Normas sobre emissões gasosas impactam projetos de motores e lubrificantes

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.

As exigências que vêm sendo feitas pelos órgãos normativos, em questões de emissões gasosas, continuam a direcionar os projetos dos motores de combustão interna (Ciclo Otto/Ciclo Diesel 4T) e dos óleos lubrificantes.

Figuras 1/2 – O desenvolvimento de novos óleos lubrificantes passará, também, pela questão das emissões gasosas.

Foram-se os dias em que a única função dos óleos lubrificantes nos motores de combustão interna era manter separadas por uma película as superfícies metálicas dos componentes móveis.

Figuras 3/4 – A função do óleo lubrificante envolverá muito mais que uma película fluida que separa as partes móveis.

Os avanços tecnológicos em motores de combustão interna (Ciclo Otto/Ciclo Diesel 4T) têm sido dramáticos nos últimos 25 anos e a evolução continua em ritmo crescente.

Restrições às emissões gasosas e os processos de inovação

As razões para este desenvolvimento acelerado incluem numerosos fatores, tais como inovações em materiais, sistemas, projetos etc. Porém, legislações sobre emissões gasosas crescentemente restritivas têm sido, indiscutivelmente, o carro-chefe nos processos de inovação e o foco dos OEMs.

Como consequência da necessidade de se reduzir a emissão de gases poluentes associada ao desejo de se melhorar a economia de combustível e a eficiência veicular, enquanto se reduzem os custos de operação, os óleos lubrificantes têm-se tornado componente essencial no projeto dos motores de combustão interna Ciclo Otto/Ciclo Diesel 4T.

Figuras 5/6 – Os focos dos OEMs, agora, são a redução de emissões poluentes, economia de combustível e eficiência veicular.

Em face disto é de se perguntar: que mudanças têm influenciado a química dos aditivos e a formulação dos óleos lubrificantes ? Para que tenhamos uma resposta mais clara a estas questões, será necessário verificarmos como tem sido a evolução das regulamentações governamentais referentes às emissões de gases poluentes e os passos tomados pelos engenheiros de projeto para satisfazer tais exigências.

Figuras 7/8 – Como as regulamentações governamentais referentes às emissões de gases poluentes tem influenciado a química dos aditivos.

Em 1993, um novo conjunto de diretrizes foi introduzido na Europa destinado a reduzir as emissões de gases poluentes pelos sistemas de exaustão dos motores de combustão interna ( NOx, CO, material particulado sólido ) sendo criada, como consequência, a legislação EURO 1.

A redução nas emissões caminhou de mãos dadas com as exigências de mercado visando a melhoria na potência de saída e, ao mesmo tempo, a redução do consumo de combustível. Este movimento tecnológico levou ao desenvolvimento e aprimoramento de novas tecnologias automotivas, tais como: Sistemas Multiponto de Injeção de Combustível, turboalimentadores e taxas de compressão mais elevadas. Estes avanços tecnológicos têm possibilitado o aumento na densidade de potência e redução no consumo de combustível.

Figuras 9/10 – Turboalimentadores e Sistema Multiponto de Injeção de Combustível.

Em 1974, um veículo mediano tinha uma densidade de potência de saída por litro de combustível da ordem de 37 kW/l, as emissões de CO2 de 191 g/km e intervalo de drenagem do óleo lubrificante de 7.500 km, utilizando-se óleo lubrificante com grau de viscosidade SAE 15W/40.

Em 1994, a densidade de potência de saída por litro de combustível tinha aumentado marginalmente para 39,6 kW/l, as emissões de CO2 tinham sido reduzidas levemente para 189 g/km e o intervalo de drenagem do óleo lubrificante tinha dobrado para 15.000 km utilizando-se produto com grau de viscosidade SAE 10W/40.

Entre 1994 e 2014, os efeitos combinados da legislações ambientais globais mais restritivas e a crescente elevação nos preços dos combustíveis tiveram um considerável efeito nos citados parâmetros. A densidade de potência de saída por litro de combustível mais que dobrou, chegando a 79 kW/l, as emissões de CO2 reduziram-se consideravelmente para 124 g/km e, a despeito dos intervalos de drenagem do óleo lubrificante não terem sofrido alterações, os graus de viscosidade foram reduzidos para SAE 5W/30.

Figuras 11/12 – Legislações ambientais mais rigorosas e encarecimento do combustível levaram a grandes mudanças na tecnologia veicular.

As reduções nas emissões de gases poluentes não dependem apenas de melhoria na eficiência dos motores de combustão interna Ciclo Otto/Ciclo Diesel 4T. O desenvolvimento de sistemas de pós-tratamento do gás do escapamento, como o EGR ( Recirculação do Gás do Escapamento ), SCR ( Redução Catalítica Seletiva ), DPF ( Filtro de Particulados do Diesel ) e Three-Way Catalysts ( Catalisadores de Três Vias ) são agora sistemas obrigatórios nos equipamentos móveis.

Figuras 13/14 – Sistemas de tratamento do gás do escapamento são mandatórios.

Para se reduzirem as emissões de gases poluentes e melhorar a qualidade da combustão, a emissão de gases poluentes é monitorada continuamente, sendo a mistura ar-combustível e a sincronização entre injeção e ignição ajustadas permanentemente, segundo o regime da condução dos equipamentos móveis.

O uso de sistemas de pós-tratamento do gás do escapamento teve um efeito determinante na química dos aditivos e na formulação dos óleos lubrificantes utilizados para lubrificação dos motores de combustão interna Ciclo Otto/Ciclo Diesel 4T. Por exemplo, como o sistema EGR ( Recirculação do Gás do Escapamento ) reintroduz os gases da exaustão novamente na câmara de combustão, o pico de temperatura da combustão é reduzido e o teor das emissões de NOx no tubo de escapamento se reduz. Todavia, como o regime de injeção de combustível é alterado, isto leva a um acréscimo na produção de fuligem ( soot ).

Figuras 15/16 – O sistema EGR eleva o teor de fuligem nas emissões.

A fuligem ( soot ) contamina o óleo lubrificante do cárter quando comprimida entre os anéis de segmento e as camisas ou entre as hastes e os guias de válvula e pode resultar em espessamento prematuro do óleo lubrificante e elevação do desgaste por ser material altamente abrasivo.

Figuras 17/18 – A fuligem pode provocar o espessamento do óleo lubrificante.

Os fatos citados anteriormente podem ser minorados através de certos tipos de aditivos sendo um dos mais comuns os aditivos antidesgaste como o ZDDP ( dialquilditiofosfato de zinco ) que contém P ( fósforo ) em sua composição que, por sua vez, tem restrições quando se utilizam catalisadores como meio de redução de emissão de gases poluentes.

Adicionalmente, subprodutos da combustão tais como cinzas sulfatadas, fósforo e enxofre ( SAPS ) são originados quando da combustão do óleo lubrificante e podem obstruir precocemente o sistema DPF ( Filtro de Particulados do Diesel ). Modernos óleos lubrificantes LOW SAPS operam em harmonia com os sistemas de filtração existentes no pós-tratamento do gás do escapamento com vistas à melhoria da eficiência dos motores de combustão interna e aumento da sua vida útil.

Figuras 19/20 – DPF: necessidade de óleos lubrificantes LOW SAPS.

Os óleos lubrificantes para uso nos atuais equipamentos móveis não somente necessitam operar a temperaturas de serviço mais elevadas, como também suportar esforços de trabalho muito mais intensos, efetuar entrega de potência muito superiores, sendo os volumes de cárteres muito menores. Além disto, são demandadas nas formulações graus de viscosidade cada vez menores com vistas à redução nas perdas de carga no bombeamento e redução do atrito fluido da película lubrificante visando melhoria na economia de combustível e, para complementar, serem compatíveis com os sistemas de pós-tratamento do gás do escapamento. Sem dúvida, tarefa árdua para os formuladores de óleos lubrificantes, OEMs de equipamentos móveis e fabricantes de aditivos.