................................................................... 98
4.4.3.1. Análise de MEV na agulha do bico injetor novo............................................. 98
4.4.3.2. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor sem o uso do aditivo ...... 100 4.4.3.3. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor com o uso do aditivo ...... 102
4.4.4. Espectroscopia vibracional RAMAN .............................................................. 105 4.4.4.1. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor sem aditivo .. 105
4.4.4.2. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor com aditivo .. 106
V – Conclusões ...................................................................................................................... 107 REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 109
17
I – INTRODUÇÃO
O inevitável risco de esgotamento das reservas de petróleo, a preocupação com a
preservação ambiental e o aumento incessante da frota de veículos automotores movidos por
combustíveis de origem fóssil, têm impulsionado as pesquisas de desenvolvimento de novos
combustíveis. A busca e o emprego de novas fontes energéticas provenientes de recursos
renováveis possibilitam o equilíbrio de matrizes energéticas e o desenvolvimento de setores
que geram matéria prima para seu uso.
Em meio as grandes crises do petróleo, as décadas de setenta e oitenta foram de certa
forma, marcadas principalmente pela corrida de pesquisas na área de combustíveis renováveis
em diversos países do mundo. Ao passar dos anos, em contraponto ao que se o correu no
passado, quando os combustíveis vegetais foram substituídos pelos de origem fóssil, devido
sua abundância e seu preço baixo vêm-se retomando a utilização dos combustíveis renováveis
pelo alto custo que se tem nos dias atuais para o uso dos combustíveis fósseis. Contudo,
constantemente estes combustíveis têm sido modificados quimicamente para melhorar suas
propriedades e proporcionar desempenho similar ou superior aos combustíveis fósseis
(ABREU et al., 2005).
Neste aspecto, o Brasil tem se destacado no cenário mundial, quando se trata de
desenvolvimento, melhoria e inserção de novos combustíveis na sua matriz energética. Este
combustível inserido na matriz energética brasileira – o Biodiesel - chamado no início da sua
comercialização de “diesel verde” é um combustível firmado como promissor, que pode ser
utilizado ainda combinado com diesel convencional ou in natura. Carrega-se com ele, a
esperança de ser menos poluente, devido sua origem renovável, como também um rendimento
próximo ao diesel e que acima de tudo possa substituí-lo gradativamente em suas aplicações
(ITURRA, 2003).
Outro aspecto importante a ser considerado em relação ao ponto de vista das questões
ambientais e a sua utilização, é a de não provocar a degradação do meio ambiente (comparado
ao diesel derivado do petróleo) quanto as suas emissões, devido ao biodiesel não possuir
enxofre em sua composição.
18
No entanto, alguns estudos têm verificado alterações nos motores com o uso desses
combustíveis, a exemplo os estudos de Corrêa et al., (2008), que detectaram com o uso das
blendas B5, B10, B20 de éster etílico de óleo de girassol com diesel alteração no desempenho
do motor, com redução máxima de 2,2% na potência e aumento máximo de 7,3%, no
consumo específico.
Deve-se observar também que os sistemas de alimentação dos motores evoluíram.
Aumentaram às pressões, as velocidades e os esforços entre os componentes, em especial, as
bombas foram as que passaram por maiores mudanças. Estas passaram a trabalhar com uma
ordem de grandeza a mais de pressão, com reduções das folgas, e equipadas com sensores e
atuadores eletrônicos. No entanto, com toda essa mudança, deve-se existir a preocupação
sobre a compatibilidade de materiais usados atualmente nesse sistema em relação ao
biodiesel.
Em termos de compatibilidade de funcionamento, Filipovic et al., (2014) afirma, que
quando utilizada uma proporção abaixo de 20% de biodiesel na mistura, é dispensável
qualquer ajuste na vazão da bomba injetora, podendo assim ser mantida a mesma vazão,
assim, então, mantendo a pressão de injeção, garantindo uma mistura (ar-combustível)
próxima da estequiométrica, resultando em um nível satisfatório de emissões dos gases de
exaustão. Entretanto, para uma proporção acima dos 20% de biodiesel na mistura, faz-se
necessário um ajuste geométrico no pistão da bomba de alta pressão, a fim de estabelecer
vazão de combustível que a mesma fornece, de modo que um maior volume de combustível
seja enviado aos bicos, estabelecendo a perda de energia (química) referente à mudança do
combustível.
Ainda de acordo com Filipovic et al., (2014), o aumento da blenda de biodiesel no
combustível requer também que outros ajustes mecânicos no sistema de injeção de
combustível sejam feitos. O principal é descrito como a otimização do ângulo de pré-injeção,
com o objetivo de obter o ponto correto de injeção, melhorando a eficiência de pulverização
do biodiesel na câmara de combustão do motor, adequando-se aos níveis de emissões de
poluentes dos gases de descarga. Esta correção do ângulo de injeção se faz importante em
motores com maior percepção do ângulo de pré-injeção de combustível, enquadrando-se os
motores com unidades injetoras.
O biodiesel tem características químicas diferentes do diesel, podendo interagir com
materiais de forma diferente, com isso, surgem novos mecanismos de falhas no sistema de
injeção, que necessitam ser entendidos permitindo que o sistema seja aprimorado. No entanto,
19
é necessário classificar e quantificar estas falhas de acordo com parâmetros ligados às
propriedades físico-químicas do combustível, performance do combustível no subsistema de
injeção, tratamento da superfície dos materiais envolvidos, critérios de manutenção e
tribologia do sistema (FAZAL et al., 2011).
Gonsalves et al., (2012) investigou através de simulações utilizando método de
elementos finitos, três hipóteses sobre o fenômeno do scuffing na agulha do bico injetor de
motores do ciclo Diesel. Estes autores consideraram que dentro de todas as condições
analisadas, a hipótese mais provável para o scuffing na agulha, está relacionada à presença de
partículas contaminantes no diesel. Ressaltando que tais partículas alteram significativamente
a pressão de contato entre a agulha e sua sede de trabalho, aumentando consideravelmente a
densidade de energia de contato da área.
Portanto, o presente estudo, tem-se como principal objetivo, entender e avaliar os
motivos de algumas falhas ocorridas no sistema de injeção. Pretende-se encontrar uma relação
entre os agentes e os mecanismos de desgaste que atuam nos pares tribológicos de
componentes do sistema de injeção diesel, em especial no par: agulha – ponta do bico injetor.
Através de ensaios utilizando um combustível padrão, encontrado nos postos de combustíveis,
e outro quimicamente modificado, será possível avaliar a compatibilidades destes com o par
tribológico estudado. Também será possível comparar estes resultados com os obtidos em
relatos de campo.
1.1. OBJETIVO GERAL
Avaliar o desgaste qualitativo das agulhas de bicos injetores de um motor do ciclo
diesel, utilizando biocombustíveis B6 e B6 aditivado, aferindo suas compatibilidades com os
materiais utilizados neste sistema.
1.1.1. Objetivos Específicos
Associar um estudo de campo em contraposição aos moldes experimentais;
Caracterizar as propriedades físico-químicas dos biocombustíveis utilizados;
Monitorar parâmetros de desempenho do bico injetor e do motor;
Estudar os mecanismos de desgaste no guia agulha do bico injetor.
20
II – REVISÃO DA
LITERATURA
2.1. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE INJEÇÃO
Dada a evolução dos motores de combustão interna, desde os seus primórdios com os
motores de Huygens e de Leonardo da Vinci por volta da segunda metade do século XVII
(MARTINS, 2005), passando por inovações como os motores a ar, a água e de combustão
interna atmosféricos, os grandes gargalos dessas invenções foram desenvolvidos em paralelo,
sendo os maiores, a parte de sistema de arrefecimento, ignição e injeção (armazenamento,
condução, mistura e injeção).
O progresso do sistema de injeção de combustível partiu da mudança dos primeiros
combustíveis, de quando eram a gás e passaram a serem combustíveis líquidos, os quais são
mais fáceis de serem transportados e armazenados. A peça chave que respondia pela
evaporação e mistura com o ar para a melhoria do desempenho da queima, era o carburador.
No princípio, os carburadores eram de superfície e evoluíram até chegar os de spray,
utilizando o princípio de Venturi. Em seguida, surgiu o conjunto de injeção eletrônica,
composto por eletro injetores, sensores, central e etc., e somente na década de 90 o sistema
eletrônico de injeção foi implantado para os motores diesel. Sistema este que em pouco tempo
com o advento da crescente tecnologia, evoluiu de forma exponencial (MARTINS, 2005).
Segundo Reis et al., (1999), após o motor diesel ter chegado aos Estado Unidos em
1899 por Adolphus Buchs, o progresso de seu aperfeiçoamento técnico se deu de forma mais
rápida. Foi nesse período que a patente de Diesel (em 1910) teve seus prazos de validade
expirados, abrindo espaço para Robert Bosch e Frantz Lang, nos anos 20, aperfeiçoaram o
sistema de injeção de combustível com a aplicação da bomba de pistão com ranhuras, que
eleva a pressão, tornando os motores desse ciclo, muito eficientes e com alto nível de
confiança.
21
Atualmente, por trazer muito mais benefícios, como: diminuição de ruído oriundos da
antiga unidade injetora mecânica, menor vibração, melhoria no consumo, esse tipo de sistema
é destaque nesse cenário mundial e vem substituindo de tal maneira o sistema mecânico, pela
redução no nível de emissões exigido pelo mercado e por legislações mundiais. Este sistema é
mais tecnológico, trabalha com pressões mais altas de injeção, curvas calibradas de injeção
exata e dosagem extremamente precisas do volume do combustível, entretanto, por enquanto
traz uma elevação nos custos finais do produto (KEGL, 2008).
Hoje por exigências das atuais normas EURO 6 na Europa e CONAMA P7 no Brasil,
que ditam sobre o controle e qualidade no padrão de emissões de poluentes e material
particulado emitidos pelos motores diesel, impõem aos fabricantes de motores diesel, o uso de
sistemas mais eficientes que atendam as normas para poderem entrar em circulação e também
serem concorrentes.
Com todas essas modificações e restrições ambientais, somente os sistemas mais
modernos de injeção são capazes de atender a tais requisitos. Os sistemas anteriores ao
eletrônico e aos semi eletrônicos estão sendo abolidos, com a tendência de serem extintos,
devido a não atender às exigências. Essa diminuição pode ser vista através do gráfico na
Figura 1, na qual se reporta um quadro de produção de motores com os sistemas de injeção
eletrônica atualmente mais utilizados são: CRS (Common Rail Injector) é o mais difundido,
UIS (Unit Injector System) e UPS (Unit Pump System).
Figura 1 – Produção de motores no MERCOSUL
Fonte: Adaptado de Robert Bosch (2011)
0
100
200
300
400
500
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
(x1000)
Mecânicos UIS UPS Common Rail
22
O sistema de Injeção Eletrônica, como é mostrado na Figura 2, possui uma central
chamada de ECM (Engine Control Module), Módulo de Controle do Motor, que funciona
como se fosse a ECU dos veículos Otto. Ela é quem faz toda a parte de controle de abertura e
fechamento dos bicos e análise de dados recebidos pelos diversos sensores.
Figura 2 – Componentes do sistema de injeção de combustível de um motor diesel common
rail – (1) Eletro-injetores; (2) Bomba de alta pressão; (3) ECM; (4) Tubo rail
Fonte: Adaptado de HUMMEL et al., (2004)
O sistema de injeção Common Rail pode ser entendido como Unidade de Conduto
Comum, onde difere dos sistemas convencionais, pois trabalha com pressão modulada em
motores de injeção direta. Ele trabalha com combustível pressurizado dentro de um rail (tubo
distribuidor) independentes da rotação do motor e do volume de combustível que estão
contidos dentro do rail a ser injetado (SOUZA, 2010).
Fica clara a evolução do aumento da pressão de injeção mostrada pelo gráfico da
Figura 3. Alguns fabricantes de componentes, como a DELPHI, a pressão máxima atingida
hoje é de 2500 bar, porém logo essa pressão subirá para 3000 bar, proporcionando uma
melhor atomização do combustível, melhorando a queima e minimizando a necessidade de
pós tratamento dos gases de escape (GRAHAM et al., 2014).
Figura 3 – Evolução da pressão injeção do sistema de injeção diesel
23
Fonte: Adaptado de BLAU, (2011)
Alguns gargalos que eram encontrados no sistema mecânico, como: a possibilidade de
pré-injeção, injeção principal e pós-injeção com controle de volume de injeção, foram
sanados com esse sistema.
Para uma injeção com parâmetros precisos, o injetor necessita estar sempre sob alta
pressão. Nesse caso, o módulo de controle eletrônico (ECM) mantém através de cálculos, o
momento e a quantidade correta de combustível a ser injetados. A ECM obedece a curvas de
rotação x torques previamente programados, adaptando-se a cada regime de funcionamento
com a otimização da pressão de injeção em baixas rotações e na faixa certa de torque. Toda
parte de adequação do motor em quaisquer situações é feita através de algoritmos
simplificados (BOSCH, 2005).
É através de sensores como: de pressão; temperatura do ar de admissão; temperatura
do liquido de arrefecimento; posição do pedal do acelerador; pressão do rail (tubo onde há o
acumulo de combustível); posição do motor (comando de válvulas); pressão atmosférica;
rotação do motor (árvore de manivelas – virabrequim), entre muitos outros, que a central
eletrônica recebe informações constantes e instantâneas do funcionamento do motor e do
veículo, como se esboça na Figura 4 de funcionamento do sistema.
Figura 4 – Princípio do fluxo de funcionamento da ECM
24
Com os dados obtidos, a central eletrônica tem condições de exercer controle,
comando e a regulagem sobre o modo de utilização do motor. A Figura 5 representa o fluxo
do combustível e a destruição espacial dos componentes do sistema de injeção common rail.
Figura 5 – Visão geral do sistema common rail
Outro ponto a ser observado é o percurso do contato do combustível sobre os circuitos
dos subsistemas no veículo. O subsistema de alimentação de combustível tem por função
retirar o combustível do tanque e jogá-lo para os injetores de vários cilindros. O circuito é
25
composto pelo tanque, bomba de baixa pressão, filtro de combustível preliminar, bomba de
alta pressão, tubo rail, linhas de conexão e eletro-injetores. Partindo do tanque, bomba de
baixa pressão fornece combustível para a bomba de alta, passando antes pelo filtro. A bomba
de alta pressão carrega o tubo rail e as linhas de alta pressão até os bicos injetores de
combustível (BOSCH, 2005).
No tubo rail e nas linhas de conexões, há menos dependência do combustível para
lubrificação, no entanto, existem alguns componentes com pares tribológicos atuando, onde, o
próprio combustível proporciona a lubricidade (por exemplo, bomba de alta pressão, injetores,
pistão e cilindro). Uma vez injetado na câmara, o combustível segue para combustão, onde
será queimado (HASEEB et al., 2010).
Este subsistema é constituído por elementos como bloco do motor, camisa do cilindro
(em alguns casos), cabeçote, válvulas de admissão e de exaustão, pistão, anéis de segmento,
pino do pistão e biela. O papel do pistão é comprimir o ar dentro do cilindro, fazendo com que
a temperatura se eleve acima de 500ºC (MARTINS, 2005). O pistão tem diâmetro menor que
a camisa do cilindro, e para minimizar o espaço entre o pistão e a mesma, anéis de segmento
são instalados nele, para que haja vedação em torno do êmbolo.
Logo após a queima, o subsistema responsável em conduzir os gases queimados para
fora é o sistema de escape do motor, que consiste em coletor, conversor catalítico e
silenciador. Após a combustão, os gases saem da câmara, passando para o coletor, e em
seguida através do sistema de recirculação de gases (EGR), parte dos gases retorna à câmara
para ser novamente queimado, para redução da fumaça, logo mais esses gases escoam para o
conversor catalítico e silenciador. A aplicação das válvulas ERG e SCR estão esquematizadas
na Figura 6. Após esse processo, os gases estarão na atmosfera (HASEEB et al., 2010).
Figura 6 – Aplicação da válvula EGR e SCR
26
A importância de se conhecer o fluxo de combustível em diferentes subsistemas é
observar o contato do combustível com uma grande variedade de materiais metálicos e não
metálicos. Materiais metálicos incluindo aço, ferro fundido, ligas de alumínio e ligas de cobre.
Como não metálicos mais comuns estão elastômeros, plásticos, tintas, papeis etc.
O combustível entra em contato com estes materiais sob temperatura, velocidade,
carga e estados físicos diferentes, sendo assim, provocando possíveis corrosão, desgaste e
degradação desses materiais. A seguir no Quadro 1 é mostrado as principais partes e materiais
do quais elas se constituem.
Quadro 1 – Materiais usados na composição dos componentes do sistema de injeção em
motores diesel Principais partes Componentes Materiais
Tanque de combustível Alojamento
Vedação
Aço, plástico, pintura, revestimento
Elastômero, papel, cortiça, cobre
Bomba de alimentação de
combustível
Liga de alumínio, liga de ferro, liga de cobre
Linha de combustível Alta pressão
Baixa pressão
Aço
Plásticos, borracha
Filtro de combustível Cartucho do filtro
Alojamento
Papel
Alumínio, plástico
Bomba de combustível Liga de alumínio, liga de ferro, liga de cobre
Injetor de combustível Aço inoxidável
Cilindro Parte superior do
Cilindro
Ferro fundido cinzento, alumínio fundido, alumínio
forjado
Cilindro Ferro fundido cinzento, aço, alumínio fundido
27
Cilindro linear Ferro fundido cinzento, alumínio
Válvulas Aço
Partes do pistão Pistão Alumínio fundido em areia, alumínio fundido em
cera perdida, alumínio forjado, ferro fundido
cinzento
Pino do pistão Aço
Anéis do pistão Ferro fundido especial, aço
Casquilho Liga de cobre
Biela Aço, liga de alumínio
Sistema de escape Coletor de escape Ferro fundido
Cano de escape Aço com revestimento galvânico
Conversor catalítico Aço inoxidável, fibra cerâmica fibra de alumínio
Silencioso Aço com revestimento galvânico
Fonte: Adaptado de HASEEB et al., (2010).
2.1.1. Funcionamento da Agulha do Bico Injetor
Quanto ao tocante ao funcionamento da agulha do injetor, a mesma funciona como
uma válvula para o controle de injeção pelo orifício de injetor. Sua posição de trabalho é
normalmente fechada, estando submetida por uma força de uma mola e uma contra força de
pressão do fluido para que fique sempre numa posição de fechamento do orifício.
Enquanto há pressão da mola sobre a agulha, a sede do orifício estará fechada, o
combustível passa apenas quando o solenóide é acionado. Quando isso acontece a agulha
sobe, fazendo com que permita passagem do combustível pelo orifício calibrado e decaia a
pressão onde a mola está alojada, fazendo com que a mesma retorne à sua posição
normalmente fechada, configurando um movimento alternado (reciprocating), além do
movimento rotativo que os fabricantes afirmam existir na agulha do bico injetor (informação
verbal)1.
Para uma melhor visualização dos elementos citados no texto, as Figuras 7 e 8
mostram a ponta do bico e o bico injetor, com as devidas indicações de seus componentes.
Figura 7 – Ponta e agulha do bico injetor diesel
1 Informação fornecida por Hailton Viana no Curso de Reparos de Bicos Injetores (TECNOMOTOR), em Natal/RN, em
agosto de 2013.
28
Fonte: Adaptado de Bosch (2014)
Figura 8 – Componentes do bico injetor common rail utilizado em veículos leves
Fonte: Adaptado de VIANA (2013)
2.2. PROBLEMAS NOS SISTEMAS DE INJEÇÃO
Injetores diesel common rail modernos podem injetar uma, duas, três, cinco, até sete
vezes por ciclo de motor, assim trazendo um efeito multiplicativo do desgaste do injetor em
relação ao sistema antigo, de unidade injetora de diesel. Os sistemas de injeção diesel mais
antigos usavam cerca de 1/3 a 1/2 da pressão de combustível dos motores modernos, como
29
também enviavam o combustível através de passagens e orifícios muito maiores (informação
verbal)2.
Sabe-se que bicos injetores e bombas são elementos que trabalham sobre os regimes:
marcha lenta, carga parcial e carga total, sendo eles concernentes à altas pressões e elevadas
temperaturas. E para o bom funcionamento dos mesmos é necessário que todos os
componentes estejam íntegros e ajustados.
Os ajustes nos pares tribológicos atuantes nesse sistema são da ordem de micrometros.
Importa avaliar o estado de desgaste nos componentes, por menor que seja a falha, sendo
assim é necessário estarem dentro das faixas de tolerância admitidas pelos fabricantes para
poder operar dentro dos regimes correto de trabalho.
Um agravante disso tudo é que atualmente a alimentação do sistema é feita utilizando
diesel de ultrabaixo teor de enxofre (ULSD), o que dificulta a lubrificação dos pares
tribológicos desse sistema. Porém, se a manutenção for feita adequada e periodicamente, junto
à preocupação de utilizar um combustível de qualidade, alguns problemas podem ser evitados,
podendo assim usufruir-se da confiabilidade do sistema e assegurar uma vida em serviço de
milhares de quilômetros sem problemas.
Mesmo que toda parte eletrônica de sensores esteja em perfeitas condições de
funcionamento, faz-se necessário que os atuadores finais, no caso os bicos injetores, estejam
dentro dos parâmetros de ajustes especificados pelo fabricante. Quando isso não acontece,
parte do funcionamento, seja ele o retorno do óleo diesel ao tanque, o tempo de injeção, o
débito e ou estanqueidade, ficam comprometidos, tornando a combustão incompleta e
contaminando os gases que vão para a atmosfera (informação verbal)3.
O bico injetor é o componente responsável pela pulverização do combustível na
câmara. Pulverização que é sempre bastante estudada, com o intuito de encontrar a melhor
forma de misturar o combustível injetado com o ar dentro do cilindro, visando menor emissão
de gases poluidores e economia de combustível (MARTINS, 2005). A Figura 9 retrata a
sequência de injeção e relação ao tempo de injeção, com um injetor de sete furos em seu bico.
Figura 9 – Sequência de injeção de um bico injetor
2 Informação fornecida por Hailton Viana, no Curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail (TECNOMOTOR), em
Natal/RN, em agosto de 2013. Informação fornecida por Hailton Viana, no Curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail (TECNOMOTOR), em
Natal/RN, em agosto de 2013.
30
Fonte: INSTITUTO MOTORI. Disponível em: <http://www.im.cnr.it/IM/?page_id=431> acesso em: set. 2013
Para que o bico apresente um bom funcionamento, é necessário garantir que algumas
de suas partes estejam em boas condições de funcionamento, como por exemplo, a carcaça
não estar rachada, a agulha está com a folga adequada, que a esfera vede a sua sede, entre
outros.
Segundo a Exergy Engineering (2012), pode-se dizer que os injetores de diesel tendem
a apresentar falhas por causa de duas razões principais; a primeira tem a ver com a robustez
da estrutura injetora e a segunda tem a ver com a qualidade do combustível que atravessa o
injetor.
Dentre essas causas relacionadas às propriedades mecânicas, pode-se desmembrá-las
em cinco mais específicas, sendo elas citadas no Quadro 2.
Quadro 2 – Principais causas, falhas e prevenções do sistema common rail FALHA INDICAÇÕES CAUSAS PREVENÇÃO E REPARO
31
Vazamento
interno ou Alto
fluxo de retorno
Dificuldade na hora
da partida
Código de baixa
pressão no rail
Sulcos na sede da esfera,
que funciona como válvula
Vazamento de tubos de
alimentação
Selagem de alta pressão
interna danificada
Folga incorreta da agulha
do bico
Corpo do bico rachado
Corpo do injetor rachado
Manter sistema de
combustível limpo, mudar
filtros de combustível,
comprar combustível a partir
de fontes confiáveis
Evite a afinação
excessivamente agressiva do
sistema, que aumenta de
pressão e pulso do injetor; e
não remova os dispositivos de
limitação de pressão do
sistema
Não utilizar componentes de
injeção de remanufaturados
ou que não são devidamente
projetados ou fabricados
artesanalmente. Utilize
apenas os bicos genuínos,
pois eles são feitos para ter
uma resistência superior à
quebra.
Não fazer montagem entre
bicos de séries diferentes.
Cada bico é compatível
apenas com outro da mesma
série.
Sem injeção O combustível é
adicionado ao
cilindro porque A
ECM “pensa” que o
injetor de
combustível não tem
fluxo suficiente. A
ECM toma a decisão
de injetar com base
na velocidade de
rotação do
virabrequim, porém
não há fluxo no
injetor suficiente,
fazendo com que o
motor não funcione.
Corpo e/ou bocal da agulha
engripado
Detritos ou oxidação no
plugue elétrico do bico
Bobina ruim
Perda de compressão do
cilindro ou outro problema
mecânico
Manter sistema de
combustível limpo, mudar
filtros, comprar de
combustível a partir de fontes
confiáveis;
Não utilizar peças de
reposição do sistema que têm
rebarbas metálicas;
Evitar unir todas as linhas
retornos de bombas de alta
pressão, de injetores e rail a
uma única linha de retorno;
Excesso de
injeção
Fumaça excessiva em
marcha lenta e má
queima;
Débito alto no
cilindro, o que
significa que a
rotação do motor vai
aumentar mais do
que o normal;
Temperatura dos
gases de escape
excessiva;
Danos ao motor pela
alta temperatura
Desgaste na sede da esfera
do injetor ou fraco corte da
injeção;
Assento da agulha do bico
desgastado ou danificado;
Detritos no sistema de
controle da agulha injetor,
que a mantém a agulha
aberta;
Detritos em bico assento
agulha mantendo-a aberta;
Substitua os injetores gastos e
de alta quilometragem;
Substituir as pontas
desgastadas;
Mantenha o sistema de
combustível limpo e mudança
periódica dos filtros;
Não use componentes
remanufaturados para esta
aplicação.
32
devido excesso de
combustível no
cilindro.
Bico rachado por sobre
pressão, ou bico
superaquecido por
instalação inadequada de
injetor.
Taxa incorreta
de injeção
Falha no
funcionamento e
desbalanceamento
nos cilindros
Variação de
temperatura dos
gases de escape
Baixo fluxo no bocal do
injetor
Baixa elevação da agulha
do bico
Bico conectado
parcialmente
Ponta dos bicos escovados
Manter sistema de
combustível limpo. Fazer a
manutenção de filtros
periodicamente;
Utilizar combustível a partir
de fontes confiável;
Rejeitar todas as peças de
reposição do sistema de
combustível que tenham mau
acabamento;
Não use componentes
remanufaturados para esta
aplicação ou fora de
aplicações padrões;
Nunca limpar os bicos com
uma escova de aço.
Tempo da
duração de
injeção incorreta
Falha no
funcionamento e
desbalanceamento
nos cilindros
Danos no pistão
Variação na
temperatura dos
gases de injeção entre
os cilindros
Desgaste no assentamento
da esfera
Montagem incorreta do
injetor (torques e/ou
variações no comprimento
dos calços)
Elevado aumento na agulha
do injetor, para aumento do
débito
Substituir os injetores
desgastados;
Fazer todos os testes com os
injetores;
Adquiri-los de uma fonte
confiável.
Fonte: Adaptado de EXERGY ENGINEERING Disponível em:
<http://www.trucktrend.com/how-to/expert-advice/1211dp-why-diesel-fuel-injectors-fail/> acesso em: set. 2013.
De acordo com Afton (2011), existem três principais causas de falha do injetor
associados às propriedades do combustível: desgaste em excesso, abrasão e depósitos.
Quando se trata de desgastes moderados e severos, logo se levanta a questão de como
e o quanto esses componentes estão sendo lubrificados. É sabido que antes de 13 de janeiro de
2005, o diesel encontrado nos postos do Brasil, era diesel puro (sem mistura com biodiesel)
(QUESSADA, 2007) e continham quantidades relativamente grandes de enxofre. Este
enxofre, assim como nitrogênio e oxigênio, é encontrado no óleo em bruto, que logo é
refinado, diminuído em suas partes para ser usado nesses motores.
O enxofre no combustível é utilizado como um lubrificante natural. Ele quem é
responsável pela redução do atrito, limpeza e refrigeração dos componentes do sistema de
injeção (FARIAS, 2010).
33
O biodiesel de ultrabaixo teor de enxofre (ULSD - Ultra-Low-Sulfur Diesel) foi
gradualmente introduzido no Brasil sendo pelo principal motivo a redução de SOx e NOx (e
outros componentes) responsável por diversos problemas ambientais, e também por causa do
excesso de falhas nos filtros de limpeza particulados diesel (DPF) (GUARIEIRO, 2011).
A diminuição do enxofre contido no diesel, controlado por padrões rigorosos das
normas mundiais que regulamentam o controle de emissões, têm como maiores vilões, os
poluentes CO, NOx, HC e o enxofre, que vem decaindo a cada nova regulamentação de
limitação do seu teor na mistura, como mostra o cronograma para implantação do diesel de
baixo teor de enxofre na Figura 10.
Figura 10 – Cronograma para implantação do diesel de baixo teor de enxofre
Fonte: PETROBRAS (2013). Disponível em:
<http://sites.petrobras.com.br/minisite/assistenciatecnica/perguntas.asp> acesso em: out. 2013.
Esta diminuição do teor de enxofre tem impacto direto na redução de lubricidade da
blenda do combustível. Entretanto, com a majoração do uso do biodiesel, essa lubricidade
pode ser restabelecida e permitir o uso contínuo da mistura. Por apresentar maior viscosidade,
o biodiesel proporciona maior lubricidade que o diesel, e tem-se observado redução no
desgaste das partes móveis do motor. O biodiesel também possui estruturas moleculares mais
simples que o seu precursor, os triglicerídeos, logo, a sua viscosidade é comparativamente
menor que estes, apresentando maior eficiência de queima, reduzindo significativamente a
deposição de resíduos nas partes internas do motor (LÔBO e FERREIRA, 2009).
Outra potencial falha é causada pela qualidade do combustível, ou ainda pela presença
de algumas impurezas (da ordem de mícron) que podem passar até mesmo pelos mais
estreitos filtros do veículo. O diesel mineral de baixa qualidade, por exemplo, provoca a
incrustação de resíduos sólidos nas linhas de condução do combustível. Um possível e
posterior uso do biodiesel pode limpar essas linhas, porém entupindo o filtro, necessitando de
34
uma reposição (também não onerosa). Misturas biodiesel/diesel com concentração do
primeiro abaixo de 20%, não apresentam esses inconvenientes.
Se o combustível contém uma grande quantidade de partículas pequenas e insolúveis,
mesmo que refinado e filtrado diversas vezes, ao longo do tempo estarão dentro e atritando
nos injetores, durante a operação normal do motor, trazendo consequências significativas,
como alteração do funcionamento do injetor e do padrão de pulverização de combustível,
reduzindo o desempenho do motor e em casos mais graves, pode até levar à ineficiência total
do injetor (AFTON, 2011). A consequência da passagem dessas partículas por componentes
internos do injetor é mostrada na Figura 11.
Figura 11 – Sede da vedação feita pela esfera (a) Desgaste normal, homogêneo. (b) Peça sob
desgaste irregular, de forma abrasiva
(a) (b)
Fonte: Fotos de Hailton Viana para o curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail, (TECNOMOTOR),
(2013).
A Figura 12 mostra um componente do bico injetor, conhecido por disco
intermediário, que trabalha sob funcionamento severo. Assim como a agulha, esse
componente faz o papel de vedação, entretanto, o disco trabalha com sistema de vedação
plana, ocorrendo desgaste abrasivo na superfície, causando alteração no tempo de injeção.
Figura 12 – Sede de vedação do disco intermediário da válvula piloto
35
Fonte: Fotos de Hailton Viana para o curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail (TECNOMOTOR),
(2013)
A agulha por sua vez trabalha com vedação cônica, porém devido seu tipo de
movimento (reciprocating e rotativo) há uma combinação de desgaste acelerada, causando
redução do diâmetro da extremidade oposta à ponta, fazendo com que o retorno de
combustível se eleve e injete menos combustível na câmara. Em paralelo a isso, pode ocorrer
a alteração do ângulo da ponta da agulha, causando desgaste maior por promover o contato
direto com o encaixe (sede de vedação), além da folga que é gerada, pois a ponta fica tocando
a sede, podendo chegar ao ponto de a ponta romper, ficar à mostra, ou formar trincas, como é
visto em exemplo nas imagens da Figura 13 (b). Isso é atribuído a má qualidade do
combustível, que por não ser capaz de atuar como um amortecedor (colchão hidráulico) na
sede de vedação, permite o impacto entre as superfícies, acarretando na degola por completa
da ponta do bico injetor, trazendo sérios danos ao motor (BOSCH, 2014).
Figura 13 – (a) Início da trinca na ponta do injetor; (b) Colapso total da ponta do bico, devido
a não formação do colchão hidráulico
(a) (b)
Fonte: (a) Diesel Power (2012). (b) foto de Hailton Viana para o curso de Reparos de Bicos Injetores Common
Rail (TECNOMOTOR), (2013)
Como dito anteriormente, boas práticas de manutenção como o uso de uma boa
filtragem de combustível e consumindo um combustível de um fornecedor de confiança, pode
reduzir danos causados por abrasão, erosão e cavitação.
36
Por fim, é importante considerar quando se discute a causa da falha de um injetor
relacionado ao combustível, a Afton (2011) afirma que, hoje, a principal razão para o um
colapso do injetor é devido ao acúmulo excessivo de depósitos. Existindo dois tipos principais
destes depósitos: os externos ao injetor e depósitos no interior dos injetores.
Os depósitos externos ao injetor são geralmente causados pela má queima do
combustível (queima incompleta), que se acumula em torno dos furos do injetor. Estes
depósitos são referenciados na literatura como depósitos de coque.
Na maioria dos casos, esses depósitos não levam à insuficiência do injetor, porém, eles
podem acumular o suficiente para perturbar a atomização do combustível, Figura 14. Esta má
formação da nuvem de pulverização gera, consequentemente, uma má queima de combustível
e menor eficiência. Este problema é frequentemente observado pelo operador do veículo
como uma perda perceptível de potência e um maior gasto de combustível.
Figura 14 – Depósito de coque na ponta do injetor
Atualmente, há aditivos detergentes que são usados para ajudar a controlar esses
depósitos externos e restaurar o injetor. Eles apresentam sucesso no uso para a perda de
energia e melhor economia de combustível, resgatando novamente uma maior eficiência ao
veículo.
Com toda mudança do sistema de injeção, que partiu do mecânico com pressões de
200, 300 bar e folgas um pouco mais abrangentes, para o common rail, que trabalha com até
2500 bar e tolerâncias da ordem de 2 a 4 micrometros (QU, 2005), um novo tipo de depósito
(semelhante ao coque) vem surgindo no interior dos injetores.
Estes depósitos são leves, com aparência acinzentada e se formam nas partes internas,
nas agulhas injetoras pelo movimento reciprocating, em praticamente qualquer tipo de injetor
do sistema common rail e nas agulhas dos bicos.
37
Eles normalmente só causam problemas operacionais nos motores mais novos com
sistemas mais precisos e com alta pressão injeção (HPCR – high pressure common rail),
devido ao depósito de materiais nesses microespaços, sendo principalmente na ponta agulha
do injetor, impedindo a vedação interna na linha de contato (sede) da agulha, deixando de
garantir a estanqueidade na ponta, fazendo com que o bico venha a gotejar, como também
podendo acarretar a obstrução dos orifícios de injeção, ou seja, levando a um fraco
desempenho do motor e uma combustão incompleta, Afton, (2011).
Em casos extremos, esses depósitos podem levar à degola completa da ponta do injetor
ou travamento das agulhas injetoras, especialmente depois que o veículo for desligado quando
o motor estiver frio.
Assim como os depósitos externos, os internos podem ter os mesmos sintomas, ou
seja, potência perdida e aumento do consumo de combustível. Por serem os atuadores finais
do sistema, nos casos mais graves, o sistema trava e levam à paralisação total do veículo,
acarretando num elevado custo de manutenção.
Outros pontos a serem observados nas falhas mecânicas de um injetor estão relatados
no Quadro 3.
Quadro 3 – Mecanismos de falha de um injetor common rail A sede da esfera corrói, fazendo com que haja
o fluxo indesejado de retorno.
Isso faz com que o motor não dê partida.
Se a erosão aumenta muito, o injetor perde a
capacidade de estanqueidade.
A cavitação na ponta da agulha/bico provoca
falta de estanqueidade.
Isso acarreta numa baixa economia de
combustível e uma fumaça branca azulada em
marcha lenta.
38
Acúmulos de debris na sede da esfera.
Isso pode fazer com que a vareta do injetor
permaneça acionada, tornando-a aberta
constantemente.
Fonte: Adaptado de How a Common Rail Diesel Injector Works and Common Failure Points - Engineered
Diesel. Disponível em:<https://www.youtube.com/watch?v=NUvWnOd5lFw>. Aacesso em: 15/12/2014)
2.3. UTILIZAÇÃO DO BIODIESEL NO MCI POR COMPRESSÃO
O histórico de aplicação dos primeiros combustíveis nos motores do ciclo diesel, foi
utilizando óleos vegetais, na apresentação desse tipo motor na Feira de Exposição Mundial de
Paris, no início do século XX. Posteriormente passando para o uso do diesel e recentemente o
mesmo tem sido misturado com biodiesel para diminuir a poluição atmosférica e a
dependência do petróleo.
Da sua criação aos dias atuais, o mesmo é motivo de muitas discussões e polêmicas,
principalmente a respeito da sua eficiência global. Com isso, experiências vêm sendo
realizadas em diversos países, objetivando nos principais casos, a melhor composição (da
blenda biodiesel com diesel) que fornecerá bom desempenho, considerando; A
compatibilidade com os materiais utilizados nos subsistemas do motor; A eficiência
energética global de cada composição de óleo utilizado.
Pode-se listar como as principais vantagens do uso de óleo diesel em motores:
- Excelente rendimento térmico dos motores projetados para esse combustível, em
torno de 30% a 38%;
- Baixo índice de quebra, fácil manutenção e grande disponibilidade em peças de
reposição desses motores;
- Uso satisfatório nos mais diversificados tipos de terreno e clima;
- Utilização global, com tecnologia desenvolvida permitindo excelente o uso em
diversos segmentos;
- Excelente aplicabilidade em veículos de transporte de cargas;
- Alta concentração de energia, permitindo a aplicação em veículos de grande porte,
sem aumento demasiado de peso.
39
Entretanto, percebe-se através e da literatura técnica que sempre existiu a busca e
dedicação pelo aprimoramento do uso combinado de óleos vegetais, diesel, biodiesel e outras
combinações. No entanto, é de admirar-se com a diversidade de conceitos e conclusões feitas
pelos pesquisadores, especialistas e curiosos do mundo inteiro. De certo, o que mais pode ser
visto na literatura, são verdadeiras contradições. Estas podem ser explicadas pelos diferentes
modos de pesquisa, modo de preparação e fontes de combustíveis e estágio de
aperfeiçoamento dos motores, justificado pelas épocas em que foram feitos tais ensaios.
2.3.1. Consolidação do Biodiesel como Alternativa Energética
A demanda por combustíveis renováveis está se expandindo rapidamente nos últimos
anos. Bem no início do século passado, as indústrias direcionaram trabalhos de
desenvolvimento do motor para utilização com diesel à base de óleo cru de petróleo. De
início, por consequência das seguidas crises energéticas que o mundo passou, despertou-se a
necessidade de novas fontes alternativas de energia, com parâmetros que fossem
ambientalmente sustentáveis e seguros para sua utilização. Nos dias atuais, procuram-se as
melhores adequações a novos combustíveis que substituem os derivados do petróleo (MELO,
2009).
Uma alternativa positiva encontrada para uso nos motores do ciclo Diesel, que
respondem na maior parte, pela malha pesada de rodoviários, transporte e setor agrícola, a
estrutura energética que melhor se adaptou foi uma blenda, composta por biodiesel (oriundo
de fontes vegetais e animais) e diesel (do petróleo), formando assim uma fração para
utilização nestes motores.
Em termos ambientais, a ampliação do uso do biodiesel reduz a participação do óleo
diesel na matriz energética, um combustível eminentemente fóssil, o que significa a
diminuição das emissões de poluentes veiculares nos centros urbanos e nas rodovias.
Trata-se de um combustível biodegradável originado a partir de óleos de origem
animal ou vegetal, obtido através de processos a partir de reações químicas com álcool de
cadeia curta, na presença de um catalisador, conhecidos por craqueamento e reação de
transesterificação (OLIVEIRA FILHO, 2011).
O surgimento efetivo do biodiesel como fonte alternativa de energia foi em meados
dos anos 80, justificando as crises no mercado mundial de petróleo ocorridas nas décadas de
70, junto ao aumento da demanda de energia e aliada ao consentimento ambiental da
40
população (GUERRA e FUCHS, 2009). Desde 2003, na União Europeia, os óleos vegetais
são biocombustíveis reconhecidos e regulamentados, sendo amplamente utilizados no setor de
transporte (GUERRA e FUCHS, 2010).
Os biocombustíveis são uma realidade global, com milhares de países adeptos
aplicando esse novo modelo em seus veículos que circulam em vários continentes, e com essa
visão, há a tendência do aumento com a conscientização da população e interesse de empresas
e governos.
Como exemplo desses biocombustíveis pode se destacar o álcool, o biodiesel, o biogás
e o óleo vegetal, usados nos dias atuais. A utilização do óleo vegetal para a obtenção do
biodiesel se tornou uma das mais importantes opções, reconhecida por muitos países, por
apresentar atrativos como minimização dos impactos ambientais, em comparação com os
combustíveis fósseis, além do incentivo a economia e fonte de renda (GUERRA e FUCHS,
2010).
A diversidade de plantas oleaginosas em que o óleo pode ser extraído é enorme, a
exemplo estão espécies como: dendê, macaúba, babaçu, tucum, coco, buriti, noz-peçan,
castanha, macadâmia, pinhão, amendoim, soja, canola, nabo forrageiro, pinhão-manso,
tungue, girassol, algodão, linhaça, gergelim, crambe, cártamo, nim e moringa, dentre muitas
outras (COSTA et al., 2006).
Graças à sua diversidade climática, de solos e a grande biodiversidade, o Brasil por se
tratar de um país de dimensões continentais, é capaz de apresentar uma enorme diversidade de
oleaginosas que são fontes de matéria prima para produção de óleo vegetal, alimentado assim
a necessidade local e boa parte da população mundial.
O Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PNPB) inseriu um novo
combustível na matriz energética nacional. O trabalho multidisciplinar, envolvendo governo,
instituições de pesquisa, indústrias e a sociedade, permitiu que desde 2008, em função da Lei
n. 11.097, de 13 de janeiro de 2005, todo óleo diesel nacional disponível ao consumidor final
é acrescido de biodiesel. Em janeiro de 2005 alcançou-se a mistura de 5%. (FONTES
JUNIOR, 2011). Essa mistura é denominada óleo diesel B5. Em 01 de junho de 2014 entrou
a mistura de 6%. A partir do mês de novembro de 2014, de acordo com o Ministério de Minas
e Energias (MME) e o Conselho Nacional de Política Energética (CNPE) o biodiesel passou a
ser comercializado com 7% de inserção no diesel, sendo agora o B7 S-10.
O B7, além de corrigir a lubricidade do óleo diesel, reduz os níveis de emissão dos
veículos referente ao teor de enxofre. Os combustíveis comercializados ao consumidor final,
41
possuem 10 mg/kg de enxofre (S10) denominado de “diesel ultra-baixo teor de enxofre
(ULSD)”, 500 mg/kg de enxofre (S500) e 1.800 mg/kg de enxofre (S1800). O diesel para
comercialização, além dos 7% de biodiesel, recebe também aditivos em sua composição.
Esses aditivos aprimoram algumas características, visando maior desempenho do combustível
(ANP, 2014).
Com relação ao diesel ultra-baixo teor de enxofre (ULSD), seu uso tem sido
obrigatório em centros urbanos, tendo em vista o benefício como redução dos desgastes nos
cilindros e anéis de segmento, depósitos de coque no motor, emissões de NOx e material
particulado, aumento da vida útil dos tanques, linhas e partes internas do motor, entre outros.
Entretanto, a minoração do enxofre leva consigo algumas vantagens a respeito da lubrificação
das partes móveis. Com isso, é necessária a incorporação de aditivos (SCHÄFER, 2001).
Mesmo assim, em sua composição natural, o biodiesel oferece um número de
vantagens distintas. Apresenta uma excelente lubricidade, algo que é benéfico aos
componentes e que se destaca devido à atual política de redução do enxofre; É biodegradável,
não tóxico, porém por conta do diesel em sua composição ainda emite gases nocivos à saúde;
tem maior ponto de fulgor, provoca redução de emissões (KNOTHE, 2008).
Porém, ele também apresenta algumas características desfavoráveis, como
instabilidade oxidativa, alta geração de glicerina, durabilidade do óleo não mais que seis
meses, propriedades pobres à baixa temperatura, sendo necessárias possíveis mudanças nos
sistemas eletrônicos dos motores para receber o biodiesel acima de B20, além de fornecer um
pouco menos potência e torque, acarretando em um maior consumo de combustível
(DEMIRBAS, 2007).
2.3.2. Aspectos Físico-Químicos dos biodieseis
Os aspectos físico-químicos dos combustíveis têm consideráveis influências sobre o
funcionamento do motor, em especial os do ciclo Diesel, devido a estes estarem diretamente
relacionados ao consumo, potência, eficiência, emissões e, sintetizando estes parâmetros,
durabilidade, confiabilidade e vida em serviço do motor. Desse modo, a escolha para
utilização de uma fonte energética, no geral, deve-se considerar fatores econômicos, técnicos,
sociais, ambientais e por fim, políticos.
O biodiesel é um combustível de composição complexa. A sua estrutura e
propriedades físico-químicas dependem diretamente dos processos de obtenção da sua origem
42
(animal ou vegetal) e da origem da fonte de petróleo. A blenda de biodiesel e diesel
comercializada possui em sua constituição uma rica mistura de hidrocarbonetos e ésteres
mono-alquila de ácidos graxos de cadeia longa, além de hidrocarbonetos parafínicos
olefínicos e aromáticos e, em menor quantidade, substâncias cuja fórmula química contém
átomos de enxofre, nitrogênio, metais, oxigênio, etc. Esses hidrocarbonetos são formados por
moléculas constituídas de 8 a 40 átomos de carbono (FERNANDES, 2011).
Segundo Giacosa (1964), apud FERNANDES (2011), dentre as variáveis que mais
influenciam o trabalho realizado pela combustão dos motores por ignição a compressão estão:
o efeito da pulverização na câmara, o alcance do jato combustível, a turbulência do ar na
câmara, a taxa de compressão e as temperaturas do ar e do fluido de arrefecimento. No
entanto, há outros parâmetros de propriedade físico-química dos combustíveis que merecem
destaque, elas também são responsáveis na influência da sua queima. Entre elas, podem-se
citar:
2.3.2.1. Poder calorífico
O potencial calorífico de um combustível é a propriedade responsável por quantificar
o poder carburante do mesmo. Esta determina a quantidade de energia que está disponível no
combustível e que é liberada à câmara de combustão, através de uma reação química
(KNOTHE, 2008). Assim, pode-se definir que quanto maior o número de átomos de
hidrogênio na composição de um combustível, maior seu poder calorífico (SOUZA, 2010).
A obtenção do poder calorífico pode ser apresentada de duas formas: em PCI – Poder
calorífico inferior, onde a água formada entra em forma de vapor; e PCS – Poder calorífico
superior, onde a água encontra-se na fase líquida. A diferença em valor entre os dois é a
quantidade de calor necessária para evaporar a água contida nos gases de exaustão. Tanto o
PCS quanto o PCI são obtidos através do ensaio de calorimetria.
De acordo com Peres (2007), a avaliação do poder calorífico de um combustível se faz
pertinente, pois havendo comparação entre combustíveis, aquele que apresentar menor poder
calorífico, também terá um maior consumo específico de combustível para liberar a mesma
energia.
O poder calorífico está relacionado diretamente com a quantia de energia interna
armazenada no combustível, sendo o hidrogênio o responsável limitante do potencial
43
calorífico desse combustível, de modo que quanto mais hidrogênio, maior poder calorífico do
combustível.
O biodiesel possui ésteres alquílicos com diferentes níveis de saturação, o que leva ao
fato de o biodiesel ter menor poder calorífico (cerca de 10%), tendo por base o valor mássico,
mas possuindo um maior valor por unidade de volume, aspecto este atribuído à sua maior
densidade. Em motores utilizando biodiesel como combustível, observa-se uma redução de
cerca de 8,9% na potência, baseando-se no fato de os mesmos funcionarem com um sistema
de injeção por deslocamento volumétrico de combustível (SOUZA, 2010).
Knothe (2008) afirma que o biodiesel é um pouco menos energético que o diesel
oriundo do petróleo, devido à ausência de hidrocarbonetos aromáticos responsáveis pela
concentração de energia, resultando em alto poder calorífico.
2.3.2.2. Viscosidade
Segundo a ANP (1999), a viscosidade de um combustível indica sua resistência ao
escoamento a uma determinada temperatura. Brown e Dattelbaum (2005), afirmam que a
mesma está relacionada com a facilidade de moléculas individuais de líquidos poderem
mover-se em relação às outras. Seu controle visa permitir boa atomização do óleo e preservar
suas características lubrificantes.
Todos os componentes do sistema de injeção estão intrinsecamente ligados a essa
propriedade, pois o próprio óleo é quem faz a lubrificação dos componentes, garantindo a
durabilidade da vida do sistema.
Os combustíveis com baixa viscosidade ocasionam inícios de perdas de pressão
internas, queda na capacidade de pressurização pelo sistema de injeção, devido à alteração no
tempo de injeção, resultando em uma maior quantidade de combustível injetada,
comprometendo assim a potência e a economia.
O desgaste precoce dos elementos do sistema de injeção pode ocorrer porque as
propriedades de lubrificação tendem a diminuir com a viscosidade (GARRETT, 1994).
Entretanto, não se pode ter uma viscosidade excessiva, devido a dificultar a formação
do spray e de demandar uma maior potência para o bombeamento do óleo até chegar aos
bicos, resultando de uma forma geral numa redução de potência e aumento de emissões pela
má queima. A faixa de viscosidade do óleo para operação em motores, varia entre 2,0 e 5,0
(cSt) em temperaturas de trabalho de 80°C a 95°C, (CAPANA, 2008).
44
2.3.2.3. Índice de acidez
O índice de acidez é definido pela quantidade de álcali, expressa em miligramas de
KOH por g de amostra que é necessário atingir o ponto de viragem da titulação da amostra.
Este dado é importante para poder alertar a respeito da ocorrência de fenômenos, como
deterioração do biodiesel e corrosão em componentes do sistema de alimentação, além de
revelar o estado de conservação do combustível (SILVA et al., 2010).
A Resolução 07 da ANP estabelece que o biodiesel, não pode ter índice maior que
0,50mg KOH/g ou 3% de ácido oléico. No entanto, se for encontrado um índice de acidez alto
(superior a 2mg KOH g-1 de amostra) é possível supor que alguns ácidos graxos livres
permanecem no biodiesel (MORAES, 2008).
2.3.2.4. Teor de enxofre
O enxofre é um elemento natural encontrado em todos os óleos crus. Sua quantidade
no biodiesel é controlada durante o processo de refino. Atualmente, os combustíveis
destilados, tais como o óleo diesel, tem por meio de imposições legislativas, seguidas por
normativas ambientais, um teor de enxofre menor, obtido através de processos de refino
(SILVEIRA, 2013).
O teor de enxofre, em ppm, do óleo diesel está expressamente ligado ao material
particulado (MP) das emissões de escape. Durante sua queima na câmara de combustão do
motor, dá origem à formação de óxidos de enxofre. Tais óxidos, após expelidos, reagem com
o vapor de água presentes na atmosfera, resultando na formação de ácido sulfúrico.
Também pelo fato do mesmo não ser queimado no reator de combustão, o enxofre
presente no combustível ainda é apontado pela formação de depósitos no motor.
Por outro lado, a eliminação parcial/total do enxofre no combustível acarreta a
eliminação do principal agente presente no diesel capaz de lubrificar os componentes móveis
do sistema de injeção, uma vez que o biocombustível não apresenta enxofre em sua
composição, o teor de enxofre presente no biodiesel é função do enxofre encontrado no diesel
que forma a blenda (IAMAGUTI, 2014).
45
Para compensar a redução do enxofre contido na blenda, faz-se necessária a presença
de aditivos adequados para a correção das propriedades diretamente relacionadas a
lubrificação (SULEK, et al., 2010).
Dessa forma, há o embate em manter o menor teor capaz de conservar os mesmos
parâmetros de lubrificação, contrapostos a questões ambientais.
2.3.2.5. Ponto de fulgor
O ponto de fulgor está relacionado com a possibilidade de determinação das
condições de seu armazenamento gerados pelo grau de volatilidade e também dos limites de
explosividade e inflamabilidade do material. Corresponde à temperatura mínima, à pressão de
101,3 kPa, em que os vapores de um combustível inflamam quando aplicada uma chama.
O Ponto de Fulgor não tem interferência direta no funcionamento do motor (Luciano,
1991). Representa a temperatura limite em que o óleo diesel libera vapores para formar com o
ar uma mistura que se inflama espontaneamente com a aproximação de uma chama.
O ponto de fulgor do combustível não tem qualquer relação significativa com o
desempenho do combustível no motor. A temperatura de auto ignição não é influenciada por
variações no ponto de fulgor (TOTTEN, 2003).
Ponto de fulgor é especificado para a segurança durante o transporte, armazenamento
e manuseio.
2.3.2.6. Massa Específica
A massa específica é a massa por unidade de volume de combustível. É uma
propriedade física fundamental que pode ser usada em conjunto com outras propriedades para
caracterizar tanto as frações leves quanto as pesadas dos produtos de petróleo. A
determinação exata desta característica também é necessária para a conversão de volumes
medidos em volumes à temperatura especificada, no caso 20 ºC.
Os motores são projetados para operar com combustíveis em determinada faixa de
densidade ou massa específica, na qual o volume da câmara de combustão é constante e o
conteúdo energético é dependente da massa utilizada. Quando a densidade varia, o conteúdo
energético da porção injetada e a relação ar-combustível, na câmara de combustão, ficam
alterados variando a potência do motor (SONG et al., 2000).
46
Para que a combustão ocorra, deve existir uma razão estequiométrica ideal, ou seja,
uma relação combustível/comburente (ar). Uma concentração de combustível maior que a de
comburente caracteriza uma mistura rica. Por sua vez, uma quantidade de ar maior que a de
combustível indica uma mistura pobre.
Valores de massa específica acima daquela a que o motor foi projetado, podem levar à
mistura rica de ar/combustível, o que aumenta a emissão de poluentes como hidrocarbonetos,
monóxido de carbono e material particulado. Valores baixos para a densidade podem
favorecer a formação de mistura pobre, o que leva à perda de potência do motor e ao aumento
de consumo de combustível.
2.3.2.7. Índice de Cetano
O índice de Cetano é uma grandeza adimensional que define a qualidade de ignição do
diesel para queima em um motor, representando o quão inflamável é o combustível, tratando
principalmente em condições de partida a frio. Trata-se de um valor adimensional.
Um baixo valor no número de cetano de um combustível representa um atraso do
tempo da injeção do combustível e o início da ignição da mistura, consequentemente, maior
será a quantidade de combustível que permanecerá na câmara sem queimar no tempo certo,
provocando esforços anormais sobre o pistão devido ao excesso de energia sobre o mesmo,
trazendo danos mecânicos e perda de potência. Por outro lado, um combustível com maior
número de cetano, promove uma rápida auto ignição, conduzindo a uma diminuição de NOx,
trabalhando sob baixa carga (RUSCHEL et al,. 2014).
2.3.2.8. Lubricidade
Por definição, lubricidade é a capacidade de um fluido de minimizar a fricção e o
desgaste entre superfícies metálicas sob carga. Trata-se de uma medida que mensura o poder
de lubrificação de uma substância, sendo função de propriedades físicas como, a viscosidade e
a tensão superficial. Diferentemente dos motores movidos à gasolina, os motores de ignição
por compressão necessitam que o combustível tenha propriedades de lubrificação
significativa, capaz de poder lubrificar os componentes do sistema de alimentação que
estejam em movimento relativo (POSSIDONIO et al., 2008).
47
A lubricidade do combustível está relacionada diretamente com os compostos
orgânicos que contêm uma parte polar, sulfurada ou não, que formam uma camada limite na
superfície do metal, protegendo-o contra o desgaste. A etapa de hidrotratamento (redução de
enxofre no diesel petroquímico), acaba ocasionando a remoção de compostos aromáticos
policíclicos com grupos polares de nitrogênio e oxigênio (WADUMESTHRIGE et al., 2009
apud MATTOS, 2012).
2.3.2.9. Aditivos
Capana (2008) descreve que o óleo diesel comercial, assim como outros combustíveis,
também recebe aditivos, numa quantidade que geralmente representam 0,1% em massa na
blenda. No geral, os aditivos são: antiespumantes, desmulsificantes, detergentes, dispersantes
e inibidores de corrosão; e atuam em áreas como: diminuição da temperatura de precipitação
de parafina, aumento do número de cetano, inibição da formação de depósitos em bicos
injetores, inibição da corrosão, criação de agentes que dificultam a formação de espuma.
2.4. TRIBOLOGIA E ESTRUTURA DO SISTEMA AGULHA-BICO
A compreensão dos mecanismos de contato entre superfícies de contato com
movimento relativo entre si requer considerações a nível macro, micro e nano.
As interações superficiais ditam e controlam o funcionamento de praticamente todos
os dispositivos mecânicos construídos pelo homem, fato com o qual se observa uma
importância central na tribologia em termos de desenvolvimento tecnológico; entretanto,
ainda hoje, isso nem sempre é reconhecido (PERSSON, 1999 apud MARU, 2003). Na
verdade, o atrito, desgaste e lubrificação já são estudados há muitos anos e têm uma história
longa e fascinante (HUTCHINGS, 1992).
Sendo assim, tendo em vista o conjunto tribológico do sistema a ser estudado, serão
apresentados a seguir alguns elementos básicos do sistema capazes de caracterizar tais
mecanismos de desgaste, como também para tomar ciência dos termos e facilitar o
entendimento dos resultados obtidos pelo presente trabalho.
Particularmente, para o scuffing e para a cavitação será feita uma abordagem um
pouco mais aprofundada, já que difere um pouco do enfoque dos trabalhos anteriormente
48
mencionados. Então, nos itens posteriores, optou-se em discutir o conhecimento já disponível
com uma abordagem direcionada à apresentação e discussão dos resultados obtidos.
Considerando a interação de duas superfícies sólidas que estão em contato, é essencial
que seja feita uma abordagem tribológica, examinando outros fenômenos de uma maneira
geral.
2.4.1. – Cilindro e agulha do bico injetor
A Figura 15 esboça a seção em corte longitudinal do objeto de estudo, a agulha em
especial, e o cilindro do bico, com destaque para as regiões onde se encontram os pares
tribológicos.
Figura 15 – Seção longitudinal da ponta (cilindro) de um bico injetor
Fonte: Adaptado de Bosch (2009)
O furo guia tem como principal função orientar a trajetória da agulha, formando um
contato conforme. A ponta da agulha, juntamente com sua sede no cilindro, forma um
contato não conforme. Enquanto isso, o combustível é conduzido sob alta pressão até sua
chegada na câmara de armazenamento. Enquanto não houver um comando da parte superior
do bico (bobina), os orifícios de injeção estão bloqueados pelo contato da ponta da agulha
com o assento.
A ponta da agulha apresenta variações de ângulos quanto ao modelo de projeto
desenvolvido por cada fabricante. Entretanto em quaisquer das configurações o desvio
angular da ponta na agulha, como no caso de uma mínima variação de ângulo, e desvios de
concentricidade, são capazes de gerar perturbações e mau funcionamento do par. A Figura 16
mostra o perfil mais comum de ponta de agulha e sede.
49
Figura 16 – Ponta da agulha na sede da ponta do bico
Para que o par, corpo-agulha, possa resistir ao máximo em termos de durabilidade e
confiabilidade, considerando também a sua localização em operação no motor, é necessário
que sua confecção seja realizada seguindo critérios de altíssima precisão, requerendo
procedimento especiais para a garantia de mínimas tolerâncias dimensionais, de forma e de
superfície.
Segundo a norma DIN8589, para a confecção dos pares, é necessário que se siga
processos de fabricação, tais como retificação, brunimento, lapidação, tamboreamento e
jateamento, (DIN, 1985 apud KLOCKE, KÖNIG, 2005 apud ANDRETTA, 2012), seguidos
de tratamento térmicos. Havendo falhas em tais processos, pode vir a ocorrer vazamentos que
reduzem a pressão e alteram a duração das injeções, comprometendo o rendimento do sistema
de injeção.
Os aços empregados capazes de obedecer aos critérios de qualidade exigidos pela
indústria automobilística, devem apresentar propriedades de alta qualidade, garantindo alta
resistência ao desgaste e a abrasão, concluindo garantindo a também a estabilidade
dimensional.
Segundo Reif (2009), afirma que a composição do aço nitretado utilizado nas agulhas
que obedece os critérios de qualidade exigidos pela indústria automobilística, são descritos no
Quadro 4.
Quadro 4 – Aços aplicados em agulhas de bicos injetores
DIN Nota
42CrMo4 Aço temperado
39CrMoV13-9 Aço nitretado
X1CrNiCoMo12-8-5 Aço liga
X210CrW12 Aço ferramenta
X30CrMoN15-1 Aço ferramenta
Fonte: REIF, (2009)
50
2.4.2. Contato mecânico e mecanismos de desgaste do par tribológico
O desgaste é definido pela American Socity for Testing and Materials (ASTM-G40,
2013), como o dano a uma superfície sólida, geralmente envolvendo perda de massa do
material devido ao movimento relativo entre as superfícies de contato, podendo ser
acrescentado a esse conceito, a forma adesiva de ocorrência do desgaste.
Segundo Serbino (2005), o termo desgaste geralmente é utilizado quando há perda de
material, um dano à superfície proveniente do movimento relativo entre superfícies, com ou
sem lubrificação.
Outro fato afirmado pelo mesmo autor é que devem ser observadas em tribosistemas
as morfologias dos danos nas superfícies de contato, onde estas mostram o resultado do
contato mecânico aplicado em várias etapas consecutivas e por diferentes micromecanismos
em regimes cumulativos (SERABINO, 2005).
Segundo Matamoros (2004), existem diversas razões para estudar o desgaste, dentre as
quais podem-se destacar:
a) conhecer melhor o comportamento quanto ao desgaste de uma determinada família
de materiais;
b) selecionar e aplicar materiais otimizados em uso específicos;
c) conhecer e entender os efeitos de certas variáveis em um determinado processo de
desgaste, e
d) dar suporte ao desenvolvimento de modelos preditivos e descritivos para o desgaste
de um determinado tribossistema.
Completando o efeito do entendimento, Bayer (1994), classificou, em pelo menos três
modos, a evidencias associadas ao desgaste:
a) aparência dos sinais de dano: sulcamentos, cavacos, lascamentos, riscamentos,
polimentos, fissuras e trincas, entre outros;
b) mecanismos triboquímicos que causaram a perda de material: adesão, abrasão,
delaminação e oxidação;
c) condições onde o desgaste ocorreu: desgaste lubrificado ou não lubrificado,
desgaste por deslizamento metal-metal, desgaste por rolamento, desgaste por deslizamento e
elevadas solicitações, desgaste metálico em altas temperaturas etc.
De acordo com Lima (2010), algumas situações que envolvem deslizamento ou
rolamento, um termo associado ao desgaste é o atrito. O atrito pode ser definido como a força
51
que se opõe ao movimento relativo entre duas superfícies. Genericamente, a magnitude da
força de atrito é descrita em termos de um coeficiente de atrito, que é a razão entre a força de
atrito e a força normal que pressiona os corpos entre si.
Segundo Zum Gahr (1987), o atrito pode ser visto como a resistência gerada ao
deslocamento e é encontrado na interação de sólidos em determinadas áreas de contato; já o
desgaste, decorrente do contato e do movimento relativo deste com outro corpo sólido,
líquido ou gasoso, é a perda progressiva de material da superfície de um corpo sólido.
Continuando, o mesmo autor diz que o atrito e o desgaste não são propriedades
intrínsecas dos materiais, mas sim características da interação desses materiais com variáveis
operacionais do processo a que estão submetidos, sendo estes responsáveis, respectivamente,
por dissipações de energia e matéria (ZUM GAHR, 1987).
2.4.2.1. – Falhas no bico injetor por Cavitação
O bico injetor é uma das partes mais importantes de um motor Diesel. Sua geometria
está direcionada à pulverização e, portanto, o comportamento de atomização do combustível,
que é determinante para o desempenho do motor e a formação de poluentes.
Um dos principais objetivos da investigação realizada nesta área (sistema de injeção)
nos últimos anos tem sido a de melhorar o projeto de bico, a fim de obter uma melhor mistura
ar combustível. Um profundo conhecimento da mecânica do fluxo dentro do bocal do injetor é
fundamental à atomização do combustível.
De acordo com Payri et al., (2004), uma série de estudos tem fornecido dados sobre a
existência de cavitação dentro do bocal do injetor. Dependendo da pressão de injeção, a
natureza detalhada do fluxo dentro do bico tem sido investigada por simulação numérica. As
evidências experimentais mostram que a cavitação no interior do bico modifica as
características da saída do bocal, da pulverização e da atomização do combustível. Pode-se,
no entanto, também afetar o fluxo interno, o retorno do combustível. Contudo, isso ainda é
algo pouco pesquisado.
Uma parte dessa dificuldade no seu estudo, deve-se ao fato dos bicos injetores de
produção de tamanho real ter dimensões muito pequenas e operar a uma pressão muito alta de
injeção e em altíssimas frequências, como também seu local de instalação nos motores ser
dificultoso (PAYRI et al., 2004).
52
O termo cavitação é muitas vezes chamado de implosão, por alguns pesquisadores.
Esse mecanismo afeta principalmente parâmetros de injeção de combustível, resultando o
baixo desempenho do motor. No interior do injetor, a diferença de pressão ocorre devido à
diminuição da pressão abaixo da pressão de saturação, essa diminuição rápida da pressão,
dada do furo guia para o bocal de injeção, faz com que ocorra cavitação e afete a integridade
dos componentes do bico, alterando o fornecimento de combustível para o motor,
(TAKENAKA et al., 2005).
Tem-se observado através de diversos estudos da tribologia associada à mecânica dos
fluidos, a busca de hipóteses do fenômeno da cavitação no momento do seu funcionamento.
Diversas pesquisas vêm desenvolvendo técnicas com o intuito de descobrir a ocorrência do
fenômeno no momento em que o bico injetor está funcionando.
Segundo Payri et al., (2009) a observação da histerese do fenômeno de cavitação tem
sido observada através da medição da pressão na linha de retorno, atribuindo a isso, o
aparecimento e desaparecimento de bolhas na linha de retorno de combustível, aumentando
ou diminuindo a pressão de descarga sobre a linha, respectivamente. Observa-se que, uma vez
que as bolhas de cavitação aparecem, é necessário que tenha havido colapso das mesmas, por
uma diferença de pressão, na câmara de armazenamento dentro do bico, seja superior ao valor
que correspondente às condições normais para as bolhas aparecerem. Isso está ligado à massa
específica e ao fluxo de massa induzida do combustível.
2.4.2.2. – Falha no bico injetor por trincas
O injetor diesel é peça chave para o desempenho ideal do sistema. No entanto este
componente, entre os demais, é o mais exigido. Altas pressões, temperaturas e altíssimas
ciclagens, aliadas ao fator lubricidade, constituem as principais variáveis a serem monitoradas
de modo a assegurar um confiável funcionamento do sistema de injeção.
Embora passe por processos de fabricação e tratamentos térmicos e de superfície
consolidados industrialmente, o bico injetor está suscetível a conter porosidades decorrentes
dos processos e micro fissuras, que são indesejáveis por atuarem como fatores de aumento de
tensão e redutores da resistência à fadiga. Tais inconformidades associadas ao seu meio e
forma de trabalho, convergem a falhas que levam, em algum momento, ao mau
funcionamento.
53
De acordo com Xu et al., (2013), as fraturas por fadiga de alto ciclo, estão entre as
falhas que associam o meio de trabalho do bico, com o seu uso (Figura 17). As mesmas se
iniciam por micro-fissuras apresentadas nas paredes, furos e pontas do bico injetor, tendendo
a aumentar devido à carga flutuante e à pressão variante do combustível.
Figura 17 – Trinca na superfície externa do injetor
Fonte: Xu et al., (2013)
As trincas por fadiga podem ser consideradas como um processo em dois estágios: o
de iniciação e, o de propagação da fissura até culminar a falha por fadiga. Na primeira etapa,
rachaduras finas são normalmente formadas na região de superfície ou sub-superfície de um
material sob os ciclos de elevada pressão e carga variada continuamente. Na segunda etapa da
falha por fadiga, trincas se propagam através do material causando falha instalada (ASM
HANDBOOK, 1985).
Em um estudo de caso realizado por Yu et al., (2009), foram inspecionadas pontas de
bicos injetores de locomotivas. Os injetores apresentavam fissuras longitudinais e
circunferências na região dos furos de injeção (Figura 18). Embora a camada e a profundidade
de nitretação estivesse dentro dos padrões exigidos por norma, as microfissuras aparecem na
camada nitretada. Através de análises de MEV e dureza por microidentação nas superfícies
nitretadas, foram atribuídas às falhas sob inconformidade metalúrgica, não seguindo as
normas de fabricação japonesa, que estabelecem a constituição DIN34CrAlMo5 para as
pontas dos bicos.
54
Figura 18 – Ponta de um bico injetor com presença de trincas
Fonte: YU et al. (2009).
2.4.2.3. – Falha no bico injetor por depósitos (desgaste adesivo)
As contínuas relações de união entre regulações legislativas, combustíveis renováveis
e desenvolvedores de subsistema de injeção, buscam cada vez mais reduzir as emissões de
material particulado e NOx nos motores de ignição por compressão (IC). Toda essa conjuntura
resultou no desenvolvimento de equipamentos avançados de injeção de combustível. Estes
sistemas avançados de injeção produzem temperaturas e pressões elevadíssimas na ponta do
injetor, contribuindo para a formação de depósitos na câmara e dentro do injetor.
Na literatura, há diversos relatos de investigação sobre a relação na formação de
depósitos no bico injetor usando biodiesel e suas misturas de combustíveis. Nas operações de
curto prazo, combustíveis renováveis derivados de óleos vegetais são capazes de fornecer um
bom desempenho do motor. Com o funcionamento mais prolongada, alguns dos mesmos
combustíveis podem causar a degradação do desempenho do motor, excesso de carbono e
depósitos, chegando a danos reais para o motor (ALI, 1995).
A formação de depósitos no interior e nos orifícios do bico injetor, ou sobre o exterior
da ponta de injetor pode ter um efeito adverso sobre o desempenho global do sistema
(BIRGEL et al., 2008). Esses depósitos prejudicam principalmente o padrão de forma do
leque de injeção, esses depósitos podem ser visualizados na Figura 19:
55
Figura 19 – Ponta de um bico injetor com presença de depósitos
Segundo Caprotti et al., (2011), os depósitos se desenvolvem em duas etapas distintas:
em primeiro lugar, no interior do corpo do injetor, por exemplo, sobre êmbolos que se
movimentam; e por último, sobre válvulas internas e os furos, onde o combustível deixa o
injetor e entra na câmara de combustão. Portanto, é provável que o combustível armazenado
na ponta do injetor seja aquecido durante o processo de combustão e se expanda em volume.
Pode-se atribuir o desgaste adesivo por formação de depósitos que aderem as
superfícies internas e externas dos injetores, uma combinação de evaporação das frações mais
leves do combustível e a degradação do mesmo. O processo pode ser afetado por
contaminantes de combustível elementares, produtos de combustão reativos, fuligem e
volatilizado óleo lubrificante (LACEY, 2012).
Relata Pehan (2009) que algumas variações nas propriedades do biodiesel, tais como:
índice de viscosidade, volatilidade e a reatividade de cadeias de hidrocarbonetos insaturados,
conduzem à formação de coque nas paredes do injetor, durante o funcionamento do motor por
um longo período de tempo.
Como resultado de um estudo experimental da evolução da deposição de coque sobre
o injetor, Liaquat et al., (2014), utilizando uma bancada dinamométrica, utilizando dois
combustíveis, sendo diesel comum e B20 de Jatropha (Pinhão manso), através de
acompanhamento de emissões e consumo, pode constatar, através de analises por EDS, MEV
e microscopia óptica, que ambos os injetores mostraram-se com desgaste adesivo por
depósitos formados, no entanto o injetor que trabalhou com B20, apresentou maior quantidade
de coque e carvão que o de diesel comum, no entanto, este possuía mais substancias oleosas
que aquele, como pode ser visto nas imagens contidas na Figura 20.
56
Figura 20 – Comparativo desgaste adesivo nas pontas de bicos injetores, fazendo uso de
diesel puro com B20 de Jatropha
Fonte: Adaptado de Liaquat (2014)
Em experimento com motores, Ramadhas (2005) verificou que o desgaste adesivo era
constituído por depósitos de carvão da cabeça do cilindro, utilizando biodiesel como
combustível, o qual foi maiores do que no caso utilizando diesel mineral. A rápida
acumulação de depósitos de carbono nos bicos injetores também foi observada. Depósitos de
carbono mais elevados ocorreram devido à combustão incompleta das misturas de óleo.
2.4.2.4. – Falha no injetor por scuffing
Estudos sobre o atrito são de grande importância em uma infinidade de sistemas da
mecânica do contato. Devendo-se incluir este estudo em sistemas de injeção de combustível
de motores de combustão interna por compressão, onde o combustível tem o papel de
lubrificante.
Atualmente pela adesão ao ULSD (<20 ppm), frações de biodiesel são frequentemente
usadas, proporcionando um aumento da lubricidade do diesel, afim de aumentar a sua
eficiência e melhoria na lubricidade. Segundo Demirbas (2009), o biodiesel, mesmo com
valores baixos (1%), apresenta lubricidade, cerca de 30% a mais, em relação ao diesel de
baixo enxofre.
No entanto, desde o início dos anos 90, quando a comercialização dessa proporção de
enxofre tornou-se substancial, houve um aumento da incidência de problemas de
dirigibilidade e falhas das bombas injetoras e bicos injetores. Em alguns casos, estas falhas
ocorreram em apenas 3000-10,000 km (HASEEB, 2011).
57
Os ajustes dos pares tribológicos nas partes de vedação do bico injetor são da ordem
de 2-4 micrometros. Devido à minúscula folga, a lubrificação feita pelo próprio combustível,
torna-se restrita. Ambos, êmbolos e furos são cuidadosamente bem-acabados para que uma
boa vedação seja mantida, enquanto que ainda se permita que os êmbolos realizem o
movimento reciprocating com o mínimo contato (QU et al, 2005).
No entanto, é aí que reside parte do problema. Tais folgas tornam difícil a formação da
película lubrificante nessas regiões. Sendo assim, trabalhando sob-regimes de alto ciclo e
baixa espessura de filme lubrificante, a região descrita está propensa a falhas por processos
abrasivos, resultando em falhas comuns, como o scuffing.
A interação entre a superfície metálica e o lubrificante (combustível) pode admitir uma
ocorrência de reação química entre estas partes. No geral, essa interação produz uma camada
limite ou um filme fino que reduz o atrito e o desgaste.
Devido às altas acelerações aliadas às variações de índices de viscosidades do
combustível, folga mínima existente entre os componentes e o baixo índice de carga atuante
no par guia da agulha ponta do bico injetor, pode-se caracterizar um perfil de lubrificação
elasto-hidrodinâmico por filme completo, podendo em alguns casos ocorrer desta formação de
filme ser insuficiente, apresentando o fenômeno do scuffing.
Adiante, existe um fator conhecido como parâmetro λ, que relaciona a espessura do
filme e a rugosidade aritmética média (Ra) de uma superfície e se correlaciona com as
respostas do atrito, exposta na Curva de Stribeck, Figura 21.
Figura 21 – Curva de Stribeck: Regimes de lubrificação no deslizamento lubrificado
Segundo Qu et al., (2005), o fenômeno do scuffing surge quando há erros no ajuste do
par êmbolo/cilindro; cargas laterais excessivas; ou quando a lubricidade do combustível é
inadequada. Esses autores também afirmam que, há uma perda na capacidade de lubrificação
ou um esforço lateral suficiente para causar contatos sólido/sólido. No entanto, os pares
58
êmbolos/cilindros são confeccionados por materiais durável o suficiente para resistir ao
mecanismo de desgaste.
Em um estudo de caso, Gonsalves et al., (2012) relatam que a falha é caracterizada
quando o sistema está em funcionamento, podendo apresentar comportamento anormal e
instabilidades durante a operação do motor; partida difícil; fumaça branca; e ruído excessivo.
O autor ainda afirma com maior evidência, um desvio excessivo na quantidade de injeção de
combustível e um comportamento hidráulico inesperado sob condição de baixa pressão. A
região de análise de falha, é representada pela Figura 22.
Figura 22 – Região de ocorrência do scuffing
Fonte: Adaptado de GONSALVES et al., (2012)
Dentre as hipóteses levantadas para a ocorrência da falha, estão: a aderência
insuficiente do revestimento externo da superfície da agulha, ocorrido na fabricação; Forças
laterais excessivas, exercidas sobre a agulha do injetor; e presença de partículas no
combustível que atingem a região de guia da agulha. A análise dos resultado confirmou a
formação da falha pelo excesso de partículas na interface agulha/guia, aumentado a pressão de
contato naquela localização.
2.4.2.5. – Falha no injetor por oxidação
As literaturas existentes afirmam que o biodiesel é mais corrosivo do que o diesel
(Sgroi et al., (2005), Geller et al., (2008), Fazal et al., (2010)). Ensaios com diferentes fontes
de biodiesel, afirmam que após sua exposição a metais, também tem alterada sua composição
(GELLER et al., 2008).
Há uma carência de pesquisas quando se trata de correlacionar a ação oxidativa do
biodiesel com outros componentes pertencentes ao sistema de injeção de combustível; a
59
influência do mecanismo de degradação oxidativa sobre outros componentes; e o processo de
mudança nas propriedades do combustível quando em contato com diferentes materiais.
A corrosão é o principal método pelo qual os metais se auto-deterioram. Ela é
influenciada pelas propriedades da liga e do fluido de trabalho. Os parâmetros que elevam a
incidência dela pelo combustível são: o pH (ácido), teor de água, teor de enxofre, temperatura
(transferência de calor), velocidade (fluxo de fluido) e potencial oxidante em concentração do
fluido (KARAMANGIL, 2013).
Através de estudos comparativos entre materiais em que o biodiesel tem contato no
sistema de injeção, Fazal et al., (2010), utilizando biodiesel (B100) e diesel (B0), fizeram
comparação das reações desse biodiesel utilizando a técnica de corrosividade por imersão.
Verificou-se por meio de análise qualitativa, morfológica, através de MEV e EDS, a natureza
da corrosão entre os pares. Observou-se que em comparação com o B0, o B100 é mais
corrosivo para o cobre e alumínio. Embora o aço inox tenha considerável compatibilidade
com biodiesel, as propriedades do combustível podem ser alteradas pelo contato. Afirmam
ainda que a natureza corrosiva do biodiesel pode ser mais agravada se a água e ácidos graxos
estiverem presentes nele.
Taflan e Karamaneil (2012), afirmam que existem diversos pontos de corrosão nos
sistemas de injeção diesel. As principais regiões desse tipo de falha podem ser observados na
Figura 25. O autor conclui que é fundamental para um bom funcionamento a detecção dos
níveis de corrosão nos bicos e que este mecanismo de falha é agravado pelo aumento da
temperatura ambiente, o aumento do teor de enxofre do combustível, porcentagem de
biodiesel e por fim, havendo algum teor de água no combustível, a formação de corrosão pode
ser detectada em componentes, como o injetor e a agulha.
60
Figura 25 – Principais pontos de ocorrência de corrosão na ponta do bico injetor
Fonte: Adaptado de TAFLAN (2012)
Além dos injetores, componentes como tanque de combustível, tubulações, e
conexões, comumente feitas de aço-carbono, sofrem a ação de corrosão por intermédio do
biodiesel. Assim, Dinkov et al., (2009), atribuem a esse mecanismo de falha, a estrutura
molecular do biodiesel, onde componentes olefínicos susceptíveis à oxidação se apresentam
em um nível mais elevado.
Fazal et al., (2011), em análise dos efeitos da temperatura sobre a corrosão do aço
carbono em contato biodiesel, investigaram o fenômeno de corrosão por ensaio de imersão
estática, e concluíram que a corrosão do aço em contato com o diesel e biodiesel aumenta com
o aumento da temperatura. A exposição de aço-carbono em contato com biodiesel aumentou a
instabilidade à oxidação, agravando esta oxidação, quando aumentada a temperatura de
imersão. Por fim, os autores concluíram que o teor de oxigênio no biodiesel pode apresentar
sob a forma de compostos, ou seja, carboneto de ferro ou óxidos de ferro. Outras variações de
óxidos podem chegar a degradar as superfícies metálicas que estejam em contato com o
combustível.
61
III - MATERIAIS
E MÉTODOS
No presente trabalho, foram utilizados diferentes métodos para avaliação de bicos
injetores, descritos no Quadro 5, consistindo em uma avaliação em três momentos. O primeiro
baseou-se em entrevistas com pessoal técnico que realiza manutenção em sistema de injeção
diesel, objetivando auxiliar na solução das hipóteses inicialmente levantadas sobre o desgaste
de componentes do sistema envolvido.
Quadro 5 – Etapas de realização dos experimentos
1º Momento ESTUDO DE CASO > Entrevistas em oficinas; e coleta de agulhas
2º Momento
CARACTERIZAÇÕES E
ENSAIOS EM
BANCADA
>
Preparação da bancada; Caracterização dos
combustíveis; e Ensaios na bancada
dinamométrica
3º Momento AVALIAÇÃO DOS
DESGASTES > Caracterização e inspeção dos desgastes
No segundo momento, foi feita a preparação da bancada dinamométrica, realizando os
ajustes necessários para deixá-la apta para a operação dos ensaios. Em paralelo a isso, pode-se
fazer as caracterizações físico-químicas de amostras dos biodieseis utilizados nos ensaios. Em
seguida, os ensaios e o monitoramento do desempenho dos motores foram mensurados na
bancada dinamométrica.
Após o término dos ensaios com os biodieseis nos motores, os bicos injetores foram
removidos dos cabeçotes, dando início à inspeção visual dos componentes do elemento
injetor.
A terceira e última etapa foi a avaliação qualitativa dos mecanismos de desgaste
observados nos elementos dos bicos injetores. Para uma inspeção topográfica dos desgastes
ocorridos na superfície do guia da agulha, foram utilizados o método de avaliação visual e
62
MEV. A composição química dos elementos contidos na região superficial da liga foi
avaliada por EDS e espectroscopia Raman. Através da microdureza, pode-se observar também
se houve interação dos combustíveis com a microestrutura da liga metálica. A seguir as etapas
serão descritas detalhadamente.
3.1 ESTUDO DE CASO EM OFICINAS
O método utilizado se enquadrou como uma abordagem qualitativa, com objetividade
e rigor suficiente para se configurar um método de investigação científica, fundamentando-se
em opiniões de profissionais de redes de oficinas que trabalham com reparos do sistema de
injeção (mecânica e eletrônica) de motores automotivos, que utilizam biodiesel como
combustível. As entrevistas foram realizadas na cidade de Natal, no Rio Grande do Norte,
Brasil.
Segundo dados do DETRAN/RN (2015), a região da Grande Natal, apresenta um
universo de 35.242 mil veículos operando com Diesel em julho de 2015. Devido à
informalidade, não é possível afirmar um número exato de oficinas na região da grande Natal,
no entanto pode-se estimar uma faixa entre 30 a 40 que trabalham com reparo de bico e
bombas injetoras.
A escolha dessa estratégia de estudos teve como fator predominante a busca entre uma
relação ao modelo experimental, e uma contraposição aos levantamentos de dados e aos
referenciais bibliográficos, realizando com os profissionais, uma discussão sobre os fatores
que estão envolvidos nas falhas desse sistema, escolhendo onze perguntas que relacionassem
o funcionamento da agulha, o combustível, a manutenção e a qualidade dos materiais dos
componentes.
Os questionamentos foram feitos a cinco mecânicos em seus respectivos ambientes de
trabalho. A escolha de cada mecânico foi feita com base em seus tempos de serviço, qualidade
de trabalho e atualização do mercado. O Quadro 6, identifica os mecânicos que foram
escolhidos para o questionamento. Em seguida o Quadro 7 apresenta a lista dos
questionamentos elaborados para a entrevista.
Quadro 6 – Identificação dos mecânicos Nome de chamada Tempo de serviço Nome da oficina
Mecânico 1 18 anos POP Diesel
Mecânico 2 25 anos Paulo Diesel
Mecânico 3 35 anos Neném Auto Mecânica
Mecânico 4 13 anos Mega Diesel
Mecânico 5 30 anos Campina Diesel
63
Quadro 7 – Lista de perguntas aplicadas no questionário Perguntas
(1) O que você sabe a respeito do funcionamento da agulha do bico injetor?
(2) Quais são as falhas que ocorrem na ponta do bico injetor (ponteira e agulha)?
(3) Com quantos quilômetros em média começa a dar problemas nos bicos, especificamente na ponteira do
bico?
(4) Como é possível identificar que existe falha na ponta do bico ou na agulha do injetor?
(5) A que você atribui as falhas?
(6) Com relação ao combustível, até que ponto ele influência para ocorrência de defeitos?
(7) O uso desse biodiesel atual, tem influenciado nos problemas?
(8) A montagem do bico influencia na questão da falha?
(9) A origem (qualidade) do produto, tem influência?
(10) Existe algum bico que não apresenta problema na ponta?
(11) Existe algum revestimento na agulha que diminua a falha?
3.2. COMBUSTÍVEIS ANALISADOS
3.2.1. Aquisição do biodiesel e sua Aditivação
Durante o estudo apresentado, foram utilizados dois combustíveis, sendo eles o
biodiesel S10 (B6), adquirido através de compra em um posto da rede Petrobrás da cidade de
Natal/RN, e do biodiesel S10 (B6) com a mesma aquisição descrita acima, entretanto,
adicionado a ele, um aditivo, fornecido pelo Núcleo de Pesquisa em Petróleo e Gás II
(NUPEG II Engenharia Química UFRN).
A aditivação do biodiesel foi realizada a partir da mistura numa proporção de 1,5% do
tensoativo “a” e 1,5% do tensoativo “b” em volume, homogeneizado por agitação mecânica.
As características físico-químicas deste aditivo estão disponíveis na ficha de informações e de
segurança de produto químico (FISPQ) de cada, Tabela 1. Por exigência do fabricante seu
nome foi preservado.
Tabela 1 – Principais propriedades físico-química dos aditivos.
Propriedade ADITIVO 1 ADITIVO 2
Aspecto Líquido viscoso incolor e inodoro. Líquido viscoso incolor e inodoro.
Ponto de Fulgor Em copo aberto: aproximadamente 245ºC. Em copo aberto: aproximadamente 240ºC.
Viscosidade A 25ºC: 200 a 250 mPa.s A 25ºC: 200 a 250 mPa.s
Índice de acidez
(mg KOH/g) 1,0 máx. 1,0 máx.
Índice de hidroxila
(mg KOH/g) 110 – 122 134 - 149
64
3.2.2. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis
A caracterização dos biodieseis B6 e B6 aditivado realizou-se nos Laboratório de
Combustíveis e Lubrificantes do departamento de Química (LCL), Núcleo de Pesquisa em
Petróleo e Gás II (NUPEG II) e no Laboratório do Grupo de Estudo de Tribologia e
Integridade Estrutural (GET), todos situados na Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, Natal-RN, Brasil.
3.2.2.1. Massa Específica a 20 °C
Para este ensaio, utilizou-se o densímetro digital de bancada Anton Paar D4500M,
considerando a norma ASTM D4052. O método consiste em avaliar através de uma amostra
de 2 mL de biodiesel, a alteração da frequência de oscilação provocada pela variação da
massa do tubo, comparada com os dados originais de calibração, para determinar a massa
específica do biodiesel. Após o tempo de equilíbrio, o equipamento forneceu o resultado a
20ºC.
3.2.2.2. Viscosidade cinemática a 40°C
A realização do ensaio de viscosidade foi feita seguindo os parâmetros da norma
ASTM D445, conduzida a 40ºC através do viscosímetro automático da marca TANAKA,
modelo AKV-202, com tubo capilar do tipo Lanz-Zeirfuchs modificado de fluxo reverso e
banho térmico. Após 30 minutos de repouso e aquecimento até a temperatura de estudo, 15
mL da amostra fluem livremente através do tubo, e é medido o tempo para alcançar o
escoamento total desse volume.
A viscosidade é calculada por meio da equação:
𝑣 = 𝑐 𝑥 𝑡 (Equação 1)
Onde: 𝑣 − viscosidade cinemática, mm2/s;
𝑐 − constante do capilar, (mm2/s)/s;
𝑡 − tempo em segundos.
65
3.2.2.3. Índice de Cetano
A determinação do índice de cetano foi realizada conforme a norma ASTM D975, a
partir da densidade e da temperatura de destilação de 10%, 50% e 90% do produto de um
volume de amostra de 100 mL.
3.2.2.4. Ponto de Fulgor
A determinação do ponto de fulgor foi realizada através da norma ASTM D93,
utilizando o equipamento automático de vaso fechado Pensky-Martens, marca TANAKA,
modelo APM-7, na qual consiste em aquecer uma cuba fechada, feita de latão, localizada
dentro do equipamento, com aproximadamente 75 mL da amostra, agitada a 100 rpm. O calor
foi direcionado para a cuba de teste em intervalos regulares (a cada 1ºC), com a interrupção
simultânea da agitação, até ser detectado o início da combustão. O resultado foi corrigido para
a pressão de 101,3 kPa.
3.2.2.5. Teor de Enxofre
Para determinação do teor de enxofre foi adotada a norma ASTM D5453. Na análise
das amostras, utilizou-se o Espectrômetro por Fluorescência de Ultravioleta (FUV), modelo
TS 3000, marca Thermo Scientific.
O equipamento necessita de um volume de 20 µL da amostra para cada análise. Essa
quantia foi injetada em um tubo de combustão no interior do equipamento, no qual ocorre a
quantidade do enxofre, formando dióxido de enxofre (SO2).
A água produzida durante a combustão das amostras foi removida e os gases da
combustão foram expostos à radiação ultravioleta. O SO2 absorveu energia da radiação e foi
convertido em dióxido de enxofre excitado (SO2*). A radiação emitida pelo SO2
*, ao retornar
ao estado fundamental, foi detectada por um fotomultiplicador e o sinal resultante medido
como concentração de enxofre. O tempo total da análise foi de 6 minutos por amostra.
66
3.2.2.6. Caracterização química por FT-IR
Objetivando identificar qualitativamente as frequências vibracionais e suas respectivas
atribuições referentes aos grupos funcionais orgânicos presentes nos biodieseis, utilizou-se a
técnica de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier. Os espectros de
absorção na região do infravermelho médio serão obtidos em Espectrômetro BRUKER,
modelo FT-IR VERTEX 70, na faixa de 400 – 4000 cm-1 com resolução de 4 cm-1 e uma
cubeta do porta-amostra 0,2 mL de cada amostra de biodiesel analisado.
3.2.2.7. Corrosividade ao Cobre
O Ensaio de corrosividade ao cobre foi realizado no NUPEG II da UFRN, seguindo as
recomendações da norma ASTM D130; consistiu em imergir as barras de cobre dentro de
tubos de ensaio contendo as amostras, encapsuladas hermeticamente, sob banho
termostatizado a uma temperatura de 50°C, num período de 3 horas. O equipamento,
KOEHLER instrument company, modelo K25319 foi utilizado para realizar os ensaios.
3.2.2.8. Lubricidade
A lubricidade dos biodieseis foi realizada através da técnica de movimento alternado
sob alta frequência, de acordo com norma ASTM D6079, que estabelece os padrões para tal.
O equipamento de High Frequency Reciprocating Test Rig (HFRR) da PCS Instruments visto
na Figura 26, disponível no Laboratório do GET da UFRN, foi utilizado nas condições de
ensaio que estão descritas na Tabela 2.
Figura 26 – Bancada HFRR para avaliação de lubricidade das amostras
67
Tabela 2 – Condições de ensaio HFRR
Parâmetro Condição
Materiais Aço 52100 (esfera e disco)
Carga 2 N
Temperatura 60 °C
Duração 1h 15m
Frequência 50 Hz
N° de repetições 2
3.2.2.9. Volatilidade
A destilação foi realizada em um destilador automático Optidist, marca PAC. No
procedimento, foram medidos 100 mL de amostra em uma proveta graduada e calibrada,
previamente limpa e seca. Esse volume foi transferido para um balão de destilação de 125
mL, limpo e seco. Colocou-se um dispositivo centralizador, no qual o sensor de temperatura
foi ajustado. O tubo de vapor do frasco foi firmemente encaixado ao tubo do condensador. A
placa de suporte foi levantada para adaptá-la firmemente contra o fundo do balão. A proveta
usada para medir a amostra foi colocada sob a extremidade inferior do tubo condensador,
dentro do banho de temperatura controlada. Ao término da destilação, as temperaturas de
vapor observadas foram também corrigidas para a pressão barométrica de 101, 3 kPa.
3.2.2.10. Índice de acidez
A obtenção do índice de acidez foi realizada no NUPEG II da UFRN, seguindo as
recomendações da norma ASTM D664. O ensaio foi feito em triplicata, primeiramente
pesando-se uma amostra de aproximadamente 2g. Prosseguindo com a adição de 250 mL éter
68
etílico + álcool (2 + 1). Em seguida duas gotas de fenolftaleína foram adicionadas como
indicado. Por fim, adicionou-se lentamente 0,1 mol de hidróxido de sódio ao mesmo tempo
em que se agitava o Erlenmeyer até a mudança de cor.
O índice de acidez foi calculado por meio da Equação 2:
𝐼. 𝐴. =𝑉·𝐹·5,61
𝑃 (Equação 2)
Onde: 𝐼. 𝐴. − Índice de acidez, (mg KOH/g);
𝑉 − Número de mL da solução de NaOH 0,1N gasto na titulação, (mL);
𝐹 − Fato da solução de NaOH 0,1N;
𝑃 − Número em gramas da amostra, (g).
3.2.2.11. Poder calorífico
A determinação do poder calorífico dos biodieseis foi realizada no laboratório de
Termodinâmica Experimental, da Engenharia Química da UFRN, à luz da norma ASTM
D4809. Sua determinação é dada pela queima de uma amostra com massa conhecida em uma
bomba calorimétrica sob condições controladas.
Na preparação do equipamento, são colocados os reagentes na bomba de combustão,
que está imerso em água num recipiente adiabático. Foi feita a medição da temperatura inicial
da água. Deu-se início à reação, através de um fio-fusível de níquel-cromo e ao
monitoramento da variação da temperatura até que houvesse sua estabilização. Com isso foi
determinada a temperatura final
A variação ou aumento da temperatura 𝛥𝑇 é obtida através da Equação (3)
𝛥𝑇 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 (Equação 3)
Onde:
𝑇𝑓 – Temperatura final de equilíbrio, ºC;
𝑇𝑖 – Temperatura no início da combustão, °C.
69
Em seguida foram realizadas correções termoquímicas, que se fazem necessárias
devido à presença de reações secundárias, como a formação de ácido nítrico, ácido sulfúrico e
a própria combustão do fusível.
𝑒1 – Correção dos calores de formação de compostos, se houver;
𝑒2 – Correção do calor de combustão do fio-fusível.
O poder calorífico superior a volume constante 𝑄𝑠, em MJ/kg, é calculado usando a
Equação (4):
𝑄𝑠 =
𝛥𝑇 × 𝑊 − 𝑒1 − 𝑒2
1000𝑚
(Equação 4)
Onde:
𝑊 – Energia equivalente do calorímetro utilizado, J/°C;
𝑒1, 𝑒2 – Calores liberados por reações secundárias, J;
𝑚 – Massa da amostra, g.
3.3. ENASIOS NA BANCADA DINAMOMÉTRICA
Avaliou-se o desgaste que ocorre no guia da agulha do bico injetor em função do
biocombustível, através de um método experimental utilizando: um motor diesel acoplado a
um dinamômetro elétrico de bancada (gerador síncrono, com capacidade de 6 kW); sistema de
dissipação de energia (banco de resistência, com capacidade de 7 kW); unidade de controle
composta por unidade Multi-K, com seletor de variáveis elétricas e célula de carga; um
tacômetro estroboscópio; sistema de alimentação de combustível tipo tanque; um termopar;
cronômetro; um barômetro; um termo higrômetro e uma câmera termográfica. Além disso,
toda a bancada foi revisada incluindo a parte elétrica e mecânica dos sistemas periféricos
(correia, polias e descarga de gases). A Figura 27 apresenta a disposição esquemática da
montagem da bancada, desenvolvida em colaboração com o trabalho de doutorado do
Professor Manoel Fernandes de Oliveira Filho, do PPGEM-UFRN, a ser defendida nos
próximos meses.
70
Figura 27 – Esquema simplificado da montagem da bancada
3.3.1. Motor Estacionário
Utilizaram-se de dois motores idênticos, Branco BD5.0_a, utilizando biodiesel B6, e o
Branco BD5.0_b, utilizando biodiesel B6 aditivado. As especificações técnicas do motor,
curva de torque e instalação na bancada, estão presentes no Quadro 8 e Figura 28.
Quadro 8 – Especificações técnicas do motor Marca Branco Diesel BD 5.0
Partida Partida elétrica
Motor Horizontal, monocilíndrico, diesel, refrigerado a ar
Tipo de combustível Diesel
Sistema de combustão Injeção direta
Sistema de injeção Mecânica
Diâmetro x curso 70 mm x 55 mm
Cilindrada 211 cm³
Taxa de compressão 20:1
Potência máxima 5,0 cv a 3600 rpm
Potência contínua 4,2 cv a 3600 rpm
Torque máximo 1,25 kgfm a 2500 rpm
Lubrificação Forçada por bomba de óleo
71
Capacidade de óleo 750 cm³
Lubrificante utilizado Óleo semissintético Petrobras SAE 15W-30
Dimensões (c x l x a) 332 x 392 x 416 (mm)
Fonte: Manual de instruções do motor branco diesel
Figura 28 – (a) Curva de desempenho do motor BD 5.0. (b) Motor instalado na bancada
dinamométrica
(a) (b)
Fonte: (a) Manual de instruções do motor branco diesel
3.3.2. Sistema de Aquisição e Análise de Dados
Para mensuração dos parâmetros de ensaio e do funcionamento eficiente da bancada
dinamométrica, foram utilizados instrumentos com a finalidade de captar essas informações.
Os parâmetros foram listados no Quadro 9, assim como os meios de medição, foram
acompanhados no decorrer do ensaio, para auxílio nas avaliações dos resultados.
Quadro 9 – Parâmetros avaliados em ensaios, meios de medição e equipamentos de obtenção Variável Unidade Meio de medição Modelo/Marca
1 Pressão atmosférica Mbar Barômetro OTA KEIKI
3 Massa do combustível Kg Balança BEL Engineering
4 Rotação do motor Rpm Tacômetro ST – 707
Instrutemp
5 Carga do motor kW Célula de carga KOHLBACH
Temperatura ambiente °C Termômetro Homis
6 Temperatura de entrada de ar no coletor de admissão °C Câmera termográfica MTV 2010 Minipa
7 Temperatura de saída dos gases de escape °C Câmera termográfica MTV 2010 Minipa
72
8 Temperatura do motor °C Câmera termográfica MTV 2010 Minipa
9 Temperatura do bico injetor °C Termopar tipo K MTH-1362W Minipa
10 Temperatura do combustível °C Termopar tipo K MTH-1362W Minipa
11 Umidade relativa % Higrômetro Homis/MTH-1362W
Minipa
3.3.3. Ensaio na Bancada Dinamométrica
Todos os ensaios referentes à bancada dinamométrica foram conduzidos seguindo a
norma ABNT – NBR ISO 1585, estabelecendo 150 horas de ensaios, para análise do consumo
específico, potência efetiva e cálculo de torque e desenvolvimento do trabalho. Os ensaios
foram realizados na área externa do NUPEG II, laboratório de Engenharia Química da UFRN.
Foi feito o running-in dos motores, durante 20 horas a 1100 RPM, sem carga,
adotando-se como procedimento padrão do fabricante. Posteriormente, o óleo foi substituído e
feitos todos os reapertos dos parafusos.
Os ensaios no motor com dinamômetro foram realizados em plena carga, a 3500 RPM,
utilizando 333 watts de potência no dinamômetro, por meio de excitação elétrica, como está
registrado na Figura 29.
Figura 29 – Bancada de ensaio dinamométrica
73
Seguindo este procedimento, foram realizadas todas as medições necessárias para
caracterização do ensaio. Incluindo um período fixo necessário para o motor consumir uma
quantidade do biodiesel, armazenado no reservatório calibrado.
A temperatura do bico injetor foi monitorada por um termopar tipo K, instalado no
bico injetor, fixado através de fita de auto fusão, o mais próximo possível do cabeçote, para
acompanhar o incremento de temperatura na parede externa do bico injetor. O sinal da
temperatura foi registrado em um microcomputador com software (minipa 820w) registrado
para aquisição de dados. Um ensaio de duração de 9000s (2,5h), para cada motor, respeitando
os mesmos parâmetros de condições externas (temperatura ambiente, umidade relativa e
pressão atmosférica) e de ensaio (carga de 0,333 kW).
A rotação do eixo de saída do motor era medida através de um tacômetro
estroboscópico ST – 707 Instrutemp, e era controlada através do fluxo de biodiesel que era
concedido ao bico injetor. A simulação e incremento da carga foram realizados através da
unidade de controle Multi-K, selecionando-se a variável elétrica e célula de carga. Com isso,
o dinamômetro elétrico converteria a rotação do eixo de entrada em energia elétrica, e o
sistema de dissipação de energia (banco de resistência) encerrando o circuito. A Tabela 3
apresenta os parâmetros mensurados na realização dos ensaios.
Tabela 3 – Dados de caracterização dos ensaios
Parâmetros avaliados B6 B6 aditivado
Origem dos combustíveis Posto BR Posto BR
Tempo total de ensaio 150 h 150 h
Duração média de cada ensaio 5 h 5 h
Rotação do motor 3500 rpm 3500 rpm
Ciclos 16 Mciclos 16 Mciclos
Temperatura média 35.3 °C 36,7 °C
Umidade relativa média 61,2% 56,7%
Pressão atmosférica 1,013 bar 1,013 bar
Carga do motor 333 kW 333 kW
Temperatura média de entrada de ar no coletor de admissão 37,7 °C 38,8 °C
Temperatura média de saída dos gases de escape 202,1 °C 168,8 °C
Temperatura média do combustível 35,3 °C 35,2 °C
3.4. ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DAS AGULHAS DOS BICOS INJETORES
A caracterização da microestrutura das agulhas foi realizada em três etapas:
Caracterização topográfica e morfológica, utilizando Inspeção Visual e Microscopia
Eletrônica de Varredura (MEV); Caracterização química da superfície, utilizando
74
Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) e Espectroscopia RAMAN; e, uma
caracterização micro estrutural de dureza por microidentação.
3.4.1. Análise visual
Como parte da terceira fase do estudo, foram desmontados os bicos injetores dos
motores utilizados nos ensaios, para realização de uma inspeção visual, com a finalidade de
visualizar a topografia e os mecanismos de macro desgaste existentes nos elementos agulha-
bico.
3.4.2. Microdureza
A dureza por microindentação Vickers é indicada para medição de dureza do material
de amostras de pequenas dimensões. A norma ASTM E384 especifica o uso de indentador
Vickers (pirâmide de diamante com base quadrada e ângulo apical de 136°) com aplicação de
cargas entre 1 e 1.000 gf (0,0098 N a 9,8 N). Para os ensaios de microdureza nas agulhas, o
indentador foi aplicado na superfície das amostras por 15 s com a carga de 50 gf ou 0,49 N
(ou HV0,05) nas superfícies das agulhas. Para obtenção dos resultados, foi utilizado um
microdurômetro SHIMADZU modelo HMV-G20. Foram feitas 13 indentações para obtenção
da média.
3.4.3. MEV, EDS e Raman
A análise da microestrutura dos corpos de prova foi determinada através de MEV,
realizado nas três agulhas (nova, com aditivo e sem aditivo), seguindo ampliações que fossem
mais cabíveis a evidenciar as falhas. Os elementos foram limpos por banho ultrassônico antes
e posicionamento com fita adesiva sobre o porta-amostra, no equipamento da HITACHI
modelo TM3000. Após a preparação, foi estabelecida parâmetros para as posições e
configurações do equipamento para as quais seriam feitas as análises.
Seguindo os mesmos procedimentos adotados no MEV, a caracterização microscópica
das agulhas por EDS, foi essencial no entendimento da análise morfológica da microestrutura
75
das agulhas. Os ensaios foram realizados com comprimentos de imagens variando de 32.3 µm
a 80.9 µm, nas condições de aquisição de 40s e 15 kV.
As análises por espectroscopia vibracional Raman foram realizadas no Laboratório de
fenômenos de superfície da Escola Politécnica da USP. Ambas as amostras foram analisadas
em um Microscópio Raman com DPSS laser XPLORA (Horiba scientific), configurado para
realizar ensaios sob os seguintes parâmetros: três leituras por amostra; Excitação do laser a
532nm, com 25% MW de potência; 10 acumulações; Tempo de aquisição à 5s; G.Rating:
12000; Faixa de comprimento de onda: 200 a 5000cm-1. Para cada amostra analisada, foram
realizadas duas análises em locais diferentes. A aquisição de dados e tratamento dos espectros
foi desenvolvida através do software ORIGIN®.
76
IV – Resultados e
Discussão
Os resultados obtidos serão apresentados conforme descritos na metodologia.
Começando pela apresentação do estudo de caso nas oficinas, com uma análise do que de fato
acontece com os componentes, na rotina diária da utilização do combustível no motor,
incluindo a apresentação das respostas dos questionários, análises de inspeção visual e MEV
dos bicos injetores colhidos durante a manutenção de um veículo.
A etapa seguinte expôs o desenvolvimento dos resultados referentes à segunda etapa,
constando a caracterização físico-química dos combustíveis que foram utilizados durante a
realização dos ensaios na bancada dinamométrica, assim como os resultados do FT-IR,
avaliação tribológica por HFRR e corrosividade ao cobre.
Finalizando esse segundo momento de ensaios com os combustíveis, apresentam-se os
resultados da avaliação dos desempenhos dos motores durante a utilização desses
combustíveis, incluindo consumo específico e temperatura de funcionamento do bico injetor.
Durante a realização da última etapa, foram feitos ensaios de microdureza, inspeção
visual, MEV, EDS e espectroscopia Raman para conclusão dos efeitos dos dois combustíveis
ensaiados sobre as agulhas dos bicos injetores.
4.1. ANÁLISE DO ESTUDO DE CASO
O Quadro 10 expõe as respostas fornecidas pelos cinco entrevistados no questionário
que trata do estudo.
77
Quadro 10 – Respostas do questionário
Pergunta Respostas 20% 40% 60% 80% 100%
1
Movimento alternado.
Em alta frequência.
Movimento giratório.
Formando um calço hidráulico.
2
Defeito no guia da agulha.
Corrosão.
Perda do ângulo de vedação.
Trincas/quebra na ponta do bico.
Acumulo de material particulado.
3
Não tem quilometragem definida.
Média de 100 mil Km.
Aos 100 mil Km fazer um teste.
4
Mau desempenho dinâmico do veículo.
Emissão de fumaça em excesso.
Necessário fazer teste em bancada.
5
Má qualidade do combustível.
Partículas sólidas de materiais no combustível.
Ausência de manutenção.
Não pode afirmar.
Tempo de uso.
6 A qualidade dos combustíveis influência diretamente nas falhas.
O combustível antigo gerava menos falhas nos componentes.
7
Sim, principalmente as bombas injetoras.
Sim, as pontas dos bicos injetores falham mais rápido.
Não, estão mais ligadas à manutenção.
8 Não, a montagem é simples e de um único modo.
Sim, considerando: montagem, calibração e torque.
9 Influencia diretamente na resistência ao desgaste. Componentes importados de baixa qualidade, não é dada
garantia.
10 Não. Todos são passíveis de falha.
78
11 Sim. Em alguns bicos do sistema common rail.
Não. Todos são iguais.
O questionário pode contar com uma gama de parâmetros e observações de diferentes
pontos de vista, obtendo um elevado índice de satisfação nas respostas dos profissionais que
participaram. Pode-se perceber por parte dos mantenedores, confiança nas respostas e clareza
no conhecimento de manutenção do sistema, eletrônico e mecânico. As respostas foram
dadas, de acordo com o conhecimento técnico dos mecânicos, sem influência de
conhecimentos científicos do entrevistador. Após o fim da aplicação do questionário, as
respostas foram tratadas de forma sistematizada, para uma convergência do melhor
entendimento.
Por se tratar de um subsistema rico em componentes e com diversos pontos de falha, foi
dado início ao questionário com uma pergunta para saber em que nível de conhecimento
estavam os profissionais, sobre o mecanismo de funcionamento. No geral, todos afirmaram
que a agulha trabalhava no movimento de vaivém, aumentando a frequência quando aumenta
a rotação do motor, tendo a função de válvula na ponta do bico. Um ponto importante foi
citado pelo mecânico 3, quando o mesmo afirma que a agulha trabalha num movimento
giratório e em sua extremidade cônica, forma-se um bolsão (calço hidráulico) de combustível.
Tratando-se do conhecimento de falhas, observou-se a convergência de opiniões para o
ponto de desgaste no ângulo da agulha. O relato sobre esta falha é que devido ao tempo de
uso, juntamente com a temperatura de trabalho e a pressão envolvida, ocorre a perda da
conicidade da ponta da agulha, fazendo com que o contato de vedação se torne plano, e
perdendo a estanqueidade e o poder de pulverização. Esta falha está ligada à qualidade de
filtração do combustível utilizado. Na parte do guia da agulha, há relatos que ocorrem riscos
que fazem com que o retorno de combustível aumente.
Outros pontos pertinentes que foram citados são a quebra da ponta da agulha, corrosão e
trincas. A estas falhas podem ser atribuídas ao tempo de uso, material e o combustível.
Quando questionados a respeito do tempo de uso, num consenso geral, dizem que não
tem como afirmar quando isso pode acontecer, pois existem variáveis que respondem para
que ocorram as falhas. Houve comentários que motores com 10 mil quilômetros deram
problema de bico injetor, assim como houve relatos que motores somente a partir dos 400 mil
quilômetros começaram a apresentar falhas. A recomendação dos fabricantes, para as
mantenedoras é de a cada 100 mil quilômetros fazer a retirada do bico injetor e os testes na
79
bancada par ver a pulverização. Esta recomendação é altamente pertinente, pois as falhas
podem se apresentar de diversas formas e em diversos pontos do bico.
Quando questionados a respeito dos sintomas das falhas, com os motores em
funcionamento, houve uma dispersão de respostas. Uns afirmam que a perda de potência é
sintoma forte, outros afirmam com relação à fumaça e vibração exagerada do motor. No
entanto, todos tomam como procedimento, a retirada do bico injetor e o ensaio na máquina de
testes.
A atribuição às falhas do sistema pelos profissionais está ligada diretamente à
manutenção (preventiva) e ao combustível. Este, com maior severidade e intensidade de
afirmação pelos mecânicos. Outro ponto importante observado pelo Mecânico 3 é a questão
de partículas metálicas que se desprendem da bomba injetora e que se depositam no bico
injetor. Tais partículas (debris) com diferentes dimensões são capazes de seguir no fluxo do
combustível e se depositar em espessuras micrométricas dentro do bico injetor. Com a
existência desse terceiro corpo, o índice de falhas por processo abrasivo aumenta
consideravelmente.
Um dos pontos mais enfocados pelos mantenedores foi a questão do combustível.
Quando feita a pergunta da relação dele com as falhas, unanimemente responderam que elas
estão diretamente ligadas ao mesmo. No entanto, os argumentos divergem em suas
justificativas. Alguns afirmam que o combustível antigo era melhor para o sistema de injeção.
Os componentes falhavam menos, no entanto continham mais impurezas.
Quando questionados a respeito da qualidade do produto, ficou claro que os produtos
nacionais e originais apresentam qualidade muito superior aos importados e frisaram bem que
em nenhuma hipótese é dada garantia quando o cliente opta pelos bicos injetores importados,
devido à qualidade inferior dos materiais.
Em alguns casos, foi citado pelos mantenedores que algumas agulhas têm um
revestimento que minimiza o efeito do desgaste abrasivo na região do guia da agulha, no
entanto é de aplicação muito restrita e concluem, afirmando ainda que todas as agulhas, bicos
e bicos injetores padecem dos mais diversos tipos de problemas. Problemas sempre
relacionados com material, combustível e manutenção.
Como parte da conclusão da primeira etapa, foram coletadas, catalogadas e levadas
para inspeção, quatro amostras de pontas de bicos injetores de um veículo que realizou
manutenção devido a alguma queixas.
80
As agulhas foram submetidas para uma prévia inspeção visual e em seguida, limpas e
analisadas ao microscópio eletrônico de varredura. As informações referentes à análise estão
descritas na Tabela 4.
Tabela 4 – Caracterização das pontas dos bicos injetores coletados na oficina
Caracterização Respostas
Número de bicos 04
Referência BOSCH DSLA 145P975
Veículo-Ano-Motor GM-S10 – 2005 – MWM Sprint 2.8 TCE
Quilometragem Aproximadamente 75.000 quilômetros
Queixa Perda de potência e consumo excessivo
Diagnostico
O bico foi retirado e levado para inspeção no equipamento de
teste. Visto que a névoa de pulverização, a vazão e a
estanqueidade estava comprometida em 3 dos 4 bicos injetores.
Foi solicitada ao proprietário a substituição dos elementos
Solução Troca das pontas por novas e originais. Substituição de anéis de
vedação no corpo do injetor
Macroscopicamente durante a inspeção visual pôde-se perceber que não houve
diferença entre as amostras das pontas dos bicos injetores. Todas apresentaram desgaste
adesivo em sua superfície, na região em contato com a câmara de combustão. Tais desgaste
estão associados ao processo de combustão, onde elementos da composição do combustível
queimado, se agrega à superfície externa das pontas dos bicos injetores. As agulhas estavam
limpas e lubrificadas com o próprio combustível. Elas foram catalogadas e numeradas como
mostrado na Figura 30.
Figura 30 – Pontas dos bicos injetores coletados na oficina
81
Após a inspeção visual, as agulhas foram limpas e lavadas (por ultra som) para
obtenção das imagens de MEV, apresentadas na Figura 31. Após realização da obtenção das
imagens, percebeu-se a presença de riscos nos guias das agulhas, que comprovam o desgaste
abrasivo, causado pela ausência de formação de filme lubrificante.
Figura 31 – Região do guia das agulhas - (a) ponta do bico 1; (b) ponta do bico 2; (c) ponta
do bico 3; (d) ponta do bico 4
1
Scuffing
moderado
Sentido de movimento
Carbetos de silício e
tungstênio
82
2
Scuffing
severo
3
Scuffing
moderado
Desgaste abrasivo
Sentido de movimento
Sentido de movimento
83
4
Indícios de
scuffing
Por fim, o veículo foi reparado e posto em condições normais de funcionamento. No
entanto, percebe-se que a ponta do bico injetor é considerada um gargalo de problemas no
sistema de injeção. Dentre estes defeitos, a má pulverização, estanqueidade e excesso de
retorno, são os mais comuns. Todos estes, relacionados com o desgaste no guia da agulha do
bico. De fato, pôde-se observar que o fenômeno do scuffing está fortemente presente nas
causas das falhas nas agulhas dos bicos injetores, confirmando a hipótese que motivou este
trabalho. A seguir serão apresentados os resultados obtidos através dos testes controlados na
bancada dinanométrica, para verificar se há os mesmos mecanismos de desgaste e falhas
descritos no estudo de caso.
4.2. CARACTERIZAÇÃO DOS BIODIESEIS
4.2.1. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis
Foram utilizados dois combustíveis durante os ensaios no motor, adquiridos em um
posto de combustível na cidade de Natal, capital do Rio Grande do Norte, Brasil.
Sentido de movimento
84
Uma alíquota de cada biodiesel foi encaminhada para caracterização realizada no
Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes (LCL) da UFRN, localizado no Instituto de
Química da UFRN. Os resultados são apresentados na Tabela 5.
Tabela 5 – Propriedades dos combustíveis
Propriedade Método Limite Amostras
B6 B6 aditivado
Aspecto Visual
Límpido e
isento de
impurezas
Turvo e
isento de
impurezas
Límpido e
isento de
impurezas
Cor Visual Incolor a
amarela Amarelo Amarelo
Massa específica a 20°C, kg/m³ ASTM D4052 815 a 853 830,4 836,7
Ponto de fulgor, mín °C ASTM D93 38,0 65,5 67,0
Viscosidade a 40°C, (mm²/s) CST ASTM D445 2,0 a 4,5 2,564 2,772
Índice de Cetano, min ASTM D4737 45 52,3 49,7
Teor de Enxofre, mg/kg ASTM D5453 15 8,1 8,7
Volatilidade (°C) ASTM D86 180 172,2 162,4
Corrosividade ao Cobre 3h a 50 ºC, máx. ASTM D130 1 1b 1b
pH Visual 1-14 7 7
Índice de acidez (mg KOH/g) ASTM D664 0,50 0,3569 0,2702
Poder calorífico, min (MJ/kg) ASTM D4809 42,80 45,96 44,49
Pode-se observar na Tabela 5 que todos os resultados dos biodieseis caracterizados,
mantiveram-se com todas as propriedades dentro do indicado por cada norma, garantindo
equivalência de parâmetros ensaiados. Em algumas propriedades, o biodiesel com aditivo
apresentou diferença quando comparando com biodiesel puro, por exemplo, viscosidade a
40ºC, apresentou um aumento de 8%. Esta é uma propriedade voltada para o controle de uma
boa atomização (CAPANA, 2008). O teor de enxofre apresentou 7%, podendo relacioná-lo ao
material particulado nas emissões de escape, formação de depósitos na câmara reatora do
motor de ignição de compressão, e a qualidade de lubrificação dos componentes
(IAMAGUTI, 2014).
O ponto de fulgor apresentou para ambos os combustíveis, um valor maior do que a
norma especifica. Segundo KNOTHE (2008), quando isso acontece, pode-se justificar pela
ausência de metanol e etanol contidos no biodiesel, tornando-o mais seguro ao transporte e
armazenamento. Esta propriedade não altera diretamente o desempenho do combustível no
motor (TOTTEN, 2003).
Outras propriedades a serem observadas, foram o poder calorífico e o índice de acidez
de cada combustível. O B6 apresentou um índice maior de acidez em relação ao B6 aditivado
revelando-se um biodiesel mais propenso ao estado de deterioração. Enquanto que os poderes
caloríficos dos biodieseis avaliados revelaram uma diferença de aproximadamente 3,5% a
85
mais para o B6, podendo relacionar esta diferença ao melhor desempenho em consumo
específico quando comparado com o B6 aditivado.
4.2.2. Caracterização qualitativa por FT-IR
A espectroscopia de absorção no infravermelho foi utilizada para identificar a natureza
química dos constituintes dos biodieseis B6 e B6 aditivado. Os espectros são apresentados na
Figura 32.
Figura 32 – Espectros do FT-IF do B6 e B6 aditivado
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
55000
60000
65000
70000
75000
80000
85000
90000
95000
100000
Tra
nsm
itâ
ncia
Numero de Ondas (cm-1)
B6
B6A
De modo semelhante ao ocorrido com suas matérias-primas, os biodieseis
apresentaram as bandas referentes ao éster do estiramento da carbonila (C=O em 1741 cm-1) e
da deformação axial nas ligações σC – O – C em 1167 cm-1, relacionadas à cadeia do grupo
etóxi do aditivo, indicado com a seta na Figura 35. Os sinais em 2930 - 2856 cm-1
corresponde à deformação axial da ligação H-C (sp3) confirmada pela banda em torno 1380
cm-1 da deformação angular simétrica C-H do grupo metila (CH3) e em 720 cm-1 referente à
deformação angular assimétrica de σ(sp3-s) C-H fora do plano dos grupos (CH2)n. Também é
observada próximo a 1453 cm-1 a banda equivalente a deformação angular simétrica no plano
do grupo metileno.
Observa-se que as bandas referentes aos estiramentos da carbonila e da ligação C-O
nos óleos sofrem deslocamentos de 1741 e de 1167 para 1192 cm-1, respectivamente,
refletindo o aumento na liberdade vibracional dos ésteres do biodiesel.
86
4.2.3. Análise Tribológica dos Biodieseis
Na Figura 33 são apresentados os gráficos com as curvas de porcentagem do filme e
coeficiente de atrito para os ensaios realizados, respectivamente, com os biodieseis de B6 e
B6 aditivado. As condições de ensaio foram seguidas conforme especificado pela norma
ASTM D-6079-04, descritas na Tabela 2.
Figura 33 – Ensaio de lubricidade HFRR: (a) Formação de filme para o B6 e B6 aditivado;
(b) Coeficiente de atrito para B6 e B6 aditivado
(a)
(b)
No início dos ensaios de lubricidade, para ambos biodieseis, percebe-se a relação de
aumento de formação de filme e diminuição de atrito.
De acordo com FARIAS (2011), a variação do percentual do filme interfacial dos
fluidos analisados apresenta em cada intervalo de tempo, uma relação direta com os valores
de coeficiente de atrito e desgaste.
A partir de 750 s, nota-se que há o começo da estabilização do percentual de filme dos
biodieseis, no entanto, para o B6 aditivado, percebe-se um comportamento sucinto de
sucessivas quedas e recuperações de percentual de filme, girando em torno de cada mil
segundos de ensaio. Nestes intervalos, onde a espessura de filme é diminuída, o coeficiente de
atrito é afetado, respondendo de forma oposta, aumentando a cada queda do percentual de
filme, ocorrendo o contato das asperezas das superfícies do par esfera-plano. A este
comportamento B6 aditivado pode ser atribuída à presença do aditivo na nova composição da
blenda.
87
A Figura 34 apresenta os resultados dos valores de diâmetro da escara de desgaste
(WSD), correspondentes aos ensaios de lubricidade do B6 e B6 aditivado. Estes valores foram
obtidos através das imagens capturadas por um microscópio óptico com ampliação de 100
vezes, podendo-se avaliar a capacidade antidesgaste de cada biodiesel.
Figura 34 – Valores de diâmetro da escara de desgaste dos biodieseis, em (a) do B6 e em (b)
o B6 aditivado
(a)
(b)
Os valores máximos aceitáveis para a escara de desgaste, dem ou WSD, da esfera pelos
padrões EN 590 e ASTM D 975 são 520µm e 460 µm. Baseado nos resultados apresentados
na Figura 37 nota-se que a escara apresentada para o B6 apresenta WSD menor quando
comparado com a imagem de escara do B6 aditivado, mostrando poucos sulcos formados em
decorrência do desgaste abrasivo, indicando que praticamente não houve desgaste abrasivo.
Já para o diâmetro da escara de desgaste na esfera para o B6 aditivado é observado um
valor superior de escara (WSD=310µm). No entanto, as escaras apresentam diferentes
características visuais. A primeira apesar de pequena, tem aspecto de maior profundidade que
a segunda. Isto ocorre pelos aditivos utilizados serem substâncias que, pela sua estrutura
química e propriedades tem a capacidade de reduzir as tensões interfaciais e superficiais dos
líquidos onde essas se encontram combinados (AMORIN, 2003). Todavia, este valor está
dentro dos limites que garantem a lubricidade de um biodiesel segundo ANP.
88
Segundo Medeiros (2002) realizando ensaios a seco, concluiu que o corpo de menor
dureza apresenta em sua superfície, uma série de sulcos paralelos com diferentes
profundidades e larguras, caracterizando este tipo de desgaste.
4.2.4. Corrosividade ao Cobre dos Biodieseis
Os ensaios de corrosividade ao cobre dos biodieseis utilizados nos ensaios, foram
realizados simultaneamente, sob orientação da norma ASTM D130.
Após o ensaio, foram feitas as comparações com a faixa de padrões de corrosão ao
cobre. Para ambos os biodieseis, a coloração compatível encontrada na tabela padrão, foi
“1b”. Segundo a norma ASTM D130, a classificação “1b” não caracteriza corrosão a lâmina
de cobre. A ANP estabelece como limite de corrosividade máxima “1”, caracterizando assim
a conformidade dos biodieseis ensaiados.
4.3. - AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DOS MOTORES
4.3.1. – Avaliação do Consumo Específico
A avaliação do consumo específico ou consumo de combustível por unidade de
potência do motor funcionando com determinado combustível é um parâmetro comparativo
de grande importância, onde as variáveis tempo, potência e peso, se relacionam. É através
dele que é possível avaliar o quão eficiente um motor converte a energia química contida no
combustível em trabalho útil.
Para obtenção de um comparativo entre outras situações de trabalho, o motor foi
submetido a outras cargas. A Tabela 6 apresenta os consumos específicos acompanhados ao
longo dos ensaios. Os dados apresentados na tabela foram obtidos mantendo-se a rotação
constante a cada incremento de carga, obtendo através do consumo horário, o consumo
específico.
Tabela 6 – Avaliação do consumo específico dos combustíveis utilizados durante a realização dos ensaios
ROTAÇÃO
DO MOTOR
CARGA NO
DINAMOMETRO
CONSUMO
ESPECÍFICO COMBUSTÍVEL RPM kW g/kW·h
B6
3512 0,338 1410
3507 0,663 857,8
3519 1,014 686,9
3510 1,336 614,6
B6 ADITIVADO
3516 0,335 1458
3515 0,664 887,5
3514 1,021 698,3
3510 1,336 707,1
89
Pode-se perceber na Tabela 6 que houve aumento progressivo no consumo específico
do B6 para o B6 aditivado. Segundo Penido Filho (1983), existe uma diminuição do consumo
com o incremento de carga, pode estar relacionado a fatores como: diminuição do rendimento
em função do aumento da potência absorvida pelas resistências internas no motor (perdas por:
atrito, radiação, escapamento, combustão incompleta, refrigeração); quando o motor trabalha
em potências elevadas, aumento da temperatura na câmara de combustão superior àquelas
verificadas em outros regimes, sob potencias elevadas; o consumo específico varia em função
da rotação e carga do motor, tendo geralmente um menor valor quando a rotação for 2/3 a ¾ da
rotação ou carga máxima, esclarecido na Figura 35.
Figura 35 – Gráfico de consumo específico em função da variação de potência
Fonte: Adaptado de Penido Filho (1983).
O gráfico da Figura 36 apresenta as curvas de consumo específico em função da
variação de potência, para o B6 e o B6 aditivado.
Figura 36 – Histograma de consumo específico em função da variação de potência
90
Pode-se observar na Figura 36, que a diferença de consumo específico entre os
biodieseis foi sempre maior para o biodiesel aditivado (em porcentagem: 3,4% | 3,5% | 1,6%,
15% para as respectivas potências). Considerando que o volume de combustível bombeado
para o bico injetor é o mesmo para os dois motores, mantendo-se mesma rotação, esta
variação no consumo específico, pode ser explicada pela diferença dos poderes caloríficos
entre o B6 (45,96 MJ/Kg) e o B6 aditivado (44,49 MJ/Kg, menor 3,3%), deduzindo-se que a
energia gerada pela combustão do B6 em relação ao B6 aditivado é maior, e que para manter
este déficit de valor energético, o motor operando com B6 aditivado necessita injetar um
maior volume de combustível na câmara de combustão, ocorrendo o maior consumo. Uma
equivalência a esses consumos, pode ser visto no trabalho desenvolvido por Fernandes
(2011), quando o mesmo utilizou combustíveis modificados quimicamente para a redução de
emissões e material particulado.
4.3.2. – Avaliação da temperatura no bico
A temperatura de funcionamento do bico injetor é um parâmetro considerado válido,
pois por se tratar do último componente em que o combustível no estado líquido entra em
contato, tornará o combustível com um valor aproximado àquele do componente. Isto implica
na alteração de propriedades físico-químicas ligadas à temperatura, como: viscosidade, massa
específica e corrosividade, sendo assim, estando diretamente ligadas à estabilidade da queima
e das emissões de NOx e material particulado (CHEVRON, 2007).
1410
857,8
686,9614,6
1458
887,5
698,3 707,1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0,335 0,664 1,021 1,336
Con
sum
o E
spec
ífic
o (
g/k
W·h
)
Carga (kW)
B6 B6 aditivado
91
A Tabela 7 apresenta o acompanhamento das temperaturas em função de incrementos
na potência utilizada no ensaio. Os dados apresentados na tabela foram obtidos a fim de haver
um comparativo em diferentes situações de trabalho.
Tabela 7 – Avaliação da temperatura do bico injetor em função dos combustíveis utilizados durante a realização
dos ensaios
ROTAÇÃO
DO MOTOR
CARGA NO
DINAMOMETRO TEMPERATURA
COMBUSTÍVEL rpm kW °C
B6
3512 0,338 76,87
3507 0,663 85,97
3519 1,014 95,07
3510 1,336 102,23
B6 ADITIVADO
3516 0,335 85,60
3515 0,664 90,00
3514 1,021 98,23
3510 1,336 111,35
Pode-se perceber na Tabela 7 que houve aumento progressivo na temperatura do bico
injetor. O gráfico da Figura 37 apresenta as curvas de temperatura em função da variação de
potência, para o B6 e o B6 aditivado.
Figura 37 – Temperaturas dos bicos injetores em funcionamento com B6 e B6 aditivado,
medidos por termopar
Durante o ensaio de 9000s (2,5h) de duração, para cada motor, foram colhidas as
temperaturas através de termopar e câmera termográfica. O motor que utilizou B6 atingiu a
temperatura média de trabalho mais rapidamente, comparado ao que utilizou o B6 aditivado.
No entanto o motor que operou com B6 aditivado apresentou uma estabilidade térmica
durante o seu funcionamento. Os resultados obtidos nas condições de 3500 rpm e 0,335 kW
estão apresentados nas Figuras 38, 39 e 40.
76,8785,97
95,07102,23
85,6 9098,23
111,35
0
20
40
60
80
100
120
0,335 0,664 1,021 1,336
Tem
pera
tura
(°C
)
Carga (kW)
B6 B6 aditivado
92
Figura 38 – Temperatura no bico injetor medido por termopar para o B6 e B6 aditivado
Figura 39 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6, obtida por câmera
termográfica
93
Figura 40 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6 aditivado, obtida por
câmera termográfica
Percebe-se em ambos biodieseis que existe um aumento da temperatura do bico, ao
passo do aumento da potência (Em porcentagem: 11,3% | 4,7% | 3,3% | 8,9%, para as
respectivas potências). Embora apresente uma leve homogeneidade no crescimento, é notório
que o B6 aditivado permaneceu com valores maiores de temperatura, comparando-se com o
B6. Nos resultados de Barrios et al (2014), onde compostos oxigenados são aditivados no
combustível, pôde-se observar elevação da temperatura dos gases na câmara de combustão e
EGR, relacionando-se a isso a queima de uma cadeia carbônica de maior comprimento e da
presença de oxigênio no aditivo, liberando uma maior quantidade de calor na câmara,
refletindo também em um maior consumo específico.
4.4. AVALIAÇÃO DAS AGULHAS
4.4.1 Inspeção visual
Como parte da terceira fase do estudo, as pontas e agulhas foram removidas dos
bicos injetores, para uma inspeção topográfica e morfológica, começando-se assim, por uma
inspeção visual. É possível visualizar na Figura 41, um comparativo do estado das agulhas no
fim dos ensaios, com uma agulha nova.
94
Figura 41 – Avaliação visual do estado inicial e final das agulhas em função dos respectivos
biodieseis utilizados
A agulha do bico injetor utilizada nos ensaios com aditivos é apresentada nas imagens
da Figura 42.Figura 42 – Agulha utilizada no ensaio com B6 aditivado
Posição 0º Posição 180º
95
Percebe-se que, na faixa compreendida entre a região do cone até o meio da agulha
(região em que o combustível se acumula para ser injetado) do motor que utilizou biodiesel
aditivado, ocorrem a formação de desgaste adesivo, em toda sua circularidade, com domínio
de deposição de óxido do biodiesel. A formação desta nova fase está relacionada com o índice
de oxidação do B6. Esta diferença da estabilidade oxidativa, pode ser comparada visualmente
com a agulha utilizada no ensaio com B6, mostrada nas imagens da Figura 43.
Figura 43 – Agulha utilizada no ensaio com B6
Posição 0º Posição 180º
Pela inspeção visual das agulhas, percebeu-se uma formação de um acúmulo de
material com aspecto de goma, atribuindo-se a isso, a decomposição do biodiesel em função
das paradas de funcionamento do motor. Além disso, pôde-se concluir a respeito da vazão da
bomba injetora, que a mesma está enviando uma quantidade ideal de combustível para o
mesmo ser queimado, ou seja, a mistura está bem dosada. Isso pode ser concluído a partir da
inspeção visual da ponta de ambas as agulhas, onde as mesmas não estão com aspecto
oxidado (queimado), aspecto típico de quando está ocorrendo o excesso de combustível, no
entanto a agulha do motor que utilizou aditivo apresenta um leve escurecimento comparada
com a agulha que esteve em contato com o biodiesel sem aditivo, podendo-se atribuir a
mudança do aspecto de cor, à temperatura mais elevada.
Assim como as agulhas dos bicos injetores, a parte externa das pontas dos bicos
injetores também apresentaram divergências. No entanto, é possível observar na Figura 44
96
que a parte externa do bico (incluindo a região de injeção) que trabalhou com aditivo, obteve
menor quantidade de deposição de coque do que a ponta que foi ensaiada sem aditivo.
Figura 44 – Pontas dos bicos injetores utilizados nos ensaios com B6 e B6 aditivado
Sob perspectiva mecânica, essa presença/ausência de material depositado no corpo da
ponta do bico injetor, pode ser explicado pela vedação da ponta do bico no cabeçote do motor,
tendo em vista que esta região também faz parte da zona de combustão.
Outra forma de ocorrência desse tipo de depósito é quando o valor do débito (volume
de injeção) está alterado, ocasionando a má queima da quantidade combustível injetada,
formando assim a deposição de material nos elementos em contato com o combustível
queimado.
Lacey (2012) afirma que essa formação de depósitos (clogging) na ponta do injetor,
está ligada a uma combinação de evaporação das frações mais leves do combustível e a
degradação do mesmo. Também Pehan (2009) relata que algumas variações nas propriedades
do biodiesel, tais como: índice de viscosidade, volatilidade, e a reatividade de cadeias de
hidrocarbonetos insaturados, conduzem à formação de coque nas paredes do injetor, ou seja,
pode-se atribuir uma melhor queima ao B6 aditivado por não apresentar materiais depositados
na superfície externa da ponta do bico.
B6 B6 aditivado
97
4.4.2 Microdureza
Para realização do ensaio de microdureza, a região do guia da agulha foi dividida em
13 pontos, cada ponto com 1 mm de distância do seu sucessor. A cota em vermelho
apresentada na parte superior da Figura 45 representa a região de análise da microdureza
Vickers das agulhas utilizadas nos ensaios com os biodieseis.
Figura 45 – Faixa de ensaio de microdureza
Na Tabela 8 são apresentados os valores obtidos nos ensaios de microdureza HV0,05 na
superfície das agulhas utilizadas nos ensaios com os biodieseis.
Tabela 8 – Resultado de microdureza, em HV, na superfície das agulhas dos bicos injetores
Posição/
Agulha 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Média D.P.
B6 1024 984 1003 1249 873 1116 999 1040 1092 1000 993 1083 1015 1036 87,8
B6 Aditiv. 993 890 1038 1109 1134 898 1056 1089 973 990 1038 1211 1189 1046 99,6
Com a diferença de menos 1%, pode-se perceber que há uma equivalência de valores
mensurados de microdureza do material das agulhas. Este valor também está dentro das
especificações para o aço utilizado nas mesmas (acima de 800 HV após nitretado).
Desta forma é possível afirmar com as observações a respeito da microdureza, que
revela não haver alterações na microdureza superficial de filme nitretada para ambas as
agulhas em contato com os biodieseis.
98
4.4.3. MEV e EDS
Para uma análise mais aprofundada da textura superficial e dos mecanismos de
desgaste que ocorrem nesta região da agulha do bico injetor, foram realizadas análises de
MEV e EDS com ampliações progressivas, que revelassem com clareza as zonas afetadas por
tais mecanismos de desgaste.
4.4.3.1. Análise de MEV na agulha do bico injetor novo
A textura da agulha nova funcionou como controle em relação às demais utilizadas
nos ensaios. Percebe-se a presença de riscos perpendiculares ao sentido de movimento por
todo o guia da agulha, estes provenientes do processo de fabricação (usinagem – torneamento
e retificação). Além disso, é possível ainda ver falhas oriundas do processo de fabricação. As
imagens da Figura 46 (a) a (d) registram a agulha nova do bico injetor.
99
Figura 46 –MEV da (a) Agulha na condição nova 40X – corpo da agulha; (b) Agulha na
condição nova 400X – corpo da agulha; (c) Agulha na condição nova 1000X – corpo da
agulha; (d) Agulha na condição nova 2000X – corpo da agulha (a) (b)
(c) (d)
Sentido de movimento
da agulha
Falhas no processo de fabricação
Riscos de usinagem
100
4.4.3.2. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor sem o uso do aditivo
As falhas topográficas presentes na agulha do bico injetor do motor que foi ensaiado
com biodiesel sem aditivo estão evidenciadas nas imagens da Figura 47 (a) a (f).
Figura 47 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra sem aditivo 40X –
corpo da agulha; (b) Amostra sem aditivo 400X – corpo da agulha; (c) Amostra sem aditivo 1000X –
corpo da agulha; (d) Amostra sem aditivo 2000X – corpo da agulha; (e) Amostra sem aditivo 4000X –
corpo da agulha (f) Amostra sem aditivo 5000X – corpo da agulha (a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Sentido de movimento
da agulha
Presença de riscos em toda
superfície do guia da agulha
101
Após 150 horas de ensaio, percebe-se que nas imagens que os riscos de usinagem já
não são mais visíveis devido ao processo de desgaste por abrasão ocorrido pelo contato do
guia da agulha com as paredes internas da ponta do bico injetor. Segundo Qu (2005), este tipo
de falha, surge quando o combustível (lubrificante) possui déficits de certos elementos
químicos capazes de manter a película lubrificante sob condições que o sistema de trabalho
exige, caracterizando o fenômeno do scuffing.
A severidade do mecanismo de desgaste atinge todo o corpo da agulha, inclusive os
elementos de maior dureza da liga (carbetos de silício e tungstênio). Como características
típicas de scuffing, pode-se perceber ainda nas imagens sulcamentos de diferentes graus de
profundidade e largura na direção do movimento (alternado), assim como transferência de
material.
Na Figura 48 é apresentada a microrregião (a) e o espectro da microanálise (b) de
observação realizados por EDS. O percentual em peso de cada elemento é apresentado na
Tabela 9.
Figura 48 – (a) Região da agulha sem aditivo após 150h de ensaio, em análise por EDS. (b)
Espectro da região analisada
(a) (b)
Tabela 9 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos elementos presente na
superfície da liga
Elemento % Peso
Oxigênio 0.000
Alumínio 2.414
Silício 0.030
Enxofre 1.495
Vanádio 2.410
Cromo 3.689
Manganês 0.000
Ferro 81.421
Níquel 1.160
Tungstênio 0.871
102
Os resultados obtidos através do ensaio por EDS mostram que a composição química
do aço não teve influência por razões apenas do uso do B6. A região em análise mostra
grande formação de carbonetos de cromo, vanádio, ferro e tungstênio provenientes da
composição original da liga. Estes elementos responsáveis por elevar a dureza e a resistência
ao desgaste.
4.4.3.3. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor com o uso do aditivo
As imagens da Figura 49 (a) a (f) são referentes à região do guia da agulha do bico
injetor do motor ensaiado 150 horas com biodiesel aditivado. Com maiores ampliações, é
possível observar riscos circunferenciais horizontais, referentes ao processo de fabricação por
usinagem.
Observa-se que esta conservação da superfície é mantida mesmo após as 150 horas de
ensaio. Essa manutenção dos riscos é reflexo da aditivação do biodiesel, em razão da
alteração de composição química presente no aditivo. Como demonstrado pela espectroscopia
de infravermelho, o biodiesel aditivado apresenta um grupo etóxi capaz de criar um filme com
maior solidez.
No entanto, na mesma região inspecionada, observa-se um caso de oxidação,
revelando micro pontos de oxidação. Devido a sua dupla afinidade com óleo e água, o aditivo
acaba ascendendo e aderindo à superfície do metal, ocasionando a oxidação do componente
por meio da parte oxigenada.
103
Figura 49 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra com aditivo
40X – corpo da agulha (b) Amostra com aditivo 400X – corpo da agulha (c) Amostra com
aditivo 1000X – corpo da agulha (d) Amostra com aditivo 2000X – corpo da agulha (e)
Amostra com aditivo 3000X – corpo da agulha (f) Amostra com aditivo 6000X – corpo da
agulha (a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Carbetos – pontos brancos
Sentido de movimento
da agulha
Marcas de usinagem
104
Na Figura 50 é apresentada a microrregião (a) e o espectro da microanálise (b) de
observação realizados por EDS. O percentual em peso de cada elemento é apresentado na
Tabela 10.
Figura 50 – (a) Região da agulha com aditivo, em análise por EDS. (b) Espectro da região
analisada
(a) (b)
Tabela 10 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos elementos presente na
superfície da liga
Elemento % Peso
Oxigênio 44.237
Alumínio 0.559
Silício 0.028
Enxofre
Vanádio
Cromo
3.291
1.896
2.91
Manganês 0.940
Ferro 76.591
Níquel 0.803
Tungstênio 0.659
Na amostra que utilizou aditivo no biodiesel, a espectroscopia mostra que a
composição química do aço com relação ao Ferro, Níquel e o Cromo, tiveram índices mais
baixos, do que os apontados para a agulha que utilizou b6.
Percebe-se também que houve a ocorrência do aumento do teor de oxigênio gerando a
formação de óxidos pela presença de aditivo no B6. A análise na região em que evidencia a
formação de poros, mostra um elevado índice de ferro e oxigênio, conferindo uma possível
formação de óxidos nestes pontos.
Elementos responsáveis pela dureza e resistência ao desgaste aparecem de forma
reduzida. No entanto, tais índices ainda se apresentam de forma satisfatória para manter a
dureza superficial.
105
4.4.4. Espectroscopia vibracional RAMAN
As bandas de espectros Raman exibem informações que auxiliam na compreensão
sobre os efeitos dos diferentes modos vibracionais de composição químicas nas superfícies
dos materiais analisados. No geral, a superfície do aço inoxidável possui um elevado nível de
complexidade, por possuir muitos elementos de liga. No entanto, as considerações realizadas
nesse trabalho foram feitas em relação às alterações estejam ocorrendo com os elementos:
ferro e o oxigênio (presente no aditivo).
Os espectros Raman das agulhas apresentaram diversas diferenças, podendo ser
observados nas Figuras 51 e 52, que apresentadas as imagens e as bandas de Raman.
4.4.4.1. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor sem aditivo
A Figura 51 (a) exibe a região de análise para a obtenção do espectro (Figura 48 (b))
realizado na agulha sem tensoativo. No presente espectro, pode-se destacar a presença do pico
no comprimento aproximado de 500 cm-1, pico este atribuído ao ferro na intensidade de 100
mV, segundo Oblonsky, (1995). Segundo Sudesh, (2006), a formação do pico na faixa
aproximada de 1450-1500 cm-1, pode ser atribuído aos movimentos vibracionais referentes ao
composto ferro-cromo, por uma ligação de baixa intensidade, no entanto, Davydov, (2003),
afirma que picos compreendidos entre 1315 cm-1 e 1623 cm-1 analisados em aço inox, podem
ser atribuídos à ligações com compostos carbônicos.
Figura 50 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra sem aditivo; (b) Banda
espectroscópica (a) (b)
106
4.4.4.2. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor com aditivo
A análise de uma região da agulha do bico injetor que utilizou biodiesel aditivado é
mostrada na Figura 52 (a) e o espectro referente a essa região na Figura 52 (b). Algumas
bandas de espalhamento Raman características do material constituinte da agulha pode ser
vista no espectro. Estas bandas com picos situadas entre comprimentos de ondas 1100 cm-1 e
1500 cm-1 representam ligações entre compostos envolvendo carbono, além de o pico em
1300 cm-1 sugerir a fase Fe2O3 (MAGALHÃES, 2008). Na região compreendida entre 2800
cm-1 - 3000 cm-1, caracteriza o processo oxidativo ocorrido na agulha. Segundo Prodócimo
(2008), esses picos estão atribuídos a óxidos de ferro e oxido de cromo e outros compostos
oxidados
Figura 52 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra aditivada; (b) Banda
espectroscópica (a) (b)
107
V – Conclusões
O trabalho em questão permitiu que fosse confrontado parâmetros de desempenho de
MCI de ignição por compressão utilizando dois biodieseis com composição química
diferentes. Os parâmetros avaliados englobaram aspectos químicos dos biodieseis, dos
componentes das agulhas e desempenho mecânico dos motores. Dentre os resultados
observados, pode-se concluir que:
– As entrevistas realizadas nas oficinas mecânicas tiveram papel fundamental no
esclarecimento de falhas que muitas vezes não são apresentadas na literatura. Pode-se
concluir, que a atribuição das falhas das agulhas dos bicos injetores, está diretamente
relacionada ao combustível e ao baixo nível de manutenção feita pelos proprietários dos
veículos. O desgaste no guia da agulha do bico injetor é uma falha que passa um pouco
despercebida, mas que, no entanto, eleva a vazão de retorno do bico, fazendo com que
seja injetado menos combustível e o veículo perca potência.
– Os combustíveis foram submetidos aos ensaios de caracterização das
propriedades físico-químicas, onde pode-se perceber que estas estão dentro dos padrões
estabelecidos pela ANP. No entanto, quando avaliados em propriedades que inferiram
no trabalho, o biodiesel B6 apresentou resultados mais ajustados segundo os limites das
normas em relação ao biodiesel B6 aditivado, frisando o teor de enxofre, índice de
acidez e o poder calorífico.
– Para os parâmetros: temperatura e consumo específico, foi constatado que com
o uso do B6 aditivado, após estabilizado, a temperatura média de trabalho manteve-se
maior em relação ao B6, a este incremento pode acelerar a oxidação. O consumo
específico do B6 permaneceu menor em todas as cargas em que os motores foram
submetidos. Essa diferença pode ser explicada devido a diferença entre os poderes
caloríficos dos combustíveis.
108
– As análises qualitativas realizadas nas agulhas, se mostraram satisfatórios na
avaliação dos desgastes do guia da agulha do bico injetor. O método de inspeção visual
mostrou-se eficaz na avaliação da estabilidade oxidativa e formação de borra por
clogging na agulha e na ponta do bico injetor. Viu-se que o B6 aditivado foi capaz de
formar borra na agulha, mostrando uma instabilidade oxidativa superior em relação ao
B6.
- A avaliação qualitativa do desgaste por métodos de MEV e EDS, formaram
uma base para afirmar conclusões em que o motor que utilizou o B6, sofreu o
mecanismo de desgaste típico de ocorrer nesta parte do subsistema. A agulha do bico
injetor do motor que utilizou B6 aditivado, apresentou uma forma atípica e acentuada de
desgaste oxidativo. O desgaste pôde ser observado por desprendimentos de material na
forma de pits na superfície do guia da agulha. As observações obtidas através dos
EDS’s, foram úteis na caracterização da composição dos elementos químicos presentes
nos materiais das agulhas dos bicos injetores. Os resultados apontam uma variação nos
índices de alguns elementos, como o aumento do teor de oxigênio na superfície do guia
da agulha que utilizou B6 aditivado. No entanto, a grande maioria dos elementos
mantiveram uma faixa de tolerância para a caracterização de igualdade química da
superfície das agulhas dos bicos injetores.
- A utilização da espectroscopia Raman pode ter uso conclusivo, posto que se
trata de formação de possíveis novos compostos. Desta forma, com as indicações de
MEV e EDS, utilizando mapeamento de análises pontuais e lineares, obteve-se uma
consistência bastante relevante dos resultados, tendo em vista a possível formação de
novas composições pontuais nas superfícies das agulhas analisadas, fundamentalmente
em função das composições dos combustíveis e suas quantidades elementares.
Dessa forma, verifica-se que a metodologia proposta permitiu acompanhar as
condições de desempenho dos motores e desgaste do componete, agulha, do bico injetor, a
partir do uso de dois biodieseis, assim como tomar fé da importância das propriedades físico-
químicas. Alem disso, o fato da metodologia do trabalho propor e relacionar em paralelo uma
análise da ocorrência dos tipos de desgaste existenstes neste componente do bico injetor,
enriquece e adequa novos métodos avaliativos das condições tribológicas e desenvolvimento
de novos tratamentos a respeito do aumento da vida util desse componente.
109
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