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UNIVERSIDADE FEREDAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

AVALIAÇÃO DO DESGASTE TRIBOQUÍMICO DE AGULHAS DOS BICOS

INJETORES EM MOTORES DIESEL OPERANDO COM BIODIESEL

LEONARDO CHAGAS DA SILVA

NATAL

2015

LEONARDO CHAGAS DA SILVA



Dissertação apresentada ao programa de pós-

graduação em Engenharia Mecânica, do

Centro de Tecnologia, da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, como parte

dos requisitos para obtenção do título de

mestre em Engenharia Mecânica.

Área de Concentração: Tecnologia de Materiais

Orientadora: Profª. Drª. Salete Martins Alves

Co-Orientador: Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros

NATAL

2015



Dissertação apresentada em 06 de agosto de 2015 ao Programa de Pós-Graduação em

Engenharia Mecânica da UFRN, como requisito para conclusão de mestrado na área de

concentração de Tecnologia de Materiais.

Banca Examinadora

_________________________________________________________

SALETE MARTINS ALVES – PPGEM – UFRN

Presidente da Comissão – Orientadora

_________________________________________________________

JOÃO TELÉSFORO NÓBREGA DE MEDEIROS – PPGEM – UFRN

Examinador Interno

_________________________________________________________

ROBERTO SILVA DE SOUSA

Examinador externo – IFRN

Catalogação da Publicação na Fonte. Bibliotecária Verônica Pinheiro da Silva – CRB-15/692.

Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio convencional ou

eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte.

Silva, Leonardo Chagas da.

Avaliação do desgaste triboquímico de agulhas dos bicos injetores em motores

diesel operando com biodiesel / Leonardo Chagas da Silva. – Natal, RN, 2015.

115f. : il.

Orientadora: Salete Martins Alves.

Co-orientador: João Telésforo Nóbrega de Medeiros.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.

1. Lubrificação – Dissertação. 2. Oxidação – Dissertação. 3. Scuffing –

Dissertação. 4. Common Rail – Dissertação. 5. Desgaste – Dissertação. 6.

Biocombustível – Dissertação. I. Alves, Salete Martins. II. Medeiros, João

Telésforo Nóbrega de. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV.

Título.

CDU 621.89

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a Deus, pela oportunidade da vida

e a sustentabilidade até o dia de hoje.

Aos meus pais, Jone e Edilma por tudo que fizeram

nesta vida por mim e por todo o apoio para a conclusão

deste curso, serei eternamente grato a vocês.

À minha irmã Elizete e Ricardo, seu marido, pelos

incentivos e por estarem ao meu lado.

Aos meus sobrinhos Davi e Ester, pelos momentos de

descontração e alegrias, que serão entendidos

futuramente.

A todos os meus familiares e amigos que tenho

certeza, torcem muito por mim.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, por ter me concebido a oportunidade da vida e por tudo que Ele me

proporciona para poder da melhor forma desfrutá-la, com base em tudo que Ele nos ensina.

Ao meu pai, Jone, meu grande amigo, a quem me incentivou e enveredar pelos

caminhos da mecânica e a minha mãe Edilma, que sempre deu todo apoio e suporte para que

aqui eu chegasse.

À minha irmã, Elizete e seu esposo Ricardo, que sempre me apoiaram e deram

suporte em muitas horas difíceis. A Davi e Ester em especial, pela parceria nas horas de

lazer.

À minha orientadora, Professora Salete Martins Alves, por todas as horas de

dedicação, orientação, paciência, amizade e pela incrível capacidade de incentivar a buscar o

melhor para o trabalho e ao crescimento acadêmico.

Ao meu co-orientador, Professor João Telésforo Nobrega Medeiros pelas orientações,

sugestões e visões a longo prazo do trabalho, tendo sempre como meta, o engrandecimento do

mesmo.

Ao Professor Manoel Fernandes de Oliveira Filho, pela figura de amigo, nas horas de

humor, pai, nas horas de inúmeros conselhos e profissional, nas horas de ciências e parcerias.

Ao Professor Eduardo Lins de Barros Neto, pela contribuição do conhecimento e

auxílio na execução do projeto.

Aos técnicos, Francisco Paulino, pelo apoio às mudanças mecânicas realizadas na

bancada. Cristiane, por tudo que precisei de auxílio no laboratório. Kátia, pela qualidade e

agilidade na obtenção das imagens de MEV, e Camila pela competência e os inúmeros

auxílios que me fora dado no desenvolvimento do projeto, para que enfim ele pudesse ser

realizado.

Aos amigos, Adalberto, Daniel, Luiz e Ramón, pela dedicação a infindáveis horas de

companheirismo, ensaios e aprendizado compartilhados na área técnica.

Aos amigos do IFRN, Marcelo Marques, José de Anchieta, Neemias Silva, Jorge

Magner, Gabriela Bruno, Roberto Silva e Tadeu Félix, pelos inúmeros apoios a quem me

fora dado.

Às reuniões científicas e amigos, em especial a Aline Cristina, Ana Emilia, Erinéia

Kaká e Franklin Kaic e Valdicleide Melo, que pude construir no Grupo de Estudo de

Tribologia, GET na UFRN.

Aos amigos mecânicos, Valdeque, Ewerton, Hélio, Jamilson e Paulo, que fizeram a

parceria, concordaram e me auxiliaram a responder os questionamentos na realização da

entrevista.

“Todo contato deixa uma marca”.

Edmond Locard.

SILVA, L.C. (2015). Avaliação do desgaste triboquímico de agulhas dos bicos injetores

em motores diesel operando com. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio

Grande do Norte, Natal, 2015.

RESUMO

No sistema de alimentação de combustível dos motores do ciclo diesel, o bico injetor

é uma peça chave para determinar o desempenho e o nível de emissões que esses motores

geram. Têm sido feitas mudanças significativas na composição dos combustíveis, nas

legislações que regulamentam as emissões de poluentes e, em uma escala bem menor, há

alguns estudos detalhados do impacto dessas mudanças nos componentes dos motores, como

por exemplo, o bico injetor. O presente estudo teve como objetivo avaliar os principais

mecanismos de falhas que atuam nos componentes de um bico injetor, em particular, na

agulha do injetor, situada na ponta do bico. Este trabalho foi dividido em três etapas: na

primeira delas, foi feito um estudo de campo, com visitas às oficinas mecânicas especializadas

na manutenção do sistema de injeção diesel, para elaboração de um relatório sobre as

problemáticas encontradas neste sistema. Na segunda, realizaram-se ensaios em uma bancada

contendo um grupo motor-gerador, onde foram avaliados dois biocombustíveis: B6 e B6

aditivado, a fim de levantar parâmetros de desempenho dos biodieseis, que permitissem

avaliar o desgaste qualitativo da superfície dessas agulhas. Por fim, a última etapa consistiu da

análise microscópica da superfície desgastada das agulhas do bico injetor, estas foram

analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), Energy Dispersive Spectroscopy

(EDS) e por espectroscopia Raman. O motor que utilizou o B6 apresentou melhor

desempenho em consumo específico e temperatura de funcionamento do bico injetor mais

baixa em comparação com o motor que utilizou B6 aditivado. Além disso, também foi

possível observar a presença do fenômeno do scuffing no guia da agulha do primeiro motor e

pits de oxidação na mesma região da agulha do bico injetor que utilizou B6 aditivado.

Palavras-chave: Agulha do bico injetor, Biodiesel aditivado, Scuffing, Oxidação

SILVA, L.C. (2015). Qualitative evaluation of wear's tribochemical in the injector's

needle of diesel’s cycle engines supplied by different biodiesels. Dissertation (Master's

degree) – Federal University of Rio Grande do Norte, Natal, 2015.

ABSTRACT

The injector nozzle of the fuel injection system of the diesel engines is decisive to

determine the engine's performance and the emissions levels. It was made many significant

changes on the fuels' composition, in the legislations that regulate the pollutants’ emission

and, in a smaller scale, there were some detailed studies of the impact of those changes in the

engines' components, such as injector nozzle. This study aims to evaluate the main failure

mechanisms that act on an injector nozzle components, in particular, on the nozzle’s needle,

that is located in the tip of the nozzle. This study was divided in three stages: at the first one,

it was made a field study with technical visits in mechanical repair shops specialized on diesel

injection system’s maintenance, to perform a report about the problems found on this type of

system. At the following step, it was performed tests in a test rig equipped with a stationary

engine and a dynamometer where the following types of biodiesel were tested: B6 and

additivated B6 were tested with the purpose to obtain performance parameters of the fuels that

allow to qualitatively evaluate the nozzle's needles surface wear which were analyzed through

Scanning Electrons Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Diffraction (EDS) and

Raman. The engine where was used B6 showed better performance in specific consumption

and operating temperature of the nozzle’s needle lower than that founded motor where

additivated B6 was used. Moreover, it was also possible to observe the presence of scuffing

phenomenon in the first engine needle guide and oxidation pits in the same nozzle’s needle

region which used B6 additivated.

Keywords: Injector nozzle needle, Additivated biodiesel, Scuffing, Oxidation

LISTA DE FIGURAS E QUADROS

Figura 1 – Produção de motores no MERCOSUL .................................................................. 21

Figura 2 – Componentes do sistema de injeção de combustível de um motor diesel common

rail – (1) Eletro-injetores; (2) Bomba de alta pressão; (3) ECM; (4) Tubo rail ........... 22

Figura 3 – Evolução da pressão injeção do sistema de injeção diesel..................................... 22

Figura 4 – Princípio do fluxo de funcionamento da ECM ...................................................... 23

Figura 5 – Visão geral do sistema common rail ...................................................................... 24

Figura 6 – Aplicação da válvula EGR e SCR ......................................................................... 25

Quadro 1 – Materiais usados na composição dos componentes do sistema de injeção em

motores diesel ............................................................................................................... 26

Figura 7 – Ponta e agulha do bico injetor diesel ..................................................................... 27

Figura 8 – Componentes do bico injetor common rail utilizado em veículos leves................ 28

Figura 9 – Sequência de injeção de um bico injetor ................................................................ 29

Quadro 2 – Principais causas, falhas e prevenções do sistema common rail .......................... 30

Figura 10 – Cronograma para implantação do diesel de baixo teor de enxofre ...................... 33

Figura 11 – Sede da vedação feita pela esfera (a) Desgaste normal, homogêneo. (b) Peça sob

desgaste irregular, de forma abrasiva ........................................................................... 34

Figura 12 – Sede de vedação do disco intermediário da válvula piloto .................................. 34

Figura 13 – (a) Início da trinca na ponta do injetor; (b) Colapso total da ponta do bico, devido

a não formação do colchão hidráulico .......................................................................... 35

Figura 14 – Depósito de coque na ponta do injetor ................................................................. 36

Quadro 3 – Mecanismos de falha de um injetor common rail ................................................ 37

Figura 15 – Seção longitudinal da ponta (cilindro) de um bico injetor ................................... 48

Figura 16 – Ponta da agulha na sede da ponta do bico ............................................................ 49

Quadro 4 – Aços aplicados em agulhas de bicos injetores ..................................................... 49

Figura 17 – Trinca na superfície externa do injetor ................................................................ 53

Figura 18 – Ponta de um bico injetor com presença de trincas ............................................... 54

Figura 19 – Ponta de um bico injetor com presença de depósitos .......................................... 55

Figura 20 – Comparativo desgaste adesivo nas pontas de bicos injetores, fazendo uso de

diesel puro com B20 de Jatropha .................................................................................. 56

Figura 21 – Curva de Stribeck: Regimes de lubrificação no deslizamento lubrificado .......... 57

Figura 22 – Região de ocorrência do scuffing ......................................................................... 58

Figura 25 – Principais pontos de ocorrência de corrosão na ponta do bico injetor ................. 60

Quadro 5 – Etapas de realização dos experimentos ................................................................ 61

Quadro 6 – Identificação dos mecânicos................................................................................. 62

Quadro 7 – Lista de perguntas aplicadas no questionário ....................................................... 63

Figura 26 – Bancada HFRR para avaliação de lubricidade das amostras ............................... 66

Figura 27 – Esquema simplificado da montagem da bancada ................................................ 70

Quadro 8 – Especificações técnicas do motor ......................................................................... 70

Figura 28 – (a) Curva de desempenho do motor BD 5.0. (b) Motor instalado na bancada

dinamométrica .............................................................................................................. 71

Quadro 9 – Parâmetros avaliados em ensaios, meios de medição e equipamentos de obtenção

...................................................................................................................................... 71

Figura 29 – Bancada de ensaio dinamométrica ....................................................................... 72

Quadro 10 – Respostas do questionário .................................................................................. 77

Figura 30 – Pontas dos bicos injetores coletados na oficina ................................................... 80

Figura 31 – Região do guia das agulhas - (a) ponta do bico 1; (b) ponta do bico 2; (c) ponta

do bico 3; (d) ponta do bico 4 ....................................................................................... 81

Figura 32 – Espectros do FT-IF do B6 e B6 aditivado ........................................................... 85

Figura 33 – Ensaio de lubricidade HFRR: (a) Formação de filme para o B6 e B6 aditivado;

(b) Coeficiente de atrito para B6 e B6 aditivado .......................................................... 86

Figura 34 – Valores de diâmetro da escara de desgaste dos biodieseis, em (a) do B6 e em (b)

o B6 aditivado ............................................................................................................... 87

Figura 35 – Gráfico de consumo específico em função da variação de potência.................... 89

Figura 36 – Histograma de consumo específico em função da variação de potência ............. 89

Figura 37 – Temperaturas dos bicos injetores em funcionamento com B6 e B6 aditivado,

medidos por termopar ................................................................................................... 91

Figura 38 – Temperatura no bico injetor medido por termopar para o B6 e B6 aditivado ..... 92

Figura 39 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6, obtida por câmera

termográfica .................................................................................................................. 92

Figura 40 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6 aditivado, obtida por

câmera termográfica ..................................................................................................... 93

Figura 41 – Avaliação visual do estado inicial e final das agulhas em função dos respectivos

biodieseis utilizados ...................................................................................................... 94

Figura 43 – Agulha utilizada no ensaio com B6 ..................................................................... 95

Figura 44 – Pontas dos bicos injetores utilizados nos ensaios com B6 e B6 aditivado .......... 96

Figura 45 – Faixa de ensaio de microdureza ........................................................................... 97

Figura 46 –MEV da (a) Agulha na condição nova 40X – corpo da agulha; (b) Agulha na

condição nova 400X – corpo da agulha; (c) Agulha na condição nova 1000X – corpo

da agulha; (d) Agulha na condição nova 2000X – corpo da agulha ............................. 99

Figura 47 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra sem aditivo

40X – corpo da agulha; (b) Amostra sem aditivo 400X – corpo da agulha; (c) Amostra

sem aditivo 1000X – corpo da agulha; (d) Amostra sem aditivo 2000X – corpo da

agulha; (e) Amostra sem aditivo 4000X – corpo da agulha (f) Amostra sem aditivo

5000X – corpo da agulha ............................................................................................ 100

Figura 48 – (a) Região da agulha sem aditivo após 150h de ensaio, em análise por EDS. (b)

Espectro da região analisada ....................................................................................... 101

Figura 49 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra com aditivo

40X – corpo da agulha (b) Amostra com aditivo 400X – corpo da agulha (c) Amostra

com aditivo 1000X – corpo da agulha (d) Amostra com aditivo 2000X – corpo da

agulha (e) Amostra com aditivo 3000X – corpo da agulha (f) Amostra com aditivo

6000X – corpo da agulha ............................................................................................ 103

Figura 50 – (a) Região da agulha com aditivo, em análise por EDS. (b) Espectro da região

analisada ..................................................................................................................... 104

Figura 50 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra sem aditivo; (b) Banda

espectroscópica ........................................................................................................... 105

Figura 52 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra aditivada; (b) Banda

espectroscópica ........................................................................................................... 106

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Principais propriedades físico-química dos aditivos. ............................................ 63

Tabela 2 – Condições de ensaio HFRR ................................................................................... 67

Tabela 3 – Dados de caracterização dos ensaios ..................................................................... 73

Tabela 4 – Caracterização das pontas dos bicos injetores coletados na oficina ...................... 80

Tabela 5 – Propriedades dos combustíveis .............................................................................. 84

Tabela 6 – Avaliação do consumo específico dos combustíveis utilizados durante a realização

dos ensaios .................................................................................................................... 88

Tabela 7 – Avaliação da temperatura do bico injetor em função dos combustíveis utilizados

durante a realização dos ensaios ................................................................................... 91

Tabela 8 – Resultado de microdureza, em HV, na superfície das agulhas dos bicos injetores97

Tabela 9 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos

elementos presente na superfície da liga .................................................................... 101

Tabela 10 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos

elementos presente na superfície da liga .................................................................... 104

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas;

AISI – American Iron and Steel Institute;

ANP – Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis;

ANSI – American National Standards Institute;

ASM – American Society Metal;

ASTM – American Society for Testing and Materials;

B10 – Biodiesel a 10% de óleo transesterificado;





BD – Branco Diesel;

CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente;

CNPE – Conselho Nacional de Política Energética;

CRS – Common Rail sistem;

CRI – Common Rail Injector;

DIN – Instituto Alemão para Normalização (Deutsches Institut für Normung);

DPF – Diesel Particulate Filter;

ECM – Engine Control Module;

ECU – Eletronic Central Control;

EDS – energy dispersive spectroscopy;

EGR – Exhaust Gas Recirculation;

EURO 6 – Norma Europeia de padrão de emissões, nível 6.

FISPQ – Ficha de Informações e de Segurança de Produto Químico;

FRX – Fluorescence X-ray

FUV – Espectrômetro por Fluorescência de Ultravioleta;

GET – Grupo de Estudos da Tribologia e Integridade Estrutural;

HC – Hidrocarbonetos;

HFRR – High Frequency Reciprocating Test Rig;

HPCR – High Pressure Common Rail;

IC – Ignição por compressão;

ISO – International Organization for Standardization;

LCL – Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes do departamento de Química;

MCI – Motor de Combustão Interna;

MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura;

MERCOSUL – Mercado Comum do Sul;

MME – Ministério de Minas e Energias;

MO – Microscopia Óptica;

NBR – Denominação de Norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas;

NC – Número de Cetano;

NOX - Óxidos de Nitrogênio;

NTI – Núcleo Tecnológico Industrial;

NUPEG II – Núcleo de Pesquisa em Petróleo e Gás II;

PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.;

PNPB – Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel;

ppm – partes por milhão (0,01 %);

S1800 – Diesel com Teor de Enxofre de 1800 ppm;




SAE – Society of Automotive Engineers International;

SOx – Óxidos de enxofre;

UIS – Unit Injector System;

UPS – Unit Pump System;

ULSD – Diesel com ultrabaixo teor de enxofre (Ultra-Low Sulfur Diesel Fuel);

SUMÁRIO

I – INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 17 1.1. OBJETIVOS GERAL ...................................................................................................... 19

1.1.1. Objetivos Específicos .......................................................................................... 19 II – REVISÃO DA LITERATURA ...................................................................................... 20

2.1. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE INJEÇÃO .............................................................. 20

2.1.1. Funcionamento da Agulha do Bico Injetor ....................................................... 27 2.2. PROBLEMAS NOS SISTEMAS DE INJEÇÃO ............................................................ 28

2.3. UTILIZAÇÃO DO BIODIESEL NO MCI POR COMPRESSÃO ...................................... 38

2.3.1. Consolidação do Biodiesel como Alternativa Energética ................................ 39 2.3.2. Aspectos Físico-Químicos dos biodieseis ........................................................... 41

2.3.2.1. Poder calorífico................................................................................................ 42 2.3.2.2. Viscosidade ...................................................................................................... 43 2.3.2.3. Índice de acidez ............................................................................................... 44 2.3.2.4. Teor de enxofre ................................................................................................ 44

2.3.2.5. Ponto de fulgor ................................................................................................ 45 2.3.2.6. Massa Específica ............................................................................................. 45 2.3.2.7. Índice de Cetano .............................................................................................. 46 2.3.2.8. Lubricidade ...................................................................................................... 46

2.3.2.9. Aditivos ........................................................................................................... 47 2.4. TRIBOLOGIA E ESTRUTURA DO SISTEMA AGULHA-BICO ................................ 47

2.4.1. – Cilindro e agulha do bico injetor .................................................................... 48

2.4.2. Contato mecânico e mecanismos de desgaste do par tribológico .................... 50 2.4.2.1. – Falhas no bico injetor por Cavitação ............................................................ 51 2.4.2.2. – Falha no bico injetor por trincas ................................................................... 52

2.4.2.3. – Falha no bico injetor por depósitos............................................................... 54 2.4.2.4. – Falha no injetor por scuffing ......................................................................... 56 2.4.2.5. – Falha no injetor por oxidação ....................................................................... 58

III - MATERIAIS ................................................................................................................... 61 E MÉTODOS .......................................................................................................................... 61

3.1 ESTUDO DE CASO EM OFICINAS ..................................................................................... 62

3.2. COMBUSTÍVEIS ANALISADOS ................................................................................. 63

3.2.1. Aquisição do biodiesel e sua Aditivação ............................................................ 63

3.2.2. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis ................................................. 64 3.2.2.1. Massa Específica a 20 °C ................................................................................ 64

3.2.2.2. Viscosidade cinemática a 40°C ....................................................................... 64 3.2.2.3. Índice de Cetano .............................................................................................. 65 3.2.2.4. Ponto de Fulgor ............................................................................................... 65

3.2.2.5. Teor de Enxofre ............................................................................................... 65 3.2.2.6. Caracterização química por FT-IR .................................................................. 66

3.2.2.7. Corrosividade ao Cobre ................................................................................... 66 3.2.2.8. Lubricidade ...................................................................................................... 66 3.2.2.9. Volatilidade ..................................................................................................... 67

3.2.2.10. Índice de acidez ............................................................................................. 67

3.2.2.11. Poder calorífico.............................................................................................. 68

3.3. ENASIOS NA BANCADA DINAMOMÉTRICA .......................................................... 69

3.3.1. Motor Estacionário ............................................................................................. 70 3.3.2. Sistema de Aquisição e Análise de Dados ......................................................... 71

3.3.3. Ensaio na Bancada Dinamométrica .................................................................. 72 3.4. ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DAS AGULHAS DOS BICOS INJETORES ................ 73

3.4.1. Análise visual ....................................................................................................... 74 3.4.2. Microdureza......................................................................................................... 74 3.4.3. MEV, EDS e Raman ........................................................................................... 74

IV – Resultados e Discussão ................................................................................................... 76 4.1. ANÁLISE DO ESTUDO DE CASO ............................................................................... 76 4.2. CARACTERIZAÇÃO DOS BIODIESEIS ..................................................................... 83

4.2.1. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis ................................................. 83 4.2.2. Caracterização qualitativa por FT-IR .............................................................. 85 4.2.3. Análise Tribológica dos Biodieseis ..................................................................... 86

4.2.4. Corrosividade ao Cobre dos Biodieseis ............................................................. 88 4.3. - AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DOS MOTORES ................................................ 88

4.3.1. – Avaliação do Consumo Específico .................................................................. 88 4.3.2. – Avaliação da temperatura no bico .................................................................. 90

4.4. AVALIAÇÃO DAS AGULHAS..................................................................................... 93

4.4.1 Inspeção visual ...................................................................................................... 93

4.4.2 Microdureza.......................................................................................................... 97 4.4.3. MEV e EDS .......................................................................................................... 98

4.4.3.1. Análise de MEV na agulha do bico injetor novo............................................. 98

4.4.3.2. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor sem o uso do aditivo ...... 100 4.4.3.3. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor com o uso do aditivo ...... 102

4.4.4. Espectroscopia vibracional RAMAN .............................................................. 105 4.4.4.1. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor sem aditivo .. 105

4.4.4.2. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor com aditivo .. 106

V – Conclusões ...................................................................................................................... 107 REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 109

17

I – INTRODUÇÃO

O inevitável risco de esgotamento das reservas de petróleo, a preocupação com a

preservação ambiental e o aumento incessante da frota de veículos automotores movidos por

combustíveis de origem fóssil, têm impulsionado as pesquisas de desenvolvimento de novos

combustíveis. A busca e o emprego de novas fontes energéticas provenientes de recursos

renováveis possibilitam o equilíbrio de matrizes energéticas e o desenvolvimento de setores

que geram matéria prima para seu uso.

Em meio as grandes crises do petróleo, as décadas de setenta e oitenta foram de certa

forma, marcadas principalmente pela corrida de pesquisas na área de combustíveis renováveis

em diversos países do mundo. Ao passar dos anos, em contraponto ao que se o correu no

passado, quando os combustíveis vegetais foram substituídos pelos de origem fóssil, devido

sua abundância e seu preço baixo vêm-se retomando a utilização dos combustíveis renováveis

pelo alto custo que se tem nos dias atuais para o uso dos combustíveis fósseis. Contudo,

constantemente estes combustíveis têm sido modificados quimicamente para melhorar suas

propriedades e proporcionar desempenho similar ou superior aos combustíveis fósseis

(ABREU et al., 2005).

Neste aspecto, o Brasil tem se destacado no cenário mundial, quando se trata de

desenvolvimento, melhoria e inserção de novos combustíveis na sua matriz energética. Este

combustível inserido na matriz energética brasileira – o Biodiesel - chamado no início da sua

comercialização de “diesel verde” é um combustível firmado como promissor, que pode ser

utilizado ainda combinado com diesel convencional ou in natura. Carrega-se com ele, a

esperança de ser menos poluente, devido sua origem renovável, como também um rendimento

próximo ao diesel e que acima de tudo possa substituí-lo gradativamente em suas aplicações

(ITURRA, 2003).

Outro aspecto importante a ser considerado em relação ao ponto de vista das questões

ambientais e a sua utilização, é a de não provocar a degradação do meio ambiente (comparado

ao diesel derivado do petróleo) quanto as suas emissões, devido ao biodiesel não possuir

enxofre em sua composição.

18

No entanto, alguns estudos têm verificado alterações nos motores com o uso desses

combustíveis, a exemplo os estudos de Corrêa et al., (2008), que detectaram com o uso das

blendas B5, B10, B20 de éster etílico de óleo de girassol com diesel alteração no desempenho

do motor, com redução máxima de 2,2% na potência e aumento máximo de 7,3%, no

consumo específico.

Deve-se observar também que os sistemas de alimentação dos motores evoluíram.

Aumentaram às pressões, as velocidades e os esforços entre os componentes, em especial, as

bombas foram as que passaram por maiores mudanças. Estas passaram a trabalhar com uma

ordem de grandeza a mais de pressão, com reduções das folgas, e equipadas com sensores e

atuadores eletrônicos. No entanto, com toda essa mudança, deve-se existir a preocupação

sobre a compatibilidade de materiais usados atualmente nesse sistema em relação ao

biodiesel.

Em termos de compatibilidade de funcionamento, Filipovic et al., (2014) afirma, que

quando utilizada uma proporção abaixo de 20% de biodiesel na mistura, é dispensável

qualquer ajuste na vazão da bomba injetora, podendo assim ser mantida a mesma vazão,

assim, então, mantendo a pressão de injeção, garantindo uma mistura (ar-combustível)

próxima da estequiométrica, resultando em um nível satisfatório de emissões dos gases de

exaustão. Entretanto, para uma proporção acima dos 20% de biodiesel na mistura, faz-se

necessário um ajuste geométrico no pistão da bomba de alta pressão, a fim de estabelecer

vazão de combustível que a mesma fornece, de modo que um maior volume de combustível

seja enviado aos bicos, estabelecendo a perda de energia (química) referente à mudança do

combustível.

Ainda de acordo com Filipovic et al., (2014), o aumento da blenda de biodiesel no

combustível requer também que outros ajustes mecânicos no sistema de injeção de

combustível sejam feitos. O principal é descrito como a otimização do ângulo de pré-injeção,

com o objetivo de obter o ponto correto de injeção, melhorando a eficiência de pulverização

do biodiesel na câmara de combustão do motor, adequando-se aos níveis de emissões de

poluentes dos gases de descarga. Esta correção do ângulo de injeção se faz importante em

motores com maior percepção do ângulo de pré-injeção de combustível, enquadrando-se os

motores com unidades injetoras.

O biodiesel tem características químicas diferentes do diesel, podendo interagir com

materiais de forma diferente, com isso, surgem novos mecanismos de falhas no sistema de

injeção, que necessitam ser entendidos permitindo que o sistema seja aprimorado. No entanto,

19

é necessário classificar e quantificar estas falhas de acordo com parâmetros ligados às

propriedades físico-químicas do combustível, performance do combustível no subsistema de

injeção, tratamento da superfície dos materiais envolvidos, critérios de manutenção e

tribologia do sistema (FAZAL et al., 2011).

Gonsalves et al., (2012) investigou através de simulações utilizando método de

elementos finitos, três hipóteses sobre o fenômeno do scuffing na agulha do bico injetor de

motores do ciclo Diesel. Estes autores consideraram que dentro de todas as condições

analisadas, a hipótese mais provável para o scuffing na agulha, está relacionada à presença de

partículas contaminantes no diesel. Ressaltando que tais partículas alteram significativamente

a pressão de contato entre a agulha e sua sede de trabalho, aumentando consideravelmente a

densidade de energia de contato da área.

Portanto, o presente estudo, tem-se como principal objetivo, entender e avaliar os

motivos de algumas falhas ocorridas no sistema de injeção. Pretende-se encontrar uma relação

entre os agentes e os mecanismos de desgaste que atuam nos pares tribológicos de

componentes do sistema de injeção diesel, em especial no par: agulha – ponta do bico injetor.

Através de ensaios utilizando um combustível padrão, encontrado nos postos de combustíveis,

e outro quimicamente modificado, será possível avaliar a compatibilidades destes com o par

tribológico estudado. Também será possível comparar estes resultados com os obtidos em

relatos de campo.

1.1. OBJETIVO GERAL

Avaliar o desgaste qualitativo das agulhas de bicos injetores de um motor do ciclo

diesel, utilizando biocombustíveis B6 e B6 aditivado, aferindo suas compatibilidades com os

materiais utilizados neste sistema.

1.1.1. Objetivos Específicos

Associar um estudo de campo em contraposição aos moldes experimentais;

Caracterizar as propriedades físico-químicas dos biocombustíveis utilizados;

Monitorar parâmetros de desempenho do bico injetor e do motor;

Estudar os mecanismos de desgaste no guia agulha do bico injetor.

20

II – REVISÃO DA

LITERATURA

2.1. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE INJEÇÃO

Dada a evolução dos motores de combustão interna, desde os seus primórdios com os

motores de Huygens e de Leonardo da Vinci por volta da segunda metade do século XVII

(MARTINS, 2005), passando por inovações como os motores a ar, a água e de combustão

interna atmosféricos, os grandes gargalos dessas invenções foram desenvolvidos em paralelo,

sendo os maiores, a parte de sistema de arrefecimento, ignição e injeção (armazenamento,

condução, mistura e injeção).

O progresso do sistema de injeção de combustível partiu da mudança dos primeiros

combustíveis, de quando eram a gás e passaram a serem combustíveis líquidos, os quais são

mais fáceis de serem transportados e armazenados. A peça chave que respondia pela

evaporação e mistura com o ar para a melhoria do desempenho da queima, era o carburador.

No princípio, os carburadores eram de superfície e evoluíram até chegar os de spray,

utilizando o princípio de Venturi. Em seguida, surgiu o conjunto de injeção eletrônica,

composto por eletro injetores, sensores, central e etc., e somente na década de 90 o sistema

eletrônico de injeção foi implantado para os motores diesel. Sistema este que em pouco tempo

com o advento da crescente tecnologia, evoluiu de forma exponencial (MARTINS, 2005).

Segundo Reis et al., (1999), após o motor diesel ter chegado aos Estado Unidos em

1899 por Adolphus Buchs, o progresso de seu aperfeiçoamento técnico se deu de forma mais

rápida. Foi nesse período que a patente de Diesel (em 1910) teve seus prazos de validade

expirados, abrindo espaço para Robert Bosch e Frantz Lang, nos anos 20, aperfeiçoaram o

sistema de injeção de combustível com a aplicação da bomba de pistão com ranhuras, que

eleva a pressão, tornando os motores desse ciclo, muito eficientes e com alto nível de

confiança.

21

Atualmente, por trazer muito mais benefícios, como: diminuição de ruído oriundos da

antiga unidade injetora mecânica, menor vibração, melhoria no consumo, esse tipo de sistema

é destaque nesse cenário mundial e vem substituindo de tal maneira o sistema mecânico, pela

redução no nível de emissões exigido pelo mercado e por legislações mundiais. Este sistema é

mais tecnológico, trabalha com pressões mais altas de injeção, curvas calibradas de injeção

exata e dosagem extremamente precisas do volume do combustível, entretanto, por enquanto

traz uma elevação nos custos finais do produto (KEGL, 2008).

Hoje por exigências das atuais normas EURO 6 na Europa e CONAMA P7 no Brasil,

que ditam sobre o controle e qualidade no padrão de emissões de poluentes e material

particulado emitidos pelos motores diesel, impõem aos fabricantes de motores diesel, o uso de

sistemas mais eficientes que atendam as normas para poderem entrar em circulação e também

serem concorrentes.

Com todas essas modificações e restrições ambientais, somente os sistemas mais

modernos de injeção são capazes de atender a tais requisitos. Os sistemas anteriores ao

eletrônico e aos semi eletrônicos estão sendo abolidos, com a tendência de serem extintos,

devido a não atender às exigências. Essa diminuição pode ser vista através do gráfico na

Figura 1, na qual se reporta um quadro de produção de motores com os sistemas de injeção

eletrônica atualmente mais utilizados são: CRS (Common Rail Injector) é o mais difundido,

UIS (Unit Injector System) e UPS (Unit Pump System).

Figura 1 – Produção de motores no MERCOSUL

Fonte: Adaptado de Robert Bosch (2011)

0

100

200

300

400

500

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

(x1000)

Mecânicos UIS UPS Common Rail

22

O sistema de Injeção Eletrônica, como é mostrado na Figura 2, possui uma central

chamada de ECM (Engine Control Module), Módulo de Controle do Motor, que funciona

como se fosse a ECU dos veículos Otto. Ela é quem faz toda a parte de controle de abertura e

fechamento dos bicos e análise de dados recebidos pelos diversos sensores.

Figura 2 – Componentes do sistema de injeção de combustível de um motor diesel common

rail – (1) Eletro-injetores; (2) Bomba de alta pressão; (3) ECM; (4) Tubo rail

Fonte: Adaptado de HUMMEL et al., (2004)

O sistema de injeção Common Rail pode ser entendido como Unidade de Conduto

Comum, onde difere dos sistemas convencionais, pois trabalha com pressão modulada em

motores de injeção direta. Ele trabalha com combustível pressurizado dentro de um rail (tubo

distribuidor) independentes da rotação do motor e do volume de combustível que estão

contidos dentro do rail a ser injetado (SOUZA, 2010).

Fica clara a evolução do aumento da pressão de injeção mostrada pelo gráfico da

Figura 3. Alguns fabricantes de componentes, como a DELPHI, a pressão máxima atingida

hoje é de 2500 bar, porém logo essa pressão subirá para 3000 bar, proporcionando uma

melhor atomização do combustível, melhorando a queima e minimizando a necessidade de

pós tratamento dos gases de escape (GRAHAM et al., 2014).

Figura 3 – Evolução da pressão injeção do sistema de injeção diesel

23

Fonte: Adaptado de BLAU, (2011)

Alguns gargalos que eram encontrados no sistema mecânico, como: a possibilidade de

pré-injeção, injeção principal e pós-injeção com controle de volume de injeção, foram

sanados com esse sistema.

Para uma injeção com parâmetros precisos, o injetor necessita estar sempre sob alta

pressão. Nesse caso, o módulo de controle eletrônico (ECM) mantém através de cálculos, o

momento e a quantidade correta de combustível a ser injetados. A ECM obedece a curvas de

rotação x torques previamente programados, adaptando-se a cada regime de funcionamento

com a otimização da pressão de injeção em baixas rotações e na faixa certa de torque. Toda

parte de adequação do motor em quaisquer situações é feita através de algoritmos

simplificados (BOSCH, 2005).

É através de sensores como: de pressão; temperatura do ar de admissão; temperatura

do liquido de arrefecimento; posição do pedal do acelerador; pressão do rail (tubo onde há o

acumulo de combustível); posição do motor (comando de válvulas); pressão atmosférica;

rotação do motor (árvore de manivelas – virabrequim), entre muitos outros, que a central

eletrônica recebe informações constantes e instantâneas do funcionamento do motor e do

veículo, como se esboça na Figura 4 de funcionamento do sistema.

Figura 4 – Princípio do fluxo de funcionamento da ECM

24

Com os dados obtidos, a central eletrônica tem condições de exercer controle,

comando e a regulagem sobre o modo de utilização do motor. A Figura 5 representa o fluxo

do combustível e a destruição espacial dos componentes do sistema de injeção common rail.

Figura 5 – Visão geral do sistema common rail

Outro ponto a ser observado é o percurso do contato do combustível sobre os circuitos

dos subsistemas no veículo. O subsistema de alimentação de combustível tem por função

retirar o combustível do tanque e jogá-lo para os injetores de vários cilindros. O circuito é

25

composto pelo tanque, bomba de baixa pressão, filtro de combustível preliminar, bomba de

alta pressão, tubo rail, linhas de conexão e eletro-injetores. Partindo do tanque, bomba de

baixa pressão fornece combustível para a bomba de alta, passando antes pelo filtro. A bomba

de alta pressão carrega o tubo rail e as linhas de alta pressão até os bicos injetores de

combustível (BOSCH, 2005).

No tubo rail e nas linhas de conexões, há menos dependência do combustível para

lubrificação, no entanto, existem alguns componentes com pares tribológicos atuando, onde, o

próprio combustível proporciona a lubricidade (por exemplo, bomba de alta pressão, injetores,

pistão e cilindro). Uma vez injetado na câmara, o combustível segue para combustão, onde

será queimado (HASEEB et al., 2010).

Este subsistema é constituído por elementos como bloco do motor, camisa do cilindro

(em alguns casos), cabeçote, válvulas de admissão e de exaustão, pistão, anéis de segmento,

pino do pistão e biela. O papel do pistão é comprimir o ar dentro do cilindro, fazendo com que

a temperatura se eleve acima de 500ºC (MARTINS, 2005). O pistão tem diâmetro menor que

a camisa do cilindro, e para minimizar o espaço entre o pistão e a mesma, anéis de segmento

são instalados nele, para que haja vedação em torno do êmbolo.

Logo após a queima, o subsistema responsável em conduzir os gases queimados para

fora é o sistema de escape do motor, que consiste em coletor, conversor catalítico e

silenciador. Após a combustão, os gases saem da câmara, passando para o coletor, e em

seguida através do sistema de recirculação de gases (EGR), parte dos gases retorna à câmara

para ser novamente queimado, para redução da fumaça, logo mais esses gases escoam para o

conversor catalítico e silenciador. A aplicação das válvulas ERG e SCR estão esquematizadas

na Figura 6. Após esse processo, os gases estarão na atmosfera (HASEEB et al., 2010).

Figura 6 – Aplicação da válvula EGR e SCR

26

A importância de se conhecer o fluxo de combustível em diferentes subsistemas é

observar o contato do combustível com uma grande variedade de materiais metálicos e não

metálicos. Materiais metálicos incluindo aço, ferro fundido, ligas de alumínio e ligas de cobre.

Como não metálicos mais comuns estão elastômeros, plásticos, tintas, papeis etc.

O combustível entra em contato com estes materiais sob temperatura, velocidade,

carga e estados físicos diferentes, sendo assim, provocando possíveis corrosão, desgaste e

degradação desses materiais. A seguir no Quadro 1 é mostrado as principais partes e materiais

do quais elas se constituem.

Quadro 1 – Materiais usados na composição dos componentes do sistema de injeção em

motores diesel Principais partes Componentes Materiais

Tanque de combustível Alojamento

Vedação

Aço, plástico, pintura, revestimento

Elastômero, papel, cortiça, cobre

Bomba de alimentação de

combustível

Liga de alumínio, liga de ferro, liga de cobre

Linha de combustível Alta pressão

Baixa pressão

Aço

Plásticos, borracha

Filtro de combustível Cartucho do filtro

Alojamento

Papel

Alumínio, plástico

Bomba de combustível Liga de alumínio, liga de ferro, liga de cobre

Injetor de combustível Aço inoxidável

Cilindro Parte superior do

Cilindro

Ferro fundido cinzento, alumínio fundido, alumínio

forjado

Cilindro Ferro fundido cinzento, aço, alumínio fundido

27

Cilindro linear Ferro fundido cinzento, alumínio

Válvulas Aço

Partes do pistão Pistão Alumínio fundido em areia, alumínio fundido em

cera perdida, alumínio forjado, ferro fundido

cinzento

Pino do pistão Aço

Anéis do pistão Ferro fundido especial, aço

Casquilho Liga de cobre

Biela Aço, liga de alumínio

Sistema de escape Coletor de escape Ferro fundido

Cano de escape Aço com revestimento galvânico

Conversor catalítico Aço inoxidável, fibra cerâmica fibra de alumínio

Silencioso Aço com revestimento galvânico

Fonte: Adaptado de HASEEB et al., (2010).

2.1.1. Funcionamento da Agulha do Bico Injetor

Quanto ao tocante ao funcionamento da agulha do injetor, a mesma funciona como

uma válvula para o controle de injeção pelo orifício de injetor. Sua posição de trabalho é

normalmente fechada, estando submetida por uma força de uma mola e uma contra força de

pressão do fluido para que fique sempre numa posição de fechamento do orifício.

Enquanto há pressão da mola sobre a agulha, a sede do orifício estará fechada, o

combustível passa apenas quando o solenóide é acionado. Quando isso acontece a agulha

sobe, fazendo com que permita passagem do combustível pelo orifício calibrado e decaia a

pressão onde a mola está alojada, fazendo com que a mesma retorne à sua posição

normalmente fechada, configurando um movimento alternado (reciprocating), além do

movimento rotativo que os fabricantes afirmam existir na agulha do bico injetor (informação

verbal)1.

Para uma melhor visualização dos elementos citados no texto, as Figuras 7 e 8

mostram a ponta do bico e o bico injetor, com as devidas indicações de seus componentes.

Figura 7 – Ponta e agulha do bico injetor diesel

1 Informação fornecida por Hailton Viana no Curso de Reparos de Bicos Injetores (TECNOMOTOR), em Natal/RN, em

agosto de 2013.

28

Fonte: Adaptado de Bosch (2014)

Figura 8 – Componentes do bico injetor common rail utilizado em veículos leves

Fonte: Adaptado de VIANA (2013)

2.2. PROBLEMAS NOS SISTEMAS DE INJEÇÃO

Injetores diesel common rail modernos podem injetar uma, duas, três, cinco, até sete

vezes por ciclo de motor, assim trazendo um efeito multiplicativo do desgaste do injetor em

relação ao sistema antigo, de unidade injetora de diesel. Os sistemas de injeção diesel mais

antigos usavam cerca de 1/3 a 1/2 da pressão de combustível dos motores modernos, como

29

também enviavam o combustível através de passagens e orifícios muito maiores (informação

verbal)2.

Sabe-se que bicos injetores e bombas são elementos que trabalham sobre os regimes:

marcha lenta, carga parcial e carga total, sendo eles concernentes à altas pressões e elevadas

temperaturas. E para o bom funcionamento dos mesmos é necessário que todos os

componentes estejam íntegros e ajustados.

Os ajustes nos pares tribológicos atuantes nesse sistema são da ordem de micrometros.

Importa avaliar o estado de desgaste nos componentes, por menor que seja a falha, sendo

assim é necessário estarem dentro das faixas de tolerância admitidas pelos fabricantes para

poder operar dentro dos regimes correto de trabalho.

Um agravante disso tudo é que atualmente a alimentação do sistema é feita utilizando

diesel de ultrabaixo teor de enxofre (ULSD), o que dificulta a lubrificação dos pares

tribológicos desse sistema. Porém, se a manutenção for feita adequada e periodicamente, junto

à preocupação de utilizar um combustível de qualidade, alguns problemas podem ser evitados,

podendo assim usufruir-se da confiabilidade do sistema e assegurar uma vida em serviço de

milhares de quilômetros sem problemas.

Mesmo que toda parte eletrônica de sensores esteja em perfeitas condições de

funcionamento, faz-se necessário que os atuadores finais, no caso os bicos injetores, estejam

dentro dos parâmetros de ajustes especificados pelo fabricante. Quando isso não acontece,

parte do funcionamento, seja ele o retorno do óleo diesel ao tanque, o tempo de injeção, o

débito e ou estanqueidade, ficam comprometidos, tornando a combustão incompleta e

contaminando os gases que vão para a atmosfera (informação verbal)3.

O bico injetor é o componente responsável pela pulverização do combustível na

câmara. Pulverização que é sempre bastante estudada, com o intuito de encontrar a melhor

forma de misturar o combustível injetado com o ar dentro do cilindro, visando menor emissão

de gases poluidores e economia de combustível (MARTINS, 2005). A Figura 9 retrata a

sequência de injeção e relação ao tempo de injeção, com um injetor de sete furos em seu bico.

Figura 9 – Sequência de injeção de um bico injetor

2 Informação fornecida por Hailton Viana, no Curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail (TECNOMOTOR), em

Natal/RN, em agosto de 2013. Informação fornecida por Hailton Viana, no Curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail (TECNOMOTOR), em

Natal/RN, em agosto de 2013.

30

Fonte: INSTITUTO MOTORI. Disponível em: <http://www.im.cnr.it/IM/?page_id=431> acesso em: set. 2013

Para que o bico apresente um bom funcionamento, é necessário garantir que algumas

de suas partes estejam em boas condições de funcionamento, como por exemplo, a carcaça

não estar rachada, a agulha está com a folga adequada, que a esfera vede a sua sede, entre

outros.

Segundo a Exergy Engineering (2012), pode-se dizer que os injetores de diesel tendem

a apresentar falhas por causa de duas razões principais; a primeira tem a ver com a robustez

da estrutura injetora e a segunda tem a ver com a qualidade do combustível que atravessa o

injetor.

Dentre essas causas relacionadas às propriedades mecânicas, pode-se desmembrá-las

em cinco mais específicas, sendo elas citadas no Quadro 2.

Quadro 2 – Principais causas, falhas e prevenções do sistema common rail FALHA INDICAÇÕES CAUSAS PREVENÇÃO E REPARO

31

Vazamento

interno ou Alto

fluxo de retorno

Dificuldade na hora

da partida

Código de baixa

pressão no rail

Sulcos na sede da esfera,

que funciona como válvula

Vazamento de tubos de

alimentação

Selagem de alta pressão

interna danificada

Folga incorreta da agulha

do bico

Corpo do bico rachado

Corpo do injetor rachado

Manter sistema de

combustível limpo, mudar

filtros de combustível,

comprar combustível a partir

de fontes confiáveis

Evite a afinação

excessivamente agressiva do

sistema, que aumenta de

pressão e pulso do injetor; e

não remova os dispositivos de

limitação de pressão do

sistema

Não utilizar componentes de

injeção de remanufaturados

ou que não são devidamente

projetados ou fabricados

artesanalmente. Utilize

apenas os bicos genuínos,

pois eles são feitos para ter

uma resistência superior à

quebra.

Não fazer montagem entre

bicos de séries diferentes.

Cada bico é compatível

apenas com outro da mesma

série.

Sem injeção O combustível é

adicionado ao

cilindro porque A

ECM “pensa” que o

injetor de

combustível não tem

fluxo suficiente. A

ECM toma a decisão

de injetar com base

na velocidade de

rotação do

virabrequim, porém

não há fluxo no

injetor suficiente,

fazendo com que o

motor não funcione.

Corpo e/ou bocal da agulha

engripado

Detritos ou oxidação no

plugue elétrico do bico

Bobina ruim

Perda de compressão do

cilindro ou outro problema

mecânico

Manter sistema de

combustível limpo, mudar

filtros, comprar de

combustível a partir de fontes

confiáveis;

Não utilizar peças de

reposição do sistema que têm

rebarbas metálicas;

Evitar unir todas as linhas

retornos de bombas de alta

pressão, de injetores e rail a

uma única linha de retorno;

Excesso de

injeção

Fumaça excessiva em

marcha lenta e má

queima;

Débito alto no

cilindro, o que

significa que a

rotação do motor vai

aumentar mais do

que o normal;

Temperatura dos

gases de escape

excessiva;

Danos ao motor pela

alta temperatura

Desgaste na sede da esfera

do injetor ou fraco corte da

injeção;

Assento da agulha do bico

desgastado ou danificado;

Detritos no sistema de

controle da agulha injetor,

que a mantém a agulha

aberta;

Detritos em bico assento

agulha mantendo-a aberta;

Substitua os injetores gastos e

de alta quilometragem;

Substituir as pontas

desgastadas;

Mantenha o sistema de

combustível limpo e mudança

periódica dos filtros;

Não use componentes

remanufaturados para esta

aplicação.

32

devido excesso de

combustível no

cilindro.

Bico rachado por sobre

pressão, ou bico

superaquecido por

instalação inadequada de

injetor.

Taxa incorreta

de injeção

Falha no

funcionamento e

desbalanceamento

nos cilindros

Variação de

temperatura dos

gases de escape

Baixo fluxo no bocal do

injetor

Baixa elevação da agulha

do bico

Bico conectado

parcialmente

Ponta dos bicos escovados

Manter sistema de

combustível limpo. Fazer a

manutenção de filtros

periodicamente;

Utilizar combustível a partir

de fontes confiável;

Rejeitar todas as peças de

reposição do sistema de

combustível que tenham mau

acabamento;

Não use componentes

remanufaturados para esta

aplicação ou fora de

aplicações padrões;

Nunca limpar os bicos com

uma escova de aço.

Tempo da

duração de

injeção incorreta

Falha no

funcionamento e

desbalanceamento

nos cilindros

Danos no pistão

Variação na

temperatura dos

gases de injeção entre

os cilindros

Desgaste no assentamento

da esfera

Montagem incorreta do

injetor (torques e/ou

variações no comprimento

dos calços)

Elevado aumento na agulha

do injetor, para aumento do

débito

Substituir os injetores

desgastados;

Fazer todos os testes com os

injetores;

Adquiri-los de uma fonte

confiável.

Fonte: Adaptado de EXERGY ENGINEERING Disponível em:

<http://www.trucktrend.com/how-to/expert-advice/1211dp-why-diesel-fuel-injectors-fail/> acesso em: set. 2013.

De acordo com Afton (2011), existem três principais causas de falha do injetor

associados às propriedades do combustível: desgaste em excesso, abrasão e depósitos.

Quando se trata de desgastes moderados e severos, logo se levanta a questão de como

e o quanto esses componentes estão sendo lubrificados. É sabido que antes de 13 de janeiro de

2005, o diesel encontrado nos postos do Brasil, era diesel puro (sem mistura com biodiesel)

(QUESSADA, 2007) e continham quantidades relativamente grandes de enxofre. Este

enxofre, assim como nitrogênio e oxigênio, é encontrado no óleo em bruto, que logo é

refinado, diminuído em suas partes para ser usado nesses motores.

O enxofre no combustível é utilizado como um lubrificante natural. Ele quem é

responsável pela redução do atrito, limpeza e refrigeração dos componentes do sistema de

injeção (FARIAS, 2010).

33

O biodiesel de ultrabaixo teor de enxofre (ULSD - Ultra-Low-Sulfur Diesel) foi

gradualmente introduzido no Brasil sendo pelo principal motivo a redução de SOx e NOx (e

outros componentes) responsável por diversos problemas ambientais, e também por causa do

excesso de falhas nos filtros de limpeza particulados diesel (DPF) (GUARIEIRO, 2011).

A diminuição do enxofre contido no diesel, controlado por padrões rigorosos das

normas mundiais que regulamentam o controle de emissões, têm como maiores vilões, os

poluentes CO, NOx, HC e o enxofre, que vem decaindo a cada nova regulamentação de

limitação do seu teor na mistura, como mostra o cronograma para implantação do diesel de

baixo teor de enxofre na Figura 10.

Figura 10 – Cronograma para implantação do diesel de baixo teor de enxofre

Fonte: PETROBRAS (2013). Disponível em:

<http://sites.petrobras.com.br/minisite/assistenciatecnica/perguntas.asp> acesso em: out. 2013.

Esta diminuição do teor de enxofre tem impacto direto na redução de lubricidade da

blenda do combustível. Entretanto, com a majoração do uso do biodiesel, essa lubricidade

pode ser restabelecida e permitir o uso contínuo da mistura. Por apresentar maior viscosidade,

o biodiesel proporciona maior lubricidade que o diesel, e tem-se observado redução no

desgaste das partes móveis do motor. O biodiesel também possui estruturas moleculares mais

simples que o seu precursor, os triglicerídeos, logo, a sua viscosidade é comparativamente

menor que estes, apresentando maior eficiência de queima, reduzindo significativamente a

deposição de resíduos nas partes internas do motor (LÔBO e FERREIRA, 2009).

Outra potencial falha é causada pela qualidade do combustível, ou ainda pela presença

de algumas impurezas (da ordem de mícron) que podem passar até mesmo pelos mais

estreitos filtros do veículo. O diesel mineral de baixa qualidade, por exemplo, provoca a

incrustação de resíduos sólidos nas linhas de condução do combustível. Um possível e

posterior uso do biodiesel pode limpar essas linhas, porém entupindo o filtro, necessitando de

34

uma reposição (também não onerosa). Misturas biodiesel/diesel com concentração do

primeiro abaixo de 20%, não apresentam esses inconvenientes.

Se o combustível contém uma grande quantidade de partículas pequenas e insolúveis,

mesmo que refinado e filtrado diversas vezes, ao longo do tempo estarão dentro e atritando

nos injetores, durante a operação normal do motor, trazendo consequências significativas,

como alteração do funcionamento do injetor e do padrão de pulverização de combustível,

reduzindo o desempenho do motor e em casos mais graves, pode até levar à ineficiência total

do injetor (AFTON, 2011). A consequência da passagem dessas partículas por componentes

internos do injetor é mostrada na Figura 11.

Figura 11 – Sede da vedação feita pela esfera (a) Desgaste normal, homogêneo. (b) Peça sob

desgaste irregular, de forma abrasiva

(a) (b)

Fonte: Fotos de Hailton Viana para o curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail, (TECNOMOTOR),

(2013).

A Figura 12 mostra um componente do bico injetor, conhecido por disco

intermediário, que trabalha sob funcionamento severo. Assim como a agulha, esse

componente faz o papel de vedação, entretanto, o disco trabalha com sistema de vedação

plana, ocorrendo desgaste abrasivo na superfície, causando alteração no tempo de injeção.

Figura 12 – Sede de vedação do disco intermediário da válvula piloto

35

Fonte: Fotos de Hailton Viana para o curso de Reparos de Bicos Injetores Common Rail (TECNOMOTOR),

(2013)

A agulha por sua vez trabalha com vedação cônica, porém devido seu tipo de

movimento (reciprocating e rotativo) há uma combinação de desgaste acelerada, causando

redução do diâmetro da extremidade oposta à ponta, fazendo com que o retorno de

combustível se eleve e injete menos combustível na câmara. Em paralelo a isso, pode ocorrer

a alteração do ângulo da ponta da agulha, causando desgaste maior por promover o contato

direto com o encaixe (sede de vedação), além da folga que é gerada, pois a ponta fica tocando

a sede, podendo chegar ao ponto de a ponta romper, ficar à mostra, ou formar trincas, como é

visto em exemplo nas imagens da Figura 13 (b). Isso é atribuído a má qualidade do

combustível, que por não ser capaz de atuar como um amortecedor (colchão hidráulico) na

sede de vedação, permite o impacto entre as superfícies, acarretando na degola por completa

da ponta do bico injetor, trazendo sérios danos ao motor (BOSCH, 2014).

Figura 13 – (a) Início da trinca na ponta do injetor; (b) Colapso total da ponta do bico, devido

a não formação do colchão hidráulico

(a) (b)

Fonte: (a) Diesel Power (2012). (b) foto de Hailton Viana para o curso de Reparos de Bicos Injetores Common

Rail (TECNOMOTOR), (2013)

Como dito anteriormente, boas práticas de manutenção como o uso de uma boa

filtragem de combustível e consumindo um combustível de um fornecedor de confiança, pode

reduzir danos causados por abrasão, erosão e cavitação.

36

Por fim, é importante considerar quando se discute a causa da falha de um injetor

relacionado ao combustível, a Afton (2011) afirma que, hoje, a principal razão para o um

colapso do injetor é devido ao acúmulo excessivo de depósitos. Existindo dois tipos principais

destes depósitos: os externos ao injetor e depósitos no interior dos injetores.

Os depósitos externos ao injetor são geralmente causados pela má queima do

combustível (queima incompleta), que se acumula em torno dos furos do injetor. Estes

depósitos são referenciados na literatura como depósitos de coque.

Na maioria dos casos, esses depósitos não levam à insuficiência do injetor, porém, eles

podem acumular o suficiente para perturbar a atomização do combustível, Figura 14. Esta má

formação da nuvem de pulverização gera, consequentemente, uma má queima de combustível

e menor eficiência. Este problema é frequentemente observado pelo operador do veículo

como uma perda perceptível de potência e um maior gasto de combustível.

Figura 14 – Depósito de coque na ponta do injetor

Atualmente, há aditivos detergentes que são usados para ajudar a controlar esses

depósitos externos e restaurar o injetor. Eles apresentam sucesso no uso para a perda de

energia e melhor economia de combustível, resgatando novamente uma maior eficiência ao

veículo.

Com toda mudança do sistema de injeção, que partiu do mecânico com pressões de

200, 300 bar e folgas um pouco mais abrangentes, para o common rail, que trabalha com até

2500 bar e tolerâncias da ordem de 2 a 4 micrometros (QU, 2005), um novo tipo de depósito

(semelhante ao coque) vem surgindo no interior dos injetores.

Estes depósitos são leves, com aparência acinzentada e se formam nas partes internas,

nas agulhas injetoras pelo movimento reciprocating, em praticamente qualquer tipo de injetor

do sistema common rail e nas agulhas dos bicos.

37

Eles normalmente só causam problemas operacionais nos motores mais novos com

sistemas mais precisos e com alta pressão injeção (HPCR – high pressure common rail),

devido ao depósito de materiais nesses microespaços, sendo principalmente na ponta agulha

do injetor, impedindo a vedação interna na linha de contato (sede) da agulha, deixando de

garantir a estanqueidade na ponta, fazendo com que o bico venha a gotejar, como também

podendo acarretar a obstrução dos orifícios de injeção, ou seja, levando a um fraco

desempenho do motor e uma combustão incompleta, Afton, (2011).

Em casos extremos, esses depósitos podem levar à degola completa da ponta do injetor

ou travamento das agulhas injetoras, especialmente depois que o veículo for desligado quando

o motor estiver frio.

Assim como os depósitos externos, os internos podem ter os mesmos sintomas, ou

seja, potência perdida e aumento do consumo de combustível. Por serem os atuadores finais

do sistema, nos casos mais graves, o sistema trava e levam à paralisação total do veículo,

acarretando num elevado custo de manutenção.

Outros pontos a serem observados nas falhas mecânicas de um injetor estão relatados

no Quadro 3.

Quadro 3 – Mecanismos de falha de um injetor common rail A sede da esfera corrói, fazendo com que haja

o fluxo indesejado de retorno.

Isso faz com que o motor não dê partida.

Se a erosão aumenta muito, o injetor perde a

capacidade de estanqueidade.

A cavitação na ponta da agulha/bico provoca

falta de estanqueidade.

Isso acarreta numa baixa economia de

combustível e uma fumaça branca azulada em

marcha lenta.

38

Acúmulos de debris na sede da esfera.

Isso pode fazer com que a vareta do injetor

permaneça acionada, tornando-a aberta

constantemente.

Fonte: Adaptado de How a Common Rail Diesel Injector Works and Common Failure Points - Engineered

Diesel. Disponível em:<https://www.youtube.com/watch?v=NUvWnOd5lFw>. Aacesso em: 15/12/2014)

2.3. UTILIZAÇÃO DO BIODIESEL NO MCI POR COMPRESSÃO

O histórico de aplicação dos primeiros combustíveis nos motores do ciclo diesel, foi

utilizando óleos vegetais, na apresentação desse tipo motor na Feira de Exposição Mundial de

Paris, no início do século XX. Posteriormente passando para o uso do diesel e recentemente o

mesmo tem sido misturado com biodiesel para diminuir a poluição atmosférica e a

dependência do petróleo.

Da sua criação aos dias atuais, o mesmo é motivo de muitas discussões e polêmicas,

principalmente a respeito da sua eficiência global. Com isso, experiências vêm sendo

realizadas em diversos países, objetivando nos principais casos, a melhor composição (da

blenda biodiesel com diesel) que fornecerá bom desempenho, considerando; A

compatibilidade com os materiais utilizados nos subsistemas do motor; A eficiência

energética global de cada composição de óleo utilizado.

Pode-se listar como as principais vantagens do uso de óleo diesel em motores:

- Excelente rendimento térmico dos motores projetados para esse combustível, em

torno de 30% a 38%;

- Baixo índice de quebra, fácil manutenção e grande disponibilidade em peças de

reposição desses motores;

- Uso satisfatório nos mais diversificados tipos de terreno e clima;

- Utilização global, com tecnologia desenvolvida permitindo excelente o uso em

diversos segmentos;

- Excelente aplicabilidade em veículos de transporte de cargas;

- Alta concentração de energia, permitindo a aplicação em veículos de grande porte,

sem aumento demasiado de peso.

39

Entretanto, percebe-se através e da literatura técnica que sempre existiu a busca e

dedicação pelo aprimoramento do uso combinado de óleos vegetais, diesel, biodiesel e outras

combinações. No entanto, é de admirar-se com a diversidade de conceitos e conclusões feitas

pelos pesquisadores, especialistas e curiosos do mundo inteiro. De certo, o que mais pode ser

visto na literatura, são verdadeiras contradições. Estas podem ser explicadas pelos diferentes

modos de pesquisa, modo de preparação e fontes de combustíveis e estágio de

aperfeiçoamento dos motores, justificado pelas épocas em que foram feitos tais ensaios.

2.3.1. Consolidação do Biodiesel como Alternativa Energética

A demanda por combustíveis renováveis está se expandindo rapidamente nos últimos

anos. Bem no início do século passado, as indústrias direcionaram trabalhos de

desenvolvimento do motor para utilização com diesel à base de óleo cru de petróleo. De

início, por consequência das seguidas crises energéticas que o mundo passou, despertou-se a

necessidade de novas fontes alternativas de energia, com parâmetros que fossem

ambientalmente sustentáveis e seguros para sua utilização. Nos dias atuais, procuram-se as

melhores adequações a novos combustíveis que substituem os derivados do petróleo (MELO,

2009).

Uma alternativa positiva encontrada para uso nos motores do ciclo Diesel, que

respondem na maior parte, pela malha pesada de rodoviários, transporte e setor agrícola, a

estrutura energética que melhor se adaptou foi uma blenda, composta por biodiesel (oriundo

de fontes vegetais e animais) e diesel (do petróleo), formando assim uma fração para

utilização nestes motores.

Em termos ambientais, a ampliação do uso do biodiesel reduz a participação do óleo

diesel na matriz energética, um combustível eminentemente fóssil, o que significa a

diminuição das emissões de poluentes veiculares nos centros urbanos e nas rodovias.

Trata-se de um combustível biodegradável originado a partir de óleos de origem

animal ou vegetal, obtido através de processos a partir de reações químicas com álcool de

cadeia curta, na presença de um catalisador, conhecidos por craqueamento e reação de

transesterificação (OLIVEIRA FILHO, 2011).

O surgimento efetivo do biodiesel como fonte alternativa de energia foi em meados

dos anos 80, justificando as crises no mercado mundial de petróleo ocorridas nas décadas de

70, junto ao aumento da demanda de energia e aliada ao consentimento ambiental da

40

população (GUERRA e FUCHS, 2009). Desde 2003, na União Europeia, os óleos vegetais

são biocombustíveis reconhecidos e regulamentados, sendo amplamente utilizados no setor de

transporte (GUERRA e FUCHS, 2010).

Os biocombustíveis são uma realidade global, com milhares de países adeptos

aplicando esse novo modelo em seus veículos que circulam em vários continentes, e com essa

visão, há a tendência do aumento com a conscientização da população e interesse de empresas

e governos.

Como exemplo desses biocombustíveis pode se destacar o álcool, o biodiesel, o biogás

e o óleo vegetal, usados nos dias atuais. A utilização do óleo vegetal para a obtenção do

biodiesel se tornou uma das mais importantes opções, reconhecida por muitos países, por

apresentar atrativos como minimização dos impactos ambientais, em comparação com os

combustíveis fósseis, além do incentivo a economia e fonte de renda (GUERRA e FUCHS,

2010).

A diversidade de plantas oleaginosas em que o óleo pode ser extraído é enorme, a

exemplo estão espécies como: dendê, macaúba, babaçu, tucum, coco, buriti, noz-peçan,

castanha, macadâmia, pinhão, amendoim, soja, canola, nabo forrageiro, pinhão-manso,

tungue, girassol, algodão, linhaça, gergelim, crambe, cártamo, nim e moringa, dentre muitas

outras (COSTA et al., 2006).

Graças à sua diversidade climática, de solos e a grande biodiversidade, o Brasil por se

tratar de um país de dimensões continentais, é capaz de apresentar uma enorme diversidade de

oleaginosas que são fontes de matéria prima para produção de óleo vegetal, alimentado assim

a necessidade local e boa parte da população mundial.

O Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PNPB) inseriu um novo

combustível na matriz energética nacional. O trabalho multidisciplinar, envolvendo governo,

instituições de pesquisa, indústrias e a sociedade, permitiu que desde 2008, em função da Lei

n. 11.097, de 13 de janeiro de 2005, todo óleo diesel nacional disponível ao consumidor final

é acrescido de biodiesel. Em janeiro de 2005 alcançou-se a mistura de 5%. (FONTES

JUNIOR, 2011). Essa mistura é denominada óleo diesel B5. Em 01 de junho de 2014 entrou

a mistura de 6%. A partir do mês de novembro de 2014, de acordo com o Ministério de Minas

e Energias (MME) e o Conselho Nacional de Política Energética (CNPE) o biodiesel passou a

ser comercializado com 7% de inserção no diesel, sendo agora o B7 S-10.

O B7, além de corrigir a lubricidade do óleo diesel, reduz os níveis de emissão dos

veículos referente ao teor de enxofre. Os combustíveis comercializados ao consumidor final,

41

possuem 10 mg/kg de enxofre (S10) denominado de “diesel ultra-baixo teor de enxofre

(ULSD)”, 500 mg/kg de enxofre (S500) e 1.800 mg/kg de enxofre (S1800). O diesel para

comercialização, além dos 7% de biodiesel, recebe também aditivos em sua composição.

Esses aditivos aprimoram algumas características, visando maior desempenho do combustível

(ANP, 2014).

Com relação ao diesel ultra-baixo teor de enxofre (ULSD), seu uso tem sido

obrigatório em centros urbanos, tendo em vista o benefício como redução dos desgastes nos

cilindros e anéis de segmento, depósitos de coque no motor, emissões de NOx e material

particulado, aumento da vida útil dos tanques, linhas e partes internas do motor, entre outros.

Entretanto, a minoração do enxofre leva consigo algumas vantagens a respeito da lubrificação

das partes móveis. Com isso, é necessária a incorporação de aditivos (SCHÄFER, 2001).

Mesmo assim, em sua composição natural, o biodiesel oferece um número de

vantagens distintas. Apresenta uma excelente lubricidade, algo que é benéfico aos

componentes e que se destaca devido à atual política de redução do enxofre; É biodegradável,

não tóxico, porém por conta do diesel em sua composição ainda emite gases nocivos à saúde;

tem maior ponto de fulgor, provoca redução de emissões (KNOTHE, 2008).

Porém, ele também apresenta algumas características desfavoráveis, como

instabilidade oxidativa, alta geração de glicerina, durabilidade do óleo não mais que seis

meses, propriedades pobres à baixa temperatura, sendo necessárias possíveis mudanças nos

sistemas eletrônicos dos motores para receber o biodiesel acima de B20, além de fornecer um

pouco menos potência e torque, acarretando em um maior consumo de combustível

(DEMIRBAS, 2007).

2.3.2. Aspectos Físico-Químicos dos biodieseis

Os aspectos físico-químicos dos combustíveis têm consideráveis influências sobre o

funcionamento do motor, em especial os do ciclo Diesel, devido a estes estarem diretamente

relacionados ao consumo, potência, eficiência, emissões e, sintetizando estes parâmetros,

durabilidade, confiabilidade e vida em serviço do motor. Desse modo, a escolha para

utilização de uma fonte energética, no geral, deve-se considerar fatores econômicos, técnicos,

sociais, ambientais e por fim, políticos.

O biodiesel é um combustível de composição complexa. A sua estrutura e

propriedades físico-químicas dependem diretamente dos processos de obtenção da sua origem

42

(animal ou vegetal) e da origem da fonte de petróleo. A blenda de biodiesel e diesel

comercializada possui em sua constituição uma rica mistura de hidrocarbonetos e ésteres

mono-alquila de ácidos graxos de cadeia longa, além de hidrocarbonetos parafínicos

olefínicos e aromáticos e, em menor quantidade, substâncias cuja fórmula química contém

átomos de enxofre, nitrogênio, metais, oxigênio, etc. Esses hidrocarbonetos são formados por

moléculas constituídas de 8 a 40 átomos de carbono (FERNANDES, 2011).

Segundo Giacosa (1964), apud FERNANDES (2011), dentre as variáveis que mais

influenciam o trabalho realizado pela combustão dos motores por ignição a compressão estão:

o efeito da pulverização na câmara, o alcance do jato combustível, a turbulência do ar na

câmara, a taxa de compressão e as temperaturas do ar e do fluido de arrefecimento. No

entanto, há outros parâmetros de propriedade físico-química dos combustíveis que merecem

destaque, elas também são responsáveis na influência da sua queima. Entre elas, podem-se

citar:

2.3.2.1. Poder calorífico

O potencial calorífico de um combustível é a propriedade responsável por quantificar

o poder carburante do mesmo. Esta determina a quantidade de energia que está disponível no

combustível e que é liberada à câmara de combustão, através de uma reação química

(KNOTHE, 2008). Assim, pode-se definir que quanto maior o número de átomos de

hidrogênio na composição de um combustível, maior seu poder calorífico (SOUZA, 2010).

A obtenção do poder calorífico pode ser apresentada de duas formas: em PCI – Poder

calorífico inferior, onde a água formada entra em forma de vapor; e PCS – Poder calorífico

superior, onde a água encontra-se na fase líquida. A diferença em valor entre os dois é a

quantidade de calor necessária para evaporar a água contida nos gases de exaustão. Tanto o

PCS quanto o PCI são obtidos através do ensaio de calorimetria.

De acordo com Peres (2007), a avaliação do poder calorífico de um combustível se faz

pertinente, pois havendo comparação entre combustíveis, aquele que apresentar menor poder

calorífico, também terá um maior consumo específico de combustível para liberar a mesma

energia.

O poder calorífico está relacionado diretamente com a quantia de energia interna

armazenada no combustível, sendo o hidrogênio o responsável limitante do potencial

43

calorífico desse combustível, de modo que quanto mais hidrogênio, maior poder calorífico do

combustível.

O biodiesel possui ésteres alquílicos com diferentes níveis de saturação, o que leva ao

fato de o biodiesel ter menor poder calorífico (cerca de 10%), tendo por base o valor mássico,

mas possuindo um maior valor por unidade de volume, aspecto este atribuído à sua maior

densidade. Em motores utilizando biodiesel como combustível, observa-se uma redução de

cerca de 8,9% na potência, baseando-se no fato de os mesmos funcionarem com um sistema

de injeção por deslocamento volumétrico de combustível (SOUZA, 2010).

Knothe (2008) afirma que o biodiesel é um pouco menos energético que o diesel

oriundo do petróleo, devido à ausência de hidrocarbonetos aromáticos responsáveis pela

concentração de energia, resultando em alto poder calorífico.

2.3.2.2. Viscosidade

Segundo a ANP (1999), a viscosidade de um combustível indica sua resistência ao

escoamento a uma determinada temperatura. Brown e Dattelbaum (2005), afirmam que a

mesma está relacionada com a facilidade de moléculas individuais de líquidos poderem

mover-se em relação às outras. Seu controle visa permitir boa atomização do óleo e preservar

suas características lubrificantes.

Todos os componentes do sistema de injeção estão intrinsecamente ligados a essa

propriedade, pois o próprio óleo é quem faz a lubrificação dos componentes, garantindo a

durabilidade da vida do sistema.

Os combustíveis com baixa viscosidade ocasionam inícios de perdas de pressão

internas, queda na capacidade de pressurização pelo sistema de injeção, devido à alteração no

tempo de injeção, resultando em uma maior quantidade de combustível injetada,

comprometendo assim a potência e a economia.

O desgaste precoce dos elementos do sistema de injeção pode ocorrer porque as

propriedades de lubrificação tendem a diminuir com a viscosidade (GARRETT, 1994).

Entretanto, não se pode ter uma viscosidade excessiva, devido a dificultar a formação

do spray e de demandar uma maior potência para o bombeamento do óleo até chegar aos

bicos, resultando de uma forma geral numa redução de potência e aumento de emissões pela

má queima. A faixa de viscosidade do óleo para operação em motores, varia entre 2,0 e 5,0

(cSt) em temperaturas de trabalho de 80°C a 95°C, (CAPANA, 2008).

44

2.3.2.3. Índice de acidez

O índice de acidez é definido pela quantidade de álcali, expressa em miligramas de

KOH por g de amostra que é necessário atingir o ponto de viragem da titulação da amostra.

Este dado é importante para poder alertar a respeito da ocorrência de fenômenos, como

deterioração do biodiesel e corrosão em componentes do sistema de alimentação, além de

revelar o estado de conservação do combustível (SILVA et al., 2010).

A Resolução 07 da ANP estabelece que o biodiesel, não pode ter índice maior que

0,50mg KOH/g ou 3% de ácido oléico. No entanto, se for encontrado um índice de acidez alto

(superior a 2mg KOH g-1 de amostra) é possível supor que alguns ácidos graxos livres

permanecem no biodiesel (MORAES, 2008).

2.3.2.4. Teor de enxofre

O enxofre é um elemento natural encontrado em todos os óleos crus. Sua quantidade

no biodiesel é controlada durante o processo de refino. Atualmente, os combustíveis

destilados, tais como o óleo diesel, tem por meio de imposições legislativas, seguidas por

normativas ambientais, um teor de enxofre menor, obtido através de processos de refino

(SILVEIRA, 2013).

O teor de enxofre, em ppm, do óleo diesel está expressamente ligado ao material

particulado (MP) das emissões de escape. Durante sua queima na câmara de combustão do

motor, dá origem à formação de óxidos de enxofre. Tais óxidos, após expelidos, reagem com

o vapor de água presentes na atmosfera, resultando na formação de ácido sulfúrico.

Também pelo fato do mesmo não ser queimado no reator de combustão, o enxofre

presente no combustível ainda é apontado pela formação de depósitos no motor.

Por outro lado, a eliminação parcial/total do enxofre no combustível acarreta a

eliminação do principal agente presente no diesel capaz de lubrificar os componentes móveis

do sistema de injeção, uma vez que o biocombustível não apresenta enxofre em sua

composição, o teor de enxofre presente no biodiesel é função do enxofre encontrado no diesel

que forma a blenda (IAMAGUTI, 2014).

45

Para compensar a redução do enxofre contido na blenda, faz-se necessária a presença

de aditivos adequados para a correção das propriedades diretamente relacionadas a

lubrificação (SULEK, et al., 2010).

Dessa forma, há o embate em manter o menor teor capaz de conservar os mesmos

parâmetros de lubrificação, contrapostos a questões ambientais.

2.3.2.5. Ponto de fulgor

O ponto de fulgor está relacionado com a possibilidade de determinação das

condições de seu armazenamento gerados pelo grau de volatilidade e também dos limites de

explosividade e inflamabilidade do material. Corresponde à temperatura mínima, à pressão de

101,3 kPa, em que os vapores de um combustível inflamam quando aplicada uma chama.

O Ponto de Fulgor não tem interferência direta no funcionamento do motor (Luciano,

1991). Representa a temperatura limite em que o óleo diesel libera vapores para formar com o

ar uma mistura que se inflama espontaneamente com a aproximação de uma chama.

O ponto de fulgor do combustível não tem qualquer relação significativa com o

desempenho do combustível no motor. A temperatura de auto ignição não é influenciada por

variações no ponto de fulgor (TOTTEN, 2003).

Ponto de fulgor é especificado para a segurança durante o transporte, armazenamento

e manuseio.

2.3.2.6. Massa Específica

A massa específica é a massa por unidade de volume de combustível. É uma

propriedade física fundamental que pode ser usada em conjunto com outras propriedades para

caracterizar tanto as frações leves quanto as pesadas dos produtos de petróleo. A

determinação exata desta característica também é necessária para a conversão de volumes

medidos em volumes à temperatura especificada, no caso 20 ºC.

Os motores são projetados para operar com combustíveis em determinada faixa de

densidade ou massa específica, na qual o volume da câmara de combustão é constante e o

conteúdo energético é dependente da massa utilizada. Quando a densidade varia, o conteúdo

energético da porção injetada e a relação ar-combustível, na câmara de combustão, ficam

alterados variando a potência do motor (SONG et al., 2000).

46

Para que a combustão ocorra, deve existir uma razão estequiométrica ideal, ou seja,

uma relação combustível/comburente (ar). Uma concentração de combustível maior que a de

comburente caracteriza uma mistura rica. Por sua vez, uma quantidade de ar maior que a de

combustível indica uma mistura pobre.

Valores de massa específica acima daquela a que o motor foi projetado, podem levar à

mistura rica de ar/combustível, o que aumenta a emissão de poluentes como hidrocarbonetos,

monóxido de carbono e material particulado. Valores baixos para a densidade podem

favorecer a formação de mistura pobre, o que leva à perda de potência do motor e ao aumento

de consumo de combustível.

2.3.2.7. Índice de Cetano

O índice de Cetano é uma grandeza adimensional que define a qualidade de ignição do

diesel para queima em um motor, representando o quão inflamável é o combustível, tratando

principalmente em condições de partida a frio. Trata-se de um valor adimensional.

Um baixo valor no número de cetano de um combustível representa um atraso do

tempo da injeção do combustível e o início da ignição da mistura, consequentemente, maior

será a quantidade de combustível que permanecerá na câmara sem queimar no tempo certo,

provocando esforços anormais sobre o pistão devido ao excesso de energia sobre o mesmo,

trazendo danos mecânicos e perda de potência. Por outro lado, um combustível com maior

número de cetano, promove uma rápida auto ignição, conduzindo a uma diminuição de NOx,

trabalhando sob baixa carga (RUSCHEL et al,. 2014).

2.3.2.8. Lubricidade

Por definição, lubricidade é a capacidade de um fluido de minimizar a fricção e o

desgaste entre superfícies metálicas sob carga. Trata-se de uma medida que mensura o poder

de lubrificação de uma substância, sendo função de propriedades físicas como, a viscosidade e

a tensão superficial. Diferentemente dos motores movidos à gasolina, os motores de ignição

por compressão necessitam que o combustível tenha propriedades de lubrificação

significativa, capaz de poder lubrificar os componentes do sistema de alimentação que

estejam em movimento relativo (POSSIDONIO et al., 2008).

47

A lubricidade do combustível está relacionada diretamente com os compostos

orgânicos que contêm uma parte polar, sulfurada ou não, que formam uma camada limite na

superfície do metal, protegendo-o contra o desgaste. A etapa de hidrotratamento (redução de

enxofre no diesel petroquímico), acaba ocasionando a remoção de compostos aromáticos

policíclicos com grupos polares de nitrogênio e oxigênio (WADUMESTHRIGE et al., 2009

apud MATTOS, 2012).

2.3.2.9. Aditivos

Capana (2008) descreve que o óleo diesel comercial, assim como outros combustíveis,

também recebe aditivos, numa quantidade que geralmente representam 0,1% em massa na

blenda. No geral, os aditivos são: antiespumantes, desmulsificantes, detergentes, dispersantes

e inibidores de corrosão; e atuam em áreas como: diminuição da temperatura de precipitação

de parafina, aumento do número de cetano, inibição da formação de depósitos em bicos

injetores, inibição da corrosão, criação de agentes que dificultam a formação de espuma.

2.4. TRIBOLOGIA E ESTRUTURA DO SISTEMA AGULHA-BICO

A compreensão dos mecanismos de contato entre superfícies de contato com

movimento relativo entre si requer considerações a nível macro, micro e nano.

As interações superficiais ditam e controlam o funcionamento de praticamente todos

os dispositivos mecânicos construídos pelo homem, fato com o qual se observa uma

importância central na tribologia em termos de desenvolvimento tecnológico; entretanto,

ainda hoje, isso nem sempre é reconhecido (PERSSON, 1999 apud MARU, 2003). Na

verdade, o atrito, desgaste e lubrificação já são estudados há muitos anos e têm uma história

longa e fascinante (HUTCHINGS, 1992).

Sendo assim, tendo em vista o conjunto tribológico do sistema a ser estudado, serão

apresentados a seguir alguns elementos básicos do sistema capazes de caracterizar tais

mecanismos de desgaste, como também para tomar ciência dos termos e facilitar o

entendimento dos resultados obtidos pelo presente trabalho.

Particularmente, para o scuffing e para a cavitação será feita uma abordagem um

pouco mais aprofundada, já que difere um pouco do enfoque dos trabalhos anteriormente

48

mencionados. Então, nos itens posteriores, optou-se em discutir o conhecimento já disponível

com uma abordagem direcionada à apresentação e discussão dos resultados obtidos.

Considerando a interação de duas superfícies sólidas que estão em contato, é essencial

que seja feita uma abordagem tribológica, examinando outros fenômenos de uma maneira

geral.

2.4.1. – Cilindro e agulha do bico injetor

A Figura 15 esboça a seção em corte longitudinal do objeto de estudo, a agulha em

especial, e o cilindro do bico, com destaque para as regiões onde se encontram os pares

tribológicos.

Figura 15 – Seção longitudinal da ponta (cilindro) de um bico injetor

Fonte: Adaptado de Bosch (2009)

O furo guia tem como principal função orientar a trajetória da agulha, formando um

contato conforme. A ponta da agulha, juntamente com sua sede no cilindro, forma um

contato não conforme. Enquanto isso, o combustível é conduzido sob alta pressão até sua

chegada na câmara de armazenamento. Enquanto não houver um comando da parte superior

do bico (bobina), os orifícios de injeção estão bloqueados pelo contato da ponta da agulha

com o assento.

A ponta da agulha apresenta variações de ângulos quanto ao modelo de projeto

desenvolvido por cada fabricante. Entretanto em quaisquer das configurações o desvio

angular da ponta na agulha, como no caso de uma mínima variação de ângulo, e desvios de

concentricidade, são capazes de gerar perturbações e mau funcionamento do par. A Figura 16

mostra o perfil mais comum de ponta de agulha e sede.

49

Figura 16 – Ponta da agulha na sede da ponta do bico

Para que o par, corpo-agulha, possa resistir ao máximo em termos de durabilidade e

confiabilidade, considerando também a sua localização em operação no motor, é necessário

que sua confecção seja realizada seguindo critérios de altíssima precisão, requerendo

procedimento especiais para a garantia de mínimas tolerâncias dimensionais, de forma e de

superfície.

Segundo a norma DIN8589, para a confecção dos pares, é necessário que se siga

processos de fabricação, tais como retificação, brunimento, lapidação, tamboreamento e

jateamento, (DIN, 1985 apud KLOCKE, KÖNIG, 2005 apud ANDRETTA, 2012), seguidos

de tratamento térmicos. Havendo falhas em tais processos, pode vir a ocorrer vazamentos que

reduzem a pressão e alteram a duração das injeções, comprometendo o rendimento do sistema

de injeção.

Os aços empregados capazes de obedecer aos critérios de qualidade exigidos pela

indústria automobilística, devem apresentar propriedades de alta qualidade, garantindo alta

resistência ao desgaste e a abrasão, concluindo garantindo a também a estabilidade

dimensional.

Segundo Reif (2009), afirma que a composição do aço nitretado utilizado nas agulhas

que obedece os critérios de qualidade exigidos pela indústria automobilística, são descritos no

Quadro 4.

Quadro 4 – Aços aplicados em agulhas de bicos injetores

DIN Nota

42CrMo4 Aço temperado

39CrMoV13-9 Aço nitretado

X1CrNiCoMo12-8-5 Aço liga

X210CrW12 Aço ferramenta

X30CrMoN15-1 Aço ferramenta

Fonte: REIF, (2009)

50

2.4.2. Contato mecânico e mecanismos de desgaste do par tribológico

O desgaste é definido pela American Socity for Testing and Materials (ASTM-G40,

2013), como o dano a uma superfície sólida, geralmente envolvendo perda de massa do

material devido ao movimento relativo entre as superfícies de contato, podendo ser

acrescentado a esse conceito, a forma adesiva de ocorrência do desgaste.

Segundo Serbino (2005), o termo desgaste geralmente é utilizado quando há perda de

material, um dano à superfície proveniente do movimento relativo entre superfícies, com ou

sem lubrificação.

Outro fato afirmado pelo mesmo autor é que devem ser observadas em tribosistemas

as morfologias dos danos nas superfícies de contato, onde estas mostram o resultado do

contato mecânico aplicado em várias etapas consecutivas e por diferentes micromecanismos

em regimes cumulativos (SERABINO, 2005).

Segundo Matamoros (2004), existem diversas razões para estudar o desgaste, dentre as

quais podem-se destacar:

a) conhecer melhor o comportamento quanto ao desgaste de uma determinada família

de materiais;

b) selecionar e aplicar materiais otimizados em uso específicos;

c) conhecer e entender os efeitos de certas variáveis em um determinado processo de

desgaste, e

d) dar suporte ao desenvolvimento de modelos preditivos e descritivos para o desgaste

de um determinado tribossistema.

Completando o efeito do entendimento, Bayer (1994), classificou, em pelo menos três

modos, a evidencias associadas ao desgaste:

a) aparência dos sinais de dano: sulcamentos, cavacos, lascamentos, riscamentos,

polimentos, fissuras e trincas, entre outros;

b) mecanismos triboquímicos que causaram a perda de material: adesão, abrasão,

delaminação e oxidação;

c) condições onde o desgaste ocorreu: desgaste lubrificado ou não lubrificado,

desgaste por deslizamento metal-metal, desgaste por rolamento, desgaste por deslizamento e

elevadas solicitações, desgaste metálico em altas temperaturas etc.

De acordo com Lima (2010), algumas situações que envolvem deslizamento ou

rolamento, um termo associado ao desgaste é o atrito. O atrito pode ser definido como a força

51

que se opõe ao movimento relativo entre duas superfícies. Genericamente, a magnitude da

força de atrito é descrita em termos de um coeficiente de atrito, que é a razão entre a força de

atrito e a força normal que pressiona os corpos entre si.

Segundo Zum Gahr (1987), o atrito pode ser visto como a resistência gerada ao

deslocamento e é encontrado na interação de sólidos em determinadas áreas de contato; já o

desgaste, decorrente do contato e do movimento relativo deste com outro corpo sólido,

líquido ou gasoso, é a perda progressiva de material da superfície de um corpo sólido.

Continuando, o mesmo autor diz que o atrito e o desgaste não são propriedades

intrínsecas dos materiais, mas sim características da interação desses materiais com variáveis

operacionais do processo a que estão submetidos, sendo estes responsáveis, respectivamente,

por dissipações de energia e matéria (ZUM GAHR, 1987).

2.4.2.1. – Falhas no bico injetor por Cavitação

O bico injetor é uma das partes mais importantes de um motor Diesel. Sua geometria

está direcionada à pulverização e, portanto, o comportamento de atomização do combustível,

que é determinante para o desempenho do motor e a formação de poluentes.

Um dos principais objetivos da investigação realizada nesta área (sistema de injeção)

nos últimos anos tem sido a de melhorar o projeto de bico, a fim de obter uma melhor mistura

ar combustível. Um profundo conhecimento da mecânica do fluxo dentro do bocal do injetor é

fundamental à atomização do combustível.

De acordo com Payri et al., (2004), uma série de estudos tem fornecido dados sobre a

existência de cavitação dentro do bocal do injetor. Dependendo da pressão de injeção, a

natureza detalhada do fluxo dentro do bico tem sido investigada por simulação numérica. As

evidências experimentais mostram que a cavitação no interior do bico modifica as

características da saída do bocal, da pulverização e da atomização do combustível. Pode-se,

no entanto, também afetar o fluxo interno, o retorno do combustível. Contudo, isso ainda é

algo pouco pesquisado.

Uma parte dessa dificuldade no seu estudo, deve-se ao fato dos bicos injetores de

produção de tamanho real ter dimensões muito pequenas e operar a uma pressão muito alta de

injeção e em altíssimas frequências, como também seu local de instalação nos motores ser

dificultoso (PAYRI et al., 2004).

52

O termo cavitação é muitas vezes chamado de implosão, por alguns pesquisadores.

Esse mecanismo afeta principalmente parâmetros de injeção de combustível, resultando o

baixo desempenho do motor. No interior do injetor, a diferença de pressão ocorre devido à

diminuição da pressão abaixo da pressão de saturação, essa diminuição rápida da pressão,

dada do furo guia para o bocal de injeção, faz com que ocorra cavitação e afete a integridade

dos componentes do bico, alterando o fornecimento de combustível para o motor,

(TAKENAKA et al., 2005).

Tem-se observado através de diversos estudos da tribologia associada à mecânica dos

fluidos, a busca de hipóteses do fenômeno da cavitação no momento do seu funcionamento.

Diversas pesquisas vêm desenvolvendo técnicas com o intuito de descobrir a ocorrência do

fenômeno no momento em que o bico injetor está funcionando.

Segundo Payri et al., (2009) a observação da histerese do fenômeno de cavitação tem

sido observada através da medição da pressão na linha de retorno, atribuindo a isso, o

aparecimento e desaparecimento de bolhas na linha de retorno de combustível, aumentando

ou diminuindo a pressão de descarga sobre a linha, respectivamente. Observa-se que, uma vez

que as bolhas de cavitação aparecem, é necessário que tenha havido colapso das mesmas, por

uma diferença de pressão, na câmara de armazenamento dentro do bico, seja superior ao valor

que correspondente às condições normais para as bolhas aparecerem. Isso está ligado à massa

específica e ao fluxo de massa induzida do combustível.

2.4.2.2. – Falha no bico injetor por trincas

O injetor diesel é peça chave para o desempenho ideal do sistema. No entanto este

componente, entre os demais, é o mais exigido. Altas pressões, temperaturas e altíssimas

ciclagens, aliadas ao fator lubricidade, constituem as principais variáveis a serem monitoradas

de modo a assegurar um confiável funcionamento do sistema de injeção.

Embora passe por processos de fabricação e tratamentos térmicos e de superfície

consolidados industrialmente, o bico injetor está suscetível a conter porosidades decorrentes

dos processos e micro fissuras, que são indesejáveis por atuarem como fatores de aumento de

tensão e redutores da resistência à fadiga. Tais inconformidades associadas ao seu meio e

forma de trabalho, convergem a falhas que levam, em algum momento, ao mau

funcionamento.

53

De acordo com Xu et al., (2013), as fraturas por fadiga de alto ciclo, estão entre as

falhas que associam o meio de trabalho do bico, com o seu uso (Figura 17). As mesmas se

iniciam por micro-fissuras apresentadas nas paredes, furos e pontas do bico injetor, tendendo

a aumentar devido à carga flutuante e à pressão variante do combustível.

Figura 17 – Trinca na superfície externa do injetor

Fonte: Xu et al., (2013)

As trincas por fadiga podem ser consideradas como um processo em dois estágios: o

de iniciação e, o de propagação da fissura até culminar a falha por fadiga. Na primeira etapa,

rachaduras finas são normalmente formadas na região de superfície ou sub-superfície de um

material sob os ciclos de elevada pressão e carga variada continuamente. Na segunda etapa da

falha por fadiga, trincas se propagam através do material causando falha instalada (ASM

HANDBOOK, 1985).

Em um estudo de caso realizado por Yu et al., (2009), foram inspecionadas pontas de

bicos injetores de locomotivas. Os injetores apresentavam fissuras longitudinais e

circunferências na região dos furos de injeção (Figura 18). Embora a camada e a profundidade

de nitretação estivesse dentro dos padrões exigidos por norma, as microfissuras aparecem na

camada nitretada. Através de análises de MEV e dureza por microidentação nas superfícies

nitretadas, foram atribuídas às falhas sob inconformidade metalúrgica, não seguindo as

normas de fabricação japonesa, que estabelecem a constituição DIN34CrAlMo5 para as

pontas dos bicos.

54

Figura 18 – Ponta de um bico injetor com presença de trincas

Fonte: YU et al. (2009).

2.4.2.3. – Falha no bico injetor por depósitos (desgaste adesivo)

As contínuas relações de união entre regulações legislativas, combustíveis renováveis

e desenvolvedores de subsistema de injeção, buscam cada vez mais reduzir as emissões de

material particulado e NOx nos motores de ignição por compressão (IC). Toda essa conjuntura

resultou no desenvolvimento de equipamentos avançados de injeção de combustível. Estes

sistemas avançados de injeção produzem temperaturas e pressões elevadíssimas na ponta do

injetor, contribuindo para a formação de depósitos na câmara e dentro do injetor.

Na literatura, há diversos relatos de investigação sobre a relação na formação de

depósitos no bico injetor usando biodiesel e suas misturas de combustíveis. Nas operações de

curto prazo, combustíveis renováveis derivados de óleos vegetais são capazes de fornecer um

bom desempenho do motor. Com o funcionamento mais prolongada, alguns dos mesmos

combustíveis podem causar a degradação do desempenho do motor, excesso de carbono e

depósitos, chegando a danos reais para o motor (ALI, 1995).

A formação de depósitos no interior e nos orifícios do bico injetor, ou sobre o exterior

da ponta de injetor pode ter um efeito adverso sobre o desempenho global do sistema

(BIRGEL et al., 2008). Esses depósitos prejudicam principalmente o padrão de forma do

leque de injeção, esses depósitos podem ser visualizados na Figura 19:

55

Figura 19 – Ponta de um bico injetor com presença de depósitos

Segundo Caprotti et al., (2011), os depósitos se desenvolvem em duas etapas distintas:

em primeiro lugar, no interior do corpo do injetor, por exemplo, sobre êmbolos que se

movimentam; e por último, sobre válvulas internas e os furos, onde o combustível deixa o

injetor e entra na câmara de combustão. Portanto, é provável que o combustível armazenado

na ponta do injetor seja aquecido durante o processo de combustão e se expanda em volume.

Pode-se atribuir o desgaste adesivo por formação de depósitos que aderem as

superfícies internas e externas dos injetores, uma combinação de evaporação das frações mais

leves do combustível e a degradação do mesmo. O processo pode ser afetado por

contaminantes de combustível elementares, produtos de combustão reativos, fuligem e

volatilizado óleo lubrificante (LACEY, 2012).

Relata Pehan (2009) que algumas variações nas propriedades do biodiesel, tais como:

índice de viscosidade, volatilidade e a reatividade de cadeias de hidrocarbonetos insaturados,

conduzem à formação de coque nas paredes do injetor, durante o funcionamento do motor por

um longo período de tempo.

Como resultado de um estudo experimental da evolução da deposição de coque sobre

o injetor, Liaquat et al., (2014), utilizando uma bancada dinamométrica, utilizando dois

combustíveis, sendo diesel comum e B20 de Jatropha (Pinhão manso), através de

acompanhamento de emissões e consumo, pode constatar, através de analises por EDS, MEV

e microscopia óptica, que ambos os injetores mostraram-se com desgaste adesivo por

depósitos formados, no entanto o injetor que trabalhou com B20, apresentou maior quantidade

de coque e carvão que o de diesel comum, no entanto, este possuía mais substancias oleosas

que aquele, como pode ser visto nas imagens contidas na Figura 20.

56

Figura 20 – Comparativo desgaste adesivo nas pontas de bicos injetores, fazendo uso de

diesel puro com B20 de Jatropha

Fonte: Adaptado de Liaquat (2014)

Em experimento com motores, Ramadhas (2005) verificou que o desgaste adesivo era

constituído por depósitos de carvão da cabeça do cilindro, utilizando biodiesel como

combustível, o qual foi maiores do que no caso utilizando diesel mineral. A rápida

acumulação de depósitos de carbono nos bicos injetores também foi observada. Depósitos de

carbono mais elevados ocorreram devido à combustão incompleta das misturas de óleo.

2.4.2.4. – Falha no injetor por scuffing

Estudos sobre o atrito são de grande importância em uma infinidade de sistemas da

mecânica do contato. Devendo-se incluir este estudo em sistemas de injeção de combustível

de motores de combustão interna por compressão, onde o combustível tem o papel de

lubrificante.

Atualmente pela adesão ao ULSD (<20 ppm), frações de biodiesel são frequentemente

usadas, proporcionando um aumento da lubricidade do diesel, afim de aumentar a sua

eficiência e melhoria na lubricidade. Segundo Demirbas (2009), o biodiesel, mesmo com

valores baixos (1%), apresenta lubricidade, cerca de 30% a mais, em relação ao diesel de

baixo enxofre.

No entanto, desde o início dos anos 90, quando a comercialização dessa proporção de

enxofre tornou-se substancial, houve um aumento da incidência de problemas de

dirigibilidade e falhas das bombas injetoras e bicos injetores. Em alguns casos, estas falhas

ocorreram em apenas 3000-10,000 km (HASEEB, 2011).

57

Os ajustes dos pares tribológicos nas partes de vedação do bico injetor são da ordem

de 2-4 micrometros. Devido à minúscula folga, a lubrificação feita pelo próprio combustível,

torna-se restrita. Ambos, êmbolos e furos são cuidadosamente bem-acabados para que uma

boa vedação seja mantida, enquanto que ainda se permita que os êmbolos realizem o

movimento reciprocating com o mínimo contato (QU et al, 2005).

No entanto, é aí que reside parte do problema. Tais folgas tornam difícil a formação da

película lubrificante nessas regiões. Sendo assim, trabalhando sob-regimes de alto ciclo e

baixa espessura de filme lubrificante, a região descrita está propensa a falhas por processos

abrasivos, resultando em falhas comuns, como o scuffing.

A interação entre a superfície metálica e o lubrificante (combustível) pode admitir uma

ocorrência de reação química entre estas partes. No geral, essa interação produz uma camada

limite ou um filme fino que reduz o atrito e o desgaste.

Devido às altas acelerações aliadas às variações de índices de viscosidades do

combustível, folga mínima existente entre os componentes e o baixo índice de carga atuante

no par guia da agulha ponta do bico injetor, pode-se caracterizar um perfil de lubrificação

elasto-hidrodinâmico por filme completo, podendo em alguns casos ocorrer desta formação de

filme ser insuficiente, apresentando o fenômeno do scuffing.

Adiante, existe um fator conhecido como parâmetro λ, que relaciona a espessura do

filme e a rugosidade aritmética média (Ra) de uma superfície e se correlaciona com as

respostas do atrito, exposta na Curva de Stribeck, Figura 21.

Figura 21 – Curva de Stribeck: Regimes de lubrificação no deslizamento lubrificado

Segundo Qu et al., (2005), o fenômeno do scuffing surge quando há erros no ajuste do

par êmbolo/cilindro; cargas laterais excessivas; ou quando a lubricidade do combustível é

inadequada. Esses autores também afirmam que, há uma perda na capacidade de lubrificação

ou um esforço lateral suficiente para causar contatos sólido/sólido. No entanto, os pares

58

êmbolos/cilindros são confeccionados por materiais durável o suficiente para resistir ao

mecanismo de desgaste.

Em um estudo de caso, Gonsalves et al., (2012) relatam que a falha é caracterizada

quando o sistema está em funcionamento, podendo apresentar comportamento anormal e

instabilidades durante a operação do motor; partida difícil; fumaça branca; e ruído excessivo.

O autor ainda afirma com maior evidência, um desvio excessivo na quantidade de injeção de

combustível e um comportamento hidráulico inesperado sob condição de baixa pressão. A

região de análise de falha, é representada pela Figura 22.

Figura 22 – Região de ocorrência do scuffing

Fonte: Adaptado de GONSALVES et al., (2012)

Dentre as hipóteses levantadas para a ocorrência da falha, estão: a aderência

insuficiente do revestimento externo da superfície da agulha, ocorrido na fabricação; Forças

laterais excessivas, exercidas sobre a agulha do injetor; e presença de partículas no

combustível que atingem a região de guia da agulha. A análise dos resultado confirmou a

formação da falha pelo excesso de partículas na interface agulha/guia, aumentado a pressão de

contato naquela localização.

2.4.2.5. – Falha no injetor por oxidação

As literaturas existentes afirmam que o biodiesel é mais corrosivo do que o diesel

(Sgroi et al., (2005), Geller et al., (2008), Fazal et al., (2010)). Ensaios com diferentes fontes

de biodiesel, afirmam que após sua exposição a metais, também tem alterada sua composição

(GELLER et al., 2008).

Há uma carência de pesquisas quando se trata de correlacionar a ação oxidativa do

biodiesel com outros componentes pertencentes ao sistema de injeção de combustível; a

59

influência do mecanismo de degradação oxidativa sobre outros componentes; e o processo de

mudança nas propriedades do combustível quando em contato com diferentes materiais.

A corrosão é o principal método pelo qual os metais se auto-deterioram. Ela é

influenciada pelas propriedades da liga e do fluido de trabalho. Os parâmetros que elevam a

incidência dela pelo combustível são: o pH (ácido), teor de água, teor de enxofre, temperatura

(transferência de calor), velocidade (fluxo de fluido) e potencial oxidante em concentração do

fluido (KARAMANGIL, 2013).

Através de estudos comparativos entre materiais em que o biodiesel tem contato no

sistema de injeção, Fazal et al., (2010), utilizando biodiesel (B100) e diesel (B0), fizeram

comparação das reações desse biodiesel utilizando a técnica de corrosividade por imersão.

Verificou-se por meio de análise qualitativa, morfológica, através de MEV e EDS, a natureza

da corrosão entre os pares. Observou-se que em comparação com o B0, o B100 é mais

corrosivo para o cobre e alumínio. Embora o aço inox tenha considerável compatibilidade

com biodiesel, as propriedades do combustível podem ser alteradas pelo contato. Afirmam

ainda que a natureza corrosiva do biodiesel pode ser mais agravada se a água e ácidos graxos

estiverem presentes nele.

Taflan e Karamaneil (2012), afirmam que existem diversos pontos de corrosão nos

sistemas de injeção diesel. As principais regiões desse tipo de falha podem ser observados na

Figura 25. O autor conclui que é fundamental para um bom funcionamento a detecção dos

níveis de corrosão nos bicos e que este mecanismo de falha é agravado pelo aumento da

temperatura ambiente, o aumento do teor de enxofre do combustível, porcentagem de

biodiesel e por fim, havendo algum teor de água no combustível, a formação de corrosão pode

ser detectada em componentes, como o injetor e a agulha.

60

Figura 25 – Principais pontos de ocorrência de corrosão na ponta do bico injetor

Fonte: Adaptado de TAFLAN (2012)

Além dos injetores, componentes como tanque de combustível, tubulações, e

conexões, comumente feitas de aço-carbono, sofrem a ação de corrosão por intermédio do

biodiesel. Assim, Dinkov et al., (2009), atribuem a esse mecanismo de falha, a estrutura

molecular do biodiesel, onde componentes olefínicos susceptíveis à oxidação se apresentam

em um nível mais elevado.

Fazal et al., (2011), em análise dos efeitos da temperatura sobre a corrosão do aço

carbono em contato biodiesel, investigaram o fenômeno de corrosão por ensaio de imersão

estática, e concluíram que a corrosão do aço em contato com o diesel e biodiesel aumenta com

o aumento da temperatura. A exposição de aço-carbono em contato com biodiesel aumentou a

instabilidade à oxidação, agravando esta oxidação, quando aumentada a temperatura de

imersão. Por fim, os autores concluíram que o teor de oxigênio no biodiesel pode apresentar

sob a forma de compostos, ou seja, carboneto de ferro ou óxidos de ferro. Outras variações de

óxidos podem chegar a degradar as superfícies metálicas que estejam em contato com o

combustível.

61

III - MATERIAIS

E MÉTODOS

No presente trabalho, foram utilizados diferentes métodos para avaliação de bicos

injetores, descritos no Quadro 5, consistindo em uma avaliação em três momentos. O primeiro

baseou-se em entrevistas com pessoal técnico que realiza manutenção em sistema de injeção

diesel, objetivando auxiliar na solução das hipóteses inicialmente levantadas sobre o desgaste

de componentes do sistema envolvido.

Quadro 5 – Etapas de realização dos experimentos

1º Momento ESTUDO DE CASO > Entrevistas em oficinas; e coleta de agulhas

2º Momento

CARACTERIZAÇÕES E

ENSAIOS EM

BANCADA

>

Preparação da bancada; Caracterização dos

combustíveis; e Ensaios na bancada

dinamométrica

3º Momento AVALIAÇÃO DOS

DESGASTES > Caracterização e inspeção dos desgastes

No segundo momento, foi feita a preparação da bancada dinamométrica, realizando os

ajustes necessários para deixá-la apta para a operação dos ensaios. Em paralelo a isso, pode-se

fazer as caracterizações físico-químicas de amostras dos biodieseis utilizados nos ensaios. Em

seguida, os ensaios e o monitoramento do desempenho dos motores foram mensurados na

bancada dinamométrica.

Após o término dos ensaios com os biodieseis nos motores, os bicos injetores foram

removidos dos cabeçotes, dando início à inspeção visual dos componentes do elemento

injetor.

A terceira e última etapa foi a avaliação qualitativa dos mecanismos de desgaste

observados nos elementos dos bicos injetores. Para uma inspeção topográfica dos desgastes

ocorridos na superfície do guia da agulha, foram utilizados o método de avaliação visual e

62

MEV. A composição química dos elementos contidos na região superficial da liga foi

avaliada por EDS e espectroscopia Raman. Através da microdureza, pode-se observar também

se houve interação dos combustíveis com a microestrutura da liga metálica. A seguir as etapas

serão descritas detalhadamente.

3.1 ESTUDO DE CASO EM OFICINAS

O método utilizado se enquadrou como uma abordagem qualitativa, com objetividade

e rigor suficiente para se configurar um método de investigação científica, fundamentando-se

em opiniões de profissionais de redes de oficinas que trabalham com reparos do sistema de

injeção (mecânica e eletrônica) de motores automotivos, que utilizam biodiesel como

combustível. As entrevistas foram realizadas na cidade de Natal, no Rio Grande do Norte,

Brasil.

Segundo dados do DETRAN/RN (2015), a região da Grande Natal, apresenta um

universo de 35.242 mil veículos operando com Diesel em julho de 2015. Devido à

informalidade, não é possível afirmar um número exato de oficinas na região da grande Natal,

no entanto pode-se estimar uma faixa entre 30 a 40 que trabalham com reparo de bico e

bombas injetoras.

A escolha dessa estratégia de estudos teve como fator predominante a busca entre uma

relação ao modelo experimental, e uma contraposição aos levantamentos de dados e aos

referenciais bibliográficos, realizando com os profissionais, uma discussão sobre os fatores

que estão envolvidos nas falhas desse sistema, escolhendo onze perguntas que relacionassem

o funcionamento da agulha, o combustível, a manutenção e a qualidade dos materiais dos

componentes.

Os questionamentos foram feitos a cinco mecânicos em seus respectivos ambientes de

trabalho. A escolha de cada mecânico foi feita com base em seus tempos de serviço, qualidade

de trabalho e atualização do mercado. O Quadro 6, identifica os mecânicos que foram

escolhidos para o questionamento. Em seguida o Quadro 7 apresenta a lista dos

questionamentos elaborados para a entrevista.

Quadro 6 – Identificação dos mecânicos Nome de chamada Tempo de serviço Nome da oficina

Mecânico 1 18 anos POP Diesel

Mecânico 2 25 anos Paulo Diesel

Mecânico 3 35 anos Neném Auto Mecânica

Mecânico 4 13 anos Mega Diesel

Mecânico 5 30 anos Campina Diesel

63

Quadro 7 – Lista de perguntas aplicadas no questionário Perguntas

(1) O que você sabe a respeito do funcionamento da agulha do bico injetor?

(2) Quais são as falhas que ocorrem na ponta do bico injetor (ponteira e agulha)?

(3) Com quantos quilômetros em média começa a dar problemas nos bicos, especificamente na ponteira do

bico?

(4) Como é possível identificar que existe falha na ponta do bico ou na agulha do injetor?

(5) A que você atribui as falhas?

(6) Com relação ao combustível, até que ponto ele influência para ocorrência de defeitos?

(7) O uso desse biodiesel atual, tem influenciado nos problemas?

(8) A montagem do bico influencia na questão da falha?

(9) A origem (qualidade) do produto, tem influência?

(10) Existe algum bico que não apresenta problema na ponta?

(11) Existe algum revestimento na agulha que diminua a falha?

3.2. COMBUSTÍVEIS ANALISADOS

3.2.1. Aquisição do biodiesel e sua Aditivação

Durante o estudo apresentado, foram utilizados dois combustíveis, sendo eles o

biodiesel S10 (B6), adquirido através de compra em um posto da rede Petrobrás da cidade de

Natal/RN, e do biodiesel S10 (B6) com a mesma aquisição descrita acima, entretanto,

adicionado a ele, um aditivo, fornecido pelo Núcleo de Pesquisa em Petróleo e Gás II

(NUPEG II Engenharia Química UFRN).

A aditivação do biodiesel foi realizada a partir da mistura numa proporção de 1,5% do

tensoativo “a” e 1,5% do tensoativo “b” em volume, homogeneizado por agitação mecânica.

As características físico-químicas deste aditivo estão disponíveis na ficha de informações e de

segurança de produto químico (FISPQ) de cada, Tabela 1. Por exigência do fabricante seu

nome foi preservado.

Tabela 1 – Principais propriedades físico-química dos aditivos.

Propriedade ADITIVO 1 ADITIVO 2

Aspecto Líquido viscoso incolor e inodoro. Líquido viscoso incolor e inodoro.

Ponto de Fulgor Em copo aberto: aproximadamente 245ºC. Em copo aberto: aproximadamente 240ºC.

Viscosidade A 25ºC: 200 a 250 mPa.s A 25ºC: 200 a 250 mPa.s

Índice de acidez

(mg KOH/g) 1,0 máx. 1,0 máx.

Índice de hidroxila

(mg KOH/g) 110 – 122 134 - 149

64

3.2.2. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis

A caracterização dos biodieseis B6 e B6 aditivado realizou-se nos Laboratório de

Combustíveis e Lubrificantes do departamento de Química (LCL), Núcleo de Pesquisa em

Petróleo e Gás II (NUPEG II) e no Laboratório do Grupo de Estudo de Tribologia e

Integridade Estrutural (GET), todos situados na Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, Natal-RN, Brasil.

3.2.2.1. Massa Específica a 20 °C

Para este ensaio, utilizou-se o densímetro digital de bancada Anton Paar D4500M,

considerando a norma ASTM D4052. O método consiste em avaliar através de uma amostra

de 2 mL de biodiesel, a alteração da frequência de oscilação provocada pela variação da

massa do tubo, comparada com os dados originais de calibração, para determinar a massa

específica do biodiesel. Após o tempo de equilíbrio, o equipamento forneceu o resultado a

20ºC.

3.2.2.2. Viscosidade cinemática a 40°C

A realização do ensaio de viscosidade foi feita seguindo os parâmetros da norma

ASTM D445, conduzida a 40ºC através do viscosímetro automático da marca TANAKA,

modelo AKV-202, com tubo capilar do tipo Lanz-Zeirfuchs modificado de fluxo reverso e

banho térmico. Após 30 minutos de repouso e aquecimento até a temperatura de estudo, 15

mL da amostra fluem livremente através do tubo, e é medido o tempo para alcançar o

escoamento total desse volume.

A viscosidade é calculada por meio da equação:

𝑣 = 𝑐 𝑥 𝑡 (Equação 1)

Onde: 𝑣 − viscosidade cinemática, mm2/s;

𝑐 − constante do capilar, (mm2/s)/s;

𝑡 − tempo em segundos.

65

3.2.2.3. Índice de Cetano

A determinação do índice de cetano foi realizada conforme a norma ASTM D975, a

partir da densidade e da temperatura de destilação de 10%, 50% e 90% do produto de um

volume de amostra de 100 mL.

3.2.2.4. Ponto de Fulgor

A determinação do ponto de fulgor foi realizada através da norma ASTM D93,

utilizando o equipamento automático de vaso fechado Pensky-Martens, marca TANAKA,

modelo APM-7, na qual consiste em aquecer uma cuba fechada, feita de latão, localizada

dentro do equipamento, com aproximadamente 75 mL da amostra, agitada a 100 rpm. O calor

foi direcionado para a cuba de teste em intervalos regulares (a cada 1ºC), com a interrupção

simultânea da agitação, até ser detectado o início da combustão. O resultado foi corrigido para

a pressão de 101,3 kPa.

3.2.2.5. Teor de Enxofre

Para determinação do teor de enxofre foi adotada a norma ASTM D5453. Na análise

das amostras, utilizou-se o Espectrômetro por Fluorescência de Ultravioleta (FUV), modelo

TS 3000, marca Thermo Scientific.

O equipamento necessita de um volume de 20 µL da amostra para cada análise. Essa

quantia foi injetada em um tubo de combustão no interior do equipamento, no qual ocorre a

quantidade do enxofre, formando dióxido de enxofre (SO2).

A água produzida durante a combustão das amostras foi removida e os gases da

combustão foram expostos à radiação ultravioleta. O SO2 absorveu energia da radiação e foi

convertido em dióxido de enxofre excitado (SO2*). A radiação emitida pelo SO2

*, ao retornar

ao estado fundamental, foi detectada por um fotomultiplicador e o sinal resultante medido

como concentração de enxofre. O tempo total da análise foi de 6 minutos por amostra.

66

3.2.2.6. Caracterização química por FT-IR

Objetivando identificar qualitativamente as frequências vibracionais e suas respectivas

atribuições referentes aos grupos funcionais orgânicos presentes nos biodieseis, utilizou-se a

técnica de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier. Os espectros de

absorção na região do infravermelho médio serão obtidos em Espectrômetro BRUKER,

modelo FT-IR VERTEX 70, na faixa de 400 – 4000 cm-1 com resolução de 4 cm-1 e uma

cubeta do porta-amostra 0,2 mL de cada amostra de biodiesel analisado.

3.2.2.7. Corrosividade ao Cobre

O Ensaio de corrosividade ao cobre foi realizado no NUPEG II da UFRN, seguindo as

recomendações da norma ASTM D130; consistiu em imergir as barras de cobre dentro de

tubos de ensaio contendo as amostras, encapsuladas hermeticamente, sob banho

termostatizado a uma temperatura de 50°C, num período de 3 horas. O equipamento,

KOEHLER instrument company, modelo K25319 foi utilizado para realizar os ensaios.

3.2.2.8. Lubricidade

A lubricidade dos biodieseis foi realizada através da técnica de movimento alternado

sob alta frequência, de acordo com norma ASTM D6079, que estabelece os padrões para tal.

O equipamento de High Frequency Reciprocating Test Rig (HFRR) da PCS Instruments visto

na Figura 26, disponível no Laboratório do GET da UFRN, foi utilizado nas condições de

ensaio que estão descritas na Tabela 2.

Figura 26 – Bancada HFRR para avaliação de lubricidade das amostras

67

Tabela 2 – Condições de ensaio HFRR

Parâmetro Condição

Materiais Aço 52100 (esfera e disco)

Carga 2 N

Temperatura 60 °C

Duração 1h 15m

Frequência 50 Hz

N° de repetições 2

3.2.2.9. Volatilidade

A destilação foi realizada em um destilador automático Optidist, marca PAC. No

procedimento, foram medidos 100 mL de amostra em uma proveta graduada e calibrada,

previamente limpa e seca. Esse volume foi transferido para um balão de destilação de 125

mL, limpo e seco. Colocou-se um dispositivo centralizador, no qual o sensor de temperatura

foi ajustado. O tubo de vapor do frasco foi firmemente encaixado ao tubo do condensador. A

placa de suporte foi levantada para adaptá-la firmemente contra o fundo do balão. A proveta

usada para medir a amostra foi colocada sob a extremidade inferior do tubo condensador,

dentro do banho de temperatura controlada. Ao término da destilação, as temperaturas de

vapor observadas foram também corrigidas para a pressão barométrica de 101, 3 kPa.

3.2.2.10. Índice de acidez

A obtenção do índice de acidez foi realizada no NUPEG II da UFRN, seguindo as

recomendações da norma ASTM D664. O ensaio foi feito em triplicata, primeiramente

pesando-se uma amostra de aproximadamente 2g. Prosseguindo com a adição de 250 mL éter

68

etílico + álcool (2 + 1). Em seguida duas gotas de fenolftaleína foram adicionadas como

indicado. Por fim, adicionou-se lentamente 0,1 mol de hidróxido de sódio ao mesmo tempo

em que se agitava o Erlenmeyer até a mudança de cor.

O índice de acidez foi calculado por meio da Equação 2:

𝐼. 𝐴. =𝑉·𝐹·5,61

𝑃 (Equação 2)

Onde: 𝐼. 𝐴. − Índice de acidez, (mg KOH/g);

𝑉 − Número de mL da solução de NaOH 0,1N gasto na titulação, (mL);

𝐹 − Fato da solução de NaOH 0,1N;

𝑃 − Número em gramas da amostra, (g).

3.2.2.11. Poder calorífico

A determinação do poder calorífico dos biodieseis foi realizada no laboratório de

Termodinâmica Experimental, da Engenharia Química da UFRN, à luz da norma ASTM

D4809. Sua determinação é dada pela queima de uma amostra com massa conhecida em uma

bomba calorimétrica sob condições controladas.

Na preparação do equipamento, são colocados os reagentes na bomba de combustão,

que está imerso em água num recipiente adiabático. Foi feita a medição da temperatura inicial

da água. Deu-se início à reação, através de um fio-fusível de níquel-cromo e ao

monitoramento da variação da temperatura até que houvesse sua estabilização. Com isso foi

determinada a temperatura final

A variação ou aumento da temperatura 𝛥𝑇 é obtida através da Equação (3)

𝛥𝑇 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 (Equação 3)

Onde:

𝑇𝑓 – Temperatura final de equilíbrio, ºC;

𝑇𝑖 – Temperatura no início da combustão, °C.

69

Em seguida foram realizadas correções termoquímicas, que se fazem necessárias

devido à presença de reações secundárias, como a formação de ácido nítrico, ácido sulfúrico e

a própria combustão do fusível.

𝑒1 – Correção dos calores de formação de compostos, se houver;

𝑒2 – Correção do calor de combustão do fio-fusível.

O poder calorífico superior a volume constante 𝑄𝑠, em MJ/kg, é calculado usando a

Equação (4):

𝑄𝑠 =

𝛥𝑇 × 𝑊 − 𝑒1 − 𝑒2

1000𝑚

(Equação 4)

Onde:

𝑊 – Energia equivalente do calorímetro utilizado, J/°C;

𝑒1, 𝑒2 – Calores liberados por reações secundárias, J;

𝑚 – Massa da amostra, g.

3.3. ENASIOS NA BANCADA DINAMOMÉTRICA

Avaliou-se o desgaste que ocorre no guia da agulha do bico injetor em função do

biocombustível, através de um método experimental utilizando: um motor diesel acoplado a

um dinamômetro elétrico de bancada (gerador síncrono, com capacidade de 6 kW); sistema de

dissipação de energia (banco de resistência, com capacidade de 7 kW); unidade de controle

composta por unidade Multi-K, com seletor de variáveis elétricas e célula de carga; um

tacômetro estroboscópio; sistema de alimentação de combustível tipo tanque; um termopar;

cronômetro; um barômetro; um termo higrômetro e uma câmera termográfica. Além disso,

toda a bancada foi revisada incluindo a parte elétrica e mecânica dos sistemas periféricos

(correia, polias e descarga de gases). A Figura 27 apresenta a disposição esquemática da

montagem da bancada, desenvolvida em colaboração com o trabalho de doutorado do

Professor Manoel Fernandes de Oliveira Filho, do PPGEM-UFRN, a ser defendida nos

próximos meses.

70

Figura 27 – Esquema simplificado da montagem da bancada

3.3.1. Motor Estacionário

Utilizaram-se de dois motores idênticos, Branco BD5.0_a, utilizando biodiesel B6, e o

Branco BD5.0_b, utilizando biodiesel B6 aditivado. As especificações técnicas do motor,

curva de torque e instalação na bancada, estão presentes no Quadro 8 e Figura 28.

Quadro 8 – Especificações técnicas do motor Marca Branco Diesel BD 5.0

Partida Partida elétrica

Motor Horizontal, monocilíndrico, diesel, refrigerado a ar

Tipo de combustível Diesel

Sistema de combustão Injeção direta

Sistema de injeção Mecânica

Diâmetro x curso 70 mm x 55 mm

Cilindrada 211 cm³

Taxa de compressão 20:1

Potência máxima 5,0 cv a 3600 rpm

Potência contínua 4,2 cv a 3600 rpm

Torque máximo 1,25 kgfm a 2500 rpm

Lubrificação Forçada por bomba de óleo

71

Capacidade de óleo 750 cm³

Lubrificante utilizado Óleo semissintético Petrobras SAE 15W-30

Dimensões (c x l x a) 332 x 392 x 416 (mm)

Fonte: Manual de instruções do motor branco diesel

Figura 28 – (a) Curva de desempenho do motor BD 5.0. (b) Motor instalado na bancada

dinamométrica

(a) (b)

Fonte: (a) Manual de instruções do motor branco diesel

3.3.2. Sistema de Aquisição e Análise de Dados

Para mensuração dos parâmetros de ensaio e do funcionamento eficiente da bancada

dinamométrica, foram utilizados instrumentos com a finalidade de captar essas informações.

Os parâmetros foram listados no Quadro 9, assim como os meios de medição, foram

acompanhados no decorrer do ensaio, para auxílio nas avaliações dos resultados.

Quadro 9 – Parâmetros avaliados em ensaios, meios de medição e equipamentos de obtenção Variável Unidade Meio de medição Modelo/Marca

1 Pressão atmosférica Mbar Barômetro OTA KEIKI

3 Massa do combustível Kg Balança BEL Engineering

4 Rotação do motor Rpm Tacômetro ST – 707

Instrutemp

5 Carga do motor kW Célula de carga KOHLBACH

Temperatura ambiente °C Termômetro Homis

6 Temperatura de entrada de ar no coletor de admissão °C Câmera termográfica MTV 2010 Minipa

7 Temperatura de saída dos gases de escape °C Câmera termográfica MTV 2010 Minipa

72

8 Temperatura do motor °C Câmera termográfica MTV 2010 Minipa

9 Temperatura do bico injetor °C Termopar tipo K MTH-1362W Minipa

10 Temperatura do combustível °C Termopar tipo K MTH-1362W Minipa

11 Umidade relativa % Higrômetro Homis/MTH-1362W

Minipa

3.3.3. Ensaio na Bancada Dinamométrica

Todos os ensaios referentes à bancada dinamométrica foram conduzidos seguindo a

norma ABNT – NBR ISO 1585, estabelecendo 150 horas de ensaios, para análise do consumo

específico, potência efetiva e cálculo de torque e desenvolvimento do trabalho. Os ensaios

foram realizados na área externa do NUPEG II, laboratório de Engenharia Química da UFRN.

Foi feito o running-in dos motores, durante 20 horas a 1100 RPM, sem carga,

adotando-se como procedimento padrão do fabricante. Posteriormente, o óleo foi substituído e

feitos todos os reapertos dos parafusos.

Os ensaios no motor com dinamômetro foram realizados em plena carga, a 3500 RPM,

utilizando 333 watts de potência no dinamômetro, por meio de excitação elétrica, como está

registrado na Figura 29.

Figura 29 – Bancada de ensaio dinamométrica

73

Seguindo este procedimento, foram realizadas todas as medições necessárias para

caracterização do ensaio. Incluindo um período fixo necessário para o motor consumir uma

quantidade do biodiesel, armazenado no reservatório calibrado.

A temperatura do bico injetor foi monitorada por um termopar tipo K, instalado no

bico injetor, fixado através de fita de auto fusão, o mais próximo possível do cabeçote, para

acompanhar o incremento de temperatura na parede externa do bico injetor. O sinal da

temperatura foi registrado em um microcomputador com software (minipa 820w) registrado

para aquisição de dados. Um ensaio de duração de 9000s (2,5h), para cada motor, respeitando

os mesmos parâmetros de condições externas (temperatura ambiente, umidade relativa e

pressão atmosférica) e de ensaio (carga de 0,333 kW).

A rotação do eixo de saída do motor era medida através de um tacômetro

estroboscópico ST – 707 Instrutemp, e era controlada através do fluxo de biodiesel que era

concedido ao bico injetor. A simulação e incremento da carga foram realizados através da

unidade de controle Multi-K, selecionando-se a variável elétrica e célula de carga. Com isso,

o dinamômetro elétrico converteria a rotação do eixo de entrada em energia elétrica, e o

sistema de dissipação de energia (banco de resistência) encerrando o circuito. A Tabela 3

apresenta os parâmetros mensurados na realização dos ensaios.

Tabela 3 – Dados de caracterização dos ensaios

Parâmetros avaliados B6 B6 aditivado

Origem dos combustíveis Posto BR Posto BR

Tempo total de ensaio 150 h 150 h

Duração média de cada ensaio 5 h 5 h

Rotação do motor 3500 rpm 3500 rpm

Ciclos 16 Mciclos 16 Mciclos

Temperatura média 35.3 °C 36,7 °C

Umidade relativa média 61,2% 56,7%

Pressão atmosférica 1,013 bar 1,013 bar

Carga do motor 333 kW 333 kW

Temperatura média de entrada de ar no coletor de admissão 37,7 °C 38,8 °C

Temperatura média de saída dos gases de escape 202,1 °C 168,8 °C

Temperatura média do combustível 35,3 °C 35,2 °C

3.4. ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DAS AGULHAS DOS BICOS INJETORES

A caracterização da microestrutura das agulhas foi realizada em três etapas:

Caracterização topográfica e morfológica, utilizando Inspeção Visual e Microscopia

Eletrônica de Varredura (MEV); Caracterização química da superfície, utilizando

74

Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) e Espectroscopia RAMAN; e, uma

caracterização micro estrutural de dureza por microidentação.

3.4.1. Análise visual

Como parte da terceira fase do estudo, foram desmontados os bicos injetores dos

motores utilizados nos ensaios, para realização de uma inspeção visual, com a finalidade de

visualizar a topografia e os mecanismos de macro desgaste existentes nos elementos agulha-

bico.

3.4.2. Microdureza

A dureza por microindentação Vickers é indicada para medição de dureza do material

de amostras de pequenas dimensões. A norma ASTM E384 especifica o uso de indentador

Vickers (pirâmide de diamante com base quadrada e ângulo apical de 136°) com aplicação de

cargas entre 1 e 1.000 gf (0,0098 N a 9,8 N). Para os ensaios de microdureza nas agulhas, o

indentador foi aplicado na superfície das amostras por 15 s com a carga de 50 gf ou 0,49 N

(ou HV0,05) nas superfícies das agulhas. Para obtenção dos resultados, foi utilizado um

microdurômetro SHIMADZU modelo HMV-G20. Foram feitas 13 indentações para obtenção

da média.

3.4.3. MEV, EDS e Raman

A análise da microestrutura dos corpos de prova foi determinada através de MEV,

realizado nas três agulhas (nova, com aditivo e sem aditivo), seguindo ampliações que fossem

mais cabíveis a evidenciar as falhas. Os elementos foram limpos por banho ultrassônico antes

e posicionamento com fita adesiva sobre o porta-amostra, no equipamento da HITACHI

modelo TM3000. Após a preparação, foi estabelecida parâmetros para as posições e

configurações do equipamento para as quais seriam feitas as análises.

Seguindo os mesmos procedimentos adotados no MEV, a caracterização microscópica

das agulhas por EDS, foi essencial no entendimento da análise morfológica da microestrutura

75

das agulhas. Os ensaios foram realizados com comprimentos de imagens variando de 32.3 µm

a 80.9 µm, nas condições de aquisição de 40s e 15 kV.

As análises por espectroscopia vibracional Raman foram realizadas no Laboratório de

fenômenos de superfície da Escola Politécnica da USP. Ambas as amostras foram analisadas

em um Microscópio Raman com DPSS laser XPLORA (Horiba scientific), configurado para

realizar ensaios sob os seguintes parâmetros: três leituras por amostra; Excitação do laser a

532nm, com 25% MW de potência; 10 acumulações; Tempo de aquisição à 5s; G.Rating:

12000; Faixa de comprimento de onda: 200 a 5000cm-1. Para cada amostra analisada, foram

realizadas duas análises em locais diferentes. A aquisição de dados e tratamento dos espectros

foi desenvolvida através do software ORIGIN®.

76

IV – Resultados e

Discussão

Os resultados obtidos serão apresentados conforme descritos na metodologia.

Começando pela apresentação do estudo de caso nas oficinas, com uma análise do que de fato

acontece com os componentes, na rotina diária da utilização do combustível no motor,

incluindo a apresentação das respostas dos questionários, análises de inspeção visual e MEV

dos bicos injetores colhidos durante a manutenção de um veículo.

A etapa seguinte expôs o desenvolvimento dos resultados referentes à segunda etapa,

constando a caracterização físico-química dos combustíveis que foram utilizados durante a

realização dos ensaios na bancada dinamométrica, assim como os resultados do FT-IR,

avaliação tribológica por HFRR e corrosividade ao cobre.

Finalizando esse segundo momento de ensaios com os combustíveis, apresentam-se os

resultados da avaliação dos desempenhos dos motores durante a utilização desses

combustíveis, incluindo consumo específico e temperatura de funcionamento do bico injetor.

Durante a realização da última etapa, foram feitos ensaios de microdureza, inspeção

visual, MEV, EDS e espectroscopia Raman para conclusão dos efeitos dos dois combustíveis

ensaiados sobre as agulhas dos bicos injetores.

4.1. ANÁLISE DO ESTUDO DE CASO

O Quadro 10 expõe as respostas fornecidas pelos cinco entrevistados no questionário

que trata do estudo.

77

Quadro 10 – Respostas do questionário

Pergunta Respostas 20% 40% 60% 80% 100%

1

Movimento alternado.

Em alta frequência.

Movimento giratório.

Formando um calço hidráulico.

2

Defeito no guia da agulha.

Corrosão.

Perda do ângulo de vedação.

Trincas/quebra na ponta do bico.

Acumulo de material particulado.

3

Não tem quilometragem definida.

Média de 100 mil Km.

Aos 100 mil Km fazer um teste.

4

Mau desempenho dinâmico do veículo.

Emissão de fumaça em excesso.

Necessário fazer teste em bancada.

5

Má qualidade do combustível.

Partículas sólidas de materiais no combustível.

Ausência de manutenção.

Não pode afirmar.

Tempo de uso.

6 A qualidade dos combustíveis influência diretamente nas falhas.

O combustível antigo gerava menos falhas nos componentes.

7

Sim, principalmente as bombas injetoras.

Sim, as pontas dos bicos injetores falham mais rápido.

Não, estão mais ligadas à manutenção.

8 Não, a montagem é simples e de um único modo.

Sim, considerando: montagem, calibração e torque.

9 Influencia diretamente na resistência ao desgaste. Componentes importados de baixa qualidade, não é dada

garantia.

10 Não. Todos são passíveis de falha.

78

11 Sim. Em alguns bicos do sistema common rail.

Não. Todos são iguais.

O questionário pode contar com uma gama de parâmetros e observações de diferentes

pontos de vista, obtendo um elevado índice de satisfação nas respostas dos profissionais que

participaram. Pode-se perceber por parte dos mantenedores, confiança nas respostas e clareza

no conhecimento de manutenção do sistema, eletrônico e mecânico. As respostas foram

dadas, de acordo com o conhecimento técnico dos mecânicos, sem influência de

conhecimentos científicos do entrevistador. Após o fim da aplicação do questionário, as

respostas foram tratadas de forma sistematizada, para uma convergência do melhor

entendimento.

Por se tratar de um subsistema rico em componentes e com diversos pontos de falha, foi

dado início ao questionário com uma pergunta para saber em que nível de conhecimento

estavam os profissionais, sobre o mecanismo de funcionamento. No geral, todos afirmaram

que a agulha trabalhava no movimento de vaivém, aumentando a frequência quando aumenta

a rotação do motor, tendo a função de válvula na ponta do bico. Um ponto importante foi

citado pelo mecânico 3, quando o mesmo afirma que a agulha trabalha num movimento

giratório e em sua extremidade cônica, forma-se um bolsão (calço hidráulico) de combustível.

Tratando-se do conhecimento de falhas, observou-se a convergência de opiniões para o

ponto de desgaste no ângulo da agulha. O relato sobre esta falha é que devido ao tempo de

uso, juntamente com a temperatura de trabalho e a pressão envolvida, ocorre a perda da

conicidade da ponta da agulha, fazendo com que o contato de vedação se torne plano, e

perdendo a estanqueidade e o poder de pulverização. Esta falha está ligada à qualidade de

filtração do combustível utilizado. Na parte do guia da agulha, há relatos que ocorrem riscos

que fazem com que o retorno de combustível aumente.

Outros pontos pertinentes que foram citados são a quebra da ponta da agulha, corrosão e

trincas. A estas falhas podem ser atribuídas ao tempo de uso, material e o combustível.

Quando questionados a respeito do tempo de uso, num consenso geral, dizem que não

tem como afirmar quando isso pode acontecer, pois existem variáveis que respondem para

que ocorram as falhas. Houve comentários que motores com 10 mil quilômetros deram

problema de bico injetor, assim como houve relatos que motores somente a partir dos 400 mil

quilômetros começaram a apresentar falhas. A recomendação dos fabricantes, para as

mantenedoras é de a cada 100 mil quilômetros fazer a retirada do bico injetor e os testes na

79

bancada par ver a pulverização. Esta recomendação é altamente pertinente, pois as falhas

podem se apresentar de diversas formas e em diversos pontos do bico.

Quando questionados a respeito dos sintomas das falhas, com os motores em

funcionamento, houve uma dispersão de respostas. Uns afirmam que a perda de potência é

sintoma forte, outros afirmam com relação à fumaça e vibração exagerada do motor. No

entanto, todos tomam como procedimento, a retirada do bico injetor e o ensaio na máquina de

testes.

A atribuição às falhas do sistema pelos profissionais está ligada diretamente à

manutenção (preventiva) e ao combustível. Este, com maior severidade e intensidade de

afirmação pelos mecânicos. Outro ponto importante observado pelo Mecânico 3 é a questão

de partículas metálicas que se desprendem da bomba injetora e que se depositam no bico

injetor. Tais partículas (debris) com diferentes dimensões são capazes de seguir no fluxo do

combustível e se depositar em espessuras micrométricas dentro do bico injetor. Com a

existência desse terceiro corpo, o índice de falhas por processo abrasivo aumenta

consideravelmente.

Um dos pontos mais enfocados pelos mantenedores foi a questão do combustível.

Quando feita a pergunta da relação dele com as falhas, unanimemente responderam que elas

estão diretamente ligadas ao mesmo. No entanto, os argumentos divergem em suas

justificativas. Alguns afirmam que o combustível antigo era melhor para o sistema de injeção.

Os componentes falhavam menos, no entanto continham mais impurezas.

Quando questionados a respeito da qualidade do produto, ficou claro que os produtos

nacionais e originais apresentam qualidade muito superior aos importados e frisaram bem que

em nenhuma hipótese é dada garantia quando o cliente opta pelos bicos injetores importados,

devido à qualidade inferior dos materiais.

Em alguns casos, foi citado pelos mantenedores que algumas agulhas têm um

revestimento que minimiza o efeito do desgaste abrasivo na região do guia da agulha, no

entanto é de aplicação muito restrita e concluem, afirmando ainda que todas as agulhas, bicos

e bicos injetores padecem dos mais diversos tipos de problemas. Problemas sempre

relacionados com material, combustível e manutenção.

Como parte da conclusão da primeira etapa, foram coletadas, catalogadas e levadas

para inspeção, quatro amostras de pontas de bicos injetores de um veículo que realizou

manutenção devido a alguma queixas.

80

As agulhas foram submetidas para uma prévia inspeção visual e em seguida, limpas e

analisadas ao microscópio eletrônico de varredura. As informações referentes à análise estão

descritas na Tabela 4.

Tabela 4 – Caracterização das pontas dos bicos injetores coletados na oficina

Caracterização Respostas

Número de bicos 04

Referência BOSCH DSLA 145P975

Veículo-Ano-Motor GM-S10 – 2005 – MWM Sprint 2.8 TCE

Quilometragem Aproximadamente 75.000 quilômetros

Queixa Perda de potência e consumo excessivo

Diagnostico

O bico foi retirado e levado para inspeção no equipamento de

teste. Visto que a névoa de pulverização, a vazão e a

estanqueidade estava comprometida em 3 dos 4 bicos injetores.

Foi solicitada ao proprietário a substituição dos elementos

Solução Troca das pontas por novas e originais. Substituição de anéis de

vedação no corpo do injetor

Macroscopicamente durante a inspeção visual pôde-se perceber que não houve

diferença entre as amostras das pontas dos bicos injetores. Todas apresentaram desgaste

adesivo em sua superfície, na região em contato com a câmara de combustão. Tais desgaste

estão associados ao processo de combustão, onde elementos da composição do combustível

queimado, se agrega à superfície externa das pontas dos bicos injetores. As agulhas estavam

limpas e lubrificadas com o próprio combustível. Elas foram catalogadas e numeradas como

mostrado na Figura 30.

Figura 30 – Pontas dos bicos injetores coletados na oficina

81

Após a inspeção visual, as agulhas foram limpas e lavadas (por ultra som) para

obtenção das imagens de MEV, apresentadas na Figura 31. Após realização da obtenção das

imagens, percebeu-se a presença de riscos nos guias das agulhas, que comprovam o desgaste

abrasivo, causado pela ausência de formação de filme lubrificante.

Figura 31 – Região do guia das agulhas - (a) ponta do bico 1; (b) ponta do bico 2; (c) ponta

do bico 3; (d) ponta do bico 4

1

Scuffing

moderado

Sentido de movimento

Carbetos de silício e

tungstênio

82

2

Scuffing

severo

3

Scuffing

moderado

Desgaste abrasivo



83

4

Indícios de

scuffing

Por fim, o veículo foi reparado e posto em condições normais de funcionamento. No

entanto, percebe-se que a ponta do bico injetor é considerada um gargalo de problemas no

sistema de injeção. Dentre estes defeitos, a má pulverização, estanqueidade e excesso de

retorno, são os mais comuns. Todos estes, relacionados com o desgaste no guia da agulha do

bico. De fato, pôde-se observar que o fenômeno do scuffing está fortemente presente nas

causas das falhas nas agulhas dos bicos injetores, confirmando a hipótese que motivou este

trabalho. A seguir serão apresentados os resultados obtidos através dos testes controlados na

bancada dinanométrica, para verificar se há os mesmos mecanismos de desgaste e falhas

descritos no estudo de caso.

4.2. CARACTERIZAÇÃO DOS BIODIESEIS

4.2.1. Caracterização Físico-Química dos Biodieseis

Foram utilizados dois combustíveis durante os ensaios no motor, adquiridos em um

posto de combustível na cidade de Natal, capital do Rio Grande do Norte, Brasil.


84

Uma alíquota de cada biodiesel foi encaminhada para caracterização realizada no

Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes (LCL) da UFRN, localizado no Instituto de

Química da UFRN. Os resultados são apresentados na Tabela 5.

Tabela 5 – Propriedades dos combustíveis

Propriedade Método Limite Amostras

B6 B6 aditivado

Aspecto Visual

Límpido e

isento de

impurezas

Turvo e

isento de

impurezas

Límpido e

isento de

impurezas

Cor Visual Incolor a

amarela Amarelo Amarelo

Massa específica a 20°C, kg/m³ ASTM D4052 815 a 853 830,4 836,7

Ponto de fulgor, mín °C ASTM D93 38,0 65,5 67,0

Viscosidade a 40°C, (mm²/s) CST ASTM D445 2,0 a 4,5 2,564 2,772

Índice de Cetano, min ASTM D4737 45 52,3 49,7

Teor de Enxofre, mg/kg ASTM D5453 15 8,1 8,7

Volatilidade (°C) ASTM D86 180 172,2 162,4

Corrosividade ao Cobre 3h a 50 ºC, máx. ASTM D130 1 1b 1b

pH Visual 1-14 7 7

Índice de acidez (mg KOH/g) ASTM D664 0,50 0,3569 0,2702

Poder calorífico, min (MJ/kg) ASTM D4809 42,80 45,96 44,49

Pode-se observar na Tabela 5 que todos os resultados dos biodieseis caracterizados,

mantiveram-se com todas as propriedades dentro do indicado por cada norma, garantindo

equivalência de parâmetros ensaiados. Em algumas propriedades, o biodiesel com aditivo

apresentou diferença quando comparando com biodiesel puro, por exemplo, viscosidade a

40ºC, apresentou um aumento de 8%. Esta é uma propriedade voltada para o controle de uma

boa atomização (CAPANA, 2008). O teor de enxofre apresentou 7%, podendo relacioná-lo ao

material particulado nas emissões de escape, formação de depósitos na câmara reatora do

motor de ignição de compressão, e a qualidade de lubrificação dos componentes

(IAMAGUTI, 2014).

O ponto de fulgor apresentou para ambos os combustíveis, um valor maior do que a

norma especifica. Segundo KNOTHE (2008), quando isso acontece, pode-se justificar pela

ausência de metanol e etanol contidos no biodiesel, tornando-o mais seguro ao transporte e

armazenamento. Esta propriedade não altera diretamente o desempenho do combustível no

motor (TOTTEN, 2003).

Outras propriedades a serem observadas, foram o poder calorífico e o índice de acidez

de cada combustível. O B6 apresentou um índice maior de acidez em relação ao B6 aditivado

revelando-se um biodiesel mais propenso ao estado de deterioração. Enquanto que os poderes

caloríficos dos biodieseis avaliados revelaram uma diferença de aproximadamente 3,5% a

85

mais para o B6, podendo relacionar esta diferença ao melhor desempenho em consumo

específico quando comparado com o B6 aditivado.

4.2.2. Caracterização qualitativa por FT-IR

A espectroscopia de absorção no infravermelho foi utilizada para identificar a natureza

química dos constituintes dos biodieseis B6 e B6 aditivado. Os espectros são apresentados na

Figura 32.

Figura 32 – Espectros do FT-IF do B6 e B6 aditivado

5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

55000

60000

65000

70000

75000

80000

85000

90000

95000

100000

Tra

nsm

itâ

ncia

Numero de Ondas (cm-1)

B6

B6A

De modo semelhante ao ocorrido com suas matérias-primas, os biodieseis

apresentaram as bandas referentes ao éster do estiramento da carbonila (C=O em 1741 cm-1) e

da deformação axial nas ligações σC – O – C em 1167 cm-1, relacionadas à cadeia do grupo

etóxi do aditivo, indicado com a seta na Figura 35. Os sinais em 2930 - 2856 cm-1

corresponde à deformação axial da ligação H-C (sp3) confirmada pela banda em torno 1380

cm-1 da deformação angular simétrica C-H do grupo metila (CH3) e em 720 cm-1 referente à

deformação angular assimétrica de σ(sp3-s) C-H fora do plano dos grupos (CH2)n. Também é

observada próximo a 1453 cm-1 a banda equivalente a deformação angular simétrica no plano

do grupo metileno.

Observa-se que as bandas referentes aos estiramentos da carbonila e da ligação C-O

nos óleos sofrem deslocamentos de 1741 e de 1167 para 1192 cm-1, respectivamente,

refletindo o aumento na liberdade vibracional dos ésteres do biodiesel.

86

4.2.3. Análise Tribológica dos Biodieseis

Na Figura 33 são apresentados os gráficos com as curvas de porcentagem do filme e

coeficiente de atrito para os ensaios realizados, respectivamente, com os biodieseis de B6 e

B6 aditivado. As condições de ensaio foram seguidas conforme especificado pela norma

ASTM D-6079-04, descritas na Tabela 2.

Figura 33 – Ensaio de lubricidade HFRR: (a) Formação de filme para o B6 e B6 aditivado;

(b) Coeficiente de atrito para B6 e B6 aditivado

(a)

(b)

No início dos ensaios de lubricidade, para ambos biodieseis, percebe-se a relação de

aumento de formação de filme e diminuição de atrito.

De acordo com FARIAS (2011), a variação do percentual do filme interfacial dos

fluidos analisados apresenta em cada intervalo de tempo, uma relação direta com os valores

de coeficiente de atrito e desgaste.

A partir de 750 s, nota-se que há o começo da estabilização do percentual de filme dos

biodieseis, no entanto, para o B6 aditivado, percebe-se um comportamento sucinto de

sucessivas quedas e recuperações de percentual de filme, girando em torno de cada mil

segundos de ensaio. Nestes intervalos, onde a espessura de filme é diminuída, o coeficiente de

atrito é afetado, respondendo de forma oposta, aumentando a cada queda do percentual de

filme, ocorrendo o contato das asperezas das superfícies do par esfera-plano. A este

comportamento B6 aditivado pode ser atribuída à presença do aditivo na nova composição da

blenda.

87

A Figura 34 apresenta os resultados dos valores de diâmetro da escara de desgaste

(WSD), correspondentes aos ensaios de lubricidade do B6 e B6 aditivado. Estes valores foram

obtidos através das imagens capturadas por um microscópio óptico com ampliação de 100

vezes, podendo-se avaliar a capacidade antidesgaste de cada biodiesel.

Figura 34 – Valores de diâmetro da escara de desgaste dos biodieseis, em (a) do B6 e em (b)

o B6 aditivado

(a)

(b)

Os valores máximos aceitáveis para a escara de desgaste, dem ou WSD, da esfera pelos

padrões EN 590 e ASTM D 975 são 520µm e 460 µm. Baseado nos resultados apresentados

na Figura 37 nota-se que a escara apresentada para o B6 apresenta WSD menor quando

comparado com a imagem de escara do B6 aditivado, mostrando poucos sulcos formados em

decorrência do desgaste abrasivo, indicando que praticamente não houve desgaste abrasivo.

Já para o diâmetro da escara de desgaste na esfera para o B6 aditivado é observado um

valor superior de escara (WSD=310µm). No entanto, as escaras apresentam diferentes

características visuais. A primeira apesar de pequena, tem aspecto de maior profundidade que

a segunda. Isto ocorre pelos aditivos utilizados serem substâncias que, pela sua estrutura

química e propriedades tem a capacidade de reduzir as tensões interfaciais e superficiais dos

líquidos onde essas se encontram combinados (AMORIN, 2003). Todavia, este valor está

dentro dos limites que garantem a lubricidade de um biodiesel segundo ANP.

88

Segundo Medeiros (2002) realizando ensaios a seco, concluiu que o corpo de menor

dureza apresenta em sua superfície, uma série de sulcos paralelos com diferentes

profundidades e larguras, caracterizando este tipo de desgaste.

4.2.4. Corrosividade ao Cobre dos Biodieseis

Os ensaios de corrosividade ao cobre dos biodieseis utilizados nos ensaios, foram

realizados simultaneamente, sob orientação da norma ASTM D130.

Após o ensaio, foram feitas as comparações com a faixa de padrões de corrosão ao

cobre. Para ambos os biodieseis, a coloração compatível encontrada na tabela padrão, foi

“1b”. Segundo a norma ASTM D130, a classificação “1b” não caracteriza corrosão a lâmina

de cobre. A ANP estabelece como limite de corrosividade máxima “1”, caracterizando assim

a conformidade dos biodieseis ensaiados.

4.3. - AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DOS MOTORES

4.3.1. – Avaliação do Consumo Específico

A avaliação do consumo específico ou consumo de combustível por unidade de

potência do motor funcionando com determinado combustível é um parâmetro comparativo

de grande importância, onde as variáveis tempo, potência e peso, se relacionam. É através

dele que é possível avaliar o quão eficiente um motor converte a energia química contida no

combustível em trabalho útil.

Para obtenção de um comparativo entre outras situações de trabalho, o motor foi

submetido a outras cargas. A Tabela 6 apresenta os consumos específicos acompanhados ao

longo dos ensaios. Os dados apresentados na tabela foram obtidos mantendo-se a rotação

constante a cada incremento de carga, obtendo através do consumo horário, o consumo

específico.

Tabela 6 – Avaliação do consumo específico dos combustíveis utilizados durante a realização dos ensaios

ROTAÇÃO

DO MOTOR

CARGA NO

DINAMOMETRO

CONSUMO

ESPECÍFICO COMBUSTÍVEL RPM kW g/kW·h

B6

3512 0,338 1410

3507 0,663 857,8

3519 1,014 686,9

3510 1,336 614,6

B6 ADITIVADO

3516 0,335 1458

3515 0,664 887,5

3514 1,021 698,3

3510 1,336 707,1

89

Pode-se perceber na Tabela 6 que houve aumento progressivo no consumo específico

do B6 para o B6 aditivado. Segundo Penido Filho (1983), existe uma diminuição do consumo

com o incremento de carga, pode estar relacionado a fatores como: diminuição do rendimento

em função do aumento da potência absorvida pelas resistências internas no motor (perdas por:

atrito, radiação, escapamento, combustão incompleta, refrigeração); quando o motor trabalha

em potências elevadas, aumento da temperatura na câmara de combustão superior àquelas

verificadas em outros regimes, sob potencias elevadas; o consumo específico varia em função

da rotação e carga do motor, tendo geralmente um menor valor quando a rotação for 2/3 a ¾ da

rotação ou carga máxima, esclarecido na Figura 35.

Figura 35 – Gráfico de consumo específico em função da variação de potência

Fonte: Adaptado de Penido Filho (1983).

O gráfico da Figura 36 apresenta as curvas de consumo específico em função da

variação de potência, para o B6 e o B6 aditivado.

Figura 36 – Histograma de consumo específico em função da variação de potência

90

Pode-se observar na Figura 36, que a diferença de consumo específico entre os

biodieseis foi sempre maior para o biodiesel aditivado (em porcentagem: 3,4% | 3,5% | 1,6%,

15% para as respectivas potências). Considerando que o volume de combustível bombeado

para o bico injetor é o mesmo para os dois motores, mantendo-se mesma rotação, esta

variação no consumo específico, pode ser explicada pela diferença dos poderes caloríficos

entre o B6 (45,96 MJ/Kg) e o B6 aditivado (44,49 MJ/Kg, menor 3,3%), deduzindo-se que a

energia gerada pela combustão do B6 em relação ao B6 aditivado é maior, e que para manter

este déficit de valor energético, o motor operando com B6 aditivado necessita injetar um

maior volume de combustível na câmara de combustão, ocorrendo o maior consumo. Uma

equivalência a esses consumos, pode ser visto no trabalho desenvolvido por Fernandes

(2011), quando o mesmo utilizou combustíveis modificados quimicamente para a redução de

emissões e material particulado.

4.3.2. – Avaliação da temperatura no bico

A temperatura de funcionamento do bico injetor é um parâmetro considerado válido,

pois por se tratar do último componente em que o combustível no estado líquido entra em

contato, tornará o combustível com um valor aproximado àquele do componente. Isto implica

na alteração de propriedades físico-químicas ligadas à temperatura, como: viscosidade, massa

específica e corrosividade, sendo assim, estando diretamente ligadas à estabilidade da queima

e das emissões de NOx e material particulado (CHEVRON, 2007).

1410

857,8

686,9614,6

1458

887,5

698,3 707,1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0,335 0,664 1,021 1,336

Con

sum

o E

spec

ífic

o (

g/k

W·h

)

Carga (kW)

B6 B6 aditivado

91

A Tabela 7 apresenta o acompanhamento das temperaturas em função de incrementos

na potência utilizada no ensaio. Os dados apresentados na tabela foram obtidos a fim de haver

um comparativo em diferentes situações de trabalho.

Tabela 7 – Avaliação da temperatura do bico injetor em função dos combustíveis utilizados durante a realização

dos ensaios

ROTAÇÃO

DO MOTOR

CARGA NO

DINAMOMETRO TEMPERATURA

COMBUSTÍVEL rpm kW °C

B6

3512 0,338 76,87

3507 0,663 85,97

3519 1,014 95,07

3510 1,336 102,23

B6 ADITIVADO

3516 0,335 85,60

3515 0,664 90,00

3514 1,021 98,23

3510 1,336 111,35

Pode-se perceber na Tabela 7 que houve aumento progressivo na temperatura do bico

injetor. O gráfico da Figura 37 apresenta as curvas de temperatura em função da variação de

potência, para o B6 e o B6 aditivado.

Figura 37 – Temperaturas dos bicos injetores em funcionamento com B6 e B6 aditivado,

medidos por termopar

Durante o ensaio de 9000s (2,5h) de duração, para cada motor, foram colhidas as

temperaturas através de termopar e câmera termográfica. O motor que utilizou B6 atingiu a

temperatura média de trabalho mais rapidamente, comparado ao que utilizou o B6 aditivado.

No entanto o motor que operou com B6 aditivado apresentou uma estabilidade térmica

durante o seu funcionamento. Os resultados obtidos nas condições de 3500 rpm e 0,335 kW

estão apresentados nas Figuras 38, 39 e 40.

76,8785,97

95,07102,23

85,6 9098,23

111,35

0

20

40

60

80

100

120

0,335 0,664 1,021 1,336

Tem

pera

tura

(°C

)

Carga (kW)

B6 B6 aditivado

92

Figura 38 – Temperatura no bico injetor medido por termopar para o B6 e B6 aditivado

Figura 39 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6, obtida por câmera

termográfica

93

Figura 40 – Temperaturas do bico injetor em funcionamento com B6 aditivado, obtida por

câmera termográfica

Percebe-se em ambos biodieseis que existe um aumento da temperatura do bico, ao

passo do aumento da potência (Em porcentagem: 11,3% | 4,7% | 3,3% | 8,9%, para as

respectivas potências). Embora apresente uma leve homogeneidade no crescimento, é notório

que o B6 aditivado permaneceu com valores maiores de temperatura, comparando-se com o

B6. Nos resultados de Barrios et al (2014), onde compostos oxigenados são aditivados no

combustível, pôde-se observar elevação da temperatura dos gases na câmara de combustão e

EGR, relacionando-se a isso a queima de uma cadeia carbônica de maior comprimento e da

presença de oxigênio no aditivo, liberando uma maior quantidade de calor na câmara,

refletindo também em um maior consumo específico.

4.4. AVALIAÇÃO DAS AGULHAS

4.4.1 Inspeção visual

Como parte da terceira fase do estudo, as pontas e agulhas foram removidas dos

bicos injetores, para uma inspeção topográfica e morfológica, começando-se assim, por uma

inspeção visual. É possível visualizar na Figura 41, um comparativo do estado das agulhas no

fim dos ensaios, com uma agulha nova.

94

Figura 41 – Avaliação visual do estado inicial e final das agulhas em função dos respectivos

biodieseis utilizados

A agulha do bico injetor utilizada nos ensaios com aditivos é apresentada nas imagens

da Figura 42.Figura 42 – Agulha utilizada no ensaio com B6 aditivado

Posição 0º Posição 180º

95

Percebe-se que, na faixa compreendida entre a região do cone até o meio da agulha

(região em que o combustível se acumula para ser injetado) do motor que utilizou biodiesel

aditivado, ocorrem a formação de desgaste adesivo, em toda sua circularidade, com domínio

de deposição de óxido do biodiesel. A formação desta nova fase está relacionada com o índice

de oxidação do B6. Esta diferença da estabilidade oxidativa, pode ser comparada visualmente

com a agulha utilizada no ensaio com B6, mostrada nas imagens da Figura 43.

Figura 43 – Agulha utilizada no ensaio com B6

Posição 0º Posição 180º

Pela inspeção visual das agulhas, percebeu-se uma formação de um acúmulo de

material com aspecto de goma, atribuindo-se a isso, a decomposição do biodiesel em função

das paradas de funcionamento do motor. Além disso, pôde-se concluir a respeito da vazão da

bomba injetora, que a mesma está enviando uma quantidade ideal de combustível para o

mesmo ser queimado, ou seja, a mistura está bem dosada. Isso pode ser concluído a partir da

inspeção visual da ponta de ambas as agulhas, onde as mesmas não estão com aspecto

oxidado (queimado), aspecto típico de quando está ocorrendo o excesso de combustível, no

entanto a agulha do motor que utilizou aditivo apresenta um leve escurecimento comparada

com a agulha que esteve em contato com o biodiesel sem aditivo, podendo-se atribuir a

mudança do aspecto de cor, à temperatura mais elevada.

Assim como as agulhas dos bicos injetores, a parte externa das pontas dos bicos

injetores também apresentaram divergências. No entanto, é possível observar na Figura 44

96

que a parte externa do bico (incluindo a região de injeção) que trabalhou com aditivo, obteve

menor quantidade de deposição de coque do que a ponta que foi ensaiada sem aditivo.

Figura 44 – Pontas dos bicos injetores utilizados nos ensaios com B6 e B6 aditivado

Sob perspectiva mecânica, essa presença/ausência de material depositado no corpo da

ponta do bico injetor, pode ser explicado pela vedação da ponta do bico no cabeçote do motor,

tendo em vista que esta região também faz parte da zona de combustão.

Outra forma de ocorrência desse tipo de depósito é quando o valor do débito (volume

de injeção) está alterado, ocasionando a má queima da quantidade combustível injetada,

formando assim a deposição de material nos elementos em contato com o combustível

queimado.

Lacey (2012) afirma que essa formação de depósitos (clogging) na ponta do injetor,

está ligada a uma combinação de evaporação das frações mais leves do combustível e a

degradação do mesmo. Também Pehan (2009) relata que algumas variações nas propriedades

do biodiesel, tais como: índice de viscosidade, volatilidade, e a reatividade de cadeias de

hidrocarbonetos insaturados, conduzem à formação de coque nas paredes do injetor, ou seja,

pode-se atribuir uma melhor queima ao B6 aditivado por não apresentar materiais depositados

na superfície externa da ponta do bico.

B6 B6 aditivado

97

4.4.2 Microdureza

Para realização do ensaio de microdureza, a região do guia da agulha foi dividida em

13 pontos, cada ponto com 1 mm de distância do seu sucessor. A cota em vermelho

apresentada na parte superior da Figura 45 representa a região de análise da microdureza

Vickers das agulhas utilizadas nos ensaios com os biodieseis.

Figura 45 – Faixa de ensaio de microdureza

Na Tabela 8 são apresentados os valores obtidos nos ensaios de microdureza HV0,05 na

superfície das agulhas utilizadas nos ensaios com os biodieseis.

Tabela 8 – Resultado de microdureza, em HV, na superfície das agulhas dos bicos injetores

Posição/

Agulha 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Média D.P.

B6 1024 984 1003 1249 873 1116 999 1040 1092 1000 993 1083 1015 1036 87,8

B6 Aditiv. 993 890 1038 1109 1134 898 1056 1089 973 990 1038 1211 1189 1046 99,6

Com a diferença de menos 1%, pode-se perceber que há uma equivalência de valores

mensurados de microdureza do material das agulhas. Este valor também está dentro das

especificações para o aço utilizado nas mesmas (acima de 800 HV após nitretado).

Desta forma é possível afirmar com as observações a respeito da microdureza, que

revela não haver alterações na microdureza superficial de filme nitretada para ambas as

agulhas em contato com os biodieseis.

98

4.4.3. MEV e EDS

Para uma análise mais aprofundada da textura superficial e dos mecanismos de

desgaste que ocorrem nesta região da agulha do bico injetor, foram realizadas análises de

MEV e EDS com ampliações progressivas, que revelassem com clareza as zonas afetadas por

tais mecanismos de desgaste.

4.4.3.1. Análise de MEV na agulha do bico injetor novo

A textura da agulha nova funcionou como controle em relação às demais utilizadas

nos ensaios. Percebe-se a presença de riscos perpendiculares ao sentido de movimento por

todo o guia da agulha, estes provenientes do processo de fabricação (usinagem – torneamento

e retificação). Além disso, é possível ainda ver falhas oriundas do processo de fabricação. As

imagens da Figura 46 (a) a (d) registram a agulha nova do bico injetor.

99

Figura 46 –MEV da (a) Agulha na condição nova 40X – corpo da agulha; (b) Agulha na

condição nova 400X – corpo da agulha; (c) Agulha na condição nova 1000X – corpo da

agulha; (d) Agulha na condição nova 2000X – corpo da agulha (a) (b)

(c) (d)


da agulha

Falhas no processo de fabricação

Riscos de usinagem

100

4.4.3.2. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor sem o uso do aditivo

As falhas topográficas presentes na agulha do bico injetor do motor que foi ensaiado

com biodiesel sem aditivo estão evidenciadas nas imagens da Figura 47 (a) a (f).

Figura 47 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra sem aditivo 40X –

corpo da agulha; (b) Amostra sem aditivo 400X – corpo da agulha; (c) Amostra sem aditivo 1000X –

corpo da agulha; (d) Amostra sem aditivo 2000X – corpo da agulha; (e) Amostra sem aditivo 4000X –

corpo da agulha (f) Amostra sem aditivo 5000X – corpo da agulha (a) (b)

(c) (d)

(e) (f)


da agulha

Presença de riscos em toda

superfície do guia da agulha

101

Após 150 horas de ensaio, percebe-se que nas imagens que os riscos de usinagem já

não são mais visíveis devido ao processo de desgaste por abrasão ocorrido pelo contato do

guia da agulha com as paredes internas da ponta do bico injetor. Segundo Qu (2005), este tipo

de falha, surge quando o combustível (lubrificante) possui déficits de certos elementos

químicos capazes de manter a película lubrificante sob condições que o sistema de trabalho

exige, caracterizando o fenômeno do scuffing.

A severidade do mecanismo de desgaste atinge todo o corpo da agulha, inclusive os

elementos de maior dureza da liga (carbetos de silício e tungstênio). Como características

típicas de scuffing, pode-se perceber ainda nas imagens sulcamentos de diferentes graus de

profundidade e largura na direção do movimento (alternado), assim como transferência de

material.

Na Figura 48 é apresentada a microrregião (a) e o espectro da microanálise (b) de

observação realizados por EDS. O percentual em peso de cada elemento é apresentado na

Tabela 9.

Figura 48 – (a) Região da agulha sem aditivo após 150h de ensaio, em análise por EDS. (b)

Espectro da região analisada

(a) (b)

Tabela 9 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos elementos presente na

superfície da liga

Elemento % Peso

Oxigênio 0.000

Alumínio 2.414

Silício 0.030

Enxofre 1.495

Vanádio 2.410

Cromo 3.689

Manganês 0.000

Ferro 81.421

Níquel 1.160

Tungstênio 0.871

102

Os resultados obtidos através do ensaio por EDS mostram que a composição química

do aço não teve influência por razões apenas do uso do B6. A região em análise mostra

grande formação de carbonetos de cromo, vanádio, ferro e tungstênio provenientes da

composição original da liga. Estes elementos responsáveis por elevar a dureza e a resistência

ao desgaste.

4.4.3.3. Análise de MEV e EDS na agulha do bico injetor com o uso do aditivo

As imagens da Figura 49 (a) a (f) são referentes à região do guia da agulha do bico

injetor do motor ensaiado 150 horas com biodiesel aditivado. Com maiores ampliações, é

possível observar riscos circunferenciais horizontais, referentes ao processo de fabricação por

usinagem.

Observa-se que esta conservação da superfície é mantida mesmo após as 150 horas de

ensaio. Essa manutenção dos riscos é reflexo da aditivação do biodiesel, em razão da

alteração de composição química presente no aditivo. Como demonstrado pela espectroscopia

de infravermelho, o biodiesel aditivado apresenta um grupo etóxi capaz de criar um filme com

maior solidez.

No entanto, na mesma região inspecionada, observa-se um caso de oxidação,

revelando micro pontos de oxidação. Devido a sua dupla afinidade com óleo e água, o aditivo

acaba ascendendo e aderindo à superfície do metal, ocasionando a oxidação do componente

por meio da parte oxigenada.

103

Figura 49 – MEV da agulha após 150h em serviço nas condições (a) Amostra com aditivo

40X – corpo da agulha (b) Amostra com aditivo 400X – corpo da agulha (c) Amostra com

aditivo 1000X – corpo da agulha (d) Amostra com aditivo 2000X – corpo da agulha (e)

Amostra com aditivo 3000X – corpo da agulha (f) Amostra com aditivo 6000X – corpo da

agulha (a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Carbetos – pontos brancos


da agulha

Marcas de usinagem

104

Na Figura 50 é apresentada a microrregião (a) e o espectro da microanálise (b) de

observação realizados por EDS. O percentual em peso de cada elemento é apresentado na

Tabela 10.

Figura 50 – (a) Região da agulha com aditivo, em análise por EDS. (b) Espectro da região

analisada

(a) (b)

Tabela 10 – Resumo dos resultados da composição química em porcentagem do peso dos elementos presente na

superfície da liga

Elemento % Peso

Oxigênio 44.237

Alumínio 0.559

Silício 0.028

Enxofre

Vanádio

Cromo

3.291

1.896

2.91

Manganês 0.940

Ferro 76.591

Níquel 0.803

Tungstênio 0.659

Na amostra que utilizou aditivo no biodiesel, a espectroscopia mostra que a

composição química do aço com relação ao Ferro, Níquel e o Cromo, tiveram índices mais

baixos, do que os apontados para a agulha que utilizou b6.

Percebe-se também que houve a ocorrência do aumento do teor de oxigênio gerando a

formação de óxidos pela presença de aditivo no B6. A análise na região em que evidencia a

formação de poros, mostra um elevado índice de ferro e oxigênio, conferindo uma possível

formação de óxidos nestes pontos.

Elementos responsáveis pela dureza e resistência ao desgaste aparecem de forma

reduzida. No entanto, tais índices ainda se apresentam de forma satisfatória para manter a

dureza superficial.

105

4.4.4. Espectroscopia vibracional RAMAN

As bandas de espectros Raman exibem informações que auxiliam na compreensão

sobre os efeitos dos diferentes modos vibracionais de composição químicas nas superfícies

dos materiais analisados. No geral, a superfície do aço inoxidável possui um elevado nível de

complexidade, por possuir muitos elementos de liga. No entanto, as considerações realizadas

nesse trabalho foram feitas em relação às alterações estejam ocorrendo com os elementos:

ferro e o oxigênio (presente no aditivo).

Os espectros Raman das agulhas apresentaram diversas diferenças, podendo ser

observados nas Figuras 51 e 52, que apresentadas as imagens e as bandas de Raman.

4.4.4.1. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor sem aditivo

A Figura 51 (a) exibe a região de análise para a obtenção do espectro (Figura 48 (b))

realizado na agulha sem tensoativo. No presente espectro, pode-se destacar a presença do pico

no comprimento aproximado de 500 cm-1, pico este atribuído ao ferro na intensidade de 100

mV, segundo Oblonsky, (1995). Segundo Sudesh, (2006), a formação do pico na faixa

aproximada de 1450-1500 cm-1, pode ser atribuído aos movimentos vibracionais referentes ao

composto ferro-cromo, por uma ligação de baixa intensidade, no entanto, Davydov, (2003),

afirma que picos compreendidos entre 1315 cm-1 e 1623 cm-1 analisados em aço inox, podem

ser atribuídos à ligações com compostos carbônicos.

Figura 50 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra sem aditivo; (b) Banda

espectroscópica (a) (b)

106

4.4.4.2. Espectroscopia Vibracional Raman na agulha do bico injetor com aditivo

A análise de uma região da agulha do bico injetor que utilizou biodiesel aditivado é

mostrada na Figura 52 (a) e o espectro referente a essa região na Figura 52 (b). Algumas

bandas de espalhamento Raman características do material constituinte da agulha pode ser

vista no espectro. Estas bandas com picos situadas entre comprimentos de ondas 1100 cm-1 e

1500 cm-1 representam ligações entre compostos envolvendo carbono, além de o pico em

1300 cm-1 sugerir a fase Fe2O3 (MAGALHÃES, 2008). Na região compreendida entre 2800

cm-1 - 3000 cm-1, caracteriza o processo oxidativo ocorrido na agulha. Segundo Prodócimo

(2008), esses picos estão atribuídos a óxidos de ferro e oxido de cromo e outros compostos

oxidados

Figura 52 – (a) Região de análise da espectroscopia da amostra aditivada; (b) Banda

espectroscópica (a) (b)

107

V – Conclusões

O trabalho em questão permitiu que fosse confrontado parâmetros de desempenho de

MCI de ignição por compressão utilizando dois biodieseis com composição química

diferentes. Os parâmetros avaliados englobaram aspectos químicos dos biodieseis, dos

componentes das agulhas e desempenho mecânico dos motores. Dentre os resultados

observados, pode-se concluir que:

– As entrevistas realizadas nas oficinas mecânicas tiveram papel fundamental no

esclarecimento de falhas que muitas vezes não são apresentadas na literatura. Pode-se

concluir, que a atribuição das falhas das agulhas dos bicos injetores, está diretamente

relacionada ao combustível e ao baixo nível de manutenção feita pelos proprietários dos

veículos. O desgaste no guia da agulha do bico injetor é uma falha que passa um pouco

despercebida, mas que, no entanto, eleva a vazão de retorno do bico, fazendo com que

seja injetado menos combustível e o veículo perca potência.

– Os combustíveis foram submetidos aos ensaios de caracterização das

propriedades físico-químicas, onde pode-se perceber que estas estão dentro dos padrões

estabelecidos pela ANP. No entanto, quando avaliados em propriedades que inferiram

no trabalho, o biodiesel B6 apresentou resultados mais ajustados segundo os limites das

normas em relação ao biodiesel B6 aditivado, frisando o teor de enxofre, índice de

acidez e o poder calorífico.

– Para os parâmetros: temperatura e consumo específico, foi constatado que com

o uso do B6 aditivado, após estabilizado, a temperatura média de trabalho manteve-se

maior em relação ao B6, a este incremento pode acelerar a oxidação. O consumo

específico do B6 permaneceu menor em todas as cargas em que os motores foram

submetidos. Essa diferença pode ser explicada devido a diferença entre os poderes

caloríficos dos combustíveis.

108

– As análises qualitativas realizadas nas agulhas, se mostraram satisfatórios na

avaliação dos desgastes do guia da agulha do bico injetor. O método de inspeção visual

mostrou-se eficaz na avaliação da estabilidade oxidativa e formação de borra por

clogging na agulha e na ponta do bico injetor. Viu-se que o B6 aditivado foi capaz de

formar borra na agulha, mostrando uma instabilidade oxidativa superior em relação ao

B6.

- A avaliação qualitativa do desgaste por métodos de MEV e EDS, formaram

uma base para afirmar conclusões em que o motor que utilizou o B6, sofreu o

mecanismo de desgaste típico de ocorrer nesta parte do subsistema. A agulha do bico

injetor do motor que utilizou B6 aditivado, apresentou uma forma atípica e acentuada de

desgaste oxidativo. O desgaste pôde ser observado por desprendimentos de material na

forma de pits na superfície do guia da agulha. As observações obtidas através dos

EDS’s, foram úteis na caracterização da composição dos elementos químicos presentes

nos materiais das agulhas dos bicos injetores. Os resultados apontam uma variação nos

índices de alguns elementos, como o aumento do teor de oxigênio na superfície do guia

da agulha que utilizou B6 aditivado. No entanto, a grande maioria dos elementos

mantiveram uma faixa de tolerância para a caracterização de igualdade química da

superfície das agulhas dos bicos injetores.

- A utilização da espectroscopia Raman pode ter uso conclusivo, posto que se

trata de formação de possíveis novos compostos. Desta forma, com as indicações de

MEV e EDS, utilizando mapeamento de análises pontuais e lineares, obteve-se uma

consistência bastante relevante dos resultados, tendo em vista a possível formação de

novas composições pontuais nas superfícies das agulhas analisadas, fundamentalmente

em função das composições dos combustíveis e suas quantidades elementares.

Dessa forma, verifica-se que a metodologia proposta permitiu acompanhar as

condições de desempenho dos motores e desgaste do componete, agulha, do bico injetor, a

partir do uso de dois biodieseis, assim como tomar fé da importância das propriedades físico-

químicas. Alem disso, o fato da metodologia do trabalho propor e relacionar em paralelo uma

análise da ocorrência dos tipos de desgaste existenstes neste componente do bico injetor,

enriquece e adequa novos métodos avaliativos das condições tribológicas e desenvolvimento

de novos tratamentos a respeito do aumento da vida util desse componente.

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