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Figura 9 – O gráfico indica os valores das forças de atrito e                  cargas aplicadas para as três condições de ...
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Nesta análise não está sendo considera a contribuição de poluentes como os compostosde nitrogênio, hidrocarbonetos e monóx...
Para esclarecimentos adicionais, contatar:AEA - Associação Brasileira de Engenharia AutomotivaRua Salvador Correia, 80 - A...
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Tribologia, Economia de Combustível e Redução da Emissões de Poluentes

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Estudos sobre a influência do atrito nos componentes de motores que revelam dados que determinam para onde vai à energia oriunda da queima do combustível. Estima-se que 12% da energia avaliada nos veículos encontram-se no contato dos pneus com o pavimento, o motor contribui com aproximadamente 62% da perda mecânica dissipada principalmente por atrito

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Tribologia, Economia de Combustível e Redução da Emissões de Poluentes

  1. 1. Contribuição da Tribologia para a Redução do Consumo de Combustíveis e Emissões de Poluentes Marcos B.Garcia1, João C.Godinho Mª 1, Gaston R. Spina Schweizer2 1 Energy Plus Treinamentos & Consultorias 2 Repsol YPF Brasil S/A E-mails: marcos@clickenergy.com.br, joao@clickenergy.com.br, grspinas@repsol.comRESUMO A escassez de petróleo e a busca por novas fontes de energia são hoje preocupaçõesglobais, principalmente no que tange a crescente demanda e suas conseqüências no aumentodo consumo serão no futuro próximo os grandes desafios. Novos desenvolvimentos em sistemas de engenharia vêm ocorrendo desde a segundametade do século, em uma constante busca por equipamentos mais duráveis, utilização decombustíveis alternativos e tecnologias para atendimento das emissões de poluentes, todosaliados para um menor impacto ambiental. Neste trabalho serão apresentados estudos sobre a influencia do atrito noscomponentes de motores que revelam dados que determinam para onde vai à energia oriundada queima do combustível. Estima-se que 12% da energia avaliada nos veículos encontram-seno contato dos pneus com o pavimento, o motor contribui com aproximadamente 62% daperda mecânica dissipada principalmente por atrito. Como os exemplos mais dramáticos estão nos parques automotivos, o conhecimentotribológico vem contribuindo para a redução de perdas energéticas e da poluição comperspectivas otimistas a âmbito mundial.INTRODUÇÃO Em todos os cantos do globo – na terra e nas águas, no gelo que se derrete e na neveque desaparece, durante as secas e as ondas de calor, no olho do furacão e nas lágrimas dosrefugiados – vemos provas crescentes e inegáveis de que os ciclos da natureza estão passandopor profundas transformações [1]. O conceito de sustentabilidade ambiental refere-se às condições sistêmicas segundo asquais, em nível regional e global as atividades humanas não devem interferir nos ciclosnaturais, em que se baseiam tudo o que a resiliência (que acumula energia) do planeta permitee ao mesmo tempo, não devem empobrecer este capital natural, que deverá ser transmitido àsfuturas gerações. Após a revolução industrial no final do século XIX, os anos seguintes foram marcadospor agressões antropogênicas ao meio ambiente tornando-se mais evidente em relação aocrescimento populacional e aumento no consumo per capita. As áreas de interesse nestecampo está sendo objeto de estudos e de muita preocupação, principalmente no tocante aosimpactos ambientais[2] representado pela figura 1.
  2. 2. Figura 1 – Impactos ambientais e os danos acumulados O processo de transformação de energia, no qual o homem utiliza as mais diversasformas para realização de suas tarefas, ou seja, ele se beneficia da energia muscular animalpara tracionar carroças e arados; da energia elétrica para uma infinidade de afazeres,principalmente na iluminação ambiente, e aquela proveniente do combustível fóssil, queutiliza derivados de petróleo para propulsão de vários equipamentos. Neste contexto, houve no final do século XIX uma crescente utilização doshidrocarbonetos em substituição as forças motrizes. Na década de 70, em meio a segundacrise mundial do petróleo, o Brasil apresentou altas taxas de crescimento no consumo dederivados de petróleo e também dava inicio ao Proálcool, no plano cruzado em 1986(congelamento de preços) e nos cinco primeiros anos do Plano Real (1994 a 1998). O baixo crescimento econômico e as substituições por fontes alternativas, inclusive asubstituição de gasolina por álcool, são as causas do pouco ou nenhum aumento nos demaisperíodos. A partir de 1999, o uso do gás natural em veículos passa a contribuir, também, paraa redução do consumo de derivados. Em 2007, o consumo final de derivados de petróleo,excluindo-se o uso nos centros de transformação, apresentou crescimento de 4,5%. No anoseguinte (2008) foi regulamentada pela ANP e iniciou a adição de 2% de biodiesel no diesel. A figura 2 apresenta a evolução do consumo setorial dos derivados de petróleo, queindica o setor de transportes como o segmento mais importante representando 50,5% desteconsumo, seguido pela indústria que incluindo o setor energético responde por 19,1% [3].
  3. 3. bep – barril equivalente de petróleo (6,28981 barris = 1 m3) Figura 2 - Consumo dos Derivados de Petróleo por Setor, Brasil 1970 a 2007 Atualmente em todo mundo, grandes pressões sobre o consumo de combustíveis sãoexercidas por conta do efeito estufa e do aquecimento global proveniente principalmente pelaemissão de CO2, como indicado na figura 3. tep – tonelada equivalente de petróleo 1 tep = 7,04 bep = 0,848 m3 de óleo diesel = 0,891m3 de lubrificante 1 tep = 10 Mcal/kg = 11,63x103 KWh Figura 3 - Indicadores de Emissões de CO2 e de Energia – Brasil e Mundo 2006
  4. 4. O panorama energético global 2006 indica que os grandes consumidores per capita depetróleo (tep/hab) foram os Estados Unidos seguido por Austrália e OECD,conseqüentemente também tiveram uma maior contribuição na emissão de CO2 porhabilitante. Na relação tCO2/ tep, a Austrália e a China se destacam possivelmente devido aoutras fontes de energia, como a produção de lenha/carvão vegetal e a expansão das fronteirasagrícola e pecuária[4]. Diversas estratégias tecnológicas estão sendo adotadas em todo o mundo visando aredução dos níveis de CO2 (2012 target 120 g/km), algumas são: • Restrição no uso de veículos (rodízios) • Combustíveis alternativos • Otimização na eficiência do Powertrain • Melhoria no peso, aerodinâmica e perdas por atritoA Tribologia e a Redução do Atrito Por volta de 1966 na Inglaterra foi investigado e atribuído pelo Jost Committee umanova palavra derivada do grego, denominada tribologia formada pelo radical “tribos” quesignifica esfregar mais o sufixo “logos”– estudo. A primeira análise dos impactos econômicos usando os conhecimentos da tribologiafoi um marco na criação deste comitê, e seus valores estão indicados na figura 4. As perdaseconômicas totais estimadas na Inglaterra neste período seriam de 515 milhões de libras,correspondendo a 0,5 % do PNB[5]. (em milhões de libras) Figura 4 - Economias devidas à aplicação da tribologia no Reino Unido 1966 Trata-se de uma ciência interdisciplinar que estuda a interação de superfícies emmovimento relativo, considerando a condição de atrito, desgaste e como conseguinte alubrificação. O tema foi mais centralizado como um fator unificador através da aplicação dosconhecimentos básicos para prever o comportamento de sistemas físicos, ou seja, detribosistemas que são utilizados na engenharia[6], representados pela figura 5.
  5. 5. Figura 5 – Exemplos de tribosistemas, configurações e estruturas elementares As condições de desgaste e atrito do tribosistema são determinadas por algunsparâmetros, nos quais a predominância de um ou outro depende das condições defuncionamento (carga, velocidade e temperatura), das condições de interface (meiotriboquímico como a lubrificação, subprodutos da combustão e gradientes de temperatura) edas condições estruturais (características geométricas, materiais e tratamentos superficiais) dopar tribológico ou triboelementos. O exemplo clássico é a influencia da carga normal e da velocidade sobre os regimes dedesgaste, pois os mesmos influem na taxa de deformação plástica e temperatura induzida poratrito nas superfícies, podendo modificar a constituição da microestrutura e também alterar apropriedade mecânica das superfícies, ou ainda, interferir na taxa de oxidação superficialquanto submetido a determinadas temperaturas [7]. A exigência do mercado com a regulamentação dos níveis de emissões e adurabilidade dos motores está voltada para efeitos adversos que requerem a redução de atrito,e também de outros quesitos como a vibração e ruídos. Estudos sobre a influencia do atrito nos componentes de motores revelam dados quedeterminam para onde vai a energia oriunda da queima do combustível. Estima-se queaproximadamente 12% da energia avaliada encontra-se no contato dos pneus com opavimento, o motor contribui com 62% da perda mecânica dissipada, principalmente poratrito[2]. De forma subjetiva, a proporção de perda total por atrito nos motores estádirecionada em 40% para o conjunto do pistão. A figura 6 indica a comparação das principaiscategorias de perdas por atrito em motores 4 cilindros e 1.6 litros[8].
  6. 6. Figura 6 – Pressão média efetiva de atrito (fmep) para diferentes cargas e velocidades de um motor automotivo 1.6 litros e 4 cilindros, com configurações de ignição SI e CI A durabilidade do par tribológico anel-cilindro talvez seja um dos fatores quedeterminam a vida efetiva dos motores, e as condições a que estão submetidos os anéis depistão torna este o componente mais complexo da câmara de combustão interna, devido asaltas solicitações na região do PMS (carga, velocidade e temperatura) e pela variação nosuprimento de óleo lubrificante, principalmente do anel de compressão alojado no primeirocanalete do pistão.RESULTADOS E DISCUSSÕES A variação na espessura do filme de óleo lubrificante ao longo de um ciclo promovealterações na condição de atrito dos anéis de pistão, variando o regime de lubrificação limite(R1/2 boundary) até a hidrodinâmica (R3) como mostra a figura 7.
  7. 7. Regime 1, lubrificação limite [contato superficial] Regime 2, lubrificação de filme fino [EHD] Regime 3, lubrificação de filme espesso [HD] Figura 7 – Diagrama de Stribeck e os regimes de lubrificação O contato das superfícies (regime 1) envolve eventos tais como adesão, deformaçãoplástica, formação de junções, transferência de material (fragmentos) que resultam emmodificações da rugosidade superficial e conseqüentemente no aumento do coeficiente deatrito. Serão apresentados a seguir alguns estudos utilizando adequações no regime delubrificação. 1. Otimização da Topografia de Superfície Na busca por uma lubrificação mais adequada que contribua para redução do desgastee da potencia dissipada, experimentos foram realizados com segmentos de aço inoxidávelmartensítico (18%Cr) submetido a tratamento termoquímico de nitretação (gasosa), comespessura que variam de 60 a 80 μm, e na seqüência foram efetuadas modificações natopografia da superfície de contato, de modo que haja uma retenção mais eficiente do filme deóleo em função da rugosidade (Rz). Condições das topografias de superfícies: a) Normal de Produção (NP) – retificado e lapidado; Rz 0,40 μm b) NP + Jateamento úmido (1 ciclo); Rz 1,18 μm c) NP + Jateamento + Reversão eletroquímica (5 min) + escovamento; Rz 1,41 μm
  8. 8. A característica da superfície após a modificação da topografia resulta em partículasduras dispersas e salientes sobre a matriz martensítica, formando plates e depósitos que visama melhoria da lubrificação e retenção de fragmentos de desgaste, principalmente no períodode amaciamento (break-in). A figura 8 apresenta o aspecto de uma superfície modificadaatravés da imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Figura 8 – Aspecto superficial da topografia modificada de aço inoxidável martensítico (18%Cr), observa-se os carbonetos de cromo em relevo[8] Os experimentos com as três condições de topografias foram ensaiados em umtribometro, com geometria tipo block on ring modificado para fixar o segmento deaproximadamente 10 mm, contra um anel padrão de ferro fundido cinzento perlítico similaraos utilizados em cilindros de motor, retificado com uma rugosidade média de Ra 0,6 μm ecom as seguintes configurações indicadas abaixo (tabela I). Tabela I – Características do anel padrão Ensaio Condição de Tratamento Dureza (HB) Lubrificação (SAE 15w40) Atrito Bruto de fundição 225 3 gotas na partida Desgaste Temp. revenido 315 parcialmente submerso As figuras 9 e 10 apresentam o comportamento dos ensaios de atrito e desgaste.
  9. 9. Figura 9 – O gráfico indica os valores das forças de atrito e cargas aplicadas para as três condições de superfície Figura 10 – Apresenta o gráfico com os valores de desgaste (perda de massa) das três condições de superfície e dos respectivos anéis padrões 2. Lubrificantes Fuel Economy Os óleos lubrificantes denominados “fuel economy”são produzidos com óleos básicosespecíficos (semi ou totalmente sintéticos) e modernas tecnologias de aditivos, que conferemalgumas características para a redução de atrito dos componentes contidos nos motores, eutilizados em várias aplicações.
  10. 10. As categorias dos lubrificantes indicados para redução do consumo de combustível sãoconsideradas de baixa viscosidade, ou HTHS (high temperature and high shear) que trata damedição da resistência do fluido sob determinadas condições de fluxo similares aos da câmarade combustão interna, e para determinadas aplicações usa-se também o baixo SAPS(sulphated ash, phosphorus and sulphur). Os ensaios foram realizados em motor padrão FE (light diesel engine) seguindo ametodologia ASTM, sendo o procedimento CEC L3 A90 para determinação do desgaste dosanéis de pistão e o CEC L54 T96 aplicado para medição da economia de combustível. Acondição de teste para os lubrificantes foi baseada na ACEA sequence testing oil e a reduçãodo combustível determinada a partir de um lubrificante de referencia. A figura 11 apresenta um gráfico com resultados da combinação dos ensaios dedesgaste de segmentos de pistão e economia de combustível, em relação ao HTHS [mPas] Figura 11 – Variação de HTHS em relação ao desgaste de segmento de pistão e na economia de combustívelCONSIDERAÇÕES GERAIS Na região metropolitana de São Paulo, no sudeste do país estão concentrados osmaiores consumidores de derivados de petróleo, agora privilegiado pela proximidade com asreservas descobertas recentemente no campo de Tupi, localizada a cerca de 7 mil metrosabaixo da linha dágua, em rochas denominadas pré-sal que abrangem as Bacias do EspíritoSanto, Campos e Santos, considerada como uma das mais importantes do mundo. Estudos preliminares apontam que as reservas de petróleo e gás do país, que somamhoje 14 bilhões de barris, receberão um acréscimo de pelo menos 50%. A meta da Petrobras éiniciar a produção a partir de 2010, com um projeto-piloto de 100 mil barris por dia. Essevolume equivale atualmente a 5% da produção nacional.
  11. 11. No caso do segmento off-shore para produção de gás e óleo, as plataformas marítimasretiram o petróleo dos poços através de tubos rígidos (risers) e flexíveis que são responsáveispelo transporte da produção de cerca de 700 mil barris por dia. A degradação por desgaste ecorrosão de equipamentos e componentes metálicos transformou-se em um sério problema daindústria off-shore. Nos risers, o componente mais critico são as ponteiras que conectam os tubos rígidosno sistema caixa-pino, onde um eventual riscamento nesta pode resultar em perda deestanqueidade do sistema hidrostático (até 3000 psi), e pode determinar a retirada de todacoluna lançada ao mar para substituir o componente danificado, com um custo diário demanutenção de aproximadamente US$ 50.000,00. Evidencia de ações tribológicas estão presentes em diversos segmentos da cadeiaprodutiva, e em todo ciclo do petróleo desde as perfurações em poços seguido pelo transporteaté as refinarias, os vários processos de transformação e de uma logística gigantesca, e namesma proporção vem contribuindo com o aumento da emissão de poluentes e também naação de descarte dos subprodutos indesejáveis ao meio ambiente. As tabelas 2 e 3 apresentam algumas estimativas que foram realizadas visando preveras perdas econômicas devido ao atrito e suas respectivas proporção de CO2 que poderão seremitidos na região metropolitana de São Paulo[10]. Tabela 2 – Perdas econômicas devidas ao atrito nos veículos da frota da cidade de São Paulo. Tabela 3 – Nível de CO2 emitidos por veículos em São Paulo
  12. 12. Nesta análise não está sendo considera a contribuição de poluentes como os compostosde nitrogênio, hidrocarbonetos e monóxido de carbono, uma vez que a formação e liberaçãodestes estão relacionados a eficiência da combustão e não na eficácia dos sistemas mecânicos. Estima-se que uma redução de 10 % no atrito de acionamento do automóvel resultariaem até 3% de economia de combustível. Por outro lado, considerando imediatas melhorias emtorno de 20 % baseado apenas nos conhecimentos disponíveis, a economia seria na casa de300 milhões de reais por ano, para reduzir a emissão de CO2 em 37.500 toneladas apenas nacidade de São Paulo. As tendências tecnológicas e o vasto campo de atuação dos tribologistas assim comode outras áreas envolvidas no escopo da engenharia de superfície indicam atenção especialpara os componentes que são submetidos ao regime de lubrificação misto (boundary),principalmente no período de amaciamento. Assim como a determinação de limites para osdiagnósticos de óleo lubrificante ao longo da vida dos sistemas de engenharia, responsávelpela confiabilidade de muitas frotas e equipamentos de competição.CONCLUSÃO • A demanda crescente por energia e as conseqüências no aumento de consumo serão nos próximos anos um grande desafio para a sustentabilidade do planeta. A politização aliada ao consumo e aos elevados preços do petróleo poderão tornar o sistema altamente vulnerável. • A poluição urbana e a chuva ácida são danos ambientais locais e regionais causados principalmente pela queima de combustíveis fosseis oriundos dos transportes de cargas e passageiros. As motocicletas também foram responsáveis pela metade da emissão de monóxido de carbono na região de São Paulo, em 2006. • O conhecimento da tribologia associado a outros recursos tecnológicos vem apresentando uma promissora contribuição na permanente busca pela redução do consumo de combustíveis e emissão de CO2. • O grande desafio na busca pela redução do atrito em componentes veiculares submetidos a movimentos relativos estão voltados principalmente para os sistemas motor e de transmissão, e seus respectivos regimes de lubrificação. • A adequação das características de cada parâmetro, visando a melhoria no comportamento dos pares tribológicos durante o período de amaciamento e ao longo da vida do motor, vem utilizando testes acelerados ou de bancada como uma sugestão rápida e de baixo custo no desenvolvimento de novos componentes, assim como a abordagem de motor downsized.  A utilização de partículas duras dispensas na matriz dos materiais e tratamentos superficiais, associadas a uma determinada topografia de contato manifesta-se como uma alternativa interessante para a redução do desgaste e atrito.
  13. 13. Para esclarecimentos adicionais, contatar:AEA - Associação Brasileira de Engenharia AutomotivaRua Salvador Correia, 80 - AclimaçãoSão Paulo - SP - 04109-070Tel.: (011) 5575-9043 – Ramal 25E-Mail: eventos@aea.org.brREFERÊNCIAS[1] GORE, Al – Livro: Uma verdade inconveniente, Editora Manole, 2006[2] GOLDEMBERG, J.; VILLANUEVA, L. D. Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento,2ª edição, 2003.[3] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA; Balanço Energético Nacional 2008, ano base2007, Disponível em http://www.mme.gov.br[4] BASE DE INDICADORES; Estimado pelo Painel Intergovernamental de MudançasClimáticas (IPCC) e Agência Internacional de Energia (IEA) 2006[5] DOWSON, D. History of Tribology, London: Longman, 1979[6] BLAU, P. J. Metals Handbook v. 18: Friction Lubrication and Wear Technology.Ed.Philadelphia: ASM International, 1995[7] GARCIA, M.B.; AMBRÓZIO Fº, F.; VATAVUK, J.;Wear Mechanisms Behavior ofDifferent Surface Treatment Piston Rings, São Paulo SAE 2003-01-3589[8] HEYWOOD, J.B.; Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Ed. 1988[9] GARCIA, M.B.; Anel de pistão e processo de obtenção, patente INPI PI9702729-4ªdepositada em 1997[10] de PAOLA, J. C. C. Análise ambiental de aços forjados. 2004. 140 f. Tese (Doutoradoem Engenharia) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.

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