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DIAGNÓSTICO DE MOTORES DIESEL MEDIANTE EL ANÁLISIS DEL ACEITE USADO

Bernardo Tormos Dr. Ingeniero Industrial

Prefacio. Esta publicación refleja el interés por el estudio de la Ingeniería del Mantenimiento y en particular por la aplicación del mantenimiento predictivo al ámbito de los motores Diesel, el cual representa un aspecto cada día más importante en el coste directo de explotación y con una clara repercusión en las condiciones medioambientales. Al hablar de mantenimiento predictivo en motores Diesel necesariamente hay que referirse al empleo del análisis del aceite usado como herramienta para el mismo. Es por ello un placer para mi presentar este trabajo de investigación realizado en el grupo CMT - Motores Térmicos, dentro de la línea de Ingeniería de Mantenimiento, en el que se ha tenido la total colaboración de Repsol-YPF, habiendo aplicado los resultados obtenidos en el mismo a un sistema de diagnóstico de motores Diesel y por lo que agradecemos toda su confianza depositada. En este trabajo de investigación se ha realizado una profunda revisión al campo del análisis de aceite como herramienta para el mantenimiento predictivo de motores Diesel desde diversos puntos de vista. Se aborda la problemática intrínseca a la lubricación de los motores Diesel. Se evalúan métodos de medida de los diferentes parámetros del aceite lubricante, interesantes desde el punto de vista del diagnóstico, tanto con técnicas ampliamente aceptadas como técnicas menos desarrolladas, así como las limitaciones, ventajas e inconvenientes de las mismas. Se ha realizado también un profundo estudio del comportamiento de los aceites en uso, tanto en la degradación como en la contaminación del mismo. Debido a la importancia de la determinación de posibles desgastes anómalos en el motor y su diagnóstico se dedica una parte muy importante del libro al mismo. En concreto, se presenta una nueva metodología desarrollada de cara a la obtención de la tasa de desgaste del motor usando datos típicos de seguimiento de la vida del mismo y los resultados obtenidos mediante la medida por espectrometría ICP de las muestras de aceite. Esto permite superar la típica evaluación realizada a partir de valores absolutos, ampliamente utilizada hasta ahora, y pasar a utilizar un parámetro más representativo del desgaste en el motor teniendo en cuenta factores como los rellenos, el consumo de aceite, edad, etc. La parte final ha sido dedicada a definir la estructura de un sistema automático de diagnóstico. Vicente Macián Martínez Catedrático de Universidad CMT – Motores Térmicos Universidad Politécnica de Valencia

ÍNDICE CAPITULO I: INTRODUCCIÓN. 1.1. Justificación de la obra ................................................................................................ 1 1.2. Planteamiento de la publicación.................................................................................. 3 CAPITULO II: TRIBOLOGÍA EN MOTORES DIESEL 2.1. Introducción .................................................................................................................. 7 2.2. Requerimientos de lubricación en motores de combustión interna alternativos ... 8 2.3. Características de los circuitos de lubricación........................................................ 15 2.4. La filtración: filtros y depuradoras ............................................................................ 18 2.4.1. La filtración del aire............................................................................................. 21 2.4.2. La filtración del aceite ......................................................................................... 25 2.4.3. La filtración del combustible................................................................................ 29 2.5. El consumo de aceite ................................................................................................. 30 2.5.1. Mecanismos del consumo de aceite ................................................................... 31 2.6. Formación de depósitos............................................................................................. 36 2.6.1. Clasificación de los distintos tipos de depósitos ................................................. 36 2.6.2. Depósitos en la cámara de combustión .............................................................. 37 2.6.3. Depósitos sobre las válvulas de escape ............................................................. 39 2.6.4. Depósitos en los alojamientos de los segmentos ............................................... 40 2.6.5. Depósitos sobre la falda del pistón ..................................................................... 41 2.6.6. Depósitos a temperatura de funcionamiento relativamente baja ........................ 41 2.7. El desgaste de los motores........................................................................................ 42 2.8. La contaminación del aceite ...................................................................................... 45 2.9. Aceites lubricantes para motor.................................................................................. 47 2.9.1. Obtención de los aceites..................................................................................... 47 2.9.2. Aditivos ............................................................................................................... 56 2.9.3. Clasificaciones y especificaciones de los aceites de motor ................................ 63 CAPITULO III: TÉCNICAS APLICABLES AL ANÁLISIS DE ACEITES LUBRICANTES PARA MOTOR 3.1 Introducción ................................................................................................................. 79 3.2 Técnicas analíticas para la determinación de la degradación del aceite................ 81 3.2.1 Viscosidad............................................................................................................ 82 3.2.2. Punto de inflamación........................................................................................... 87 3.2.3. Acidez-basicidad del aceite................................................................................. 88 3.2.4. Insolubles del aceite............................................................................................ 90 3.2.5. Capacidad detergente / dispersante de los aceites ............................................ 91

3.2.6. Constante dieléctrica del aceite .......................................................................... 92 3.3 Técnicas de análisis de la contaminación del aceite................................................ 95 3.3.1. Determinación de la presencia de dilución por combustible ............................... 95 3.3.2. Determinación de la contaminación por agua ..................................................... 96 3.3.3. Espectrometría infrarroja..................................................................................... 97 3.3.4. Análisis o ensayo de la mancha........................................................................ 107 3.4 Análisis para la determinación del desgaste del motor ......................................... 108 3.4.1. Espectrometría.................................................................................................. 109 3.4.2. Ferrografía ........................................................................................................ 116 3.4.3. Contaje de partículas ........................................................................................ 120 3.4.4. Microscopía....................................................................................................... 121 3.4.5. Colectores magnéticos...................................................................................... 122 3.5 Equipos rápidos de análisis de aceite ..................................................................... 123 3.5.1. Mini laboratorio de análisis rápidos Wärtsilä NSD ............................................ 123 3.5.2. Equipo de medición de materia carbonosa: “Soot meter” ................................. 125 3.5.3. Otros equipos.................................................................................................... 127 3.6 Importancia de la toma de muestra .......................................................................... 128 CAPITULO IV: COMPORTAMIENTO Y EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DEGRADACIÓN DEL ACEITE LUBRICANTE DE MOTOR. 4.1 Introducción ............................................................................................................... 131 4.2 Viscosidad .................................................................................................................. 138 4.2.1. Efectos sobre la viscosidad............................................................................... 139 4.2.2. Resultados analíticos ........................................................................................ 141 4.3 TBN-TAN ..................................................................................................................... 150 4.3.1. Total Base Number (TBN)................................................................................. 150 4.3.2. Total Acid Number (TAN).................................................................................. 155 4.4 Detergencia................................................................................................................. 158 4.5 Oxidación y Nitración ................................................................................................ 164 4.6 Nivel de aditivos......................................................................................................... 169 4.7 Evaluación de los parámetros de degradación del aceite...................................... 175 CAPITULO V: ACEITE

EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN DEL

5.1 Introducción ............................................................................................................... 181 5.2 Silicio .......................................................................................................................... 182 5.2.1. Problemática asociada a la contaminación por silicio ....................................... 183 5.2.2. Evolución observada sobre motores en servicio............................................... 187 5.2.3. Diferencia de niveles de silicio en función del tipo de aplicación del motor ...... 189 5.3 Contaminación por agua ........................................................................................... 193 5.3.1. Efectos de la contaminación por agua en los sistemas lubricados ................... 195

5.3.2. Efectos del agua sobre el lubricante ................................................................. 196 5.3.3. Resultados analíticos ........................................................................................ 197 5.4 Dilución ....................................................................................................................... 204 5.5 Insolubles y materia carbonosa................................................................................ 209 5.5.1. Influencia de la materia carbonosa sobre la lubricación ................................... 215 5.5.2. Tendencias futuras en la presencia de materia carbonosa............................... 218 5.6 Otros contaminantes ................................................................................................. 222 5.6.1. Contaminación por glicol................................................................................... 222 5.6.2. Contaminantes procedentes del propio combustible ........................................ 226 5.7 Límites de los parámetros de contaminación del aceite ........................................ 233 CAPITULO VI: DESGASTE: EVALUACIÓN Y DIAGNÓSTICO 6.1 Introducción ............................................................................................................... 239 6.2 El desgaste en motores Diesel ................................................................................. 241 6.2.1. Desgaste del grupo pistón-segmentos-camisa ................................................. 241 6.2.2. Desgaste de cojinetes....................................................................................... 263 6.2.3. Desgaste del sistema de distribución................................................................ 268 6.2.4. Desgaste del conjunto balancín-cola de válvula ............................................... 271 6.2.5. Desgaste de casquillos ..................................................................................... 272 6.2.6. Desgaste del conjunto vástago de válvula-guía................................................ 272 6.2.7. Desgaste de los asientos y apoyos de válvula.................................................. 274 6.2.8.Desgaste de los engranajes de la distribución................................................... 275 6.3 Obtención de la tasa de desgaste de un motor....................................................... 276 6.3.1. Influencia de las técnicas de medida empleadas.............................................. 276 6.3.2. Influencia del consumo, reposición, filtrado y composición del aceite .............. 279 6.3.3. Aplicación del modelo de cálculo de la tasa de desgaste a motores en servicio303 6.3.4. Obtención de las concentraciones iniciales ...................................................... 307 6.4 Metalurgia de los motores......................................................................................... 309 CAPITULO VII: SISTEMA DE DIAGNÓSTICO AUTOMÁTICO DE MOTORES BASADO EN EL ANÁLISIS DE ACEITE. 7.1 Introducción ............................................................................................................... 315 7.2 Selección y definición de análisis ............................................................................ 318 7.2.1. Claves en un programa de monitorizado basado en análisis de aceite ............ 321 7.3 Evaluación de análisis............................................................................................... 323 7.3.1. Escalas absolutas ............................................................................................. 324 7.3.2. Escalas relativas ............................................................................................... 325 7.3.3. Escalas de evaluación por tendencias.............................................................. 327 7.4 Uso de Sistemas Expertos para diagnóstico .......................................................... 334 7.4.1. Base de hechos ................................................................................................ 340 7.4.2. Base de conocimiento....................................................................................... 341

7.4.3. Motor de inferencia ........................................................................................... 343 7.5 Sistema Experto de diagnóstico basado en el análisis de aceite.......................... 344 7.5.1. Definición de los datos y su estructuración....................................................... 346 7.5.2. Tratamiento de certeza ..................................................................................... 347 7.5.3. Errores de medida............................................................................................. 349 7.5.4. Errores en los procesos de cálculo ................................................................... 349 7.5.5. Certeza de las reglas ........................................................................................ 351 CAPITULO VIII: EPILOGO BIBLIOGRAFIA

CAPITULO I INTRODUCCIÓN

1.1

Justificación de la obra.

El Mantenimiento entendido como el conjunto de técnicas utilizadas para asegurar el correcto y continuo uso de maquinaria, equipos, instalaciones o servicios, es ya un concepto de implantación definitiva en el campo industrial y social y las actividades relacionadas con el mismo han adquirido una importancia igual, o mayor en algunos casos, a las llamadas actividades productivas. La evolución que ha seguido el Mantenimiento en la historia, va desde los cuidados que recibían las máquinas durante la Revolución Industrial por parte de los mismos operarios que las utilizaban hasta nuestros días donde especialistas en mantenimiento con avanzados equipos de medida o monitorizado y apoyados con sofisticadas herramientas informáticas se encargan de determinar el estado de las mismas, diagnosticarlas y definir el mejor plan de actuación sobre ellas, siempre teniendo presente el entorno socioeconómico en el que se realiza el trabajo. El análisis del lubricante usado en los motores de combustión interna es una de las posibles herramientas para la aplicación del llamado Mantenimiento según condición o estado o Mantenimiento Predictivo; esto es, el mantenimiento realizado en base al deterioro significativo de un equipo señalado por la variación de un parámetro controlado e indicativo del funcionamiento o rendimiento de dicho equipo. Resulta ampliamente conocido y contrastado la ventaja que ofrece este tipo de mantenimiento frente al clásico mantenimiento correctivo, por su mayor

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Cap. 1 Introducción

eficiencia y flexibilidad. Cuando haya indicación de deterioro o posible fallo del equipo, se puede programar la parada del mismo con anterioridad al fallo, ello supone la programación de las paradas de forma que afecten lo mínimo a la producción así como la planificación de las herramientas, repuestos y material necesario para la realización de las tareas de forma que la parada tenga la mínima incidencia sobre la productividad, se puede reducir la cantidad de piezas sustituidas innecesariamente con carácter preventivo, así como, si las consecuencias del fallo pueden ser catastróficas, la condición o parámetro controlado puede ser empleado para indicar un posible fallo inminente antes de que la probabilidad del mismo sea significativa. Evidentemente el Mantenimiento Predictivo también presenta una serie de desventajas, tales como: mayores costes de aplicación debido a la utilización de herramientas sofisticadas o personal especializado, necesidad de manejo de gran cantidad de información o necesidad de una buena gestión del mismo, desventajas que son ampliamente superadas por los beneficios enumerados anteriormente. Con todo ello, estaremos cumpliendo los objetivos que se pretenden alcanzar con el Mantenimiento predictivo: ‰

‰ ‰

Aumento de la fiabilidad de los equipos, con la consecuente reducción de los fallos en servicio, así como una reducción de los costes de Mantenimiento y una mejora de la disponibilidad de los mismos. Aumento de la vida eficaz del equipo. Mejora de la planificación y el orden de trabajo, y con ello la relación producción-mantenimiento. Garantizar la seguridad de instalaciones así como de manipuladores y usuarios.

No hace falta remarcar la importancia que durante el último siglo y en nuestros días tiene el motor de combustión interna alternativo, ya sea en el campo del transporte o en el de la producción de energía. Debido a su importancia, va a requerir igualmente de una importante dedicación al mantenimiento del mismo, con lo cual la aplicación de técnicas de mantenimiento predictivo al mismo es un campo de máxima importancia. Dentro de las posibles herramientas aplicables para el mantenimiento predicitvo de los motores Diesel una de las más importantes y ampliamente utilizadas es el análisis del lubricante utilizado en el mismo. Ya desde después de la II Guerra Mundial aparece como técnica aplicable y comienza siendo utilizada por las empresas ferroviarias americanas para el control del estado de los motores de sus locomotoras y poco a poco comienza a extenderse a otros campos y a otros países.

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado

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Este tipo de planteamiento está actualmente totalmente implantado en el campo militar, donde se conoce generalmente como JOAP (Joint Oil Analysis Program), así como en la industria aeronáutica. Es a mitad de los años setenta cuando coincidiendo con la aparición de los laboratorios que ofrecen este tipo de servicios de análisis se aplica a otras áreas como son las importantes empresas de flotas de transporte. La aplicación de un sistema de monitorizado del aceite lubricante del motor puede llevar a ahorros muy importantes; en 1.982 British Rail indicó que habían tenido un ahorro de 1,5 millones de libras mediante la inversión de 100 mil libras en un sistema de seguimiento de los aceites de sus locomotoras [Morley, G, 1982], [Hunt, T. M.; 1996]. Con ello no sólo se conseguía un periodo útil de vida del aceite más largo sino que además potenciales fallos provocados por desgaste habían sido detectados y corregidos a tiempo. Además, si se tiene en cuenta no sólo el retorno de la inversión en costes directos, se considera que se obtiene el doble considerando los aspectos de disponibilidad de servicio [Bagshaw, J. M.; 1997]. El trabajo se encuadra dentro de la línea de investigación y trabajo de Ingeniería del Mantenimiento dentro del Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad Politécnica de Valencia, que tiene como objetivo el desarrollo y aplicación de técnicas de Mantenimiento Predictivo a motores de combustión interna alternativos, siendo el presente trabajo una continuación de algunos trabajos previos realizados en el área sobre este mismo tema.

1.2

Planteamiento de la publicación

La presente obra aborda el problema del diagnóstico del estado de los motores Diesel en base a la interpretación de los resultados de los análisis físicoquímicos realizados sobre muestras de aceite lubricante utilizado en los mismos. En una primera parte de la obra, capítulo 2, se introduce la necesidad de lubricación de los motores de combustión interna y la problemática que encierra la misma debido a su propia especificidad. Se da a continuación un repaso al elemento fundamental de la lubricación, el aceite, revisando sobre todo la forma de potenciar las funciones que debe desempeñar en el motor, así como las clasificaciones y especificaciones de los mismos en el área de los motores. En el siguiente capítulo se presentan las herramientas disponibles para la realización de estas medidas sobre el aceite lubricante usado. Aún no siendo una publicación de finalidad química no deja de ser importante conocer las posibilidades y limitaciones que se disponen para realizar unas medidas correctas,

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Cap. 1 Introducción

fiables y que puedan suministrar el máximo de información que necesitamos a un coste razonable. En este apartado se ha intentado además presentar las dos opciones que se nos presentan para la realización de estos ensayos de cara al mantenimiento y que no son necesariamente excluyentes sino que más bien son complementarias, a saber, por una parte los llamados análisis rápidos que pueden ser realizados a pié de máquina; con sus ventajas: rapidez de conocimiento de estado y simplicidad, y sus desventajas: menor fiabilidad y precisión, y por otra parte los ensayos realizados por los laboratorios especializados en los mismos. Estos laboratorios hace años que han dejado de ser patrimonio exclusivo de las grandes corporaciones con capital suficiente para las inversiones necesarias que requieren este tipo de instalaciones y han aparecido como empresas de servicios cuya finalidad es la de ofrecer a sus clientes los resultados de dichos análisis y en determinados casos incluso el seguimiento y la interpretación de estos resultados. Obtenidos los resultados de los análisis, bien por métodos rápidos o de laboratorio comienza una etapa más difícil que es la interpretación de los mismos. De cara a una correcta interpretación de los mismos, revisaremos los diferentes fenómenos que conducen a los cambios sobre determinados parámetros o a la aparición de determinados contaminantes, incidiendo sobre aquellas consecuencias más nocivas para el propio aceite o para el motor. Finalmente se tratará de establecer qué niveles de los diferentes parámetros que se analizan resultan normales o son indicativos de un incipiente problema de la máquina. En este punto se han diferenciado tres posibles efectos sobre el lubricante, por una parte aquellos parámetros indicativos del estado del mismo en cuanto a propiedades características del lubricante (capítulo 4), por otro lado la contaminación del mismo por agentes diversos (capítulo 5) y por último la presencia de partículas metálicas indicativas del desgaste del motor (capítulo 6), que por una parte siempre se va a dar, pero que por otra parte conviene realizar un seguimiento del mismo para conocer cuando es excesivo y poder actuar antes de que de lugar a la aparición de un fallo catastrófico con la consiguiente problemática que acarrea, por una parte debida a los costes de reparación y por otra parte, normalmente más importante, a la indisponibilidad de la máquina, vehículo o instalación. Los resultados de los análisis físico - químicos que se presentan en esta obra proceden de las bases de datos del Laboratorio de análisis de Lubricantes asociado a la división de Asistencia Técnica de la empresa Repsol – YPF. Estas bases están estructuradas en función del uso del motor es tres tipos diferentes: Automoción; que engloba fundamentalmente aceites lubricantes usados en motores de camiones, autobuses (urbanos e interurbanos) y maquinaría de obras públicas. Marinos: donde nos encontramos con aceites para motores de uso en barcos, desde pequeños pesqueros (motores similares a los de Automoción y utilización de gas

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oil como combustible) a grandes buques para el transporte y por similitud de diseño se engloban los grandes motores estacionarios de producción de energía, estos motores suelen utilizar combustibles más pesados (fuel oil). Por último queda el grupo de Cogeneración Gas donde se incluyen los motores estacionarios de generación de energía que utilizan combustibles gaseosos (gas natural o gases de procesos o de recuperación). En el capítulo 7 se presenta la automatización de un sistema para el control de aceites usados en motores Diesel, que permite mediante la utilización de un Sistema Experto de Diagnóstico la emisión de un diagnóstico del estado del lubricante y del motor en función de los resultados obtenidos a partir de unos análisis realizados en el laboratorio, la información proporcionada por el cliente en cuanto al uso del motor y el lubricante y el histórico del mismo que se haya almacenado en una base de datos. Con ello se espera ayudar a los jefes de mantenimiento de flotas de transporte o de instalaciones con este tipo de motores en uso a mejorar el mantenimiento del mismos y con ello llegar a conseguir las metas que se plantean al momento de implantar un programa de mantenimiento predicitivo: mejora de la disponibilidad de los equipos y ahorro en los costes de mantenimiento de los mismos.

CAPITULO II TRIBOLOGÍA EN MOTORES DIESEL

Objetivo del capitulo: Se presenta en este capítulo la problemática de la lubricación de los motores de combustión interna alternativos, en los cuales se suman los problemas típicos de cualquier sistema lubricado con los condicionantes que caracterizan este tipo de máquinas. Se presenta la configuración típica de los sistemas de lubricación de los motores con una descripción breve de sus componentes y su importancia. Por último se presenta la obtención y las vías de mejora en el desarrollo de los aceites lubricantes de motor, así como sus clasificaciones y especificaciones de calidad.

2.1. Introducción La lubricación tiene por finalidad la reducción de la fricción entre dos superficies con movimiento relativo y que se hallan en contacto entre ellas. Reduciendo la fricción vamos a ser capaces de reducir también el desgaste de las piezas, con lo cual estamos dotando a las mismas de una mayor esperanza de vida útil. La reducción de la fricción y el desgaste son los objetivos primordiales de la lubricación pero no debe de perderse de vista otras misiones que pueden ser cumplidas con la lubricación tales como: reducir el consumo de energía, eliminar el calor generado, proteger contra la herrumbre y la corrosión así como contribuir al arrastre de los contaminantes. La sustancia utilizada para obtener estas funciones se denomina lubricante.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

Debido a que la fricción entre dos cuerpos sin lubricación entre ellos, proviene principalmente de la adhesión y la deformación, siendo la primera la más importante, la principal exigencia a la lubricación es que reduzca la fuerza necesaria para cizallar las uniones que se forman entre las asperezas de las superficies. Esto se puede conseguir por dos vías, interponiendo entre las asperezas un material que pueda cizallarse de manera más fácil o bien, mediante la utilización de una sustancia química que altere la resistencia al cizallamiento de las asperezas. El material interpuesto entre las asperezas puede estar en diferente fase: sólido, líquido o gaseoso. Cuando el material está en estado sólido nos encontramos con la llamada lubricación sólida, en los otros casos se denomina lubricación fluida. Esta última es el método más empleado actualmente y se caracteriza por el reemplazamiento de la fricción adhesiva por la fricción viscosa originada por la fuerza necesaria para cizallar el fluido. La tribología es la ciencia y tecnología que estudia la interacción de superficies en movimiento relativo, que se encuentran en contacto mutuo, y los fenómenos con ellas relacionados. Es una ciencia relativamente nueva y actualmente cuenta con muchas y diversas ramificaciones en distintas tecnologías aplicadas. Comprende temas como la fricción, el desgaste, la lubricación, diseño y mantenimiento, etc.; es por ello que esta considerada como una ciencia interdisciplinar.

2.2. Requerimientos de lubricación en motores de combustión interna alternativos En los motores de combustión interna, donde el combustible es quemado en las entrañas del motor, la lubricación se ve enormemente dificultada debido a los fenómenos adicionales y más exigentes a los que se debe enfrentar; altas temperaturas, productos de la combustión y residuos que pueden contaminar el lubricante, altos esfuerzos de cizallamiento, etc. El tipo y calidad del combustible utilizado así como el tipo de ciclo de motor van a ser parámetros importantes en la lubricación. Las altas temperaturas a las que se verá sometido el lubricante en este tipo de motores es la característica básica que diferenciará la lubricación de estos equipos frente a otro tipo de maquinaría o motores de combustión externa. En la siguiente figura, 2.1, se presentan los problemas clave asociados a la lubricación en un típico motor de combustión interna.

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Figura 2.1. Requerimientos sobre el aceite en motores de combustión interna alternativos El grado de refino de los combustibles, la presencia de impurezas o de aditivos beneficiosos son parámetros importantes con relación a como va a quemar el combustible y por ende el efecto que va a tener sobre el lubricante. La mayor parte de los productos de la combustión son evacuados a la atmósfera vía el sistema de escape pero una significativa proporción de los mismos puede fugar a través de la holgura entre segmentos y camisa contaminando el aceite y pudiendo causar efectos adversos. En general podemos encontrarnos con los efectos que se presentan en la siguiente figura:

Figura 2.2. Productos obtenidos a partir de la combustión en los motores de combustión interna alternativos

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

Este paso de los productos de la combustión hacia el cárter es conocido con el término anglosajón de “blow-by”, y es particularmente significativo en los pequeños motores. Estos están diseñados para que tengan un tamaño reducido, así como su coste, con lo cual el control de tolerancias en la línea de producción es menor, aún cuando en los procesos productivos se ha mejorado ampliamente estos controles. La conexión directa entre pistón y cigüeñal mediante el bulón del pistón y la biela es un problema, especialmente en los motores de carrera corta, ya que ello conlleva la imposición de cargas laterales en el pistón y por tanto un sellado defectuoso por parte de los segmentos, con lo cual existe una tendencia creciente al paso de gases de la combustión al cárter. Los motores dotados con el sistema de ventilación positiva de cárter (Positive Crankase Ventilation: “PCV”) recirculan una cierta proporción de este blow-by hacia la cámara de combustión vía el sistema de admisión, pero de todas formas una gran parte de dichos gases quedan atrapados por el aceite del cárter. Generados como productos de la combustión y que aparecen en los gases del blow-by, tenemos: dióxido de carbono (CO2), agua, componentes ácidos e hidrocarburos parcialmente quemados, así como óxidos de nitrógeno. El dióxido de carbono y el agua provienen de la combustión de los combustibles: (Heptano) C7H16 + 11O2 → 7CO2 + 8 H2O (Tolueno) C7H8 + 9O2 → 7CO2 + 4 H2O

Ec. (2.1) Ec. (2.2)

Puede verse a partir de las ecuaciones presentadas anteriormente la gran cantidad de agua que se produce en una reacción de combustión de un hidrocarburo. Naturalmente, cuando el motor está operando en una temperatura normal, el agua permanece en estado vapor y es eliminada por el sistema de escape, pero el vapor de agua presente en los gases del blow-by pasa al cárter relativamente más frío y puede condensarse en el mismo. El agua líquida puede fijarse en diversos mecanismos del motor causando oxidación en los mismos o bien mezclarse con el mismo aceite creando una especie de barro (sludge). La parte relativamente más fría del motor suele ser la tapa de balancines y es allí donde también suele condensarse el agua formando el barro anteriormente mencionado. La utilización de aditivos dispersantes en el aceite trata de evitar que se produzcan estas condensaciones llevando en suspensión el agua hasta partes más calientes donde permita a la misma evaporarse y ser eliminada vía el sistema de

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ventilación. El equilibrio de la proporción de agua que existe en el aceite depende en parte de las temperaturas de funcionamiento del mismo así como del diseño general del motor.

Figura 2.3. Producción de barros en la tapa de balancines El dióxido de carbono producido, aún teniendo características de un ácido débil, puede ser desestimado como sustancia peligrosa para el motor y el lubricante. Por otra parte, los combustibles que contienen impurezas pueden conducir a más serios problemas debido a la formación de ácidos. El petróleo crudo contiene cantidades significativas de azufre (S), el cual no es totalmente eliminado durante el proceso de refinado del mismo, particularmente importante resulta esto en los combustibles para motores Diesel, en los cuales el azufre residual presente en el combustible se quema en la cámara de combustión y produce ácidos sulfuroso y sulfúrico. 2S + 2O2 → 2SO2 2SO2 + O2 → 2SO3, luego SO2 + H2O→ H2SO3 (ácido sulfuroso) SO3 + H2O→ H2SO4 (ácido sulfúrico) Hasta no hace mucho tiempo, las gasolinas para motores de encendido provocado (MEP) tenían un contenido en azufre mucho menor que los combustibles para Diesel, en el caso de las gasolinas con plomo existían aditivos utilizados para evitar la formación de los depósitos de óxidos de plomo formados a su vez por los compuestos en base plomo utilizados como mejoradores del índice de octano, estos aditivos solían ser cloruro y bromuro de etileno, los cuales pueden reaccionar en la cámara de combustión formando complejos oxiácidos de cloro y

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

bromo y también ácidos hidroclórico e hidrobrómico. Todos estos ácidos son capaces de producir corrosión y desgaste corrosivo en el motor así como actuar de catalizadores tanto para la degradación del aceite como para la formación de barnices y gomas a partir de dicho aceite. Estas gomas o depósitos tipo laca pueden producir el agarrotamiento de determinadas partes del motor, y resultan como consecuencia de combustiones parciales del combustible, en las cuales se producen sustancias reactivas, conocidas como “precursores de depósitos” y que aparecen en el blow-by. Estos, junto con otros productos de la degradación del lubricante, polimerizan en presencia de ácidos para formar depósitos (gomas), que en el caso de las partes calientes del motor como la falda del pistón pueden depositarse formando barnices marrones o amarillos. La formación continuada de estos barnices llevará finalmente a la producción de depósitos duros de carbón.

Figura 2.4: Formación de depósitos en pistón. Los aditivos alcalinos se utilizan en el aceite para la neutralización de estos ácidos y de esta manera prevenir sus peligrosos efectos tanto sobre el motor como sobre el aceite. El espectacular aumento de la vida útil de los motores en estas ultimas décadas se debe principalmente a la utilización de estos aditivos en los aceites. La introducción de las gasolinas sin plomo y las continuas reducciones en las cantidades máximas de azufre permitidas en los combustibles para motores Diesel han llevado a una gran reducción en la formación de estos ácidos conduciendo a nuevos tipos de formulación de aceites y probables incrementos en las vidas útiles tanto de los aceites como de los motores. Otro importante contaminante que aparece en mucha mayor medida en motores Diesel es la materia carbonosa. Proveniente de la incompleta combustión del combustible en las partes más frías de la cámara de combustión, así como

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debido a otros contaminantes, aparece en cierta proporción en el blow-by. Antes de la aparición de los aditivos dispersantes, la materia carbonosa y el agua en el lubricante eran los responsables de la aparición de grandes cantidades de barro gris y negro (“grey and black sludge”) en el cárter y en los conductos de lubricación, llevando a problemas de lubricación si el aceite no era cambiado con frecuencia. La materia carbonosa además puede adherirse a los depósitos de barniz acelerando la formación de depósitos carbonosos si la tendencia a la formación de barnices no está lo suficientemente controlada. Como resumen, un moderno lubricante no sólo debe ser estable a altas temperaturas y mantener la viscosidad adecuada en un amplio rango de temperaturas para el correcto funcionamiento del motor, sino que además debe contrarrestar los perniciosos efectos de los contaminantes comentados anteriormente. Ello incluirá aditivos para la dispersión del agua, materia carbonosa y otros constituyentes del blow-by, así como la capacidad de mantener estas sustancias en suspensión en el aceite. Otros aditivos reaccionaran y neutralizaran los diversos contaminantes ácidos que en caso de no ser así provocaran oxidación, corrosión o problemas debidos a la formación de depósitos. En párrafos precedentes hemos presentado las características de motores que típicamente podemos encontrar en automóviles, camiones y autobuses. Los motores en este tipo de vehículos suelen ser compactos y operar a alto régimen de giro, siendo esto posible debido a las relativas bajas cargas de inercia de los componentes, debido a su pequeño tamaño y reducido peso. Es conocido que el aumento del tamaño del motor lleva aparejada la correspondiente reducción de los regímenes de giro que pueden ser alcanzados [Muñoz, M. 1989]. Otros tipos de motores disponen de requerimientos diferentes o adicionales. Los motores lentos grandes (Large Diesel Engines), fundamentalmente utilizados en propulsión marina o como generadores, así como los motores semirrápidos (Medium size - medium speed) utilizados como tracción en locomotoras, equipos de movimientos de tierras y operaciones de perforación, así como motores auxiliares en buques o centrales de producción de energía; tienen como característica principal que sus costes de funcionamiento, y básicamente el coste del combustible dentro de estos, es el parámetro de mayor importancia a tener en cuenta. Por ello, la tendencia es a utilizar combustibles de bajo coste y por lo tanto, de baja calidad; por lo que serán necesarios lubricantes de alta capacidad detergente para paliar las deficiencias del uso de estos combustibles en cuanto a sus efectos adversos sobre el motor. Los combustibles de baja calidad suelen tener altos contenidos de azufre con lo que ello conlleva la utilización de aceites con

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elevada reserva alcalina para neutralizar los ácidos provenientes de la combustión de los mismos. Los siguientes párrafos darán una idea de los requerimientos de los diversos tipos de motores comentados anteriormente. Locomotoras: Las locomotoras Diesel van equipadas normalmente con motores específicamente diseñados para tal fin, en los que se combina alta potencia con ciertas restricciones de espacio. Para locomotoras de alta potencia la refrigeración puede ser un problema importante que junto con la baja calidad de combustible lleva a la necesidad de disponer de lubricantes que protejan el motor frente a depósitos en los alojamiento de los segmentos (“piston groove deposits”) que pueden provocar el engomado de segmentos, y contra el desgaste corrosivo. El lubricante debe además proteger adecuadamente contra la degradación mediante la utilización de antioxidantes adecuados. Algunos motores no toleran determinados aditivos que contengan Zinc, caso de los motores General Motors EMD, uno de los mas importantes fabricantes de este tipo de motores, los cuales poseen una característica diferencial que es la utilización de cojinetes con una capa superficial de plata, la cual es atacada rápidamente por el Zinc en caso de que este se encuentre presente en el aceite [Caines, A., 1996], [GM EMD MI 1756]. En referencia a esto podemos comentar que la empresa Renfe, usuaria de un número importante de este tipo de motores dispone de un aceite específicamente formulado por Repsol-YPF para la utilización en este tipo de motores. Mas adelante se comentarán más aspectos referentes a este tema. Motores Marinos: En los grandes motores marinos, suele imponerse la utilización del ciclo de dos tiempos aunque la característica más sobresaliente seria el empleo de los llamados motores de cruceta. La principal ventaja con esta disposición es la posibilidad de sellar el cárter de aceite al paso del blow-by y otra contaminación procedente de la cámara de combustión. Esto permite la utilización de combustibles residuales de bajo coste o alto contenido de azufre y para contrarrestar el ataque ácido y la formación de depósitos en los segmentos y pistón se utilizan lubricantes con elevada reserva alcalina, normalmente inyectados al nivel de los segmentos. El sellado evita el paso del blow-by, combustible inquemado y aceite de cilindros hacia el aceite de cárter, el cual puede ser un aceite medianamente detergente diseñado específicamente para la lubricación de la cruceta y el cigüeñal y con una vida relativamente larga.

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Tabla 2.1: Comparativa del nivel de reserva alcalina entre aceites para cilindros y aceites de cárter en motores de cruceta presentes en el mercado. Marca Repsol Shell Shell Mobil Repsol Shell Mobil

Aceites para cilindros (o de vástagos) Modelo Visc @ 100 ºC (cSt) Neptuno Cilindros SAE 50 20 Alexia Oil SAE 50 19,5 Alexia Oil X SAE 50 19,5 Mobilgard 50M SAE 40 14,5 Aceites para cárter Neptuno 500 SAE 40 15 Melina S Oil SAE 30 11,6 Delvac 1340 SAE 40 14,4

TBN (mg KOH/g) 70 70 100 50 5 5 10,7

2.3. Características de los circuitos de lubricación Los sistemas de lubricación de los motores se clasifican según las características básicas siguientes: ‰

‰

‰

De acuerdo con el procedimiento de suministrar el aceite a los puntos críticos de rozamiento se distinguen: ƒ Por barboteo: En este sistema las piezas que giran rápidamente (tales como el cigüeñal) salpican el aceite. Esto hace que en el espacio libre del cárter se encuentre una espesa niebla de pequeñas gotas de aceite que paulatinamente se introducen en los juegos entre las superficies rozantes. Este tipo de lubricación se utilizó en algunos motores antiguos; actualmente está en desuso debido a sus inconvenientes tales como: gran consumo de aceite, rápida oxidación del mismo y falta de seguridad en las zonas de fuerte fricción. ƒ Lubricación o engrase a presión, donde el aceite del cárter se suministra por medio de una bomba y de los conductos correspondientes a las superficies de rozamiento, de donde vuelve a escurrir al cárter. Con este sistema a las superficies rozantes llega la cantidad necesaria de aceite y se asegura su circulación intensa. ƒ Lubricación mixta, basada en la conjugación de los tipos anteriores. Por el procedimiento utilizado para suministrar el aceite al conjunto “cigüeñal – cojinetes de bancada y de biela”. ƒ Sucesivo: a través de los canales abiertos en el cigüeñal. ƒ Paralelo: a partir de la tubería maestra principal. Por el tipo de cárter: ƒ Cárter húmedo: el cárter sirve de depósito de aceite.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

ƒ

Cárter seco: en este caso actúa como elemento recolector del aceite que escurre y de aquí se pasa al tanque de almacenamiento.

Además, los sistemas de lubricación se caracterizan por determinados parámetros tales como la multiplicidad de circulación, la capacidad específica o el suministro específico de la bomba de aceite. La multiplicidad de circulación del aceite del motor, K, caracteriza la relación entre el suministro de la bomba de aceite, Qb y la capacidad del sistema de lubricación (volumen del cárter: V), con lo que determina la frecuencia con que unas mismas porciones de aceite entran en la zona de oxidación fuerte. K = Qb / V

Ec. (2.3)

Según el valor de multiplicidad de circulación los sistemas se dividen en sistemas con multiplicidad pequeña (K < 60 h-1) ó multiplicidad grande (K ≥ 60 h-1) [Vsorov, B. A.; 1986]. La capacidad específica del sistema de lubricación q, representa la relación entre la capacidad del sistema de lubricación y la potencia efectiva del motor. q = V / Ne

Ec. (2.4)

El suministro específico de la bomba de aceite se determina por la relación entre la alimentación de la sección principal y la potencia nominal del motor: αb = Qb / Ne

Ec. (2.5)

Los sistemas de lubricación suelen constar con los siguientes elementos: cárter o tanque de almacenamiento, bombas de aceite, depuradoras y filtros de aceite, tuberías, intercambiadores y elementos de control: ‰

‰

El cárter o tanque de almacenamiento debe ser lo suficientemente grande como para que el nivel de aceite no esté directamente en contacto con los sellos de los extremos del cigüeñal, o bien, para que las bielas no queden sumergidas en este bajo condiciones de extrema velocidad y carga. Debe contener un volumen suficiente, permitiendo que la multiplicidad de circulación sea lo suficientemente alta para evitar una excesiva oxidación del aceite debido a su poco tiempo de descanso en el cárter. El espacio disponible para la ubicación del motor suele ser un factor determinante a la hora del diseño de tamaño del cárter. Los tipos de bombas de aceite que se instalan mas frecuentemente en los motores son de los siguientes tipos por orden de importancia: bombas de

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engrane exterior con engranajes de dientes rectos u oblicuos, bombas de lóbulos, bombas de paletas y bombas de pistones.

Figura 2.5. Esquema de una bomba de engranajes

Figura 2.6. Esquema de una bomba de lóbulos

El caudal requerido de la bomba se determina por la cantidad de aceite:

ƒ ƒ ƒ ƒ

Suministrada a los cojinetes del cigüeñal, esta constituye el 50 – 70% de todo el aceite que ingresa al conducto principal. Descarga a través de la válvula de reducción de la bomba y del filtro de depuración fina del cárter. Suministrada al árbol de levas, a los mecanismos de accionamiento de las válvulas y a las unidades auxiliares (compresor, a los engranajes, al turbocompresor, etc.) Gastada para refrigerar la cara del pistón y lubricar los cilindros.

La cantidad de aceite necesaria para refrigerar los pistones depende del tipo de motor, del sistema de refrigeración, del grado de sobrealimentación y de la frecuencia de rotación. Para la refrigeración se gasta el 30 – 50% del aceite que ingresa para la lubricación de los mecanismos. El rendimiento volumétrico de la bomba depende de muchos factores, en primer lugar de la magnitud de las holguras frontales y radiales entre los engranajes y el cuerpo, de la temperatura y viscosidad del aceite, del enrarecimiento a la entrada de la bomba y contrapresión a la salida, del número de revoluciones de los engranajes y de las dimensiones de la bomba. ‰

Los intercambiadores tienen la misión de enfriar el aceite antes de una nueva entrada en el circuito de lubricación. Los tipos son diversos pudiendo tener agua o aire como fluidos refrigerantes.

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Los elementos de control del circuito de lubricación comprenden los dispositivos para medir presiones y temperaturas en el sistema, así como el nivel de aceite presente en el cárter.

Debido a la importancia del filtrado y depuración del aceite, debido sobre todo a su validez como síntoma en el diagnóstico de malfuncionamientos de diversos elementos le dedicamos un apartado específico a continuación.

2.4. La filtración: filtros y depuradoras La correcta filtración en el trabajo de un motor es de vital importancia, ya sea la filtración de aire como del aceite lubricante y del combustible. El principal objetivo que se persigue con la filtración es la eliminación de las partículas abrasivas presentes en los fluidos que van a circular por el motor. En segundo lugar, centrado básicamente en lo que atañe a lubricantes, la filtración de los mismos permite eliminar los productos de combustión y de la propia degradación de los mismos que van en suspensión, ya que pueden causar la formación de depósitos en los circuitos de engrase y en otras partes del motor. También por vía indirecta las partículas de suciedad que entran al sistema pueden acelerar el desgaste, o en el mejor de los casos, causar únicamente deficiencias de funcionamiento. Así, por ejemplo, fibras, partículas de materia plástica o de goma causan obturaciones en el circuito de aceite o en la entrada del combustible. Los filtros son los encargados de separar y retener las partículas, de determinados tamaños que, contenidas en el aire de aspiración, el aceite lubricante o en el combustible pueden constituir una potencial causa de desgaste en el motor. El concepto “partículas de determinado tamaño” se entiende como sectores limitados dentro de una escala continua de granulometría de las partículas arrastradas por los fluidos. Un filtro correctamente diseñado y mantenido deberá retener estas partículas en un porcentaje definido. Para el filtrado de los fluidos se utilizan diferentes tipos de filtros, diferenciándose en cuanto a su función, construcción y mantenimiento. Debido a los diferentes campos de aplicación, las diferencias entre filtros de aire de aspiración y de aceite lubricante son las más evidentes. Actualmente los filtros de combustible son muy similares a los de aceite, por lo cual no se incidirá en los mismos, y únicamente señalamos sus diferencias más importantes que son:

ƒ ƒ

Tienen menores exigencias en cuanto al reventamiento, ya que la presión de trabajo no alcanza los valores del circuito de aceite. Disponen de un material de filtrado más fino, ya que las holguras de los elementos que protegen son mas pequeñas.

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado

ƒ

ƒ

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Los filtros de combustible no poseen válvulas de derivación (by pass), de esta manera se evita con total seguridad la penetración de cantidades de suciedad aunque sean mínimas. Por otro lado ello implica que la colmatación de un filtro de combustible implica obligatoriamente la parada del motor. Adicionalmente se pueden combinar los filtros de combustible con instalaciones para la separación de agua y para el calentamiento del combustible Diesel (disposición ampliamente utilizada en grandes motores Diesel).

Figura 2.7. Grado de retención con la utilización de diversos tipos de papeles filtrantes después de un solo paso por el filtro El criterio mas importante para el diseño de un filtro son las exigencias que se tienen respecto a su función. Actualmente se observan básicamente los siguientes criterios:

ƒ

ƒ ƒ

Exigencias de filtrado más fino como consecuencia de la disminución de las holguras de los elementos móviles (fundamentalmente en cojinetes), mayores rangos de funcionamiento de los motores y elevados rendimientos. Tendencia a aumentar los intervalos de mantenimiento sobre los vehículos, lo que conlleva periodos de servicio del filtro más largos. Exigencias mayores en cuanto a accesibilidad de los filtros y a su mantenimiento.

La clasificación de la calidad de los filtros se realiza atendiendo a diferentes parámetros que a continuación se detallan:

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

Uno de los criterios mas importantes es el rendimiento del filtro, el cual indica el porcentaje de la suciedad incluida en el aire, aceite o combustible que puede ser eliminada mediante la filtración. En realidad se trata del rendimiento total del filtro, independientemente del tamaño de las partículas contaminantes. Sin embargo, en la práctica siempre resulta interesante conocer que tamaños de partículas han sido retenidas y en que porcentaje. En este caso se habla del denominado rendimiento fraccional del filtro para un determinado margen de tamaños de partículas (normalmente referido a su diámetro en µm). Complementariamente al rendimiento del filtro es el grado de paso. A pesar de que, en principio, se trata de lo mismo, se utiliza mas comúnmente este término ya que describe de forma más acertada como se está cargando de suciedad un motor u otro elemento. Si comparamos dos rendimientos de filtros de 99,9% y 99,6%, respectivamente, sugiere que existe casi una equivalencia. Sin embargo, el correspondiente grado de paso de 0,1% y 0,4% respectivamente, con una proporción de partículas que no son retenidas de 1:4 describe de manera más tajante la diferencia de la capacidad de rendimiento de ambos tipos de filtros. Para la valoración de la calidad de un filtro es también muy importante su capacidad de retención de la suciedad, indicando ésta, la cantidad total de suciedad que puede retener el filtro. Teniendo en cuenta las correspondientes condiciones de aplicación que se espera, se puede determinar el tiempo de servicio del filtro. El tiempo de duración es importante al proyectar un filtro ya que la vida útil, incluido el coeficiente de seguridad necesario, tiene que ser coordinado con los intervalos de mantenimiento predeterminados por el fabricante del motor. Con una creciente carga de suciedad el filtro se va obstruyendo poco a poco, con lo que aumentará la pérdida de carga para la sustancia a limpiar. Esto tiene como consecuencia perjuicios sobre el funcionamiento del motor debido a una subalimentación del mismo. La pérdida de carga se determina como presión diferencial entre entrada y salida del filtro. La finura de filtración está considerada como criterio decisivo para la calidad de un filtro. Este término en general se emplea si se trata de filtros de papel o filtros con medios filtrantes similares y está definiendo el diámetro máximo de las partículas que pueden pasar a través de los poros del medio filtrante. La finura absoluta de un filtro corresponde al tamaño de partículas más grandes de un espectro de tamaño de partículas, independientemente de su cantidad. Para los efectos de desgaste resulta mas interesante conocer la finura media del filtro. Este parámetro especifica un tamaño medio de partícula, con el cual el 50% de las impurezas pueden pasar el filtro mientras que el otro 50% son retenidas.

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2.4.1. La filtración del aire El aire va cargado siempre de un número importante de impurezas, cuya cantidad y composición varia según el ambiente. En el aire vamos a tener la presencia de lo que algunos autores llaman el enemigo número 1: el silicio [Blevins, G.; 1998]. Después del oxígeno el silicio es el elemento más abundante sobre la superficie de la tierra. No se encuentra de forma natural en estado elemental sino combinado con el oxigeno formando el sílice (SiO2), el cual podemos encontrarlo de forma libre: cuarzo, polvo, etc. o combinado con variedad de óxidos metálicos formando los silicatos. Como valor orientativo podemos decir que aproximadamente el 70% de la composición del polvo atmosférico es silicio. El silicio debido a esto es el principal indicador de la presencia de contaminación externa en el motor. Queda probado en diferentes estudios [Blevins, G.; 1998] [Figueroa, S. ; 1993] que la contaminación del aceite lubricante por silicio (polvo) es la más importante causa de un desgaste acelerado en el motor. La distribución de las partículas de polvo en los diferentes tamaños, varía con la naturaleza del suelo, del clima e incluso con el tipo de vehículo en desplazamiento. Las condiciones atmosféricas (húmedo o seco) y el estado de la carretera (carretera asfaltada o carretera con capa de grava) tienen la misma influencia en la concentración de polvo en el aire como por ejemplo la densidad y frecuencia de tráfico, las cuales son decisivas para el grado de “entremezcla” de polvo y aire. 2,5

2 Contaminación del aire g/m3

Contaminación del aire g/m3

2,5

Carros 1,5

Automoviles

1 0,5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Número de orden de los vehículos en la columna

Figura 2.8. Contaminación del aire en función de la posición de los vehículos en una columna, diferencia de comportamiento entre automóviles y carros de combate

2 1,5 1 0,5 0 20

25

30

35

40

45

50

55

60

Distancia entre los vehículos en marcha (m)

Figura 2.9: Contaminación del aire en función de la distancia entre carros de combate que se desplazan en columna.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

Puesto que, dependiendo del tamaño de las partículas, el polvo levantado está posándose mas o menos rápidamente, las zonas con menos polvo siempre son más altas que las zonas con mayor concentración de polvo.

Contaminación del aire (g/m3)

5 4 3 2 1 0 0,5

1 1,5 Altura por encima del suelo (m)

2

Figura 2.10: Contaminación del aire en función de la altura de toma de muestra para un tractor en servicio en el campo. Por esta razón el orificio de aspiración para el aire de combustión es colocado lo más alto posible si se trata de vehículos que trabajan en ambientes polvorientos. Esto es de gran importancia ya que el grado de separación de suciedad del filtro siempre es el mismo, independientemente de la concentración del polvo. Una creciente concentración de polvo, por lo tanto, tiene como consecuencia el aumento de la cantidad absoluta de polvo a absorber por el motor así como la reducción de la vida útil del filtro. Estudios realizados por [Ontiveros, L. E.; 1995] han probado la existencia de niveles de silicio diferenciados en lubricantes usados en motores montados en buques, en función de la ruta que realizan, probándose que buques en rutas próximas a las Islas Canarias o en el Golfo Pérsico muestran valores superiores de contaminación por silicio que los que realizan otras rutas, fundamentalmente Mar del Norte y Cantábrico. Tabla 2.2. Resultados obtenidos en la comparación de motores según rutas efectuadas en la contaminación por Silicio. Motores 4 T alta potencia

Concentración media de silicio medida

Motores 2 T

Ruta con polvo

Ruta sin polvo

Ruta con polvo

Ruta sin polvo

25,7 ppm

13,6 ppm

12,9 ppm

8,8 ppm

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado

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Las partículas de polvo y arena varían en tamaño, forma y propiedades abrasivas. En un motor la entrada principal del polvo atmosférico es básicamente a través del circuito de admisión. Los filtros de aire del circuito en buena condición son capaces de retener el 99% del polvo que accede a los mismos. El 1% remanente entra hacia el motor, sus tamaños varían entre partículas submicrónicas hasta mas de 10 µm. Estas partículas de tamaños similar al espesor de la película lubricante en diversas áreas son las que más daño pueden causar sobre los componentes. Tengamos en cuenta que si la partícula es mucho menor que la película lubricante pasará a través de la misma prácticamente sin generar un daño apreciable, si el tamaño es superior a la holgura de los elementos en movimiento relativo, la partícula no entra en la misma, pero en el caso de que el tamaño de la partícula sea similar a dicha holgura es la peor situación ya que esta partícula forma un enlace directo entre las dos superficies eliminando el efecto de la película de aceite. El primer e inmediato efecto es una especie de “rastrillado” sobre la superficie ya que la partícula es arrastrada y rodada a través de la misma. El segundo efecto y potencialmente más perjudicial es que una vez introducida la partícula sobre las superficies cambia la carga homogéneamente repartida en una carga puntual sobre el punto de contacto de la partícula, con lo que se genera una deformación de la superficie en el contacto puntual, que eventualmente puede llevar a una fatiga del metal y posteriormente a una rotura del mismo. Como problema añadido se puede comentar que el aumento del desgaste puede llevar también a un aumento de la tasa de consumo de aceite. En referencia a esta problemática podemos presentar los resultados observados en un caso práctico estudiado en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la UPV. Una importante empresa de transporte con un parque de motores numeroso, comenzó a observar en los análisis de aceite realizados a los motores como en determinados casos comenzaban a apreciarse valores superiores de contenido de silicio en el momento del cambio de aceite, comparados frente a los valores típicos que se presentaban anteriormente en estos mismos motores o frente a otros motores en uso. Realizada la consulta coincidimos con los técnicos de la empresa que el aumento en la cantidad de silicio al cambio podía deberse a algún problema relacionado con los filtros, a saber: una incorrecta selección del tipo de filtro de aire que se estaban utilizando en determinados vehículos o a un mal mantenimiento de los mismos, ya que estos filtros cada cierto periodo de uso como intervención sistemática de mantenimiento aparece la limpieza de los mismos, una posibilidad podía ser que el intervalo de uso o los intervalos de limpieza de estos filtros fuesen aplicados de manera incorrecta. Tras estas primeras suposiciones, se atacó el problema por ambas vías, por una parte se comprobó la conformidad de los filtros con las indicaciones del fabricante del motor para los mismos y por otra parte se disminuyó los periodos de limpieza y el periodo de

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

cambio de los filtros. Pasado un tiempo prudencial se observó que el problema no remitía y en determinados casos lo que hacía era agravarse. Se continuaba con elevados valores de silicio en el aceite que llevaban en la mayoría de los casos a una perdida de compresión en los cilindros, debido al desgaste del conjunto segmentos pistón camisa y en los casos más graves a un rayado de las camisas y el gripado. Descartado el que el problema fuese debido a los filtros del aire de aspiración, se intentó comprobar si el problema provenía de la existencia de alguna vía de entrada de aire sin filtrar al motor. Para ello se preparó una campaña de inspección sobre una muestra representativa de los motores para comprobar este problema, para ello se presurizaba el circuito de admisión insuflando aire y se utilizó un sistema de detección de fugas mediante la utilización de un medidor por ultrasonidos. Los resultados de esta campaña mostraron que existía una vía de aire sin filtrar en los motores que presentaban valores altos de silicio en el aceite, en concreto se comprobó que el manguito de unión entre el filtro y el turbocompresor, de un determinado tipo de caucho, con el tiempo de uso se rigidizaba y las abrazaderas utilizadas para ajustarlo a los conductos no lo hacían ya estanco, quedando una vía de entrada de aire favorecida además por la depresión que generaba el turbocompresor que estaba aguas abajo de este punto de entrada. Se planteó como solución cambiar el diseño del manguito y el material del mismo para evitar que apareciera este efecto y se realizó la prueba sobre una serie de motores en los cuales había aparecido este problema. En los primeros resultados ya empezó a observarse que se comprobaba un drástico descenso en el nivel de silicio en el aceite, confirmándose en todos los motores utilizados para la prueba. A continuación se presentan algunos resultados obtenidos en las pruebas de los mismos: 40

40

Motor Nº 7277133

Motor Nº 7991090 30

Fecha de toma de muestra

Fecha de toma de muestra

1/8/01

10/14/99

7/7/98

6/11/97

8/25/00

1/26/00

0

6/28/99

0 11/6/98

10

5/5/98

10

12/23/96

20

5/2/96

Concentración Si (ppm)

20

6/20/96

Concentración Si (ppm)

30

Figura 2.11: Reducción de los niveles de silicio medidos en las muestras de aceite tras el cambio de configuración del manguito en tres motores distintos.

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado

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En el ejemplo anteriormente mencionado se disponía de la peor situación de los motores en cuanto a colocación de cara a la contaminación por polvo, los mismos se encuentran en la parte inferior del vehículo a corta distancia del suelo, con una formación de tipo convoy y moviéndose el vehículo a través de zonas polvorientas. Todo estos factores actuaban como amplificadores haciendo aún más crítico el problema.

2.4.2. La filtración del aceite La filtración del aceite es necesaria a causa de la contaminación del mismo, que se genera de formas diferentes: ‰

‰

A partir de la contaminación por impurezas exteriores de diferente naturaleza ƒ Polvo atmosférico e impurezas externas que se introducen a través del circuito de admisión o por aspiración a través de respiraderos, varillas de nivel de aceite, juntas mal ajustadas o por el mismo aceite en caso de utilizarse sucio debido a una incorrecta manipulación. ƒ Agua procedente de la condensación en el interior de los motores, de la respiración del cárter y de las posibles fugas del sistema de refrigeración. ƒ Abrasivos diversos: utilizados en el proceso de fabricación del motor o para su limpieza. Por la propia alteración y degradación del aceite ƒ Productos de la combustión que pasan al aceite ƒ El propio combustible que produce el efecto de dilución del aceite ƒ Productos del propio desgaste del motor: hierro, cobre, plomo, etc.

En primer lugar, la función de los filtros de aceite es la de retener todas las partículas abrasivas, que sobrepasen un cierto tamaño, lo que determina su grado de filtración. La acción de los filtros de aceite sobre la reducción del desgaste es debida simultáneamente a la retención de partículas abrasivas y compuestos carbonosos, que retienen a su vez compuestos orgánicos ácidos capaces de ejercer un efecto sobre el desgaste de naturaleza corrosiva. Las características generales de un filtro de aceite dependen de una serie de factores como son: ‰

De la naturaleza del líquido a filtrar y de sus condiciones (viscosidad, temperatura, presión)

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‰

De las impurezas que hay que retener, es decir, naturaleza química, granulometría, carga eléctrica, concentración, etc. Del límite inferior del diámetro de las partículas que hay que retener De la pérdida de carga admisible para el conjunto del filtro De la duración del filtro, si se trata de filtros de vida limitada, o de la frecuencia de mantenimiento en otros tipos de filtros. De los imperativos físicos y químicos de la filtración, relacionado fundamentalmente con la conservación de los aditivos detergentes y de los demás aditivos utilizados en el lubricante De las posibilidades de obstrucción o colmatación de los filtros

En función de todas estas características se puede determinar el procedimiento mas apropiado para la filtración. Se han introducido dos principios diferentes en la filtración del aceite lubricante, principios que a su vez pueden ser combinados. La conexión en circuito primario: Las características del principio más importante y más frecuentemente utilizado es que todo el aceite pase por el elemento filtrante. Evidentemente ésta es la conexión mas efectiva, ya que así, todo el caudal debe pasar por el filtro lo que, naturalmente, influirá en el tamaño del mismo. Ya que el tamaño no puede aumentarse de forma arbitraria, hay que llegar a una solución de compromiso limitándose a una filtración medio fina. Sin embargo el aseguramiento de la alimentación de aceite debe tener prioridad sobre la eficiencia del filtro. Por esta razón, cuando el aumento de la pérdida de carga, causado por la obturación del papel, llega a valores peligrosos, se abre una válvula de derivación, también llamada de by-pass. Con la válvula de derivación abierta parcialmente, el filtro del circuito primario no pierde su eficiencia; al contrario se transforma en una conexión de circuito secundario que filtra un caudal parcial del aceite. Como material filtrante para los filtros del circuito primario se emplea casi exclusivamente el papel filtrante. Las impregnaciones especiales permiten una resistencia a las altas temperaturas; una geometría sólida de los pliegues y un apoyo especial de los pliegues en la cara de salida que responden a la presión diferencial elevada. La conexión del circuito secundario. En este tipo de conexión, entre la bomba de aceite y los puntos de lubricación, se deriva un pequeño caudal parcial al llamado filtro de circuito secundario, que esta filtrando de forma aproximada entre un 5 y un 10% del caudal total por ciclo. Mientras que en el papel del circuito primario el efecto filtrante tiene lugar principalmente en la superficie, los filtros de circuito secundario funcionan según el principio del efecto en profundidad, según

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el cual el caudal parcial pasa por un paquete de fibras (casi siempre borras de algodón o fibras sintéticas). Al mismo tiempo la velocidad de circulación se reduce por las dimensiones suficientemente grandes, así partículas finísimas de un tamaño aproximado de 1 µm tiene la posibilidad de depositarse en las fibras por razón de la adherencia. Características del filtro del circuito secundario son: el caudal que se reduce con el aumento de la obturación así como la capacidad de separación elevada causada por el efecto de profundidad. La desventaja principal de la conexión en el circuito secundario es que solamente después de unos cuantos pasos hay una probabilidad suficiente de que todas las partículas sean eliminadas. Por otro lado, los filtros de circuito secundario originan una limitación de la concentración de suciedad por su efecto de filtración fina y esto es una exigencia muy importante. Emplear únicamente filtros de circuito secundario, sin embargo, no da mejor resultado que los filtros de circuito primario. Por esta razón se aplica una combinación de filtros de circuito primario y secundario siempre que se deba lograr una filtración especialmente eficaz. En los motores grandes, de aplicaciones estacionarias o de marinos es donde encontramos circuitos de filtración y depuración del lubricante más completos y sofisticados. Los circuitos de depuración son los encargados de eliminar las impurezas presentes en el lubricante tras la operación en el motor, impurezas tales como: residuos sólidos, contaminaciones como agua y restos de carbón procedente de las fugas de los gases de la combustión a través de los aros del pistón. Los circuitos de depuración constan principalmente de las siguientes unidades: ‰

Purificadoras (clarificadoras) cuya misión es centrifugar el lubricante, eliminando los productos sólidos en suspensión.

Los separadores centrífugos o centrifugadoras, son comúnmente empleados en el mantenimiento del aceite. Tienen la ventaja sobre los filtros estáticos de estar capacitados para eliminar grandes cantidades de agua en el aceite; en equipos de grandes dimensiones pueden limpiar hasta 8000 l/h, aunque esto rara vez resulta necesario. Con un adecuado mantenimiento estos equipos pueden eliminar contaminantes sólidos de hasta 3 µm de diámetro, tamaño que sólo podría ser eliminado por filtros estáticos de mallado muy fino. Estos equipos se basan en el principio de que los líquidos y los sólidos tienen diferentes pesos específicos, por lo que utilizan la misma técnica que un sedimentador, pero en las centrifugadoras la fuerza de separación puede ser equivalente a 1500 veces la fuerza de la gravedad (1500 g). Su modo de operación

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se basa en hacer girar el aceite en un depósito a gran velocidad; los sólidos, que poseen un peso específico superior, son expulsados hacia la periferia del tanque separándose del aceite por efecto de la fuerza centrífuga; el agua, que también posee un mayor peso específico, forma un estrato anular entre los sólidos y el lubricante, dejando al último con menor peso específico en el centro. Los sólidos y el agua son recolectados y eliminados de forma manual o automáticamente a intervalos apropiados, dejando de este modo el aceite limpio para regresar al sistema de lubricación. Las centrífugas pueden operar bajo diferentes disposiciones; para aceites susceptibles de sufrir contaminaciones con agua, la centrifugadora se prepara previamente con un drenaje para el agua y una salida para el aceite; con este montaje el equipo se conoce como depuradora. Cuando el aceite está relativamente seco, es preferible conseguir una máxima separación entre los contaminantes sólidos y el aceite, dejando a la centrifugadora provista sólo de una salida para el aceite limpio, los equipos de centrifugado que operan bajo este sistema son conocidos como clarificadoras. Los factores que influyen en la separación son los siguientes:

ƒ ƒ

ƒ

ƒ

La diferencia de densidades, dado que la fuerza centrifuga actúa sobre todas las materias en proporción a su densidad, por lo que resulta más sencillo la separación cuanto mayor es la diferencia de densidades. El tamaño y forma de las materias, atendiendo a que cuanto mayor es el tamaño de las partículas, mayor es su velocidad de sedimentación, por lo que en ningún caso es recomendable que la mezcla se aproxime al estado coloidal. Del mismo modo las partículas de tamaño uniforme y redondeado son más fáciles de eliminar que las irregulares. La viscosidad del fluido también hay que tenerla en cuenta ya que cuanto menor es esta, los resultados de la depuración son mejores. De aquí la necesidad de precalentar los aceites para adecuar su viscosidad al régimen de mayor rendimiento de la separadora. El flujo de depuración (caudal) es otro de los parámetros a tener en cuenta obteniéndose evidentemente mejores resultados con caudales menores. Debe distinguirse entre la máxima capacidad de la centrífuga y el gasto de aceite que puede ser manejado a su máxima eficiencia. Por lo general, la máxima eficiencia de una centrifuga se encuentra alrededor del 50% de su máxima capacidad.

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El efecto más buscado en las instalaciones de depuración de los aceites lubricantes es de la clarificación, ya que la presencia de agua en los aceites no es normal, y de haberla es debido a la presencia de una avería. ‰

Calentadores: su misión es la de elevar la temperatura del lubricante favoreciendo de esta forma la separación de las partículas sólidas y el agua. La finalidad del incremento de la temperatura del lubricante es favorecer la diferencia de pesos específicos entre los distintos elementos que forman parte del fluido a depurar de modo que la densidad del lubricante no es la misma a 40 ºC que a 90 ºC, por lo que se considera fundamental elevar dicha temperatura con el fin de obtener resultados efectivos.

El hecho de que los incrementos de temperatura favorezcan los resultados de la depuración nos lleva a establecer los límites inferior y superior de la temperatura del lubricante antes de entrar a la depuradora. Un aceite puede sufrir pérdidas de sus propiedades físico químicas cuando sobrepasa los 110 ºC de temperatura, pudiendo llegar a la coquización a partir de esta temperatura en función del aceite base empleado en su obtención [Morán, R.; 1997]. Los aceites actuales superan los 220 – 240 ºC de punto de inflamación, lo cual únicamente nos indica la temperatura a que los vapores que se desprenden pueden entrar en combustión en presencia de una llama, pero no la temperatura límite de trabajo, que no debería superar los 100 – 110 ºC con el fin de evitar posibles coquizaciones y pérdidas importantes de propiedades del lubricante. Con todo ello, la mejora del rendimiento de depuración por medio del calentamiento previo del lubricante es un recurso óptimo aunque teniendo en cuenta que el rango de temperatura debe estar entre 85 – 95 ºC ponderando de esta manera las óptimas condiciones de separación y el mínimo impacto negativo sobre el lubricante. ‰

Por último en este tipo de motores nos encontraremos también con los elementos de limpieza del aceite típicos, los filtros y los intercambiadores para el enfriamiento del lubricante después de su operación.

2.4.3. La filtración del combustible La filtración del combustible es fundamental en los motores Diesel, ya que el buen funcionamiento de las bombas de inyección y de los inyectores está puesta en juego en función de la limpieza del combustible. Las impurezas que podemos encontrar en suspensión en los combustibles comprenden: herrumbre, sustancias minerales, productos diversos de oxidación y agua.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

En este punto conviene señalar la diferencia existente entre los combustibles para Automoción (tipo A), y los fuel-oils de utilización fundamentalmente en motores estacionarios grandes y motores marinos. La limpieza de los combustibles típicos de automoción se realiza con sistemas de filtrado estáticos muy similares a los que se emplean para el filtrado del aceite lubricante, tal y como se ha comentado previamente. Para la limpieza de los combustibles residuales (fuel-oil) es habitual instalar dos equipos montados en serie; el primero operando como depuradora, eliminando la gran mayoría de los sólidos y el agua, mientras que el segundo está preparado como clarificadora, completando la eliminación de sólidos insolubles o cualquier otra cantidad de agua aún presente en el combustible.

2.5. El consumo de aceite El consumo de aceite, entendido como las reposiciones o rellenos efectuados sobre el cárter, más que como el periodo de uso del mismo, es un parámetro muy importante en el funcionamiento del motor, sobre todo en el aspecto del mantenimiento, ya que a menudo es utilizado como parámetro indicativo del desgaste que está sufriendo el motor. El consumo de aceite en el motor ha de tenerse en cuenta en función de diversos aspectos; en primer lugar en cuanto a su aspecto económico, al ser un parámetro directo en el coste de utilización del vehículo o sistema donde esta montado el motor 1, y en razón a su importancia técnica al estar relacionado con el funcionamiento o estado del motor y por último por la previsión o vigilancia a tener en cuenta en relación con la evolución mecánica del motor en el curso de su utilización. Convendría citar si acaso también la importancia de la presencia de aceite en los gases de escape actuando en los mismos como un componente más que afecta a la contaminación medio ambiental. El consumo de aceite en los motores se realiza según unos determinados procedimientos que vamos a explicar en los siguientes puntos:

1

La flota de autobuses urbanos de Valencia (EMT) tuvo un consumo de aceite lubricante de motor en el año 2000 de 60000 litros, lo cual supone una importante cifra de dinero, aunque en términos comparativos con el consumo de combustible es únicamente un 2%.

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2.5.1. Mecanismos del consumo de aceite Dos son las razones básicas por las que se produce el consumo del aceite lubricante en el motor: ‰

‰

Debido a pérdidas del fluido en diferentes puntos: a través de las diferentes juntas, respiraderos, orificios de indicador de nivel y de llenado de aceite, etc. Por la combustión del aceite que pasa entre pistones y cilindros y entre las varillas y guías de las válvulas hacia la cámara de combustión.

El consumo por fugas o pérdidas de diversa naturaleza está relacionado con el diseño del motor y con sus condiciones de utilización (circulación por carreteras accidentadas, elevado régimen medio del motor, nivel de aceite demasiado alto), así como el mantenimiento efectuado. Centrándonos en los mecanismos de consumo de aceite debido a la combustión del mismo, tal y como se ha comentado, tenemos dos posibles vías de entrada a la cámara de combustión que pasamos a ver mas detalladamente a continuación: A. Consumo de aceite por el sistema varilla - guía de válvula Las válvulas deben estar convenientemente lubricadas para impedir el rayado y gripado de las varillas y guías. Por el contrario, cuando entre las varillas de las válvulas pasa una cantidad excesiva de aceite que penetra en las cámaras de combustión o en los orificios de escape se presentan tres problemas:

ƒ

ƒ ƒ

Un consumo de aceite elevado, con posible formación de humo azul en la tubería del escape (básicamente la aparición de humo azul por el escape se asocia a la combustión del lubricante, aunque en ocasiones parte del combustible sin quemar puede aparecer como humo azul si el tamaño de las gotas es próximo a las 0.5 µm [Macian, V.; 1993]). Formación excesiva de depósitos de carbono sobre las tulipas de las válvulas o las lumbreras, lo que lleva consigo una modificación en el comportamiento o funcionamiento del motor. Formación importante de depósitos en las cámaras de combustión de los motores de gasolina, lo que conduce a una rápida elevación de la exigencia en octano, como consecuencia de la actuación de estos depósitos como puntos calientes que produzcan el encendido de la mezcla.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

Las fugas por las guías de las válvulas pueden llegar a suponer en algunos casos hasta un 75% o más del consumo total de aceite, siendo del 50% un valor medio. El paso de aceite por el juego varillas-guía de válvulas, tanto de admisión como de escape, se explica así: ‰

Para las válvulas de admisión

Al final del tiempo de escape, la presión en el cilindro es próxima a la presión atmosférica, pero en el colector de admisión reina una depresión elevada. Cuando se abre la válvula de admisión en tanto la válvula de escape no se ha cerrado todavía (cruce de válvulas), los gases de escape se precipitan hacia el colector de admisión. Esta acción, que es muy rápida, puede engendrar alrededor de la varilla de la válvula de admisión una depresión más importante que la propia depresión de admisión. Aparte de este efecto, las fugas de aceite se deben normalmente a la depresión de admisión y al movimiento propio de la varilla en su guía. El avance al encendido, el ajuste y el reglaje de las válvulas, la depresión en el colector de admisión, así como sus variaciones (por ejemplo por aceleraciones o deceleraciones frecuentes y rápidas) son factores que independientemente de las holguras sobre varillas y guías tienen una gran influencia en las fugas de aceite ‰

Para las válvulas de escape

En el momento de la apertura de las válvulas se produce una depresión transitoria alrededor de las varillas de estas válvulas, causando una aspiración de aceite, añadiendo además el efecto del movimiento propio de la varilla en su guía que además se ve agravado por la alta temperatura de los gases de escape. Cuando se cierra la válvula el efecto simultaneo de la tensión superficial del lubricante y de la gravedad provocan un nuevo aporte de aceite que moja la varilla y la tulipa de la válvula, comenzando de nuevo el efecto anterior. Para evitar una excesiva perdida de aceite por las válvulas existen dos soluciones posibles:

ƒ ƒ

En un primer paso intentar impedir que el aceite llegue en exceso hacia la zona de las guías y varillas. Una segunda posibilidad es retirar el exceso de aceite sobre la varilla antes de que este alcance el orificio de la válvula.

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B. Consumo por el conjunto pistón, segmentos y camisa Está ampliamente aceptado que existen tres mecanismos principales de consumo de aceite en la zona de segmentadura y camisa del motor [Gulwadi, S. D.; 2000], [Schilling, A.; 1968].

ƒ ƒ ƒ

Consumo de aceite debido a la evaporación del mismo. Paso de aceite por la parte posterior y entre las caras laterales de los segmentos en sus alojamientos. Arrastre de partículas de aceite de la acumulación de aceite en el segmento de fuego debido a los efectos de inercia.

En estos fenómenos se comprende la importancia del papel que juegan los segmentos en el funcionamiento del motor. Estos tienen las misiones de: asegurar la estanqueidad a los gases (fundamentalmente el primer segmento o segmento de fuego); facilitar el retorno de aceite hacia el cárter (tarea asignada fundamentalmente al llamado segmento rascador); y contribuir, en una importante medida, a la evacuación del calor desde el pistón hacia el cilindro. Por tanto vemos la importancia de la segmentadura en el funcionamiento del motor y en particular sobre el consumo de aceite. Con respecto a su juego en altura, si este es demasiado pequeño reduce el desplazamiento del segmento en su alojamiento lo que puede conducir a un agarrotamiento y posterior pegado del mismo. El juego de fondo o radial, si es demasiado estrecho puede llevar a un pegado rápido del mismo. Finalmente el juego de corte no tiene una influencia apreciable en el consumo de aceite, pero debe ser suficiente en caliente para que las extremidades no entren en contacto, lo que produciría el pegado y ruptura. La forma del corte de los segmentos, normalmente recta, y la distribución de los mismos en el pistón buscando una forma laberíntica para perjudicar el paso de los gases no parece tener excesiva influencia sobre el consumo de aceite. Características del aceite que tienen influencia sobre su consumo. Las características principales del aceite que tienen influencia en el consumo son: la volatilidad, la viscosidad y la variación de la viscosidad con la temperatura (índice de viscosidad). Parece lógico pensar que aceites más volátiles, esto es, con mayor facilidad para dejar evaporar las fracciones más ligeras de los mismos, van a presentar un mayor consumo del mismo en el motor. Utilizando como parámetro representativo de la volatilidad del aceite el punto de inflamación del mismo, aunque este no sea un parámetro excesivamente preciso como medida de la volatilidad del aceite se ha

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

comprobado que aceites de igual viscosidad sobre ensayos en motor en banco muestran la tendencia anteriormente mencionada, figura 2.12 [Schilling, A.; 1968]. Con los datos que se disponen sobre consumos en motores rápidos Diesel de utilización en barcos se han obtenido resultados muy similares a los anteriores, tal como se presenta en la figura 2.13: 280 Punto de inflamación en vaso abierto, ºC

Punto de inflamación en vaso abierto, ºC

300

200

100

0

260 240 220 200 180 160 140 120

50

100

150

200

250

300

Consumo relativo de aceite %

Figura 2.12. Consumo relativo de diferentes aceites de la misma viscosidad en función de sus puntos de inflamación en vaso abierto.

3

5

7

9

11

13

15

Consumo medio de aceite al periodo de cambio (l)

Figura 2.13. Consumo medio de aceite al periodo de cambio en función de los puntos de inflamación de los aceites nuevos, todos ellos SAE 30.

La influencia exacta de la volatilidad sobre el consumo del aceite en servicio es difícil de evaluar, ya que depende de la vida del aceite en servicio, así el consumo puede ser relativamente elevado inicialmente cuando los constituyentes más volátiles del aceite son evaporados, reduciéndose este consumo tras la eliminación de estos compuestos. Después es la viscosidad la que principalmente rige el consumo, pero en este caso hay que tener en cuenta el tipo de base utilizada, en caso de que se trate de un aceite multigrado, ya que si es obtenido a partir de una base muy fluida, esto es, volátil y para obtener el comportamiento de multigrado se le ha aditivado mucho, el consumo será función de la volatilidad de la base. Influencia de las Condiciones de Funcionamiento La carga y el régimen del motor tienen su propia influencia en el consumo de aceite. El consumo aumenta con el régimen del motor. A régimen constante, puede disminuir con la elevación de la carga o de la potencia, si la temperatura del aceite permanece más o menos constante. En efecto a cargas bajas las depresiones elevadas que reinan en la admisión actúan sobre las pérdidas de aceite. El rápido aumento del consumo de aceite con el régimen de motor parece ser debido al hecho de que la cantidad de aceite proyectado por unidad de tiempo

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sobre las paredes de los cilindros alcanza un valor tal que la capacidad de barrido de los segmentos rascadores llega a ser insuficiente para poder controlar eficazmente el paso de aceite hacia las cámaras de combustión. Si a velocidad constante no se observan influencias sensibles en el consumo de aceite por variación de la carga del motor o de la temperatura de aceite, es que probablemente los segmentos siguen siendo capaces de controlar el paso de aceite hacia la cámara de combustión, a pesar de la baja viscosidad que puede adquirir el aceite a altas temperaturas. Influencia del Estado Mecánico El estado mecánico de un motor y su evolución con el tiempo tienen igualmente una gran influencia sobre el consumo de aceite. El estado mecánico se caracteriza por un conjunto de juegos y de estados de superficie de las piezas animadas de un movimiento relativo. En un motor nuevo, estas condiciones están fijadas por el constructor dentro de unos límites de tolerancias. Durante el periodo de rodaje, durante el cual se perfeccionan estas condiciones, el consumo específico del aceite puede ser importante, pero como los servicios exigidos al motor son limitados, el consumo en valor absoluto, es relativamente bajo. Una vez acabado el rodaje, son mayores las exigencias de funcionamiento, pero los juegos y estados de superficie han alcanzado su punto óptimo y el consumo de aceite se estabiliza en cierto valor durante un periodo más o menos largo. Más tarde, debido al desgaste que actúa sobre los juegos, formas geométricas y estados de superficie, el consumo de aceite aumenta progresivamente hasta que alcanza un nivel que se juzga como excesivo. En referencia al control del nivel de aceite lubricante en el motor hay que decir que es una típica acción de mantenimiento sistemático en los mismos, con el consiguiente empleo de recursos en su realización. En orden a reducir el tiempo empleado en la inspección del mismo o la frecuencia de realización de dicha acción podemos encontrarnos con diversas soluciones que aportan fabricantes y usuarios de los motores. Para motores pequeños de automóvil es bastante común actualmente encontrarnos con sistemas de determinación del nivel de aceite en el cárter electrónicos que se presentan sobre la consola del conductor, informando al mismo, cada vez que arranca el motor, del nivel de aceite disponible. En este caso en algunas ocasiones la utilización de este tipo de dispositivos viene dada ante la dificultad de acceso a la típica varilla de control de nivel debido a los problemas de espacio en la colocación del motor. Para motores más grandes de uso en Automoción, y en orden a prolongar las frecuencias de inspección del nivel de aceite en el cárter se emplean sistemas de relleno automático de aceite, tales como

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el Nivelmatic o el Oilmaster, los cuales se basan en la utilización de un depósito de reserva auxiliar conectado al cárter de aceite y que mediante la utilización de sondas de nivel detecta este y rellena el mismo cuando cae por debajo del nivel de consigna.

2.6. Formación de depósitos La formación de depósitos en distintas partes del motor es un aspecto a tener muy en cuenta, ya que los mismos van a influenciar de forma muy directa el comportamiento del sistema de lubricación así como la consecución de todas las tareas que se encomiendan al aceite lubricante. En el siguiente punto vamos a tratar diferentes aspectos en cuanto a la clasificación de los depósitos en motor, su formación y la necesidades de control y eliminación de los mismos.

2.6.1. Clasificación de los distintos tipos de depósitos. Podemos clasificar los distintos tipos de depósitos que podemos encontrar en el motor en las siguientes clases:

ƒ

ƒ

ƒ

Depósitos que ponen en peligro la vida del motor por dificultar la circulación del lubricante, actuando fundamentalmente taponando los filtros o los circuitos de lubricación, con lo cual, existe un importante riesgo ante la disminución del suministro de lubricante. Depósitos que pueden conducir a una avería prematura de ciertas piezas del motor, tales como: • Depósitos sobre varillas y válvulas con eventual influencia en el pegado y quemado de las mismas • Depósitos en la zona de segmentadura, limitando la libertad de movimientos de los segmentos en sus alojamientos. Depósitos que provocan un progresivo empeoramiento en el funcionamiento del motor, pero sin perjuicio inmediato sobre sus piezas: • Barnices sobre la falda del pistón, provocando una interferencia en la transmisión de calor entre pistón y cilindro y que pueden llevar en casos extremos al pegado en frío de los pistones a los cilindros. • Depósitos en las ranuras de los segmentos rascadores y en los orificios de retorno del aceite en los pistones, obstruyendo el paso del mismo lo que conlleva a su vez un aumento del consumo de aceite

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•

ƒ

En cámara de combustión, provocando una pérdida de potencia debido a la aparición de formas anormales de combustión (fundamentalmente motores de gasolina) Depósitos no perjudiciales para el funcionamiento del motor pero que conllevan un aumento del trabajo de mantenimiento del mismo. • Depósitos sobre la cubierta de la distribución, cubrebalancines, cárter, filtros, etc.

La naturaleza de los depósitos que podemos encontrar en los motores está en función de la temperatura de formación de los mismos, así podemos encontrar:

ƒ ƒ ƒ

Depósitos de alta temperatura o calamina que se forman en las partes sometidas a mayores temperaturas tales como cámara de combustión, cabeza de pistón y válvulas de escape. Depósitos de temperatura intermedia tales como barnices, lacas y materia carbonosa en las zonas de segmentos, faldas del pistón y válvulas de admisión Depósitos de temperatura relativamente baja, lo que se conoce como barros y que se forma en el cárter, cubiertas de los balancines y de la distribución o en los filtros del circuito de lubricante, etc.

2.6.2. Depósitos en la cámara de combustión En general los depósitos en cámara de combustión en motores de encendido por compresión son menos problemáticos que los que se presentan en los motores de encendido provocado. Las características esenciales del mecanismo de formación y adhesión de depósitos en las cámaras de combustión de los motores Diesel puede presentarse de la siguiente forma [Schilling, A.; 1968]: 1. En el proceso de combustión, durante la fase premezclada de la combustión puede liberarse ya carbono sólido. En la fase de difusión, la formación de carbono sólido aumenta entonces teóricamente con el número de átomos de carbono de las moléculas de hidrocarburos parafínicos. La elevación de temperatura que resulta de esta combustión aumenta todavía mas la liberación de carbono. Por todo ello el carbono formado durante todo el ciclo puede bien aparecer en los gases de escape como quedarse en el interior del motor. 2. Según la naturaleza de los depósitos de carbono de las cámaras de combustión de los motores Diesel, se consideran tres tipos de depósitos de carbono:

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

Hollín: carbono pulverulento, fundamentalmente en cabeza de pistón y paredes de la cámara de combustión. En este estado, el hollín presenta una cohesión y una adherencia pequeñas y de no acumularse en cantidades demasiado importantes en algunos puntos, particularmente del sistema de escape, tienen poca o ningún efecto sobre el funcionamiento del motor. El efecto más inmediato de una formación relativamente importante de hollín se ejerce frecuentemente sobre el aceite lubricante. Sus consecuencias a este respecto están en el siguiente orden: un ennegrecimiento mas rápido de los aceites, una saturación igualmente más rápida del efecto dispersante y después por encima de un contenido del 2-3% una tendencia a flocular, es decir a separarse para formar depósitos en diversas zonas del motor. Calamina dura: Las características de los combustibles que mas influyen en la formación de carbono duro son las siguientes: la naturaleza de las familias o grupos químicos preponderantes en el combustible, el contenido en azufre y el contenido en vanadio, es decir en definitiva su contenido en cenizas y su contenido en productos asfálticos. Calamina vitrificada: de aspecto semejante al de una escoria, parece originarse por el cracking térmico de una mezcla de combustible que contenga poco oxígeno (muy rica) al entrar en contacto con piezas que se encuentran a elevada temperatura. Estas dos últimas formas de carbono son abrasivas y llevan consigo en ocasiones a importantes y rápidos desgastes de los segmentos y de los cilindros.

3. Las primeras etapas de formación de los depósitos, parecen ser las que más afectan al estado de los depósitos, en particular a su adherencia al metal de las diferentes zonas de la cámara de combustión. Si el depósito formado al principio es a base de carbono puro, su unión al metal es débil. Si por el contrario este depósito contiene cenizas fácilmente fusibles, estas actúan como ligantes frente a los depósitos posteriormente formados. 4. La participación del aceite lubricante en la formación de los depósitos es de elevada importancia, el aceite que se quema en la cámara de combustión quema peor evidentemente que el combustible y proporcionalmente da lugar a una formación mayor de depósitos. La presencia de aditivos antioxidantes, detergentes, dispersantes, etc. afecta a la formación de depósitos en dos sentidos contrarios, por un lado, estos aditivos actúan sobre la estructura de los depósitos haciéndolos mas fácilmente eliminables

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y por otra, los elementos metálicos que resultan de la combustión del aceite y de sus aditivos vienen a añadirse a los depósitos. 5. En ocasiones se utilizan aditivos para la reducción de los depósitos, sobre todo en motores que utilizan combustibles pesados. Los efectos de estos aditivos pueden ser diversos y no siempre resultan beneficiosos de cara al funcionamiento del motor.

2.6.3. Depósitos sobre las válvulas de escape Debido a las temperaturas muy elevadas de las válvulas de escape y de su emplazamiento en la cámara de combustión, los depósitos que se forman en ellas no son muy diferentes de los que podemos encontrar en la misma cámara. Los depósitos sobre las válvulas son de gran importancia ya que condicionan la vida útil de las mismas. Los depósitos sobre las válvulas son perjudiciales porque restringen la evacuación del calor, debido a su mala conductividad y también porque al desprenderse parcialmente pueden intercalarse entre asiento y apoyo y provocar un cierre incompleto de la válvula. En estas condiciones, durante la combustión se producen fugas de gas oxidante muy caliente a través de los asientos y apoyos, destruyendo una parte mas o menos importante de dichos apoyos. Otros depósitos de naturaleza diferente, pueden interferir la libertad de movimientos de las válvulas al fijarse sobre las varillas de las mismas. Los medios mas frecuentemente utilizados para mejorar el comportamiento de las válvulas de escape a pesar de la formación de depósitos, son de origen mecánico, metalúrgico y de diseño. Se pueden citar entre otros los siguientes: • • •

Revestimiento de asientos y apoyos con aleaciones especiales Refrigeración interna de las válvulas Empleo de aceros especiales

En los motores Diesel, el empleo de combustibles pesados puede conducir a la formación de productos fusibles sobre las caras y apoyos de las válvulas de escape, probablemente debido a su elevada temperatura de funcionamiento, sobre todo en el caso de motores rápidos sobrealimentados. Mientras el depósito queda unido al metal no se producen inconvenientes, sin embargo, cuando se fractura o se desprende parcialmente, el paso de los gases calientes puede erosionar seriamente el metal.

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2.6.4. Depósitos en los alojamientos de los segmentos. Si el juego entre el fondo del alojamiento del segmento y la cara interna de dicho segmento comprimido, se encuentra colmado, incluso localmente, por depósitos duros y adherentes el segmento no posee libertad suficiente para desempeñar el papel de junta de estanqueidad. Además la presencia de estos depósitos puede suprimir de forma total la libertad de los segmentos manteniéndolos bloqueados en sus alojamientos . Se produce entonces el “pegado de segmentos” con el riesgo de ruptura durante el funcionamiento. La formación de estos depósitos viene acompañada por una serie de síntomas en el funcionamiento del motor, tales como: pérdida de potencia, aumento del consumo de combustible y del aceite, mayor blow-by, contaminación más rápida del aceite, etc. El pegado de segmentos es, sobretodo, un parámetro indicativo del funcionamiento a una temperatura muy elevada del fondo del alojamiento. Existen dos formas de pegado de segmentos:

ƒ

ƒ

El pegado en caliente. Este se origina por la adherencia de la cara superior del segmento sobre la parte de arriba de la garganta, que es la más caliente, sin una formación necesariamente importante de depósitos en el fondo del alojamiento o bien por estampación de la cara lateral interior del segmento en el depósito del fondo del alojamiento. El pegado en frío. En este caso el segmento queda bloqueado en su alojamiento después de una parada de cierta duración, quedando libre cuando el motor funciona de nuevo. Esta forma de pegado es menos perjudicial al motor en funcionamiento pero puede crear dificultades en el arranque en razón de una insuficiencia de estanqueidad del conjunto pistón – segmento - camisa. Este pegado en frío, en caso de no eliminarse termina en un pegado en caliente.

Dos fenómenos químicos fundamentales son el origen de la formación de depósitos en los pistones; por una parte la oxidación propia del aceite lubricante y por otra la coquización térmica del aceite oxidado. Los productos orgánicos solubles e insolubles presentes en el aceite, resultan de la oxidación del mismo, se depositan primeramente en los alojamientos de los segmentos del pistón limpio y actúan en primer lugar como plásticos que ejercen una adherencia frente a los segmentos, más sensibles a temperaturas bajas que a temperaturas elevadas a las que estos plásticos son relativamente fluidos.

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado

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Estos primeros depósitos actúan después como ligantes de los productos carbonosos de la combustión, formándose así una especie de coque. A continuación, a determinada temperatura y bajo las condiciones no oxidantes que reinan en la zona de segmentación, dichos primeros depósitos se coquizan y se hinchan. Finalmente el movimiento de los segmentos comprime a los depósitos dándoles forma y situándolos en su posición. Las temperaturas alcanzadas en los motores Diesel, la mayor oxidación del aceite en este tipo de motores por su forma de combustión (dosados relativos bajos con lo que existe mayor cantidad de oxígeno en los gases soplados), combustión parcial importante con la consecuente formación de hollín y la posibilidad de encontrarnos con combustibles de un alto contenido de azufre que conducen a la formación de depósitos más duros y en ocasiones incluso abrasivos; todos ellos llevan a que el problema de la formación de depósitos en los alojamientos de los segmentos sea uno de los problemas más importantes a hacer frente.

2.6.5. Depósitos sobre la falda del pistón. La formación de depósitos sobre la falda de los pistones se caracteriza por la presencia de un revestimiento uniforme de poco espesor, llamado “barniz” o “laca” cuyo color varía del amarillo o pardo claro hasta el pardo oscuro o negro brillante. Estos barnices, asimilables a productos plásticos son principalmente oxiácidos fuertemente ácidos y saponificables, que contiene de un 10 a un 20% de oxígeno. La formación de estos depósitos se traduce en un aliciente de cara al pegado de los segmentos o una restricción en el intercambio de calor entre la falda del pistón y hacia el cilindro. Sólo en casos muy extremos podemos encontrarnos con agarrotamiento en frío de los pistones en los cilindros.

2.6.6. Depósitos a temperatura de funcionamiento relativamente baja. Estos depósitos, conocidos como barros, lodos o con el término “sludge” se presentan en las zonas de temperaturas más bajas del motor. El barro encontrado en el motor es una sustancia de un color que varía del gris al negro, de consistencia comprendida entre la de una pasta y la de un material semisólido y de una composición compleja. Así, podemos encontrarnos con mezclas de carbono u hollín, aceite, aceite parcialmente quemado, fracciones del combustible, partículas metálicas o de óxidos que provienen del desgaste del motor

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

y polvo atmosférico o bien emulsiones de los productos indicados anteriormente con porcentajes variables de agua. La apariencia del barro depende en gran medida de la temperatura de las piezas donde se localiza. A temperaturas de funcionamiento bajas, el barro que contiene cantidades apreciables de agua está fuertemente emulsionado y tiene la consistencia de una mayonesa. A temperaturas mas altas, los insolubles están menos emulsionados por existir una menor cantidad de agua y el barro toma la apariencia de un material semisólido. Este último estado resulta también de una deshidratación de los barros formados a baja temperatura, como consecuencia de su exposición momentánea a temperaturas más elevadas.

2.7. El desgaste de los motores Una de las principales misiones del lubricante es la de reducir el rozamiento entre las superficies con movimiento relativo entre ellas y con ello el desgaste que sufren a los valores mínimos posibles. Evidentemente las consecuencias que se derivan de un desgaste excesivo son: avería total, con lo que ello supone (indisponibilidad, reparación, etc), molestias al usuario (aumento de los gastos de explotación: consumos excesivos, pérdida de satisfacción o comodidad: ruidos), pérdidas de potencia, incidencias directas sobre la vida del vehículo. De todas maneras no hay que achacar únicamente al lubricante todo el papel de defensa del desgaste ya que otros factores van a afectar al mismo como son: la tecnología del conjunto y la de cada pieza considerada independientemente, la composición metalúrgica de estas últimas, las condiciones de utilización del motor y su grado de acuerdo con las previsiones que por diseño debía tener, el combustible empleado, la calidad de la combustión, etc. Comencemos por definir qué entendemos por desgaste, y que para nosotros serán aquellos fenómenos que se manifiestan con una pérdida de materia en una pieza sometida a rozamiento. Los tipos de desgaste que pueden presentarse en un motor son los siguientes: ‰

Desgaste adhesivo o por contacto metal-metal ƒ Es el llamado “scuffing” en terminología anglosajona, y se presenta en todos los rozamientos cuando las superficies no están separadas completamente por una película lubricante; posiblemente éste sea el tipo de desgaste más importante y por ello también el menos deseado. Este desgaste se debe a que las superficies, aún las mejores acabadas, contienen a escala micrométrica, numerosas asperezas superficiales.

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‰

‰

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En estas condiciones cuando dos superficies entran en contacto, la unión no se efectúa mas que por una serie de picos, sobre los cuales se ejercen presiones muy considerables, de tal forma que se producen deformaciones plásticas del metal hasta que las superficies reales de contacto sean lo suficientemente grandes para que puedan soportar la carga. En este momento las presiones locales de contacto son del orden de la dureza del metal más blando. En el nivel de las superficies reales de contacto por efecto de las elevadas presiones que allí se dan, los enlaces intermetálicos son muy fuertes; se trata prácticamente de soldaduras; el esfuerzo de rozamiento resulta de la necesidad de romper estas soldaduras o adherencias para que tenga lugar un desplazamiento relativo de las superficies, y el mismo desgaste adhesivo es consecuencia de este mecanismo. A partir de este mecanismo resulta que, en función de los tipos de materiales, de las cargas aplicadas y de las velocidades de deslizamiento, el proceso puede evolucionar de distintas maneras, desde la mejora por eliminación progresiva de las asperezas (“incipient scuffing”, rodaje), hasta la degradación por un mecanismo autoacelerado, que provoca finalmente el gripado del mecanismo (“seizure”) y da lugar a graves averías. En los motores, esta forma de desgaste tiene lugar naturalmente en las zonas de rozamiento en las que una lubricación defectuosa (difícil acceso del aceite, viscosidad baja, volatilización elevada del aceite, dilución, etc.), o la presencia de cargas específicas elevadas o de velocidades lentas hacen imposible la correcta formación de la película de aceite. Desgaste por fatiga superficial. ƒ Esta forma de desgaste (“pitting”), interesa sobre todo a los mecanismos en los que interviene el rozamiento de rodamientos. En este caso la aplicación de las ecuaciones de Hertz para las deformaciones elásticas muestra que los esfuerzos máximos se producen a una determinada profundidad por debajo de la superficie. La repetición cíclica de estos esfuerzos puede dar como resultado grietas profundas de fatiga y finalmente la aparición de picaduras y de escamas. ƒ Fatiga térmica de superficies de fricción duras y frágiles sometidas a gradientes térmicos elevados. Este desgaste afecta sobre todo a las superficies en deslizamiento puro con elevada velocidad. El deterioro producido se presenta en forma de grietas repartidas uniformemente, de dirección perpendicular a la dirección de deslizamiento. Desgaste corrosivo

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ƒ

‰

‰

En la reacción de combustión en el motor se generan una serie de productos, algunos de los cuales tienen un carácter muy ácido, y la presencia de agua puede hacerlos muy agresivos frente a los metales. Incluso el mismo aceite cuando alcanza un cierto grado de alteración puede originar oxiácidos volátiles y corrosivos. Desgaste abrasivo. ƒ En este tipo de desgaste, el desprendimiento de materia de una superficie ocurre cuando partículas duras o superficies rugosas se desplazan sobre una superficie más suave. Este tipo de desgaste no siempre es perjudicial, e incluso puede ser deseable en algunos casos de herramientas de corte, ya que el desgaste abrasivo también puede ser visto como una serie de micro-cortes. Centrándonos en el aspecto negativo de este tipo de desgaste; esta abrasión (“scoring” o “scratching”) puede tener lugar por dos mecanismos diferentes. Si de las dos superficies rozantes, una tiene una dureza muy superior a la otra y una rugosidad suficiente, sus asperezas producen un verdadero “rastrillado” de la superficie mas blanda. Sin embargo, si la superficie dura está bastante pulida, el desgaste es difícil. De todas formas, el fenómeno de la abrasión resulta lo mas frecuentemente de la presencia entre las superficies rozantes de partículas extrañas, más duras que cualquiera de las superficies. La intensidad de la abrasión es función de las durezas relativas de las dos superficies y del abrasivo. Entre dos superficies de dureza semejante, la abrasión la sufre esencialmente la superficie más blanda. Si de las dos superficies, una es relativamente muy blanda, las partículas abrasivas se incrustan profundamente, pero si emerge una parte de ellas, la superficie antagónica más dura es la que se desgasta. Desgaste erosivo ƒ Este tipo de desgaste se produce cuando las superficies metálicas están “bañadas” por un fluido animado de gran velocidad y cargado de partículas sólidas y duras. Este desgaste es muy semejante al abrasivo, pero mientras en este último, las partículas trabajan las superficies bajo el efecto de las fuerzas angulares en los juegos pequeños, en el caso de la erosión, es únicamente la energía cinética de las partículas la que puede, en los puntos de impacto sobre las superficies, provocar las deformaciones o arranque de materia.

Los diversos elementos de los motores que son susceptibles de experimentar un desgaste, con indicación del tipo de desgaste más probable se presentan en la siguiente tabla:

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Tabla 2.3. Tipos genéricos de desgaste que podemos encontrar en diversas partes del motor. DESGASTE ADHESIVO

DESGASTE CORROSIVO

DESGASTE ABRASIVO

Camisas, segmentos, pistones Levas, empujadores, balancines Vástago-guía de válvula Apoyo-asiento de válvula Engranajes de distribución Muñones Cojinetes B. de aceite B. de combustible B. de inyección

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9

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9

9

9

Órganos auxiliares

PARTE

9

DESGASTE POR FATIGA

DESGASTE EROSIVO

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9

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9 9

9 9

9 9

2.8. La contaminación del aceite Por contaminación de un aceite se entiende la presencia de materias extrañas a él, sin importar su origen; las principales que podemos encontrar son:

ƒ

ƒ ƒ

Partículas metálicas, provenientes del desgaste de las partes metálicas del motor sometidas a fricción. Son capaces de producir un desgaste abrasivo, rugosidad en las superficies que facilitan el desgaste adhesivo y pueden catalizar los procesos de degradación del propio aceite. Oxidos metálicos, provenientes del desgaste metálico y la oxidación de las partículas metálicas. Tienen un comportamiento similar a las anteriores. Polvo atmosférico e impurezas, introducidas en el motor a través de la admisión, debido al uso de filtros ineficientes o rotos o conductos con

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

ƒ ƒ

ƒ

ƒ ƒ

fugas, respiraderos, orificio de control de nivel o relleno de aceite. Produce un desgaste abrasivo muy importante. Productos carbonosos, como resultado del paso de los gases de la combustión hacia el cárter. Estos mismos gases actúan facilitando la degradación del aceite. Agua proveniente de la condensación del vapor obtenido como producto de la combustión o bien debido a fugas internas del sistema de refrigeración. Si el agua proviene del circuito de refrigeración, en muchos casos suele conllevar presencia de glicol, aditivo anticongelante para el agua, el cuál colabora también en la degradación del aceite. Puede darse el caso de una contaminación por agua externa al motor, aunque normalmente es muy difícil que esta se dé. Combustible, se introduce al aceite mediante el soplado (blow-by), debido a fallos en los inyectores, en la combustión o por el motor frío. Afectará a la viscosidad del lubricante, haciendo que disminuya su viscosidad y por tanto la capacidad de carga del mismo. Productos varios como residuos que quedan después de una acción de mantenimiento. Actualmente se está dando un nuevo fenómeno en la contaminación de los aceites lubricantes de motor, la denominada contaminación bacteriológica o microbiológica [Moran, R.; 1997] que consiste en el desarrollo de organismos vivos en el seno del lubricante que producen su infección favorecidos por el carácter parafínico de los aceites, la incorporación de inhibidores de corrosión no tóxicos para estos organismos, así como las sofisticadas formulaciones de los lubricantes de última generación que crean un excelente caldo de cultivo para las bacterias que se introducen en el motor. La presencia de estos contaminantes bacteriológicos tienen influencia sobre las características físico – químicas del aceite, haciéndolas variar de forma notable.

Así vemos que la contaminación del aceite tienen cuatro grandes focos principales:

ƒ ƒ ƒ

Origen interno, por desgaste de los componentes mecánicos y degradación del propio lubricante Contaminación externa, a través del soplado, de los añadidos, la ventilación del cárter, etc. Fabricación, donde pueden quedar residuos del mecanizado, partículas empleadas para la limpieza de las partes, etc.

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ƒ

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Por acciones de mantenimiento.

Teniendo en cuenta los mismos y de cara a un adecuado mantenimiento del motor hay que intentar atajar la presencia de los contaminantes en su foco de creación siempre que sea posible.

2.9. Aceites lubricantes para motor Vamos a centrarnos en este punto en uno de los protagonistas principales de la lubricación: el propio aceite lubricante. Veremos a continuación algunas nociones de su obtención, su tratamiento en orden a cumplimentar los requisitos que debe cumplir en el motor y que hemos ido mostrando anteriormente, así como la designación y clasificación de los tipos de aceite que podemos encontrarnos.

2.9.1. Obtención de los aceites El fluido básico que constituye la mayor parte de los aceites lubricantes es una mezcla de dos o más componentes normalmente denominados aceite base. Estos pueden ser productos derivados del petróleo crudo (aceites minerales) o bien otros productos químicos de obtención sintética que en los últimos años están comiendo terreno a los aceites minerales. En la década de los 80, se vió la introducción de cantidades significativas de aceites base derivados del petróleo producidos mediante la utilización de nuevos procesos de refino. Estos son los denominados frecuentemente “aceite base de refino no-convencional”. En el proceso de refino convencional los aceites base obtenidos son totalmente dependientes del tipo y calidad del petróleo crudo del que provienen. Con la utilización de nuevos procesos de conversión catalítica en el refino del crudo, tales como el hidrocracking, hidro-isomerización y desparafinado catalítico, el aceite base obtenido es menos dependiente del petróleo crudo utilizado y más dependiente de las condiciones específicas de operación utilizadas en el proceso de refino. El uso del término “sintético” para definir aceites base o productos finales ha sido sujeto de cierta controversia en los últimos años, fundamentalmente motivado por el empleo de este término como reclamo publicitario. SAE define en su norma SAE J357 lo que se entiende como compuesto sintético, hablando en la definición de productos obtenidos por síntesis química.

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Estos productos son obtenidos a partir de reacciones orgánica tales como alquilación, condensación, esterificación, polimerización, etc. Los productos de partida pueden ser uno o más componentes orgánicos relativamente puros. Generalmente de simple composición, estos productos son obtenidos por el procesado químico de fracciones del petróleo, gas natural, o componentes grasos animales o vegetales. Conviene hacer en este punto una pequeña mención al creciente interés en la reutilización de los aceites usados, promovido desde diversos sectores como un mejor aprovechamiento de los recursos naturales, aunque con el peaje de un mayor costo en su obtención. Dentro de los aceites base vamos a considerar tres fuentes diferentes que pasamos a ver en mas detalle a continuación: ‰

Aceite base obtenido del refino convencional de petroléo.

El petróleo está formado por hidrocarburos, compuestos de hidrógeno y carbono, y oxígeno, nitrógeno y azufre en menor cantidad. De todas formas, su composición química no es siempre igual y puede hablarse de tantas clases como campos petrolíferos. Son aceptadas tres grandes divisiones en función de las clases de sustancias que contienen en mayor cantidad: crudos de base parafínica (hidrocarburos de cadena lineal o ramificada), crudos de base nafténica (cicloparafinas) y crudos de base mixta o intermedia. En todos los casos nos podemos encontrar también con la presencia de compuestos aromáticos, alquil bencenos o multianillos aromáticos. Las principales características y diferencias entre ellos se presentan en la siguiente tabla: Tabla 2.4: Propiedades características de los distintos tipos de hidrocarburos: Parafínicos Baja densidad

Nafténicos Elevada densidad

Aromáticos Densidad muy alta

Punto de congelación alto (necesidad de Punto de congelación bajo Punto de congelación muy desparafinar o aditivar (ausencia de punto de bajo con producto depresores niebla). del punto de congelación) Índice de viscosidad alto

Bajo índice de viscosidad

Índice de viscosidad muy bajo

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Parafínicos

Nafténicos

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Aromáticos

Volatilidad baja (alto Volatilidad alta (bajo Gran volatilidad punto de inflamación) punto de inflamación) Carbono Conradson Carbono Conradson bajo, Carbono medio, adherente y de poco adherente y de elevado aspecto granuloso aspecto pulverulento

Conradson

Oxidación sin periodo de Oxidación retardada con Gran oxidabilidad y inducción, menor acción formación de ácidos mas precipitación de productos corrosiva pero da o menos corrosivos insolubles formación de precipitado. Sin poder disolvente Poder disolvente frente a frente a sustancias de productos de degradación Alto poder disolvente degradación del aceite del aceite. Punto de anilina elevado ‰

Punto de anilina bajo

Punto de anilina muy bajo

Los llamados procesos de refino convencional son los siguientes: ƒ Destilación:

El petróleo crudo es una compleja mezcla de hidrocarburos, desde gases ligeros a material asfáltico pesado. Para realizar una separación inicial de los productos básicos se emplea la llamada destilación atmosférica (realizada a presión atmosférica). Se ilustra gráficamente en la imagen inferior de la izquierda (figura 2.14).

Figura 2.14. Esquema de la destilación atmosférica del crudo de petróleo.

Figura 2.15. Esquema de la destilación a vacío del petróleo.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

La fracción residual pesada (residuo atmosférico) es de color oscuro y contiene la mayor cantidad de impurezas y material considerablemente oxidado y degradado. Ello puede ser directamente utilizado como fuel oil o destilado posteriormente bien para alimentar un cracker catalítico o para la producción de aceites lubricantes. Para prevenir posteriores degradaciones de esta fracción, la segunda destilación se realiza al vacío, con lo que se consigue disminuir la temperatura de ebullición de los productos. La destilación al vacío permite obtener diferentes fracciones de aceites base a diferentes rangos de viscosidad (figura 2.15). El residuo concentrado pesado producto de la destilación a vacío es la materia prima para la obtención de los llamados “bright stock”, fracciones pesadas utilizadas en aceites de cajas de cambio o engranajes y otros lubricantes muy viscosos. Para eliminar el asfalto y otras impurezas el residuo es mezclado con propano en el cual los residuos aromáticos son insolubles. Estos y otras impurezas precipitan y el asfalto es recogido.

ƒ

Extracción con disolventes.

Este proceso elimina la mayor parte de los aromáticos y algunos de los compuestos nafténicos y permite incrementar tanto el índice de viscosidad (IV) como la estabilidad de la base. El disolvente (fenol, furfural o mas recientemente N-metil-2-pirrolidona [NMP]) es pasado a contracorriente sobre la secuencia de materia prima de lubricante, y es recirculado tras ser eliminado de las unidades de extracción de aromáticos y de aceite refinado, tal y como se muestra en la figura 2.16.

Figura 2.16. Extracción con disolvente

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ƒ

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Proceso de finalizado.

El proceso de extracción con disolventes no elimina todo el material reactivo e inestable de la base y sin el consiguiente proceso de finalizado el aceite podría oscurecerse muy pronto y formar barros precipitados, especialmente cuando es expuesto a la luz. Hasta hace un tiempo, el proceso de finalizado era un tratamiento arcilloso, en el cual el aceite se mezclaba con tierras especiales las cuales absorbían los reactivos aromáticos y las moléculas inestables, posteriormente se realizaba un filtrado. Los residuos arcillosos contaminados presentaban el consiguiente problema del tratamiento de los mismos y su rendimiento era bajo. Actualmente el proceso normalmente empleado es el “hydrofinishing” o hidroacabado, donde el aceite refinado pasa a través de un reactor caliente en presencia de un catalizador (típicamente óxidos de níquel y molibdeno o sílica y alumina) e hidrógeno a presión. La reacciones de hidrogenación convierten los compuestos inestables en estables, los aromáticos por ejemplo, son convertidos en nafténicos. El “hydrofinishing” no reduce sustancialmente la cantidad de producto obtenido, permite aumentar el índice de viscosidad (IV) y elimina parte de los compuestos de azufre y otros rastros de materiales. El mayor o menor efecto de este tratamiento es dependiente de la severidad de las condiciones de realización (presión, catalizador, etc. ).

Figura 2.17. Esquema proceso de hidroacabado

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Desparafinado Innecesario para la mayoría de las bases nafténicas, la necesidad de eliminar las parafinas para mejorar las propiedades del flujo en condiciones de baja temperatura en las bases de tipo parafínico penaliza las mismas con mayores costes y pérdidas de producto (menor rendimiento). El refinado a ser desparafinado es mezclado con un solvente en el cual la parafina más pesada es insoluble a bajas temperaturas. El propano era usado como solvente aunque ahora se tiende a utilizar solventes de tipo cetona tales como metil etil cetona o metil isobutil cetona. El solvente empleado y el refinado son mezclados juntos y enfriados hasta una temperatura en la que la mayor parte de la parafina cristaliza y puede eliminarse mediante un filtrado rotativo. El disolvente es separado tanto del aceite como de las parafinas y reciclado para un nuevo uso.

‰

Figura 2.18. Desparafinado con disolvente Procesos de refino modernos.

El proceso de hidroacabado (hydrofinishing) descrito anteriormente es usualmente un proceso relativamente suave, que produce la saturación de compuestos aromáticos y otros compuestos inestables, pero no rompe

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significativamente las moléculas con la consiguiente pérdida de viscosidad u otros cambios importantes sobre las mismas. Si se aumente la severidad del tratamiento (temperaturas superiores a 450 ºC y presiones del orden de 28 Mpa) las moléculas presentes en el aceite pueden modificarse de diferentes modos para producir una base de mayor calidad y que resulta menos dependiente del tipo de crudo original del que partimos. Por la severidad fuerte del proceso es conocido como “hydrocracking” y como materia prima pueden utilizarse parafinas, fuel oil u otra fracción pesada disponible. En concreto partiendo de parafinas (provenientes de una planta convencional) pueden obtenerse aceites de un alto índice de viscosidad (IV>150). Mediante el “hydrocracking” se pueden obtener fracciones útiles entre un 40-70% del producto bruto utilizado, aunque si se buscan aceites base muy específicos y especiales este rendimiento puede bajar hasta el 5%. Los productos obtenidos mediante este proceso se aproximan a las características de las bases sintéticas polialfaoleofinas y pueden ser muy similares si se utiliza el llamado proceso de “hydro-isomerization”. Las principales reacciones que se dan en el reformado e hydrocarcking son las siguientes:

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Saturación: poliaromáticos Æ polinaftenos (mayor IV, menor punto de congelación) Rotura de anillos: polinaftenos Æ mononaftenos (mayor IV, menor punto de congelación) Reformado (isomerización): n-parafinas Æ parafinas ramificadas (menor punto de congelación y algo de descenso de IV) Craqueo: alto peso molecular (PM) Æ medio PM (menor viscosidad y punto ebullición) Desulfuración: compuestos de azufre Æ H2S (pérdida de inhibidores naturales) Denitrogenación: eliminación de nitrógeno (y oxígeno) contenido en los compuestos heterocíclicos Æ aumento de la estabilidad

Desparafinado catalítico Este proceso tiene ciertas similitudes con el proceso de hydrocracking, pero el catalizador toma la forma de un tamiz molecular altamente poroso. Las cadenas lineales o parafinas poco ramificadas (alcanos) entran en los poros del tamiz donde son atrapadas y cortadas en productos más ligeros. Las cadenas largas

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

de compuestos complejos pueden ser atrapadas y eliminadas, aunque determinados compuestos importantes pueden perderse. El proceso de desparafinado catalítico es altamente específico y eficiente para la eliminación de las cadenas lineales de hidrocarburos. La base resultante tiene tendencia a tener un menor IV que las provenientes del desparafinado con disolvente donde es la temperatura de separación la que marca la fracción de producto eliminado más que el tamaño de las moléculas. ‰

Aceites base reciclados:

Durante la crisis del petróleo en la década de los 70, varios procesos fueron desarrollados en orden a obtener aceites base de alta calidad a partir del reciclado de aceite usado. Algunas plantas fueron puestas en marcha y funcionaron durante algún tiempo pero generalmente con muy malos resultados económicos. Los altos costes asociados a la recogida de los aceites usados y los sofisticados procesos de refino eran los principales inconvenientes. El proceso de recogida fue siempre un problema, aunque un éxito considerable fue obtenido, así en Alemania el 50% del aceite usado es recogido. Es por ello que Alemania es líder en la recogida de aceites usados aunque mas por razones medio ambientales que por motivos económicos. La mayoría de aceite residual es empleado como combustible y no para su reciclado.

Figura 2.19. Datos sobre la recogida de aceites usados de cara a su posterior reciclado o utilización [Mang, T.; 2001].

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Los aceites reciclados pueden sustituir satisfactoriamente los aceites base directamente derivados del petróleo con el correcto proceso de tratamiento que elimina todos sus contaminantes. De hecho, los aceites reciclados poseen características superiores frente a la oxidación que los aceites virgen ya que los compuestos más fácilmente oxidables ya han reaccionado durante su uso primario y son eliminados en el proceso de reciclado. ‰

Otros tipos de aceites base:

Hasta la llegada de la turbina de aviación hacia los años 40, los aceites directamente derivados del petróleo cubrían adecuadamente los requerimientos que se les demandaba o en cualquier caso cualquier debilidad era aceptada debido a su bajo coste. Para la mayoría de aplicaciones actuales, un análisis de beneficios / costes indica aún que las bases obtenidas directamente del petróleo ofrecen ventajas sobre otros compuestos químicos que deben ser específicamente sintetizados. Los hidrocarburos y otros compuestos químicos pueden ser diseñados para cumplir requerimientos mas críticos y pueden aportar un nivel de comportamiento superior sobre periodos prolongados y en determinados casos con fuertes solicitaciones sobre el lubricante. Normalmente están constituidos por un solo tipo de moléculas y usualmente de un tamaño restringido y pueden aportar una combinación de propiedades que no puede alcanzarse con la mezcla de bases directamente obtenidas del petróleo. Entre ellas podemos encontrar: ‰ ‰ ‰ ‰ ‰

Hidrocarburos de síntesis, obtenidos a través del proceso de FischerTropsch Oligomeros de oleofinas Aromáticos alquilados Esteres orgánicos Otros como: poliglicoles, siliconas, esteres fosfatos, hidrocarburos hidrogenados.

Normalmente cada uno de estos tipos es utilizado en campos específicos donde interesa potenciar determinadas cualidades puntuales en el lubricante.

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2.9.2. Aditivos Se consideran aditivos aquellas sustancias que añadidas al lubricante en pequeñas proporciones contribuyen a mejorar sus propiedades o características básicas. Los modernos lubricantes, y en particular, los aceites de motor, contienen cantidades muy importantes de aditivos. Un aceite actual de alta calidad puede contener hasta un 20% de contenido de aditivos, aunque hay que señalar también que las sustancias vendidas como aditivos son normalmente soluciones de aceite y ingredientes activos que pueden representar como mínimo el 5% del aditivo total para algunos aceites concretos. El primer aditivo sintético químico fue desarrollado a comienzos de la década de 1930 por el Laboratorio de Investigación de la Standard Oil (ahora Exxon) en orden a mejorar propiedades físicas de los lubricantes. A finales de esta década ya existían varias compañías que proveían de compuestos aditivos para aceites y posteriormente debido a la II Guerra Mundial se dio un fuerte espaldarazo a esta Industria. Se presentan a continuación los aditivos característicos utilizados en aceite lubricantes para motor, en función de la propiedad que están destinados a mejorar y de la cual reciben el nombre. Así tenemos: Depresores del punto de congelación (Pour Point Depressor): El primer aditivo sintético fue el llamado Paraflow, que fue comercializado en 1932, para conseguir un descenso en la temperatura de congelación del aceite lubricante, lo que se conoce como punto de congelación. El punto de congelación (pour point) de un aceite es la temperatura mas baja, expresada en múltiplo de 3 ºC [ASTM D-97], a la cual es observada la falta de fluidez de un aceite cuando este es enfriado y examinado bajo condiciones prescritas. Existe otra característica importante en el aceite que es el llamado punto de enturbiamiento (cloud point), definido como la temperatura a la cual las parafinas y otras sustancias en solución comienzan a separase formando cristales bajo condiciones de ensayo normalizadas. El aceite a esta temperatura adquiere una turbidez que da nombre al ensayo. La acción de los aditivos depresores del punto de congelación consigue actuar sobre la cristalización de la parafinas impidiendo el crecimiento de estos cristales hasta que formen una malla que impida el flujo del aceite. Los depresores del punto de congelación consiguen importantes reducciones de la temperatura de congelación del aceite, aunque según el aditivo empleado tiene un mayor o menor efecto sobre determinados tipos de bases. Estos no consiguen ningún efecto sobre el punto de enturbiamiento ni evidentemente sobre el punto de congelación en las

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bases nafténicas o sintéticas que no contengan parafinas. Actualmente se emplean derivados de poliesteres como aditivos de este tipo, con un mecanismo de actuación en el mismo sentido, evitando el crecimiento de los cristales y previniendo su aglomeración. Modificadores de viscosidad (Viscosity Modifiers): Las características de la viscosidad frente a la temperatura de un aceite base fueron definidas por primera vez por Dean y Davis, en términos del llamado índice de viscosidad. Con una propiedad mensurable como objetivo pronto se propuso la mejora del índice de viscosidad de los aceites base. Un primer intento con la utilización de jabones coloidales no consiguió los resultados esperados y posteriormente se utilizaron polímeros de buteno, que permitieron la obtención de aceites con un índice de viscosidad de 120. El termino mejorador de índice de viscosidad (viscosity index improver) fue utilizado durante muchos años, aunque ahora se prefiere la expresión modificadores de viscosidad (viscosity modifiers). Los modificadores de viscosidad aumentan el índice de viscosidad ya que son mas solubles en el aceite base a alta temperatura que a bajas temperaturas. A alta temperatura la cadena del polímero se dice que está solvatada, lo que significa que está rodeada de moléculas del aceite base y extendido en todo el aceite, interfiriendo con su fluidez y por tanto aumentando la viscosidad considerablemente. A bajas temperaturas estos polímeros están menos solvatados y tienen tendencia a retrotraerse sobre ellos mismos de forma más importante que las moléculas del aceite base, así se forman pequeños enrollamientos o grupos que interfieren menos el flujo del aceite.

Figura 2.20. Efecto de los polímeros modificadores de fricción en el aceite: a) a bajas temperaturas y b) a altas temperaturas Para los aceites multigrado de alto índice de viscosidad, la concentración de polímeros en el aceite base puede rondar entre el 0.5% al 2%, y son suministrados por los fabricantes de aditivos como soluciones de aceite. Debe indicarse que la mejora del comportamiento de la viscosidad con la temperatura conseguida con los modificadores de viscosidad, y la posibilidad de la obtención de aceites multigrado, está muy relacionada con los métodos de medida de la viscosidad, particularmente la viscosidad a baja temperatura. Varios nuevos tipos de métodos de medida para la viscosidad a baja temperatura han sido

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

desarrollados en los últimos tiempos y los aditivos producen diferentes respuestas en función del método utilizado. Se han utilizado como modificadores de viscosidad compuestos como polialquilestirenos, copolímeros de etileno o propileno, polisoprenos, polibutadieno o polímeros de estireno-butadieno. Estos últimos fueron desarrollados en la década de los 70 por el interés de encontrar compuestos de alta estabilidad que no causaran depósitos en los motores Diesel debido a su descomposición a altas temperaturas. Anti-oxidantes: En presencia de aire y a altas temperaturas el aceite se oxida, oscureciendo de color y tornándose más ácido, con la posibilidad de producir “sludge”. Los aceites base poco refinados contienen ciertos inhibidores naturales o antioxidantes que son eliminados a medida que la severidad de refino aumenta. Actualmente los aceites bases son altamente refinados para poder obtener aceites de alta calidad, lo que conlleva que son fácilmente oxidables. Los primeros aceites de motor eran poco refinados y retenían sus inhibidores de oxidación naturales, que sumado al hecho de los frecuentes cambios de aceite que se llevaban a cabo debido a la contaminación del mismo por los productos de combustión y que su coste era bajo no presentaban por tanto ningún problema de oxidación. Con la persecución de aceites de mayor índice de viscosidad se tuvo que emplear bases más refinadas, eliminando con ello los inhibidores naturales presentes anteriormente, con lo que la estabilidad a la oxidación de estos aceites disminuyó. Con la aparición de la necesidad de cambios de aceite más prolongados la necesidad de inhibidores de oxidación fue más relevante. El desarrollo de aditivos para otras especificaciones ha dado como resultado que alguno de ellos confiera también características antioxidantes. Algunos de los primeros aceites de calidad “premium” contenían pequeñas cantidades de dialquilditiofosfato de Zinc (ZDDP) para proveer al aceite de características anti-desgaste y también algo de anti-oxidante. Los aceites para motores Diesel comenzaron a utilizar cada vez mas cantidad de aditivos detergentes, los cuales contienen componentes sulfurosos que pueden proveer al aceite con un nivel suficiente de características anti-oxidante. Las exigencias que han aparecido en los últimos años en cuanto a periodos de cambio de aceite más largos y un mejor comportamiento frente a la oxidación ha hecho necesario la utilización de aditivos específicamente desarrollados para el cumplimiento de esta función, no siendo suficiente con las características que proveían aditivos utilizados para otras funciones. Con relación a esto tiene importancia la reciente utilización de aditivos en base cobre para la mejora del comportamiento del aceite

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frente a la oxidación. Habiéndose considerado durante mucho tiempo al cobre como un elemento capaz de provocar oxidación del aceite, y que sigue siendo cierto en determinadas ocasiones, se ha comprobado que en aceites de motor y en asociación con determinados aditivos, la presencia de unos cientos de ppm de cobre confiere al aceite de unas propiedades anti-oxidantes considerables [Caines, A.; 1996]. El uso de este inhibidor de bajo coste resulta muy interesante para los fabricantes de aditivos que pueden desarrollar este tipo de tecnología. Como desventaja resulta el posible enmascaramiento que puede producir sobre los análisis de aceite si no se tiene en cuenta la presencia de este metal como aditivo. Aditivos detergentes: Los aditivos detergentes son compuestos capaces de evitar o reducir la formación de depósitos carbonosos. Los aditivos antiácidos, alcalinos o superbásicos, son productos normalmente de tipo detergente, que poseen una reserva alcalina capaz de neutralizar los ácidos que se generan. Los aditivos detergentes mas importantes son: naftenatos, sales de ácidos nafténicos con metales, fundamentalmente calcio y magnesio. Jabones de ácidos grasos superiores como palmitatos, estearatos, etc. han dejado de utilizarse. Sulfonatos, bien naturales o sintéticos procedentes de la sulfonación y posterior neutralización de los fondos de alcohilación producidos en la fabricación de jabones. Otros compuestos típicos son fosfatos o tiofosfatos, fenatos (con buenos resultados a altas temperaturas) o alquil-salicilatos. Aditivos dispersantes. Muy pronto se reconoció que una de las funciones de los aditivos detergentes era mantener en suspensión la materia carbonosa en el aceite, y prevenir su aglomeración y su deposición en las partes calientes del motor. Muchos jabones, especialmente los sulfonatos, también permiten suspender y solubilizar el agua proveniente de la combustión con la consecuente reducción de la formación de barros. Un motor de gasolina, normalmente, funciona mas frío que un Diesel y por tanto con menos eficiencia (rendimiento) por lo que el aceite consecuentemente tiende a tener mayores niveles de contaminación de agua. Cuando los detergentes desarrollados para los motores Diesel fueron inicialmente probados en motores gasolina, mostraron un efecto bajo en el control de la formación de barros y presentaron problemas en el desgaste del tren de válvulas. Este último problema fue resuelto eventualmente con la utilización de aditivos antidesgaste, pero la formación de barros requirió del desarrollo de una nueva clase de aditivos capaces de prevenir el llamado “barro frío” (cold sludge). Estos son los dispersantes sin cenizas cuya primera misión era dispersar el agua y evitar sus efectos perniciosos, pero que ahora también son utilizados en motores Diesel y pueden dispersar otros contaminantes y actuar como detergentes ligeros.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

En 1952 Dupont patentó varios polímeros de metacrilato y co-polímeros de metacrilato con contenidos de nitrógeno y fumaratos como aditivos para el control del barro en motores gasolina. Fueron seguidos por Rohm & Haas con diferentes metacrilatos y Exxon con fumaratos, y otras compañías con tipos similares de compuestos poliméricos. Estos compuestos tienen un carácter multi-funcional y no solo actúan sobre la suspensión del agua sino también como modificadores de viscosidad y en algunos casos como depresores de punto de congelación. Estos primeros compuestos no eran térmicamente muy estables y empresas como Oronite, Lubrizol o Shell desarrollaron otros tipos de compuestos basados en poliisobutilenos. Estos componentes mostraron características como dispersantes muy eficientes y térmicamente estables, con lo cual podían ser utilizados en motores Diesel. A mediados de los años 70, los motores Diesel sobrealimentados de alta potencia fueron usando mayores dosis de dispersantes sin cenizas térmicamente estables tanto para la suspensión de barros como detergentes. Los “succinimidos” basados en poliaminas fueron el tipo dominantes. El concepto de aceites “multipropósito” que puede lubricar satisfactoriamente tanto motores Diesel como gasolina nació en este momento, donde fue posible formular un aceite que pudiese cumplir con los elevados requerimientos de lubricación de motores Diesel así como los de gasolina. Formulación de detergentes: El formulador de lubricantes tiene un amplio margen de selección de posibles compuestos que le permitirán formular un aceite con capacidad de prevenir el desgaste y la corrosión, pero razones comerciales y patentes impiden tener acceso a todos y cada uno de estos tipos de aditivos, pero como se muestra a continuación el campo de selección es amplio: 1. Inhibidores de oxidación (usualmente también proveen de protección contra la corrosión en cojinetes) • • • • •

Fenatos (especialmente los metal fenatos) Fenatos sulfurizdos Compuestos fenólicos Aminas, Salicilatos, Fosfonatos, Tiofosfatos (incluyendo el ZDDP) Carbonatos, compuestos de cobre, compuestos de azufre

2. Para prevenir la corrosión ácida y la catálisis ácida • • •

Aditivos sobrebásicos - por neutralización Sulfonatos – por secuestro / solubilidad Dispersantes – por secuestro / solubilidad

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•

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Fenatos neutros / otras sales de ácido débiles – Intercambio de ácidos fuertes por débiles

3. Para suspender ácidos y residuos del combustible (incluyendo agua) • •

Jabones metálicos (especialmente sulfonatos) Dispersantes (ejemplo: succinimidas)

Mezclas de diversos compuestos son requeridos para una completa formulación detergente y la selección de los tipos a utilizar dependerá de los requerimientos específicos del aceite y del coste de los mismos. Aditivos anti-desgaste: Los también llamados aditivos de lubricación límite, debían proveer suficiente capacidad anti-desgaste en la época de los aceites no detergentes para motores gasolina, mientras que en motores Diesel mayormente utilizados a bajas revoluciones no exhibían problemas de desgaste. Los cojinetes, inicialmente fueron fabricados utilizando materiales blandos fácilmente conformables (aleación de estaño, cobre y antimonio) que eran relativamente inertes químicamente y tenían la capacidad de absorber pequeñas cantidades de material extraño. A medida que la potencia de los motores creció estas aleaciones comenzaron a no ser suficientes para soportar las cargas aplicadas sobre cojinetes y comenzaron a aparecer nuevas aleaciones de cadmio - plata, cadmio - níquel y cobre - plomo. Estos materiales eran más duros pero no tan inertes químicamente, observándose un ataque químico sobre los mismos por parte de los ácidos provenientes de la oxidación del aceite. Tampoco eran tan capaces de absorber en su superficie el material extraño, tal como partículas de desgaste, con lo que una mejora en los sistemas de filtrado fue requerida. En la década de 1930 inhibidores orgánicos de ácidos, inhibidores de corrosión en cojinetes y varios agentes antidesgaste fueron desarrollados para proteger estos cojinetes, siendo muchos de estos compuestos multifuncionales, aportando protección tanto contra la corrosión como contra el desgaste mecánico. Estos compuestos incluían fosfatos orgánicos, ditiofosfatos, ditiocarbonatos y como culminación en 1941 Lubrizol desarrollo el dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP zinc dialkyldithiophosphate). Inicialmente utilizado a bajas concentraciones (0.1% a 0.25%) como pasivador en cojinetes y antioxidante del aceite, el ZDDP pronto mostró gran efectividad como agente antidesgaste. La actividad anti-desgaste del ZDDP se extiende desde la lubricación límite hasta la lubricación de extrema presión (EP) para mecanismo fuertemente cargados. La estructura química se presenta en la figura 2.30.

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

Figura 2.21. Estructura del aditivo ZDDP Para los primeros aceites no detergentes para motores de gasolina, pequeños adiciones de aditivos tales como el ZDDP eran suficientes para proporcionar protección anti-desgaste en diversas partes, que usualmente eran llamadas el “tren de válvulas”. Cuando se introdujeron los aditivos detergentes en los motores de gasolina, o la utilización de aceites para Diesel conteniendo detergentes en motores de gasolina, aparecieron numerosos fallos con fuerte desgaste fundamentalmente en levas y empujadores. La reacción inicial fue pensar que estos detergentes atacaban de forma química a los metales o que sus componentes coloidales metálicos actuaban como abrasivos sobre las superficies. Actualmente se sabe que éste no era el caso y que el efecto era debido a su naturaleza altamente activa de los detergentes que causaba una fuerte competencia por la posesión de las superficies metálicas con capa límite y aditivos anti-desgaste o compuestas de lubricidad natural en el aceite. Como la mayoría de los detergentes no poseen por ellos mismos una capacidad significativa de antidesgaste, las superficies quedan relativamente desprotegidas y el desgaste se presenta si las cargas a soportar son fuertes. Para superar este problema, la concentración de ZDDP y otra clase de aditivos anti-desgaste, debe ser aumentada sustancialmente para poder competir de forma exitosa con los detergentes y obtener una cierta medida de ocupación de las superficies metálicas. Actualmente el ZDDP es el aditivo anti-desgaste predominante en los aceites lubricantes para motor, más aún, está considerado de hecho como una clase de aditivo más que un compuesto único. Los grupos solubilizantes que permiten que el ditiofosfato metálico sea soluble en el aceite pueden ser alquil (cadenas lineales o ramificadas) o aril (anillos aromáticos). La actividad anti-desgaste varía inversamente con la estabilidad térmica de la estructura particular. Los motores Diesel funcionan considerablemente más calientes en la zona de la segmentadura que los de gasolina, y la descomposición del ZDDP tiende a producir lacas en esta área. Por otra parte, los motores Diesel por su diseño y metalurgia tienden a tener menos problemas de desgaste que los gasolina, por ello para un aceite Diesel pueden utilizarse aditivos ZDDP más estables aunque menos potentes. Cuando se formulan aceites “multipropósito” para motores gasolina o Diesel es necesario

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado

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seleccionar cuidadosamente entre los posibles tipos de ZDDP disponibles y en algunas ocasiones utilizar mezclas de dos o más tipos. En algunos casos también es necesario tener en cuenta las limitaciones en la cantidad de contenido de fósforo debido al posible envenenamiento de los catalizadores de escape. Modificadores de fricción: originalmente considerados como una clase menor de aditivos, recientemente han saltado a primera línea como consecuencia de los requerimientos de ahorro de combustible en los vehículos y el descubrimiento de la importante contribución que pueden aportar. Fundamentalmente se trata de Reductores de Fricción: estos incluyen los aditivos de lubricación límite y las extensiones de esta tecnología en orden de aportar mayor lubricidad y menores coeficientes de fricción. Materiales típicos pueden ser largas cadenas moleculares con fuertes grupos pilares que anclan la molécula a la superficie metálica. Los mejores resultados se obtienen como consecuencia de una menor generación de calor y por tanto menor pérdida de energía, de aquí su aplicación como aditivos para el ahorro de combustible

2.9.3. Clasificaciones y especificaciones de los aceites de motor. La primera propiedad de los lubricantes de motor en ser clasificada fue la viscosidad y la clasificación de viscosidad SAE (Society of Automotive Engineers) ha sido la base de la misma desde su admisión a principios de 1900. Ello no quiere decir que haya cambiado desde entonces y es ahora mundialmente adoptada habiendo alcanzado la designación de un estándar ISO. La esencia de la clasificación es la indicación de la viscosidad tanto a bajas temperaturas (arranque de motor en invierno) como a altas temperaturas (condiciones de operación). El rango de viscosidad es indicado por dos números con valores más altos señalando mayores valores de viscosidad. La viscosidad para bajas temperaturas es indicada con “W” (winter) y es dada en primer orden. La forma correcta de indicar una viscosidad SAE es: SAE xx W-yy, como ejemplo SAE 10 W-30. Se define como aceite monogrado aquel que cumple únicamente con el grado SAE de su designación, mientras que los aceites multigrado cumplen simultáneamente con las especificaciones de dos grados SAE diferentes, a bajas y altas temperaturas. La viscosidad a baja temperatura fue originalmente estimada por extrapolación de las medidas a alta temperatura, aunque actualmente se han

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Cap. 2 Tribología en motores Diesel

descrito métodos y equipos apropiados para realizar esta medición como se presentará en el siguiente capítulo. La clasificación mundialmente adoptada de SAE divide en doce grados de viscosidad los aceites apropiados para la lubricación en motores. La norma que rige esta clasificación es la SAE J300 cuya última actualización corresponde a Diciembre de 1999 y cuyo resumen se presenta en la tabla siguiente: Tabla 2.5. Clasificación de aceites lubricantes para motor SAE J300 (Diciembre 1999). Viscosidades a bajas temperaturas Grado Viscosidad SAE

a)

Cranking (cP) max a temp °C

b)

Bombeabilidad (cP) máxima a temp °C

0W 5W 10W 15W 20W 25W 20 30

6200 at -35 6600 at -30 7000 at -25 7000 at -20 9500 at -15 13.000 at -10 — —

60.000 at -40 60.000 at -35 60.000 at -30 60.000 at -25 60.000 at -20 60.000 at -15 — —

40

—

—

40

—

—

50 60

— —

— —

a)

ASTM D-5293 b) ASTM D-4684 D-4741, CEC-L-36-A-90

c)

Viscosidades a altas temperaturas c) d) Visc. Cinemática Visc. (cSt) a 100°C Alta Cizalla (cP) a min max 150°C min 3,8 — — 3,8 — — 4,1 — — 5,6 — — 5,6 — — 9,3 — — 5,6