PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA MANUTENÇÃO PREDITIVA DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, À GASOLINA, ATRAVÉS DA TÉCNICA DE ANÁLISE DE LUBRIFICANTES Luis Gustavo Torquatro Malpica Orientador: Prof. Dr. Aparecido Carlos Gonçalves Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia - UNESP – Campus de Ilha Solteira, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de Conhecimento:Mecânica dos Sólidos Ilha Solteira – SP outubro/2007 FICHA CATALOGRÁFICA Elaborada pela Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação da UNESP - Ilha Solteira. Malpica, Luis Gustavo Torquatro. M259m Manutenção preditiva de motores de combustão interna, à gasolina, através da técnica de análise de lubrificantes / Luis Gustavo Torquatro Malpica. -- Ilha Solteira : [s.n.], 2007 111 f. : il., fots. (algumas color.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira. Área de conhecimento: Mecânica dos Sólidos, 2007 Orientador: Aparecido Carlos Gonçalves Bibliografia: p. 108-111 1. Tribologia. 2. Óleos lubrificantes. 3. Mecânica dos sólidos. 4. Desgaste mecânico. AGRADECIMENTOS Ao professor Dr. Aparecido Carlos Gonçalves, pela orientação, postura profissional, amizade, pelos passes perfeitos para eu marcar gols nas partidas de futebol que realizamos juntos e pelos ensinamentos transmitidos ao longo do desenvolvimento deste trabalho. A minha namorada Monica Paiano pela compreensão e apoio durante a realização deste trabalho. A meus familiares pela atenção, compreensão e apoio concedidos ao longo do desenvolvimento desta pesquisa. Ao CNPq pela oportunidade de receber uma bolsa DTI e poder trabalhar no Laboratório de Tribologia. Ao Técnico do departamento Carlos José Santana pelo apoio dado na construção da bancada, e pelas discussões e formas de colaboração ao longo do trabalho, Ao técnico bolsista CNPq IT Tiago Pacheco pela ajuda técnica na construção da bancada e na realização de ensaios. A Shell pela doação de óleo lubrificante Ao departamento de Engenharia Mecânica da FEIS-UNESP pelo apoio e pelas ótimas condições de trabalho oferecidas. Muito Obrigado. Luis Gustavo Torquato Malpica – Outubro de 2007. RESUMO MALPICA, L.G.T. Manutenção Preditiva de motores de combustão interna, à gasolina, através da Técnica de Análise de Lubrificantes. 2007. 97 F. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira. Em um motor de combustão interna todas as peças possuem uma vida útil prevista, sendo essa duração maior ou menor, de acordo com a função específica a elas atribuída. Cada uma das peças tem a sua vida pré-determinada que, em condições normais de funcionamento de todo o conjunto, atende as expectativas. Pela análise do óleo podem-se monitorar as condições destas peças. A técnica de análise de óleo é um tipo de manutenção preditiva. Ela pode ser feita coletando-se o óleo de um equipamento e analisando-o posteriormente ou analisando-o diretamente em sistemas “on line”. A análise dos óleos permite identificar os primeiros sintomas de desgaste de um componente. A identificação é feita a partir do estudo da quantidade de partículas, tamanho, forma e composição, que forneceram informações precisas sobre as condições das superfícies em movimento sem a necessidade de se desmontar o conjunto a qual estas partes pertencem. Tais partículas sólidas são geradas pelo atrito dinâmico entre peças em contato. De acordo com o estudo destas partículas pode-se relacionar as situações de desgastes do conjunto e atribuí-las a condições físicas e químicas. A análise dos óleos é feita por meio de técnicas laboratoriais que envolvem, reagentes, instrumentos e equipamentos. Assim, para se estudar a manutenção preditiva em motores de combustão interna, foi feito um estudo teórico sobre estes motores, sobre os lubrificantes, sobre os problemas e possíveis causas associados a falhas destes, sobre os tipos de manutenção preditivas aplicadas a estes e sobre trabalhos que tratam da manutenção preditiva em motores realizados por outros autores. Para auxiliar os estudos foi proposta a construção de duas bancadas de ensaios compostas de motores de quatro tempos, a gasolina, acoplados a um redutor de velocidades para fornecer carga aos mesmos. Na primeira bancada utilizou-se um motor em estado avançado de deterioração e na segunda um motor novo. Os resultados mostraram que mesmo em estado avançado de deterioração, a geração de partículas nem sempre é grande e que a utilização de apenas uma técnica de análise de lubrificante não é suficiente para se determinar o estado de um motor. Palavras Chaves: Manutenção preditiva, partículas de desgastes, análise de lubrificantes, tribologia, motores. ABSTRACT MALPICA, L.G.T. Predictive Maintenance of gasoline Internal Combustion Engine, through Lubricant Analysis Technique. 2007. 97 F. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira. In an internal combustion engine every pieces have a foreseen useful life. This duration is large or small according to the specific function to them attributed. Each piece has its own pre determined life that in normal operation conditions of the set attend to the expectations. By oil analysis one can monitor the pieces conditions. The oil analysis technique is a type of predictive maintenance. It can be done collecting the oil of an equipment and analyzing it latter on or analyzing it directly in systems “on line”. The oil analysis allows identifying the early symptoms of a component wear. The identification is done starting from the study of the particle quantity, size, forms and composition that supplies precise information about the moving superficial conditions without the need of disassembling the set which these parts belong to. Such solid particles are generated by dynamic friction among pieces in contact. According to the study of those particle one can relate the wear set situation and to attribute them to physical and chemical conditions. The oil analysis is done by means of laboratories techniques that involve reagent, instruments and equipments. So, to study the predictive maintenance in internal combustion engine it was done a theoretical study about those engine, about lubricants, about problems and possible causes related to fault of them, about the types of predictive maintenance associated to them and about papers that deal to predictive maintenance in internal combustion engine. To aid the studies it was proposed the construction of two test rig composed of gasoline four cycle internal combustion engine coupled to a reducer to supply load to them. In the first test rig it was used an internal combustion engine in advanced state of deterioration and on the second one it was used a new internal combustion engine. The results showed that even in advanced state of deterioration, the particle generation is not always big and that the use of a unique lubricant analyze technique is not enough to determine the internal combustion engine state. Keywords: Predictive maintenance, wear particles, lubricant analysis, tribology, internal combustion engine. LISTA DE FIGURAS Fig. 1 – Curva da banheira (CTMF) 16 Fig. 2.1 – Curso do pistão 21 Fig.2.2 - Câmara de combustão 23 Fig.2.3 - Definição de taxa de compressão 24 Fig. 2.4 – Ocorrência da pré ignicção 26 Fig.2.5 - Danificação por detonação 27 Fig. 2.6 - Sistema de ignição convencional e o distribuidor 28 Figura 2.7- Admissão da mistura ar/combustível 29 Figura 2.8 – Compressão da mistura ar/combustível 29 Figura 2.10 – Escape dos produtos de combustão 30 Figura 2.11 – Admissão e compressão da mistura ar/combustível 31 Figura 2.12- Explosão e escape da mistura ar/combustível 32 Figura 2.13 - Nível de desempenho segundo a classificação API 35 Figura 3.1 – Desenho esquemático da espectrometria por absorção atômica 44 Figura 3.2 - Espectômetro de emissão óptico portáti 45 Figura 3.3 – Aparelho de Ferrografia Direta 47 Figura 3.4 – Desenho esquemático do Aparelho de Ferrografia 47 Figura 3.5 - Exemplo de um código ISO obtido 51 Figura 3.6 – Desenho esquemático da ferrografía analítica 51 Figura 3.7 – Desenho ilustrando as posições das partículas magnéticas 52 Figura 3.8 - Identificação de partículas no ferrograma 53 Figura 3.9 – Identificação do tamanho, da forma e da geometria das partículas ferrosas e não ferrosas. 54 Figura 3.10 - Distribuição (a) da energia total em um motor em operação; e (b) atrito mecânica total do motor. ( Richardson, E.E. (1999), apud Modern Tribology ) 58 Figura 3.11 - Variação da força de contato e da pressão de gás com distância abaixo do centro inoperante superior. 61 Figura 4.1 – Bancada construída com o motor da marca Montgomery e o redutor da marca Cestari 66 Figura 4.2 – Bancada construída com o motor Briggs & Strattor 68 Figura 4.3 - Depositador rotativo de partícula. 72 Figura 4.4 - Monitor automático de partículas. 73 Figura 4. 5 - Microscópio Óptico Neophot 21. 75 Figura 4.6 - Microscópio Óptico JENAVAL 75 Figura 4.7 - Viscosímetro modelo Rheostat 76 Figura 4.8 - Metodologia para se determinar o número de partículas 78 Figura 5.1 – Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 40 API-SF do motor Montgomery. Luz Transmitida. (I) anel interno, (M) anel intermediário,e (E) anel externo 81 Figura 5.2 – Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 40 API-SF do motor82 Montgomery. Luz Refletida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 82 Figura 5.3 – Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 40 API-SF do motor Montgomery. Filtragem em membrana 83 Figura 5.4 - Fotos do motor Montgomery após o teste. Esquerda, pistão danificado; direita, partes principais desmontadas 84 Figura 5.5 - Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 40 API-SF do motor Brings&Stratton. Luz Transmitida. (I) Anel interno, (M) Anel intermediário, e (E) Anel externo 86 Figura 5.6 – Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 40 API-SF do motor Briggs & Stratton.. Luz Refletida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 87 Figura 5.7 - Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 40 API-SF do motor Briggs & Stratton. Filtragem em membrana. 88 Figura 5.8 – Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 30 API-SH do motor Briggs & Strattor. Luz Transmitida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 90 Figura 5.9 – Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 30 API-SH do motor Briggs & Stratton.. Luz Refletida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 91 Figura 5.10 - Partículas de desgaste presentes no óleo SAE 30 API-SH do motor Briggs & Stratton. Filtragem em menbrana 92 Figura 5.11 – Partículas de desgaste presentes no óleo TIVELA S 150 do motor Briggs & Strattor. Luz Transmitida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 94 Figura 5.12 – Partículas de desgaste presentes no óleo TIVELA S 150 do motor Briggs & Stratton.. Luz Refletida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 95 Figura 5.13 - Partículas de desgaste presentes no óleo TIVELA S 150 do motor Briggs & Stratton. Filtragem em menbrana 96 Figura 5.14 – Partículas de desgaste presentes no óleo TIVELA S 320 do motor Briggs & Strattor. Luz Transmitida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 98 Figura 5.15 – Partículas de desgaste presentes no óleo TIVELA S 320 do motor Briggs & Stratton.. Luz Refletida. (I) anel interno, (M) anel intermediário, e (E) anel externo 99 Figura 5.16 - Partículas de desgaste presentes no óleo TIVELA S 320 do motor Briggs & Stratton. 100 Lista de Tabelas TABELA 2. 1- Classificação de viscosidade para óleos de motores segundo SAE J 300 33 TABELA 2. 2 - Designação de óleos para motores 2T 38 TABELA 2. 3 - Equivalência entre as nomenclaturas 38 TABELA 3. 1 - Elementos detectados na análise do óleo 45 TABELA 3. 2 – Valores referentes à Norma NAS 1638 48 TABELA 3. 3 – Valores referentes à Norma ISO 4406 50 TABELA 4. 1 - Especificações do motor Montgomery 67 TABELA 4. 2 - Especificações do Motor Briggs & Stratton 68 TABELA 4. 3 - Especificações do redutor da marca Cestari 68 TABELA 4. 4 - Especificações do óleo SAE 40 API – SF 69 TABELA 4. 5 - Especificações do Óleo SAE 30 API – SH 70 TABELA 4. 6 - Especificações do Óleo TIVELA S150 70 TABELA 4. 7 - Especificações do óleo TIVELA S 320 71 TABELA 4. 8- Especificações do depositador rotativo de partículas 72 TABELA 4. 9- Especificações do monitor automático de partículas 74 TABELA 5. 1 - Valores obtidos através da absorção atômica do óleo usado SAE 40 API-SF do motor Montgomery ( ppm) 84 TABELA 5. 2 - Contagem de Partículas, porcentagem de água e número de bases totais do óleo usado SAE 40 API-SF do motor Montgomery 84 TABELA 5. 3 - Viscosidades, Ponto de Fulgor e Índice de Partículas Magnéticas do óleo usado SAE 40 API-SF do motor Montgomery 84 TABELA 5. 4 - Valores obtidos através da absorção atômica do óleo usado SAE 40 API-SF do motor Briggs & Strattor ( ppm) 89 TABELA 5. 5 - Contagem de Partículas, porcentagem de água e número de bases totais do óleo usado SAE 40 API-SF do motor Briggs & Strattor 89 TABELA 5. 6 – Viscosidades, ponto de fulgor e Índice de Partículas Magnéticas do óleo usado SAE 40 API-SF do motor Briggs & Strattor 89 TABELA 5. 7 - Valores obtidos através da absorção atômica do óleo usado SAE 30 API-SH do motor Briggs & Strattor ( ppm) 92 TABELA 5. 8 - Valores obtidos através da absorção atômica do óleo usado SAE 30 APISH do motor Briggs & Strattor ( ppm) 93 TABELA 5. 9 – Viscosidades, ponto de fulgor e Índice de Partículas Magnéticas do óleo usado SAE 30 API-SH do motor Briggs & Strattor 93 TABELA 5. 10 - Valores obtidos através da absorção atômica do óleo usado TIVELA S150 do motor Briggs & Strattor ( ppm) 96 TABELA 5. 11 - Contagem de Partículas, porcentagem de água e número de ácidos totaido óleo usado TIVELA S150 do motor Briggs & Strattor 96 TABELA 5. 12 – Viscosidades, ponto de fulgor e Índice de Partículas Magnéticas do óleo usado TIVELA S150 do motor Briggs & Strattor 97 TABELA 5. 13 - Valores obtidos através da absorção atômica do óleo usado TIVELA S320 do motor Briggs & Strattor ( ppm) 101 TABELA 5. 14 - Contagem de Partículas, porcentagem de água e número de ácidos totaido óleo usado TIVELA S150 do motor Briggs & Strattor 101 TABELA 5. 15 – Viscosidades, ponto de fulgor e Índice de Partículas Magnéticas do óleo usado TIVELA S320 do motor Briggs & Strattor 101 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS � Tensão de cisalhamento [Pa] � Viscosidade dinâmica [Pa.s] � Coeficiente de viscosidade t� �� Taxa de deformação por cisalhamento Z Viscosidade [cSt ou mm2/s] � Massa específica Q Volume desgastado do material mais dúctil, por unidade de distância percorrida [mm3/m] ICE Ignição por centelha ICO Ignição por compressão PMS Ponto morto superior PMI Ponto morto inferior CTMF Curva de Tempo médio de falha ASTM American Society for Testing and Materials L Número de partículas grandes S Número de partículas pequenas PLP Porcentagem de partículas grandes NMMA National Manufactures Associations CEC Coordinating European Council TC Taxa de Compressão VA Válvula de Admissão VC Válvula de Descarga API American Petroleum Institute PQ Quantidade admensional de partículas magnéticas RPD Depositador rotativo de partículas SUS Saybolt Universal Second cSt CentStock SUMÁRIO INTRODUÇÃO 15 1.1 – JUSTIFICATIVA 18 1.2– OBJETIVOS 19 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA 20 2.1 – CLASSIFICAÇÃO 20 2.2 – DEFINIÇÕES 21 a - Ponto Morto Superior e Ponto Morto Inferior 21 b - Cilindrada 22 c- Câmara de compressão ou de combustão, Volume Morto 22 d – Taxa de Compressão (Relação) 23 e - Auto-Ignição 25 f – Avanço 27 g - Ciclo 28 2.2– MOTOR QUATRO TEMPOS 28 2.3 – MOTOR DOIS TEMPOS 31 2.4- LUBRIFICANTE 32 2.4.1 Sistema de Classificação API-SAE-ASTM para óleos de motores de combustão interna 33 2.4.1.1 Categorias para Motores a Gasolina 34 2.4.1.2 Categorias para Motores a Diesel 36 2.4.1.3 Classificação de óleos para motores 2T 37 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 39 3.1 – PROBLEMAS E POSSÍVEIS CAUSAS 40 3.2 – ANÁLISE DO LUBRIFICANTE USADO 42 3.2.1 - Tipos de Ensaios 43 3.2.1.1 – Espectrometria 43 3.2.1.2– Ferrografia 46 a – Ferrografia Direta 46 b – Ferrografia Analítica 51 3.2.1.3 – TBN e TAN 54 3.2.1.4 – Viscosidade 55 3.2.1.5 – Ponto de Fulgor 56 3.2.1.6 – Insolúveis 56 3.3 – SISTEMAS TRIBOLÓGICOS DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA 57 3.3.1 - Relação Tribológica do anel/camisa 59 A - No projeto mecânico do cilindro 59 B - Furo e curso 60 C - Carga e velocidade 60 D - Camisa, anel, e projeto do pistão 60 E - No ambiente físico do cilindro 61 3.4 – TRABALHOS SOBRE MANUTENÇÃO PREDITIVA EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA 62 MATERIAIS E MÉTODOS 66 4.1 – ANÁLISE DE ÓLEO 71 4.1.1 - Depositador Rotativo de Partículas (RPD) 71 4.1.2 - Monitor Automático de Partículas 73 4.1.3 - Microscópio Óptico 74 4.1.4 - Viscosímetro 76 4.1.5 – Absorção Atômica 76 4.1.6 – TBN e TAN 76 4.1.7 – Contagem de Partículas 77 4.1.8 – Observação da membrana 78 4.1.9 – Porcentagem de água 78 4.1.10 – Ponto de Fulgor 79 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 80 5.1 MOTOR MONTGOMERY 80 5.2 MOTOR BRIGGS & STRATOR 85 5.2.1 Com óleo SAE 40 API SF 85 5.2.2 Com óleo SAE 30 API SH 89 5.2.3 Com óleo da marca Shell TIVELA S 150 93 5.2.4 Com óleo da marca Shell TIVELA S320 97 ANÁLISE DOS RESULTADOS 102 6.1 – MOTOR MONTGOMERY 102 6.2 – MOTOR BRIGGS & STRATTON 103 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 104 7.1. CONCLUSÕES 104 7.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 107 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 108 15 Capítulo 1 INTRODUÇÃO Segundo a ABNT, pode-se dividir a manutenção em corretiva e preventiva. A lógica da gerência em manutenção corretiva é simples e direta: quando uma máquina quebrar, conserte-a. Este método de manutenção de maquinaria fabril tem representado uma grande parte das operações de manutenção de planta industrial, desde que a primeira fábrica foi construída. Uma planta industrial usando gerência por manutenção corretiva não gasta qualquer dinheiro com manutenção, até que uma máquina ou sistema falhe. A manutenção corretiva é uma técnica de gerência reativa que espera pela falha da máquina ou equipamento, antes que seja tomada qualquer ação de manutenção. Também é o método mais caro de gerência de manutenção. Os maiores custos associados com este tipo de gerência de manutenção são os altos custos de estoques de peças sobressalentes, altos custos de trabalho extra, elevado tempo de paralisação da máquina e baixa disponibilidade de produção. Existem muitas definições de manutenção preventiva. Entretanto, todos os programas de gerência de manutenção preventiva são acionados por tempo. Em outras palavras, as tarefas de manutenção se baseiam em tempo gasto ou horas operacionais. A curva do tempo médio para falha (CTMF) ou curva da banheira(figura 1) ,indica que uma máquina nova tem uma alta probabilidade de falha, devido a problemas de instalação, durante as primeiras semanas de operação. Após este período inicial, a probabilidade de falha é relativamente baixa por um período prolongado de tempo. Após este período normal de vida da máquina, a 16 probabilidade de falha aumenta abruptamente com o tempo transcorrido. Na gerência de manutenção preventiva os reparos ou recondicionamentos da máquina são programados baseados na estatística CTMF. FIGURA 1 – Curva da banheira (CTMF) A Manutenção Preditiva consiste na definição e no planejamento antecipado das intervenções corretivas, a partir da aplicação sistemática de uma ou mais técnicas de monitoração, como: � Análise de vibrações de equipamentos rotativos e alternativos; � Análise de corrente e fluxo magnético de motores elétricos; � Análise de óleo lubrificante (tribologia e ferrografia); � Termografia de sistemas elétricos e mecânicos; � Ultrasom para detecção de vazamentos e defeitos de válvulas e purgadores. A premissa da manutenção preditiva é que o monitoramento regular das condições mecânicas reais das máquinas, e do rendimento operativo dos sistemas de processo, assegurarão o 17 intervalo máximo entre os reparos. Ela também minimizará o número e o custo das paradas não programadas criadas por falhas da máquina, e melhorará a disponibilidade global das plantas operacionais. A inclusão da manutenção preditiva em um programa de gerência total de uma planta oferecerá a capacidade de otimizar a disponibilidade da maquinaria de processo e reduzirá bastante o custo da manutenção. Na realidade, a manutenção preditiva pode ser vista como um programa de manutenção preventiva acionada por condição. Um levantamento, em 1988, de 500 fábricas que implementaram com sucesso métodos de manutenção preditiva indicou melhorias substanciais na confiabilidade, disponibilidade, e custos operacionais(Plant Performance Group) ( Cunha, 2005). Tais métodos são capazes de detectar os defeitos de funcionamento sem interrupção do processo produtivo e com antecedência suficiente para programar as intervenções corretivas, de modo a atingir os seguintes benefícios: � Aumento da segurança e da disponibilidade dos equipamentos, com redução dos riscos de acidentes e interrupções inesperadas da produção. � Eliminação da troca prematura de componentes com vida útil remanescente ainda significativa. � Redução dos prazos e custos das intervenções, pelo conhecimento antecipado dos defeitos a serem corrigidos. � Aumento da vida útil das máquinas e componentes pela melhoria das condições de instalação e operação. A análise estatística dos dados coletados pela Manutenção Preditiva permite ainda: � Identificar equipamentos com problemas crônicos e orientar a sua correção. � Avaliar a eficácia e a qualidade dos serviços corretivos e propor programas de treinamento e a adoção de novas tecnologias, visando o seu aprimoramento. De um modo geral, pode-se afirmar que a aplicação de programas de Manutenção Preditiva em indústrias de processo resulta, a médio e longo prazo, em reduções da ordem de 2/3 nos prejuízos com interrupções inesperadas de produção e de 1/3 nos gastos com a manutenção, após uma fase inicial de investimentos. (http://www.aditeq.com.br/preditiva.htm). 18 1.1 – JUSTIFICATIVA A técnica de análise de óleo é um tipo de manutenção preditiva. Ela pode ser feita coletando-se o óleo de um equipamento e analisando-o posteriormente ou analisando-o diretamente em sistemas “on line”. A análise dos óleos permite identificar os primeiros sintomas de desgaste de um componente. A identificação é feita a partir do estudo da quantidade de partículas, tamanho, forma e composição, que fornecem informações precisas sobre as condições das superfícies em movimento sem a necessidade de se desmontar o conjunto a qual estas partes pertencem. Tais partículas sólidas são geradas pelo atrito dinâmico entre peças em contato. De acordo com o estudo destas partículas pode-se relacionar as situações de desgastes do conjunto e atribuí-las a condições físicas e químicas, (Barraclough et al, 1999), (Anderson et al, 1999). A análise dos óleos é feita por meio de técnicas laboratoriais que envolvem, reagentes, instrumentos e equipamentos. Em um motor de combustão interna todas as peças possuem uma vida útil prevista, sendo essa duração maior ou menor, de acordo com a função específica a elas atribuída. Cada uma das peças, portanto, tem a sua vida pré-determinada que, em condições normais de funcionamento de todo o conjunto, atende as expectativas. Mas nem sempre essas expectativas se mantêm, pois fatores internos e/ou externos ao motor podem comprometer uma peça durante o período de funcionamento, diminuindo a sua vida útil. As causas mais comuns que comprometem a vida útil das peças são: � Montagem incorreta; � Usinagem irregular no alojamento da camisa seca; � Lubrificação insuficiente/ lavagem de cilindro; � Outros fatores; Uma simples substituição das peças que sofreram falhas prematuras submeterá a novas peças às mesmas causas que foram responsáveis pelos danos causados na peça anterior. Assim sendo, o mecânico não pode corrigir a falha prematura sem antes descobrir o que a provocou. Assim, para se estudar a manutenção preditiva, em motores de combustão interna, foi feito um estudo sobre estes motores de combustão interna e seus lubrificantes, os problemas e 19 possíveis causas associadas a estes motores, os tipos de manutenção preditivas aplicadas a estes motores e sobre trabalhos que tratam da manutenção preditiva em motores realizados por outros autores. Para auxiliar os estudos foi proposta a construção de duas bancadas de ensaios compostas de motores de quatro tempos a gasolina acoplado a um redutor de velocidades para dar carga ao mesmo. Na primeira bancada utilizou-se um motor em estado avançado de deterioração e na segunda um motor novo. 1.2– OBJETIVOS Os objetivos deste trabalhos são: � Levantamento bibliográfico sobre Motores de Combustão Interna; � Levantamento bibliográfico sobre Lubrificantes de Motores de Combustão Interna; � Levantamento bibliográfico sobre analise de óleo como técnica de manutenção preditiva em Motores de Combustão Interna; � Construção de duas bancadas de ensaios compostas de motores de combustão interna acoplados a um redutor de velocidades para analisar o desgaste dos motores através da analise de partículas de óleo, bem como o seu consumo de combustível; � Verificação do efeito da troca de óleos com diferentes viscosidades no motor; � Análise de amostras de óleo para auxiliar os estudos. 20 Capítulo 2 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA São Máquinas Térmicas Motoras nas quais a energia química dos combustíveis se transforma em trabalho mecânico (o fluido de trabalho consiste nos produtos da combustão). 2.1 – CLASSIFICAÇÃO Os Motores de Combustão Interna podem ser classificados quantos ao gás de admissão, quanto ao tipo de ignição, quanto ao movimento do pistão, quanto ao ciclo de trabalho, quanto ao número de cilindros, quanto a disposição dos cilindros e quanto a utilização. Quanto a propriedade do gás na admissão podem ser classificados em ar (Motores à Diesel) ou Mistura ar-combustível (Ciclo Otto). Quanto à ignição podem ser por centelha (ICE) e por compressão (ICO). Quanto ao movimento do pistão em Alternativo (Otto e Diesel) e Rotativo (Wankel, Quasiturbine). Quanto ao ciclo de trabalho em dois tempos e quatro tempos. Quanto ao número de cilindros em Monocilindros e policilindros. Quanto à disposição dos cilindros em cilindros em linha, opostos ( boxer), em V e em estrela (radial) Quanto à utilização em: ESTACIONÁRIOS - Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como Geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante; INDUSTRIAIS - Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação 21 fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador; VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus; MARÍTIMOS - Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso. (Lazer, trabalho comercial leve, pesado, médio- contínuo e contínuo) 2.2 – DEFINIÇÕES Vários termos são utilizados em Motores de Combustão Interna, entre os quais: a - Ponto Morto Superior e Ponto Morto Inferior São nestas posições que o êmbolo muda de sentido de movimento estando no seu máximo (PMS) ou no seu mínimo (PMI), conforme a Figura 2.1 FIGURA 2. 1 - Curso do Pistão 22 b - Cilindrada É o volume total deslocado pelo pistão entre o P.M.I. e o P.M.S., multiplicado pelo número de cilindros do motor. É indicada em centímetros cúbicos (cm³) e tem a seguinte fórmula: cilindrosNCursoDC �� �� � � 4 2� ][ 3cm (2.1) Aplicando esta fórmula ao veículo da marca Ômega do fabricante GM, teremos: Motor Dianteiro Longitudinal M.P.F.I.(Multipoint Fuel Injection) Número de Cilindros 04 Diâmetro cilindro 86,0 mm Curso do pistão 86,0 mm Taxa de Compressão 9,2:1 assim: 3 2 229,199846,8 4 6.8 cmC ��� �� � � � Este veículo é conhecido, no mercado, como 2.0 ou 2,0 litros. c- Câmara de compressão ou de combustão, Volume Morto É o espaço livre que fica acima do pistão quando este se encontra no P.M.S. Nela, a mistura ar/combustível do motor a gasolina, que entrou pela válvula de admissão, será comprimida e, após a faísca emitida pela vela, explodirá para que a expansão dos gases movimente o pistão e dê seqüência ao funcionamento do motor. Dependendo do grau de modernidade do motor, a câmara pode estar inserida no cabeçote ou na cabeça dos pistões – esse último mais comumente encontrado. Basicamente, o volume da câmara de combustão define a Taxa de Compressão do motor. Quanto menor for seu volume, 23 maior será essa relação e, conseqüentemente, melhor o rendimento do motor. Todos os componentes que atuam em sua formação ou ao seu redor influenciam diretamente em sua eficiência: a posição das válvulas e o desenho dos dutos de admissão, por exemplo. FIGURA 2. 2 - Câmara de Combustão d – Taxa de Compressão (Relação) Relação matemática que indica quantas vezes a mistura ar/combustível ou simplesmente o ar aspirado (no caso do diesel) para dentro dos cilindros pelo pistão é comprimido dentro da câmara de combustão antes que se inicie o processo de queima. Assim, um motor a gasolina que tenha especificada uma taxa de compressão de 7,2:1, por exemplo, indica que o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido 7,2 vezes antes que a centelha da vela iniciasse a combustão, Figura 2.3. 24 FIGURA 2. 3 - Definição de Taxa de Compressão Do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, quanto maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético que o motor estará fazendo do combustível consumido.Por esse motivo é que os motores diesel consomem menos que um similar a gasolina: funcionando com taxas de compressão altíssimas (17:1 nos turbo-diesel e até 22:1 nos diesel aspirados), geram a mesma potência consumindo menos combustível. Há limitações físicas e técnicas para a simples ampliação da taxa. No primeiro caso, ocorre a dificuldade de obtenção de câmaras de combustão minúsculas. Já o seguinte apresenta restrições quanto às propriedades do combustível, i.e., técnicas, o quanto cada um “tolera” de compressão antes de se auto-inflamar (octanagem). A taxa de compressão TC é expressa pela relação: TC = cilindrada do motor + volume da câmara de combustão Volume da câmara de combustão 25 Chamando de V a cilindrada do motor e v o volume da câmara de combustão (volume morto), têm-se: � �� � VTC 2.2 e - Auto-Ignição Em razão das altas temperaturas na câmara de combustão ou octanagem incorreta da gasolina para a taxa de compressão do motor, algumas vezes o efeito auto-ignição pode ocorrer. Pontos quentes no interior da câmara passam a fazer o papel da vela de ignição, incandescendo a mistura ar/combustível antes mesmo de a vela de ignição iniciar o processo através da centelha elétrica. Uma vela com grau térmico muito alto para a situação em que o motor está sendo utilizado pode também ser o motivo da auto-ignição. Muito prejudicial ao funcionamento do motor, fazendo com que o mesmo perca potência e corra o risco de um superaquecimento ainda maior, a auto-ignição pode levar à destruição da câmara de combustão e, em casos extremos, furos na cabeça dos pistões ou mesmo sua fusão com o cilindro. Seus efeitos devastadores são idênticos aos do motor com ponto de ignição muito adiantado, o que pode acabar provocando detonações. Pré-ignição: a pré-ignição provoca a queima da mistura antes do tempo normal de combustão (muito cedo), ao contrário da detonação que a atrasa. A pré-ignição ocorre quando a mistura ar/combustível é queimada por uma fonte não controlada antes de ser ignizada pela faísca da vela. A pré-ignição pode destruir um motor em minutos. Ela provoca uma reação muito rápida da mistura ar/combustível porque ela cria duas frentes de chama sendo queimadas simultaneamente. Isto gera altas temperaturas, às vezes acima de 2200º, e ao mesmo tempo, as pressões de pico são aproximadamente o dobro (cerca de 8200 kPa contra 4100 kPa) das pressões de combustão normal. O instante destas pressões de pico agrava ainda mais o problema. Como a mistura foi queimada prematuramente, a pressão de pico é normalmente atingida um pouco antes do P.M.S. (Ponto Morto Superior). Isto deixa menos espaço para os gases em combustão, o que aumenta as pressões de pico. Entretanto, o pistão está sendo forçado para cima contra uma chama do tipo 26 "maçarico" e, embora o pistão esteja próximo do P.M.S., as paredes do cilindro ficam pouco expostas, havendo assim uma área menor da sua superfície para a troca de calor. À medida que a temperatura das peças se eleva, a pré-ignição começa a ocorrer cada vez mais cedo no ciclo, adiantando-se à faísca da vela e diminuindo a potência do motor. A figura 2.4 mostra como ocorre a pré-ignição. FIGURA 2. 4 – Ocorrência da pré-ignição Tudo isto significa que uma ou mais das seguintes situações pode estar ocorrendo: � taxa de compressão elevada � ponto de ignição das velas adiantado � má regulagem da mistura de ar/combustível � combustível de baixa octanagem � depósitos de carvão que permanecem incandescentes nos pistões ou cabeçote � velas de tipo excessivamente quente para o motor � carga excessiva do motor Detonação: a detonação pode ser definida com uma combustão proveniente da reação rápida e espontânea de uma parte da mistura ar/combustível, quando esta é submetida a pressões e temperaturas crescentes originadas da combustão normal. A mistura é ignizada pela centelha da vela e a combustão se processa normalmente até que a frente de chama avançando super- aquece - por compressão e radiação - os gases ainda não queimados. Surge então uma chama não controlada, que pode provocar algo semlhante a uma explosão na câmara. Esta frente de 27 chama secundária, avança com velocidade supersônica até colidir com a frente original, criando o ruído característico de "batida" e que ressoa sobre as paredes e a superfície da câmara. A detonação cria uma explosão com pressão e velocidades violentas dentro da câmara, como o motor não pode efetivamente utilizar esta energia, ela é dissipada na forma de calor e vibrações de alta frequência, que podem exercer esforços sobre os pistões e anéis além dos seus limites de resistência mecânica. Os topos dos pistões são perfurados, as cabeças sofrem erosão, regiões dos anéis são fraturadas e os próprios anéis quebrados, tudo isto devido a esta energia não utilizada.A figura 2.5 mostra dano por detonação. FIGURA 2. 2 - Danificação por detonação f – Avanço Nome empregado mais comumente para designar o quanto a faísca da vela deverá ser avançada, com relação ao P.M.S. do pistão para iniciar o processo de combustão. Faz-se o avanço para se obter a máxima pressão sobre o pistão quando o mesmo atinge o P.M.S., melhorando a performance do motor. Em um automóvel, o avanço pode ser de 03 tipos: a vácuo, centrífugo ou eletrônico. Os dois primeiros, absolutamente mecânicos, atuam diretamente sobre o distribuidor como mostrado na Figura 2.6, sendo passíveis de erro operacional. 28 FIGURA 2. 3 - Sistema de ignição convencional e distribuidor O terceiro tipo de avanço, o eletrônico, existe na memória do sistema de comando da ignição ou, o que é bem mais moderno e comum atualmente, na central eletrônica que comanda a injeção e ignição, simultaneamente. g - Ciclo O ciclo mecânico é o mesmo em qualquer motor alternativo. Primeiro introduz-se o combustível no cilindro, depois comprime-se o combustível, queima-se o mesmo, ocorre a expansão dos gases resultantes da combustão, gerando trabalho e expulsão dos gases Nos motores a pistão, pode completar-se de duas maneiras; � Ciclo de trabalho a quatro tempos; � Ciclo de trabalho a dois tempos; 2.2– MOTOR QUATRO TEMPOS O ciclo se completa a cada quatro cursos do êmbolo, de onde vem a sua denominação. 29 Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pistão. No primeiro tempo, com o pistão em movimento descendente, dá-se a admissão, que se verifica, na maioria dos casos, por aspiração automática da mistura ar-combustível (nos motores Otto), ou apenas ar (motor Diesel). Na maioria dos motores Diesel modernos, uma ventoinha empurra a carga para o cilindro (turbocompressão). FIGURA 2. 4 - Admissão da mistura ar/combustível No segundo tempo, ocorre a compressão, com o pistão em movimento ascendente. Pouco antes do pistão completar o curso, ocorre a ignição por meio de dispositivo adequado (no motor Otto), ou a autoignição (no motor Diesel). FIGURA 2. 5 - Compressão da mistura ar/combustível 30 No Terceiro tempo, com o pistão em movimento descendente, temos a ignição, com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor). FIGURA 2. 6 - Explosão da mistura ar/combustível No quarto tempo, o pistão em movimento ascendente, empurra os gases de escape para a atmosfera. FIGURA 2. 7 - Escape dos produtos de combustão Durante os quatro tempos – ou duas rotações – transmite-se trabalho ao pistão só uma vez. Para fazer com que as válvulas de admissão e escapamento funcionem corretamente, abrindo e fechando as passagens nos momentos exatos, a árvore de comando de válvulas (ou eixo de cames) gira a meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos. Estando o pistão no PMS, o mesmo começa a descer estando aberta a válvula de admissão (VA) e fechada a válvula de descarga (VD). O êmbolo, ao descer gera um vácuo no interior do cilindro, aspirando a mistura ar/combustível (Ciclo Otto) ou somente ar (Ciclo Diesel) até o PMI, quando o VA se fecha, cumprindo-se meia volta do virabrequim (180º). 31 Estando VA e VD fechada, a medida que o pistão desloca-se para o PMS, o mesmo comprime o conteúdo o cilindro, aumentando a sua temperatura e pressão interna. O virabrequim gira outros 180º, completando o primeiro giro (volta completa 360º). Nesta fase produz-se a energia que será transformada em trabalho mecânico. Pouco antes de atingir o PMS com VA e VD fechadas, a mistura ar/combustível dá origem a uma força no êmbolo, através da biela, ao virabrequim girando(executando mais meia volta-180º). Com a VA fechada e o VD aberto, o êmbolo, ao deslocar-se do PMI para o PMS, onde VD se fecha, expulsa os produtos de combustão. O virabrequim executa mais meia volta-180º, completando o ciclo (720º). 2.3 – MOTOR DOIS TEMPOS Os motores deste tipo combinam em dois cursos do êmbolo as funções dos motores de quatro tempos, sendo assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim. Normalmente estes motores não têm válvulas, eliminando-se o uso de tuchos, hastes, etc. O Carter, que possui dimensões reduzidas, recebe a mistura ar/combustível e o óleo de lubrificação. Deve ser cuidadosamente fechado, pois nele se dá a pré-compressão da mistura. FIGURA 2. 8 - Admissão e compressão da mistura ar/combustível O êmbolo dirige-se ao PMS, comprimindo a mistura ar-combustível. As janelas de escape e carga são fechadas, abrindo-se a janela de admissão. Com o movimento do êmbolo, gera-se uma pressão baixa dentro do carter e assim, por diferença de pressão admite-se uma nova mistura 32 ar-combustível-óleo lubrificante, que será utilizado no próximo ciclo. O virabrequim dá meia volta, 180 graus, fechando o ciclo. Pouco antes de atingir o PMS, dá-se a centelha, provocando a combustão da mistura, gerando uma força sobre o êmbolo. Inicia-se então o próximo ciclo. FIGURA 2. 9 - Explosão e escape da mistura ar/combustível É o curso de trabalho. No PMS, dado início à combustão por meio de uma centelha (spark), o êmbolo é forçado até o PMI. Durante o curso, o êmbolo passa na janela de descarga dando vazão aos gases da combustão. Ao mesmo tempo o êmbolo abre a janela de carga permitindo que uma nova mistura ar-combustível entre no cilindro preparando-o para o novo ciclo e forçando os gases provenientes da combustão para fora (lavagem). O virabrequim, neste primeiro tempo, dá meia volta, 180 graus. 2.4- LUBRIFICANTE A classificação mais conhecida de óleos para motor, deve-se à SAE (Society Of Automotive Engineers- Sociedade de Engenheiros Automotivos). Baseia-se única e exclusivamente na viscosidade, não considerando, fatores de qualidade ou desempenho. 33 TABELA 2. 4- Classificação de viscosidade para óleos de motores segundo SAE J 300 2.4.1 Sistema de Classificação API-SAE-ASTM para óleos de motores de combustão interna Em 1969/70, foi elaborada uma classificação, conjuntamente pela API (AmericanPetroleum Institute - Instituto de Petróleo Americano), SAE e ASTM (American Society for testing and Materias – Sociedade Americana para Testes em Materiais). Tal classificação é a que se encontra em vigor atualmente. 34 2.4.1.1 Categorias para Motores a Gasolina SA - Óleo mineral puro sem aditivos, podendo ser antiespumante e abaixador do ponto de fluidez. Indicada para motores trabalhando em condições muito suaves. SB – Óleo com aditivos que proporcionam certa proteção contra desgaste e contra a oxidação. Indicada para motores operando em condições suaves que requerem um óleo com capacidade de evitar arranhaduras e corrosão dos mancais. Os óleos destinados para tais serviços são usados desde 1930. SC – Óleo com aditivos que proporcionam bom desempenho antidesgastante, antiferrugem, antioxidação, e anticorrosão, controlando depósitos de alta e baixa temperatura (função do detergente- dispersante). Satisfaz `a especificação da Ford ESE-M2C-101- A .Indicada para serviço típico de motores à gasolina dos motores fabricados entre 1964 e 1967. SD – Óleo com aditivos, proporcionando a mesma proteção que os óleos da classe SC , mas em maior grau. Satisfaz as especificações da Ford ESE-M2C-101 B (1968) e da General Motors GM-6041-M. Indicada para serviço típico de motores à gasolina, dos modelos fabricados entre 1968 e 1970. Pode ser recomendado para certos modelos de 1971, conforme indicação dos fabricantes destes veículos. SE – Óleo com aditivos, proporcionando a mesma proteção que os óleos de classe SD , mas em maior grau. Satisfaz as especificações da Ford ESE-M2C-101-C e da General Motors GM-6136-M e à especificação MIL-L-41652. Indicada para motores à gasolina montados em carros de passeio e em alguns tipos de caminhões fabricados a partir de 1972. Pode ser recomendada também para alguns veículos fabricados em 1971. SF – Óleo com aditivos antioxidante, antidesgastante, antiferrugem, anticorrosivo, proporcionando proteção contra a formação de ferrugem. Esta categoria apresenta maior estabilidade quanto à oxidação e menor desgaste do motor em relação às categorias anteriores. Os fabricantes europeus e americanos recomendam óleos desta categoria para uso em motores fabricados a partir de 1980. Satisfaz a especificação militar MIL-L- 46152B. SG- Óleo com aditivos antioxidante, antidesgastante, antiferrugem, anticorrosivo, proporcionando maior proteção contra a formação de depósitos de alta e baixa temperatura, maior estabilidade contra a oxidação e menor desgaste do motor, em relação as categorias anteriores. 35 Homologado pela API-ASTM em 1988, é indicado para serviço típico de motores à gasolina em carros de passeio, furgões e caminhões leves, fabricados a partir de 1989. SH- Categoria introduzida a partir de 01/08/93. Lubrificante recomendado para motores à gasolina, álcool e gás natural veicular, para atender os requisitos dos fabricantes de motores a partir de 1994. Apresentam performance com maior resistência a oxidação e melhor desempenho contra desgaste do que os de classificação anterior. SJ- Categoria introduzida a partir de 15/10/96. Lubrificante recomendado para motores à gasolina, álcool e gás natural veicular, para atender os requisitos dos fabricantes de motores a partir de 1997. Apresentam características de desempenho com maior proteção contra ferrugem, oxidação e a formação de depósitos. Esta categoria pode substituir as anteriores. SL- classificação mais recente é superior a API SJ. Os óleos SL passam por todos os testes que um óleo API SJ passa e por mais alguns que os óleos API SJ não passam. Logo, quando é recomendado um óleo com classificação SJ poderá ser usado um óleo SL, porem o contrário não e permitido. Na figura 2.13 pode-se notar o nível de desempenho segundo a classificação API. FIGURA 2. 10 - Nível de desempenho segundo a classificação API 36 2.4.1.2 Categorias para Motores a Diesel CA- Óleo com aditivos que promovem uma proteção aos mancais, contra a corrosão, desgaste, evitando a formação de depósitos de altas temperaturas. Satisfaz a especificação militar MIL-L-2104-A . Óleo para uso em motores diesel não turbinados (com aspiração normal no ar), operando em condições suaves ou moderadas, com combustível de baixo teor de enxofre (0,4%). Este tipo de óleo foi largamente usado nas décadas de 1940 e 1950. CB – Óleo com aditivos, proporcionando a mesma proteção que os óleos de Classe CA, mas em maior grau, devido à utilização de um combustível de elevado teor de enxofre. Satisfaz a especificação MIL-L-2104-A , suplemento 1. Óleo para uso em motores diesel, operando em condições suaves ou moderadas, com combustível de elevado teor de enxofre ( 1%). CC- Os óleos da classe CC proporcionam proteção contra depósitos de altas temperaturas e formação de borra de baixa temperatura. Também possuem proteção contra ferrugem, desgaste e corrosão. Satisfaz a especificação MIL-L-2104-B. Óleo para uso em motores diesel turbinados com baixa taxa de superalimentação, operando sob condições de moderadas a severas, com qualquer tipo de combustível. CD – Óleo com aditivos, proporcionando a mesma proteção que os óleos classe CC, mais em maior grau. Indicado para motores diesel turbinados com alta taxa de superalimentação, operando em condições severas e com qualquer tipo de combustível. Satisfaz a especificação MIL-L-2104-C e a especificação da Caterpillar, Série 3. CD-2 – Motores diesel 2 tempos, trabalhando em serviço severo. Atende os requisitos dos motores Detroit , como por exemplo os da série 149 dos caminhões fora de estrada Haulpak. CE – Óleo com aditivos, superando a categoria CD em ensaios mais severos de desempenho. Satisfaz as exigências dos fabricantes americanos quanto ao consumo de óleo lubrificante, combustível, controle de depósitos, dispersância, desgaste e corrosão. Homologada em abril de 1987. Indicado para motores diesel turboalimentados em serviço severo. CF – Categoria introduzida a partir de 1994, podendo ser usada em substituição a API CE. Para serviços em motores diesel de injeção indireta e outros, incluindo os que usam diesel com alto teor de enxofre ( acima de 0.5%). Apresenta efetivo controle dos depósitos nos pistões, corrosão em mancais e desgaste, sendo os motores superalimentados, turbinados ou de aspiração natural. Atende aos testes de motor: CRCL-38 e Caterpillar IMPC. 37 CF-2- Para serviço em motores diesel de 2 tempos que requerem efetivo controle de desgaste e depósitos. Esta categoria demonstra superior performance em relação aos óleos da classificação CD-2, podendo substituí-la. Atende aos testes de motor : CRL L-38, Caterpillar IM- PC e Detroit Diesel 6 V92TA. CF-4- Esta classificação foi criada em 1990 para uso em motores diesel quatro tempos operando em altas velocidades. O CF-4 excede os requisitos do API CE no que tange a um maior controle de consumo de lubrificante e depósitos nos pistões: atende os requisitos da CRC L-38, MACK-T6, MACK-T7, CUMMINS NTC 400 e Caterpillar 1K. CG-4- Categoria introduzida em 1994, desenvolvida especialmente para uso em motores projetados para atender aos níveis de emissão do EPA ( Agência de Proteção Ambiental) podendo ser usada nos motores diesel de alta rotação em uso rodoviário, usando óleo diesel com teor de enxofre inferior a 0,5%. Os óleos desta categoria destacam-se pela proteção aos motores contra depósitos em pistões operando em altas temperaturas, espuma, corrosão, desgaste, estabilidade a oxidação e acúmulo de fuligem. Atende aos testes de motor : CRC L-38, sequência IIIE, GM 6.2L, MACK T-8 e Caterpillar 1K. CH-4- Categoria disponível a partir de dezembro de 1998. A classificação API CH-4 foi desenvolvida para entender à rigorosos níveis de emissão de poluentes, em motores de alta rotação e esforço, que utilizam óleo diesel com até 0,5% de enxofre. Os óleos desta categoria proporcionam especial proteção contra desgaste nos cilindros e anéis de vedação, além de possuírem o adequado controle de volatilidade, oxidação, corrosão. A classificação CH-4 substitui as classificações anteriores para motores de quatro tempos a diesel. 2.4.1.3 Classificação de óleos para motores 2T Desde 1962, existe somente uma classificação padrão de performance para motores estabelecida pela NMMA (National Manufacturers association) chamada BIA TC-W. Estas letras representam Boating Industry Association Two Cycle-Water-Cooled. Por causa da existência desta classificação solitária, e da difundida premissa que a maioria dos motores 2T poderiam ser atendidas pelos lubrificantes qualificados no BIA TC-W, numerosos fabricantes de 38 motores 2T especificavam-na para atender os seus requisitos de óleo lubrificante (Petrobras, 1999). Este aspecto precipitou a formação em 1976 da tripartite SAE, ASTM e CEC (Coordinating European Council) para estabelecer uma classificação padrão de performance para motores 2T, abrangendo todos os tipos e potência de motores, dividida em 4 categorias distintas: TSC-1 até TSC-4. TABELA 2. 5 - Designação de óleos para motores 2T Designação Testes Parâmetro Avaliado TSC-1 Motobecane Arranhamento/Depósitos TSC-2 Vespa Arranhamento/Depósitos/Pré- Ignição TSC-3 Yamaha Y-350 M2 Motobecane Limpeza/Agarramento do anel Arranhamento/Depósitos TSC-4(EIA) TC-W I,II,III OMC(Outboard Marine Corporation)(Johnson85HP) Arranhamento/Limpeza/Ferrugem Agarramento do anel/Pré-ignição Por causa da semelhança da nomenclatura TSC-1 até TSC-4 com a área industrial, a API e a ISO desenvolveram uma nova nomenclatura para consumidor de lubrificante 2T. TABELA 2. 6 - Equivalência entre as nomenclaturas ATUAL ISO API TSC-1 ISO-L-ETA API T-A TSC-2 ISO-L-ETB API T-B TSC-3 ISO-L-ETC API T-C TSC-4 ISO-L-ETD API T-D 39 Capítulo 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Muitos séculos após o início da utilização dos primeiros veículos de tração animal, os esforços humanos foram dirigidos à construção de veículos que não dependessem da tração animal. Com a invenção da máquina a vapor no século XVIII, ocorreu sua instalação em veículos. Em 1771 um triciclo a vapor foi o primeiro a ser construído na França. Esse triciclo iniciou um processo que não se interrompeu mais, isto é, a produção de automóveis (veículos com propulsão própria) (Yve, Butsuen e Hedrick, 1989). A partir deste momento houve uma separação entre veículos com restrição de movimento (locomotivas) e os veículos com liberdade de movimento que deram origem aos atuais automóveis. Inúmeras foram as conquistas nessa época, porém a produção de veículos automotores veio a atingir grande significância somente no final do século seguinte, com a criação e aperfeiçoamento dos motores de combustão interna (Raghavan, 1996). A partir da introdução do motor de combustão interna nos veículos, tornou-se necessário o seu monitoramento para que se obtivesse um maior aproveitamento e uma maior vida útil do mesmo. Em veículos de luxo já existe algum tipo de monitoramento ‘on line” nos motores. Além de encarecer o produto final este monitoramento é feito somente pela análise do sinal vibratório. A tendência atual é o monitoramento do lubrificante do motor para se ter uma maior economia de combustíveis, menores emissões de poluentes e uma vida útil maior do motor. Isto pode ser feito através de medidas como a do índice de basicidade total (TBN), da viscosidade e da análise de partículas presentes no óleo lubrificante. Este tipo de monitoramento nada mais é do que uma manutenção preditiva que por definição, simplista, é uma manutenção preventiva subordinada a um tipo de acontecimento 40 predeterminado tais como as informações dadas por um sensor ou a medida de um desgaste que revelam o estado de degradação de um bem (Xavier, 1998). A medicina e a Mecânica Automotiva já aplicam a "manutenção preditiva". A primeira quando (Anom, 1986) i) Monitora o nível de colesterol. Se exceder algum número tido como bom, significa que as artérias estão sofrendo perigo de entupimento. Deve-se mudar a dieta antes que isto possa ter alguma conseqüência no futuro. ii) Monitora a pressão sangüínea. Se estiver muito alta você poderá sofrer algum desmaio. iii) Monitora a temperatura corpórea. Uma febre alta indica a necessidade de atenção médica antes que algum mal aconteça. Já para o caso da Mecânica automotiva podemos ter: i) Temperatura alta da água do motor é sinal de falha no futuro. Será melhor checar a correia do ventilador e verificar possíveis vazamentos de água. Nada é sério ainda, porém você deve reagir ao sinal de alerta; ii) Alto consumo de combustível indica a necessidade de regulagem do motor; iii) A queda de pressão do óleo indica que se deve desligar o motor e corrigir o defeito imediatamente. Alguns problemas específicos têm suas causas passíveis de análises. 3.1 – PROBLEMAS E POSSÍVEIS CAUSAS A formação de borras, lacas e vernizes no motor podem ser devido à período de uso muito longo, baixa qualidade do óleo, contaminação do óleo, superaquecimento ou operação a baixa temperatura , válvula termostática defeituosa e / ou inoperante, vazamento de gases por anéis e válvulas, filtragem de óleo e ar ineficientes, combustível de má qualidade, excessivo uso em marcha lenta, serviços não-contínuos e percursos reduzidos , ventilação do cárter ineficiente e bombas e bicos injetores desregulados. 41 Deve-se fazer a troca do óleo, independentemente da quilometragem, quando se observar altas temperaturas e superaquecimento, contaminações por combustível, água, fluido refrigerante ou poeira, anéis em más condições e filtragem de óleo e ar deficientes. Água no óleo pode ser causa de trincas no cabeçote, defeito ou queima na junta do cabeçote, vazamento no radiador de óleo, operação a baixa temperatura , uso exagerado da marcha lenta, contaminações externas, trincas ou porosidades no bloco ou cabeçote, aperto do cabeçote com torque inadequado e vazamento pelos retentores das camisas de cilindros. Uma diminuição da viscosidade pode ser conseqüência de diluição com combustível e complementação com óleo de menor viscosidade. Por outro lado um aumento na viscosidade pode ser causa de intervalo muito longo entre as trocas, sobrecarga, operação em super aquecimento, anéis em mau estado, contaminações por água e /ou fuligem, óleo de baixa qualidade, restrição no filtro de ar ou entrada de ar não filtrado (filtro falso) e complementação com óleo de maior viscosidade. O desgaste nos anéis pode ser devido à má qualidade do óleo, filtragem de óleo e ar deficientes, intervalo longo entre trocas de óleo, arrefecimento(sistema que controla a temperatura do motor) insuficiente (superaquecimento), entrada de ar não filtrado, distorções nas camisas de cilindros, desgaste nas ranhuras (canaletas) dos pistões, anéis e pistões de medida errada, passagem de óleo nos pistões obstruída e rotação acima do permitido. Se na inspeção observar-se desgaste e avarias de mancais, isto estará acontecendo devido à baixa pressão do óleo, excesso de carga, tempo de injeção incorreto (motores diesel), montagem errada, fadiga do material, falhas metalúrgicas dos metais, viscosidade do óleo errada, vazamento de água e/ou óleo, espuma e bolhas no óleo, filtragem de óleo e ar deficientes e óleo de má qualidade. O arranhamento e avarias nas camisas podem ser devido à falta de lubrificação, arrefecimento insuficiente, anéis presos, quebrados ou desgastados, distorções das camisas, defeitos durante a usinagem, polimento inadequado, projeto de pistões e anéis, metalurgia 42 inadequada, viscosidade do óleo errada, montagem errada, filtragem do óleo e ar deficientes, problemas no período de amaciamento, sobrecarga e excesso de marcha lenta (motores diesel). Para os motores à diesel uma injeção fora do ponto pode causar desregulagem da bomba injetora, perda de potência, sobrecarga, superaquecimento, arranhamento de camisas, desgaste e avarias nos mancais e trincas de cabeçote. Alto consumo de óleo combustível aliado a baixa pressão do cilindro, perda de potência, aumento de fumaça escura ( emissões), arranhamento de camisas, verniz, borra, agarramento de pistões, depósitos excessivos de cinzas e sobrecarga nos outros cilindros podem ser devido ao mau estado dos anéis. Dificuldade de engate e desgaste prematuro dos sincronizadores pode ser causado devido ao uso de óleo com viscosidade superior à especificada, uso de óleo com características diferentes das especificadas, contaminação por água, óleo com período de troca ultrapassado e falta de fluido no sistema hidráulico de acionamento. Desgaste e quebra de engrenagens em caixa de transmissão manual podem ser conseqüência de uso freqüente de "banguela", uso de óleo com desempenho inferior ao especificado, baixo nível de lubrificante, excesso de carga, mudança de marcha sem o uso da embreagem e realizada fora de "tempo", contaminação por água e Engate de marcha à ré com o veículo em movimento para frente Para se precisar estes e outros problemas existem análises rigorosas e detalhadas que fornecem informações precisas e que requerem maiores conhecimentos científicos. 3.2 – ANÁLISE DO LUBRIFICANTE USADO A análise do lubrificante consiste em pegar amostras de óleo em um determinado período de funcionamento do motor e, posteriormente, avaliá-los para determinar tanto o estado do motor quanto do lubrificante (Fygueroa, 1997). Em um motor é detectado um certo grau de contaminação no óleo devido a presença de partículas de desgaste ou substâncias parecidas. O estado em que o óleo sofre determinada 43 degradação é aquela em que ele perde sua capacidade de lubrificar devido a uma variação das propriedades físicas e químicas de seus aditivos (Fygueroa, 1997). A contaminação no óleo, que se pode determinar, quantificando uma amostra de lubrificante é: � Partículas metálicas de desgaste � Combustível � Materiais Carbonáceos � Insolúvel A degradação pode ser avaliada medindo as seguintes propriedades do óleo: � Viscosidade � Detergentes � Constante Dielétrica 3.2.1 - Tipos de Ensaios Há diversos métodos e técnicas de analise de óleo para diagnósticos finos e precisos para avarias nos motores, em seguida serão citadas as mais utilizadas. 3.2.1.1 – Espectrometria A espectrometria fornece uma analise quantitativa elementar das partículas de desgaste presentes no lubrificante (Schilling, 1965), para esta finalidade utiliza os espectrômetro de emissão e de absorção. Espectrômetro de emissão: utilizam propriedades de átomos no qual é excitado e emitem uma radiação que é função de sua configuração eletrônica e que está composta por longitude de onda característica, razão pela qual elementos diferentes emitem radiações diferentes. Espectrômetro de absorção atômica: aproveita a propriedade de que a quantidade de luz monocromática absorvida pelos átomos de um elemento excitado é proporcional a sua concentração. Esta técnica relativamente simples é de baixo custo. 44 Na analise de óleos usados utiliza-se cada vez mais o espectrômetro. Estes métodos do ensaios possuem excelente receptividade e precisão no limite de detecção e apresentam a desvantagem de não detectarem partículas grandes(maior de 5�m). O princípio básico da absorção atômica consiste em submeter a amostra do lubrificante a uma alta tensão (15 kV) no qual aquece e libera energia. Os fenômenos especiais da radiação são gerados quando podem diferenciar e atribuir as radiações em diferentes freqüências nos elementos específicos constituintes no lubrificante. A intensidade da radiação a uma freqüência específica é proporcional à concentração de seu respectivo elemento.A figura 3.1 mostra o desenho esquemático da espectrometria por absorção atômica e a figura 3.2 mostra o espectrômetro de emissão óptica. FIGURA 3. 1 - Desenho esquemático da espetrometria por absorção atômica Alguns dos elementos detectados, em motores de combustão interna, mais importantes estão relacionados na tabela abaixo. (Lucas e Anderson, 1995) 45 Figura 3.2 - Espectrômetro de emissão óptico portátil TABELA 3. 4 - Elementos detectados na análise do óleo Silício Poeira, aditivos antiespulmantes Cálcio Poeira, aditivos detergentes Bário, Magnésio aditivos detergentes Ferro Engrenagens , rolamentos, paredes dos cilindros, guias das válvulas, balancim, anéis dos pistões, mancais de esferas e de rolos, pistas dos mancais, pinos e porcas de travamentos. Cobre Metal dos rolamentos anti fricção, buchas. Cromo Anel e camisa do pistão Alumínio Pistão, espaçadores,pistão Estanho Mancais e buchas, anéis e selos Sódio Refrigerantes, águas em motores marinhos Fósforo Aditivos e refrigerantes O fornecedor do óleo conta com tabelas dos valores máximos dos elementos no lubrificante, em relação ao tipo de máquina e do processo produtivo. A contaminação é mostrada 46 em outra parte do relatório no qual relacionam as concentrações medidas de diversos elementos no máximo permissível (de acordo com o fornecedor). Deve-se considerar que todas as máquinas são diferentes e suas condições de operação, em regiões diferentes, também são. 3.2.1.2– Ferrografia Existem dois tipos de ferrografia. a – Ferrografia Direta A ferrografia direta consiste em uma medida quantitativa da concentração de partículas ferrosas em uma amostra de fluído através da precipitação dessas partículas em um tubo de vidro submetido a um forte campo magnético. Dois raios da luz transportados por fibra óptica impactam no tubo em duas posições que correspondem à posição em que as partículas grandes e pequenas serão depositadas pelo campo magnético. A luz é reduzida com relação às partículas depositadas no tubo de vidro e esta redução é monitorada e medida eletronicamente. Dois jogos das leituras são obtidos das partículas grandes e pequenas (partículas maiores de 5 mícrons e partículas menores de 5 mícrons).Geralmente mais de 20.000 partículas/100 ml, maiores de 5 mícrons indicam um alerta e mais de 40.000 partículas/100 ml, indicam problemas de desgastes em componentes ferrosos da máquina (Rueda, 2005). A figura 3.3 ilustra um aparelho de ferrografia direta e a figura 3.4 um desenho esquemático do aparelho. 47 FIGURA 3. 3 - Aparelho de Ferrografia Direta FIGURA 3. 4 - Desenho esquemático do Aparelho de Ferrografia A contagem de partículas é uma tecnologia que contam e classificam, em faixas granulométricas, os contaminantes sólidos existentes no óleo. Essa técnica, inicialmente usada no controle de fluidos em satélites e naves espaciais, foi gradativamente estendida a sistemas hipercríticos, hidrostáticos, hidráulicos, etc. O controle é, 48 hoje, recurso indispensável ao departamento de manutenção para que se obtenha melhor desempenho e maior vida útil dos componentes do sistema. As referências que podem ser usadas são a NAS 1638 onde a especificação mostra o número das partículas permissíveis para cada série de tamanhos de partícula, e a ISO 4406. TABELA 3. 5 – Valores referentes à Norma NAS 1638 Classe N.A.S NAS 1638 Standard (Limites máximo de contaminação, partículas por 100 ml) Faixa de Tamanho 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5-15 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 32000 64000 128000 256000 512000 1024000 15-25 22 44 89 178 356 712 1425 2850 5700 11400 22800 45600 91000 182400 25-50 4 8 16 32 63 126 253 506 1012 2025 4050 8100 16200 32400 50-100 1 2 3 6 11 22 45 90 180 360 720 1440 2880 5760 >100 0 0 1 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 Utilização A B C D E F A - Sistemas hipercríticos, satélites, naves espaciais, sistemas de mísseis. B - Sistemas críticos, controles com micro-servo válvulas e grau do fluido quando novo. C - Sistemas servo controlado, proporcionais, controles de sistemas aéreos, sistemas de navegação. D - Escavadeiras Demag, sistemas hidráulicos industriais de alta pressão, transmissões hidrostáticas. E - Sistemas Mobil, equipamentos de movimentação de terra, guinchos, movimentação de materiais, uso geral de baixa pressão. F - Sistemas manuais, macacos hidráulicos, sistemas de uso esporádico. A ISO 4406 (International Standards Organization) nível padrão de limpeza, tem obtido uma vasta aceitação em muitas indústrias de hoje. Uma versão modificada vastamente utilizada deste padrão refere-se ao número de partículas maiores que 4, 6 e 14 micrômetros em 49 um volume de 1 mililitro de fluido. O número de partículas maiores que 4 e 6 micra é usado como ponto de referência para partículas sedimentadas. As partículas maiores que 14 micrômetros, contribuem grandemente para uma possível falha catastrófica no componente. A tabela 3.3 mostra os vários números do código ISO 4406 e a figura 3.5 um exemplo de medida utilizando um código ISO. 50 TABELA 3. 6 – Valores referentes à Norma ISO 4406. Tabela de Contagem de Partículas ISO 4406 Números de Partículas por ml Mais que Até ou Igual Números da Escala 2.500.000 >28 1.300.000 2.500.000 28 640.000 1.300.000 27 320.000 640.000 26 160.000 320.000 25 80.000 160.000 24 40.000 80.000 23 20.000 40.000 22 10.000 20.000 21 5.000 10.000 20 2.500 5.000 19 1.300 2.500 18 640 1.300 17 320 640 16 160 320 15 80 160 14 40 80 13 20 40 12 10 20 11 5 10 10 2.5 5 9 1.3 2.5 8 0.64 1.3 7 0.32 0.64 6 0.16 0.32 5 0.08 0.16 4 0.04 0.08 3 0.02 0.04 2 0.01 0.02 1 0.005 0.01 0 0.0025 0.005 00 51 Figura 3.5 - Exemplo de um Código ISO obtido b – Ferrografia Analítica A ferrografia analítica trata-se da separação magnética das partículas encontradas no lubrificante. Uma lâmina repousa em um magneto que atrai as partículas ferrosas e permite a adesão destas partículas na lâmina. A figura 3.6 mostra o desenho esquemático da ferrografia analítica FIGURA 3. 6 - Desenho esquemático da Ferrografia Analítica 52 Devido ao campo magnético as partículas ferrosas são alinhadas em correntes horizontais durante toda a lâmina. As partículas grandes se depositam no ponto de entrada e as pequenas no ponto de saída. As não ferrosas são depositadas aleatoriamente em toda a lâmina acumulando-se sobre as correntes de partículas ferrosas que agem como barreiras. A ausência de partículas ferrosas reduz substancialmente a eficácia da análise das não ferrosas. A figura 3.7 mostra o desenho ilustrando as posições das partículas magnéticas FIGURA 3. 7 - Desenho ilustrando as posições das partículas magnéticas A lâmina preparada desta maneira com estas correntes se denomina ferrograma.O ferrograma está agora pronto para a inspeção ótica usando um microscópio bicromático. O ferrograma é examinado por um microscópio bicromático polarizado e equipado com uma câmera digital. O microscópio utiliza duas luzes: uma superior da cor vermelha (refletida) e 53 uma inferior da cor verde (transmitida). Este jogo de luzes ajudas a distinguir o tamanho, a forma e a geometria das partículas ferrosas e não ferrosas. As partículas são classificadas para determinar o tipo de desgaste e sua causa. Para ajudar à identificação da composição o analista pode aquecer o ferrograma por dois minutos a 330ºC. A figura 3.8 mostra a identificação de partículas no ferrograma e a figura 3.9 mostra a identificação do tamanho, da forma e da geometria das partículas ferrosas e não ferrosas. FIGURA 3. 8 - Identificação de partículas no ferrograma 54 FIGURA 3. 9 - Identificação do tamanho, da forma e da geometria das partículas ferrosas e não ferrosas 3.2.1.3 – TBN e TAN O TBN (Total Base Number) determina a eficácia e o controle dos ácidos que surgem durante o processo de combustão. Quanto maior o TBN, maior a eficácia em eliminar os contaminadores que causam o desgaste e em reduzir os efeitos corrosivos dos ácidos sobre um período de tempo prolongado. A medida associada ASTM D2896 ou NBR 05798 varia geralmente de 6-80mg KOH/g em lubrificantes modernos, de 7-10mg para o uso automotriz geral e de 10-15 para operações a Diesel. Os lubrificantes marinhos geralmente funcionarão de 15- 50mgKOH/g, mas podem ser tão elevados como 70 ou 80mg KOH/g. Quando o TBN é medido em 2mg KOH/g ou menos o lubrificante é considerado inadequado para a proteção do motor, 55 com isto pode ocorrer a corrosão. Um combustível com teor maior de enxofre diminuirá o TBN mais rapidamente devido ao aumento de ácido sulfúrico. O TAN ( Total Acid Nunber) representa a massa em mgKOH/g necessária para neutralizar um grama de óleo: é a medida de todas as substâncias contidas no óleo que reagem com hidróxido de potássio. Os constituintes mais comuns de tais produtos ácidos são ácidos orgânicos, sabões de metais, produtos de oxidação, nitritos e nitrocompostos e ainda outros compostos, que podem estar presentes como aditivos e que reagem com hidróxido de potássio. Qualquer óleo cujo ph esteja compreendido entre valores 4,0 e 11,0 apresentará um TBN, expresso em mg KOH/g, equivalente a quantidade de ácido necessário para levar o ph do valor em que está até o ph 4,0 em um TAN expresso em KOH/g necessário para levar o ph até o limite superior, ph 11,0 (Borges Neto, 2005). Como resultado da progressiva oxidação do óleo, podem formar-se ácidos orgânicos; sendo que os sabões metálicos são, então, resultantes da reação destes ácidos com metais. 3.2.1.4 – Viscosidade A viscosidade é a propriedade dos fluidos correspondente ao transporte microscópico de quantidade de movimento por difusão molecular. Ou seja, quanto maior a viscosidade, menor a velocidade em que o fluido se movimenta. Define-se pela lei de Newton da viscosidade: -------------------------------- 3.1 onde a constante � é o coeficiente de viscosidade, viscosidade ou viscosidade dinâmica e du/dy é a derivada da velocidade em função da altura de um fluido. Muitos fluidos, como a água ou a maioria dos gases, satisfazem os critérios de Newton e por isso são conhecidos como fluidos newtonianos. Os fluidos não newtonianos têm um comportamento mais complexo e não linear. 56 Viscosidade pode ser entendida como a medida da resistência de um fluido à deformação causada por um torque. É comumente percebida como a "grossura", ou resistência ao despejamento. Assim, a água é "fina", tendo uma baixa viscosidade, enquanto óleo vegetal é "grosso", tendo uma alta viscosidade. 3.2.1.5 – Ponto de Fulgor Ponto de fulgor é a menor temperatura(ºC) na qual um liquido libera vapor ou gás em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável. Por mistura inflamável, para fins de apuração do ponto de fulgor, entende-se a quantidade de gás ou vapor misturada com o ar atmosférico suficiente para iniciar uma inflamação em contato com uma chama (isto é, a queima abrupta do gás ou vapor), sem que haja a combustão do líquido emitente. Outro detalhe verificado é que, ao se retirar a chama, acaba a inflamação (queima) da mistura. Trata- se de dado importante para classificação dos produtos combustíveis, em especial no que tange à segurança e aos riscos de transporte, armazenamento e manuseio. 3.2.1.6 – Insolúveis O teste Blotter Spot é usado para avaliar a concentração dos insolúveis e estimar o poder dispersivo do óleo usado. Depois que uma gota do óleo usado é colocada em um tipo especial de filtro de papel, a interpretação visual da mancha determina se o óleo é de caráter dispersante ou não. ASTM D 893 descreve o método do centrifugador para determinar insolúveis no óleo usado. Dois procedimentos estão disponíveis. Em um, o óleo usado é misturado com o pentano e depois centrifugado. No outro, a amostra de óleo usado é misturada com uma solução do pentano-coagulante e então centrifugado. Em ambos os procedimentos, o precipitado é lavado, secado e pesado para dar o conteúdo dos insolúveis. O método de centrifugação tornou-se contraproducente quando os aditivos modernos do dispersante nos lubrificantes necessitaram a adição de coagulantes à amostra a fim de efetuar uma separação mais completa dos sólidos durante a centrifugação. O método de filtração para medir os insolúveis começa com uma quantidade pesada de amostra do óleo usado que é diluída com o pentano ou o heptano antes de ser filtrado através de 57 uma membrana. A porcentagem dos insolúveis é calculada do peso aumentado da membrana após a filtração e a secagem. Quando os filtros da membrana puderem ser selecionados de acordo com o tamanho do poro para medir insolúveis, acima de um tamanho crítico pré-selecionado, as partículas grandes podem obstruir os poros do filtro e assim introduzir um erro mantendo para trás insolúveis menores do que o tamanho do poro. Este procedimento usa solventes altamente inflamáveis. A Termogravimetria pode também ser aplicada para a determinação dos insolúveis no óleo usado. Os instrumentos automáticos são usados para o teste em que uma amostra pesada do óleo usado é aquecida em um fluxo de nitrogênio nos fornos até 650ºC. Após alguns minutos, o peso da amostra é gravado e 10% do ar é introduzido no fluxo de nitrogênio para oxidar o carbono e formar fuligem. O índice do ar é aumentado gradualmente a 100%. Quando o peso da amostra estiver estabilizado, o teste estará completo. A vantagem preliminar do teste termogravimétrico é a habilidade de quantificar separadamente a combustão formada pelo carbono ou a fuligem e as parcelas não-combustíveis da amostra de óleo usado e esta técnica demora uma hora por amostra, a determinação termogravimétrica insolúvel raramente é aplicada em um programa rotineiro da análise de óleo usado. 3.3 – SISTEMAS TRIBOLÓGICOS DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Baseado na função, os componentes do cilindro de um motor de combustão interna podem ser divididos em oito sistemas com relações tribológicas: camisa/anel; o anel e o sulco do anel, a saia da camisa/pistão, pino do pistão e os furos do pistão, pino do pistão e biela, saia do pino do pistão/pistão (pistão articulado), coroa do pistão/camisa (pistão articulado), e o anel de óleo/mandril. O desgaste pode ocorrer em qualquer destes oito sistemas. Para todas as finalidades práticas, os motores são reconstruídos quando o consumo de óleo e o sopro se tornam excessivos. Uma saia do pistão corretamente projetada tem uma película lubrificada adequada entre esta saia e a camisa,ou seja,tem uma camada de lubrificante entre a sai e a camisa. O desgaste causado por um contato mecânico em um pino e em um furo bem projetados operando em circunstâncias normais é mínimo. As partículas incrustadas, devido ao processo de lapidação ou polimento, podem conduzir um desgaste excessivo no furo. Uma falha anormal do 58 furo ocorre quando um motor quente faz uma parada repentina. O óleo refrigerador do pistão para de fluir e a área da coroa do pistão fica mais quente do que as saliências e o pino do pistão. Em conseqüência, o calor é transferido da coroa quente ao furo do pistão, que sofre maiores temperaturas do que em condições normais. Estas altas temperaturas na bucha do furo do pistão podem conduzir à degradação do material do rolamento.Uma outra falha anormal pode ser causada pelo pino curvado, que resulta na distribuição de carga não uniforme, com as tensões elevadas nas bordas internas do furo. Nesta situação trincas causadas pela fadiga são observadas na bucha do pistão. Na figura 3.10 está apresenta a distribuição (a) da energia em um motor em operação, e (b) atrito mecânico total do motor. FIGURA 3. 10- Distribuição (a) da energia em um motor em operação, e (b) atrito mecânico total do motor. (Richardson, 1999) apud Modern Tribology O contato entre a coroa do pistão e a camisa são lubrificados. Um sistema bem projetado operando em circunstâncias normais mostra que o desgaste é mínimo. As causas potenciais do desgaste elevado da camisa do pistão incluem depósitos de óleo excessivos e contaminadores externos. 59 O consumo de óleo é controlado primeiramente pela tensão do anel. É elevado em baixa pressão da unidade, diminui com um aumento e é constante acima de alguma pressão. Normalmente os anéis são projetados na região de pressão da unidade onde o consumo de óleo é constante. Nos motores que empregam anéis com alargador, a pressão do óleo pode cair quando o alargador se desgastar com o tempo ou quando a mola encaixa no diâmetro interno do anel. Isto resulta no aumento do consumo de óleo. A deposição com Cr ou nitretação gasosa são técnicas de modificação superficial usadas para prolongar a vida de um anel. 3.3.1 - Relação Tribológica do anel/camisa Kodali et o al. (1999) revisaram os fatores principais que influenciam o desgaste da camisa do cilindro. A maioria destes fatores é válida também para o desgaste do anel. As seguintes seções discutem as principais variáveis que influenciam o desgaste de anel/camisa, incluindo o aspecto do projeto, da escolha de materiais, de parâmetros de operação do motor, de enxofre do combustível, de depósitos no motor, de fuligem, e de aditivos do lubrificante. A - No projeto mecânico do cilindro O projeto de componentes do cilindro de potência pode ter um efeito significativo no desgaste do sistema. Os princípios fundamentais no projeto para o baixo desgaste dos cilindros de potencia são: � projeto do sistema para a lubrificação hidrodinâmica, que impede o contato direto entre superfícies de deslizamento. � escolha de materiais compatíveis para as superfícies de deslizamento, que resulta no baixo desgaste quando o contato ocorre entre superfícies de deslizamento. Os parâmetros de projeto do motor que modificam as dimensões do cilindro podem influenciar o desgaste da camisa. É necessário compreender o efeito dos parâmetros tais como a distribuição da pressão de gás, a força do contato na interface anel/camisa, o projeto e a posição do bloco do anel, e o tipo do pistão. 60 B - Furo e curso O tamanho do furo tem pouco efeito no desgaste de anel/camisa porque as pressões que agem no anel permanecem as mesmas. O comprimento do curso e da biela afetam a velocidade do pistão. Isto pode ter efeito nas películas hidrodinâmicas do óleo que são desenvolvidas sob a face do anel. As distorções excessivas do furo resultam no aumento do desgaste do anel/camisa. C - Carga e velocidade A carga do motor é governada pela pressão do cilindro. Quanto maior a pressão do cilindro agindo nos anéis, maior será o potencial para o aumento do desgaste. Cargas maiores tendem também a aumentar a temperatura do pistão. Uma maior temperatura diminui a viscosidade do óleo, reduz a espessura da película do óleo, e aumenta o desgaste; podem também causar as distorções que podem conduzir um desgaste elevado. A velocidade do motor é uma indicação do número das vezes que o anel e a camisa contatam perto do ponto morto superior (PMS). Uma maior velocidade resulta no aumento do desgaste causado por um aumento no número dos contatos do anel e da camisa no PMS. Elevada RPM(rotação) aumenta também a velocidade do pistão, que pode reduzir taxas de desgaste pelo aumento da espessura da película do óleo. D - Camisa, anel, e projeto do pistão O projeto da camisa é crítico ao minimizar a distorção do furo que pode conduzir um desgaste excessivo. Em condições de lubrificação limite, o acabamento superficial da camisa influencia o desgaste desta. Durante altas pressões no cilindro, a espessura do anel afeta a força radial que age neste anel. Menores espessuras podem diminuir esta força e reduzir o desgaste. O perfil da face do anel influencia a força líquida devido a pressão do gás e a lubrificação hidrodinâmica na face do anel, e deve ser otimizada para minimizar o desgaste. O desgaste da camisa é também uma função do projeto do pistão. Se a folga superior não for projetada corretamente, o carbono pode ser formado. Estes depósitos de carbono, quando presos entre o pistão e a camisa, resultam no polimento do furo na área contrária do topo do anel. O polimento do furo resulta em uma quantidade significativa de perda de material e de perda do óleo. 61 Folgas e espessuras do sulco afetam o fluxo dos gases através do bloco do anel. Isto afeta as forças que agem nos anéis e, portanto, o desgaste. Folgas pequenas podem resultar no desgaste excessivo e um possível desgaste pelo roçamento. Folgas grandes entre o anel e o sulco do anel podem conduzir à ruptura do anel. E - No ambiente físico do cilindro O fator mais importante que influencia o desgaste abrasivo em um motor é o contato entre duas superfícies em movimento relativo. As circunstâncias ambientais que afetam a pressão do contato entre duas superfícies são a pressão no cilindro, a temperatura e a velocidade do pistão. Altas pressões do cilindro forçam o anel e a camisa. Se estes movem relativamente um ao outro, o desgaste irá acontecer. Com um projeto apropriado, os efeitos da pressão podem ser minimizados. FIGURA 3. 11- Variação da força de contato e da pressão de gás com distância abaixo do centro inoperante superior Por exemplo, a força radial líquida que age em um anel pode ser diminuída pelo projeto apropriado do anel e pode ajudar a compensar a alta pressão do cilindro. As pressões mais elevadas do cilindro ocorrem durante os cursos da compressão e da expansão. A pressão de pico ocorre tipicamente depois do PMS. A figura 3.9 ilustra a distribuição da pressão do gás e a força de contato em função da distância da pressão do PMS. A pressão do gás e a carga de contato estão no máximo num ponto logo abaixo do PMS. 62 A temperatura em que o anel/camisa ou a camisa/saia do pistão deslizam influencia o desgaste da camisa. A refrigeração imprópria da camisa pode resultar em altas temperaturas interfacial do anel/camisa. Por exemplo, a expansão diferencial, que pode ser causada de uma refrigeração não uniforme em torno da circunferência e do comprimento da camisa, pode conduzir a uma distorção do furo. A temperatura da parede do anel/camisa afeta o desgaste abrasivo indiretamente através da viscosidade cinemática do lubrificante. O desgaste da camisa/anel pode aumentar com o decréscimo da viscosidade do óleo em conseqüência do aumento da temperatura. Temperaturas de deslizamento mais altas podem também agravar o desgaste da camisa por causa da degradação local do lubrificante. As condições da lubrificação na interface anel/camisa são governadas pela velocidade do pistão. No meio do curso, o pistão está movendo mais rápido, tendo por resultado a lubrificação hidrodinâmica. Entretanto, nos pontos mortos, a velocidade do pistão vai a zero e rompe a lubrificação hidrodinâmica. Isto pode resultar em contato superficial anel/camisa que causa perda de material dos dois componentes. 3.4 – TRABALHOS SOBRE MANUTENÇÃO PREDITIVA EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA São vários os trabalhos envolvendo o Estado da condição de Motores de combustão interna, sendo que a maioria deles se refere à análise dos lubrificantes parcial ou totalmente. Abaixo são descritos alguns trabalhos de autores que descrevem o estado atual dos trabalhos relacionados ao apresentado nesta dissertação. Mousa (2006) estudou a morfologia dos contaminantes sólidos e partículas de desgastes retidas nos filtros de óleos após a troca dos mesmos. Sua intenção era a obtenção de informações sobre a performance e monitoramento do motor. Concluiu que os filtros contêm informações significantes sobre partículas de desgastes e sobre contaminantes sólidos e que o método adotado é viável porém há a necessidade da troca do filtro. Pluntey, (1998) objetivou a compreensão da contribuição do combustível na formação das partículas e transporte de cinzas, no sentido de estabelecer parâmetros para projetos de filtros de óleos automotivos. Para isto mediu o aumento da emissão de partículas mudando-se o teor de 63 enxofre no combustível. Concluiu que o combustível com maior teor de enxofre teve maior taxa de emissão. Raadnuis (2005) descreveu análises simples “Low–Tech” para monitoramento de máquinas, dentre as quais motores de combustão interna. Utilizou técnicas simples e de baixo custo para aplicações específicas. Para os motores de combustão interna utilizou a análise de partículas presentes nos filtro. Estas foram separadas do filtro através da submersão deste filtro em um solvente com posterior aplicação de limpeza ultrasônica por quinze minutos. Após este procedimento as partículas foram capturadas através de membranas de policarbonatos com auxílio de vácuo. Através dos formatos das partículas concluiu o tipo de desgaste que ocorreu no interior do motor. Borin(2003) propôs metodologias qualitativas para avaliar o grau de degradação e o tipo do lubrificante utilizados e duas metodologias quantitativas para a determinação de contaminantes e parâmetros de qualidade como viscosidade e número de base total. Afirmaram que estas metodologias, baseadas na espectrometria no infravermelho por reflectância total e quimioterapia, podem ser aplicadas no controle de lubrificantes com o objetivo de tornar as análises mais rápidas, práticas, econômicas, seguras e eficientes. Para a determinação qualitativa das condiç