CENTRO UNIVERSITÁRIO LUTERANO DE MANAUS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO II GIDEON ALMEIDA AMORIM

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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO LUTERANO DE MANAUS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO II GIDEON ALMEIDA AMORIM ESTUDO DE CASO: ANÁLISE DE FILTRO SEPARADOR DE AR E ÓLEO DE MOTOR CICLO OTTO JGS 620 À GÁS NATURAL. MANAUS- AM 2016

2 GIDEON ALMEIDA AMORIM. ESTUDO DE CASO: ANÁLISE DE FILTRO SEPARADOR DE AR E ÓLEO DE MOTOR CICLO OTTO JGS 620 À GÁS NATURAL. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica ao Centro Universitário Luterano de Manaus da Universidade Luterana do Brasil. Orientador : Prof. MSc. João de Deus Pereira de Moraes Segundo. MANAUS AM 2016

3 Autor: Gideon Almeida Amorim Título: ESTUDO DE CASO: ANÁLISE DE FILTRO SEPARADOR DE AR E ÓLEO DE MOTOR CICLO OTTO JGS 620 À GÁS NATURAL. Natureza: Trabalho de Conclusão de Curso em Bacharel em Engenharia Mecânica. Instituição: Centro Universitário Luterano de Manaus, Universidade Luterana do Brasil. Aprovado em: / /. BANCA EXAMINADORA Prof. MSc. João de Deus Pereira de Moraes Segundo ( Orientador). CEULM / ULBRA Prof. MSc. João Cláudio Ferreira Soares CEULM / ULBRA Prof. MSc. Frederico Cesarino CEULM / ULBRA Esse exemplar corresponde à versão final da monografia aprovada.

4 A toda minha família que sempre esteve do meu lado, minha esposa e meu único e amado filho e principalmente ao meu pai e minha mãe, que me deram a oportunidade e a credibilidade de estar neste mundo.

5 v AGRADECIMENTOS Agradecer ao Grande Arquiteto do Universo que é Deus, por todos os dias superados até alcançar este objetivo da graduação superior. Aos meus pais que sempre me instigaram a estudar e a buscar sempre a melhoria profissional, através dos estudos, do conhecimento e do respeito a todos, independentemente das diferenças de cor, raça, credo e classe social. A minha querida e muito amada esposa, Aderlívia de Araújo Amorim, por sempre me acompanhar em todos os momentos de minha vida desde que nos casamos em 23 de Janeiro de Ao meu único e querido amado filho, Gedeão Timóteo Amorim Neto, a quem eu ensino e a quem me ensina também por sua forte e viril juventude. Aos amigos em especial Hélio Augusto, André Luiz, Samir Bastos, Francisco Alves da Silva, os quais me ajudaram nas idéias, sugestões e nas leituras preliminares de todo o meu trabalho, pelo companheirismo, cumplicidade e amizade durante os anos de graduação e de diversão. Aos amigos que não lembrei o nome aqui, mas que foram de grande importância e aos meus companheiros de trabalho e de luta, Engenheiros Fábio Silva de Araújo, Lincoln Frank Pontes de Oliveira, Gilberto Jean Alves de Moura e Gilson do Carmo Corrêa. Ao meu orientador Professor João de Deus Pereira de Morais Segundo pela confiabilidade, seriedade e pelo apoio a mim dedicado e ao Professor Dr. Newton Lima por ter me motivado a levar adiante o tema deste trabalho aqui desenvolvido. Ao Centro Universitário Luterano de Manaus pelo acolhimento, por me preparar para o mercado de trabalho e por tornar um de meus sonhos realidade.

6 Concentre-se naquilo que você é bom. Steve Jobs

7 RESUMO Motores de Combustão Interna Ciclo Otto utilizam em seu sistema de ventilação do cárter, Ciclo fechado, filtros separadores em diversos tipos e modelos, cada projeto apresentado pelo fabricante pode sofrer melhorias conforme o seu local de instalação, clima e entre outros parâmetros e variáveis de onde será utilizado. No comissionamento do motor a monitoração é padronizada conforme as condições de variáveis dos sistemas para ser utilizado em um estudo e, consequentemente, obter valores para realizar modificações no projeto inicial afim de se obter melhores resultados com o equipamento em sua finalidade, que neste caso foi utilizado na geração de energia elétrica. Este estudo: Análise do Filtro Separador de Ar e óleo em um motor Ciclo Otto a Gás Natural modelo JGS 620, demonstra a falha no filtros separador de Blow-by do fabricante GE que utiliza um original de fábrica. Com base em informações de falhas extraídos do sistema de gerenciamento informatizado da manutenção, monitoramento de diferenciais de pressão e uma inspeção interna, conseguimos comprovar a necessidade de melhoria, para que assim fosse feita a pesquisa no mercado em busca de alternativas de outro separador para suprimir essa problemática. Palavras-chaves: Motores a Combustão Interna, Sistema Filtro separador de ar e óleo.

8 ABSTRATCS Internal Combustion Engines Otto cycle use in your crankcase ventilation system in closed loop the oil separator in various types and models, each project submitted by the manufacturer may undergo improvements according to your installation location, climate among other parameters / variable which will be used. In the engine commissioning is standard to be realized one monitoring of system variables of conditions to be used in a study and consequently obtain values for any changes to the initial project in order to obtain better results with the equipment in its purpose, which in this case was used to generate electricity. This study, " IMPROVEMENT IN THE AIR OIL FILTER SEPARATOR SYSTEM IN THE ENGINE TYPE JGS 620 OTTO CYCLE" demonstrates the deficiency in Blow-by GE manufacturer separator that uses a originated from manufactures, and based on information taken from the fault system computerized maintenance management, monitoring of pressure differentials and evidential test, we can prove the need for improvement, so that was done research in the market for alternatives another tab to remove this deficiency. Keywords: Internal Combustion Engine, Air Oil Filter Separator System.

9 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS DA PESQUISA OBJETIVOS GERAIS OBJETIVOS ESPECÍFICOS FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA Motores Alternativos Outras classificações MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA CICLO OTTO À GÁS NATURAL GE JENBACHER JGS 620 (4 TEMPOS) Princípio do Motor SISTEMA DO CÁRTER Gases de Blow-by Conceitos de Manutenção PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS COLETA DE DADOS Sistema Informatizado de Manutenção (SAP) Relatório de Diferenciais de Pressão Manual do Fabricante JGS Acompanhamento de Manutenções RESULTADOS E DISCURSÕES FILTRO GE JENBACHER DE FILTROS DUPLOS COM PRÉ SEPARADOR DE AR E ÓLEO FILTRO DA EMPRESA SOLDBERG: CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS... 80

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Fluxos de massa e energia em um motor de combustão interna Figura 2 Vista dos componentes de um motor de combustão interna MCI Figura 3 Nomenclatura referente às posições do pistão Figura 4 Nomenclatura referente às posições do pistão Figura 5 Relação típica entre número de cilindros e volume deslocado Figura 6 MIF Motor de ignição por faísca Figura 7 Os quatro tempos do motor alternativo Figura 8 MIF z: 4 cilindros Figura 9 Motor a 2T de ignição por faísca Figura 10 MIF 2T Figura 11 Motor Diesel a 2T concepção com válvulas de escapamento Figura 12 Alimentação de combustível MIF Carburador Figura 13 Alimentação de combustível PFI & GDI Ciclo Otto Figura 14 Alimentação de combustível ciclo Diesel Figura 15 Disposição dos cilindros Figura 16 Disposição dos cilindros em linha e em V Figura 17 Disposição dos cilindros motor ciclo Otto em V Figura 18 Sistemas de arrefecimento água e ar Figura 19 Acionamento das válvulas no cabeçote Figura 20 Acionamento das válvulas no cabeçote Figura 21 Turbo compressor Figura 22 Camisa do Cilindro Figura 23 Cabeçote do Cilindro Figura 24 Cabeçote do Cilindro Figura 25 Eixo Virabrequim Figura 26 Biela Figura 27 Amortecedor de Vibração Figura 28 Pistão Figura 29 Engrenagens lado do volante do motor Figura 30 Balancim (a) Figura 31 Balancim (b) Figura 32 Turbo compressor Figura 33 Bomba de Óleo Mecânica Figura 34 Bomba de Óleo Mecânica Figura 35 Válvula de controle de injeção de Gás Natural Figura 36 Sistema de Óleo do Motor Figura 37 Canal principal de óleo do motor Figura 38 Sistema de abastecimento de Óleo para o Carter do Motor Figura 39 Filtro de Blow-by Original do motor Figura 40 - Números de Falhas Out, Nov e Dez/ Figura 41 Falhas Outubro, Novembro e Dezembro/ Figura 42 - Saídas de materiais no Almoxarifado Figura 43 - Galeria de ar do filtro dos gases Blow by com excesso de óleo Figura 44 - Duto de Admissão de Ar Figura 45 - Misturador Ar Admissão/Gás Natural Figura 46 Intercooler com carbonização devido ao excesso de óleo lubrificante Figura 47 - Turbina lado A com excesso de óleo... 62

11 Figura 48 - Elemento do Filtro dos gases de Blow by totalmente impregnado de óleo lubrificante Figura 49 - Corpo do Filtro dos gases de Blow-by com excesso de óleo no fundo do mesmo Figura 50 - Pistão e assentamento de anéis do pistão carbonizados devido ao excesso de óleo lubrificante Figura 51 - Sistema de dreno filtro dos gases Blow by solto para análise e medição de particulados Figura 52 - Mangueira do dreno no filtro correndo para área externa da sala de máquinas Figura 53 - Armazenamento do óleo do filtro com o dreno para atmosfera Figura 54- Filtro Separador de ar e óleo duplos, com caixa separadora Figura 55 - Filtro Separador de Ar e Óleo, Blow-by Solberg Figura 56 Desenho técnico do filtro Solberg... 74

12 LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Componentes do Motor Alternativo Quadro 2 TAI Valores típicos Quadro 3 Rv Valores típicos Quadro 4 Motores 2T e 4T Quadro 5 Diferença Motor Otto e Diesel Quadro 6 - Emissões Atmosféricas unidade 8 (antes) Quadro 7 - Emissões Atmosféricas unidade 8 (depois)... 69

13 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Custo com peças/sobressalentes ( antes) Tabela 2 - Custo com peças/sobressalentes ( depois) Tabela 3 - Comparativo das operações de Filtro Tabela 4 - Inspeções realizadas a cada 500horas de operação Tabela 5 - Custo de implantação do projeto Tabela 6 - Custo após Implantação do projeto... 77

14 14 1. INTRODUÇÃO Um dos grandes desafios deste século é o de encontrar meios de suprir a crescente demanda de energia aliada a baixos custos e alta disponibilidade. A disponibilidade e o acesso à energia são de importância para todos os países e essenciais para o crescimento econômico. A tendência por busca de soluções tecnológicas viáveis e equitativas quanto a questões de desenvolvimento sustentável e de respeito ao meio ambiente devem guiar as empresas e organizações nas próximas décadas. É de conhecimento geral que a mudança econômica global tem afetado as empresas e as organizações diretamente, fazendo com que estas olhem mais para os custos desnecessários para se manter financeiramente forte e competitivas no mercado. Obviamente que a questão de governança e de ações éticas permeiam essas questões de forma integrada nas decisões de viabilidades de investimentos destas. Em Usinas Termelétricas onde se utiliza motores a combustão interna, é de suma importância que sua confiabilidade seja a maior possível, para que quando seja necessária sua utilização o motor esteja disponível e funcional. Todos os motores possuem no seu sistema fechado de ventilação do cárter (sem emissões à atmosfera), dispositivos que realizam uma filtragem dos gases ou névoas chamados de Blow-By, (Filtro Separador de Ar e Óleo ou eliminadores de névoa) para evitar e prevenir poluição de gases nocivos ao meio ambiente. As empresas de Termelétrica estão construindo usinas com equipamentos que utilizam combustíveis menos poluentes, no caso especifico do estado do Amazonas algumas termelétricas fizeram a conversão de seus equipamentos para que utilizassem o Gás Natural como fonte de combustível, (Motores Diesel Bi combustíveis), outras adquiriram motores já fabricados para utilizar o Gás Natural ( Motores de Ciclo Otto como os da Ge Jenbacher modelo JGS 620). Na teoria e em alguns casos na prática esse tipo de combustível quando utilizado em equipamentos para a finalidade de geração de energia possuem baixo custo e índices de emissões atmosféricas aceitáveis pelos órgãos ambientais nacionais e internacionais, neste caso em que iremos apresentar os motores em questão foi observado que o número de falhas estava fora do padrão, elevando o custo com peças sendo substituído prematuramente, esse fato fez com que a empresa montasse um plano de ação para estudar e resolver esse problema, partindo desse princípio realizamos esse estudo de acompanhamento buscando

15 15 informações em sistema de controle da manutenção, monitoração de parâmetros dos sistemas que poderiam estar contribuindo com essas altas taxas de falhas causando alto consumo de peças e perda de geração, com esses parâmetros conseguimos chegar ao elemento chave para a resolução do problema e assim apresentando soluções de investimento financeiramente e operacionalmente viáveis e eficientes em relação ao sistema que era originalmente fornecido pelo fabricante do motor. Este trabalho apresenta uma proposta para estudo de caso na melhoria de um filtro separador ar e óleo (Filtro Blow By) utilizado na recuperação de névoa do óleo lubrificante de cárters de motores a combustão interna de ciclo Otto movidos a gás natural utilizados na Geração Térmica de Energia elétrica. Sendo observadas as ocorrências em equipamentos utilizados em duas Usinas de Geração de energia que ficam localizadas no sistema elétrico do município de Manaus, no Amazonas e que utilizam motores de fabricante GE Jenbacher de origem Austríaca modelo JGS 620. TEMA Análise do filtro separador de ar e óleo de motor Ciclo Otto de fabricante GE Jenbacher modelo JGS 620 à Gás Natural. DELIMITAÇÃO DO TEMA Determinação de análise do sistema minimizando os impactos de contaminação de partes internas do conjunto de força e de Mistura (Gás e Ar) admitidos para a combustão do motor. PROBLEMA Atualmente muitas empresas no mercado ainda optam por trabalhar com manutenções corretivas, ou seja, quebra-repara e com isso ter um alto custo com peças, horas extras, contratação de empresas para serviços terceirizados, do que manter um setor de PCM (Planejamento e Controle da Manutenção) em seu organograma trabalhando juntamente com os setores de engenharia, manutenção e operação, para controlar e monitorar essas corretivas, adotando melhorias em sistemas, melhorando as preventivas já existentes ou até mesmo criando novas e propondo utilização de atividades preditivas. A utilização dos dados obtidos através

16 16 informações coletadas dos registros e históricos de manutenção é de suma importância para manter a confiabilidade e a disponibilidade dos equipamentos de produção, e é através destas informações que conseguimos constatar e ou analisar, por exemplo, se é mais viável manter o equipamento ou comprar um novo com tecnologia diferente. Portanto, a problemática deste estudo utilizou-se de informações do PCM, dados dos equipamentos e almoxarifado (peças) para demonstrar a deficiência na filtragem do sistema de ventilação do cárter utilizado no motor e com isso propor melhorias para que fosse possível redução de custo com peças e indisponibilidade das unidades geradoras. HIPÓTESES DE ESTUDO Através do estudo deste caso específico verificar o sistema de separação de ar e óleo do motor prolongando a vida útil do equipamento e seus componentes aumentando a eficiência térmica do mesmo e minimizando contaminação ao meio ambiente atendendo legislação vigente e evitando custos com consumível e peças. JUSTIFICATIVAS Tendo em vista a contaminação de óleo lubrificante após o filtro de gases do Blow-by na galeria de coleta da pressão gerada no cárter, com contaminação e obstrução dos furos no anel misturador ( Mixer) e carbonização prematura das turbinas dos de carga lados A e B, gerando com isto, excessivas substituições de filtros do Blow-by, limpeza da galeria em tempos curtos (alto volume de óleo), descarbonização prematura das turbinas com troca de peças desgastadas antes do seu período de troca, limpezas prematuras das válvulas corta chamas/intercooler, limpeza das válvulas de by-pass e perda de rendimento em algumas unidades geradoras, assim como altos índices de material particulado para atmosfera, se fez necessário esse estudo para melhoria no sistema de ventilação do cárter deste motor e assim conseguir reduzir custos, emissões e aumentar a confiabilidade e disponibilidade do equipamento. Por tanto esse estudo de caso expõe que a análise dos parâmetros encontrados para a aprovação de uma operação com novo sistema de filtro Separador

17 17 de ar e óleo é absolutamente possível, viável e mais produtiva, utilizando conhecimentos teóricos vistos no curso de Engenharia Mecânica.

18 18 2. OBJETIVOS DA PESQUISA 2.1 Objetivos gerais Analisar o Filtro Separador de Ar e Óleo Lubrificante (Blow By) dos motores Ciclo Otto modelo JGS 620 e verificar a possibilidade de substituição do mesmo com a finalidade de se reduzir custos com óleo lubrificante e sua própria troca. 2.2 Objetivos específicos a) Monitorar as medições de cárter e de diferencial de pressão do filtro do motor JGS 620. b) Comparar as medições coletadas com o novo filtro a ser inserido no motor JGS 620. c) Verificar as condições de avarias dos elementos e componentes internos do motor JGS 620. d) Análise comparativa de custos.

19 19 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA. Toda a fundamentação teórica levantada neste estudo de caso foi baseada no manual do fabricante do motor GE Jenbacher modelo JGS 620 e tendo como base estudos sobre motores de combustão interna e suas partes internas bem como o entendimento de todo o princípio de funcionamento dos sistemas de força e de lubrificação de motores bem como de regulações e normas que regem os princípios construtivos deste tipo de máquina.( PENIDO, 1983). 3.1 Motores a Combustão Interna Segundo Penido (1983) as máquinas térmicas são dispositivos que permitem transformar calor em trabalho. O calor pode ser obtido de diferentes fontes: combustão, energia elétrica, energia atômica, etc. Este estudo preocupa-se apenas com o caso em que o calor é obtido pela queima do combustível, isto é, energia química em trabalho mecânico. Figura 1 Fluxos de massa e energia em um motor de combustão interna Fonte: Extraído do Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983) A obtenção de trabalho é ocasionada por uma sequência de processos realizados numa substância que será denominada fluido ativo FA. No caso da Figura 1, o FA é formado pela mistura ar e combustível na entrada do volume de controle e produtos da combustão na saída.

20 Motores Alternativos Nomenclatura De forma a unificar a nomenclatura tratada neste texto, a Figura 2 mostra os principais elementos de um motor alternativo de combustão interna, enquanto na Figura 3 destaca-se o pistão nas posições extremas dentro do cilindro, denominadas respectivamente de ponto morto superior (PMS) e ponto morto inferior (PMI). ( PENIDO, 1983). Figura 2 Vista dos componentes de um motor de combustão interna MCI. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Penido (1983). Os componentes apresentados na Figura 3 pertencem a um motor ciclo Diesel e são: 1. Bomba-d'água 15. Bloco 29. Balancim da válvula de escapamento 2. Válvula termostática 16. Eixo comando de válvulas 30. Coletor de escapamento 3. Compressor de ar 17. Volante 31. Pistão 4. Duto de admissão 18. Virabrequim 32. Motor de partida 5. Injetor de combustível 19. Capa de mancal 33. Dreno de água 6. Válvula de escapamento 20. Biela 34. Filtro de óleo 7. Coletor de admissão 21. Bojão do cárter 35. Radiador de óleo

21 21 8. Válvula de admissão 22. Bomba de óleo 36. Vareta de nível de óleo 9. Linha de combustível 23. Carter 37. Bomba manual de combustível 10. Haste de válvula 24. Engrenagem do virabrequim 11. Duto de agua 25. Amortecedor vibracional 38. Bomba injetora de combustível 39. Respiro do cárter 12. Tampa de válvula 26. Ventilador 40. Filtro de combustível 13. Cabeçote 27. Duto de admissão 14. Tampa lateral 28. Balancim da válvula de admissão Quadro 1 - Componentes do Motor Alternativo. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Penido (1983) Quanto ao item 18, virabrequim, não existe uma padronização, podendo ser chamado de virabrequim, eixo de manivelas e eixo de cambotas, entre outros. Quanto à posição do pistão no interior do cilindro: Figura 3 Nomenclatura referente às posições do pistão. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2012).

22 22 Onde: PMS: Ponto Morto Superior é a posição na qual o pistão está o mais próximo possível do cabeçote. PMI: Ponto Morto Inferior é a posição na qual o pistão está o mais afastado possível do cabeçote. S: Curso do pistão é a distância percorrida pelo pistão quando se desloca de um ponto morto para outro (do PMS ao PMI) ou vice-versa. V1: Volume total é o volume compreendido entre a cabeça do pistão e o cabeçote, quando o pistão está no PMI. V2: Volume morto ou volume da câmara de combustão é o volume compreendido entre a cabeça do pistão e o cabeçote, quando o pistão está no PMS (também indicado com Vm). Vdu: Cilindrada unitária também conhecida como volume deslocado útil ou deslocamento volumétrico, é o volume deslocado pelo pistão de um ponto morto a outro. z: Número de cilindros do motor. D: Diâmetro dos cilindros do motor. Vd: Volume deslocado do motor, deslocamento volumétrico do motor ou cilindrada total. Figura 4 Nomenclatura referente às posições do pistão. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011)

23 23 A Figura 5 apresenta uma relação construtiva típica entre o número z de cilindros de um motor e a cilindrada total deste. Cabe ressaltar que os incrementos da eletrônica nos motores têm sistematicamente alterado essa relação por causa dos recursos de controle disponíveis (exemplo: knock sensor). Figura 5 Relação típica entre número de cilindros e volume deslocado. Fonte: Livro Motores Combustão Interna Franco Brunetti (2011) Classificação dos motores alternativos quanto à ignição Segundo Brunetti (2011) a combustão é um processo químico exotérmico de oxidação de um combustível. Para que o combustível reaja com o oxigênio do ar necessita-se de algum agente que provoque o início da reação. Denomina-se ignição o processo que provoca o início da combustão. Quanto à ignição, os motores alternativos são divididos em dois tipos fundamentais: MIF Motores de Ignição por faísca ou Otto Nesses motores, a mistura combustível-ar é admitida, previamente dosada ou formada no interior dos cilindros quando há injeção direta de combustível (GDI) gasoline direct injection, e inflamada por uma faísca que ocorre entre os eletrodos de uma vela. Ver a figura 06 abaixo.

24 24 Figura 6 MIF Motor de ignição por faísca. Fonte: Extraído da Apostila Sistema Auxiliares Varella (2009) MIE Motores de Ignição Espontânea ou Diesel Nesses motores, o pistão comprime somente ar, até que o mesmo atinja uma temperatura suficientemente elevada. Quando o pistão aproxima se do PMS, injetase o combustível que reage espontaneamente com o oxigênio presente no ar quente, sem a necessidade de uma faísca. A temperatura do ar necessária para que aconteça a reação espontânea do combustível denomina-se temperatura de autoignição (TAI). A Figura 9 apresenta uma câmara de combustão típica de um MIE, enquanto o quadro 2 apresenta alguns valores típicos da TAI. Temperatura de Autoignição TAI ( C) Diesel Etanol Hidratado Metanol Gasolina E Quadro 2 TAI Valores típicos Fonte: Apostila Sistema Auxiliares Varella (2009) As diferentes formas de funcionamento dos dois tipos de motores criam características distintas que, de certa forma, direcionam as suas aplicações, como será visto ao longo do texto.

25 25 O Quadro 3 apresenta os valores praticados de taxa de compressão para os diferentes combustíveis. Novamente cabe ressaltar que a massiva presença da eletrônica nos motores tem sistematicamente alterado esta relação.(varela, 2009). Relação ou Taxa de compressão rv MIF MIE Etanol Hidratado Gasolina E22 Diesel 10,0:1 até 14,0:1 8,5:1 até 13,0:1 15,0:1 até 24,0:1 Quadro 3 Rv Valores típicos Fonte: Apostila Sistema Auxiliares Varella (2009) Classificação dos motores alternativos quanto ao número de tempos do ciclo de operação Segundo Payri, ciclo de operação, ou simplesmente ciclo, é a sequência de processos sofridos pelo FA, processos estes que se repetem periodicamente para a obtenção de trabalho útil. Entende-se por tempo o curso do pistão, e não se deve confundir tempo com processo, pois, ao longo de um tempo, poderão acontecer diversos processos, como será verificado a seguir. Quanto ao número de tempos, os motores alternativos, sejam do tipo MIF ou MIE, são divididos em dois grupos: Motores Alternativos a Quatro Tempos (4T) Neste caso, o pistão percorre quatro cursos, correspondendo a duas voltas da manivela do motor, para que seja completado um ciclo. Os quatro tempos, representados na Figura 7, são descritos a seguir. Figura 7 Os quatro tempos do motor alternativo. Fonte: Extraído da Apostila Sistema Auxiliares Varella (2009).

26 26 Tempo de Admissão O pistão desloca-se do PMS ao PMI. Neste movimento o pistão dá origem a uma sucção (depressão) que causa um fluxo de gases através da válvula de admissão V.A., que se encontra aberta. O cilindro é preenchido com mistura combustível-ar ou somente ar nos motores de injeção direta de combustível GDI se for de ignição por faísca, ou por ar (apenas ar), nos MIE. (BRUNETTI, 2011). Tempo de Compressão Fecha-se a válvula de admissão e o pistão se desloca do PMI ao PMS, comprimindo a mistura ou apenas ar, dependendo respectivamente se o motor é um MIF ou MIE. Neste segundo caso a compressão deverá ser suficientemente elevada para que seja ultrapassada a TAI do combustível. (BRUNETTI, 2011). Tempo de Expansão No MIF, nas proximidades do PMS, salta a faísca que provoca a ignição da mistura, enquanto no MIE é injetado o combustível no ar quente, iniciando-se uma combustão espontânea. A combustão provoca um grande aumento da pressão, o que permite empurrar o pistão para o PMI, de tal forma que o FA sofre um processo de expansão. Esse é o processo que realiza o trabalho positivo (útil) do motor. (BRUNETTI, 2011). Tempo de Escape Com a válvula de escape aberta, o pistão desloca-se do PMI ao PMS, empurrando os gases queimados para fora do cilindro, para reiniciar o ciclo pelo tempo de admissão. Figura 8 MIF z: 4 cilindros. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011).

27 27 Cabe ressaltar que, durante o ciclo o pistão percorreu o curso quatro vezes e o eixo do motor realizou duas voltas (num motor de 4T). A Figura 11 mostra os quatro tempos de um MCI de 4 cilindros. (BRUNETTI, 2011). Motores alternativos a dois tempos (2T) de ignição por faísca Conforme Payri nesses motores o ciclo completa-se com apenas dois cursos do pistão, correspondendo a uma única volta do eixo do motor. Os processos indicados no motor a 4T são aqui realizados da mesma maneira, entretanto, alguns deles se sobrepõem num mesmo curso, conforme pode ser observado na Figura 09. Figura 9 Motor a 2T de ignição por faísca.fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011). 1 Tempo Figura 09 (a): Suponha que o pistão esteja no PMS e a mistura comprimida. Ao saltar a faísca, inicia-se, a combustão, e o pistão é impelido para o PMI. Durante o deslocamento do PMS ao PMI, o pistão comprime o conteúdo do cárter (parte inferior) e, num certo ponto do curso, descobre-se a passagem de escapamento, também denominada janela de escape (B), pela qual os gases queimados, ainda com pressão elevada, escapam naturalmente para o ambiente. Na sequência, o pistão descobre a janela de admissão (C) que coloca o cárter em comunicação com o cilindro, forçando o seu preenchimento com mistura nova. Observa-se que, num instante desse processo, as passagens (B) e (C) estão abertas simultaneamente, podendo haver fluxo de mistura nova junto com os gases de escapamento. Entretanto, um adequado projeto das janelas de admissão e escapamento em conjunto com o formato do topo do pistão

28 28 pode minimizar este fenômeno (chamado de curto-circuito entre admissão e escapamento). (BRUNETTI, 2011). 2 Tempo Figura 09 (b): O pistão desloca-se do PMI ao PMS. Ao longo do seu deslocamento, fecha a janela de admissão (C) e, a seguir, fecha a janela de escapamento (B) e abre a passagem (A), de forma que, em virtude da sucção (depressão) criada no cárter durante o deslocamento ascendente (do pistão), o cárter é preenchido com mistura nova. Observa-se que, ao mesmo tempo, a parte superior do pistão comprime a mistura anteriormente admitida. Ao se aproximar do PMS, salta a faísca, e a pressão gerada pela combustão impele o pistão para o PMI reiniciando a expansão, já descrita no 1o tempo. Nesse motor tem-se um tempo de trabalho positivo a cada dois cursos do pistão ou em cada volta da manivela, e não a cada duas voltas como acontece no motor a 4T. Essa diferenciação de número de voltas para um tempo de trabalho positivo dará origem ao fator de tempos designado pela letra x. À primeira vista, o motor a 2T deveria produzir o dobro da potência do motor a 4T para uma mesma rotação. Entretanto, isso não acontece por conta da precariedade dos diversos processos em decorrência da superposição de acontecimentos. Outra desvantagem desse motor refere-se à lubrificação, pois na configuração usual de motores 2T pequenos, em decorrência do uso do cárter para a admissão da mistura combustívelar, não é possível utilizá-lo como reservatório do lubrificante, e a lubrificação ocorre misturando-se lubrificante numa pequena porcentagem com o combustível (normalmente 1:20 1 litro de lubrificante para 20 litros de gasolina). A lubrificação é realizada por aspersão pela própria mistura admitida no cárter. (BRUNETTI, 2011). O processo é precário, reduzindo a durabilidade, bem como fazendo com que o lubrificante queime junto com o combustível, dificultando a combustão e comprometendo os gases emitidos. A favor do motor 2T tem-se a ausência do sistema de válvulas, o que o torna simples, pequeno, leve e de baixo custo, para uma mesma potência de um motor a 4T. A Figura 10 apresenta simultaneamente os dois tempos deste MIF 2T, enquanto a Figura 11, apresenta as pressões e temperaturas típicas destes. Uma vez que nos motores de 4T têm-se duas voltas do virabrequim para o trabalho positivo e nos de 2T apenas uma volta, faz-se necessário definir fator de tempos, designado pela letra x e estabelecer esta relação, ou seja, x será 1 para

29 29 motores 2T (1 volta para 1 trabalho positivo) enquanto x assumirá o valor numérico 2 para os motores de 4T. A Figura 13 mostra a concepção de um motor ciclo Diesel a 2T. No caso do motor Diesel, em lugar de se utilizar o cárter para a admissão, aplicase uma máquina auxiliar, acionada pelo eixo do motor. A bomba de lavagem (elemento que provoca a exaustão dos gases de escape) é um compressor volumétrico (blower), que introduz pelas janelas de admissão uma grande quantidade de ar. O fluxo de ar empurra para fora, através de uma ou mais válvulas de escapamento, os gases de combustão e uma parte deste é retida quando as válvulas fecham. O pistão comprime fortemente o ar retido e, quando se aproxima do PMS, injeta-se o combustível que, ao queimar espontaneamente, gera a pressão necessária à produção de trabalho positivo. (BRUNETTI, 2011). Figura 10 MIF 2T. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011). Após a expansão o pistão passa pelas janelas de admissão quando, novamente, o Blower faz a lavagem dos gases de escapamento e proporciona a admissão. Nota-se que os processos descritos utilizam apenas dois cursos e, consequentemente, uma volta da manivela (x=1). A mesma solução pode utilizar janelas de escapamento no cilindro, em lugar do uso de válvulas, simplificando o motor mecanicamente. (BRUNETTI, 2011).

30 30 Figura 11 Motor Diesel a 2T concepção com válvulas de escapamento. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2012) Diferenças fundamentais entre os motores de 2T e 4T O Quadro 4 apresenta de forma resumida as principais diferenças entre os motores de 2T e 4T. Diferenças 4T 2T Tempos x Ciclo Útil 2 voltas manivela 1 volta manivela Fator de tempos x=2 x=1 Sistema mecânico Mais complexo Mais simples Ausência de: Válvulas Eixo comando Alimentação Boa Ruim Perda de mistura no escape Presença de lubrificante Lubrificação Boa Ruim Quadro 4 Motores 2T e 4T. Fonte: Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011). Presença de combustível

31 Diferenças fundamentais entre os motores ciclos Otto e Diesel a 4T Do ponto de vista mecânico, não existem grandes diferenças entre os dois tipos de motores, a não ser a maior robustez do motor Diesel (decorrente da taxa de compressão necessária). Dessa forma, as principais diferenças são resumidas a seguir. Variável Otto Diesel Pressão no fim da compressão Pressão máxima de combustão Pressão no fim da explosão Teor de mistura ar/combustível Tempo de formação da mistura Formação da mistura Volatibilidade do combustível Tipo de combustível em relação ao poder antidetonante Temperatura dos gases de descarga 8 a 15 kg/cm2 40 a 50 kg/cm2 45 a 55 kg/cm2 60 a 75 kg/cm2 4 a 5 kg/cm2 3 a 4 kg/cm2 11:1 a 17:1 20:1 a 50:1 Antes da Combustão No Carburador Alta Alta Simultânea à Combustão Na Câmara ou Pré-câmara Baixa Baixa 800 o C 600 o C Custo de fabricação Baixo Alto Rendimento térmico Menor Maior Ignição Faísca Compressão Taxa de compressão 6:1 a 12:1 18:1 a 23:1 Relação peso/potência Menor Maior Quadro 5 Diferença Motor Otto e Diesel Fonte: Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983)

32 Outras classificações Quanto ao sistema de alimentação de combustível Os motores ciclo Otto são alimentados por combustível por meio de um carburador ou de um sistema de injeção de combustível. O carburador ainda é utilizado em aplicações de baixa potência nas quais as limitações de emissão de poluentes são menos restritivas do que em aplicações automotivas. A injeção de combustível, além de mais precisa permite melhores resultados no controle de emissões podendo ocorrer no coletor de admissão ou diretamente na câmara de combustão (GDI Gasoline Direct Injection). A Figura 12 apresenta esquematicamente um carburador. (BRUNETTI, 2011). Figura 12 Alimentação de combustível MIF Carburador. Fonte: Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011) A Figura 13 apresenta as diferenças entre os sistemas de injeção de combustível PFI Port Fuel Injection e GDI Gasoline Direct Injection.

33 33 Figura 13 Alimentação de combustível PFI & GDI Ciclo Otto. Fonte: Extraído do Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983) A Figura 14 apresenta o esquema de um sistema de injeção de combustível aplicado aos MIE`s, onde o combustível é injetado durante a compressão no interior da câmara de combustão, atualmente com pressões no entorno de bar. Em capítulos posteriores estes temas serão detalhados. Figura 14 Alimentação de combustível ciclo Diesel. Fonte: Extraído da Apostila Sistema Auxiliares Varella (2009) Quanto à disposição dos órgãos internos Esta classificação está relacionada com a dimensão possível do conjunto. A Figura 15(a) mostra esquematicamente 3 disposições típicas: cilindros em linha, em V e opostos ou boxer. A Figura 15 (b) mostra dois exemplos de motores aeronáuticos: um boxer e outro radial este com cilindros dispostos radialmente em torno do virabrequim. (BRUNETTI, 2011).

34 34 Figura 15 Disposição dos cilindros. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011). linha e em V. A Figura 16 apresenta esquematicamente motores ciclo Diesel nas versões em Figura 16 Disposição dos cilindros em linha e em V. Fonte: Extraído do Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983). A Figura 17 apresenta esquematicamente motores ciclo Otto na versão em V, que utilizam Gás Natural como combustível.

35 35 Figura 17 Disposição dos cilindros motor ciclo Otto em V. Fonte: Extraído do Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983) Quanto ao sistema de arrefecimento O trabalho gerado da combustão resulta uma parcela significativa de atrito e calor. Para a manutenção da vida dos componentes faz-se necessário o arrefecimento de algumas áreas e componentes. O arrefecimento pode ser realizado com ar (geralmente em motores pequenos) ou com água. ( PENIDO, 1983). A seguir são apresentadas as vantagens e desvantagens de cada sistema: Sistema de arrefecimento a ar: Vantagem: mais simples; Desvantagem: menos eficiente e menos homogênea. Sistema de arrefecimento à água: Vantagem: mais eficiente, reduzindo o ruído do motor; Desvantagem: complexidade. A Figura 18 apresenta esquematicamente estes sistemas.

36 36 Figura 18 Sistemas de arrefecimento água e ar. Fonte: Extraído do Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983) Quanto às válvulas A abertura e o fechamento das válvulas são usualmente realizados pelo eixo comando de válvulas, assim acaba gerando uma classificação relativa à posição desse no sistema. A Figura 19 mostra um sistema típico no qual o trem que movimenta as válvulas é formado por: tucho, hastes e balancins. Esse sistema, além de complexo, permite folgas que acabam por comprometer o desempenho dos motores. O eixo comando agindo diretamente sobre as válvulas. Além dessa classificação quanto à posição do eixo comando, os motores também podem apresentar mais que uma válvula na admissão e/ou escapamento. (BRUNETTI, 2011). Figura 19 Acionamento das válvulas no cabeçote. Fonte: Extraído do Livro Motores Combustão Interna Brunetti (2011) Quanto à alimentação de ar O desempenho de um motor de combustão interna está fortemente associado à quantidade de ar admitido e retido no interior dos cilindros, pois, quanto mais ar é

37 37 admitido, maior também será a quantidade de combustível a ser adicionado e posteriormente oxidado. O fluxo de ar para o interior dos cilindros no tempo de admissão se dá em função da geração de um gradiente de pressão entre o coletor de admissão e o cilindro. No caso em que esse gradiente é ocasionado unicamente pelo deslocamento do pistão do PMS para o PMI, o que gera uma depressão no interior do cilindro, e não havendo nenhum dispositivo que eleve a pressão no coletor de admissão acima da pressão atmosférica, tem-se o motor denominado naturalmente aspirado. Nesses motores, o gradiente de pressão no processo de admissão é limitado pela pressão de admissão, que será no máximo a pressão atmosférica. Com a finalidade de aumentar esse gradiente e, consequentemente, a massa de ar admitida pelo motor, surgiram os motores sobrealimentados. Nesses motores, existem dispositivos que elevam a pressão no coletor de admissão acima da pressão atmosférica. Um desses dispositivos é o turbo compressor, que utiliza os gases de escapamento para gerar trabalho numa turbina e transferi-lo para o compressor, que por sua vez se encarrega de aumentar a pressão no coletor de admissão. Outra forma de sobre alimentação é a mecânica, na qual o compressor é acionado mecanicamente pelo motor e comprime o ar no coletor de admissão e no interior da câmara de combustão durante a admissão.(penido,1983). As figuras 20 e 21 apresentam o sistema denominado turbo compressor. Figura 20 Acionamento das válvulas no cabeçote Fonte: Extraído do Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983)

38 38 Figura 21 Turbo compressor. Fonte: Extraído do Livro Motores a Combustão Interna Penido (1983) 3.2 Motor a Combustão Interna Ciclo Otto à Gás Natural GE Jenbacher JGS 620 (4 Tempos) O Motor a Gás da GE Jenbach a 4 tempos é um motor refrigerado a água de 20 cilindros (60 ) com carga mista por meio de dois turbo compressores dos gases de escape. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010) Princípio do Motor Os motores a gás da GE Jenbacher funcionam de acordo com o processo de tecnologia LEANOX, que apresenta mais um desenvolvimento do princípio do motor com mistura pobre. Desta forma o motor é alimentado com uma mistura de gás com excesso de ar para minimizar as emissões logo na altura da combustão no motor. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010) Cárter do Motor O cárter do motor é produzido por fundição especial e equipado com tampas laterais na caixa das manivelas, para permitir um acesso fácil nos trabalhos de desmontagem e montagem. A engrenagem do lado do volante do motor é ligada através da caixa de engrenagens e do lado do amortecedor de vibrações através da tampa da caixa. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010).

39 Camisas dos Cilindros As camisas molhadas dos cilindros permutáveis, isoladamente são feitas pelo processo de fundição centrífuga e são colocadas no bloco de cilindros a partir de cima. No caso de aquecimento podem facilmente expandir-se para baixo. Os O rings na parte exterior das camisas dos cilindros separam a área de água e de engrenagem. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Ver figura 22 abaixo: Figura 22 Camisa do Cilindro. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Cabeçote dos Cilindros As cabeças de cilindros arrefecidas a água permutáveis estão equipadas com válvulas de admissão e escape de duas em duas, uma pré-câmara com uma válvula de gás da pré-câmara, bem como cada uma com uma vela de ignição. As válvulas de admissão e escape têm dispositivos de rotação das válvulas (Rotocaps). Os anéis das sedes das válvulas são permutáveis. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Observa figuras 23 e 24 a seguir. Figura 23 Cabeçote do Cilindro. Fonte: Manual GE, revisão 2010.

40 40 Figura 24 Cabeçote do Cilindro. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Eixo Virabrequim O Eixo Virabrequim de onze apoios, calibrada estática e dinamicamente e equipada com contrapesos aparafusados. Todos os pinos de assento têm as superfícies temperadas e finamente polidas. Um apoio principal, em forma de apoio de ajuste, recebe a força axial do Eixo Virabrequim. A lubrificação do apoio principal do Virabrequim é realizada pelos canais do óleo no cárter do motor. Numa extremidade do Virabrequim encontra-se fixo um volante do motor equilibrado com coroa dentada do motor de arranque, na outra extremidade encontra-se montado um amortecedor de vibrações. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Figura 25 Eixo Virabrequim. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão 2010.

41 Biela As bielas estampadas e melhoradas, divididas diagonalmente e denteadas no ressalto grande. Para se obter um máximo de estabilidade da biela, deve efetuar-se a seção transversal como perfil em I. As capas do apoio da biela são mancais de deslize permutáveis. Os casquilhos da biela são colocados sob pressão. A lubrificação dos apoios da biela é feita através dos orifícios do óleo no Eixo virabrequim. As cavilhas dos pistões são alimentadas com óleo através dos bicos de arrefecimento dos pistões. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Figura 26 Biela Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Amortecedor de Vibração Para reduzir as oscilações de rotação no eixo virabrequim encontra-se disponível um amortecedor de viscosidade. O amortecedor de viscosidade consiste numa caixa fechada a toda a volta com um volante do motor apoiado lá dentro. As câmaras da folga entre a caixa e o volante do motor encontram-se cheias de fluido de silicone. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Figura 27 Amortecedor de Vibração. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão 2010.

42 Pistões Os pistões fabricados em liga de metal leve com canal de arrefecimento estão equipados cada com um segmento retangular, um segmento de compressão cónico e um anel de lubrificação de face estreita e de mola em espiral. A alimentação do óleo faz-se através dos bicos de pulverização montados no cárter do motor.(manual GE JENBACHER JGS 620,2010). Figura 28 Pistão. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Engrenagem Do lado do volante do motor encontra-se a engrenagem para o acionamento da bomba do óleo e da árvore de cames. A roda dentada do eixo virabrequim, as rodas intermédias e a roda dentada da árvore de cames estão marcadas, para se garantir uma regulação do ponto de comando. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010).

43 43 Observar figura 29 a seguir. Figura 29 Engrenagens lado do volante do motor. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Controle de Válvulas A árvore de cames ou eixo de Cames (Eixo de Comando) apoiada por casquilhos trocáveis (11 x), e é acionada por intermédio das rodas dentadas intermédias a partir do eixo virabrequim. Os balancins das válvulas de admissão e escape são acionados a partir da árvore de cames por intermédio de tuchos e barras. Os parafusos de regulação dos balancins possibilitam uma regulação precisa da válvula. A lubrificação dos tuchos e dos apoios do balancim faz-se por meio de óleo sob pressão, onde as barras equipadas com um orifício servem como alimentação de óleo para os balancins. A lubrificação das restantes peças móveis na cabeça do cilindro dá-se por meio de óleo pulverizado que sai do apoio do balancin. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Observar figuras 30 e 31 a seguir.

44 44 Figura 30 Balancim (a) Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Figura 31 Balancim (b) Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Turbo compressor dos gases de escape O gás de escape que entra na caixa da turbina aciona a roda da turbina, e deste modo a roda de compressão que assenta no mesmo veio. A roda do compressor faz a tiragem da mistura gás-ar do misturador de gás e suprime-a sobre o arrefecedor da mistura (Permutador de calor mistura/água) e a válvula de borboleta na câmara de aspiração do motor. A alimentação de óleo de lubrificação do compressor dos gases de escape faz-se através do sistema de lubrificação do motor. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Observar figura 32.

45 45 Figura 32 Turbo compressor. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Bomba de Óleo do Motor Os motores da GE Jenbacher possuem uma lubrificação sob pressão. Encontra-se à disposição uma bomba mecânica de roda dentada como bomba do óleo do motor. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Observar figuras 33 e 34. Figura 33 Bomba de Óleo Mecânica Fonte: Extraído do Manual GE, revisão 2010.

46 46 Figura 34 Bomba de Óleo Mecânica Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Bomba de água de refrigeração do motor Uma bomba elétrica é responsável pela troca do líquido de refrigeração do motor no sistema fechado de água de refrigeração. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010) Motor de arranque Três motores de acionamento por impulso elétrico por corrente contínua são acionados e engrenados quando o motor iniciar para que retire o eixo virabrequim da inercia e prosseguir a queima nos cilindros normalmente, após certa rotação (Normalmente após os 300RPM s no eixo de manivela do motor), quando os motores de arranque são desengrenados e desligados. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010) Regulador da quantidade do gás No misturador de gás é misturado o gás propulsor no ar de admissão através de uma folga de gás variável, de forma a se obter uma mistura combustível de gásar. A folga de gás é aumentada ou diminuída por intermédio do motor de regulação, em que se pode variar a quantidade de gás obtendo-se assim uma alteração do índice de ar λ. O misturador de gás faz parte do sistema do regulador Leanox.

47 47 Índice de ar λ = quantidade de ar de combustão realmente introduzida quantidade de ar estequiométrico necessária (1) Figura 35 Válvula de controle de injeção de Gás Natural Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Sistema de Óleo do Motor A bomba mecânica da roda dentada (bomba do óleo do motor) aspira o óleo do motor do cárter do óleo do motor e empurra-o através de uma tubulação externa até ao arrefecedor do óleo do motor. No arrefecedor do óleo do motor (Permutador de calor óleo do motor/água) a energia térmica do óleo do motor é fornecida para o circuito de água. Na ligação do arrefecedor do óleo do motor, o óleo do motor é limpo no filtro do óleo e é conduzido para os pontos de lubrificação. Para fornecer a pressão ideal do óleo de lubrificação do motor, a bomba do óleo de lubrificação do motor é regulada por meio do fluxo do regulador de pressão. A regulação do regulador de pressão faz-se através duma conduta de óleo de comando proveniente do canal principal do óleo do motor do lado direito. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010).

48 48 Figura 36 Sistema de Óleo do Motor Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Legendas da figura : NPO1 - Bomba de óleo do motor NPO6 - Bomba do óleo do motor NPO6 1 - Válvula de retenção NSG - Turbocompressor dos gases de escape 2 - Canal principal do óleo do motor direito NFO - Filtro do óleo do motor 3 - Cárter do óleo do motor PCV - Regulador de pressão O - Saída de óleo do motor (para o permutador de calor óleo de motor/água) O1 - Entrada de óleo do motor (a partir do permutador de calor óleo de motor /água).

49 Sistema de Óleo do Cárter no Motor O óleo de motor arrefecido e limpo é conduzido através de um canal na tampa da caixa (lado do amortecedor) para o canal principal do óleo do motor no cárter do motor. Os apoios principais do virabrequim são alimentados com óleo de motor através de orifícios no cárter do motor proveniente do canal principal do óleo do motor do lado esquerdo. A partir dos apoios principais do virabrequim o óleo do motor é distribuído através dos orifícios no virabrequim para os apoios da biela. Existem dois canais de óleo do motor dispostos paralelamente na árvore de cames, que são alimentados através de um canal na caixa de engrenagens a partir do canal principal do óleo do motor. A tarefa destes dois canais é a alimentação de óleo do motor para a árvore de cames e as peças de comando da cabeça de cilindros. A alimentação dos bicos de refrigeração dos pistões faz-se diretamente através de ambos os canais principais do óleo do motor. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Observar a figura 37 a seguir. Figura 37 Canal principal de óleo do motor. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Alimentação de óleo do motor ao turbo compressor dos gases de escape Os turbos compressores dos gases de escape são alimentados com óleo do motor através de tubulação externa. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010).

50 Abastecimento automático de óleo no motor Através do vidro de inspeção para monitorização do nível do óleo do motor pode ler-se o nível do óleo do motor no cárter do óleo do motor. Se o nível do óleo do motor descer abaixo de um valor inferior determinado, a válvula magnética abre-se e sai óleo novo do tanque de óleo novo para o cárter do motor. Se o nível do óleo do motor subir acima de um valor superior determinado a válvula magnética fecha-se. Figura 38 Sistema de abastecimento de Óleo para o Carter do Motor. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Legendas da figura: J - Purga de óleo do motor (Ligação para depósito de óleo usado) I - Reabastecimento de óleo do motor (Ligação para depósito de óleo novo) SOV2 - Válvula magnética LS5 Chaves de Nível de nível 3.3 Sistema do Cárter Gases de Blow-by Blow-by é o nome dado em inglês ao vazamento ou fluxo de massa de ar/gases de névoa de óleo lubrificante que sempre ocorre dos gases de combustão queimados para o cárter, entre o pistão, seus anéis e o cilindro. Numa tradução livre - Blow-by - significa "sopro através de alguma coisa". O Filtro de Blow-by, que faz parte do

51 51 sistema de ventilação do cárter do motor, é um tipo de separador de óleo. Ele é instalado no percurso entre o bloco do motor e o sistema de admissão. Sua função é desviar o óleo presente na massa de gases proveniente do cárter antes que seja conduzida para o sistema de admissão do motor (Sistema Leanox). Se não houvesse a separação, aumentaria a queima e o consumo de óleo e, principalmente, extremamente prejudicial para o Turbo compressor e Intercooler levando óleo lubrificante para onde não se deve haver. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010). Na figura 39 mostra o filtro Blow-by do motor. Figura 39 Filtro de Blow-by Original do motor. Fonte: Extraído do Manual GE, revisão Para evitar que a pressão do cárter aumente, causando perda de potência e vazamentos de óleo pelas juntas, esse gás precisa ser retirado de dentro do motor, isso geralmente é feito através de um orifício onde se conecta uma mangueira. Ao sair do motor os gases carregam consigo pequenas gotículas de óleo da lubrificação interna do motor, podendo ser jogado na atmosfera (Sistema aberto), ou retornar ao motor através do sistema de admissão e ser queimado (Sistema fechado). No sistema aberto são lançados na natureza restos de gases da combustão e partículas de óleo que são prejudiciais ao meio ambiente. No sistema fechado esses gases e óleo são queimados e os resíduos saem junto com os gases de escapamento, que através de filtros e catalisadores minimizam as emissões de poluentes. Em ambos os sistemas, se reduzirmos a quantidade de óleo arrastada pelos gases de Blow-by, melhoramos a emissão de poluentes, o consumo de óleo do motor e melhoramos o funcionamento de todo o sistema. Para isso utilizamos os Separadores de Ar e Óleo

52 52 ( Blow By). A substituição desses separadores é controlada através de diferenciais de pressão medidos com certa periodicidade, que no caso deste estudo é realizado semanalmente e a pressão limite para substituição é de 20 mbar. (MANUAL GE JENBACHER JGS 620,2010) Conceitos de Manutenção De acordo com a norma NBR-14224:2011 (Indústria de petróleo e gás natural coleta e intercâmbio de dados de confiabilidade e manutenção para equipamentos). Nas indústrias de petróleo, gás natural e petroquímica, tem-se dado muita atenção à segurança, confiabilidade e mantenabilidade de equipamentos. O custo anual da indústria para a falta de confiabilidade de equipamentos é muito alto, embora muitos proprietários de plantas tenham melhorado a confiabilidade de suas instalações operacionais através dessa atenção. Recentemente, uma parcela maior da indústria tem dado uma maior ênfase ao projeto e manutenção eficazes em termos de custos para plantas novas e instalações existentes. Sob esse aspecto, os dados de falhas, de mecanismos de falha e de manutenção relacionados a essas instalações industriais e suas operações tornaram-se mais importantes. É necessário que essas informações sejam usadas pelas várias partes interessadas e suas disciplinas, e entre elas comunicadas, dentro da mesma empresa ou entre empresas. São utilizadas várias metodologias de análise para estimar o risco de perigos para as pessoas e o meio ambiente, ou para analisar o desempenho de instalações ou sistemas. Para que tais análises sejam eficazes e decisivas, os dados de confiabilidade e manutenção (RM) são de vital importância. (PINTO, 2001). Tais análises exigem um bom entendimento das características técnicas dos equipamentos, de suas condições operacionais e ambientais, de suas falhas potenciais e de suas atividades de manutenção. Pode ser necessário dispor de dados abrangendo vários anos de operação antes que dados sufi cientes tenham sido acumulados para gerar resultados de análise confiáveis e servir de apoio a decisões. Dessa forma, é necessário considerar a coleta de dados como uma atividade de longo prazo, planejada e executada tendo em mente metas apropriadas. Ao mesmo tempo,

53 53 a clareza quanto às causas das falhas é fundamental para se priorizarem e implementarem ações corretivas que resultem em melhorias sustentáveis na confiabilidade, proporcionando, assim, maior lucratividade e segurança. (PINTO, 2001). A coleta de dados é um investimento. A padronização de dados, quando aliada a sistemas de gerenciamento de dados mais eficientes que permitem a coleta e transferência eletrônica de dados, pode gerar dados de confiabilidade e manutenção de maior qualidade. Uma forma eficaz em termos de custo para se otimizarem os requisitos de dados é através da cooperação na indústria. Para possibilitar a coleta, intercâmbio e análise de dados com base em pontos de vista comuns, é necessária uma norma. A padronização de práticas de coleta de dados facilita o intercâmbio de informações entre as partes interessadas como, por exemplo, plantas, proprietários, fabricantes e empreiteiras em todo o mundo. (PINTO, 2001). Manutenção preventiva Consiste na definição e no planejamento antecipado das intervenções corretivas, a partir da aplicação de uma ou mais técnicas de monitoração de máquinas e equipamentos. (TAVARES, 1999). Manutenção corretiva Consiste na definição da intervenção realizada após a ocorrência de uma falha e visa restaurar a capacidade produtiva de um equipamento ou instalação, que esteja com sua capacidade de exercer as suas funções reduzida ou cessada. (TAVARES, 1999).

54 54 4. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Este estudo foi realizado por meio de análise documental com registro de controle da própria empresa, assim como por meio de informações de profissionais especialistas em motores a combustão interna, coordenador de manutenção e fabricante. Também foram realizadas pesquisas na literatura relacionada a este tema, acompanhamento de manutenções, assim como registros da operação gerados a partir de informações monitoradas no tempo real da termoelétrica onde se tem a aplicação desta tecnologia. Com base nesses levantamentos foi realizada uma análise de resultados sobre os assuntos ligados ao sistema de ventilação do cárter do motor GE, aonde conseguimos obter várias informações relacionadas inclusive a outras causas de engenhara depois levantadas de forma mais aprofundada pelo fabricante do motor. Foram realizadas consultas em manuais técnicos do fabricante, relatórios e gráficos retirados do sistema de controle da manutenção (Sistema SAP, Módulo PM) da empresa, procedimentos de manutenção, consulta em livros de manutenção, levantamento de dados econômicos, aos quais foram analisados e comparados para que fosse possível esse estudo. Para isso escolhemos uma unidade geradora de 23 disponíveis na empresa o qual a unidade escolhida foi a de número 8 devido aos altos indicadores de falha, sendo a unidade mais problemática e tendo a pior disponibilidade e confiabilidade entre as demais da termoelétrica 4.1 Coleta de Dados As coletas de dados foram realizadas conforme os itens abaixo descritos: Sistema Informatizado de Manutenção (SAP) O sistema SAP é um software ERP que contempla vários módulos entre eles estão: MM Materiais, PM Planejamento de Manutenção, CO Contabilidade e FI Financeiro, entre outros. O sistema utiliza transações, ou seja, códigos que dão acesso às telas do sistema, neste estudo foram utilizadas as transações IW39, IW29 e MB51 dos modulo PM e MM para coletar as informações necessárias.

55 55 O sistema monitora todas as informações de manutenções corretivas e preventivas através de Notas de Manutenção que se transformam ou são vinculadas por um setor de Planejamento local em Ordens de Manutenção para sua execução junto ao profissionais do quadro de manutenção da empresa.. Durante a execução da manutenção corretiva os técnicos realizam anotações importantes nas Ordens de manutenção (OM`s), que após a conclusão da manutenção estas são encaminhadas ao setor de planejamento (PCM) para a inclusão das informações no sistema informatizado de gestão da manutenção. Também foi possível realizar o levantamento de peças sobressalentes substituídas em manutenções os quais são registradas em sistema SAP no módulo MM de gestão de materiais Relatório de Diferenciais de Pressão Semanalmente a equipe de operação realiza em campo a coleta dos diferenciais de variáveis dos diversos sistemas do motor, entre eles o diferencial de pressão do Filtro dos gases de Blow-by e do cárter do motor e que através desta coleta e verificado a necessidade de substituição do filtro e acompanhar a evolução do diferencial. Esta coleta também é realizada através de Ordem de Manutenção (OM), onde todas as informações são descritas para inclusão no sistema SAP e gerar um histórico para o devido acompanhamento de tendências Manual do Fabricante JGS 620. Através do manual do Fabricante foram coletadas as informações quanto ao procedimento de realização da medição dos diferenciais, assim como as informações de manutenção deste filtro (Instrução Técnica W 0509 M6 e Service Bulletin SB- 084), em que nos informa que atingidos 20 mbar de pressão o filtro deve ser trocado e a coleta dos diferenciais a cada 2000 horas Acompanhamento de Manutenções Para o melhor entendimento do sistema em estudo e os problemas decorrentes, se fez necessário acompanhar uma manutenção e assim inspecionar o sistema do início ao fim buscando informações que ajudasse a entender e buscar

56 56 soluções para as altas trocas do filtro do sistema de ventilação do Cárter do motor observado. Foram também coletadas informações do fabricante, técnicos de manutenção, coordenador de manutenção, ligados diretamente aos motores à combustão interna ciclo Otto, que foi essencial e esclarecedor quanto às informações fornecidas e conforme será discutido com mais detalhes no capítulo 5 que trata dos resultados e discursões.

57 57 5. RESULTADOS E DISCURSÕES As unidades geradoras foram instaladas no final de 2009 e funcionam 24 horas por dia devido a demanda de geração na cidade de Manaus, desde o seu comissionamento no início de 2010 ocorrem várias modificações e adaptações realizadas pelo fabricante devido à temperatura local da cidade, condições de Gás Natural consumido, Óleo Lubrificante, entre outros. Vários problemas foram detectados e como as unidades estavam em garantia não foram realizadas modificações por parte da empresa contratante. No decorrer de 2013 quando então terminou o prazo de garantia do equipamento foi possível aplicar alguns estudos já em andamento, como por exemplo, a alteração de algumas atividades das manutenções preventivas que eram realizadas com maior tempo e foram reduzidas para melhorar o desempenho. Com o aumento de falhas nas unidades geradoras no final do ano de 2013, utilizamos dos dados coletados no sistema informatizado da manutenção a fim de encontramos a causa raiz das falhas com maior número. Com os dados coletados ficou evidenciando e constatando a unidade mais problemática. A figura 40 demonstra que a unidade geradora número 8 possui o maior número de ocorrências entre as demais unidades geradoras nos três meses coletados. Figura 40 - Números de Falhas Out, Nov e Dez/2013 Fonte: Autor Evidenciado que a unidade geradora número 8 obteve mais falhas nos meses coletados, passamos para próxima etapa que é a verificação das falhas desta unidade

58 58 para comprovar que as maiorias dos desligamentos ocorreram devido à contaminação por óleo lubrificante gerados pela ineficiência do sistema de filtro Blow By do motor. A figura 41 demonstra de forma clara a distribuição das falhas para esta unidade geradora Principais Falhas Unidade 8 Outubro Novembro Dezembro Dif.Pressão Filtro Cárter Alta Tensão Ignição Alta Temperatura Exasutão Dif.Pressão Filtro Blow-by Figura 41 Falhas Outubro, Novembro e Dezembro/2013 Fonte: Autor Foi realizado o levantamento de peças sobressalentes requisitados no almoxarifado nesses meses para os motores GE e que foram utilizados em manutenções corretivas para evidenciar um alto número de utilização. A figura 42 demonstra que o maior número de requisições de saídas de peças foi de filtro Separador de Ar e óleo (Blow-by)

59 Saídas almoxarifado para unidade 8 Filtro Carter Turbocompressor Intercooler Filtro Blow-by Outubro Novembro Dezembro Figura 42 - Saídas de materiais no Almoxarifado Fonte: Autor A substituição de filtro dos gases de Blow-by é realizada pelo setor de operação da empresa e seu tempo para substituir 1 filtro leva em média 01:30 h com 2 operadores, considerando o tempo de 0:15 h para desligamento e acionamento da unidade geradora, fazendo um cálculo de números de filtros substituídos nos três meses em que foram coletados as informações, a unidade geradora 8 ficou 13:30 h parada para substituir filtro dos gases de Blow-by, deixando de gerar 42,9 MW. Esse número parece razoável a princípio, mas se for levado em consideração o tempo de máquina parada pelas causas que essa troca constante de filtro esse número reflete em perda de geração para empresa, causando prejuízo financeiro. Com base nessas informações foi solicitada a parada desta unidade no início de 2014, para uma inspeção nas partes: filtro Blow-By, admissão de ar, misturador Ar/Gás, Turbina, Intercooler e Corta-chama do Intercooler, a fim de se verificar as altas falhas e o alto consumo de filtros dos gases Blow-by. Três dias antes da parada programada da unidade geradora, ocorreu um desligamento automático devido alta temperatura em todos os cilindros do lado A, com isso foi necessário antecipar as inspeções. Iniciou-se a desmontagem do motor e ficou logo evidente a contaminação de óleo lubrificante no sistema de admissão de ar do motor, com isso todas as partes e

60 60 peças que fazem parte desse sistema foram danificadas, a primeira evidência foi a galeria que recebe gases proveniente do filtro de Blow by conforme evidenciado na figura 43. Excesso de óleo Figura 43 - Galeria de ar do filtro dos gases Blow by com excesso de óleo. Fonte: Autor Pode-se notar claramente a contaminação de óleo lubrificante em excesso, o qual é levado para a admissão de ar/gás (Mistura) do motor contaminando primeiro o misturador de Ar de Admissão/Gás Natural (Mixer), após as Válvulas de by-pass, em seguida turbinas, Intercooler, Válvulas Corta-chamas e Pistões e anéis de segmento. As fotos 44, 45 e 46 demonstram a contaminação dessas peças que acabam perdendo sua função devido ao óleo lubrificante agregado ao material das mesmas proveniente da contaminação na admissão do motor.

61 61 Duto de ar de admissão no motor Figura 44 - Duto de Admissão de Ar. Fonte: Autor Pontos de mistura de Ar e Gás com óleo lubriicante Figura 45 - Misturador Ar Admissão/Gás Natural Fonte: Autor

62 62 Excesso de óleo lubrificante na entrada do intercooler. Figura 46 Intercooler com carbonização devido ao excesso de óleo lubrificante Fonte: Autor A causa da alta temperatura de todos os cilindros do lado A se deu devido a quebra da turbina lado A causando perda de injeção de ar para os cilindros, e por sua vez a causa raiz da turbina ter falhado foi a contaminação por óleo lubrificante fazendo com que ocorresse o desbalanceamento e assim as palhetas encostassem na carcaça da turbina conforme mostra a figura 47. Indicação de admissão de óleo lubrificante para os Turbos do motor Figura 47 - Turbina lado A com excesso de óleo. Fonte: Autor

63 63 Como a única maneira de contaminação de óleo para admissão de ar é através dos gases de Blow by originados do filtro, foi necessário à desmontagem do filtro para uma avaliação das partes internas em busca de explicações que ocasionou o alto grau de contaminação por óleo lubrificante, uma vez que essa contaminação apesar de sempre haver, mas em níveis bem menores, pois o filtro não consegue filtrar 100% dos gases e existem outros fatores que podem acelerar essa contaminação, a figura 48 mostra o filtro aberto com sinais evidentes de alta concentração de Óleo Lubrificante. Elemento interno do Filtro Separador de Ar e óleo com excessiva quantidade de óleo lubrificante Figura 48 - Elemento do Filtro dos gases de Blow by totalmente impregnado de óleo lubrificante. Fonte: Autor Na figura 47 pode-se observar no fundo do filtro o material do elemento filtrante misturado ao Óleo Lubrificante, cujo material também foi encontrado na galeria que leva os gases filtrados para a admissão do ar no motor.

64 64 Pedaço de elemento filtrante no fundo do corpo do Filtro Figura 49 - Corpo do Filtro dos gases de Blow-by com excesso de óleo no fundo do mesmo. Fonte: Autor Ao realizar a verificação do material do elemento filtrante foi constatado que se trata de um papel sintético encontrado também solto juntamente com o óleo lubrificante dentro do filtro e que não oferece condições para uma filtragem eficiente dos gases por um período viável operacionalmente e financeiramente, fazendo com que a pressão interna do filtro fosse rapidamente elevada refletindo em contra pressão para o cárter impedindo que o óleo lubrificante voltasse para o cárter em quantidade suficiente tendo como resultado a alta contaminação do elemento filtrante e a perda de filtragem dos gases contaminando assim a galeria de admissão do ar, levando esse óleo para as partes que seguem esse sistema, como demonstrado nas figuras, causando não somente a contaminação, mas a carbonização do motor como pode-se observar na figura 50 abaixo, em que o pistão apresenta sinais evidentes de carbonização e com isso o processo de contaminação por óleo lubrificante tende a aumentar mais rápido prejudicando também a qualidade da carga de óleo lubrificante do cárter do motor.

65 65 Assentamento de anéis de segmentos do pistão com indicação de carbonização de queima de óleo Lubrificante Figura 50 - Pistão e assentamento de anéis do pistão carbonizados devido ao excesso de óleo lubrificante. Fonte: Autor Para comprovar tal teoria foram substituídas as partes/peças: filtro dos gases Blow-by, Turbina, Intercooler, Cabeçote, Camisa, Filtros de Ar de admissão, elemento filtrante do cárter, foi realizada também a descarbonização do motor, limpeza do trocador de calor do óleo lubrificante, limpeza do cárter, limpeza da galeria de admissão, limpeza do misturador de Ar Admissão/Gás Natural, limpeza do Intercooler e substituição da carga de óleo lubrificante, ou seja, foram realizadas as atividades necessárias para eliminar os vestígios desta contaminação nas peças do motor. Depois de concluído a manutenção do motor, foi soldado no dreno do filtro Blow-by uma tubulação e interligando uma mangueira até a área externa da sala de maquinas para constatar que há contra-pressão do filtro para o cárter devido a perda da capacidade do filtro exercer sua função que é filtrar os gases de Blow-by. Pode ser observada na figura 51 a tubulação instalada no dreno do filtro.

66 66 Ponto de dreno do fundo do Filtro Figura 51 - Sistema de dreno filtro dos gases Blow by solto para análise e medição de particulados Fonte: Autor A figura 52 mostra a mangueira proveniente do dreno do filtro levado até a área externa da sala de máquinas. Mangueira lançada para fora da sala de maquinas Figura 52 - Mangueira do dreno no filtro correndo para área externa da sala de máquinas Fonte: Autor A figura 53 mostra a extremidade desta mangueira onde ficou sendo armazenado provisoriamente o óleo proveniente do filtro dos gases Blow by com o ciclo aberto para a atmosfera.

67 67 Excessivo acúmulo de óleo proveniente do Filtro Figura 53 - Armazenamento do óleo do filtro com o dreno para atmosfera. Fonte: Autor A troca do filtro Blow-by assim como a manutenção dos itens mencionados anteriormente ocorreu quando a unidade geradora estava com horas em operação, sendo que o filtro substituído havia 100 horas de operação muito abaixo do esperado horas. O Manual do fabricante informa que a substituição do filtro deve ser efetuada quando o filtro atingir 20 mbar ou a cada horas o que chegar primeiro, as substituições sempre ocorrem através do diferencial de pressão e nunca por horas de operação devido ao problema constatado. Após efetuadas todas as atividades de manutenção para um escopo de atividades de manutenção de hrs, quando é por tanto efetuado toda a descontaminação do sistema de admissão e bloco do motor, foi então iniciado um novo monitoramento do diferencial de pressão do filtro e constatado que passados horas não foi atingido o limite do diferencial de pressão e não houve nenhum problema relacionado com contaminação por óleo lubrificante pois o sistema passou a ser aberto Atingidos horas de operação foi realizada uma inspeção na admissão de ar, misturador, Turbocompressor e Intercooler para verificar se houve indícios de contaminação por óleo lubrificante. Ficou constatado que a contaminação praticamente não existiu, o grau de óleo lubrificante encontrado foi pouquíssimo, somente quando completados horas de operação o diferencial de pressão começou a aumentar. Outro ponto importante para comprovar a redução de óleo

68 68 lubrificante na admissão foi o teste de emissões atmosféricas, abaixo a tabela 6 mostra os valores de antes da modificação. Ou seja com o sistema originalmente fechado e com o filtro original em operação no motor, o que mostra que o sistema no parâmetro de material particulado traduz de forma direta a não realização de função do filtro. Parâmetros Coleta Concentração (mg/nm 3 ) RESULTADOS T. Emissão (Kg/h) 1ª 90,29 1,407 Material Particulado (MP) 2ª 90,85 1,424 3ª 99,32 1,392 Média 90,15 1,407 Limite de Tolerância * - - Dióxido de Nitrogênio (NO2) 1ª 202,98 4,16 2ª 201,06 4,08 3ª 203,04 4,21 Média 202,36 4,15 Limite de Tolerância * 320,00 - * Limite estabelecido conforme Resolução CONAMA Anexo II, de 26 de Dezembro de 2006 do Ministério do Meio Ambiente. Quadro 6 - Emissões Atmosféricas unidade 8 (antes) Fonte: Amazônia Ambiental No quadro 7 demonstra os valores das emissões passados horas de operação após a manutenção e com o sistema aberto para atmosfera, pode-se notar a redução drástica principalmente no Material Particulado (MP), onde se concentra os valores que comprovam a presença de óleo lubrificante na emissão desta unidade geradora. Desta forma evidenciando a falha do filtro em sua função.

69 69 Parâmetros Coleta Concentração (mg/nm 3 ) RESULTADOS T. Emissão (Kg/h) 1ª 12,05 0,507 Material Particulado (MP) 2ª 12,55 0,507 3ª 11,98 0,482 Média 12,05 0,507 Limite de Tolerância * - - Dióxido de Nitrogênio (NO2) 1ª 102,98 1,16 2ª 101,06 1,08 3ª 103,04 1,21 Média 102,36 1,15 Limite de Tolerância * 320,00 - * Limite estabelecido conforme Resolução CONAMA Anexo II, de 26 de Dezembro de 2006 do Ministério do Meio Ambiente. Quadro 7 - Emissões Atmosféricas unidade 8 (depois) Fonte: Amazônia Ambiental Evidenciado por tanto a falha deste sistema da unidade geradora, serão mostradas abaixo duas tabelas com os custos antes e depois da melhoria no sistema de ventilação do cárter. A tabela 1 a seguir irá demonstrar os custos com peças/sobressalentes durante o período de coleta dos dados em que a unidade geradora 8 obteve altos números de falhas em relação as demais unidades.

70 70 Mês Tabela 1 - Custo com peças/sobressalentes (antes) Fonte: Autor O custo de R$ ,03 foi somente de peças utilizadas em manutenções corretivas para a unidade geradora 8 no período de 3 meses e todo esse custo está relacionado a falha de filtragem no sistema de ventilação dos gases de Blow-by, abaixo a tabela 2 apresenta o custo após horas em que foi realizado a modificação. Filtro Blow-by Turbocompressor Intercooler Filtro Cárter Total Geral out/13 R$ ,92 R$ - R$ ,00 R$ ,85 R$ ,77 nov/13 R$ ,68 R$ ,51 R$ - R$ ,68 R$ ,87 dez/13 R$ ,20 R$ - R$ - R$ ,19 R$ ,39 Total R$ ,80 R$ ,51 R$ ,00 R$ ,72 R$ ,03 Peça Qtd Valor unitário Filtro Carter 16 R$ 2.688,17 Turbocompressor 1 R$ ,51 Intercooler 1 R$ ,00 Filtro Blow-by 35 R$ ,88 Mês Blow-by Turbocompressor Intercooler Filtro Cárter Total Geral fev/14 R$ - R$ - R$ - R$ - R$ - mar/14 R$ - R$ - R$ - R$ 2.688,17 R$ 2.688,17 abr/14 R$ - R$ - R$ - R$ 2.688,17 R$ 2.688,17 Total R$ - R$ - R$ - R$ 5.376,34 R$ 5.376,34 Peça Qtd Valor unitário Filtro Carter 2 R$ 2.688,17 Turbocompressor 0 R$ ,51 Intercooler 0 R$ ,00 Filtro Blow-by 0 R$ ,88 Tabela 2 - Custo com peças/sobressalentes (depois) Fonte: Autor Nota-se claramente a redução do custo com utilização de peças/sobressalentes, mas os custos em virtude dessa falha não se resumem somente a peças/sobressalentes o não atendimento a demanda de geração por produção de energia é alta, foi realizado uma pesquisa junto ao departamento de análise de operações da empresa que forneceu um valor de R$ ,88 de multa contratual nos três meses analisados, com isso obteve-se um total de R$ ,91 sem contar com outros custos referente outras corretivas não contabilizados neste

71 71 estudo por não estar relacionados a falha por contaminação de óleo lubrificante diretamente relacionados a ineficiência do filtro Blow By ineficaz. Para que se tenha uma dimensão de custo relacionado a substituição de filtros Blow-by foi feito levantamento de retirada no almoxarifado no ano de 2013 e constatado a utilização de 213 unidades, gerando um custo de R$ ,44, isto para todas as unidades geradoras. De acordo com o manual do fabricante essa quantidade iria se resumir a 23 unidades se fosse considerado que o filtro obtivesse um ciclo de vida em horas. Com isso a empresa obteve um custo a maior de R$ ,20. Como não é estrategicamente interessante para a empresa manter a filtragem do sistema de ventilação do cárter em um ciclo aberto devido as questões ambientais e de imagem e até mesmo de segurança, pois os sensores do sistema de combate a incêndio da casa de maquinas começaram a serem contaminados com a névoa gerada pelo motor, foi realizada uma pesquisa de mercado em busca de alternativas para aquisição de uma outra tecnologia ou sistema de filtragem que fosse eficiente e financeiramente viável e obviamente já utilizado em motores ciclo Otto sendo que foram encontradas outras três empresas com tecnologias similares, porém por questões de cadastros comerciais de não atendimento de critérios jurídicos e técnicos no que tange a Legislação da Licitação Pública no País, praticamente duas empresas, foram possíveis de se analisar e estudar uma nova tecnologia para se minimizar a problemática de falhas que ocorrem nas unidades devido a contaminação de partes do motor pelo excesso de óleo lubrificante. A primeira foi uma empresa Dinamarquesa com representação comercial no Brasil de nome Soldberg e a outra o próprio fabricante Ge Jenbacher. As propostas das mesmas serão apresentadas a seguir: Filtro GE Jenbacher de filtros Duplos com Pré Separador de Ar e óleo Em junho de 2015 a GE Jenbacher lançou um upgrade do sistema de filtro Blow by através do CM&U s Jenbacher Gas engines T6F (Offerings_Brazil visit FW _external), através desse documento a GE Jenbacher informava as mudanças no novo sistema Blow-by, composto basicamente por uma caixa separadora instalada na Intake chamber e com dois filtros blow-by sendo um do lado A e outro no lado B. Por ser um novo conceito apresentado pela GE Jenbacher foram adquirido 04 filtros

72 72 para teste, desta forma no dia 02/09/2015 iniciou o teste de avaliação na UGGN-03 e em 21/09/2015 na UGGN-07. A figura 54 mostra o filtro separador duplo da GE instalado na unidade. Figura 54- Filtro Separador de ar e óleo duplos, com caixa separadora. Fonte: Autor Filtro da empresa Soldberg: Solberg que apresentou um filtro eliminador de névoa de óleo modelo CV- EWP60C, com um coletor primário de óleo (Demister para coletar a parte livre de óleo). A proposta parecia ser bem promissora, pois não requer mudanças significativas no projeto. Em visita no próprio site a equipe da fábrica da Solberg diagnosticou que os atuais eliminadores de névoa de óleo do cárter foram subdimensionados, as unidades não tinham capacidade para capturar o blow-by ou superar a pressão do cárter, de acordo com o diagnóstico o equipamento apresentado pela Solberg iria resolver os problemas de contaminação de partes do motor e aumentar a vida útil do filtro. Desta forma no dia 28/08/2015 iniciou o teste de avaliação na UGGN-20 e em 30/09/2015 na UGGN-14. O filtro para gases de Blow-by do fabricante Solberg tem basicamente o mesmo princípio de funcionamento do atual filtro original utilizado pela empresa GE com um

73 73 diferencial no seu elemento filtrante, o fabricante não forneceu muitas informações sobre os materiais utilizados, mas informou utilizar 3 tipos, um dos materiais utilizados é uma malha ou granalha de aço e o elemento filtrante é uma bobina o cartucho em meio filtrante de celulose (camadas) onde este elemento é instalado de forma vertical em corpo de filtro de aço inox para a entrada dos gases Blow-by, mas antes da entrada dos gases existe uma válvula tipo diafragma que ajuda na redução da vazão e pressão de gases proveniente do cárter do motor para o filtro, fazendo com que o elemento filtrante principal demore mais a saturar para readmissão no sistema da máquina. O fabricante garante até 99,9% de filtragem dos gases Blow-by e seu tempo de vida útil esperado é de horas de operação, sendo que após esse período o filtro deve ser substituído não tendo, portanto, somente a reposição do elemento filtrante gerando um custo para aquisição de um novo filtro se o mesmo chegar ao tempo de vida útil informado pelo fabricante. A figura 55 mostra o filtro da empresa Solberg instalado em um motor JGS 620 e a figura 56 um desenho técnico do mesmo. Figura 55 - Filtro Separador de Ar e Óleo, Blow-by Solberg Fonte: Autor

74 74 Figura 56 Desenho técnico do filtro Solberg. Fonte: Engenharia Solberg, O sistema Blow-by instalados nos motores estão apresentando uma excessiva pressão positiva no cárter dos motores GE Jenbacher JGS 620, isto levou a contaminação com óleo em partes do motor e excessiva troca de filtros do blow-by. Ambos os problemas eram inaceitáveis para o desempenho do equipamento, sua eficiência e por questões ambientais, logo o objetivo era de corrigi-los o mais rápido possível. Desta forma foi diagnosticado pelo grupo de trabalho que os atuais eliminadores de névoa de óleo do cárter foram subdimensionados, não tinham condições de eliminar a névoa de óleo do cárter com este Blow by instalado. A unidade instalada não tem a capacidade para capturar o Blow by ou superar a pressão diferencial causada pela névoa formada internamente no cárter. Sendo necessário a instalação de um outro equipamento que solucione este problema. Abaixo na tabela 3 será feito um comparativo entre as duas opções e o filtro atual para demostrar que as duas opções são viáveis mais que existem suas

75 75 diferenças e após será possível optar por uma das opções que for mais viável financeiramente e operacionalmente. Com a instalação do filtro Solberg na UGGN-20 em 28/08/2015, com o horímetro de horas de operação, foi realizado uma inspeção na galeria de camshaft no dia 10/09/2015 com o horímetro de horas de operação, o novo filtro instalado fornecido pela Solberg já estava com 250 horas de operação, sem apresentar passagem de óleo para o sistema e o cárter continuava com pressão negativa, essa rotina de inspeções foi realizada com: 500, 1.000, e horas de operação. Com horas de operação foi realizado uma análise completa na galeria de camshaft, mix, duto de ar, entrada da turbina, não foi observado presença ou acumulo de óleo no local e a pressão do cárter ainda é menor que 20 mbar, segue: Tabela 03 - Comparativo das operações de Filtro Fonte: Autor Analisado os resultados obtidos com o acompanhamento deste teste e os dados de operação do motor pudemos evidenciar que este filtro CV-EWP60-600C, fornecido pela Solberg, atende a necessidade do motor GE Jenbacher e estão de acordo com a instrução de trabalho de manutenção W 0509 M6, referente a ventilação do cárter. O teste foi realizado simultaneamente na UGGN-14 apresentando também resultados satisfatório.

76 76 O novo modelo de filtro Blow-by com dois elementos fornecido pela GE Jenbacher foi instalado na UGGN-03 em 02/09/2015, com o horímetro de horas de operação, com 201 horas de operação foi identificado um grande volume de óleo no camshaft, ocasionado por um parafuso da galeria que estava quebrado, esse defeito não está relacionado ao sistema blow-by. Desta forma o acompanhamento passou a ser realizado na UGGN-07, que foi instalado em 21/09/2015, com o horímetro de horas de operação, com 250 horas de operação foi realizado uma inspeção na galeria de camshaft no dia 02/10/2015 com o horímetro de horas de operação, o novo filtro instalado fornecido pela GE Jenbacher não apresentou passagem de óleo para o sistema e o cárter continuava com pressão negativa, essa rotina de inspeções foi realizada com: 500, 1.000, e horas de operação. Com horas de operação foi realizado uma análise completa na galeria de camshaft, mixer, duto de ar, entrada da turbina, não foi observado presença ou acumulo de óleo no local e a pressão do cárter ainda é menor que 20 mbar, segue: Tabela 04: Inspeções realizadas a cada 500horas de operação. Fonte: Autor Analisado os resultados obtidos com o acompanhamento deste teste e os dados de operação do motor pudemos evidenciar que o novo filtro com dois elementos, fornecido pela GE Jenbacher, atende a necessidade do motor e estão de acordo com a instrução de trabalho de manutenção W 0509 M6, referente a ventilação do cárter. O teste foi realizado simultaneamente na UGGN-03 apresentando também resultados satisfatório.

77 77 Durante os testes com o novo filtro de dois elementos, fornecido pela GE Jenbacher, foi observado dificuldades para realizar a manutenção preventiva de alinhamento do motor com o gerador, devido ao tamanho desse filtro, desta forma sendo este praticamente desclassificado quanto a sua implementação em comparação ao Filtro Solberg. Na tabela 05 é demonstrado o cálculo do investimento inicial e na tabela 06 o custo de operação de segundo ano após implantação do projeto. Tabela 05: Custo de implantação do projeto. Tabela 06: Custo após Implantação do projeto.

78 78 CONCLUSÃO A partir dos resultados obtidos podemos efetivamente realizar a substituição do filtro Blow-by, atualmente utilizado nos motores em operação pelo filtro fornecido do fabricante Solberg CV-EWP60-600C. Obviamente que por se tratar de uma empresa que deve realizar seus processos de compras e contratações foram consideradas por tanto, o tempo de processo do mesmo e de suas peças para reposição em estoque, o que nãoo foi considerado por tanto nos estudos técnicos aqui analisados. O investimento para implantação já existe no orçamento anual desta empresa, o custo para o investimento seria 25,28 % menor para um período de um ano, comparando com o modelo atualmente usado e original de fábrica. Utilizando o novo modelo de filtro da GE Jenbacher com dois elementos, o custo de compra seria 32,75 % superior comparado com o produto usado atualmente, além do que fisicamente, este foi desclassificado porque na atividade de manutenção de serviço de alinhamento do motor com o gerador da unidade de produção, o mesmo gerou problemas que elevaram o tempo de parada das unidades. Portanto, o Filtro Separador de Ar e Óleo Solberg, concorrente da fábrica original do motor, mostrou-se mais prático fisicamente na sua instalação e montagem bem como nas operações continuadas dos motores e economicamente mais viável.

79 79 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT, Normas Técnicas Brasileira ISSO Indústrias de petróleo e gás natural - Coleta e intercâmbio de dados de confi abilidade e manutenção para equipamentos, Brasil, BRUNETTI, Marco F. Motores a Combustão Interna Volume 1, Rio de Janeiro, Editora Mauá, BRUNETTI, Marco F. Motores a Combustão Interna Volume 2, Rio de Janeiro, Editora Mauá, GE Jenbacher, _PT Especificações Técnicas de controle Colocação em funcionamento). GE Jenbacher, _PT Dados Técnicos do Motor. GE Jenbacher, _PT Sistema do Óleo Lubrificante do Motor. PAYRI, F. Motores de Combustión Interna Alternativos, Barcelona, Editora Reverté S/A, PENIDO, Paulo N. Motores a Combustão Interna, Belo Horizonte, Editora Lemi S/A, PINTO, Alan K, XAVIER, Júlio A. N. Manutenção Função Estratégica, Rio de Janeiro, Qualitymarck, TAVARES, Lourival A. Administração Moderna da Manutenção, Rio de Janeiro, Novo Pólo Publicações e Assessoria Ltda, VARELLA, Carlos Apostila Instrudução a motores de combustãio interna, São Paulo, Universidade de São Paulo, XENOS, Harilaus G. Gerenciando a Manutenção Produtiva, Belo Horizonte, EDG - Editora de Desenvolvimento Gerencial, 1998.

80 80 ANEXOS ANEXO I RESOLUÇÃO CONAMA Nr. 382, de 26 de dezembro de Publicada no DOU nº 1, de 2 de janeiro de 2007, Seção 1, página LIMITES DE EMISSÃO PARA POLUENTES ATMOSFÉRICOS PROVENIENTES DE PROCESSOS DE GERAÇÃO DE CALOR A PARTIR DA COMBUSTÃO EXTERNA DE GÁS NATURAL 1. Ficam aqui definidos os limites de emissão para poluentes atmosféricos provenientes de processos de geração de calor a partir da combustão externa de gás natural. 2. Para aplicação deste Anexo devem ser consideradas as seguintes definições dos termos: a) capacidade nominal: condição máxima de operação da unidade de geração de calor para a qual o equipamento foi projetado, determinado em termos de potência térmica, com base no Poder Calorífico Inferior - PCI, calculado a partir da multiplicação do PCI do combustível pela quantidade máxima de combustível queimada por unidade de tempo; b) condições típicas de operação: condição de operação da unidade de geração de calor que prevalece na maioria das horas operadas; c) gás natural: combustível fóssil gasoso conforme especificação da Agência Nacional do Petróleo - ANP;

81 81 d) plena carga: condição de operação em que é utilizada pelo menos 90% da capacidade nominal; CONTROLE DA POLUIÇÃO DO AR - PRONAR RESOLUÇÃO CONAMA nº 382 de 2006 e) processo de geração de calor por combustão externa: processo de queima de gás natural realizado em qualquer forno ou caldeira cujos produtos de combustão não entram em contato direto com o material ou produto processado. 3. Ficam estabelecidos os seguintes limites de emissão para poluentes atmosféricos provenientes de processos de geração de calor a partir da combustão externa de gás natural: Potência térmica nominal (MW) Nox( 1 ) com NO2 Menor que Maior ou igual a Tabela 1 - Valores máximos poluentes Fonte: CONAMA ( 1 ) os resultados devem ser expressos na unidade de concentração mg/nm, em base seca e 3% de excesso de oxigênio.

82 82 ANEXO II Dados Técnicos do Motor JGS 620

83 83 The Service Bulletin describes the measurement method on the blow-by system and includes a troubleshooting instruction to identify events leading to premature filter exchange AFFECTED ENGINES / SCOPE OF THIS BULLETIN Type 6 F/G/H engines with ROLF air intake filters and updated Type 6E engines to the actual blow-by filter design. Type 6xxF with ROLF Type 624G/H with 2 or 4 filters with ROLF Upgraded type 6xxE 1. Background: The replacement of the breather filter is based on operating parameters of the crankcase ventilation system according the inspection and maintenance work instruction IW M6 (for type 6xxF/G and updated type 6xxE) and IW-0510-M6 (for type 624H). Short breather filter life can be as a result of other engine events that need to be investigated prior to replacing the filter; this SB includes the troubleshooting flow chart to be followed in order to identify the reasons for short blow-by filter life. The following topics are covered in this SB: Definition of new measurement method (part 2) Troubleshooting section to identify events leading to premature filter exchange (part 3) If the pressure before the blow-by filter (measurement probe location at the bottom of the blow-by filter housing) is 0mbar or higher and there is no manometer connection installed at the oil dipstick tube then the engine must be stopped. A hydraulic measurement probe can then be installed for the crankcase pressure measurement (see next Figure plus Figure 1, Pos. 3). If a manometer connection is already installed at the oil dipstick tube, proceed with the full load crankcase pressure measurement using an appropriate water column (see Figure 1).

84 84 Hydraulic measurement probe installed at the oil dipstick pipe of a Type 6 engine. 2.1 Pressure: The following system pressures must be measured at full load: Pressure before blow-by filter against atmosphere (see Fig 2+3) Example: +37mm = +3,7mbar Pressure after blow-by filter against atmosphere (see Fig 4+5) Example: -16mm = -1,6mbar Differential pressure of the blow-by filter (measure direct with water column) Crankcase pressure against atmosphere (see Fig 6+7) Example: +22mm = +2,2mbar Tool: Water column (see Fig 1) Part nr.: or (water column) Part nr.: (measurement connection ¼ inch) Transparent flexible hose (2-3m)

85 85 Method: only use water column (see Fig 1) 10mm water column = 1mbar The filter can has two 1/8 threaded connections. One of the connections leads into the prefractionator (before the filter), the other connection into the volume after the filter. At these connections, you can directly measure the differential pressure before and after the filter using water column With the use of a water column take attention that you don t get a false reading due to air bubbles inside the water column. The risk of air bubbles can be minimized by using a flexible hose with a bigger inner diameter. Do NOT use digital pressure meter to carry out these measurements in order to avoid inaccurate readings. 2.2 Blow-by volume flow: The blow-by volume flow after the blow-by filter has to be measured (see Fig. 8+9). For an overview on range of standard blow-by volume flows refer to orifice selection table of TA , Index Blow-by System / Crankcase ventilation system / trouble shooting 3.1 High blow-by filter differential pressure (Δp) can be caused by: Normal aging of filter due to deposits of separated oil on the filter Increased blow-by flow (l/min) Internal blocking of blow-by filter (paper touch the filter housing see Fig.10-12) external blocking of the blow-by system (hoses see Fig. 14 or Venturi ring in the gas mixer housing) 3.2 Flow chart for blow-by filter / crankcase ventilation system / trouble shooting See attachment (appendix 1) 3.3 Description of Venturi or gas-mixer maintenance work That work can be just carried out from GE or a GE-Service partner In case the suction pressure after the blow-by filter at engine full load is already above a certain level 6xxE: pressure > -20mbar (e.g. 19mbar, -18mbar, ) 6xxF: pressure > -10mbar (e.g. -9mbar, -8mbar, ) 624 G/H: pressure > -30mbar (e.g. -29mbar, -28mbar, ) Is it either came to a contamination with filter material of the pipe from the blowby filter to the gas mixer and deposits of filter material on the venturi-ring, or

86 86 The same hole in the upper measurement probe on the blow-by filter (after filter) could be blocked by the filter material. Counter measure: For the control of the measurement probe screw out the probe from the blow-by filter housing and clean it or replace it with a new one. The Venturi-ring or the gas mixer must be removed from the gas mixer housing. All deposits must be removed from the Venturi-ring or gas mixer and the gas mixer housing. Additionally check the pipe from the gas mixer to the turbo charger and the compressor of the turbo charger for any blow-by filter material residues and if present remove them. 4. Pictures Water column Fig. 1: Water column or (for the connection at the Blow-By filter and crankcase check points) (Pos. 2) and (measurement connection ¼ inch for the connection at the crankcase check point; Pos. 3 ). Additionally to these part numbers a transparent flexible hose (Pos. 1) must be used (approx. 2-3m) which must be connected to the previous part numbers. That additional hose should have a bigger inner diameter. 3. Pressure before blow-by filter against atmosphere: Fig.2 Fig. 3: 1 water level, 2 hose against athmosphere,

87 87 inlet. 3 hose connected at the filter Pressure after blow-by Filter against atmosphere: Fig. 4 filter inlet. Fig. 5: 1 water level, 2 hose against athmosphere, 3 hose connected at the Crankcase pressure against atmosphere: Fig. 6 Fig. 7: 1 water level, 2 hose against athmosphere, 3 hose connected at the oil dip stick