Os métodos atuais de captura e análise de PM são caros e necessitam de condições muito específicas para ensaio. Nesse sentido, os integrantes do Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural da UFRN desenvolveu para esse trabalho um novo dispositivo de captura de partículas que realiza o procedimento sem a necessidade de pausa no funcionamento do motor e a um baixo custo, visto que se trata de material reciclado.
O equipamento consiste em uma cápsula de aço com corpo prismático de base retangular, em uma das bases da capsula existe um acoplamento de formato cilíndrico com rosca externa com o objetivo de unir o dispositivo ao escapamento do motor. As dimensões externas do equipamento são mostradas em centímetros na Figura 19.
Figura 19. Dimensões do dispositivo desenvolvido para captura de debris.
O dispositivo funciona capturando e armazenando as partículas oriundas da câmara de combustão. Por esse motivo, ele pode ser utilizado de maneira contínua para o caso da análise necessitar as partículas acumuladas em longos períodos, ou na captura de debris nas janelas temporais selecionadas em função da vida, em ciclos, do motor (104, 105, 106, … ). Para que as
partículas ao adentrarem no dispositivo não entrem em recirculação e voltem para o escapamento, no seu interior, junto as paredes, é utilizado um filtro formado por um elemento têxtil, papel couché, ao qual as partículas ficam aderidas ao adentrarem. A Figura 20 apresenta a) a cabeça do cilindro, b) escapamento do motor, c) o acoplamento, d) o dispositivo.
Figura 20. Vista superior do sistema de coleta de debris acoplado ao sistema de exaustão do motor. a) cabeça do cilindro, b) escapamento, c) acoplamento, d) dispositivo de coleta de
debris.
O elemento têxtil escolhido para funcionar como filtro é o papel couché devido ao seu baixo custo, facilidade de aquisição e manuseio. Como qualquer filtro, o papel couché possui alguns orifícios para permitir a passagem do fluido e como consequência uma parcela das partículas ficam aderidas a sua superfície enquanto o restante passa pelos orifícios. As imagens de MEV do papel mostraram que o comprimento médio dos orifícios é de 4,20 µm com geometria elíptica (Figura 21), ou seja, boa parte das partículas inferiores a essa dimensão passaram e não ficaram aderidas ao filtro.
O dispositivo foi acoplado ao escapamento do motor em sua região de curvatura (Figura 20), o mais próximo possível da exaustão da câmara de combustão. O projeto de escolha do local a ser realizado o acoplamento dispositivo/motor levou em consideração o percurso de menor resistência para os gases de exaustão, o local escolhido possui menor perda de carga em comparação a curvatura natural do escapamento, como consequência, grande parte da exaustão entra no dispositivo.
Os ensaios foram realizados em um motor do ciclo diesel novo quatro tempos, um cilindro, estacionário com injeção direta de combustível do modelo Branco BD-5.0, 5 hp. O motor funcionou acoplado a um dinamômetro com carga constante de 333 W e uma rotação de 2600 ± 100 cpm, tais valores de carga e rotação foram escolhidos por serem os mais comuns no trânsito urbano brasileiro. A Figura 22 e 23 mostram de maneira esquemática e real a bancada de ensaios utilizada, respectivamente. A Tabela 1 apresenta mais especificações do motor utilizado.
Figura 23. Bancada dinamométrica.
Tipo Horizontal, um cilindro, air cooled
Sistema de Combustão Injeção direta
Diâmetro x Curso 70 x 55 mm Capacidade do Cilindro 211 cm³ Taxa de Compressão 20:1 Potência Máxima 5.0 cv a 3600 cpm Potência Contínua 4.2 cv a 3600 cpm Máximo Torque 1.25 kgfm a 2500 cpm
Sistema de Lubrificação Forçado por bomba de óleo
Capacidade de Óleo 0.75 L
Tabela 1. Características do motor.
Esse trabalho é uma continuidade do estudo desenvolvido por Lago et al. (2014), em que foi ensaiado um motor com as especificações descritas na Tabela 1 durante 150 horas. Como combustível um blend de diesel S10 com 5% de biodiesel (B6) adquirido em um da rede petrobrás, esse combustível estava em vigor pela PROCONVE no período do início dos ensaios. Foram realizadas seis coletas do PM durante a fase de running-in, que segundo Lago et al. (2014), durou 20 horas, a cada coleta o filtro utilizado era substituído por um novo para reduzir
a interferência entre as fases de ensaio. Posteriormente, as coletas foram feitas durante 24, 25, 26, 27, 28 e 29 horas, essas primeiras amostras pós running-in foram levadas para análise de MEV e EDS. Os resultados apresentados não mostraram grandes alterações de morfologia e composição química do PM, por esse motivo, as coletas subsequentes foram feitas em 118, 119, 120 horas. O ensaio continuou até 150 horas sem novas coletas, para então o motor ser desmontado e feita uma inspeção visual em seus componentes.
Para esse estudo, um novo motor foi montado com as mesmas especificações utilizadas por Lago et al. (2014). O combustível usado foi um blend de diesel S10, 6% de biodiesel (B6) microemulsionados com água e tensoativo (TA) desenvolvido por FERNANDES, 2011). Devido a adição de água ao combustível a temperatura adiabática de chama é reduzida, como consequência, é de se esperar que a câmara de combustão apresente menor temperatura média durante a combustão. Baseado no trabalho de Lago et al. (2014) em que o PM apresentou alterações significativas de morfologia e composição química em incrementos de vinte horas, os filtros contendo o PM foram coletados a cada passo de vinte horas com o objetivo da elaboração de uma cadeia de Markov de tempo discreto. O PM coletado foi comparado com os resultados obtidos por Lago et al. (2014). Após os ensaios o motor foi desmontado e feita uma inspeção visual de seus componentes.
Todos os filtros coletados foram levados para análise de MEV e EDS. Inicialmente foram mapeadas as fases de ensaio em que havia maior e menor presença de PM relacionando- a com a área de cada partícula. Essa estratégia foi adotada pois os métodos atuais relacionam a quantidade de PM com o diâmetro aerodinâmico de cada partícula, gráficos como o mostrado na Figura 5 são de grande importância na determinação do tempo em que as partículas permanecem em suspensão na atmosfera, porém não possuem relação direta com o nível de toxicidade do PM. Por outro lado, a área de contado e a composição química são importantes parâmetros associados a velocidade e comportamento das reações químicas, em outras palavras, se relacionam com o nível de toxicidade. As imagens de MEV coletadas por Lago et al. (2014) foram carregadas no software ImageJ e a área do PM foi discretizada em cada imagem. O objetivo é identificar a fase de funcionamento do motor com maior toxidade do PM.
Para esse estudo, a morfologia dos debris coletados foi analisada e posteriormente construída uma roda de falha dos principais mecanismos de dano presentes na câmara de combustão. Os mecanismos foram divididos em quatro grandes grupos de desgaste, são eles: por fadiga, tribo-químico, por altas temperaturas e por delaminação. As relações entre o tipo de
Figura 24. Classificação, morfologia e mecanismos de desgaste responsáveis pela formação dos debris.
Os mecanismos de desgaste predominantes foram definidos como os estados de uma cadeia de Markov e a probabilidade de transição entre os estados foi gerada com base na mudança de concentração dos tipos de debri para cada passo de 20 horas da cadeia. O grafo de transição foi montado e os estados foram classificados em recorrentes ou transientes. Foi verificado se algum dos estados possuía comportamento periódico e se a cadeia convergia para uma distribuição de equilíbrio. A Figura 25 apresenta o fluxograma da metodologia utilizada.