PT1567622E

PT1567622E - Processo para a redução da emissão de partículas

Info

Publication number: PT1567622E
Application number: PT03775514T
Authority: PT
Inventors: Diane Elsie Hall
Original assignee: Bp Oil Int
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2007-10-25
Also published as: RU2005118748A; WO2004046283A1; JP2006506498A; AU2003283540A1; RU2348681C2; EP1567622A1; CN1711343A; EP1567622B1; AU2003283540B2; GB0226726D0; MXPA05005186A; ATE371005T1; DE60315875D1; CN100357409C; US20060035792A1; US7825076B2; CA2504927A1; ES2291710T3; BR0316351A; DE60315875T2

Description

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DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA A REDUÇÃO DA EMISSÃO DE PARTÍCULAS" A presente invenção refere-se a óleos de lubrificação e em particular à utilização de óleos de lubrificação com baixo teor de enxofre, em combinação com um combustível com um baixo teor de enxofre, para reduzir as emissões de partículas de um motor diesel equipado com um labirinto de retenção de partículas.

Os motores diesel são vulgarmente utilizados em veículos particulares e comerciais, especialmente em veículos comerciais como sejam autocarros e camiões. Sabe-se que as emissões dos motores diesel podem compreender óxidos de carbono, óxidos de azoto, óxidos de enxofre, hidrocarbonetos e partículas. É desejável reduzirem-se essas emissões, seja na sua totalidade, seja individualmente. Embora algumas das emissões tenham a sua origem no combustível que é queimado no motor, o óleo de lubrificação, que é utilizado para lubrificar o motor, pode ter também impacto nas emissões do tubo de escape, por exemplo através da emissão directa de produtos da combustão do óleo ou por meio da influência sobre o desempenho do labirinto de retenção de partículas.

Crê-se especialmente que as emissões de partículas de um motor estão relacionadas, pelo menos em parte, com o teor de enxofre do combustível. Assim, além do benefício que um menor teor de enxofre proporciona aos dispositivos de pós-tratamento, tem havido uma tendência nos anos recentes para reduzir o teor de enxofre dos combustíveis para combustão interna. 2 A despeito da tendência para combustíveis com menor teor de enxofre, com o advento de controlos cada vez mais rigorosos das emissões de partículas em muitas partes do mundo, por exemplo na UE e nos EEUU, tais como limites de emissões de partículas para os veículos que circulam dentro dos limites das cidades, em estados como o da Califórnia e os estados do noroeste dos Estados Unidos, pode haver necessidade de que os veículos diesel sejam equipados com labirintos de retenção de partículas.

Bunting, A. em "Springing the Trap", na Automotive Engineer, da Mechanical Engineering Pub.Ltd, Vol 25 n° 5, a páginas 73-74, refere-se a um pacote de pós-tratamento do escape de um SCRT diesel, do qual se diz que consegue reduzir as emissões de óxidos de azoto e de partículas de matéria.

Provou-se que os labirintos de retenção de partículas são eficazes na retenção das partículas formadas no processo de combustão. Durante o processo de combustão e especialmente em presença de um catalisador de oxidação, num labirinto catalisado de retenção de partículas de oxidação, uma percentagem do enxofre presente no combustível forma sulfatos. Onde esteja presente um labirinto de retenção de partículas a maioria delas deverá ficar no labirinto de retenção de partículas. No entanto, em determinadas condições de funcionamento, em que a temperatura do labirinto se torna elevada, este material é libertado e juntamente com emissões voláteis, que agora passam directamente através do labirinto, pode condensar-se depois do labirinto de retenção, para produzir grandes quantidades de partículas do modo de nucleação. 3

Estas partículas, extremamente pequenas, do modo de nucleação possuem um diâmetro de 30 nm ou menor, como seja um situado entre os limites de 1 nm e 30 nm, inclusive, por exemplo variando entre mais de 3 nm e 30 nm, inclusive. Muito embora partículas carbónicas maiores (partículas do modo de acumulação) constituam a maior parte da massa das emissões de partículas, enquanto que as partículas do modo de nucleação constituem uma massa relativamente reduzida de emissões de partículas, verificou-se que essas partículas do modo de nucleação podem constituir uma contribuição significativa para o número total de partículas emitidas. É portanto desejável reduzir o número dessas partículas de nucleação emitidas.

Surpreendentemente verificou-se agora que a concentração de emissões de partículas de nucleação de um motor diesel munido de um labirinto de retenção de partículas pode ser significativamente reduzida por meio da utilização de um óleo de lubrificação do motor que possua um baixo teor de enxofre (óleo lubrificante de baixo teor de enxofre) em combinação com um combustível que possua um baixo teor de enxofre (combustível com baixo teor de enxofre).

Assim, de acordo com a presente invenção, proporciona-se a utilização de um óleo de lubrificação para um motor em combinação com um combustível com um baixo teor de enxofre, inferior a 50 ppm, num motor diesel equipado com um labirinto de retenção de partículas, que é um labirinto de regeneração contínua (CRT Continuous Regenerating Trap mTca Registada) gue compreende, simultaneamente, um catalisador de oxidação e um filtro, caracterizado pelo facto de o óleo de 4 lubrificação do motor ter um teor de enxofre inferior a 0,4% (em peso) e ser usado para reduzir o número de partículas de modo de nucleação emitidas a partir do motor diesel.

Verificou-se que o uso de um óleo de lubrificação com baixo teor de enxofre com um combustível de baixo teor de enxofre de acordo com a presente invenção, faz com que haja emissões significativamente reduzidas de partículas do modo de nucleação, quando comparadas com a utilização de um óleo lubrificante convencional juntamente com um combustível de baixo teor de enxofre. Surpreendentemente, a redução das partículas do modo de nucleação é significativamente maior do que poderia esperar-se com base na redução do nível de enxofre apenas do óleo de lubrificação.

Assim, de acordo com outra forma de realização da presente invenção, proporciona-se um processo para a redução do número de partículas do modo de nucleação nas emissões de um motor diesel equipado com um labirinto de retenção de partículas, compreendendo esse processo a utilização de um óleo de lubrificação do motor, que possui um baixo teor de enxofre, em combinação com um combustível com um baixo teor de enxofre.

Na presente invenção o labirinto de retenção de partículas é um labirinto de retenção de partículas catalisado, o qual compreende simultaneamente um catalisador de partículas e um filtro e é um labirinto de regeneração contínua (CRTMarca Registada^ _ pa com]oUStão de um combustível, a maior parte de qualquer enxofre presente é convertida em dióxido de enxofre, com uma pequena quantidade, tipicamente 1-2%, a ser convertida em sulfatos. Estes sulfatos podem agir como 5 percursores para a formação de partículas. Na presença de um filtro de partículas, mas na ausência de um catalisador de oxidação, o gás formado a partir da combustão do combustível (e do óleo de lubrificação) contacta com o filtro, o qual removerá pelo menos algumas das partículas formadas a partir do gás. No entanto, as partículas retidas podem bloquear rapidamente o filtro e retirar as partículas (sob a forma de CO2) por meio de queima exige temperaturas muito elevadas, as quais não são normalmente atingidas no labirinto de retenção. Num labirinto de retenção catalisado, além do filtro, é também fornecido um catalisador de oxidação. 0 gás contacta primeiramente com o catalisador de oxidação, onde componentes presentes no gás, como por exemplo o dióxido de enxofre, são oxidados para sulfatos. 0 gás oxidado contacta então o filtro, o qual pode reter as partículas. Num labirinto de regeneração contínua, pelo menos algumas das partículas retidas são retiradas do filtro por meio de queima, através da reacção com produtos de oxidação vindos do catalisador, como sejam dióxido de azoto (0 qual é formado pela oxidação de espécies N0X no gás de combustão) . Essas reacções dão-se a temperaturas inferiores às que, de outro modo, seriam necessárias para extrair as partículas por meio de queima e a temperaturas que podem ser atingidas nos labirintos instalados nos motores diesel e portanto o labirinto é continuamente regenerado. Os sulfatos não são, no entanto, retirados por meio de queima, sendo antes revolatilizados a altas temperaturas, proporcionando assim o potencial para voltar a formar as partículas, depois de passado o labirinto de retenção. 0 motor diesel pode ser qualquer motor diesel adequado, mas é de preferência um motor diesel para serviço pesado. 6 0 combustível de baixo teor de enxofre possui um teor de enxofre (em peso) abaixo de 50ppm. Mais preferivelmente o teor de enxofre do combustível situa-se abaixo de 20ppm e com a máxima preferência é de lOppm ou inferior. 0 óleo de lubrificação de baixo teor de enxofre possui um teor de enxofre inferior a 0,4% (em peso), por exemplo inferior a 0,3%. Mais preferivelmente o óleo de lubrificação tem um teor de enxofre inferior a 0,2% e com a máxima preferência é inferior a 0,15%.

Um aditivo conhecido, utilizado nos óleos de lubrificação destinados à lubrificação de motores diesel, é o ditiofosfato dialquilo de zinco (ZDDP). Este é usado como um aditivo anti-desgaste, antioxidante e inibidor da corrosão. No entanto, este aditivo contém enxofre. Por isso, de acordo com outro aspecto da presente invenção, o óleo de lubrificação possui um teor de ZDDP de, no máximo, 0,8% em peso, preferivelmente no máximo de 0,4% em peso e mais preferivelmente está praticamente livre de ZDDP. O óleo de lubrificação pode compreender um ou mais aditivos anti-desgaste, os quais podem ser usados, pelo menos em parte, para substituir o ZDDP, como sejam aditivos anti-desgaste seleccionados de entre o grupo constituído por (a) compostos que contêm molibdénio, como seja ditiocarbamato de molibdénio (MoDTC), ditiofosfato de molibdénio e (b) modificadores de fricção baseados em aminas orgânicas de molibdénio, como sejam oleamidas, ácidos, álcoois, esteres de fosfato e monoleatos de glicerol e (c) detergentes do tipo salicilato, como sejam salicilato de cálcio e salicilato de magnésio. 7 0 óleo lubrificante pode compreender um ou mais aditivos antioxidantes, que poderão ser usados, pelo menos em parte, para substituir o ZDDP. De preferência pelo menos um dos aditivos antioxidantes pode ser seleccionado de entre o grupo constituído por aminas aromáticas e compostos fenólicos, como sejam fenóis inibidos. 0 óleo de lubrificação pode compreender um ou mais aditivos inibidores da corrosão, que poderão ser usados, pelo menos em parte, para substituir o ZDDP. Preferivelmente, os aditivos inibidores da corrosão podem ser seleccionados de entre os aditivos detergentes não sulfurosos convencionais. 0 óleo de lubrificação pode compreender um ou mais outros aditivos, que possam ser conhecidos dos técnicos do ramo como aditivos para óleos lubrificantes. Tais aditivos podem incluir um ou mais aditivos anti-espuma, agentes de melhoria do índice de viscosidade e dispersantes. A invenção será agora ilustrada em relação aos seguintes exemplos e às figuras, nas quais: A Figura 1 mostra as emissões de partículas, em massa (em g/k Wh) de acordo com o teste normalizado ECE Reg.49, para combinações de combustíveis com baixo e alto teor de enxofre (LSF - Low Sulphur Fuel e HSF - High Sulphur Fuel) e óleos de lubrificação de baixo e alto teor de enxofre (LSL - Low Sulphur Lube e HSL - High Sulphur Lube) em presença e com ausência de CRT. A Figura 2 mostra os dados para as emissões totais de partículas (número/kWh) para combinações de combustíveis de 8 baixo e alto teor de enxofre e óleos de lubrificação de baixo e alto teor de enxofre, utilizando simultaneamente um Dimensionador de Rastreio da Mobilidade de Partículas (SMPS Scanning Mobility Particle Sizer) e um Monitor de Partículas Ultrafinas (UPM - Ultrafine Particulate Monitor).

Exemplos

Foram executados testes num motor diesel para serviço pesado (HD - Heavy Duty) (um motor diesel de 11 litros (21 cilindros), turbo-carregado/inter-arrefecido, munido de equipamento de injecção electrónica de combustível).

Foram testados dois combustíveis diferentes. 0 combustível 1 era um combustível com baixo teor de enxofre, que compreendia lOppm de enxofre e correspondente à especificação EN-590. 0 combustível 2 era um combustível de alto teor de enxofre e foi produzido por meio da dopagem de uma amostra do combustível 1 para 50ppm de enxofre.

Foram testados dois lubrificantes. 0 primeiro era um óleo de lubrificação convencional, que compreendia 0,75% em peso de enxofre, fornecido pela Castrol, aqui designado como "enxofre elevado". O segundo era um óleo sintético com um baixo teor de enxofre, baseado no óleo de lubrificação SAE 5W-30, que compreendia 0,14% de enxofre, em que o nível de ZDDP era reduzido quando comparado com um óleo de lubrificação convencional, para dar um nível de ZDDP de 0,38 % em peso e foi adicionada oleamida, como aditivo complementar anti-desgaste. 9

Os testes foram executados tanto com como sem um Labirinto de Regeneração Continua (CRT - Continuosly Regenerating Trap), fornecido por Johnson Matthey. A medição do tamanho de partícula foi feita simultaneamente com um Dimensionador de Rastreio do Tamanho de Partícula (SMPS) TSI 3071 (rastreio entre 7-320nm) e um Monitor de Partículas Ultrafinas (UPM) da Booker Systems (que forneceu a contagem total de partículas >3nm).

Os testes foram executados sob as condições de teste da Reg.ECE 49. Para motores construídos antes de 2000, este é o teste de homologação Standard dos motores diesel para serviço pesado na Europa. O ciclo de teste do R49 exige que o motor seja testado ao longo de 13 modos de estado constante e com base em diferentes condições de funcionamento e de velocidade/carga. As emissões são medidas em cada modo e agregadas de acordo com um procedimento regulado para fornecer um único resultado para o ciclo. Para as emissões de partículas o processo de teste Standard mede a massa das partículas produzidas em cada um dos modos. O resultado fornece por isso uma massa total conjunta de partículas produzidas por kWh de energia.

Nos exemplos fornecidos, o número total de emissões de partículas foi medido por meio da utilização simultânea de um Dimensionador de Rastreio de Mobilidade de Partículas (SMPS) (rastreio entre 7-320nm) e um Monitor de Partículas Ultrafinas (UPM) (que dá a contagem total de partículas >3nm). Estes resultados foram então agregados para fornecer um valor combinado do modo de emissão de partículas para o 10 ciclo do R49, em número de partículas por kWh. A agregação foi feita da mesma maneira que para o procedimento regulado do teste R49 referente a massa das emissões de partículas.

Para comparação, a Figura 1 fornece as emissões de partículas medidas como massa de partículas (em g/kWh) de acordo com o teste da norma Reg.49 ECE, para combinações de combustíveis de baixo e alto teor de enxofre (LSF e HSF) e de óleos de lubrificação de baixo e alto teor de enxofre (LSL e HSL), em presença e na ausência do CRT.

Pode ver-se que na ausência de um CRT as emissões, em termos de massa das partículas, são semelhantes. Mudanças significativas na massa das emissões na ausência do labirinto de retenção não seriam de esperar, uma vez que apenas uma pequena proporção do enxofre do combustível é emitida sob a forma de partículas e as modificações do nível de enxofre apenas terão um pequeno impacto sobre as emissões reguladas. No entanto, em presença do CRT, devido à presença do catalisador de oxidação, a massa total de partículas produzida está mais dependente dos níveis de enxofre no óleo de lubrificação e no combustível e reduz-se à medida que são reduzidos os níveis de enxofre no óleo de lubrificação e no combustível. A figura 2 mostra os dados para as taxas totais de emissão de partículas (número/kWh) para combustíveis com lOppm e 50ppm de enxofre, com os dois lubrificantes medidos por meio da utilização simultânea de SPMS e UPM. As duas barras para cada conjunto representam experiências repetidas, que mostram uma elevada reprodutibilidade. 11

As barras sombreadas representam a medida SMPS e as barras claras representam a medida UPM, sendo a diferença entre as barras sombreadas e as barras claras o correspondente às partículas pequenas detectadas pelo UPM (mas não pelo SMPS) , isto é, partículas do modo de nucleação de entre cerca de 3 e 7 nm de diâmetro.

Pode ver-se que com o combustível de 50ppm de enxofre e o óleo de lubrificação de elevado teor de enxofre essencialmente todas as partículas do modo de acumulação são removidas das emissões, por meio da presença do labirinto de retenção (CRT), mas um número maior de partículas do modo de nucleação é emitido quando em comparação com o teste na ausência do CRT. Este aumento é, pelo menos em parte, devido à reacção ao dióxido de enxofre no CRT, para produzir sulfatos, os quais são emitidos do CRT sob as condições presentes em determinados modos do teste R49.

Para um combustível de baixo teor de enxofre com um óleo de lubrificação de elevado teor de enxofre, pode ver-se que, na ausência de um labirinto de retenção, as emissões totais de partículas são muito semelhantes às do combustível com alto teor de enxofre, como seria de esperar pela comparação com a Figura 1. Isto deve-se, uma vez mais, ao facto de, na ausência do labirinto de retenção, apenas uma pequena proporção do enxofre do combustível ser emitida como partículas. Na presença de um labirinto de retenção, praticamente todas as partículas do modo de acumulação são removidas das emissões, conforme se pode ver para o combustível de elevado teor de enxofre. Neste caso o número total produzido de partículas do modo de nucleação diminui 12 em comparação com o do combustível de elevado teor de enxofre.

Para o óleo de lubrificação de baixo teor de enxofre com um combustível com baixo teor de enxofre, as emissões na ausência do CRT são uma vez mais semelhantes às observadas para as experiências com o óleo de lubrificação de elevado teor de enxofre e respectivamente os combustíveis de baixo teor e de elevado teor de enxofre, como seria de esperar. No entanto, a utilização de um óleo de lubrificação de baixo teor de enxofre com um combustível de baixo teor de enxofre, em presença do CRT, proporciona emissões totais de partículas que são muito significativamente inferiores às esperadas com base na redução do nível de enxofre.

Em especial o uso de óleo de lubrificação de baixo teor de enxofre em combinação com um combustível diesel de baixo teor de enxofre conduz a uma redução nas emissões de partículas do modo de nucleação a partir de um motor diesel equipado com um labirinto de retenção de partículas.

Lisboa, 12 de Outubro de 2007

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Utilização de um óleo de lubrificação para motores em combinação com um combustível, que possui um baixo teor de enxofre, inferior a 50 ppm, num motor diesel equipado com um labirinto de retenção de partículas catalisado, o qual é um labirinto de retenção de regeneração contínua (CRTMarca CT S13. dâ \ ), que compreende simultaneamente um catalisador de oxidação e um filtro, caracterizada pelo facto de o óleo de lubrificação do motor ter um teor de enxofre inferior a 0,4% (em peso) e ser usado para reduzir o número de partículas de modo de nucleação emitidas pelo motor diesel.

2. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o motor diesel ser um motor diesel para serviço pesado.

3. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de as partículas do modo de nucleação terem um diâmetro de 30 nm ou menos, por exemplo situado entre os limites de 1 nm e 30 nm, inclusive, por exemplo numa gama superior a 3 nm e até 30 nm, inclusive.

4. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o teor de enxofre do combustível ser inferior a 20 ppm e mais preferivelmente ser de 10 ppm ou inferior.

5. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o óleo de lubrificação de baixo teor de enxofre ter um teor de enxofre (em peso) inferior a 0,3%. 2

6. Utilização ou processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo facto de o óleo de lubrificação ter um teor de enxofre (em peso) inferior a 0,2% e mais preferivelmente inferior a 0,15%.

7. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o óleo de lubrificação ter um teor de ZDDP de, no máximo, 0,8% em peso, preferivelmente um máximo de 0,4% em peso e mais preferivelmente estar substancialmente livre de ZDDP.

8. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o óleo de lubrificação compreender um ou mais aditivos, que poderão ser usados, pelo menos em parte, para substituir o ZDDP, escolhidos de entre o grupo constituído por (a) compostos que contêm molibdénio, como seja ditiocarbamato de molibdénio (MoDTC), ditiofosfato de molibdénio e aminas de molibdénio, (b) modificadores de fricção de base orgânica, como sejam oleamidas, ácidos, aminas, álcoois, esteres de fosfato e monoleatos de glicerol e (c) detergentes do tipo salicilato, como sejam salicilato de cálcio e salicilato de magnésio.

9. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o óleo de lubrificação compreender um ou mais aditivos antioxidantes, que poderão ser usados, pelo menos parcialmente, para substituir o ZDDP, seleccionados de entre o grupo constituído pelas aminas aromáticas ou os compostos fenólicos, como sejam fenóis inibidos. 3

10. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o óleo de lubrificação compreender um ou mais aditivos inibidores da corrosão, que poderão ser usados, pelo menos parcialmente, para substituir o ZDDP, seleccionado de entre os aditivos deterqentes não sulfurosos.

11. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o óleo de lubrificação compreender um ou mais outros aditivos, seleccionados de entre um ou mais aditivos anti-espuma, melhoradores do indice de viscosidade e dispersantes. Lisboa, 12 de Outubro de 2007