Monitoração dos parâmetros tribológicos e de desempenho de motores a Diesel e bicombustível (Diesel/GNL)

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA. Estudo e monitoração de parâmetros tribológicos e de desempenho em motores Diesel bicombustível. EDILSON MARINHO DA SILVA JUNIOR. NATAL/RN, 2014..

(2) EDILSON MARINHO DA SILVA JUNIOR. Estudo e monitoração de parâmetros tribológicos e de desempenho em motores Diesel bicombustível. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte para obtenção do título de Mestre em Engenharia.. .. Orientador: Prof. Dr. Efrain Pantaleon Matamoros. NATAL/RN, 2014..

(3) DEDICATÓRIA. A minha pátria amada Brasil e todos os que fazem parte dessa nação, como também para a filha do meu irmão, Felipe Pinheiro, Maria Pinheiro. Eis a minha contribuição!.

(4) AGRADECIMENTOS Os meus agradecimentos não poderia ser diferente, ao imprimir primeiramente a minha gratidão a Deus e meus irmãos de luz, que tanto me ajudaram em momentos fáceis e difíceis. Em segundo momento minha eterna gratidão vai para os meus pais, Maria Ubetânia e Edilson Marinho, sem eles eu nunca seria nada. Depois eu não posso deixar de agradecer ao meu segundo pai, mentor e orientador professor Efrain Pantaleon e família, ainda como agradecimento especial, minha gratidão também é imensa a minha mentora de vida tia Suzana Mathias. Agradeço a todos os grandes amigos e irmãos que sempre me acompanharam nessa caminhada, Bred, Felipe Pinheiro, Matheus Marinho, Luis Henrique, Gilzenberg Nunes, Ramon César, Nayane Sá, entre outros. Agradeço a minha família por parte de pai e parte de mãe, por todo esse tempo fazendo parte da minha história, como também um agradecimento especial para tia Ivana Lúcia por sempre me motivar a correr atrás dos meus sonhos. Agradeço a minha namorada Débora Brito e toda sua família, pelo apoio e carinho, como também agradeço aos meus amigos da igreja e do grupo de jovens. Agradeço a Universidade Federal do Rio Grande do Norte em especial ao Grupo de Estudos em Tribologia e seus integrantes, em especial o professor Dr. João Telésforo, Jarbas Santos, Juliana Ricardo, Christiano e Erinéia (Kaka) pela amizade e ajuda durante estes quatro anos de GET, bem como ao programa de pósgraduação em engenharia mecanica da UFRN e o apoio da CAPES, CNPQ e FUNPEC o qual possibilitou a viabilização do programa de mestrado. Agradeço a empresa e todos os funcionários da oficina de locomotivas, em especial o eng. Bernardo Cavalhaes, eng. Anderson Vaccari e os mecânicos Luis Antônio, Roberto Couto e Celimar. Eu só tenho agradecimentos, OBRIGADO!.

(5) RESUMO MARINHO, E. S. J. – Monitoração dos parâmetros tribológicos e de desempenho de motores a Diesel e bicombustível (Diesel/GNL). Natal/RN, 2014. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal do Rio Grande do Norte A crescente necessidade do mercado competitivo industrial de determinar e prever com maior confiabilidade e segurança mecanismos de falhas em sistema mecânicos dinâmicos, como, por exemplo, os motores a combustão interna, faz com que as grandes indústrias invistam recursos em medidas preventivas e preditivas, a fim de alcançar uma maior produtividade industrial e diminuir custos no relevante aos critérios de parada das máquinas, aliado ao mesmo tempo com a necessidade de buscar novas formas de combustíveis alternativos, através do uso combinado de fontes fósseis de energias, de modo a preservar o tempo útil do equipamento e buscar uma economia sustentável. A presente dissertação consiste portanto em comparar e descrever parâmetros tribológicos e de desempenho dos efeitos da utilização em motores DASH 9 7FDL16-EFI, de locomotivas ferroviárias abastecidas com a mistura Diesel/GNL nas proporções 70%/30%, em comparação com um mesmo motor abastecido apenas por combustível Diesel. Para isso, faz-se o uso da mensuração de componentes mecânicos (cilindros, anéis de segmento e válvulas) por meio da utilização de análises dimensionais, análise diametral nos cilindros, folga, espessura e abertura dos anéis de segmento e abertura de válvulas, somados com a análise dos seus fenômenos físicos, pressão, temperatura, vibração, parâmetros dos motores, emissão, lubrificante e nível de pressão sonora, relacionando os dois métodos de análise, matemática e estatisticamente, comparando os motores e relatando o desempenho do uso do motor bicombustível, Diesel/GNL (70%/30%), no âmbito da vida do sistema dinâmico submetido a 1050 horas de ensaio em plena carga. Observou-se, dessa forma, que motores abastecidos com a mistura Diesel/GNL, nas proporções 70%/30% evidenciou um desgaste menor que o previsto em literatura e em alguns componentes quando comparados com o outro motor abastecido apenas por Diesel. Palavras-Chave: Motores Diesel, Tribologia e desempenho, Análise da informação..

(6) ABSTRACT MARINHO, E.S.J. - Monitoring of tribological parameters and performance of diesel engines and dual fuel (Diesel/GNL). Natal / RN, 2014 Masters Dissertation - Federal University of Rio Grande do Norte The growing need of the industrial competitive market to determine and predict with greater safety and reliability failure mechanisms in dynamic mechanical system, for example, internal combustion engines, makes the big industries to invest resources in preventive and predictive measures, the achieve greater industrial productivity and reduce costs in the relevant criteria for stopping the machines together at the same time with the need to seek new forms of alternative fuels, through the combined use of fossil energy sources, in order to preserve the time working equipment and seek a sustainable economy. The present work is therefore to compare and describe tribological performance and the effects of use in DASH-9 7FDL16 EFI engines, railway locomotives supplied with diesel / GNL mixture in the proportion 70% / 30% parameters, compared with a same motor fueled by diesel fuel only. For this, use is made of the measurement of mechanical components (cylinders, piston rings and valves) by using dimensional analysis, analysis in diametral cylinders off, thickness and opening of the piston rings and valve timing, added with the analysis of its physical phenomena, pressure, temperature, vibration, motor parameters, emission, lubricant and sound pressure level, linking the two methods of analysis, mathematical and statistically comparing the engines and reporting the performance of using dualfuel engine , diesel / GNL (70% / 30%), within the life of the dynamic system subjected to 1050 hours of testing at full load. It has been observed thereby that engines fueled with diesel / LNG mixture in the proportion 70% / 30% showed less wear than expected in the literature and some components compared with the other engine fueled by diesel only. Keywords: Diesel Engines, Tribology and performance, analysis information..

(7) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Curva de Stribeck: Regimes de lubrificação no deslizamento lubrificado de metais em função de λ ................................................................................................ 6 Figura 2. Categoria de desgaste e seus mecanismos ................................................. 8 Figura 3. Disposição dos cilindros no bloco de um motor 7FDL16-EFI GE ............... 39 Figura 4. Cilindro do motor ........................................................................................ 40 Figura 5. Medição de Análise diametral (Súbito Dorsey) .......................................... 40 Figura 6. Gabarito de medição da Análise diametral dos cilindros ............................ 41 Figura 7. Posição das medições da Análise diametral vista superior ........................ 42 Figura 8. Topo de uma válvula (extremidade da haste da válvula) ........................... 43 Figura 9. Base de referência e método de medição da altura da válvula .................. 43 Figura 10. Resíduo da combustão nas cabeças das válvulas ................................... 44 Figura 11. Esquema ilustrativo dos pontos de medições .......................................... 44 Figura 12. Esquema ilustrativo das medições da abertura do anel no cilindro .......... 45 Figura 13. Calibre de lâminas.................................................................................... 45 Figura 14. Medições da abertura do anel no cilindro, situado a 40 centimetros de profundidade. ............................................................................................................ 46 Figura 15. Resíduo de combustão na seção transversal da abertura do anel .......... 46 Figura 16. Medição da folga dos anéis de segmentos .............................................. 47 Figura 17. Micrômetro ............................................................................................... 48 Figura 18. Esquema ilustrativo dos pontos de medição dos anéis ............................ 48 Figura 19. Manômetro instalado na torneira de prova da jaqueta 6R........................ 49 Figura 20. Sistema de aquisição de dados e modulo condicionar de sinais ............. 50 Figura 21. Norma 10816-6 relação entre nível de vibração e grau de severidade .... 51 Figura 22. Esquema bloco do motor ......................................................................... 52 Figura 23. Decibelímetro digital SL-4012 Lutron ....................................................... 53 Figura 24. Analisador das emissões ......................................................................... 54.

(8) LISTA DE TABELAS Tabela 1. Taxas de desgaste (mm/h) da folga dos aneis .......................................... 61 Tabela 2. Taxas de desgaste (mm/h) da espessura dos anéis de segmento ........... 66 Tabela 3. Taxas de desgaste (mm/h) da abertura dos anéis de segmento ............... 70 Tabela 4. Taxas de desgaste (mm/h) da altura de válvula ........................................ 74 Tabela 5. Taxas de desgaste (mm/h) da Análise diametral ...................................... 78.

(9) LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1. Folga do anel de compressão 01 – Diesel/GNL ...................................... 58 Gráfico 2. Folga do anel de compressão 02 – Diesel/GNL ....................................... 59 Gráfico 3. Folga do anel raspador de óleo - Diesel/GNL ........................................... 59 Gráfico 4. Folga do anel de compressão 01 – Diesel ................................................ 60 Gráfico 5. Folga do anel de compressão 02 – Diesel ................................................ 60 Gráfico 6. Folga do anel raspador de óleo Diesel ..................................................... 61 Gráfico 7. Espessura do anel de compressão 01 - Diesel/GNL ............................... 62 Gráfico 8. Espessura do anel de compressão 02 - Diesel/GNL ................................ 63 Gráfico 9. Espessura do anel raspador de óleo - Diesel/GNL ................................... 64 Gráfico 10. Espessura do anel de compressão 01 - Diesel ...................................... 64 Gráfico 11. Espessura do anel de compressão 02 – Diesel ..................................... 65 Gráfico 12. Espessura do anel raspador de óleo - Diesel ........................................ 65 Gráfico 13. Abertura do anel de compressão 01 - Diesel/GNL.................................. 67 Gráfico 14. Abertura do anel de compressão 02 – Diesel/GNL ................................. 67 Gráfico 15. Abertura do anel raspador de óleo - Diesel/GNL ................................... 68 Gráfico 16. Abertura do anel de compressão 01 - Diesel ......................................... 68 Gráfico 17. Abertura do anel de compressão 02 - Diesel .......................................... 69 Gráfico 18. Abertura do anel raspador de óleo - Diesel ........................................... 69 Gráfico 19. Altura da válvula de admissão Diesel/GNL ............................................. 70 Gráfico 20. Altura da válvula de admissão 02 – Diesel/GNL ..................................... 71 Gráfico 21. Altura da válvula de escape 01 - Diesel/GNL ......................................... 71 Gráfico 22. Altura da válvula de escape 02 - Diesel/GNL ........................................ 72 Gráfico 23. Altura da válvula de admissão 01 - Diesel .............................................. 72 Gráfico 24. Altura da válvula de admissão 02 - Diesel .............................................. 73 Gráfico 25. Altura da válvula de escape 01 – Diesel ................................................ 73 Gráfico 26. Altura da válvula de admissão 02 – Diesel ............................................ 74 Gráfico 27. Análise diametral global em 0° – Diesel/GNL (Direção longitudinal ao pino do pistão) ........................................................................................................... 76 Gráfico 28. Análise diametral global em 90° – Diesel/GNL (Direção transversal ao pino do pistão) ........................................................................................................... 76 Gráfico 29. Análise diametral média em 0° – Diesel (Direção longitudinal ao pino do pistão) ....................................................................................................................... 77 Gráfico 30. Análise diametral global em 90° – Diesel (Direção transversal ao pino do pistão) ....................................................................................................................... 77 Gráfico 31. Tendência da relação ar/combustível do motor da locomotiva Diesel/GNL - Diesel/GNL .............................................................................................................. 79 Gráfico 32. Tendência da relação ar/combustível do motor da locomotiva Diesel Diesel ........................................................................................................................ 79 Gráfico 33. Tendência da temperatura do óleo do motor da locomotiva Diesel/GNL Diesel/GNL ................................................................................................................ 80 Gráfico 34. Tendência da temperatura do óleo do motor da locomotiva Diesel Diesel ........................................................................................................................ 81 Gráfico 35. Tendência da temperatura da água do motor da locomotiva Diesel/GNL .................................................................................................................................. 81 Gráfico 36. Tendência da temperatura da água do motor da locomotiva a Diesel .... 82 Gráfico 39. Dendograma total do PLC da locomotiva Diesel/GNL – Diesel/GNL ...... 82 Gráfico 40. Dendograma do PLC da locomotiva Diesel - Diesel ............................... 83 Gráfico 41. Dendograma do PLC da locomotiva Diesel/GNL com relação temperatura externa do ar/combustível – Diesel/GNL ............................................... 83.

(10) Gráfico 42. Dendograma do PLC da locomotiva Diesel com relação temperatura externa do ar/combustível - Diesel ............................................................................ 84 Gráfico 43. Dendograma do PLC da locomotiva Diesel/GNL com a relação da temperatura do óleo lubrificante/líquido de arrefecimento – Diesel/GNL .................. 84 Gráfico 44. Dendograma do PLC da locomotiva Diesel com a relação temperatura óleo lubrificante/líquido de arrefecimento - Diesel ..................................................... 85 Gráfico 45. Dendograma locomotiva Diesel/GNL com relação tensão/rotação Diesel/GNL ................................................................................................................ 86 Gráfico 46. Dendograma do PLC da locomotiva Diesel com relação tensão/rotação Diesel ........................................................................................................................ 86 Gráfico 47. Relação teórica CO2/ar em excesso na combustão do motor da locomotiva Diesel/GNL .............................................................................................. 87 Gráfico 48. Relação porcentagem de CO2/O2 na combustão da locomotiva Diesel/GNL ................................................................................................................ 88 Gráfico 49. Relação porcentagem de CO2/O2 na combustão da locomotiva Diesel . 89 Gráfico 50. Relação CO2 real/O2 real nos motores Diesel/GNL e Diesel .................. 90 Gráfico 51. Dendograma dos elementos presentes na análise de óleo da locomotiva Diesel/GNL ................................................................................................................ 93 Gráfico 52. Comparação da distribuição de temperatura dos cilindros dos motores. 98 Gráfico 53. Comparação da distribuição da pressão dos cilindros ......................... 103 Gráfico 54. Distribuição dos níveis de pressão sonora dos cilindros em teste ........ 104 Gráfico 55. Tendência dos pontos da vibração lateral (Locomotiva Diesel/GNL)... 106 Gráfico 56. Tendência dos pontos da vibração lateral (Locomotiva Diesel) ............ 106 Gráfico 57. Tendência dos pontos da vibração superior (Locomotiva Diesel/GNL) 107 Gráfico 58. Tendência dos pontos da vibração superior (Locomotiva Diesel) ........ 108 Gráfico 59. Espectros da vibração do ponto lateral 1 (Locomotiva Diesel) ............ 109 Gráfico 60. Espectros da vibração do ponto lateral 1 (Locomotiva Diesel/GNL) .... 109 Gráfico 61. Espectros da vibração do ponto lateral 2 (Locomotiva Diesel) ............. 114 Gráfico 62. Espectros da vibração do ponto lateral 3 (Locomotiva Diesel) ............. 115 Gráfico 63. Espectros da vibração do ponto superior 1 (Locomotiva Diesel) ......... 115 Gráfico 64. Espectros da vibração do ponto superior 2 (Locomotiva Diesel) .......... 116 Gráfico 65. Espectros da vibração do ponto superior 3 (Locomotiva Diesel) ......... 116 Gráfico 66. Espectros da vibração do ponto lateral 2 (Locomotiva Diesel/GNL) .... 117 Gráfico 67. Espectros da vibração do ponto lateral 3 (Locomotiva Diesel/GNL) .... 117 Gráfico 68. Espectros da vibração do ponto superior 1 (Locomotiva Diesel/GNL) .. 118 Gráfico 69. Espectros da vibração do ponto superior 2 (Locomotiva Diesel/GNL) . 118 Gráfico 70. Espectros da vibração do ponto superior 3 (Locomotiva Diesel/GNL) . 119.

(11) LISTA DE QUADROS Quadro 1. Tipos e sistemas de mancais em motores Diesel..................................... 18 Quadro 2. Itens de análise de óleo e identificação .................................................... 24 Quadro 3. Especificações do motor 7FDL16-EFI GE ................................................ 38 Quadro 4. Matriz de correlação para o motor Diesel/GNL ........................................ 91 Quadro 5. Matriz de correlação para o motor Diesel ................................................. 91 Quadro 6. Relação entre médias de elementos do motor Diesel/GNL (Diesel/GNL) em função do motor Diesel (Diesel) .......................................................................... 92 Quadro 7. Temperatura dos cilindros medidas na torneira de prova (locomotiva Diesel/GNL) ............................................................................................................... 95 Quadro 8. Comparação da variância da temperatura do motor Diesel/GNL (Statgraphics®, ANOVA) ........................................................................................... 96 Quadro 9. Temperatura dos cilindros medida na torneira de prova (locomotiva Diesel) ....................................................................................................................... 97 Quadro 10. Comparação da variância da temperatura do motor Diesel (Statgraphics®, ANOVA) ........................................................................................... 97 Quadro 11. Pressão dos cilindros medida na torneira de prova (locomotiva Diesel/GNL) ............................................................................................................... 99 Quadro 12. Comparação da variância da pressão do motor Diesel/GNL (Statgraphics®, ANOVA) ......................................................................................... 100 Quadro 13. Resumo estatístico em função da hora ................................................ 100 Quadro 14. Pressão dos cilindros medida na torneira de prova (locomotiva Diesel) ................................................................................................................................ 101 Quadro 15. Comparação da variância da pressão do motor Diesel (Statgraphics®, ANOVA) .................................................................................................................. 102 Quadro 16. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto lateral 1 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel/GNL110 Quadro 17. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto lateral 2 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel/GNL110 Quadro 18. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto lateral 3 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel/GNL111 Quadro 19. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto superior 1 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel/GNL ................................................................................................................................ 111 Quadro 20. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto superior 2 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel/GNL ................................................................................................................................ 111 Quadro 21. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto superior 3 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel/GNL ................................................................................................................................ 112 Quadro 22. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto lateral 1 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel ........ 112 Quadro 23. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto lateral 2 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel ........ 112 Quadro 24. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto lateral 3 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel ........ 113 Quadro 25. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto superior 1 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel .... 113 Quadro 26. Coeficiente de correlação entre o RMS das oitavas de frequência do ponto superior 2 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel .... 113 Quadro 27. Coeficiente de correlação entre o rms das oitavas de frequência do ponto superior 3 e elementos químicos da análise de óleo para o motor Diesel .... 114.

(12) SUMÁRIO Sumário CAPÍTULO UM: INTRODUÇÃO ................................................................................. 1 1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................................................ 1 1.2. OBJETIVO GERAL ............................................................................................................................ 3 1.2.1. Objetivos específicos ............................................................................................................ 3 1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ......................................................................................................... 3. CAPÍTULO DOIS: REVISÃO DA LITERATURA ........................................................ 5 2.1. TRIBOLOGIA EM MOTORES DIESEL ................................................................................................... 5 2.1.1. Sistema tribológico grupo pistão .......................................................................................... 8 2.1.2. Sistema tribológico grupo válvulas ..................................................................................... 14 2.1.3 Sistema tribológico grupo mancais...................................................................................... 18 2.2. ANÁLISE DO ÓLEO LUBRIFICANTE ................................................................................................... 22 2.3. ANÁLISE DAS EMISSÕES DE GÁS .................................................................................................... 25 2.3.1. Monóxido de carbono (CO) ................................................................................................ 26 2.3.2. Dióxido de carbono (CO2) .................................................................................................. 27 2.3.3. Hidrocarbonetos (HC) ......................................................................................................... 28 2.3.4. Compostos de enxofre (SOx) ............................................................................................. 29 2.3.5. Óxidos de Nitrogênio (NOx) ............................................................................................... 30 2.3.6. Oxigênio (O2) ..................................................................................................................... 31 2.3.7. Particulas ou fumos ............................................................................................................ 31 2.4. GNL COMO COMBUSTÍVEL PARA LOCOMOTIVAS: DESAFIOS E PERSPECTIVAS .................................... 32 2.5. TRIBOSSISTEMAS ......................................................................................................................... 35. CAPÍTULO TRÊS: MATERIAIS E MÉTODO............................................................ 37 3.1. O MOTOR 7FDL16-EFI GE DIESEL ............................................................................................... 37 3.2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL ...................................................................................................... 39 3.2.1 Medições da Análise diametral dos cilindros ...................................................................... 40 3.2.2 Medições da altura das válvulas ......................................................................................... 42 3.2.3 Medições da abertura dos anéis de segmento ................................................................... 44 3.2.4 Medições da folga dos anéis de segmento ......................................................................... 47 3.2.5 Medição da espessura dos anéis de segmento .................................................................. 47 3.2.6 Medição da pressão dos cilindros ....................................................................................... 49 3.2.7 Medição da vibração ........................................................................................................... 50 3.2.8 Medição do nível de pressão sonora................................................................................... 52 3.2.9 Medição de emissão ............................................................................................................ 53 3.2.10 Medição da temperatura .................................................................................................... 54 3.2.11 Análise de óleo lubrificante................................................................................................ 54 3.2.12 Análise dos dados do controlador lógico programado (PLC) ............................................ 55 3.3. METODOLOGIA DE ANÁLISE ........................................................................................................... 55. CAPÍTULO QUATRO: RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................... 58 4.1. FOLGA DO ANEL ............................................................................................................................ 58 4.2. ESPESSURA DO ANEL .................................................................................................................... 62 4.3. ABERTURA DO ANEL ...................................................................................................................... 66 4.4. ALTURA DA VÁLVULA ..................................................................................................................... 70 4.5. ANÁLISE DIAMETRAL ..................................................................................................................... 75 4.6. ACOMPANHAMENTO DO TESTE ACELERADO (PLC).......................................................................... 78 4.6.1. Relação ar/combustível ...................................................................................................... 78 4.6.2. Temperatura do óleo lubrificante ........................................................................................ 80.

(13) 4.6.3. Temperatura do líquido de arrefecimento .......................................................................... 81 4.6.4. Clusterização das variáveis do teste acelerado ................................................................. 82 4.7. EMISSÕES .................................................................................................................................... 87 4.8. ANÁLISE DE ÓLEO ......................................................................................................................... 90 4.9. TEMPERATURA NA TORNEIRA DE PROVA DOS CILINDROS ................................................................. 94 4.10. PRESSÕES DOS CILINDROS ......................................................................................................... 99 4.11. NÍVEIS DE PRESSÃO SONORA ................................................................................................... 104 4.12. NÍVEIS DE VIBRAÇÃO ................................................................................................................. 105 4.13. DISCUSSÃO .............................................................................................................................. 119. CAPÍTULO CINCO: CONCLUSÃO ........................................................................ 122 REFERÊNCIAS....................................................................................................... 124 APÊNDICE I – PROGRAMA PARA ANÁLISE DAS FOLGAS DOS ANÉIS .......... 127 APÊNDICE II – PROGRAMA DE ANÁLISE DA ESPESSURA DOS ANÉIS DE SEGMENTO ............................................................................................................ 188 APÊNDICE III – PROGRAMA DE ANÁLISE DAS ABERTURAS DOS ANÉIS DE SEGMENTO ............................................................................................................ 249 APÊNDICE IV – PROGRAMA DE ANÁLISE DAS ALTURAS DE VÁLVULAS ..... 310 APÊNDICE V – PROGRAMA DE ANÁLISE DA ANÁLISE DIAMETRAL .............. 320 APÊNDICE VI – PROGRAMA DE ANÁLISE DE EMISSÕES DE GÁS ................. 334 APÊNDICE VII – PROGRAMA DE ANÁLISE DO ÓLEO LUBRIFICANTE ............ 337 ANEXO I.................................................................................................................. 348.

(14) 1. CAPÍTULO UM: INTRODUÇÃO 1.1 Considerações iniciais A crescente importância do tema da degradação ambiental e a preocupação em não extinguir os recursos naturais para gerações futuras é uma das motivações essenciais pelos estudos de conversão de sistemas a diesel para gás natural liquefeito (GNL). Os motores de combustão interna são tribossistemas presentes no nosso cotidiano desde os motores dos veículos terrestres, marítimos e “ferroviário”. Um dos desafios desses tribossistemas citados é o comprometimento da vida em serviço com o uso do gás natural. A tribologia é a ciência que estuda os fenômenos relacionados à interação entre superfícies em movimento relativo, através do atrito, desgaste, lubrificação e vida de sistema em serviço. Ela reúne os conhecimentos adquiridos na física, na química, na mecânica e na ciência dos materiais para explicar e prever o comportamento de sistemas físicos que são utilizados em sistemas mecânicos, sendo assim, essa ciência é indispensável e fundamental para a realização da manutenção de maneira eficaz. O estudo da tribologia se dá entre pares tribológicos ou em tribossistemas, portanto, não se pode falar de tribologia se não há mais de um corpo interagindo. A análise dos benefícios da instalação do sistema Diesel/GNL em motores tem como prioridade o estudo do seu desempenho com a análise de tribossistemas baseada nos sinais dinâmicos de vibração, temperatura de operação, ruído, emissões de poluentes, óleo lubrificante, bem como, os efeitos sob a vida dos componentes do motor. Sendo assim, a presente dissertação analisou parâmetros tribológicos e de desempenho em um motor DASH 9 7FDL16-EFI, abastecido com a mistura de Diesel/GNL nas proporções 70%/30% em comparação a um motor de mesma especificação, abastecido apenas com o combustível Diesel, durante 1050 horas de plena carga. A partir desse ponto, foram analisados tribologicamente os componentes mecânicos: 1) Cilindros; 2) Válvulas; 3) Anéis de segmento;.

(15) 2 A critério de tempo de ensaio foram utilizados 1050 horas com interrupções de 150 horas para medições dimensionais. O fato da escolha do tempo de ensaio foi atribuído a questões econômicas e o critério de 150 horas foi atribuído ao critério de relevância estatística. Nos dois motores foram realizadas análises dimensionais e análises dos seus fenômenos físicos. Nas análises dimensionais foram mensuradas a folga, espessura e abertura dos anéis de segmento, bem como as alturas de válvulas de admissão e exaustão e análise diametral dos cilindros nas regiões longitudinal e transversal ao pino, nos pontos de ponto morto superior, inferior e meio do curso. Nas análises dos fenômenos físicos foram realizadas: análise de temperatura, pressão, nível de pressão sonora e vibração, como também análise espectográfica, insolúveis e número de basicidade total do óleo lubrificante, emissões do monóxido de carbono, dióxido de carbono, oxigênio e hidrocarbonetos residuais da queima do combustível e parâmetros das condições de funcionamento dos motores. Os parâmetros selecionados para o monitoramento das condiçoes de funcionamentos dos motores a cada hora foram: rotação do motor, potência bruta média, temperatura do óleo lubrificante, temperatura da água de arrefecimento, relação ar/combustível, gap pistão/governador, ciclos carga-compressor, ciclos motor-compressor, pressão atmosférica, temperatura externa do ar, temperatura no coletor de admissão, sobrepressão no cárter, amperagem, tensão no gerador principal e potência tratora. Assim, o estudo proposto tem como objetivo comparar e descrever os efeitos da utilização da mistura Diesel/GNL no motor da locomotiva Diesel/GNL em comparação com o motor Diesel, locomotiva Diesel, relativo ao desgaste de alguns componentes. Mudanças no comportamento de parâmetros de operação e a influência da mistura bicombustível na emissão de poluentes pelos gases de escapamentos também são discutidas, assim como, a viabilidade do uso, no ponto de vista tribológico e de desempenho, nas condições pré-estabelecidas do combustível gasoso em sinergia com o óleo Diesel em motores projetados para atender apenas o combustível Diesel..

(16) 3. 1.2. Objetivo geral Comparar e descrever os efeitos da utilização em motores DASH 9 7FDL16EFI, abastecido com bicombustível Diesel/GNL nas proporções de 70%/30% em comparação com outro motor de especificação semelhante, abastecido com apenas combustível Diesel, no relativo aos fenômenos tribológicos e de desempenho de sus componentes mecânicos.. 1.2.1. Objetivos específicos  Análise tribológica e de desempenho de motores 7FDL16-EFI, movidos a Diesel e Diesel/GNL;  Qualificar e quantificar a taxa de desgaste dos principais componentes dos motores;  Promover relações entre parâmetros de análise dimensional com análise dos fenômenos físicos proveniente dos motores;  Abordar ferramentas inovadoras no quesito da análise de dados em motores.. 1.3. Estrutura da dissertação Essa dissertação está subdividida em 5 capítulos e nesse primeiro capítulo foi descrito uma breve contextualização da necessidade do estudo tribológico e de desempenho nos motores submetidos a alimentação bicombustível, bem como a necessidade sustentável dessa prática e os objetivos desse trabalho. No capítulo 2 é apresentada uma revisão da literatura sobre os parâmetros tribológicos dos conjuntos que se encontram em maior contato e possuem maiores taxas de falhas. Os grupos constituem no sistema dinâmico do pistão (pistão, cilindro, anel de segmento, biela, pino munhão), das válvulas (válvulas de admissão e exaustão, balancins, tuchos, cames, eixo de comando, entre outros) e dos mancais (rolamento e deslizamento). Alem dos parâmetros tribológicos também foram realizadas revisões bibliográficas no quesito de análise do óleo lubrificante e emissões de gases..

(17) 4 No capítulo 3 são apresentados os materiais e o método utilizado nesse trabalho, bem como a especificação do tipo de motor. Sendo detalhados ainda as principais ferramentas empregadas, bem como o método de análise. Os resultados das análises, assim como as discussões são debatidos no capítulo 4, onde são mostrados resultados por meios de estudos estatísticos e matemáticos. Por fim, no capítulo 5, são apresentadas as conclusões..

(18) 5. CAPÍTULO DOIS: REVISÃO DA LITERATURA 2.1. Tribologia em motores Diesel. “Motores diesel são baseados no princípio de ignição por compressão. O ar é introduzido sozinho na câmara de combustão com a abertura das válvulas de admissão. A entrada de ar é facilitada pelo movimento descendente do pistão que cria um diferencial de pressão através da expansão do volume. Turbocompressores são muitas vezes utilizados para forçar mais ar para dentro da câmara de combustão, para aumentar a densidade do ar para queimar mais combustível para a mesma cilindrada. O ar, uma vez que no sistema a válvula de entrada é fechada, é então comprimido para atingir a alta pressão e alta temperatura. O combustível é injetado nesse ponto para iniciar a combustão e inflamado pela temperatura elevada induzida por compressão de ar, por conseguinte, o nome de ignição por compressão. A combustão da mistura ar / combustível cria expansão que força o pistão para que se mova para baixo mais uma vez, a produção de potência de saída” (BHUSHAN, 1941). De acordo com Hutchings (1992a), “a tribologia é a ciência e tecnologia de superfícies que interagem, abrangendo o estudo do atrito, do desgaste, da lubrificação e das irreversibilidades”. A palavra tribologia foi introduzida pelo comitê de lubrificação cujo sentido deriva da palavra grega “tribos” que significa atrito (rubbing). A tribologia inclui investigação científica de todos os tipos de atrito, lubrificação e desgaste, e também a aplicação técnica de conhecimento tribológico (ZUM GAHR, 1987). A tribologia reúne os conhecimentos adquiridos na física, na química, na mecânica e na ciência dos materiais para explicar e prever o comportamento de sistemas físicos que são utilizados em sistemas mecânicos. O que unifica a tribologia não são os conhecimentos básicos, mas sim a área de aplicação. Assim como os campos do conhecimento que formam a tribologia existiam antes dela, os estudos dos fenômenos de lubrificação, atrito e desgaste antecedem muito a 1966 (SINATORA, 2005). Medeiros (2002) ressalta que cabe a tribologia qualificar, quantificar e identificar os mecanismos bem como a natureza do contato físico dos sólidos com.

(19) 6 movimento relativo entre si e, relaciona-a com a relação entre humanos, de tal modo que ambas estão fadadas ao desgaste e a deterioração. O atrito é uma força que resiste ao deslizamento, isto é, descrito em termos de um coeficiente, e é quase sempre assumido ser constante e específico para cada material. Este conceito simples obscurece as causas de muitos problemas em sistemas de deslizamento, em particular naqueles que vibram (LUDEMA,1996). Segundo o van Basshuysen (2004), o atrito depende da condição de movimento dos pares de fricção, podendo estar em atrito estático, atrito dinâmico ou tipos de movimentos relativos do par tribológico (atrito de deslizamento, atrito de rolamento ou ambos). Para casos de pares tribológicos submetidos a um atrito fluido, a engenharia de lubrificação ganha grande relevância no processo. As condições de atrito podem ser representadas a partir da curva de Stribeck, a qual descreve quatro regimes da lubrificação em relação com o coeficiente de atrito e a condição do filme lubrificante (separação da superfície em razão da rugosidade média), lubrificação limite, mista, elastohidrodinâmica e hidrodinâmica, conforme descrita na figura abaixo.. Figura 1. Curva de Stribeck: Regimes de lubrificação no deslizamento lubrificado de metais em função de λ. Fonte: Farias (2011). O potencial para lubrificação elasto-hidrodinâmica ocorre quando existem superfícies não conformantes lubrificadas, tais como elementos rolantes de rolamentos, dentes de engrenagens ou cames que passam através de locais de contato de rolamento. Nestas circunstancias, as superfícies lubrificadas rapidamente.

(20) 7 aproximam-se umas das outras para “pressionar” o filme lubrificante. Devido às pressões extremamente altas geradas no filme pressionado, deslocamentos elásticos. das. superfícies. dos. mancais. podem. tornar-se. significativos. e. ocasionalmente a viscosidade efetiva do óleo aumenta na região de contato em até 20 ordens de grandeza. Para tais casos, não podem acontecer contatos de asperezas através do filme de óleo (COLLINS, 2006). A lubrificação hidrodinâmica é considerada um dos regimes de lubrificação mais importantes da tribologia devido ao desempenho tribológico que este regime de lubrificação oferece: menor atrito, desgaste. Este tipo de lubrificação ocorre quando duas superfícies em movimento relativo são separadas por uma película de um fluido lubrificante. A lubrificação hidrodinâmica é aquela que ocorre em mancais de deslizamento (PROFITO, 2010). Segundo Carreteiro (2006) a lubrificação limítrofe é aquela na qual a película de óleo é tênue. De acordo com H. Block, podemos classificar os casos de lubrificação limítrofe em quatro tipos: lubrificação limítrofe suave, ou de baixa temperatura, lubrificação limítrofe de temperatura elevada, lubrificação limítrofe de alta pressão e lubrificação limítrofe extrema ou de elevada temperatura e alta pressão, comumente designado por EP (extrema pressão). Segundo Rosenberg (1982) os elementos críticos do grupo válvula operam na região limítrofe e mista. No grupo pistão o anel de segmento atua em toda a gama de regime desde o regime misto até o regime hidrodinâmico, dependendo da carga e velocidade ao qual o motor está submetido. No grupo dos mancais, estes se encontram em regime hidrodinâmico salvo períodos de arranque e parada. Segundo a DIN 50320, o desgaste se configura como a perda progressiva da superfície do material advindo de solicitações mecânicas, através do contato e relativo movimento contra substancias sólidas, líquidas e gasosas. O desgaste pode ser dividido e definido a partir de padrões pré-estabelecidos no estudo da mecânica do contato e tribologia. Estes são denominados mecanismos de desgastes onde estão citados na figura 2..

(21) 8 Figura 2. Categoria de desgaste e seus mecanismos. Fonte: Oliveira (2008). A ASM Metals handbook vol 18 correlaciona alguns mecanismos de desgaste com elementos do motor, mostrando que o desgaste adesivo e o scuffing se manifestam em maior proporção nas paredes do cilindro e nos anéis de segmento, já o desgaste abrasivo e o pitting se revelam em maior significância nos cames, tuchos e nos balancins. Conforme o van Basshuysen (2004), o desgaste em motores ocorre predominantemente nos pistões, anéis de segmento, cilindros, mancais, eixos, engrenagens, cames, válvulas, sede e guia de válvula. O desgaste em motores é predominantemente causado pelo atrito deslizante em regime limítrofe e misto, a vibração que causa o Fretting, o atrito fluido, a cavitação, erosão, engripamento e corrosão (VAN BASSHUYSEN, 2004).. 2.1.1. Sistema tribológico grupo pistão No grupo pistão os componentes englobados no sistema são: cilindro, anéis de segmento, pistão, pino do pistão e biela. Bhushan (1949) em seu handbook de tribologia moderna propõe que o grupo pistão pode ser dividido em oito sistemas tribológicos: anel-parede do cilindro, anelcanaleta, parede-saia do pistão, pino do pistão-furo de alojamento do pino, pino do pistão-biela, pino-saia, coroa do pistão-parede e anel de óleo-expansor. Todos.

(22) 9 esses sistemas o desgaste ocorre quando o consumo de óleo e o blow-by aparecem em excesso. O sistema de conversão da energia química, proveniente da mistura combustível e ar, em energia mecânica se dão através da entrada da mistura combustível no invólucro interno do motor chamado cilindro. O combustível é submetido à compressão, explosão e expansão de sua energia o qual esse movimento é realizado pelo pistão e a biela, o qual transmite toda energia para o eixo de manivela e que são unidos pelo pino munhão ou pino do pistão. A garantia de vedação do sistema para que o combustível não entre em contato com o óleo lubrificante, bem como sua maior eficiência na conversão de energia, fica a cargo dos anéis de segmento presentes nas canaletas do pistão. “O pistão é o órgão do motor que recebe diretamente o impulso da combustão dos gases e o transmite a biela” (PENIDO FILHO, 1945). Dentre as suas funções temos a de transferência das forças de combustão via pino do pistão e biela para o virabrequim, prestar apoio e orientação para os anéis de segmento e o pino do pistão, e atua como sistema de refrigeração por meio da dissipação do calor. Segundo Bhushan (1949), mudanças no estado da tensão podem resultar em trincas por fadiga térmica e erosão nos pistões. O pistão também pode ser um fator para o desgaste das paredes do cilindro, se caso sua folga superior não for projetada adequadamente haverá acumulo excessivo de carbono que em contato com o par tribológico anel-cilindro forma um terceiro corpo capaz de gerar o desgaste abrasivo. Problemas de pistão geralmente surgem a partir de três principais causas e estes são: Condições insatisfatórias fricção entre o pistão e o cilindro, temperatura de funcionamento excessivo, geralmente causado por refrigeração inadequada ou, eventualmente, por condições de combustão pobre e força inadequada do êmbolo ou de componentes associados às cargas que estão a ser aplicadas na operação (NEALE, 1999). Os principais tipos de falhas e desgaste que ocorrem nos pistões são: scratching, scoring and seizure na saia do pistão, danos nas canaletas do pistão, desalinhamento, quebra dentro do pistão, problemas nos anéis de segmento, desgaste abrasivo de anéis de ferro fundido e desgaste por abrasão do cromo dos anéis de segmento (NEALE, 1999). Segundo o van Basshuysen (2004), o pino do pistão é o elemento que faz a ligação entre o pistão e a biela. Este é submetido a elevadas cargas exercidas pela.

(23) 10 pressão dos gases de combustão e do movimento alternado da massa do pistão. Por causa dos pequenos movimentos relativos entre o pino e a biela e entre o pino e o pistão, a condição de lubrificação se encontra bastante desfavorável para esse órgão. Carreteiro (2006) relata que as locomotivas Diesel elétricas GM usam mancais de prata no pino do pistão. Segundo Bhushan (1949), as presenças de partículas advindas do pino do pistão podem resultar em um desgaste abrasivo no mancal e furo do pistão. “Biela é o órgão em forma de haste, que serve para transmitir os movimentos alternativos do pistão para o eixo do motor” (PENIDO, 1945). “O cilindro como o nome indica, é uma peça de formato cilíndrico, na qual o pistão se desloca descrevendo um movimento retilíneo alternado” (PENIDO, 1946). Conforme Bhushan (1949), o cilindro tem a função de confinar os gases de combustão, transferir o calor do pistão e anéis de segmento para a camisa de água, vedar a passagem do liquido refrigerante para a câmara de combustão, suportar, junto com o pistão, cargas, guiar o pistão e os anéis de segmento e reter o óleo lubrificante. Kodali et al. (1999) revisou os maiores fatores que influenciam o desgaste das paredes do cilindro e dos aneis de segmento, dentre eles temos aspectos referente ao design, tipo do material, parâmetros de operação do motor, presença de enxofre no combustível, depósitos de materiais, fuligem e aditivos de lubrificantes. Segundo os estudos de Munro & Hughes (1980), Hesling (1963), Willn (1972) e Campbell (1972) o acabamento da superfície do cilindro se mostra como um elemento chave na vida útil do motor, o consumo de óleo lubrificante, resistência ao desgaste e ao scuffing. Segundo o van Basshuysen (2004), existe uma forte relação entre a rugosidade da parede do cilindro, consumo de óleo e desgaste dentro do motor. Bhushan(1949), o mecanismo principal do desgaste no sistema tribológico anel de segmento e cilindro, é o desgaste abrasivo, o qual se torna proveniente graças as propriedades e espessura do filme lubrificante na interface, bem como a pressão de contato, compatibilidade do material, degradação do lubrificante, depósitos de carbono alojados nas canaletas e nos anéis de segmento, debris gerados pelo desgaste de outros componentes e partículas de poeira. Segundo Bhushan(1949), Outros fatores que contribuem para o desgaste nas paredes dos cilindros e anéis de segmentos são:.

(24) 11 A influência de distorções excessivas no cilindro: o qual resulta em um aumento na taxa de desgaste. A velocidade do motor: o qual é um indicador da quantidade de ciclos de operação do sistema. Altas velocidades resultam em um aumento do desgaste, que é causado pelo aumento do numero ciclos de operação. Altas velocidades (RPM) aumentam a velocidade do pistão, que por sua vez aumentam a espessura do filme lubrificante, reduzindo a taxa de desgaste do sistema. A pressão do cilindro e a temperatura: a pressão no sistema cilindro-anel força um junto ao outro, aumentando com isso a pressão de contato, causando o desgaste. A temperatura no sistema afeta diretamente a viscosidade do óleo lubrificante ocasionando a diminuição da qualidade de lubrificação, causando o desgaste, principalmente abrasivo, tanto no cilindro quanto nos anéis de segmento. O efeito da espessura do filme lubrificante: a espessura de óleo prevista (EO) na face de contato entre o primeiro anel de compressão e a camisa é uma função do ângulo do virabrequim para vários casos de rugosidade da camisa. Conforme a rugosidade da camisa aumenta, as asperezas são mantidas separadamente, resultando em um filme de óleo mais espesso.Em casos de superfícies menos rugosas, existem mais variações na predição da EO. Na metade do curso (mid-stroke), as asperezas são suficientemente menores, de modo a possibilitar um regime de lubrificação completamente hidrodinâmico. Tipicamente, a rugosidade aritmética da superfície da camisa não é maior do que 0,8 para 0,9 μm, assim, a espessura mínima da película de óleo deve ser considerada para ser da mesma ordem de magnitude. A EO atinge valores menores do limite inferior de lubrificação (lubrificação em que ocorre o cantato metal-metal) em regiões próxima (e no próprio) fim do curso do pistão. A EO para o anel de lubrificação é geralmente menor do que a do anel de compressão. A espessura do filme de lubrificação pode afetar no tamanho dos contaminantes presos na face do anel, que por sua vez, irá afetar na pressão de contato entre o anel e o pistão, influenciando no tipo de dano causado no processo. Próximo aos pontos mortos e durante o regime com maiores pressões, a EO tende a ser menor. Isso resulta em partículas menores passando por baixo da face do anel. Nesse regime, especialmente, maiores partículas devem ser esmagadas pela maior força atuando no anel. Isso, combinado com a aspereza de contato entre as superfícies, resulta em um maior desgaste e polimento no anel e na camisa. Durante os tempos de baixa pressão, e quando o pistão esta se movendo.

(25) 12 rapidamente, a camada de óleo é maior. Partículas maiores devem passar por baixo da face do anel. Por causa das menores forças, menos desgaste abrasivo devido aos debris devem ocorrer. Efeito da limpeza do óleo: Como uma superfície lubrificada, o desgaste do cilindro ocorre principalmente através da adesão e abrasão. O desgaste adesivo é controlado pela formação de filme óleo próximo a área do anel superior (top ring reversal (TRR)) e pelo filme anti-desgaste, a vizinhança do anel superior, onde o filme atinge em nível de lubrificação limite. Abrasão ocorre como desgaste com terceiro corpo oriundo das partículas de contaminação do óleo que é arrastado no filme. Essas partículas podem se originar tanto por fontes externas como por fontes internas. Externamente, elas podem vir da poeira presente no ar (dust-laden air) que passa pelo filtro de ar ou pelo processo de introdução do “óleo de substituição” (oil replacement) que não é realizado em condições limpas. Sempre que o motor é aberto para manutenções previstas ou reparos imprevistos, existe a possibilidade de contaminação externa entrar no sistema também. Internamente, as partículas contaminantes podem vir dos debris deixados pelo processo de fabricação, tais como “núcleos de areia ou cavaco” (core sand or machining chips), debris oriundos do desgaste (wear debris), fadiga de superfície, precipitação de aditivos de óleos causada pela neutralização ácida, ou precipitação massiva causada pelo vazamento acidental do fluido refrigerante no óleo lubrificante. Segundo Penido (1945), os anéis de segmento são elementos, alojados nas canaletas do pistão, cuja função é vedar a passagem dos gases de combustão, bem como impedir a passagem do fluido lubrificante para dentro da câmara de combustão, por meio de esforços radiais decorrentes destas para com as paredes do cilindro. Martins (2013) em seu livro, explica que há dois tipos de anéis de segmento: os anéis superiores que são denominados anéis corta-fogo (compressão), com a função é a estanqueidade da câmara de combustão para com o cárter, e os anéis raspadores de óleo, cuja função é promover o controle da passagem de óleo e a espessura deste nas paredes do cilindro. A capacidade de vedação e a vida útil dos anéis de segmento são determinadas a partir do desgaste que elas sofrem. Os sistemas tribológicos atuantes para o desgaste dos anéis de segmento se encontra no par de fricções da região radial, na área da superfície de contato dinâmico com as paredes do cilindro,.

(26) 13 na região axial, devido ao contato com a canaleta do pistão, e nos anéis raspadores de óleo, devido ao desgaste entre o anel e a mola tubular. Os fatores que influenciam no atrito e desgaste nos anéis de segmento incluem a pressão de contato entre anel – parede do cilindro, largura da superfície de contato, a forma da superfície de contato, coeficiente de atrito, a espessura do filme do óleo lubrificante nas paredes e o numero de anéis de segmento por pistão. Segundo o van Basshuysen (2004), o sistema par tribológico anel de segmento – parede do cilindro se comporta de forma demasiada complexa, uma vez que há existência de quase todos os mecanismos de desgaste – abrasivo, adesivo e corrosivo – ocorrendo em maior ou menor grau de severidade. Conforme os trabalhos de Lichty (1951) e Pinkus & Wilcock (1971), estima-se que o atrito dos anéis de segmento com a parede do cilindro eleva-se a cerca de 50 a 70% do atrito total no conjunto pistão, e esse conjunto é responsável por cerca de 25% a tanto quanto 75% do total das perdas por atrito no motor. Ao se tratar dos fatores que afetam o desgaste dos anéis de segmento, Lyman (1961) em sua publicação descreve os principais fatores como sendo a velocidade, temperatura, carga, frequência de uso, sujeira, corrosão, acabamento da superfície e a quantidade de lubrificante. Ting (1980) relata que o scuffing do par tribológico anel de segmento-parede do cilindro é decorrente, primeiramente, pela quebra do filme lubrificante atuante na interface do contato. Tan e Ripin (2011) avaliou o comportamento do atrito dos anéis de segmento em um motor de dois tempos, por meio do uso de sensores de deslocamento a laser na cabeça do pistão em bancada, controlando os parâmetros de velocidade, quantidade de óleo e de mistura do óleo com o combustível onde foi possível relatar, por meio do coeficiente de correlação de Pearson, que existe uma forte relação entre o ângulo de inclinação do pistão e a força de atrito, como também o regime de lubrificação nas rotações de 600-3000 rpm se apresentam em regime hidrodinâmico e nas rotações de 60-500 rpm se detectou regime limítrofe e misto para os pontos morto superior, inferior e no meio do curso do conjunto pistão, mostrando também que o excesso de óleo lubrificante não tem nenhum efeito sobre a força de atrito. Lorenzo-Martin et al (2013) estudou o efeito da microestrutura, da espessura na superfície de atrito e do comportamento do desgaste em revestimentos de nitreto de cromo, usado muito para revestimentos em anéis de segmento de motores Diesel, por meio de testes deslizamento em contato seco entre uma superficie.

(27) 14 esférica e um plano ao qual é submetido um carregamento, demonstrando que o comportamento do atrito está fortemente ligado com a espessura do revestimento, no qual revestimentos mais espessos apresentam melhor comportamento em termos do atrito e desgaste, enquanto os mais finos são facilmente desgastados quando solicitadas cargas elevadas. Bulsara et al (2013) realizou medições da espessura do filme do óleo lubrificante entre o anel de segmento e a parede do cilindro, por meio de uso de strain gauge, segundo os autores se faz possível a medição da espessura a partir da quantificação da pressão hidrodinâmica da camada de óleo depositado entre o contato anel-cilindro por meio de strain gauges ligados aos anéis de segmento, mostrando que é possível medir a espessura da película de óleo com uso de strain gauge sem afetar as propriedades mecânicas do sistema. Lima et al (2013) em seu estudo tratou de analisar a influência da espessura do filme e a propriedade no estado de tensão dos anéis de segmento revestidos por uma película fina sob cargas de contato, utilizando métodos de analise numérica combinando cinco módulos de elasticidade e quatro valores de espessura e foi observado que camadas com maior espessura apresentaram esforços de tração, com valores de pico nas regiões centrais do anel, e os anéis de superfícies mais finas apresentaram um esforço compressivo axial, o que pode resultar em sistemas menos propenso a propagação de trinca, como também em anéis de revestimentos menos espessos as tensões axiais não foram significativamente afetadas pelas condições operacionais, e não foi evidenciado correlação entre o revestimento, módulo de elasticidade e tensão do anel.. 2.1.2. Sistema tribológico grupo válvulas O sistema de acionamento das válvulas em motores é constituído de peças a qual tem a função de transmitir a sequência de acionamento do eixo de comando de válvula, a partir da disposição dos cames, para as válvulas de admissão e exaustão. Esta ligação também pode ser usada para acionar eventos de injeção de combustível em motores equipados com sistemas de injeção eletrônica (GLASSY et al, 1993). Os componentes do sistema de acionamento das válvulas de motores Diesel são geralmente constituídos de cames, haste, balancins e cruzetas. Dentre os sistemas tribológicos temos o contato entre o cames do eixo de comando de.

(28) 15 válvulas em contato com o tucho, como também o tucho em contato com a haste, as hastes com o balancim, o balancim com a cabeça da válvula (KUO et al., 1998). O método de acionamento de válvulas, por uso de hastes, se descreve de inicio a partir da transmissão de movimento do virabrequim para o eixo de comando de válvulas, atualmente a transmissão é dada por correias, que ao girar faz com que o cames também se rotacione. Na sua fase máxima de excentricidade o cames, que está em contato com o tucho, transmite o movimento e força para a haste. A haste por sua vez transmite para o balancim, que graças à força proporcionada vence a inércia das molas, no qual esse sistema de transmissão de sincronismo e força abre e fecha as válvulas de admissão e exaustão. As hastes tem a função de transmitir o movimento do cames do eixo de comando de válvulas para os balancins, o balancim por sua vez se encontra em contato com a haste e a cabeça da válvula, e tem a função de iniciar a abertura da válvula. O método de abertura e fechamento de válvulas, basicamente, trabalha num modelo de equilíbrio de forças gerada, por um lado, pela força da mola, o qual inibe a abertura, e o ressalto excêntrico do cames presente no eixo de comando de válvula, o qual gera a abertura da válvula. Este sistema de equilíbrio de forças se dá graças ao componente balancim, que está em contato com as duas magnitudes. No sistema de acionamento de válvula o desgaste e o atrito mais considerável se manifesta no contato cames - tucho, o qual o desgaste se configura como tipo abrasivo, adesivo, scuffing e pitting (BHUSHAN & GUPTA, 1991). No referente ao contato tribológico puramente decorrente do funcionamento do elemento válvula, temos o contato tribológico guia de válvula – válvula e sede de válvula – válvula. Segundo Bhushan (1949) o desgaste da válvula com a sede de válvula é dado principalmente devido ao movimento relativo da válvula quando encaixado com a sede de válvula, devido à pressão do cilindro, resultando em deformações em ambos os componentes. Com isso a pressão no cilindro e os materiais das válvulas e sede de válvula são as principais variáveis na determinação do desgaste. Importante também ressaltar o ângulo da válvula e da sede de válvula que pode reduzir a carga de contato e consequentemente o atrito e desgaste. Ainda conforme Bhushan (1949) o principal mecanismo de desgaste do sistema válvula sede de válvula é o desgaste adesivo, muitas vezes unidos com o desgaste oxidativo decorrente da condensação de compostos de NOx e SOx. Em.

(29) 16 motores Diesel, especialmente em aplicações de velocidade constante, problemas tribológicos são mais graves nas válvulas de admissão que nas válvulas de escape, devido a falta de lubrificação, alta pressão no turbo, falta de depósitos de filme lubrificantes e camadas benéficas de óxidos, o que favorece ao desgaste adesivo. Fatores contribuintes do desgaste entre a válvula e sede de válvula, segundo Bhushan (1949), são: 1.. Desvios da válvula na sede de válvula durante a queima.. 2.. Temperatura do sistema sede de válvula – válvula.. 3.. Deformação térmica e mecânica da sede de válvula devido ao. gradiente de temperatura entre a admissão e exaustão, ocasionados por efeitos da pressão do cilindro e tensões de aperto. Este efeito pode causar desvios de circularidade nas válvulas perdendo com isso sua capacidade de retenção o que pode gerar um superaquecimento resultando na oxidação, na fadiga térmica e na perda completa de um pedaço do material da válvula. 4.. Desgaste por impacto decorrente das altas velocidades de. trabalho. 5.. Abrasão devido à presença de resíduos de carbono derivado do. óleo lubrificante e do combustível. 6.. Lubrificação insuficiente devido à alta pressão no sistema de. admissão. 7.. Ciclagem excessiva das válvulas o qual acarreta um aumento no. deslizamento e com isso ocasiona a remoção da superfície da válvula e possíveis formações de óxidos. 8.. Desgaste oxidativo em detrimento da condensação dos gases. SOx e NOx em baixas temperaturas e corrosão quando submetidos a altas temperaturas. 9.. Temperaturas excessivas, levando a alterações estruturais ou. dimensionais na válvula e na sede, diminuindo a dimensão da superfície tratada e aumentando a oxidação. 10.. Desalinhamento entre as válvulas e sede de válvula.. 11.. Alongamento da válvula devido ao fenômeno da fluência.. Conforme Bhushan (1949) o desgaste entre a válvula e o guia de válvula é dado a partir do deslizamento desses dois componentes o qual promovem o desgaste abrasivo, adesivo e oxidativo (mais comum nas válvulas de escape.