Absorvência de infravermelho/cm
% Carga Total
Boletim Técnico
Nitração de óleo lubrificante em motores a gás natural
A nitração é uma condição indesejável que indica que o óleo nos motores movidos a gás natural está se tornando saturado com compostos solúveis e/ou insolúveis de óxido de nitrogênio (ou azoto).
Gráfico 1 Os efeitos da proporção de ar/combustível na nitração.
Gráfico 2 Efeitos da carga na nitração.
A variação da taxa de oxigênio de 0,5% para 2,5% a 4,2% no escapamento de motores de quatro tempos aspirados naturalmente confirma que uma taxa baixa de nitração pode ser mantida se o nível de oxigênio estiver fora da faixa de 0,5% - 4,5%, com a nitração chegando ao pico de 3,3% de oxigênio.
Mistura incorreta de ar/combustível e 2,5% de oxigênio no escapamento.
% Carga Total
A reação do nitrogênio com o óleo básico forma dois tipos de compostos de nitrogênio: nitrato orgânico e compostos de ácido nítrico. Eles são independentes dos produtos de oxigênio que levam à oxidação, que é uma outra forma de degradação do óleo. Os nitratos orgânicos representam a quantia mais significativa de compostos de nitrogênio em óleos usados para motores a gás. Quando o óleo passa pelas paredes dos cilindros, esses compostos são levados para o cárter onde ajudam na formação de depósitos e de verniz. Eles são solúveis em óleo até que seja atingido um nível excessivo; depois eles contribuem para a formação de depósitos de cor amarelada e marrom em volta do conjunto de válvulas e braço oscilante e nas saias dos pistões. Esses depósitos podem também fazer com que os anéis de óleo fiquem grudentos, aumentam o consumo de óleo e reduzem a duração do filtro. Os compostos de nitrogênio resultam de diversas condições: vazamento de compressão no pistão devido ao desgaste ou quebra dos anéis de compressão, desgaste ou estrias na camisa ou vazamento de gás de exaustão no óleo pelo desgaste excessivo da guia da válvula ou mau assentamento da válvula. Outras causas incluem: vazamento dos selos do turbo compressor; má regulagem da ignição e combustão do motor ou demora na troca do óleo.
Absorvência de infravermelho/cm
Uma concentração acima do esperado de composto de nitrogênio significa que há gases de óxido de nitrogênio não reagidos. Eles aumentarão de forma irregular a espessura do óleo e a formação de depósitos de verniz e borra, evidenciado pelo verniz avermelhado na saia do pistão e borra nas caneletas inferiores dos anéis de compressão e de óleo.
Causas da nitração Há uma correlação entre a taxa de nitração do óleo para motores a gás e uma combinação das condições de operação, tais como a proporção de mistura de ar/combustível, carga do motor e temperatura do óleo. Os gráficos 1, 2, 3 e 4 mostram os efeitos desses fatores na nitração.
Gráfico 4 Efeitos da carga na nitração.
Um aumento de 75% a 105% na carga causa um aumento vertiginoso na curva da nitração, mesmo com uma mistura satisfatória de ar/combustível e oxigênio no escapamento acima de 4,6%.
Os nitratos orgânicos se decompõem muito rapidamente em temperaturas acima de 300°F (149 °C).
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Os óxidos de nitrogênio formados durante a combustão são também influenciados pelas condições do ar do ambiente, sincronização da emissão de faísca e temperatura da combustão final. Os testes de campo mostraram que a nitração aumenta quando as temperaturas do ar aumentam e/ou as cargas são maiores. Embora não haja dados específicos sobre o grau de influência da sincronização da emissão de faísca na nitração, existem fortes indicações que se trata de um dos fatores mais importantes.
IND 2010-02-015-1
Gráfico 3 Os efeitos da proporção de ar/combustível na nitração.
Das várias condições mecânicas que podem influenciar na taxa de nitração, três são especialmente importantes: taxa de enchimento do óleo no cárter; má vedação dos anéis e ventilação do cárter. Embora a taxa de enchimento do óleo sozinha não influencie na nitração, a diluição do novo óleo e a remoção do óleo com nitração através de vazamentos; modifica a taxa pela qual o óleo a granel do cárter se
combina com o óxido de nitrogênio e se deteriora. Quanto mais elevada a taxa de enchimento do óleo em um determinado motor, mais lenta será a taxa de deterioração do óleo. O vazamento (blowby) dos gases de combustão para o cárter favorece a formação de compostos de nitro no óleo. Quando a vedação dos anéis é deficiente, mais óleo com nitração migrará de volta ao cárter em vez de sair pela porta de exaustão. Os testes em motores de laboratório mostraram uma correlação entre a ventilação reduzida do cárter e a deterioração do óleo. Isso sugere que os compostos de nitro no óleo podem ser removidos mais rapidamente do cárter se a ventilação do cárter melhorar, resultando na redução da deterioração.
Padrão de degradação Motores de quatro tempos a gás: Os nitratos orgânicos se decompõem muito rapidamente em temperaturas acima de 300°F (149 °C). Eles são a causa principal da degradação do óleo em baixa velocidade (abaixo de 700 rpm) em motores a gás de quatro tempos porque as paredes do cilindro geralmente estão abaixo de 320°F (160 °C), mesmo nas unidades com sistemas do tipo “ebullient cooling” (com geração direta de vapor de baixa pressão no bloco). Onde as temperaturas das paredes do cilindro excedem 320 °F (160 °C), as temperaturas elevadas favorecem a oxidação do óleo que pode ser a causa principal de sua deterioração em motores a gás de quatro tempos, menores e pesados, porém com mais velocidade. Motores a gás de dois tempos: A oxidação é a causa principal da deterioração nos motores de dois tempos com sistemas de lubrificação separados para cilindros. Os produtos com nitração são absorvidos e arrastados das portas de exaustão e assim evita-se contaminar a carga do cárter. Mesmo a presença de nitração moderada nessas unidades é uma boa indicação de que o excesso de alimentação de óleo aos cilindros está sendo arrastado para o cárter.
Detecção Inspeção visual da área do braço oscilante e conjunto de válvulas e da saia do pistão de um motor revelará os depósitos de verniz na cor amarelo a marrom, indicativos de nitração. A nitração também fará com que os anéis de controle do óleo grudem e formem sedimentos oleosos no cárter. Indicadores de desempenho, tais como consumo excessivo de óleo e baixa duração do filtro podem ser indicações de nitração no motor. Absorvência de infravermelho, comumente conhecida como varredura no infravermelho IR, é um método rápido e qualitativamente preciso de análise diferencial que determina as mudanças químicas inerentes ao óleo usado, bem como na quantidade e natureza dos contaminadores. No processo, uma amostra do lubrificante usado é comparada com uma amostra de referência do óleo novo. Os raios infravermelhos passam pelas células de 0,1 mm (0,003937 pol.) de espessura, que contêm as amostras. A diferença líquida na composição química é gravada. O programa de laboratório para análise de óleo usado Mobil® usa a absorvência infravermelha para determinar os níveis de contaminação de nitração examinando as duas tendências e mudanças súbitas. A tabela 1 mostra condições insatisfatórias do motor que podem causar a nitração e compostos nitro, conforme detectado pela análise.
Solução de problemas
baixas; ou c) problemas secundários na ignição, tais como velas, cabos ou sincronização. Aumentos rápidos nos valores de nitração são causados pelos mesmos problemas conforme indicado acima, porém em um nível mais grave. Em motores de dois tempos, verifique se há taxas excessivas de alimentação do óleo no cilindro. Tendência à nitração: indica ignição e combustão inadequadas, o que pode ser causado por: • Mistura inadequada de ar/combustível • Distribuição irregular de ar/combustível • Retorno insuficiente • Explosão ou pré-ignição • Cargas e pressão de combustão irregulares • Falha na ignição, na sincronização da faísca, nas velas • Vazamento (blowby) elevado • Válvula com vazamento de combustível • Pressão alta da combustão • Sobrecarga do motor; resfriamento incorreto • Baixas temperaturas do óleo • Excesso de óleo arrastado ao cilindro (dois tempos)
Apresentamos um guia geral para solução de problemas considerando diversas condições de nitração. Nitração: verifique a tendência que leva ao valor-limite. Se o valor é o resultado de um aumento gradual, a causa pode ser:
Compostos de nitrogênio: verifique as horas desde a revisão; os valores tendem a ser altos após a revisão. Embora esses valores não condenem o óleo, eles indicam problemas de operação. As causas possíveis podem ser:
a) a mistura de combustão, que pode ser melhorada ajustando-se a mistura de ar/combustível; b) temperaturas do óleo a granel levemente
• Vazamento (blowby) do pistão ou na vedação do turbocompressor • Taxas excessivas de alimentação de óleo ao cilindro (dois tempos)
Correção do problema Os testes de laboratório e análise de amostras de campo mostram que os óleos para motores a gás tornam-se inapropriados para o serviço quando a concentração de nitratos orgânicos se aproxima de 5%. As quantias excessivas de nitratos orgânicos agem como agentes oxidantes que aceleram a oxidação do óleo. A formação contínua de produtos de nitração causará a deterioração do óleo. Verifique a proporção da mistura ar/combustível: as taxas baixas de nitração podem ser mantidas se o nível de oxigênio no escapamento estiver fora da faixa de 0,5% a 4,5%, com o pico de nitração de 3,3% de oxigênio. Temperatura do óleo: redução na temperatura do óleo de 150°F a 135 °F (65 °C para 57 °C) parece aumentar a nitração. Isto se deve ao efeito térmico na película de óleo exposta à fixação de nitrogênio.
Condição insatisfatória
Água
Borra – fria, quente
X
X
Verniz
X
Glicol
X
Carbono – fuligem, coque, verniz
X
Anéis pegajosos
Ajuste da carga: cargas elevadas e irregulares entre os cilindros aumentam a nitração. Um aumento de 75% a 105% na carga projetada pode causar um aumento vertiginoso na curva de nitração.
Oxidação Nitração
X
Coking (Empeno)
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Nitro
X
X
Combustão deficiente Entupimento do filtro
Os nitratos orgânicos se decompõem muito rapidamente em temperaturas acima de 300°F (149 °C); portanto, eles não são retidos nas películas de óleo quando a temperatura da parede do cilindro ultrapassar 320 °F (160 °C). A oxidação do óleo, entretanto, está relacionada diretamente às temperaturas elevadas do motor, visto que nos motores a gás de quatro tempos e alta velocidade a temperatura nas paredes dos cilindros ultrapassam 160 °C.
Causas das condições conforme identificadas pela Análise de Óleo Usado Visc.
Blowby (Gases quentes descendo pelas laterais do pistão)
As temperaturas do óleo do motor não devem ser inferiores a 65 °C, e de preferência devem estar acima de 71 °C, se a nitração orgânica permanece em nível moderado.
Metais
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Filtragem do ar deficiente Vazamentos de fluido de arrefec.
Insol.
Verificado pelo analista do motor
X
X
X
X
Desgaste da camisa
X
X
Desgaste dos anéis
X
X
Desgaste dos mancais
X
X
Tabela 1. Identificação das condições insatisfatórias do motor usando a análise de óleo Mobil®. As condições insatisfatórias causadas por nitração e compostos de nitrogênio estão indicadas na coluna “Nitração”. Observe a correlação de algumas condições com os resultados do analisador de motor.
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