Minimizando a pré-ignição em motores de combustão interna a hidrogênio (H2ICE)

Revista Lubes em Foco edição 98

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À medida que os esforços para atingir emissões líquidas zero se intensificam, o interesse em usar combustíveis alternativos com baixo ou nenhum carbono em motores de combustão interna (MCI) está crescendo. O hidrogênio é uma opção atraente para aplicações maiores, embora apresente um novo conjunto de desafios, sendo a pré-ignição a principal preocupação das montadoras. Carina Foster, Tecnóloga de Novas Especificações para Veículos Comerciais da Infineum, conversou com a Insight sobre o recente trabalho de desenvolvimento de lubrificantes que está ajudando a minimizar o número de eventos de pré-ignição em MCIs movidos a hidrogênio.
Para cumprir seus compromissos de redução de emissões de gases de efeito estufa, as montadoras do setor de transporte estão buscando a transição da queima de combustíveis fósseis para fontes de energia com baixo ou nenhum carbono. No segmento de veículos comerciais, onde a eletrificação do trem de força é um desafio, há um interesse crescente no uso de hidrogênio em motores de combustão interna convencionais (H2ICE). Essa configuração pode fornecer a potência, a eficiência e a capacidade de carga necessárias para essas aplicações, e suas vantagens significam que ela já está entrando na fase de testes e comercialização. Embora a falta de infraestrutura de reabastecimento e a disponibilidade de hidrogênio verde tenham sido as maiores barreiras à sua adoção, investimentos significativos estão sendo feitos nessas áreas.

Investimento em capacidade e infraestrutura

Nos últimos cinco anos, o Conselho do Hidrogênio relata um crescimento constante do hidrogênio limpo em operação, com a maior parte dos volumes sendo produzida na América do Norte e na China.
Os EUA estão atualmente focados na produção de hidrogênio com baixo teor de carbono, frequentemente chamado de ‘hidrogênio azul’, impulsionados pela Lei de Redução da Inflação (IRA) e pelos créditos fiscais associados. Na Europa, um grande número de projetos é dedicado ao crescimento da capacidade de hidrogênio ‘verde’ renovável, impulsionado por regulamentações e políticas. A região da Ásia-Pacífico, liderada pela China e, cada vez mais, pela Índia, está emergindo como a de crescimento mais rápido em termos de instalações de hidrogênio verde em operação.
O rápido crescimento da produção de hidrogênio verde na China decorre de vários fatores. Isso inclui a alta capacidade de fabricação de eletrolisadores (aproximadamente 60% da produção total) e as economias de escala, bem como energia renovável de baixo custo. É importante ressaltar que isso é sustentado por uma forte política governamental voltada para alcançar a neutralidade de carbono e a descarbonização dos processos industriais. Como resultado, o preço do hidrogênio verde na China é aproximadamente três vezes menor do que em outros lugares, e espera-se que o país produza mais hidrogênio verde do que o resto do mundo combinado em 2026.

Segundo o Conselho do Hidrogênio, entre 9 e 14 milhões de toneladas por ano de capacidade de hidrogênio limpo poderiam entrar em operação até 2030, divididas igualmente entre capacidade renovável e de baixo carbono. No entanto, os volumes finais dependerão de quanta dessa capacidade conseguir garantir uma demanda estável, provavelmente respaldada por políticas públicas. Sem demanda garantida, o Conselho afirma que os projetos de fornecimento permanecerão paralisados.
Nos últimos cinco anos, também houve um aumento constante no número de postos de abastecimento de hidrogênio (HRS).

Olhando para 2030, embora haja um alto nível de incerteza, analistas sugerem que poderá haver mais de 6.000 PAHs em todo o mundo. Esses investimentos contínuos em fornecimento e infraestrutura significam que o uso de hidrogênio no setor de veículos comerciais está se tornando cada vez mais viável.

Requisitos de lubrificação

Uma das principais vantagens do desenvolvimento de motores de combustão interna que permitem que veículos comerciais funcionem com hidrogênio é a familiaridade com o hardware – tornando a experiência operacional atual e as habilidades de manutenção relevantes por muito tempo no futuro. No entanto, embora os requisitos de lubrificação dos motores de combustão interna movidos a diesel sejam bem compreendidos, o uso de hidrogênio significa que os formuladores de lubrificantes precisarão lidar com um novo conjunto de desafios de lubrificação.

Acúmulo de água, durabilidade, desgaste e compatibilidade com o sistema de pós-tratamento são fatores importantes a serem considerados. No entanto, os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) afirmam que a pré-ignição é o desafio mais significativo a ser superado para facilitar a implantação bem-sucedida de motores de combustão interna a hidrogênio (H2ICE) no mercado.

O que é pré-ignição?

A baixíssima energia de ignição do hidrogênio significa que o H2ICE pode sofrer ignição espontânea do combustível antes da faísca, o que também resulta em altas pressões dentro do cilindro. Esse fenômeno, conhecido como pré-ignição, é mais comum em condições de alta velocidade e alta carga encontradas em veículos comerciais.
Os desafios associados à pré-ignição incluem:

• • • Redução da potência do motor
    • Redução da economia de combustível
    • Desempenho inferior do motor

Experiência inferior para o operador do veículo.
No entanto, o problema mais importante é que eventos severos de pré-ignição podem danificar componentes do motor e potencialmente levar à sua falha.
A pré-ignição pode resultar de múltiplas fontes operacionais e de hardware, como pontos quentes na zona de combustão, gases quentes residuais e mistura inadequada de hidrogênio e ar. Além disso, o lubrificante pode desempenhar um papel importante, com depósitos derivados do lubrificante tendo o potencial de isolar superfícies metálicas e criar pontos quentes. No entanto, acredita-se que a principal fonte de pré-ignição derivada do lubrificante seja proveniente de gotículas de lubrificante ejetadas dos anéis do pistão para a câmara de combustão. Essas gotículas podem atuar como fonte de ignição por meio de reações químicas exotérmicas, como a degradação química de compostos aditivos. A energia liberada é suficiente para inflamar a mistura de hidrogênio/ar, o que significa que a combustão ocorre antes da faísca.
Acúmulo de água, durabilidade, desgaste e compatibilidade com o sistema de pós-tratamento são fatores importantes a serem considerados. No entanto, os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) afirmam que a pré-ignição é o maior desafio a ser superado para facilitar a implementação bem-sucedida do H2ICE no mercado.

A combustão direta do próprio lubrificante não é considerada a principal causa da pré-ignição. Em pesquisas, nem a temperatura de autoignição nem o ponto de fulgor do óleo apresentaram correlação com a taxa de pré-ignição. O gráfico abaixo mostra que, apesar da pequena variação tanto no ponto de fulgor quanto na temperatura de autoignição de cinco óleos testados, observou-se uma grande variação na taxa de pré-ignição entre eles. Esses testes sugerem que a composição química do lubrificante tem um impacto mais significativo na pré-ignição do que suas propriedades físicas.

Otimização dos métodos de teste

A seleção dos testes é um elemento fundamental para obter uma compreensão clara do impacto dos lubrificantes na pré-ignição. É importante, por exemplo, garantir que os testes minimizem a pré-ignição derivada do hardware, uma vez que a otimização do lubrificante dificilmente superará ou mitigará substancialmente as deficiências do hardware ou da operação do motor. A Infineum utilizou dois métodos de teste de pré-ignição para investigar o impacto da composição do lubrificante na pré-ignição. Os testes diferem em vários aspectos, incluindo o tamanho e o tipo do motor, as condições de operação e, principalmente, o método de fornecimento do óleo candidato.
Em um dos métodos de teste, a pré-ignição derivada do lubrificante ocorre como resultado da ejeção de óleo na zona de combustão a partir do conjunto de anéis (“transporte natural de óleo”). No outro teste, conhecido como método de dosagem de óleo, o óleo candidato é introduzido artificialmente na zona de combustão do motor através do coletor de admissão de ar. Ambos os métodos de teste demonstraram ser estatisticamente repetíveis e capazes de diferenciar de forma clara e comparável as formulações de lubrificantes.

A pré-ignição do hidrogênio é uma novidade.

Embora sejam fenômenos semelhantes, a pré-ignição em motores de combustão interna a hidrogênio (H2ICE) não é a mesma que a pré-ignição em baixa velocidade (LSPI) da gasolina, que já foi amplamente estudada. A pré-ignição do hidrogênio ocorre em uma gama mais ampla de condições do motor e as respostas da formulação do lubrificante não são as mesmas observadas para a LSPI. Isso significa que não se pode esperar que um lubrificante formulado para minimizar a LSPI da gasolina ofereça a mesma proteção em um motor a hidrogênio, e vice-versa. Em nossa opinião, é vital que um teste específico de pré-ignição do hidrogênio seja desenvolvido para garantir que os lubrificantes sejam otimizados para fornecer a proteção necessária em motores H2ICE.

Using existing gasoline LSPI approaches may result in a lubricant with very poor H2 pre-ignition

A Infineum realizou extensos testes de pré-ignição. Através de pesquisa fundamental, nossos tecnólogos desenvolveram um profundo conhecimento das diferentes contribuições de várias combinações de aditivos, óleos básicos e viscosidades. Esse conhecimento permite o desenvolvimento de lubrificantes otimizados em uma ampla gama de composições. A análise comparativa da tecnologia de lubrificantes para serviço pesado existente demonstrou uma ampla variedade de capacidades, com algumas formulações apresentando forte capacidade de minimizar a pré-ignição. No entanto, o desenvolvimento e a reformulação sob medida podem garantir o desempenho ideal em termos de pré-ignição.

Lubricants with optimised pre-ignition can be formulated across a broad composition map

Embora o tipo de óleo base possa ter um impacto significativo na taxa de pré-ignição, a otimização da formulação do aditivo é crucial. Uma tecnologia de aditivos robusta pode reduzir o impacto negativo de um óleo base menos eficiente, permitindo flexibilidade na seleção do óleo base, que pode ser determinada por disponibilidade, preço ou outros critérios de desempenho.

Abordagem de desenvolvimento de lubrificantes

Embora o mercado de H2ICE ainda seja incipiente, é difícil prever o que a indústria irá exigir e valorizar em lubrificantes desenvolvidos especificamente para esta nova aplicação. A Infineum tem investigado três abordagens principais: sob medida, otimizada e adequada para uso.

Na nossa opinião, é essencial que os lubrificantes destinados ao uso em H2ICE sejam avaliados quanto à sua capacidade de pré-ignição. Os óleos de motor para serviços pesados existentes, projetados para motores de combustão interna a diesel, podem muito bem fornecer desempenho aceitável em H2ICE. No entanto, é provável que, à medida que os motores a hidrogénio se tornem mais amplamente estabelecidos no mercado, haja um crescimento na procura de lubrificantes especificamente formulados para esta aplicação. A Infineum estará pronta com os produtos químicos necessários para apoiar a implantação de motores movidos a hidrogênio.
Esta, entretanto, não é a história completa sobre a lubrificação H2ICE. A Infineum também está trabalhando para avaliar outros benefícios de desempenho que os lubrificantes podem oferecer neste novo ambiente.