Desafios tribológicos para filmes finos em motores de empregam biocombustíveis

    1

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Uma abordagem fundamental para os desafios tribológicos 

para filmes finos que empregam bio combustíveis

Centro de P & D da MAHLERodovia Anhangüera, sentido interior – capital, Km 49,7. Jundiaí.21 de agosto de 2009

    2

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

UMA VISÃO TRIBOLÓGICA 

“desafios tribológicos para filmes finos em motores que empregam 

bio combustíveis”

Amilton Sinatora (sinatora@usp.br)Laboratório de Fenômenos de SuperfícieDepartamento de Engenharia MecânicaEscola Politécnica Universidade de São Paulo

    3

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

OBJETIVOS “usando como exemplo o sistema anel­camisa”

1) Levantar/alinhar os conceitos/fenômenos envolvidos

2)  Considerando  apenas  o  aspecto  tribológico  levantar/alinhar alguns temas para estudo e a escala para estudo

    4

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Pressupostos

São fortes:tendência á economia de combustíveisredução de emissões CO2

São caminhos:redução de atritoaumento de temperatura

    5

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Pontos considerados

Integração de tribos­sistemas

Inter­relação aspecto térmico e tribológico

Relação ensaios x confiabilidade (como aumentar o indice de acerto na transferência de uma inovação)

    6

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

STr1 ­ Injeção

STr3  Combustão

STr4  Anel Camisa

STr5  Acionamento

Análise de cada sistema  tem que levar em consideração as entradas provenientes de outros sistemas. 

Conexão entre os sistema com transferência de calor, forças, velocidades, massas (efeito químico e tribológico).

STr2  A

dmi­E

xaust.

Integração de tribossistemas 1/2motores como sucessão de sistemas tribológicos

PvPPvP

    7

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Importância

Pode explicar eventos de baixa frequência (...ensaios)

Tendência a adição de nanopartículas para aumentar condução em sistemas semelhantes

STr1

STr3  

STr4 

STr5  

STr2 

Caminhos

Sistema com ou sem recirculação

Adição de contaminante / defeito Tanaka x Adelci  (gases blow by)Fadiga de contato Linilson x Serrato

Integração de tribossistemas  2/ 2

motores como sucessão de sistemas tribológicos

    8

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Elevação do rendimento dos motores de combustão interna 

Entradas do STr (n­1)

Saídas para STr (n+1)

Sistema Tribológico “n”

anel ­ camisa

Inter­relação aspecto térmico e tribológico

Diminuição das perdas de calor 

através da camisa

Diminuição do ¨atrito” “anel­

camisa”

    9

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

As duas perdas podem ser superpostas nas regiões da camisa onde ocorrer o escorregamento do anel

Entradas do STr (n­1)

Saídas para STr (n+1)

Sistema Tribológico “n”

anel ­ camisa

Interrelação aspecto térmico e tribológico

Tratar os dois problemas em 

conjuntoConsiderar os dois 

aspectos simultaneamente

Diminuição do ¨atrito” (T) “anel­

camisa”

    10

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Interrelação aspecto térmico e tribológico

Exemplo 1 

Superfície de Zn recoberta com óleo contendo (1%) Ácido láurico = CH3(CH2)10COOH. (Tf 44,2oC) – Bowden e Tabor 1956

Variáveis importantesValor do coeficiente de atrito

Temperatura na qual o coeficiente de atrito muda

Não aparecem na figura. Variação da concentração da específica espécie química

Efeito do par aditivo­óleo.

“Durabilidade ” (T) do coeficiente de atrito.

Natureza do contra­corpo

Efeito da velocidade e força

Reversibilidade do valor (e da “durabilidade” ) do coeficiente de atrito.

Configuração

    11

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

As duas perdas ocorrem em escalas diferentes

Ambas dependem de eventos que ocorrem em escalas diferentes Térmico 

X Tribológico

~ 1 nm~ 1o µm

Escala da topografia – microestrutura – espessura filme óleo

Escala da ligação química – natureza, concentração das  espécies no anel, camisa, lubrificante

    12

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Exemplo 2 

Interrelação aspecto térmico e tribológico

Variáveis importantesNatureza do corpo

Temperatura na qual o coeficiente de atrito muda

Não aparecem na figura. Valor do coeficiente de atrito

Variação da concentração da específica espécie química

Efeito do par aditivo­óleo.

“Durabilidade ” (T) do coeficiente de atrito.

Natureza do contra­corpo

Efeito da velocidade e força

Reversibilidade do valor (e da “durabilidade” ) do coeficiente de atrito.

Configuração

    13

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

D E S A F I O TRIBOLÓGICODiminuição do ¨atrito” (T) “anel­lubrificante/aditivo­camisa” 

TEMAS

1)Prover dados para as modelagens atuaisPropriedades camisa – anelTopografia (t)Pressões

2) Melhoria da topografia camisa e anel  Prover óleo e aditivos

Sustentabilidade 3) Materiais para reduzir o “atrito” do “par”4) Metodologia (laboratório)

Para medida de pressõesPara medidas de valores de atritoPara medidas de desgaste

ESCALA DA TOPOGRAFIAAbordagem mais imediata – conhecimentos mais consolidados em nosso meio

Conexão conceitual com o próximo nível por intermédio da molhabilidade – tensão superficial

    14

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Objetivo: elevar Θ e β

Desafios Tribológicos – Metodologia para medida de desgaste com grandes dispersões e 

visando confiabilidade

Θ

β          Θ2,04    160 000.............................4,94 1 605 000.............................3,24 2 789 000.............................3,91 3 035 000.............................

Exemplo 3 

Neves 2007

    15

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

D E S A F I O TRIBOLÓGICODiminuição do ¨atrito” (T) “anel­lubrificante/aditivo­camisa” 

ESCALA DA LIGAÇÃO QUÍMICAConhecimentos menos consolidade em nosso meio

TEMASCom restrição “ pacote aditivos”

Filme bom substratos para aditivos.

Camisas (filme ou depósito) bom substratos para aditivos e bom recipiente para óleos

Sem restrição “pacote aditivos”Aditivos compatíveis com lubrificante Aditivos compatíveis com (camisa e 

anel)

    16

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Exemplo 4 

Farías et all Wear 266 (2009) 873­ 877

Desafios Tribológicos – Atuar na escala da ligação química com restrição do pacote de 

aditivos

µ = 0,45

µ = 0,45

µ = 0,1

    17

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Exemplo 5 

fim

H  H   H H H H H H H H H H

H  H   H H H H H H H H H HD DD D DD D DD D   DD

D DD D DD D DD D   DD

Alga unicelular crescida em H2O Alga unicelular 

crescida em D2O

Neihof et all Wear 131 (1989) 251­ 258

Elevar a temperatura de uso aumentando a massa molecular.

Aumentar a cadeia pode ser equivalente mas não é tão divertido!

Desafios Tribológicos – Atuar na escala da ligação química sem restrição do pacote de 

aditivos

    18

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

sinatora@usp.br

Analisar  os  tribos­sistemas  do  motor  como  sistemas  integrados  que trocam  massa  e  energia.  Considerar  esta  análise  nos  arranjos experimentais  e  nos  métodos  de  análise  de  resultados.  Expectativa: melhorar a capacidade de prever eventos tribológicos e de melhorar a capacidade de implementar inovações.

Considerar a inter­relação entre os aspectos térmicos e tribológicos. Nos ensaios considerar desgaste (T) e atrito (T).

Explorar a sinergia entre fenômenos que ocorrem na escala da topografia e os que ocorrem na escala das moléculas. Plano de trabalho que considere a limitação imposta pelo fato de os pacotes de aditivos serem 'condição de contorno” E ao mesmo tempo violar esta limitação

RESUMO VISÃO TRIBOLÓGICA