Contribuição da Tribologia para a Redução do Consumo

de Combustíveis e Emissões de Poluentes

Marcos B.Garcia1, João C.Godinho Mª

1, Gaston R. Spina Schweizer

2

1Energy Plus Treinamentos & Consultorias

2Repsol YPF Brasil S/A

E-mails: marcos@clickenergy.com.br, joao@clickenergy.com.br, grspinas@repsol.com

RESUMO

A escassez de petróleo e a busca por novas fontes de energia são hoje preocupações

globais, principalmente no que tange a crescente demanda e suas conseqüências no aumento

do consumo serão no futuro próximo os grandes desafios.

Novos desenvolvimentos em sistemas de engenharia vêm ocorrendo desde a segunda

metade do século, em uma constante busca por equipamentos mais duráveis, utilização de

combustíveis alternativos e tecnologias para atendimento das emissões de poluentes, todos

aliados para um menor impacto ambiental.

Neste trabalho serão apresentados estudos sobre a influencia do atrito nos

componentes de motores que revelam dados que determinam para onde vai à energia oriunda

da queima do combustível. Estima-se que 12% da energia avaliada nos veículos encontram-se

no contato dos pneus com o pavimento, o motor contribui com aproximadamente 62% da

perda mecânica dissipada principalmente por atrito.

Como os exemplos mais dramáticos estão nos parques automotivos, o conhecimento

tribológico vem contribuindo para a redução de perdas energéticas e da poluição com

perspectivas otimistas a âmbito mundial.

INTRODUÇÃO

Em todos os cantos do globo – na terra e nas águas, no gelo que se derrete e na neve

que desaparece, durante as secas e as ondas de calor, no olho do furacão e nas lágrimas dos

refugiados – vemos provas crescentes e inegáveis de que os ciclos da natureza estão passando

por profundas transformações [1]

.

O conceito de sustentabilidade ambiental refere-se às condições sistêmicas segundo as

quais, em nível regional e global as atividades humanas não devem interferir nos ciclos

naturais, em que se baseiam tudo o que a resiliência (que acumula energia) do planeta permite

e ao mesmo tempo, não devem empobrecer este capital natural, que deverá ser transmitido às

futuras gerações.

Após a revolução industrial no final do século XIX, os anos seguintes foram marcados

por agressões antropogênicas ao meio ambiente tornando-se mais evidente em relação ao

crescimento populacional e aumento no consumo per capita. As áreas de interesse neste

campo está sendo objeto de estudos e de muita preocupação, principalmente no tocante aos

impactos ambientais[2]

representado pela figura 1.

Figura 1 – Impactos ambientais e os danos acumulados

O processo de transformação de energia, no qual o homem utiliza as mais diversas

formas para realização de suas tarefas, ou seja, ele se beneficia da energia muscular animal

para tracionar carroças e arados; da energia elétrica para uma infinidade de afazeres,

principalmente na iluminação ambiente, e aquela proveniente do combustível fóssil, que

utiliza derivados de petróleo para propulsão de vários equipamentos.

Neste contexto, houve no final do século XIX uma crescente utilização dos

hidrocarbonetos em substituição as forças motrizes. Na década de 70, em meio a segunda

crise mundial do petróleo, o Brasil apresentou altas taxas de crescimento no consumo de

derivados de petróleo e também dava inicio ao Proálcool, no plano cruzado em 1986

(congelamento de preços) e nos cinco primeiros anos do Plano Real (1994 a 1998).

O baixo crescimento econômico e as substituições por fontes alternativas, inclusive a substituição de gasolina por álcool, são as causas do pouco ou nenhum aumento nos demais

períodos. A partir de 1999, o uso do gás natural em veículos passa a contribuir, também, para

a redução do consumo de derivados. Em 2007, o consumo final de derivados de petróleo,

excluindo-se o uso nos centros de transformação, apresentou crescimento de 4,5%. No ano

seguinte (2008) foi regulamentada pela ANP e iniciou a adição de 2% de biodiesel no diesel.

A figura 2 apresenta a evolução do consumo setorial dos derivados de petróleo, que

indica o setor de transportes como o segmento mais importante representando 50,5% deste

consumo, seguido pela indústria que incluindo o setor energético responde por 19,1% [3]

.

bep – barril equivalente de petróleo (6,28981 barris = 1 m3)

Figura 2 - Consumo dos Derivados de Petróleo por Setor, Brasil 1970 a 2007

Atualmente em todo mundo, grandes pressões sobre o consumo de combustíveis são

exercidas por conta do efeito estufa e do aquecimento global proveniente principalmente pela

emissão de CO2, como indicado na figura 3.

tep – tonelada equivalente de petróleo

1 tep = 7,04 bep = 0,848 m3 de óleo diesel = 0,891m

3 de lubrificante

1 tep = 10 Mcal/kg = 11,63x103 KWh

Figura 3 - Indicadores de Emissões de CO2 e de Energia – Brasil e Mundo 2006

O panorama energético global 2006 indica que os grandes consumidores per capita de

petróleo (tep/hab) foram os Estados Unidos seguido por Austrália e OECD,

conseqüentemente também tiveram uma maior contribuição na emissão de CO2 por

habilitante. Na relação tCO2/ tep, a Austrália e a China se destacam possivelmente devido a

outras fontes de energia, como a produção de lenha/carvão vegetal e a expansão das fronteiras

agrícola e pecuária[4]

.

Diversas estratégias tecnológicas estão sendo adotadas em todo o mundo visando a

redução dos níveis de CO2 (2012 target 120 g/km), algumas são:

• Restrição no uso de veículos (rodízios)

• Combustíveis alternativos

• Otimização na eficiência do Powertrain

• Melhoria no peso, aerodinâmica e perdas por atrito

A Tribologia e a Redução do Atrito

Por volta de 1966 na Inglaterra foi investigado e atribuído pelo Jost Committee uma

nova palavra derivada do grego, denominada tribologia formada pelo radical “tribos” que

significa esfregar mais o sufixo “logos”– estudo.

A primeira análise dos impactos econômicos usando os conhecimentos da tribologia

foi um marco na criação deste comitê, e seus valores estão indicados na figura 4. As perdas

econômicas totais estimadas na Inglaterra neste período seriam de 515 milhões de libras,

correspondendo a 0,5 % do PNB[5]

.

Figura 4 - Economias devidas à aplicação da tribologia no Reino Unido 1966

Trata-se de uma ciência interdisciplinar que estuda a interação de superfícies em

movimento relativo, considerando a condição de atrito, desgaste e como conseguinte a

lubrificação. O tema foi mais centralizado como um fator unificador através da aplicação dos

conhecimentos básicos para prever o comportamento de sistemas físicos, ou seja, de

tribosistemas que são utilizados na engenharia[6]

, representados pela figura 5.

(em milhões de libras)

Figura 5 – Exemplos de tribosistemas, configurações e estruturas elementares

As condições de desgaste e atrito do tribosistema são determinadas por alguns

parâmetros, nos quais a predominância de um ou outro depende das condições de

funcionamento (carga, velocidade e temperatura), das condições de interface (meio

triboquímico como a lubrificação, subprodutos da combustão e gradientes de temperatura) e

das condições estruturais (características geométricas, materiais e tratamentos superficiais) do

par tribológico ou triboelementos.

O exemplo clássico é a influencia da carga normal e da velocidade sobre os regimes de

desgaste, pois os mesmos influem na taxa de deformação plástica e temperatura induzida por

atrito nas superfícies, podendo modificar a constituição da microestrutura e também alterar a

propriedade mecânica das superfícies, ou ainda, interferir na taxa de oxidação superficial

quanto submetido a determinadas temperaturas [7]

.

A exigência do mercado com a regulamentação dos níveis de emissões e a

durabilidade dos motores está voltada para efeitos adversos que requerem a redução de atrito,

e também de outros quesitos como a vibração e ruídos.

Estudos sobre a influencia do atrito nos componentes de motores revelam dados que

determinam para onde vai a energia oriunda da queima do combustível. Estima-se que

aproximadamente 12% da energia avaliada encontra-se no contato dos pneus com o

pavimento, o motor contribui com 62% da perda mecânica dissipada, principalmente por

atrito[2]. De forma subjetiva, a proporção de perda total por atrito nos motores está

direcionada em 40% para o conjunto do pistão. A figura 6 indica a comparação das principais

categorias de perdas por atrito em motores 4 cilindros e 1.6 litros[8]

.

Figura 6 – Pressão média efetiva de atrito (fmep) para diferentes cargas e velocidades

de um motor automotivo 1.6 litros e 4 cilindros, com configurações de ignição SI e CI

A durabilidade do par tribológico anel-cilindro talvez seja um dos fatores que

determinam a vida efetiva dos motores, e as condições a que estão submetidos os anéis de

pistão torna este o componente mais complexo da câmara de combustão interna, devido as

altas solicitações na região do PMS (carga, velocidade e temperatura) e pela variação no

suprimento de óleo lubrificante, principalmente do anel de compressão alojado no primeiro

canalete do pistão.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A variação na espessura do filme de óleo lubrificante ao longo de um ciclo promove

alterações na condição de atrito dos anéis de pistão, variando o regime de lubrificação limite

(R1/2 boundary) até a hidrodinâmica (R3) como mostra a figura 7.

Regime 1, lubrificação limite [contato superficial]

Regime 2, lubrificação de filme fino [EHD]

Regime 3, lubrificação de filme espesso [HD]

Figura 7 – Diagrama de Stribeck e os regimes de lubrificação

O contato das superfícies (regime 1) envolve eventos tais como adesão, deformação

plástica, formação de junções, transferência de material (fragmentos) que resultam em

modificações da rugosidade superficial e conseqüentemente no aumento do coeficiente de

atrito.

Serão apresentados a seguir alguns estudos utilizando adequações no regime de

lubrificação.

1. Otimização da Topografia de Superfície

Na busca por uma lubrificação mais adequada que contribua para redução do desgaste

e da potencia dissipada, experimentos foram realizados com segmentos de aço inoxidável

martensítico (18%Cr) submetido a tratamento termoquímico de nitretação (gasosa), com

espessura que variam de 60 a 80 μm, e na seqüência foram efetuadas modificações na

topografia da superfície de contato, de modo que haja uma retenção mais eficiente do filme de

óleo em função da rugosidade (Rz).

Condições das topografias de superfícies:

a) Normal de Produção (NP) – retificado e lapidado; Rz 0,40 μm

b) NP + Jateamento úmido (1 ciclo); Rz 1,18 μm

c) NP + Jateamento + Reversão eletroquímica (5 min) + escovamento; Rz 1,41 μm

A característica da superfície após a modificação da topografia resulta em partículas

duras dispersas e salientes sobre a matriz martensítica, formando plates e depósitos que visam

a melhoria da lubrificação e retenção de fragmentos de desgaste, principalmente no período

de amaciamento (break-in). A figura 8 apresenta o aspecto de uma superfície modificada

através da imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV).

Figura 8 – Aspecto superficial da topografia modificada de aço inoxidável

martensítico (18%Cr), observa-se os carbonetos de cromo em relevo[8]

Os experimentos com as três condições de topografias foram ensaiados em um

tribometro, com geometria tipo block on ring modificado para fixar o segmento de

aproximadamente 10 mm, contra um anel padrão de ferro fundido cinzento perlítico similar

aos utilizados em cilindros de motor, retificado com uma rugosidade média de Ra 0,6 μm e

com as seguintes configurações indicadas abaixo (tabela I).

Tabela I – Características do anel padrão

Ensaio Condição de Tratamento Dureza (HB) Lubrificação (SAE 15w40)

Atrito Bruto de fundição 225 3 gotas na partida

Desgaste Temp. revenido 315 parcialmente submerso

As figuras 9 e 10 apresentam o comportamento dos ensaios de atrito e desgaste.

Figura 9 – O gráfico indica os valores das forças de atrito e

cargas aplicadas para as três condições de superfície

Figura 10 – Apresenta o gráfico com os valores de desgaste (perda de massa)

das três condições de superfície e dos respectivos anéis padrões

2. Lubrificantes Fuel Economy

Os óleos lubrificantes denominados “fuel economy”são produzidos com óleos básicos

específicos (semi ou totalmente sintéticos) e modernas tecnologias de aditivos, que conferem

algumas características para a redução de atrito dos componentes contidos nos motores, e

utilizados em várias aplicações.

As categorias dos lubrificantes indicados para redução do consumo de combustível são

consideradas de baixa viscosidade, ou HTHS (high temperature and high shear) que trata da

medição da resistência do fluido sob determinadas condições de fluxo similares aos da câmara

de combustão interna, e para determinadas aplicações usa-se também o baixo SAPS

(sulphated ash, phosphorus and sulphur).

Os ensaios foram realizados em motor padrão FE (light diesel engine) seguindo a

metodologia ASTM, sendo o procedimento CEC L3 A90 para determinação do desgaste dos

anéis de pistão e o CEC L54 T96 aplicado para medição da economia de combustível. A

condição de teste para os lubrificantes foi baseada na ACEA sequence testing oil e a redução

do combustível determinada a partir de um lubrificante de referencia.

A figura 11 apresenta um gráfico com resultados da combinação dos ensaios de

desgaste de segmentos de pistão e economia de combustível, em relação ao HTHS

Figura 11 – Variação de HTHS em relação ao desgaste de

segmento de pistão e na economia de combustível

CONSIDERAÇÕES GERAIS

Na região metropolitana de São Paulo, no sudeste do país estão concentrados os

maiores consumidores de derivados de petróleo, agora privilegiado pela proximidade com as

reservas descobertas recentemente no campo de Tupi, localizada a cerca de 7 mil metros

abaixo da linha d'água, em rochas denominadas pré-sal que abrangem as Bacias do Espírito

Santo, Campos e Santos, considerada como uma das mais importantes do mundo.

Estudos preliminares apontam que as reservas de petróleo e gás do país, que somam

hoje 14 bilhões de barris, receberão um acréscimo de pelo menos 50%. A meta da Petrobras é

iniciar a produção a partir de 2010, com um projeto-piloto de 100 mil barris por dia. Esse

volume equivale atualmente a 5% da produção nacional.

[mPas]

No caso do segmento off-shore para produção de gás e óleo, as plataformas marítimas

retiram o petróleo dos poços através de tubos rígidos (risers) e flexíveis que são responsáveis

pelo transporte da produção de cerca de 700 mil barris por dia. A degradação por desgaste e

corrosão de equipamentos e componentes metálicos transformou-se em um sério problema da

indústria off-shore.

Nos risers, o componente mais critico são as ponteiras que conectam os tubos rígidos

no sistema caixa-pino, onde um eventual riscamento nesta pode resultar em perda de

estanqueidade do sistema hidrostático (até 3000 psi), e pode determinar a retirada de toda

coluna lançada ao mar para substituir o componente danificado, com um custo diário de

manutenção de aproximadamente US$ 50.000,00.

Evidencia de ações tribológicas estão presentes em diversos segmentos da cadeia

produtiva, e em todo ciclo do petróleo desde as perfurações em poços seguido pelo transporte

até as refinarias, os vários processos de transformação e de uma logística gigantesca, e na

mesma proporção vem contribuindo com o aumento da emissão de poluentes e também na

ação de descarte dos subprodutos indesejáveis ao meio ambiente.

As tabelas 2 e 3 apresentam algumas estimativas que foram realizadas visando prever

as perdas econômicas devido ao atrito e suas respectivas proporção de CO2 que poderão ser

emitidos na região metropolitana de São Paulo[10]

.

Tabela 2 – Perdas econômicas devidas ao atrito

nos veículos da frota da cidade de São Paulo.

Tabela 3 – Nível de CO2 emitidos por veículos em São Paulo

Nesta análise não está sendo considera a contribuição de poluentes como os compostos

de nitrogênio, hidrocarbonetos e monóxido de carbono, uma vez que a formação e liberação

destes estão relacionados a eficiência da combustão e não na eficácia dos sistemas mecânicos.

Estima-se que uma redução de 10 % no atrito de acionamento do automóvel resultaria

em até 3% de economia de combustível. Por outro lado, considerando imediatas melhorias em

torno de 20 % baseado apenas nos conhecimentos disponíveis, a economia seria na casa de

300 milhões de reais por ano, para reduzir a emissão de CO2 em 37.500 toneladas apenas na

cidade de São Paulo.

As tendências tecnológicas e o vasto campo de atuação dos tribologistas assim como

de outras áreas envolvidas no escopo da engenharia de superfície indicam atenção especial

para os componentes que são submetidos ao regime de lubrificação misto (boundary),

principalmente no período de amaciamento. Assim como a determinação de limites para os

diagnósticos de óleo lubrificante ao longo da vida dos sistemas de engenharia, responsável

pela confiabilidade de muitas frotas e equipamentos de competição.

CONCLUSÃO

• A demanda crescente por energia e as conseqüências no aumento de consumo serão

nos próximos anos um grande desafio para a sustentabilidade do planeta. A

politização aliada ao consumo e aos elevados preços do petróleo poderão tornar o

sistema altamente vulnerável.

• A poluição urbana e a chuva ácida são danos ambientais locais e regionais causados principalmente pela queima de combustíveis fosseis oriundos dos transportes de

cargas e passageiros. As motocicletas também foram responsáveis pela metade da

emissão de monóxido de carbono na região de São Paulo, em 2006.

• O conhecimento da tribologia associado a outros recursos tecnológicos vem

apresentando uma promissora contribuição na permanente busca pela redução do

consumo de combustíveis e emissão de CO2.

• O grande desafio na busca pela redução do atrito em componentes veiculares

submetidos a movimentos relativos estão voltados principalmente para os sistemas

motor e de transmissão, e seus respectivos regimes de lubrificação.

• A adequação das características de cada parâmetro, visando a melhoria no comportamento dos pares tribológicos durante o período de amaciamento e ao longo

da vida do motor, vem utilizando testes acelerados ou de bancada como uma sugestão

rápida e de baixo custo no desenvolvimento de novos componentes, assim como a

abordagem de motor downsized.

A utilização de partículas duras dispensas na matriz dos materiais e tratamentos

superficiais, associadas a uma determinada topografia de contato manifesta-se como

uma alternativa interessante para a redução do desgaste e atrito.

Para esclarecimentos adicionais, contatar:

AEA - Associação Brasileira de Engenharia Automotiva

Rua Salvador Correia, 80 - Aclimação

São Paulo - SP - 04109-070

Tel.: (011) 5575-9043 – Ramal 25

E-Mail: eventos@aea.org.br

REFERÊNCIAS

[1] GORE, Al – Livro: Uma verdade inconveniente, Editora Manole, 2006

[2] GOLDEMBERG, J.; VILLANUEVA, L. D. Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento,

2ª edição, 2003.

[3] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA; Balanço Energético Nacional 2008, ano base

2007, Disponível em http://www.mme.gov.br

[4] BASE DE INDICADORES; Estimado pelo Painel Intergovernamental de Mudanças

Climáticas (IPCC) e Agência Internacional de Energia (IEA) 2006

[5] DOWSON, D. History of Tribology, London: Longman, 1979

[6] BLAU, P. J. Metals Handbook v. 18: Friction Lubrication and Wear Technology.

Ed.Philadelphia: ASM International, 1995

[7] GARCIA, M.B.; AMBRÓZIO Fº, F.; VATAVUK, J.;Wear Mechanisms Behavior of

Different Surface Treatment Piston Rings, São Paulo SAE 2003-01-3589

[8] HEYWOOD, J.B.; Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Ed. 1988

[9] GARCIA, M.B.; Anel de pistão e processo de obtenção, patente INPI PI9702729-4ª

depositada em 1997

[10] de PAOLA, J. C. C. Análise ambiental de aços forjados. 2004. 140 f. Tese (Doutorado

em Engenharia) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.