Efeitos Do Lubrificante e Aditivos Na Economia (1)
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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
EFEITOS DO LUBRIFICANTE E ADITIVOS
NA ECONOMIA DE COMBUSTVEL DIESEL
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
EFEITOS DO LUBRIFICANTE E ADITIVOS
NA ECONOMIA DE COMBUSTVEL DIESEL
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
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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]
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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
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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.
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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.
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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).
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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).
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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,
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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
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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
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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
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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
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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
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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).
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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.
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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
SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE 50 40 15W40 15W40 10W40 5W40 5W30 0W20
250
260
270
280
290
SF
C (
g/k
W.h
)
XY
2000 rev/min20 N.m
Figura 5.3: Consumo especfico em 2000 rev/min e 20 N.m.
SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE 50 40 15W40 15W40 10W40 5W40 5W30 0W20
260
270
280
290
300
310
SF
C (
g/k
W.h
)
XY
2500 rev/min30 N.m
Figura 5.4: Consumo especfico em 2500 rev/min e 30 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
VELOCIDADE DE ROTAO (rev/min)
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
VELOCIDADE DE ROTAO (rev/min)
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.
SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE SAE 50 40 15W40 15W40 10W40 5W40 5W30 0W20
-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
AIZURA, A. B.; MAHLIA, T. M. I.; MASJUKI, H. H. Potential fuel savings and emissions
reduction from fuel economy standards implementation for motor-vehicles. Clean
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API American Petroleum Institute. API 1509, Apndice E, 2009. Disponvel em: . Acesso em: 28
de dez. 2009
ATIEL Association Technique de L'Industrie Europenne des Lubrifiants. Cdigo de Prticas, 2009. Disponvel em: . Acesso em: 29 de dez. 2009
AUSTIN, T.C.; CARLSON, T. R.; LYONS, J.M. The Benefits of Reducing Fuel
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