Características técnicas de lubrificantes em motores automotivos

Autor: Professor Pedro Guilherme Bueno

LUBRIFICANTES EM MOTORES AUTOMOTIVOS

Conceitos relacionados ao comportamento e características dos fluidos utilizados em motores, dão inicio ao desenvolvimento do conteúdo, como forma de assimilar melhor certas características do lubrificante e do sistema de lubrificação. 

REOLOGIA

De acordo com Carreteiro e Belmiro (2006, p. 167), a origem da palavra reologia deriva do grego rhe, que significa fluir, sendo a ciência que estuda as deformações e escoamento da matéria. 

Os fluidos não-newtonianos, isto é, aqueles que são afetados pela ação de cisalhamento (quando picos das duas superfícies em contato entram em contato lateral entre si, gerando desprendimento de material), podem ser divididos em fluidos independentes do tempo e dependentes do tempo. 

Os fluidos do tipo independentes do tempo podem ser plásticos, pseudoplásticos ou dilatadores. 

Os plásticos possuem um limite elástico que deverá ser vencido para que o escoamento ocorra, são principalmente as graxas. Os pseudoplásticos não apresentam limite elástico, porém sua viscosidade aparente decresce com o aumento do grau de cisalhamento. Os dilatadores são aqueles que a viscosidade aparente cresce com o aumento do grau de cisalhamento. 

Os fluidos do tipo dependentes do tempo são divididos em tixotrópicos ou reopéticos. Os tixotrópicos, quando submetidos a um grau de cisalhamento constante por certo período de tempo sua viscosidade aparente é reduzida a um valor mínimo. Cessado o efeito do cisalhamento, a viscosidade aparente passa a crescer voltando ao valor original (tixotropia reversível) ou a um valor menor que o original (tixotropia irreversível). Os fluidos reopéticos, quando submetidos a um grau de cisalhamento constante por certo tempo, aumentam a viscosidade aparente para um valor máximo, retornando ao valor normal quando em repouso (algumas graxas possuem essa característica). 

LUBRIFICANTES

Os lubrificantes devem possuir características que atendam às diversas condições que o motor está sujeito, por exemplo, contaminação por combustível, folgas pequenas entre componentes, variação de viscosidade devido às condições térmicas, entre outros aspectos. 

Lubrificantes são empregados em componentes que produzem movimento entre si e submetidas a atrito, tendo a função de evitar o contato direto entre ambas. Adicionalmente possui a função de dissipar o calor gerado pelo atrito, vedar o local de atrito, evitar corrosão, diminuir ruído, dispersar partículas de desgaste de locais de atrito. 

Lubrificantes desenvolvidos para motores automotivos, de maneira geral, precisam atender solicitações e características especificas, que estão relacionadas principalmente a temperaturas excessivas, fragmentos de combustíveis, ácidos corrosivos e às novas tecnologias usadas na fabricação de motores. 

Imagem 1: Lubrificante.

De acordo com Carreteiro e Belmiro (2006, p. 256) os lubrificantes para motores são projetados visando atender as seguintes funções principais: 

-Prevenir contra o atrito e desgaste das peças móveis. 

-Trabalhar em uma larga faixa de temperatura permitindo uma partida rápida. 

-Evitar a formação de depósitos na câmara de combustão. 

-Prevenir contra ferrugem e corrosão, neutralizar os ácidos gerados na combustão, resultado do teor de enxofre do combustível. 

-Evitar a formação de verniz e borra. 

-Limpar e manter o motor limpo, dispersando os produtos da combustão. 

-Colaborar com a refrigeração do motor. 

-Vedar os anéis de compressão e não atacar os retentores. 

-Reduzir choques mecânicos. 

-Fornecer informações através de sua análise fisioquímica. 

Como maneira de conseguir atingir com mais eficácia os objetivos acima citados, os fabricantes de lubrificantes para motores introduzem produtos químicos, chamados aditivos que compõem cerca de 15% da proporção do óleo. Os aditivos são diluídos juntamente com os óleos base (que compõem a maior parcela do fluido), os óleos base são normalmente derivados de três tipos de processos de produção, mineral (que é constituído basicamente por minerais derivados do refino de petróleo), sintético (também deriva do petróleo ou gases, porém são usados meios químicos para aumentar pureza), semissintético (pode derivar da mistura de mineral com sintético, ou de processos químicos menos intensos).

Imagen 2: Proporção de óleo base e aditivos.

ADITIVOS EM LUBRIFICANTES 

Segundo Robert Bosch (2005, p. 308), Carreteiro e Belmiro (2006, p. 256) os principais aditivos usados na formulação de lubrificantes estão descritos a seguir: 

-Detergentes: sua proporção na composição da mistura do lubrificante varia de 2 a 10%, e são geralmente moléculas com uma longa cadeia de hidrocarbonetos, que é um grupo oleofílico com a finalidade de solubilizar o composto na base fluida, e um grupamento polar, que é atraído para as partículas contaminantes no lubrificante. Os aditivos detergentes usados comercialmente são englobados em quatro famílias: sulfanatos (naturais (de petróleo) e sintéticos), fosfanatos e/ou tiofosfanatos, fenatos e silicilatos alcoil-substituidos. 

-Detergentes alcalinos: são mesmos compostos químicos dos detergentes citados acima, e são produzidos através de excesso da base metálica sobre quantidades estequiométricas requeridas para a formulação dos produtos. Adicionados ao óleo base possuem grande potencial de neutralização de ácidos formados no processo de uso do lubrificante. 

-Detergentes dispersantes: Possuem as seguintes funções: Atuam como dispersantes, evitando que os produtos de oxidação do óleo e outros compostos insolúveis se acumulem nas superfícies metálicas; atua como detergente, removendo depósitos; atua em reação química, visando eliminar a formação de material insolúvel no óleo; atua como neutralizante dos produtos de oxidação ácida. 

-Antioxidantes e passivadores de metais: sua dosagem varia de 0,4 a 2% na composição do lubrificante, suas funções na composição do fluido são Interromper as reações de oxidação e evitar a ação catalítica dos metais dispersos responsáveis pela oxidação. O processo de oxidação é provocado pela presença de íons metálicos (cobre, ferro, cromo, titânio, manganês, cobalto e etc.), esses aditivos atuam formando uma película protetora sobre as superfícies metálicas. 

-Agentes antidesgaste: tem como objetivo evitar o contato direto entre as partes mecânicas que estão em movimento relativo, esses aditivos atuam na adsorção, preferencialmente de compostos do tipo polar sobre as superfícies metálicas, formando um filme monomolecular fortemente aderido ao metal, que evita o contato entre as partes em movimentos. 

-Agentes de extrema pressão: compõem de 5 a 10% na mistura do lubrificante, tem como função evitar o contato direto dos metais em condições de extrema pressão, esses agentes podem ser classificado sem seis tipos: compostos orgânicos contendo oxigênio, que agem por adsorção ou pela formação de película saponácea; Compostos orgânicos contendo enxofre ou combinações de onxofre com oxigênio; Compostos orgânicos contendo cloro; Compostos orgânicos contendo cloro e enxofre ou mistura de compostos de ambos; compostos orgânicos contendo fósforo, estes agentes agem pelo efeito químico de polimento; compostos orgânicos contendo chumbo, estes foram banidos por questões ambientais e de saúde. 

-Melhoradores de índice de viscosidade: compõem entre 0,5 a 10% do fluido lubrificante, agem alterando as características dos óleos, ampliando a sua faixa de aplicação (multiviscosos), modificam principalmente as propriedades reológicas do óleo base, melhorando suas características de viscosidade relacionadas à temperatura. Os compostos químicos normalmente usados para conseguir esta ação são: poliisubotenos, polimetacrilatos, copolímeros de vinil-acetato, copolímeros de olefinas (OCP) – etileno-propileno, estireno-butadieno, poliacrilatos, poliestirenos alcoilados. Todos esses são polímeros de estrutura linear, e o efeito dos mesmos dependem principalmente da natureza do óleo base, massa molecular do aditivo, constituição do polímero, cisalhamento no motor e a concentração do aditivo. 

-Inibidores de corrosão: compõem de 0,4 a 2% da mistura do óleo, protegem as superfícies não ferrosas dos ataques de ácidos e do oxigênio. A intensidade da corrosão cresce na presença de umidade e outras substâncias encontradas em motores de combustão. 

-Abaixadores de ponto de fluidez: compõe de 0,1 a 1% do lubrificante, e tem como função evitar o congelamento do mesmo em baixas temperaturas, faz isso evitando a cristalização das parafinas presentes nas frações de óleo, principalmente no tipo mineral. Bons aditivos desse tipo chegam a baixar o ponto de fluidez em até 40°C. 

-Anti espumante: compõe de 0,0002 a 0,6% do lubrificante, evita a formação de bolhas no óleo devido à constante movimentação. 

CLASSIFICAÇÕES DO LUBRIFICANTE

Existem sistemas de classificação para definir características de lubrificantes, principalmente em fluidos aplicados em motores, onde são considerados vários fatores para defini-las, entre eles estão viscosidade e tipo de serviço empregado.

CLASSIFICAÇÃO PELA VISCOSIDADE (SAE - SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS) 

De acordo com Carreteito e Belmiro (2006, p. 257-261), em 1911 foi estabelecido o primeiro sistema de classificação de fluidos lubrificantes de acordo com sua viscosidade, isso por sua essencial importância na definição do fluido a ser usado. O órgão SAE (Society of Automotive Engineers) foi o responsável pelo feito, em 1923 incluiu 10 tipos de óleo que possuíam diferentes faixas de viscosidade que variavam de 20 a 115, o parâmetro para definição desses pontos máximo e mínimo era baseado nos dois primeiros dígitos da viscosidade média Saybolt medida em segundos (SUS) a 100°F para óleos menos viscosos e a 210°F para os mais viscosos. 

Em 1933 foram introduzidos dois graus “W”, inicial de winter (inverno), esses índices eram determinados a 0°F em função da extrapolação de dados de temperatura mais elevadas. 

Em 1950 foram inseridos também os graus 5W, 10W e 20W. A definição multigrau ou multiviscoso passou a fazer parte das classificações em 1955 e foi oficializada em 1962 com o nome de SAE J300. 

Atualmente, devido aos avanços tecnológicos e mudanças nos sistemas de normatizações entre outros fatores, a classificação SAE utiliza o teste de viscosidade HTHS (High temperatute, High Shear) onde é medido a 150°C e este método (ASTM D-4683) utiliza a unidade cP (centiPoise), que no SI (Sistema de Unidades) equivale a 1 mPas (mili segundo Pascal). 

A imagem a seguir representa os parâmetros para definição dos índices de viscosidade em função da extrapolação dos dados de temperatura.

Imagem 3: Referência para classificação SAE de lubrificantes. 

Fonte: SENAI - SP Lubrificantes e lubrificação automotiva e industrial (2007, p. 212) 

Óleos multiviscosos suportam variação de temperatura sem que perca suas características de fluidez, pois está exposto a variações de temperatura em função da região de circulação do veiculo até ser atingido o grau térmico ideal ao funcionamento do motor. 

Usando como exemplo um óleo com viscosidade 15W40, que apresenta características de um fluido 15W a baixas temperaturas (Max 7000 cP a -20°), mas, ao ter a temperatura elevada para 150°C, sua viscosidade HTMS não diminui abaixo de 3,7 cP. O que não aconteceria com um óleo monoviscoso. 

CLASSIFICAÇÃO POR SERVIÇO (API - AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE)

De acordo com Carreteito e Belmiro (2006, p. 261-263), inicialmente a classificação dos lubrificantes para motores era feita exclusivamente pelo índice de viscosidade, porém não eram levadas em consideração as condições operacionais. Em 1947 a API (American Petroleun Institute) regulamentou a classificação API, que foi dividida em três categorias de desempenho: Regular, Premium e Heavy Duty (HD), todas baseadas na severidade do serviço operacional. 

As categorias se distinguiam na diferença de formulação, os óleos do tipo regular eram minerais puros, adequados à severidade de serviço de motores a gasolina e diesel. Os Premium possuíam aditivos um pouco mais elaborados como antioxidante, anticorrosivo e anti espumante. Os Heavy Duty possuíam detergentes, que em motores a gasolina e diesel sob condições severas eram imprescindíveis. 

Em 1952, foram criadas categorias de desempenho separadas para motores a gasolina e diesel, sendo duas letras, com a inicial M para gasolina e D para diesel. 

Em 1970, um trabalho em conjunto entre API, SAE e ASTM (American Society for Testing and Materials), instalou um novo sistema de classificação, que relacionava as categorias anteriores e também as futuras que provavelmente surgiriam. Para motores a gasolina ou por centelha (spark ignition), foi adotado o prefixo S e para motores diesel ou de ignição por compressão (compression ignition) a letra C. Esses prefixos são acompanhados por classes A, B, C, D, E, F,... em ordem crescente com relação ao nível de mudanças de projetos de motores, condições de operação, processo de teste, legislações ambientais entre outros fatores. 

DEFINIÇÕES DAS CLASSIFICAÇÕES “SPARK IGNITION”

SJ – Serviço para motores à gasolina (1997): Serviço típico de motores a gasolina de carros de passeio, vans e caminhões leves, atuais e anteriores, operando sob os procedimentos de manutenção recomendados pelo fabricante. Esta categoria foi desenvolvida para ter melhor desempenho em termos de compatibilidade com conversores catalíticos, volatilidade, formação de depósitos em altas temperaturas e boa bombeabilidade em baixas temperaturas. Óleos que atendem a classificação API SJ podem ser utilizados com os sistemas de emissões. Esta categoria também pode substituir as anteriores. 

SL – Serviço para motores à gasolina (2001): Para uso em serviço típico de motores à gasolina atuais e anteriores, veículos esportivos, vans e caminhões leves operando sob os procedimentos de manutenção recomendados pelo fabricante. Além de uma melhoria geral em qualidade, em nova categoria visa especificamente melhorar a volatilidade do óleo, proporcionar economia de combustível e aumentar a compatibilidade com os sistemas de emissões. Esta categoria também substitui as anteriores. 

SM – Serviço para motores à gasolina (2004): Para uso em todos os motores automotivos à gasolina em uso atualmente. Esta categoria foi designada para proporcionar melhor resistência a oxidação, melhor proteção contra a formação de depósitos de carbono, melhor proteção contra desgaste e melhor desempenho em baixas temperaturas ao longo da vida útil do lubrificante. Alguns óleos API SM também atendem às ultimas especificações ILSAC e/ou são qualificados como “conservadores de energia” (Energy Conserving). Esta categoria também pode substituir as anteriores. 

SN – Serviço para motores à gasolina (2010): Para todos os motores em uso atual, introduzida em outubro de 2010, a categoria SN foi desenvolvida para atender aos padrões de emissões vigente, maior proteção contra depósitos nos pistões e formação de borras em altas temperaturas de operação. A proteção aos motores que operem com etanol é o principal ponto focado por esta especificação. 

Imagem 4: Evolução da classificação API para motores por centelha.

Imagem 5: Evolução do grau de proteção da classificação API em motores por centelha. 

DEFINIÇÕES DAS CLASSIFICAÇÕES “COMPRESSION IGNITION” 

CI-4 – Serviço severo de motores a diesel (2002): Categoria para uso em motores 4 tempos a diesel de alta velocidade, em veículos de estrada e off-road, nos quais o teor de enxofre no diesel varia até no máximo 0,5% em peso (5000 ppm). Esta nova categoria é designada para atender à rigorosa legislação ambiental de emissões e suportar a severidade dos novos motores devida ao sistema de recirculação de gases de escape (EGR). Esta maior severidade é devida ao fato de que o lubrificante está sujeito a uma maior quantidade de fuligem, sendo que esta atende a deixar o lubrificante mais viscoso em elevadas quantidades. Esta categoria pode substituir a CD, CE, CF-4, CG-4 e CH-4. 

CJ-4 – Serviço severo de motores a diesel (2007): Categoria para uso em motores 4 tempos a diesel de alta velocidade, que necessitem atender às normas de emissões 2007, assim como para modelos de anos anteriores. Esse tipo de óleo deve ser utilizado com combustível contendo, no máximo 0,05% em peso de teor de enxofre (500 ppm). No entanto, o uso deste combustível com teor acima de 15 ppm (0,0015% em peso) pode impactar a durabilidade do sistema de pós-tratamento de gases e/ou o intervalo de troca de lubrificante. 

Imagem 6: Evolução da classificação API para motores por compressão.

Imagem 7: Evolução do grau de proteção da classificação API em motores por compressão. 

CLASSIFICAÇÃO ACEA (ASSOCIATION DES CONSTRUCTEURS EUROPÉEN D’AUTOMOBILE)

Construtores de veículos europeus sempre foram referência para determinar requisitos de desempenho em lubrificantes automotivos, devido principalmente às condições climáticas regionais muito acentuadas. Segundo Carreteiro e Belmiro (2006, p. 273), até 1991 as especificações de lubrificantes para motores automotivos eram determinadas pelo CCMC (Comitê dés Constructeurs d’Automobile Du Marché Commun), eram usados cinco graus para motores diesel (D1, D2, D3, D4, e D5) e dois para motores diesel de passeio (PD1 e PD2). 

Em 1991, a CCMC foi substituído pela ACEA (Association des Constructeurs Européen d’Automobile). 

O sistema de classificação usado pela ACEA baseia-se em baterias de testes químicos, físicos e de motores (seguindo a americana ASTM), mas também usa métodos do CEC (Conseil Europeen de Cordination). 

De acordo com Carreteiro e Belmiro (2006, p. 276), em 2004 a ACEA combinou para classificação de lubrificantes as categorias A e B a designação A/B e acrescentou grupos de categorias chamados como C1, C2 e C3, com objetivo de criar especificações adequadas a sistemas de tratamento de exaustão de gases, catalisadores tanto em motores gasolina quanto a diesel. Assim aparecem quatro novas categorias combinadas A1/B1-04, A3/B3-04, A3/B4-04 e A5/B5-04.

Imagem 8: Variações da classificação ACEA A/B. 

Imagem 9: Variações da classificação ACEA C.

Imagem 10: Variações da classificação ACEA E. 

Imagem 11: Evolução do grau de proteção da classificação ACEA E. 

REFERÊNCIAS 

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL. Hidráulica. São Paulo, 2008. 

CARRETEIRO, Ronald Pinto; BELMIRO, Pedro Nelson A.. Lubrificantes e lubrificação industrial. Rio de Janeiro: Interciência: IBP, 2006. 

SERVIÇO DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL. Lubrificantes e Lubrificação Automotiva e Industrial. São Paulo, 2007. 

BOSCH, Robert. Manual de tecnologia automotiva. São Paulo: Edgard Blücher, 2005. 

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