Prêmio AEA Projetos de Meio Ambiente NOVA BRONZINA COM COBERTURA POLIMÉRICA PARA REDUÇÃO DE ATRITO E EMISSÃO DE CO 2

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Prêmio AEA 2012 - Projetos de Meio Ambiente

NOVA BRONZINA COM COBERTURA POLIMÉRICA PARA

REDUÇÃO DE ATRITO E EMISSÃO DE CO

2

Matheus dos Santos Ferreira, Mário Sérgio da Silva Praça, Samantha Uehara, Sandra Matos Cordeiro Costa

Centro Tecnológico MAHLE METAL LEVE S.A.

RESUMO

Em função da necessidade de redução na emissão de gases poluentes, guiada basicamente pela redução de CO2,há condições de operação intermitente de motor

com lubrificação reduzida nas bronzinas. Essas condições podem ocorrer mais freqüentemente em certas aplicações tais como: motores flex, motores equipados com dispositivo stop-start, especificações de óleos com baixa viscosidade e em regimes de altas rotações nos casos em que bielas e virabrequim possuem rigidez reduzida.

Nessas ocasiões a ruptura do filme de óleo ocasionará condições de cargas mais elevadas e o aumento da robustez do sistema é necessária. Para tanto, o desenvolvimento de coberturas de baixo atrito e melhora na resistência ao desgaste se torna uma demanda indispensável.

A resposta da MAHLE para essas condições especiais de operação se dá na forma de uma nova cobertura polimérica para as bronzinas. Esta cobertura, aplicada na forma de spray sobre bronzinas bimetálicas, possui as propriedades de baixo atrito necessárias para essas operações. Nessas novas bronzinas com cobertura polimérica, as temperaturas de operação bem como o atrito são reduzidos gerando redução expressiva no desgaste. Além disso, suportam cargas mais elevadas do que as bronzinas bimetálicas sem essa cobertura, o que auxilia na manutenção da robustez do funcionamento das mesmas nas aplicações citadas, viabilizando um

design ótimo dos motores para redução de emissão de gases poluentes.

APLICABILIDADE

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Demonstrar a redução de atrito e desgaste proporcionado pela cobertura polimérica aplicada sobre bronzinas bimetálicas e seus benefícios na redução de emissão de gases poluentes.

1. Introdução

Em motores modernos, o projeto dos componentes tem se tornado cada vez mais complexo devido ao aumento das cargas necessárias para se atingir melhor eficiência e redução de emissões de gases poluentes. Para tanto, as propriedades dos materiais também devem ser melhoradas para suportar essas novas demandas. Em função da interação entre as superfícies nos mancais, a redução do atrito é um importante parâmetro de projeto a ser observado durante o desenvolvimento do motor. O atrito nas bronzinas pode ser medido basicamente pelo aumento da temperatura neste componente. Esse aumento de temperatura pode ocasionar a diminuição da viscosidade do filme de óleo que mantém as condições de trabalho controladas, provocando condições de eventual contato metal-metal. Em alguns casos pode causar a falha do componente [1].

A Figura 1 mostra a distribuição das perdas de energia por atrito de alguns componentes internos de um motor a gasolina de 1.9l em uma condição de carga parcial a 2000rpm. A contribuição das bronzinas é de 1.7% na perda total da energia por atrito.

Figura 1: Perda de energia por componente [2]

A Figura 2 ilustra as diferentes condições de lubrificação a que uma bronzina pode ser submetida durante seu funcionamento.

Anéis 19% Potência Efetiva Bronzinas 15% 15% 11% Perdas Térmicas 74%

Perda por Troca Gasosa e Auxiliares 61%

Bielas 2% Pistões 3% Perdas

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Figura 2: Condições de lubrificação em uma bronzina [3]

Durante o funcionamento do motor, as bronzinas operam a maior parte do tempo em regime de lubrificação hidrodinâmica. Porém, em alguns casos, especialmente nas partidas do motor, até que haja a completa formação do filme de óleo o contato metal-metal poderá acontecer ocasionando desgaste prematuro e perda de energia por atrito. Para suportar esse ambiente de lubrificação marginal, as bronzinas devem apresentar características de superfície adequadas. As condições de lubrificação marginal e também carregamentos mais elevados ocorrem mais freqüentemente em algumas aplicações, descritas a seguir:

- Motores flex (bicombustíveis) e Injeção Direta de Etanol; - Stop-start (controle de partida e parada do motor) e Híbridos;

2. Tecnologias de Motores

2.1 Motores Flex (bicombustíveis) e com Injeção Direta de Etanol

A Figura 3 mostra a comparação entre diversas soluções alternativas para redução de emissões de CO2. O etanol é a melhor alternativa mesmo quando comparada

com veículos elétricos. Novas tecnologias tais como injeção direta de combustível estão sendo desenvolvidas para o etanol com a finalidade de melhorar a emissão de CO2, pois produzem uma combustão mais eficiente e homogênea.

Por essa razão o etanol está sendo amplamente utilizado em todos os mercados, especialmente no Mercosul onde os veículos flex (bicombustíveis) representam mais de 85% das vendas totais. [4]

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Padrão PadrãoDiesel Gasolina + Híbrido Diesel + Híbrido ElétricoVeículo Biodiesel Etanol

E m is sõ es d e C O 2 ( % ) REF -23% -32% -36% -49% -73% -81%

Figura 3: Vantagem da utilização de etanol frente a diversas tecnologias para redução de CO2 [5]

A Figura 4 mostra que o motor que utiliza etanol geralmente apresenta uma pressão máxima de combustão 20-30% maior que a dos motores utilizando gasolina, exigindo portanto componentes com melhor desempenho.

Ângulo do Virabrequim P re s s ã o M á x im a d e C o m b u s tã o ( b a r) etanol gasolina

Figura 4: Diferença na pressão máxima de combustão entre etanol e gasolina para um motor 1.6l flex em potência máxima [5]

A tendência de utilização de motores cada vez menores implicará na utilização de mancais mais carregados e como consequência as bronzinas serão submetidas a cargas maiores. Assim, com menores espessuras de filme de óleo, operação em temperaturas mais elevadas e eventual contato direto com o eixo, o desgaste poderá ser prematuro. Além disso, poderá ocorrer a degradação do óleo lubrificante provocada pela contaminação com o etanol.

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As tecnologias de motores híbridos e stop-start já estão em produção em outros países. Nestes tipos de aplicações as condições de lubrificação dos mancais normalmente são diferentes dos motores comuns.

A tecnologia stop-start é utilizada para reduzir o consumo de combustível quando o veiculo pára por certo período de tempo, como por exemplo, nos semáforos.

Nesse tipo de tecnologia, por curtos períodos a disponibilidade de óleo lubrificante nos mancais é reduzida afetando diretamente as condições de operação das bronzinas. É importante ressaltar que nestas aplicações o número de partidas aumenta significativamente provocando desgaste prematuro dos mancais.

A tecnologia híbrida combina um motor de combustão interna com um motor elétrico trabalhando em paralelo ou em série para aumentar a eficiência total do veiculo. Quando as baterias estão com carga suficiente para operar o veiculo no modo elétrico o motor de combustão interna desliga e conseqüentemente a bomba de óleo cessa o fornecimento da lubrificação aos mancais provocando desgaste prematuro nas bronzinas.

Para lidar com essas demandas especiais a superfície das bronzinas deve possuir propriedades especiais como redução de atrito, capacidade de carga elevada e resistência adequada ao engripamento e desgaste. Neste artigo são realçadas as vantagens da cobertura polimérica desenvolvida pela MAHLE. Sua aplicação sobre bronzinas bimetálicas se mostra adequada especialmente para os motores com condições de lubrificação reduzidas e cargas elevadas, em aplicações bicombustíveis (flex), híbridos e com dispositivo stop-start.

3. Bronzinas para Motores de Combustão Interna

A bronzina é um componente utilizado para reduzir o atrito e para manter a folga entre os componentes estacionários e rotativos do motor. As bronzinas estão localizadas nos mancais, na biela, no eixo de comando e no bloco do cilindro [6]. A maioria das bronzinas do motor tem uma estrutura em camadas, que proporciona uma combinação ótima das propriedades do material de apoio, resistência à fadiga (capacidade de carga), resistência ao engripamento (compatibilidade), resistência ao desgaste, conformabilidade, capacidade de absorção de partículas, resistência à corrosão e resistência à cavitação. Estas propriedades são muito importantes no período inicial de funcionamento do motor, onde as bronzinas irão conformar-se ao eixo [6].

De acordo com o numero de camadas funcionais, as bronzinas podem ser classificadas como Mono-metálicas (sólido), Bimetálicas, Trimetálicas ou Multicamadas. A maioria das bronzinas do motor são bimetálicas ou trimetálicas. Estruturas típicas das bronzinas de motores são apresentadas nas Fig. 5 e 6.

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Figura 5: Estrutura típica de uma bronzina bimetálica

overlay (running surface) Anti-diffusion barrier lining material (emergency run) steel back (stiffness)Aço Liga de Bronze Barreira anti-difusão Cobertura

Figura 6: Estrutura típica de uma bronzina trimetálica

3.1 Camadas de Bronzinas de Motores e suas Funções

3.1.1 Aço: tem função estrutural da bronzina, proporciona rigidez e retenção em condições severas de temperatura e aumento de carga.

3.1.2 Liga: é uma camada localizada sobre o aço, geralmente composta por uma liga de bronze ou alumínio com propriedades de conformação, compatibilidade, absorção de partículas e de baixo atrito. Contém elevada resistência à fadiga proporcionando durabilidade a bronzina, trabalhando sob cargas alternadas geradas pelo motor de combustão.

3.1.4 Camada superficial: é uma fina camada feita de um material com propriedades ainda melhores de baixo atrito, resistência ao engripamento, compatibilidade, conformabilidade e absorção de partículas.

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As propriedades da camada superficial são cruciais particularmente sob condições de lubrificação limite e em velocidades de baixa rotação do motor.

As baixas espessuras das camadas de superfície são necessárias para atingir o nível exigido de resistência à fadiga, este que é dependente da espessura da cobertura.

3.3 Nova Cobertura Superficial Polimérica para Bronzinas Bimetálicas

As bronzinas de alumínio são preparadas para fornecer boas propriedades de deslizamento e menor custo de produção, no entanto apresentam menor carga especifica máxima, quando comparada com materiais trimetalicos com camada intermediaria de cobre. A Figura 7 mostra a carga especifica máxima para as bronzinas de alumínio em comparação as bronzinas trimetálicas com camada intermediária de cobre. C ar g a E sp ec íf ic a (M P a) Trimetálica Bimetálica Sputter Base Al _{Base Cu}

Figura 7: Carga específica máxima típica para bronzinas (MPa)

Os materiais de bronzinas devem apresentar um compromisso entre as exigências contraditórias de forças e boas propriedade de superfície. A composição do material considera o equilíbrio para as exigências a que uma bronzina é submetida [6].

Como alternativa a camadas metálicas a MAHLE ampliou seu conhecimento e desenvolveu uma camada a base de polímeros (compósitos), como camada de superfície para bronzinas bimetálicas que possuem uma liga de alumínio.

A camada de superfície polimérica é o mais recente produto desenvolvido pela MAHLE e apresenta boa resistência ao desgaste. O novo revestimento consiste em um polímero (PAI poliamida-imida) resistente à alta temperatura, com um lubrificante sólido e partículas metálicas impregnadas na sua matriz.

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É conhecido que a resina PAI apresenta alta resistência térmica e química. O desgaste causado pelo contato metal-metal em aplicações stop-start pode ser reduzido com a presença de lubrificantes sólidos no revestimento polimérico. As partículas metálicas distribuídas homogeneamente na matriz polimérica e orientadas na direção horizontal proporcionam maior resistência e boa transferência de calor. A Figura 8 mostra as camadas da bronzina bimetálica com o revestimento polimérico. A Figura 9 mostra detalhes da cobertura polimérica para bronzinas.

Polymeric Coating Al alloy - Lining Steel back Cobertura Polimérica Liga de alumínio Aço

Figura 8: Bronzina bimetálica com revestimento polimérico

Partícula

Metálica Polímero

Figura 9: Estrutura do revestimento polimérico para bronzinas

O gráfico apresentado abaixo ilustra o aumento na capacidade especifica de carga da cobertura polimérica comparada com a bronzina bimetálica de alumínio.

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Figura 10: Carga específica máxima do novo revestimento polimérico

4. Testes de Bancada

Diversos testes de bancada foram realizados a fim de comparar as propriedades de bronzinas bimetálicas convencionais (liga de Al) com as bronzinas com cobertura polimérica.

4.1 Avaliação de Atrito

O teste de bloco contra disco foi utilizado para verificar o coeficiente de atrito e desgaste do material bimetálico e do mesmo com cobertura polimérica.

A Figura 11 ilustra a montagem do teste e a Tabela 1 indica os parâmetros do teste.

Amostra Amostra Amostra Amostra Óleo ÓleoÓleo Óleo Lubrificante LubrificanteLubrificante Lubrificante Disco de Disco de Disco de Disco de Teste Teste Teste Teste

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Tabela 1: Parâmetros de Teste – Bloco contra Disco

Parâmetros de Teste Valor

Carregamento 133.5 N Duração 5000 ciclos Velocidade do Disco de Teste 72 rpm Rugosidade do Disco de Teste 0.08µm < Ra < 0.12µm

Óleo Lubrificante SAE 30

Temperatura do Óleo 120 ± 3°C

O valor de coeficiente de atrito da liga de alumínio foi maior desde o início do teste (veja Fig.12). Foi observado que o coeficiente de atrito apresenta um pico quando o teste se inicia e então é reduzido, enquanto que para a bronzina com cobertura polimérica o valor do coeficiente de atrito é sempre menor é quase estável desde o início do teste. A razão deste comportamento pode ser explicada pelo elevado desgaste da peça em liga de alumínio e quando a peça é desgastada torna-se mais lisa e o coeficiente de atrito reduz.

Após a conclusão do teste foi observado que o desgaste da peça de alumínio foi muito maior que a peça com cobertura. Os resultados são apresentados na Figura 13. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0 0,5 1 1,5 2 3 F ri c ti o n C o e ff ic ie n t ( µ ) Time (min)

Block on Ring Test

Al alloy

Al + polymeric coatingBimetálica + Polímero

Bimetálica C o ef ic ie n te d e at ri to ( µ )

Evolução no coeficiente de atrito – Teste Bloco Contra Disco

Tempo (min)

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Al alloy Al alloy + polymeric coating

W o rn V o lu m e ( m m ³ )

Bimetálica _{Bimetálica + Polímero}

V o lu m e d e d es g as te ( m m ³)

Volume de desgaste – Teste Bloco Contra Disco

Figura 13: Avaliação de desgaste após o teste Bloco contra Disco

4.2 Avaliação de Temperatura

A fim de verificar a capacidade de trabalhar sob condições de lubrificação limítrofe e avaliar a influência da cobertura em relação ao atrito, um teste de bancada num equipamento Sapphire (Fig. 14) foi realizado.

Bronzinas de teste Eixo excêntrico Biela Pistão Eixo Entrada de óleo Bronzinas de apoio Volante Acoplamento Motor elétrico Sensores

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O teste é realizado com lubrificação e o suprimento de óleo é controlado para manter a temperatura de entrada de 110°C.

A temperatura durante o teste foi avaliada nas costas das bronzinas (aço). O alojamento tem uma furação que permite que termopares sejam colocados diretamente contra as costas da peça em que a carga está sendo aplicada.

A Tabela 2 apresenta as condições de realização do teste e a Figura 15 mostra a avaliação de temperatura durante a execução do teste.

Tabela 2 – Parâmetros do Teste Sapphire Material do

Eixo EN30B – Endurecido por indução térmica Rotação 2690 rpm

Óleo Óleo Sintético (SAE 20) Temperatura do Óleo 110°C Carregamento Aplicado 83 MPa Rugosidade do Eixo (Ra) 0.15 – 0.25 um

Do gráfico apresentado na Figura 15 pode-se notar que a bronzina com cobertura polimérica apresentou em média temperaturas 4°C menor durante o teste em comparação com a bronzina convencional. Este resultado é um indicativo que a temperatura na superfície da peça durante a lubrificação limítrofe é menor.

Bimetálica + Polímero Bimetálica T em p er at u ra ( ºC ) Temperatura da bronzina Tempo (min)

Figura 15: Avaliação de temperatura nas costas das bronzinas durante teste Sapphire

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O mesmo equipamento de teste Sapphire foi utilizado para verificar o limite de fadiga da bronzina com cobertura polimérica e da bronzina convencional.

Os parâmetros de teste foram os mesmos apresentados na Tabela 2, exceto pelo carregamento. Desta vez foram aplicados 3 tipos de carregamento (Médio, Alto e Extremamente Alto).

As peças foram testadas com o carregamento nominal durante 20 horas (3,6 x 106 ciclos) após isto foram inspecionadas para verificação de danos por fadiga.

Os resultados são apresentados no gráfico da Figura 16. Para os carregamentos médio e alto os dois tipos de peça tiveram sucesso, mas quando testadas no nível de carregamento extremamente alto um maior número de peças com cobertura polimérica apresentou sucesso. Isto demonstra a robustez das peças com cobertura polimérica com relação a resistência à fadiga.

Os níveis de carregamento das peças neste teste não pode ser diretamente comparado com a carga específica máxima utilizada para determinar a aplicação de uma peça. Este teste de bancada não representa completamente as condições de um motor. 0 1 2 3 4 5 6 7 Fail Pass ComFalha Bimetálica + Polímero Bimetálica + Polímero Bimetálica + Polímero

Bimetálica Bimetálica Bimetálica

N ú m er o d e T es te s

Resultados de teste de Fadiga - Sapphire

Carga Média Carga Alta Carga Extremamente Alta

Sem Falha

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O foco no desempenho do produto tem sido na melhora de sua resistência ao desgaste em condições de lubrificação marginal. A avaliação de desgaste foi

realizada num equipamento denominado Mautus, que foi projetado pelo Centro Tecnológico da MAHLE especialmente para teste de bronzinas. Este equipamento permite o teste de bronzinas com diferentes dimensões (largura e diâmetro), através da utilização de alojamentos e eixos customizados que permitem simular as condições de trabalho da bronzina versus virabrequim.

O carregamento é aplicado no alojamento através de um pistão hidráulico, perpendicular ao eixo do equipamento. Durante o teste é possível monitorar a temperatura nas costas da bronzina (aço) através de um termopar. A Figura 17 mostra o esquema do equipamento.

Carregamento Mancal de Suporte Bronzina de Teste Alojamento Entrada de Óleo Eixo Carregamento Mancal de Suporte Bronzina de Teste Alojamento Entrada de Óleo Eixo

Figura 17: Esquema de Aplicação de Carga – Equipamento Mautus

O carregamento foi aplicado em forma de curva senoidal e para comparação as peças bimetálicas convencionais e com cobertura polimérica foram testadas com um nível de carregamento de 80MPa. A Tabela 3 apresenta os parâmetros do teste.

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Tabela 3 – Parâmetros de teste Mautus Número de ciclos 2.5x106 Carregamento Aplicado 80 MPa Frequência de Carregamento 35 Hz Rotação do Eixo 1000 rpm Pressão de Óleo 7.5 bar Temperatura do óleo 110ºC

Rugosidade do Eixo 0.10 – 0.15µm Ra Material do Eixo DIN MnVs5

Al alloy Al alloy + polymeric coating 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 W ea r ( m m ) Bimetálica + Polímero Bimetálica D es g as te (m m )

Resultados de teste de Desgaste - Mautus

Figura 18: Avaliação de Desgaste – Equipamento Mautus

Al alloy Al alloy +

Resultados de Variação de Massa - Mautus

V ar ia çã o d e m as sa (m g ) Bimetálica + Polímero Bimetálica

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Através dos resultados mostrados na Figura 18, pode-se concluir que as bronzinas bimetálicas com cobertura polimérica apresentaram menor desgaste, cerca de 2.5 vezes menor, que as bronzinas sem cobertura quando submetidas a um carregamento de 80MPa por 2,5x106 ciclos.

5.Testes de Motor

5.1 Teste de Motor com Combustível E85

Um conjunto de bronzinas de biela com cobertura polimérica foi submetida a um teste de motor com combustível E85 (85% de etanol), as condições de teste são apresentadas na Tabela 4.

Tabela 4: Condições do Teste de Motor – E85 Tipo de Motor I4 – E85 _Turbo

Volume 2.0L

Potência 132 kW

Carga específica máxima 81 MPa Espessura mínima de filme de

óleo 0.27 µm

Após 775h de teste de durabilidade, as peças apresentaram boa resposta ao elevado carregamento específico com pouca marcação de contato e baixo desgaste. Pode-se notar que a cobertura polimérica ainda está presente sobre toda a superfície das peças sem apresentar sinais de corrosão, demonstrando boa compatibilidade quando testada numa aplicação E85.

Figura 20: Aspecto Visual – Bronzinas com cobertura polimérica após 775h de teste de motor

5.2 Teste de Motor Stop-Start

Para verificar o desempenho das peças com cobertura polimérica também em posições de mancal central as peças foram submetidas a um teste com ciclos

stop-start para verificar o desgaste. A Tabela 5 apresenta as características do motor

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Tabela 5 – Características do Motor Tipo de Motor I4 – _Gasolina

Volume 2.4L

Potência 85 kW

Carga específica máxima 28.8 MPa Espessura mínima de filme de

óleo 0.62 µm

Temperatura de Òleo na

Galeria 130°C

O teste foi realizado em um motor que permite realizar o ciclo stop-start. Devido a flexão do eixo virabrequim, o carregamento na bronzina é localizado na borda da mesma. A Figura 21 apresenta a marcação típica de uma bronzina central localizada no lado do volante, onde o carregamento é geralmente maior.

Figura 21: Típica marcação de uma bronzina central frontal após teste stop-start O desgaste das peças foi avaliado após 100.000 ciclos stop-start. A Figura 22 mostra os resultados, pode-se concluir que as peças sem cobertura apresentaram um desgaste 10 vezes maior que as peças com cobertura polimérica.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 Al Bimetálica Al Bimetálica + Polímero D e sg a st e [ m ic ro n s] Material da Bronzina Avaliação de desgaste após 100.000 ciclos stop-start

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A nova cobertura polimérica desenvolvida pela MAHLE, aplicada sobre bronzinas bimetálicas, mostrou um desempenho adequado tanto em testes de bancada quanto em testes de motor para ocasiões em que a condição de lubrificação é reduzida. Esse resultado satisfatório se deve em função da cobertura polimérica apresentar características favoráveis a redução de atrito e desgaste o que possibilita redução de emissão de gases poluentes, como CO2. Além disso, apresenta melhor

resistência a fadiga e suporta cargas mais elevadas. Essas condições estão presentes em motores flexl, com injeção direta, com dispositivo stop-start e híbridos. Desta forma o produto descrito nesse trabalho possibilita de maneira robusta o contínuo desenvolvimento de motores flex que são capazes de reduzir até 80% de emissões de CO2 em comparação com um motor somente a gasolina. Além de

também tornar possível a utilização de sistemas stop-start para uma redução extra de consumo de combustível em torno de 3 a 5% e emissões de CO2, principalmente

quando em aplicações metropolitanas.

7. Referências

1. UEHARA, S and PEIXOTO, V., “Influence of Surface Finishing on Bearing Performance”, SAE 2006-01-2893, 2006.

2. TOMANIK et al. “Reduced Friction Power Cell Components” - SAE2000-01-3321, São Paulo - Brasil, 2000.

3. Tomanik, E. and Ferrarese, A., Low Friction Ring Pack for Gasoline Engines, ASME ICEF Fall 2006, ICEF2006-1566, 2006.

4. ANFAVEA, “Anuário da indústria automobilística brasileira”, ed 2010. Disponível em http://www.anfavea.com.br/anuario.html, acessado em: 11.05.2011.

5. FERRARESE, A. et al, “The Interaction of Piston-Ring-Cylinder on Flex Fueled Engines”, SAE 2010-36-0327I, 2010.

6. BASSHUYSEN, R. and SCHÄFE, F, Internal Combustion Engine Handbook – Basics, Components, Systems, and Perspectives, Cap. 7 – p.224 – 240, SAE International, 2004.