ct_ppgem_m_pereira, flavio marcos de melo_2015.pdf

UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA E DE MATERIAIS

FLVIO MARCOS DE MELO PEREIRA

ESTUDO DA DEGRADAO DO LEO LUBRIFICANTE EM MOTORES

ALIMENTADOS COM BIODIESEL B100

DISSERTAO

CURITIBA

2015


ESTUDO DA DEGRADAO DO LEO LUBRIFICANTE EM MOTORESALIMENTADOS COM BIODIESEL B100

Dissertao apresentada como requisito parcial

para a obteno do ttulo de Mestre em Engenha-

ria, do Programa de Ps-Graduao em Engenha-

ria Mecnica e de Materiais, rea de Concentra-

o em Engenharia Trmica, do Departamento

de Pesquisa e Ps-Graduao, do Cmpus de

Curitiba, da UTFPR.

Orientador: Prof. Jos A. A. Velsquez Alegre, Dr.

CURITIBA

2015

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao

P436e Pereira, Flvio Marcos de Melo

2015 Estudo da degradao do leo lubrificante em motores

alimentados com biodiesel B100 / Flvio Marcos de Melo Pereira

.-- 2015.

145 f.: il.; 30 cm

Texto em portugus, com resumo em ingls.

Dissertao (Mestrado) - Universidade Tecnolgica Federal do

Paran. Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica e de

Materiais, Curitiba, 2015.

Bibliografia: f. 126-131.

1. Biodiesel. 2. leos lubrificantes - Biodegradao. 3.

leos lubrificantes - Viscosidade. 4. Motor diesel - Desempenho.

5. Desgaste mecnico. 6. leos vegetais como combustvel. 7.

Impacto ambiental. 8. Transportes coletivos - Curitiba (PR)

Estudo de casos. 9. Engenharia mecnica - Dissertaes. I.

Velsquez Alegre, Jos Antnio Andrs, orient. II. Universidade

Tecnolgica Federal do Paran - Programa de Ps-graduao em

Engenharia Mecnica e de Materiais. III. Ttulo.

CDD 22 620.1

Biblioteca Central da UTFPR, Cmpus Curitiba

TERMO DE APROVAO


ESTUDO DA DEGRADAO DO LEO LUBRIFICANTE EM MOTORESALIMENTADOS COM BIODIESEL B100

Esta Dissertao foi julgada para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia, rea de

concentrao em Engenharia de Cincias Trmicas e aprovada em sua forma final pelo

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica e de Materiais.

Prof. Paulo Csar Borges, Dr.

Coordenador do Programa

Banca Examinadora

Prof. Jos A. A. Velsquez Alegre, Dr. Eng.

UTFPR

Prof. Ricardo Diego Torres, PhD.

PUC-PR

Prof. Cludio R. vila da Silva Jr, Dr. Eng.

UTFPR

Curitiba, 27 maio de 2015

AGRADECIMENTOS

A Deus por me proporcionar sade e fora para concretizar mais esta etapa de minha

vida.

minha querida esposa Glria pelo apoio e incentivo a cada escolha tomada.

Aos meus queridos filhos Flvio e Camilla por simbolizarem a necessidade das decises

tomadas.

Aos meus pais Marina (in memoriam) e Accio, que com gestos e atitudes simples

indicaram para mim os caminhos da oportunidade na vida.

Ao meu orientador Prof. Dr. Jos A. A. Velsquez Alegre pela maturidade expressa na

conduo de sua orientao e simplicidade na transmisso de seus conhecimentos.

Ao Professor Jorge Luiz de S Riechi pelo incentivo e auxlio no step inicial deste

trabalho.

Aos meus amigos: Jairo Lavarda e Leon Peres pelo companheirismo e amizade, que

contribuem com o meu crescimento de diferentes maneiras.

Auto Viao Redentor Ltda, em especial aos colaboradores Jos Carlos Travain e

Ricardo Alexandre Magalhes de Abreu.

Chevron do Brasil lubrificantes Ltda., em especial ao colaborador Silvio Riolfi Junior.

Nrdica Veculos S.A., em especial ao colaborador Valdecir de Oliveira.

URBS - Urbanizao de Curitiba S.A., em especial ao colaborador Elcio karas.

Volvo do Brasil Ltda., em especial aos colaboradores Andr Klostermann, Juscelino A.

Teixeira e Lus Ronconi.

Meus agradecimentos tambm a todos os colegas de trabalho da AGERGS, familiares,

amigos e alunos que, de alguma forma, contriburam e torceram pela concluso deste

trabalho.

RESUMO

A crescente preocupao com a poluio ambiental nos centros urbanos tem motivado

a adoo de medidas que visam a reduzir o impacto que os agentes poluidores causam.

Na cidade de Curitiba, PR, esta preocupao levou os rgos reguladores do transporte

urbano a fomentar o uso do biodiesel B100 como combustvel para um conjunto de 34

nibus da frota da cidade. Entretanto, a adoo desta medida trouxe a necessidade de

garantir a vida til dos motores, o que foi feito definindo-se um plano de manuteno

muito mais conservador que o usual, e que previa a troca do leo lubrificante com o

dobro da frequncia normalmente praticada. A proposta deste trabalho de mestrado foi

a de fazer um estudo que possa subsidiar cientificamente a definio da frequncia de

troca do lubrificante nos veculos abastecidos com biodiesel B100 no transporte urbano

de Curitiba. Para isto, ao longo de um perodo de 18 meses, o lubrificante desses veculos

foi periodicamente analisado, a fim de caracterizar a evoluo de seu estado, bem como

a degradao de seu desempenho pelo o uso em conjunto com o biodiesel B100. Para

obter uma representatividade estatstica, tais anlises foram feitas em uma populao de

sete veculos, quatro dos quais eram alimentados com biodiesel B100 e trs com leo

diesel convencional, sendo que estes ltimos serviam como referncia para comparao.

As caractersticas do lubrificante que foram levadas em conta durante o estudo incluem a

viscosidade, a basicidade, a acidez, a oxidao, a contaminao por fuligem, a contaminao

por compostos nitrogenados, a contaminao por gua, bem como os teores de ferro,

chumbo, alumnio, cobre, cromo, silcio e molibdnio, elementos estes que tipicamente

provm do desgaste de componentes do motor. O estudo permitiu identificar a viscosidade

como a caracterstica que mais se degrada com o envelhecimento do lubrificante pelo seu

uso concomitante com o combustvel B100. Assim, este parmetro foi o fator determinante

para caracterizar, com base nos resultados obtidos no estudo, que a vida til do lubrificante

deve ser de 9.900 km para o caso de veculos biarticulados, e de 13.100 km para os veculos

articulados. Cumpre ressaltar que a realizao deste estudo s foi possvel pelo interesse

e pela colaborao das empresas que juntamente com a UTFPR fizeram parte do projeto

LUB-B100: Chevron Brasil Lubrificantes (fabricante de leos lubrificantes), Volvo do Brasil

(montadora de nibus), Auto Viao Redentor (permissionria do transporte urbano de

Curitiba), Nrdica Veculos S. A. (concessionria de veculos) e URBS Urbanizao de

Curitiba S. A. (fiscalizadora e reguladora do transporte urbano coletivo de Curitiba).

Palavras-chave: Biodiesel B100; Degradao do leo lubrificante em motores diesel; An-

lise do desempenho de lubrificantes para motores; Vida til do lubrificante para motores.

ABSTRACTA STUDY OF LUBRICANT OIL DEGRADATION IN ENGINES FUELED WITH BIODIESEL

B100.

The increasing levels of pollution in urban centers have induced the adoption of mitigating

measures in order to reduce negative consequences. In Curitiba, Southern Brazil, the office

that regulates urban passenger transport in the city has promoted the use of pure biodiesel

(B100) as fuel for a fleet of 34 buses. However, as this measure was put into practice,

concerns related to a possible reduction of engine service life were raised, thus forcing

the vehicles-owner companies to adopt a conservative maintenance plan, which doubled

the frequency of lubricant oil replacement. This was the opportunity for the present study,

which aimed to define on a scientific basis the frequency of lubricant oil replacement in

engines fueled with biodiesel B100. In order to characterize both the evolution of lubricant oil

degradation, as well as the deterioration of lubricant performance due to the use of biodiesel

B100, samples of engine lubricant were collected and analyzed along 18 months. Additionally,

aiming to confer statistical representativeness to collected data, a population of 7 buses was

considered, four of these being fueled with biodiesel B100, while the other 3 with conventional

diesel fuel, thus the latter group served as a reference for comparisons. The following

parameters of the lubricant oil were measured and analyzed: viscosity, basicity, acidity,

oxidation, contamination by soot, contamination by nitrogenous substances, contamination by

water, as well as contents of iron, lead, aluminum, copper, chrome, silicon and molybdenum,

which are elements typically originated from the wear of metallic components. The conducted

study allowed to point out the viscosity as the lubricant parameter that is most sensitive to

concomitant use with biodiesel B100. Thus, this parameter was decisive to conclude that

based on measured data the service life of the lubricant should be 9900 km for bi-articulated

buses, and 13100 km for the articulated ones. It is worth mentioning that the completion of

this study became possible by virtue of the collaboration with those companies that took part

of the project named LUB-B100, together with the Federal University of Technology - Parana.

These companies are Chevron Brasil Lubrificantes (a lubricant maker company), Volvo do

Brasil (a bus manufacturer company), Auto Viao Redentor (a company that operates the

passenger urban transport in Curitiba), Nrdica Veculos S. A. (a Volvo dealership company)

and URBS Urbanizao de Curitiba S. A. (the office that regulates the urban passenger

transport in Curitiba).

Key-words: Biodiesel B100; Lubricant degradation in diesel engines; Analysis of lubricant

performance in diesel engines.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 2.1 Reao de transesterificao do biodiesel. . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 2.2 Emisses mdias do impacto do biodiesel para motores de servio pe-

sado em rodovias, em comparao ao diesel. . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figura 3.1 Coeficiente de atrito vs. parmetro de filme e regimes de lubrificao. . . 41

Figura 3.2 Os tipos de lubrificao encontradas em vrias partes de um motor. . . 42

Figura 3.3 A origem dos diferentes leos bsicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 3.4 Representao esquemtica de um fludo separando duas superfcies. . 54

Figura 3.5 Curvas lineares e duplas logartmicas da relao viscosidade-temperatura

Ubbelohde-Walther . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Figura 3.6 Viscosidade temperatura (ASTM D341) . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 3.7 Representao do indicador de viscosidade (IV). . . . . . . . . . . . . . 58

Figura 3.8 Variao linearizada da viscosidade com a temperatura para trs leos

lubrificantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Figura 3.9 Equivalncia aproximadas de viscosidade cinemtica e Saybolt de lubrifi-

cantes industriais e automotivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Figura 3.10Motores de ignio por compresso 4 tempos. . . . . . . . . . . . . . . 71

Figura 3.11Combusto e contaminantes do leo lubrificante. . . . . . . . . . . . . . 71

Figura 3.12Produo de borras na tampa de vlvulas. . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Figura 3.13Depsitos de pisto e travamento de anis. . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Figura 3.14Problemas do motor relacionado a seu sistema de lubrificao. . . . . . 74

Figura 4.1 Percurso das linhas de nibus pela cidade de Curitiba. . . . . . . . . . . 79

Figura 4.2 Etiqueta para rtulo da amostra coletada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura 4.3 Frasco para coleta de amostra com tampa adicional. . . . . . . . . . . . 85

Figura 4.4 Conjunto Frasco, mangueira e bomba de suco para coleta de amostra

de leo lubrificante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Figura 4.5 Etiqueta de identificao da amostra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura 4.6 Amostra de leo lubrificante identificada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura 4.7 Planilha de acompanhamento de coletas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura 4.8 Lubrificador preenchendo planilha de acompanhamento de coleta. . . . 87

Figura 4.9 Viscosmetro capilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Figura 4.10Espectros gerais de leo lubrificante novo e usado. . . . . . . . . . . . . 92

Figura 4.11Principio de funcionamento do RDE-AES. . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Figura 5.1 Mdia de fuligem encontrada em leos lubrificantes. . . . . . . . . . . . 101

Figura 5.2 Mdia da anlise da viscosidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Figura 5.3 Mdias de TAN e TBN na anlise do leo lubrificante. . . . . . . . . . . 103

Figura 5.4 Mdia da formao de nitratos no leo lubrificante. . . . . . . . . . . . . 104

Figura 5.5 Mdia da oxidao do leo lubrificante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Figura 5.6 Mdia do teor de ferro encontrado no leo lubrificante. . . . . . . . . . . 106

Figura 5.7 Mdia do teor de cobre encontrado no leo lubrificante. . . . . . . . . . 107

Figura 5.8 Mdia do teor de chumbo no leo lubrificante. . . . . . . . . . . . . . . 108

Figura 5.9 Mdia do teor de silcio nas amostras de leo. . . . . . . . . . . . . . . 108

Figura 5.10Mdia do teor de alumnio no leo lubrificante. . . . . . . . . . . . . . . 109

Figura 5.11Mdia do teor de cromo encontrada nas amostras de leo. . . . . . . . 110

Figura 5.12Mdia do teor de molibdnio encontrado nas amostras de leo. . . . . . 110

Figura 5.13Valores mdios de contaminao e degradao do leo do ciclo estendido

e normal para veculos biarticulados B100. . . . . . . . . . . . . . . . 112

Figura 5.14Valores mdios de elementos de desgaste do leo do ciclo estendido e

normal para veculos biarticulados B100. . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Figura 5.15Valores mdios de contaminao e degradao do leo do ciclo estendido

e normal para veculos articulados - B100. . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Figura 5.16Valores mdios de elementos de desgaste do leo do ciclo estendido e

normal para veculos articulados - B100. . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Figura 5.17Veculo HE701 durante inspeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Figura 5.18Viso geral do cabeote do motor do veculo HE701. . . . . . . . . . . . 119

Figura 5.19(a) roletes do comando de vlvulas; (b) engrenagem do comando de

vlvulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Figura 5.20Vlvulas e injetores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Figura 5.21Tampa do crter do motor. Pequena quantidade de fuligem acumulada

no lado direito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Figura 5.22Virabrequim e parte das bielas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Figura 5.23Vista inferior do pisto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Figura 5.24Linearizao e projeo da tendncia de valores de (a) TBN e de (b)

viscosidade 100C nos veculos articulados abastecidos com biodiesel. . 122

Figura 5.25Linearizao e projeo da tendncia de valores de elementos de des-

gaste nos veculos articulados abastecidos com biodiesel. . . . . . . . . 122

Figura 5.26Linearizao e projeo da tendncia de valores de (a) TBN e de (b)

viscosidade 100C nos veculos biarticulados abastecidos com biodiesel. 123

Figura 5.27Linearizao e projeo da tendncia de valores de elementos de des-

gaste nos veculos biarticulados abastecidos com biodiesel. . . . . . . . 123

Figura 5.28Linearizao e projeo da tendncia de valores de viscosidade a 100oC

para os veculos abastecidos a biodiesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Figura A.1 Representao de curva de distribuio F . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Resumo dos problemas conhecidos do uso direto de leos vegetais como

combustvel em motor diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Tabela 2.2 Especificao do Biodiesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Tabela 2.3 Anlise comparativa entre o diesel e o biodiesel. . . . . . . . . . . . . . 27

Tabela 3.1 Principais propriedades dos leos bsicos. . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Tabela 3.2 Tipos de leos base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Tabela 3.3 Classificao e propriedades dos leos bsicos (API e ATIEL) . . . . . 47

Tabela 3.4 Composio tpica dos lubrificantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Tabela 3.5 Propriedades de grande importncia dos lubrificantes para vrias aplica-

es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Tabela 3.6 Efeito dos aditivos sobre diferentes propriedades dos leos bsicos. . . 53

Tabela 3.7 Caractersticas da relao viscosidade-temperatura de diferentes leos. 59

Tabela 3.8 Especificaes de leos parafnicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Tabela 3.9 Classificao API dos leos lubrificantes para motores gasolina . . . . 64

Tabela 3.10Classificao API dos leos lubrificantes para motores diesel . . . . . 65

Tabela 3.11Graus de viscosidade SAE para leos de motor. . . . . . . . . . . . . . 68

Tabela 4.1 Caractersticas tcnicas dos nibus utilizados nos ensaios. . . . . . . . 77

Tabela 4.2 Veculos identificados e respectivas quilometragens. . . . . . . . . . . . 78

Tabela 4.3 Caracterizao do biodiesel B100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Tabela 4.4 Boletim de conformidade do leo diesel B S10. . . . . . . . . . . . . . . 81

Tabela 4.5 Anlise de amostra de leo sem uso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Tabela 4.6 Coleta de leo projeto LUB B100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Tabela 4.7 Faixas do nmero de comprimento de onda em que os contaminantes

absorvem luz infravermelha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Tabela 4.8 Indicao de origem/causa desgaste no motor e concentraes limites

encontradas na anlise leo lubrificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Tabela 4.9 Ensaios de leo lubrificante usado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Tabela 4.10Equipamentos para anlise de leos lubrificantes. . . . . . . . . . . . . 98

Tabela 5.1 Coletas realizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Tabela 5.2 Consumo mdio de combustvel dos veculos monitorados. . . . . . . . 116

Tabela 5.3 Limites de degradao e de elementos de desgaste do leo lubrificante. 121

Tabela A.1 Resumo dos parmetros da ANOVA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Tabela A.2 Nmero de amostras, mdias e varincia para viscosidade a 100C, TBN

e TAN resultantes da anlise do leo usado. . . . . . . . . . . . . . . . 136

Tabela A.3 Nmero de amostras, mdias e varincia para oxidao, nitrao e fuli-

gem resultantes da anlise do leo usado. . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Tabela A.4 Nmero de amostras, mdias e varincia para alumnio, chumbo e cobre

resultantes da anlise do leo usado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Tabela A.5 Nmero de amostras, mdias e varincia para cromo e ferro resultantes

da anlise do leo usado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Tabela A.6 Nmero de amostras, mdias e varincia para molibdnio e silcio resul-

tantes da anlise do leo usado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Tabela A.7 Resultados da ANOVA para o ciclo inicial para elementos de desgaste. . 141

Tabela A.8 Resultados da ANOVA para ciclo inicial para parmetros de degradao

e contaminao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Tabela A.9 Resultados da ANOVA para o ciclo estendido dos veculos abastecidos

com biodiesel, para elementos de desgaste. . . . . . . . . . . . . . . . 143

Tabela A.10Resultados da ANOVA para o ciclo estendido dos veculos abastecidos

com biodiesel, para degradao e contaminao. . . . . . . . . . . . . 144

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANFAVEA Associao Nacional dos Fabricantes de Veculos Automotores

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

AES Espectroscopia de Emisso Atmica

AGMA American Gear Manufacturers Association

AAM Alliance of Automobile Manufacturers

ANP Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis

APROBIO Associao dos Produtores de Biodiesel do Brasil

API American Petroleum Institute

ASTM American Society for Testing and Materials

ASR Acceleration Slip Regulation

ATIEL Association Technique de LIndustrie Europenne des Lubrifiants

B100 Biodiesel puro

B100P Biodiesel de leo de palma

B100SAS Biodiesel de soja, algodo e sebo, nas propores de 70%, 20% e 10%,

respectivamente

BX Diesel com X% de volume de biodiesel em sua composio.

B/d Barris por dia

BEA2 Bus Electronic Architecture

CCD Charge Coupled Device

CCS Cold Crancking Simulator

Cofins Contribuio para o Financiamento da Seguridade Social

CG Cromatgrafo Gasoso

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

CVT Constante de viscosidade-temperatura

DIN Deutsches Institut fr Normung

EMA Engine Manufacturers Association

EU European Union

FAME Fatty Acid Methyl Ester

FETRANSPOR Federao das Empresas do Transporte de Passageiros do Estado

do Rio de Janeiro

FTIR Fourier Transformed Infra Red

GTL Gas-to-liquid

HC Hidrocarbonetos Totais

HVO Hydrotreated Vegetable Oil

ICC ndice de consumo de combustvel

ICP Inductively Coupled Plasma

ILSAC International Lubricant Specification Advisory Committee

ISO International Organization for Standardization

IV ndice de viscosidade

LOME Linseed Oil Methil Ester

MP Material Particulado

MRV Mini-rotary Viscometer

NC Nmero de cetano

NBR Normas Brasileira Registradas

OLUC leo usado ou contaminado

OPEP Organizao dos Pases Exportadores de Petrleo

Pasep Programa de Formao do Patrimnio do Servidor Pblico

PAO Polialfaolefinas

PIS Programa de Integrao Social

PIO Poli-interma-olefina

PBS leo Parafnico Bright Stock

PNL leo Parafnico Neutro Leve

PNM leo Parafnico Neutro Mdio

PNP leo Parafnico Neutro Pesado

PROCONVE Programa de Controle da Poluio do Ar por Veculos Automotores

RDE AES Rotating Disc Electrode Atom Emission Spectrometry

RMC Regio Metropolitana de Curitiba

RME Rapeseed Methyl Ester

SAE Society of Automotive Engineers

SETI/PR Secretaria de Cincia, Tecnologia e Ensino Superior do Estado do Paran

SIMEA Simpsio Internacional de Engenharia Automotiva

SME Soybean methyl ester

SUS Saybolt Universal Seconds

TAN Total Acid Number

TBN Total Base Number

TECPAR Instituto de Tecnologia do Paran

UFPR Universidade Federal do Paran

URBS Urbanizao de Curitiba S.A.

VT Viscosidade-temperatura

VHVI Very high viscosity index

XRF X-Ray fluorescence

ZDDP Dialquilditiofosfatos de zinco

LISTA DE SMBOLOS

A rea [m]

C Constante []

F Fora [N ]

h Espessura [m]

K Constante []

R Rugosidade [mm]

T Temperatura [mm]

u Velocidade [m/s]

Letras gregas

Tenso de cisalhamento [Pa]

Viscosidade dinmica [Pa.s]

Densidade [kg/m3]

Viscosidade dinmica [Pa.s]

Viscosidade cinemtica [m2/s]

Parmetro de filme []

Subscritos

( )A Superfcie A

( )B Superfcie B

SUMRIO

1 INTRODUO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.2 Organizao do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 BIODIESEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1 Vantagens da utilizao do Biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Propriedades e caractersticas do biodiesel . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3 Alguns trabalhos sobre utilizao de biocombustveis . . . . . . . . 31

3 LEO LUBRIFICANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1 Degradao dos componentes mecnicos . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.1 Atrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.2 Desgaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.3 Taxa de desgaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.4 Regimes de lubrificao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.5 Funes dos leos lubrificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2 Constituintes dos leos Lubrificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.1 leos Bsicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.2 Aditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3 Propriedades dos leos lubrificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3.1 Cor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3.2 Viscosidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.3.2.1 Viscosidade dinmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.3.2.2 Viscosidade cinemtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3.3 Relao da viscosidade e temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3.3.1 Grficos ASTM D341 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3.3.2 CVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3.3.3 ndice de Viscosidade (IV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.3.4 Medio de viscosidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.3.5 Ponto de fulgor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.3.6 Ponto de Fluidez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.3.7 ndice de Acidez Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.3.8 ndice de Basicidade Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.3.9 Cinzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.3.10 Resduo de carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.3.11 Corrosividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.3.3.12 Estabilidade oxidao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.3.3.13 Emulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.3.3.14 Evaporao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.3.3.15 Caractersticas e tipos de ensaios de leos bsicos parafnicos da ANP . . . . . . . 62

3.3.4 Classificao dos leos lubrificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.3.4.1 Classificao API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.3.4.2 Classificao SAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.4 Desgaste de componentes do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.5 Interaes lubrificantes e componentes do motor . . . . . . . . . . . 74

4 ORGANIZAO E METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.1 Caracterizao dos veculos monitorados . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2 Caracterizao do combustvel utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.2.1 Caracterizao do leo lubrificante utilizado e frequncia de troca de leo 81

4.2.2 Mtodo de coleta de amostras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.3 Anlise de leo usado do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.3.1 Ensaios realizados em leos lubrificantes usados . . . . . . . . . . . . . 88

4.3.1.1 Avaliao do estado do leo lubrificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.3.1.2 Verificao do leo lubrificante para predio das condies do motor . . . . . . . . 93

4.3.2 Interpretao dos resultados e consideraes . . . . . . . . . . . . . . . 94

5 ANLISES E DISCUSSO DOS RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . 99

5.1 Apresentao dos resultados para o ciclo inicial . . . . . . . . . . . 100

5.1.1 Resultados da anlise dos contaminantes e da degradao do leo lubrifi-

cante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.1.2 Resultados dos elementos de desgaste presentes nas amostras de leo

lubrificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.2 Apresentao dos resultados para o ciclo estendido . . . . . . . . . 111

5.2.1 Resultados da anlise dos contaminantes, da degradao e dos elementos

de desgaste presentes no leo lubrificante para os veculos biarticulados

abastecidos com B100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

5.2.2 Resultados da anlise dos contaminantes, da degradao e dos elementos

de desgaste presentes no leo lubrificante para os veculos articulados

abastecidos com B100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.3 Consumo de combustvel e manuteno dos veculos abastecidos

com biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.3.1 Consumo de combustvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.3.2 Aspectos importantes da manuteno dos veculos abastecidos com

biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.3.3 Inspeo visual do motor de veculo abastecido com biodiesel . . . . . . 117

5.4 Projeo dos resultados para troca de carga de leo dos veculos

B100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6 CONSIDERAES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.1 Sugestes para trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

REFERNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

APNDICE A ANOVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

A.1 Teste ANOVA para o ciclo inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

A.2 Teste ANOVA para ciclo estendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

ANEXO A RELATRIO DE ENSAIO 051/2014 . . . . . . . . . . . . 145

18

1 INTRODUO

O consumo anual de energia no mundo cresceu, em mdia, 2, 5% nos ltimos 10 anos,

sendo que em 2013 o crescimento comparado a 2012 foi de 2, 31%. Neste perodo, a

quota-parte do petrleo caiu continuamente, mas ainda representa a maior fonte primria

de energia utilizada, por outro lado o consumo de energia de fontes renovveis cresce

rapidamente, mas em pequena base. A China vem reduzindo seu consumo de energia a

cada ano que passa, mas ainda o pas que mais consome energia no mundo, importando

58% do petrleo e 30% do gs que utiliza. Estados Unidos, ndia, Alemanha e Brasil vm

em seguida na lista dos maiores consumidores de energia do mundo (BP, 2014)1.

Nos pargrafos a seguir apresentada uma perspectiva panormica sobre as questes

mais importantes que motivam a busca, o desenvolvimento e a utilizao de novas fontes

de combustveis. As consideraes que sero aqui apresentadas servem como justificativa

para a realizao deste trabalho de mestrado.

Ao final de 2013, o mundo possua reservas comprovadas de 1.687, 9 bilhes de barris

de petrleo, suficientes para 53,3 anos de produo, considerando o nvel de produo

daquele ano que foi 86, 754 milhes de B/d (barris por dia). Os pases membros da OPEP

continuam a deter a maioria das reservas, o que representa 71, 9% do total global. No Brasil

as reservas comprovadas de 15, 6 bilhes de barris seriam suficientes para satisfazer a

demanda do pas por 20,2 anos. Os Estados Unidos e a Unio Europeia esto em posio

mais crtica, pois suas reservas para consumo, sem importao, durariam 12,1 e 13 anos

respectivamente (BP, 2014).

Preocupados com a depleo das reservas de petrleo, em junho de 2004, os delegados

de 154 pases reuniram-se em Bonn, Alemanha para a primeira conferncia internacional

sobre energias renovveis, organizada por um governo. Nessa conferncia ficou claro que

as percepes globais em relao s energias renovveis se modificaram e que hoje elas

so vistas como ferramenta para tratar necessidades como (REN21, 2014)2:

a) A melhoria da segurana energtica;

b) A reduo dos impactos na sade e no meio ambiente associados aos combustveis

fsseis e energia nuclear;

c) A mitigao das emisses dos gases de efeito estufa;

d) A melhoria das oportunidades educacionais;1 A BP Statistical Review of World Energy fornece dados sobre os mercados mundiais de energia2 A REN21 uma rede internacional, multisetorial, que rene governos, organizaes no governamentais,

de pesquisa e instituies acadmicas, organizaes internacionais e da indstria, cujo objetivo facilitar atroca de conhecimentos, desenvolvimento de polticas e ao conjunta no sentido de uma transio globalrpida para energia renovvel. A REN21 auxilia a tomada de deciso poltica atravs do fornecimentode informaes, catalisando discusses e debates e apoiando a expanso das energias renovveis nomundo.

Captulo 1. Introduo 19

e) A criao de postos de trabalho;

f) A reduo da pobreza.

Em 2012 os combustveis fsseis representaram 78, 4% do consumo global de energia

(na sua forma final) e, embora esta participao venha sendo reduzida ao longo dos ltimos

anos, esses combustveis ainda respondem pela maior parcela do consumo de energia final.

Por outro lado, a energia renovvel representa 19% do consumo mundial de energia final e

esta parcela vem crescendo rapidamente ano aps ano (REN21, 2014). O Brasil tem uma

participao relevante nesta estatstica, sendo que em 2013 o pas produziu 24, 3% de todo

o biocombustvel do mundo, ficando atrs somente dos Estados Unidos (BP, 2014).

Em 2013, o consumo e a produo globais de biocombustveis aumentaram 7% em

relao ao ano anterior, atingindo a marca de 116, 6 bilhes de litros. A produo de biodiesel

no mundo cresceu a uma taxa mdia de 11% entre 2008 e 2013, alcanando o volume de

26, 3 bilhes de litros em 2013. Desse total, o Brasil respondeu por 2, 9 bilhes de litros,

aparecendo como o terceiro maior produtor de biodiesel, atrs dos Estados Unidos e da

Alemanha (REN21, 2014).

O Brasil apresenta algumas caractersticas que favorecem expanso de sua oferta de

biocombustveis. Uma delas refere-se ao fato de ter um enorme contingente de empregados

atuando direta ou indiretamente na indstria de biocombustveis, sendo que em 2012, eram

820.000 pessoas, de um total de 1.453.000 empregados nesta indstria no mundo inteiro. O

contingente brasileiro inclui 33.000 postos de trabalho no plantio da cana-de-acar, 208.000

no processamento de etanol, 200.000 na fabricao de equipamentos para a produo de

biocombustveis, 81.800 na produo do biodiesel, entre outros. Alm disso, de acordo com

o relatrio REN21 (2014), o Brasil o pas que mais investe na Amrica Latina em energias

renovveis, tendo alcanado em 2013 a marca de US$ 3, 1 bilhes, dos quais US$ 2, 1

bilhes foram investimentos em projetos de energia elica e a maior parte do restante foi

investida no aumento da capacidade das plantas de biocombustveis.

No incio de 2014, 144 pases possuam polticas de utilizao de fontes energticas

renovveis e, dentre eles, 33 pases tinham polticas especficas para o setor de transportes.

Tais polticas visam dar apoio produo e utilizao de biocombustveis, tanto atravs

da concesso de subsdios e incentivos fiscais para os produtores, como pela obrigao,

atravs de mecanismos legais, da adio de biocombustveis aos combustveis tradicionais

(mandatos). A ttulo de exemplo pode-se citar que em 2013 o Equador adotou um mandato

para o uso do B5 (5% de biodiesel misturado ao diesel), com planos para introduzir o B10

no futuro. Ainda em 2013, a Malsia estendeu para mais regies do pas o mandato de B5

que j tinha. No mesmo ano a Argentina trocou seu mandato de mistura B7 para um de

mistura B10. A frica do Sul definiu outubro de 2015 como a data de entrada em vigor de

um mandato de mistura B5(REN21, 2014).

O governo brasileiro tem incentivado a produo e o uso do biodiesel atravs de

programas e legislaes especficos (BRASIL, 2011). Em 2008, a adio de biodiesel ao


leo diesel passou a ser obrigatria no Brasil. Entre janeiro e junho de 2008, a mistura era

de 2%; entre julho de 2008 e junho de 2009, de 3%, e entre julho e dezembro de 2009, de

4%, exceto o leo diesel para uso aquavirio. A partir de 1/1/2010, o biodiesel passou a ser

adicionado ao leo diesel na proporo de 5% em volume (ANP, 2014a). Posteriormente,

com a promulgao da Lei no 13.033 este percentual mudou novamente passando a ser

de seis por cento a partir de 1o de julho de 2014; e de sete por cento, a partir de 1o de

novembro de 2014 (BRASIL, 2014).

Alm dos percentuais para a adio, a Lei no 13.033 tambm estabeleceu que o biodiesel

para a adio obrigatria ao leo diesel dever ser fabricado, preferencialmente, a partir

de matrias-primas produzidas pela agricultura familiar. Este estmulo incluso social da

agricultura ocorre atravs do programa Selo Combustvel Social, que concede uma reduo

nas alquotas de impostos, como o PIS/Pasep e Cofins, para as empresas produtoras de

biodiesel que adquirirem matria prima da agricultura familiar.

Estimulado pela legislao, houve um aumento da utilizao do biodiesel automotivo,

e o consequente aumento da produo brasileira, que passou de 0, 07 milhes de m3 em

2006 para 2, 72 milhes de m3 em 2012 e 2, 92 milhes de m3 em 2013. A capacidade

instalada de produo de biodiesel no pas, de acordo com a ANP, de 21957, 8 m3/dia,

o que seria suficiente para atender a demanda nacional correspondente a uma adio de

10% de biodiesel ao leo diesel (APROBIO, 2014).

Diversas matrias primas so utilizadas na produo do biodiesel, tais como leos

vegetais, gorduras animais (bovina, de frango e porco) e leo de fritura usado. De acordo

com a (ANP, 2014a), o biodiesel produzido no Brasil proveniente do leo de soja (76, 4%),

gordura animal (19, 8%), leo de algodo (2, 2%), e de outros leos vegetais como os de

palma, girassol e mamona (1, 6%). Alm de ser proveniente de matrias primas renovveis,

o biodiesel um combustvel biodegradvel, no txico, que pode ser produzido com

tecnologia simples e de fcil transferncia para o setor produtivo (FETRANSPOR, 2011)

virtualmente livre de compostos sulfurados e aromticos e apresenta maior lubricidade que

o leo diesel mineral (FARIAS et al., 2010). Entretanto, a maior vantagem do biodiesel reside

no fato de permitir uma queima mais limpa, resultando em menores nveis de emisso de

poluentes quando comparado ao leo diesel mineral.

As questes ambientais relacionadas ao setor de transportes entraram em pauta no Bra-

sil ainda na dcada de 1980. Em 1986, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA),

instituiu o Programa de Controle da Poluio do Ar por Veculos Automotores (PROCONVE),

o qual imps um cronograma para a reduo gradual da emisso de poluentes para veculos

leves e pesados. Em particular, a busca pela reduo das emisses associadas ao leo

diesel estimula o uso de combustveis menos poluentes. O biodiesel tem se apresentado

como uma boa alternativa utilizao do diesel seja pela sua caracterstica renovvel ou

pela possibilidade que ele oferece para a reduo da emisso de poluentes.

Com a utilizao do biodiesel surge naturalmente a preocupao com a possibilidade de


que resduos da combusto contaminem o leo lubrificante, influenciando negativamente o

desempenho tanto do lubrificante como o do motor como um todo, o que em ltima instncia

acabaria reduzindo a vida til do motor. Para evitar esta reduo da vida til do motor e

na falta de um plano de manuteno especfico que leve em conta os efeitos decorrentes

da utilizao do biodiesel, comum adotar uma postura mais conservadora, efetuando

a troca de lubrificante com maior frequncia daquela que tpica para o funcionamento

do motor com leo diesel mineral. importante ressaltar, no entanto, que tal atitude

implica em um aumento do impacto ambiental produzido pelo uso do biodiesel, o que pode,

se no eliminar, ao menos reduzir significativamente os efeitos positivos mencionados

anteriormente. Assim, a correta avaliao dos benefcios ambientais trazidos pelo uso do

biodiesel deve necessariamente considerar os efeitos de seu uso sobre o lubrificante.

Poucos so os estudos reportados na literatura que abordam os efeitos que o uso do

B100 causa sobre o lubrificante. Talvez a principal razo para esta carncia esteja no fato

de que a abrangncia de tais estudos resulta bastante restrita, j que esses efeitos so

bastante influenciados pelas particularidades do uso do motor. Isto, por sua vez, explica

o fato de em geral tais estudos tratarem de frotas com caractersticas de operao bem

definidas.

Estudos anteriores realizados no Brasil sobre os efeitos da utilizao do biodiesel em

frotas so restritos a misturas de biodiesel com diesel em concentraes de at 20% em

volume (FETRANSPOR, 2011; LASTRES, 2011). Tais estudos constataram alteraes

nas caractersticas fsico-qumicas do lubrificante e o consequente maior desgaste dos

componentes do motor. Contudo, o uso de misturas biodiesel-diesel com percentuais de

biodiesel superiores a 20% j uma realidade no transporte urbano brasileiro, com destaque

para o transporte pblico de Curitiba, onde atualmente circulam 32 nibus convencionais

abastecidos exclusivamente com biodiesel puro (B100) (KARAS, 2013), alm de outros

dois nibus hbridos que tambm so abastecidos com B100, o que totaliza uma frota de

34 veculos. Atualmente, o plano de manuteno dessa frota prev a troca de lubrificante

com metade da quilometragem recomendada pelo fabricante para funcionamento com leo

diesel mineral.

Com base nestas consideraes fica evidente a necessidade de conduzir estudos

tcnicos que possam dar suporte ao desenvolvimento de planos de manuteno adequados

para frotas como esta, que usam biodiesel puro como combustvel. Conforme mencionado

anteriormente, tal plano de manuteno pode servir de base para avaliar corretamente os

benefcios ambientais decorrentes da utilizao do biodiesel como combustvel no transporte

urbano.


1.1 Objetivos

O objetivo geral do trabalho aqui apresentado foi o de estudar os efeitos que o uso

do combustvel B100 causa sobre o leo lubrificante e as consequncias disto sobre o

desgaste de peas e componentes do motor, tendo os seguintes objetivos especficos:

a) Avaliar a degradao e contaminao do leo lubrificante, atravs da anlise do leo

lubrificante amostrado.

b) Estabelecer uma quilometragem adequada para troca do leo lubrificante em nibus

de transporte coletivo da RMC abastecido com B100.

Cumpre ressaltar que este trabalho de mestrado s pde ir adiante pelo interesse

demonstrado por um grupo de empresas que gentilmente possibilitaram o levantamento

de informaes: Chevron (empresa fornecedora de leos lubrificantes), Volvo (montadora

de nibus), Redentor (permissionria do transporte urbano de Curitiba), Volvo Nrdica

(concessionria de veculos) e URBS (fiscalizadora e reguladora do transporte urbano

coletivo na RMC).

1.2 Organizao do trabalho

Para cumprir os objetivos descritos, apresenta-se no Captulo 2 uma descrio da

utilizao de leos vegetais como combustvel, a caracterizao do biodiesel com vantagens

e limitaes de sua utilizao e uma reviso bibliogrfica do uso de misturas diesel x

biodiesel, e de biodiesel puro como combustvel.

No Captulo 3 ser apresentado um estudo sobre os leos lubrificantes, inserindo os

conceitos de atrito, desgaste e descrevendo as suas funes de lubrificao, assim como

uma reviso de seus parmetros caractersticos, classificao e especificaes. Neste

captulo tambm so abordadas as condies de uso do lubrificante no motor que levam

sua degradao, com a consequente perda progressiva de funcionalidade.

No Captulo 4 ser descrita e definida a metodologia do trabalho, indicando a sua

estruturao, como a escolha da frota, a caracterizao do combustvel e o leo lubrificante

utilizado, o mtodo de coleta e identificao das amostras , descrevendo os tipos de ensaios

realizados em leos usados. Os resultados dos ensaios das amostras de leo lubrificante

sero apresentados e discutidos no Captulo 5.

No Captulo 6 sero apresentadas as consideraes finais do trabalho e as sugestes

para trabalhos futuros.

23

2 BIODIESEL

Neste captulo apresenta-se uma reviso bibliogrfica abrangendo assuntos como a

influncia do biodiesel nas emisses dos motores, a influncia deste combustvel sobre o

desgaste de componentes do motor, a diluio do leo lubrificante, a presena de metais

nas amostras de lubrificantes retirados de motores que utilizam biodiesel e sobre a adio

de biodiesel ao leo diesel em propores maiores que 20%.

Os leos vegetais e as gorduras animais vm sendo estudados como combustveis

para motores de ciclo diesel desde antes da dcada de 70. Entretanto, os motores hoje

disponveis exigem a utilizao de combustveis com viscosidade inferior dos leos

vegetais (KNOTHE et al., 2006). A Tabela 2.1, compilada a partir de Harwood (1984)

lista alguns dos problemas operacionais que o motor pode apresentar em decorrncia da

utilizao de leos e gorduras in natura como combustveis.

Tabela 2.1 Resumo dos problemas conhecidos do uso direto de leos vegetais como

combustvel em motor diesel.

Problema Provvel causa Possvel soluo

Curto prazo

1. Dificuldade de

Partida a frio

Alta viscosidade, baixo nmero

de cetano, e alto ponto de

fulgor dos leos vegetais.

Preaquecer o combustvel antes

da injeo. Alterar quimicamente o

combustvel para um ster (biodie-

sel).

2. Gomas e

entupimento de

filtros, linhas e

injetores.

Gomas naturais (fosfatdeos)

em leos vegetais. Outras

cinzas.

Refinar parcialmente o leo para

remover as gomas. Filtrar o leo

com 4 m.

3. O motor

batendo (batida

diesel).

Nmero de cetano de alguns

leos muito baixo. Tempo de

injeo inadequado.

Ajuste do tempo de injeo. Usar

maior relao de compresso no

motor. Mesmo que (1).

Longo prazo

4. Carbonizao

dos bicos

injetores.

Alta viscosidade de leo

vegetal, incompleta combusto.

Combusto pobre para cargas

parciais.

Preaquecer o combustvel antes

da injeo. Trocar o combustvel

do motor para diesel, quando ope-

rado em cargas parciais. Alterar

quimicamente o combustvel para

um ster (biodiesel).

(continua)

Captulo 2. Biodiesel 24

(continuao)

Problema Provvel causa Possvel soluo

5. Depsitos de

carbono no

pisto e

cabeote do

motor

Mesmo que (4). Mesmo que (4).

6. O desgaste

excessivo do

motor

Mesmo que (4). Possibilidade

de cidos graxos livres no leo

vegetal. Diluio do leo

lubrificante do motor, devido a

contaminao pelo leo

vegetal.

Mesmo que (4). Aumentar a

frequncia das trocas do leo lubri-

ficante. Utilizar aditivos ao leo de

motor para inibir a oxidao (antio-

xidantes).

7. Falha do leo

lubrificante do

motor devido

polimerizao.

Aglomerao de leos vegetais

poli-insaturados no crter,

ponto onde polimerizao

ocorre.

Mesmo que (4) e (6). Usar leos

vegetais com baixos cidos graxos

poli-insaturados.

A elevada viscosidade do leo vegetal puro reduz a atomizao do combustvel e

aumenta a penetrao de jato de combustvel. A maior penetrao de jato de combustvel

em parte responsvel pela aparecimento de depsitos no motor e espessamento do leo

lubrificante (DE ALMEIDA et al., 2002).

Quatro mtodos tm sido tradicionalmente utilizados para reduzir a alta viscosidade de

leos vegetais e assim permitir o seu uso em motores diesel sem problemas operacionais:

uso de misturas binrias com o petrodiesel (diluio), pirlise, formulao de microemulses

ou misturas de co-solventes atravs da utilizao de lcoois de baixo peso molecular e a

converso para biodiesel atravs da transesterificao (SCHWAB; BAGBY; FREEDMAN,

1987; KNOTHE et al., 2006).

Dentre os diversos mtodos disponveis para a produo de biodiesel, a transesterifica-

o de leos e gorduras naturais o mais comumente utilizado. O objetivo do processo o

de diminuir a viscosidade do leo ou da gordura (MA; HANNA, 1999).

Geralmente, o metanol o lcool preferido para a transesterificao, devido facilidade

com que este lcool produz a reao de transesterificao (GRABOSKI; MCCORMICK,

1998). No Brasil, onde o etanol mais barato, steres etlicos so utilizados como combust-

vel (KNOTHE et al., 2006).

O biodiesel um nome aplicado aos combustveis renovveis produzidos pela este-

rificao de leos vegetais, gorduras e cidos graxos. Por renovveis entende-se que o

abastecimento dessas matrias-primas pode ocorrer pelo crescimento das plantas e pro-

duo de gado. A fonte ltima do contedo energtico destes combustveis o sol. Os


termos methylsoyate, soyate, soyester (para steres metlicos de leo de soja), tallowate

(para os steres de sebo), e muitos termos semelhantes so usados para descrever esses

combustveis (GRABOSKI; MCCORMICK, 1998).

A Fig. 2.1 representa a reao de transesterificao que origina o biodiesel. Nesta

reao uma molcula de trister (ou triglicerdeo) reage com um lcool (metanol ou etanol)

formando outro ster (biodiesel) e outro lcool (glicerol).

Figura 2.1 Reao de transesterificao do biodiesel.

Os steres alqulicos produzidos nesta reao exibem caractersticas como nmero

de cetano, calor de combusto, ponto de fluidez, viscosidade, estabilidade oxidao e

lubricidade, que os tornam combustveis adequados para os motores diesel (KNOTHE et

al., 2006). Entretanto, para garantir o bom funcionamento dos motores, as caractersticas

do biodiesel so especificadas atravs de normas tcnicas e legislaes. Assim, nos

Estados Unidos ele deve atender a norma ASTM D6751 (DEMIRBAS, 2008), nos pases da

Unio Europeia ele deve atender a norma EU 14214, e no Brasil, a Resoluo 45/2014 da

Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e Combustveis (ANP). A Tabela 2.2 mostra a

especificao utilizada no Brasil.

A ANP 45/2014 define trs tipos de leo diesel. O leo tipo A o combustvel de uso

rodovirio e no rodovirio, destinado a veculos e equipamentos dotados de motores do

ciclo Diesel e produzido por processo de refino de petrleo e processamento de gs natural,

sem adio de biodiesel. Quando, de acordo com a legislao vigente, o leo tipo A contm

biodiesel em sua composio, ele chamado leo tipo B, j o leo tipo BX o leo tipo A

que contm biodiesel no teor superior ao estabelecido pela legislao vigente em proporo

definida (X%). Neste ltimo caso a ANP precisa autorizar o uso especfico ou experimental

do leo diesel. Na Tabela 2.3 apresentada uma anlise comparativa entre o leo diesel e

o biodiesel e suas caractersticas em diversas propriedades, segundo Dabdoub (2003 apud

HINRICHS; KLEINBACH, 2003).


Tabela 2.2 Especificao do Biodiesel.

Caracterstica Unidade Limite

Aspecto - Lmpido e isento de impurezas (LII)a

Massa especfica a 20C kg/m3 850 a 900Viscosidade Cinemtica a

40Cmm2/s 3, 0 a 6, 0

Teor de gua, mx. mg/kg 200, 0

Contaminao Total, mx. mg/kg 24

Ponto de fulgor, mn. C 100

Teor de ster, min. %, massa 96, 5

Cinzas sulfatadas, mx. %, massa 0, 020

Enxofre total, mx. mg/kg 10

Sdio + Potssio, mx. mg/kg 5

Clcio + Magnsio. mg/kg 5

Fsforo, mx. mg/kg 10Corrosividade ao cobre, 3h

a 50C, mx.a- 1

Nmero de Cetanoa - AnotarPonto de entupimento de

filtro a frio, mx.C b

ndice de acidez, mx. mg KOH/g 0, 80

Glicerol livre, mx. %, massa 0, 02

Glicerol total, mx. %, massa 0, 25

Monoacilglicerol, mx. %, massa 0, 7

Diacilglicerol, mx. %, massa 0, 20

Triacilglicerol, mx. %, massa 0, 20

Metanol e/ou Etanol, mx. %, massa 0, 20

ndice de Iodo g/100g AnotarEstabilidade oxidao a

110C, mn.H 6

a Estas caractersticas devem ser analisadas em conjunto com as demais constantes da Tabela deEspecificao a cada trimestre civil. Os resultados devem ser enviados ANP pelo Produtor debiodiesel, tomando uma amostra do biodiesel comercializado no trimestre e, em caso de nesteperodo haver mudana de tipo de material graxo, o Produtor dever analisar nmero de amostrascorrespondente ao nmero de tipos de materiais graxos utilizados.

b Limite mximo de 14C para o estado do Paran nos meses de novembro a maro, 10C para abril eoutubro e de 5C para meses de maio a setembro.

(continua)


Tabela 2.3 Anlise comparativa entre o diesel e o biodiesel.

Propriedades Biodiesel Diesel

Cetanagem 51 62 44 47

Lubricidade

Maior que o diesel

quando comparado com

leos lubrificantes

Baixo fator de lubricidade

Biodegradabilidade Alta Muito baixa

Toxidade No txico Altamente txico

Oxignio 11% de oxignio livre Muito baixo

Aromticos No possui 18 22%

Enxofre Nenhum 0, 05%

Contaminao por

derramamentoNenhum Muito alto

Ponto de ignio 148 204C 52CCompatibilidade com

outros materiais

Degradao natural de

polmeros butlicos

Efeito no natural em polme-

ros butlicos

Transferncia e

estocagem

Nenhum risco em

nenhuma das atividadesAltamente perigoso

Valor calorfico 2% menor que o diesel

Suprimento renovvel Renovvel No renovvel

Combustvel alternativo Sim No

Processo produtivo Reao qumicaReao qumica e fraciona-

mento

Composio qumicasteres de alquila (metila,

etila)Hidrocarbonetos

2.1 Vantagens da utilizao do Biodiesel

O biodiesel traz algumas vantagens comparativamente ao diesel, que aqui so relaci-

onadas de acordo com Fontana (2011), Rakopoulos et al. (2006) e Knothe et al. (2006).

Vantagens:

a) derivado de matrias-primas renovveis de ocorrncia natural, reduzindo a depen-

dncia de fontes de petrleo;

b) biodegradvel, possuindo a capacidade de regenerao de cidos graxos e lcool

por ao de enzimas microbianas;


c) Possui toxicidade nula;

d) Possui alto ponto de fulgor. O que o torna mais seguro para manuseio, armazena-

mento e transporte;

e) Alto nmero de cetano;

f) Como o biodiesel oxigenado, ele apresenta uma combusto mais completa;

g) Apresenta mnimo teor de enxofre;

h) Apresenta mnimo teor de substncias aromticas;

i) Biodiesel funciona em motores convencionais sem qualquer necessidade de modifi-

caes no sistema de injeo ou no motor de combusto propriamente dito;

j) Gera reduo nas emisses de gases de escapamento, com exceo do NOx;

k) A sua excelente lubricidade importante para o aumento da vida til dos motores.

Este fato vem ganhando importncia com a reduo dos teores de enxofre no diesel

de petrleo, pois a sua lubricidade perdida durante o processo de produo, que

pode ser restaurada com adio de baixos teores de biodiesel (1 2%).

l) O biodiesel tem aplicao, alm do transporte rodovirio, em motores acoplados para

gerao de energia eltrica e tambm em sistemas de aquecimento e calefao;

m) Pode ser usado puro (B100) ou em mistura de diferentes propores com o leo

diesel convencional, de B1 a B99.

n) Quando queimado, substitui o odor do diesel queimado, o que pode ser um benefcio

real em espaos fechados, pelo cheiro de batatas fritas; no foram noticiados casos

de irritao nos olhos;

2.2 Propriedades e caractersticas do biodiesel

A seguir so descritas as propriedades do biodiesel que so mais relevantes para sua

utilizao como combustvel nos motores diesel.

Lubricidade: O sistema de injeo dos motores diesel, diferentemente dos motores

movidos a gasolina, exigem que o combustvel tenha propriedades de lubrificao. Os

componentes deste sistema trabalham sob tenso elevada exigindo que o lquido que

escoa lubrifique adequadamente as suas peas em movimento e assim reduza o desgaste

prematuro. A propriedade de lubrificao do combustvel dada pela Lubricidade do mesmo

(KNOTHE et al., 2006; PARENTE, 2003). De acordo com Fontana (2011), a adio de 2%

de biodiesel ao diesel aumenta em duas vezes a taxa de lubricidade do diesel.

Nmero de Cetano (NC): Uma das mais importantes propriedades do leo diesel a

sua caracterstica de autoignio nas temperaturas e presso presentes no cilindro, quando

o combustvel injetado. Esta caracterstica medida atravs do teste do nmero de cetano


(NC). Combustveis com altos NC tero pequeno retardamento de ignio. O biodiesel de

soja tem normalmente um NC entre 48 a 52, que um valor maior do que o petrodiesel

(KNOTHE et al., 2006). De acordo com Van Gerpen (1996) o NC geralmente depende da

composio do combustvel e pode afetar a capacidade de arranque do motor, o nvel de

rudo, e as emisses de gases de escapamento.

Os compostos oxigenados produzem uma reduo significativa das emisses de

materiais particulados a partir de motores diesel, mas na maioria dos casos tambm

causam o aumento das emisses de NOx (MCCORMICK; ROSS; GRABOSKI, 1997). A

reduo do material particulado um aspecto associado baixa emisso de fumaa do

biodiesel.

Atraso de ignio: O atraso de ignio a definio dada ao tempo decorrido entre

o incio da injeo do combustvel e o incio da sua combusto. Tat, Van Gerpen e Wang

(2007) estudaram a relao entre as propriedades do combustvel e o tempo de injeo

e atraso de ignio. Eles concluram que as propriedades do biodiesel afetam o sistema

de injeo de combustvel e podem causar um avano no ponto de injeo do mesmo.

Cerca de 50% deste avano devido ao aumento do dbito de biodiesel, com menor teor

energtico, suficiente para manter a potncia exigida, o restante deste avano devido aos

efeitos da menor compressibilidade e maiores viscosidade e massa especfica do biodiesel.

Como possui o maior nmero de cetano, o biodiesel de soja reduz o atraso de ignio e

avana o incio da combusto, e isso tambm contribui para o aumento das emisses de

NOx.

Poder calrico: Outra limitao do biodiesel que ele cerca de 12, 5% menos ener-

gtico do que o diesel. O biodiesel de soja tem poder calorfico inferior de 37, 2 MJ/kg, j o

diesel possui 42, 6 MJ/kg. Para a mesma injeo volumtrica de combustvel, a perda de

potncia da ordem de 8, 4% (KNOTHE et al., 2006). Na mdia, entretanto o biodiesel re-

sulta na perda de uns 5% de potncia, torque e eficincia quando comparado ao diesel. Fato

que se explica pela maior viscosidade do biodiesel, o que reduz as perdas de vazamento e

aumenta o volume injetado (FONTANA, 2011).

Oxidao: Van Gerpen et al. (1997) descreveram a oxidao como uma importante

fonte de contaminao do biodiesel. O leo de soja tem um nvel de compostos insaturados

mais elevados do que muitos outros leos e tambm do que o diesel de petrleo. Assim pode

ocorrer a auto-oxidao durante o armazenamento. Aps a oxidao, a composio qumica

dos steres metlicos pode ser alterada e isso pode, por sua vez, alterar as propriedades de

biodiesel. A maioria dos leos vegetais, assim como a soja, contm antioxidantes naturais,

tais como a vitamina E (tocoferol), que inibem a oxidao at que o antioxidante consumido.

Quando os antioxidantes naturais esto esgotados, oxidao prossegue rapidamente. O

perodo de oxidao lenta que antecede a oxidao rpida muitas vezes chamado o

perodo de induo.

Todo biodiesel que no for consumido dentro de um curto perodo de tempo dever


receber tratamento com biocida para prevenir crescimento de micro-organismos. Estes

crescem com maior facilidade no biodiesel do que no petrodiesel (VAN GERPEN et al.,

1997). Para armazenamento do biodiesel por um perodo longo, dever ser utilizado um

aditivo anti-oxidante apropriado (KNOTHE et al., 2006).

Higroscopia: Cuidado especial deve existir com a rede de distribuio e armazenamento

do biodiesel. A entrada em contato com a gua tornar o combustvel saturado. Quando

saturado, o biodiesel pode conter cerca de 1500 ppm, trs vezes mais gua do que o

estabelecido na norma ASTM D975, como limite para o diesel de petrleo - 500 ppm. O

diesel de petrleo usualmente absorve apenas 50 ppm (VAN GERPEN et al., 1997). A

gua pode estar presente no combustvel em duas formas: a dissolvida pode afetar a

estabilidade do biodiesel; a gua livre est mais associada aos efeitos de corroso, o que

pode afetar algumas partes do sistema de injeo diesel que so construdas em ao com

alto teor de carbono (KNOTHE et al., 2006). No Brasil, a especificao atual de teor de gua

no biodiesel de 200 mg/kg, de acordo com a Resoluo ANP 45/2014.

Os filtros diesel retm partculas da ordem de unidades de m. Quando o combustvel

submetido a altas temperaturas e na presena de oxignio do ar, ocorre a formao de

insolveis e a produo de depsitos de verniz, que pode obstruir orifcios (entupimentos) e

colar em partes mveis, causando engripamento. Para evitar o entupimento dos filtros, ser

necessrio substitu-los com frequncia maior que a que utilizada quando o combustvel

o diesel de petrleo puro (KNOTHE et al., 2006).

A presena de materiais inorgnicos no combustvel produz cinzas que podem ser

abrasivas e contribuir para o desgaste do pisto e do cilindro. Estas cinzas sulfatadas so

provenientes, provavelmente, do catalisador usado no processo de produo do biodiesel

(KNOTHE et al., 2006).

Viscosidade: Com relao a viscosidade do biodiesel, se esta for alta, a bomba injetora

no ser capaz de fornecer combustvel suficiente para a cmara de bombeamento. Se for

extremamente alta ocorrer a degradao da pulverizao do cilindro, reduzindo a eficincia

da atomizao e promovendo a contaminao do leo lubrificante e a produo de fumaa

preta (KNOTHE et al., 2006).

Volatilidade: O biodiesel pouco voltil, e por isso uma pequena quantidade de com-

bustvel no queima na combusto e, provavelmente, acaba se depositando nas paredes do

cilindro durante o processo de expanso do ciclo diesel (KNOTHE et al., 2006).

Ponto de nvoa e ponto de fluidez: Existe uma preocupao com relao a operao

em baixas temperaturas com o biodiesel. A temperatura em que um lquido que est sendo

resfriado, comea a ficar turvo denominada ponto de nvoa, e o ponto de fluidez a tem-

peratura em que o lquido no mais escoa livremente. Assim, em locais onde a temperatura

baixa pode ocorrer a cristalizao do combustvel. Estes valores de temperatura variam

de acordo com origem da matria prima do biodiesel e com o lcool utilizado na reao de

transesterificao. Para metil ster de soja, o valor fica prximo de 0C, e para biodiesel de


sebo entre 13 a 15C (PARENTE, 2003; KNOTHE et al., 2006).

Compatibilidade ao elastmero: O biodiesel pode atacar os elastmeros encontrados

em algumas mangueiras e vedaes no sistema de combustvel do veculo (VAN GERPEN

et al., 1997). Com o passar do tempo, este processo de ataque se acentua, corroendo as

conexes de borracha e provocando o ressecamento de mangueiras, que so usualmente

empregadas num motor a diesel (FONTANA, 2011; HINRICHS; KLEINBACH, 2003). Este

efeito mais notvel aps rodagens de 100.000 km. Como precauo motores utilizando

biodiesel puro (B100) dever ter as conexes (mangueiras) de borracha substitudas por

outras de Viton R, Teflon R ou outros fluoroelastmeros. O biodiesel, at o limite de 20%

(B-20), praticamente no corrosivo para borracha (FONTANA, 2011).

Poder de solvncia: O biodiesel, por ser uma mistura de steres de cidos carboxlicos,

solubiliza um grupo muito grande de substncias orgnicas, incluindo-se as resinas que

compem as tintas. No manuseio do biodiesel devem ser tomados cuidados para evitar

danos pintura dos veculos, nas proximidades do ponto ou bocal de abastecimento

(PARENTE, 2003). O poder solvente do biodiesel pode causar deteriorao da pintura a

menos que o combustvel derramado seja imediatamente removido. O Biodiesel tambm

pode desprender os depsitos que se acumularam no tanque de combustvel e causar

entupimento do filtro (VAN GERPEN; PETERSON; GOERING, 2007).

2.3 Alguns trabalhos sobre utilizao de biocombustveis

Nesta seo sero apresentados alguns estudos que descreveram sobre: emisses da

queima do combustvel, preocupao com desgaste prematuro de componentes do motor,

diluio do leo lubrificante, presena de metais no biodiesel e a preocupao na utilizao

de misturas de biodiesel em proporo maior do que 20% no diesel.

de Almeida et al. (2002) investigaram e discutiram o desempenho, as caractersticas de

emisso e a contaminao do leo lubrificante de um motor diesel estacionrio, abastecido

com leo de palma 100% puro, que acoplado a um gerador de corrente alternada, produz

energia eltrica para a populao ribeirinha de pequenas aldeias da regio Amaznica

brasileira. O artigo cita a necessidade de limpeza dos injetores aps 150h de operao e

utilizao de filtros de leo de 3 m. Menciona-se ainda que a partida a frio precisava ser

feita com a utilizao de diesel mineral e que as conexes de cobre sofreram ataque pelo

leo de palma quando a temperatura de trabalho foi superior 50C, da a necessidade de

substituio das tubulaes e conexes de cobre por outras de ao inoxidvel. As anlises

do leo lubrificante mostraram uma reduo da viscosidade e indicaram que os limites

aceitveis para este parmetro seriam atingidos aps 100h de trabalho, enquanto que com

o uso de diesel mineral puro, a troca de leo lubrificante s era feita aps 200h de operao.

A diluio do leo foi devido combusto incompleta causada pela m atomizao e no

volatilidade do leo de palma. de Almeida et al. (2002) relataram tambm que o consumo


especfico do leo de palma foi ligeiramente maior do que o diesel em 10%. Uma adaptao

do sistema de injeo, alm da utilizao de um leo lubrificante especial com aditivos

apropriados foram as recomendaes dos autores.

Rakopoulos et al. (2006) conduziram testes para avaliar e comparar o uso de diferentes

combustveis analisando o desempenho e as emisses de gases de escape de um motor

aspirado de injeo direta diesel, acoplado a um dinammetro, com motor trabalhando

a 2000 RPM de velocidade e operando com de mdia e alta carga. Foram utilizados o

diesel, o biodiesel e misturas de leo vegetal na proporo de 10 e 20%. Foram utilizados

steres metlicos de algodo, de soja, de semente de girassol, de colza e de palma. Os

leos vegetais utilizados foram: leo de semente de algodo, leo de soja, de girassol, de

milho e leo de caroo de azeitona. Os autores descrevem os problemas ocasionados por

uma operao por perodos mais longos utilizando leos vegetais, que devido ao aumento

da viscosidade de at 10 a 20 vezes comparativamente ao diesel, ocasionam: formao

de carvo nos injetores, depsitos de carbono e travamento de anis do pisto de leo

bem como o espessamento e a gelificao de leo lubrificante do motor. Os resultados

mostraram que as misturas de biodiesel emitiram o menor nvel de fuligem e emisses de

CO, seguido de misturas de diesel convencional com leo vegetal in natura. Os autores

apontaram as seguintes desvantagens do biodiesel: viscosidade mais elevada, maior ponto

de fluidez, menor valor calrico e menor volatilidade. Alm disso, a sua estabilidade

oxidao menor, higroscpico e age como solvente, podendo provocar a corroso

de componentes, atacando alguns materiais usados para vedaes, mangueiras, tintas e

revestimentos. Eles mostram um aumento de diluio e polimerizao do leo do crter do

motor, exigindo, portanto, mudanas de leo mais frequentes. Os autores enfatizam que

que as misturas de leo diesel com at 20% de leos vegetais ou de biodiesel pode ser

usado em motores existente, sem qualquer modificao. Entretanto, eles mencionam que a

utilizao de percentuais maiores que 20% pode provocar mau funcionamento do motor.

Os autores concluram em seu estudo que a utilizao de leo vegetal in natura e biodiesel

(B100) no seria uma opo vivel.

Demirbas (2008) afirma que as misturas biodiesel/diesel contendo at 20% de biodiesel

podem ser utilizadas em quase todos os motores diesel modernos, sendo tambm compat-

veis com os equipamentos de distribuio e armazenamento de combustveis.Esse autor

ainda afirma que as misturas com maior teor de biodiesel tambm poderiam ser usadas em

muitos motores com pouca ou nenhuma modificao, mas pondera que cuidados especiais

devem existir para o transporte e estocagem,e salienta que as questes relacionadas a

compatibilidade de materiais e questes relacionadas a garantia no esto resolvidas para

elevadas misturas, incluindo o B100.

A EPA (KOROTNEY, 2002), realizou uma pesquisa de reviso das emisses de gases

para uma variedade de misturas de biodiesel chegando at B100. A Fig. 2.2 mostra a

mdia das emisses nas diferentes concentraes progressivas de biodiesel misturadas ao


diesel. Ocorre uma reduo de CO, HC e MP para concentraes crescentes de Biodiesel,

enquanto as emisses de NOx continuam a aumentar.

Figura 2.2 Emisses mdias do impacto do biodiesel para motores de servio pesado emrodovias, em comparao ao diesel.

Fonte: Korotney (2002)

A fabricante nacional de tratores Valtra liberou o uso de seus motores tanto com diesel

puro como com biodiesel B100, afirmando que a mudana de combustvel no requer

qualquer modificao no motor (FONTANA, 2011).

Fontana (2011) cita uma srie de experimentos realizados na cidade de Curitiba, no

mbito de uma parceria realizada entre o TECPAR Instituto de Tecnologia do Paran,

rgo da Secretaria de Cincia, Tecnologia e Ensino Superior do Paran (SETI/PR), e a

Universidade Federal do Paran (UFPR). Nesses experimentos avaliou-se o desgaste de

cilindros, pistes e anis de segmento de um motor de 1,9 litros que equipou um veculo Golf

VW, o qual rodou 160.000 km sendo abastecido com B20. Durante o exame conduzido pela

prpria montadora comparou-se o desgaste desse motor com o de outro que foi utilizado em

condies similares, mas alimentado com leo diesel convencional. A comparao mostrou

que os desgastes foram menores no motor alimentado com B20. Outro estudo realizado

pelo TECPAR, sob a coordenao do professor Jos Carlos Laurindo, avaliou o consumo de

biodiesel de soja B100 em um conjunto moto-gerador estacionrio, ao longo de 3.000 h de

operao. Os resultados apontaram que o volume consumido de biodiesel foi 8% maior que

o de leo diesel. O mesmo estudo apontou a diluio do leo lubrificante pelo combustvel

B100, o que levou a trocas de carga de leo com o dobro da frequncia estabelecida para o

diesel mineral.

De acordo com Chevron (2013), muitos metais podem estar presentes no biodiesel. O

clcio, potssio, magnsio e o sdio podem estar presentes no biodiesel em duas maneiras

diferentes: como slidos abrasivos que podem contribuir para desgastes de injetores, bomba


de combustvel, pisto e anis; e/ou como sabes metlicos solveis, que apesar de terem

pouco efeito sobre o desgaste, eles podem contribuir para a obstruo de filtros e depsitos

no motor. Altos nveis destes metais tambm podem ser coletados em filtros de partculas

do diesel. Eles podem reduzir o perodo do servio de manuteno para os componentes

citados.

Schumacher, Peterson e Van Gerpen (2001) conduziram uma pesquisa durante 10 anos

de acompanhamento de doze picapes, com quilometragens diferentes, motorizao de

5, 9 L para onze dos doze veculos. Os motores foram abastecidos com diesel puro e com

compostos de 1%, 2%, 20%, 50% e 100% de biodiesel. Os resultados das anlises do leo

lubrificante dos motores indicaram que a taxa de desgaste dos motores abastecidos com

diferentes tipos de biodiesel no resultaram em taxas de desgaste que fossem piores do que

o diesel. Os componentes de desgaste analisados foram o alumnio, ferro, cromo, chumbo,

cobre e silcio. No estudo realizado, a substituio do leo diesel para o biodiesel reduziu o

desgaste dos quatro primeiros elementos. Os veculos analisados rodaram em condies

diferentes de carga e tempo.

Agarwal, Bijwe e Das (2003) analisaram amostras de leo lubrificante para determinar

desgaste de metais em motores diesel. Os ensaios foram realizados utilizando dois motores

semelhantes operados com biodiesel B20 de leo de linhaa linseed oil methil ester

(LOME) e diesel mineral, que foram submetidos a testes de resistncias de longo prazo.

Foram coletadas amostras de leos para cada 128 h de operao do motor. Em toda a faixa

de operao do motor de 512 h no havia constatao de grande avaria do motor. Para

cada amostra do leo lubrificante foram realizadas anlises de vrios elementos, tais como

Fe, Cu, Zn, Cr, Mg, Co e Pb e quantificao destes fragmentos metlicos atravs da

espectroscopia de absoro atmica. Partculas de desgastes metlicos foram encontradas

como sendo de 30% menor para o motor operado com biodiesel. O leo lubrificante do motor

operado a biodiesel tem desgaste pouco menor de metais e menor taxa de aumento na

concentrao de desgaste de metais. Para estudar o tamanho dos fragmentos de desgaste

e concentrao, foi realizada a ferrografia sobre as amostras do leo lubrificante de ambos

os motores depois de 128 e 512 horas de funcionamento, indicando partculas de menores

tamanhos e menores concentraes de partculas de desgaste para o motor operado com

biodiesel. No entanto a concentrao de partculas de desgaste aumentaram para os dois

sistemas estudados. De acordo com os autores, o menor desgaste e previso de maior vida

til dos componentes mveis no motor movido a biodiesel foi por causa da propriedade de

lubrificao adicional do LOME presente no combustvel.

Silva (2006) utilizou um dinammetro para estudar os efeitos do uso de uma mistura

combustvel B10 na degradao do leo lubrificante de um motor de ignio por compresso,

aspirado, de 1, 9 L e de injeo indireta. O motor foi abastecido com trs combustveis

diferentes: leo diesel puro, B10 de biodiesel de soja e B10 de biodiesel de soja e nabo

forrageiro. Aps rodar 30 horas com cada tipo de combustvel, as anlises realizadas no


leo lubrificante revelaram que o uso B10 no causou variao significativa na concentrao

de elementos e nas propriedades fsico-qumicas do leo lubrificante.

Oliveira Filho et al. (2012) realizaram uma investigao em duas frotas de nibus

sediadas na cidade de Natal - RN, uma composta de 41 veculos da linha urbana e outra de

13 veculos da linha interurbana. Os veculos possuam de 1 a 23 anos de uso. Foi realizada

uma caracterizao fsico-qumica dos combustveis para os combustveis que abasteciam

as duas frotas, com B5, e tambm para o diesel puro, utilizado como referencial padro.

Foram avaliadas planilhas das duas frotas com dados referentes ao ndice de Consumo

de Combustvel (ICC) para os 54 nibus, em um perodo compreendido entre setembro

de 2008 e julho de 2010. Todos os nibus estudados utilizavam motores com sistema de

admisso/intercooler. As duas frotas estudadas rodavam em mdia 9000 km por ms, com

frequncia de troca de leo de 20.000 km, e praticavam somente a manuteno corretiva.

Os autores encontraram um aumento de consumo do combustvel para a frota urbana de

aproximadamente 5%. Alm disso, o estudo mostrou que 9 veculos do mesmo modelo e

que foram incorporados na frota em 2009, apresentaram em 2009 consumo de 2, 2 km/L

e de 2, 21 km/L em 2010. O supervisor de manuteno relatou que houve um aumento

moderado de falhas no sistema de injeo desses nibus, mas isto no foi atribudo

mudana de combustvel. Para a frota interurbana estudada, embora os dados levantados

no correspondam a um perodo contnuo, foi observado que o ICC mdio aumentou de

1, 38 km/L para 1, 42 km/L. Os motoristas que operavam os veculos no perceberam

diferenas no desempenho decorrentes da mudana de combustvel. Os autores concluram

que existe a necessidade de estudos que permitam avaliar os efeitos da mudana de

combustvel sobre o desgaste das peas do motor.

Silva (2013) estudou o comportamento de um motor diesel operando tanto com biodiesel

puro de leo de palma (B100P ) como com um biodiesel proveniente de soja (70%), algodo

(20%) e sebo (10%), denominado de B100SAS. O combustvel utilizado como referncia

foi o leo diesel comercial (B5) e foram avaliados o desempenho do motor, o desgaste, a

contaminao do leo lubrificante e o acmulo de resduos tanto na cmara de combusto

como nos sistemas de alimentao e de lubrificao. O perodo de operao avaliado foi

de 50 h tanto para B5 como para o B100P , e de 300 h para o B100SAS . No final do perodo

de operao com cada combustvel, o motor era aberto para anlise visual e controle

dimensional. Alm disso, o leo lubrificante foi examinado para a verificao da presena

de metais e gua para 0 h, 150 h e 300 h de uso. Verificou-se que com o uso de B100SAS , o

leo lubrificante apresentou alteraes expressivas na viscosidade, na presena de gua

e no teor de ferro. De uma maneira geral, entretanto, o uso dos biodieseis no provocou

aumento significativo do desgaste de componentes como virabrequim, cilindros, anis de

pisto e bronzinas. Em comparao com o diesel comercial (B5), o consumo especfico de

combustvel foi maior em 11, 58% para o B100P e de 8 11% para o B100SAS. O autorconcluiu que os testes confirmaram a viabilidade de uso dos combustveis estudados.


Cuerva (2013) usou um equipamento pino-no-disco para avaliar os efeitos de possveis

contaminaes do lubrificante causados por B5 comercial, de fonte animal (sebo), de fonte

vegetal (girassol) e de fonte mista animal e vegetal. Com o tribmetro pino-no-disco, foi

simulado o atrito entre um copo de ao ABNT 8640 e um pino de ao ABNT 4140, materiais

amplamente utilizados em construo mecnica. Foram utilizadas duas velocidades do

equipamento pino-no-disco, e para cada velocidade foram usadas duas cargas diferentes.

O lubrificante utilizado foi o API CF SAE 40, sendo que os testes foram realizados com

percentuais de contaminao do lubrificante de 2% e de 5%, em volume. A contaminao

com 5% de biodiesel de sebo gerou a maior viscosidade observada nos ensaios. Tanto o

teste de disperso como os ensaios de ferrografia no apontaram alteraes significativas

no lubrificante com as contaminaes analisadas. Os experimentos com o espectrmetro

de raios-X mostraram que a amostra contaminada com 2% de biodiesel vegetal apresentou

uma quantidade maior de partculas de ferro, de mangans e de titnio, e uma presena

menor de cobre e chumbo, sendo que a quantidade de partculas de chumbo foi a mesma

observada na amostra contaminada com 5% de B5 vegetal. A maior quantidade de magn-

sio foi encontrada nas amostras contaminadas com 5% de biodiesel vegetal. Nas amostras

contaminadas com biodiesel misto foram encontradas as menores quantidades de ferro,

cromo e molibdnio. Nquel, estanho, cobalto e cobre foram encontrados em maior quanti-

dade nas amostras contaminadas com biodiesel de sebo, e com biodiesel misto. O teste

de alcalinidade mostrou que as contaminaes analisadas no alteram significativamente

o leo lubrificante original, sendo que a amostra contaminada com 2% de biodiesel ve-

getal apresentou a menor alterao. O autor concluiu que as contaminaes tm efeitos

diferentes, podendo melhorar algumas propriedades do leo lubrificante e piorar outras.

Kovac, Sarvan e Sikuljak (2013) analisaram dois leos lubrificantes multiviscosos com

graus e classe de servios diferentes, contaminados com biodiesel 5%, 10% e 20%. Eles

avaliaram a estabilidade oxidativa dos lubrificantes com base nas alteraes da viscosidade

a 100C, TAN, TBN e na medio do nvel de oxidao atravs de FTIR. Os ensaios para

avaliao da oxidao foram feitos pelos mtodos IP-48 e ASTM D2272 (modificado). Os

autores concluram que a presena de biodiesel tem influencia negativa sobre a estabilidade

qumica de leos lubrificantes do motor e que o mtodo modificado ASTM D2272 tem

requisitos de teste muito severos e no adequado para esta aplicao.

Shetye et al. (2013) mediram a viscosidade do leo lubrificante de um motor alimentado

com diesel mineral (B00) e biodiesel B20 de pinho manso. Eles concluram que aps 30

horas de operaes no houveram diferenas significativas e que o biodiesel B20 de pinho

manso pode ser usado no motor sem nenhuma modificao.

Stepien, Urzedowska e Czerwinski (2014): estudaram a influncia das misturas de leo

diesel com steres metlicos de colza (RME, do ingls Rapseed Metil Ester ) sobre as

emisses do motor e, tambm, sobre a deteriorao do leo lubrificante. Para a anlise das

emisses eles utilizaram misturas B7, B20, B30 e B100, encontrando que ao aumentar o


teor de biodiesel maior a reduo das emisses de CO e HC, e maior o aumento das

emisses de NOx.

A influncia do biodiesel sobre a deteriorao do lubrificante foi avaliada em dois motores

rodando em uma bancada de testes: um submetido a cargas elevadas e o outro a cargas

leves. Em cada motor foram avaliados dois leos lubrificantes de bases sinttica e mineral,

e com diferentes graus e classes de servios. Foi medida a viscosidade cinemtica, TBN,

TAN, o grau de disperso dos produtos da degradao, o nvel de desgaste de metais e

a diluio do leo de crter pelo combustvel. Os autores encontraram que o aumento do

percentual de biodiesel acelera a degradao de leo do motor. Outras concluses dos

autores sobre a degradao do lubrificante foram:

a) Os fatores que mais afetam a degradao do lubrificante so a intensidade de

diluio do combustvel no leo e percentual de biodiesel no combustvel.

b) O tipo de leo base do lubrificante, os aditivos usados no lubrificante e as condies

de operao do motor tambm influenciam a degradao do desempenho do leo

lubrificante.

c) O envelhecimento do lubrificante reduz as j limitadas chances de evaporao dos

bio-componentes que contaminam o leo lubrificante e isto acelera ainda mais a

oxidao e degradao do leo lubrificante.

d) O envelhecimento do lubrificante diminui a vida til do motor atravs da formao

de depsitos nos pistes, na cmara de combusto e nas vlvulas. Estes depsitos

podem causar o travamento dos anis e o polimento da camisa do cilindro.

Corra et al. (2008) avaliaram o desempenho em bancada dinamomtrica, de um motor

alimentado com misturas de diesel e biodiesel etlico de girassol. Os testes foram realizados

com as misturas B5, B10, B20 e B100, e acusaram maior consumo especfico de combustvel

para B100. Alm disso, foram comparadas amostras do leo lubrificante retiradas do motor

antes e aps 96 horas de operao com B100. Os autores no detectaram alteraes

significativas no lubrificante, mas ressaltaram que a viscosidade, o teor dgua e o teor de

ferro foram os parmetros mais afetados.

Petraru e Novotny-Farkas (2012) estudaram os efeitos causados no lubrificante pelo

uso de combustveis contendo steres metlicos de cidos graxos (FAME) e leos vegetais

hidrotratados (HVO). As misturas testadas foram o B30 e o B5X25 (5% de FAME, 25%

de HVO e 70% de diesel). Aps 50 horas de operao do motor com cada combustvel,

amostras do leo lubrificante foram analisadas, acusando que os valores de viscosidade,

TAN e TBN do lubrificante no sofreram alteraes crticas. Alm disso, foi encontrado que

a oxidao do lubrificante foi maior com o uso de B30 do que com o uso de B5X25. J a

nitrao do lubrificante no caso do B5X25 foi maior que para o B30 que, por sua vez, foi

maior que para o diesel puro.


Manieniyan, Senthilkumar e Sivaprakasam (2015) compararam amostras de lubrificante

retiradas de um motor alimentado tanto com B20 como com diesel puro. Em cada caso,

o motor foi testado a velocidade de rotao constante e seguindo um ciclo de carga pr-

determinado durante 75 horas. Durante os testes, amostras do lubrificante foram retiradas

do motor a cada 25 horas de operao para avaliar a presena de resduos de desgaste de

cobalto, cobre, ferro, magnsio, chumbo e zinco. A avaliao foi feita em um equipamento de

plasma indutivamente acoplado por espectroscopia de emisso atmica (ICP-AES) e seguiu

a norma ASTM D5185. Os autores encontraram que, para todos os elementos analisados,

a presena de resduos de desgaste foi menor quando o motor operou com B20.

Kimura (2010) utilizou trs motores diesel idnticos para verificar a influncia do uso do

biodiesel sobre as propriedades fsico-qumicas do lubrificante. Os combustveis estudados

foram um biodiesel B100 de origem animal, um biodiesel B100 de fonte mista (com 90%

de origem vegetal e 10% de origem animal) e o B3, que em 2010 era o diesel comercial

no Brasil. Os motores rodaram 20 horas como perodo de amaciamento, antes de passar

por uma sequncia de quatro ensaios nos quais o motor

ct_ppgem_m_pereira, flavio marcos de melo_2015.pdf

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