Ventilação do cárter e filtração dos gases de blow-by

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Composição e vazões dos gases de blow-by

A vazão de blow-by é expressa como uma porcentagem da cilindrada do motor por rotação. Motores novos com folgas corretas no pacote de anéis produzem taxas de blow-by de 0.5–1.5% da cilindrada por ciclo em carga nominal; motores com anéis desgastados ou camisas vitrificadas podem produzir 3–5% ou mais. Na rotação e carga nominais de um motor diesel de serviço pesado de 12 litros que produz 600 kW, uma taxa de blow-by de 1% corresponde a aproximadamente 60 L/min de vazão de gases do cárter em condições padrão. A taxa de blow-by aumenta bastante com o desgaste do motor e é usada como indicador diagnóstico: um aumento sustentado de mais de 50% sobre a taxa de blow-by de base de um motor novo em condições de operação equivalentes indica deterioração do pacote de anéis ou das camisas que precisa ser investigada. A temperatura dos gases de blow-by na entrada do separador normalmente é de 80–120°C; as gotículas de aerossol de óleo abrangem a faixa submicrométrica (0.1–10 µm de diâmetro), com o tamanho de partícula de aerossol mais penetrante (MPPS) entre 0.1–0.3 µm para o meio coalescente, onde não predominam nem a difusão browniana nem o impacto inercial.

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Mecanismos de captura do meio coalescente

A separação do aerossol de óleo do CCV se baseia em três mecanismos de captura distintos que predominam em diferentes faixas de tamanho de partícula. O impacto inercial predomina nas partículas acima de 1 µm: partículas com massa suficiente não conseguem seguir os desvios da corrente de ar ao redor das fibras do meio e colidem com a superfície da fibra. A interceptação captura as partículas de 0.3–1 µm que seguem as linhas de corrente, mas tocam a superfície das fibras quando seu raio supera a distância entre o centro da partícula e a superfície da fibra. A difusão browniana predomina abaixo de 0.3 µm: os impactos moleculares térmicos aleatórios deslocam as partículas das linhas de corrente e as fazem tocar as fibras de forma estocástica. A soma dos três mecanismos define a curva de eficiência de coleta, com um mínimo no MPPS (0.1–0.3 µm), onde nenhum mecanismo predomina. O meio coalescente do CCV é projetado como microfibra de vidro de borossilicato multicamada com gradientes de diâmetro de fibra controlados: as camadas a montante, mais grossas, capturam as gotículas maiores por impacto, e as camadas a jusante, mais finas, tratam a faixa submicrométrica. O óleo coletado coalesce em gotas na superfície das fibras, migra por gravidade e tensão superficial para a parte inferior do elemento e drena por um circuito de retorno de óleo para o cárter.

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Método de ensaio de desempenho SAE J1243

A SAE J1243 (Crankcase Emission Control Test Code) define o procedimento de ensaio para medir o desempenho dos separadores CCV. O circuito de ensaio gera gás de blow-by com temperatura, vazão e concentração de aerossol de óleo definidas, usando um gerador de aerossol calibrado que produz gotículas representativas do aerossol do cárter do motor. Parâmetros de ensaio: a vazão de blow-by vai da marcha lenta (10–20% da nominal) até a vazão de blow-by nominal do motor; temperatura de ensaio de 100°C ±5°C na entrada do separador; concentração de aerossol de óleo de 5–15 g/m³ na entrada. Métricas de desempenho medidas segundo a SAE J1243: (1) taxa de arraste de óleo a jusante do separador em g/h na vazão nominal; (2) queda de pressão do separador em bar na vazão nominal; (3) eficiência de coleta do separador como porcentagem da massa de óleo de entrada retida. O arraste de óleo máximo admissível nas aplicações CCV de diesel de serviço pesado normalmente é especificado pelo fabricante do motor com base nos limites de incrustação do turbocompressor e de depósitos de óleo no sistema de admissão, geralmente na faixa de 0.5–2.0 g/h na vazão de blow-by nominal.

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Queda de pressão e gestão da pressão do cárter

A queda de pressão do separador CCV na vazão de blow-by nominal não deve superar a pressão de ventilação de projeto do cárter do motor, para evitar a pressurização do cárter. Uma pressão excessiva no cárter causa a extrusão dos retentores do virabrequim e pode forçar o óleo a passar pelo retentor traseiro para a carcaça do volante. A queda de pressão máxima admissível do separador CCV no blow-by nominal depende do motor, normalmente ≤0.05 bar (50 mbar) na vazão de blow-by nominal nos motores diesel de serviço pesado modernos. À medida que o elemento separador se carrega de óleo e das partículas sólidas acumuladas do blow-by (fuligem, partículas de combustão), a queda de pressão aumenta. Alguns projetos de separador CCV incorporam uma válvula de bypass automática ajustada na pressão máxima admissível do cárter: se o elemento separador bloquear, o bypass se abre e deixa o blow-by não filtrado passar diretamente para a admissão, preservando a integridade dos retentores de óleo do motor à custa de maior consumo de óleo. Os elementos são trocados em intervalos definidos (normalmente 1,000–2,000 horas de operação) ou mediante o sinal de um indicador de restrição.

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Contexto regulatório e requisitos de CCV fechado

A ventilação aberta do cárter (a ventilação direta do blow-by para a atmosfera) é proibida nos motores diesel de serviço pesado novos pela EPA 40 CFR Part 86 Subpart N na América do Norte e pelo Regulamento UE 2016/1628 (Stage V / equivalente ao Euro 7 para máquinas móveis não rodoviárias) na Europa. Essas regulamentações consideram as emissões do cárter parte do inventário total de emissões do motor; a ventilação aberta permitiria que emissões não controladas de hidrocarbonetos, partículas e NOₓ contornassem o sistema de pós-tratamento do escapamento. Os sistemas CCV fechados devem levar o gás de blow-by separado para a admissão do motor a montante da entrada do compressor do turbocompressor ou diretamente para o coletor de admissão; nos motores turboalimentados, prefere-se levá-lo antes do compressor para evitar que o aerossol de óleo se deposite nas pás do compressor. Em aplicações em que a recirculação fechada não é viável (aplicações com vazão de blow-by muito alta), são permitidos sistemas com ventilação aberta com um separador de névoa de óleo que atenda aos limites de emissão regulatórios, sob isenções específicas.

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