OS DESAFIOS DA INTRODUÇÃO DO ÓLEO API CJ-4 NO MERCADO DA AMÉRICA LATINA

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1 OS DESAFIOS DA INTRODUÇÃO DO ÓLEO API CJ-4 NO MERCADO DA AMÉRICA LATINA Gustavo Julio Soares Teixeira e Luiz Augusto de Noronha Mendes FPT INDUSTRIAL RESUMO Uma nova aplicação de motor no mercado da América Latina é naturalmente desafiadora, devido a vários aspectos como: complexidades do terreno, condições ambientais e qualidade do combustível. O óleo lubrificante API CJ-4 é a evolução natural da tecnologia de óleo. Na América latina, onde a comercialização de combustíveis com alto teor de enxofre (S500 ou em alguns países teores maiores) ainda é permitida, a introdução desse óleo no mercado requer uma atenção especial nesse sentido. Se por um lado o óleo API CJ-4 apresenta uma nova tecnologia de aditivos que contribui para o aumento da limpeza de componentes relacionados à câmara de combustão do motor, por outro lado, a reserva alcalina do óleo (TBN) é reduzida, comparada com a formulação do óleo lubrificante atual (API CI-4). A redução no TBN vai contra o excesso de enxofre encontrado no combustível do mercado regional. O objetivo principal deste artigo é apresentar os resultados dos testes realizados em motores FPT Cursor 9 Tier 3, aplicados em máquinas colhedoras de cana de açúcar, abastecidas com óleo API CJ-4 fornecido pela Petronas, e Diesel S500. Três máquinas foram testadas, das quais: Duas foram abastecidas com óleo API CJ-4 e uma com API CI- 4 (tecnologia de óleo atual), como base comparativa. Todas as três máquinas acumularam mais de 4000h de trabalho (cada) e amostras de óleo foram analisadas ao longo do teste. Os resultados e a conclusão técnica são descritos neste artigo. Apesar da utilização do combustível com alto teor de enxofre, os resultados encontrados para o API CJ-4 indicaram uma potencial extensão na troca do óleo (cerca de 35% de redução de volume de óleo) em comparação com o API CI-4, o que torna-se uma solução mais sustentável, sem gerar impactos negativos para a vida do motor. Aplicabilidade Pesquisas sobre novas tecnologias, tribologia, manutenção preventiva e tendências de motores a Diesel na América Latina.

2 Objetivo Apresentar o método de testagem e os resultados dos testes realizados em motores FPT Cursor 9 Tier 3, aplicados em máquinas colhedoras de cana de açúcar, abastecidas com óleo API CJ-4 fornecido pela Petronas, e Diesel S500. Os resultados encontrados para o API CJ-4 indicaram uma potencial extensão na troca do óleo (cerca de 35% de redução de volume de óleo) em comparação com o API CI-4. Uma breve revisão sobre as tecnologias de óleo lubrificante e diesel presentes no mercado nacional também é apresentada neste artigo. 1. INTRODUÇÃO 1.1 Evolução da tecnologia de lubrificantes na América Latina Durante o processo de combustão de um motor do ciclo Diesel, várias transformações químicas ocorrem, tendo como principais produtos resultantes o gás carbônico (CO 2 ) e água (H 2 O). Considerando uma queima não estequiométrica, vários outros produtos da combustão são formados, dentre os quais o Soot, que é um material particulado que, em excesso, prejudica os componentes internos do motor e acelera o processo de oxidação do óleo lubrificante. As emissões de material particulado são formadas pela massa total de sólidos e agregados voláteis ou constituintes solúveis. Essas partículas são principalmente constituídas por soot (fuligem), compostas por carbono em seu estado elementar (em torno de 75% em massa). Compostos orgânicos formados por hidrocarbonetos não queimados que podem surgir a partir de óleo lubrificante ou combustível constituem a segunda maior fração (18%) [1]. A parcela de sulfatos é basicamente determinada pelo teor de Enxofre no combustível e óleo lubrificante [2]. Durante a combustão, o Enxofre é oxidado a SO 2 e, nos gases de escape, em temperaturas superiores a 450º C, a SO 3. Tais formações, em contato com vapor de água, resultam na formação de íons de sulfato para produzir ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), cujas partículas são condensadas no gás de exaustão. Óxidos metálicos são produzidos como produtos do óleo lubrificante ou aditivos presentes no combustível, e são presentes apenas em traços. Contudo, um motor industrial que opera a altas cargas, tem uma fração ainda maior de soot como carbono elementar. Soot é geralmente produzido em zonas deficientes de ar no interior da câmara de combustão, como por exemplo, no interior das chamas individuais que se formam ao redor dos sprays de injeção. As partículas em motores Diesel modernos, equipados com injeção direta, são menores e consequentemente, não mais visíveis nos gases de escape.

3 Motores a Diesel modernos, utilizados na região da América Latina, usualmente utilizam óleo lubrificante com classificação API CI-4. Este tecnologia foi lançada em 2002, para motores de alta rotação e quatro tempos, projetada para atender a partir de 2004 os limites de emissões estabelecidos na época. Óleos CI-4 são formulados para manter a durabilidade de motores que utilizam EGR (Recirculação de Gases de Escape) e são abastecidos com Diesel de até 0.5% em peso. Podem substituir as classificações anteriores: CD, CE, CF-4, CG-4, e CH-4. A categoria de serviço API CJ-4, objeto de estudo deste artigo, descreve óleos para uso em motores Diesel de quatro tempos e alta rotação projetada para atender aos padrões de emissões globais de poluentes mais recentes, bem como todas as versões anteriores. Esses óleos têm sua composição voltada para uso em todas as aplicações em que o teor de Enxofre no combustível seja no máximo 500 ppm (0,05% em peso). Contudo, o uso desses óleos associados ao Diesel com teor de Enxofre maior que 15 ppm pode impactar a durabilidade dos sistemas de pós-tratamento de emissões e/ou os intervalos de troca de óleo. Óleos lubrificantes que atendem a categoria de serviço API CJ-4 têm sido testados de acordo com o código ACC e podem usar os critérios de intercâmbio de bases de óleos API, assim como os critérios de testes de graus de viscosidade determinados pela SAE. Óleos API CJ-4 excedem os critérios de desempenho determinados por API CI-4 com CI- 4 plus, CI-4, CH-4, CG-4 e CF-4 e podem efetivamente ser aplicados a todos aqueles motores que são lubrificados com essas categorias. Usando óleo CJ-4 em casos de combustível com teor de Enxofre maior que 15 ppm, o fabricante do motor deve ser contatado para determinação dos intervalos de serviço. A Tabela 1 indica as características dos óleos CI-4 e CJ-4. Tabela 1: Propriedades dos óleos CI-4 e CJ-4 Óleo SAE 15W40 API CI-4 Óleo SAE 10W40 API CJ-4 Base Mineral Semi-sintético Normas CNH MS 1121 / MAT 3522 MAT 3521 Densidade [g/cm3] 20º C 15º C SAPS Padrão Baixo 100º C [cst] 14,4 16,0 IV TBN [mg KOH/g] 11,1 10,0 Ponto de fulgor [º C] Pour point [º C] Evolução do diesel no mercado brasileiro A introdução do Diesel com menor teor de enxofre no mercado Brasileiro está sendo feita pela ANP gradualmente desde A partir do final de 2009, em atendimento às etapas do Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores PROCONVE

4 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), a ANP elaborou diversas resoluções para dar curso a esta transição, ainda no ano de Atualmente, os tipos de óleo Diesel comercializados no território nacional são diferenciados pelos teores máximos de enxofre: S-10 (com dez partículas por milhão) e S- 500 (com quinhentas partículas por milhão). O início de 2013 marcou a chegada do Diesel S-10 ao mercado Brasileiro, substituindo o Diesel S-50, e atendendo às normas do PROCONVE. Em primeiro de Julho de 2013, a comercialização do óleo Diesel S-500 passou a ser obrigatória em mais de 385 municípios brasileiros substituindo definitivamente o S Com menor teor de enxofre se comparado aos produtos anteriores, cerca de 5,5 mil municípios brasileiros passaram a reduzir a emissão de poluentes, beneficiando o meio ambiente e a saúde da população. Com a fase final de implantação, caminhões, ônibus e outros veículos de uso rodoviário passaram a abastecer com o S-500 disponibilizado em cerca de 10 mil postos revendedores em todo o Brasil. Em 1º de Janeiro de 2014, todo o Diesel S-1800 foi substituído pelo S-500 [3]. 1.3 Principais características avaliadas no óleo lubrificante TBN Número de Basicidade Total [4] Este ensaio determina os constituintes básicos nos produtos de petróleo e é usado para medir a degradação do lubrificante em serviço. Trata-se da medida de reserva alcalina de óleos lubrificantes de motores automotivos. Esta reserva alcalina tem a capacidade de neutralizar compostos ácidos formados pela queima de combustíveis contendo enxofre e pelos produtos da oxidação formados pela degradação do óleo. Quimicamente, é a massa em miligramas de Ácido Clorídrico ou Perclórico, expressa em termos de quantidade equivalente de Hidróxido de Potássio, necessária para neutralizar, em um grama de óleo, todas as substâncias presentes que reagem com esses ácidos. Resumindo-se, é a medida da capacidade de neutralizar ácidos que podem vir a ser formados durante a operação e que restringem a capacidade de lubrificação do óleo, provocam corrosão e formação de depósitos e alteram a sua viscosidade. O principal valor do teste de alcalinidade em óleos usados é o de, por comparação com resultados de ensaios anteriores no mesmo óleo, permitir avaliar as transformações pelas quais o óleo passa, em serviço.

5 IV - Índice de Viscosidade [4] É um número empírico, que indica o efeito da variação de temperatura sobre a viscosidade do óleo. É determinado com base na medição da viscosidade cinemática a duas temperaturas diferentes. Um elevado IV significa que, diante de variações de temperatura, o óleo sofrerá variação relativamente pequena em sua viscosidade. O IV indica, principalmente, a natureza (tipo) do óleo básico empregado no lubrificante: enquanto nos óleos parafínicos esse índice está próximo ou superior a 100, nos óleos seminaftênicos situa-se por volta de 30 e nos produtos naftênicos que geralmente contêm elevado teor de aromáticos aproxima-se de zero. Graças a modernos processos de refino e com o auxílio de aditivos melhoradores de índice de viscosidade, os óleos lubrificantes podem ter um IV bastante elevado; existem, também, óleos com IV abaixo de zero geralmente utilizados como óleos de processamento. Tais produtos possuem alto teor de aromáticos, sendo, por isso, empregados como solventes, como, por exemplo, na indústria de processamento de borracha. Alterações no IV de óleos em serviço podem ser devidas a: - Reposições com óleos de diferentes IV; - Cisalhamento do aditivo aumentador do IV Óleos de motor ou de engrenagens do tipo multiviscoso. Nesse caso a redução do IV é sempre acompanhada pela redução da viscosidade a alta temperatura; - Alta concentração de contaminantes; - Uso de aditivos milagrosos : produtos alicerçados em forte campanha de marketing e que adicionados ao lubrificante lhe subtraem o caráter original, comprometendo seu equilíbrio físico e químico e por consequência, a própria vida útil do equipamento; Ponto de Fulgor [4] É a menor temperatura na qual o óleo desprende vapores que, em presença do ar, provocam um lampejo ao aproximar-se da superfície do óleo uma pequena chama piloto em condições de laboratório. A determinação dessa característica tem importância sob o ponto de vista de segurança, uma vez que temperaturas acima do Ponto de Fulgor podem representar condição favorável à ocorrência de incêndios e explosões. É também um teste indicativo de contaminação por combustível em óleos de motores de combustão interna. Não se pode confundir essa medida com o ponto de combustão ou inflamação, que é a menor temperatura na qual o óleo entra em combustão, isto é, queima de forma contínua.

6 Soot - Fuligem no óleo [4] Produtos da combustão entram no óleo através das folgas normais de anéis dos pistões. Tais produtos reduzem o desempenho do óleo em proteger e lubrificar os componentes do motor, causando espessamento, exaurindo os aditivos e, eventualmente, entupindo os filtros. A fuligem é a indicação da quantidade de carbono insolúvel em suspensão no óleo resultante da combustão incompleta. Em condições de laboratório, lança-se um feixe de luz infravermelha numa película de óleo usado. Com base na diferente capacidade que óleo e fuligem apresentam de refletir a luz, obtém-se o percentual de fuligem presente. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O teste proposto teve como objetivo avaliar o desempenho do óleo CJ-4, comparando-o com o óleo CI-4, na condição mais severa de uso, condizente com a aplicação proposta. Desta forma, optou-se pela realização dos testes na aplicação de colheita de cana de açúcar conforme figura 1, onde é possível acumular mais de quatro mil horas de funcionamento do motor por safra, ou mais de 20 horas de trabalho por dia. Figura 1 - Case A8800 (Fonte: Foram testadas três máquinas, das quais duas utilizaram o óleo API CJ-4 e uma utilizou o óleo CI-4. Todas as máquinas eram novas e iniciaram o teste com zero hora. Ao longo do teste, ocorrido entre Abril e Dezembro de 2016, foram coletadas amostras de óleo pelo menos a cada 200h e as amostras foram avaliadas no laboratório da Petronas, em Contagem/MG. O foco das análises foi avaliar a condição das amostras em relação aos seguintes aspectos do óleo: Viscosidade, TBN, Soot e contaminações externas. Para avaliar uma possível extensão na troca do óleo (usualmente realizada a cada 500h pela usina), e considerando as análises frequentes da condição do óleo lubrificante dessas máquinas, definiu-se por realizar as trocas de óleo por demanda, ou seja, caso algum aspecto contido nas análises de óleo indicasse a necessidade ou a proximidade da troca.

7 A Tabela 2 resume os dados das máquinas testadas, além de outras informações relevantes acerca do teste. Localização Máquina Motor Período do teste Combustível Tabela 2: Parâmetros do Teste Descrição Técnica Usina São Martinho (USM) / Pradópolis-SP Case A8800 Smart Cruise Cursor kw Tier 3 Internal EGR Abril/16 a Dezembro/16 Diesel S500 B7 Comercial Identificação SCH #244 SCH #245 SCH #247 Óleo Lubrificante CJ-4 10W40 CJ-4 10W40 CI-4 15W40 Horas acumuladas 4319 horas 4101 horas 4488 horas Ao final dos testes, os motores foram desmontados, a fim de avaliar comparativamente o desgaste dos principais componentes diretamente afetados pela combustão e pela recirculação interna dos gases. Todos os resultados das análises de óleo, bem como o plano de manutenção das máquinas testadas também foram avaliados. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados das análises das amostras de óleo coletadas das três máquinas foram obtidos e avaliados com foco principal no Soot, no TBN e na Viscosidade, conforme abaixo: 3.1 Soot Conforme indicado nas Figuras 2, 3 e 4, os resultados de Soot foram divididos por cada máquina e por cada período de troca de óleo. O Soot foi avaliado conforme norma ASTM E Horas acumuladas Figura 2: Soot Máquina 245 (dados do teste)

8 Horas acumuladas Figura 3: Soot Máquina 244 (dados do teste) Horas acumuladas Figura 4: Soot Máquina 247 (dados do teste) Os resultados indicaram uma maior estabilidade para os níveis de soot, em relação às horas acumuladas nas máquinas 244 e 255, que utilizaram o óleo API CJ-4, em comparação à máquina 247 com API CI TBN A reserva alcalina do óleo ou Total Base Number (TBN) foi avaliada de forma diferente às análises de Soot. Neste caso, optou-se por avaliar os resultados de cada máquina, com suas respectivas trocas de óleo. A análise foi realizada, conforme norma ASTM D

9 Conforme resultado apresentado na Figura 5, em relação às primeiras trocas de óleo das máquinas, percebe-se que a máquina 247, com óleo API CI-4, apresentou uma tendência de queda do TBN de maneira mais acentuada que as outras máquinas. As demais trocas de óleo apresentaram o mesmo comportamento. Horas acumuladas Figura 5: TBN Primeira troca (dados do teste) C A viscosidade das amostras de óleo foi avaliada conforme norma ASTM D445. Assim como em relação à análise do TBN, optou-se por avaliar os dados de um único abastecimento das três máquinas, em conjunto. Horas acumuladas Figura 6: 100 C (dados do teste) Os resultados apresentados na Figura 6 indicam uma tendência de aumento da viscosidade do óleo API CI-4, proveniente da máquina 247, ao passo em que as máquinas 244 e 245 apresentaram resultados mais estáveis ao longo do tempo.

10 Em relação ao período de troca do óleo lubrificante em cada máquina, ao longo das mais de quatro mil horas rodadas em cada uma, optou-se por realizar as trocas sob demanda, ou seja, quando as análises de óleo eventualmente indicassem alguma tendência limítrofe, para os parâmetros avaliados. Desta forma, o período de troca de óleo de cada máquina pode ser estratificado no Gráfico 1 abaixo: Gráfico 1 Frequência de troca de óleo por máquina (dados do teste) Horas do Óleo Trocas de Óleo Embora não apresentado no gráfico anterior, em função da máquina 247 ter sofrido mais trocas de óleo, ao final da safra, esta máquina somou um total de sete trocas de óleo, sendo que as máquinas que rodaram com óleo API CJ-4 apresentaram um total de cinco trocas ao final da safra. Para se chegar ao percentual de redução de trocas de óleo, utilizou-se a equação abaixo: Onde: Vol x : Volume de óleo utilizado na safra para a respectiva máquina; Rem x : Remonte de óleo (caso fosse necessário), ao longo da safra, para a respectiva máquina; t x : Tempo total de utilização da máquina na safra;

11 CONCLUSÃO Foi realizada uma avaliação da tecnologia de óleo lubrificante API CJ-4, em comparação com a tecnologia atual (API CI-4) para o mercado brasileiro, através de três máquinas colhedoras de cana, ao longo da safra de Foram testadas duas máquinas com o óleo API CJ-4 e uma terceira máquina com óleo API CI-4 foi avaliada, como referência e base de comparação. As três máquinas rodaram com o combustível comercial Diesel S500 B7. Os resultados das análises de óleo obtidas ao longo da safra foram focados nos seguintes aspectos do óleo: Soot, TBN e Viscosidade. As análises indicaram melhor desempenho do óleo API CJ-4 em relação ao óleo atual, em todos os aspectos avaliados, mesmo considerando a utilização do combustível S500. Com base nos cálculos de extensão de óleo, apesar da utilização do combustível com alto teor de enxofre, os resultados encontrados para o API CJ-4 indicaram uma potencial extensão na troca do óleo (cerca de 35% de redução de volume de óleo) em comparação com o API CI-4, o que torna-se uma solução mais sustentável, sem gerar impactos negativos para a vida do motor. SIGLAS UTILIZADAS ANP Agência Nacional do Petróleo API American Petroleum Institute CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente EGR Exhaust Gas Recirculation Recirculação de Gases de Escape IV Índice de viscosidade PROCONVE Programa Nacional de Controle de Emissões de Poluentes por Veículos Automotores SAE Society of Automotive Engineers SAPS Cinzas sulfatadas, Fósforo e Enxofre TBN Total Base Number REFERÊNCIAS [1] ALOZIE, Nehemiah Sabinus Iheadindueme. Issues of Particulate Matter Emission from Diesel Engine and its Control. Brunel University. London, [2] MAJEWSKI, W.A., 2013 [3] RESOLUÇÃO ANP Nº [4] LABOROIL. Análise de óleos lubrificantes