Cavitação: Dor de cabeça aos fabricantes de motores Diesel

Marcos Thadeu Lobo

Engenheiro Mecânico Graduado Pela Universidade Estadual De Campinas ( Unicamp ) em 1985. Ingressou na Petrobras Distribuidora S/A em 1986 como profissional de Suporte Técnico em Produtos. E atualmente exerce a função de Consultor Técnico Sênior.

A erosão por cavitação em camisas de cilindros de motores de combustão interna Ciclo Diesel 2T/4T ocorre no lado externo ( úmido ) e tem sido tema de estudo pelos OEMs que, ainda, não encontraram forma definitiva de se evitar o fenômeno.

A intensidade, a forma e a distribuição da erosão por cavitação em camisas de cilindros nas zonas afetadas pode variar de equipamento para equipamento e, também, de cilindro para cilindro em um mesmo motor de combustão interna Ciclo Diesel 2T/4T.

Figura 1 – Erosão por cavitação em camisas de cilindros

As áreas afetadas podem ter a forma de tiras ou remendos, alinhadas longitudinalmente com as saias dos êmbolos ( pistões ) na região de movimento dos pinos dos pistões  ou formar-se logo acima dos anéis de segmento de vedação ( anéis de fogo ). A erosão por cavitação pode ter severidade tal que perfura as camisas dos cilindros, com vazamento de líquido para sistema de arrefecimento ( coolant )  para o óleo lubrificante e vice-versa.

Figuras 3/4 – A erosão por cavitação pode perfurar as camisas dos cilindros

A erosão por cavitação e as vibrações do motor

A erosão por cavitação é causada pelo excesso de vibrações harmônicas do motor de combustão interna Ciclo Diesel 2T/4T e, em alguns casos, pelas excessivas folgas de montagem entre bloco e camisas dos cilindros  que permitem a rápida formação e implosão de minúsculas bolhas de vapor no líquido para sistema de arrefecimento na região limítrofe às paredes ( face úmida ).

Figuras 5/6 – Mecanismo da erosão das camisas por cavitação

As vibrações harmônicas do equipamento juntamente com o colapso das bolhas de vapor produzem efeito erosivo nas paredes das camisas dos cilindros que estão em contato com o líquido para sistema de arrefecimento ( face úmida ) .  Este fenômeno ocorre à medida que os êmbolos ( pistões ) se movem nos cursos ascendente e descendente no interior dos cilindros causando vibrações harmônicas e efeitos erosivos nas camisas, especialmente na linha de deslocamento dos pinos dos pistões.

Figura 7 – Vibrações harmônicas e colapso das bolha de vapor provocam erosão por cavitação da face úmida das paredes das camisas.

A função do líquido de arrefecimento

As paredes das camisas que estão em contato com o líquido para sistema de arrefecimento ( face úmida ), em face do movimento pulsante, possibilitam a formação de diminutas bolhas de vapor que, ao serem comprimidas e colapsadas por violenta implosão, produzem fortíssimas ondas de choque que, ao impactar as faces úmidas das paredes das camisas, causam remoção de material. As temperaturas e as pressões resultantes da implosão das bolhas de vapor, na área de impacto, são elevadíssimas ( ~ 5000 C/10000 psi ).

Figura 8 – Remoção de material por implosão das bolhas de vapor

Não há, ainda, material metálico que possa ser utilizado na fabricação de camisas de cilindros com resistência à erosão por cavitação a custo razoável. Porém, alguns tipos de revestimento tem sido aplicados, com sucesso, às camisas dos cilindros como forma de se retardar o fenômeno e conferir maior vida útil aos motores de combustão interna Ciclo Diesel 2T/4T.

Figuras 9/10 – Revestimento protetivo em camisas de cilindros

Reduzindo a erosão por cavitação

Como forma de se reduzir a erosão por cavitação alguns procedimentos podem ser utilizados:

1. REDUÇÃO NAS VIBRAÇÕES HARMÔNICAS: é importante verificar se o sistema de injeção ( mecânico ou eletrônico ) e a rotação do motor de combustão interna Ciclo Diesel 2T/4T estão segundo os parâmetros estabelecidos pelos OEMs. Deve-se verificar, também,  as folgas de montagem entre bloco e camisas de cilindros visto que as falhas na montagem destes componentes influenciam sobremaneira no surgimento das  vibrações harmônicas que dão origem à erosão por cavitação.

Figuras 11/12 – Vibrações harmônicas causadas por operação deficiente do sistema de injeção provocam erosão por cavitação.

2. USO DE LÍQUIDOS PARA SISTEMA DE ARREFECIMENTO ( COOLANTS ) EFICIENTES: líquidos para sistemas de arrefecimento ( coolants ) são produtos indispensáveis na redução da erosão por cavitação em camisas de cilindros.

  Figura 13 – As condições físico-químicas do coolant devem ser monitoradas

O líquido para sistema de arrefecimento em motores de combustão interna Ciclo Diesel 2T/4Tdesempenha algumas funções básicas:

– eleva a temperatura de ebulição do meio arrefecedor com vistas a evitar-se a erosão por cavitação nas camisas dos cilindros e da bomba hidráulica ( bomba d’água );

– atua como agente anticorrosivo das superfícies metálicas com as quais entra em contato;

– funciona como anticongelante em locais de temperaturas extremamente baixas;

– lubrifica a bomba hidráulica do sistema de arrefecimento ( bomba d’água );

– inibe a formação de espuma que propicia a erosão por cavitação nas camisas dos cilindros.

Figuras 14/15 – A erosão por cavitação leva ao aumento da presença de material particulado sólido no coolant que pode danificar a bomba d’água

Alguns parâmetros básicos devem ser monitorados nos líquidos para sistemas de arrefecimento com vistas a garantir o seu bom desempenho, os quais podemos mencionar:

– controle do pH com vistas à prevenção do desgaste corrosivo;

– dureza da água com intento de prevenir-se a formação de depósitos de origem mineral.

É sempre importante frisar que as recomendações referentes à periodicidade de troca do líquido para sistema de arrefecimento, monitoramento de propriedades físico-químicas, flushing do sistema de arrefecimento etc. devem estar de acordo com as orientações providas pelos OEMs.

Figuras 16/17 – Sistema de arrefecimento e líquido de arrefecimento ( coolant )