Análise estocástica do material particulado emitido por motor diesel

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. FÁBIO CÉSAR MIRANDA DE OLIVERA. ANÁLISE ESTOCÁSTICA DO MATERIAL PARTICULADO EMITIDO POR MOTOR DIESEL. ORIENTADOR: JOÃO TELÉSFORO NÓBREGA DE MEDEIROS. NATAL – RN Julho 2017.

(2) ANÁLISE ESTOCÁSTICA DO MATERIAL PARTICULADO EMITIDO POR MOTOR DIESEL. Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de mestre em Engenharia Mecânica.. GRANDE ÁREA: Engenharias ÁREA: Engenharia Mecânica. NATAL – RN Julho 2017.

(3) Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN Sistema de Bibliotecas – SISBI Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede Oliveira, Fábio César Miranda de. Análise estocástica do material particulado emitido por motor diesel / Fábio César Miranda de Oliveira. - 2017. 65 f. : il.. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica. Natal, RN, 2017 Orientador: Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros.. 1. Biodiesel - Dissertação. 2. Cadeia de Markov - Dissertação. 3. Material particulado Dissertação. 4. Debris - Dissertação. I. Medeiros, João Telésforo Nóbrega de. II. Título.. RN/UFRN/BCZM. CDU 662.756.3.

(4) UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA. ANÁLISE ESTOCÁSTICA DO MATERIAL PARTICULADO EMITIDO POR MOTOR DIESEL. FÁBIO CÉSAR MIRANDA DE OLIVEIRA. Dissertação apresentada em 10 de julho de 2017 ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFRN, como requisito para conclusão de mestrado em engenharia mecânica. BANCA EXAMINADORA. _________________________________ Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros - Presidente. __________________________________ Profa. Dra. Juliana Ricardo de Souza. __________________________________ Prof. Dr. Luciano Rodrigues da Silva. __________________________________ Prof. Dr. Efrain Pantaleón Matamoros.

(5) “Eu não quero acreditar, eu quero saber.” Carl Sagan.

(6) AGRADECIMENTOS. Aos meus pais, Alcione Maria Miranda e Marcos Antônio de Oliveira, pelo amor e apoio contínuo em todas as etapas de minha vida, Aos meus irmãos Amanda Karine Miranda de Oliveira, Mércia Eviluce Alves de Oliveira e Marcos César Alves de Oliveira pelo amor e palavras de apoio, A Andressa Jales de Souza pelos conselhos, paciência, insistência e confiança, A Maria Aldinete Miranda pelo apoio e suporte diário, Ao meu orientador Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros pela paciência, pelos conhecimentos compartilhados e dedicação ao desenvolvimento científico, Aos Engenheiros Antônio Adalberto Cavalcante Moreira Filho e Daniel Mousinho Lago pela incansável contribuição para a realização desse trabalho, Ao Prof. Dr. André Gustavo Campos Pereira por me receber em sua turma e estar sempre disposto a ajudar, Aos Engenheiros Leonardo Chagas da Silva e Eugênio Teixeira de Carvalho Filho pela ajuda nas análises de MEV e EDS, Ao Prof. Dr. Manoel Fernandes de Oliveira Filho por toda a ajuda com a bancada de ensaios, A Profa. Dra. Juliana Ricardo de Souza, ao Prof. Dr. Luciano Rodrigues da Silva e ao Prof. Dr. Efrain Pantaleón Matamoros por contribuírem com seus conhecimentos para o aprimoramento desse trabalho, Ao PPGEM pelo apoio financeiro, A NUPEG pelos equipamentos e combustíveis cedidos, A UFRN pelo comprometimento com o desenvolvimento científico no Rio Grande do Norte..

(7) SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1. 2. OBJETIVOS .................................................................................................................. 6 2.1 Objetivo Geral .............................................................................................................. 6 2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................... 6 2.3 Hipótese Investigativa .................................................................................................. 6. 3. REVISÃO DA LITERATURA ...................................................................................... 7 3.1 Formação do Aerossol .................................................................................................. 7 3.2 Composição da Emissão ............................................................................................... 7 3.3 Tamanho de Partículas ................................................................................................. 8 3.4 Material Particulado ................................................................................................... 10 3.5 Debris Presentes no Particulado .................................................................................. 12 3.6 Classificação dos Debris ............................................................................................. 12 3.7 Morfologia dos Debris na Exaustão Diesel ................................................................. 16 3.8 Cadeia de Markov ...................................................................................................... 18. 4. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 23. 5. RESULTADOS ............................................................................................................ 30 5.1 Área Superfical do Pm................................................................................................ 30 5.2 Avaliação do Efeito dos Combustíveis no Pm ............................................................. 33 5.3 Definição da Cadeia de Markov.................................................................................. 38 5.3.1 20 Horas ........................................................................................................... 38 5.3.2 40 Horas ........................................................................................................... 41 5.3.3 60 Horas ........................................................................................................... 43 5.3.4 80 Horas ........................................................................................................... 45 5.3.5 100 Horas ......................................................................................................... 47 5.3.6 140 Horas ......................................................................................................... 48 5.3.7 Inspeção Visual do Motor ................................................................................. 51 5.3.8 Roda de Falha e Grafo ...................................................................................... 54 5.3.9 Análise dos Estados .......................................................................................... 55. 6. CONCLUSÕES ........................................................................................................... 60 6.1 Área Superficial ......................................................................................................... 60 6.2 Comparação dos Combustíveis ................................................................................... 60 6.3 Cadeia de Markov ...................................................................................................... 61. 7. REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 62.

(8) LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Comparação entre PM, fio de cabelo humano e grão de areia .................................. 2 Figura 2. Relação entre o tamanho do PM e o nível de penetração no sistema cardiorespiratório humano .................................................................................................................................. 2 Figura 3. Idade média dos veículos utilizados no Brasil. ......................................................... 3 Figura 4. Redução na taxa de emissão de poluentes pós-regulamentação. ............................... 4 Figura 5. Típica distribuição de diâmetros aerodinâmicos para aerossóis de motores .............. 8 Figura 6. Partículas de diferentes formatos e massas específicas com mesmo diâmetro aerodinâmico ......................................................................................................................... 9 Figura 7. Gráfico da composição química das partículas emitidas por um veículo diesel ...... 10 Figura 8. Relação entre estrutura química e temperaturas após a injeção e ignição do combustível.......................................................................................................................... 11 Figura 9. Imagem de um debri do tipo rubbing ..................................................................... 13 Figura 10. Imagem de um debri esférico .............................................................................. 13 Figura 11. Imagem de uma partícula laminar ........................................................................ 14 Figura 12. Imagem de uma partícula cutting ......................................................................... 14 Figura 13. Imagem de uma partícula chunk .......................................................................... 15 Figura 14. Imagem de uma partícula de desgaste severo de deslizamento ............................. 15 Figura 15. Composição química do PM ................................................................................ 16 Figura 16. (A) Partícula esférica; (B) partícula em forma de gota; (C) Partícula de silicato de alumínio; (D) Partícula de ferro oxidado .............................................................................. 17 Figura 17. Composição química dos plateles coletados no PM ............................................. 18 Figura 18. Grafo de três estados ........................................................................................... 20 Figura 19. Dimensões do dispositivo desenvolvido para captura de debris............................ 23 Figura 20. Vista superior do sistema de coleta de debris acoplado ao sistema de exaustão do motor. a) cabeça do cilindro, b) escapamento, c) acoplamento, d) dispositivo de coleta de debris. ............................................................................................................................................ 24 Figura 21. Orifícios do elemento têxtil retentor de material particulado ................................ 24 Figura 22. Representação esquemática da bancada dinamométrica ....................................... 25 Figura 23. Bancada dinamométrica. ..................................................................................... 26 Figura 24. Classificação, morfologia e mecanismos de desgaste responsáveis pela formação dos debris ................................................................................................................................... 28 Figura 25. Fluxograma da metodologia utilizada nesse trabalho. .......................................... 29 Figura 26. a) PM emitido pela queima de B6 durante as primeiras 20 horas de ensaio, b) PM emitido pela queima de B6 após 120 horas de ensaio............................................................ 31.

(9) Figura 27. Distribuição de área do PM emitido pelo B6 em a)20 horas de ensaio, b) 120 horas de ensaio .............................................................................................................................. 32 Figura 28. Material particulado oriundo da queima do combustível (a) B6, debris elipsoidais destacados em vermelho (b) B6 aditivado ............................................................................ 34 Figura 29. EDS referente às micrografias (a) Figura 30a (b) Figura 30b ............................... 35 Figura 30. Mapeamento por EDS do PM emitido por B6 aditivado. ..................................... 36 Figura 31. Debris do tipo platelet, destacados em vermelho, emitidos pelo B6 ..................... 37 Figura 32. Debri com morfologia característica do mecanismo de desgaste spalling ............. 38 Figura 33. Debri do tipo platelet com porosidades superficiais emitido em 20 horas de ensaio ............................................................................................................................................ 39 Figura 34. Chunk com indícios de fratura frágil na sua superfície e debris menores aderidos emitido em 20 horas de ensaio ............................................................................................. 40 Figura 35. Debris com comprimento inferior a 20 µm aderidos na superfície de um chunk emitido em 20 horas ............................................................................................................. 40 Figura 36. Aglomerado de partículas com comprimento de 194 µm coletadas em 40 horas de ensaio................................................................................................................................... 41 Figura 37. Aglomerado de partículas coletado em 40 horas de ensaio ................................... 42 Figura 38. Partícula do tipo chunck com 111 µm de comprimento é um indício de spalling .. 42 Figura 39. Debri proveniente de spalling emitido em 60 horas ............................................. 43 Figura 40. Debri emitido em 60 horas, vários indícios de fratura frágil em sua superfície e partículas elipsoidais, destacadas em vermelho .................................................................... 44 Figura 41. Debri do tipo chunk com 34,4 µm de comprimento ............................................. 44 Figura 42. PM coletado em 80 horas .................................................................................... 45 Figura 43. A superfície do debri caracteriza que o metal atingiu a temperatura de fusão e, posteriormente, solidificou-se .............................................................................................. 46 Figura 44. Conjunto de Platelets, provavelmente oriundo de um debri maior que apresentou comportamento frágil e se fragmentou ................................................................................. 46 Figura 45. Debri com formato de gota, característica de um metal que em algum momento atingiu a temperatura de fusão .............................................................................................. 47 Figura 46. Presença de bolhas na superfície do debri ............................................................ 48 Figura 47. Debri chunk ........................................................................................................ 48 Figura 48. PM emitido em 140 horas, fragmentação de várias partículas do 𝑃𝑀10 e partículas maiores com fratura frágil em sua superfície ........................................................................ 49 Figura 49. Partículas chunk com indícios de fratura frágil e partículas elipsoidais ................ 50 Figura 50. Aglomerado de tribo-corrosão expelido em 140 horas. ........................................ 50 Figura 51. Dano por fadiga e delaminação na cabeça do pistão............................................. 51.

(10) Figura 52. Delaminação na cabeça do pistão ........................................................................ 52 Figura 53. PM acumulado na parte superior do cilindro ........................................................ 53 Figura 54. Comparação entre o a) dano apresentado próximo a cabeça do pistão e b) debri coletado pelo dispositivo ...................................................................................................... 53 Figura 55. Roda de falha do motor utilizando B6 aditivado .................................................. 54 Figura 56. Grafo dos principais mecanismos de desgaste do motor utilizando B6 aditivado .. 55 Figura 57. Matriz de transição .............................................................................................. 56 Figura 58. Matriz de transição estacionária........................................................................... 57 Figura 59. Matriz de transição estacionária para motor utilizando B6 aditivado .................... 57 Figura 60. Grafo de transição estacionário para motor utilizando B6 aditivado ..................... 58 Figura 61. Gráfico de convergência para a distribuição de equilíbrio, estabilidade atingida em 300 horas ............................................................................................................................. 59.

(11) LISTA DE TABELAS. Tabela 1. Características do motor. ...................................................................................... 26.

(12) LISTA DE SÍMBOLOS. PM10. Material particulado inferior a 10 µm. PM2,5. Material particulado inferior a 2,5 µm. Ca. Cálcio. Zn. Zinco. O. Oxigênio. S. Enxofre. P. Fósforo. Mg. Magnésio. Al. Alumínio. Si. Silício. Fe. Ferro. NOX. Óxido de nitrogênio. SOX. Óxido de enxofre. SO2. Dióxido de enxofre. SO3. Trióxido de enxofre. CO. Monóxido de carbono. SiC. Carbeto de silício. SiO2. Dióxido de silício. Al2 O3. Alumina. 𝜎. Desvio padrão. 𝑎𝑠. Raio característico da partícula. ρp. Massa específica da partícula. 𝐷𝑝. Diâmetro aerodinâmico de partícula. ds. Diâmetro de Stokes. Ω. Espaço amostral. ℱ. Sigma-álgebra / Eventos. P. Medida de probabilidade. t. Intervalo de tempo da cadeia. T. Conjunto de todos os intervalos de tempo. X(t). Desgaste para o tempo t. (𝑛). 𝑃𝑖𝑗. Probabilidade de saindo de i o estado j seja atingido em n passos. 𝑓𝑖𝑗. Probabilidade do estado 𝑗 ser atingido saindo de um estado 𝑖 no menor. número de passos possível.

(13) S. Espaço de estados da cadeia de Markov. 𝜇𝑗. Tempo médio de recorrência do estado j. d. Período da cadeia de Markov. 𝜋. Distribuição de probabilidade.

(14) RESUMO. Materiais particulados inferiores a 10 e 2,5 µm, PM10 e PM2,5, respectivamente; emitidos por motores diesel se inalados por seres humanos podem causar disfunções endoteliais, inflamações e estresse oxidativo. Em ambientes onde há uso intenso de motores de combustão interna, uma parcela do PM é composta por debris, partículas metálicas provenientes do desgaste do motor, portanto características tribológicas da origem e do padrão estocástico do PM são de fundamental importância na prevenção e controle dos problemas associados. Esse trabalho investigou e modelou segundo uma cadeia de Markov os mecanismos de desgaste e o PM emitido por dois motores do ciclo diesel: o primeiro utilizando B6 e o segundo B6 microemulsionado com tensoativo e água. Utilizou-se uma bancada dinamométrica acoplada a um motor e o PM foi coletado utilizando um novo dispositivo desenvolvido por integrantes do Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural da UFRN para captura de partículas. As coletas foram feitas a cada 20 horas dentro de um total de 140 horas, não contínuas, de funcionamento para cada combustível. Posteriormente, realizou-se a análise dos debris através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microanálise química por energia diepersiva de Raios-x (EDS), os principais mecanismos de desgaste identificados foram fadiga, tribocorrosão, dano por altas temperaturas e delaminação; a transição entre os mecanismos foi modelada segundo uma cadeia de Markov. A cadeia mostrou que as probabilidades de transição entre os mecanismos de desgaste possuem uma distribuição de equilíbrio para longos períodos e que o dano por fadiga possui o dobro da probabilidade de ocorrência que os demais. A distribuição de equilíbrio é atingida após 300 horas de funcionamento.. Palavras chave: Material particulado, Cadeia de Markov, Biodiesel, debris..

(15) ABSTRACT. Particulate matter less than 10 and 2.5 μm, PM10 and PM2,5, respectively; emitted by diesel engines if inhaled by humans can cause endothelial disorders, inflammation and oxidative stress. In environments where there is heavy use of internal combustion engines, a portion of PM is composed of debris, metal particles of engine wear, therefore, tribological characteristics of PM origin and behavior are of fundamental importance in the prevention and control of associated problems. This work investigated the wear mechanisms and PM emitted by two diesel engines: the first use B6 and the second B6 microemulsified with tensoactive and water. A dynamometer coupled to a motor was used and the PM was collected using a new device developed by the Tribology Study Group for capture particles. The collections were done every 20 hours within a total of 140 hours, not continuous, operating for each fuel. Subsequently, an analysis of the debris was carried out by scanning electron microscopy (SEM) and chemical microanalysis by X-ray dispersive energy (EDS) spectroscopy. The main wear mechanisms identified were fatigue, tribo-corrosion, damage by high temperatures and delamination; A transition between the mechanisms was modeled by a Markov chain. The chain showns transition probabilities between wear mechanisms, an equilibrium distribution for long periods and that the fatigue damage has twice the probability of occurrence. An equilibrium distribution is active after 300 hours of operation.. Keywords: Particulate matter, Markov Chain, Biodiesel, debr.

(16) 1. 1 INTRODUÇÃO Motores diesel (MD) são a fonte de energia de diversos equipamentos nos setores de mineralogia, agricultura, construção civil e, principalmente, no setor de transportes. Em todo o mundo seu uso crescente deve-se à durabilidade, à boa eficiência e ao baixo custo (PRASAD; BELLA, 2011). No Brasil o transporte rodoviário, veículos movidos à combustível diesel ou gasolina, movimenta mais de 107 milhões de usuários/ano. No deslocamento de cargas 61,1% das movimentações são feitas pelo transporte rodoviário, caminhões em maioria, entre 20,7 pelo ferroviário e 13,6% pelo hidroviário (CNT, 2017). No âmbito das maiores cidades, com mais de 60 000 habitantes, estima-se que 26% dos transportes de pessoas são feitos por ônibus (ANTP, 2012). Esses dados mostram a dependência econômico/social da sociedade atual em relação aos motores de ciclo diesel. Diante do cenário apresentado, os MDs tornaram-se um iminente problema pois contribuem significantemente para a poluição do meio ambiente (LIATI et al., 2012; PRASAD; BELLA, 2011; SINGH; CHAUHAN, 2014). Dentre as suas principais emissões estão o NOx e o material particulado (PM), em menor quantidade estão monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e enxofre (PRASAD; BELLA, 2011). A emissão de NOx é um dos principais causadores da chuva ácida. Já o PM é indesejável pois diminui a visibilidade, altera quimicamente a composição atmosférica e causa diversos problemas respiratórios nos seres humanos (KITTELSON, 1998). As partículas mais danosas ao meio ambiente e à saúde humana presentes no PM são as de menor diâmetro aerodinâmico, essas são classificadas em PM10 e PM2,5, partículas com diâmetro inferior a 10 µm e 2,5 µm, respectivamente (KRAFT, 2014). A Figura 1 mostra a comparação entre o tamanho do PM, um fio de cabelo humano e um grão de areia. Partículas nessa distribuição de diâmetro permanecem por mais tempo em suspensão na atmosfera, o que aumenta a probabilidade de inalação e a taxa com que a composição do ar é alterada. Após inalado o PM pode causar diversas complicações cardiorrespiratórias..

(17) 2. Figura 1. Comparação entre PM, fio de cabelo humano e grão de areia. Fonte: Adaptado de http://www.cienciahoje.org.br/noticia/v/ler/id/2146/n/perigo_no_ar/Post_page/10. O diâmetro de partícula (DP) do PM influencia, entre outras coisas, seu nível de penetração no sistema cardiorrespiratório humano. Quanto menor o PM maior o nível de penetração (Figura 2). A inalação do PM pode causar disfunções endoteliais, inflamações e estresse oxidativo (PÖSS et al., 2013).. Figura 2. Relação entre o tamanho do PM e o nível de penetração no sistema cardiorespiratório humano. Fonte: http://qnint.sbq.org.br/novo/index.php?hash=tema.76..

(18) 3. O PM possui composição química e morfologia diversificadas, entre eles é possível verificar a presença de partículas geradas pelo desgaste do motor, debris, compostas de ligas ferro/carbono e alumínio/silício com formato esférico ou de gota formando aglomerados (LIATI et al., 2012). Essa característica comprova a relação entre formação do PM e debris de desgaste do motor. Os veículos com mais tempo de uso possuem, em média, maior taxa de desgaste e maior emissão de debris no PM. A Figura 3 mostra a idade média, em anos, de cada tipo de veículo utilizado no Brasil.. Figura 3. Idade média dos veículos utilizados no Brasil. Fonte: http://appweb2.antt.gov.br/rntrc_numeros/rntrc_IdadeVeiculoMedia.asp. Em resposta a essa situação diversas diretrizes vêm sendo tomadas na tentativa de amenizar o problema. Na Europa, a European emission standards regula o nível de emissão do PM em MDs, o objetivo é estabelecer processos e cronogramas que visem à diminuição do nível de emissão de PM. Já no Brasil, o Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores (PROCONVE) é o responsável por limitar os níveis de emissão veicular. O propósito é reduzir o nível de emissão, induzindo o desenvolvimento tecnológico em combustíveis, motores e autopeças. Na Figura 4 é possível verificar a redução na taxa de emissão de poluentes por motores diesel após a implantação de cada fase da EURO e PROCONVE. A emissão de PM é medida em g/Kwh..

(19) 4. Figura 4. Redução na taxa de emissão de poluentes pós-regulamentação. Fonte: http://www.anfavea.com.br/documentos/SeminarioItem1.pdf. Dentre os métodos mais usados para controlar a emissão na queima do diesel estão o uso de biodiesel (CHUEPENG et al., 2011), recirculação de gases de exaustão (EGR), catalisador de oxidação diesel (DOC) e o filtro de particulado diesel (DPF) (FINO; RUSSO, 2011). Apesar de reduzir a emissão de partículas de maior tamanho e massa essas estratégias são pouco eficientes no controle das partículas mais finas e com menor massa. As partículas mais finas são as que causam maior dano à saúde humana (BROWN et al., 2001) e permanecem por mais tempo na atmosfera (KITTELSON, 1998). Em meio às diretrizes apresentadas para reduzir a poluição gerada por motores diesel, o Brasil se destaca no desenvolvimento de novos combustíveis como o biodiesel, que pode ser utilizado combinado com o diesel comum ou in natura. Estudos mostram que além do biodiesel poluir em média menos que o diesel comum devido a menores concentrações de enxofre, ele possui a vantagem de ser uma fonte energética renovável (FILHO, 2016). Motores operando com blendas de biodiesel, associação do biodiesel proveniente de diferentes matérias primas como soja e mamona, podem variar a produção de PM de acordo com as condições de operação do motor, concentração e matéria prima do biodiesel (SHAHIR; JAWAHAR; SURESH, 2015). No Brasil, o diesel comercializado atualmente nos postos de combustível são uma mistura do diesel S10 com 8% de biodiesel, quanto maior o percentual de biodiesel no combustível menor será as taxas médias de poluição pelos MDs e de queima de combustíveis não renováveis. Apesar de alterar a produção de PM e poluir menos que o diesel convencional algumas blendas podem causar o aumento da taxa de desgaste de alguns componentes do motor como os bicos injetores (SILVA, 2015)..

(20) 5. Uma parcela do PM é composta por debris provenientes do desgaste do motor, uma das possibilidades para reduzir a emissão de PM é mitigar o desgaste (LAGO et al., 2014). A taxa de desgaste pode apresentar diversas não-linearidades em seu comportamento, por esse motivo a modelagem estocástica da evolução do desgaste é uma importante ferramenta na estimativa das condições futuras do equipamento e consequente prevenção de danos maiores (GIORGIO; GUIDA; PULCINI, 2010). Como o desgaste futuro e a morfologia dos debris depende da condição atual, portanto apresentam “perda de memória”, podendo ser modelados segundo uma cadeia de Markov..

(21) 6. 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral Associar a casualização dos debris presentes em materiais particulados micrométricos emitidos por um motor diesel monocilíndrico estacionário aos principais mecanismos de desgaste constatados durante suas primeiras 140 horas de funcionamento.. 2.2 Objetivos Específicos . Redigir uma revisão da literatura sobre três conteúdos, emissões de partículas sólidas por MCI ciclo diesel, associação de debris e mecanismos de desgaste em motores diesel e potencialidades e limitações da modelagem de processos estocásticos usando-se cadeias de Markov;. . Desenvolver um método de análise dos debris coletados em janelas temporais prédefinidas;. . Modelar a acidentalização do processo, quantificando a probabilidade associada a cada um dentre os principais mecanismos de desgaste atuantes.. 2.3 Hipótese Investigativa A análise de debris coletados do material particulado emitido por um motor diesel pode ser associado probabilisticamente aos mecanismos de desgaste atuantes nesse motor..

(22) 7. 3 REVISÃO DA LITERATURA 3.1 Formação do Aerossol Aerossol é uma suspensão na fase gasosa de partículas sólidas ou líquidas. Em motores diesel a combustão completa do combustível é responsável por gerar um aerossol composto por dióxido de carbono e água, com exclusão de qualquer outro produto nocivo (PRASAD; BELLA, 2011). Em geral a queima de diesel dentro da câmara de combustão é incompleta e, consequentemente, há a formação de outros compostos orgânicos e inorgânicos. Os fatores para a queima incompleta de combustível são muitos, entre eles estão: rápidas variações de temperatura, heterogeneidade da mistura e processo de atomização. Em motores equipados com sistema de injeção direta de combustível o diesel é atomizado diretamente dentro da câmara de combustão gerando um spray. Os aspectos de atomização do combustível, assim como sua interação com as paredes do cilindro e os gases já presentes na câmara, influenciam na queima do diesel e nos produtos da combustão. A fase líquida do spray usualmente excede o ponto crítico termodinâmico para líquidos, tornando impraticável a utilização de modelos que descrevam com clareza o comportamento da mistura (KRAFT, 2014), porém é possível fazer estimativas à respeito das reações químicas através de seus produtos dentro da câmara de combustão.. 3.2 Composição da Emissão Na exaustão da queima do diesel, os produtos encontrados são CO, CO2 , NOX , SOX vapor, carbono, PM, hidrocarbonetos e ácidos; a maioria desses componentes são cancerígenos, mutagênicos e poluentes, em suspensão na atmosfera por longos períodos de tempo esses agentes podem causar diversos danos (SYDBOM et al., 2001). Em um primeiro estágio, partículas de carbono são formadas durante a combustão e a maioria delas oxida logo em sequência. Outra parcela das partículas de carbono são provenientes do óleo lubrificante que penetra na câmara de combustão e é queimado junto com o diesel, sendo responsável por uma parcela dos produtos eliminados da câmara. A evidência mais clara da presença de óleo lubrificante sendo queimado é a ocorrência de Ca e Zn nos gases de exaustão (JUNG; KITTELSON; ZACHARIAH, 2005)(LEE et al., 2006). Na sequência, a diluição e o resfriamento dos produtos da combustão são responsáveis pela conversão desses gases em partículas, eles são compostos principalmente por materiais semi-voláteis, hidrocarbonetos e ácidos de enxofre (SAKURAI et al., 2003a). Em relação aos.

(23) 8. hidrocarbonetos, a fase em que ele se apresenta (gás, líquido condensado, sólido) depende da sua concentração, peso molecular e da temperatura.. 3.3 Tamanho de Partículas Os aerossóis emitidos na queima do diesel apresentam três diferentes modos (Figura 5) (KITTELSON, 1998). O primeiro modo, conhecido como nuclei mode, consiste em aerossóis com um diâmetro de partícula (𝐷𝑝 ) variando de 3 a 30 nm formados por elementos orgânicos voláteis e compostos de enxofre que se diluíram e resfriaram após a combustão (TOBIAS et al., 2001). Esse modo é responsável por aproximadamente 90% do número de partículas emitidas. O segundo modo, accumulation mode, possui partículas com diâmetro entre 20 e 500 nm feitas de aglomerados de carbono e material adsorvido, esse modo contém a maior parte da massa do aerossol. O último modo, coarse mode, é composto por partículas provenientes do accumulation mode que se depositaram no sistema de exaustão, é responsável por 5 a 20 % da massa total do aerossol (KRAFT, 2014).. Figura 5. Típica distribuição de diâmetros aerodinâmicos para aerossóis de motores. Fonte: Adaptado de TOBIAS et al., 2001.. O diâmetro de partícula apresentado na Figura 1 é conhecido como diâmetro aerodinâmico. As partículas presentes nos aerossóis, em geral, não possuem formato esférico e, devido a heterogeneidade do particulado, sua massa específica é desconhecida. Com o.

(24) 9. objetivo de descrever o movimento das partículas em suspensão na atmosfera assim como o tempo que elas permaneceram nesse estado, introduziu-se o conceito de diâmetro aerodinâmico. Trata-se do diâmetro de uma esfera hipotética a qual as características de seu movimento imersa em um fluido são semelhantes a da partícula a qual se deseja analisar (FLANAGAN; SEINFELD, 1988). O diâmetro aerodinâmico é um parâmetro associado as reações da partícula devido a forças inerciais. Para determiná-lo é necessário conhecer o tamanho, o formato e a massa específica estimada das partículas (LUSHNIKOV, 2010) (VINCENT, 2007). Dentre os diâmetros aerodinâmicos mais comuns estão o diâmetro de Stokes e o diâmetro aerodinâmico clássico. O diâmetro de Stokes (ds ) é definido como sendo o diâmetro de uma esfera com a mesma massa específica e velocidade terminal que a partícula real no fluido. Já o diâmetro aerodinâmico clássico é estabelecido como o diâmetro de uma esfera com massa específica unitária e mesma velocidade terminal que a partícula real. Dessa maneira, partículas com diferentes formatos e massas específicas (ρp ) podem apresentar o mesmo diâmetro aerodinâmico, Figura 6.. Figura 6. Partículas de diferentes formatos e massas específicas com mesmo diâmetro aerodinâmico. Adaptado de (RICHARDS, 2000). É importante salientar que o diâmetro aerodinâmico está associado ao tempo que uma partícula pode permanecer em suspensão na atmosfera. Esse parâmetro não está associado ao nível de toxidade das partículas e nem tão pouco as características tribológicas dos debris presentes no PM. Como consequência duas partículas podem possuir mesmo diâmetro aerodinâmico, porém afetar de maneira diferente a atmosfera devido diferenças na composição química e área de contado entre a partícula e o meio..

(25) 10. Para a maioria dos aerossóis emitidos por motores do ciclo diesel a distribuição do tamanho das partícula segue uma distribuição Log-Normal, dada pela Equação 1 (VINCENT, 2007):. 𝑓𝐿 (𝑎) =. 1 1 𝑎 [− exp ln ²( )] 𝑎 2 ln ²𝜎 𝑎𝑠 √2𝜋( ⁄𝑎𝑠) ln 𝜎. (1). Essa distribuição depende principalmente de dois parâmetros: O raio característico da partícula (𝑎𝑠 ) e do desvio padrão (𝜎).. 3.4 Material Particulado O PM consiste em maior parte de carbono e, em menor quantidade, de compostos orgânicos provenientes de hidrocarbonetos não queimados e inorgânicos como cinza e enxofre (MATTI MARICQ, 2007). A Figura 7 apresenta a distribuição desses compostos emitidos por um veículo de carga sob um ciclo transiente.. Figura 7. Gráfico da composição química das partículas emitidas por um veículo diesel (MATTI MARICQ, 2007).. Quase a totalidade do enxofre presente no combustível oxida após a combustão e forma SO2 , a fração restante é oxidada em SO3 , esses compostos em contato com a água produzem ácido sulfúrico e sulfetos responsáveis por desgaste corrosivo do sistema de escapamento do veículo além de contribuírem para a formação da chuva ácida (KITTELSON, 1998). A quantidade de ácido sulfúrico produzida é influenciada diretamente pela quantidade de enxofre presente combustível (TOBIAS et al., 2001). A parcela inorgânica encontrada nas cinzas da.

(26) 11. combustão possuem metais oriundos de diversos mecanismos de desgaste e do combustível utilizado (WANG; HUSSIN; JEFFERIS, 2012). É importante salientar que a quantidade de PM caracterizada na emissão de um ciclo diesel depende, principalmente, de parâmetros como: a composição do combustível, as condições de operação e o tipo do motor, circunstâncias de coleta do particulado (SAKURAI et al., 2003b). Para esse último, algumas normas são estabelecidas para que a coleta do PM seja realizada de maneira satisfatória, a quantidade de PM capturado em cada ensaio varia de acordo com a diluição e o resfriamento da emissão, nucleação, condensação, adsorção (KITTELSON, 2001) (JUNG; KITTELSON, 2005). A temperaturas muito elevadas, boa parte dos materiais voláteis estão na forma gasosa, dessa forma, cuidados nos processos de diluição e resfriamento devem ser tomados a fim de permitir a adsorção ou a condensação nas partículas existentes permitindo a nucleação de novas partículas (JUNG; BAE, 2015) (QIU et al., 2014). A Figura 8 mostra a formação e o desenvolvimento de compostos orgânicos e inorgânicos após o processo de combustão de acordo com a temperatura.. Figura 8. Relação entre estrutura química e temperaturas após a injeção e ignição do combustível (FLYNN et al., 1999).. No primeiro estágio um jato de combustível e ar quente entram no difusor a uma temperatura de aproximadamente 825 K, a mistura segue reagindo para formar produtos da combustão rica, como CO e hidrocarbonetos não queimados, principalmente acetileno e radicais probagyl. Nas temperaturas acima de 1300 K algumas espécies passam por uma rápida.

(27) 12. reação de polimerização que leva a formação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP), esses são os principais responsáveis pela geração de aglomerados de partículas na exaustão. A condensação do HAP leva à formação de pequenas partículas que, junto com os hidrocarbonetos não queimados, passam por um difusor fazendo com que sejam convertidos em CO2 e água após um rápido processo de troca de calor. Devido a elevada temperatura a formação de NOx é favorecida nessa região (FLYNN et al., 1999).. 3.5 Debris Presentes no Particulado Os componentes dinâmicos dos motores diesel estão permanentemente em contato seja com outros componentes dinâmicos; como pistão, anéis de segmento e válvulas, ou com componentes estáticos; cilindro, tanque de combustível e sistema de exaustão. Esse contato está sempre acompanhado de desgaste e produz debris (ASHRAFUL et al., 2014). A presença de debris representa perda de precisão geométrica do equipamento, além de obstruir orifícios e atuar como terceiro corpo, intensificando o desgaste. Por possuírem muitas vezes dimensão nanométrica e pouca massa, os debris podem ser expelidos pelo sistema de exaustão dos veículos ao invés de se depositar no óleo lubrificante. Essa é uma das causas da presença de metais nas emissões dos MDs. Dessa forma, o conhecimento da gênese dos debris reflete diretamente no entendimento da formação de parte do PM. No âmbito da manutenção preditiva a análise de óleo é utilizada para diagnosticar o atual estado de desgaste do equipamento e, como consequência, realizar ou programar a sua manutenção. Esse diagnóstico é feito através de várias técnicas de monitoramento, entre elas a que apresenta maior precisão e confiabilidade é a análise dos debris de desgaste. Nela estão presentes técnicas indutivas e capacitivas, monitoramento óptico da turbidez do óleo e filtros elétricos (WRIGHT; NEALE, 1987).. 3.6 Classificação dos Debris Existem seis tipos de debris gerados por mecanismos de desgaste, eles podem ser rubbing, esférico, laminar, cutting, fatigue chunk, ou deslizamento severo (EBERSBACH; PENG; KESSISSOGLOU, 2006). Conhecer os tipos de debris que são produzidos por MDs significa entender os mecanismos de desgaste que estão atuando, realizar a manutenção do equipamento, se necessário, e consequentemente reduzir a emissão de PM..

(28) 13. Partículas do tipo rubbing (Figura 9) são formadas pelo cisalhamento entre superfícies em deslizamento e seu tamanho varia entre 0,5 e 15 µm. Possuem pequena área e rugosidade superficial se comparadas aos demais debris (PENG; KIRK, 1998a).. Figura 9. Imagem de um debri do tipo rubbing (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013).. Debris esféricos (Figura 10) são causados por cavitação, erosão e/ou por soldagem. Sua área projetada é semelhante ao de um círculo. Sua circularidade, razão entre a menor e a maior dimensão, é maior do que 0,8. A presença constante desse tipo de debri é um alerta para a realização de manutenção urgente (PENG; KIRK, 1998a). Lima (2010) verificou que a presença de debris esféricos na cabeça do pistão de um motor de aeromodelo, a origem dessas partículas foi associada a flutuações pontuais de temperatura dentro da câmara de combustão.. Figura 10. Imagem de um debri esférico (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013).. Os debris do tipo laminar ou platelet (Figura 11) são caracterizados por um comprimento elevado em comparação com suas demais dimensões, a razão entre seu.

(29) 14. comprimento e espessura é de aproximadamente 30:1. O formato de suas bordas é aleatório com a presença de alguns orifícios em sua superfície. O aumento da presença de debris laminares é um indicativo de desgaste severo, especificamente nos rolamentos do equipamento (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013). Debris do tipo platelet também podem ser oriundos de trincas térmicas causadas por flutuações de temperatura dentro da câmara de combustão (LIMA, 2010).. Figura 11. Imagem de uma partícula laminar / platelet (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013).. Debris com longo comprimento e formato ligeiramente curvado recebem o nome de cutting (Figura 12). São provenientes de desgaste abrasivo em que uma superfície penetra na outra seja em um sistema tribológico com dois ou três corpos em contato. A presença aleatória de cutting não indica grandes problemas, porém o aumento acelerado dessas partículas no óleo são um indicativo de falha do equipamento iminente (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013).. Figura 12. Imagem de uma partícula cutting (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013)..

(30) 15. Partículas do tipo chunk (Figura 13) apresentam uma de suas bordas com formato regular enquanto as outras bordas são irregulares e aleatórias. São resultados do desgaste por deslizamento e por rolamento. A presença constante de chunk debris é um indicativo de elevadas cargas ou velocidades nas engrenagens (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013).. Figura 13. Imagem de uma partícula chunk (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013).. Debris gerados por deslizamento severo (Figura 14) são caracterizados por diversos riscos paralelos em sua superfície, sua origem está associada ao deslizamento entre duas superfícies em contato em que a lubrificação não está atuando de maneira eficiente. Sua presença sugere a necessidade de troca no filme lubrificante (PENG; KIRK, 1998b).. Figura 14. Imagem de uma partícula de desgaste severo de deslizamento (KUMAR; SHANKAR MUKHERJEE; MOHAN MISRA, 2013)..

(31) 16. 3.7 Morfologia dos Debris na Exaustão Diesel A necessidade de reduzir a taxa de emissão de poluentes por MDs trouxe um desafio a mais para o desenvolvimento de soluções tribológicas para os veículos. Esse desenvolvimento ocorre nas áreas de materiais, combustíveis, lubrificantes e design. Liati et al. (2012) realizou ensaios com um caminhão leve e investigou o particulado depositado em um filtro cerâmico feito de SiC acoplado à exaustão do veículo. O filtro foi analisado através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios x por dispersão em energia (EDX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). O combustível utilizado foi o diesel comercial S10 e o ensaio foi realizado durante 250 horas. Os elementos encontrados em maior quantidade foram O, S, Ca, P, Zn e Mg, em menor número estão Al, Si e Fe; esses últimos provenientes de mecanismos de desgaste do equipamento. Esses elementos estão presentes em aglomerados de partículas do PM2,5 (Figura 15). As imagens feitas pelo MEV mostram alguns aglomerados com bordas irregulares e formato esférico (Figura 16A) e partículas semelhantes a uma gota recém-formada (Figura 16B). A composição das estruturas encontradas com características esféricas é de silicato de alumínio (Figura 16C) e ferro oxidado (Figura 16D). O tamanho de alguns agregados variou entre 200 e 600 nm (LIATI et al., 2012).. Figura 15. Composição química do PM (LIATI et al., 2012)..

(32) 17. Figura 16. (A) Partícula esférica; (B) partícula em forma de gota; (C) Partícula de silicato de alumínio; (D) Partícula de ferro oxidado (LIATI et al., 2012).. A formação de estruturas com formato esférico ou de gota pode estar associada à fusão de silicato de alumínio a altas temperaturas, seguido por um rápido resfriamento e solidificação, semelhante a um processo de têmpera (LIATI et al., 2012). A temperatura de fusão para um sistema binário puro de Al2 O3 − SiO2 é de aproximadamente 1630 °C. Já as estruturas de óxido de ferro podem ter sido formadas pela decomposição de minerais de ferro durante a combustão. Outra alternativa para a formação de esferas de ferro é através da abrasão entre as partes móveis do motor. Lago et al. (2014) utilizou um filtro têxtil acoplado ao escapamento de um motor estacionário para analisar o PM emitido através de MEV e EDS. O motor utilizou como combustível B5. Foi verificado a presença predominante de debris do tipo platelets fragmentados na escala do PM10 e PM2,5 . Dentre os principais elementos encontrados estão alumínio, silício e cálcio, Figura 17, sugerindo que os platelets são provenientes do desgaste da cabeça do pistão do motor..

(33) 18. Figura 17. Composição química dos plateles coletados no PM (LAGO et al., 2014).. 3.8 Cadeia de Markov Um processo estocástico trata-se de um conjunto de variáveis randômicas {𝑋𝑡 , 𝑡 ∈ 𝑇} indexadas por um parâmetro t, definidas sobre um espaço de probabilidades (Ω, ℱ, P). Na maioria das aplicações em engenharia, t é adotado como sendo um intervalo de tempo pertencente a um conjunto T de inteiros não-negativos, ou seja, trata-se de um processo a tempo discreto. X(t) representa o parâmetro mensurável de interesse como a taxa de desgaste, a temperatura ou a taxa de vibração de um equipamento, por exemplo. Para esse estudo X(t) simboliza o mecanismo de desgaste predominante na câmara de combustão do motor no tempo t. Um processo estocástico é considerado Markoviano se a probabilidade de qualquer evento futuro é independente do evento passado e dependente apenas do evento presente, ou seja, não há correlação. Esse tipo de processo estocástico é também denominado de “processo sem memória”. Nessa seção serão apresentadas algumas definições sobre processos estocásticos do tipo Markoviano (BARBOSA, 2009). Definição 3.8.1 Um conjunto S denotado por todos os possíveis valores de um processo é chamado de espaço de estados, para a condição de um S enumerável o processo trata-se de uma cadeia, na condição de um S não-enumerável o processo possui espaço de estados geral. O espaço de estados que engloba os mecanismos de desgaste que agem em um equipamento trata-se de um espaço enumerável (BARBOSA, 2009). Definição 3.8.2 Um processo estocástico {𝑋𝑡 , 𝑡 = 0,1,2, … } com espaço de estados 𝑆 = {1,2, … , 𝑠} é uma cadeia de Markov se satisfaz a condição dada pela Equação 2 (SILVA, 2010):.

(34) 19. 𝑃(𝑋𝑛 = 𝑖𝑛 |𝑋𝑛−1 = 𝑖𝑛−1 , … , 𝑋0 = 𝑖0 ) = 𝑃(𝑋𝑛 = 𝑖𝑛 |𝑋𝑛−1 = 𝑖𝑛−1 ),. (2). ∀ 𝑛 ∈ ℕ e ∀ i ∈ S = {1,2, … , 𝑠}. Definição 3.8.3 Uma cadeia de Markov é considerada estacionária no tempo quando a probabilidade de transitar de um estado para outro é independente do tempo. Por exemplo, considerando dois estados 𝑖, 𝑗 ∈ 𝑆: 𝑃(𝑋𝑛 = 𝑗|𝑋𝑛−1 = 𝑖) = 𝑃(𝑋𝑛+𝑘 = 𝑗|𝑋𝑛+𝑘−1 = 𝑖). (3). Em que 𝑘 = −(𝑛 − 1), −(𝑛 − 2), … , −1,0,1, … A probabilidade de em uma cadeia de Markov sair de um estado 𝑖 e um estado 𝑗 ser (𝑛). (𝑛). atingido em um número de passos 𝑛 é denotado por 𝑃𝑖𝑗 , ou seja, 𝑃𝑖𝑗. = 𝑃 (𝑋𝑘+𝑛 = 𝑗|𝑋𝑘 = 𝑖).. Quando 𝑛 é o menor número de passos dado para o estado 𝑗 ser atingido saindo de um estado 𝑖 (𝑛). é denotado que 𝑃𝑖𝑗. = 𝑓𝑖𝑗 . Tais probabilidades são conhecidas como probabilidades de. transição da cadeia (SANTOS, 2007). Em um processo estocástico do tipo cadeia de Markov com espaço de estados 𝑆 = {1,2,3, … , 𝑠}, possui 𝑠 2 probabilidades de transição. Tais probabilidades são comumente representadas em formato matricial 𝑃 = {𝑝𝑖𝑗 , 𝑖, 𝑗 = 1,2, … , 𝑠}, a qual os elementos da matriz representam as probabilidades de saindo de um estado i um estado j seja atingido em um passo. Tal matriz recebe o nome de matriz de transição (SANTOS, 2007). 𝑝11 𝑃= ( ⋮ 𝑝𝑠1. … 𝑝1𝑠 ⋱ ⋮ ) … 𝑝𝑠𝑠. Outra maneira de representar as probabilidades de transição de estados é por meio de grafos. O sentido das flechas indica a probabilidade de transição de um estado i para um estado j. A Figura 18 é um exemplo de grafo com três estados..

(35) 20. Figura 18. Grafo de três estados.. Definição 3.8.4 Em uma cadeia de Markov dissemos que um estado 𝑗 ∈ 𝑆 é recorrente se, entrando nesse estado, o processo necessariamente irá retorna para o mesmo (BARBOSA, 2009), ou seja: (𝑛) lim ∑∞ 𝑘=1 𝑝𝑗𝑗 = ∞. 𝑛→∞. (3). Escrevendo de outra forma, 𝑓𝑗𝑗 = 1. (4). Definição 3.8.5 Um estado j é classificado como transiente caso, uma vez que esse estado foi visitado, o processo pode nunca mais retornar para o mesmo. Um estado transiente é visitado um número finito de vezes (BARBOSA, 2009). Podemos escrever que em um estado j transiente:. (𝑛) lim ∑∞ 𝑘=1 𝑝𝑗𝑗 =. 𝑛→∞. 𝑓𝑗𝑗 1−𝑓𝑗𝑗. (5). Portanto para j transiente: 𝑓𝑗𝑗 < 1. (6). Definição 3.8.6 Admitindo um estado 𝑗 ∈ 𝑆 recorrente, o tempo médio necessário para saindo de j a cadeia retorne ao estado j é chamado de tempo médio de recorrência e pode ser calculado pela Equação 7 (BARBOSA, 2009)..

(36) 21. (𝑛) 𝜇𝑗 = ∑∞ 𝑛=1 𝑘. 𝑝𝑗𝑗. (7). Definição 3.8.7 Caso o tempo médio de recorrência convirja para um valor finito, 𝜇𝑗 < ∞ , o estado j é chamado de recorrente positivo. Por outro lado, se 𝜇𝑗 = ∞, o estado j é definido como recorrente nulo (BARBOSA, 2009). Definição 3.8.8 Se dois estados diferentes no espaço de estados 𝑆 se comunicam entre si, 𝑖, 𝑗 ∈ 𝑆 𝑖 ≠ 𝑗 e 𝑖 ↔ 𝑗, eles pertencem a uma mesma classe na cadeia. A recorrência é um propriedade de classe, portanto se dois estados pertencem a uma mesma classe e um deles for recorrente o outro necessariamente será recorrente (BARBOSA, 2009). Definição 3.8.9 Sejam dois estados 𝑗 ∈ 𝑆 recorrente, 𝑖 ∈ 𝑆 e 𝑖 ↔ 𝑗. Se o estado 𝑗 é aperiódico então (NETO, 2010): 1. (𝑛). lim 𝑝𝑖𝑗 =. 𝑛→∞. (8). 𝜇𝑗. Definição 3.8.10 Se 𝑗 possui comportamento periódico, com período 𝑑, então existe 0 ≤ 𝑟 ≤ 𝑑 tal que (NETO, 2010): (𝑚𝑑+𝑟). lim 𝑝𝑖𝑗. 𝑚→∞. =. 𝑑 𝜇𝑗. (9). (𝑛). 𝑝𝑖𝑗 = 0 para o caso de 𝑛 ≠ 𝑚𝑑 + 𝑟. Porém existe um 𝑛 em particular que: (𝑛𝑑) lim 𝑝 𝑛→∞ 𝑖𝑗. =. 𝑑 𝜇𝑗. (10). Definição 3.8.11 Em uma cadeia que haja um estado 𝑗 periódico o período 𝑑 é dado pelo máximo divisor comum entre os número de passos 𝑛 para que saindo de um estado 𝑗 a cadeia retorne para o mesmo estado, ou seja (NETO, 2010): (𝑛). 𝑑 = 𝑚𝑑𝑐{𝑛, 𝑝𝑗𝑗 > 0}. (11). Definição 3.8.12 Uma cadeia de Markov com matriz de transição P = (pij )i,j∈S é considerada ergódica, se para todo 𝑗 ∈ 𝑆, existe (BARBOSA, 2009):.

(37) 22. (𝑛) lim 𝑝 𝑛→∞ 𝑖𝑗. = 𝜋𝑗. (12). e ∑𝑗∈𝑆 𝜋𝑗 = 1. (13). Definição 3.8.13 Uma cadeia de Markov é dita irredutível quando todos os seus estados (n). se comunicam, ou seja, para qualquer i, j ∈ S há um n ∈ ℕ tal que pij (k). tal que pij. > 0 e existe um k ∈ ℕ. > 0 (NETO, 2010).. Definição 3.8.14 Uma distribuição de probabilidade 𝜋 = (𝜋𝑗 )𝑗∈𝑆 é chamada estacionária para a cadeia de Markov com matriz de transição 𝑃 = (𝑝𝑖𝑗 )𝑖,𝑗∈𝑆 se (BARBOSA, 2009): 𝜋 = 𝜋𝑃. (14). Definição 3.8.15 Seja {𝑋𝑛 }𝑛≥0 uma cadeia de Markov irredutível, aperiódica e recorrente positiva. Então {𝑋𝑛 }𝑛≥0 possui uma única distribuição estacionária 𝜋 dada por (NETO, 2010):. 𝜋𝑗 =. 1 𝜇𝑗. (15).

(38) 23. 4 MATERIAIS E MÉTODOS. Os métodos atuais de captura e análise de PM são caros e necessitam de condições muito específicas para ensaio. Nesse sentido, os integrantes do Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural da UFRN desenvolveu para esse trabalho um novo dispositivo de captura de partículas que realiza o procedimento sem a necessidade de pausa no funcionamento do motor e a um baixo custo, visto que se trata de material reciclado. O equipamento consiste em uma cápsula de aço com corpo prismático de base retangular, em uma das bases da capsula existe um acoplamento de formato cilíndrico com rosca externa com o objetivo de unir o dispositivo ao escapamento do motor. As dimensões externas do equipamento são mostradas em centímetros na Figura 19.. Figura 19. Dimensões do dispositivo desenvolvido para captura de debris.. O dispositivo funciona capturando e armazenando as partículas oriundas da câmara de combustão. Por esse motivo, ele pode ser utilizado de maneira contínua para o caso da análise necessitar as partículas acumuladas em longos períodos, ou na captura de debris nas janelas temporais selecionadas em função da vida, em ciclos, do motor (104 , 105 , 106 , … ). Para que as partículas ao adentrarem no dispositivo não entrem em recirculação e voltem para o escapamento, no seu interior, junto as paredes, é utilizado um filtro formado por um elemento têxtil, papel couché, ao qual as partículas ficam aderidas ao adentrarem. A Figura 20 apresenta a) a cabeça do cilindro, b) escapamento do motor, c) o acoplamento, d) o dispositivo..

(39) 24. Figura 20. Vista superior do sistema de coleta de debris acoplado ao sistema de exaustão do motor. a) cabeça do cilindro, b) escapamento, c) acoplamento, d) dispositivo de coleta de debris.. O elemento têxtil escolhido para funcionar como filtro é o papel couché devido ao seu baixo custo, facilidade de aquisição e manuseio. Como qualquer filtro, o papel couché possui alguns orifícios para permitir a passagem do fluido e como consequência uma parcela das partículas ficam aderidas a sua superfície enquanto o restante passa pelos orifícios. As imagens de MEV do papel mostraram que o comprimento médio dos orifícios é de 4,20 µm com geometria elíptica (Figura 21), ou seja, boa parte das partículas inferiores a essa dimensão passaram e não ficaram aderidas ao filtro.. Figura 21. Orifícios do elemento têxtil retentor de material particulado..

(40) 25. O dispositivo foi acoplado ao escapamento do motor em sua região de curvatura (Figura 20), o mais próximo possível da exaustão da câmara de combustão. O projeto de escolha do local a ser realizado o acoplamento dispositivo/motor levou em consideração o percurso de menor resistência para os gases de exaustão, o local escolhido possui menor perda de carga em comparação a curvatura natural do escapamento, como consequência, grande parte da exaustão entra no dispositivo. Os ensaios foram realizados em um motor do ciclo diesel novo quatro tempos, um cilindro, estacionário com injeção direta de combustível do modelo Branco BD-5.0, 5 hp. O motor funcionou acoplado a um dinamômetro com carga constante de 333 W e uma rotação de 2600 ± 100 cpm, tais valores de carga e rotação foram escolhidos por serem os mais comuns no trânsito urbano brasileiro. A Figura 22 e 23 mostram de maneira esquemática e real a bancada de ensaios utilizada, respectivamente. A Tabela 1 apresenta mais especificações do motor utilizado.. Figura 22. Representação esquemática da bancada dinamométrica..

(41) 26. Figura 23. Bancada dinamométrica.. Tipo. Horizontal, um cilindro, air cooled. Sistema de Combustão. Injeção direta. Diâmetro x Curso. 70 x 55 mm. Capacidade do Cilindro. 211 cm³. Taxa de Compressão. 20:1. Potência Máxima. 5.0 cv a 3600 cpm. Potência Contínua. 4.2 cv a 3600 cpm. Máximo Torque. 1.25 kgfm a 2500 cpm. Sistema de Lubrificação. Forçado por bomba de óleo. Capacidade de Óleo. 0.75 L. Tabela 1. Características do motor. Esse trabalho é uma continuidade do estudo desenvolvido por Lago et al. (2014), em que foi ensaiado um motor com as especificações descritas na Tabela 1 durante 150 horas. Como combustível um blend de diesel S10 com 5% de biodiesel (B6) adquirido em um da rede petrobrás, esse combustível estava em vigor pela PROCONVE no período do início dos ensaios. Foram realizadas seis coletas do PM durante a fase de running-in, que segundo Lago et al. (2014), durou 20 horas, a cada coleta o filtro utilizado era substituído por um novo para reduzir.

(42) 27. a interferência entre as fases de ensaio. Posteriormente, as coletas foram feitas durante 24, 25, 26, 27, 28 e 29 horas, essas primeiras amostras pós running-in foram levadas para análise de MEV e EDS. Os resultados apresentados não mostraram grandes alterações de morfologia e composição química do PM, por esse motivo, as coletas subsequentes foram feitas em 118, 119, 120 horas. O ensaio continuou até 150 horas sem novas coletas, para então o motor ser desmontado e feita uma inspeção visual em seus componentes. Para esse estudo, um novo motor foi montado com as mesmas especificações utilizadas por Lago et al. (2014). O combustível usado foi um blend de diesel S10, 6% de biodiesel (B6) microemulsionados com água e tensoativo (TA) desenvolvido por FERNANDES, 2011). Devido a adição de água ao combustível a temperatura adiabática de chama é reduzida, como consequência, é de se esperar que a câmara de combustão apresente menor temperatura média durante a combustão. Baseado no trabalho de Lago et al. (2014) em que o PM apresentou alterações significativas de morfologia e composição química em incrementos de vinte horas, os filtros contendo o PM foram coletados a cada passo de vinte horas com o objetivo da elaboração de uma cadeia de Markov de tempo discreto. O PM coletado foi comparado com os resultados obtidos por Lago et al. (2014). Após os ensaios o motor foi desmontado e feita uma inspeção visual de seus componentes. Todos os filtros coletados foram levados para análise de MEV e EDS. Inicialmente foram mapeadas as fases de ensaio em que havia maior e menor presença de PM relacionandoa com a área de cada partícula. Essa estratégia foi adotada pois os métodos atuais relacionam a quantidade de PM com o diâmetro aerodinâmico de cada partícula, gráficos como o mostrado na Figura 5 são de grande importância na determinação do tempo em que as partículas permanecem em suspensão na atmosfera, porém não possuem relação direta com o nível de toxicidade do PM. Por outro lado, a área de contado e a composição química são importantes parâmetros associados a velocidade e comportamento das reações químicas, em outras palavras, se relacionam com o nível de toxicidade. As imagens de MEV coletadas por Lago et al. (2014) foram carregadas no software ImageJ e a área do PM foi discretizada em cada imagem. O objetivo é identificar a fase de funcionamento do motor com maior toxidade do PM. Para esse estudo, a morfologia dos debris coletados foi analisada e posteriormente construída uma roda de falha dos principais mecanismos de dano presentes na câmara de combustão. Os mecanismos foram divididos em quatro grandes grupos de desgaste, são eles: por fadiga, tribo-químico, por altas temperaturas e por delaminação. As relações entre o tipo de debri, a morfologia e o mecanismos de desgaste são apresentadas na Figura 24..

(43) 28. Figura 24. Classificação, morfologia e mecanismos de desgaste responsáveis pela formação dos debris..

(44) 29. Os mecanismos de desgaste predominantes foram definidos como os estados de uma cadeia de Markov e a probabilidade de transição entre os estados foi gerada com base na mudança de concentração dos tipos de debri para cada passo de 20 horas da cadeia. O grafo de transição foi montado e os estados foram classificados em recorrentes ou transientes. Foi verificado se algum dos estados possuía comportamento periódico e se a cadeia convergia para uma distribuição de equilíbrio. A Figura 25 apresenta o fluxograma da metodologia utilizada.. Figura 25. Fluxograma da metodologia utilizada nesse trabalho..

(45) 30. 5 RESULTADOS. Os resultados que serão apresentados nessa seção estão divididos em três partes, são elas: Área superficial do PM, Avaliação do efeito dos combustíveis e Definição da cadeia de Markov. Nas três partes foram feitas análises de MEV, sendo que na Avaliação do efeito do combustível também foram realizadas análises de EDS. A morfolofia dos debris foi comparada com as morfologias mostradas na Figura 24, após a comparação foi possível inferir os mecanismos de desgaste atuantes na câmara de combustão do motor. Os resultados apresentados nas seções 5.1 Área superficial do PM; e 5.2 Avaliação do efeito do combustível; também foram levados em consideração na elaboração da cadeia de Markov apresentada na seção 5.3.. 5.1 Área Superfical do PM A Figura 26a mostra o PM coletado nas primeiras 20 horas de ensaio utilizando B6 como combustível, essa fase é considerada nas especificações do motor como fim do running-in. As partículas apresentam características não-homogêneas de formato e tamanho. A maior parte das partículas possuem bordas irregulares e superfície lisa, em menor quantidade, é possível verificar algumas de formato esférico. A Figura 26b mostra o PM coletado após 120 horas de ensaio. É possível verificar que as partículas denotam uma maior tendência a formar aglomerados em comparação com a fase de 20 horas..

(46) 31. Figura 26. a) PM emitido pela queima de B6 durante as primeiras 20 horas de ensaio, b) PM emitido pela queima de B6 após 120 horas de ensaio.. A Figura 27a apresenta a distribuição da área superficial das partículas presentes na Figura 26a. A distribuição lognormal foi a que mais se adequou aos dados experimentais..

(47) 32. Figura 27. Distribuição de área do PM emitido pelo B6 em a)20 horas de ensaio, b) 120 horas de ensaio.. A Figura 27b apresenta a distribuição da área superficial das partículas presentes na Figura 26b. A quantidade de partículas de menor tamanho foi reduzida em quase dez vezes em comparação com a fase de vinte horas, esse fato evidencia que a quantidade de PM emitido é dependente, entre outras coisas, do tempo que o equipamento está em serviço.. As duas curvas exibem assimetria na região próximo as partículas menores, esse aspecto pode ser consequência do fato que a maioria das partículas com comprimento inferior a 4,20µm.