Efeitos Do Lubrificante e Aditivos Na Economia (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

MARGARETH JUDITH SOUZA DE CARVALHO

EFEITOS DO LUBRIFICANTE E ADITIVOS

NA ECONOMIA DE COMBUSTVEL DIESEL

RIO DE JANEIRO

2010

Margareth Judith Souza de Carvalho



Dissertao de Mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Tecnologia de

Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de

Qumica, da Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos necessrios

obteno do ttulo de Mestre em Cincias

(M.Sc.).

Orientador: Peter Rudolf Seidl, Ph.D.

Co-orientador: Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc.

Rio de Janeiro

2010

C331e Carvalho, Margareth Judith Souza de.

Efeitos do Lubrificante e Aditivos na Economia de Combustvel

Diesel / Margareth Judith Souza de Carvalho. -- 2010.

70 f.: il.

Dissertao (Mestrado em Tecnologia de Processos Qumicos e

Bioqumicos) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Qumica, Rio de Janeiro, 2010.

Orientador: Peter Rudolf Seidl

Co-orientador: Carlos Rodrigues Pereira Belchior

1. leo lubrificante. 2. Aditivo. 3. Viscosidade. 4. Economia de

combustvel. 5. Motor diesel Dissertao. I. Seidl, Peter Rudolf (Orient.) II. Belchior, Carlos Rodrigues Pereira (Co-orient.).

III. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa em

Tecnologia de Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de

Qumica. IV. Ttulo.

CDD: 665.5385

Margareth Judith Souza de Carvalho



Dissertao de Mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Tecnologia de

Processos Qumicos e Bioqumicos, Escola de

Qumica, da Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos necessrios

obteno do ttulo de Mestre em Cincias

(M.Sc.).

Aprovada em

_______________________________________________________

(Peter Rudolf Seidl, Ph.D. , Escola de Qumica/UFRJ)

_______________________________________________________

(Carlos Rodrigues Belchior, D.Sc., COPPE/UFRJ)

_______________________________________________________

(Donato Alexandre Gomes Aranda, Ph.D., Escola de Qumica/UFRJ)

_______________________________________________________

(Jos Ricardo Sodr, Ph.D., Engenharia Mecnica/PUC-MG)

_______________________________________________________

(Sylvio Jos Ribeiro de Oliveira, D.Sc., COPPE/UFRJ)

A Deus,

ao meu marido Humberto,

aos meus pais, Alvaro e Cristina,

a minha irm Michelle

e a minha av Luiza.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Peter por ter apostado em mim desde o primeiro momento.

Ao Prof. Belchior que me mostrou a luz no fim do tnel.

Ao Prof. Jos Ricardo que foi como um anjo em meu caminho.

Ao Prof. Sylvio Jos por ter me incentivado a seguir este trajeto.

Profa. rica pela pacincia e colaborao nos momentos mais difceis.

Profa. Vernica pelo suporte nas anlises de estatstica.

Aos amigos do LMT: Prof. Albino, Eng. Nauberto, Eng. Pedro e Marcos, que

tornaram este sonho realidade.

Aos amigos da secretaria, em especial Roselee e Jlio.

Aos amigos Jonas, Rodrigo e Wellington da Eletrobrs pelos ensinamentos e amizade.

Ao Luiz Fernando Lastres do CENPES pelas valiosas discusses.

Ao Marco Antnio de Almeida da Petrobras Distribuidora pelas ricas sugestes.

Ao Wilson Siqueira da ExxonMobil pelas valorosas opinies.

Ao Eduardo Tomanik da Mahle pelas suas conferncias telefnicas que muito me

orientaram.

Infineum, em especial, ao Jorge Manes e Jai Bansal pelo inestimvel suporte tcnico.

E a todos os profissionais, familiares e amigos que, de alguma forma, contriburam e

torceram pela concluso deste trabalho, meus sinceros agradecimentos.

"Nunca digas impossvel. Diz: ainda no fiz"

Provrbio Japons

RESUMO

Carvalho, Margareth Judith Souza de. Efeitos do Lubrificante e Aditivos na Economia de

Combustvel Diesel. Rio de Janeiro, 2010. Dissertao (Mestrado em Tecnologia de

Processos Qumicos e Bioqumicos) Escola de Qumica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.

Este trabalho verifica o impacto da viscosidade do leo lubrificante no consumo de

combustvel de um motor diesel. As amostras de leo lubrificante foram testadas em um

motor monocilndrico de quatro tempos e injeo direta de combustvel acoplado a um

dinammetro eletro-magntico, sob diferentes condies de carga e rotao. O motor foi

alimentado com leo diesel metropolitano comercial S500 (500 ppm de enxofre) contendo 4%

de biodiesel (B4). As formulaes dos leos lubrificantes e a metodologia dos testes foram

desenvolvidas para medir o consumo de combustvel decorrente do uso de lubrificantes

automotivos mono e multiviscosos, sob condies de operao prximas s de uso real. Os

resultados demonstram que a economia de combustvel obtida com as amostras de leos

multiviscosos maior que aquela obtida com leos monoviscosos. Buscou-se a confirmao

dos resultados investigando-se o atrito no motor utilizando o mtodo da linha de Willans nas

amostras de leo lubrificante que proporcionaram o menor e maior consumo de combustvel.

Palavras-chaves: leo lubrificante. Aditivo. Viscosidade. Economia de combustvel. Motor

diesel.

ABSTRACT

Carvalho, Margareth Judith Souza de. Efeitos do Lubrificante e Aditivos na Economia de

Combustvel Diesel. Rio de Janeiro, 2010. Dissertao (Mestrado em Tecnologia de

Processos Qumicos e Bioqumicos) Escola de Qumica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.

This work verifies the impact of lubricating oil viscosity on fuel consumption of a

diesel engine tested. The lubricating oil samples were tested in a single-cylinder, four-stroke,

direct injection engine mounted in an electric-magnetic dynamometer, under different load

and speed conditions. The engine was fuelled by commercial S500 (500 ppm sulfur content)

diesel oil with 4% biodiesel (B4). The formulations of the lubricating oils and test

methodology were developed to measure fuel consumption from the use of mono and

multigrade viscosity automotive lubricants, under operating conditions close to real operation.

The results demonstrate that fuel economy obtained from the multigrade viscosity oils is

higher than that obtained from monograde viscosity oils. To confirm these results engine

friction was investigated using the Willans Line method in the lubricating oil samples that

showed the lowest and highest fuel consumption.

Keywords: Lubricating oil. Additive. Viscosity. Fuel economy. Diesel engine.

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ANP Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis

API American Petroleum Institute

ASTM American Society for Testing and Materials

ATIEL Association Technique de L'Industrie Europenne des Lubrifiants

CARB California Air Resource Board

CCS Cold Cranking Simulator

CONPET Programa Nacional de Racionalizao do Uso dos Derivados do Petrleo e do

Gs Natural

COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Ps-Graduao e Pesquisa de Engenharia

ENCE Etiqueta Nacional de Conservao de Energia

EPA Enviromental Protection Agency

ETC European Transient Cycle

FTP Federal Test Procedure

HFET High Fuel Economy Test

HTHS High Temperatute High Shear

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial

IV ndice de Viscosidade

LMT Laboratrio de Mquinas Trmicas

MIV Melhorador do ndice de Viscosidade

MRV Mini Rotary Viscometer

NBR Norma Brasileira

PAO Polialfaolefina

PBE Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular

SAE Society of Automotive Engineers

SFC Specific Fuel Consumption

UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 Preo mdio do leo diesel por regio ......................................................... 19

Tabela 3.1 Principais propriedades dos trs tipos de leos bsicos ............................... 27

Tabela 3.2 ndice de viscosidade e a natureza dos leos bsicos .................................. 31

Tabela 3.3 Classificao dos leos bsicos .................................................................... 32

Tabela 3.4 Mtodos analticos usados para definio dos grupos ........................................ 32

Tabela 3.5 Denominao dos leos bsicos comercializados no Brasil ........................ 34

Tabela 3.6 Classificao de viscosidade SAE para leos de motor SAE J300 ........... 38

Tabela 4.1 Matriz da composio dos leos lubrificantes testados ............................... 41

Tabela 4.2 Especificao da viscosidade dos leos lubrificantes testados .................... 42

Tabela 4.3 Especificaes do motor utilizado nos experimentos .................................. 44

Tabela A.1 Resultados das anlises viscomtricas das amostras .................................... 62

Tabela A.2 Consumo especfico de diesel por amostra e por torque .............................. 62

Tabela A.3 Tratamento estatstico das amostras da famlia 1 ......................................... 63

Tabela A.4 Tratamento estatstico das amostras da famlia 2 ......................................... 63

Tabela A.5 Mtodo da Linha de Willans para a amostra SAE 50 ..................................

63

Tabela A.6 Mtodo da Linha de Willans para a amostra SAE 5W-30 ........................... 63

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1.1 Etiqueta nacional de conservao de energia para veculos ...................... 17

Figura 1.2 Percentual do preo do leo diesel no custo total de uma empresa de

transporte rodovirio de cargas ....................................................................

19

Figura 3.1 Distribuio do peso molecular dos leos bsicos minerais e sintticos ..... 27

Figura 3.2 Modelo das placas paralelas ......................................................................... 28

Figura 3.3 ndice de viscosidade ................................................................................... 31

Figura 3.4 Rota solvente para produo de leos bsicos lubrificantes ........................ 33

Figura 3.5

Comportamento do polmero Melhorador de ndice de Viscosidade .......... 35

Figura 3.6 Complexidade do mercado brasileiro de leo lubrificante ..........................

38

Figura 4.1 Misturador utilizado para homogeneizao das amostras ............................ 40

Figura 4.2 Vista lateral do motor e dinammetro .......................................................... 43

Figura 4.3 Vista frontal do motor .................................................................................. 43

Figura 4.4 Interface do software usado para aquisio de dados ............................... 45

Figura 4.5 Mecanismo para medio do consumo de leo diesel ................................. 46

Figura 4.6 Software de monitoramento contnuo da massa de leo diesel sobre a

balana ..........................................................................................................

46

Figura 4.7 Linha de Willans .......................................................................................... 48

Figura 5.1 Curva de viscosidade versus temperatura das amostras formuladas ............ 49

Figura 5.2 Consumo especfico em 1500 rev/min e 10 N.m ..................................... 50

Figura 5.3 Consumo especfico em 2000 rev/min e 20 N.m ......................................... 51

Figura 5.4 Consumo especfico em 2500 rev/min e 30 N.m ......................................... 51

Figura 5.5 Relao entre consumo especfico e a viscosidade HTHS das amostras ..... 52

Figura 5.6 Consumo especfico das amostras de leo lubrificante ................................ 53

Figura 5.7 Consumo especfico das amostras de leo monoviscosas ............................ 54

Figura 5.8 Consumo especfico das amostras de leo multiviscosas ............................ 54

Figura 5.9 Reduo do consumo especfico em relao a amostra SAE 50 .................. 55

Figura 5.10 Mtodo da linha de Willans para as amostras SAE 50 e SAE 5W-30 ......... 56

LISTA DE SMBOLOS

Viscosidade, viscosidade dinmica ou absoluta [Pas]

Tenso de cisalhamento [Pa]

S Grau de cisalhamento [s-1

]

Viscosidade cinemtica [m2/s]

Massa especfica [kg/m3]

T Temperatura [K]

SUMRIO

1 INTRODUO ................................................................................................. 16

1.1 A Eficincia Energtica Veicular ...................................................................... 16

1.2 leos Conservadores de Energia ....................................................................... 17

1.3 Objetivo ............................................................................................................... 18

1.4 Justificativa ......................................................................................................... 18

1.5 Escopo .................................................................................................................. 19

2 REVISO BIBLIOGRFICA .......................................................................... 21

3 FUNDAMENTOS TERICOS ......................................................................... 26

3.1 leos Lubrificantes Bsicos ............................................................................... 26

3.1.1 leos Bsicos Minerais ....................................................................................... 26

3.1.2 leos Bsicos Sintticos ...................................................................................... 27

3.1.3 Anlise de leos Lubrificantes ........................................................................... 28

3.1.3.1 Viscosidade ........................................................................................................... 28

3.1.3.2 ndice de Viscosidade .......................................................................................... 30

3.1.4 Classificao dos leos Bsicos .......................................................................... 32

3.1.5 Rotas de Produo ............................................................................................... 32

3.1.6 leos Bsicos Comercializados no Brasil ........................................................... 34

3.2

Aditivos ................................................................................................................ 35

3.3 leos Lubrificantes ............................................................................................. 36

3.3.1 Classificao API ................................................................................................. 36

3.3.2 Classificao SAE ................................................................................................ 37

3.3.3 Cadeia de Valor da Produo de leo Lubrificante ..........................................

38

3.3.4 Programa de Monitoramento da Qualidade de Lubrificantes ........................... 39

4 METODOLOGIA EXPERIMENTAL ............................................................. 40

4.1 Formulao das Amostras ................................................................................. 40

4.2 Aparato Experimental ........................................................................................ 42

4.2.1 Especificao do Motor ....................................................................................... 42

4.2.2 Sistema de Aquisio de Dados do Motor ........................................................... 44

4.2.3 Aparato para Medio do Consumo de Combustvel ......................................... 45

4.3 Metodologia ......................................................................................................... 47

4.3.1 Medio do Consumo de Combustvel ................................................................ 47

4.3.2 Medio da Potncia de Atrito ........................................................................... 48

5 RESULTADOS E DISCUSSES ...................................................................... 49

5.1 Viscosidade Cinemtica ..................................................................................... 49

5.2 Consumo Especfico de Combustvel ................................................................ 50

5.3 Potncia de Atrito .............................................................................................. 55

6 CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS ................................................. 57

7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.............................................................. 59

APNDICE A DADOS EXPERIMENTAIS E ANLISE DE INCERTEZA ......... 62

ANEXO A PORTARIA 129 DA ANP .......................................................................... 64

16

1. INTRODUO

1.1 A Eficincia Energtica Veicular

Iniciativas tm sido tomadas em todo o mundo com o objetivo de aumentar a

eficincia energtica dos veculos automotores. Diversos pases implantaram programas de

aferio do consumo de combustveis que permitem a comparao entre os veculos de uma

mesma categoria. Alm de estimularem uma escolha consciente por parte do consumidor, a

experincia mundial mostra que esses programas, sejam eles implementados de forma

voluntria ou compulsria, induzem fabricao de veculos mais econmicos e com menor

emisso de poluentes, beneficiando os consumidores locais e o meio ambiente (CONPET,

2009).

O Brasil, que j tem consolidado um programa de controle de emisses veiculares,

lanou, em novembro de 2008, o Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular (PBE), fruto

de uma parceria entre o Instituto Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade

Industrial (INMETRO) e o Programa Nacional de Racionalizao do Uso dos Derivados do

Petrleo e do Gs Natural (CONPET), seguindo uma tendncia mundial. Ao aderir

certificao veicular, o Brasil o primeiro pas da Amrica Latina a desenvolver programas

de eficincia energtica neste setor.

A Etiqueta Nacional de Conservao de Energia (ENCE) informa ao consumidor:

(i) A classificao do veculo quanto eficincia energtica em sua categoria por meio

de um selo com escala de A (mais econmico) at E (menos econmico) (Fig. 1.1); e

(ii) Os valores de referncia da quilometragem por litro, na cidade e na estrada, com

diferentes combustveis.

Esses valores so obtidos a partir de medies de consumo efetuadas em laboratrio,

de acordo com os padres ABNT NBR 7024. Para tanto, combustveis-padro brasileiros e

ciclos de conduo pr-estabelecidos so utilizados.

A adeso ao programa voluntria e pode ser renovada anualmente, mas Chevrolet,

Fiat, Honda, Kia Motors e Volkswagen j se inscreveram no programa. Juntas, essas empresas

detm 50% das vendas brasileiras. Esse recm-criado projeto mostra o interesse dos rgos

governamentais, montadoras e sociedade brasileira sobre a questo da economia de

combustvel.

17

Figura 1.1: Etiqueta nacional de conservao de energia para veculos (CONPET, 2009).

1.2 leos Conservadores de Energia

Em 1973, aps a crise do petrleo, o mercado americano passou a exigir maior

eficincia do combustvel utilizado em seus veculos. Em resposta a isso, fabricantes de carros

de passeio e produtores de lubrificantes se uniram para desenvolver um teste capaz de medir

as propriedades de conservao de energia de um lubrificante em um motor a gasolina. Dessa

forma, os leos que apresentam uma economia de combustvel superior de um leo de

referncia passaram a ser identificados pelo American Petroleum Institute (API) com a

classificao de conservadores de energia (Energy Conserving) (COMFORT, 2003).

Entretanto, o mesmo esforo nunca foi feito para os lubrificantes de motores a diesel,

deixando a indstria, os caminhoneiros e donos de frota sem alternativas, a no ser confiar em

especificaes isoladas ou em resultados imprecisos de testes de campo. A existncia de um

mtodo padronizado para se medir a economia de combustvel em motores a diesel poderia

proporcionar at 4% de reduo no consumo de combustvel, em comparao com um leo

SAE 15W-40 convencional (KENNEDY et al, 1995 apud COMFORT, 2003).

18

1.3 Objetivo

O objetivo geral dessa dissertao verificar o impacto da viscosidade do leo

lubrificante no consumo de combustvel em um motor de combusto interna do ciclo diesel

sob diferentes condies de carga e rotao. As formulaes dos leos lubrificantes e o roteiro

dos testes de motor foram desenvolvidos de forma a se atingir os seguintes objetivos

especficos:

verificar a diferena entre o consumo de combustvel decorrente do uso de um

lubrificante automotivo mono ou multiviscoso;

caracterizar a influncia do aditivo melhorador de ndice de viscosidade na economia

de combustvel;

comparar a resposta de dois polmeros melhoradores do ndice de viscosidade, com

diferentes ndices de estabilidade ao cisalhamento, em relao ao consumo de

combustvel; e

verificar o impacto dos leos bsicos sobre o consumo de combustvel.

1.4 Justificativa

A crescente demanda somada instabilidade do preo do leo cru corroboraram para o

forte aumento do preo do leo diesel nos ltimos anos, conforme ilustra a Tabela 1.1, que

apresenta o preo mdio do leo diesel ao consumidor no perodo de 2001 a 2008, em

distintas regies do Brasil. Nesse intervalo, foi registrado um aumento de aproximadamente

230% no preo do combustvel.

Estima-se que 30% dos custos operacionais de uma frota tpica de caminhes sejam

com a compra de combustvel (TAYLOR, 2000 apud COMFORT, 2003). Para conhecer esse

percentual no Brasil, duas grandes empresas atuantes no setor de transporte rodovirio de

cargas, foram entrevistadas. Segundo uma delas, o preo do leo diesel vem ganhando um

peso cada vez maior no custo total de operao do veculo, conforme pode ser constatado na

Figura 1.2.

19

0

5

10

15

20

25

30

35

2000 2002 2004 2006 2008

Ano

Cu

sto

do

le

o d

iesel/

Cu

sto

to

tal d

e o

pera

o

(%

)

Tabela 1.1: Preo mdio do leo diesel por regio (ANP, 2009).

Figura 1.2: Percentual do preo do leo diesel no custo total de uma empresa

de transporte rodovirio de cargas (FERREIRA, 2009).

1.5 Escopo

O Captulo 2 apresenta estudos anteriores realizados por outros autores na temtica

deste trabalho. Foi realizada uma reviso dos artigos cientficos relevantes e relacionados a

leos bsicos, aditivos e lubrificantes, no que se refere reduo de atrito, economia de

combustvel e emisso de poluentes.

PAS E

REGIES

PREO MDIO ANUAL

DO LEO DIESEL AO CONSUMIDOR (R$/L)

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Brasil 0,876 1,041 1,452 1,471 1,731 1,864 1,858 2,018

Norte 0,927 1,094 1,540 1,570 1,820 1,995 1,985 2,140

Nordeste 0,917 1,052 1,446 1,447 1,709 1,856 1,850 2,009

Sudeste 0,857 1,025 1,430 1,450 1,722 1,853 1,849 2,008

Sul 0,844 1,038 1,457 1,492 1,770 1,893 1,880 2,040

Centro-Oeste 0,920 1,087 1,530 1,564 1,832 1,959 1,967 2,110

20

O Captulo 3 trata da fundamentao terica. So abordados conceitos, classificaes,

equaes e estudos de mercado sobre leos lubrificantes.

O Captulo 4 descreve a metodologia experimental: a formulao das amostras, os

testes em motor e os equipamentos e procedimentos adotados.

Os resultados obtidos nos experimentos juntamente com a anlise comparativa e

discusses pertinentes so apresentadas no Captulo 5.

No Captulo 6 so apresentadas as concluses relativas aos resultados oriundos desse

estudo, assim como sugestes para trabalhos futuros.

O Apndice A apresenta as anlises de incerteza e o tratamento estatstico associado

aos parmetros medidos nos testes.

E, por fim, o anexo A traz uma cpia da portaria n 129/99 da ANP.

21

2. REVISO BIBLIOGRFICA

As caractersticas fsico-qumicas dos leos lubrificantes podem afetar o desempenho

do motor de combusto interna, em especial a quantidade de combustvel consumido. As

emisses, por sua vez, podem ser afetadas tanto pelo combustvel quanto pelo leo

lubrificante. A seguir so descritas as revises dos trabalhos que norteiam estas afirmaes.

Manni et al (1995) estudaram o efeito das caractersticas fsicas dos leos lubrificantes

em relao s emisses, economia de combustvel e ao consumo de leo de um motor a

diesel. O resultado de seus testes mostrou o importante papel da viscosidade do leo na

economia de combustvel: uma reduo significativa foi percebida no trecho urbano com

leos de baixa viscosidade. Essa reduo acarretou em uma correspondente reduo nas

emisses de dixido de carbono.

Inoue et al (1995) desenvolveram um banco de provas para avaliar a economia de

combustvel proporcionada pelo uso de leos lubrificantes. Os autores verificaram que o uso

de leos de baixa viscosidade foi eficaz no aumento da economia de combustvel. A adio de

ditiocarbamato de molibdnio contribuiu para a reduo do consumo a altas temperaturas. A

combinao de leos de baixa viscosidade (SAE 5W-20) com a adio de ditiocarbamato de

molibdnio em um motor operando a 1500 rev/min e 37,2 N.m de torque resultou em uma

eficincia energtica 2,7% maior do que a conseguida com o uso de um lubrificante

convencional (SAE 10W-30). Alm disso, foi mostrado que uma variao de at 10% da

velocidade, da temperatura do leo e do lquido de arrefecimento no afetou

significativamente o consumo especfico de combustvel (SFC). Entretanto, uma variao de

apenas 5% no torque resultou em uma mudana de 4% no SFC. Por esse motivo, os autores

recomendam que o torque seja rigorosamente controlado nas medies de SFC.

No experimento de Gunsel et al (1996), os lubrificantes formulados com bsicos do

grupo III no apresentaram uma economia de combustvel maior do que os lubrificantes

formulados com bsicos do grupo I. Entretanto, como os prprios autores mencionam, outros

pesquisadores encontraram resultados diferentes. Segundo os autores, essa divergncia de

resultados enfatiza o fato de que a formulao do leo lubrificante deve ser cuidadosamente

balanceada quando se deseja aumentar a economia de combustvel. Ainda de acordo com

Gunsel et al (1996), o melhorador de ndice de viscosidade pode influenciar o atrito devido

formao de um filme viscoso na superfcie, facilitando a transio do regime de lubrificao

limtrofe para o elastohidrodinmico.

22

Devlin et al (1998) mediram a influncia das propriedades fsicas dos leos

lubrificantes na economia de combustvel de veculos equipados com motores de produo. A

reduo da viscosidade High Temperatute High Shear (HTHS), do coeficiente de atrito

limtrofe e do coeficiente de presso-viscosidade resultou na reduo do consumo de

combustvel. O primeiro fator teve um maior impacto no limite urbano, e os demais fatores

impactaram nas regies extra-urbanas.

No trabalho de Tseregounis et al (1998), oito leos lubrificantes foram testados em

quatro veculos de prova para quantificar os efeitos da viscosidade do leo lubrificante e do

aditivo modificador de atrito na economia de combustvel de motores a gasolina. Os testes

foram conduzidos segundo o U.S. 1975 Federal Test Procedure (FTP-75), que simula um

ciclo de direo urbano e extra-urbano. Em trs motores (2,3, 3,1 e 3,8 litros de volume

deslocado) observou-se uma maior economia de combustvel com a reduo da viscosidade

do leo. Esse efeito foi mais pronunciado no trecho dentro da cidade, quando o motor opera a

temperaturas mais baixas devido partida a frio. O motor de 5,7 litros, equipado com

componentes sensveis a lubrificao limtrofe, no apresentou significativa dependncia da

viscosidade do leo. Todos os motores responderam positivamente aos aditivos modificadores

de atrito em relao economia de combustvel. Os resultados mais representativos ocorreram

no percurso fora da cidade. A atuao dos modificadores de atrito foi mais efetiva quando os

motores operavam a altas temperaturas.

Taylor e Coy (2000) escreveram sobre o papel que os lubrificantes desempenham na

reduo do consumo de combustvel dos veculos. O documento analisa os fatores do

lubrificante que afetam o consumo de combustvel, alm das questes relacionadas com a

durabilidade do motor versus lubrificantes de baixa viscosidade. A maior parte do trabalho

aborda a economia de combustvel em veculos a gasolina, mas tambm h consideraes

sobre veculos a diesel.

Fotheringham et al (2002) avaliaram as emisses e a economia de combustvel

proporcionada por leos SAE 5W-30 em caminhes a diesel com motores de 12 litros,

transitando conforme o European Transient Cycle (ETC), em condies de partida a frio e a

quente. Os lubrificantes SAE 5W-30, formulados com polialfaolefinas (PAO), bsicos

minerais de ndices de viscosidade muito altos e o mesmo pacote de aditivo, foram

comparados a leos SAE 15W-40 formulados com leos bsicos minerais comuns. Os

resultados comparam o desempenho dos leos nos trechos urbano, rural e estrada do ciclo

padro de ensaio ETC. As formulaes contendo PAO apresentaram uma reduo

significativa na emisso de particulados em relao s formulaes com leos minerais

23

comuns e de alto ndice de viscosidade. Em comparao com os leos SAE 15W-40, os SAE

5W-30 demonstraram uma economia de combustvel mdia de 2%.

An et al (2002) examinaram aplicaes de tecnologias otimizadas julgadas

economicamente viveis para a reduo do consumo de combustvel. O trabalho avalia o

potencial tcnico, os custos e benefcios do aumento da economia de combustvel em

caminhes de servio leve nos prximos 5 a 10 anos nos EUA. Os autores identificaram

caminhos tecnolgicos para melhorar significativamente a economia mdia de combustvel da

frota para 11,5 km/L ou mais. Suas anlises tambm mostram que a economia de combustvel

pode ser ainda maior se tecnologias mais avanadas forem adotadas. Esses resultados so

importantes para o controle da demanda de petrleo e do efeito estufa. Em todos os casos, os

benefcios podem ser atingidos com um aumento mnimo no preo e mantendo-se a segurana

e desempenho do veculo.

Tseregounis e McMillan (2002) usaram o Federal Test Procedure (FTP) da

Enviromental Protection Agency (EPA) para medir a taxa de deteriorao da economia de

combustvel em dois veculos equipados com motores de 3,1 litros e 6 vlvulas. Dois leos

lubrificantes de motor foram testados: um leo SAE 5W-20, com aditivo modificador de

atrito a base de molibdnio e, um leo SAE 5W-30, com um pacote de aditivos detergente e

dispersante balanceado e otimizado, alm da adio de um modificador de atrito orgnico. Os

leos e os motores foram envelhecidos por mais de 13 000 km (simulando um trajeto dentro e

fora da cidade), e as caractersticas de economia de combustvel de cada par leo-veculo

foram avaliadas segundo o FTP a cada 1600 km. Ambos os leos apresentaram uma baixa

taxa de deteriorao da economia de combustvel com o acmulo de quilometragem. A

anlise dos leos usados indicou que, aps o acmulo de 13 700 a 14 300 km, os mesmos

ainda no haviam atingido um significativo nvel de oxidao, no tendo alcanado o fim de

suas vidas teis. A falta de oxidao representativa e o espessamento do leo usado devem-se

em boa parte baixa taxa de deteriorao da economia de combustvel. Segundo os autores,

isso tambm um indicativo da avanada qumica dos leos lubrificantes utilizados.

Comfort (2003) fez uma reviso da literatura sobre a caracterizao do atrito em

motores diesel. O trabalho tambm teve como objetivo analisar cada sistema mecnico do

motor, destacando alguns dos fenmenos chaves na gerao do atrito. O autor acrescenta

ainda que o conhecimento das fontes e regimes de lubrificao importante no apenas para o

fabricante do motor e o formulador do lubrificante, mas tambm para o rgo que define a

especificao do leo, procurando otimizar a eficincia energtica do veculo.

24

A discrepncia entre o consumo de combustvel informado na etiqueta dos veculos

novos e aquele realmente atingido pelos consumidores vem atraindo cada vez mais ateno. A

EPA no modifica o seu procedimento de rotulagem desde 1985, entretanto, muito provvel

que a forma de dirigir nos Estados Unidos tenha mudado desde ento. Em seu artigo,

Rykowski et al (2005) enfatizaram a possvel adio de informaes sobre o consumo de

combustvel na etiqueta dos veculos, considerando um estilo de direo mais agressivo.

Nesse trabalho, um modelo do consumo de combustvel aplicado aos dados obtidos dos

ciclos FTP, High Fuel Economy Test (HFET) e US06, em 2001. So atribudos pesos a esses

trs ciclos de maneira a melhor representarem a forma de direo de cada veculo.

Avanados tratamentos de superfcie tm sido desenvolvidos como uma estratgia

para reduzir o atrito entre superfcies em movimento relativo. Testes de laboratrio mostraram

que alguns destes tratamentos podem resultar na reduo do atrito limtrofe. Embora existam

muitas aplicaes para esses tipos de tratamentos, a possibilidade de reduzir o atrito em

motores de combusto interna, devido chance de aumentar a economia de combustvel

desperta grande interesse. Fox (2005) utilizou simuladores para estimar a melhoria da

economia de combustvel utilizando tais tratamentos em motores similares aos usados em

caminhes pesados. Os resultados mostraram que se pode atingir um menor consumo de

combustvel, combinando-se a aplicao de um tratamento de superfcie com a reduo da

viscosidade do leo lubrificante. Entretanto, o autor ressalta que, para que a aplicao de

lubrificantes de baixa viscosidade seja vivel, necessrio um tratamento superficial para

aumentar a resistncia ao desgaste na mesma proporo do aumento da severidade do contato

metal-metal.

Murtonen e Sutton (2005) investigaram os efeitos dos lubrificantes automotivos na

economia de combustvel e na emisso dos gases de exausto. Sete lubrificantes diferentes

foram testados em um motor de um nibus de 9,6 litros, representando a tecnologia Euro II. A

diferena mdia do consumo de combustvel proporcionada pelo melhor e pior leo foi de

1,6%. Observou-se uma clara relao entre a viscosidade do leo lubrificante e o consumo de

combustvel. A diferena nas emisses de hidrocarbonetos e material particulado variou entre

0,6 e 22%.

Austin et al (2008) escreveram um artigo questionando as vantagens da adoo dos

padres estabelecidos pelo California Air Resource Board (CARB), em 2004, que exige uma

reduo de aproximadamente 30% na emisso dos gases do efeito estufa proveniente dos

veculos de passeio e caminhes leves. O trabalho discute a relao custo benefcio dessa

regulao sob o ponto de vista do consumidor e os seus efeitos nas mudanas climticas. Os

25

autores concluram que o custo incremental da tecnologia necessria para se alcanar os

limites estabelecidos, sem alterar o tamanho do veculo, estilo e desempenho, excede o valor

da economia de combustvel obtida durante a vida til do motor, assumindo-se que o preo da

gasolina, no futuro, reflita o seu custo marginal de produo. Alm disso, as estimativas do

impacto das emisses provenientes dos veculos so exageradas pelos modelos climticos que

atribuem aos gases do efeito estufa a maior parte ou todo o aquecimento global atual.

Aizura et al (2009) tentaram prever a economia de combustvel e, conseqentemente,

o impacto econmico e ambiental no setor de transporte da Malsia decorrentes da

implementao de uma especificao mnima para a economia de combustvel. Se

implementado em 2010, o programa economizaria 15 bilhes de litros de combustvel at o

final de 2018, alm de uma economia de 12 bilhes de dlares e uma reduo de 36 milhes

de toneladas de dixido de carbono. Devido aos avanos tecnolgicos, com o passar do tempo

haver um decrscimo natural do consumo de combustvel com ou sem a implementao de

uma especificao. Segundo os autores, em um cenrio onde os padres foram implementados,

aps oito anos e sem nenhuma reviso, a economia de combustvel gerada pelo programa ser

irrelevante. Os autores concluem que a implementao de um padro para a economia de

combustvel a melhor alternativa para a conservao de energia em um pas em

desenvolvimento como a Malsia.

26

3 FUNDAMENTOS TERICOS

A interao entre o lubrificante e o motor de combusto interna tem um papel

muito importante no controle do consumo de leo, afetando a economia de combustvel e o

nvel de emisses. Legislaes ambientais com limites de emisso de gases poluentes mais

restritivas, motores operando sob condies cada vez mais severas e a crescente preocupao

com a conservao dos recursos exigem lubrificantes com tecnologias cada vez mais

avanadas. So qualidades essenciais aos leos lubrificantes reduzir o atrito entre as

superfcies, proteger contra a corroso e o desgaste, dissipar o calor, ajudar na vedao e

facilitar a remoo de produtos indesejveis. A reduo do consumo de combustvel pode ser

alcanada a partir do uso de materiais leves, melhoria da combusto e reduo do atrito no

motor. Dentre as diversas formas de se reduzir o atrito, o uso de leos conservadores de

energia pode apresentar uma melhor relao custo-benefcio para a economia de combustvel

em comparao a mudanas no desenho do motor. Os leos lubrificantes acabados so

formulados a partir da mistura de leos lubrificantes bsicos e aditivos, que sero detalhados a

seguir.

3.1 leos Lubrificantes Bsicos

3.1.1 leos Bsicos Minerais

Os leos bsicos minerais so derivados do petrleo constitudos de hidrocarbonetos

que apresentam de 20 a 70 tomos de carbono. De acordo com a composio do petrleo que

os originou, podem ter caractersticas parafnicas, naftnicas ou aromticas. A natureza

qumica do leo bsico determinante para a sua aplicao. Dessa forma, no h sentido em

dizer que um leo melhor do que outro, apenas apresenta propriedades que o indica ou no

para determinado fim. A Tabela 3.1 compara algumas caractersticas dos leos bsicos e, em

virtude dessas, exemplos de utilizao.

Os leos parafnicos, por apresentarem um alto ndice de viscosidade, so

recomendados para servios sujeitos a grandes variaes de temperatura. Os leos naftnicos,

devido ao seu baixo ponto de fluidez, so usados na produo de leos lubrificantes para

equipamentos que operam a baixas temperaturas. J os leos aromticos, em funo das suas

caractersticas, no so indicados como matria-prima para a fabricao de lubrificantes.

27

Devido ao grande consumo de leos automotivos, a maior parte dos lubrificantes produzidos

de base parafnica.

Tabela 3.1: Principais propriedades dos trs tipos de leos bsicos (VALLE, 2007).

PROPRIEDADE PARAFNICOS NAFTNICOS AROMTICOS

ndice de viscosidade Alto Baixo Muito baixo

Ponto de fluidez Alto Baixo Baixo

Volatilidade Baixa Alta Muito alta

Poder de solvncia Baixo Alto Muito alto

Resduo de carbono Mdio (granular) Baixo (p) Alto

Exemplos de aplicao leos de motor,

turbina e hidrulico

Compressores de

refrigerao, fluidos

de corte e graxa

Fluido de processo

3.1.2 leos Bsicos Sintticos

Os leos bsicos sintticos so obtidos a partir de derivados do petrleo por processos

petroqumicos. Dessa maneira, tem-se um maior controle da estrutura e distribuio do peso

molecular, como pode ser observado na Figura 3.1, alm de total iseno de compostos

sulfurados e nitrogenados. Por serem obtidos a partir de reaes qumicas, os leos bsicos

sintticos conseguem unir propriedades de baixa volatilidade e baixo ponto de fluidez, devido

ausncia de molculas de baixo e alto peso molecular, respectivamente. Os leos bsicos

sintticos foram concebidos para atender as condies de operao cada vez mais severas. Seu

emprego, embora crescente, ainda limitado em funo do preo.

Figura 3.1: Distribuio do peso molecular dos leos bsicos minerais e sintticos (INFINEUM, 2009a).

28

3.1.3 Anlise de leos Lubrificantes

A portaria 129/99 da ANP, apresentada no anexo A, especifica os ensaios realizados

para o controle de qualidade dos leos bsicos comercializados em todo territrio nacional, de

origem nacional ou importados. Dentre as caractersticas dos leos bsicos destacam-se a

viscosidade e o ndice de viscosidade.

3.1.3.1 Viscosidade

Quando uma fora aplicada na placa superior da Figura 3.2, essa se movimenta com

velocidade constante em relao placa inferior, fixa. Considerando o fato de no haver

deslizamento do fluido nas paredes das placas, a fora aplicada equilibrada por uma fora

cisalhante produzida pela viscosidade do fluido. A razo entre essa fora cisalhante e a rea

da placa chamada de tenso de cisalhamento (), que produz um escoamento viscoso, uma

deformao no fluido e um gradiente de velocidade, que equivalente taxa de deformao

(FERREIRA, 2010).

A viscosidade () definida como a razo entre a tenso de cisalhamento e o grau de

cisalhamento (S), sendo, por vezes, denominada viscosidade dinmica ou absoluta (Eq. 3.1).

Sua unidade expressa no Sistema Internacional (SI) em pascal-segundo (Pas), que

corresponde exatamente a 1 (N.s)/m2 ou 1 kg/(ms) e, no Sistema CGS, em poise (P), sendo o

seu submltiplo, o centipoise (cP), mais comumente utilizado.

Figura 3.2: Modelo das placas paralelas (FERREIRA, 2009).

29

S

(3.1)

A Eq. 3.2 define a viscosidade cinemtica () como a razo entre a viscosidade

absoluta () e a massa especfica (). Sua unidade reportada em mm2/s ou centistokes (cSt).

(3.2)

Para produtos de petrleo, verificou-se que a relao entre viscosidade cinemtica e

temperatura segue a equao de Walther (Eq. 3.3), sendo a viscosidade cinemtica, em cSt,

T a temperatura, em Kelvin, e A e B as constantes especficas para cada leo. Essa equao

a base dos grficos de viscosidade versus temperatura, publicados pela American Society for

Testing and Materials (ASTM), que so representados por linhas retas em sistemas de

coordenadas com escala logartmica para leos derivados de petrleo (GUIMARES, 2007).

TBA log7,0log (3.3)

Um lubrificante com viscosidade constante, independente do esforo cisalhante ou da

taxa de cisalhamento, chamado de fluido newtoniano. Como exemplo, pode-se citar os leos

bsicos (minerais ou sintticos) e os leos automotivos aditivados do tipo monograu.

Entretanto, quando a viscosidade varia em funo da taxa de cisalhamento, o fluido

denominado no-newtoniano. O polmero melhorador do ndice de viscosidade converte o

leo bsico em um fluido no-newtoniano. Dessa forma, a viscosidade dos leos multigrau

diminui com o aumento da taxa de cisalhamento.

Para se medir a viscosidade de um leo lubrificante necessria a utilizao de

aparelhos especficos chamados viscosmetros, que podem ser classificados em dois tipos

principais: capilares e rotativos. Existem ainda outros tipos com princpios diferentes de ao.

Alguns exemplos so o viscosmetro saybolt, engler, redwood, hoppler, etc.

Os viscosmetros capilares medem a taxa de escoamento de um determinado volume

de fluido atravs de um pequeno orifcio a uma determinada temperatura. Esse escoamento

pode se dar por fora da gravidade, como no mtodo ASTM D445, utilizado para

determinao da viscosidade cinemtica a 40C e a 100C, ou por aplicao de presso de gs,

30

como na determinao da viscosidade a alta temperatura e alto cisalhamento (HTHS - High

Temperature High Shear), regulada pelo mtodo ASTM D4683.

Os viscosmetros rotativos so normalmente usados para a determinao da

viscosidade dinmica a baixas temperaturas. Utilizam o torque em um eixo rotativo para

medir a resistncia do fluido ao escoamento. Podem ser citados alguns equipamentos para

medir esse tipo de viscosidade, tais como: viscosmetro mini-rotativo (MRV - Mini Rotary

Viscometer) e viscosmetro Brookfield, porm o mais utilizado hoje nas indstrias o

simulador de partida a frio (CCS - Cold Cranking Simulator), que determina a viscosidade

aparente em uma faixa de 500 a 200 000 cP, operando em uma faixa de temperatura de 0C a

-40C. O CCS, regido pelo mtodo ASTM D5293, tem demonstrado uma excelente correlao

com os dados prticos em motores e utilizado pela classificao SAE J300 para determinar

os limites de viscosidade dos leos de motor multiviscosos e tambm dos lubrificantes que

atendem s especificaes de baixas temperaturas (BELMIRO, 2007).

A viscosidade influenciada pelas condies do local da aplicao: velocidade de

rotao do motor, presso exercida pela carga, temperatura, folgas entre as partes mveis e

acabamento superficial. Quanto maior a velocidade de rotao do motor e, conseqentemente,

das peas mveis, menor deve ser a viscosidade a fim de facilitar o movimento e evitar a

perda de carga. Quanto maior for a carga no motor, maior deve ser a viscosidade para poder

suport-la e, assim, evitar o rompimento da pelcula protetora formada pelo leo nas peas em

movimento. medida que a temperatura aumenta, o leo se torna menos viscoso. Para se

obter uma lubrificao ideal e evitar o rompimento da pelcula protetora nas peas,

necessrio que o leo consiga ajustar-se s variaes de temperatura. Os lubrificantes

automotivos multiviscosos possuem essa propriedade. Menores folgas entre os conjuntos

mveis exigem um leo de menor viscosidade, capaz de penetrar nas fendas. As peas com

melhor acabamento tambm exigem leos com menor viscosidade. O acabamento superficial

est muito ligado ao processo de fabricao das peas, fundio, usinagem e tratamento

superficial do material.

3.1.3.2 ndice de Viscosidade

Os leos lubrificantes tm a sua viscosidade reduzida quando aquecidos e aumentada

quando resfriados. O ndice de viscosidade (IV) um nmero emprico, determinado a partir

da viscosidade cinemtica a 40C e a 100C, para medir a variao da viscosidade do leo em

31

funo da variao da temperatura. A metodologia do teste encontra-se descrita no mtodo

ASTM D2270. Quanto mais alto o IV de um leo lubrificante, menor a variao da sua

viscosidade com a temperatura. Conforme pode ser observado na Figura 3.3, molculas mais

flexveis apresentam maior IV.

Figura 3.3: ndice de viscosidade (INFINEUM, 2009b).

Apesar de ser de uso corrente, o ndice de viscosidade apresenta algumas deficincias,

como ser baseado em um padro arbitrrio. A um leo cru da Pensilvnia foi atribudo o IV

de 100 e, ao leo da Costa do Golfo do Mxico, o IV 0 (zero). Alm disso, o IV no uma

propriedade aditiva, que permitiria por simples operaes aritmticas a determinao do valor

da mistura a partir dos valores dos componentes. Na Tabela 3.2 observa-se que o IV uma

caracterstica utilizada para identificar a natureza de leos minerais puros.

Tabela 3.2: ndice de viscosidade e a natureza dos leos bsicos (CARRETEIRO e MOURA, 1987).

NDICE DE

VISCOSIDADE

NATUREZA DOS LEOS BSICOS

IV < 0 leos de processamento de borracha, contendo aromticos e naftnicos

0 < IV < 40 leos minerais de base naftnica preponderante

40 < IV < 80 leos de base mista ou de base naftnica que tenham recebido

tratamento

80 < IV < 100 leo de base parafnica preponderante

32

3.1.4 Classificao dos leos Bsicos

Para efeitos das Diretrizes de Permutabilidade de leos Bsicos para leos de Motor

(API, 2009), os leos bsicos foram divididos em 5 grupos, do I ao V, em funo das suas

caractersticas fsicas e qumicas (Tab. 3.3 e 3.4). O cdigo de Prticas da Association

Technique de L'Industrie Europenne des Lubrifiants (ATIEL) acrescenta ainda o grupo VI.

Partindo-se do grupo I para o grupo II, observa-se uma melhora na estabilidade do leo bsico.

E, em direo ao grupo III, tem-se um aumento do ndice de viscosidade.

Tabela 3.3: Classificao dos leos bsicos (ZAMBONI, 2008).

TEOR DE

SATURADOS

(% peso)

TEOR DE

ENXOFRE

(% peso)

NDICE DE

VISCOSIDADE

Grupo I 90 0,03 80 a 119

Grupo II > 90 < 0,03 80 a 119

Grupo III > 90 < 0,03 120

Grupo IV PAOs (Polialfaolefinas)

Grupo V Todos os leos bsicos no includos nos demais grupos

(Ex.: steres sintticos/ leos naftnicos)

Grupo VI PIOs (Poli-internal Olefinas)

Tabela 3.4: Mtodos analticos usados para definio dos grupos (ATIEL, 2009).

Propriedade Mtodo de Anlise

Teor de Saturados ASTM D2007

Teor de Enxofre

ASTM D1552,

ASTM D2622, ASTM D3120,

ASTM D4927, ASTM D4294

ndice de

Viscosidade ASTM D2270

3.1.5 Rotas de Produo

Atualmente, existem no mundo trs tecnologias para a produo de leos lubrificantes

bsicos: rota solvente, hidrocraqueamento e GTL (gas-to-liquid). A rota solvente consiste nas

etapas de destilao atmosfrica, a vcuo e desasfaltao; desaromatizao, desparafinao e

33

Petrleo

Unidade de Destilao

Atmosfrica

Unidade de Destilao a

Vcuo

Unidade de Desasfaltao

a Propano

Asfalto

leos BsicosLubrificantes

Parafinas

Res

du

oA

tmo

sf

rico

Res

du

od

e v

cuo

Gas

le

oLe

ve

le

oA

rom

atiz

ado

leoDesaromatizado

le

oD

esp

araf

inad

o

Unidade de Desaromatizao

a Furfural

Unidade de Hidrotratamento

Unidade de Desparafinao

hidroacabamento (Figura 3.4). A etapa de destilao atmosfrica, a vcuo e desasfaltao

utilizada para selecionar as faixas de viscosidade apropriada de cada corte de bsico. A etapa

de desaromatizao usada para melhorar o ndice de viscosidade, atravs da eliminao dos

aromticos por extrao com solvente. A etapa de desparafinao empregada para melhorar

o ponto de fluidez atravs da retirada de parafinas, parafnicos normais lineares de alto peso

molcular. Finalmente, a etapa de hidroacabamento utilizada para eliminar os compostos de

enxofre, oxignio e nitrognio, conferindo ao leo bsico melhoria da cor e estabilidade

oxidao. Essa rota considerada obsoleta, porque capaz de gerar somente leos bsicos

enquadrados no grupo I da classificao API. Alm disso, a natureza e origem do petrleo

selecionado e a severidade do processo de refino so determinantes para a qualidade e

rendimento dos produtos finais.

Figura 3.4: Rota solvente para produo de leos bsicos lubrificantes (CERQUEIRA, 2004).

O hidrocraqueamento baseia-se na converso dos aromticos em naftnicos, quebra

dos naftnicos e fragmentao ou rearranjo das parafinas. O produto gerado possui melhores

caractersticas de ndice de viscosidade e estabilidade oxidao. Dessa forma, possvel a

obteno de leos bsicos que atendem aos critrios dos grupos II e III. A tecnologia GTL a

mais recente na indstria do petrleo. Resumidamente, a tecnologia GTL consiste em um

34

processo de transformao qumica que converte o gs natural em combustveis lquidos -

leo diesel e gasolina e em outros derivados, como nafta petroqumica e lubrificante de alto

ndice de viscosidade.

3.1.6 leos Bsicos Comercializados no Brasil

Em 2008, o volume de leos bsico circulado no pas foi de 1 324 000 m3. 19% dessa

quantidade foi proveniente das plantas de re-refino, 32% oriundos de importaes e os 53%

restantes, suprido pelas refinarias da Petrobras, sendo 71% desse montante pela Reduc, 18%

pela Rlam e 11% pela Lubnor (LIMA, 2009).

Os leos bsicos comercializados no Brasil so denominados de acordo com a portaria

129/99 da ANP (Tabela 3.5). Segundo a norma, a primeira letra da abreviao indica se o leo

Parafnico ou Naftnico e as letras seguintes resumem os nomes. A parte numrica expressa

a viscosidade cinemtica tpica a 40C. Nos leos cuja viscosidade a 40C maior do que 215

cSt, ou seja, nos leos PBS30, PBS33, PCL 45 e PCL60, usam-se os valores tpicos das

viscosidades cinemticas a 100C. Para a formulao dos leos lubrificantes automotivos

empregam-se predominantemente os seguintes bsicos: Neutro Leve, Neutro Mdio e Neutro

Pesado.

Tabela 3.5: Denominao dos leos bsicos comercializados no Brasil (ANP, 2009b).

LEO ABREVIAO

Parafnico Spindle 09 PSP 09

Parafnico Neutro Leve 30 PNL 30

Parafnico Neutro Mdio 55 PNM 55

Parafnico Neutro Mdio 80 PNM 80

Parafnico Neutro Pesado 95 PNP 95

Parafnico Bright Stock 30 PBS 30

Parafnico Bright Stock 33 PBS 33

Parafnico Turbina Leve 25 PTL 25

Parafnico Turbina Pesado 85 PTP 85

Parafnico Cilindro 45 PCL 45

Parafnico Cilindro 60 PCL 60

Naftnico Hidrogenado 10 NH 10

Naftnico Hidrogenado20 NH 20

Naftnico Hidrogenado140 NH 140

35

3.2 Aditivos

Os aditivos so compostos qumicos que, quando adicionados aos leos bsicos,

podem reforar, adicionar ou eliminar algumas de suas caractersticas. Dependendo do modo

de atuao, os aditivos podem ser divididos em trs grupos:

aditivos que modificam as propriedades fsicas do leos, como o abaixador do ponto de

fluidez, o melhorador do ndice de viscosidade, etc.;

aditivos cujo efeito final de natureza qumica, como os antioxidantes, agentes de

extrema presso; e

aditivos que atuam nas interfaces, por exemplo, leo-gua.

Para atender ao objetivo desse trabalho, apenas o melhorador do ndice de viscosidade

(MIV) abordado. Esses aditivos so polmeros de alto peso molecular, cuja cadeia principal

flexvel. A baixas temperaturas, as interaes entre as prprias cadeias dos polmeros so

mais intensas que as interaes entre o solvente, leo bsico, e as cadeias do polmero. Dessa

forma, o polmero adota uma configurao parecida de um novelo de l, de volume reduzido,

e que exerce pouca influncia na viscosidade do leo. Com o aumento da temperatura, as

interaes entre as cadeias do polmero decrescem e a estrutura enovelada se desfaz. Esse

processo de expanso consegue compensar o decrscimo da viscosidade do leo, provocado

pelo aumento da temperatura.

Figura 3.5: Comportamento do polmero Melhorador de ndice de Viscosidade (INFINEUM, 2009b).

36

Os compostos qumicos normalmente usados como MIV podem assim ser divididos:

hidrocarbonetos polimricos, polmeros contendo grupos steres e polmeros modificados. No

primeiro grupo esto o poliisobuteno, os copolmeros de etileno e propileno e tambm os

copolmeros de butadieno e estireno. Os polimetacrilatos e os poliacrilatos pertencem ao

segundo grupo, menos sensvel s variaes de temperatura do que o primeiro. E, por fim, no

ltimo grupo esto os polmeros com propriedades dispersantes devido introduo de

monmeros contendo grupos polares tais como: aminas tercirias, imidazols, pirrolidona,

piridinas, etc.

A adio do MIV ao leo bsico reduz a dependncia da viscosidade do leo com a

temperatura. Contudo, o MIV torna o leo um fluido no-Newtoniano, cuja viscosidade varia

com a taxa de cisalhamento. O cisalhamento causa a quebra das cadeias do polmero,

resultando em uma perda de viscosidade permanente.

3.3 leos Lubrificantes

Nos Estados Unidos, trs entidades, Society of Automotive Engineers (SAE), American

Petroleum Institute (API) e American Society for Testing and Materials (ASTM), se uniram

com o objetivo de desenvolver, em funo das necessidades da indstria automobilstica,

novas especificaes (Guimares, 2007).

Cada entidade desempenha um papel especfico. A SAE determina as necessidades e

publica as especificaes, a ASTM define os procedimentos dos ensaios e monitora os ensaios

de desempenho e, por fim, a API desenvolve a linguagem para os usurios, educa o

consumidor, outorga as licenas dos lubrificantes e monitora o desempenho no mercado.

3.3.1 Classificao API

O API elaborou especificaes que definem os nveis de desempenho que os leos

lubrificantes devem atender. Essas especificaes funcionam como um guia para a escolha

por parte do consumidor. Para os veculos com motores leves a gasolina, lcool, GNV e em

alguns pases diesel, atualmente esto em vigor os nveis API SJ, SL, SM. O "S" dessa sigla

vem da expresso Service Station, que significa posto de gasolina em ingls, a letra seguinte

define o nvel de desempenho do leo. A evoluo, em ordem crescente, da segunda letra est

diretamente relacionada com a melhoria da qualidade do leo lubrificante.

37

A primeira classificao a surgir, API SA, hoje obsoleta, consistia em um leo mineral

puro, sem qualquer aditivao. Atualmente, para atender a legislaes ambientais muito

restritas, o leo trabalha sob severas condies de temperatura e presso. Para suportar esse

ambiente, aditivos de tecnologias cada vez mais avanadas vm sendo incorporados a

formulao dos leos lubrificantes. Como resultado disso, em outubro de 2010 ser

implementada a mais nova classificao de leos lubrificantes para motores do ciclo Otto:

API SN.

No caso de motores pesados a diesel, as classificaes em vigor so API CF (vigente

at 31/12/2010), CH-4, CI-4 e CJ-4. O "C" vem da palavra Commercial em ingls, seguida de

uma letra que determina a evoluo dos leos, que pode ainda ser acrescida de um nmero,

para indicar o tipo de motor: 2 ou 4 tempos. interessante destacar que quando um leo com

classificao CH-4 recomendado, um leo API CI-4 tambm pode ser utilizado, porm o

contrrio no permitido. Isso ocorre porque o lubrificante API CI-4 superior ao CH-4. No

Brasil, a classificao mnima definida pela ANP a API CF. As montadoras brasileiras

requerem em seus manuais leos de classificao API CF at CJ-4, dependendo do ano e

modelo do veculo.

3.3.2 Classificao SAE

a classificao mais antiga para lubrificantes automotivos, definindo faixas de

viscosidade e no levando em conta os requisitos de desempenho. Os leos podem ser mono

ou multiviscosos conforme a especificao que atendem. Os leos multiviscosos se

distinguem atravs da letra W de winter, que significa inverno em ingls. A viscosidade

desses leos varia menos com a variao de temperatura. Dessa forma, na partida do motor, o

leo frio, conseqentemente mais viscoso, deve apresentar um limite mximo de viscosidade,

para garantir que o lubrificante seja capaz de fluir adequadamente e alcanar todas as partes

do motor, evitando, dessa forma, o atrito pea com pea. J a altas temperaturas, esse mesmo

leo deve possuir uma viscosidade mnima suficiente para uma manter a pelcula protetora

entre as partes metlicas. A Tabela 3.6 mostra a especificao definida pela SAE J300.

38

Tabela 3.6: Classificao de viscosidade SAE para leos de motor SAE J300 (Belmiro, 2007).

3.3.3 Cadeia de valor da produo de leo lubrificante

Figura 3.6: Complexidade do mercado brasileiro de leo lubrificante (BELMIRO, 2009).

A figura 3.6 mostra a relao entre os leos bsicos, os aditivos e o leo acabado, alm

do nmero de agentes envolvidos hoje em toda a operao. Apesar da complexidade do

negcio, estima-se que o mercado de leo lubrificante acabado cresa 2,5% ao ano at 2020

(LIMA, 2009).

39

3.3.4 Programa de Monitoramento da Qualidade de Lubrificantes

Uma das atribuies da ANP proteger os interesses dos consumidores quanto

qualidade dos derivados de petrleo comercializados em todo o territrio brasileiro, conforme

o Art. 8 da Lei n 9.478/1997, a Lei do Petrleo.

O Programa de Monitoramento da Qualidade dos Lubrificantes PMQL, lanado pela

ANP em 2006, tem como objetivo monitorar o mercado de leos lubrificantes para motores

automotivos, com vistas a proteger o consumidor final contra possveis fraudes, sendo uma

importante ferramenta para orientar aes de fiscalizao da ANP caso da verificao de no-

conformidades.

Avalia-se o Registro, Rtulo e Qualidade dos produtos amostrados.

a. Com relao ao registro, verifica-se a existncia de cadastro junto a ANP tanto

da empresa como do produto.

b. No rtulo verificado se existem as informaes requeridas na legislao

pertinente, bem como se esto colocadas de forma clara, no induzindo o

consumidor a um falso entendimento, com respeito origem e s

caractersticas do produto.

c. No que tange ao ltimo quesito, avalia-se a qualidade da amostra em

consonncia com os dados declarados e aprovados na ocasio do registro do

produto na ANP.

40

4 METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Neste captulo so apresentados os equipamentos e os procedimentos experimentais

adotados neste trabalho. Os experimentos foram divididos basicamente em duas partes:

preparo e caracterizao das amostras e testes dos leos lubrificantes em motor de combusto

interna. As amostras foram formuladas no laboratrio de tecnologia da Infineum Brasil Ltda.

Os testes em motor foram realizados no Laboratrio de Mquinas Trmicas da COPPE/ UFRJ.

4.1 Formulao das Amostras

Foram formuladas oito amostras de leos lubrificantes de diferentes viscosidades com

bsicos dos grupos I, III e IV (Tabela 4.1). Cada amostra continha 5 litros. As matrias-primas

o pacote de aditivos, o melhorador de ndice de viscosidade e os leos bsicos foram

pesadas em uma balana digital de capacidade 7500 g e resoluo 0,1 g. Devido diferena

de viscosidade entre os componentes e com o objetivo de facilitar a homogeneizao, o

processo de fabricao foi dividido em duas etapas. Primeiramente, o leo bsico e o MIV

foram misturados a 75C por 30 minutos. Em seguida, adicionou-se o pacote de aditivos e a

mistura final foi homogeneizada a 60C por mais 30 minutos. Utilizou-se uma temperatura

mais baixa na segunda etapa para evitar a degradao do ditioalquilfosfato de zinco contido

no pacote de aditivos. Durante o processo foram utilizados uma placa de aquecimento e um

agitador mecnico da marca Fisatom. O cumprimento do procedimento descrito acima

garantiu a estabilidade do leo.

Figura 4.1: Misturador utilizado para homogeneizao das amostras.

41

Tabela 4.1: Matriz da composio dos leos lubrificantes testados.

GRAU SAE MELHORADOR DE

ND. DE VISCOSIDADE

BSICOS

50 Sem adio de polmero Grupo I Mineral

40 Sem adio de polmero Grupo I Mineral

15W-40 Adio do polmero X,

menos estvel ao cisalhamento

Grupo I Mineral

15W-40

Adio do polmero Y,

mais estvel ao cisalhamento Grupo I Mineral

10W-40 Adio do polmero Y Grupo I + III Semi-Sinttico

5W-40 Adio do polmero Y Grupo III Sinttico

5W-30 Adio do polmero Y Grupo III Sinttico

0W-20 Adio do polmero Y

Grupo IV Sinttico

As amostras SAE 15W-40, SAE 40 e SAE 50 so leos lubrificantes minerais

formulados a partir de leos bsicos do grupo I. As amostras SAE 5W-30, SAE 5W-40 e SAE

0W-20 so lubrificantes sintticos, sendo a SAE 5W-30 e a SAE 5W-40 formuladas com

bsicos do grupo III e a SAE 0W-20, com bsicos sintticos do grupo IV. A amostra SAE

10W-40 um leo lubrificante semi-sinttico formulado a partir da mistura de bsicos dos

grupos I e III. Os lubrificantes SAE 15W-40 se distinguem pelo fato de que um deles, que

doravante identificaremos como SAE 15W-40 X, foi formulado com um polmero melhorador

do ndice de viscosidade menos estvel ao cisalhamento. O polmero X um copolmero

olefnico e o Y, um copolmero estireno dieno hidrogenado. O polmero Y contribui para uma

maior capacidade de espessamento. Para preservar o motor, respeitou-se o nvel de

desempenho do leo lubrificante exigido pelo fabricante do motor: API CH4. Dessa forma,

todas as amostras foram formuladas com a mesma proporo de aditivos, contendo

dispersante, detergente e antioxidante.

Em relao viscosidade (Tabela 4.2), com exceo das amostras SAE 40 e SAE 50

que so monoviscosas, todas as demais so multiviscosas. Foram verificadas as propriedades

viscomtricas de todas as amostras. Todos os resultados encontravam-se dentro das

especificaes para leos lubrificantes automotivos, conforme a tabela SAE J300.

A matriz dos leos lubrificantes foi desenhada de forma que a maioria dos leos

testados fosse enquadrada na mesma faixa de viscosidade a 100 C. Dessa maneira, seria

42

possvel diminuir o nmero de variveis, permitindo uma melhor avaliao do efeito do MIV

e dos bsicos sobre a economia de combustvel.

Tabela 4.2: Especificao da viscosidade dos leos lubrificantes testados.

AMOSTRA ESPECIFICAO

SAE 50 Monoviscoso 16,3 < Visc. Cin. 100C (mm2/s)

43

Figura 4.2: Vista lateral do motor e dinammetro.

Figura 4.3: Vista frontal do motor.

44

Tabela 4.3: Especificaes do motor utilizado nos experimentos.

PARMETRO VALOR

Dimetro do cilindro x curso do pisto [m m] 0,095 0,105

Cilindrada [m] 7,44 10-4

Razo de compresso 21:1

Potncia [kW]* 12,85 (3000 rev/min)

11,40 (2600 rev/min)

Torque mximo [N.m]* 42 (2400 rev/min)

Consumo especfico de combustvel [kg/( kW.h)] 0,247 a 3000 rev/min

4.2.2 Sistema de Aquisio de Dados do Motor

O sistema de aquisio de dados e controle de dinammetro fabricado pela Logs

Sistemas Eletrnicos Ltda. possibilitou a gravao dos dados coletados e a construo das

curvas de rotao, toque e potncia do motor em tempo real. Tais parmetros eram mantidos

constantes durante os testes. Caso o operador verificasse alguma oscilao nos valores, era

possvel efetuar a correo ajustando a corrente e a tenso eltrica enviada ao dinammetro. A

tela principal do software DinMon, verso 3, ilustrada na Fig. 4.4 abaixo. Sensores

instalados no crter, na sada do sistema de arrefecimento e na exausto do motor enviavam

continuamente para o software a presso do leo e temperaturas da gua de arrefecimento,

do gs de exausto e do leo.

* Potncia e torque determinados de acordo com a norma NBR ISO 1585 (ABNT, 1995). A potncia diminui

aproximadamente 1% a cada 100 m a partir de 300 m de altitude e aproximadamente 2% para cada 5C acima de

20 C de temperatura.

45

Figura 4.4: Interface do software usado para aquisio de dados.

4.2.3 Aparato para Medio do Consumo de Combustvel

A Figura 4.5 mostra o mecanismo desenvolvido para a medio do combustvel

consumido pelo motor. A massa de leo diesel era pesada em uma balana digital de

capacidade 4000 g e resoluo de 0,1 g. O leo diesel era injetado no motor atravs da

mangueira localizada no fundo do recipiente. O combustvel excedente retornava pela

mangueira superior. Para mitigar possveis oscilaes na balana, causadas pela turbulncia

do escoamento do fluido, a mangueira de retorno foi mergulhada no leo diesel no interior do

recipiente. O software para aquisio dos dados de consumo de combustvel possibilitou o

registro contnuo da variao da massa de leo diesel no recipiente sobre a balana, conforme

pode ser observado na Fig. 4.6.

46

Figura 4.5: Mecanismo para medio do consumo de leo diesel.

Figura 4.6: Software de monitoramento contnuo da massa de leo diesel sobre a balana.

47

4.3 Metodologia

4.3.1 Medio do Consumo de Combustvel

No incio de cada teste, as condies ambientes da sala temperatura, umidade

relativa e presso baromtrica eram registradas para obteno do fator de correo padro

SAE a ser aplicado na potncia lida. Antes da primeira rplica de cada amostra, adicionava-se

1,5 litros do leo lubrificante a ser testado para limpar o circuito de lubrificao do motor. O

motor era posto em operao durante aproximadamente 5 minutos e, em seguida, a quantidade

utilizada para remoo de resduos de leo lubrificante do teste anterior era drenada para um

recipiente de descarte. O objetivo desse procedimento era evitar possveis contaminaes com

o leo testado anteriormente. Em seguida, adicionava-se 2,5 litros do leo para iniciar o teste.

Aps a partida no motor aguardavam-se alguns minutos at que a temperatura do leo

no crter atingisse 60C. O motor era acelerado a uma rotao um pouco maior do que a

estipulada para o teste e, ento, atravs de um sistema eltrico aumentava-se a demanda de

corrente eltrica do dinammetro, aumentando-se o torque e, conseqentemente, diminuindo-

se a rotao do motor. A tenso e a corrente eltrica eram ajustadas at que se atingisse a

rotao e o torque definidos para o teste. Aps a estabilizao dos parmetros, registravam-se

as condies iniciais de teste: temperatura e presso do leo no crter, temperatura da gua na

sada e temperatura dos gases na exausto. S ento, dava-se incio ao teste propriamente dito.

A massa de combustvel na balana era registrada a cada 30 segundos. O intervalo de teste era

de, pelo menos, 5 minutos. O consumo especfico foi calculado pela massa de diesel

consumida em um intervalo de tempo dividido pela potncia corrigida. O resultado foi

expresso em g/(kW.h)

Ao finalizar a coleta de dados na primeira condio de torque e rotao (1500 rev/min

e 10 N.m), passava-se para a segunda (2000 rev/min e 20 N.m) e, posteriormente, para a

terceira (2500 rev/min e 30 N.m). Dessa forma, completava-se o teste da primeira amostra.

Todos os leos lubrificantes utilizados foram testados em triplicata e em uma ordem aleatria.

Aps trs amostras do mesmo leo lubrificante terem sido testadas nas trs condies de

torque e rotao, os circuitos de lubrificao eram drenados e o leo residual era

acondicionado. Ao se iniciar o teste de uma nova amostra, todo o procedimento descrito era

repetido.

Para garantir a reprodutibilidade do teste, definiu-se uma amostra como referncia

para ser testada no intervalo entre as diferentes amostras. Em virtude da quantidade disponvel

48

j existente, optou-se por utilizar um leo SAE 30, lubrificante monoviscoso, que no possui a

interferncia do melhorador de ndice de viscosidade e de baixa viscosidade, o que facilita o

seu manuseio.

4.3.2 Medio da Potncia de atrito

Para medir a potncia de atrito utilizou-se um mtodo conhecido como Mtodo da

Linha de Willans. Trata-se de um procedimento simples e eficaz, mas que somente pode ser

empregado em motores de ignio por compresso. De acordo com o mtodo, ensaiou-se o

motor a rotao constante, variando-se apenas a carga no eixo, e anotando-se o respectivo

consumo de combustvel. Nesta variao de carga anotou-se tambm o consumo com carga

zero, ou seja, a quantidade mnima de combustvel necessria para manter o motor em

operao (MOREIRA, 2000 apud SOUZA JR, 2009).

Figura 4.7: Linha de Willans (SOUZA JR, 2009).

49

5 RESULTADOS E DISCUSSES

Nesse captulo so apresentados os resultados e a anlise do desempenho dos leos

lubrificantes formulados com relao ao consumo de combustvel.

5.1 Viscosidade Cinemtica

Todas as amostras foram submetidas a testes de viscosidade. As anlises de

viscosidade cinemtica a 40 e 100 C foram realizadas de acordo com o mtodo ASTM D445.

Os resultados apresentados na tabela A.1 (anexo A) encontram-se dentro das especificaes.

Na curva de viscosidade versus temperatura, Figura 5.1, pde-se comprovar a reduo da

viscosidade dos leos com o aumento da temperatura. Observou-se tambm que as amostras

SAE 50 e SAE 40, monoviscosas, apresentaram a maior variao de viscosidade com a

variao de temperatura.

40 50 60 70 80 90 100

TEMPERATURA (oC)

10

100

20

40

60

80

200

400

8VIS

CO

SID

AD

E C

INE

M

TIC

A (

mm

2/s

)

SAE 50

SAE 40

SAE 15W40 X

SAE 15W40 Y

SAE 10W40

SAE 5W40

SAE 5W30

SAE 0W20

Figura 5.1: Curva de viscosidade versus temperatura das amostras formuladas.

50

5.2 Consumo Especfico de Combustvel

Com exceo da amostra SAE 0W-20, que provocou rudos no motor devido sua

baixa viscosidade, todas as amostras foram testadas trs vezes. As mdias foram calculadas

para as trs condies de rotao e torque descritas no Cap. 4, e so apresentados no Apndice

A. Os valores fora dos limites de trs desvios-padro foram considerados dbios e, portanto,

no foram levados em conta para o clculo do valor mdio.

As Figs 5.2 a 5.4 ilustram o consumo especfico das amostras para os valores de 1500

rev/min e 10 N.m, 2000 rev/min e 20 N.m e 2500 rev/min e 30 N.m. Cabe destacar que para

todas as condies, as amostras monoviscosas foram as que apresentaram o maior consumo

especfico.

SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE 50 40 15W40 15W40 10W40 5W40 5W30 0W20

320

330

340

350

360

370

380

SF

C (

g/k

W.h

)

X

Y

1500 rev/min10 N.m

Figura 5.2: Consumo especfico em 1500 rev/min e 10 N.m.

51


250

260

270

280

290

SF

C (

g/k

W.h

)

XY

2000 rev/min20 N.m



260

270

280

290

300

310

SF

C (

g/k

W.h

)

XY

2500 rev/min30 N.m


A viscosidade HTHS a mais relevante para esse trabalho, pois, por ser medida a alta

temperatura e alto cisalhamento, a que melhor simula as condies de operao das partes

onde h maior atrito no motor. Nesse teste, o leo aquecido e submetido a uma alta presso

para penetrar pequenos espaos, se assemelhando a uma condio severa de trabalho do motor.

A figura 5.5 evidencia a relao entre o consumo de combustvel e a viscosidade

HTHS do leo lubrificante. O coeficiente de correlao R para estes dados 0,92, o que

indica que essas variveis esto estritamente relacionadas. O consumo de combustvel reduz

52

medida que a viscosidade HTHS diminui, concordando com os resultados encontrados por

Devlin et al (1998). Segundo eles, a reduo da viscosidade HTHS, do coeficiente de atrito

limtrofe e do coeficiente de presso-viscosidade resultam na reduo do consumo de

combustvel.

H uma especificao que define o limite mnimo para a viscosidade dinmica HTHS.

Abaixo desse valor, a pelcula de leo que protege as peas mveis do motor pode se romper.

O rudo ouvido no motor durante o teste da amostra SAE 0W-20 indica que tal situao pode

ter ocorrido, por esse motivo, optou-se por descartar o resultado dessa amostra no grfico.

3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2

VISCOSIDADE HTHS (g/m.s)

260

265

270

275

280

285

SF

C (

g/k

W.h

)

SAE 50SAE 40SAE 15W40 XSAE 15W40 YSAE 10W40SAE 5W40SAE 5W30

Figura 5.5: Relao entre consumo especfico e a viscosidade HTHS das amostras.

A Fig. 5.6 rene os resultados de consumo especfico de combustvel para todas as

fraes de torque estudadas. Verificou-se que o menor consumo de combustvel para todas as

amostras de lubrificantes ocorreu nas condies de 2000 rev/min e 20 N.m. Foi observado que

os resultados estavam concentrados em duas famlias distintas, que sero identificadas

doravante como famlias 1 e 2. Para comprovar essa hiptese, calculou-se o consumo

especfico mdio e a varincia populacional das duas famlias para cada condio de torque e

rotao. Dessa forma, pde-se constatar que se trata de dois conjuntos distintos, uma vez que

os seus intervalos de confiana no se sobrepunham. A famlia 1, formada pelas amostras

SAE 40 e SAE 50, apresenta um consumo de combustvel maior que a famlia 2, composta

pelas demais amostras de lubrificantes. As figuras 5.7 e 5.8 ilustram a relao entre o

53

consumo especfico e o torque para cada famlia. Dentro da mesma famlia, estatisticamente

falando, os resultados no apresentam diferenas significativas.

10 15 20 25 30

TORQUE (N.m)

260

280

300

320

340

360

380

SF

C (

g/k

W.h

)1500 1750 2000 2250 2500

VELOCIDADE DE ROTAO (rev/min)

SAE 50

SAE 40

SAE 15W40 X

SAE 15W40 Y

SAE 10W40

SAE 5W40

SAE 5W30

SAE 0W20

Figura 5.6: Consumo especfico das amostras de leo lubrificante.

As famlias apresentam uma importante caracterstica viscomtrica que as distingue:

as amostras SAE 40 e SAE 50, pertencentes a famlia 1 so monoviscosas, enquanto as

demais, pertencentes a famlia 2, so multiviscosas, ou seja, possuem em sua formulao o

aditivo melhorador de ndice de viscosidade. Esse resultado concorda com a observao de

Gunsel et al (1996), que afirmaram que o melhorador de ndice de viscosidade pode

influenciar o atrito devido formao de um filme viscoso na superfcie, facilitando a

transio do regime de lubrificao limtrofe para o elastohidrodinmico.

54

10 15 20 25 30

TORQUE (N.m)

260

280

300

320

340

360

380

SF

C (

g/k

W.h

)

1500 1750 2000 2250 2500


SAE 50

SAE 40

Figura 5.7: Consumo especfico das amostras de leo monoviscosas.

10 15 20 25 30

TORQUE (N.m)

260

280

300

320

340

360

SF

C (

g/k

W.h

)

1500 1750 2000 2250 2500


SAE 15W40 X

SAE 15W40 Y

SAE 10W40

SAE 5W40

SAE 5W30

SAE 0W20

Figura 5.8: Consumo especfico das amostras de leo multiviscosas.

Aps comprovar qualitativamente a diferena no consumo de combustvel entre as

amostras mono e multiviscosas, buscou-se a determinao quantitativa desse valor,

comparando-se o consumo especfico das amostras em relao amostra SAE 50 que

55

apresentou o maior consumo a 2000 rev/min e 20 N.m. A figura 5.9 demonstra essa anlise

comparativa.


-8.0

-7.0

-6.0

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

RE

DU

O D

E C

ON

SU

MO

(%

)

X

Y

2000 rev/min20 N.m

Figura 5.9: Reduo do consumo especfico em relao a amostra SAE 50.

5.3 Potncia de atrito

Para verificar a influncia do leo lubrificante no trabalho de atrito, selecionou-se uma

amostra de cada famlia, 1 e 2, e aplicou-se o mtodo da linha de Willans. O consumo

absoluto de combustvel foi analisado com 33, 66 e 99% do torque mximo a 2000 rev/min. A

extrapolao da curva define a potncia de atrito. A figura 5.10 demonstra os resultados dessa

extrapolao para as amostras SAE 50 e SAE 5W-30. Estas amostras foram escolhidas

porque apresentarem o maior e menor consumo de combustvel.

56

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

POTNCIA (kW)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

CO

NS

UM

O D

E C

OM

BU

ST

VE

L (

kg/h

)

-19.1 -9.5 0.0 9.5 19.1 28.6 38.2 47.7

TORQUE (N.m)

SAE 50

SAE 5W30

Figura 5.10: Mtodo da linha de Willans para as amostras SAE 50 e SAE 5W-30.

Analisando-se a extrapolao realizada nas curvas obtidas, percebe-se que a amostra

SAE 50, que possui maior viscosidade, exige mais energia para vencer o atrito das partes

mveis do motor que a amostra SAE 5W-30, consumindo mais combustvel para superar o

trabalho de atrito.

57

6. CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS

A seguir so sumarizadas as principais concluses obtidas neste trabalho e fornecidas

sugestes para trabalhos futuros.

As amostras de leo lubrificante apresentaram maior consumo de combustvel quando

testadas a 1500 rev/min e 10 N.m, ou seja, a baixa rotao e baixa carga. Nas condies de

2000 rev/min com 20 N.m e 2500 rev/min com 30 N.m os leos mostraram consumos

semelhantes, sendo ligeiramente mais alto nesta ltima condio.

Comprovou-se uma relao entre a viscosidade cinemtica do leo lubrificante e a

economia de combustvel. O consumo de combustvel diminui medida que a viscosidade

do leo lubrificante se reduz. Tal relao ainda mais notria com a viscosidade HTHS.

Em todas as condies de rotao e torque testadas, os lubrificantes monoviscosos, que

no possuem o aditivo melhorador de ndice de viscosidade em sua formulao,

apresentaram um consumo de diesel maior que os multiviscosos. Alm disso, nas

condies testadas, no foi possvel detectar diferenas estatisticamente significativas de

consumo entre os leos multiviscosos de diferentes viscosidades. Dessa forma, os

resultados de consumo especfico puderam ser agrupados em duas grandes famlias, a dos

leos monoviscosos e a dos multiviscosos.

Entre as amostras com mesmo grau de viscosidade formuladas com diferentes

melhoradores de ndice de viscosidade, o polmero com maior estabilidade ao

cisalhamento apresentou maior economia de combustvel em todas as condies de torque

e rotao.

A reprodutibilidade dos resultados da amostra de referncia testada entre os testes de cada

lubrificante demonstrou que os experimentos foram conduzidos em condies controladas.

A pior reprodutibilidade ocorreu na condio de baixa rotao e carga (1500 rev/min e 10

N.m), sem prejuzos validao dos experimentos, considerando inclusive que motores

diesel normalmente operam com cargas altas.

58

As sugestes para trabalhos futuros so:

Repetio do experimento adotando-se a norma ABNT NBR 1585 ou ABNT NBR 14486;

Utilizao de modelos distintos de motores, de tamanho e capacidade variada, para

generalizao dos resultados;

E, por fim, as medies de emisses de poluentes com cada uma das amostras de leo

lubrificante.

59

7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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