AvaliaçÃo desgaste de discos metálicos utilizados na determinaçÃo de lubricidade de combustíveis biodiesel



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AVALIAÇÃO DESGASTE DE DISCOS METÁLICOS UTILIZADOS NA DETERMINAÇÃO DE LUBRICIDADE DE COMBUSTÍVEIS BIODIESEL
Farias, A.C.M.1, Mello, V.S., Medeiros, D.R.S., Araújo, E.R.V., Medeiros, J.T.N., Alves, S.M.

Caixa Postal 1524. Campus Universitário, Lagoa Nova, Natal/RN, Brasil.

CEP: 59125-340. 1alinecmfarias@yahoo.com

Universidade Federal do Rio Grande do Norte



RESUMO
Com a função de diminuir as emissões de poluentes do óleo diesel, a ele é adicionado biodiesel, que também pode aumentar sua lubricidade para atender ao bom funcionamento dos motores do Diesel. A norma ASTM D-6079 e o método HFRR são utilizados pela ANP para designar a lubricidade do Biodiesel, cuja propriedade influencia no desgaste e atrito dos componentes que entram em contato com o mesmo. A partir das interações superficiais decorrentes deste contato lubrificado com fluido, são gerados filmes molecularmente finos. O estudo objetivou analisar a escara de desgaste de discos antes e após ensaios tribológico de contato esfera-plano lubrificado com ésteres etílicos de soja e girassol e suas blendas B5 e B20 com o diesel S50 (7 ppm de enxofre). Os perfis de rugosidade gerados demonstraram ter correlação com o diâmetro da escara medida na esfera (WSD) e com os combustíveis usados na lubrificação.
Palavras-Chave: biodiesel, lubricidade, HFRR, rugosidade, desgaste
INTRODUÇÃO
O Biodiesel é um combustível alternativo ambientalmente amigável, o qual é obtido pela transesterificação de óleos vegetais gerando alquil ésteres de ácidos graxos de cadeia longa (1,2). O biodiesel é uma opção brasileira ambiental e economicamente geradora de tecnologia, de divisas e de renda, onde combustíveis mais utilizados são os transesterificados dos óleos vegetais de soja, girassol, mamona e dendê (3). A principal importância do uso de biodiesel está relacionada à necessidade de redução da maior parte dos gases presentes nas emissões produzidos por motores e responsáveis pelo aquecimento global (4).

As misturas de biodiesel promovem a formação de um combustível superior ao diesel por causa do seu baixo teor de enxofre, elevado ponto de fulgor e baixo teor de aromáticos. Motores que utilizam o biodiesel como fonte de energia emitem menos poluentes, sendo 78% de CO2 e 98% de enxofre a menos na atmosfera (5,6). Outras vantagens do biodiesel com relação ao diesel convencional incluem biodegradabilidade, elevado ponto de fulgor e origem nacional (7).



Do ponto de vista tribológico, a lubricidade do Biodiesel e o tempo de vida da linha de alimentação do combustível se correlacionam (8). A lubricidade é definida pela capacidade de reduzir atrito entre as superfícies, sob carga e com movimento relativo, bem como o desgaste nas superfícies. Ela é avaliada pelo diâmetro da escara do desgaste (WSD), em μm, medido nos eixos x e y, produzida pela esfera com deslizamento alternado contra o disco estacionário imersos num fluido (9).

Quanto maior a lubricidade, menor a escara do desgaste, assegurando eficácia ao filme lubrificante interfacial em sua ação de separação dessas superfícies (10). Este filme é formado pela adsorção das moléculas polares do combustível na superfície do metal. O máximo WSD permitido pelas normas americana e europeia é estabelecido em 520 μm (ASTM D 975 -10) e 460 μm (EN 590 -10) a 60 °C (11).

O Usando o método HFRR de avaliação de lubricidade, o diesel com 50 ppm de enxofre sem aditivo forneceu WSD de 600 μm, ao passo que as blendas B5 e B10, derivados de óleo de fritura com o S50, proporcionaram menor WSD (312 μm e 283 μm, respectivamente) (12). Sendo assim, esta propriedade anti-desgaste tornou-se importante e foi necessário desenvolver um método simples, rápido e barato para determinar a lubricidade dos combustíveis diesel e biodiesel (13). Assim, quanto maior lubricidade, maior é a sua habilidade em proteger as superfícies dos componentes do sistema de injeção que possuem movimento relativo (14).

Este trabalho objetivou a análise do desgaste em discos de aço AISI 52100 através de perfis de rugosidade e sua correlação com a lubricidade medida pelo diâmetro da escara de desgaste na esfera e outras grandezas inerentes ao contato esfera-disco lubrificados: coeficiente de atrito, aquecimento e filme lubrificante.


MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho sete amostras de combustível diesel e biodiesel foram avaliadas, os quais estão descritos na Tab. 01. O óleo diesel S50 foi adquirido comercialmente e os ésteres etílicos de soja e girassol foram sintetizados por transesterificação em laboratório. As blendas foram obtidas por mistura em proporção volumétricas de 5 e 20 % destes ésteres com o óleo diesel.
Tabela 01. Descrição dos combustíveis utilizados no contato esfera plano

Combustíveis

Composição

S50

100 % diesel mineral com 7 ppm de enxofre (15,16)

B100-SB

100 % éster etílico de óleo de soja

B5S50SB

5 % de B100-SB + 95 % de S50

B20S50SB

20 % de B100-SB + 80 % de S50

B100-SF

100 % éster etílico de óleo de girassol

B5S50SB

5 % de B100-SF + 95 % de S50

B20S50SB

20 % de B100-SF + 80 % de S50

O par tribológico utilizado no ensaio de desgaste lubrificado HFRR (High Frequency Reciprocating Test Rig, Fig. 01), é composto por esfera e disco plano de aço AISI 52100, onde sua composição química, obtida por florescência de Raios X, está indicada na Tab. 02. A esfera polida (Ra = 0,05 μm) mais dura (62±4 HRC) desliza num curso de 1,00±0,02 (50±1 Hz) sobre o disco também polido (Ra = 0,02 μm), de dureza 200±10 HV30, que se encontra em repouso e imerso aos fluidos analisados, conforme ASTM D 6079-04 (9). O coeficiente de atrito, o aquecimento e filme gerado no contato foram medidos usando sensores de resistência ao movimento, termopares e resistência elétrica do contato, respectivamente. Cada ensaio tem duração de 75 minutos, e ao final deste, a esfera é sacada do HFRR para medição do WSD com auxílio de microscópio óptico e ampliação de100 vezes.



Figura 01 – Tribômetro HFRR: a) foto da bancada, b) esquema do ensaio


Tabela 02 – Composição química (% p.) do disco de aço AISI 52100

Fe

C

Mn

Cr

S

Si

Al

Ca

Bal.

0,900

0,413

1,567

0,127

0,546

0,105

0,154

As superfícies dos discos foram avaliadas pelo rugosímetro Taylor Hobson® Surtronic 25 antes e após ensaio de desgaste em bancada HFRR. A medida perfilométrica de rugosidade nos discos desgastados foi realizada na seção transversal à trilha do desgaste, ou seja, perpendicular à direção do deslizamento.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados tribológicos obtidos através do ensaio esfera-disco pelo método HFRR são mostrados na Fig. 02. O coeficiente de atrito tem relação proporcional ao aquecimento do contato, e inversamente proporcional ao percentual de filme na interface esfera-disco e o desgaste gerado.



(a)

(b)





(c)

(d)




Figura 02 – Lubricidade dos combustíveis: a) coeficiente de atrito, b) aquecimento do contato, c) percentual de filme e d) WSD da esfera
Pode ser visto que os combustíveis biodiesel de soja (B100-SB) e girassol (B100-SF) possuem maior habilidade de proteger as superfícies das peças que o diesel S50 e as blendas B5 e B20. Isto é devido ao maior conteúdo de compostos oxigenados e ácidos graxos presentes. Assim, o teor de oxigênio presente no biodiesel pode acelerar a geração de filmes de Fe3O4, que é um bom lubrificante (14).

O processo de dessulfurização é responsável pela remoção dos compostos inerentes à lubrificação natural do diesel (10, 12,14), o que explica o contato lubrificado pelo diesel S50 oferecer o pior desempenho em relação aos demais combustíveis (WSD = 327 μm). As blendas obtiveram desempenho tribológico semelhantes, cujos WSD médios das esferas ficaram entre 173 μm e 204 μm; excetuando-se a blenda B5S50SB, que forneceu valor mais elevado no atrito e no desgaste (267 μm).

A rugosidade das superfícies dos discos foi avaliada. Os perfis de rugosidade na condição nova e ensaiada são demonstrados nas Fig.s 03 e 04. Para a condição nova, foi medida a rugosidade média Ra (perfis à esquerda) e para a condição desgastada do disco, a profundidade e área transversal da escara (perfis à direita) para cada fluido utilizado.

Nota-se que sob condições de atrito elevado (Fig. 02), há um aumento na área e profundidade da escara, como é notado para a condição de lubrificação com os combustíveis diesel S50 e B5S50SB. A adição do éster de soja, em 20 % e de éster de girassol em 5 % e 20 %, proporcionou a redução na escara, aos quais se equivalem aos perfis gerados para os discos ensaiados com ambos os ésteres de soja (B100-SB) e girassol (B100-SF), Fig. 03. Disto deduz-se que o caráter do desgaste muda como uma função não monotônica do teor de éster presente (16).



Figura 03 – Perfil de rugosidade. À esquerda: superfície polida do disco e, à direita, seção transversal da escara após ensaio de desgaste esfera-disco lubrificado








Figura 04 – Perfil de rugosidade. À esquerda: superfície polida do disco e, à direita, seção transversal da escara após ensaio de desgaste esfera-disco lubrificado


CONCLUSÃO
Os menores diâmetros de escara de desgaste WSD das esferas ocorreram para as misturas dos ésteres com o diesel. Isto revela que a perda de lubricidade do diesel com menor teor de enxofre é compensada com a adição de ésteres, pela sua natureza química e por conter oxigênio em sua estrutura.

Os melhores desempenhos em termo de lubricidade são observados para as blendas de girassol, devido ao seu maior grau de insaturação. Os perfis de rugosidade dos discos desgastados demonstraram ter relação direta com o WSD medido na esfera para todos os combustíveis aplicados no contato esfera-disco.


AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio financeiro da CAPES, ao PPGEM/ UFRN, aos técnicos e coordenadores dos laboratórios de Combustíveis e Lubrificantes, Química Tecnológica, NUPEG II, Metrologia, DEMat e Tribologia da UFRN pela uso dos equipamentos usados na elaboração deste trabalho.

REFERÊNCIAS

(1) Dunn, R.O.; Knothe, G.. – Alternative diesel fuels from vegetable oils and animal fats. J. Oleo Sci. 50, 2001, pp.415-426.

(2) Knothe, G.; Dunn, R.O. – Biofuels derived from vegetable oils and fats. In Oleochemical Manufacture and Applications; Gunstone, F. D., Hamilton, R. J., Eds; Sheffield Academic Press: Sheffield, U.K.. 2001, pp.106-163.

(3) Tavares, M.L.A., Queiroz, N., Santos, I.M.G., Souza, A.L., Cavalcanti, E.H.S., Barros, A.K.D., Rosenhaim, R., Soledade, L.E.B., Souza, A.G.. – Sunflower biodiesel – Use of P-DSC in the evaluation of antioxidant efficiency. J Therm Anal Calorim, 2011, DOI 10.1007/s10973-011-1357-4.

(4) Knothe, G., Gerpen, J.V., Krahl, J., Ramos, L.P. – Manual de Biodiesel. Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 2006.

(5) Agarwal, D., Kumar, L., Agarwal, A.K. – Performance evaluation of a vegetable oil fuelled compression ignition engine. Renewable Energy 33, 2008, pp.1147 – 1156.

(6) Freitas, S. M.; Fredo, C. – Biodiesel à base de óleo de mamona: algumas considerações. Revista informações econômicas, v. 35, n. 1, 2005, pp. 37-42.

(7) Knothe, G.; Steidley, K.R. – Lubricity of biodiesel and petrodiesel components. Energy & Fuels 19, 2005, pp. 1192-1200.

(8) Farias, A. C. M., Santana, J. S., Oliveira Filho, M. F., Santana, J. S., Barbosa, C. R. F, Medeiros, J. T. N. – Os combustíveis verdes do Brasil - avaliação da lubricidade do biodiesel b5 e óleos de rícino e coco. Holos 27, vol. 3, 2011, PP. 4-17.

(9) ASTM D 6079. – Standard test method for evaluating lubricity of diesel fuels by the high-frequency reciprocating rig (HFRR). 2005.

(10) Farias, A. C. M. – Análise da lubricidade do biodiesel brasileiro de ésteres etílicos de soja e girassol. Dissertação (mestrado em Engenharia Mecânica), 2011.

(11) Barbour, R.H.; Rickeard, D.J.; Elliott, N.G. – Understanding Diesel Lubricity. SAE Tech. Pap. Ser., 2000.

(12) Muñoz, M; Moreno, F; Monné, C; Morea, J; Terradillos, J. – Biodiesel improves lubricity of new low sulphur diesel fuels. Renewable Energy 36, 2011, pp. 2918-2924.

(13) Davenport, J.N. – CEC97-EF22, Fifth CEC international symposium on the performance evaluation of automotive fuels and lubricants, Sweden, 1997.

(14) Sukjit, E.; Dearn, K.D. Enhancing the lubricity of an environmentally friendly Swedish diesel fuel MK1.Wear 271, 2011, pp. 1772– 1777.

(15) NBR14533. – Produtos de petróleo- Determinação de enxofre por espectrometria de fluorescência de raios X (Energia dispersiva). 2010.

(16) ASTM D 4294. – Standard Test Method for Sulfur in Petroleum and Petroleum Products by Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry. 2010

(17) Sulek, M.W., Kulczycki, A., Malysa, A. – Assessment of lubricity of compositions of fuel oil with biocomponents derived from rape-seed. Wear 268, 2010, pp. 104-108.


WEAR EVALUATION OF METAL DISKS USED ON DETERMINATION OF BIODIESEL FUEL LUBRICITY
ABSTRACT
To reduce the emission of pollutants from diesel, biodiesel is added to it, which can also increase its lubricity to comply with the proper functioning of the Diesel engines. ASTM D-6079 and HFRR method are used to designate the lubricity of biodiesel. It influences the friction of the components wear that they are in contact with fluid. Starting from the surface interactions due to this lubricated contact, are generated molecularly thin films. The study aimed to analyze the wear scar of the disks before and after of the tribological tests, where the ball-disk plane contact was lubricated with ethylic soybean and sunflower esters and their blends B5 and B20 with S50 diesel (7 ppm sulfur). The generated roughness profiles demonstrated to correlate with the wear scar diameter of ball (WSD) and the fuels used on lubrication.
Keywords: biodiesel, lubricity, HFRR, roughness, wear

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