Effect of exhaust gas recirculation (EGR) usage in the lubricant contamination and in the piston rings and cylinder liner wear in a internal combustion engine with a diesel cycle

With the increasing trend of stricter regulations related to engine vehicle emissions, the usage of after-treatment systems for the exhaust gases has been intensified. One of the systems used in order to reduce the NOx emission levels is the exhaust gas recirculation system (EGR). However, the EGR usage causes a high formation of particulate matter (soot), which is partly directed to the combustion camera, leading to lubricant contamination and intensifying the wear mechanisms. Several studies have been developed to understand these effects and, although there is a consensus on the most recent results, there are still several contradictory and inconclusive results. To evaluate the influence of soot contamination, a test bench was developed and a diesel engine with EGR rates of 0%, 20%, 35% and 45% was tested. Evaluation of EGR influence on the engine characteristics, oil analysis, weight loss, dimensional changes of the piston rings and the cylinder liner and the roughness of the contact surfaces were evaluated. To observe the wear mechanisms and the formation of anti-wear films, SEM / EDS was used. From the results obtained, it could be seen that increasing the exhaust gas recirculation rate the formation of soot also increases. Additionally, it was found that the temperature increase of the recirculation gases significantly increased the concentration of soot in the lubricant. It was also found several indications of abrasive wear on the contact surfaces and, sliding wear was also observed for the test condition with the highest concentration of soot in the lubricant. Oil analysis, indicated a certain soot influence in the consumption of anti- wear additives along the tests. In addition, EDS analysis showed a small concentration of elements related to anti-wear films along the contact surface, thus supporting the hypothesis of soot particles influencing the formation of anti-wear films. As a recommendation for future work, it is suggested to evaluate the competitive effect between soot particles and additives in the formation of films on the surface.Com a tendência de regulamentações cada vez mais restritas para emissão de gases poluentes em veículos automotores, a utilização de sistemas de pós-tratamento dos gases de exaustão tem se intensificado. Um dos sistemas utilizados para redução dos níveis de emissão de NOx é o sistema de recirculação de gases de exaustão (EGR). Porém, o uso do EGR provoca uma alta formação de material particulado (fuligem), onde parte é direcionada para a câmera de combustão, contaminando o lubrificante e intensificando os mecanismos de desgaste. Vários estudos têm sido desenvolvidos para compreender estes efeitos e, embora se verifique um consenso nos resultados mais recentes, ainda existem várias hipóteses contraditórias e inconclusivas. Para avaliar a influência da contaminação por fuligem, uma bancada experimental foi desenvolvida e um motor diesel com taxas de 0%, 20%, 35% e 45% de EGR foi ensaiado. Verificações da influência do EGR nas características do motor, análises de óleo, verificações na variação de massa e nas dimensões dos anéis e camisa do motor e análises de rugosidade das superfícies em contato foram realizadas. Para observar os mecanismos de desgaste atuantes e a formação de filmes antidesgaste, utilizou-se o MEV/EDS. Através dos resultados, verificou-se que o aumento da taxa de recirculação aumenta a formação de fuligem e, que o aumento da temperatura dos gases recirculados, aumenta significativamente a concentração de fuligem no lubrificante. Foram observados mecanismos abrasivos nas superfícies em contato e a condição com a maior concentração de fuligem apresentou também indícios de desgaste por deslizamento. Ao longo dos ensaios, através da análise do lubrificante, observou-se certa influência da fuligem no consumo de metais de adição relacionados aos aditivos antidesgaste. Ademais, por meio das análises de EDS, baixas concentrações de elementos característicos de aditivos antidesgaste foram encontradas ao longo da superfície de contato, suportando assim a hipótese da influência das partículas de fuligem na formação de filmes antidesgaste. Como recomendações para trabalhos futuros, sugere-se a avaliação do efeito competitivo entre as partículas de fuligem e os aditivos na formação de filmes na superfície