artigo. REDUÇÃO CONSUMO COMBUSTIVEL

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Contribuição da Tribologia para a Redução do Consumo 
 de Combustíveis e Emissões de Poluentes 
 
Marcos B.Garcia
1
, João C.Godinho Mª 
1
, Gaston R. Spina Schweizer
2
 
 
1
Energy Plus Treinamentos & Consultorias 
2
Repsol YPF Brasil S/A 
 
E-mails: marcos@clickenergy.com.br, joao@clickenergy.com.br, grspinas@repsol.com 
 
 
 
RESUMO 
 
A escassez de petróleo e a busca por novas fontes de energia são hoje preocupações 
globais, principalmente devido à crescente demanda e suas conseqüências no aumento do 
consumo serão no futuro próximo os grandes desafios. 
Novos desenvolvimentos em sistemas de engenharia vêm ocorrendo desde a segunda 
metade do século, em uma constante busca por equipamentos mais duráveis, utilização de 
combustíveis alternativos e tecnologias para atendimento das emissões de poluentes, todos 
aliados a um menor impacto ambiental. 
Neste trabalho serão apresentados estudos sobre a influencia do atrito nos 
componentes de motores que revelam dados que determinam para onde vai à energia oriunda 
da queima do combustível. Estima-se que 12% da energia avaliada nos veículos encontram-se 
no contato dos pneus com o pavimento, o motor contribui com aproximadamente 62% da 
perda mecânica dissipada principalmente por atrito. 
Como os exemplos mais dramáticos estão nos parques automotivos, o conhecimento 
tribológico vem contribuindo para a redução de perdas energéticas e da poluição com 
perspectivas otimistas a âmbito mundial. 
 
 
 
INTRODUÇÃO 
 
Em todos os cantos do globo – na terra e nas águas, no gelo que se derrete e na neve 
que desaparece, durante as secas e as ondas de calor, no olho do furacão e nas lágrimas dos 
refugiados – vemos provas crescentes e inegáveis de que os ciclos da natureza estão passando 
por profundas transformações
 [1]
. 
O conceito de sustentabilidade ambiental refere-se às condições sistêmicas segundo as 
quais, em nível regional e global as atividades humanas não devem interferir nos ciclos 
naturais, em que se baseiam tudo o que a resiliência (que acumula energia) do planeta permite 
e ao mesmo tempo, não devem empobrecer este capital natural, que deverá ser transmitido às 
futuras gerações. 
Após a revolução industrial no final do século XIX, os anos seguintes foram marcados 
por agressões antropogênicas ao meio ambiente tornando-se mais evidente em relação ao 
crescimento populacional e aumento no consumo per capita, nas áreas de interesse do campo 
ambiental sendo este o objeto de estudos e de muita preocupação, principalmente no que 
tange aos impactos
[2]
 ilustrados na figura 1. 
 
 
Figura 1 – Impactos ambientais e os danos acumulados 
 
 
 
 O processo de transformação de energia, no qual o homem utiliza as mais diversas 
formas para realização de suas tarefas, algumas das quais ele se beneficia da energia muscular 
animal para tracionar carroças e arados; a energia elétrica para uma infinidade de afazeres, 
principalmente na iluminação ambiente, e aquela proveniente do combustível fóssil, derivados 
de petróleo utilizados para propulsão de equipamentos. 
Neste contexto, o consumo de derivados de petróleo no Brasil apresentou altas taxas 
de crescimento na década de 70, no plano cruzado em 1986 (congelamento de preços) e nos 
cinco primeiros anos do Plano Real (1994 a 1998). O baixo crescimento econômico e as 
substituições por fontes alternativas, inclusive a substituição de gasolina por álcool, são as 
causas do pouco ou nenhum aumento nos demais períodos. A partir de 1999, o uso do gás 
natural em veículos passa a contribuir, também, para a redução do consumo de derivados. Em 
2007, o consumo final de derivados de petróleo, excluindo-se o uso nos centros de 
transformação, apresentou crescimento de 4,5%. 
A figura 2 apresenta a evolução do consumo setorial dos derivados de petróleo, que 
indica o setor de transportes como o segmento mais importante representando 50,5% deste 
consumo, seguido pela indústria que incluindo o setor energético responde por 19,1% 
[3]
. 
bep – barril equivalente de petróleo (6,28981 barris = 1 m3) 
 
Figura 2 - Consumo dos Derivados de Petróleo por Setor, Brasil 1970 a 2007 
 
 
Atualmente em todo mundo, grandes pressões sobre o consumo de combustíveis são 
exercidas por conta do efeito estufa, devido ao aquecimento global proveniente 
principalmente pela emissão de CO2, como indicado na figura 3. 
 
 
 
 
tep – tonelada equivalente de petróleo 
 1 tep = 7,04 bep = 0,848 m
3
 de óleo diesel = 0,891m
3
 de lubrificante 
1 tep = 10 Mcal/kg = 11,63x10
3
 KWh 
 
Figura 3 - Indicadores de Emissões de CO2 e de Energia – Brasil e Mundo 2006 
 
 
O panorama energético global 2006 indica que os grandes consumidores per capita de 
petróleo (tep/hab) foram os Estados Unidos seguido por Austrália e OECD, 
conseqüentemente também tiveram uma maior contribuição na emissão de CO2 por 
habilitante. Na relação tCO2/ tep, a Austrália e a China se destacam possivelmente devido a 
outras fontes de energia, como a produção de lenha/carvão vegetal e a expansão das fronteiras 
agrícola e pecuária
[4]
. 
 
Diversas estratégias tecnológicas estão sendo adotadas em todo o mundo visando a 
redução dos níveis de CO2, algumas são: 
 
• Restrição no uso de veículos (rodízios) 
• Combustíveis alternativos 
• Melhoria da eficiência do Powertrain 
• Melhoria no peso, aerodinâmica e perdas por atrito 
 
 
A Tribologia e a Redução do Atrito 
 
Por volta de 1966 na Inglaterra foi investigado e atribuído pelo Jost Committee uma 
nova palavra derivada do grego, denominada tribologia, formada pelo radical “tribos” que 
significa esfregar mais o sufixo “logos”– estudo. 
O primeiro estudo dos impactos econômicos usando os conhecimentos da tribologia 
foi um marco da criação deste comitê, conforme indica a figura 4. As perdas econômicas 
totais estimadas na Inglaterra neste período seriam de 515 milhões de libras, correspondendo 
a 0,5 % do PNB
[5]
. 
 
 
 
Figura 4 - Economias devidas à aplicação da tribologia no Reino Unido 1966 
 
Trata-se de uma ciência interdisciplinar que estuda a interação de superfícies em 
movimento relativo, considerando a condição de atrito, desgaste e como conseguinte a 
lubrificação. O tema foi mais centralizado como um fator unificador através da aplicação dos 
conhecimentos básicos para prever o comportamento de sistemas físicos, ou seja, de 
tribosistemas que são utilizados na engenharia
[6]
, figura 5. 
(em milhões de libras) 
 
 
 
Figura 5 – Exemplos de tribosistemas, configurações e estruturas elementares 
 
 
As condições de desgaste e atrito do tribosistema são determinadas por alguns 
parâmetros, nos quais a predominância de um ou outro depende das condições de 
funcionamento (carga, velocidade e temperatura), das condições de interface (meio 
triboquímico como a lubrificação, subprodutos da combustão e gradientes de temperatura) e 
das condições estruturais (características geométricas, materiais e tratamentos superficiais) do 
par tribológico ou triboelementos. 
 O exemplo clássico é a influencia da carga normal e da velocidade sobre os regimes de 
desgaste, pois os mesmos influem na taxa de deformação plástica e temperatura induzida por 
atrito nas superfícies, podendo modificar a constituição da microestrutura e também alterar a 
propriedade mecânica das superfícies, ou ainda, interferir na taxa de oxidação superficial 
quanto submetido a determinadas temperaturas
[7]
. 
A exigência do mercado com a regulamentação dos níveis de emissões e a 
durabilidade dos motores está voltada para efeitos adversos que requerem a redução de atrito,e também nos quesitos de vibração e ruídos. 
Estudos sobre a influencia do atrito nos componentes de motores, revelam dados que 
determinam para onde vai a energia oriunda da queima do combustível. A figura 1 mostra que 
aproximadamente 12,6% da energia avaliada encontra-se no contato dos pneus com o 
pavimento, o motor contribui com 62,4% da perda mecânica dissipada, principalmente por 
atrito[2]. De forma subjetiva, a proporção de perda total por atrito nos motores está estimada 
em 40% para o conjunto do pistão. A figura 6 indica a comparação das principais categorias 
de perdas por atrito de motores com 4 cilindros e 1.6 litros
[8]
. 
 
 
 
 
 
 
Figura 6 – Pressão média efetiva de atrito (fmep) para diferentes cargas e velocidades 
 de um motor automotivo 1.6 litros e 4 cilindros, com configurações de ignição SI e CI 
 
 
 A durabilidade do par tribológico anel-cilindro talvez seja um dos fatores que 
determinam a vida efetiva dos motores, e as condições a que são submetidos os anéis de 
pistão torna este o componente mais complexo da câmara de combustão interna, devido aos 
carregamentos (carga, velocidade e temperatura) e pela variação no suprimento de óleo 
lubrificante, principalmente do anel de compressão alojado no primeiro canalete do pistão. 
 
 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
 A variação na espessura do filme de óleo lubrificante ao longo de um ciclo é a razão 
das alterações do regime de atrito dos anéis de pistão, variando da condição de lubrificação 
limite (R1/2 boundary) até a hidrodinâmica (R3) como mostra a figura 7. 
 
 
Regime 1, lubrificação limite [contato superficial] 
Regime 2, lubrificação de filme fino [EHD] 
Regime 3, lubrificação de filme espesso [HD] 
 
Figura 7 – Diagrama de Stribeck e os regimes de lubrificação 
 
 O contato das superfícies (regime 1) envolve eventos tais como adesão, deformação 
plástica, formação de junções, transferência de material (fragmentos), resultando em uma 
alteração na rugosidade superficial e conseqüentemente aumento no coeficiente de atrito. 
Alguns estudos utilizando adequações no regime de lubrificação serão apresentados a seguir. 
 
 
1. Otimização da Topografia de Superfície 
 
Na busca por uma lubrificação mais adequada que contribua para redução do desgaste 
e da potencia dissipada, experimentos foram realizados com segmentos de aço inoxidável 
martensítico (18%Cr) submetido a tratamento termoquímico de nitretação (gasosa), com 
espessura que variam de 60 a 80 μm, e na seqüência foram efetuadas modificações na 
topografia da superfície de contato, de modo que haja uma manutenção/retenção eficiente do 
filme de óleo para os diferentes regimes de lubrificação. 
 
Condições das topografias de superfícies: 
 
a) Normal de Produção (NP) – retificado e lapidado; Rz 0,40 μm 
b) NP + Jateamento úmido (1 ciclo); Rz 1,18 μm 
c) NP + Jateamento + Reversão eletroquímica (5 min) + escovamento; Rz 1,41 μm 
 
A característica da superfície após a modificação da topografia resulta em partículas 
duras dispersas e salientes sobre a matriz martensítica, formando plates e depósitos que visam 
a melhoria da lubrificação e retenção de fragmentos de desgaste, principalmente no período 
de amaciamento (break-in). A figura 8 apresenta o aspecto de uma superfície modificada 
através da imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV). 
 
 
Figura 8 – Aspecto superficial da topografia modificada de aço inoxidável 
martensítico (18%Cr), observa-se os carbonetos de cromo em relevo
[8]
 
 
 
 Os experimentos com as três condições de topografias foram ensaiados em um 
tribometro, com geometria tipo block on ring modificado para fixar o segmento de 
aproximadamente 10 mm, contra um anel padrão de ferro fundido cinzento perlítico similar 
aos utilizados em cilindros de motor. Retificado com uma rugosidade Ra 0,6 e dureza média 
de 225 e 310HB, para os ensaios de desgaste lubrificado (SAE 15W40 API CF) e atrito (sem 
lubrificação) respectivamente. 
 As figuras 9 e 10 apresentam os resultados dos ensaios de atrito e desgaste. 
 
 
Figura 9 – O gráfico indica os valores da força de atrito e da 
carga aplicada para as três condições de superfície 
 
 
Figura 10 – Apresenta o gráfico com os valores de desgaste (perda de massa) 
 das três condições de superfície e dos respectivos anéis padrões 
 
 
2. Lubrificantes Fuel Economy 
 
Os óleos lubrificantes denominados “fuel economy”são produzidos com óleos básicos 
específicos (semi ou totalmente sintéticos) e modernas tecnologias de aditivos, que conferem 
de algumas características para a redução do atrito dos componentes contidos nos motores, e 
utilizados nas mais variadas aplicações. 
 As categorias destes lubrificantes indicados para redução do consumo de combustível 
são consideradas de baixa viscosidade, ou HTHS (high temperature and high shear) e para 
determinadas aplicações baixo SAPS (sulphated ash, phosphorus and sulphur). 
 A figura 11 apresenta um gráfico com valores de desgaste de segmentos de pistão e 
economia de combustível, em relação ao HTHS 
 
 
 
 
Figura 11 – Variação de HTHS em relação ao desgaste de 
 segmento de pistão e na economia de combustível 
 
 
 
CONSIDERAÇÕES GERAIS 
 
 A descoberta do campo de Tupi, localizada a cerca de 7 mil metros abaixo da linha 
d'água, em rochas denominadas pré-sal, abrangendo as Bacias do Espírito Santo, Campos e 
Santos, está sendo considerada como uma das mais importantes do mundo. Estudos 
preliminares apontam que as reservas de petróleo e gás do país, que somam hoje 14 bilhões de 
barris, receberão um acréscimo de pelo menos 50%. A meta da Petrobras é iniciar a produção 
a partir de 2010, com um projeto-piloto de 100 mil barris por dia. Esse volume equivale 
atualmente a 5% da produção nacional. 
Em relação ao gás natural, a descoberta do campo de Júpiter deverá contribuir, no 
médio prazo, para a auto-suficiência na produção de gás natural. O setor vem recebendo 
investimentos para desenvolver e ampliar a participação na distribuição. A Agência Nacional 
de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) continuará promovendo rodadas de 
licitações, ofertando inclusive blocos localizados em novas fronteiras e também em bacias 
maduras. As recentes descobertas são importantes por representarem grandes reservas 
estimadas, e também por estarem próximas a São Paulo. 
Sendo o principal mercado consumidor de derivados de petróleo, algumas estimativas 
foram realizadas visando prever as perdas econômicas devido ao atrito e sua respectivas 
proporção de CO2 que poderão ser emitidos na região metropolitana de São Paulo
[10]
. 
[mPas] 
 
 
 
 
 
Nesta análise não está sendo considera a contribuição de poluentes como os compostos 
de nitrogênio, hidrocarbonetos e monóxido de carbono, uma vez que a formação e liberação 
destes estão relacionados a eficiência da combustão e não na eficácia dos sistemas mecânicos. 
 
Estima-se que uma redução de 10 % no atrito de acionamento do automóvel resultaria 
em até 3% de economia de combustível, embora expressivo uma pequena fração das perdas 
térmicas dos motores são devido à ineficiência dos mesmos. Por outro lado, considerando 
imediatas melhorias em torno de 20 % baseado apenas nos conhecimentos disponíveis, a 
economia seria na casa de 300 milhões de reais por ano, para reduzir a emissão de CO2 em 
37.500 toneladas, apenas na cidade de São Paulo. 
 
As tendências tecnológicas e o vasto campo de atuação dos tribologistas assim como 
de outras áreas envolvidas no escopo da engenharia de superfície indicam atenção especial 
para os componentes que são submetidos ao regime de lubrificaçãomisto (boundary), 
principalmente no período de amaciamento e no diagnóstico das análises de óleo lubrificante 
ao longo da vida do equipamento, determinando a confiabilidade para a aplicação 
 
 
 
 
 
 
CONCLUSÃO 
 
• Os impactos ambientais globais são resultantes de diversos fatores que contribuem 
para o processo de degradação da terra, causando irreparáveis danos ao longo do ciclo 
de vida das espécies. 
 
• Nos próximos anos, a demanda crescente por energia e as conseqüências no aumento 
de consumo serão um grande desafio para a sustentabilidade do planeta. A politização 
aliada ao consumo e aos elevados preços do petróleo tornaram o sistema altamente 
vulnerável. 
 
• A poluição urbana e a chuva ácida são danos ambientais locais e regionais causados 
principalmente pela queima de combustíveis fosseis oriundos dos transportes de 
cargas e passageiros. 
 
• Nos países em desenvolvimento, outros danos ambientais são devidos a depredação 
das florestas pelo desmatamento, avanço de fronteiras agrícolas e pecuárias, 
urbanização e principalmente pela poluição oriunda das queimadas. 
 
• O grande desafio na busca pela redução do desgaste e atrito dos componentes 
veiculares está voltado para os conjuntos trem de válvulas, mancais de virabrequim e 
principalmente no conjunto dos pistões. 
 
 A utilização de partículas duras dispensas na matriz dos materiais e tratamentos 
superficiais, associadas a uma determinada topografia de contato, manifesta-se como 
uma alternativa promissora para a redução do desgaste e atrito. 
 
 Em 2030 o consumo de energia no mundo será 75% maior do que o atual. A demanda 
por petróleo, por sua vez, será 50% maior. Pais como a China e Índia precisarão de 
muito combustível para continuar no mesmo ritmo de crescimento econômico de hoje. 
 
 
 
Para esclarecimentos adicionais, contatar: 
 
AEA - Associação Brasileira de Engenharia Automotiva 
Rua Salvador Correia, 80 - Aclimação 
São Paulo - SP - 04109-070 
Tel.: (011) 5575-9043 – Ramal 25 
E-Mail: eventos@aea.org.br 
 
REFERÊNCIAS 
 
[1] GORE, Al – Livro: Uma verdade inconveniente, Editora Manole, 2006 
[2] GOLDEMBERG, J.; VILLANUEVA, L. D. Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento, 
2ª edição, 2003. 
[3] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA; Balanço Energético Nacional 2008, ano base 
2007, Disponível em http://www.mme.gov.br 
[4] BASE DE INDICADORES; Estimado pelo Painel Intergovernamental de Mudanças 
Climáticas (IPCC) e Agência Internacional de Energia (IEA) 2006 
[5] DOWSON, D. History of Tribology, London: Longman, 1979 
[6] BLAU, P. J. Metals Handbook v. 18: Friction Lubrication and Wear Technology. 
Ed.Philadelphia: ASM International, 1995 
[7] GARCIA, M.B.; AMBRÓZIO Fº, F.; VATAVUK, J.;Wear Mechanisms Behavior of 
Different Surface Treatment Piston Rings, São Paulo SAE 2003-01-3589 
[8] HEYWOOD, J.B.; Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Ed. 1988 
[9] GARCIA, M.B.; Anel de pistão e processo de obtenção, patente INPI PI9702729-4ª 
depositada em 1997 
[10] de PAOLA, J. C. C. Análise ambiental de aços forjados. 2004. 140 f. Tese (Doutorado 
em Engenharia) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004. 
 
 
 
 
 
NHTSA's responsibilities in the fuel economy area include: 
(1) establishing and amending average fuel economy standards for manufacturers of passenger 
cars and light trucks, as necessary; (2) promulgating regulations concerning procedures, 
definitions, and reports necessary to support the fuel economy standards; 
(3) considering petitions for exemption from established fuel economy standards by low volume 
manufacturers (those producing fewer than 10,000 passenger cars annually worldwide) and 
establishing alternative standards for them; 
(4) enforcing fuel economy standards and regulations; and (5) responding to petitions concerning 
domestic production by foreign manufacturers, and other matters. 
 
CAFÉ – Economia de combustivel definida pela milhagem média percorrida por um veiculo por 
galão de gasolina ou combustível equivalente, medidas de acordo com o protocolo da EPA.