ANALISIS DE ACEITES EN MOTORES DIESEL

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

2

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

3

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,

4

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


5

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.

8

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.


9

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

10


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


11

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

12


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


13

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

14


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.


15

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: 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. 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. 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”. Sucesivo: a través de los canales abiertos en el cigüeñal. Paralelo: a partir de la tubería maestra principal. Por el tipo de cárter: Cárter húmedo: el cárter sirve de depósito de aceite.

16


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


17

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:

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.

18


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:

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.


19

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:

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:

20


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.


21

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.

22


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


23

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

24


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


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.


25

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 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. 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. Abrasivos diversos: utilizados en el proceso de fabricación del motor o para su limpieza. Por la propia alteración y degradación del aceite Productos de la combustión que pasan al aceite El propio combustible que produce el efecto de dilución del aceite 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)

26


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


27

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

28


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:

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.


29

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.

30


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%.


31

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:

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.

32


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:

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.


33

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].

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

34


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


35

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

36


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:

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


37

•

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:

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:

38


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


39

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.

40


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:

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.


41

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

42


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 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.


43

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. 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. 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

44


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. 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 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:


45

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

9

9

9

9

9

9

Órganos auxiliares

PARTE

9

DESGASTE POR FATIGA

DESGASTE EROSIVO

9

9 9

9

9

9 9

9 9

9 9 9 9

9

9

9

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:

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

46


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:

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.


47

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.

48


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


Parafínicos

Nafténicos

49

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: 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.

50


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.

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


51

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

52


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


53

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:

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

54


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].


55

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.

56


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


57

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

58


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


59

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.

60


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


•

61

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.

62


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


63

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

64


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 <9,3 2,6 9,3 <12,5 2,9 2,9 (grados 0W-40, 12,5 <16,3 5W-40, 10W-40) 3,7 (grados 15W-40, 12,5 <16,3 20W-40, 25W-40, 40) 16,3 <21,9 3,7 21,9 <26,1 3,7

ASTM D-445

d)

ASTM D-4683, ASTM

Aún tratándose de una clasificación mundialmente aceptada, existen casos singulares de determinadas asociaciones u organismos que exigen requerimientos


65

adicionales para la clasificación anteriormente mencionada, como las especificaciones propias que exige el ejército americano y que se presentan en la siguiente tabla: Tabla 2.6. Clasificación de grados de viscosidad MIL-PRF-2104G Propiedad Método 10W Viscosidad Cinemática (cSt) at 100°C 5,6 min ASTM D445 <7,4 max Viscosidad Aparente (cP) min ASTM D- 3500 at -25 5293 3500 at -20 max Viscosidad HTHS1) (cP) ASTM D2,9 min 4683 Bombeabilidad, 60,000 cP ASTM D-30 max a temp. °C 4684 ASTM DÍndice de Viscosidad, min — 2270 Punto de Inflamación (°C) ASTM D205 min 97 ASTM DPérdidas por evaporación 18 (%) max 5480 1)

30

40

15W-40

9,3 <12,5

12,5 <16,3

12,5 <16,3

— —

— —

3500 at -20 3500 at -15

—

—

3,7

—

—

-25

80

80

—

220

225

215

—

—

15

HTHS: alta temperatura y alto esfuerzo cortante

Definiciones La clasificación de los aceites está muy relacionada con las especificaciones y la homologación de los mismos, por ello creemos que será de ayuda dar las definiciones básicas de estos conceptos: Clasificación: Es la división de calidades de lubricantes en amplios rangos para distinguirlos. En una clasificación normalmente se incluirá una descripción del tipo de motor para el cual ha sido diseñado el aceite, en algunas ocasiones el tipo de vehículo e incluso en ciertas clasificaciones se incluye una referencia a los años de garantía a los cuales la clasificación es de aplicación. Determinadas características de los lubricantes serán resaltadas en este tipo de clasificación, tales como características de ahorro de combustible, reducción de depósitos, etc. Es normal que este tipo de clasificación sea definido por sociedades técnicas. Especificación: Esta es una definición más precisa del aceite que su clasificación. Normalmente se aplica para un aceite a usar en un determinado

66


campo o tipo de uso. Los métodos de prueba serán definidos en detalle, incluyendo propiedades físicas, químicas y pruebas de comportamiento en laboratorio o en campo. Sobre cada prueba existirán unos límites de aceptación o rechazo que el aceite debe cumplir. Las especificaciones sobre aceites lubricantes son definidas por fabricantes de motores, vehículos, maquinaria en general (OEM: Original Equipment Manufacturers) o bien por los propios usuarios finales del producto. Homologación: Este es el proceso por el cual un fabricante de motor, vehículo o usuario final de un aceite formaliza la aceptación de un determinado aceite para la utilización en sus equipos. Entre los usuarios finales podemos encontrar autoridades militares, empresas ferroviarias, servicios postales, o grandes empresas con importantes flotas. En una homologación existen dos partes involucradas que deben trabajar de forma común, el fabricante del equipo y el fabricante del aceite que se quiere homologar para esos equipos. Todo lo anterior está presentado en orden a conseguir dos claros objetivos: por una parte ayudar al usuario final a seleccionar el aceite correcto para su aplicación y por otra parte proteger al fabricante del equipo y al del aceite de posibles reclamaciones por parte del usuario final que ha hecho un uso inadecuado de sus productos. Otro término que deberíamos definir es el de secuencia (sequence). Este término es utilizado en dos sentidos. En los EEUU es usado convencionalmente para describir las condiciones de operación de un determinado test sobre motor, tales como las secuencias II-D, III-E, V-E, etc. La unión de diversas secuencias forma una clasificación. En Europa este término ha sido usado por CCMC (Comité des Constructeurs d’Automobils du Marché Commún) y ACEA (Association des Constructreus Européens d’Automobils) para describir una combinación de test individuales, y en este sentido su significado es mas parecido al término definido anteriormente de clasificación. Medida de comportamiento Hemos visto anteriormente como se utilizan diferentes tipos de aditivos en orden a mejorar diversos aspectos de la propiedades de los lubricantes, pero queda por determinar como evaluar esa mejora del comportamiento en laboratorio y como son utilizadas dichas pruebas para especificar un determinado nivel de comportamiento para el aceite. Los primeros aditivos para la mejora del comportamiento de los aceites en uso, fueron desarrollados como respuesta a la aparición de un problema real sobre


67

motores en uso. En este caso, el fabricante (Caterpillar Tractor Company) conjuntamente con la industria productora de lubricantes trabajaron conjuntamente en el desarrollo de una prueba sobre motor en laboratorio para evaluar mejoras sobre la formulación del aceite. En el segmento de mercado dedicado a los lubricantes para motores Diesel, esta forma de trabajo ha continuado y es usual encontrar actualmente una secuencia similar:

Aparición de un problema sobre motor en campo Se postula una mejora del aceite como solución a este problema Fabricantes de lubricantes-aditivos son requeridas para trabajar en ello Se encuentra una formulación que resuelve el problema Se desarrollan test sobre motor para probar los nuevos aceites El fabricante de motor define una nueva especificación de aceite

El periodo de vida de un aceite (periodo entre cambios) ha ido aumentando de forma continua a lo largo del tiempo así como el tiempo de vida de los motores. Ambos cambios están íntimamente relacionados con las mejoras de calidad (comportamiento) de los aceites demandadas por los fabricantes de motores. El aumento de la calidad de los aceites ha venido motivado por el aumento de requerimientos sobre los motores que han impuesto los fabricantes y que a la vez han sido solicitados por los usuarios. Como ejemplo del aumento del “stress” que han sufrido los aceites se presenta la tabla 2.7, relativa a aceites en uso en motores de gasolina de automóvil pero que puede generalizarse prácticamente a todos los tipos de motores [Copan, W. G.; 1993]. Tabla 2.7. Comparativa de la evolución del estrés que sufren los aceites. Coche Año del modelo Potencia kw/rpm Potencia específica (kw/l) Volumen de cárter (l) Consumo de aceite (l/1000 km) Periodo de cambio (km) Lavado al cambio Total aceite usado tras 15000 km, (l) (incluyendo el lavado) Consumo combustible típico (l/100 km)

A 1949 25 / 4200 21 3 0.5 1500 Sí 43.5

B 1972 74 / 5000 37 3.7 0.25 5000 No 14.9

C 1992 96 / 5600 45 3.5 0.1 15000 No 5

12

10

7

Excepto alguna ocasión puntual, cada especificación nueva para aceites, supera el nivel de exigencia para una o más áreas de la especificación anterior. La

68


mejora en el nivel de comportamiento puede implicar un aumento en el periodo de vida del motor entre revisiones “overhaul” o en un aumento en el periodo de cambio del aceite. Estas mejoras pueden consistir en mantener los periodos de cambio de aceite o periodos de revisión “overhaul” para los motores en nuevos diseños de motor o sobre los mismos motores en condiciones de funcionamiento más severo, lo cual no hubiese sido posible sin las mejoras de comportamiento del aceite. Es más extraño que cambios en la calidad del aceite resulten de forma directa como mejoras en el comportamiento de motor y esto, en caso de suceder, suele darse en áreas tales como ahorro de combustible, consumo de aceite, reducción de emisiones contaminantes, etc. donde el aceite entra en juego de forma directa. El comportamiento del aceite de motor es prácticamente evaluado de forma completa mediante pruebas de uso en motor, bien en motores en banco o en pruebas sobre motores en servicio. Son excepcionales las medidas como el comportamiento de la viscosidad frente al esfuerzo cortante, donde se utilizan principalmente inyectores de motor Diesel y las pruebas de compatibilidad con elastómeros. Esta pruebas son realizadas sobre aceites nuevos y no reflejan los cambios físicos y químicos que sufre el aceite en servicio. Estas pruebas, por tanto, son más relevantes de cara a las especificaciones que a la clasificación. Por el contrario los ensayos en banco tratan de simular las condiciones reales en servicio y por tanto de proteger contra los posibles problemas que pueden aparecer en el funcionamiento real. Es importante distinguir entre el comportamiento de una muestra de aceite y su especificación detallada. La especificación puede incluir requerimientos de comportamiento así como requerimientos físicos y químicos que no están directamente relacionados con el comportamiento. Muchos de los requerimientos físicos, tales como el punto de inflamación se incluyen como elemento de protección frente a la realización de malas mezclas o la contaminación. Otros requerimientos como la viscosidad a altas temperaturas puede representar un compromiso entre las necesidades de diferentes tipos de equipamiento. Los requerimientos químicos pueden ser considerados como secundarios. Mientras la basicidad o alcalinidad de un aceite para motor Diesel de alto grado de calidad puede proporcinar una pista de su nivel de comportamiento, es el balance total del paquete de aditivos el factor de mayor importancia, muy superior que el valor de TBN sólo.


69

Las cuatro áreas de comportamiento clave que se evaluan en los ensayos en banco son las que se presentan a continuación con los típicos parámetros medidos para indicar el nivel de comportamiento alcanzado. Tabla 2.8: Áreas de evaluación del comportamiento del aceite en ensayos en motor.

•

•

•

•

- Oxidación - Espesamiento - Corrosión de cojinetes (debido a la Sobre el aceite: oxidación) - Viscosidad - Degradación de sellos (elastómeros) - Desgaste en árbol de levas y picado - Desgaste en cojinetes Desgaste sobre el motor: - Desgaste de segmentos - Desgaste de camisa - Pulido de camisa (Bore polishing) - Carbón y barnices: En alojamientos de segmentos En caras de segmentos Formación de depósitos: - Barros: En culata En cárter Oxidación / corrosión tren de válvulas Oxidación y corrosión: Corrosión en cojinetes

Existen un gran número de tests diferentes para la medición de los parámetros de comportamiento anteriormente mencionados. La tendencia a tener diversos tests de medida sobre las mismas propiedades es aún más marcada en el caso de los lubricantes para motores Diesel, y ha crecido de forma acelerada en la última década. La argumentación básica es que los motores Diesel tienen una mayor variedad en diseño y rango de potencias y por tanto son necesarios tests en diferentes tipos de motor para asegurar que este espectro de motores en uso está cubierto. Aquí radica la cuestión básica si el motor debe diseñarse para aprovechar el aceite o es el aceite el que debe ser aprovechado en el motor. La proliferación de los tests para motores Diesel en motores policilíndricos ha venido debido a la problemática de los fabricantes de motor con la durabilidad de los mismos demandando para ello nuevas calidades de aceites para minimizar este efecto. El argumento en contra es que sin la mejora en la calidad de los aceites los nuevos

70


diseños de motor no habrían alcanzado los altos niveles de fiabilidad y alta potencia específica que tienen en la actualidad. El primer requerimiento para un lubricante en un motor Diesel es que provean de un buen sellado del paso de los gases desde la cámara de combustión hacia el cárter. Los segmentos deben tener un movimiento radial libre, sin excesivo juego vertical y no deben desgastarse rápidamente. Para alcanzar esto, los depósitos de carbón en las holguras del segmento deben ser minimizados. Una de las fuentes de la formación del carbón es la progresiva formación de depósitos de laca o barniz que pueden llegar a convertirse en carbón sólido. Para la reducción del tiempo de los ensayos sobre motor, los primeros tests definidos por Caterpillar requerían severos estándares para la formación de barnices en faldas de pistón y cabeza así como requerimientos para el pegado de segmentos. Un pistón que no ha superado el test de Cartepillar puede encontrarse en mejor situación que un pistón que trabaja correctamente en un motor en servicio. Esto puede ser considerado como no realista, aunque la alternativa supone irse a la realización de tests más largos (el test de Caterpillar necesita 480 horas) o más severos (probablemente aún menos realistas). Una de las formas ha sido, en el pasado, aumentar el contenido de azufre en el combustible para incrementar el ratio de generación de ácidos. Con niveles de contenido de azufre en combustibles comerciales disminuyendo la similitud entre la realidad y los ensayos es cada vez más difícil. De todas formas la posibilidad de abandonar los tests de laboratorio y realizar únicamente ensayos en campo puede rechazarse debido a consideraciones de costo y de tiempo empleado. Ante los nuevos diseños de motor que se han desarrollado, las necesidades de nuevos tipos de tests sobre lubricantes han evolucionado. Los motores altamente potenciados con reducidas distancias entre el segmento de fuego y la cabeza de pistón han dado problemas con el pulido de camisa que puede llevar a un alto consumo de aceite antes de la degradación general del comportamiento del motor. Por otra parte el uso de pequeños motores diesel de alto régimen de giro en automóviles ha llevado al desarrollo de tests específicos para este tipo de motores sobre todo en el desgaste de camisa y el tren de válvulas. La realización de ensayos en banco de motor para la evaluación de lubricantes tienen hoy en día varios problemas entre los que podemos señalar el alto coste de los mismos, su baja precisión, la falta de combustibles o recambios adecuados, la falta de calidad de los recambios, su incompatibilidad con otros requerimientos o la innecesaria duplicación con otros tests. Como ejemplo de todo lo dicho anteriormente presentamos a continuación la clasificación de calidad para aceites lubricantes en motores Diesel por los organismos mas extendidos e influyentes: API (American Petroleum Institute) y ACEA (Association des


71

Constructeurs Européens d’Automobiles). La clasificación API se presenta en la siguiente tabla: Tabla 2.9. Clasificación API para motores Diesel Categoría API motores Diesel

Categoría API antigua

Designaciones militares o industriales relacionadas

Pruebas en banco requeridas

CA

DG (good condition)

MIL-L-2104A

CRC L-38; Caterpillar L-1 (0.4% azufre)

CB

DM (moderate severity)

MIL-L-2104A, Supplement 1

CRC L-38; Caterpillar L-1 (0.4% azufre)

CC

DM (moderate severity)

CRC L-38; Sequence IID; Caterpillar 1H2

CD

DS (severe service)

MIL-L-2104B MIL-L-6152B MIL-L-45199B, Series 3 MIL-L-2104C/D/E

CD-II

Ninguno

MIL-L-2104D/E

CE

Ninguno

Ninguno

CF-4

Ninguno

Ninguno

CF-2

Ninguno

Ninguno

CF

Ninguno

Ninguno

CG-4

Ninguno

Ninguno

CH-4

Ninguno

Ninguno

CI-4

Ninguno

Ninguno

CRC L-38; Caterpillar 1G2 CRC L-38; Caterpillar 1G2; Detroit Diesel 6V53T CRC L-38; Caterpillar 1G2 ; Cummins NTC-400 ; Mack T-6; Mack T-7 CRC L-38; Cummins NTC400 ; Mack T-6; Mack T-7; Caterpillar 1K CRC L-38; Caterpillar 1MPC; Detroit Diesel 6V92TA CRC L-38; Caterpillar 1MPC CRC L-38; Sequence IIIE; Roller Follower Wear; Mack T-8; Caterpillar 1N Sequence IIIE; Roller Follower Wear; Mack T-8E; Mack T-9; Cummins M11; Caterpillar 1P; Caterpillar 1K Caterpillar 1R; Cummins M11; Mack T-8E; Mack T10; Roller Follower Wear; Caterpillar 1K or 1N; HEUI; Sequence IIIF

72


Las características de cada categoría son las siguientes:

CA (obsoleta): Servicio típico de motores Diesel trabajando en condiciones suaves o moderadas, con combustible de alta calidad. Los aceites utilizados para este fin proveen protección frente a la corrosión de cojinetes y depósitos en los segmentos de algunos motores Diesel de aspiración natural que trabajen con gasoil de tal calidad que no necesiten requerimientos especiales frente al desgaste y formación de depósitos. Este tipo de lubricante fue utilizado entre 1940 y 1950 pero en la actualidad no de be ser usado, salvo que así lo especifique el fabricante del equipo. CB (obsoleta): Servicio típico de motores Diesel trabajando en condiciones suaves o moderadas pero con gasoil de baja calidad, los cuales necesitan una mayor protección frente al desgaste y formación de depósitos. Los aceites utilizados en este caso proveen de esta necesaria protección en algunos motores Diesel de aspiración natural con gasoil de alto contenido de azufre. Este tipo de lubricante se introdujo en 1949, no debe ser utilizado en motores modernos, salvo que así lo indique el fabricante del equipo. CC (obsoleta): Servicio típico de motores diesel aspirados y sobrealimentados, trabajando en condiciones de moderadas a severas, también para ciertos motores de gasolina trabajando en condiciones severas. Los aceites designados para este fin protegen de la formación de depósitos a alta temperatura y corrosión de cojinetes en motores Diesel y de la formación de depósitos a baja temperatura y corrosión en motores de gasolina. Esta denominación se introdujo en 1961. CD (obsoleta). Servicio típico de motores diesel aspirados y sobrealimentados donde el control del desgaste y la formación de depósitos sea vital o cuando se utilice gasoil de un amplio rango de calidades, incluidos aquellos con alto contenido de azufre. Estos aceites se introdujeron en 1965. CD-II (obsoleta). Servicio típico de motores de dos tiempos que requieren un alto control efectivo de desgaste y depósitos. Aceites designados para este servicio también deben de cumplir los requerimientos de la categoría API CD. CE (obsoleta). Servicio típico en motores Diesel sobrealimentados, su principal diferencia con los API CD estriba en una mayor protección frente al pulido de camisas producido en este tipo de motores Diesel, mejoras en el consumo de aceite y formación de depósitos.


73

CF-4 (1990): Servicio típico de motores Diesel de cuatro tiempos de alto régimen. Supera los requerimientos de la categoría CE, proporcionando un mejor control del consumo de aceite y depósito del pistón. Estos aceites suelen utilizarse en lugar de los API CE. Particularmente, son apropiados para autopistas y aplicaciones en camiones. Cuando se combina con la categoría “S” apropiada, también pueden utilizarse en vehículos Diesel y Gasolina de uso personal, cuando es recomendado por el fabricante del vehículo o del motor. CF: Servicio típico en motores Diesel de inyección indirecta y otros tipos de motores Diesel que utilizan un amplio rango de tipos de combustibles, incluyendo aquellos que utilizan combustible de alto contenido en azufre, por ejemplo, más de 0.5% en peso. El control efectivo sobre la formación de depósitos en pistón, el desgaste y la corrosión sobre cojinetes con cobre es esencial para este tipo de motores que pueden ser de aspiración natural, sobrealimentados o turbosobrealimentados. Los aceites designados para esta categoría existen desde 1994 y pueden ser utilizados cuando se recomienda una categoría CD. CF–2: Servicio típico en motores Diesel de 2 tiempos que requieren un alto control efectivo sobre el “scufing” de segmentos y los depósitos. Los aceites diseñados para este tipo de servicio existen desde 1994 y pueden ser utilizados en la antigua aplicación CD-II. Estos aceites no cumplen necesariamente con los requerimientos de la clasificación CF o CF-4 aunque éstos pasan los test requeridos para estas categorías. CG-4: Esta categoría describe los aceites a utilizar en motores Diesel de 4 tiempos y alto régimen usados en aplicación de automoción (menos de 0.05% de azufre en combustible) o maquinaria de obra pública (menos de 0.5% de azufre en combustible). Los aceites CG-4 proporcionan un control efectivo sobre los depósitos de alta temperatura en pistón, desgaste, corrosión, espumas, estabilidad a la oxidación y acumulación de materia carbonosa. Estos aceites son especialmente efectivos en motores diseñados para superar los standars de emisión de gases de escape de 1994 y pueden ser utilizados en motores que requieran categorías CD, CE y CF-4. Los aceites para este tipo de servicio existen desde 1994. CH-4: Esta categoría es apropiada para los motores Diesel de 4 tiempos y alto régimen diseñados para sobrepasar las especificaciones de emisión de 1998 y están específicamente formulados para usar con

74


combustibles con un contenido de azufre hasta 0.5%. Los aceites CH4 son superiores en comportamiento a los de las categorías CF-4 y CG-4 y pueden lubricar efectivamente los motores que requieren las categorías mencionadas anteriormente. Estos aceites son especialmente efectivos para mantener la durabilidad del motor incluso bajo condiciones adversas que pueden afectar al control del desgaste, estabilidad a alta temperatura y a las propiedades detergentes sobre la materia carbonosa. Además se obtiene una óptima protección contra la corrosión sobre elementos no férricos, el espesamiento por oxidación e insolubles, espumas y descenso de viscosidad por esfuerzo cortante. Estos aceites también poseen la capacidad de una mayor flexibilidad de aproximación a los periodos de cambio según recomendaciones de los fabricantes. CI-4: Esta categoría describe aceites para uso en motores Diesel de 4 tiempos y alto régimen diseñados para cumplir los niveles de emisiones del 2004. Estos aceites están formulados para ser utilizados en aplicaciones donde se empleen combustibles de hasta un máximo de 0.05% de azufre en peso. Son especialmente efectivos de cara a mantener la durabilidad del motor en aplicaciones donde se emplee EGR u otros tipos de sistemas de reducción de emisiones. Se obtiene una optima protección contra el desgaste corrosivo, estabilidad a alta y bajas temperaturas, buenas propiedades para controlar la materia carbonosa, los depósitos en pistón, el desgaste del tren de válvulas, la oxidación y la pérdida de viscosidad por cizallamiento.

Como ejemplo vamos a ver las condiciones de algunos de los tests que se emplean para comprobar el nivel de calidad de un aceite según la clasificación API, (extraído de [Ethyl; 2000]). Tabla 2.10: Especificaciones del ensayo CRC L-38 Equipamiento

Objetivo / propósito Condiciones de ensayo

Motor de ensayo de aceite Labeco CLR, monocilindrico, 0,69 litros y encendido por chispa. Evaluación de la corrosión sobre cobre / plomo y tendencia en la formación de depósitos bajo condiciones de alta velocidad y temperatura. Puede utilizarse también para evaluar la estabilidad al cortante del aceite Duración 40 h. Régimen (rpm) 3150 Pot (kW) No controlada


Temperatura refrigerante

salida

75

93 ºC

143 ºC (135 ºC para SAE 10W) Medición de pérdida de peso en cojinetes. Ciertos elementos del motor son valorados para la formación de barnices y depósitos de barro. Los datos de estabilidad al cortante son obtenidos por los cambios en las medidas viscométricas efectuadas en muestras tomadas cada 10 horas.

Temperatura aceite

Método de valoración

Tabla 2.11: Especificaciones del ensayo MACK T-8/T-8E Equipamiento Objetivo / propósito

Condiciones de ensayo

Método de valoración

Motor Diesel MACK E7-350, seis cilindros, turboalimentado e intercooler. 12,0 litros y 350 BHP. Evaluación del comportamiento viscométrico y capacidad de carga de materia carbonosa de aceites de motor para motores Diesel turbosobrealimentados y con intercooler. 250 h a plena carga (T-8) Duración 300 h a plena carga (T8E) Régimen (rpm) 1800 Par (lb/ft) 1010 - 1031 Temperatura salida 85 ºC refrigerante Temperatura aceite 102 - 107 ºC Contenido azufre en 0,03 – 0,05 % combustible Medición del aumento de viscosidad a partir del análisis de aceite. El test también estipula un consumo máximo de aceite de 0.0005 lbs/BHP/h.

A continuación se presenta la clasificación ACEA, más implantada en Europa, para motores de vehículos industriales.

76


Tabla 2.12. Secuencias para aceites de motor Diesel (Heavy Duty) según ACEA


77

Determinados fabricantes también tienen sus propias especificaciones de calidad de los lubricantes a utilizar en sus motores. El caso más importante en Europa es el de Mercedes Benz con su clasificación MB 2XX, o las de MAN, VW ó Volvo. En EEUU disponen de especificaciones Mack, Caterpillar etc.

CAPITULO III TÉCNICAS APLICABLES AL ANÁLISIS DE ACEITES LUBRICANTES PARA MOTOR

Objetivo del capitulo: Se muestra en esta parte las distintas técnicas aplicables a la medida de parámetros del aceite para su utilización en el diagnóstico de su estado y del motor del cual está en uso. Se distinguen entre los métodos propios de laboratorio, más precisos, y los métodos de taller utilizados como un indicativo o ensayo de control.

3.1. Introducción En el presente capítulo se van a presentar los diferentes métodos y técnicas de análisis de aceite usado mas frecuentemente empleados en la actualidad. Indistintamente presentaremos técnicas de aplicación exclusiva en laboratorio especializado, debido a su sofisticación, coste y nivel técnico de operación, así como equipos o métodos de los denominados “de taller”, que permiten de forma rápida y sencilla obtener una primera aproximación del estado del aceite y del motor. Obviamente la utilización de técnicas mas sofisticadas permite la obtención de datos más precisos y diagnósticos por tanto más certeros. En este sentido hay que señalar que se está observando una tendencia importante por parte de las grandes corporaciones dedicadas a ofrecer servicios de análisis de aceites a recomendar la utilización de los ensayos mediante los llamados equipos de análisis rápidos de taller, como pruebas “pasa-no pasa”, para

80

Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor

únicamente en los casos que no superan este test previo ser enviados a laboratorios especializados para la obtención de una apreciación cuantitativa de los mismos de forma más precisa [Fitch, J. 1999]. Esto conlleva un ahorro importante en el gasto de muestras analizadas en laboratorios externos, ya que en la mayoría de casos es esperable que los resultados de los análisis sean correctos y mediante esta forma de operación únicamente se requiere un análisis más detallado en aquellas muestras que presentan indicios de algún tipo de problemática. Es por ello que también proliferan en la actualidad multitud de nuevos equipos o equipos más completos destinados al análisis in situ del aceite, algo que hasta ahora quedaba reservado para aquellos usuarios que no tenían mas remedio que operar de esta manera debido a condicionantes de funcionamiento propio, como en el caso del análisis de aceites lubricantes de motor usado en barcos. Se presentarán aquí los métodos aplicados al monitorizado y control de aceites lubricantes para motores, lo que no supone que sean la totalidad de análisis que se pueden realizar sobre aceites lubricantes, ya que, para otras aplicaciones de lubricación resultan interesantes determinadas propiedades, características o contaminantes enfocados directamente sobre las funciones que se requieren en la aplicación en concreto [Benlloch, J. M.; 1985]. Así por ejemplo, para circuitos hidráulicos es típico la medida del comportamiento del aceite frente a la formación de espumas, la medida de la tensión interfacial o la medida de la aeromulsión en aceites de cárter de turbinas de vapor, etc. Las técnicas de análisis de aceite aplicadas al mantenimiento, se pueden clasificar según su finalidad en:

Técnicas para la determinación de la degradación del aceite Técnicas para la cuantificación de la contaminación presente en el aceite Técnicas para la identificación y cuantificación de las partículas de desgaste en el aceite usado.

Con la utilización de estas técnicas se alcanzará a realizar un diagnóstico sobre el estado del aceite y del motor, utilizando los resultados obtenidos como síntomas en el diagnóstico, tanto en la degradación del aceite como en el desgaste y el comportamiento de los diferentes sistemas que componen el motor.


81

3.2. Técnicas analíticas para la determinación de la degradación del aceite. Se presentan a continuación algunos de los posibles métodos a emplear para la medición de las propiedades del lubricante a partir de las cuales se puede determinar su degradación; definido como el proceso por el que se va reduciendo la capacidad del aceite de cumplir las funciones para las que ha sido diseñado, esto es: lubricar, proteger, limpiar, refrigerar y sellar, y que es originado por la alteración de sus propiedades físicas y químicas debidas a las diferentes condiciones a las que se ve sometido el aceite dentro del motor tales como elevadas temperaturas, grandes velocidades de cizallamiento, entorno corrosivo, contaminación, envejecimiento, etc. El nivel de degradación es el grado de deterioro de las propiedades iniciales del aceite y depende de diferentes factores tales como: el estado y mantenimiento del motor, de la calidad del aceite, de la severidad del servicio, del tiempo o kilómetros de uso del aceite y de los añadidos de aceite fresco realizados sobre el cárter.

3.2.1. Viscosidad La viscosidad es la característica mas importante de un fluido desde el punto de vista de la lubricación y para casi todas las aplicaciones prácticas, ya que va a determinar su capacidad física para mantener la lubricación, esto es, va a fijar sus pérdidas por fricción, el rendimiento mecánico, la capacidad de carga y el gasto del fluido para unas condiciones determinadas de velocidad, temperatura, carga y dimensiones del elemento que se calcula [Mundi, E.; 1972]. Si se emplea un aceite excesivamente viscoso para los requerimientos de trabajo, las pérdidas mecánicas aumentan debido a un mayor rozamiento. La selección de un lubricante de una viscosidad más baja de la requerida puede dar lugar a un desgaste excesivo en las piezas por pérdida de la capa de lubricación. La viscosidad es la resistencia o frotamiento interno existente entre las moléculas de un fluido al deslizarse entre sí. Los aceites minerales y las mezclas de aceites minerales son fluidos newtonianos, cumpliendo con la ley que enunció Newton, donde el esfuerzo cortante, τ, es directamente proporcional al gradiente de velocidades, obteniéndose el valor de la viscosidad absoluta o dinámica, µ, de la fórmula:

82


τ =µ⋅

τ dv →µ= dv dz dz

Ec. (3.1)

La ecuación dimensional de la viscosidad absoluta o dinámica, µ, se deduce que es [M L-1 T-1] y tiene como unidad en el Sistema Cegesimal el Poise (P) mientras que en el Sistema Internacional se expresa en Pouiseville (PI). En la práctica, la viscosidad absoluta se determina a partir de la viscosidad cinemática, υ, la cual es más sencilla de determinar experimentalmente y cuya relación se expresa a continuación, siendo ρ la densidad del fluido.

υ=

µ ρ

Ec. (3.2)

La ecuación dimensional de la viscosidad cinemática es [L2T-1] y la unidad de la viscosidad cinemática en el Sistema Cegesimal es el Stoke (St), en el SI se expresa en m2/s, equivalente a 104 St, o dicho de otro modo, 1 cSt equivale 1 mm2/s. Tabla 3.1. Unidades de la viscosidad absoluta y cinemática en diversos sistemas de medidas Unidades Sistema SI CGS MkgfS Brittish Inch Pound Second

-1 -2

τ [ML T ]

dv dz

[T-1]

-1

-1

µ [M L T ]

υ [L2T-1]

Newton/m2 (Pa)

s-1

Poiseuille (PI) = Pa·s = 10 P

m2/s

dina / cm2

s-1

Poise (P)

Stokes (St)

(cP)

(cSt)

2

2

-1

Kgf/m

s

Kg s/ m (98.1 P)

m2/s

Libra fuerza/ pulgada cuadrada

s-1

Reyn

Sq.i/s

( = 6.89 106 cP)

La viscosidad no es una constante del fluido y depende de varios parámetros siendo los más importantes la temperatura y la presión. El parámetro representativo de la variación de la viscosidad de un fluido con la temperatura es el llamado Índice de Viscosidad, que se calcula a partir de datos de la viscosidad


83

utilizando el método de Dean y Davis (1929), en el cual se compara el aceite a evaluar con dos aceites de referencia con índices definidos de 100 y 0. El índice de viscosidad es poco significativo como parámetro de diagnóstico ya que su disminución por degradación de los llamados aditivos mejoradores de viscosidad (“Viscosity Index Improvers” o “Viscosity Modifiers”) no es detectable en muchos casos y puede verse enmascarado por diferentes contaminantes tales como la dilución. La viscosidad cinemática se determina por distintos métodos, clasificándose habitualmente según el tipo de equipo empleado en el ensayo:

Mediante la medida del tiempo de circulación del aceite a través de un capilar, perteneciendo a este grupo los viscosímetros de Ostwald o Ubbelohde. El valor de la viscosidad cinemática del fluido se calcula directamente como producto del tiempo de escurrimiento por la constante de calibración del aparato. La norma ASTM D-445 describe el procedimiento para la medida de la viscosidad cinemática en fluidos newtonianos transparentes y opacos a cualquier temperatura. La viscosidad dinámica se obtiene multiplicando la cinemática medida, por su densidad a idéntica temperatura.

Figura 3.1: Varios tipos de viscosímetros capilares. a) Cannon-Fenske (líquidos transparentes), b) Cannon-Fenske (líquidos opacos), c) Ubbelohde, d) FitzSimons, e) SIL, f) Zeitfuchs, g) Atlantic.

84


Mediante la medida del tiempo de vaciado de un recipiente de volumen fijo, el cual tiene un orificio de diámetro perfectamente conocido, en este grupo se incluyen los viscosímetros de Saybolt (ASTM D-88), Redwood y Engler. En la siguiente tabla se muestran las características: volumen de muestra, temperatura de la prueba de cada uno de estos análisis y significado de la unidad. Tabla 3.2: Características de diferentes ensayos para la medida de viscosidad Cantidad de aceite (cm3)

Temperatura (ºC)

Significado

Engler [ºE]

200

50 y 100

Tiempo escurrimiento aceite / Tiempo escurrimiento agua 20 ºC

Saybolt (SUS)

60

100, 130 y 210

Tiempo escurrimiento en s

Redwood

50

70, 100, 140 y 200

Tiempo escurrimiento en s

Unidad

Mediante el efecto de cizallamiento que se produce en el aceite contenido entre dos superficies, sometidas a un movimiento relativo, a este grupo pertenecen los viscosímetros de Mac Michel. En el campo de los aceites de motor podemos encontrarnos con viscosímetros que han sido específicamente diseñados para la medida de la viscosidad en situaciones comunes en las que puede verse un aceite de motor: El viscosímetro Brookfield es un equipo de medida rápida, que permite una lectura directa en base a la utilización de un surtido de husos rotatorios a velocidades variables, bajas o medias, para proporcionar un amplio rango de medidas. En el mismo, se sumerge el huso en el aceite a medir, se selecciona la velocidad de rotación y la lectura del par que ofrece el equipo es una medida de la viscosidad aparente. Este tipo de viscosímetro es utilizado normalmente para medidas de viscosidad a bajas temperaturas. El método de medida standard está definido en la norma ASTM D-2983, y en la norma ASTM D-5133 se describe la utilización de este equipo para hallar la mínima temperatura de flujo de un aceite a muy bajos esfuerzos de cizallamiento.


85

El viscosímetro Cold Cranking Simulator (CCS) fue desarrollado a comienzos de la década de los 60 para un uso muy específico, su propósito era definir los grados de viscosidad en invierno según la norma SAE J300 (Winter grades) en aceites de motor para correlacionarlos con la facilidad de arranque del mismo. Este equipo utiliza un rotor no cilíndrico introducido de forma muy ajustada dentro de un estator y fue inicialmente utilizado a una única temperatura de – 18 ºC (0ºF). Recientes modificaciones en el sistema de clasificación de viscosidades hace que se requieran tests a temperaturas entre –10ºC para aceites 25W o –35ºC para aceites 0W. El método de operación es presentado en la norma ASTM D-5293. En este tipo de equipo, un tipo especial de motor eléctrico aplica un par relativamente constante al rotor, y la velocidad de rotación es relacionada con la viscosidad mediante la calibración previa con aceites patrón. En la década de los 80 problemas con la bombeabilidad del aceite en casos donde el arranque era satisfactorio llevo a posteriores modificaciones de la clasificación de viscosidad y la adopción de nuevos viscosímetros de baja temperatura. La viscosidad a baja temperatura y bajo esfuerzo de cizallamiento es importante para predecir la posibilidad del “air binding” en un aceite de motor en vehículos que han permanecido a bajas temperaturas durante un periodo de tiempo considerable. El aceite de motor en este caso puede gelificar y no fluir en la bomba de aceite en el momento del arranque del motor, entonces la bomba de aceite bombea aire en vez de aceite pudiendo provocar importantes daños tanto en la bomba como en otras partes del motor. El viscosímetro Brookfield, según el método ASTM D-5133, correlaciona el comportamiento del aceite con este tipo de problemas y está recomendado en los aceites de nueva formulación, pero este tipo de ensayo es muy laborioso en cuanto a tiempo de realización y es por ello que se desarrolló otro tipo de equipo que permite realizar de forma simple mayor número de ensayos, es el llamado viscosímetro Mini-Rotary (MRV), en el cual, simples husillos son introducidos en el aceite con cables arrollados en la parte superior del husillo, pasando los mimos sobre unas poleas de las cuales se cuelgan pesos. Estos pesos son los que proporcionan la fuerza para hacer girar el husillo en el seno del aceite. El método operativo consiste en ir añadiendo pequeños pesos para la medición del límite elástico, la mínima fuerza requerida para la rotura de la estructura de gel del aceite y que permita al husillo girar. La norma que recoge este método es la ASTM D-4684.

86


Las modificaciones en los diseños de los motores que han llevado a los aceites a soportar más altas temperaturas y durante tiempos más prolongados, ha llevado a los fabricantes a tener mas en cuenta la viscosidad de los mismos en condiciones de alta temperatura y alto esfuerzo de cizallamiento (High Temperature / High Shear, HTHS) y se han introducido requerimientos en este sentido. Para estas pruebas podemos encontrar los viscosímetros TBS (Tapered Bearing Simulator) utilizado para medir viscosidades a grandes esfuerzos cortantes a 150 ºC en los Estados Unidos o en Europa el llamado viscosímetro Ravenfield.

Tabla 3.3: Resumen de los principales tipos de viscosímetros usados para medidas en aceites lubricantes para motor. Tipo

Nombre

Indicación

Norma ASTM

Capilar

--

Bajo

40ºC, 100ºC

Grado SAE

D-445

Capilar

--

Muy alto

150ºC

Protección de cojinetes

D-4624

Rotacional

Scanning Brookfield

Muy bajo

-10ºC a –40ºC

Bombeabilidad a baja temperatura

D-5133

Rotacional

Brookfield

Bajo a medio

-10ºC a +40ºC

Viscosidad aceites engranajes

D-2983

Rotacional

MRV

Bajo

-10ºC a –35ºC

Bombeabilidad a baja temperatura

D-4684

Rotacional

CCS

Alto

-5ºC a –30ºC

Arranque de motor

D-2602

Rotacional

TBS o Ravenfield

Muy alto

150ºC

Protección de cojinetes

D-4683/ D-4741

Cizallamiento Temperatura

Mediante el tiempo de desplazamiento de un objeto sólido a través del aceite, principio que utilizan los viscosímetros de caída de bolas. Para la determinación de la viscosidad, se mide el tiempo que tarda una bola en caer desde un extremo hasta la base de un tubo lleno del aceite a analizar. Usualmente este tipo de medición se realiza de forma comparativa


87

pudiendo determinar si la viscosidad de un aceite usado es mayor o menor que el mismo aceite fresco comparando los tiempos de caída de la bola en ambos casos. La mayoría de los viscosímetros tienen en común el hecho de que la temperatura del ensayo debe de ser perfectamente conocida y homogénea a lo largo de todo el proceso de medida, ya que la viscosidad depende en gran medida de esta, tal como hemos comentado anteriormente. Las temperaturas más empleadas en estos ensayos son 40ºC y 100ºC, que son utilizadas en el cálculo del índice de viscosidad.

3.2.2. Punto de inflamación. El punto de inflamación, en terminología inglesa “flash point”, es la temperatura mínima a la cual el aceite desprende la cantidad suficiente de vapores como para inflamarse momentáneamente al aplicarle una llama; se expresa en grados centígrados (ºC). El punto de inflamación de un aceite usado sube con el tiempo de utilización debido a la evaporación de las partes volátiles del mismo. La reducción del punto de inflamación se puede producir en los aceites de motores por la presencia de combustible, siendo más acusada esta disminución en aceites con poco contenido de compuestos volátiles. El punto de inflamación puede proporcionar alguna indicación sobre la amplitud del corte de destilación empleado en el aceite base y revelar contaminaciones por productos más volátiles tal como hemos comentado. El punto de inflamación en aceites de motor se encuentra en niveles que no deben ofrecer potenciales riesgos de inflamación. Existen varios métodos de determinación del punto de inflamación de un aceite, para aceites usados suele utilizarse el sistema de vaso abierto (Cleveland Open Cup), según la norma ASTM D-92, en el cual una cantidad determinada de muestra es colocada en un crisol metálico abierto y calentada siguiendo las especificaciones de la norma, al tiempo se pasa una llama de un mechero por los gases que evaporan del crisol, considerándose que se ha alcanzado el punto de inflamación a la temperatura a la cual el aceite es capaz de mantener una llama en su superficie. El método de vaso cerrado (Pensky-Martens, ASTM D-93), emplea un recipiente cerrado con la muestra de aceite, que se va calentando y dentro del cual se introduce periódicamente la llama piloto y se revuelve el aceite. Al ser esta prueba en recipiente cerrado los vapores se recogen en el mismo y los puntos de inflamación con este método son menores que en el caso del método del vaso abierto. Este método es más sensible que el anterior a pequeñas cantidades de combustible. El equipo de medida de Pensky-Martens ha sido automatizado con buenos resultados mediante simulación del procedimiento manual, es el equipo

88


denominado “Setaflash” que opera según la norma ASTM D-3828 [Caines, A.; 1996].

Punto de Inflamación (ºC)

270 REPSOL MOTOR OIL SERIE 3 SAE 30

250

REPSOL SERIE 3 ESPECIAL FF.CC. SAE 40

230

CEPSA ULTRA SHPD SAE 15W40

210 190 170 150 0,0

4,0

8,0

12,0

16,0

% Dilución Combustible

Figura 3.2. Medidas del punto de inflamación de diferentes aceites de motor con el método de vaso abierto con diferentes grados de contaminación por combustible (dilución.)

3.2.3. Acidez-basicidad del aceite. En un aceite, el grado de acidez o alcalinidad puede expresarse por el número de neutralización respectivo, el cual se define como la cantidad de álcali o ácido expresado en miligramos de hidróxido de potasio (KOH) que se requiere para neutralizar el contenido de ácido o base de un gramo de muestra, en condiciones normalizadas. La acidez o la alcalinidad de un aceite nuevo da información sobre el grado de refino y aditivación, mientras que en uno usado da información sobre los contaminantes y fundamentalmente sobre la degradación del mismo. El monitorizado de la acidez permite evaluar los cambios químicos experimentados por el aceite como consecuencia de su oxidación y en el caso de los motores de combustión interna, la contaminación por los ácidos procedentes de la combustión. Sin embargo, en los aceites detergentes su interpretación no es sencilla, puesto que existen aditivos que contienen metales que reaccionan con el hidróxido de potasio, pudiendo obtenerse una mala medida del nivel de acidez y por lo tanto una evaluación errónea de la degradación del aceite. El parámetro utilizado para la medida de la acidez es el índice de acidez total, comúnmente expresado como TAN (Total Acid Number), siendo la cantidad de base expresada en miligramos de KOH necesaria para neutralizar todos los constituyentes ácidos presentes en un gramo de aceite, incluyendo débiles y fuertes. En el caso de motores de combustión interna,


89

el interés de los parámetros indicativos de la acidez es relativo y suele monitorizarse en aquellos motores que utilizan combustibles con un contenido de azufre importante y como complemento de la medida del nivel de basicidad. En la mayoría de las aplicaciones se monitoriza el número de neutralización, que se compara con el valor original del aceite para comprobar su estado de degradación. En los motores de combustión interna, se monitoriza la reserva alcalina de los aceites, la cual se utiliza para neutralizar los ácidos procedentes de la combustión y de la oxidación del aceite a temperaturas elevadas. El parámetro utilizado es el TBN (Total Base Number) o índice de basicidad total. Actualmente los métodos mas utilizados para la medida de la basicidad son los métodos prescritos por las normas ASTM D-2896 y D-4739. El método ASTM D-2896 permite la medición de tanto las bases medias como las bases fuertes presentes en los constituyentes del aceite, y puede decirse que proporciona la mejor medida del contenido de aditivo total en un aceite nuevo. Puede argumentarse que la basicidad débil no es particularmente útil para la neutralización de ácidos y la prevención de corrosión y formación de depósitos, por lo que para especificar la basicidad del aceite con relación al contenido de azufre del combustible es preferible la utilización de un test que mida únicamente la basicidad fuerte. Originalmente el método de ASTM D-664 fue considerado satisfactorio, pero este método, relativamente simple, tiene el problema asociado de poca repetitividad y ahora es reemplazado por el ASTM D-4739 [Caines, A.; 1996]. Este método mide tanto bases débiles como fuertes y emplea tritación potenciométrica a un ratio muy lento ( 90 s por cada 0.1 ml de reactivo añadido). La lenta adición de reactivo hace este método muy apropiado para análisis de aceites usados, donde la neutralización es a menudo lenta.

TBN/TAN (mg KOH/g)

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Horas de uso del aceite

Figura 3.3. Evolución típica en el monitorizado de los parámetros TBN y TAN en el lubricante usado en función del tiempo de uso del mismo.

90


3.2.4. Insolubles del aceite. Son los productos inorgánicos y orgánicos precipitados que contiene el aceite usado. De estos, una parte se deposita como lacas y barnices en los alojamientos de los segmentos, falda del pistón y otras superficies del motor; otra parte se sitúa como lodos o barros (sludge) en el interior del cárter y de los conductos de lubricación, con el riesgo de taponarlos; el resto se disuelve en el aceite espesándolo con el consiguiente aumento de la viscosidad. El conocimiento del contenido y composición de estos productos es interesante para el diagnóstico, ya que están relacionados directamente con la degradación del aceite, la eficacia de los filtros, el desgaste y en el caso de aceites detergentes con la saturación de la capacidad dispersante. Los insolubles se miden mediante los métodos basados en la sucesiva solubilidad o insolubilidad en diversos disolventes de los productos de alteración del aceite, tales como el pentano y el tolueno. La parte insoluble se separa por filtración o centrifugación, dependiendo los resultados del tipo de solvente utilizado. El peso de precipitado seco representa el contenido de insolubles. Los insolubles en pentano representan la casi totalidad de los productos insolubles del aceite y están formados por contaminantes externos insolubles en el aceite y los productos de la degradación del mismo tales como lacas, barnices, etc., que se separan fácilmente. En ciertas ocasiones se mezcla con el pentano un coagulante tal como la mezcla 50% n-butildietanolamina, 50% alcohol isopropílico, que destruye la capacidad dispersante-detergente del aceite, aglomerándose las partículas insolubles que permanecían en suspensión. Con este procedimiento se obtienen valores más elevados de los insolubles. Los insolubles en tolueno representan los productos procedentes de la contaminación externa, de la corrosión, del desgaste de los mecanismos lubricados, del carbón formado en la combustión incompleta del combustible y de una posible coquización parcial del aceite. La diferencia entre insolubles en pentano y tolueno es una medida de compuestos procedentes de la degradación del aceite, como resinas, barnices, etc. Estos compuestos solubles en tolueno pero insolubles en pentano proviene en su mayoría de la oxidación, así, este es un buen indicador del grado de oxidación del aceite. La forma más común de expresar los insolubles es la concentración en porcentajes másicos. La cantidad de materia insoluble que un aceite puede portar


91

depende del nivel de detergencia-dispersancia que posea. El monitorizado del nivel de insolubles eventualmente puede mostrar un descenso del mismo, momento en el cual el cambio de aceite ha sido sobrepasado, ya que los insolubles están formando lodos o barros en el motor y los conductos de lubricación y no permanecen en suspensión. Una vez este nivel ha sido determinado para un aceite dado puede ser utilizado como valor del límite condenatorio [Caines, A.; 1996].

3.2.5. Capacidad detergente/dispersante de los aceites. Los aditivos detergentes hemos visto que son aquellos cuya principal misión es la de evitar o minimizar la formación de los depósitos en las partes calientes del motor, particularmente en el pistón y los alojamientos de segmentos. Estos aditivos además suelen contener elementos que actúan contra la oxidación del aceite y el efecto de corrosión sobre todo en cojinetes. Particularmente, los sulfonatos, tienen la habilidad de mantener la materia carbonosa y otros contaminantes dispersos en el aceite. La dispersividad es la propiedad del aceite destinada a dispersar los lodos húmedos originados en los motores de combustión interna. Estos lodos suelen estar constituidos por mezclas complejas de productos parcialmente quemados de la combustión: carbón, óxidos, agua. Como hemos comentado anteriormente las propiedades de detergenciadispersancia van muy unidas en los aditivos utilizados actualmente. Fundamentalmente se emplean fenatos sulfonizados sobrebásicos, o los similares salicilatos. Estos tienen una basicidad media alta, la estructura fenato proporciona propiedades antioxidantes y el contenido de azufre presenta un comportamiento adicional antioxidante y como inhibidor de corrosión. La detergencia y la dispersividad se reducen con la degradación y el consumo de los aditivos correspondientes, y aumentan con la reposición con aceite nuevo. La evaluación de los niveles de detergencia y dispersividad se puede hacer a partir de los resultados de la medida de insolubles expresando el nivel de detergencia como cociente entre los insolubles en pentano con y sin coagulante. Otro de los métodos posibles de evaluación del nivel de detergencia de un aceite usado es a partir de la evaluación del ensayo de la mancha, un ensayo rápido y sencillo de realizar. (Este método está presentado en el punto 3.3.4).

92


Un método mas sofisticado es el análisis de la mancha de aceite mediante la utilización del equipo denominado fotómetro. El modo de operación del mismo consiste en depositar 10 ml. de aceite sobre un papel especial (tipo Durieux filtration nº 122), el cual se deja en posición horizontal en una estufa a 80 ºC durante una hora. El fotómetro recoge la imagen de la mancha sobre un diámetro teórico de 32 mm. y hace un barrido en horizontal y vertical, buscando un perfil medio en 15 áreas, desde el centro a la periferia. La detergencia se calcula en función de la homogeneidad de las áreas y de la proyección de la mancha. Se califica con un índice que varia entre 100, ideal, y 0 sin detergencia. En algunas ocasiones también se ha intentado utilizar como indicativo de la reserva detergente de los aceites usados el nivel de basicidad, ya que tal como hemos comentado, estos aditivos detergentes tienen carácter básico. No obstante, no existe una relación que se pueda generalizar entre la variación del TBN con la degradación o perdida de eficacia del aditivo detergente.

3.2.6. Constante dieléctrica del aceite. La constante dieléctrica es la capacidad de un medio para conducir la electricidad, comparada con la del vacío. En un aceite usado, su valor depende del aceite base, de los aditivos y varía durante el uso debido a la degradación y contaminación del aceite. La variación se debe a que a causa del uso se forman compuestos como peróxidos, ácidos, etc. que polarizan las moléculas de aceite aumentado el valor de la constante dieléctrica. Los elementos contaminantes como el agua, metales, etc. también producen un incremento en el valor de la constante dieléctrica. La medición de la constante dieléctrica puede realizarse mediante sensores de capacitancia. El principio de medida de estos sensores se basa en que el aceite nuevo y el usado tiene constantes dieléctricas diferentes. Dentro de los equipos comerciales que podemos encontrar para el monitorizado de este parámetro podemos indicar los siguientes:

An-oil-izer: En este equipo se mide la variación de la constante dieléctrica del aceite usado, con respecto a unas muestras de calibración de referencia que se suministran con el aparato. El elemento sensor es un condensador hemisférico comprendido entre una esfera independiente desmontable y la cavidad dispuesta en el cuerpo del instrumento, en el cual se colocan tres o cuatro gotas de aceite de prueba, antes de introducir la esfera a presión. La constante dieléctrica del condensador variará debido a la degradación del aceite, causada por el propio uso del mismo o por la contaminación. Los


93

elementos contaminantes se pueden clasificar en tres grupos: los que producen un incremento moderado de la constante dieléctrica del aceite, tales como lodos, suciedad, oxidación y ácidos; los que producen un aumento considerable comparado con los anteriores, tales como agua, anticongelante, metales y materia carbonosa y los que producen un descenso en la constante dieléctrica como es la presencia de gasoil. Lubri-sensor: Este equipo mide la constante dieléctrica del aceite usado, frente a una muestra de referencia que generalmente es el mismo aceite fresco. Este instrumento utiliza como medidor un condensador circular de electrodos concéntricos. La medida del equipo se lee en microamperios o en la escala arbitraria del equipo. Existen estudios realizados comparando medidas con este equipo frente a mediciones de laboratorio [Krause, H.; sine die] en los cuales se reflejan buenos resultados de correlación entre las medidas. En experiencias propias, se ha utilizado este equipo para el control de aceites en motores montados en vehículos en servicio, tanto autobuses urbanos como en motores de ferrocarriles Diesel, en las cuales se ha constatado un buen control de los mismos. Este equipo junto con alguna otra prueba de análisis rápido como la determinación de agua por el ensayo de crepitación y la medida de la viscosidad por comparación permite realizar un buen control del estado del aceite en periodos de revisión inferiores al cambio, actuando estas pruebas como un control pasa-no pasa en cuanto al estado del aceite, y completando estos resultados con un análisis más detallado en laboratorio en los casos que se detecte alguna anomalía grave. Debemos resaltar la facilidad de manejo del equipo y la rapidez de realización del ensayo, que de cara a su utilización en mantenimiento predictivo lo hacen un equipo muy atractivo. Predict Navigator II: La tecnología del equipo está basada en la medición de la conductividad y la permitividad a cuatro frecuencias definidas, mediante la utilización de la impedancia espectroscópica. Las frecuencias de medida se seleccionan para maximizar la sensibilidad de medida para agua, metales de desgaste y oxidación del aceite. Las bajas frecuencias permiten medir cambios en la conductividad. El agua, contaminante básico que afecta a la conductividad, causa un aumento lineal proporcional al aumento en concentración del mismo. Durante la prueba a bajas frecuencias la capacitancia o permitividad es bloqueada. A altas frecuencias los cambios en la permitividad son medidos teniendo la conductividad bloqueada. En este caso son las partículas de desgaste el contaminante principal que afecta a la permitividad. Los resultados se expresan como variación porcentual de la misma frente a una muestra del aceite de referencia (aceite fresco).

94


Figura 3.4. Elementos del equipo Predict Navigator II, y el equipo en operación midiendo aceite nuevo para referencia de medidas posteriores.

Existen algunos intentos de equipos basados en la medida de la constante dieléctrica para el monitorizado “on line” del aceite. Dejando a un lado los problemas de temperatura y vibraciones que puede sufrir un sensor utilizado para este fin, y que con la tecnología actual pueden quedar superados, el principal inconveniente es el estrecho rango dinámico que vamos a tener en un aceite lubricante, típicamente entre 2.2 y 2.8. Con tan estrecho rango dinámico esta técnica se hace bastante sensible a pequeños cambios en el aceita debido a los diferentes paquetes de aditivos empleados por diversos fabricantes e incluso según el lote de refino. De esta manera, la constante dieléctrica debe ser descrita en términos de un parámetro complejo que será función de la frecuencia y de la temperatura, donde la parte real representa el término de energía almacenada y la parte imaginaria representa la energía perdida o el termino disipativo, aunque resulta más conveniente representar este término de pérdidas como una fase angular, δ. Para la mayoría de aceites, la tangente de δ (tanδ), variará entre 0.005 en un aceite fresco a 0.1 en un aceite contaminado, lo que representa un rango dinámico de 20 a 1 (26 dB), frente a un cambio del sólo el 20% (1.6 dB) para la constante dieléctrica. Es por ello que en este tipo de sensor se utiliza la medición de la tanδ. Los resultados de algunos investigadores en este desarrollo [Collister, C. J.; 2000] muestran buenas correlaciones entre los resultados de medidas con este tipo de sensores


95

comparadas frente a medidas realizadas en laboratorio. A continuación se muestran algunas gráficas comparativas. 18

200

5

3

2

y = 0.1007x + 0.5706 r2 = 0.8621

1

0

16

160

Viscosidad @ 100 ºC

Concentración Fe (ppm)

% Materia Carbonosa

4

120

y = 2.101x + 60.67 r2 = 0.6771

80

10

20

Salida del sensor

30

40

y = 0.08981x + 11.39 r2 = 0.9236

12

40 0

14

10 0

20

40

Salida del sensor

60

80

0

20

40

Salida del sensor

60

80

Figura 3.5. Gráficos de valores de lectura del sensor frente a diferentes compuestos

3.3. Técnicas de análisis de la contaminación del aceite Por contaminación de un aceite se entiende la presencia de materias extrañas a él, sin importar su origen; las partículas que podemos encontrar son: partículas metálicas y de óxidos metálicos, polvo atmosférico, combustible, agua, materia carbonosa y ácidos provenientes de los gases de combustión y de la propia oxidación del lubricante. Seguidamente se presentan los métodos de medición de los elementos contaminantes del aceite no provenientes del desgaste ni del polvo atmosférico.

3.3.1. Determinación de presencia de dilución por combustible En los motores Diesel, la determinación de la dilución del lubricante con combustible se suele determinar de alguna de las siguientes maneras:

A partir de la viscosidad de la muestra, puesto que los combustibles Diesel son menos viscosos que el aceite, su presencia se detecta por una reducción de su viscosidad; el porcentaje de dilución se obtiene directamente de gráficos como el de la figura: A partir de su punto de inflamación, tal como se ha explicado al hablar de la medida de esta propiedad A partir del análisis de la mancha (apartado 3.3.4)

96



Mediante el uso de la espectrometría infrarroja (apartado 3.3.3) 16,00

REPSOL MOTOR OIL SERIE 3 SAE 30

15,00

REPSOL SERIE 3 ESPECIAL FF.CC. SAE 40

14,00

CEPSA ULTRA SHPD SAE 15W40

13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 0,0

4,0 8,0 12,0 % Dilución combustible

16,0

Figura 3.6. Variación de la viscosidad a 100ºC en función de la cantidad de dilución de combustible presente en el aceite

3.3.2. Determinación de la contaminación con agua La contaminación del aceite con agua proviene de la condensación en el interior de los motores como consecuencia de las bajas temperaturas o el aumento de la presión en el cárter y de las fugas internas del sistema de refrigeración y la presencia de esta agua puede producir corrosión de los metales y degradación del propio aceite. El contenido de agua se puede determinar por varios métodos, distinguiéndose entre los métodos de laboratorio y de taller. En laboratorio según la norma ASTM D-95, mediante la cual se obtiene una mezcla de aceite y un solvente hidrocarburo que se destilan, condensan y son recogidos en una trampa calibrada. Para los casos en los que la presencia de agua a controlar es en muy pequeñas concentraciones, se utiliza el método de valoración de aceite mediante el reactivo de Karl Fisher, según la norma ASTM D-1744. Los métodos de taller para conocer de forma cualitativa el contenido de agua pueden ser:

El método de crepitación en plancha caliente, indicativo de presencia de agua en cantidades superiores a 0.05%. La intensidad del chisporroteo obtenido es indicativa de la cantidad de agua contaminante. Evidentemente


97

este método no se puede utilizar en aplicaciones donde la mínima cantidad de presencia de agua pueda ser peligrosa para el funcionamiento de la máquina (como podría ser un transformador en baño) pero si que sirve para realizar un control rápido y simple de presencia de cantidades significativas de agua, sirviendo como un control de prueba pasa no pasa. Se puede determinar presencia de agua en el aceite utilizando equipos para la medida de la constante dieléctrica. La presencia de agua en el aceite provoca un aumento importante de dicha constante. En concreto sobre el equipo mencionado anteriormente Lubri-sensor, existen estudios realizados sobre el mismo [Krause, H.; sine die] que señalan la posibilidad de determinar concentraciones en un rango entre 0.1 y 2% de agua. Valores superiores a esta producen fuertes fluctuaciones sobre las medidas. De todas formas, este método sirve como control básico del aceite. El método de la mancha, sensible a concentraciones de agua muy elevadas (superiores al 5%) y fundamentalmente cuando el aceite contenga impurezas que floculen en presencia de la misma. Los métodos relativamente rápidos como el polvo Hidrokit y el papel Watesmo, que utilizan los mini-laboratorios contenidos en maletas portátiles.

3.3.3. Espectrometría infrarroja La espectrometría infrarroja es un método de análisis, que permite la determinación cualitativa y cuantitativa de los compuestos presentes en una muestra a partir del estudio de las longitudes de onda a las cuales absorben radiación infrarroja. Esta técnica, disponible en mayor medida cada día, puede proporcionar una importante información sobre la presencia de elementos contaminantes en el aceite. La operación normal es comparar una muestra de aceite usado frente a una de aceite fresco del mismo tipo, preferentemente en un equipo de doble haz. Con un equipo adecuado pueden ser detectados: • • • •

Productos de oxidación y nitración Contaminación por agua Contaminación por glicol (procedente refrigeración) Dilución de combustible

del

sistema

de

98


Existe interferencia mutua entre algunos de estos contaminantes y aditivos presentes en el aceite, por lo que hay que ir con cuidado en la determinación cuantitativa de los mismos. La región infrarroja es el intervalo del espectro electromagnético comprendido entre 3·1012 y 3·1014 Hz de frecuencia, o lo que es lo mismo, entre 100 µm y 1 µm de longitud de onda. Se acostumbra a subdividir esta zona en tres partes: infrarrojo próximo, infrarrojo medio e infrarrojo cercano. La zona que interesa desde el punto de vista de la identificación de compuestos orgánicos es la del infrarrojo medio, entre 2,5 - 25 µm de longitud de onda o en el término mas comúnmente empleado en química que es el número de ondas (definido como el la inversa de la longitud de onda expresada en centímetros) entre 4000 y 400 cm-1, puesto que en el infrarrojo próximo (14290 – 4000 cm-1) aparecen los armónicos de las frecuencias naturales de vibración del esqueleto de la molécula y en el lejano (400 - 200 cm-1) las vibraciones propias del esqueleto. Un espectro infrarrojo es un registro de frecuencias a las cuales se producen las absorciones infrarrojas de los compuestos orgánicos. Normalmente se representa intensidad (absorbancia o porcentaje de transmitancia) frente a su posición (longitud de onda o el término definido anteriormente el número de ondas). La información que suministra el eje de abscisas, donde se representa la posición, es de gran utilidad desde el punto de vista cualitativo, mientras que en el eje de ordenadas, donde se sitúa la intensidad de las bandas de absorción, lo es, por presentar una información de carácter cuantitativo. Las premisas básicas de la espetrometría infrarroja son las siguientes: • • • •

Las sustancias orgánicas presentan frecuencias características de absorción en la región infrarroja. El espectro de absorción de una sustancia es específico de ella misma. El espectro de absorción de una mezcla es aditivo, así tenemos que el espectro total es la suma de los espectros individuales de sus componentes. La intensidad de una banda de absorción está relacionada con la concentración de la sustancia que absorbe la radiación.

Las características de una banda de absorción o pico que permiten la interpretación de un espectro infrarrojo son: posición, intensidad y forma.


99

La posición, es el punto del eje de abscisas donde aparece la banda; puede especificarse con uno de los cuatro parámetros siguientes: energía, frecuencia, longitud de onda o número de onda. La intensidad es una medida de la cantidad de energía absorbida por una sustancia. Se especifica con la transmitancia o absorbancia. La transmitancia (T) se define como:

T = log

P P0

Ec. (3.3)

siendo P la energía radiante transmitida por una muestra y P0 la energía radiante incidente. La absorbancia (A), se define de la siguiente manera:

A = log

1 = abC T

Ec. (3.4)

siendo a: constante de absortividad, b: espesor de la muestra y C: concentración.

Figura 3.7. Relación entre absorbancia, transmitancia y concentración. Para realizar análisis cuantitativos se prefiere la utilización de la absorbancia, ya que como hemos visto en la figura 3.9 de la derecha, ésta es directamente proporcional a la concentración del compuesto [Bilbao, J.M.; sine die] La forma se describe con palabras como: ancha, estrecha, aguda, etc.

100


Tipos de espectrómetros de infrarrojos: Existen dos tipos de espectrómetros: el infrarrojo de difracción (EIR-D) de haz simple o de doble haz y el infrarrojo de transformada de Fourier (EIR-FT).

Espectrómetro infrarrojo de difracción (EIR-D)

En el EIR-D de doble haz, se compara la transmitancia de la muestra en un haz con la de una sustancia de referencia en el otro. Esta constituido por la fuente, el sistema fotométrico que incluye el área de muestreo, el monocromador, el detector, el control electrónico y el sistema registrador.

Espectrómetro Infrarrojo por Transformada de Fourier (EIR-FT).

El sistema óptico del EIR-TF está constituido por un interferómetro que analiza el contenido frecuencia-intensidad de una señal policromática global sin dispersarla. La radiación infrarroja es emitida por una lámpara sometida a una elevada diferencia de potencial. El interferómetro transforma la radiación emitida en una señal donde se incluyen todas las frecuencias del infrarrojo codificadas, obteniendo esta señal a partir del movimiento de un espejo plano, perfectamente regulado por un láser. La señal es transmitida hasta el receptáculo de muestreo a través de un sistema óptico. En último lugar, el detector capta la señal procedente del interferómetro y que ha variado debido a la absorción de radiación de la muestra. La señal procedente de la muestra es un interferograma, con todas las frecuencias incluidas en la misma señal, por ello se requiere el empleo de la transformada de Fourier para convertir esta señal en un espectro donde estén mostradas todas las frecuencias de la muestra, este espectro es el que analiza la herramienta informática, relacionándolo con el contenido de compuestos diferentes en el lubricante. En este tipo de equipos utilizados para el análisis de aceites usados, un equipo informático se encarga de comparar los espectros de las muestras con el espectro del aceite nuevo correspondiente, obteniendo por diferencia entre espectros de transmitancia el contenido de diferentes sustancias presentes en cada una de las muestras.

Ejemplos de medidas de la contaminación y degradación de aceites A continuación se presentan algunos resultados obtenidos utilizando el equipo de espectrometría infrarroja Perkin-Elmer del Departamento de Materiales de la Universidad Politécnica de Valencia, con el cual se han realizado diversos ensayos comparativos.


101

Distinción de lubricantes

Los aceites nuevos presentan un espectrograma infrarrojo característico, en el que aparecen los picos de absorción de energía debidos a las vibraciones de tensión de los enlaces C-H. Los espectros de distintos tipos de aceites son muy similares, pero si se realiza un estudio detallado se aprecian diferencias a determinadas frecuencias, las cuales pueden utilizarse para detectar mezclas de lubricantes o errores en la designación de muestras. En la figura 3.8 se presentan los espectros infrarrojos de tres aceites utilizados por la empresa Renfe para su parque de trenes Diesel; en concreto, los aceites de la marca Cepsa son utilizados en los Automotores y el aceite Repsol es utilizado para el parque de Locomotoras. Aunque parecen similares, en la ampliación se puede observar la diferencia existente. El aceite Especial FC de Repsol tiene una formulación específica y exclusiva ya que por especificaciones del fabricante de los motores de las Locomotoras (General Motors EMD), los aceites en uso en las mismas no pueden aditivarse con compuestos que contengan Zinc [GM EMD MI 1756]. Este tipo de motores utilizan cojinetes con recubrimiento de plata en el turbocompresor, la cual puede reaccionar fuertemente con el Zinc si este está presente en el aceite lubricante perdiendo por tanto este recubrimiento. Es por ello que este aceite está específicamente formulado sin la presencia de ZDDP, que como ya hemos mencionado es un típico aditivo utilizado en aceites para motor con muy buenas propiedades antioxidantes y anti-desgaste y que es ampliamente utilizado. 1,0 0,8

T

0,6 0,4 0,2 0,0 4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

-1

0,8

Frecuencia (cm )

0,7

CEPSA Ultra SHPD SAE 15W-40 CEPSA Super Serie 3 SAE 30 REPSOL Serie 3 Especial FC SAE 40

0,6

0,5

1050

1000

950

900

850

Figura 3.8. Espectro comparativo entre aceites con distintas formulaciones.

102


En la figura se muestra como el aceite REPSOL Serie 3 Especial FC, que se emplea para Locomotoras GM se distingue fácilmente de los otros en el rango del número de ondas de 975 cm-1, correspondiente al aditivo ZDDP, el cual sí contienen los otros. En el espectro infrarrojo de un aceite usado aparecen nuevos picos de absorción debido a la contaminación y degradación del aceite, entre los que podemos destacar:

Oxidación

El aceite con el uso, va degradándose, generando productos de descomposición como cetonas, ésteres o ácidos carboxilicos, los cuales contienen grupos carbonilo (C=O). Los ácidos carboxilicos contribuyen a la acidificación del aceite y al consumo de la reserva alcalina del mismo. El efecto de oxidación prolongada del aceite es la posible corrosión y un aumento de la viscosidad del mismo. La presencia de estos enlaces se detecta a una frecuencia de entre 17001750 cm-1, por lo que conforme aumenta el uso del lubricante en el motor, esta concentración va aumentando y en consecuencia provoca una disminución en la transmitancia de la muestra, tal y como podemos observar la figura 3.9. 1,0 0,8

T

0,6 0,4 0,2 0,0 4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

-1

Frecuencia (cm )

0,90

0,85

CEPSA Ultra SHPD SAE 15W40 nuevo Con 10.000 km de uso Con 20.000 km de uso Con 30.000 km de uso

0,80

0,75

1800

1750

1700

1650

Figura 3.9. Comparativa del grado de oxidación entre muestras de aceite nuevo y usado a diferentes periodos


103

Nitración

De manera similar al fenómeno de oxidación, la nitración aparecerá en el lubricante como consecuencia del paso al cárter de los gases de combustión procedentes de los cilindros. La nitración resulta de la reacción del aceite con óxidos de Nitrógeno (NOx) producidos por la oxidación del nitrógeno atmosférico durante el proceso de combustión. El proceso de nitración causa un espesamiento del aceite formando barnices y lacas. La nitración es un parámetro que permite estimar el estado de degradación del lubricante. La frecuencia correspondiente a los enlaces del nitrógeno se sitúa en los 1.630 cm-1, donde conforme aumenta el periodo de uso del aceite, aumenta la cantidad de estas moléculas en su seno, (comparativa en la gráfica 3.10).

1,0 0,8

T

0,6 0,4 0,2 0,0 4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

-1

Frecuencia (cm) 0,85

CEPSA Ultra SHPD SAE 15W40 Con 10.000 km de uso Con 20.000 km de uso Con 30.000 km de uso

0,80

0,75

1700

1650

1600

Figura 3.10. Comparativa del nivel de nitración en el aceite a diferentes periodos de uso.

104

Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor 1,0 0,8

T

0,6 0,4 0,2 0,0 4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

-1

Frecuencia (cm ) 0,8

Gasóleo CEPSA Ultra SHPD SAE 15W40 Con 5 % de dilución Con 10 % de dilución

0,7

0,6

950

900

850

800

750

Figura 3.11. Comparativa de muestras de aceite a diferentes concentraciones contaminante de dilución por combustible. Presencia de combustible La presencia de combustible en el lubricante es difícil de detectar mediante espectrometría infrarroja, dado que la composición química de gasóleo y aceite es muy similar. La única frecuencia donde se encuentran diferencias es a 875 cm-1, pero es muy difícil de cuantificar tal y como muestra la figura 3.11, donde los picos de concentraciones al 5% y 10% están muy próximos entre sí y son similares al pico del combustible puro.

Presencia de glicoles del refrigerante:

La presencia de anticongelante, (etilenglicol) se detecta principalmente debido al gran número de grupos hidroxilo (-O-H) existentes en él, que aparecen en la frecuencia del infrarrojo de 3.370 cm-1, y que un aceite lubricante no suele contener (figura 3.12). En los ensayos realizados se ha detectado una cierta proporcionalidad entre la transmitancia medida y la concentración de glicol en el aceite. Esta propiedad se puede utilizar para el cálculo estimativo del porcentaje total de anticongelante presente en la muestra.


105

1,0 0,8

T 0,6 0,4 0,2 0,0 4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

-1

Frecuencia (cm)

1,0 0,8 0,6

CEPSA Ultra SHPD SAE 15W40 Con 1% de Etilenglicol Con 2% de Etilenglicol Etilenglicol puro

0,4 0,2

3600

3400

3200

3000

Figura 3.12. Comparativa entre el glicol utilizado en el refrigerante y muestras de aceite contaminado a distintas proporciones. Las frecuencias 1.085 y 1.035 cm-1 son también características del glicol, pero los picos no mantienen una proporcionalidad con la concentración como a la frecuencia de 3.370 cm-1. Estas frecuencias pueden ser empleadas simplemente para detectar la existencia o no del contaminante (figura 3.13). La última frecuencia que se corresponde con la contaminación de glicol es la de 885 cm-1, la cual presenta una intensidad mucho menor a las frecuencias estudiadas en los dos espectros anteriores. Se puede por tanto, emplear esta frecuencia para comprobar la presencia de glicol, pero no para su cuantificación relativa (figura 3.14).

Presencia de agua

La presencia de agua se caracteriza por las vibraciones del enlace –O-H a 3300-3500 cm-1 y a 1600 cm-1. Con la utilización de la espectrometria infrarroja se puede detectar agua a concentraciones bajas lo cual no tiene por que ser indicativo de fugas del sistema de refrigeración sino simplemente ser condensaciones del vapor producto de la combustión.

106


1,0 0,8

T

0,6 0,4 0,2 0,0 4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

-1

0,8

Frecuencia (cm )

0,6

CEPSA Ultra SHPD SAE 15W40 Con 1% de etilenglicol Con 2% de etilenglicol Etilenglicol puro

0,4 0,2 0,0 1100

1050

1000

950

Figura 3.13. Comparativa entre etilenglicol puro y aceite contaminado con él en diversas proporciones en un rango de número de onda alrededor de 1050 cm-1.

1 ,0 0 ,8

T

0 ,6 0 ,4 0 ,2 0 ,0 4 0 00

3 5 00

3 0 00

2 5 00

0 ,8

2 0 00

1 5 00

1 0 00

500

-1

F recuen cia (cm )

0 ,6

REPSOL C on 1 % E tilen glicol C on 2 % E tilen glicol E tilenglico l pu ro

0 ,4 0 ,2 0 ,0 900

850

800

Figura 3.14. Comparativa entre etilenglicol puro y aceite contaminado con él en diversas proporciones en un rango de número de onda alrededor de 850 cm-1


107

Materia carbonosa

Las materias carbonosas, absorben radiación en todo el campo infrarrojo y disminuyen la energía que atraviesa la muestra dificultando la obtención del espectrograma. Para detectar su presencia se realiza el espectro antes y después de centrifugación, una reducción de la transmitancia es indicativo de ella.

3.3.4. Análisis o ensayo de la mancha Este método permite determinar las propiedades de un aceite usado a partir de su dispersión sobre un papel absorbente. Las distintas partículas presentes en el lubricante son arrastradas por el frente de la mancha, pudiéndose determinar tanto los contaminantes del aceite como las propiedades de detergencia del lubricante. Se realizan los ensayos a la temperatura ambiente, 20ºC, para tener una idea del comportamiento del lubricante a la temperatura del arranque en los puntos críticos. El ensayo también se puede realizar a 200ºC que es la temperatura crítica que soporta el lubricante en el motor, no obstante, el proceso analítico y los resultados son similares para ambas temperaturas. Normalmente se opta por el ensayo a temperatura ambiente dado la dificultad de calentar el aceite hasta los 200ºC en taller con equipos portátiles. El proceso se resume en los siguientes pasos:

Se toma una muestra representativa de lubricante de aproximadamente 5 ml. Se introduce una varilla de unos 5 mm de diámetro en la muestra hasta que el extremo quede manchado de aceite. Para el ensayo a 200ºC la muestra se debe calentar en una estufa eléctrica, en el interior de un pequeño crisol cerámico. Se deja caer una gota sobre el papel absorbente y se observa la evolución de la mancha, dejando el papel en posición horizontal durante 24 horas.

La mancha, después de las 24 horas presenta una estructura similar a la mostrada en la figura 3.15 siguiente:

108


Aureola

Zona central

Zona traslúcida

Zona de difusión

Figura 3.15. Estructura típica de la mancha de aceite

La zona central caracteriza, por su color más o menos oscuro, pero uniforme, la cantidad de materia carbonosa contenida en el aceite. La aureola indica con su mayor o menor grosor y coloración, el contenido de partículas gruesas carbonosas o de contaminantes. La zona intermedia o de difusión es la característica de la dispersión del carbón en el aceite y por tanto de su poder de detergencia. Zona exterior, desprovista de materias carbonosas da idea del grado de oxidación del aceite, normalmente debe ser traslúcida y sin coloración alguna.

Figura 3.16. Ejemplos de manchas de aceite, en la izquierda una mancha considerada como normal, y en la derecha una mancha con signos importantes de contaminación por combustible

3.4. Análisis para la desgaste del motor

determinación

del

El aceite lubricante como fluido que está en contacto directo con las superficies rozantes del mecanismo que protege, arrastra en su seno las partículas que se forman debido a esa fricción y debe tener como misión llevarlas hasta los


109

dispositivos empleados para su eliminación, tales como los filtros. Es por ello que el estudio detallado de las partículas que se encuentran en el aceite, tanto de forma cualitativa, en el sentido de conocer de que materiales se trata, como cuantitativa para poder conocer su cantidad es muy interesante e importante, ya que a partir de ello se puede inferir si se están alcanzando niveles de fricción anormales y cual es el origen más probable de estas partículas pudiendo así focalizar el problema en algún mecanismo concreto del motor o elemento que esté en estudio. Existe una amplia gama de métodos empleados para conocer el estado de desgaste en que se encuentra un motor Diesel a partir del estudio de las partículas contenidas en el mismo, de las cuales se van a considerar:

Espectrometría Ferrografía Recuento de partículas Colectores magnéticos Microscopía

Los dos primeros métodos son los mas ampliamente utilizados, aunque el primero aún esta muy por delante del segundo, el cual tiene un coste bastante superior [ASM Handbook, 1992]. La espectrometría proporciona resultados cualitativos y cuantitativos, esto es, metales presentes en el aceite y en qué cantidad. Los demás métodos no pueden dar directamente la composición de las partículas metálicas presentes en el aceite y se requiere de un análisis posterior si se quiere conocer dicha composición. A continuación se presentan las características básicas de este tipo de análisis.

3.4.1. Espectrometría Esta técnica esta basada en la interacción que existe entre la radiación electromagnética y la materia cuando se produce un intercambio de energía, conociendo que los átomos de cualquier elemento producen espectros electromagnéticos característicos al ser excitados, con lo cual mediante la apariencia de los mismos va a ser posible la identificación del elemento. La representación de la intensidad de emisión de las radiaciones frente a la longitud de onda es lo que se conoce como el espectro de emisión. Estos espectros de emisión presentan máximos de energía a diferentes longitudes de onda y con distinta intensidad en función de los diferentes elementos presentes en la muestra.

110


La radiación interacciona con los átomos de una sustancia experimentando emisión, absorción o fluorescencia, basado en ello los espectrómetros se clasifican en tres grandes categorías:

Espectómetros de emisión atómica (EEA) Espectrómetros de absorción atómica (EAA) Espectómetros de fluorescencia de rayos X (XRF)

3.4.1.1. Espectrómetro de emisión atómica Este tipo de equipos utiliza la propiedad de los átomos que al ser excitados absorben energía que es utilizada para hacer que algunos de sus electrones pasen a niveles de energía superiores, y emitiendo energía cuando regresan a sus niveles originales cuando cesa la excitación. Los átomos al emitir energía producen espectros únicos, formados por longitudes de onda características. La intensidad de la energía emitida a una cierta longitud de onda es proporcional a la concentración del elemento. En función del modo de excitación de los átomos no encontramos con una amplia variedad de equipos, aunque nos centraremos en concreto en el denominado espectrómetro de emisión por plasma que es el más característico y utilizado para el análisis de aceites. Espectrómetro de Emisión por Plasma ICP-OES (Inducted Coupled Plasma-Optical Emision Spectrometer) . En este sistema la muestra se introduce en el interior del instrumento como una corriente continua de muestra líquida. Dentro del equipo, el líquido es convertido en aerosol mediante el proceso llamado de nebulización. La muestra en forma de aerosol es transportada hacia la antorcha, donde es vaporizada, atomizada, excitada e ionizada por el plasma. Los átomos e iones excitados emiten su radiación característica, la cual es recogida por un instrumento que clasifica la radiación en longitudes de onda. La radiación detectada es transformada en señales electrónicas las cuales son traducidas en valores de concentraciones por el equipo informático de análisis, el cual dispone de rectas de calibrado para los distintos elementos [Boss, C. B.; 1997]. Los principales elementos que forman parte del equipo son:

Sistema de gases: se emplea argón debido a que su elevado potencial de ionización (15,7 eV) permite disponer de una energía suficiente como para excitar todos los elementos. El argón cumple las funciones de:


111

Generador del plasma. Refrigeración de las paredes de la antorcha. Aporte de muestra al sistema de nebulización. Bomba peristáltica: introduce la muestra en el nebulizador, empuja la solución a través de los tubos mediante la presión ejercida por unos rodillos sobre el conducto que contiene el fluido. La muestra nunca entra en contacto con la bomba ya que ésta sólo manipula el exterior de los tubos de flujo. El material de los tubos debe ser compatible con los disolventes empleados, se suelen emplear tubos de Tygon. Nebulizador: transforma el líquido en un aerosol que se transporta hasta el plasma. El aerosol es formado por el empleo de gas a alta presión. El nebulizador empleado para fluidos de origen orgánico es el de configuración en "V". Cámara de nebulización: se encarga de homogeneizar el aerosol que entra a la antorcha procedente del nebulizador. Permite el paso de gotas de tamaño inferior a las 10 µm, vertiendo el resto al depósito de residuos (5), la cantidad de muestra que discrimina este dispositivo es del 95% del total que sale del nebulizador. La antorcha está formada por tres tubos concéntricos de cuarzo: El tubo interno inyecta la muestra directamente hacia el plasma. El tubo intermedio se encarga de aportar el argón necesario para la formación del plasma. Por el conducto más externo circula el argón empleado como refrigeración de la antorcha. Generador de radiofrecuencias: permite aplicar la energía necesaria para sustentar y confinar el plasma. Para conseguir que el plasma adopte una disposición toroidal se aplica una frecuencia superior a los 40 MHz a través de una espiral situada en el extremo de la antorcha. Sistema óptico: su misión es separar cada una de las radiaciones monocromáticas que componen el haz policromático. Fundamentalmente está formado por la ventana o rendija a través de la cual se introduce la radiación policromática al sistema, el elemento dispersivo que separa las radiaciones monocromáticas en función de su longitud de onda y la rendija secundaria, a través de la cual se conducen al detector las radiaciones monocromáticas. Detección y tratamiento de la señal: la radiación monocromática que sale a través de la rendija secundaria es recogida por un tubo fotomultiplicador, transformando la señal óptica en impulsos eléctricos que serán

112


posteriormente identificados y cuantificados por las herramientas informáticas. Estos equipos pueden trabajar de forma automática, una vez se ha rellenado el muestreador, se van introduciendo las muestras de manera ordenada y se calculan de manera simultánea el contenido en metales del lubricante. La introducción de muestra se realiza diluyendo el aceite con queroseno, con un ratio de dilución de 1:10, este proceso se realiza en la misma aguja que toma la muestra del recipiente, ya que al mismo tiempo que entra el aceite entra el queroseno, la diferencia de volumen de cada líquido se consigue gracias a que la bomba peristáltica que toma el queroseno trabaja con un caudal 10 veces superior al de aceite. El efecto de la viscosidad del lubricante es prácticamente nulo debido al alto porcentaje de dilución con el que se trabaja. El espectrómetro cuantifica la concentración de metales en el lubricante a partir de la comparación de la intensidad medida, a la longitud de onda correspondiente a cada elemento, con unos patrones que previamente han sido muestreados. Los patrones son preparados a partir de disoluciones de todos los metales analizados en fase orgánica, las cuales son preparadas a distintas concentraciones empleando para diluir aceites base típicos, posteriormente estas muestras son analizadas con el equipo, y con las medidas a diferentes concentraciones se traza una recta de calibrado, que será la que emplee el equipo para cuantificar los metales. Las longitudes de onda empleadas para cada metal, tabla 3.4, se seleccionan de manera que no se vean interferidas por las de otros elementos, minimizando el riesgo de solapamiento de picos. La sensibilidad del espectrómetro de plasma es muy superior a la demandada, ya que en el contenido de metales en el lubricante, se suele trabajar a niveles de ppm. Tabla 3.4. Longitudes de onda características y límites de detección en los metales típicos a analizar en aceites usados. Elemento Ag Al B Ba Ca Cd Cr

Longitud de onda (nm) 328,068 396,152 249,678 233,527 317,933 283,563 283,563

Límite de detección (ppb) 3 7,5 7,5 0,15 0,15 4,5 1,8


Elemento Cu Fe Mg Mn Mo Na Ni P Pb Si Sn Ti V Zn

Longitud de onda (nm) 324,754 259,940 285,213 260,569 202,030 589,592 231,604 213,618 220,353 251,611 189,926 334,941 292,402 213,856

113

Límite de detección (ppb) 3 1,4 0,15 0,6 9 4,5 15 100 75 9 42 0,75 9 3

3.4.1.2. Espectrómetro de absorción atómica Este tipo es muy utilizado también en el análisis de aceites usados, y en el mismo, el procedimiento de trabajo es quemar la muestra para llevar a sus componentes a fase gaseosa y estado elemental por disociación térmica. La fase gaseosa se ilumina con luz de determinada longitud de onda según el elemento que se desee medir, mediante esto, los átomos en estado fundamental cuyos niveles se corresponden con los de la longitud de onda incidente absorben energía para promover electrones a niveles de energía superiores. Cada elemento es sensible a una sola longitud de onda y la cantidad de energía absorbida es proporcional a su concentración en la mezcla, por esta razón el espectro de absorción del elemento presentará picos o líneas de absorción atómica característicos. Un espectrómetro de absorción atómica consta de: sistema para obtener la radiación característica del elemento que se desea analizar, sistema para obtener átomos del elemento en estado elemental, sistema óptico para conducir las radiaciones a través del sistema de obtención de átomos y focalizarlos sobre el monocromador y sistema electrónico para detectar, amplificar , registrar y medir las radiaciones que emergen del monocromador. Según la óptica utilizada podemos dividir los EAA en los siguientes tipos: de haz simple, de haz doble y de doble haz doble y de acuerdo con el modo que realizan la atomización se clasifican en espectrómetros de absorción atómica de llama, sin llama e híbridos.

114


La principal desventaja de este tipo de equipos es que sólo permite el análisis de los elementos de uno en uno y ofrece como ventaja su coste relativamente bajo.

3.4.1.3. Espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF). La espectrometría de fluorescencia de rayos X (X-Ray Fluorescence Spectroscopy XRF) es en muchos sentidos similar a la espectroscopia de emisión atómica (EEA), que ha sido ampliamente utilizada en el análisis de aceite durante décadas. La fluorescencia de rayos X se basa en la excitación por radiación electromagnética de niveles energéticos profundos de los átomos que componen una muestra. La desexcitación de los átomos ionizados produce la radiación característica de los elementos presentes en la muestra. La energía de esta radiación identifica los distintos componentes del material irradiado (análisis cualitativo), y su intensidad permite determinar sus concentraciones respectivas (análisis cuantitativo). Los espectrometros XRF están calibrados normalmente para expresar estas concentraciones en partes por millón (ppm). La técnica XRF implica la excitación de los electrones de las capas internas del átomo, cerca del núcleo, mientras que la técnica EEA excita los electrones de la capa externa, con lo cual resulta la emisión de luz visible. La utilización de la técnica de XRF permite medir partículas finas así como partículas de mayor tamaño, limitación que tienen el resto de técnicas de espectrometría.

Figura 3.17. Esquema del principio de funcionamiento de la espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF).


115

Además de la medida de la presencia de metales disueltos y compuestos organometálicos, la técnica de XRF ha sido aplicada para la medida de partículas suspendidas en el aceite lubricante. Varios estudios muestran la superioridad del método XRF sobre el EEA para la medida de partículas suspendidas en el aceite. En un estudio realizado dentro del campo de la aeronáutica, se muestra que mediante la técnica de XRF se consigue detectar la aparición incipiente de un problema un periodo de toma de muestra antes que mediante la técnica de EEA [Whitlock, R.; 1998]. En otros casos mediante el empleo de membranas se procede a la separación de las partículas suspendidas en el aceite, eliminando con esto el efecto de dispersión y absorción del propio aceite; obteniendo de este modo una mayor sensibilidad del proceso. En los ejemplos expuestos anteriormente, las muestras son representativas del aceite en circulación en el mecanismo, pero en aquellos en donde se utilizan sistemas de filtrado fino (óptimos rendimientos para partículas superiores a 3 µm), mucha información que podría obtenerse de las partículas queda retenida con estas en el filtro. Nos encontramos en este caso con dos circunstancias opuestas, ya que por una parte la mejora de la filtración permite el incremento de la vida útil del mecanismo pero por otra parte se pierde información para el control del estado y predicción de vida remanente del equipo. Por tanto resulta interesante la posibilidad de poder analizar toda esa información que queda retenida en el filtro. Esto ha sido realizado por el Centro de Soporte Técnico del programa JOAP, sobre los motores que equipan los aviones F/A-18 [Humphrey, G.; 1996]. El procedimiento utilizado es el siguiente:

Las partículas son recogidas del filtro sometiendo al mismo a un baño por ultrasonidos durante cinco minutos. Las partículas son recogidas en un filtro de membrana y fijadas al mismo mediante un polímero. Finalmente esta membrana es analizada mediante un equipo XRF comercial.

Los resultados de las medidas obtenidas con este procedimiento son calificadas en cinco niveles de gravedad, desde el más bajo al más severo. Como conclusiones del trabajo se exponen algunos datos muy importantes de cara al mantenimiento del equipo: en mas de un 60% de los casos aquellos filtros que han sido calificados en un nivel de concentración de desgaste de 3 o superior, posteriormente se ha comprobado que el motor ha fallado. En caso de motores con intervenciones de mantenimiento sistemático en el periodo correcto se ha comprobado que en el 85% de los casos el nivel de desgaste es bajo, para el caso de

116


motores con intervenciones sistemáticas a periodos superiores que el normal se ha comprobado que empiezan a aparecer indicios de desgaste problemáticos (7% en rango 3 y 4 respectivamente), así como que en casi un 50% de los casos las intervenciones sistemáticas están siendo a periodos en los cuales estamos perdiendo parte de la vida útil del elemento. En la siguiente tabla 3.5 se muestran resumidos los resultados expuestos anteriormente:

Índice de concentración de desgaste

Tabla 3.5. Resultados obtenidos con la técnica XFR dentro del programa JOAP del Ejercito Norteamericano Muestras al periodo de intervención sistemática standard

Muestras superado el periodo de intervención standard

Fallos en motor

Nivel 1

86,1%

48,8%

0,0%

Nivel 2

13,9%

37,2%

37,1%

Nivel 3

0,0%

7,0%

14,8%

Nivel 4

0,0%

7,0%

22,2%

Nivel 5

0,0%

0,0%

25,9%

3.4.2. Ferrografía Se trata de una técnica analítica que permite la separación de las partículas pequeñas (1-20 µm) de las muestras de aceite usado, con la suficiente resolución espacial que permite estudiar su morfología en detalle. La ferrografía separa magnéticamente las partículas y por esta razón sólo sirve para estudiar los contenidos de materiales ferromagnéticos, incluidos los muy débiles y algunos como el aluminio o bronce, que no siendo magnéticos, al desgastarse contra materiales ferrosos adquieren trazas de ellos y se comportan como ligeramente magnéticos. De esto deriva una de las características más valiosas para la aplicación de la ferrografía al monitorizado de los aceites usados: ignora todas las impurezas que contiene el aceite, excepto las partículas de desgaste. Puesto que estas son entidades únicas, con atributos individuales que identifican las condiciones que las produjeron, un cuidadoso examen de su morfología y composición suministra información específica sobre las superficies y el tipo de desgaste que las originó. En ferrografía pueden distinguirse dos técnicas de análisis: por una parte la llamada ferrografía analítica, que suministra una exacta descripción de la forma y


117

composición de las partículas que permite identificar los tipos de desgaste mediante análisis global del ferrograma. Por otra parte, la ferrografía de lectura directa que determina la concentración de los elementos de la muestra a partir de dos lecturas particulares del ferrograma. Veamos cada una de estas técnicas: Ferrografía analítica: El procedimiento que utiliza esta técnica, consiste en hacer discurrir una muestra de aceite sobre un plano inclinado sometido a un campo magnético elevado. El ferrógrafo consta de una bomba que suministra con un caudal bajo y constante la muestra de aceite, un potente electroimán que produce un campo magnético de gradiente extremadamente alto cerca de sus polos y una placa o substrato transparente, de cristal o metacrilato. La muestra diluida con un solvente adecuado, para facilitar la deposición de las partículas, se bombea sobre el substrato que se encuentra ligeramente inclinado. Las partículas magnéticas se adhieren a la placa y se depositan según su tamaño, en la parte más alta las de mayor tamaño mientras que las de menor se localizan en la parte inferior debido a que las fuerzas gravitatorias las arrastran hacia abajo del substrato. El aceite residual se retira con un diluyente y las partículas se adhieren permanentemente a la placa con un fijador. La distribución de las partículas sobre el substrato se conoce con el nombre de ferrograma. La posición a lo largo del mismo se referencia a partir de su extremo final, que es por donde cae la muestra al recipiente colector. El punto en que toca la placa por primera vez, extremo inicial del ferrograma, se encuentra aproximadamente a 56 mm del final.

Figura 3.18. Equipo Ferrógrafo para la obtención del ferrograma de una muestra de aceite y ejemplo de ferrograma

118


La fuerza magnética que atrae las partículas es proporcional a su volumen mientras que su resistencia viscosa a desplazarse dentro del fluido es porporcional a su área. En igualdad de forma, su movimiento dentro del aceite hacia abajo en función de su tamaño, dependerá del cociente entre la fuerza viscosa y la magnética; por lo tanto las de mayor tamaño se depositarán primero. Las partículas se depositan alineadas con el campo magnético y por lo tanto el ferrograma presenta la apariencia de líneas perpendiculares a la dirección del flujo. Mientras la muestra escurre hasta la posición correspondiente a 50 mm, se depositan todas las partículas mayores de 2 µm y a la salida del ferrograma su tamaño está por debajo del límite inferior de detección del microscopio óptico (0,5 µm). Para caracterizar el número de partículas depositadas, se usa un sensor óptico que mide la cantidad de luz absorbida, por las contenidas en su campo visual a una distancia específica del final del ferrograma. En el ferrografo analítico se obtienen lecturas entre 0 y 100 y se les denomina porcentaje de área cubierta; el valor máximo se obtiene cuando el campo visual está totalmente cubierto. La medición óptica que determina electromecánicamente el porcentaje de área cubierta se obtiene, con un objetivo de 10 aumentos y luz reflejada, comparando la cantidad que refleja una parte limpia del substrato y la que refleja el área en estudio. La apertura que utiliza el objetivo es de 0,25, que corresponde a un ángulo del cono de luz que acepta el lente de 28º. La información más rápida respecto al tipo y composición de las partículas se obtiene examinando el ferrograma con un microscopio bicromático; llamado así por poseer dos fuentes de luz: una reflejada y otra transmitida que puede utilizar simultáneamente o alternativamente. Las partículas de desgaste se analizan con un microscopio bicromático porque hay distinciones difíciles de conseguir con microscopios de haz transmitido o reflejado únicos. Para determinar rápidamente si una partícula es metálica, se utiliza la iluminación bicromática que usa luz roja reflejada y luz verde transmitida. Las partículas metálicas adquieren coloración roja brillante y las no metálicas de verde a amarilla. La observación de las partículas metálicas con luz blanca reflejada permite identificar el material que las constituye, según la coloración que presenten; sucesiva información se puede obtener calentando el ferrograma y detectando los cambios de apariencia de las partículas. El examen con luz blanca transmitida permite distinguir si la partícula es transparente, translúcida u opaca; las partículas metálicas examinadas con esta luz se ven negras, las no metálicas aparecen transparentes o translúcidas y su color caracteriza el material. La observación con


119

luz polarizada es de gran ayuda para identificar el material de las partículas no metálicas, especialmente plásticos, óxidos y contaminantes sólidos del aceite, debido a que por ser birrefringentes despolarizan la luz mientras que las sustancias amorfas como el vidrio o los líquidos no lo hacen por ser isótropas. Ferrografía de lectura directa: La ferrografía de lectura directa (DR) utiliza la densidad óptica para la medición cuantitativa de la concentración de partículas de desgaste en el aceite. La ferrografía analítica ha demostrado que las mediciones hechas en el punto inicial del ferrograma, donde se depositan las partículas más grandes, y 5 mm mas abajo, donde se depositan las partículas de 2 µm, son las más sensibles para detectar una situación de desgaste; el ferrografo de lectura directa ha sido diseñado para cuantificar las partículas en estas dos zonas. En el mismo 1 ml de muestra fluye por un tubo de precipitación por debajo del cual se encuentra el magneto que se encarga de precipitar las partículas de desgaste según su tamaño. Todas las partículas de polvo y carbón indeseables para el ensayo no se precipitan y son transportadas por el aceite que abandona el tubo. Las partículas grandes se depositan primero, luego las más pequeñas. Dos haces de luz atraviesan el tubo, uno cerca de la entrada que detecta la densidad DL (direct large) de la partículas grandes y el otro por la zona donde se depositan las partículas pequeñas que detecta su densidad DS (direct small). La reducción de la intensidad de la luz es indicativa de las partículas que se depositan en cada posición; este valor se amplifica y se presenta sobre una pantalla digital, pudiendo tomar valores entre 0 y 190 unidades, correspodiendo el 100 de forma aproximada a media área cubierta y es el límite superior recomendado para DL, mientras que 70 lo es para DS pues para valores mayores la respuesta del instrumento es no lineal debido a la superposición de las partículas. El valor 190 aparece cuando la luz ha sido bloqueada por completo. Cuantificación del desgaste: Las medidas del ferrograma se deben procesar de manera que sirvan para identificar rápidamente la presencia de algún tipo anormal de desgate. Si la lectura DL o DL+DS representa la cantidad total de partículas y la diferencia DL-DS es indicativa de la presencia de un desgaste anormal, el producto de estos términos: IS = DL (DL +DS)

Ec. (3.5)

IS = (DL + DS) (DL – DS) = DL2 – DS2

Ec. (3.6)

120


pueden utilizarse como índice de medición de la severidad del desgaste (IS). Si se compara la variación del índice en función del tiempo se observa que responde de manera menos acentuada que como lo hacen las lecturas DL o DS. Esta técnica es un método excelente para observar amplios rangos de tamaños de partícula, pero es lenta pues se necesitan cerca de 20 minutos para analizar una muestra. Por esta razón no es una técnica aplicable a grandes volúmenes de muestras. Esta tecnología es utilizada de forma separada o conjuntamente con el análisis espectrométrico y ha mostrado su capacidad para obtener una pronta predicción y gran cantidad de información para el diagnóstico superior al análisis espectrométrico por separado. De todas formas, la ferrografía es comparativamente más cara que el análisis espectrométrico, 25$ por muestra analizada por ferrografía comparada con los 10$ por muestra de un análisis espectrométrico (datos de 1990 en el ASM Handbook). Además adolece de otra serie de desventajas como son: la baja repetitibilidad de las mediciones y que su respuesta no es completamente lineal debido a la deposición solapada de las partículas.

3.4.3. Contaje de partículas. Este método proporciona la distribución de tamaños de las partículas presentes en la muestra, pero no suministra información sobre los elementos que las componen. Los contadores de partículas dan el número de partículas encontradas en categorías de tamaños especificadas. Habitualmente esto se indica con un número mayor que el tamaño indicado. La normativa usualmente empleado para calificar el recuento de partículas es la norma ISO 4406, en la cual se califica con un rango numérico el número de partículas aparecidas de tamaños superiores a unos valores predeterminados, que en la última modificación de esta norma son: partículas superiores a 4 µm, superiores a 6 µm y superiores a 14 µm, que dan la calificación R4 / R6 / R14. La normativa antigua solamente consideraba dos grupos de evaluación, partículas mayores de 5 µm y partículas mayores de 15 µm, con la correspondiente calificación R5 / R15. Existen básicamente dos tipos de contadores de partículas: los que utilizan la dispersión de la luz por láser para efectuar las mediciones y los que se basan en el bloqueo u oscurecimiento de la luz. En este último tipo, el más comúnmente utilizado, las partículas son iluminadas por un rayo láser que produce un pico de corriente proporcional al tamaño de la partícula en un fotodiodo. Un sistema electrónico, clasifica las señales en distintas categorías y va contando el número de picos que se van produciendo.


121

El recuento de partículas no es un método recomendado para el seguimiento del desgaste por presentar las siguientes desventajas: puede producir resultados confusos dado que generalmente cuenta todo tipo de partículas, no únicamente las metálicas provenientes de desgaste y no proporciona una indicación sobre la forma o tamaño de las mismas o su composición, usándose como técnica suplementaria en análisis de lubricantes. Se utiliza principalmente en sistemas hidráulicos en los cuales los niveles de desgaste son bajos y fundamentalmente para controlar su estado de limpieza.

3.4.4. Microscopía La técnica de la microscopía resulta totalmente complementaria con el resto de técnicas aquí descritas, ya que permite la inspección de las partículas previamente detectadas. El tipo de microscopía a utilizar vendrá dado por el tamaño de las partículas que se quiere inspeccionar, así para tamaños superiores a 1 µm, la utilización de un microscopio convencional o bicromático será suficiente pero para tamaños menores a este habrá que pasar a la utilización de la microscopía electrónica. Para un examen más extenso de las superficies o partículas de desgaste se utiliza el microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscopy SEM). La gran profundidad de campo y su alta resolución comparada con los microscopios ópticos y su capacidad para determinar la composición del espécimen observado si se asocia un equipo de análisis mediante rayos X han hecho de este tipo de equipos los más ampliamente utilizados en la investigación del desgaste en superficies o de las mismas partículas producto de este desgaste. Si se requiere de un mayor detalle en la información de la microestructura cabe la posibilidad de utilización del microscopio electrónico de transmisión (Transmission Electron Microscope TEM). Podemos encontrar además otros tipos como el microscopio electrónico Auger o el Scanning Tunnelling Microscope. En general existen dos facetas diferentes donde está involucrada la microscopía electrónica dentro de las investigaciones del desgaste. Por una parte en el estudio de las superficies en contacto, en situaciones donde la abrasión o la erosión por partículas sólidas se encuentra presente, el examen de las mismas es de vital importancia. El tamaño, la forma, composición y microestructura de las partículas puede aportar información para el control del proceso de desgaste. El material eliminado de la superficie constituye la segunda faceta, así la forma, composición y microestructura puede aportar una importante pista sobre la naturaleza del mecanismo de desgaste que se está dando.

122


La interpretación de las imágenes obtenidas mediante microscopía no es una tarea fácil, como elemento de ayuda para la interpretación de las mismas nos encontramos con los atlas de partículas de desgaste en el cual se presentan ejemplos de las morfologías típicas de estas partículas para la deducción de un diagnóstico sobre su formación.

Figura 3.19. Imágenes de distintas morfologías de partículas de desgaste

3.4.5. Colectores Magnéticos Los colectores magnéticos son dispositivos que permiten la recolección, por atracción magnética, de la partículas presentes en el aceite en función de su tamaño. Para partículas mayores de 300 µm se consiguen eficiencias hasta del 60%, siendo menor dicha eficiencia para tamaños menores. Las partículas recogidas, magnéticas o paramagnéticas, pueden ser importante fuente de información como indicador de la tasa de desgaste que está sufriendo el elemento lubricado así como del tipo de desgaste que éste está sufriendo, ya que en un posterior paso puede recurrirse al análisis de las partículas atrapadas por el colector mediante la utilización de microscopio de bajo aumento para identificar el origen de las mismas. Existen atlas y tablas de partículas de desgaste que permiten la identificación de dichas partículas. En la utilización de esta técnica es fundamental el posicionamiento del colector, procurando que el mismo sea capaz de realizar una máxima captura de partículas. Posiciones como los codos de los conductos pueden ayudar con la actuación de la fuerza centrifuga a la deposición de dichas partículas. No en todos los casos se permite el posicionamiento en estas zonas y es necesario recurrir a la utilización de campos magnéticos mas potentes. Al evaluar las partículas recogidas hay que tener en cuenta que durante la fase de rodaje y funcionamiento del motor las partículas poseen una morfología de tipo corta, finas y de sección irregular, apareciendo además mezcladas con polvo


123

metálico. Durante la etapa de rodaje el tamaño es considerablemente grande al provenir principalmente de virutas metálicas y residuos de fabricación. Su número es alto y tiende a la disminución a medida que superamos este rodaje. Cuando se observe que la cantidad y tamaño de las partículas empieza a crecer de forma simultáneamente esto es indicativo de un fallo inminente. La principal ventaja que ofrece este tipo de equipo es su sencillez y bajo coste.

3.5. Equipos rápidos de análisis de aceite Como hemos comentado anteriormente está existiendo en la actualidad un rápido desarrollo de equipos portátiles para su utilización a pie de máquina como equipo de monitorizado del estado del lubricante. En este apartado queremos presentar algunos de estos nuevos equipos que podemos encontrar actualmente en el mercado.

3.5.1. Mini laboratorio de análisis rápidos Wärsilä NSD. Desarrollado por la empresa Kittiwake Developments Ltd., se trata de un mini laboratorio de análisis de aceite y combustibles muy completo, pensado para su utilización en grandes motores de barco (Wärsilä NSD es un importante fabricante de este tipo de motores), en los cuales la posibilidad de utilización de análisis de laboratorio es reducida debido a su forma de operación. El mini laboratorio permite la realización de múltiples ensayos como [Manual Mini Laboratorio]:

Medida de viscosidad a 40 o 50 ºC, con calentamiento real del aceite, así como una extrapolación a la viscosidad a 100 ºC con una precisión del 2% (con rangos de viscosidad a 40 ºC entre 100 y 450 cSt, esto supone una precisión de ±9 cSt). El principio de funcionamiento del viscosímetro es similar a un viscosímetro de caída de bola automatizado, ya que el mismo contiene una bola de acero en su interior, donde se rellena de aceite y en el ensayo se gira el equipo para medir el tiempo de caída. Medida de presencia de agua, mediante la utilización de una celda específica con dos posibles resoluciones de medida, hasta 2.5% o 6000 ppm. En el primer caso con resolución de ±0.1 % y en el segundo con ±100 ppm. La base para la obtención de la medida es la utilización de un reactivo específico que reacciona de forma exotérmica con la presencia de agua, generando un aumento de presión en el interior de la celda donde se

124


realiza la mezcla, convirtiendo esta variación en una lectura de contenido en agua sobre el equipo que soporta la celda.

Figura 3.20. Mini-laboratorio de análisis Warsila NSD con el equipo completo que contiene.

Medida de TBN, en un rango entre 0 y 50 mg KOH/g y con una precisión del ±5%. La medición se realiza con la utilización de una celda de reacción y un reactivo específico a una cantidad que depende del TBN que tenia el aceite cuando era nuevo. Medida de insolubles en el aceite, comprendido entre 0 y 3.5% en peso (adicionalmente puede utilizarse un rango específico de medida denominado Mobil Soot Index). La precisión es de ±0.1%. Al igual que en los casos anteriores se utiliza una celda de ensayo específica, así como un reactivo específico. Determinación de presencia de agua salada. Este ensayo permite determinar si el agua de contaminación encontrada en el aceite es de tipo salada, procedente de agua marina. La razón de este ensayo deriva de la situación que se presenta en los barcos en los cuales es usual utilizar un circuito de refrigeración del aceite con agua dulce y a su vez la refrigeración de esta agua dulce que sea por agua de mar. La presencia de sal procedente de agua marina sería un indicador que existe una fuga del circuito secundario de agua de mar hacia el primario de agua dulce y de


125

este hacia el aceite. Con la utilización de este ensayo se puede detectar presencia mínima de 100 ppm de sal. Adicionalmente el mini laboratorio posee un equipo para medida de densidades, entre 800 y 1010 kg/m3, así como un equipo de medida de compatibilidad de combustibles. En este punto debemos comentar que existen en el mercado otros equipos de características similares, lo que comúnmente se denomina “maletín” de análisis rápidos que permiten la realización de diversas pruebas, entre ellos podemos señalar el de la empresa Kittiwake, más sencillo que el anteriormente presentado y que dispone el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos o el de la empresa Spectro, el denominado “Lubricant Test Kit”.

Figura 3.21. Maletín de análisis “Lubricant Test Kit”

3.5.2. Equipo de medición de materia carbonosa: “Soot meter” Ya conocemos la importancia de la materia carbonosa dentro de los productos de contaminación del aceite, por lo que un control preciso del contenido de la misma en el aceite es un buen indicativo del estado del lubricante y del funcionamiento del motor. Para ello se ha desarrollado este equipo, como respuesta a la demanda de las grandes flotas de vehículos en el control del estado del aceite y la posibilidad de la extensión de los periodos de cambio del aceite. El equipo emplea un análisis infrarrojo para la determinación del contenido en materia carbonosa. La unidad es fácilmente utilizable, ya que no se requiere preparación previa de la muestra a analizar. El análisis se puede realizar en menos de 30 segundos y los resultados

126


obtenidos se expresan en contenido porcentual de materia carbonosa en el aceite. Tras la prueba una sencilla limpieza del recipiente permite analizar una siguiente muestra.

Figura 3.22. Equipo “soot meter” para la medida de la concentración de materia carbonosa en aceites de motor usado Los resultados que se han obtenido con este equipo comparado frente a medidas realizadas en laboratorio ofrecen unos resultados muy buenos. A continuación se presenta la comparativa realizada en los laboratorios de Mobil en el Centro Técnico de Paulsboro, realizando medidas con el equipo “Soot Meter” frente a los resultados obtenidos por un espectrómetro de transformada de Fourier [Wilks Enterprise, 1998]. Tabla 3.6. Comparativa de resultados entre el Soot Meter y la técnica de espectrometría de transformada de Fourier FT-IR Muestra A-1 B-1 B-2 B-3 B-4 A-2 B-5 B-6 B-7

1.46 1.59 1.82 1.94 2.56 2.74 2.68 2.81 2.82

Equipo 1 Equipo 2 % Materia carbonosa 1.4 1.4 1.6 1.6 1.8 1.9 1.9 2.0 2.5 2.5 2.6 2.6 2.7 2.7 2.8 2.9 2.6 2.7


127

3.5.3. Otros equipos Tal como hemos comentado previamente actualmente existe una importante presencia en el mercado de equipos para su utilización en el monitorizado de condición de aceites lubricantes. A los anteriormente presentamos podemos añadir estos otros que podemos encontrar de forma fácil en Internet:

El equipo denominado RULER (Remaining Useful Life Evaluation Routine) de la compañía FLUITEC, que permite la medida del TBN, TAN y aditivos antioxidantes en aceites minerales o sintéticos. Originalmente desarrollado por la Fuerza Aérea Americana y el instituto de investigación de la Universidad de Dayton para su aplicación en el control de aceites lubricantes en turbinas de gas. Equipos Titra-Lube-TBN y Titra-Lube-TAN de Dexsil para la medición del TBN y TAN en aceites usados [Finch, S. Sine die]

Figura 3.23. Izquierda: equipo RULER de Fluitec para el monitorizado de TBN, TAN y aditivos antioxidantes en aceites lubricantes. Derecha: Titra-Lube-TBN de Dexsil para la medida del TBN.

ArtiPODS (Portable Oil Diagnostic Sampler) de Art-instruments dedicado al monitorizado de la condición en fluidos hidráulicos. Permite obtener de forma rápida el nivel de limpieza de un lubricante en uso. Permite la toma de muestra con la maquinaria en funcionamiento.

128


Figura 3.24. Equipo ArtiPODS para el control de aceites hidráulicos.

3.6. Importancia de la toma de muestra Después de la revisión realizada sobre las posibles técnicas a utilizar para la medida de diversos parámetros en el aceite debemos hacer hincapié en un factor, muchas veces, poco tenido en cuenta y que es de gran importancia, éste es el hecho de cómo tomar la muestra y en que recipiente tomar la muestra. En un primer punto nos ocuparemos de la importancia de la toma de muestra, esta debe ser representativa del aceite en uso, debe tomarse de forma que sufra las menos modificaciones por parte de agentes externos que puedan llevar a resultados erróneos. La toma de muestra es conveniente realizarla en primer lugar a ser posible con el equipo en funcionamiento estable, mejor que cuando el equipo está parado, en un punto representativo del flujo de aceite en el sistema de lubricación y de forma que siga una línea de corriente y no en un punto de remanso donde puede concentrarse mayor cantidad de elementos contaminantes. Existen elementos especialmente diseñados para las tomas rápidas de muestras de aceite en circuitos de lubricación, así como elementos específicamente diseñados para la realización de la propia toma de muestras de modo que no exista contaminación de la misma durante el mismo proceso de toma. La importancia relativa de esta situación la podemos comprender con el gran número de empresas y suministradores que actualmente ofrecen estos tipos de dispositivos. Otro factor muy importante a tener en cuenta es la limpieza del recipiente de toma de muestra, este factor es fundamental en algunos sistemas de lubricación como los sistemas hidráulicos, ya que un grado de limpieza incorrecta del recipiente puede dar lugar a conclusiones erróneas en los resultados obtenidos de dicha muestra. Por último nos ocuparemos de la importancia de la agitación de la muestra previamente a la realización de los ensayos o medidas. Una agitación correcta de la


129

muestra permite la obtención de la dispersión uniforme de la misma representativa del estado original de la muestra cuando se tomó. Esto es debido a que las partículas y la materia insoluble contenida en la misma puede precipitar de forma rápida y quedar adherida a las superficies del recipiente.

Figura 3.25. Elementos para la toma rápida de muestras en un circuito de lubricación y dispositivos de toma de muestras. Debido a las fuerzas de adherencia entre las paredes del recipiente y las partículas de pequeño tamaño, es necesario una considerable energía para asegurar una total resuspensión de las mismas para su posterior análisis. La siguiente tabla muestra las diferencias obtenidas en el recuento de partículas en tres muestras idénticas. Todas ellas fueron extraídas de un tanque donde se había preparado una mezcla homogénea de aceite hidráulico y AC Fine Test Dust (ACFTD). Las muestras tomadas fueron dejadas reposar durante una semana y analizadas posteriormente con los siguientes acciones, sobre la muestra 1 se analizó sin agitación, la muestra 2 se agitó manualmente de forma violenta y posteriormente se analizó, la muestra 3 se agitó con un agitador de pintura durante cinco minutos. Los resultados obtenidos fueron los siguientes: Tabla 3.7. Comparativa de los resultados del contaje de partículas en función del grado de agitación de la muestra Método de agitación

Partículas > 10 µm/ml

Código ISO 4406

% sobre control

Control 1. Sin agitación 2. Agitación manual (5 min.) 3. Agitador de pinturas (5 min)

1658 29 1287 1630

20/17 14/11 19/16 20/17

1.75 77.61 98.34

130


Los autores de este experimento dan unas recomendaciones en cuanto al nivel de llenado del recipiente de muestra y su tiempo de agitación en función de la viscosidad del aceite original que se va a analizar: Viscosidad del fluido

Llenado del recipiente de toma de muestra

Tiempo de agitación mecánica

≤ 32 cSt 32 – 100 cSt > 100 cSt

¾ 2/3 ½

2 min 3 – 4 min 5 – 10 min

CAPITULO IV COMPORTAMIENTO Y EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DEGRADACIÓN DEL ACEITE LUBRICANTE DE MOTOR.

Objetivo del capitulo: Este capítulo se centra en el conocimiento de la típica evolución de los parámetros característicos que definen el estado del aceite lubricante durante el uso del mismo. La evolución se estudia atendiendo a una serie de factores condicionantes muy importantes a tener en cuenta tales como: tiempo de uso del aceite, tipo de motor en el que está siendo utilizado y aplicación del mismo y combustible empleado. Se presentarán también los comportamientos observados en diferentes tipos de aceites. Finalmente se plantean posibles parámetros de evaluación de dichas medidas y los límites aplicables a un sistema de mantenimiento basado en la condición para este tipo de parámetros.

4.1. Introducción El proceso que experimenta el aceite lubricante con el uso del mismo y que lo lleva a ir perdiendo de forma paulatina las capacidades para desempeñar las funciones para las que fué diseñado es lo que se entiende por degradación. Las elevadas temperaturas, grandes velocidades de cizallamiento, ambientes corrosivos, contaminación externa e interna van produciendo una alteración de las propiedades físico-químicas del aceite. El análisis de las propiedades del lubricante son representativas fundamentalmente del comportamiento del aceite en el motor en

132

Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor

que está siendo usado y en ocasiones, representativo de posibles malfuncionamientos del mismo ya que afectan a la velocidad de degradación del aceite. Es muy importante un estudio detallado del comportamiento del aceite en cuanto a sus propiedades características; la razón fundamental la podemos atribuir a los ahorros que puede conllevar el alargamiento de su periodo de cambio, tal como podemos ver en la tabla 4.1. Los fabricantes de motores suelen recomendar un periodo de cambio de aceite dentro de un margen de seguridad muy amplio. Evidentemente alargar este periodo supondrá al menos un ahorro directo en consumo de aceite, aunque posiblemente este ahorro sea el menos importante como veremos mas adelante. Hay que tener en cuenta que en la mayoría de las aplicaciones de motores: vehículos, producción de energía, sistemas auxiliares, etc., es el periodo de cambio de aceite del motor el periodo base para el resto de intervenciones de mantenimiento en otros elementos, esto supone que alargar el periodo de uso del aceite es también disminuir el número de intervenciones sobre el resto de componentes en el equipo (siempre que no existan otros factores determinantes como seguridad, resistencia, etc. que lo impidan), con lo cual es aquí donde se van a producir los principales ahorros económicos derivados de un seguimiento de la condición del aceite. Como caso concreto podemos comentar el ejemplo de una importante empresa de transporte, en la cual mediante un sistema de seguimiento de las muestras de aceites se ha podido constatar el buen comportamiento del mismo y con ello se ha propuesto el aumento del periodo de uso del mismo, pasando de un cambio de aceite cada 27.000 km a cada 36.000 km, el ahorro obtenido en costes de mantenimiento se ha cifrado en 4,8 céntimos de €/km [Carbonell, V.; 2001]. Tabla 4.1. Ejemplos de ahorros directos por alargamiento del periodo de cambio de aceite [Thibault, R.; 2001].

Motores Diesel (flota de transporte) Motores de Gas (Productor de gas)

Periodo de cambio original

Periodo de cambio optimizado por el análisis de aceite

32.000 km

58.000 km

(20.000 millas)

(36.000 millas)

2 meses

3 meses

Ahorro directo (por menor consumo) 28.000 $ / año 1.120 $ / año / motor


133

El principal objetivo de este capítulo va a ser por un lado mostrar las relaciones existentes entre los diferentes parámetros físico-químicos del aceite y su comportamiento real en servicio e intentar definir unos límites válidos aplicables a lo mismos para su utilización en un sistema de seguimiento del aceite según condición. Los parámetros físico-químicos básicos que definen un aceite de motor son: la viscosidad, la cual nos indica la capacidad de carga a soportar por el aceite, su reserva básica o TBN, que se selecciona atendiendo básicamente al tipo de combustible a utilizar en el motor; el nivel de detergencia y el nivel de aditivación. Estos dos últimos parámetros son muy variables en función del fabricante del aceite que selecciona el paquete de aditivos a utilizar en un aceite atendiendo al uso que va a llevar el mismo. En este punto también consideraremos como parámetros indicativos de la degradación del aceite las medidas de oxidación y nitración del mismo, que señalan lo que seria el envejecimiento propio del aceite.La definición de la calidad del lubricante necesaria para su utilización en un motor suele venir recomendada por el fabricante del mismo, que evidentemente es quién mejor conoce su producto, y que en función del diseño empleado, características y posibles usos recomienda una calidad determinada de aceite. La especificación de calidad solicitada por el fabricante puede referirse a criterios propios o venir referida sobre especificaciones internacionalmente aceptadas como las mencionadas anteriormente API o ACEA. La tendencia observada en los últimos años es que los fabricantes de motores, cada vez más, recurran a criterios de calidad propios, como ejemplo de esto podemos citar las especificaciones propias de fabricantes europeos como: Mercedes Benz (Mercedes – Benz Engine Test Requirements for Diesel Engine Oils: 227.x, 228.x, 229.x), MAN (MAN 270, 271, 3275, 3277) Volvo (Volvo Drain Specifications-VDS) o MTU (MTU MTL 5044). En algunos casos se trata de especificaciones base referidas a normativas internacionales con determinada cualidad mejorada (casos de MTU o Volvo) o en otros casos es una completa definición de ensayos a realizar para poder reconocer como válido un aceite por dicho fabricante (caso de Mercedes-Benz). Así como en motores con grandes cupos de fabricación (fundamentalmente motores de automóvil) los fabricantes suelen definir los requerimientos del lubricante referidos a normativa propia y a normativa standard o internacionalmente aceptada; en motores de poca tirada se suele obligar a los productores de aceite a homologar los productos en dichos motores si quieren que por parte del fabricante se recomiende a los usuarios finales la utilización de dichos productos. Esta tendencia observada hacia normativas propias de los fabricantes contrasta con la tendencia generalizada en otras ramas hacia standarizaciones internacionales de amplia aceptación, por lo que puede

134


pensarse más en razones de tipo político-económicas de los propios fabricantes que en razones puramente técnicas para explicar este fenómeno. En caso de situaciones especiales tales como el uso de un combustible no convencional en un motor, condiciones de trabajo muy severas o especiales, etc; conviene ponerse en contacto con el fabricante del motor para obtener sus indicaciones del tipo de lubricante a utilizar. Antes de entrar en detalle en la presentación de resultados de la evolución de los parámetros de degradación de los aceite debemos presentar las diferencias existentes en los mismos en función del uso al que estos están destinados. Podemos observar diferencias significativas fundamentalmente en base a dos parámetros: el tipo de motor y el combustible a utilizar en el mismo. El combustible nos va a marcar fundamentalmente la reserva alcalina del aceite a utilizar, así tendremos que para motores funcionando con combustibles con alto contenido de azufre los aceites destinados a lubricar los mismos deberán tener una reserva alcalina alta mientras que para aquellos motores que empleen combustibles “limpios” la reserva alcalina será mucho menor. La paulatina reducción del contenido de azufre en el combustible por su efecto contaminante sobre la atmósfera hace que en la actualidad la importancia de la reserva básica del aceite sea de un orden menor, aunque sigue siendo importante en aquellas aplicaciones donde el tipo de combustible empleado no es tan limpio, como son los casos de los grandes motores que trabajan con fuel-oil o en motores a gas que utilizan gases residuales o de vertedero. 0.6

0.6

Contenido máximo permitido de Azufre (%)

0.55 0.5

0.4

0.3

0.2

0.2

2005 previsión 0.05

0.035

0.005

0 1975

1980

1985

1990

Años

1995

2000

2005

Figura 4.1. Evolución del contenido máximo de Azufre permitido en el combustible Diesel para automoción (clase A) en España. Año 2000 y previsión [BOE 272, 13 Noviembre 1999]


135

El otro parámetro que nos marcará el tipo de aceite a utilizar es el tipo de motor o dicho de otro modo su disposición constructiva y diseño. Así nos encontramos básicamente con los aceites destinados al uso en Automoción donde nos encontraremos con un único sistema de lubricación que debe atender el engrase de todos los sistemas en movimiento relativo y que sufren rozamiento y por otro lado los grandes motores estacionarios o de uso en aplicaciones marinas donde es bastante usual encontrar sistemas de lubricación independientes: un sistema se encarga de lubricar la parte alta del motor (fundamentalmente la zona de contacto entre segmentos o aros y camisa) y otro sistema independiente que se encarga de lubricar la parte baja (cojinetes de bancada fundamentalmente). En algunos casos podemos encontrarnos con más subsistemas como es un sistema de lubricación exclusivo para el árbol de levas. Esta subdivisión lleva a que los aceites utilizados en el sistema de lubricación de la parte alta del motor no sean los mismos que en la parte baja, ya que evidentemente con la utilización en este tipo de aplicaciones de combustibles de baja calidad, que se traduce en alto contenido de azufre e impurezas, obliga a la utilización de aceites de TBN muy alto para la zona alta del motor, mientras que la zona baja al estar físicamente aislada por la disposición de la cruceta y evitar el paso de gases de la combustión se pueden utilizar aceites de mucha menor reserva alcalina, teniendo además menores solicitaciones térmicas. Por último citar el ejemplo de los aceites utilizados en los motores de la aplicación que denominamos de Cogeneración Gas; se trata de motores estacionarios cuyo combustible es fundamentalmente gas natural, aunque en ocasiones puedan utilizar otro tipos de gases, tales como gas de vertedero, gases residuales, de proceso, etc. Hasta hace unos años este tipo de motores solían ser motores Diesel modificados para poder utilizar gas como combustible, aunque el auge tomado por este tipo de instalaciones ha hecho que los fabricantes de motores hayan desarrollado ya una tecnología propia para este tipo de aplicación. Aún no siendo propiamente motores de encendido por compresión, ya que se utiliza el encendido por chispa o la inyección piloto como mecanismos de encendido, este tipo de motores también van a ser considerados en el estudio. El tipo de lubricante utilizado en este tipo de motores es similar a los utilizados en motores Diesel de aplicaciones estacionarias o Marinos, con la única salvedad que si se utiliza gas natural como combustible, éste suele ser limpio, con un muy bajo contenido en Azufre y por tanto la reserva alcalina en estos tipos de aceite es bastante menor que en las otras aplicaciones. En caso de utilizar gases residuales esto no es así y se hace necesario recurrir a aceites con TBN muy altos también.

136


La elección del grado SAE apropiado del aceite a utilizar va a venir condicionada por dos factores, por un lado las temperaturas ambiente que deberá soportar el motor, fundamentalmente en el momento del arranque y por otro lado la frecuencia de arranques y paradas que vaya a sufrir dicho motor. Así, el empleo de aceites multigrado lo observaremos en motores básicamente de Automoción, con frecuentes arranques y paradas, mientras los aceites monogrado quedan reservados para los grandes motores en aplicaciones donde su funcionamiento es más continuo y estable, sin el condicionante anteriormente mencionado, teniendo además en muchos casos sistemas de preparación del lubricante previo a la puesta en marcha del motor. A continuación se presentan algunos datos característicos de los aceites típicamente usados en los sistemas anteriormente mencionados. Los datos han sido extraídos del sistema de diagnóstico ADOC de la empresa Repsol YPF. Tabla 4.2. Características básicas de diferentes tipos de aceites utilizados en motores de Automoción Especificación de calidad MARCA

DENOMINACIÓN

SAE

VISC TBN @100ºC (mgKOH/ (cSt) g)

API

ACEA

CCMC

REPSOL

SUPERTURBO DIESEL

15W-40

14,5

12

CG4/SG

E3/B3

D5/PD2

CS

TURBOGRADO

15W-40

14,5

10

CH4/SG

MOBIL

DELVAC XHP

15W-40

14,9

15

CE

REPSOL

SERIE 3

30

11,9

10

CE/SG

15W-40

14

15

CE

40

14,9

5

CC/SD

D5/PD2

E1

D4

SOPRAL

SHPD

CS

MIZAR HD

FL

URANIA TURBO LD

15W-40

14,5

13

CF4

E3-96

D5

REPSOL

TURBO UHPD

10W-40

14

14

CG4

E4

D5

CATERPILLAR

DIESEL MULTIGRADO

15W-40

14,5

11

CG4

D1

Tal como se puede observar en la tabla de aceites típicos de Automoción, en su mayoría se trata de aceites multigrado y fundamentalmente del grado SAE 15W-40, lógico teniendo en cuenta que son motores utilizados en España y que con este grado SAE cumple con lo que seria las temperaturas medias que nos encontraremos en nuestro país.


137

Tabla 4.3. Características básicas de diferentes tipos de aceites utilizados en grandes motores Marinos MARCA

DENOMINACIÓN

SAE

Visc @ 40 ºC (cSt)

TBN (mgKOH/g)

Punto de inflamación (ºC)

REPSOL

AURELIA XT4055

40

132

55

230

REPSOL

NEPTUNO SINTETICO 3000

40

138

30

215

REPSOL

NEPTUNO NT 2000

30

103

20

250

REPSOL

NEPTUNO CILINDROS 70

50

240

70

230

AGIP

CLAUDIUM 250

40

150

27

230

CASTROL

404 MXD

40

150

30

233

SHELL

ALEXIA 50

50

227

70

240

SHELL

ARGINA T

40

140

30

280

TEXACO

TARO DP 40

40

150

27

230

MOBIL

MOBILGARD 442

40

150

40

233

BP

ENERGOL IC HF 404

40

150

40

233

BP

ENERGOL IC HF254

40

150

27

230

Tabla 4.4. Características básicas de los principales tipos de aceites utilizados en motores de Cogeneración a gas MARCA

DENOMINACIÓN SAE Visc @ 40ºC (cSt)

Visc @ 100ºC (cSt)

TBN (mgKOH/g)

TAN (mgKOH/g)

Residuo sulfatado (%)

REPSOL

MOTOR GAS

40

134

13,5

5,1

0,8

0,4

REPSOL

EXTRA GAS

40

133

13,5

6

0,9

0,5

REPSOL

MOTOR GAS HTM

40

130

13,2

8

0,8

0,82

CEPSA

TRONCOIL GAS

40

135

12

5

1

1

MOBIL

PEGASUS 710

40

128

13,2

6,5

1

0,9

SHELL

MYSELLA 930

30

100

12,2

1

0,8

0,08

40

130.5

13,2

4,8

0,8

0,82

CATERPILLAR NGEO

138


4.2. Viscosidad Tal como hemos comentado anteriormente el nivel de calidad del lubricante a emplear en un motor suele venir especificado por el propio fabricante, en base a especificaciones propias o referidas a especificaciones internacionalmente aceptadas como las API o ACEA. La determinación del grado de viscosidad del aceite a utilizar en el motor lo realiza el usuario a partir de la lista de productos homologados o admitidos por el fabricante y teniendo en cuenta las características de su utilización propia. Básicamente es la temperatura ambiente en la que va a trabajar el motor la que marca el grado de viscosidad a elegir, teniendo en cuenta que el aceite en los momentos del arranque en los que se encuentra a temperatura ambiente no debe tener problemas de bombeabilidad ni de arranque en frío de forma que pueda llegar de forma rápida a todos y cada uno de los puntos que debe lubricar. Asociado a esto evidentemente tendremos que considerar el tipo de trabajo del motor, en el sentido del número de paradas y arranques que sufre el mismo, así en trabajo continuo sin prácticamente paradas, el problema anteriormente citado pasa a un segundo plano siendo suficiente en estas aplicaciones la utilización de un aceite monogrado ya que lo que interesa es que el aceite funcione correctamente a alta temperatura, de ahí que en estos tipos de motores sea mayoritaria la presencia de aceites de grado SAE 40. La elección del grado de viscosidad a utilizar es un tema importante, ya que un óptimo funcionamiento del motor va a depender en parte de ello. Existen estudios concretos sobre la reducción del consumo de combustible mediante la adecuada selección del grado de viscosidad del aceite [Logan, M. R.; 1982], [Hewson, W. D.; 1987]. Tabla 4.5. Resultados obtenidos por Hewson en la comparación de diferentes aceites lubricantes en uso en locomotoras Diesel. Aceite usado

% Ahorro Efectos sobre combustible (durabilidad)

SAE 40

Referencia

el

estado

del

motor

Referencia

SAE 20W – 40

0.5

Al menos idéntico comportamiento que la referencia

SAE 15W – 40

1.1

No presentados.


139

Con respecto a la importancia de este aspecto, debemos comentar la tendencia actual que se observa en el desarrollo de los nuevos tipos de aceites, basada en mayores exigencias al aceite lubricante para que contribuya al ahorro de combustible, son los denominados “engine oil fuel efficiency”. La clasificación de la ILSAC (International Lubricant Standarization and Approval Comittee) hace referencia a estas características con el parámetro FEI (Fuel Efficiency Improvement). Estos requerimientos de ahorro de combustible se están consiguiendo fundamentalmente mediante el empleo de bases con baja viscosidad y alto índice de viscosidad (IV) y sin necesitar del empleo de aditivos reductores de fricción en base molibdeno [Korcek, S.; 2000]. En la figura 4.2, podemos observar la evolución conseguida en los últimos años en el parámetro FEI con las distintas clasificaciones de la ILSAC para aceites de motor. Se observa una reducción casi del 6% sobre la referencia utilizada a finales de los años 80 en los actuales aceites clasificados como GF-3.

Figura 4.2. Contribución del aceite lubricante al ahorro de combustible en el motor.

4.2.1. Efectos sobre la viscosidad La viscosidad cinemática puede ser alterada por distintos efectos, tal como muestra la siguiente tabla 4.6, por ello, realizando un seguimiento de la evolución

140


de su comportamiento es posible detectar degradaciones propias del aceite o anomalías en el propio funcionamiento del motor. Tabla 4.6. Efectos característicos sobre la viscosidad en los aceites usados Descenso de viscosidad Cambios en la -Ruptura de las moléculas estructura del -Degradación de los aditivos mejoradores del lubricante I.V. Contaminación -Combustible -Mezcla de aceites (de viscosidad inferior) -Disolventes

Aumento de viscosidad -Polimerizaciones -Oxidación -Pérdidas por evaporación -Formación de lodos y lacas -Agua (emulsiones) -Espumas -Insolubles / Materia carbonosa -Mezcla de aceites (de viscosidad superior)

Conocidas las causas que pueden llevar a variaciones del valor de viscosidad del aceite lubricante veamos cuales son los posibles problemas que puede sufrir un sistema lubricado genérico debido a una incorrecta situación de la viscosidad: Si el valor de viscosidad es excesivamente alto nos podemos encontrar con:

Mayor generación de calor, mayor oxidación del aceite y formación de lodos y barnices. Cavitación. Flujo inadecuado a las zonas de lubricación (rodamientos, cojinetes, etc.). Batido del aceite en cojinetes. Pérdidas por mayor consumo de energía Pobres características antiespuma y demulsificantes. Pobres características de bombeabilidad a baja temperatura.

Por el contrario, si el valor de viscosidad es excesivamente bajo nos podemos encontrar con:

Pérdida de película de aceite, lubricación límite, fricción y por tanto excesivo desgaste. Alta fricción mecánica y pérdida de energía, generación de calor y oxidación. Fugas internas y externas.


141

Incremento de la sensibilidad del sistema a la contaminación por partículas (menor espesor de película y menor protección). Fallo de la película lubricante en condiciones severas (altas temperaturas, baja velocidad y alta carga)

Por todo lo anteriormente comentado, resulta por tanto que la viscosidad es un parámetro básico de monitorizado en cualquier sistema lubricado y obviamente dentro de estos en un motor. Algunos autores hacen referencia al efecto de la variación de la densidad del aceite sobre la medida de la viscosidad [Fitch, J.; 2001]. Una limitación o interferencia conocida relativa a la medida de la viscosidad cinemática (básicamente con viscosímetros capilares de flujo por gravedad ASTM D-445) ocurre cuando la densidad del aceite varia. Normalmente, ésta aumenta con el envejecimiento del aceite o su contaminación. Esto puede ocurrir simultáneamente con cambios sobre la viscosidad absoluta o puede ocurrir de forma independiente. Si la densidad aumenta sin un cambio en la viscosidad absoluta se producirá un descenso en la viscosidad cinemática, proporcional al cambio de la densidad. Por tanto, sin un cambio real de la viscosidad podemos mal interpretarlo como tal. La densidad puede verse incrementada por diversos factores tales como: contaminación (sólidos o líquidos), oxidación, pérdidas evaporativas, presencia de materiales de desgaste, contaminación por glicol, etc. En muchos casos, cuando la densidad de un aceite aumenta existe también un aumento de la viscosidad absoluta. El efecto resultante es una subestimación del incremento de la viscosidad cinemática. Aún teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente consideramos que la medida de la viscosidad cinemática resulta un parámetro adecuado para el monitorizado de aceites teniendo en cuenta que los factores que afectan a la densidad son en la mayoría de los casos perjudiciales para el compromiso de las funciones que debe llevar a cabo el lubricante.

4.2.2. Resultados analíticos Los resultados analíticos que vamos a presentar los vamos a dividir en tres grandes grupos atendiendo al tipo de motores en los que está trabajando el aceite. Así consideraremos los aceites para motores de Automoción, los aceites empleados en motores a gas (fundamentalmente utilizados en instalaciones de cogeneración) y por último los aceites utilizados en motores Marinos (motores de 4T o 2T de gran potencia).

142


Motores de Automoción.

Debido a la política de mantenimiento basada en el análisis de aceite aplicada en este tipo de motores, las muestras analizadas del mismo corresponden con el propio cambio del aceite; de forma que se evalúa si el comportamiento del mismo es correcto atendiendo al periodo de cambio definido, si es excesivamente largo o por el contrario puede ser aumentado. En este tipo de aplicación se ha observado que la implantación del uso de aceites multigrado es muy importante, siendo este tipo de aceite el porcentaje más elevado y dentro de estos el grado SAE 15W-40 el mayoritariamente utilizado. Teniendo en cuenta que con el grado SAE la viscosidad del aceite fresco debe estar en un intervalo relativamente amplio, de cara a evaluar las variaciones de la misma consideraremos la definición del siguiente parámetro:

Zvisc =

Viscosidad medida Viscosidad original

Ec. (4.1)

Con el mismo podremos considerar variaciones porcentuales de la viscosidad medida al cambio frente al valor de la misma en el aceite nuevo sin tener en consideración cual era dicho valor. En Automoción debemos comentar además que la viscosidad típicamente empleada para el monitorizado es la obtenida a 100 ºC, más representativa de las temperaturas que soporta el aceite en la parte alta del motor. Realizando un estudio estadístico sobre los resultados obtenidos en las medidas de viscosidad cinemática en el momento del cambio de aceite se obtienen los siguientes resultados distinguiendo el tipo de aceite multigrado o monogrado empleado. Tal y como se puede observar en las siguientes figuras los aceites multigrado presentan una clara tendencia a la pérdida de viscosidad con el uso. La razón básica de este comportamiento es debida al fenómeno de cizallamiento de los aditivos mejoradores del Índice de Viscosidad, resultando que su efecto a alta temperatura, al estar cizallados por el uso, no corresponde con su comportamiento cuando el aceite estaba nuevo. Por ello deberemos tener en cuenta que este tipo de aceites van a presentar una clara tendencia de pérdida de viscosidad que deberemos controlar que esté dentro de límites admisibles. Resultan muy minoritarios los casos en los que el análisis del aceite multigrado usado presenta valores superiores de viscosidad tras su uso que la viscosidad del aceite nuevo, siendo por tanto una situación muy anormal y que


143

1

1

0.8

0.8

Frecuencia relativa

Frecuencia relativa

requerirá de un estudio más profundo. Por tanto ante estos casos habrá que determinar que posibles causas llevan a esta situación, desde un error de etiquetado o utilización de aceite, excesivo uso, situación de otros parámetros, etc.

0.6

0.4

0.2

0.6

0.4

0.2

0

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Zvisc

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Zvisc

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Figura 4.3. Histograma del estado de Figura 4.4. Histograma del estado de la la viscosidad para muestras de motores viscosidad para muestras de motores de automoción con aceite Repsol Súper de automoción con aceites multigrado Turbo Diesel 15W-40. de diferentes marcas. Los resultados analíticos obtenidos para la viscosidad en aceites monogrados de Automoción no permiten una fácil explicación. Existe, tal como se aprecia en la figura 4.5, un porcentaje demasiado elevado de muestras que presentan pérdida de viscosidad tras el uso, situación que era normal en los aceite multigrado pero no así en los monogrados donde no se emplean los aditivos mejoradores del índice de Viscosidad. Podría pensarse en problemas de dilución del combustible en aceite, que hacen que la viscosidad disminuya. Para niveles de dilución no muy significativos, por debajo de lo que sería el valor umbral a tener en cuenta, 2%; podemos ver las variaciones que tenemos en casos de aceites concretos en la tabla 4.7. Admitiendo esta situación podríamos decir que el 25% de las muestras con Zvisc < 1 entrarían o podrían explicarse por este fenómeno, aunque de todas formas el porcentaje que queda aún es demasiado elevado. La explicación más lógica a esta situación tiene que ser atribuida a errores en la designación del aceite

144


por parte de los usuarios del mismo, esto es, que informen de que están utilizando un aceite monogrado cuando realmente el aceite en uso es un multigrado. 0.6

Frecuencia relativa

0.4

0.2

0 0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Zvisc

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Figura 4.5. Histograma del estado de la viscosidad para las muestras de motores de automoción con aceites monogrado Tabla 4.7. Efecto de dilución sobre la viscosidad en aceites monogrado. Grado SAE

Viscosidad original (cSt)

Dilución (%)

Viscosidad medida (cSt)

Variación Visc. %

SAE 30

11.24

2

10.83

-4

SAE 40

15.43

2

14.83

-4

El estudio sobre vehículos concretos permite tener en cuenta detalles adicionales que ayudan a mejorar el entendimiento de este tipo de comportamiento. La variación de la viscosidad no hay que considerarlo como un suceso aislado y habrá que tener en cuenta los añadidos de aceite nuevo que se han realizado sobre el cárter. En concreto se presenta el siguiente gráfico, figura 4.6, sobre datos del vehículo 66381 de maquinaría de obra pública (motor Komatsu SA12V140) donde puede verse que sobre medidas en aceite usado realizadas siempre a las 300 horas de uso se observa cierta tendencia a que la viscosidad sea mayor en función de los añadidos realizados sobre el cárter. Con ello vemos que la adición de aceite nuevo permite que se recupere en parte la propiedad hacia su valor original. En este motor el aceite empleado tiene una viscosidad nuevo de 14,5 cSt.


145

13.6

13.2


y=0.039x+12.118 R2=0.1239 12.8

12.4

12

11.6 4

8 12 16 Litros añadidos entre cambios (300 h)

20

Figura 4.6. Influencia de los añadidos de aceite sobre la medida de la viscosidad al cambio. Aceite SAE 15W-40. Como parece lógico pensar, la tendencia comentada anteriormente se intuye ya que el ajuste no es posible, teniendo en cuenta que cada medida refleja la propia historia que ha sufrido esa carga de aceite en el motor durante su vida de uso. Esta misma evolución puede observarse en los datos de otro vehículo de maquinaría de obra pública. A mayor cantidad de aceite rellenado la viscosidad medida en el momento del cambio y expresada como variación en tanto por uno sobre la viscosidad original del aceite (14,5 cSt) se acerca más a la unidad.

Variación unitaria sobre el valor de la viscosidad @ 100 ºC original

1.2

1

0.8

0.6

0

0.02 0.04 0.06 Litros de aceite añadido por hora de uso

0.08

Figura 4.7. Efecto de la cantidad de añadidos realizada sobre el cárter en el parámetro comparativo de la viscosidad. Aceite SAE 15W-40.

146


Motores de Cogeneración:

A continuación presentamos los resultados observados sobre motores típicos de utilización en cogeneración y que utilizan como combustible gas, normalmente se trata de gas natural, pero en ocasiones podemos encontrar otro tipo de gases, tales como gas de vertedero, gases de procesos, etc. La principal característica a tener en cuenta del gas es su limpieza o grado de contenido de azufre (muy bajo para gas natural y que puede ser elevado en otros tipos de gases, sobre todo los de vertedero). La primera característica a tener en cuenta en los aceites utilizados en este tipo de instalaciones es que se tratan de aceites monogrado, fundamentalmente de grado SAE 40 y en algunas ocasiones SAE 30, ya que en este tipo de instalaciones, fundamentalmente destinadas a la generación de energía, las paradas y arranques de los motores son situaciones minoritarias además de que en numerosos casos los motores disponen de sistemas de precalentamiento del aceite para que este alcance la temperatura óptima de trabajo en el momento del arranque. Hay que resaltar la diferencia entre ellos sobretodo en la reserva básica de los mismos, que responde a la necesidad de utilizar una mayor reserva en aquellos motores con combustibles más sucios frente a aquellos que utilizan un gas limpio y que prácticamente no contienen una reserva alcalina apreciable. Las instalaciones de cogeneración gas, al contrario de lo que habíamos visto en los motores de automoción, permiten un seguimiento muy puntual de la evolución de los aceites ya que existe una fuerte presión de los fabricantes de los motores para que los usuarios desarrollen y apliquen un sistema de seguimiento del mismo, en caso contrario pueden quedar descubiertos por la garantía del fabricante. De esta forma en este tipo de instalaciones se realizan varios análisis de aceite a lo largo del periodo de uso del mismo, no sólo al cambio como en el caso anterior. En este tipo de motores usualmente la viscosidad empleada para el monitorizado suele ser la medida a 40 ºC y no a 100 ºC, tal como se hacia en motores de automoción, aunque se está observando que va siendo más frecuente que los fabricantes soliciten la medida de ambas de cara a un mayor control. La evolución de la viscosidad en este tipo de motores sigue una tendencia clara como se presenta en la siguiente figura 4.8. Tal y como se aprecia en la figura 4.8, la evolución de la viscosidad con el uso tiende a un espesamiento del aceite y su aumento, cada corte o descenso representa un cambio de la carga de aceite y vuelta a la misma secuencia.


147

160

Viscosidad @ 40ºC

140

120

100 20000

24000

28000 32000 36000 Horas de funcionamiento del motor

40000

44000

Figura 4.8. Evolución de la viscosidad en los diferentes cambios de aceite para un motor de cogeneración a gas. Si consideramos la evolución de la viscosidad frente a las horas de uso del propio aceite para un único motor podemos corroborar la evolución presentada anteriormente. 180

Viscosidad @ 40ºC

160

140

120 0

200

400 600 Horas de aceite

800

1000

Figura 4.9. Evolución de la viscosidad con el uso del aceite en un motor de cogeneración a gas.

148


Si obtenemos el histograma de los resultados sobre las medidas realizadas en este tipo de motores, obtenemos el siguiente gráfico: 0.5

Frecuencia relativa

0.4

0.3

0.2

0.1

0 0.8

0.9

1

1.1

1.2

Zvisc

1.3

1.4

1.5

1.6

Figura 4.10. Histograma del estado de la viscosidad para las muestras de Cogeneración con aceites monogrado SAE 40. Se aprecia claramente la tendencia de la viscosidad con el uso a un aumento de la misma, a un espesamiento del aceite y más teniendo en cuenta que en este caso no se utilizan aceites multigrado y no podemos tener problemas de dilución por combustible, ya que estamos utilizando un gas como combustible. Por tanto esto debería afectar a los límites de variación permitida para este parámetro que se definan en este caso. Para este caso en concreto de los aceite utilizados en aplicaciones de Cogeneración Gas se puede incluso llegar a obtener una estimación numérica de la variación de la viscosidad con el tiempo de uso del aceite. En concreto, se ha realizado un seguimiento específico para los aceites de Repsol, Motor Gas y Motor Gas HTM, ambos SAE 40. Para cada uno de ellos con respectivamente, 1390 muestras y 1080 muestras, se han realizado unos cortes por periodos de uso en los intervalos marcados en la figura 4.11 y en los mismos se ha obtenido la viscosidad media de las distintas muestras consideradas en dichos intervalos. Los resultados obtenidos se han presentando en la mencionada figura 4.11. El comportamiento


149

que se observa es un pronunciado aumento en la viscosidad con el uso con una ligera atenuación en la fase final del periodo de utilización. Esta última fase de comportamiento puede asociarse a la última fase de oxidación del aceite que se comentará más adelante, y en la cual el ratio de oxidación disminuye en función de las características propias de la situación que ya alcanzado el aceite. En esta evolución, el efecto de los rellenos de aceite, que como hemos comentado anteriormente afectan a la variación de la viscosidad, debido a las numerosas muestras que se han estudiado, puede suponerse que estarán sobre valores medios de añadidos de aceite, compensando aquellas muestras con mayores rellenos las que tiene menores niveles de relleno. 160

Valor medio de viscosidad @ 40 ºC (cSt)

Y = 127.5714286 + 7.401190476x - 0.4726190476x2 R2 = 0.985673

150

140

Y = 127.5714286 + 7.401190476x - 0.4726190476x2 R2 = 0.985673 Repsol Motor Gas HTM SAE 40 Repsol Motor Gas SAE 40 130 Nuevo

100-300 h 300-500 h 500-700 h 700-900 h 900-1100 h1100-1300 h >1300 h

Intervalo de horas de uso del aceite

Figura 4.11. Evolución de la viscosidad media en aceites para motores de Cogeneración gas en intervalos de uso definidos. Motores Marinos Realizando el mismo tipo de estudio en los resultados obtenidos en los aceites destinados a la lubricación de motores marinos obtenemos los siguientes resultados:

150

Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor 0.4

Frecuencia relativa

0.3

0.2

0.1

0 0.7

0.8

0.9

1

Zvisc

1.1

1.2

1.3

1.4

Figura 4.12. Histograma aceites de grandes motores marinos Mayoritariamente se observa un espesamiento del aceite o aumento de viscosidad, ya que se trata fundamentalmente de aceites monogrado. Las muestras que presentan descenso de viscosidad pueden ser atribuidas a dos fenómenos diferentes, por un lado la posible presencia de dilución por combustible (siempre que el combustible utilizado tenga una viscosidad menor, ya que en determinados casos podemos encontrarnos con combustibles más viscosos que el propio aceite, de 140 a 380 cSt a 50 ºC [Moran, R.; 1997] y por otro lado la posible pérdida de viscosidad del aceite debido a la degradación que sufre en el circuito de limpieza del mismo, donde es sometido a calentamiento y centrifugación que puede llevar a la rotura de las cadenas de moléculas traduciéndose por tanto en una pérdida de viscosidad.

4.3. TBN - TAN. 4.3.1. Total Base Number (TBN) Como hemos comentado anteriormente, el TBN (Total Base Number) es la reserva alcalina o básica de los aceites para neutralizar los ácidos procedentes de la combustión y de la propia oxidación del aceite debido a las temperaturas elevadas.


151

Resulta lógico pensar que la reserva alcalina del aceite deberá ser mayor cuanto mayor contenido de azufre contenga el combustible, ya que con ello la cantidad de compuestos ácidos formados será mayor. A continuación, en la figura 4.14, se presentan las recomendaciones del fabricante de motores Caterpillar para el nivel del TBN de los aceites en sus motores en función del contenido de azufre del combustible utilizado, así como los valores límites admisibles de reserva alcalina en aceites usados. 16

TBN mg KOH/g (ASTM D-2896)

TBN aceite nuevo 12

8

TBN límite aceite usado 4

0 0

1

2

Contenido en azufre (%)

3

Figura 4.13. Nivel de TBN necesario en el aceite nuevo y admisible en el usado según en nivel de azufre presente en el combustible (Fuente: Caterpillar). Respecto a este punto resulta bastante clarificador la gráfica siguiente, 4.15, donde se presenta la evolución de las medidas del TBN en el aceite usado en motores de Automoción durante la década de los 90 realizado sobre una población de mas de 30.000 muestras de aceites usados de grado SAE 15W-40 [Macián, V.; 2000]. En el mismo gráfico se puede contemplar la evolución del contenido de azufre en el combustible de uso en Automoción según normativa, con un paso de 0,3% al 0,2% en 1994 y posteriormente una reducción del 0,2% al 0,05% en 1996. De acuerdo a la reducción impuesta en el contenido de azufre en el combustible se observa que el valor medio de la reserva alcalina en los aceites frescos o nuevos de los cuales se dispone de información (cantidad suficiente como para considerarlos representativos) se ajusta a este descenso. Así los fabricantes de aceite reducen el nivel de aditivación de sus productos como consecuencia del descenso del contenido de azufre en el combustible.

152

Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor 16

0.3

0.2

TBN (mg KOH/g)

14

12

0.1

10

Contenido en azufre del combustible (%)

Contenido en Azufre TBN aceite nuevo TBN aceite usado

0 1990

1992

1994

Años

1996

1998

2000

Figura 4.15. Evolución del TBN al cambio. Resulta significativo observar la reducción de la pérdida de reserva alcalina en las muestras analizadas en el momento del drenaje asociadas a este cambio de normativa. La línea que presenta los valores medios obtenidos de la medida del TBN en el momento de cambio del aceite muestra que la diferencia entre el valor del TBN en el aceite fresco y el valor medido al cambio se estrecha como consecuencia de la menor cantidad de azufre en el aceite. Como resultado de las anteriores gráficas podemos inferir que el nivel de reserva alcalina de los aceites actuales (a día de hoy el nivel de azufre ha sido reducido aún mas) está muy por encima de lo que podría considerarse como necesario, por lo que no es muy factible esperar problemas derivados de la pérdida de reserva alcalina en los mismos. En un reciente estudio realizado sobre los datos disponibles de una gran empresa de transporte se ha podido comprobar que en muy pocos casos se observa un descenso significativo de los niveles de TBN con el uso y en aquellos casos en los que existe un descenso significativo, en el 95 % de los mismos es atribuible a la presencia de contaminación por combustible en el aceite, siendo por tanto ese descenso del TBN atribuible al efecto de dilución que genera el combustible sobre los compuestos básicos del aceite. Una razón que explica los altos niveles de TBN que siguen manteniendo los aceites de uso en Automoción, aún a sabiendas que el contenido de azufre en


153

los combustibles es muy bajo, es debido al carácter básico de diferentes tipos de aditivos, esto es, aditivos utilizados en otras funciones poseen un carácter básico con lo cual colaboran a mantener altos valores de TBN pero su principal misión no es actuar directamente como neutralizantes. De todas formas el monitorizado de este parámetro puede ser indicativo de la evolución en el comportamiento del motor, resultando por ello interesante para el control del mismo. Los resultados anteriormente presentados resultan muy interesantes si se comparan frente al propio envejecimiento del motor. Resulta lógico pensar que a medida que el motor lleva más tiempo en uso las holguras y ajustes del mismo van a ser peores, con lo cual el paso de gases al cárter que se dará en el mismo será mayor (la medida de blow by es utilizada como parámetro o síntoma de diagnóstico en el diagnóstico de motores mediante prestaciones: [Macian, V.; 1993] y [Carbonell, V.; 2001]), traduciéndose esto en una mayor contaminación del aceite del cárter, que se puede observar como un mayor descenso del TBN residual del aceite al cambio. Así podemos ver para un vehículo Komatsu HD785 como varía la medida del TBN con el uso del motor, teniendo en cuenta que las muestras han sido tomadas en todos los casos a las 300 horas de uso del mismo. Las muestras presentadas abarcan un periodo entre 1998 – 2000, siendo por tanto en el mismo la concentración de azufre en el combustible en todas ellas de 0,05%. El aceite utilizado en todos los casos es un SAE 15W-40, CG4.

TBN (mg KOH/g) medido al cambio de aceite

13

12

11

10

9

8

7 4000

8000 12000 Horas de uso del motor

16000

Figura 4.15. Evolución del nivel residual de TBN al periodo de cambio de aceite en un motor KOMATSU SA12V140.

154


Pero además, esta contaminación del aceite se ve reflejada en la medida de la viscosidad ya que vamos a tener dos efectos superpuestos, la mayor holgura va a producir un mayor blow by que irá acompañado a su vez de un mayor consumo de aceite por paso del mismo hacia la cámara de combustión, con lo cual las reposiciones de aceite que habrá que realizar serán mayores. Así podemos observar que las medidas de la viscosidad al cambio aumentan con el tiempo de uso del aceite, cuando como hemos visto previamente y más en aceites multigrado la tendencia era una pérdida de viscosidad. En este caso se observa que la viscosidad medida al cambio, aún estando por debajo del valor en el aceite fresco, 14,5 cSt a 100 ºC, presenta una tendencia creciente explicable por una parte debido al aumento de los rellenos en el motor y por otra como consecuencia del mayor nivel de contaminación que vamos a tener en el mismo de insolubles y materia carbonosa debido al mayor paso de gases de la combustión hacia el aceite y que como hemos comentado anteriormente llevan a un espesamiento del mismo. 14

TBN (mg KOH/g) Viscosidad @ 100ºC (cSt)

12

10

8

Viscosidad TBN

6 4000

8000 12000 Horas de uso del motor

16000

Figura 4.16. Evolución de las medidas de viscosidad a 100 ºC y TBN en el aceite usado en un motor KOMATSU SA12V140. La evolución típica del TBN del aceite con el uso es obviamente hacia un descenso, tal y como se presenta en la figura siguiente 4.17, aunque al igual que en


155

el caso de la viscosidad hay que tener en cuenta que los añadidos de aceite realizados sobre el cárter tienden a recuperar de forma parcial esta medida. Hay que señalar que en determinados casos se ha observado un aumento en el TBN medido del aceite con el periodo de uso del mismo, cosa que en principio no tiene una explicación razonable en función de los comentarios realizados hasta ahora. Descartando rellenos de aceite con un aceite de TBN superior, de modo que dicha mezcla podría resultar en la situación que estamos comentando, se ha constatado que en determinadas ocasiones, la perdida de volátiles del aceite debido a sobrecalentamientos del mismo puede provocar este efecto debido a la mayor concentración en el hidrocarburo más pesado de los aditivos básicos. 12

11

TBN (mg KOH/g)

10

9

8

7

6 0

100

200

300

Horas de uso del aceite (h)

400

500

Figura 4.17. Evolución del TBN del aceite en muestras al cambio en un vehículo WAGNER MT436B equipado con un motor DDA 12V71A (vehículo 65919)

4.3.2. Total Acid Number (TAN) La medida de la acidez del aceite o TAN, tal como hemos comentado anteriormente, no es muy utilizada para el monitorizado de aceites de motor Diesel, ya que los aditivos detergentes-dispersantes pueden provocar medidas erróneas de este parámetro y por tanto diagnósticos equivocados. Sin embargo, si es un parámetro muy útil en el monitorizado de motores a gas, donde el nivel de detergencia-dispersancia de los aceites es menor, atendiendo

156


a que la combustión en este tipo de motores es mas limpia comparada frente a un Diesel. En este caso si es posible representar la clara tendencia que presentan los parámetros de TBN y TAN a lo largo de la vida del lubricante en uso. 6 TBN TAN 5

TBN / TAN (mg KOH/g)

4

3

2

1

0 0

200

400 Horas de aceite

600

800

Figura 4.18. Evolución de los parámetros de TBN y TAN frente al tiempo de uso en el aceite usado, Repsol Motor Gas SAE 40, en un motor DEUTZ TBG 620V 16K de 16 cilindros (Motor 121). Para el caso anterior, presentado en la figura 4.18 podemos ver que en un número no despreciable de las muestras llegamos a la situación en la cual el TBN se cruza con el TAN, esto es, la acidificación del aceite llega a ser bastante importante y superar la reserva alcalina que mantiene el mismo, es por ello que podríamos deducir que el aceite seleccionado para este tipo de aplicación no ha sido posiblemente el óptimo, ya que en otros casos, como el presentado en la figura 4.19, podemos observar que con un TBN algo superior no llegamos a tener esta situación. Esta casuística puede explicarse atendiendo al contenido en cenizas de los aceites. Las cenizas de un aceite lubricante son el residuo que queda después de someter una muestra del mismo a evaporación y pirolisis, eliminando con ello todos los compuestos orgánicos. Si el residuo es tratado con ácido sulfúrico recibe el nombre de cenizas sulfatadas. En ocasiones determinadas, esta medida es


157

utilizada para el control de aceites usados, representado el contenido de cenizas sulfatadas en los aceites detergentes usados una medida del aporte de metales de desgaste y otras materias inorgánicas extrañas al aceite. La utilidad práctica de medir la cantidad de cenizas en un aceite en servicio es la de poder detectar el comienzo de un desgaste anormal o de una contaminación por materia inorgánica. Con la utilización de otras técnicas se consiguen mejores referencias y además una discriminación del tipo de metales de desgaste o de contaminantes presentes en el aceite. 8

TBN / TAN (mg KOH/g)

6

4

2

TBN TAN 0 0

400

800 1200 Horas de aceite

1600

2000

Figura 4.19. Evolución de los parámetros de TBN y TAN frente al tiempo de uso en el aceite usado, Repsol Motor Gas HTM SAE 40, en un motor JENBACHER JMS 320 GS-NL de 20 cilindros (Motor 1) Los motores a gas son mas críticos que los motores Diesel frente al contenido de cenizas de los lubricantes utilizados en los mismos. En este caso un nivel muy alto de depósitos de cenizas en la cámara de combustión puede causar problemas de pre-ignición y obstrucción de las bujías, con los consiguientes problemas asociados a los mismos de quemado de válvulas y pérdida de encendido. Niveles moderados de cenizas podrían resultar beneficiosos puesto que podrían formar finos depósitos en las caras de las válvulas que las protegerán de la exposición directa al combustible gaseoso y de la alta temperatura, previniendo la corrosión en caliente.

158


En los típicos motores a gas empleados en Cogeneración, se requieren lubricantes con una gran estabilidad térmica y muy bajos contenidos de cenizas sulfatadas debido a las altas temperaturas que soporta el lubricante, sobre todo en la parte alta del cilindro, donde es posible que el lubricante pueda llegar a descomponerse o formar lacas en las paredes del mismo. Los aceites para motores a gas se pueden dividir en cuatro categorías en función del nivel de cenizas sulfatadas que poseen, los cuales son directamente proporcionales al contenido de aditivos a base de sulfonatos o fenatos de magnesio y/o calcio. Así nos encontramos con la siguiente clasificación: Tabla 4.8. Clasificación de los lubricantes para motores a gas atendiendo al contenido en cenizas sulfatadas [Leal, B.; 2001]. Denominación

Contenido en cenizas (% en peso)

TBN típico (mg KOH/g)

Sin cenizas

< 0,1

1–3

Poca ceniza

0,1 – 0,5

3–6

Mediana ceniza

0,6 – 1,4

6 – 12

> 1,4

≥ 13

Alta ceniza

Para los casos anteriormente presentados podemos deducir que en caso del motor DEUTZ se requiere de la utilización de un aceite de los denominados de poca ceniza, penalizando de esta manera la reserva básica del mismo lo que conlleva como puede apreciarse unos periodos de uso del aceite menor, mientras que en caso del motor JENBACHER ha sido posible la utilización de un aceite con mayor contenido en cenizas y a su vez con mayor reserva básica que permite una duración mas prolongada del mismo. En ambos casos los niveles de acidez alcanzados son muy similares.

4.4. Detergencia Hemos comentado anteriormente la finalidad de la capacidad detergente y dispersante del aceite lubricante, así queremos tener una capacidad suficiente de reducir la formación de depósitos y capacidad de mantener dispersos (sin aglomerarse) los contaminantes arrastrados por el aceite. Los datos que se disponen sobre los niveles de detergencia han sido obtenidos a partir de las medidas mediante el equipo denominado fotómetro. El


159

principio de medición de este equipo es similar al que se aplica en el análisis de la mancha clásico, esto es, si el aceite mantiene una buena capacidad detergente y dispersante, la mancha de aceite que se forma sobre el papel será homogénea, sin concentraciones puntuales de manchas de carbonilla. Ante la pérdida de capacidad detergente esta carbonilla tiende a aglomerarse y se deposita ofreciendo la mancha un aspecto más opaco. Mediante la utilización del método del fotómetro se eliminan la subjetividad y reducen los aspectos arbitrarios del método manual clásico, permitiendo obtener resultados imparciales y muy precisos [Troyer, D. 2001]. El proceso seguido es el siguiente: una pequeña cantidad de muestra homogeneizada es calentada a 250º C durante 5 minutos. El propósito de este corto periodo de intenso calentamiento es tensionar el aceite que se encuentre cerca de un fallo térmico u oxidativo, de forma que la mancha muestre una respuesta positiva. Cualquier aceite que se encuentre aún en buen estado no se verá afectado por tan breve periodo de calentamiento, que se verá reflejado en el modelo de dispersión de la mancha en el papel secante. Al enfriarse la muestra, se toma una gota (aproximadamente 2 ml) que se deposita sobre papel cromatográfico, donde se expande durante una hora colocada en un horno a 80º C. El equipo realiza una medida de la opacidad de la mancha, calculando un índice de contaminación (IC) y un nivel de detergencia residual (MD) mediante la medición de la absorción de la luz en la parte central de la mancha, que proporciona una medida del hollín insoluble presente en la muestras y mediante una distribución radial de la absorbancia que está relacionada con la detergencia o dispersancia del aceite. El índice de contaminación (IC) que representa la concentración de la materia carbonosa insoluble presente en el aceite, está afectado por diversos factores como: aplicación, tiempo en servicio del lubricante, entorno de operación, etc. Esta medida es presentada en una escala desde 0,1 hasta 3,5%. La dispersancia o detergencia residual (MD) refleja la habilidad del aceite para separarse homogéneamente a lo largo de la mancha y depende de la calidad dispersante del aceite. Este parámetro es expresado mediante un índice que varia entre 100 (dispersancia ideal) y 0 (sin reserva dispersante). Además del índice de contaminación y de la detergencia residual el equipo proporciona un valor de “degradación ponderada”, combinación de medidas inseparables que detecta cualquier degradación del IC, MD o ambos parámetros.

160


DP = (100 – MD) x IC

Ec (4.2)

Este valor de degradación ponderada ayuda en la toma de decisiones de posibles diagnósticos del problema si los datos no resultan meridianamente claros. Mancha

Parámetros

Problemática

IC = 3.0

Alta concentración de materia carbonosa debido a un excesivo periodo de uso del aceite.

MD = 75 DP = 75 IC = 0.3

Baja dispersancia por fallo de refrigeración del motor.

MD = 60 DP = 12 IC = 0.2

Pobre dispersancia por excesivo periodo de uso del aceite.

MD = 65 DP = 7 IC = 0,8

Buena dispersancia..

MD = 95 DP = 4 IC = 0,5 MD = 28

Pobre dispersancia debido a la contaminación con refrigerante proveniente de una fuga

DP = 36 IC = 1,1 MD = 85 DP = 16

Dispersancia ligeramente degradada debido a la oxidación del aceite como resultado de un malfuncionamiento del motor.


Mancha

161

Parámetros IC = 0,2

Problemática Excesiva contaminación aceite con combustible.

del

MD = 59 DP = 8 Figura 4.20. Ejemplos de manchas de aceite analizadas en el fotómetro y los parámetros obtenidas para las mismas. El monitorizado del parámetro de la detergencia se realiza por defecto para los motores englobados en el sistema de Automoción únicamente, ya que es en el que resulta más interesante teniendo en cuenta las características del combustible empleado y el reducido volumen de aceite empleado. Este ensayo no es aplicado de forma sistemática en el monitorizado de motores de los sistemas de Cogeneración Gas y de Marinos, aunque en este último podría perfectamente usarse para motores relativamente pequeños quedando en un segundo plano para motores grandes, donde el volumen de cárter de que disponemos y la mayor importancia de otros fenómenos hace que este análisis no sea tan representativo. El monitorizado del nivel de detergencia en el aceite muestra una evolución como era de esperar similar a la de la reserva básica, en el sentido de degradación de la misma con el uso del aceite tal y como puede observarse en la figura 4.21: 100

90

Detergencia

80

70

60

50 0

100

200 Horas de uso del aceite

300

400

Figura 4.21. Evolución del nivel de detergencia con el periodo de uso del aceite.

162


La dispersión de los datos en el caso anterior se puede explicar atendiendo a que la detergencia como propiedad característica del aceite se ve afectada por los añadidos realizados durante el uso del mismo. Sobre este vehículo (66348) del cual disponemos de un numero suficiente de muestras, tomadas a periodos diferentes y conociendo que el motor en todos los casos está teniendo un nivel de rellenos similar, podemos ver como se refleja un modo de evolución que se ajusta al teórico esperado, un agotamiento con el uso de dicha característica. Como sabemos, existen aditivos multipropósito, en este caso en concreto el nivel de detergencia y el TBN están relacionados. Tal como veremos en el punto dedicado a los aditivos es común el empleo de sulfonatos metálicos que cumplen las dos funciones señaladas anteriormente, un efecto dipersante detergente sobre todo con la materia carbonosa y un efecto de reserva básica sobre el aceite. El agotamiento de los aditivos comentados anteriormente hace que exista cierta correlación entre las variaciones de las correspondientes misiones, tal y como puede observarse en la figura 4.22. Conviene especificar que se ha utilizado los datos de este vehículo en concreto ya que muestran de forma bastante clara las evoluciones que se han querido reflejar, pero tal y como se ha comentado en el punto referente a la evolución del TBN y como se verá más adelante sobre la detergencia, ambos parámetros presentan en general, tomando en cuenta una población mucho más amplia, un comportamiento bastante estable, no siendo actualmente parámetros críticos en el funcionamiento del lubricante. 100

90

Detergencia

80

70

60

50 7

8

9 10 TBN (mg KOH/g)

11

12

Figura 4.22. Relación entre la variación de la reserva básica del aceite y el nivel de detergencia para los datos de muestras del vehículo WAGNER MT436B motor DDA 12V71TA.


163

0.5

Frecuencia relativa

0.4

0.3

0.2

0.1

0 100

90

80

70

60 50 40 Nivel de detergencia

30

20

10

Figura 4.23. Histograma de los valores obtenidos del nivel de detergencia en las muestras de Automoción con aceite Repsol Super Turbo Diesel 15W-40. Realizando un estudio más amplio sobre los valores obtenidos en las medidas de detergencia en las muestras correspondientes al aceite Repsol Super Turbo Diesel 15W-40 (mas de 10.000 muestras) se observa en el histograma presentado en la figura 4.23 que el nivel de detergencia es un parámetro que se modifica relativamente poco, siendo en un número muy poco representativo de las muestras aquellas que presentan descensos importantes del nivel de detergencia. Tal como puede apreciarse en la figura 4.23, los niveles de muestras con descensos importantes del nivel de detergencia representan un porcentaje muy bajo, siendo esto indicativo que la reserva de los aceites y el comportamiento de los mismos en este aspecto resulta bastante óptimo. Finalmente, cabe plantearse también unido con lo comentado anteriormente para la reserva básica, si ambas características están muy potenciadas en los aceites actuales atendiendo al contenido de azufre del combustible y la actual fiabilidad de los principales sistemas del motor, aunque tal y como se comentará posteriormente las tendencias futuras en el diseño de motor tenderán a una concentración de materia carbonosa superior y por tanto el nivel de detergencia y dispersancia de los aceites deberá responder a estas necesidades.

164


4.5. Oxidación y Nitración La oxidación y nitración del aceite son, junto con la viscosidad, los parámetros básicos para el control del estado de los aceites utilizados en los motores a gas, y aunque en la mayoría de los casos no se les asigne limites condenatorios, su evolución puede ser reflejo de posibles problemas internos en el motor o sistemas auxiliares. El aceite con el uso, y más debido a las altas temperaturas que debe soportar, va degradándose, produciendo productos que contienen los grupos carbonilo (C=O) tales como ésteres, cetonas o ácidos carboxílicos. Estos productos contribuyen a la acidificación del aceite y al consumo de la reserva alcalina del mismo. El efecto de una oxidación prolongada del aceite es un aumento de la viscosidad y su posible actuación corrosiva debido a su acidificación. En teoría un proceso de oxidación se debería llevar a cabo de forma lenta y progresiva debido al deterioro normal del lubricante en uso, pero la presencia de metales de desgaste, actuando como catalizadores en las reacciones de oxidación del aceite, y de componentes ácidos de la combustión provocan una degradación acelerada del mismo. En los ensayos de oxidación para aceites de motor [Cerny, J.; 2000], se distinguen tres fases o etapas en la oxidación de los mismos. La primera etapa de oxidación es la definida como periodo de inhibición. En esta fase, las propiedades del aceite son relativamente estables y la oxidación que se produce es muy pequeña. La duración de esta primera etapa está afectada por la temperatura y la concentración de los aditivos antioxidantes presentes en el aceite. Esta etapa termina con el agotamiento de los antioxidantes sintéticos, momento en el cual la oxidación comienza a ser más pronunciada. Esta segunda etapa de oxidación es la llamada etapa de rotura, en la cual la oxidación ya no esta influenciada por los antioxidantes sintéticos. El efecto más pronunciado sobre el ratio de oxidación puede verse en la composición del aceite y en la concentración de los inhibidores de oxidación naturales. El mayor ratio de oxidación también se refleja en la degradación de las propiedades del aceite. La etapa final de oxidación está caracterizada por una tasa de oxidación lenta debido a la alta viscosidad del aceite. El aceite contiene una alta concentración de productos de la oxidación que pueden ser parcialmente polimerizados y que junto a la alta viscosidad limitan el acceso de aire u oxígeno al mismo debido a un ratio limitado de difusión.


165

A continuación presentamos los resultados obtenidos en diferentes motores del parámetro de oxidación del aceite en función del tiempo de uso de los mismos. Como puede observarse en la figura 4.24, se pueden diferenciar dos tendencias diferentes en la evolución del parámetro de oxidación, por una parte la que siguen los aceites en uso en los motores 121 y 122 y por otro lado la del resto de motores, con periodos de uso relativamente mas largos. Esta diferencia se explica por el uso de aditivos antioxidantes en los mismos, en el primer caso, para los motores 121 y 122, se ha utilizado un aceite que denominaremos X, de menor contenido en aditivos antioxidantes comparado con el aceite que denominamos Y utilizado en los otros motores y que posee una mayor concentración de aditivos antioxidantes. Esta diferencia se traduce a la hora de uso en un periodo de utilización del aceite más largo, debido al efecto inhibidor de la oxidación que proporcionan los aditivos antioxidantes. 24 Motor 121 Motor 1 Motor 8 Motor 122 motor 51

20

Oxidación (A/cm)

16

12

8

4

0 0

500

1000

1500

Horas de uso

2000

2500

Figura 4. 24. Evolución del parámetro de oxidación del aceite con el periodo de uso del mismo en diferentes motores. A continuación, en las figuras 4.25y 4.26, se presentan los resultados comparativos entre la oxidación y la acidificación del aceite, representando esta última con los parámetros de TBN y TAN medidos en el aceite.

166


Tal como puede observarse, la tendencia comentada anteriormente de acidificación del aceite debido a su oxidación queda plasmada en estas gráficas, pudiendo observar también que existe mejor correlación entre TBN y oxidación que entre TAN y oxidación. 24

24

20

20

y = 1.0994x2 + 11.494x + 33.989 R2=0.9114

16 Oxidación (A/cm)

Oxidación (A/cm)

16

12

8

12

8 y = -10.778 + 19.99x -3.4x2 R2 = 0.6315

4

4

0 0.8

1.2

TAN (mg KOH/g)

1.6

2

0 1

Figura 4.25. Oxidación vs TAN en el motor 121

2

3 TBN (mg KOH/g)

4

Figura 4.26. Oxidación vs TBN en el motor 121

20 Motor 121 Motor 1 Motor 8 Motor 122 Motor 51

Nitración (A/cm)

16

12

8

4

0 0

500

1000

1500

2000

2500

Horas de aceite

Figura 4.27. Evolución de la nitración del aceite con el uso del aceite.

5


167

El fenómeno de la nitración (o nitroxidación) resulta de la reacción del aceite con óxidos de nitrógeno (NOx) producidos por la oxidación del nitrógeno atmosférico durante el proceso de combustión. El proceso de nitración causa un espesamiento del aceite formando barnices y lacas. La evolución del nivel de nitración del aceite con el uso presenta unas tendencias tal y como se observan en la figura 4.27. Al igual que en el caso anterior la mayor o menor presencia de aditivos antioxidantes afecta al ratio de nitroxidación. El espesamiento del aceite debido a los efectos de oxidación y nitración del mismo se puede confirmar a través de la evolución de ambos parámetros frente a la viscosidad. 20

24

20

16

Oxidación (A/cm)

Nitración (A/cm)

16

12

8

12

8 y = 77.42 -1.23x + 0.0053x2 R2 = 0.9265

y = 77.87 -1.307x +0.0055x2 R2 = 0.925

4

4

0

0 140

150

160

Viscosidad a 40 ºC (cSt)

170

Figura 4.28. Viscosidad vs nitración motor 121

180

140

150

160


170

180

Figura 4.29. Viscosidad vs oxidación motor 121

Como es de esperar, existirá una cierta correlación entre el nivel de oxidación sufrida por el aceite y la nitración (o nitrooxidación) que sufre el mismo, al fin y al cabo son fenómenos íntimamente relacionados. En la gráfica 4.30 se muestra la correlación obtenida para el caso de muestras tomadas de diversos clientes utilizando el mismo tipo de motor y el aceite anteriormente designado como Y. Pero su comportamiento final va a ser dependiente del modo de operación en el que trabaje el motor. En estos motores los procesos de nitración y formación de materia carbonosa están relacionados con el tipo de mezcla empleado en la combustión; mezclas más ricas son utilizadas por el usuario para obtener mayor potencia, el consumo de combustible será mayor y se generará una mayor cantidad de materia

168


carbonosa. En tanto que con mezclas más pobres tendremos una mayor economía de combustible pero se producirá mas cantidad de NOx produciendo una mayor nitración del aceite (además de una posible mayor contaminación atmosférica). 16

y = 0,7561x + 2,2233 R2 = 0,82

Nitración (A/cm)

12

8

4

0 0

4

8

Oxidación (A/cm)

12

16

Figura 4.30. Relación entre Oxidación y Nitración. La mayor cantidad de NOx se produce cerca del punto óptimo de economía, pero a mayor cantidad de aire disponible también la cantidad de nitrógeno para reaccionar con el combustible es mayor. Es por ello que la potencia, economía del combustible y emisiones son parámetros que de forma directa van a influir sobre la vida útil del lubricante. Al hilo de lo comentado anteriormente podemos ver cual es la evolución real de los parámetros de oxidación y nitración de aceites en uso, obteniendo los siguientes resultados. Tal como puede apreciarse en las gráficas 4.31 y 4.32, tenemos dos evoluciones similares en el comportamiento de los parámetros de oxidación y nitración, con la diferencia de que en el caso de la izquierda el nivel de nitración supera a la oxidación al contrario de lo que se refleja en la figura de la derecha. La explicación a este fenómeno se debe al punto de funcionamiento de los motores. Como hemos comentado anteriormente si estamos trabajando en un punto óptimo de economía del combustible, utilizando un dosado pobre, la generación de NOx es mayor y el paso de los mismos hacia el cárter hace que el fenómeno de


169

nitración sea más importante, aunque evidentemente la oxidación también se producirá. En el motor de la derecha se está trabajando con un dosado más rico, posiblemente en busca de una mayor potencia, en este caso la generación de NOx es menor y se ve traducida también en la nitración que sufre el aceite, siendo en este caso más importante la oxidación que sufre. 16

24

Nitración Oxidación

Nitración Oxidación 20

Oxidación / Nitración (A/cm)

Oxidación / Nitracición (A/cm)

12

8

16

12

8

4

4

0

0 0

400

800 1200 1600 Horas de uso del aceite

2000

2400

Figura 4.31. Evolución de los parámetros de Oxidación y Nitración en el motor JENBACHER JMS 320 GSNL

0

200


600

800

Figura 4.32. Evolución de los parámetros de Oxidación y Nitración en el motor DEUTZ TBG 620 V 16K.

4.6. Nivel de aditivos Los niveles de aditivación presentes en los aceites usados casi nunca son utilizados como parámetros de diagnóstico y ello debido a dos razones fundamentales, la primera debido a que el paquete de aditivos utilizados en los aceites varía mucho en función de cada fabricante y cada producto en concreto, además de que cada paquete de aditivación se enfoca muy directamente a las necesidades del tipo de motor y aplicación fundamental a la que se destina. La segunda razón es que el paquete de aditivos es, podríamos decir, el secreto del aceite, por tanto no es una información que los productores de aceite den fácilmente. Con relación a esto hay que comentar que aunque productores de aceite, o mejor dicho fabricantes de bases de aceite existen muchos en el mercado, los productores de aditivos para los aceites es un reducido grupo de empresas a nivel mundial, en parte debido a que se necesita una importante tecnología e infraestructura.

170


Pero como veremos en algunos casos nos encontramos que el monitorizado de estos niveles de aditivos permite realizar un control puntual de determinadas situaciones. Los elementos metálicos típicos que podemos encontrarnos en los aditivos de los aceites de motor son: Zinc, Fósforo, Calcio, Sodio, Bario, Boro, y Magnesio, en diferentes configuraciones y para diferentes fines tal y como se presentó en el apartado dedicado a los aditivos de los aceites. Alguno de ellos además con una clara procedencia como es el Zinc o el Fósforo que aparecen claramente por la concentración del dialquilditiofosfato de Zinc (ZDDP) que es ampliamente utilizado como aditivo anti-desgaste (y multipropósito en general) en los aceites de motor. En un principio parecería lógico pensar que los aditivos presentes en el aceite usado tienden a presentar un descenso en el nivel de los mismos como consecuencia de su consumo, aunque como vamos a ver a continuación esto parece no ser así. Se presenta como ejemplo la relación que podemos encontrar entre las medidas de los aditivos típicos presentes en el aceite para el caso particular del Repsol Motor Gas HTM SAE 40, realizadas sobre todas las muestras disponibles con este aceite en motores de Cogeneración a gas. La relación que se presenta en la gráfica 4.32 indica que el aditivo utilizado en este aceite es el ZDDP, observándose que tal como parecía esperar la relación en masa de los elementos Zinc y Fósforo corresponde a la paridad, teniendo en cuenta que el peso molecular del Zinc (30) es el doble que el del fósforo (15), pero en la molécula encontramos dos moléculas de fósforo por una de zinc. Pero tal y como se observa en la figura anterior el rango de concentraciones que se barre resulta bastante amplio, con lo cual parece intuirse que existe la posibilidad que la concentración de los aditivos presentes en el aceite usado varía con el tiempo de uso. A continuación presentamos algunos ejemplos. El aumento de las concentraciones de los metales de aditivación puede deberse al efecto de la pérdida de las fracciones mas volátiles del aceite y con ello una concentración de los aditivos. En masa seguimos teniendo la misma cantidad de aditivos pero más concentrado al tener menos hidrocarburo como disolvente al haberse evaporado las fracciones más volátiles del mismo. En las gráficas 4.34 y 4.35 se observa las medidas sobre determinados elementos de los aditivos en casos concretos de motores


171

600

Zinc (Zn) ppm

500

400

300

y = 1.019x + 44.02 R2 = 0.78

200 200

300

Fósforo (P) ppm

400

500

Figura 4.32. Relación entre Fósforo y Zinc para el aceite Repsol Motor Gas HTM en todos los motores de Cogeneración 500

440

1800

Fósforo Zinc 400

1400

1200

1000

400

360

320

300

280

Concentración de Zinc (ppm)

Concentración de Fósforo (ppm)

Concentración de Calcio (ppm)

1600

240

200

800 0

200

400

600

Horas de uso del aceite

800

Figura 4.34. Evolución concentración de Ca medida en un motor con aceite Repsol Motor Gas. Motor 121.

200 0

200

400

Horas de aceite

600

800

Figura 4.35. Evolución concentraciones de P y Zn medidas en un motor con el aceite Repsol Motor Gas. Motor 121.

Como se ha comentado anteriormente, en los aceites destinados a los motores de Cogeneración a gas, el residuo sulfatado en el mismo es directamente

172


proporcional a los productos a base calcio y magnesio que se usan en los aditivos, tal y como puede comprobarse en la gráfica siguiente 4.36. 30

3000

Calcio Magnesio

20

2000

1500

10

1000

Concentración de Magnesio (ppm)

Concentración de Calcio (ppm)

2500

500

0

0 0

0.2

0.4

0.6

Residuo sulfatado (%)

0.8

1

Figura 4.36. Contenido en cenizas de los aceites para motores a gas frente a las concentraciones medias obtenidas en el análisis del aceite usado. Los resultados obtenidos anteriormente para el calcio y presentados en la gráfica 4.36 coinciden con la estimación teórica que sugieren otros autores [Caines, A.; 1996] y que se presenta en la siguiente tabla 4.9. Tabla 4.9. Estimación aproximada del contenido de cenizas en un aceite a partir del contenido en metales de aditivación. Metal Bario Calcio Magnesio Sodio Zinc

Coeficiente de relación entre % contenido metálico(*) y cenizas 1,7 3,4 4,5 3,1 1,25

(*) Se obtiene el contenido porcentual del metal dividiendo el contenido expresado en ppm (mg / kg) por 10.000. Tal como se había comentado anteriormente la presencia de Zinc y Fósforo es básicamente asociada a la utilización del aditivo ZDDP, hecho que se confirma si se observan los resultados obtenidos en aceites especiales que no utilizan este


173

tipo de aditivos. En concreto mediante el seguimiento del aceite Repsol Especial Ferrocarriles SAE 40, podemos observar que en este caso los valores medios obtenidos para ambos elementos están en torno a tres ppm de concentración de ambos, es decir, en niveles muy bajos, con lo que podemos considerar que no existe este tipo de compuesto es este aceite. En el mismo si que se observa una mayor concentración de Calcio, entre 4000-5000 ppm, como resultado de la utilización de un compuesto diferente en base a este elemento para cubrir con los requerimientos de anti-desgaste y anti-oxidación que no pueden conseguirse mediante la utilización del ZDDP. En la tabla 4.10 expuesta a continuación se presentan los datos de concentraciones medias de metales típicos de aditivación en diferentes tipos de aceites agrupados en función del tipo de motor al que van destinados y de los cuales podemos inferir los siguientes resultados:

El aceite Especial Ferrocarriles, diseñado expresamente para motores con cojinetes de plata, en el cual no puede haber presencia de zinc, tal como puede apreciarse en la tabla, la presencia de este compuesto es mínima, así como de fósforo, los dos elementos presentes en el ZDDP. Puede verse que la relación entre fósforo y zinc se mantiene en las mismas proporciones en el resto de los tipos de aceite, indicativo que en todos ellos se utiliza el ZDDP como aditivo. Correlacionando entre la reserva básica (TBN) de los aceites y sus aditivos parece claro que ésta se consigue a partir de sulfonatos de Calcio, habiendo más presencia de este elemento en aceites de mayor reserva básica. La presencia de Bario en los aceites de motor estudiados es insignificante La concentración media de Sodio es engañosa, ya que su presencia real suele ser mucho más baja, pero en situaciones de contaminación del aceite por agua de refrigeración su presencia se suele disparar a valores muy altos, de ahí que la media sube relativamente. Tabla 4.10. Concentraciones medias en elementos típicos de aditivación. Aceite Automoción

P

Na Ba Bo

Ca

Zn

Mg

Especial FFCC SAE 40

2,91 36,9 0,6 6,87

4624

3,9

11,4

Cepsa UHPD SAE 15W-40

1088 3,18 0,7

27

3343

1282 133,5

Repsol Superturbo Diesel 15W-40

957

97

2834

1087

18,2 0,8

494


Cogeneración

Marinos

174

Repsol Turbo UHPD 10W-40

1097 8,47 2,6

21

4309

1253

54,4

Mobil multigrado Diesel 15W-40

1084

9,8

1,4 152

3667

1231

355

Repsol Multi G Diesel 20W-40

996

3,69

1

67

2966

1121

461

Aurelia XT4055 SAE 40

398

34

4

2

17921

463

46

Aurelia XT W4040 SAE 40

400

28

1,3

3,1

13302

459

38,7

Neptuno 5540 SAE 40

469

29

2,1

23

17769

520

45,8

Motor Gas SAE 40

285

7

0,6

1

1151

346

8,9

Motor Gas HTM SAE 40

312

5,2

2529

363

15,2

0,8 1,27

60

TBN (mg KOH/g)

40

20

0 0

4000

8000

12000

16000

20000

Concentración media de Ca (ppm)

Figura 4.39.Correlación obtenida entre la reserva básica (TBN) de aceites y la concentración media medida de Calcio en sus muestras.


4.7. Evaluación de los degradación del aceite.

175

parámetros

de

En este apartado se ha realizado una revisión bibliográfica en busca de qué límites serían aplicables dentro un sistema de monitorizado del motor basado en el análisis del aceite para los parámetros de degradación del mismo. Atendiendo a las diferencias que hemos expuesto anteriormente en función de los tipos de motor y aceites utilizados en diferentes aplicaciones diferenciaremos los límites aplicables atendiendo a las mismas. Se ha intentado realizar una revisión desde ópticas diferentes atendiendo a las fuentes de las cuales se han obtenido los valores límites: fabricantes de motores, fabricantes de lubricantes y otros autores.

Para los aceites de Automoción nos podemos encontrara con las siguientes propuestas:

Tabla 4.11. Valores límites máximos según diferentes fuentes en motores de Automoción. FABRICANTES DE MOTORES

Análisis

MAN

CAT


+30%

+20%

-25%

-10%

CUMMINS DETROIT DIESEL ± grado SAE

+ 40%

ó ±4 cSt

-15 % (@ 40ºC)

OTROS MTU

MACIAN

THIBAULT

SAE xxW30 914 cSt

± 30 %

± 25%

SAE xxW40 11,5-18 cSt

TBN

- 50%

Min 1 mg KOH/g

-50 % ó 2 mg KOH/g

Min 1 mg KOH/g

- 50%

- 50%

- 25%

TAN

--

--

TAN med = TBN med

--

--

--

--

Oxidación

--

--

--

--

25 Abs/cm

--

25 Abs/cm

176


Nitración

--

--

--

--

25 Abs/cm

--

--

Detergencia

--

--

--

--

--

30 % original

--

Como puede observarse en la tabla anterior 4.11, no existe siquiera una selección común genérica de los parámetros de degradación del aceite a controlar entre las diferentes fuentes revisadas, si acaso una coincidencia única de controlar viscosidad y TBN, siendo el resto de parámetros dependientes de la fuente consultada. Los límites suelen especificarse como variación porcentual sobre los valores de partida del aceite nuevo o en algunos casos expresarse como valores absolutos mínimos que deben ser requeridos sobre el aceite. Llama poderosamente la atención los valores límites ofrecidos por algunos fabricantes en cuanto a TBN, ya que según hemos visto anteriormente los valores de 1 ó 2 mg KOH / g, en aceites usados en motores que emplean combustibles tan limpios son prácticamente inalcanzables con los periodos tandard de utilización de los mismos y los niveles de reserva alcalina de que disponen los aceites actualmente utilizados en este tipo de motores.

Para los aceites utilizados en motores de Cogeneración a gas encontramos los siguientes valores límites propuestos.

Tabla 4.12. Valores límites máximos según diferentes fuentes en motores de Cogeneración Gas. FABRICANTES DE MOTORES

Análisis Viscosidad

JENBACHER WAUKESHA + 25%

+ 30%

(@ 40ºC)

-20 %

OTROS

MTU

MACIAN

THIBAULT

SAE 40 (@ 100ºC)

+30%

+ 25%

-25 %

- 15%

(@ 40ºC)

(@ 100ºC)

- 60%

--

Min 11,5 cSt (@ 40ºC) Max 17,5 cSt

TBN

-50%

-70%

3 mg KOH/g (mínimo)


177

80% del TBN medido

2,5-3,0 sobre el valor original

Oxidación

20 Abs/cm

25 Abs/cm

20 Abs/cm

20 Abs/cm

30 Abs/cm

Nitración

20 Abs/cm

25 Abs/cm

20 Abs/cm

20 Abs/cm

30 Abs/cm

TAN

80% del TBN TAN = TBN medido

> 3 mg KOH/g sobre el valor original

Para el caso de aceites de utilización en motores de Cogeneración a gas, tal como puede observarse en la tabla 4.12, la definición de los parámetros a controlar de cara a evaluar la degradación propia del aceite quedan bastante claros, siendo los presentados en la misma. Como se ha comentado anteriormente los parámetros de oxidación y nitración son fundamentales de cara al control de este tipo de aceites en este uso. Exceptuando quizás los parámetros de acidez y basicidad, en el resto la coincidencia de valores límites es bastante aceptable para las diferentes fuentes revisadas.

Para motores Marinos:

En los grandes motores Marinos, la singularidad de los mismos, lleva a la especificidad de los límites de los parámetros de control según definen sus fabricantes atendiendo de forma muy precisa al propio diseño del motor, al tipo de combustible y aceite utilizado e incluso a las diferentes disposiciones constructivas de ciertos elementos auxiliares (fundamentalmente en los parámetros indicativos del nivel de contaminación). A continuación se presenta una recopilación de límites según algunos de los más importantes fabricantes de este tipo de motores y teniendo en cuenta las restricciones comentadas anteriormente. Tabla 4.13. Valores límites máximos según diferentes fabricantes en grandes motores marinos. Fabricante: DEUTZ Motor 4 tiempos Combustible: líquido destilado ISO – F – DMX ó DMA Calificación Alerta Alarma Análisis Observaciones Viscosidad @ 100 -Mínimo 9 cSt SAE 30, SAE ...W-30 ºC -Mínimo 11 cSt SAE 40, SAE ...W-40 -Máximo 25% Del aceite original TBN -Mínimo 50 % Del aceite original con combustible destilado (Gas oil)

178


--

Mínimo 18

Con combustible intermedio (Diesel Oil)

Fabricante: SULZER Motor 4 tiempos (revoluciones medias) Combustible: líquido destilado. Aceite SAE 40 Calificación Alerta Alarma Análisis Observaciones Viscosidad @ 40 Mínimo –15 % Mínimo –20% Sobre el aceite original ºC Máximo +22,5 Máximo +30 % Sobre el aceite original % TBN 60 % Mínimo 50 % Sobre el aceite original

Fabricante: WÄRTSILÄ Motor 4 tiempos (revoluciones medias) Combustible: líquido residual. Aceite SAE 40 Calificación Alerta Alarma Análisis Observaciones Viscosidad @ 40 Sobre el aceite original -Mínimo +45% ºC Viscosidad @ 100 -Máximo +25 % Sobre el aceite original ºC TBN -Mín. 20 mg KOH/g

Fabricante: DEUTZ Motor 4 tiempos Combustible: líquido residual. Análisis Viscosidad @ 100 ºC TBN

Calificación Alerta Alarma Observaciones + 37,5 % Máximo +50 % Sobre el aceite original --

Mínimo 60 %

Sobre el aceite original


179

Fabricante: MAN B&W Motor 4 tiempos Combustible: líquido. Aceite SAE 40 Calificación Alerta Alarma Análisis Observaciones Viscosidad @ 40 -Mínimo 110 cSt ºC Máximo 220 cSt TBN -Mínimo 50 % Sobre el aceite original

Fabricante: RUSTON Motor 4 tiempos Combustible: líquido. Aceite SAE 40 Calificación Alerta Alarma Análisis Viscosidad @ 40 -Mínimo –30% ºC Máximo +30% TBN 6 mg KOH/g 4,5 mg KOH/g 10,5 mg KOH/g 12 mg KOH/g 13,5 mg KOH/g 15 mg KOH/g

Fabricante: MAN B&W Motor 2 tiempos Aceite de cárter alcalino detergente Calificación Alerta Alarma Análisis Viscosidad @ 40 -Mínimo – 15% ºC Máximo + 40% TBN -Mínimo - 30% -Máximo + 100% TAN -Máx. 2 mg KOH/g

Observaciones Sobre el aceite original Sobre el aceite original Con FO BIA Con FO 1 Con IFO (S=4%)

Observaciones Sobre el aceite original Sobre el aceite original Sobre el aceite original Sobre el aceite original

180


Fabricante: SULZER Motor 2 tiempos Aceite de cárter. Análisis Viscosidad @ 40 ºC TBN

Calificación Alerta Alarma -Máximo 160 cSt --

Observaciones

Máx. 30 mg KOH/g

Puede observarse como en los motores de 2 tiempos, el aceite que se evalúa es al aceite de cárter, no el aceite de cilindros, y en el mismo se limita el contenido máximo de reserva básica. Esta limitación es para la detección de posible contaminación de este aceite de cárter por aceite de cilindros, aceite con un TBN mucho más alto de cara a cumplir sus funciones de protección en la parte de la cámara de combustión y que puede llegar a contaminar el aceite de cárter si existe algún problema en la empaquetadura de vástagos.

CAPITULO V EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN DEL ACEITE

Objetivo del capitulo: Se presentan los principales contaminantes presentes en los aceites lubricantes en motores Diesel y a gas, su procedencia y los efectos que producen sobre el aceite y sobre la vida del motor. Se comentan aspectos relacionados con el efecto que van a provocar en determinados contaminantes las nuevas tecnologías en el diseño de motores. Se presentarán finalmente los medios de control de los mismos y los límites generalmente aceptados aplicables para un monitorizado del motor mediante el control del aceite lubricante.

5.1. Introducción Por contaminación de un aceite se entiende la presencia de materias extrañas a él, sin importar su origen; las partículas que podemos encontrar son: partículas metálicas y de óxidos metálicos, polvo atmosférico, combustible, agua, materia carbonosa, ácidos provenientes de los gases de combustión y de la propia oxidación del lubricante y productos químicos. La presencia de contaminación en el aceite, sea cual sea su procedencia, puede generar importantes problemas, tanto sobre las superficies lubricadas que se quiere proteger como efectos nocivos sobre el propio lubricante. Por todo ello es importante controlar el nivel de contaminación presente en el aceite y siempre que sea posible eliminar, aunque sea

182

Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite

parcialmente esa contaminación indeseable y evidentemente evitar que esa contaminación llegue a provocar o inducir daños sobre el sistema lubricado. Tabla 5.1. Resumen de la procedencia de los problemas en muestras de aceites usados de motor. Clasificación

Causa

Cantidad

Degradación

Aceite degradado

6,9 %

Contaminación

Dilución por combustible

7,3 %

Agua o refrigerante

11,8 %

Productos de la combustión

8,9 %

Entrada suciedad

20,8 %

Desgaste

Desgaste anormal

43,4 %

Otros

Consumo excesivo de aceite

0,9 %

48,8 %

Un importante laboratorio internacional dedicado a ofrecer servicios de análisis de aceite para mantenimiento predictivo, ofrece una idea de la importancia de los contaminantes sobre los lubricantes del motor [Evans, J.; 1998]. En este estudio se afirma que de las muestras analizadas por estos laboratorios sobre lubricantes de motores, el 23,3% de las mismas han mostrado algún tipo de problema asociado a las mismas, los cuales se desglosan en los aspectos presentados en la tabla 5.1. La problemática asociada a este tipo de contaminantes puede dividirse en dos aspectos fundamentales: por un lado el efecto negativo que causan sobre el propio lubricante, tendente en todos los casos a disminuir su vida útil y por otro lado las consecuencias o efectos que pueden generar sobre las superficies lubricadas, en ningún caso positivas. Por todo ello en primer lugar se debe evitar en la medida de lo posible la entrada de dichos contaminantes, controlar su presencia y actuar antes de que la misma llegue a niveles que puedan producir fallos graves en el sistema. Para ello deberíamos pensar en lo que determinados autores denominan Mantenimiento Proactivo, tratar de eliminar o reducir al máximo las causas primarias que pueden conducir a la aparición de estos contaminantes.

5.2. Silicio Hemos comentado previamente la importancia que como elemento contaminante presenta el silicio en el aceite, en este punto ahora vamos a incidir un


183

poco más en la problemática del mismo y su detección y control de cara a un sistema de mantenimiento de motores por análisis de aceite. El aumento del contenido en silicio en una muestra de aceite repercute con mayor o menor efectividad en el desgaste general del motor, su aumento se puede deber a varias causas, la más clásica y perjudicial en cuanto a desgaste se debe a la introducción de polvo atmosférico que penetra en los motores en funcionamiento por la admisión (debido a la utilización de filtro de aire ineficaces, sucios o rotos), a través de respiraderos, varillas del nivel de aceite o juntas mal ajustadas en los colectores. En otras ocasiones la entrada de silicio puede deberse incluso al mismo lubricante o combustible u otros tipos de contaminantes que más adelante comentaremos.

5.2.1. Problemática asociada a la contaminación con silicio El aire, cargado de impurezas, cuya cantidad y composición varia según las condiciones de operación y el medio en el que se desenvuelve el motor, pueden clasificarse en dos grandes categorías:

Partículas de polvo, con dimensiones comprendidas entre 1 y 150 µm. Partículas de humo, con dimensiones entre 0,1 y 1 µm.

Para caracterizar la influencia de las partículas de polvo en el desgaste es necesario considerar el factor de actividad de estas; los polvos se componen en su mayor parte de sílice, con hasta un 70% de SiO2; su dureza, característica fundamental de cara al desgaste que produce, es muy difícil de definir. No obstante, se entiende que el cuarzo, la arena u otros componentes formados a partir del sílice son lo suficientemente duros para rayar el acero e incluso el cromo. En general, un motor operando en presencia de polvo atmosférico de aproximadamente 1 a 20 µm de diámetro sufre mayor desgaste cuanto mayor volumen de polvo haya admitido y en función del tamaño de los granos. Aquellas partículas de tamaño similar al espesor de la película lubricante entre las superficies son las potencialmente más dañinas. Una partícula de tamaño inferior al espesor de la película, pasará a través de la misma causando un daño poco perceptible, si la partícula es superior a la holgura será imposible que penetre en la misma, con lo cual no se producirá ningún daño. Conociendo que los juegos u holguras entre los asientos del cigüeñal y cojinetes, oscila entre 15 y 100 µm, según los motores, y que el espesor de la película de aceite está comprendida a su vez entre 5 y 75 µm sin carga, y entre 5 y 15 µm bajo carga, parece necesario, tal y

184


como puede verse en la siguiente figura 5.1, retener todas aquellas partículas duras con un diámetro superior a 5 µm, o al menos las superiores a 10 µm. Esto no significa por otra parte, que las partículas inferiores a estos límites no tengan acción de desgaste; así en cojinetes con espesores de metal antifricción del orden de 50 a 100 µm difícilmente podrán recoger por incrustación partículas de tamaños iguales e incluso inferiores, sin que se produzcan daños apreciables. Adicionalmente, en situaciones puntuales podemos encontrarnos con la pérdida total de la película lubricante, momento en el cual cualquier partícula por pequeña que sea va a producir un efecto negativo. 100 90 80

Micras

70 60 50 40

Espesor de una película de aceite sin cargar

Tolerancias normales de los órganos de un motor

30 20 10 0

Espesor de una película de aceite cargada

Grado de filtración deseable

Figura 5.1. Factores que afectan sobre la exigencia de la filtración.

Figura 5.2. Ejemplo de desgaste abrasivo fino sobre un cojinete.


185

Podemos presentar diversos resultados de diferentes autores relativos a la problemática mencionada anteriormente. Según Davis [ASM Handbook; 1992], el desgaste que sufre el sistema lubricado, expresado por la generación de masa de hierro comparada con el tamaño de partícula de silicio contenida en aceite sigue una tendencia tal y como puede observarse a continuación en la figura 5.3. El tamaño de partícula más problemático está entre las 15 y 25 µm, no observándose diferencias apreciables de tendencias con aceites de diferentes grado de viscosidad.

Desgaste, mg de Fe por mg de polvo

0.4

0.3

0.2

Aceites SAE 10 SAE 30 SAE 50

0.1

0 0

10

20

30 40 Tamaño de partículas (µm)

50

60

Figura 5.3. Desgaste expresado en masa generada de hierro y medida en el aceite en función del tamaño del polvo de contaminación del aceite. En un motor las holguras o tolerancias entre los segmentos y camisa son extremadamente ajustadas, de modo que son las partículas menores las que pueden causar los peores destrozos en este caso, tal y como se presenta en las figuras siguientes 5.4 y 5.5 [Blevins, G.; 1998]. Como puede observarse en este caso, ante holguras más estrechas, el diámetro de partículas de silicio más comprometido también disminuye. Hay que añadir en este caso que la zona de segmentos del pistón es la de mayor compromiso en la lubricación ya que se añaden los condicionantes de temperaturas muy altas que afectarán a la viscosidad del aceite, y debido a esto al espesor de película lubricante que separa las superficies rozantes.

186

Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite 2

4

3.64 1.7

3.34 1.6

Ratio de desgaste relativo entre cojinetes y segmentos

Ratio de desgaste relativo

3

2

1.2

1.1 1

0.8

1

1

0.4

0

0

0-5 µm

5-10 µm

10-20 µm

Tamaño de partículas (µm)

Figura 5.4. Efecto del tamaño de las partículas de polvo en el ratio de desgaste.

Cojinetes principales

Cojinetes de biela

Segmentos

Elementos

Figura 5.5. Ratio de desgaste en función de las holguras entre las superficies en contacto.

Una vez la partícula de polvo ha entrado en la película de aceite forma un enlace directo entre las dos superficies eliminando por tanto el efecto de la misma. El resultado inmediato es un rastrillado de la superficie, debido al arrastre y rodado de las partículas por las superficies. El efecto secundario y potencialmente mas perjudicial es que una vez introducida la partícula en la holgura o tolerancia entre las dos superficies se produce un cambio en la distribución de la carga, pasando de una distribución relativamente homogénea a una carga puntual o concentrada que provoca un fuerte aumento de presión en este punto. El aumento de presión puede generar una flexión en la superficie que eventualmente resultará en una fatiga del metal y rotura o descamación de la superficie. Los medios para evitar el desgaste abrasivo en motores consisten en hacerlos tan impermeables como sea posible al paso del polvo, filtrando todos los fluidos que por este pasen. La filtración del aire debe ser seriamente tomada en cuenta, observando que el diámetro de las partículas no sobrepase si es posible las 5 µm. Estas medidas son de aplicación general en motores, pero no obstante ni los diseños más avanzados evitan que una cierta cantidad de productos abrasivos penetre y circule por estos. Además, es importante que las piezas en movimiento sean resistentes a la abrasión, mediante la utilización de acabados de gran dureza y materiales resistentes, ya que las composiciones de los lubricantes no pueden disolver los granos de polvo o disminuir el fenómeno de desgaste abrasivo causado por estos. El empleo de superficies cromadas en los segmentos es el caso típico de


187

ejemplo, utilizadas en busca de un bajo coeficiente de fricción con el acero de la camisa y su resistencia a la corrosión.

5.2.2. Evolución observada sobre motores en servicio Se presentan a continuación resultados obtenidos en análisis realizados a muestras de aceite provenientes de motores en servicio real, en las cuales vamos a poder observar el ajuste con los comentarios realizados anteriormente. En primer lugar podemos ver la evolución de la concentración del silicio en el aceite frente a dos parámetros, por un lado frente al uso del propio motor (figura 5.6) y frente al uso del propio aceite (figura 5.7), evidentemente en ambos casos se observa un aumento de la concentración del silicio medida al cambio de aceite; en un caso ya que el aceite al permanecer durante más tiempo llega a retener mayor cantidad de silicio en su seno y en el otro caso debido a que durante el envejecimiento del motor la tendencia es a una menor estanqueidad del mismo y por tanto una mayor entrada de contaminación. 40

50

Concentración de Si (ppm) al cambio

Concentración de Si (ppm) al cambio

40 30

20

10

30

20

10

0 12000

16000

20000 Horas de uso del motor

24000

28000

0 0

100


300

400

Figura 5.6. Concentración de silicio al Figura 5.7. Concentración de silicio al periodo de cambio frente a las horas periodo de cambio frente a las horas de uso del aceite en el vehículo 66348 de funcionamiento del motor en el (maquinaría de obra pública, motor vehículo 62387 (maquinaría de obra WAGNER). pública, motor KOMATSU). En la figura de la derecha (5.7) se observa lo comentado anteriormente, el mayor periodo de uso del aceite lleva asociado como consecuencia una mayor contaminación por silicio. El punto clave será conocer cual es periodo óptimo de

188


40

2

30

1.6

Cromo (ppm) al cambio

Fe (ppm) al cambio

uso del mismo, que permita con un correcto funcionamiento del sistema de filtrado y del motor en general, controlar que los niveles de silicio en el aceite se mantengan en unos valores no excesivamente perjudiciales para el funcionamiento del motor. En la figura de la izquierda (5.6) puede observarse como aumenta la concentración de silicio medida alrededor de las 21000 horas de funcionamiento del motor, posiblemente debido a algún fallo en el sistema de filtración. Posteriormente, resuelto el fallo, los niveles regresan a valores más bajos aunque superiores a los que había anteriormente. Tal y como se ha presentado en estas figuras el modo de evaluación del silicio debe hacerse de forma relativa o basado en las tendencias observadas en el mismo, siendo indicativo de algún problema la brusca variación de la concentración del mismo en el aceite. Tal como es de esperar niveles superiores de silicio conducen a un aumento de la concentración de otros metales debido a la acción abrasiva que este genera, esta afirmación se comprueba en ensayos realizados en banco tal y como se verá en el capitulo 6, aunque en motores en servicio real la evolución que se observa no es tan exacta debido a la multitud de parámetros no controlables que entran en juego, aunque se mantienen las tendencias que se pueden esperar teóricamente, así podemos ver como aumenta el contenido de hierro y de cromo en el aceite, tal y como se presenta en las figura 5.8.

20

10

1.2

0.8

0

0.4 0

10

20 Si (ppm) al cambio

30

40

0

10

20

Si (ppm) al cambio

30

Figura 5.8. Evolución de la concentración de hierro(izquierda) y cromo (derecha) en el aceite en función de la contaminación presente de silicio. Vehículo 62387 (maquinaría de obra pública, motor KOMATSU).

40


189

5.2.3. Diferencia de niveles de silicio en función del tipo de aplicación del motor Resulta interesante realizar un estudio de los valores medios obtenidos del nivel de contaminación por silicio medido al momento del cambio en función de la aplicación a la que está destinado el motor. En primer lugar, se realiza una comparativa entre diferentes marcas de vehículos de automoción. A priori es de esperar que aquellos vehículos destinados a trabajos típicos de maquinaría de obra pública, trabajando normalmente en ambientes mucho más polvorientos, tengan un nivel de silicio en el aceite superior a los vehículos de transporte, los cuales se mueven en trayectos por carreteras y autopistas en buen estado y que en principio no tendrán tal cantidad de polvo. A continuación se representa un gráfico de barras comparativo de los niveles medios de silicio obtenidos para diferentes marcas de vehículos.

Concentración media de Si (ppm) al cambio

12

11.9

12.2

8.1

8

7.9

5.4

4

0

Mercedes

MAN

Renault

Caterpillar

Komatsu

Figura 5.9. Valores medios de silicio al cambio por marcas de vehículos Como puede observarse en la figura anterior, las marcas de vehículos típicamente utilizadas en maquinaria de obra pública como son Caterpillar y Komatsu presentan valores medios inferiores a los que presentan los vehículos de

190


marcas asociadas a transporte por carretera como Renault, Mercedes o MAN. La posible explicación a este comportamiento la obtenemos como consecuencia del propio mantenimiento de los vehículos, ya que previendo la mayor contaminación por silicio se utilizan medios de filtrado superiores, con lo que se obtiene una mayor estanqueidad del sistema hacia la entrada de este contaminante, así como secuencias de mantenimiento más severas (periodos de cambio de filtro más cortos) en busca del óptimo comportamiento del sistema de filtrado. A continuación se presenta una tabla de ejemplo con periodos típicos de intervención de mantenimiento, en este caso, cambio del filtro de aire, en diversos vehículos según aplicaciones. Tabla 5.2. Periodos de cambio de filtro de aire en diferentes tipos de vehículos. Motor

Aplicación

Periodo cambio filtro de aire

MAN D2866 LUE

Tracción ferroviaria

36.000 km

RENAULT MIDR

Autobús urbano

100.000 km

SCANIA DS91

Camión

80.000 km

JENBACHER JMS 320

Cogeneración gas

2000 h

CATERPILLAR

Máquina Obra Pública

500 h

Así mismo se puede realizar una comparativa de la dispersión de las concentraciones en todos los casos, observándose el comportamiento que se presenta en la figura 5.10. Podemos ver en la figura que los niveles máximos alcanzados en todos los casos son relativamente variables (el eje de ordenadas se encuentra en escala logarítmica), siendo esta situación achacable únicamente a fallos severos en el sistema de filtrado o contaminaciones incontroladas, obteniéndose en estos casos valores de concentraciones muy altos pero siendo situaciones puntuales. Se observa que los cuartiles centrales en todos los casos están en niveles similares y la variabilidad de los mismos es estrecha, en un rango de 3 a 6 ppm.


191

Concentraciones de Si (ppm) al cambio

1000

100

10

1

0.1 MERCEDES

MAN

RENAULT

CAT

KOMATSU

Figura 5.10. Diagrama de Box-Whisker para las medidas de silicio al cambio Si realizamos el mismo tipo de estudio para otros motores empleados en diferentes usos podemos comprobar que tal como es de esperar, los motores en utilización en instalaciones cerradas tales como son los de Cogeneración, figura 5.11, presentan un nivel de contaminación por silicio del orden de cuatro veces menor que los de automoción. Al estar menos expuestos a este tipo de contaminación, como es de esperar el nivel medio presente en el aceite de este tipo de contaminante es bastante menor. Los resultados obtenidos en motores Marinos presentan ciertas particularidades a destacar, tal como se puede observar en la figura correspondiente 5.12, el valor medio de concentración de silicio en el aceite no varia mucho de los que hemos encontrado en automoción, es muy similar a los niveles presentes en maquinaria de obra pública. Si en estos últimos achacábamos niveles menores debido a sistemas de filtración mas robustos teniendo en cuenta el tipo de trabajo a realizar, los resultados obtenidos en motores marinos deben provenir de la menor concentración de polvo presente en el mar, confirmándose esto con los niveles máximos que se alcanzan, por debajo de las 50 ppm de concentración, y estando en el resto de motores estudiados en máximos del orden del doble de concentración. De aquí se deduce que un problema de filtración en motores de uso en tierra resulta

192


más comprometido que en motores montados en barco, atribuible únicamente al ambiente de trabajo en el que se desenvuelven. Hay que comentar que en los motores 2T de cruceta, la utilización de esta geometría permite que el paso de silicio a la zona de cárter sea también menor debido a que la empaquetadura actúa como barrera para el paso de gases del cárter. Por ello es de esperar menores contaminaciones por silicio. Hay que hacer mención también a los estudios de [Ontiveros, L. E.; 1995] y [Morán, R.; 1997] donde se presentan niveles de contaminación por silicio diferenciables atendiendo a la ruta seguida por las embarcaciones. 100

50

Concentración de Silicio (ppm)

Concentración de Silicio (ppm)

40

10

1

30

20

10

0

0.1

SI Muestras de motores Marinos

SI Muestras de Cogeneración Gas

Figura 5.11. Diagrama de Box and Whisker para las concentraciones medidas de silicio en motores usados en Cogeneración gas (estacionarios).

Figura 5.12. Diagrama de Box and Whisker para las concentraciones medidas de silicio en motores usados en buques marinos.

Aunque como hemos comentado hasta este momento, la principal causa de la presencia de un nivel excesivo de silicio en el aceite pueda deberse fundamentalmente a la entrada de polvo atmosférico, esta no es la única causa posible y existen otros tipos de problemas que pueden presentarse. El uso de sellos de silicona, la utilización de silicatos como aditivos en el refrigerante, un alto nivel de aditivos antiespumantes, o incluso a un menor nivel, la utilización de aleaciones hipersilícicas en determinados componentes, pueden afectar sobre la concentración de silicio presente en el aceite lubricante. A continuación se presenta una tabla con valores orientativos de los niveles de contaminación de diferentes elementos que podemos encontrar en el aceite para determinar el posible origen del problema [Blevins, G.; 1998].


193

Tabla 5.3. Relación de concentraciones standard de elementos metálicos y la situación que los provoca. Fe 35 92 38 35 36 105 120

Al 8 29 9 8 10 134 25

Elementos (ppm) Cr Cu Na 3 15 12 16 20 16 4 124 243 3 15 12 5 10 19 38 20 21 10 35 12

Si 15 69 101 250 31 145 68

Situación Normal Entrada severa de suciedad Fuga interna de refrigerante Utilización de sellos de silicona Alto nivel de antiespumantes Fallo en el sistema de inyección Entrada de suciedad externa

Blevins propone además un árbol de decisión para la interpretación de las lecturas altas en las concentraciones de silicio en el aceite en motores Diesel, este árbol es presentado en la figura 5.13 a continuación:

Figura 5.13. Árbol de decisión para el diagnóstico del nivel de silicio en aceite de motores Diesel

5.3. Contaminación por agua Según determinados autores dentro de los posibles contaminantes del aceite lubricante, sin distinción de la aplicación a la que está destinado, se

194


considera al agua como el segundo contaminante más destructivo, situación que se ve empeorada ya que frecuentemente es ignorada como causa primaria de fallo. Evidentemente teniendo en cuanta esta afirmación resulta obvio que debemos tener en cuenta una serie de acciones de cara a minimizar este aspecto:

En primer lugar habrá que restringir la posible entrada de la misma al sistema. Deberemos reconocer su presencia y tenerla en cuenta. Deberemos analizar su estado y concentración. Dentro de estos, encontramos tres posibles estados: Agua disuelta: caracterizada por moléculas de agua que se encuentran dispersas de forma aislada por todo el aceite lubricante. La mayoría de los aceites lubricantes industriales (hidráulicos, para turbinas, etc.) pueden llevar disuelta entre 200 y 600 ppm de agua (0.02 – 0.06%) dependiendo de la temperatura que soportan y la edad del aceite. Los aceites usados pueden ser capaces de llevar de tres a cuatro veces el agua disuelta que admitían siendo nuevos. Agua emulsionada: glóbulos microscópicos de agua se encuentran dispersos en una suspensión estable en el aceite, tal como si se tratara de niebla. Esta fase aparece cuando la cantidad de agua presente en el aceite ha excedido el máximo nivel que puede permanecer disuelta, el aceite se satura. Agua libre: La adición de más cantidad de agua a una mezcla emulsionada de aceite y agua llevará a la separación de la misma en dos fases, quedando una fase de agua libre asentada en el fondo del tanque o depósito de aceite, así como una fase de aceite emulsionado o libre. Para aceites minerales o sintéticos con aceite base PAO (Polialfaoleofinas) cuya gravedad especifica es menor que la unidad, esta fase de agua se asienta en el fondo del tanque pero con aceites de gravedad específica superior podemos encontrar la fase de agua líquida en la parte alta. Finalmente será importante eliminar la presencia de la misma en la medida de lo posible.

En el caso de motores marinos, el análisis de este contaminante es de particular importancia, ya que las consecuencias de utilizar lubricantes con altos contenidos de agua se manifiestan en incrementos de la corrosión del motor y de la degradación del lubricante o de sus aditivos, además de propiciar la formación de emulsiones y lodos. La presencia de agua en el lubricante puede deberse a muy diversas causas, que van desde condensaciones de humedad hasta graves fugas en


195

el sistema de refrigeración y depuración. Un aumento significativo de su contenido debe advertir sobre fallos en el cierre de la válvula de cebado de la depuradora; si además va acompañado de la presencia de cobre, es probable una electrólisis de los enfriadores de aceite; análisis como el contenido de cloruros son de gran utilidad para averiguar la naturaleza de esta contaminación (agua dulce, tratada o salada de mar). Altos contenidos de agua salada pueden provocar la hidrólisis de algunos aditivos, serias corrosiones y disminuir el valor del TBN; ante este fenómeno considerado como catastrófico, lo mejor es reponer la carga, reparar el fallo y lavar el circuito con soluciones neutralizantes [Ontiveros, L. E.; 1995].

5.3.1. Efectos de la contaminación por agua sobre los sistemas lubricados En un sistema lubricado cualquiera, las dos fases más peligrosas son el agua libre y la emulsión que se forma. Como ejemplo, según [Barnes, M.; 2001], en un cojinete de contacto plano, la incompresibilidad del agua relativa al aceite puede resultar en una pérdida de la película hidrodinámica del aceite que llevará a un desgaste excesivo. La sola presencia de un 1% de agua en el aceite puede reducir la esperanza de vida útil de este elemento hasta en un 90%. Para el caso de rodamientos la situación puede ser incluso peor, ya que el agua no sólo contribuye a la destrucción de la película de lubricante sino que además tanto el agua libre como la emulsionada bajo las condiciones de extrema presión y temperatura generadas en la zona de carga del elemento pueden provocar una vaporización instantánea que produzca un desgaste erosivo. Bajo ciertas condiciones, las moléculas de agua pueden llegar a separarse en sus dos componentes constituyentes: átomos de oxígeno e hidrógeno, como resultado de las altas presiones generadas en la zona de carga de rodamientos. Debido a su relativamente pequeño tamaño, los iones de hidrógeno producidos por este proceso pueden quedar adsorbidos sobre la superficie de la pista de rodadura resultando el fenómeno conocido como “fragilización por hidrógeno”. Este fenómeno es causado por un cambio en la metalurgia del elemento. Este cambio causa que el material se convierta en más débil o frágil y sea propenso a quebrarse por debajo de la superficie de la pista de rodadura. Cuando esta subsuperficie se quiebra separándose de la superficie, puede conducir a la aparición de picaduras y descamaciones.

196


Debido a que los efectos del agua libre y emulsionada son los más peligrosos comparados con los que provoca el agua disuelta, una regla general es asegurar que los niveles de mezcla permanezcan por debajo del punto de saturación. Para la mayoría de los aceites en uso esto significa de 100 a 300 ppm o menos dependiendo del tipo de aceite y la temperatura que soporta. De todas formas, aún cumpliendo con estos niveles nada asegura que está agua no pueda causar importantes daños.

Figura 5.14. Corrosión sobre cojinete debido a contaminación por agua.

Figura 5.15. Daños por cavitación de agua presente en el aceite.

5.3.2. Efectos del agua sobre el lubricante El agua no tiene únicamente una influencia directa sobre los componentes de la máquina, sino que también juega un papel directo en la tasa de envejecimiento o degradación de los aceites lubricantes. La presencia de agua en el aceite lubricante puede causar que el proceso de oxidación del mismo se multiplique por diez veces [Barnes, M.; 2001], resultando un envejecimiento prematuro del aceite, más aún, si además existe la presencia de determinados metales que actúan como catalizadores, tales como cobre, plomo y estaño. Además en determinados tipos de aceites sintéticos, aquellos obtenidos a partir de aceites base de esteres fosfóricos y dibásicos, se sabe que son reactivos con agua, resultando de ello la destrucción del aceite base y la posterior formación de compuestos ácidos. La problemática que ocurre en el aceite ante la presencia de agua se resume en la tabla siguiente 5.4.


197

Tabla 5.4. Problemática asociada a la presencia de agua en el lubricante. PROBLEMA Hidrólisis oxidación

EFECTOS y La presencia de agua conduce a cambios químicos y físicos en el aceite base. Aeración El agua fomenta los problemas de aireación Efectos en la El agua conduce a emulsiones viscosidad estables, mayor viscosidad y propiedades no newtonianas del fluido Efectos dieléctricos El agua reduce las propiedades aislantes del aceite

Formación de ácidos Espesamiento del aceite Barnices y lodos Espuma Entrada de aire

Determinados aditivos tales como compuestos sulfurosos anti-desgaste (AW), de extrema presión (EP) y anti-oxidantes fenólicos, son rápidamente hidrolizados en presencia de agua, resultando de ello la incapacidad de estos aditivos de llevar a cabo su misión y la formación de compuestos ácidos. Estos ácidos pueden causar un desgaste corrosivo, particularmente en componentes que contengan metales blandos tales como los utilizados en los recubrimientos de cojinetes o compuestos con base bronce o latón. Otros aditivos tales como los agentes demulsificantes, dispersantes – detergentes, e inhibidores de corrosión pueden ser lavados por la excesiva humedad. Todo esto resulta en un aumento de la sedimentación y los barros, taponamiento de filtros y pobre desemulsión agua – aceite. Por lo tanto, la contaminación por agua conduce a una serie de efectos sobre los aditivos empleados en el aceite lubricante que pueden resumirse tal como se presenta en la figura 5.16.

5.3.3. Resultados analíticos En los motores Diesel la contaminación del aceite lubricante por agua proviene fundamentalmente de la condensación en el interior de los motores del vapor de agua del aire atmosférico como consecuencia de las bajas temperaturas o del aumento de presión en el cárter o bien de las fugas internas del sistema de refrigeración. La problemática más grave asociada a un nivel anormal de presencia de agua en el aceite es la corrosión sobre las superficies metálicas y la propia degradación del aceite, tal y como hemos visto anteriormente. Como hemos visto en el Capítulo II, la concentración de agua en el aceite se puede determinar mediante la utilización de diversos métodos de medida.

198


Figura 5.16. Efecto de la contaminación con agua sobre los aditivos de los aceites lubricantes A continuación se presenta en la tabla 5.5 un resumen de los datos obtenidos en muestras de diversos tipos de motores separados en función de su aplicación y con respecto al resultado obtenido en la medida de agua en el aceite. Para la obtención de dicha medida el laboratorio de análisis aplica la siguiente secuencia, en primer lugar se toma una muestra de aceite sobre la cual se le aplica el ensayo de crepitación a modo de ensayo “pasa no pasa”, ya sabemos que en caso de que la muestra no crepite esto es indicativo que la concentración de agua en el aceite es menor del 0,05%, en caso de que la muestra crepite pasamos a la realización de un ensayo que nos cuantifique la presencia de agua, en este caso el análisis realizado se basa en los métodos de reactivo Karl Fischer (ASTM D-4928). Tabla 5.5. Resumen de medidas de agua en muestras analizadas Marinos

Ferrocarril Automoción Cogeneración

Muestras consideradas

7735

10184

11982

2966

Muestras con contaminación por agua superior al 0,1%

328

94

112

15

4,24%

0,92%

0,93%

0,5%

Porcentaje sobre total


199

Con el estudio de los resultados en nuestro poder podemos extraer una serie de conclusiones a tener en cuenta sobre la contaminación del aceite lubricante en motores con agua:

Es un hecho bastante inusual encontrar en aceites de motor cantidades significativas de agua en el mismo, básicamente debido a que el agua que llega al cárter de aceite debido a las temperaturas a las que se encuentra no suele condensar y recircula de nuevo enviándose hacía la atmósfera. Por ello, la degradación del aceite debido a presencia de agua en el mismo es un parámetro difícil de detectar por la misma presencia real de agua en la muestra, esto nos va a obligar a tener que buscar algún tipo de rastro que indique que ha habido una presencia significativa de la misma en el aceite.

Otra cuestión adicional es querer determinar si el origen de la posible fuga es procedente del sistema de refrigeración hacia el sistema de lubricación. Tal como hemos comentado en el punto anterior es bastante inusual encontrar restos de agua en cantidades significativas que señalen estas fugas; pero por experiencia hemos observado que puede determinarse la existencia de fugas en el sistema de refrigeración si controlamos algunos de los elementos presentes como aditivos en el agua de refrigeración. Es conocido que de cara a mejorar el comportamiento del agua pura en el sistema de refrigeración se le añaden una serie de aditivos, fundamentalmente de cara a rebajar el punto de congelación de la misma (ya que a 0ºC, quedaría bastante limitado el uso de la misma) así como su comportamiento agresivo frente a las superficies con las cuales va a estar en contacto. Entre los productos típicamente utilizados encontramos el etilenglicol como elemento para rebajar el punto de congelación y los boratos, nitratos u otros tipos de compuestos utilizados como aditivos protectores. Se ha observado en numerosos casos que se puede relacionar muy bien la presencia de problemas (fugas) en el sistema de refrigeración con la presencia de sodio en el aceite. Este sodio proviene de los aditivos utilizados para tratar el agua de refrigeración.

Como hemos comentado anteriormente una posibilidad de determinar si ha habido contaminación del aceite lubricante por el agua de refrigeración es la medida de la presencia de etilenglicol en el lubricante, opción que veremos más adelante. Si no podemos medir la presencia de etilenglicol, podemos determinar también esta contaminación mediante la utilización de un parámetro indirecto tal y como hemos observado en el estudio de las medidas realizadas sobre los aceites de utilización en vehículos de Automoción.

200


En caso de no existir contaminación por agua de refrigeración, la concentración de Boro, elemento típicamente utilizado como aditivo en este tipo de lubricantes suele ser mucho mayor que la concentración de Sodio, situación que se invierte totalmente en el caso de que exista la contaminación por agua de refrigeración. 8000

100000

10000

6000

Sodio (ppm)

Concentración (ppm)

1000

100

4000 y = 4.16x2 - 123.23 R2= 0.88

10

2000 1

0.1

0 BO

NA

0

400

800 Boro (ppm)

1200

1600

Figura 5.17 Diagrama Box – Whisker Figura 5.18. Correlación existente para Boro (B) y Sodio (Na) en muestras entre las concentraciones de Sodio (Na) de aceites de Automoción. y Boro (B) en las muestras contaminadas con agua. Se observa en el diagrama de Box-Whisker (figura 5.17) que la relación normal entre Boro y Sodio es de 100 veces mayor la concentración de Boro que la de Sodio, mientras que en los casos que existe presencia de agua esta tendencia se invierte obteniéndose valores superiores de sodio y en una relación aproximada de 4 a 1. Otros autores como Fitch dan como relación sintomática de la presencia de agua, una proporción de 5 a 1 entre las concentraciones de Sodio y Boro. Aunque esta afirmación es bastante generalizable, para cada caso concreto se deberá tener un conocimiento de los aditivos utilizados en el aceite así como el tratamiento al que se ha sometido el agua de refrigeración. En los motores de uso en buques marinos se va más lejos y en caso de que exista presencia de agua se intenta determinar la procedencia de la misma, teniendo en cuenta que resulta bastante normal utilizar el agua de mar como elemento refrigerante del agua del circuito de refrigeración, así tenemos un circuito primario de agua dulce o tratada que es la que se encarga de refrigerar al motor y un circuito secundario de agua de mar, tomada directamente del mismo, y que se encarga de refrigerar el agua dulce del circuito primario. Determinar si la contaminación por


201

agua presente en el aceite es debido a agua tratada o debido a agua de mar ayudará para localizar más rápidamente las posibles fugas. Para determinar si la presencia de agua en el aceite es de origen salino (de mar) se recurre a la medición de los llamados cloruros. Un contenido elevado de cloruros en presencia de agua es claro indicativo que la contaminación ha sido debida a agua de mar, derivado de la sal (ClNa) que se encuentra en la misma. Existen dos métodos comúnmente empleados para determinar el contenido de cloruros: uno, conocido como la prueba de la bomba provee de un resultado gravimétrico, mientras que el otro, de características volumétricas permite la sintetización del cloro como cloruro de sodio en presencia de nitrato de plata. El método de la bomba se aplica en lubricantes con contenidos de este elemento en rangos de 0,1 al 50% del peso de la muestra. Veamos a continuación como podemos determinar si existe contaminación por agua marina mediante la medida de la presencia de cloro en el aceite. Se utiliza un parámetro de comparación, que tiene en cuenta tanto la presencia de agua en el aceite como la cantidad de Cloro en el mismo. Por una parte tendremos en cuenta si existe una cantidad de cloro significativa, fijada en más de 50 ppm y además si el contenido en agua es igual o superior al 0,1 %. Mediante la siguiente expresión realizamos una comparativa para ver si las proporciones corresponden con las que son representativas en agua salada.

Z=

ppm de Cl ⋅ 100 % agua

Ec. (5.1)

De cara a definir cuales seria los límites que marcarían la presencia o no de contaminación por agua marina se realizó un estudio de cara a obtener las concentraciones típicas de este elemento en agua de mar. Para ello se utilizó la definición de la llamada agua de mar sintética que se recoge en las normas UNE y que marca los componentes típicos de la misma y que se presentan en la tabla 5.6 siguiente: Tabla 5.6. Concentraciones medias de diferentes sales presentes en el agua de mar sintética. Compuesto NaCl MgCl2 x 6 H2O NaSO4 CaCl2

Concentración (g/l) 24.54 11.10 4.09 1,16

202


Compuesto KCl NaHCO3 KBr H3BO3 SrCl2 x 6H2O NaF

Concentración (g/l) 0,69 0,20 0,10 0,03 0,04 0,003

Según los datos presentados en la anterior tabla, se definieron los siguientes valores de evaluación de este parámetro:

Si la relación es menor de 5000 podemos descartar que la presencia del agua sea de origen salino. Valores entre 5000 y 15000 son indicativos de que existe un alto porcentaje de posibilidades de que sea agua de origen salino. Valores superiores a 15000 confirman que se trata de agua de mar.

En los últimos tiempos se ha encontrado un pequeño inconveniente en la utilización de la medida de cloro en el aceite como síntoma indicativo de la contaminación por agua salada, debido a la utilización de compuestos en base cloro para la obtención de aceites de EP, con lo cual podemos tener altos niveles de cloro presentes en el aceite que no provengan del agua de mar y nos confundan a la hora de diagnosticar una posible contaminación por agua de origen salino. Ante esta problemática se intenta utilizar otro parámetro como indicativo de esta contaminación, en concreto, al conocer que la sal es ClNa, y que no podemos evaluar en función de la presencia de cloro, lo planteamos a través de la utilización del sodio como síntoma revelador. Se propone la siguiente evaluación mediante el contenido en sodio siempre que el porcentaje en agua sea mayor o igual al 0,1 % y el contenido en cloro superior a 50 ppm:

Z=

(ppm de Na - C ) ⋅ 100 % de agua

Ec. (5.2)

Los valores del coeficiente C que se restan a la medida de sodio en el numerador son las valores obtenidos mediante un estudio estadístico sobre la concentración normal de sodio en los aceites típicos de los diferentes grupos de motores que consideramos en este tipo de aplicación. Se le restan a la medición de


203

sodio ya que no vendrían de agua de mar sino que son valores típicos que aparecen en los motores que funcionan correctamente. Los grupos de motores considerados son tres con las siguientes características:

Motores de 4 tiempos de potencia inferior a los 2000 kW y con utilización básica de gasoil como combustible. (Grupo A) Motores de 4 tiempos de gran potencia (superior a los 2000 kW) con utilización de gasoil o fuel oil como combustibles. (Grupo B) Motores de 2 tiempos de gran potencia. (Grupo C).

Los valores a considerar en la expresión anterior se presentan en la siguiente tabla: Tabla 5.7. Coeficientes a utilizar en la expresión del cálculo de Z en la contaminación por agua de mar en motores de buques. Tipo de motor

Grupo A

Grupo B

Grupo C (*)

Coeficiente

10

20

10

(*)

Para el caso de motores con utilización de fuel oil y que pueda existir una importante contaminación del aceite con sodio procedente del propio combustible, habrá que tener un especial cuidado en la utilización de esta expresión y requerirá de una revisión del historial de ese motor en concreto. Al igual que en el caso anterior se definen los valores que marcarán o no la procedencia del agua, así tenemos:

Si la relación es menor de 2500 podemos descartar que la presencia del agua sea de origen salino. Valores entre 2500 y 7500 son indicativos de que existe un alto porcentaje de posibilidades de que sea agua de origen salino Valores superiores a 7500 confirman que se trata de agua de mar.

En este caso los valores límites corresponden a la mitad de los definidos anteriormente atendiendo a que la relación másica presente típicamente en agua marina entre estos dos elementos es de 1 a 2.

204


5.4. Dilución La contaminación por combustible en un aceite de motor es lo que se conoce como dilución por combustible y puede provenir de diferentes causas tales como: • • • • •

Inyectores defectuosos: goteo, mala regulación, problemas con sellos. Bomba de combustible goteando o defectuosa Líneas de combustible con fugas Fuga de gases por excesiva marcha en vacío o debido a segmentos o camisas dañados. Periodos de uso de aceite demasiado extendidos

Existen diversas pruebas a realizar para la comprobación de la existencia de dilución por combustible en el aceite, dentro de ellas podemos diferenciar entre las medidas directas, tales como la cromatografía de gases (ASTM D-3524), que separa los diferentes compuestos presentes en la muestra en función de su punto de inflamación y que su precisión puede llegar al 0,1 % o la medida mediante el uso de la espectrometría infrarroja (FTIR). Como medidas indirectas tenemos la medición del punto de inflamación o la medición de la viscosidad, ambos parámetros son afectados por la presencia de combustible en el aceite, aunque pueden verse modificados en sentido contrario por otras causas, de tal forma que pueden no ser suficientes para detectar esta presencia de combustible. Como equipo portátil podemos citar el llamado “Fuel Sniffer”, desarrollado originalmente por la U.S. Navy para su programa de monitorizado de aceites en buques y que actualmente es utilizado también como equipo de laboratorio.

Figura 5.19. Equipo para la medición del contenido de combustible en el aceite (Fuel sniffer)


205

Los efectos derivados de esta contaminación son los siguientes:

Pérdida de viscosidad, debido a la mezcla de un compuesto de menor viscosidad (el combustible) con el aceite. Dicha pérdida de viscosidad puede llevar a la pérdida de la película lubricante en determinadas condiciones, sobre todo en aquellas más problemáticas donde tengamos altas temperaturas y cargas importantes. A continuación se muestran unas imágenes donde se aprecia el efecto de la pérdida de la capa de lubricación debido a la pérdida de viscosidad asociada a un problema de dilución.

Figura 5.20. Desgaste generalizado en cojinete debido a insuficiente espesor de película lubricante como resultado de presencia de dilución.

Figura 5.21. Desgastes en cojinete de bancada, eliminación de la capa de plomo superficial en motor de uso ferroviario debido a la contaminación del aceite por dilución.

Dilución de aditivos, debido al descenso de la concentración de los mismos, igual masa en mayor cantidad de solvente, considerando que ahora tenemos mas cantidad de hidrocarburo. Uno de los ejemplos más

206


claros de este problema lo hemos comentado anteriormente al hacer referencia al TBN, en los resultados analíticos de motores en servicio estudiados se ha comprobado que un porcentaje muy elevado de casos la pérdida excesiva de TBN en el aceite se debía fundamentalmente a la presencia de dilución y no por consumo de la reserva básica.

Descenso del punto de inflamación. Originalmente el punto de inflamación fue desarrollado como un test con el propósito de determinar el riesgo de incendio de combustibles y lubricantes al ser almacenados o transportados. Combinado con otros ensayos como viscosidad, índice de viscosidad y gravedad específica, el punto de inflamación puede revelar la calidad de petróleo del cual proviene el lubricante o la calidad del proceso de refino, puede permitir la identificación del tipo de corte (amplio o estrecho) empleado en el aceite base o si existe una mezcla de dos fracciones (dos aceites base de diferente viscosidad mezclados). Por último, el punto de inflamación puede ser indicativo sobre la volatilidad y contenido de compuestos volátiles en el aceite. Aunque existen métodos mas precisos para determinar la dilución por combustible (como la cromatografía de gases) el punto de inflamación suele utilizarse como prueba pasa / no pasa para la mayoría de aplicaciones del análisis de aceite. Debido al bajo punto de inflamación de la mayoría de combustibles (gasoil clase A ≈ 60 ºC), un súbito descenso en la temperatura del punto de inflamación en un aceite de motor suele ser indicativo de la presencia de dilución, aunque en determinados casos no resulta fácil determinarla. En los motores con utilización de combustibles pesados puede existir solapamiento entre las fracciones ligeras (corte final) de algunos lubricantes con las fracciones más pesadas del combustible, y la presencia de dilución puede ser menos apreciable [Fitch, J. 2000]. Esto es particularmente cierto cuando toda la dilución procede por causa del blow by. En este caso solo las fracciones más pesadas del combustible pasan al aceite. Sin embargo en una fuga de combustible, incluyendo el goteo de inyectores, el paso es total o al menos gran cantidad de fracciones más ligeras del combustible se mezclan directamente con el aceite. Otro factor a tener en cuenta es que debido a las temperaturas usuales en el cárter, estas resultan suficientes para permitir la evaporación de las fracciones mas ligeras del combustible, permaneciendo en el aceite las fracciones menos volátiles y más viscosas siendo en algunos casos no detectables mediante el ensayo de punto de inflamación. De cara a un óptimo aprovechamiento de este tipo de ensayo se requieren de curvas específicas de calibración, punto de inflamación – dilución, teniendo en cuenta el tipo de test empleado (copa abierta o cerrada), la marca y/o grado del aceite y tipo de combustible. En determinados casos,


207

sobre todo de cara a la seguridad del almacenamiento del aceite en el cárter el descenso del punto de inflamación debe ser muy tenido en cuenta. Normalmente los lubricantes nuevos rondan los 220 – 240 ºC de punto de inflamación, en función del tipo y de la aplicación, aunque de todos modos superan con amplio margen los requerimientos de trabajo sin riesgos de inflamación dado que las temperaturas normales de trabajo en cojinetes y reductores pueden oscilar entre los 80 y 100 ºC. A todos los efectos se considera que un aceite usado no presenta riesgos de inflamación mientras su punto de inflamación no sea inferior a 180 ºC, quedando descartados los riesgos de explosión en el cárter [Morán, R.; 1997].

Prematura oxidación del aceite, pérdida de nivel de dispersancia y protección antidesgaste.

Incremento de azufre en el aceite (riesgo de corrosión), si el combustible tiene una concentración de azufre considerable.

Pasaremos a ver resultados analíticos reales de cómo afecta la presencia de dilución en el aceite a su propiedad de viscosidad. 20

10

16

8

Dilución (%)

Dilución (%)

12

8

6

4

4

0

2 0

4

8


12

16

Figura 5.22. Variación de la viscosidad frente a la dilución en aceites SAE 15W-40

4

6

8


10

12

Figura 5.23. Variación de la viscosidad frente a la dilución en aceites SAE 30

En la anterior figura 5.22 puede verse que en determinados casos hay mayor tendencia a la pérdida de viscosidad con igual nivel de dilución, fenómeno que puede explicarse debido al cizallamiento de los mejoradores del índice de viscosidad. En la figura de la derecha 5.23 nos encontramos un poco con el

208


fenómeno contrario que puede explicarse a la coincidencia simultáneamente de presencia de dilución junto con un excesivo espesamiento del aceite. De ahí que la presencia de dilución no puede determinarse únicamente por la medida de viscosidad ya que en determinadas situaciones los efectos causados presentan reacciones antagónicas que tienden a compensarse. A continuación se presenta un ejemplo de la obtención de las curvas de calibración para un aceite concreto según los dos métodos de realización, el de copa abierta y el de copa cerrada, así como la calibración para el equipo Setaflash para diferentes tipos de aceite. Con respecto a esto último hay que comentar que para la realización de esta calibración se prepara el aceite y el combustible para que reproduzcan las condiciones de forma similar a su situación real sometiéndoles antes de la mezcla a un proceso de simulación de envejecimiento mediante calentamiento. 240 SAE 40 SAE 15W-40 SAE 30

Cleveland Open Cup 200

Punto de inflamación (ºC)

Temperatura (ºC) del punto de inflamación

240

160

200

160

120

Pensky Martens Closed Cup 120

80

0

0

4

8

Dilución (%)

12

Figura 5.24. Curvas de calibración para los ensayos del Flash Point

5

10

15

Dilución (%)

20

25

Figura 5.25. Calibración con diferentes tipos de aceite para la medida con el equipo Setaflash

Podemos ver a continuación una gráfica sobre la base de resultados analíticos reales en aceites en motores marinos, presentando la relación entre el descenso del punto de inflamación y la cantidad de dilución presente en el aceite. Los valores del punto de inflamación parten desde 180 ºC, límite considerado para pasar a medir el contenido de dilución. Como era de esperar se observa una clara tendencia a la disminución del punto de inflamación con el aumento del contenido de combustible presente en el aceite. En todos los casos presentes en la grafica la situación en la que se encuentra el aceite es muy crítica, por una parte debido al


209

potencial peligro que representa tener el punto de inflamación tan bajo y que podría dar lugar en el peor de los casos a un incendio y por otro lado los niveles que se alcanzan de dilución van a afectar de forma muy directa a la viscosidad del aceite pudiendo darse el caso de perder la película lubricante en las zonas mas comprometidas de lubricación.

Dilución por combustible (%)

30

20

10

0 100

120

140

Punto de inflamación ºC

160

180

Figura 5.26. Evolución del punto de inflamación en aceite contaminados por combustible Por último, comentar que los problemas de dilución en el aceite de motores representan en el trabajo diario de análisis de aceite un porcentaje de casuística muy bajo, tal como presenta diferentes autores [Macian, V.; 2000] [Evans, J.; 1998]. Estaríamos hablando de alrededor del 1% de las muestras con esta problemática. El aumento de la fiabilidad de los modernos sistemas de inyección hace pensar que posiblemente la tendencia de esta problemática sea a mantenerse en estos niveles o a disminuir.

5.5. Insolubles y materia carbonosa. El conocimiento del contenido en insolubles de un aceite y su composición es siempre interesante, ya que dicho contenido está directamente relacionado con la propia degradación del aceite, con la eficacia de los filtros, con el desgaste del

210


sistema lubricado y en los casos de utilización de aceites detergentes, con el grado de saturación frente al contenido de materia carbonosa producida en la combustión. Las materias insolubles presentes en el aceite usado según el procedimiento ASTM D-893 nos indica que utilizando tolueno como disolvente nos podremos encontrar con: materia carbonosa, contaminantes inorgánicos y material de desgaste, representando por tanto, básicamente material extraño que ha entrado en el aceite. Los insolubles en pentano incluyen además resinas y material orgánico proveniente de la propia oxidación y polimerización del aceite. La diferencia entre las medidas es indicativa de la degradación del aceite y el nivel de precursores de depósitos presentes en el mismo. De todos estos contaminantes que se reflejan en el contenido en insolubles, en los motores Diesel, el más importante sin lugar a dudas es la materia carbonosa. La materia carbonosa consta en un 98% de carbono en peso, se forma durante el proceso de combustión y entra al cárter de aceite con el blow-by de los gases de la combustión. Las partículas de materia carbonosa tienen una forma aproximadamente esférica y un tamaño dentro del rango entre 0,01 y 0,05 µm aunque tienen tendencia a aglomerarse formando partículas de mayor tamaño. Las causas de la aparición de un nivel importante de materia carbonosa y los efectos que podemos tener debido a esta excesiva contaminación por materia carbonosa son presentados en la siguiente tabla 5.8. Tabla 5.8. Causas y efectos de la contaminación por materia carbonosa CAUSAS

EFECTOS

Cambio de aceite muy extendido

Pérdida de dispersancia

Blow-by elevado

Formación de lodos

Baja compresión

Pérdida de protección anti-desgaste

Alta relación de combustible / aire

Depósitos y bloqueo de venas de lubricación

Filtro de aire tapado

Taponamiento de filtros

Variación y excesiva marcha en vacío Un procedimiento típico para la valoración de la materia carbonosa es el equipo llamado fotómetro del IFP (Institute Française du Petrole), el cual se basa en la comparación de la opacidad de una cubeta de 5 mm de espesor llena con una


211

solución de dos gotas de aceite usado y 15 cm3 de benceno, con una serie de filtros Wratten de opacidad conocida. Los filtros están graduados directamente en porcentaje de materia carbonosa, escalonados en pasos de 0,2% y montados en un disco móvil que se hace girar hasta lograr la igualdad de colorido y opacidad con la muestra. El error máximo que se comete con este instrumento es del orden del 0,2%, que es considerado como una buena precisión en la práctica del diagnóstico. Este método, debido a su operatividad, resulta a estas alturas algo anticuado y salvo como método de taller no suele emplearse. Los modernos laboratorios de análisis emplean otros tipos de ensayos mas sofisticados y rápidos pero, se siguen empleando como unidades de valoración las del método del IFP, básicamente debido a que los usuarios últimos de los análisis están acostumbrados a esta medida.

Figura 5.27. Fotómetro IFP para la medición de la materia carbonosa en aceites usado (cortesía de RENFE). La medida analítica de la materia carbonosa empleada en nuestro caso es a partir de la opacidad de la mancha empleando el equipo presentado anteriormente, fotómetro automático. La medida obtenida directamente es la opacidad de la mancha que es traducida mediante una correlación desarrollada en el propio

212


Laboratorio a unidades de concentración de materia carbonosa según el método IFP. La correlación usada es la siguiente [Macián, V.; 2001]:

Materia carbonosa (% IFP) =

146.0052 − 0.60688 Opacidad

Ec. (5.3)

Por esta razón, la relación existente entre la materia carbonosa y los insolubles es muy concordante debido a los métodos de medida empleados en este caso, tal como se puede apreciar en el gráfico 5.28. La materia carbonosa se obtiene como medida de la opacidad de la mancha y es convertida a unidades IFP, mientras que la medida de insolubles tal como comentamos al hacer referencia al equipo denominado fotómetro es el nivel de contaminación (IC) relacionado directamente con la opacidad de la mancha. 140

Materia carbonosa (opacímetro)

120

100

80

60 0.4

0.6

0.8

1 Insolubles (%)

1.2

1.4

1.6

Figura 5.28. Relación entre las medidas de insolubles y opacidad de la muestra (materia carbonosa). Por todo lo comentado anteriormente, los resultados analíticos manejados por nosotros son prácticamente la medida de materia carbonosa y no de insolubles totales tal y como se entendería según el método ASTM D-893. En principio parece que de esta manera estamos perdiendo cierta información relativa a contaminantes y degradación del aceite, pero también debemos considerar que en


213

motores Diesel el principal contaminante va a ser la materia carbonosa y la degradación del aceite la vamos a poder cuantificar mediante la utilización de otros medios. El aumento de la concentración de la materia carbonosa en el aceite produce diversos problemas, tal y como se han mencionado en la tabla anterior 5.8. Uno de los mas importantes efectos se refiere a la pérdida de capacidad dispersante del aceite. Las partículas de materia carbonosa se atraen entre ellas, debido a las fuerzas de Van der Waals, aglomerándose y formando partículas de mayor tamaño las cuales pueden suponer un serio riesgo para el sistema. El mismo tipo de fuerzas puede causar que la materia carbonosa se deposite sobre las superficies lubricadas. La finalidad de los aditivos dispersantes es la de mantener las partículas de materia carbonosa finamente divididas y fuera de las superficies lubricadas. El mecanismo de actuación de estos aditivos es envolver la partícula de materia carbonosa mediante una capa. La parte polar de la molécula del dispersante se aferra sobre la partícula de materia carbonosa, dirigiendo la cola del aditivo hacia fuera para que pueda disolverse mejor en el aceite. Mediante esta actuación, rodeando la molécula y disolviendo la cola en el aceite, el aditivo dispersante mantiene en suspensión las partículas de materia carbonosa evitando de esta manera la aglomeración de partículas entre ellas o su deposición sobre las superficies lubricadas. Evidentemente a mayor presencia de materia carbonosa se produce un consumo de los aditivos dispersantes llegando al momento donde estos se agotan. Según [Caines, A.; 1996] mediante el monitorizado de la materia carbonosa podemos obtener su evolución y determinar el momento en el que se produce un brusco descenso del nivel de la misma, indicativo de la coagulación de la misma por llevar el aceite una cantidad que no es capaz de mantener en dispersión, siendo este nivel de contenido el límite condenatorio a utilizar en un sistema de seguimiento del aceite. El contenido de materia insoluble en el aceite está evidentemente muy relacionado con el periodo de uso del mismo, por lo que se puede observar una relación directa entre el periodo de uso y la concentración de materia insoluble en el aceite. En la siguiente figura 5.29, se puede observar lo comentado anteriormente.

214


Insolubles (%)

1.6

1.2

0.8

0.4

0 0

100


300

400

Figura 5.29. Evolución contenido de insolubles con periodo de uso del aceite Así mismo se puede observar la evolución del contenido de los insolubles asociado al periodo de uso del motor. 1.6

Insolubles (%)

1.2

0.8

0.4

0 12000

16000

20000 Horas de uso del motor

24000

28000

Figura 5.30. Evolución del contenido de insolubles con el uso del motor


215

Como parece lógico pensar el propio envejecimiento del motor va a conducir a que determinados factores que afectan a la tasa de generación de materia carbonosa o insolubles aumente, así podemos tener mayores holguras en la zona de segmentos pistón y camisa, perdida de eficiencia en filtros, etc. todo ello puede verse reflejado en valores crecientes de contenido de la misma. En el ejemplo de la figura 5.30 se ve el aumento del contenido de insolubles comparado frente a la edad del motor, sobre muestras tomadas siempre a las 300 horas de uso del aceite

5.5.1. Influencia de la materia carbonosa sobre la lubricación. Muchos autores han estudiado el impacto de la materia carbonosa en la contaminación de los lubricantes. Sin excepción alguna, las conclusiones obtenidas son que la presencia de materia carbonosa afecta a:

Un aumento de la viscosidad. Un incremento en la tasa de desgaste Mayor formación de barros (sludge). Un aumento de la presión diferencial del filtro o incluso su taponamiento.

Pasemos a comprobar cada uno de estos problemas que se nos presentan. Si la materia carbonosa no es adecuadamente dispersada causará un aumento de la viscosidad del aceite medida bajo condiciones de bajo esfuerzo cortante, tal como se mide con los viscosímetros cinemáticos capilares. El inusual espesamiento del aceite que se produce por la materia carbonosa se cree que es debido a la aglomeración de las partículas de materia carbonosa en el aceite. La aglomeración de la materia carbonosa forma una red débil de gran volumen efectivo donde queda englobado el aceite. De hecho, datos expuestos en estudios del fabricante de motores Mack llegan a afirmar que un 5,5% de materia carbonosa llega a producir un aumento del 10% de la viscosidad [McGeehan, J. A.; 2000]. Para prevenir estas aglomeraciones y el consecuente aumento de la viscosidad, la materia carbonosa debe ser adecuadamente dispersada. Esto se consigue por medio del uso de dispersantes sin cenizas, dispersantes, mejoradores del índice de viscosidad y aceites base con contenidos en saturados muy altos (mas del 90%). Posteriormente, la oxidación del aceite debe ser minimizada mediante el uso de antioxidantes tales como los ZDDP y otros inhibidores y con aceites altamente saturados que presentan mejores características antioxidantes.

216


Sobre datos analíticos recogidos por nosotros se observa, en la figura 5.31, también el fenómeno anteriormente comentado. En este caso sobre un determinado vehículo, se observa la variación experimentada por la viscosidad a 100 ºC frente al contenido de materia carbonosa presente en el aceite. 1.4

Materia carbonosa (% IFP)

1.2

1

0.8

0.6

0.4 12

13

Viscosidad @ 100ºC

14

15

Figura 5.31. Influencia de la materia carbonosa sobre la viscosidad. Ejemplo sobre un aceite SAE 15W-40. Sobre los fenómenos de desgaste que se observan en los elementos del motor ante la contaminación excesiva por materia carbonosa podemos presentar los siguientes resultados. En recientes experimentos utilizando la técnica SLA (Surface Layer Activation), se utilizan alternativamente aceite usado con un contenido de materia carbonosa de alrededor del 2% y aceite nuevo en un motor Mack T-9. La tasa de desgaste medida para el aceite pre-contaminado fue significativamente más alta que la obtenida con el aceite nuevo. La figura 5.32 muestra este comportamiento como diferencia de las pendientes de las correspondientes curvas de tasa de desgaste. La tasa de desgaste obtenida con el aceite contaminado es entre un 10 a un 20% superior a la tasa obtenida con el aceite nuevo. [Van Dam, W.; 2000]. Para ver el efecto de una mayor concentración de materia carbonosa en el aceite y su efecto sobre la tasa de desgaste en el motor, se han realizado experimentos en busca de estos con aceites contaminados a diferentes proporciones de materia carbonosa (2, 4 y 8%) y comparados con aceites no contaminados. Los


217

resultados obtenidos se presentan en la figura 5.33, donde puede observarse un crecimiento aproximadamente lineal hasta el 4% de contaminación para posteriormente mostrar un descenso en la tasa de desgaste para concentraciones superiores. No está totalmente claro el porqué de este descenso en la tasa de desgaste a concentraciones altas de materia carbonosa; una posible explicación es que durante los primeros momentos la aglomeración de partículas de materia carbonosa crece, así como su abrasividad, mientras que, a partir de una cierta cantidad, los esfuerzos cortantes que soporta el aceite impiden una mayor aglomeración de partículas y un aumento en su abrasividad. 250

0.2

0.16

Sooted oil 150

Unsooted oil 100

Sooted oil

Desgaste medio en camisa (µm/h)

Desgaste en camisa (µpulgadas)

200

0.12

0.08

0.04

50

Unsooted oil

0 0

0 0

40

80

120

2

4

Materia carbonosa (%)

6

8

160

Tiempo (h)

Figura 5.32. Efecto de la materia carbonosa en el desgaste de la camisa en el ensayo Mack T-9.

Figura 5.33. Desgaste de la camisa frente a contenido de materia carbonosa en el ensayo Mack T-9.

Relacionado con esto podemos ver que sobre los datos obtenidos en motores en servicio recogidos por nosotros, también se sigue la tendencia presentada anteriormente y así tenemos la figura presentada a continuación, 5.34. El crecimiento de la concentración de metal (hierro en este caso) sigue una relación lineal muy acusada con el crecimiento de la materia carbonosa presente en el aceite, tal y como se ha visto en los ensayos anteriores. Por tanto podemos confirmar que el comportamiento en uso se ajusta a los comportamientos observados en ensayos controlados.

218


Contenido Hierro (ppm)

30

20

10

0 0

0.4

0.8 1.2 Materia carbonosa (% IFP)

1.6

2

Figura 5.34. Relación entre el contenido en materia carbonosa y la concentración de hierro medida al cambio de aceite.

5.5.2. Tendencias futuras en la presencia de materia carbonosa Las limitaciones impuestas por diferentes organismos internacionales para la reducción de las emisiones contaminantes de los motores de combustión interna y sobre todo, de cara a la reducción del contenido de NOx en las emisiones de estos motores, se ve traducido en un considerable aumento de los niveles de materia carbonosa (soot) en el aceite usado. Existen diversas razones para este incremento como consecuencia de las soluciones tecnológicas empleadas para la consecución de menores emisiones de NOx:

El retraso en la inyección conduce a valores pico menores en la temperatura de combustión y reduce la formación de NOx por medio del desplazamiento de la combustión hacia la carrera de expansión. Pero al mismo tiempo esta situación hace que exista una mayor exposición de la camisa a la materia carbonosa. Este aumento en el uso del retraso de la


219

inyección es el factor principal en el aumento de los niveles de materia carbonosa. La utilización de segmentos de fuego colocados en zonas superiores del pistón para reducir las emisiones de partículas en los transitorios, que reducen el volumen situado entre el segmento de fuego, el pistón y la camisa. Esta situación produce que mayor cantidad de aceite sea rascada de la parte superior de la camisa y por tanto se produzca un mayor transporte de materia carbonosa hacia el cárter de aceite. El menor consumo de aceite reduce la fracción orgánica soluble (SOF) en el escape, pero también conduce a un menor relleno de aceite fresco en el cárter, con lo cual el contenido de materia carbonosa en el aceite tiende a ser superior. Las mayores potencias de los motores vienen derivadas de periodos de inyección mas largos, los cuales generan mayor cantidad de materia carbonosa en el aceite Por último, la tendencia creciente al aumento de los periodos de cambio del aceite va a conducir igualmente a mayores niveles de materia carbonosa en el aceite.

En vista de todo esto, los niveles mayores de materia carbonosa en el aceite son un resultado inevitable de la nueva legislación de reducción de contaminantes y las exigencias por parte de los usuarios de menores solicitudes de mantenimiento en los motores. Los problemas que se pueden presentar en caso de que esta materia carbonosa no sea adecuadamente dispersada son: formación de barros, taponamiento de filtros, fallo de cojinetes y desgaste en diferentes áreas. Un estudio realizado por [Mc Geehan, J. A.; 2000] llega a ofrecer las siguientes conclusiones en este aspecto:

La parte más vulnerable del motor es el árbol de levas que posee componentes operando bajo condiciones de lubricación límite. La clave para mantener un bajo nivel de desgaste en el árbol de levas en un motor Diesel es la correcta selección de los aditivos ZDDP (ditiofosfatos de Zinc), detergentes, dispersantes y mejoradores del índice de viscosidad (VI), tanto en tipo como en cantidad. El fósforo (P) azufre (S) y Zinc (Zn) del ZnDTP deben adsorber, reaccionar y mantenerse como una película protectora sobre las superficies potenciales de desgaste y no ser eliminados por la materia carbonosa. La dispersancia de la materia carbonosa es crítica para la vida de los filtros, el control de la viscosidad, la formación de barros y el mantenimiento del nivel de bombeabilidad del aceite. Todos ellos son

220


muy dependientes de los dispersantes sin cenizas, el mejorador del índice de viscosidad (VI) y el tipo de aceite base empleado. Consecuentemente, la formulación del aceite es clave para la durabilidad del motor en los motores con diseños en busca de baja emisión. Con relación a esto, ASTM propuso una nueva categoría de aceites para motor que denominó PC9 (Proposed Category 9) y que ha estado bajo desarrollo durante los últimos años. Esta nueva categoría representa una mejora significativa en la calidad de aceites para motor y es requerida para los motores Diesel equipados con recirculación de gases de escape (EGR). Estos nuevos motores entraron en el mercado Norteamericano a mediados del año 2002. Se reconoce que los motores equipados con EGR requieren de aceites mejores que los anteriormente disponibles de calidad API CH-4, sobre todo frente al comportamiento sobre la materia carbonosa (soot), la protección frente a la corrosión de plomo y cobre y el control de la oxidación. Hay tres nuevos test sobre motores y un nuevo test en banco propuestos para la PC-9. Estos son: Cummins M-11 test de alto nivel de materia carbonosa (300 horas), el Mack T-10 y el Caterpillar 1Q.

El test M-11 es la versión ampliada (300 horas) del actual test de 200 horas. Se usará para medir la capacidad del aceite para proteger diferentes zonas del motor en lubricación límite, particularmente el tren de válvulas, bajo condiciones de alto nivel de materia carbonosa en el aceite. El test combina fases de 50 horas de generación de materia carbonosa junto con fases de 50 horas de desgaste. La tasa de EGR durante la fase de generación de materia carbonosa esta entre un 14 % a 15% y debe estar entre 8,5% y 9,5% durante la fase de desgaste. El ensayo T-10 permite la medición de diversas características de comportamiento del aceite. Se evalúa el desgaste en segmentos y camisa, la corrosión sobre cojinetes de plomo y el nivel de oxidación del aceite a alta temperatura. El motor T-10 es un Mack E7 V-Mack II equipado con EGR. Aún siendo un test de 300 horas, mas corto que el T-9 (500) resulta mas severo debido a la utilización del EGR. El ensayo Caterpillar 1Q es un ensayo sobre motor monocilíndrico Caterpillar. Con un tiempo de ensayo de 200 horas es más largo que el actual Caterpillar 1P y está enfocado a evaluar la capacidad del aceite de protección frente a los depósitos de alta temperatura en pistón.

Además, otros tipos de ensayos han sido propuestos para asegurar el comportamiento de esta nueva clasificación de aceites:


221

Compatibilidad con elastómeros usando cuatro diferentes materiales: nitrilos, poliacrilatos, siliconas y fluorelástomeros, evaluando parámetros como cambio de volumen, dureza, elongación, etc. Requerimientos de viscosidad a baja temperatura en aceites usados, de cara a comprobar el comportamiento de bombeabilidad cuando el aceite está contaminado tras un periodo determinado de uso. Comportamiento en cuanto a volatilidad y otros.

El impacto del EGR en una potencial reducción de los actuales periodos de cambio de aceite recomendados se desconoce actualmente. La EMA (Engine Manufacturers Association de EEUU) ha indicado que sus clientes esperan que los periodos de cambio se mantengan o aumenten frente a los actualmente utilizados para motores sin EGR. Tabla 5.9. Tabla resumen de las pruebas requeridas para los PC-9. Características Depósitos en pistón (Al/Fe) y consumo de aceite Desgaste en camisa y segmentos, corrosión de cojinetes Desgaste en tren de válvulas. Desgaste en vástago y guía de válvulas Depósitos en pistón (Al) y consumo de aceite Oxidación Soot y control de viscosidad Desgaste de tren de válvulas (pin wear) Aeroemulsión Compatibilidad de elastómeros Viscosidad Corrosión Estabilidad al cortante Volatilidad Formación de espumas

Test propuesto Caterpillar 1Q (EGR) Mack T-10 (EGR) Cummins M-11 (EGR) Caterpillar 1K o 1N Mack T-10 / secuencia IIIF Mack T-8E Roller Follower Wear Test Navistar 7.3L Banco de pruebas SAE J300 en banco de pruebas Actual HTCBT (High Temperature Corrosion Bench Test) ASTM D-6278 ASTM D-5800 Noack ASTM D-892

Esta nueva categoría PC-9 fue finalmente aprobada y standarizada según la designación API CI-4. Finalmente hay que comentar tras todo lo expuesto anteriormente que de cara a una correcta evaluación del contenido de materia carbonosa en el aceite hay

222


que tener muy en cuenta las características del motor en el que se ha tomado la muestra, así como las condiciones de la misma, básicamente el periodo de uso y el tipo de aceite. Es por ello que en algunos sistemas estudiados existe diferenciación en cuanto al límite aplicable al contenido de materia carbonosa diferenciando si se trata de aceites usados en motores de aspiración natural o sobrealimentados. Actualmente la imposición de motores sobrealimentados es prácticamente total y habría que diferenciar entre motores con tecnología actual y motores con utilización de EGR y diseños que afectan a la mayor generación de la misma.

5.6. Otros contaminantes Existen otros contaminantes que pueden aparecer en el aceite y que han de ser tenidos en cuenta por dos razones fundamentales que son el propio efecto que los mismos pueden causar, tanto sobre el aceite como sobre el sistema lubricado y por otro lado la información que nos puede proporcionar en orden a conocer su origen y evitar su futura presencia. En este punto vamos a considerar dos contaminantes a tener en cuenta, por un lado la contaminación por glicol y por otro la contaminación por elementos presentes en el combustible, fundamentalmente asociados a combustibles pesados o residuales utilizados en grandes motores Diesel.

5.6.1. Contaminación por glicol La contaminación por glicol o anticongelante en un aceite de motor reporta una serie de efectos adversos sobre el aceite, tales como: el espesamiento del mismo, la mayor tendencia a la formación de emulsiones y geles, la formación de ácidos, restricciones en el flujo de aceite, fallo de filtros y una pobre lubricación. La aparición de este tipo de contaminante en el aceite puede deberse a diferentes causa que luego mencionaremos. El glicol, principal ingrediente en el anticongelante, es mezclado típicamente con agua en proporción 50/50 para formar un líquido “refrigerante" que permita una buena transmisión de calor, aumento de la temperatura de ebullición (107°C) y disminuya la temperatura de congelación (-35°C). Si además utilizamos aditivos en la formulación, el refrigerante puede proteger de forma efectiva contra la corrosión y la cavitación. Tanto el etilenglicol como el propilenglicol son utilizados en la formulación de refrigerantes. Aún siendo el propilenglicol un fluido que puede proporcionar mayor seguridad en su uso, es mas


223

utilizado el etilenglicol debido a sus mejores propiedades de cara a la transmisión de calor. Las formulaciones anti - congelantes utilizadas en los refrigerantes utilizan un amplio abanico de sustancias desde órgano metálicas a aditivos orgánicos. Estos elementos son utilizados para proteger las superficies metálicas del sistema de refrigeración de la corrosión y la cavitación, prevenir la formación de espumas y mantener el pH. Ejemplo típicos de aditivos comunes son: fosfatos, borato sódico, silicato sódico, nitrato sódico y carboxilatos. Estos aditivos, evidentemente contribuirán a aumentar la concentración elemental de sodio, boro, potasio, silicio y fósforo en el refrigerante. Estas concentraciones de aditivos deben servir como marcadores o trazadores de cara a identificar la presencia de una contaminación por glicol en el aceite lubricante. El paquete de aditivos utilizado en la formulación del anticongelante puede variar de forma muy considerable en función del fabricante del equipo o del suministrador de los aditivos. Existen además marcadas diferencias geográficas en la química de los aditivos del refrigerante, fuertemente influenciada por regulaciones medio ambientales o por la calidad del agua. Así, en Japón, no se utilizan silicatos y si gran cantidad de fosfatos, mientras en Europa no se utilizan los silicatos, benzoatos, nitritos y nitratos. Los posibles caminos de contaminación del aceite lubricante por glicol son numerosos, así podremos encontrarnos contaminaciones debidas a: sellos defectuosos o deteriorados, camisas agrietadas por corrosión o por cavitación, por erosión electroquímica, etc. De hecho, un importante fabricante de motores Diesel ha estimado que el 53% de todos los fallos catastróficos de motor son debidos a fugas del refrigerante [Fitch, J. 2001]. Para muchos motores Diesel y de gas, el riesgo más grave de contaminación ocurre durante el tiempo en el que el motor no está en operación. En estos momentos, la refrigeración del motor en fase intermitente puede llevar a fugas internas asociadas con el arrastre térmico, tal y como se puede presentar en la culata donde existe la posibilidad de recesión o movimiento de la junta de sellado. Las mayores presiones hidrostáticas del refrigerante con relación al sistema de lubricación aumentan el riesgo de contaminación cuando el motor está parado. Otra fuente común de fugas en motores de camisa húmeda está asociada con la perforación químico – mecánica de las camisas debido a la cavitación del vapor. Esto ocurre cuando las camisas vibran de forma violenta (en el lado de carga) al ritmo del movimiento del pistón. Este movimiento causa la rarefacción de ondas de presión que forman regiones con presiones negativas que nuclean las burbujas de vapor (cavitación). En el momento de la combustión, las burbujas de

224


vapor implosionan a la velocidad del sonido causando chorros de fluido y presiones en las superficies del orden de 4000 bares. Estas energías localizadas pueden literalmente realizar pequeños agujeros sobre la capa de óxido protector en la superficie de la camisa, similar a lo que ocurre en la cavitación de bombas hidráulicas. El daño puede posteriormente ser aumentado si existe un ataque químico sobre el metal desnudo en el momento del ataque por la cavitación. Este fenómeno repetitivo puede llevar finalmente a la perforación de la camisa y por tanto a la aparición de una fuga. Determinados aditivos, dentro de lo que se denominan aditivos suplementarios del refrigerante (SCA: suplemental coolant additives), han mostrado un cierto grado de inhibición sobre el progreso de la cavitación por corrosión. Si la capa protectora de óxido sobre la camisa comienza a decaparse por la acción de la energía de cavitación, el aditivo crea una especie de película protectora que actúa como barrera deteniendo el progreso de la acción corrosiva. La concentración de estos aditivos suplementarios es muy importante ya que, si la cantidad está por debajo de la requerida podemos encontrarnos como resultado con un picado acelerado y si existe una presencia en exceso de los mismos puede llevar a una gelificación del refrigerante, corrosión de soldaduras blandas a base plomo u otros problemas relacionados. Evidentemente la óptima detección de la presencia de glicol en el aceite usado se podrá realizar a partir de los ensayos en laboratorio mediante el uso de distintas técnicas como son la Espectrometría Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), la cromatografía de gases o el análisis elemental mediante espectrometría. De todas maneras no será absolutamente necesario realizar estos ensayos de laboratorio para detectar este contaminante y podemos basarnos en métodos de taller para de forma relativamente sencilla determinar la presencia o no del glicol en el aceite lubricante. Así tenemos:

Método del reactivo de Schiff: Este método (ASTM D-2982) es un método basado en la colorimetría para la detección de trazas de glicol en el aceite lubricante. En el mismo, una solución de HCl (ácido clorhídrico) y HIO3 (ácido peryódico) son mezclados con el aceite de cara a oxidar cualquier traza de glicol que pueda estar presente. La reacción produce un aldehido, que reaccionará con el reactivo de Schiff, realizando un cambio de color y


225

pasando de incoloro a un rosa / púrpura, el mayor tono del color es indicativo de la cantidad de glicol presente en el aceite. El ensayo de la mancha. Si una mancha oscura o pardusca queda en el centro después de que el aceite escurra hacia la periferia es indicativo de la perdida de la capacidad dispersante del aceite y de ahí la coagulación de la materia carbonosa, consecuencia común de una contaminación por glicol. Una goma pegajosa negra con una periferia bien definida (borde bien marcado) debe ser indicativo de preocupación. Muy a menudo un anillo de materia carbonosa se convierte en una mancha amarilla o marrón cuando el glicol está presente en el aceite

0 % Glicol

0.5 % Glicol

2 % Glicol

5 % Glicol

10 % Glicol

20 % Glicol

Figura 5.35. Evolución de modelos de la mancha de aceite a partir de un envejecimiento térmico del mismo con diferentes concentraciones de glicol y agua.

226


5.6.2. Contaminantes combustible

procedentes

del

propio

Asociados fundamentalmente a los grandes motores Diesel que utilizan combustibles residuales en su operación normal, surge la pregunta del efecto que estos contaminantes ejercen sobre los aceites. Esta preocupación ha aumentado con la introducción en el mercado de nuevos diseños de motor por parte de ciertos importantes fabricantes, que en busca de una reducción de emisiones contaminantes, en contrapartida se realiza una mayor solicitación del aceite lubricante debido a un mayor paso de gases de la combustión hacia el cárter. En este punto se introduce un estudio realizado de forma comparativa sobre este efecto en el lubricante y el sistema lubricado. En primer lugar veamos cuales son los componentes que vamos a encontrar en este tipo de combustibles para a continuación ver que efectos potenciales pueden causar sobre el lubricante y el motor. El vanadio es un contaminante metálico presente en el crudo en forma soluble y, por lo tanto no eliminable por centrifugado. La cantidad de vanadio en un combustible depende fundamentalmente de su procedencia. Los crudos de origen venezolano o mejicano poseen los niveles más altos de este contaminante. Tabla 5.10. Cantidad de vanadio en combustible en función de la procedencia del crudo. Procedencia Densidad Punto de Carbono Azufre Níquel Vanadio (150 ºC) congelación Conradson (% (ppm) (ppm) (% peso) peso) Kuwait ARAMCO Hassi Massaoud Brega Nigeria Bachaquero Tª Juana Madium Barinas

0,949 0,952 0,930

7 13 24

8,5 7,9 4,0

3,8 3,1 0,35

10 10 1

43 28 2

0,924 0,937 0,957 0,943

41 43 -12 -15

5,3 3,7 9,6 9,2

0,41 0,33 2,3 2,0

9 8 48 28

1 3 235 240

0,952

13

10,7

1,7

84

210

El porcentaje en vanadio en un combustible puede ser reducido mediante dilución con destilados que no lo contengan.


227

El sodio es un contaminante que existe en el combustible como un componente natural del crudo, normalmente en concentraciones por debajo de 50 ppm. La contaminación del combustible con agua salada puede aumentar en 100 ppm este nivel por cada 1% de agua presente. La presencia de este sodio adicional puede ser eliminado mediante un proceso correcto de centrifugado. El vanadio actúa como catalizador en las reacciones de azufre, lo que aumenta la corrosión en frío y junto con el sodio son los causantes principales de la corrosión a altas temperaturas. El azufre se encuentra en el crudo en forma de compuestos sulfurados que coexionan con los hidrocarburos más pesados por lo que en su mayor parte van a parar al fuel-oil, donde en general, ni la centrifugación ni los lavados normales conducen a una reducción sensible de su contenido. El desgaste de tipo corrosivo en el cilindro se atribuye a la acción del H2SO4 formado por el contacto con el agua condensada del SO3 procedente de la oxidación del abundante anhídrido sulfuroso (SO2). Por lo tanto, en la práctica deben evitarse en lo posible las circunstancias que permitan la formación de H2SO4, entre las cuales, la más importante es la temperatura, ya que por encima del punto de rocío de los gases no se produce la condensación del agua. Esto explica por qué el azufre tiene efectos más importantes sobre la corrosión en los motores a gran velocidad que en los motores lentos, puesto que a igual refrigeración externa de la camisa, la pared interna, por su mayor espesor, está a mayor temperatura en motores grandes. Del mismo modo las variaciones de potencia, y en general de régimen, tienden a favorecer el efecto corrosivo del azufre, ya que hacen más difícil mantener una temperatura uniforme y correcta del agua de circulación, siendo los periodos de puesta en marcha los más expuestos a la acción del azufre hasta que la temperatura de régimen alcanza los valores normales. A pesar de todo, a las altas presiones reinantes en el cilindro los puntos de rocío son altos y no se puede evitar totalmente la condensación de vapor de agua necesario para el ataque ácido de las superficies metálicas. Además de esta acción directa sobre las paredes metálicas, el azufre es responsable de otros problemas, como la rápida oxidación del lubricante y el endurecimiento del residuo carbonoso, que se combaten muy eficazmente con el empleo de lubricantes de cilindros fuertemente aditivados con compuestos alcalinos. Los aditivos le confieren detergencia de alto nivel, con objeto de mantener libre de depósitos las superficies metálicas. Estos aditivos, además de detergentes y dispersantes, constituyen una reserva básica capaz de neutralizar los ácidos fuertes presentes en los gases de combustión.

228


El sodio junto con el azufre y el hierro producen sulfatos de sodio-hierro que pueden ser la causa de corrosión en caliente de ciertos órganos del motor. Aunque, los mayores problemas de corrosión en caliente se presentan con la pareja sodio-vanadio, sobre todo si la temperatura de fusión de la ceniza cae dentro de la gama de temperaturas del motor (para evitar este problema, el contenido de sodio debe mantenerse por debajo del 30% del contenido de vanadio en los combustibles). El vanadio, durante el proceso de la combustión, forma vanadatos con diversos metales contenidos en el combustible o el lubricante que se quema, los vanadatos de alto punto de fusión van a formar parte de las cenizas abrasivas y los de bajo punto de fusión van a intervenir en la corrosión en caliente debido fundamentalmente a la facilidad para disolver los óxidos de hierro que tienen los vanadatos al pasar por un punto de fusión. La presencia de sulfatos de sodio hace bajar aún más estos puntos de fusión existiendo además otros compuestos de sodio cuyo punto de fusión es aún menor. Lo que nos indica que el sodio es el otro elemento metálico peligroso de la corrosión en caliente producida por los vanadatos de sodio. Un factor importante a tener en cuenta es que la corrosión en caliente producida por los vanadatos de sodio, tiene su máxima capacidad de adherencia a las paredes metálicas calientes si la relación en peso V2O5 / Na2O contenida en ellos se encuentra entre 2 y 4, siendo el máximo aproximadamente 3. Las características de los combustibles residuales para utilización en motores marinos vienen especificadas en la norma: ISO 8217:1996 (E) Petroleum Products – Fuels (Class F) – Specifications of marine fuels. Requirements for marine residual fuels. A continuación presentamos algunos de los requerimientos de los grados más comúnmente utilizados, aunque existen otros 11 grados definidos. Tabla 5.11. Características típicas de algunos de los grados de combustible residuales mas empleados en motores marinos, según ISO 8217:1996 (E) Característica

Método

Límite RME25 RMF25 RMG35 RMH35

Densidad a 15 ºC, Kg/m3 Viscosidad cinemática a 50 ºC (cSt) Flash Point, ºC Residuo carbonoso, % (m/m) Cenizas, % (m/m)

ISO 3675

max.

991

991

991

991

ISO 3104

max.

225

225

390

390

ISO 2719 ISO 10370

min. max.

60 15

60 20

60 18

60 22

ISO 6245

max.

0.1

0.15

0.15

0.2


229

Característica

Método

Límite RME25 RMF25 RMG35 RMH35

Agua, % (V/V) Azufre, % (m/m) Vanadio, mg/kg Aluminio mas silicio, mg/kg Sedimento potencial total, % (m/m)

ISO 3733 ISO 8754 ISO 14579 ISO 10478

max. max. max. max.

1.0 5.0 200 80

1.0 5.0 500 80

1.0 5.0 300 80

1.0 5.0 600 80

ISO 10307-2 max.

0.1

0.1

0.1

0.1

Como podemos observar la normativa no marca ningún tipo de restricción particular sobre el contenido de sodio en el combustible. Visto el posible origen de los contaminantes procedentes del combustible y sus potenciales efectos sobre el motor, vamos a realizar una comparativa de los niveles medios de presencia de estos contaminantes en el aceite en función del tipo de motor, teniendo en cuenta la diferencia existente entre el mayor o menor paso de los gases de la combustión hacia el cárter. Se van a presentar los resultados obtenidos en dos motores concretos, representativos de ambos tipos de diseño, aunque el estudio general se ha realizado sobre un número superior de motores, siendo los resultados aquí presentados representativos del comportamiento global de todos ellos. El motor seleccionado en el estudio y representativo de las nuevas tendencias en el diseño es un Wärtsilä V-46 de 12 cilindros de 11.700 kW de potencia nominal con un volumen de cárter de aceite de 17.000 litros. El motor utilizado como comparativa es un MAN – B&W de 16 cilindros de 9.200 kW de potencia y con un volumen de cárter de 9.000 litros. Como puede apreciarse en las figura siguientes, la figura de la izquierda, 5.41, corresponde con el aceite del motor Wärtsilä, donde se aprecia claramente que el nivel de contaminación del aceite por vanadio alcanza cotas muy superiores a las del motor MAN – B&W representado a la derecha. En ambos casos se representan los valores medidos directamente de dichos contaminantes. No se ha considerado el efecto de dilución sobre los mismos que se produce por los rellenos realizados con aceite nuevo sobre el cárter, que han sido importantes en ambos casos. La presencia de sodio, en el motor MAN - B&W, además del combustible proviene de una contaminación adicional puntual observada en una muestra que no

230


se ha representado. Los descensos observados corresponden al efecto de dilución por añadidos de aceite nuevo comentado anteriormente. 60

200 Vanadio Sodio

Concentraciones (ppm)


160

120

80

40

20

40 Vanadio Sodio 0

0 0

2000

4000

6000

Horas uso del aceite

Figura 5.40. Evolución del vanadio y sodio presente en el aceite. Motor Wärtsilä.

0

1000

2000

Horas uso aceite

3000

4000

Figura 5.41. Evolución del vanadio y sodio presente en el aceite. Motor MAN - B&W

Tomando los datos del motor Wärtsilä, donde la contaminación por vanadio y sodio proviene directamente del combustible utilizado se puede comprobar lo comentado anteriormente referido a la relación de estos contaminantes en el combustible. 80

Sodio (ppm)

60

40

20

y = 0,33 x + 10,09 R2 = 0,842

0 0

40

80

120

Vanadio (ppm)

160

200

Figura 5.42. Correlación del contenido de V y Na en el aceite. Motor Wärtsilä.


231

Tal como se dijo, la relación de los mismos debe de estar en un nivel de sodio por debajo del 30% del contenido en vanadio. Los datos obtenidos en medidas sobre el aceite nos señalan que la proporción entre sodio y vanadio es de 1 a 3, aproximadamente a su proporción en el combustible. En la figura 5.42 se presenta la correlación existente entre ambas medidas Pasemos a continuación a evaluar el posible efecto de estos contaminantes sobre un incremento del desgaste en determinados metales. A continuación se presentan las correlaciones existentes entre el contenido en vanadio y el contenido en hierro, figuras 5.43 y 5.45 y vanadio frente a aluminio, figuras 5.44 y 5.46, presentes en el aceite para ambos motores. 30

10

25 8

Aluminio (ppm)

Hierro (ppm)

20

15

6

10 4

5 2 0

0 0

40

80

120

Vanadio (ppm)

160

40

80

120

Vanadio (ppm)

160

200

200

Figura 5.43. Vanadio vs Hierro motor Wärtsilä.

Figura 5.44. Vanadio vs Aluminio motor Wärtsilä.

En ambos casos las pendientes observadas muestran gran similitud, siendo por tanto el comportamiento muy similar en ambos casos; de esta forma no se puede achacar un aumento de el desgaste en este tipo de metales debido a la mayor contaminación por vanadio y sodio proveniente del combustible. Los valores mas altos obtenidos en el motor Wärtsilä se deben exclusivamente a que se disponen de datos con mayor tiempo de uso del aceite y por tanto su mayor contenido es debido a este periodo de uso superior.

232


20

5

4.5

Aluminio (ppm)

Hierro (ppm)

16

12

4

3.5

8

3

4 0

20

40

60

Vanadio (ppm)

2.5 0

20

Vanadio (ppm)

40

60

Figura 5.45. Vanadio vs Hierro motor Figura 5.46. Vanadio vs Aluminio motor MAN – B&W MAN – B&W Igualmente se ha comprobado si podría existir algún efecto adverso en los metales blandos utilizados típicamente en cojinetes. A continuación se presentan los resultados obtenidos en ambos motores. 4

2.4

Cobre Plomo Estaño

Cobre Plomo Estaño 2



3

2

1

1.6

1.2

0.8

0.4

0 0

2000

Horas uso aceite

4000

Figura 5.47. Contenidos de metales blandos en el motor Wärtsilä.

6000

0

1000

2000

Horas uso aceite

3000

Figura 5.48. Contenido de metales blandos en el motor MAN – B&W.

4000


233

Tal como se puede observar tampoco existen diferencias importantes en las concentraciones medidas de este tipo de metales. Así, tampoco podemos inferir que la mayor contaminación por metales provenientes del combustible afecte al mayor o menor desgaste en los metales blandos del motor.

5.7. Límites de los parámetros contaminación del aceite

de

Al igual que se ha realizado con los parámetros de degradación del aceite, se presenta a continuación en este apartado, una revisión de los valores límites aplicables a los elementos contaminantes presentes en el aceite. Atendiendo a las diferencias que hemos expuesto anteriormente en función de los tipos de motor y aceites utilizados en diferentes aplicaciones diferenciaremos los límites aplicables atendiendo a las mismas. Se ha realizado una revisión de los límites aplicables según diversas fuentes: fabricantes de motores [MTU; 2001], [Jenbacher; 1994], [Waukesha; 2001], [NTS Technical Information], proveedores de lubricantes, otros autores [Thibault, R.; 2000]. En todos los casos tanto los fabricantes como otras fuentes hablan de estos valores que van a ser presentados como valores guía, que pueden ser más o menos aproximados en función del uso real que del motor se realice.

Para los aceites de Automoción podemos encontrar las siguientes propuestas presentadas en la tabla 5.12. Tabla 5.12. Valores límites máximos según diferentes fuentes en motores Diesel de Automoción. FABRICANTES DE MOTORES

Análisis

OTROS

MAN CAT CUMMINS DETROIT MTU MACIAN THIBAULT DIESEL 0,3%

0,25%

0,2%

0,3%

0,2%

0,25%

0,25%

Dilución

5%

5%

5%

2,5%

--

4%

3%

Insolubles

2%

--

--

--

--

1,5%

--

Agua

234


Materia carbonosa

--

--

--

--

2,5%

1,2% / 3%

3%

Glicol

--

0,1%

0,1%

0,1%

0,1%

--

Positivo

Silicio

--

10 ppm

15 ppm

--

15 ppm

Evaluación por Tendencias

20 ppm

Podemos realizar ciertos comentarios a partir de los valores expuestos anteriormente:

Los límites definidos para el contenido por agua son enumerados por todas las fuentes consultadas, aunque como hemos comentado anteriormente la presencia real en el aceite de este contaminante es muy extraña. Es por ello que la mayoría de fabricantes hacen referencia a la presencia de glicol, elemento peligroso por sí mismo tal como hemos visto y señal inequívoca de presencia de fugas en el circuito de refrigeración. La presencia de dilución es controlada de forma prácticamente unánime, aunque con límites ciertamente variados. Podemos comentar que la presencia de dilución en más de un 5% es indicativo de problema seguro, dejando al usuario o mantenedor decidir el tipo de intervención o actuación, dependiendo de la fiabilidad que se quiera disponer en contenidos menores. El contenido en insolubles y en materia carbonosa no es considerado por todos los fabricantes, aunque creemos que se trata de parámetros fundamentales a controlar, indicativos tanto del correcto funcionamiento del motor como del estado del aceite. Como se ha comentado anteriormente las nuevas tecnologías en el desarrollo de motores van a conferir mucha más importancia si cabe a estos parámetros. El contenido de silicio es evaluado de forma absoluta por diversas fuentes aunque como vemos existen disparidad de valores límites en el contenido del mismo. Consideramos más adecuada una evolución por tendencias, de forma que puedan tenerse en cuenta las particularidades propias a las que se enfrenta el motor.

Para los aceites utilizados en motores de Cogeneración a gas encontramos los siguientes valores límites propuestos por diferentes fuentes en la tabla 5.13.


235

Tabla 5.13: Valores límites máximos según diferentes fuentes en motores de Cogeneración a Gas. FABRICANTES DE MOTORES Análisis

JENBACHER WAUKESHA

OTROS

MTU

MACIAN

THIBAULT

Agua

0,2 %

0,1 %

0,2%

0,5%

0,1%

Glicol

0,02 %

Positivo

--

--

Positivo

Silicio



15 ppm, Evaluación por Tendencias

15 ppm

En este caso los comentarios realizados para motores de Automoción son igualmente aplicables a este tipo de motores.

Para los aceites utilizados en motores para uso en propulsión Marina, considerando dentro de estos, aquellos de grandes potencias diferenciados de los empleados en embarcaciones pequeñas que serían asimilables a los motores equivalentes de Automoción, nos encontramos con una amplia variedad de propuestas atendiendo a las particularidades de cada motor, derivadas de las soluciones tecnológicas y constructivas adoptadas por cada fabricante, aunque se puede comprobar que existe una cierta similitud entre todos. En este caso los fabricantes hacen referencia a los combustibles empleados, al tipo de aceite en uso e incluso a los medios de limpieza que existen en el circuito de lubricación. Así podemos ver las siguientes propuestas presentadas en la tabla 5.14.

Tabla 5.14. Valores límites máximos según diferentes fabricantes en motores de Marinos. Fabricante: DEUTZ Motor 4 tiempos Combustible: líquido destilado ISO – F – DMX ó DMA Calificación Alerta Alarma Análisis Agua Máximo 0,2 % -Máximo 2 % Insolubles totales -Máximo 1,5 %

Observaciones Sin depuradora Con depuradora

236


Fabricante: SULZER Motor 4 tiempos (revoluciones medias) Combustible: líquido Calificación Alerta Alarma Análisis Agua Máximo 0,2 % 0,15 % (0,5%) Insolubles totales Máximo 2 % 1,8 % Fabricante: WÄRTSILÄ Motor 4 tiempos (revoluciones medias) Combustible: líquido residual Calificación Alerta Alarma Análisis Agua Máximo 0,3 % -Insolubles en -Máximo 2 % heptano

Observaciones (Sólo admisible en cortos periodos de tiempo) Sin depuradora

Observaciones

Fabricante: DEUTZ Motor 4 tiempos Combustible: líquido residual Análisis Agua Glicol Dilución por combustible Materia carbonosa Silicio

Calificación Alerta Alarma Máximo 0,2 % -Máximo 0,2 % -Máximo 10 % ----

Máximo 3 % < 20 ppm

Observaciones

Sin depuradora

Fabricante: MAN B&W Motor 4 tiempos Combustible: líquido Análisis Agua

Calificación Alerta Alarma Observaciones Máximo 0,2 % (Sólo admisible en un corto -(0,5 %) periodo de tiempo)


Insolubles totales

--

237

Máximo 1,5 %

Fabricante: RUSTON Motor 4 tiempos Combustible: líquido Análisis Agua Insolubles totales

Calificación Alerta Alarma Observaciones Máximo 0,2 % (Sólo admisible en un corto -(0,5 %) periodo de tiempo) Insolubles en tolueno < 1% -Máximo 4 %

Fabricante: MAN B&W Motor 2 tiempos Aceite de cárter alcalino detergente Calificación Alerta Alarma Análisis Observaciones Agua dulce: Máx. (Sólo admisible en un corto -0,2 % periodo de tiempo) (0,5 %) salada: trazas Carbono Máximo 8 % -Conradson Cenizas Máximo 2 % -Insolubles Máximo 2 % En pentano -Máximo 1 % En benceno -Máximo 1,5 % En heptano -Fabricante: SULZER Motor 2 tiempos Aceite de cárter Análisis Agua Insolubles totales

Calificación Alerta Alarma Máximo 0,5 % -Máximo 2 % --

Observaciones

CAPITULO VI DESGASTE: EVALUACIÓN Y DIAGNÓSTICO

Objetivo del capitulo: En el mismo se pretende remarcar la importancia del desgaste, así como los procesos, efectos y condicionantes que influyen en el mismo. Pasaremos a continuación a presentar un modelo de cálculo de la tasa o velocidad de desgaste del motor y la determinación de los diferentes consumos de aceite a partir de las medidas de las concentraciones metálicas presentes en el aceite, parámetros fundamentales para el diagnóstico del estado del motor. Por último haremos una breve referencia a la importancia del conocimiento de la metalurgia del motor de cara a la obtención de un diagnóstico preciso.

6.1. Introducción La evaluación de las concentraciones metálicas de desgaste presentes en el aceite es un tema profundamente estudiado y no resuelto completamente debido a las enormes dificultades que presenta. Por un lado debemos considerar las dificultades que se presentan en la medición de estas concentraciones, la desventaja del tamaño en la espectrometría, la dificultad de la ferrografía, etc. Por otro lado no hay una forma clara de evaluación, así podemos encontrar desde la más fácil y también más limitada evaluación en forma absoluta de las concentraciones hasta diferentes aproximaciones a la resolución del problema por distintas vías, tales como el estudio estadístico realizado por [Yuxiang, H.; 1997] o por métodos relativos como se propone por Ontiveros y otros autores.

240

Cap. 6 Desgaste y diagnóstico

La utilización de valores absolutos como límites condenatorios de la presencia de metales como indicativo para determinar un desgaste absoluto, como hemos comentado, es el método más antiguo y más ampliamente utilizado. Suelen ser los propios fabricantes de los motores los que ofrecen dichos valores como guía a los usuarios de sus productos para el monitorizado mediante análisis de aceite. La problemática asociada a este tipo de evaluación es la generalización del mismo, ya que no se tiene en cuenta factores tan importantes como pueden ser: tiempo de uso del motor, periodo de uso del aceite, rellenos de aceite efectuados, tipo de aceite, etc. Como ejemplo de lo dicho anteriormente presentamos una tabla 6.1 con los valores límites condenatorios definidos por diferentes fabricantes para los metales presentes en el aceite. Como puede verse en distintos metales las diferencias son sustanciales, pudiéndose entender en parte por diferencias de metalurgia empleadas por cada uno de los fabricantes, aunque algunas diferencias son muy significativas. Para el caso de GM aparecen los límites de Zinc y Plata asociados a la problemática mencionada previamente del uso de cojinetes de plata y el problema que estos presentan con aceites aditivados con Zinc. Tabla 6.1. Resumen de valores condenatorios de concentraciones metálicas en el aceite según diversos fabricantes. (Fuentes: National Tribology Services, Fabricantes). Los valores están expresados en partes por millón (ppm). Elemento

CAT

Cummins

Detroit Diesel

Jenbacher

MAN

GM

Hierro (Fe) Cobre (Cu) Plomo (Pb) Aluminio (Al) Cromo (Cr) Estaño (Sn) Sodio (Na) Boro (B) Silicio (Si) Zinc (Zn) Plata (Ag)

100 45 100 15 15 20 40 20 10 ---

84 20 100 15 15 20 20 25 15 ---

150 90 ----50 20 ----

50 20 70 15 5 10 8 -20 ---

125 40 25 10 20 30 --15 ---

125 150 75 5 20 40 -20 10 10 2

En este sentido, lo que en este capítulo se pretende es: evaluar, más que la concentración de elementos metálicos, la tasa o velocidad de producción de estos elementos, ya que la lubricación minimiza el desgaste pero no lo elimina por lo que nos interesará conocer cuando ese desgaste está por encima de un cierto nivel umbral que consideraremos límite indicativo de una situación correcta. Para

Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado

241

obtener un buen resultado en esta evaluación se deberán tener en cuenta los factores que definen la situación real de funcionamiento en servicio de un determinado motor, tales como añadidos o rellenos realizados sobre el cárter, tiempo en uso del aceite, tipo de aceite utilizado, combustible, etc. Con todo ello podremos obtener una mejor aproximación al adecuado diagnóstico del motor.

6.2. El desgaste en motores Diesel El fenómeno del desgaste es el responsable de una serie de nefastas consecuencias sobre el motor, tales como: pérdida de prestaciones, reducción de la vida útil de sus partes, acortamiento del periodo de cambio de aceite y disminución de su eficiencia; por todo ello es necesario un buen conocimiento de cómo se presenta, cómo se controla y las condiciones que influyen sobre el mismo en las diferentes piezas del motor, de cara a poder minimizarlo y poder diagnosticarlo de forma adecuada. A continuación presentamos un estudio mas detallado del fenómeno de desgaste atendiendo a las diferentes formas del mismo y su presentación en los órganos clave del motor.

6.2.1. Desgaste del grupo pistón-segmentos-camisa El estudio del desgaste de este grupo presenta un elevado interés por ser el núcleo fundamental del motor y porqué está sometido a condiciones de funcionamiento y de entorno muy severas: velocidades de deslizamiento, presiones entre elementos y temperaturas del grupo elevadas, junto con condiciones de lubricación crítica, ambiente corrosivo y presencia de abrasivos en el aire admitido y en el aceite. Las principales zonas de desgaste en el pistón son: las caras superior e inferior de las ranuras del alojamiento de los segmentos, la falda y el asiento del bulón; en los segmentos: la superficie exterior y las caras superior e inferior y en la camisa sus paredes en toda la longitud de la carrera del pistón.

Desgaste adhesivo

Cuando los pistones se mueven dentro de los cilindros, se forma entre las superficies exteriores de los segmentos y la camisa una película hidrodinámica de aceite que los protege contra el desgaste. El espesor de la película presenta sus valores mínimos en las cercanías de los puntos muertos de la carrera de expansión y el mínimo apenas sobrepasado el punto muerto superior, debido a que las

242


velocidades relativas segmento-camisa son muy bajas y tanto las cargas como las temperaturas son muy elevadas. A continuación, en la figura 6.1, se presenta un grafico donde puede observarse la variación del espesor de la película de aceite en esta superficie a lo largo de un ciclo de trabajo y a diversos regímenes de giro del motor, comprobándose lo comentado anteriormente.

Figura 6.1. Espesor de la película de aceite en el segmento de fuego durante una carrera de funcionamiento del motor a plena carga y a diferentes regímenes de giro. Adaptado de [Guwaldi, S.D.; 2000] En estos puntos, la película de lubricante puede llegar a romperse y la lubricación deja de ser hidrodinámica para convertirse en lubricación límite, apareciendo contactos intermetálicos entre el segmento de fuego y la camisa con el consiguiente desgaste adhesivo localizado que hace que el perfil de desgaste del cilindro presente un surco abrupto a la altura de este segmento en la posición del punto muerto superior, correspondientemente se tiene que el desgaste de éste, es del orden de cinco a diez veces mayor que el del resto de segmentos.


243

Las partículas producidas por el desgaste del grupo segmentos-cilindro poseen un tamaño inferior a 30 µm y alta dureza, razón por la cual van a resultar abrasivas. Cuando el pistón llega al PMS el aceite fresco que se proyecta sobre las paredes del cilindro arrastra consigo estas partículas al cárter, a partir del cual son recirculadas autoacelerando de esta manera el desgaste. Al llegar el pistón al PMI quedan todas las paredes del cilindro expuestas a la alta temperatura de los gases quemados, formándose una delgadísima película de aceite oxidado que si no es remplazada por el aceite fresco, se aglomera junto con las partículas de desgaste formando depósitos sobre la superficie, que pueden interrumpir la continuidad de la película lubricante, condición crítica que promueve el desgaste adhesivo del conjunto. Existen numerosos factores que pueden aumentar o reducir la magnitud de este fenómeno; a continuación se presenta las influencias de las condiciones de funcionamiento, del combustible, del aceite y de la metalurgia sobre el desgaste de tipo adhesivo.

Condiciones de funcionamiento:

Al aumentar la potencia producida por el motor se origina un aumento del desgaste porque crecen las presiones medias y las temperaturas, al crecer la carga, a velocidad constante, aumenta el desgaste. Cuando la velocidad de rotación aumenta, crece la velocidad media del pistón y de los segmentos respecto al cilindro, lo cual favorece la lubricación hidrodinámica, pero presenta la desventaja de que intensifica el efecto de los contactos intermetálicos de la lubricación límite; simultáneamente aumentan las presiones y temperaturas dentro del cilindro que incrementan el desgaste; la experiencia ha demostrado que prevalecen los efectos negativos sobre los positivos. Por esta razón, al aumentar la velocidad de rotación se incrementa el desgaste; además, puesto que aumentan las fuerzas verticales aplicadas a los segmentos, se producen oscilaciones de estos en sus alojamientos, lo cual puede originar desgaste de sus caras o el biselado de las ranuras del pistón. El primer fenómeno da lugar a una disminución del espesor de los segmentos, con lo cual aumenta su tendencia a la deformación y a la rotura. El segundo, produce pérdida de estanqueidad entre las caras del segmento y su alojamiento, lo que puede acentuar aún mas las distorsiones. La temperatura es un factor que, además de aumentar la severidad del desgaste adhesivo, debido a su influencia sobre la viscosidad del aceite, produce una elevada dilatación o distorsión térmica de la camisa y segmento de fuego, con la consiguiente formación de capas de óxido de baja resistencia.

244


Respecto al dosado de la mezcla aire-combustible, el exceso de oxígeno, junto con las altas temperaturas reinantes en la cámara de combustión, favorecen la formación de óxidos superficiales sobre las paredes en contacto con los gases calientes, por lo cual al empobrecerse la mezcla, aumenta el desgaste del cilindro. El ciclo de trabajo influye sobre el desgaste adhesivo de la camisa, siendo mucho más importante en los motores de dos tiempos que en los de cuatro tiempos, ya que en los segundos la temperatura de las camisas es sensiblemente inferior a los primeros; además, existe un diámetro de cilindros de mínimo desgaste. Durante el arranque en frío y en condiciones de servicio severas se puede presentar contacto directo entre los segmentos y el cilindro o entre la falda del pistón y la camisa, llegándose a producir su microgripado. Este fenómeno, en el caso específico del contacto pistón camisa puede generar partículas de elevada dureza y tamaño igual o mayor de 60 µm que por lo tanto son abrasivas; estas partículas, junto con las producidas por el grupo camisa-segmentos, de 30 µm, contribuyen a autoacelerar el desgaste durante el arranque en frío. En este periodo la lubricación hidrodinámica es precaria debido a que después de una parada prolongada, desaparece la película de aceite y hace falta un cierto tiempo para que el lubricante llegue a la zona de los segmentos y se restablezca la película. A causa de esto se puede producir un elevado desgaste instantáneo, que provoca una cierta degradación del estado de las superficies, lo que implica un rodaje parcial para que el desgaste alcance su nivel de régimen; por esta razón su efecto se hace sentir durante un largo periodo de tiempo, una o varias horas. Una consecuencia importante de este fenómeno es que el desgaste adhesivo de un motor funcionando con variación frecuente de las condiciones de trabajo, incluyendo paradas, es mayor que el de otro que funcione en condiciones constantes de marcha, aunque estas sean más severas. El sistema de refrigeración influye sobre el desgaste durante el arranque en frío, ya que de éste depende el tiempo en que se alcanza la temperatura de régimen de las paredes del cilindro. Desde este punto de vista, el motor refrigerado por agua es peor que el refrigerado por aire. El tamaño del motor es de gran importancia, ya que la magnitud del desgaste es proporcional a la carga de contacto y a la longitud de deslizamiento. El desgaste por unidad de tiempo de un motor rápido es mayor que el de un motor lento, como puede verse en la figura siguiente 6.2, en la cual se observa además que el desgaste de los grandes motores es inferior al de los pequeños debido al valor de la relación tamaño / velocidad. Puesto que un determinado desgaste es menos significativo en un motor grande que en uno pequeño, los primeros poseen


245

una duración mas elevada; esta es la razón por la cual es posible que los grandes motores de dos tiempos puedan utilizar combustibles de baja calidad manteniendo una tasa de desgaste en un nivel aceptable.

Figura 6.2. Desgaste de la camisa del motor en función del tamaño del mismo. Combustible En un motor Diesel en buen estado, la combustión es prácticamente completa, excepto en el periodo de arranque en que las paredes frías de las camisas y pistón apagan la llama impidiendo el desarrollo de la combustión en su proximidad inmediata. El combustible no quemado puede diluir la película de aceite y el aceite del cárter, aumentando el desgaste. Esta acción está relacionada además con la calidad del proceso de combustión que a su vez depende, entre otros factores, de la calidad del combustible empleado y de la calidad de la inyección.

246


Aceite

Puede ser considerado como una de las piezas más importantes del motor y su influencia sobre el desgaste adhesivo hay que enfocarla desde dos puntos de vista: durante el arranque y en régimen estacionario. Respecto al desgaste durante el arranque, la viscosidad del aceite juega un papel primordial ya que un valor alto favorece la permanencia de la película de lubricante durante la parada; con la desventaja de que al presentarse una mayor dificultad de bombeo durante el arranque se hace más difícil la reconstitución de esta. La existencia de estas condiciones opuestas justifica la existencia de una viscosidad óptima. Referente al desgaste en régimen estacionario, al aumentar la temperatura de la pared de la camisa y del refrigerante, disminuye la viscosidad del aceite. Por encima de cierta temperatura del refrigerante, del orden de 80 ºC, la película no es capaz de soportar la carga debido a que el aceite alcanza una viscosidad crítica, razón por la cual aumenta considerablemente el desgaste adhesivo. Cuando el aceite no alcanza el valor crítico de la viscosidad, el desgaste es relativamente bajo. La volatilidad del aceite, que representa su facilidad para evaporarse, también influye sobre el desgaste adhesivo de los segmentos y la camisa; entre dos aceites de viscosidad idéntica, el de menor volatilidad es el más conveniente. Desde el mismo punto de vista, la incorporación al aceite de aditivos mejoradores de la untuosidad, que aseguran una mejor fijación de la película a la superficie del cilindro, pueden reducir en proporción notable el desgaste adhesivo tanto en el arranque como en régimen.

Tecnología y metalurgia

Para mejorar la resistencia al desgaste de los cilindros, se debe actuar sobre su diseño, refrigeración, materiales que los constituyan y estructura físico-química y geométrica de la capa superficial sometida a rozamiento. El circuito de refrigeración debe ser tal que se eviten las distorsiones térmicas resultantes de la heterogeneidad de las temperaturas, que además de hacer difícil el rodaje, aumenten el riesgo de gripado de la camisa. Desde el punto de vista del material, la solución de más éxito la constituyen las camisas de aleaciones ligeras revestidas con una capa delgada y dura de cromo poroso o duro, y las camisas de acero de poco espesor cromadas superficialmente.


247

Para aumentar la dureza superficial de las camisas de fundición se deposita una capa de cromo electrolítico poroso que es muy resistente al desgaste adhesivo; en este caso los segmentos no se croman. El desgaste adhesivo de segmentos de fundición es mucho mayor sobre camisas de fundición que sobre camisas con capa cromada. Por el tratamiento de nitruración se pueden lograr propiedades antidesgaste equivalentes. Las principales consecuencias del desgaste del pistón son el biselado de las ranuras de los segmentos y el gripado de la corona o la falda; el primero depende del diseño de las ranuras y de la densidad y dureza del material constitutivo y el segundo esta relacionado con el diseño del grupo pistón-segmentos-camisa, el diseño del sistema de refrigeración, la conductividad térmica de los materiales y las condiciones de servicio. Los desgaste normales de los pistones son débiles y no plantean graves problemas, con la excepción de los que puedan tomar un desarrollo catastrófico. Las aleaciones Al-Cu y Al-Si son los materiales mas utilizados en la construcción de pistones, las segundas poseen mejores propiedades antidesgaste que las primeras, debido a que la presencia de granos de silicio en la matriz de la aleación produce microcavidades que retienen el aceite lubricante. Las aleaciones hipersilícicas (hipereutécticas), poseen mejor comportamiento tribológico que las de bajo contenido de silicio. La forma del pistón es muy importante desde el punto de vista de la evacuación del calor y por tanto de las temperaturas, deformaciones térmicas y consecuencias del rozamiento y del desgaste; la forma óptima es la que permite obtener una superficie de contacto falda-camisa lo mayor posible sin que se presenten los mínimos riesgos de gripado en las condiciones de servicio del motor. Para mejorar el deslizamiento pistón-camisa durante el rodaje, se utilizan revestimientos superficiales como el estañado, que es totalmente necesario en los pistones de acero. Los segmentos son los elementos esenciales desde el punto de vista de la vida del motor; según sea su diseño y fabricación, se podrían tener problemas de desgaste, que van desde casi nulos hasta muy graves. La presión real en el contacto segmento-camisa depende de la presión efectiva ejercida por los gases sobre la cara interna del segmento y por lo tanto es función de la conformabilidad segmento-camisa. Si no es la adecuada, las presiones reales serán lo suficientemente altas como para romper la película lubricante y producir fricción seca. El tipo de fricción segmento-camisa influye

248


sobre la temperatura de la cara exterior del primero y de la superficie interna de la segunda; la fricción seca influye poco sobre la temperatura de la camisa y bastante sobre la cara del segmento, razón por la cual, para controlar el desgaste es preferible actuar sobre el segundo que sobre la primera. Cuando el material del segmento, debido a la fricción, alcanza la temperatura de fusión, se desprende una cantidad microscópica de metal que se adhiere a la camisa antes de ser arrancada por el movimiento del segmento; este fenómeno se autoacelera produciendo un rayado de la camisa de apariencia más sombreada que el debido a la presencia de cuerpos extraños. Para evitar este comportamiento se puede aumentar el punto de fusión del material de la cara exterior del segmento. Esta solución conduce a la aplicación sobre la fundición de una capa de punto de fusión más elevado. Los materiales empleados para este fin son el cromo y el molibdeno; el primero es el más utilizado en motores Diesel. Los segmentos cromados han permitido reducir en proporciones considerables el desgaste adhesivo del segmento y de la camisa, al mismo tiempo que parte de los problemas relacionados con el desgaste corrosivo y abrasivo. La elevada resistencia al desgaste de los segmentos cromados se debe a que la dureza del cromo se opone a la incrustación de sedimentos en la ferrita de la fundición que formarían una especie de tela esmeril. Esta alta resistencia hace que el rodaje de estos segmentos sea muy difícil, especialmente en los motores Diesel de gran diámetro, debido a las bajas velocidades del pistón y a que no es recomendable emplear un aceite mineral puro durante este periodo. Finalmente, la experiencia ha mostrado que la duración de un segmento aumenta al disminuir su altura, especialmente en motores de cuatro tiempos, porque aumentan la presión específica admisible y la eficacia de enfriamiento.

Desgaste corrosivo

Este tipo de desgaste del grupo pistón-segmento-camisa está relacionado con ciertos subproductos de la combustión de naturaleza muy agresiva, razón por la cual los factores esenciales que lo influyen son el tipo de combustible utilizado y la manera como se lleva a cabo la combustión.

Origen del desgaste corrosivo.

Tal como se ha comentado el tipo de combustible utilizado va a marcar de forma acusada la tasa de desgaste corrosivo que va a sufrir el conjunto. Los niveles de azufre actuales en los combustibles Diesel de uso en Automoción (clase A) son muy bajos (0,035%) [BOE 272, 13 Noviembre 1999], lo que ha provocado que en este tipo de aplicación el efecto sea mucho menor que el que sufren los motores de


249

uso estacionario o marinos utilizando combustibles con contenidos en azufre mucho mayores. La norma ISO 8217:1996 (E) especifica las características de los combustibles para uso en motores marinos, clasificando los mismos en primer lugar en dos grandes grupos, a saber: combustibles destilados y combustibles residuales. Dentro del primer grupo nos encontramos con 4 designaciones que tienen limitada su concentración máxima de azufre: DMX (1%), DMA (1,5%), DMB y DMC (2%). Dentro del grupo de combustibles residuales se distinguen 15 designaciones diferentes cuyos contenidos máximos en azufre varían entre 3,5 y 5%. En el mercado español, la designación de los combustibles, aparte de los productos destilados es: fuel oil BIA (Bajo Índice de Azufre) con un contenido máximo de azufre del 1%, fuel oil 1 (2,7%) y fuel oil 2 (3,5 %) [Garrido, A.; 2000]. Por todo lo expuesto anteriormente resulta claro que el desgaste corrosivo influenciado por el contenido de productos ácidos derivados del azufre va a resultar de extrema importancia en motores que utilicen los combustibles anteriormente expuestos. La relación entre el nivel de desgaste y el contenido de azufre ha sido comprobada por diferentes autores [McGeehan, J.A.; 1987], todos ellos han mostrado en los resultados obtenidos una elevada influencia simultanea del porcentaje de azufre en el combustible sobre el desgaste de los segmentos y la camisa de los motores. A continuación se presenta en la figura 6.3 una gráfica donde puede apreciarse el efecto de desgaste sobre los segmentos, expresado en pérdida de masa de los mismos, con relación al contenido de azufre en el combustible y la reserva básica en el aceite utilizado en la lubricación de los mismos, comprobándose que a mayor nivel de azufre el desgaste es correspondientemente mayor y la importancia en estos casos de utilizar un aceite con reserva básica (TBN) suficiente de cara a minimizar el impacto de este contenido de azufre en el combustible. Puesto que el desgaste corrosivo está relacionado con la condensación del vapor de agua y los compuestos sulfurosos provenientes de la combustión, dependerá de la temperatura de la camisa y segmentos que a su vez son función de la temperatura del refrigerante; una baja temperatura del líquido de refrigeración influye negativamente sobre el desgaste de los segmentos. El perfil de distribución del desgaste corrosivo sobre las generatrices de la camisa es bastante característico, pues presenta una marcada escarpadura a la altura del PMS del segmento de fuego. La distribución radial es poco homogénea,

250


habiéndose observado que las zonas de desgaste corresponden generalmente a los puntos mas fríos.

Figura 6.3. Efecto del contenido de azufre en el combustible y la reserva básica del aceite sobre el desgaste de los segmentos según McGeehan.

Mecanismo del desgaste corrosivo por azufre.

El azufre del combustible, durante la combustión se combina con el oxigeno del aire produciendo SO2 y SO3; la cantidad generada aumenta linealmente al crecer el contenido de azufre del combustible, correspondiendo la casi totalidad al SO2 ya que a las altas temperaturas de combustión de los motores prácticamente no se forma SO3. En la figura 6.4 se presentan las reacciones teóricas de corrosión del azufre. Se observa que el SO2 puede combinarse con el vapor de agua proveniente de la combustión para producir H2SO3 condensado; aunque en la realidad, esta reacción es poco probable dadas las condiciones de presión y temperatura existentes dentro del cilindro. El SO2 puede reaccionar también con el O2 para producir SO3, reacción más probable que la anterior, aunque prácticamente inexistente por encima de 900 ºC y muy lenta por debajo de los 450 ºC.


251

Figura 6.4. Reacciones típicas de corrosión. Esta reacción sólo se puede producir en las zonas en que los gases de combustión estén lo suficientemente fríos y en presencia de la acción catalizadora de los óxidos metálicos que recubren las paredes de la cámara. La posibilidad de que estos entren en contacto directo con los gases de combustión es muy baja debido a la presencia de la película de aceite o de depósitos de calamina en la parte alta de la cámara; por consiguiente la formación de SO3 es muy limitada, encontrándose el SO2 en mayor cantidad. El SO3 formado, se combina con el vapor de agua y condensa en ácido sulfúrico diluido (H2SO4.nH2O). Por consiguiente, como consecuencia de la combustión y la expansión, dentro del cilindro se encuentran pequeñas cantidades de SO3 o de H2SO4 y mucho SO2. Teniendo en cuenta las mínimas cantidades de H2SO4 que forman, debe admitirse que el propio SO2 en presencia de agua es el que ataca las superficies metálicas sin necesidad de pasar a H2SO3. Según [Iofa, Z., 1957] el mecanismo del proceso se puede expresar con la siguiente reacción conjunta: SO2 + 2H2O + 3Fe → FeS + 2 Fe(OH)2

Ec. (6.1)

Siendo este el resultado final de una serie de reacciones intermedias que se muestran en la figura 6.5, las que se hallan sobre la línea de trazos corresponden al caso de que no haya H2SO4 en la cámara. El mecanismo de la corrosión por azufre es, por lo tanto, de tipo electroquímico actuando bajo una película húmeda localizada sobre una superficie metálica. La acción corrosiva del SO2 es más fuerte al ser mayor su contenido junto con el de vapor de agua en los gases de combustión. La interacción entre el SO2 y

252


la superficie metálica está influenciada por la presencia de la película de aceite y por el rozamiento.

Figura 6.5. Reacciones intermedias en el proceso de corrosión debido a la presencia de azufre.

El arranque

Los gases residuales y el vapor de agua que permanecen en muy pequeñas cantidades en el cilindro o en el cárter después de la detención total del motor ejercen poca influencia sobre el desgaste producido durante la posterior puesta en marcha. En el momento de volver a arrancar el motor, sus paredes están a baja temperatura y el vapor de agua procedente de la combustión condensa en proporciones considerables provocando ataques por el SO2 y el SO3, tanto más importantes cuanto más desprotegidas estén las paredes por la película lubricante. Parece que el ataque corrosivo se presenta únicamente en la uniones de los granos de metal, produciendo una cierta descohesión de las capas superficiales, y como consecuencia una menor resistencia al desgaste adhesivo, especialmente crítico durante el período de arranque. Este proceso de decapado, desgasta aún más el metal, favoreciendo la continuación del ataque corrosivo. El desgaste corrosivo durante la puesta en marcha se debe, por lo tanto a las siguientes causas:


• • •

253

Elevada concentración del SO2 y trazas del SO3 en el aceite presente en la zona de segmentos durante la parada. Temperatura de las paredes del motor muy baja durante los primeros minutos de funcionamiento que facilita la condensación de cantidades importantes del agua procedente de la combustión. Lubricación deficiente durante la puesta en marcha, que es causa de condiciones severas de rozamiento.

Durante la parada del motor, el SO2 que queda en el aceite de la zona de segmentos tiene el tiempo suficiente para transformarse en SO3 y este en H2SO4 por la acción del vapor de agua presente en muy pequeña cantidad, y que por lo tanto limita el proceso que es bastante veloz.

En régimen establecido

La mayor parte del SO2 que se forma durante la combustión se elimina junto con los demás productos por el escape; la parte restante se puede poner en contacto con las paredes metálicas desnudas a baja temperatura y en presencia de los óxidos metálicos que actúan como catalizadores, transformarse en SO3 que al reaccionar con el agua se convierte en ácido sulfúrico. Como las zonas de metal desnudo a baja temperatura corresponden a una pequeña zona centrada en el PMS del segmento de fuego, solo una pequeña parte de SO2 oxidará a SO3. El resto puede disolverse en el aceite de la película hasta una proporción cercana al 2% en peso. A causa de la renovación de la película con aceite procedente del cárter y puesto que hay un aporte continuo de SO2, se alcanza una concentración de equilibrio de éste en el aceite que cubre las paredes, tanto mayor cuanto menor sea la temperatura de estas y mayor el contenido de azufre del combustible. Al mismo tiempo el vapor de agua se condensa sobre las paredes frías del cilindro o forma una emulsión con el aceite iniciándose el ataque del metal por el SO2. En las superficies en las que no se produce esta renovación, la capa de herrumbre formada protege del posterior ataque por SO2; en el caso de los motores el rozamiento de los segmentos sobre la camisa impide la formación de esta capa. Los principales factores de los que depende la mayor o menor importancia del desgaste corrosivo son: el aceite, la metalurgia, el diseño y el tipo de servicio.

El aceite

Un buen lubricante desde el punto de vista de la corrosión, debe ser capaz de evitar o reducir la formación de H2SO4 y oponerse a la progresión del SO2 hacia las paredes del cilindro.

254


El aceite base, por si mismo, no posee la capacidad de realizar esta función por lo que es necesario añadirle aditivos que le permitan neutralizar de una manera eficaz la acidez. Los aditivos pueden actuar de tres formas diferentes: • • •

Neutralizando la acidez del H2SO4 y del SO2, es el caso de los aditivos de tipo básico. Formando una barrera protectora entre el SO2 y las paredes metálicas. Capturando en el seno del aceite las moléculas de SO2 formadas.

Los ácidos corrosivos se neutralizan generalmente con detergentes alcalinos que reducen sensiblemente el desgaste corrosivo; entre los más utilizados se encuentran los fenatos y sulfonatos básicos e hiperbásicos y el carbonato de calcio; los aceites generalmente contiene los tres tipos de aditivos. En los fenatos y sulfonatos hiperbásicos el CaCO3 reacciona con los ácidos sulfúrico y sulfuroso formando sulfato de calcio neutro, agua y dióxido de carbono. El CaCO3 es fácilmente accesible a las neutralizaciones ácido-base. Aunque el CaCO3 del sulfonato hiperbásico se halla en el centro de la mezcla, rodeado por moléculas neutras de sulfonato de calcio, se presenta un rápido intercambio de agua y ácidos orgánicos e inorgánicos de bajo peso molecular hacia y desde la mezcla. Las moléculas de fenatos, sulfonatos hiperbásicos y dispersantes no metálicos son extremadamente pequeñas, las primeras tienen una longitud del orden de 6nm, las segundas 15nm, y las últimas de 6,5 nm. Las películas de lubricante situadas entre segmentos y camisa tienen espesores que van de los 500nm a los 10000nm; una consecuencia de esto es que en las películas de aceite, por delgadas que sean, existen moléculas de aditivos en cantidad suficiente para neutralizar los ácidos y dispersar el hollín. La influencia de la basicidad del lubricante sobre la pérdida de peso de los segmentos de un motor es tal que al aumentar la primera, se reduce la segunda, existiendo un valor de la alcalinidad (medida por el TBN) que hace mínimo el desgaste (figura 6.3). Para igual basicidad, al aumentar el contenido de S del combustible, aumenta el desgaste de los segmentos. En motores de 4T que utilizan aceites con el TBN óptimo y con consumos de aceite bajos (0.2% del consumo de combustible) se debe cambiar el lubricante cuando se llegue a una reducción de su TBN del orden del 50%. Cuando se usan aceites con TBN menor del óptimo se debe reducir el porcentaje de perdida de basicidad indicativo de la necesidad del cambio

La metalurgia

La composición de los materiales usados en la fabricación de las camisas y los segmentos condiciona grandemente la magnitud del desgaste corrosivo que puede afectar.


255

La presencia de fósforo en la fundición que constituye las camisas y segmentos le confiere resistencia a la corrosión gracias al eutéctico fosforoso que forma con la cementita. Este eutéctico que se presenta en forma de protuberancias sobre la superficie tiene la propiedad de retener más aceite que la fundición base, por lo cual, el rozamiento entre la camisa y los segmentos durante el proceso ataque-fricción-desgaste es menos severo. La protección metalúrgica más eficaz contra el desgaste corrosivo es el cromado superficial; sin embargo, el de las camisas es un proceso costoso y delicado, especialmente en los grandes motores y produce graves dificultades durante el rodaje, razón por la cual solo se acostumbra cromar la cara exterior del segmento de fuego, quedando sin protección sus caras superior e inferior.

Diseño

Una de las influencias más importantes sobre la magnitud del desgaste corrosivo la constituye la baja temperatura de los cilindros, que depende directamente de la temperatura del agua de enfriamiento, ya que la intensidad de este desgaste aumenta considerablemente por la condensación del agua. Cuando la temperatura del agua de enfriamiento está entre 70 y 90º C, el desgaste es mínimo. A temperaturas superiores no es posible la condensación del vapor de agua sobre las paredes de los cilindros y no se forma la capa de electrolito que favorece la corrosión electroquímica. En este caso tiene lugar la corrosión química gaseosa, que es menos intensa; por consiguiente la velocidad de desgaste en esta zona es menor. De aquí nace la necesidad de controlar las temperaturas en el interior del cilindro con la finalidad de disminuir el desgaste corrosivo. Por esta razón: •

• •

Se recomienda alcanzar lo más rápidamente posible la temperatura de régimen una vez puesto en marcha el motor, y mantenerla durante cierto tiempo después de su detención con la finalidad de evitar la condensación del vapor de agua y el ataque del SO2. Se debe asegurar una correcta regulación de la temperatura del refrigerante entre 70 y 90 º C. El diseño del sistema de refrigeración debe ser tal que evite la formación de puntos calientes o fríos, que favorecen ciertas reacciones del SO2.

Como ejemplo de la importancia del diseño del motor presentamos los cambios sufridos en las últimas décadas por los motores de cruceta de dos tiempos, donde ha habido una carrera hacia la consecución de importantes aumentos de potencia.

256


Tabla 6.2. Evolución de los parámetros típicos en los motores de cruceta de dos tiempos. [D.T. Castrol.; 1998] Parámetros Diámetro (mm) Carrera /diámetro Presión máx. (bar) pme (BMEP) (bar) kW/cilindro Temperatura camisa (ºC) s (velocidad media pistón) Alimentación aceite (g/bhp h)

1980s 800 2:1 100 12 1969 200 8 0,6

1990s 800 3,82:1 150 19 3693 250 8,3 1,2

2000s 800 4,4:1 180 21 4000 270 9,5 1,3

El incremento en el desarrollo de los motores y en particular el incremento de temperatura en la camisa ha contribuido de forma efectiva a la reducción del desgaste por corrosión. Los motores diseñados y construidos a finales de los ochenta y comienzos de los noventa tenían una temperatura de la camisa del cilindro suficientemente alta para prevenir el desgaste corrosivo y el uso de lubricantes con reserva alcalina alrededor de 70 mg KOH/g era a menudo el medio más económico de lubricación y protección. Una vez que la temperatura ha sido incrementada alrededor de los 250 ºC entonces el desarrollo de los aceites de cilindro llegó a ser marginal para ofrecer protección contra el incremento de desgaste corrosivo en la camisa y los aros. Bajo estas condiciones el desgaste de tipo adhesivo es mayor y las actuaciones del aceite de cilindros tienen que ser determinadas por su habilidad para minimizar este tipo de desgaste.

Relación relativa de desgaste

1

0.8

Desgaste abrasivo Desgaste adhesivo 0.6

0.4

0.2

0 200

240

280

Temperatura superficie camisa (ºC)

Figura 6.6. Contribución de los diferentes tipos de desgaste en función de la temperatura de la camisa en motores de cruceta de dos tiempos.


257

Tipo de servicio

En las condiciones de trabajo normal, el tipo fundamental de desgaste de los cilindros es el corrosivo si atendemos al uso de combustibles con un contenido de azufre alto, debido a que tiene lugar con la máxima velocidad. Sin embargo, cuando el motor trabaja en un entorno con elevado contenido de polvo, tiene mayor importancia el desgaste abrasivo, mientras que cuando trabaja con grandes cargas y a bajas revoluciones tiene mayor peso el desgaste adhesivo.

Desgaste abrasivo

La abrasión en el motor se debe principalmente a la acción de partículas aisladas, que pueden llegar a él por diferentes caminos: procedentes del exterior, generadas internamente, introducidas durante el proceso de fabricación o provenientes de acciones de mantenimiento. Para evitar la acción de los contaminantes externos, se disponen filtros en la admisión y en los sistemas de lubricación y combustible, que tienen como función ideal retener todas las partículas que sobrepasan cierta dimensión. Las partículas abrasivas se encuentran libres en el aceite y pueden actuar sobre cualquier superficie de fricción, la experiencia ha demostrado que el ataque se produce preferentemente sobre el grupo pistón-camisa-segmentos.

Mecanismo del desgaste abrasivo

Existe una relación fundamental entre el tamaño de las partículas, el espesor de la película lubricante y el desgaste de las piezas del motor, ya que las partículas de tamaño superior al espesor de la película, constituyen un puente al poner en contacto simultáneo las superficies rozantes, de manera que concentran las cargas aplicadas en pequeñas áreas de contacto produciendo esfuerzos superficiales superiores al límite elástico de los materiales, lo cual origina desgaste abrasivo. Debido a la relación tribológica que existe entre el tamaño de la partícula y el espesor de la película, es conveniente investigar los rangos dimensiónales de ambos parámetros. El resultado de la búsqueda efectuada en la literatura técnica respecto al espesor de la película se resume en la tabla 6.3, donde se observa que está comprendido entre 0 y 20 µm. Referente al tamaño de las partículas abrasivas del aceite, la gran mayoría son menores de 20µm y el 90% tienen dimensiones comprendidas entre 5 y 10 µm;

258


esto quiere decir que el orden de magnitud del tamaño de las partículas y del espesor de la película coinciden. Tabla 6.3. Espesor de la película lubricante en diferentes componentes del motor (según [Guwaldi, S. D.; 2000] y [Needelman, W. 1988]) Piezas Segmento-cilindro Cojinete biela Cojinete bancada Cojinete turbocompresor Distribución Engranaje

Espesor (µm) 0 – 15 0,5 – 20 0,8 – 20 0,5 – 20 0–1 0 – 1,5

Estudios efectuadas por [Treuhaft, M. B.; 1993] en el Southwest Research Institute (SwRI) mediante el empleo de la técnica del trazador radioactivo (RAT: Radioactive Tracer Technology), que permite realizar la medición del desgaste sufrido por un pistón y segmentos radiactivos, utilizando un espectrómetro de rayos gamma que detecta la cantidad de partículas radioctivas generadas por desgaste en las correspondientes piezas y que se encuentran presentes en el circuito de aceite carente de elementos filtrantes. En este estudio, se ha comprobado que, las partículas de tamaño alrededor de las 10 µm son las más dañinas desde el punto de vista de la abrasión. Se ha comprobado también que las partículas superiores con una correcta selección del filtrado pueden ser eliminadas prácticamente en su totalidad, situación que además se consigue con el filtro tras un periodo inicial de carga de polvo, esto es, el filtro tiene un mayor rendimiento cuando se ha cargado ya con cierta cantidad de polvo. Las partículas arrastradas por el aceite producen desgaste abrasivo, que a su vez genera más partículas, autoacelerando el fenómeno que si no se controla puede producir pérdida excesiva de material de la camisa y los segmentos. La abrasividad de las partículas está relacionada con la dureza de las superficies, con su capacidad de absorberlas y con el juego relativo entre ellas. La mayoría de las partículas abrasivas que no han sido retenidas por los filtros y llegan al cilindro, pueden penetrar entre los segmentos y la camisa durante los períodos de escape o admisión y ser aplastadas durante las fases de expansión y compresión.

Desgaste según la vía de penetración del abrasivo

Con la finalidad de conocer como se distribuyen los abrasivos en el motor según su vía de penetración, se han realizado ensayos en el Instituto Francés del Petróleo con polvo atmosférico marcado con trazadores radioactivos e introducido


259

en el motor a través del aire de admisión, del combustible y del lubricante; se obtuvieron las siguientes conclusiones [Figueroa, S.; 1994]: •

•

•

Las partículas introducidas por el aceite o el aire se encuentran, después de cierto período de funcionamiento, en una proporción comprendida entre el 50 y el 80% debajo de la zona de segmentos, pudiendo ser transportadas por el aceite con las consiguientes consecuencias nocivas. Este argumento justifica plenamente la utilidad de los filtros situados en el circuito de lubricación. Las partículas introducidas por el combustible no atraviesan la zona de segmentos y son expulsadas en su mayoría por el escape; este comportamiento es diferente al de las que ingresan con el aire, se debe a que las primeras por estar mojadas por el combustible son más pesadas que las segundas; probablemente las últimas sean más sensibles al efecto cinético de la onda de presión de la combustión que tiende a impulsarlas hacia las paredes del cilindro, donde se concentran para pasar a través de la zona de segmentos hacia el cárter durante el proceso de escape. Las partículas introducidas por el aire o el aceite, son expulsadas en muy baja cantidad (20 a 30%) por el escape.

De lo anteriormente expuesto, se deduce que los desgastes producidos sobre las diferentes partes del motor, difieren según la vía de penetración: •

Los perfiles de desgaste abrasivo de la camisa se caracterizan por un desgaste concentrado en su parte baja, en el caso de partículas introducidas por el aceite y por un desgaste uniforme a lo largo de toda su altura, en el de las entradas con el aire o el combustible. • En la zona de los segmentos se encuentra la misma tendencia; todos los segmentos sufren desgastes de igual magnitud cuando las partículas ingresan con el aire; cuando entran con el aceite se desgasta menos el segmento de fuego. • El desgaste máximo de la parte baja de la camisa, producido por partículas introducidas por el aceite, es mucho más importante que el producido por las que entran con el aire, para iguales pesos de polvo encontrados en el aire. Factores que influyen en el desgaste abrasivo

Puesto que la principal fuente de partículas abrasivas es el aire atmosférico, los factores que presentan mayor influencia sobre el desgaste abrasivo son: la granulomotría, el contenido de partículas abrasivas del aire y su naturaleza. Además habrá que tener en cuenta el efecto del modo de funcionamiento del motor y el tipo de aceite utilizado en el mismo.

260


1. Granulometría del aire atmosférico El aire atmosférico está cargado de impurezas de dos tipos; por un lado encontramos partículas de polvo, de tamaño comprendido entre 1µm y 150 µm y con tamaños inferiores encontramos las llamadas partículas de humo procedentes de procesos químicos y cuyas dimensiones varían entre 0,1µm y 1µm. Las partículas de polvo pueden clasificarse según su tamaño de la siguiente forma: polvo fino, (de 1 a 5 µm), polvo medio (de 5 a 10 µm), polvo grueso (de 10 a 50 µm), y polvo arenoso, (de 50 a 250 µm). La distribución de las partículas en los diferentes tamaños, depende fundamentalmente del tipo de firme y del entorno; para una carretera asfaltada, caso muy representativo en vehículos industriales, se tiene la granulometría típica que se presenta en la tabla 6.4: Tabla 6.4. Granulometría típica del polvo en una carretera asfaltada. Tamaño Porcentaje (%)

< 1 µm

de 1 a 3 µm

de 3 a 5 µm

de 5 a 10 µm

de 10 a 50 µm

0,07

0,2

1,73

60

38

Tal como refleja la anterior tabla, el porcentaje más importante corresponde con los tamaños de partículas potencialmente más nefastos para el desgaste del motor, por todo ello y ya se ha comentado anteriormente la necesidad de un filtrado muy cuidadoso del aire de alimentación del motor y que es importante lograr un límite real y permanente de filtrado de partículas del orden de 5 µm 2. Contenido de polvo atmosférico Aunque como ya se ha comentado anteriormente, existen algunas influencias marginales sobre la concentración de polvo en el aire, como son: altura de la toma respecto al suelo, posición del vehículo en relación a los demás en una columna, separación de los vehículos en la columna, etc., ésta depende principalmente del tipo de aplicación. A continuación se presentan concentraciones medias en campos de aplicación típicos, datos extraídos de [Blumenstock, K. U.; 1989] y [Fygueroa, S.; 1994] • •

0,6 mg/m3 para camión en tráfico europeo normal por carretera. 8 mg/m3 para camión en obras.


• • • • •

261

5 mg/m3 para autobuses con aspiración trasera en tráfico europeo normal por carretera. 30 mg/m3 para autobuses con aspiración trasera en tráfico extraeuropeo por carretera 250 mg/m3 para motores de tractores agrícolas. 1000 mg/m3 para motores de vehículos de obras públicas. 3000 mg/m3 para motores de vehículos moviéndose en viento de arena.

Tal como se ha presentado anteriormente el desgaste abrasivo es directamente proporcional a la concentración de partículas y que el producido por igual cantidad de un mismo tipo de polvo es independiente del tiempo que tarda el motor en absorberlo. 3. Tipo de abrasivo. Los polvos se componen en su mayoría, en un 70% como mínimo, de sílice (SiO2) siendo el resto de su composición óxidos metálicos (CaO, MgO, Fe2O3 y Al2O3). Desde el punto de vista del desgaste abrasivo, una de las características fundamentales del polvo es su dureza; en la escala de Mohr el sílice se encuentra por encima del acero y del cromo a los cuales está en capacidad de rayar, por esta razón el polvo atmosférico es altamente abrasivo para los motores. En la tabla siguiente 6.5, se presenta la influencia de las características de los principales abrasivos presentes en el aire atmosférico, sobre el desgaste del segmento de fuego, en ella se establece claramente la influencia nociva de la dureza de los contaminantes, tanto sobre el desgaste instantáneo en el momento de la introducción, como sobre el desgaste remanente debido al reciclado por el aceite de las fracciones que permanecen en el motor. Tabla 6.5. Influencia del tipo de partícula sobre el desgaste del segmento de fuego. Partícula MgO CrO CaO Fe2O3 Al2O3 Corindón

Diámetro medio 2,5 1,0 1,2 2,8 2,1 1,9

Diámetro máximo 5,0 2,0 2,4 5,7 4,3 3,7

Dureza Mohr 4 6 6 6 9 10

Desgaste (mg/mg de polvo) Instantáneo Remanente 0,06 0,05 0,06 0,07 0,12 0,32

0 0,08 0,09 0,04 0,11 0,14

262


4. Modo de funcionamiento del motor El régimen de giro del motor así como el grado de carga a que está sometido el mismo son parámetros que también afectan a la tasa de desgaste del mismo. A mayor grado de carga [Treuhaft, M. B.; 1993], el desgaste es creciente así como a mayor régimen de giro del mismo también se observa una mayor tasa de desgaste. Parece lógico que mayor grado de carga produzca una mayor tasa de desgaste al considerar que las cargas que soportan los diferentes elementos son mayores, aunque no parece tan claro el efecto del régimen de giro, teniendo en cuenta que la mayor velocidad provoca una mejor formación de la película de lubricante. En este caso parece que el efecto más contraproducente es el mayor numero de ciclos de paso de partículas por unidad de tiempo que supera a la mejoría que podría suponerse por el efecto de la velocidad sobre la formación de la película de aceite. 5. Efecto del tipo de aceite El tipo de aceite utilizado va a ser un parámetro a tener en cuenta en la tasa de desgaste, así se ha comprobado que aceites más aditivados con componentes anti-desgaste presentan tasas de desgaste menores que aquellos aceites con menor cantidad de este tipo de aditivos. Control del desgaste abrasivo. El remedio más utilizado para combatir el desgaste abrasivo es la filtración de todos los fluidos que puedan entrar en contacto con las partes internas del motor. Puesto que los mecanismos de filtración son imperfectos, mediante esta acción no se consigue reducir por completo el desgaste abrasivo. Por esta razón se deben adoptar además soluciones tecnológicas y fundamentalmente metalúrgicas adecuadas. Desde este punto de vista, los materiales duros son los que proporcionan mejores resultados, y entre estos, como en el caso del desgaste adhesivo y corrosivo, los revestimientos cromados son los más efectivos.

Consecuencias del desgaste del grupo pistón – segmentos – camisa.

El carácter ineludible, pero progresivo del desgaste de este grupo, no origina una parada brutal del motor, sin previo aviso, sino que se manifiesta por los efectos siguientes:

Pérdida de potencia. El desgaste de los segmentos y la camisa, reduce la hermeticidad de la cámara de combustión, lo cual se traduce en una disminución de la presión de compresión, que puede provocar una


263

combustión incompleta y conducir a una reducción de las presiones máximas de combustión y por lo tanto de la presión media efectiva y la potencia del motor. Otra consecuencia del desgaste es que produce un crecimiento del consumo de aceite en la zona de segmentos, que aumenta los depósitos en la cámara de combustión, pudiéndose producir encendidos anormales que conducen también a una reducción de la potencia. Molestias para el usuario. Las perdidas de potencia cuando el par externo es constante se traducen en una disminución del régimen máximo, lo que no se puede permitir en algunas aplicaciones industriales como accionamiento de compresores, bombas o grupos electrógenos. Aunque el motor puede continuar en servicio, el desgaste de segmentos aumenta los costes de explotación. La pérdida de estanqueidad de los segmentos aumenta el consumo de aceite para mantener el nivel del cárter constante y también el consumo específico de combustible como consecuencia de la pérdida de rendimiento. Reducción de la vida del motor. El desgaste de los segmentos influye sobre el comportamiento y duración de otros elementos del motor. La pérdida de estanqueidad de estos supone, para un mismo periodo de cambio de aceite, que se incremente la contaminación, alteración y dilución del aceite, disminuyendo la calidad del lubricante en servicio. A consecuencia de esto, aumenta la tendencia a la formación de depósitos y al desgaste de otras piezas del motor y de los mismos segmentos, es decir, el desgaste es autoacelerado.

6.2.2. Desgaste de cojinetes Los cojinetes se utilizan para proteger los árboles, debiendo desgastarse antes que estos, puesto que son piezas de mayor importancia; como también deben transmitir elevadas cargas, es necesario que entre ellos y los árboles se establezca y permanezca una película de lubricante permanente cuyo espesor es variable con el tiempo, siendo su valor promedio entre 4 o 5 µm según que el cojinete sea rígido o elástico; valor que condiciona la presencia o no de desgaste.

Desgaste adhesivo.

En condiciones ideales de lubricación hidrodinámica, caracterizadas por un coeficiente de Stribeck elevado, no debe presentarse este tipo de desgaste. Para valores del coeficiente inferiores al crítico, se produce un incremento de la fricción debido a la lubricación límite, que puede ser muy pronunciado. Si la reducción del

264


espesor de la película es muy acentuada, se puede romper y producirse un fallo por desgaste adhesivo.

Factores que influyen sobre el desgaste adhesivo.

Los factores que influyen sobre el desgaste adhesivo se han estudiado midiendo como varia la resistencia eléctrica existente entre el eje y su cojinete, que es directamente proporcional al espesor de la película lubricante. Al aumentar la carga sobre el cojinete, es mayor la zona en que la resistencia eléctrica baja y por lo tanto en más ocasiones se rompe la película de lubricante. El tipo de carga influye significativamente en el comportamiento del cojinete; puede soportar mayores cargas dinámicas que estáticas sin desgastarse debido a su corta duración, que no permite que el aceite sea expulsado y a que el calor transmitido se distribuye por toda su periferia. Al crecer la velocidad de rotación del eje, mejoran sensiblemente las características de lubricación, es de suponer que para velocidades superiores se logre evitar totalmente la rotura de la película de aceite. La temperatura, que no aparece en el coeficiente de Stribeck, influye por medio de la viscosidad puesto que entre ellas existe una relación inversa. Todo aumento de la viscosidad supone una mejora de las características de la lubricación, aunque se incrementan las dificultades de bombeo del aceite y aumentan las pérdidas por fricción viscosa. La elevación de la temperatura actúa perjudicialmente por la reducción de la viscosidad que origina; un incremento de la temperatura del aceite, del orden de 10 ºC supone un cambio radical en las características de lubricación. La viscosidad del aceite que trabaja dentro del motor, se ha demostrado en recientes investigaciones, depende primariamente de la temperatura del cigüeñal, que es a su vez función del balance entre el suministro y la cesión de calor a este. La última se efectúa principalmente por intermedio del lubricante que llega a los cojinetes de bancada por ser su caudal mayor que el que va a los cojinetes de biela. La estructura del material es otro elemento importante a tener en cuenta en el desgaste adhesivo en cojinetes. Los cojinetes de material uniforme no son los más aptos para conformarse y resistir la carga simultáneamente. Existen dos tipos de mezclas de materiales para cumplir estas funciones: la de tipo A, de base blanda reforzada con fibras de material duro y la de tipo B, de base dura impregnada de material blando, como las aleaciones de cobre-plomo, bronce-plomo y aluminioestaño. Los cojinetes de material del primer tipo son más conformables, de menor dureza promedio y de inferior capacidad para transmitir carga que los de material tipo B. Ejemplos de materiales de tipo A son los metales blancos y los plásticos.


265

El rodaje es otro factor que influye sobre el desgaste adhesivo de los cojinetes puesto que mejora su rugosidad superficial y su contorno para obtener un mejor asiento del árbol. A medida que aumenta el tiempo de rodaje, mejoran grandemente las condiciones de lubricación; al aumentar el rodaje, la lubricación hidrodinámica se obtiene para valores menores del coeficiente de Stribeck, lo que implica una mejora sustancial de las características de lubricación.

Desgaste corrosivo.

Se produce cuando el lubricante ataca químicamente alguno de los metales que constituyen el cojinete. Como consecuencia se puede desprender una pequeña cantidad de material del cojinete o se puede depositar sobre su superficie el compuesto resultante de la reacción química. Los agentes que promueven la corrosión son los productos ácidos de la degradación del aceite y de las reacciones de combustión. Como ejemplo, algunos autores [Thomas, J. R.; 1957] proponen un mecanismo de corrosión sobre los cojinetes de cobre-plomo tal como se expresa en las ecuaciones siguientes: Pb + ROOR’ → PbO + ROR’ PbO + 2HA → PbA2 + H2O

Ec. (6.2) Ec. (6.3)

Donde ROOR’ es un peróxido o un hidroperóxido y HA es un ácido orgánico. Ambos, el peróxido y el ácido son formados por la propia oxidación del lubricante. Con este mecanismo la pérdida de cobre es insignificante comparada con la de plomo, lo que se traduce corrientemente en una desaparición selectiva del plomo dejando intactos los cristales de cobre.

Figura 6.7. Corrosión de la fase de plomo en un cojinete de cobre-plomo.

266


Factores que influyen sobre el desgaste corrosivo.

Este tipo de desgaste depende de diversos factores, los principales son: tipo de motor, naturaleza, estructura y homogeneidad de las aleaciones, acabado superficial del material, juego de montaje, condiciones de utilización, temperaturas de funcionamiento y lubricante empleado. En cuanto a la temperatura, parece que existe un valor crítico a partir del cual la tasa de desgaste corrosivo crece rápidamente. Las reacciones de corrosión se caracterizan por poseer un periodo de inducción, durante el cual la pérdida de materia es muy pequeña, para después aumentar de manera relativamente rápida. Respecto a la estructura del material del cojinete, [Love, P.; 1953] estableció que la microestructura del mismo, que puede variar según el método de colado de que proviene, es factor de primordial importancia en su comportamiento; las estructuras de grano fino son preferibles a las de grano grueso. Referente al tipo de material del cojinete, los metales blancos son mas resistentes a la corrosión, pero poseen una reducida resistencia a la fatiga mecánica. Cuando la carga es elevada, es preferible la utilización de cojinetes de aleación cobre-plomo, generalmente producidos por sinterizado que presentan la desventaja de que por ser el plomo insoluble en el cobre, es atacado por los constituyentes activos del aceite y por esta razón los cojinetes de este tipo poseen una capa protectora de material menos corroible: metal blanco, plata o indio.

Figura 6.8. Ataque ácido sobre los componentes de un cojinete. La influencia del lubricante como en el caso de la corrosión de los cilindros, está representada por sus aditivos; en general, la reserva alcalina neutraliza los productos ácidos de la combustión y de la degradación del aceite


267

protegiendo los cojinetes de la corrosión. Igual finalidad se puede obtener con los aditivos que forman películas protectoras sobre la superficie del cojinete.

Desgaste abrasivo.

En los cojinetes de los motores sólo se presenta uno de los tipos de desgaste abrasivo, el producido por las partículas abrasivas presentes en el lubricante, ya sea incluidas en los metales antifricción o presentes entre los metales que forma la pareja deslizante.

Figura 6.9. Desgaste abrasivo por entrada de material de desgaste sin filtrar por obstrucción del filtro y empleo de la válvula de by-pass.

Factores que influyen sobre el desgaste abrasivo.

La dureza de las partículas influye sobre el desgaste abrasivo, puesto que cuanto más duras sean estas, mayor será el desgaste producido. La velocidad del desgaste abrasivo es función de la dureza relativa entre las superficies sujetas a desgaste y las partículas abrasivas. Cuando la dureza del abrasivo es menor que las de las superficies, se produce un decrecimiento de la velocidad a la cual estas se desgastan. Respecto a la influencia de la granulometría, [Nathan, A.; 1974] comprobó que el volumen de desgaste abrasivo aumenta linealmente con el tamaño de las partículas, estableciéndose diferentes zonas de desgaste. En la primera, el desgaste producido por partículas de hasta 70 µm, es muy grande; mientras que en la segunda al ser producido por partículas de tamaño superior a las 150 µm, el desgaste es muy bajo. Entre los dos comportamientos existe una zona de transición, en donde el comportamiento no es lineal. Otros investigadores sostienen que el desgaste abrasivo es independiente del tamaño medio de las partículas. Para esclarecer esta aparente contradicción,

268


[Nathan, A.; 1974] llevó a cabo varios ensayos con diferentes cargas, observando que para las pequeñas puede considerarse el volumen de desgaste independiente del tamaño medio de las partículas, mientras que para las mayores esta afirmación no es cierta. Por cuanto respecta a la influencia de la cantidad de abrasivo, algunos autores como [Babichev, J.; 1971] están de acuerdo en que la cantidad de desgaste es independiente de la cantidad de abrasivo, cuando este sobrepasa una cierta concentración mínima. Otros, han encontrado leyes de variación en las que el desgaste depende de las concentración de abrasivo. En lo que si están de acuerdo ambos autores es en que existe una cierta concentración a partir de la cual el crecimiento del desgaste es más moderado al aumentar la concentración de abrasivo.

6.2.3. Desgaste del sistema de distribución. El sistema de distribución es el encargado de dirigir, ordenar y controlar los procesos de renovación de la carga del motor para lograr las características de rendimiento volumétrico previstas en diseño. Por esta razón cumple con un papel muy importante en el funcionamiento del motor, por lo cual podríamos colocarlo en segundo lugar en orden de importancia, después del mecanismo alternativo que es esencial.

Desgaste del conjunto leva-empujador.

El contacto leva empujador es crítico pues en él se combinan movimientos de deslizamiento y rodadura presentándose contactos concentrados con elevados valores pico de los esfuerzos de contacto, que pueden producir graves fallos de lubricación y por consiguiente elevado desgaste.

Tipos de desgaste:

A consecuencia de las elevadas cargas, de las relativamente bajas velocidades existentes entre las levas y sus empujadores y debido a la geometría del contacto, la lubricación existente entre estas piezas es de tipo elastohidrodinámico. En este caso el flujo de aceite hacia el contacto es obligado por el movimiento de las superficies y el espesor de la película lubricante depende de la velocidad relativa de alimentación. Cuando el empujador es plano se presentan condiciones en las cuales la línea de contacto de la leva atraviesa totalmente la superficie de este, de manera que su movimiento respecto a la leva es hacia atrás; si la velocidad de este movimiento se iguala a la de la superficie de la leva hacia delante, la velocidad relativa de alimentación se anula; bajo estas


269

circunstancias el mecanismo de lubricación falla y el lubricante es expulsado de la zona de contacto pasando la lubricación a hidrodinámica límite. En este caso la interfase empujador-leva está sometida a elevado desgaste adhesivo causado por el reducido espesor de la película de aceite; además, las minúsculas partículas que circulan en el lubricante pueden poner en contacto las dos superficies y producir desgaste abrasivo. El desgaste por fatiga es el predominante a baja velocidad, y en ciertos regímenes ligados a las frecuencias propias de vibración de los muelles de las válvulas que pueden afectar la continuidad del contacto entre levas y empujadores, causando choques que incrementan los esfuerzos. Este tipo de desgaste depende de la metalurgia, de la tecnología y muy poco del lubricante. Sin embargo, algunos aceites por su composición, pueden originar un desgaste químico sobre las superficies, puliéndolas en exceso y haciéndolas muy diferentes a las originales.

Factores que influyen en el desgaste.

Para disminuir los problemas de desgaste entre levas y empujadores, se debe actuar sobre la tecnología del sistema mecánico, los materiales y piezas que lo constituyen y el aceite lubricante. Actuar sobre el aceite lubricante parece la solución más sencilla, pero no es así debido a la diversidad de mecanismos de desgaste que intervienen. Ciertos aditivos capaces de reducir el gripado, pueden producir corrosiones intergranulares que reducen la resistencia a la fatiga y llevan a la formación de escamas en los empujadores; puede también producirse desgaste rápido por pulido químico. Se deduce por lo tanto que antes de intentar disminuir el desgaste actuando sobre el aceite, es mas prudente proceder sobre las soluciones tecnológicas y metalúrgicas, con el inconveniente de que esto sólo se puede hacer durante el proceso de diseño.

Metalurgia

Los empujadores de fundición colada en molde, son especialmente sensibles al desgaste por fatiga, para evitar este inconveniente se utilizan empujadores de acero, fundición endurecida o fundición aleada colada en molde. Las levas de fundición se desgastan mucho menos por descamación, especialmente cuando están asociadas a empujadores de acero. Cuando se utilizan levas y empujadores de acero la tendencia al microgripado es bastante acentuada. Corrientemente, el desgaste está repartido por igual entre levas y empujadores, excepto en el caso de levas de fundición y empujadores de acero o fundición endurecida, en el que sólo el empujador se desgasta fuertemente.

270


Tecnología.

Las perturbaciones que se presentan en levas y empujadores al incrementar los regímenes de giro del motor, se eliminan recurriendo a soluciones muy elaboradas, tales como los empujadores de rodillo, que suprimen la fricción por rodadura, o los árboles de levas en culata para reducir los esfuerzos de inercia al acortar la cadena cinemática. Existen otras soluciones más sencillas y económicas derivadas de un estudio profundo del perfil de la leva. Si el circulo de base es muy pequeño, el frenado del empujador no puede conseguirse sino con una punta de leva de radio muy pequeño, que por esta razón está sometida a esfuerzos térmicos y mecánicos muy elevados, lo que acentúa la fatiga y la tendencia al gripado. Si el círculo base es muy amplio, las velocidades de deslizamiento son elevadas, con riesgo de gripado y desgaste químico. En la práctica, lo ideal es diseñar los perfiles de leva de manera que las aceleraciones positivas de los empujadores sean rápidas, y las negativas lentas con transición brusca. Esto puede producir vibraciones y por tanto es indispensable llegar a una solución de compromiso entre el silencio, la comodidad, y el rendimiento volumétrico.

Aceite.

Para reducir el microgripado, un aditivo muy eficaz es el ZDDP, si su concentración es muy alta, puede iniciarse rápidamente el desgaste por ataque químico, que puede tener como consecuencia el desgaste por fatiga. El modo global de actuación de este aditivo es bastante complejo; acelera la adaptación macrogeométrica de las superficies por el pulido químico iniciado por las temperaturas elevadas y forma películas superficiales fuertemente ligadas a las superficies frotantes que las dotan de propiedades antigripantes. Además, puede iniciar la formación de superficies que resisten muy bien el desgaste a causa de su acción química selectiva frente a los distintos componentes metalúrgicos de las piezas. La eficacia e inocuidad de los ditiofosfatos es difícil de predecir a no ser que se efectúen ensayos en un elevado número de motores representativos de un parque, debido a los comportamientos variables y a las ligeras diferencias de composición del aditivo que pueden modificar su reactividad y por lo tanto sus propiedades antidesgaste.


271

Consecuencias del desgaste del conjunto:

Los desgastes producidos entre levas y empujadores pueden distinguirse en dos grupos: • •

Los que implican un aumento del juego de la cadena cinemática leva-válvula. Los que modifican los perfiles de las levas o empujadores y hacen variar la ley de apertura y cierre de las válvulas.

Los del primer grupo se consideran normales cuando no son demasiado exagerados, ya que están previstos y se dispone de mecanismos para regular periódicamente los juegos de la cadena leva-válvula. Los desgastes que modifican los perfiles de las levas son más graves, ya que pueden variar profundamente el rendimiento volumétrico previsto en el diseño para el motor.

6.2.4. Desgaste del conjunto balancín-cola de válvula. Es poco frecuente y sus consecuencias no son muy graves, pero sumado a los desgastes de levas y empujadores puede hacer más frecuentes los reajustes de los juegos de válvulas. Generalmente es de tipo adhesivo, presentando gripados mas o menos profundos, causados por lubricación insuficiente, utilización de aceite de viscosidad inadecuada o utilización de muelles de válvula demasiado tensos. La tendencia moderna de usar muelles de carga elevada, tiende a aumentar la frecuencia de este desgaste, razón por la cual se debe seleccionar cuidadosamente el aceite en lo referente a la protección que brinda respecto al desgaste de las colas de válvula. Aunque los aditivos antidesgaste son muy aptos para disminuir los desgastes de levas y empujadores, lo son poco para reducir los desgastes de la colas de válvula; pues se ha comprobado la presencia de los últimos sin que sean apreciables los primeros. Parece que la viscosidad presenta también una gran influencia en el desgaste, que se puede atribuir al choque que tiene lugar al ponerse en contacto la válvula y el balancín, golpe que es más intenso al estar más cargado el muelle de la válvula, y que tiende a aplastar la película de aceite interpuesta, lo que favorece el desgaste adhesivo de la cola de la válvula al desplazarse el punto de ataque del balancín sobre ella. Para controlar este desgaste, es muy importante la correcta selección de los materiales de las piezas en contacto; desde este punto de vista, es recomendable el uso de aceros de elevada dureza y aún el cromado superficial de la cola de válvula

272


6.2.5. Desgastes de casquillos. Los balancines o seguidores están soportados en algunos casos por casquillos de cobre o bronce, que están débilmente solicitados y poseen un movimiento bastante restringido. A causa de las altas temperaturas presentes y del escaso suministro de aceite, pueden estar lubricados por una película de aceite muy delgada, de espesor inferior al de las partículas arrastradas por el lubricante; además en el arranque en frío, se presenta adicionalmente un periodo transitorio del orden de minutos en que la alimentación de aceite es muy pobre hasta que su presión llega a los casquillos. Durante estos periodos de lubricación insuficiente, se puede presentar un severo desgaste abrasivo y escoriación de primer grado de los casquillos.

6.2.6. Desgaste del conjunto vástago de válvula-guía. No suelen ser las consecuencias del desgaste de este conjunto tan graves como las del grupo leva-empujador; sin embargo, en caso de que los desgastes del conjunto pistón-camisa-segmentos y levas-empujadores no sean muy acusados, el desgaste del vástago y guía de válvula puede contribuir de forma importante al envejecimiento del motor.

Tipos de desgaste. Desgastes normales:

Los juegos iniciales entre el vástago de válvula y su correspondiente guía son siempre pequeños, para que la guía cumpla su función de colocar con exactitud la cabeza de la válvula en su asiento y para que se refrigere eficazmente el vástago a través de ella; en servicio estos juegos se reducen a causa de las dilataciones térmicas. Como consecuencia, el espesor de la película de aceite entre vástagos y guías es muy débil, por lo que el régimen de lubricación es límite y por tanto el desgaste susceptible de aparecer es el adhesivo. También puede producirse desgaste abrasivo o corrosivo, con mecanismos de generación semejantes a los ya citados; estos desgastes se pueden considerar como normales, pues no afectan de manera importante al comportamiento del mecanismo de válvulas, siempre y cuando los juegos en frío no superen el doble de los iniciales.

Desgastes anormales:


273

Si provienen de una abrasión o corrosión demasiado elevada, probablemente el conjunto del motor esté igualmente afectado, por lo que los remedios a adoptar conciernen a todo el motor. Causas específicas del desgaste de vástagos y guías de válvulas, pueden ser: • • •

Deficiente lubricación y defectos u obstrucciones del circuito de alimentación de los balancines. Utilización de un aceite de viscosidad inadecuada. Temperatura del vástago y guía demasiado elevada que volatiliza instantáneamente la película de aceite

En todos los casos, si se prolonga excesivamente el funcionamiento en seco, se pueden producir gripados o rayados del vástago y de la guía que originan un desgaste rápido.

Desgaste acampanado de la extremidad de la guía.

Cuando hay una lubricación demasiado abundante de la guía y simultáneamente se encuentra a alta temperatura, se forman depósitos carbonosos de aceite que se concentran en su zona más caliente, el extremo mas próximo a la cabeza de válvula. Los depósitos acumulados son comprimidos fuertemente al reducirse los juegos por enfriamiento, pudiendo perturbar el posterior deslizamiento del vástago o provocar el desgaste acampanado de la guía.

Desgaste en diábolo.

Es el desgaste acampanado de ambos extremos de la guía, originado por empujes laterales sobre el vástago demasiado fuertes, debidos al empleo de balancines muy cortos, a una excentricidad del asiento de la válvula respecto a su apoyo y por lo tanto respecto a la guía, o a muelles de válvula mal encuadrados o desencajados de su asiento. Los desgastes en diábolo y acampando, facilitan la formación de depósitos sobre los vástagos de las válvulas y por tanto, terminan bloqueándolas.

Control del desgaste del conjunto.

Primeramente, es esencial que los materiales de los vástagos y guías de válvulas estén bien adaptados. Para los vástagos se emplean aceros austeníticos aleados que conservan en caliente su dureza, pudiendo recibir un tratamiento o

274


revestimiento superficial de cromo. Para las guías se emplea fundición grafítica o bronce fosforado. La disposición de las guías en la culata debe ser muy bien estudiada y su montaje debe realizarse adecuadamente, evitando su alargamiento o achaflanarlas en su extremo más caliente. Por último, la lubricación es un factor preponderante; debe llegarse a una solución de compromiso entre la necesidad de asegurar la lubricación y la de minimizar el consumo de aceite, cuyo control se puede hacer con juntas de sellado. No sólo es importante la presencia del lubricante, es necesario, sobre todo durante el escape, que a pesar de las altas temperaturas el aceite conserve intactas sus propiedades: viscosidad, volatilidad, resistencia a la oxidación, detergencia y untuosidad.

Consecuencias del desgaste:

El desgaste de vástagos y guías aumenta el juego existente entre ellos, produciendo un aumento del consumo de aceite, que puede llegar a duplicar el que se consume en los segmentos. Este desgaste es autoacelerado, ya que al mismo tiempo que pasa el aceite, aumenta el paso de gases de escape por los juegos entre vástago y guía lo que incrementa la tendencia a la carbonización del aceite, y por tanto a que se produzcan depósitos, que a su vez generan desgaste por compresión o hasta por abrasión. La acumulación de depósitos puede llevar al bloqueo de la válvula en una posición entreabierta, con el riesgo de ser golpeada por el pistón al acercarse al punto muerto superior. El desgaste en diábolo produce una excentricidad del apoyo de la válvula respecto a su asiento; cuando es muy alta (unas 7 µm) causa un cierre defectuoso de la válvula que tiene como consecuencia una pérdida de la compresión y un desgaste del asiento por fricción deslizante, que por su continuidad acaba inutilizando el sistema.

6.2.7. Desgaste de los asientos y apoyos de la válvula. Estas zonas del motor se consideran actualmente como críticas desde el punto de vista de la vida útil del motor. Los problemas que se presentan debidos al desgaste están condicionados principalmente por factores tecnológicos y metalúrgicos. La temperatura a la que están sometidos los materiales de los asientos y apoyos de válvula y sus tratamientos térmicos, son los atributos que más influyen en su comportamiento frente al desgaste.


275

En estos problemas el lubricante no interviene, a excepción de su participación en la formación de depósitos que modifican los flujos de calor y disminuyen la estanqueidad de las válvulas, aumentando el riesgo de que se fundan. Los aceites detergentes intervienen positivamente en el sentido de mejorar el estado de las válvulas de escape, reduciendo la formación de depósitos sobre los asientos y guías de válvulas.

6.2.8. Desgaste de los engranajes de la distribución. En algunos motores Diesel pequeños y medianos el accionamiento del sistema de distribución es por engranajes. A medida que los dientes de estos engranan y desengranan se presenta un ciclo de contacto que varía entre el deslizamiento y la rodadura. Aunque los engranajes transmiten cargas relativamente moderadas, las superficies de contacto son muy pequeñas y por lo tanto las presiones de contacto resultan elevadas. Normalmente no se debe producir desgaste adhesivo notable, ya que las condiciones de lubricación desde este punto de vista no son severas, pues las temperaturas de funcionamiento son bajas y se puede suministrar aceite con abundancia sin que esto constituya riesgo de aumentar el consumo. Los casos de desgaste adhesivo de los dientes de engranajes que a veces aparecen en la práctica, se deben a errores de concepción o de realización tecnológica o metalúrgica, frente a los cuales los aceites no pueden solucionar nada; algunas de las posibles causas son: • • • • •

Caudal de aceite insuficiente debido a un circuito de lubricación mal diseñado. Falta de paralelismo de los ejes. Superficie de apoyo de los dientes insuficiente para la viscosidad del aceite. Estado inicial de las superficies muy basto. Materiales mal seleccionados o tratamiento superficial inadecuado.

Las partículas contaminantes de tamaño superior a 1 µm producen desgaste abrasivo de los engranajes a causa del deslizamiento de los dientes y fatiga superficial a causa de su rodadura.

276


6.3. Obtención de la tasa de desgaste de un motor. El fenómeno del desgaste de las piezas del motor es uno de los más importantes y más negativos que se presentan en el mismo. Anteriormente se han presentado diferentes métodos utilizados en aras de cuantificar el desgaste, en concreto, la medida de las concentraciones metálicas en el aceite mediante la técnica de la espectrometría es una de las herramientas más potentes y ampliamente aceptadas en el campo del diagnóstico por análisis de aceite. Sin embargo, los valores de las concentraciones medidas de partículas metálicas no expresan la contaminación real que ha sufrido el aceite, ya que estas están afectadas por una serie de factores, que en general reducen la concentración que realmente debería existir en el aceite y no expresan la contaminación real del mismo. Es por ello, que se hace necesario un tratamiento más profundo de los resultados analíticos de cara a determinar el fenómeno de desgaste real que está sufriendo el motor. El parámetro realmente interesante para evaluar y realizar un diagnóstico debería ser la tasa de aporte de metal o velocidad de desgaste o contaminación, pudiendo de esta forma evaluar si ésta es normal o es excesiva. La determinación más acertada de la tasa o velocidad de desgaste que se está produciendo en el motor nos servirá para realizar una evaluación más exacta y adecuada de la severidad del mismo y del riesgo de los posibles fallos involucrados. Los factores que van a afectar a las concentraciones de elementos metálicos medidas en laboratorio y por tanto a la determinación de la tasa de desgaste son las siguientes:

Técnicas de medición empleada. Consumo de aceite y reposiciones efectuadas Filtrado del aceite Composición del propio aceite Tiempo de servicio del aceite

6.3.1. Influencia de las técnicas de medida empleadas. Los equipos utilizados para el análisis de aceite y la técnica de medición empleada, introducen una serie de errores en las concentraciones medidas. Estos errores generalmente son intrínsecos a los propios equipos, sin embargo el no


277

considerar su influencia sobre los valores en que se basa el diagnóstico puede llevar a una evaluación errónea del estado del motor. La influencia de las técnicas de medición se puede resumir en que ninguna de las utilizadas actualmente para el análisis del aceite mide exactamente las concentraciones reales de las partículas metálicas contaminantes, ya que sólo son sensibles a determinados tamaños de partículas. A continuación se presenta en la tabla (6.6) una comparativa del efecto de limitación del tamaño de partículas en los diferentes tipos de espectrómetros que se emplean en análisis de aceites usados. Tabla 6.6. Espectrómetros para el análisis de partículas de desgaste. (Extraído de [Roylance, B. J., 1999]). Tipo de espectrómetro AAS (Absorción atómica) AES (Emisión atómica) DCP (Corriente de plasma directa) FT-IR (Espectrometría de Infrarrojos por Transformada de Fourier)

Limitación de tamaño 1 µm Hasta 5 µm Hasta 5 µm

No influye, el espectro es generado para el contenido total ICP (Acoplamiento inductivo de Hasta 8-10 µm plasma) aprox. Busca compuestos mas que partículas disco Hasta 15 µm

Observaciones Análisis lento, 30 s por elemento Análisis lento Bajo coste No válido para comparativas de aditivos de aceite Ampliamente utilizado para medida de partículas de desgaste

MS (Espectrometría de masas)

RDE (Electrodo de rotatorio) XRF (Fluorescencia de rayos X) Capacidad de analizar polvos finos.

Uso en análisis directo de aceite Elementos y aleaciones específicas puede ser buscados.

En el campo de la espectrometría que presenta múltiples ventajas asociadas a su rapidez de trabajo y precisión, la limitación que impone el tamaño de las partículas para su detección es el principal inconveniente la misma. Aunque ya hemos visto como se tiende hacia planteamientos que ayuden a superar dicha limitación o al menos a ampliar el margen de tamaño de detección (caso de la espectrometría XRF).

278


De todas formas, puede aceptarse que ante el desgaste en un elemento, la tasa de crecimiento de partículas pequeñas puede utilizarse como síntoma para el diagnóstico, aunque la variación se produce de forma más acusada en las partículas de tamaños superiores, sobre todo ante fallos considerados catastróficos, tal y como puede verse en la siguiente figura 6.10.

Figura 6.10. Evolución de la formación de partículas de diferentes tamaños en el proceso de desgaste. Adaptado de [ASM Handbook, 1992]. Además, para corregir el error que se comete con el equipo de medida es necesario conocer la distribución de las partículas en el aceite (dependiente del tipo de fallo), el mecanismo de desgaste, etc. las cuales no se pueden advertir con anterioridad, razón por la cual no es posible la corrección. Sin embargo en la práctica se puede suponer que el error introducido por la técnica utilizada es sistemático siempre y cuando las medidas se hagan con el mismo equipo, por lo que su influencia sobre la velocidad de contaminación es nula, tal como se observa en la figura 6.11.


279

Concentración de hierro (ppm)

140

120

REAL 100

MEDIDA 80

60

40 6000

8000

10000

Periodo de uso del aceite (km)

12000

Figura 6.11. Error introducido por la técnica de medida (adaptado de [Fygueroa, 1994]).

6.3.2. Influencia del consumo, reposición, filtrado y composición del aceite Las reposiciones de aceite, consecuencia del consumo interno del mismo o de la presencia de fugas externas tiene un efecto de enmascaramiento de las medidas de concentración de los contaminantes, debido a ello, se hace necesario compensar su efecto sobre los resultados de los análisis. En el consumo de aceite atendiendo a las dos posibles vías que tenemos, los efectos sobre las concentraciones son inversos. En el proceso de evaporación y combustión del aceite, fundamentalmente en la cámara de combustión, estamos teniendo una pérdida de masa de aceite pero no de contaminantes. En el proceso de fuga directa, podemos suponer que el aceite perdido arrastra consigo los contaminantes presentes en su seno. Atendiendo a las proporciones o presencia de cada uno de estos fenómenos las concentraciones presentes en el aceite se verán afectadas. El efecto de las reposiciones de aceite nuevo producirá en todos los casos un efecto de dilución de dichas concentraciones, efecto que también habrá que corregir.

280


Por último el filtro de aceite retiene una cantidad importante de partículas, que depende, del estado y eficiencia de retención del filtro y de su distribución en el aceite. Actualmente la eficiencia de retención es superior al 90% para partículas de tamaños superiores a 10 µm. La influencia de estos fenómenos en el aceite ha sido considerada por numerosos investigadores en este campo, ya en 1961, Rigaux propuso un modelo de cálculo de las concentraciones de las partículas metálicas en el aceite del cárter de un motor, suponiendo una velocidad de contaminación y consumo de aceite constantes y sin tener en cuenta el efecto del filtro de aceite y de los añadidos. Rigaux obtuvo la siguiente expresión para la concentración de un contaminante metálico del aceite en función del periodo de uso.

C (t ) =

β mA

t+

β ⋅ qc 2mA

2

t 2 + Cte

Ec. (6.4)

siendo: qc: consumo de aceite por km de uso [kg/km] mA: masa total de aceite dentro del cárter [kg]

β: masa de contaminante metálico generada por km de funcionamiento del motor (constante) [kg/km]. La ecuación 6.4 establece que en ausencia de cualquier influencia externa sobre el lubricante, como el filtrado y los añadidos de aceite, la concentración de un metal de desgaste varía de forma cuadrática con el periodo de uso del mismo. Cuando se efectúan añadidos continuos para compensar el consumo, la concentración se reduce y toma el valor:

C (t ) =

β mA

t + Cte

Ec. (6.5)

Por lo tanto, la constante representa la concentración inicial del aceite y el término cuadrático de la ecuación 6.4 es representativo de la pérdida de concentración por efecto de los añadidos. La presencia adicional de un filtrado de eficiencia de retención f, reduce aún mas la concentración hasta un valor de:


C (t ) = (1 − f ) ⋅

β mA

281

t + Cte

Ec. (6.6)

80

β = 50 mg/h


60

40

β = 20 mg/h

20

β = 10 mg/h

0 0

5

10

15

Periodo de uso del aceite

20

25

Figura 6.12. Evolución de la concentración metálica en el aceite según Rigaux a distintas tasas de contaminación, sin considerar añadidos y considerándolos. Posteriormente, [Pérez, R.; 1976] desarrolló un modelo para calcular la velocidad media de contaminación del aceite Pa y obtuvo la siguiente ecuación

A A A   + − 1 1 − 2V 0  V 0 n ⋅ V 0 V 0 Cm 0  Pa = Cm(T ) −   A A T   2− 2− n ⋅ V0 n ⋅ V0  

Ec. (6.7)

En la misma se tiene en cuenta el efecto de los añadidos de aceite suponiendo intervalos de adición constantes, se consideran el número de veces n, en que se realizan los añadidos A, durante el tiempo T de servicio de un volumen V0 de aceite. El cálculo de la velocidad media de contaminación constante en el intervalo considerados se hace a partir de la las concentraciones existentes en el instante inicial y final del intervalo. La expresión anterior aunque obtiene una

282


velocidad de contaminación media constante, considera la variación de la velocidad de contaminación real durante el servicio del aceite, tal y como ocurre en la realidad. [Hubert, C.; 1982] realizó una estudio sobre la medición y modelado de la velocidad de contaminación y la eficiencia del filtro de aceite en motores Diesel mediante la ferrografía que presentaba un modelo matemático para predecir el comportamiento de la concentración en el cárter. A partir de un balance másico del sistema, obtuvo la siguiente expresión:

β  −  C( t ) =  C 0 − e ε ⋅Q  

ε ⋅Q⋅t V

+

β

Ec. (6.8)

ε ⋅Q

Donde: • • • • • •

C(t) [mg/l] es la concentración en el cárter después de un tiempo t C0 [mg/l] es la concentración de partículas en el cárter para t=0 β [mg/min] es la velocidad de contaminación. ε es la eficiencia de retención del filtro Q [l/min] es el caudal volumétrico de aceite que recorre el sistema V [l] es el volumen total de lubricante contenido en el cárter.

Según este modelo, la concentración de aceite varía exponencialmente alcanzando una concentración de equilibrio dinámico, Ceq, cuando la velocidad de contaminación es igual a la velocidad de pérdida de contaminantes; su valor, obtenido para t = ∞ en la ecuación anterior es:

Ceq =

β ε ⋅Q

Ec. (6.9)

La concentración de equilibrio es directamente proporcional a la velocidad de contaminación e inversamente proporcional a la eficiencia del filtro y al flujo volumétrico de aceite. En la figura siguiente, 6.13, se presenta el gráfico de la variación de la concentración según la ecuación de Hubert.


283

6


Concentración de Equilibrio

4

2

Concentración inicial 0 0

200

Tiempo ( minutos)

400

600

Figura 6.13. Variación de la concentración frente al tiempo según el modelo de Hubert Estudios realizados en este mismo Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la UPV por [Espinoza, H. J.; 1990] y [Fygueroa, S.; 1994] proponen otro modelo para el cálculo de la contaminación del aceite y desgaste del motor, considerando la influencia combinada del filtro, consumo, añadidos y la composición propia del aceite limpio y realizando un estudio similar al usado por Hubert, suponiendo una velocidad de contaminación constante, que es el caso más frecuentemente observado en la práctica. Las hipótesis de partida en las que se fundamentan son:

Las partículas de desgaste se mezclan homogénea e instantáneamente con el lubricante. El volumen de aceite en el filtro es nulo. Las pérdidas de aceite son a caudal constante e igual al de añadidos. El caudal de aceite a través del filtro, el volumen total del lubricante y el rendimiento del filtro no varían con el tiempo. La velocidad de contaminación es independiente del tiempo.

La base de partida es la aplicación de la ecuación de conservación de la masa de contaminantes al volumen de control correspondiente al motor. Adicionalmente se considera que el aceite consumido arrastra a los contaminantes que contiene en su seno, siendo por tanto la velocidad de pérdida

284


de contaminantes el producto del caudal de añadidos realizados (coincidente con las pérdidas) por la concentración presente en el aceite. La expresión que obtiene es la siguiente:

 (Cm − C 0e − Zt )QA  t Cc = C 0 +  − CaQA − Zt 1− e  V0

Ec. (6.10)

siendo: C0: Concentración metálica inicial del baño de aceite [ppm] Cm: Concentración metálica medida en la muestra [ppm] Ca: Concentración metálica en el aceite nuevo [ppm] QA: Caudal volumétrico promedio de aceite añadido [l/min]. Vo: Volumen total de lubricante en el cárter. [l]

Z=

ε ⋅ Qf + QA V0

con ε: rendimiento del filtro y Qf, el caudal volumétrico

promedio de lubricante que circula por el filtro [l/min] Siendo el resultado obtenido, la denominada concentración compensada (Cc), el valor de la concentración en el cárter de un determinado metal teniendo en cuenta los efectos combinados de consumo, añadidos, filtro y composición del aceite cuando la velocidad de contaminación es constante. Adicionalmente, estos autores proponen la aplicación de un método de compensación adicional que tenga en cuenta el tiempo de uso del aceite y otro por el tipo de aceite de relleno. Estudios realizados por Fygueroa demuestran que cuando las concentraciones se miden mediante espectrometría, puesto que el tamaño de las partículas que detecta el aparato es de alrededor de 5 µm, el efecto del filtro es despreciable; lo que equivale a suponer que el rendimiento del filtro es nulo para estas partículas, tal y como se puede observar en la figura 6.14, donde se presentan las concentraciones de estaño y aluminio en función del tiempo, medidas en muestras de aceite sucio moviéndose por un circuito cerrado en el cual sólo hay un filtro. Como puede observarse las medidas que se obtiene están en un rango de diferencias propio de la sensibilidad del equipo no encontrándose diferencias entre medidas debidas al efecto de filtrado sobre el circuito.


285

11

10


Aluminio (Al)

9

8

7

6

Estaño (Sn) 5 0

200

Tiempo (minutos)

400

600

Figura 6.14. Efecto inapreciable del filtro sobre la medida de las concentraciones.[Fygueroa, S.; 1994]. En tiempos posteriores ha habido otros autores que han intentado una aproximación al problema por otras vías. [Bagshaw, J. A.; 1997] propone la utilización de un modelo basado en el concepto del reactor químico de flujo continuo agitado (turbulento) de forma que se disponga de dos zonas interconectadas, una zona o reactor representando el cárter de aceite, donde se producen los añadidos y un reactor representativo de los fenómenos típicos de la cámara de combustión: volatilización y combustión. El objetivo del autor es fundamentalmente observar los efectos de la combustión del aceite y de los rellenos con aceite nuevo en la determinación de la oxidación del mismo, teniendo en cuenta que los añadidos de aceite nuevo provocan un descenso del nivel real de oxidación del aceite usado. Como consecuencia, este tipo de metodología puede generalizarse a otras medidas del aceite como pueden ser los elementos contaminantes provenientes del desgaste y en general a cualquier tipo de propiedad del aceite.

286


Figura 6.15. Esquema del modelo basado en dos reactores interconectados.

Figura 6.16. Efecto según Bagshaw de los añadidos sobre la oxidación real del aceite.


287

Figura 6.17. Corrección mediante la metodología del reactor de flujo continuo agitado según Bagshaw para otras propiedades. [Mainwaring, R.; 1997] de cara a estudiar el efecto de la materia carbonosa en el desgaste en motores Diesel propone también un método de corrección de los efectos de consumo y añadidos. Los dos mecanismos de pérdidas considerados son:

Pérdidas directas, en las cuales el aceite perdido (o consumido) arrastra consigo los correspondientes aditivos y contaminantes presentes en su seno a su correspondiente concentración Pérdidas de volátiles del aceite, en las cuales las fracciones más ligeras del aceite base son consumidas por evaporación y los componentes no volátiles como los aditivos inorgánicos, contaminantes y los compuestos de alto peso molecular permanecen.

En ausencia de cualquier consumo de aceite, el material de desgaste presente en el aceite y generado a una tasa constante, seguirá una evolución con crecimiento lineal de la concentración con el tiempo. Si el aceite está siendo consumido por una pérdida directa, la concentración de contaminantes aumentará de forma mas pronunciada con el tiempo teniendo en cuenta que la cantidad de aceite disponible para recibir los nuevos aportes de contaminantes es menor. Las pérdidas de volátiles exagerarán este efecto ya que el aceite perdido no arrastra ningún contaminante fuera del sistema.

288


Si no existe adición de aceite nuevo al sistema, la concentración de contaminantes crecerá de forma indefinida hasta que todo el aceite se haya consumido. Al contrario, la adición de aceite nuevo al intervalos regulares, diluirá las concentraciones presentes en el cárter. Con el paso del tiempo, la influencia del material de desgaste junto con el relleno periódico estabilizará las pérdidas obteniendo un nivel de contaminación estable. El valor de equilibrio obtenido dependerá del volumen de cárter, el ratio de consumo de aceite, los compuestos volátiles y la tasa de desgaste. Argumentación similar puede ser aplicada a las concentraciones de aditivos en el aceite. La expresión analítica que propone Mainwaring es la siguiente: φ

β + αv ⋅ Ci + 1  M 0 − α ⋅ ti  =  β + αv ⋅ Ci  M 0 − α ⋅ ti + 1 

Ec. (6.11)

Donde:

α: ratio de consumo total de aceite [g/hora] αv: perdidas volátiles de aceite [g/hora] φ: fracción volátil = αv / α M0: carga inicial de aceite C: concentración de contaminante (ppm)

β: tasa de desgaste [g/hora] t: tiempo [horas] El efecto de los rellenos es la dilución de las especies contaminantes y el aumento de las especies que han sufrido agotamiento (aditivos). Ambos procesos pueden ser descritos mediante la expresión anteriormente presentada. Utilizando un planteamiento similar a Mainwaring se pretende determinar la tasa de desgaste del motor a partir de las concentraciones medidas consecutivas y además determinar las tasas de consumo por cada una de las vías definidas anteriormente, obteniendo por tanto el consumo real de aceite, parámetro que además resulta muy interesante de cara al diagnóstico. Como hemos comentado existen dos mecanismos diferentes de pérdida de aceite, por lo cual el esquema planteado es el siguiente; sobre el cárter de aceite en el momento inicial tenemos una masa de aceite inicial (mA0) y una masa de


289

contaminante metálico inicial (mc0) que evidentemente su relación nos ofrece una concentración de partida (C0), la variación de masa de aceite se produce por tres & Af) y fugas por evaporación (qv) y vías: las pérdidas, divididas en fugas directas ( m la ganancia por añadidos de aceite (qA) a su correspondiente concentración de metal en los añadidos (Ca). La tasa de aporte de metal debido al desgaste la denominamos β.

Figura 6.18. Esquema de flujos de aceite y elementos contaminantes considerados en el sistema de lubricación.. Utilizaremos ciertas hipótesis simplificativas similares a las descritas por Espinoza, así supondremos que:

Las partículas de desgaste se mezclan homogénea e instantáneamente con el lubricante. La velocidad de contaminación es independiente del tiempo. El volumen de aceite en el filtro es nulo.

Teniendo en cuenta lo comentado anteriormente, debido a los rendimientos actuales de los filtros y los tamaños de partículas que se le escapan y los tamaños

290


de partícula que se miden con el equipo de espectrometría (en ambos casos coincidentes) no se hará ninguna referencia a la eficiencia del filtrado. Realizamos un balance másico sobre el sistema considerado y con respecto al lubricante: t

mA(t ) = mA0 + qA ⋅ t − ∫ m& Af ⋅ dt − qv ⋅ t

Ec. (6.12)

0

con lo que la variación con respecto al tiempo será:

dmA(t ) = qA − qv − m& Af (t ) dt

Ec. (6.13)

Para la masa de contaminante tendremos: t

mC (t ) = mC 0 + β ⋅ t + qA ⋅ Ca ⋅ t − ∫ m& Af ⋅ C (t ) ⋅ dt

Ec. (6.14)

0

con lo que la variación con el tiempo de la misma queda:

dmC (t ) = β + qA ⋅ Ca − m& Af (t ) ⋅ C (t ) dt

Ec. (6.15)

La concentración de contaminante la expresamos mediante la relación:

C (t ) =

mC (t ) mA(t )

Ec. (6.16)

y la variación de dicha concentración con el tiempo queda:

dC (t ) = dt

mA(t ) ⋅

dmC (t ) dmA(t ) − mC (t ) ⋅ dt dt 2 [mA(t )]

Ec. (6.17)

Sustituyendo las expresiones obtenidas anteriormente podemos obtener:


291

dC (t ) mA(t ) ⋅ [β + qA ⋅ Ca − m& Af (t ) ⋅ C (t )] mC (t ) ⋅ (qA − qv − m& Af (t ) ) = − dt [mA(t )]2 [mA(t )]2 Ec. (6.18) que simplificando:

dC (t ) β + qA ⋅ Ca − m& Af (t ) ⋅ C (t ) C (t ) ⋅ (qA − qv − m& Af (t ) ) Ec. (6.19) = − dt mA(t ) mA(t ) dC (t ) β + qA ⋅ Ca C (t ) ⋅ (qA − qv ) = − dt mA(t ) mA(t )

Ec. (6.20)

Reagrupando nos queda:

dC (t ) C (t ) ⋅ (qA − qv ) β + qA ⋅ Ca + = dt mA(t ) mA(t )

Ec. (6.21)

La ecuación anterior es la expresión general de la variación de la concentración de un metal con el tiempo según el modelo planteado. Se trata de una ecuación diferencial lineal de primer orden cuya solución se puede expresar como: qA−qv

C (t ) ⋅ e

∫ mA(t ) dt

=∫

β + qA ⋅ Ca mA(t )

qA−qv

⋅e

∫ mA( t ) dt

dt

Ec. (6.22)

Si consideramos que el gasto másico de aceite fugado es muy superior al de contaminante arrastrado en dicha fuga, podemos asumir que en el intervalo & Af (t ) = cte , con lo cual: considerado m

mA(t ) = mA0 + Qa ⋅ t

Ec. (6.23)

siendo por tanto el caudal neto de aceite Qa:

Qa = qA − m& Af − qv

Ec. (6.24)

La solución de la ecuación anterior ofrece como resultado la siguiente expresión:

292

Cap. 6 Desgaste y diagnóstico  qA − qv   

   qA−qv   qA−qv       mA0  Qa  β + qA ⋅ Ca Qa  Qa     + C0 ⋅ C (t ) = ⋅ mA(t ) − mA0  qA−qv   qA−qv           Qa  mA(t ) mA(t ) Qa  ⋅ (qA − qv)

Ec. (6.25) Para el caso usual de que los añadidos compensen las pérdidas de aceite que se han producido en el cárter, esto es, el caudal neto de aceite es nulo, obtenemos, partiendo de 6.21 la siguiente expresión:

dC (t ) C (t ) ⋅ (qA − qv ) β + qA ⋅ Ca + = dt mA0 mA0

Ec. (6.26)

que al resolverse queda con la siguiente forma:

C (t ) =

β + qA ⋅ Ca 

⋅ 1 − e (qA − qv) 

 qA − qv  −  ⋅t  mA 0 

 qA − qv   −  ⋅t  + C 0 ⋅ e  mA 0  

Ec. (6.27)

expresión muy similar a la presentada anteriormente obtenida por Hubert. Si además de ser el caudal neto nulo coincide que qA = qv la expresión que rige el comportamiento quedaría:

C (t ) =

β + qA ⋅ Ca mA0

⋅ t + C0

Ec. (6.28)

Adicionalmente, tal como defienden determinados investigadores, deberían tenerse en cuenta el efecto de la posible presencia de dilución por combustible en el aceite o incluso agua procedente de fugas o de condensaciones y eliminar dichas contaminaciones para tener exclusivamente en cuenta la presencia de aceite lubricante, esto es, en caso de contaminaciones de este tipo debería sustraerse su efecto sobre la masa real de aceite presente en el cárter. Un estudio paramétrico de la ecuación anterior nos lleva a las siguientes conclusiones:

El efecto del volumen de aceite en el cárter, expresado como un mayor o menor contenido de masa de aceite, manteniendo constantes la tasa de desgaste (β = 50 mg/h), las concentraciones iniciales del metal en el aceite


293

del cárter y en el aceite de relleno (C0 = Ca = 5 ppm)) y que el consumo de aceite es compensado con los añadidos realizados teniendo un caudal neto positivo, Qa = 0,2 kg/h (los añadidos superan a los consumos) y teniendo en cuenta una relación entre pérdidas por evaporación y directas de 3 a 1, puede verse en la figura 6.19. 80 Maceite=30 kg Maceite=35 kg Maceite=40 kg Maceite=50 kg


60

Maceite=60 kg Maceite=80 kg

40

20

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.19. Efecto de la masa de aceite en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite. Como puede observarse, la mayor cantidad de aceite presente en el cárter, para una misma tasa de desgaste y con los parámetros comentados anteriormente, conlleva un menor nivel de concentración medida en el aceite por la propia definición de la concentración. Para el caso particular que el caudal neto de aceite sea nulo siendo el resto de parámetros los mismos que anteriormente, el comportamiento queda como se presenta en la figura 6.20.

294

Cap. 6 Desgaste y diagnóstico 100 Maceite = 30 kg Maceite = 35 kg Maceite = 40 kg

80

Maceite = 50 kg


Maceite = 60 kg Maceite = 80 kg 60

40

20

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.20. Efecto de la masa de aceite en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite.

Como era de esperar, la mayor cantidad de aceite en el cárter hará que la masa de metal generado quede más diluido, obteniendo por tanto concentraciones más bajas en aquellos cárteres que contiene mayor cantidad de aceite. Además se puede observar que en el caso de la figura 6.19, donde existe un caudal neto positivo, éste hará que el efecto de dilución sea superior que el caso de caudal neto nulo.

El efecto de la tasa o velocidad de desgaste que está sufriendo el motor se puede graficar de la forma que aparece en la figura 6.21. Tal como es de esperar a una mayor tasa de contaminación de un determinado metal, el aumento de la concentración correspondiente es más pronunciado, aunque se ve afectado por las correspondientes pérdidas debidas a evaporación y fugas. El resto de parámetros se han mantenido constantes.


295

800

β = 50 mg/h β = 60 mg/h β = 80 mg/h β = 100 mg/h


600

β = 250 mg/h β = 500 mg/h

400

200

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.21. Efecto de la tasa de desgaste en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite para el caso de caudal neto positivo 1000

β= 50 mg/h β= 60 mg/h β= 80 mg/h

800

β= 100 mg/h


β= 250 mg/h β= 500 mg/h 600

400

200

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.22. Efecto de la tasa de desgaste en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite para el caso de caudal neto nulo.

296


Se sigue observando que en el caso de caudal neto de aceite positivo, figura 6.22, el efecto de dilución al disponer de mayor masa de aceite conlleva concentraciones menores que en el caso de caudal neto nulo.

El efecto del caudal neto trasegado puede observarse sobre la grafica 6.23, en la cual se han mantenido como parámetros fijos la tasa de desgaste β = 50 mg/h, mA0 = 30 kg y Co = Ca = 5 ppm. Tal como puede observarse en el primer caso con un Qa = - 0,3 kg/h se observa un crecimiento de la concentración de contaminante muy pronunciado asociado a la pérdida real de masa de aceite, en el segundo caso con Qa = - 0,1 kg/h, puede comprobarse como este efecto ya es mucho menor. Para los siguientes casos donde los caudales de fugas se mantiene constantes puede verse el efecto de dilución que comporta el caudal neto positivo. 200 qA= 0,5 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h qA= 0,7 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h qA= 0,9 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h 160

qA= 1 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h4


qA= 1,1 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h qA= 1,2 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h qA= 1,3 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h

120

80

40

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.23. Efecto de los añadidos de aceite en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite. En el caso de que el caudal neto sea nulo obtenemos la siguiente evolución, figura 6.24, donde se observa que la no variación de masa de aceite hace que la variación de las concentraciones sea mucho menos acusada y debido


297

exclusivamente a las proporciones existentes entre las pérdidas debido a fugas y evaporación. 100


80

60

40 qA= 0,5 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,3 kg/h qA= 0,7 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,5 kg/h qA= 0,9 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,7 kg/h

20

qA= 1 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,8 kg/h qA= 1,1 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,9 kg/h qA= 1,2 kg/h qf=0,2 kg/h qv=1 kg/h

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.24. Efecto de los añadidos de aceite en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite, caso de caudal neto nulo.

A continuación se presenta el efecto de las diferentes proporciones en las fugas de aceite, en sus dos vertientes consideradas, sobre la concentración real del metal en el aceite, figura 6.25. En el caso que todos los añadidos realizados se consideren que corresponden a la recuperación del aceite que ha sido perdido exclusivamente por fugas, obtenemos la misma variación que en el planteamiento de Espinoza (correspondiente al sexto caso de la gráfica). Como puede observarse la mayor presencia de fugas por evaporación tiende a aumentar la concentración debido a una pérdida mayoritaria de solvente y no de soluto, mientras que el efecto de dilución se observa con la mayor presencia de fugas directas.

298

Cap. 6 Desgaste y diagnóstico 100 qA=1kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h qA=1kg/h qf=0,3 kg/h qv=0,5 kg/h qA=1kg/h qf=0,4 kg/h qv=0,4 kg/h qA=1kg/h qf=0,5 kg/h qv=0,3 kg/h

80


qA=1kg/h qf=0,6 kg/h qv=0,2 kg/h qA=1kg/h qf=0,8 kg/h qv=0 kg/h qA=1kg/h qf=0 kg/h qv=0,8 kg/h 60

40

20

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.25. Efecto de las fugas consideradas en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite y realizando rellenos de aceite en orden a contrarrestar los efectos de las fugas con caudales netos no nulos.

Para el caso de caudal neto nulo obtenemos la siguiente evolución presentada en la figura 6.26 Puede observarse que en el caso supuesto de que todas las pérdidas de aceite fuesen debidas a evaporación tendríamos una evolución lineal de la concentración ya que no escaparía nada de contaminante con el aceite perdido y todo permanece en el cárter. En los casos con preponderancia de fugas directas se observa el fenómeno de dilución debido al arrastre de partículas metálicas que conllevan estas fugas directas.


299

qA=1 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,8 kg/h

120

qA=1 kg/h qf=0,4 kg/h qv=0,6 kg/h qA=1 kg/h qf=0,5 kg/h qv=0,5 kg/h3 qA=1 kg/h qf=0,6 kg/h qv=0,4 kg/h qA=1 kg/h qf=0,8 kg/h qv=0,2 kg/h qA=1 kg/h qf=1 kg/h qv=0 kg/h


qA=1 kg/h qf=0 kg/h qv=1 kg/h 80

40

0 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.26. Efecto de las fugas en el cárter sobre la concentración real presente de un metal en el aceite y realizando rellenos de aceite en orden a contrarrestar los efectos de las fugas con caudales netos nulos.

Los efectos sobre la concentración de los aditivos, elementos que no tienen aporte salvo el los añadidos de aceite nuevo, podemos verlo en la gráfica 6.27. La concentración inicial considerada, así como la concentración presente en el aceite de relleno ha sido de 500 ppm. Como puede observarse, en caso de que todas las fugas que tengamos sean debidas a la evaporación de aceite, la concentración de aditivos aumenta de forma muy pronunciada, atendiendo a los rellenos realizados y se observa una ligera tendencia a estabilizarse debido al efecto del caudal neto positivo, actuando el aumento de masa de aceite como efecto de dilución sobre la concentración. En el caso de que todas las pérdidas sean por fugas directas, al eliminar el aceite con la concentración propia del mismo, la inicial, y

300


rellenar con un aceite que tiene la misma concentración, observamos que tal como es de esperar la concentración permanece constante con el tiempo. qA=1 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,6 kg/h qA=1 kg/h qf=0,3 kg/h qv=0,5 kg/h

4500

qA=1 kg/h qf=0,4 kg/h qv=0,4 kg/h qA=1 kg/h qf=0,5 kg/h qv=0,3 kg/h qA=1 kg/h qf=0,6 kg/h qv=0,2 kg/h

4000

qA=1 kg/h qf=0,8 kg/h qv=0 kg/h


qA=1 kg/h qf=0 kg/h qv=0,8 kg/h 3500

3000

2500

2000

1500 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.27. Efecto sobre la concentración de aditivos con caudal neto no nulo. Cuando el caudal neto es nulo tenemos la evolución que se presenta en la figura 6.28, donde puede apreciarse, que en este caso, el aumento de la concentración de aditivos para el caso de que todas las pérdidas sean por evaporación es lineal. Al contrario que en la anterior figura, en esta no se observa ningún efecto de atenuación ya que estamos bajo la suposición de caudal neto nulo. Igualmente como en el caso anterior para la totalidad de las fugas en forma de fugas directas la concentración permanece invariable con el tiempo.


301

qA=1 kg/h qf=0,2 kg/h qv=0,8 kg/h qA=1 kg/h qf=0,4 kg/h qv=0,6 kg/h

6000

qA=1 kg/h qf=0,5 kg/h qv=0,5 kg/h qA=1 kg/h qf=0,6 kg/h qv=0,4 kg/h qA=1 kg/h qf=0,8 kg/h qv=0,2 kg/h qA=1 kg/h qf=1 kg/h qv=0 kg/h

5000


qA=1 kg/h qf=0 kg/h qv=1 kg/h

4000

3000

2000

1000 0

20

Tiempo

40

60

Figura 6.28. Efecto sobre la concentración de aditivos con caudal neto nulo. Con las fórmulas presentada anteriormente hemos conseguido el modelo que permite simular la variación de la concentración de un determinado contaminante en el aceite del cárter con respecto al tiempo, y tal como hemos visto, la concentración está muy influenciada por una serie de parámetros relacionados con el propio diseño y funcionamiento del motor. El objetivo final del trabajo no es la obtención de este modelo sino la determinación a partir de parámetros controlables por el usuario o mantenedor del motor de la tasa de desgaste que está sufriendo el mismo como perfecto indicativo de su estado para posibles actuaciones de mantenimiento. Los datos que entran en juego en el modelo son la mayoría de ellos fácilmente controlables, así se puede perfectamente determinar el gasto másico de aceite añadido, controlar la cantidad de aceite presente en el cárter en el momento de la toma, así como las concentraciones iniciales y finales que se obtienen mediante la medida en el espectrómetro de las correspondientes muestras de aceite.

302


A partir de esto se puede plantear la resolución del modelo basándonos en datos reales disponibles. En primer lugar habrá que conocer cuales son los caudales de aceite que se consumen en el motor, tanto por evaporación o combustión como por fugas directas. Para obtener estos, partiendo del modelo anteriormente presentado deberemos utilizar la concentración de un elemento que denominamos trazador que sepamos que no tiene tasa de aporte debido al propio desgaste en el motor y que conozcamos su contenido inicial y al final del periodo de estudio. La idea de la utilización de trazadores ha sido expuesta por diversos autores en diferentes contextos. Así, podemos encontrar en la bibliografía diferentes metodologías propuestas. [Püffel, P.K.; 1999] propone un sofisticado método para la determinación del consumo de aceite por combustión o evaporación a partir de la medida de la presencia de un trazador en los gases de escape del motor. Según este autor existen diversos trazadores para un método de medición de consumo de aceite on-line en los gases de escape, pero considera como el mejor al pireno ya que presenta las características de:

Soluble en el aceite No produce cambios sobre las propiedades tribológicas del aceite Posee una concentración estable durante el periodo de medida o prueba. Es único en el escape

Este método es presentado para su aplicación en pruebas y test de laboratorio donde se puede utilizar y controlar este tipo de trazadores, pero para el caso que nos ocupa una determinación de este tipo podría llegar a ser demasiado sofisticada. Por ello vamos a aprovechar los propios aditivos del aceite como elemento trazador, en concreto trabajos como [Bajpai, S.; 1999] proponen el Magnesio como elemento trazador. El magnesio es un elemento soluble en el aceite y por tanto válido para utilizar como trazador. Partiendo del conocimiento que en los aceites típicos de motor el magnesio es un aditivo común podemos utilizarlo directamente con el consiguiente ahorro de tiempo y dinero. Mediante las medidas de la concentración de magnesio en el propio aceite al comienzo y al final del periodo, podremos conocer, a partir de la ecuación de comportamiento planteada


303

anteriormente, el valor de los caudales de fugas, directas o por evaporación, que está sufriendo el motor. Aunque la ecuación puede resolverse utilizando los datos de un único elemento aditivo, ya que se dispone de mayor cantidad de estos, utilizaremos todos los posibles atendiendo a las siguientes consideraciones: el utilizar diferentes concentraciones de aditivos permitirá obtener un valor medio con mayor cantidad de datos, no todos los aditivos son válidos y se elegirán aquellos que tengan concentraciones lo más altas posibles de cara a minimizar los errores propios del equipo de medida, el paquete de aditivos varía en función de los aceites, atendiendo al tipo y fabricante del mismo. La resolución de la ecuación se realiza mediante un método iterativo basado en la bisectriz, de forma que en pocas iteraciones podamos obtener el resultado. Una vez conocidos los caudales de fugas y de evaporación, aplicando el método descrito anteriormente, utilizaremos el mismo modelo para obtener la tasa de desgaste de un metal en concreto en el periodo considerado, despejando de la ecuación el valor de β (tasa de desgaste). El valor que obtenemos es un parámetro indicativo de la tasa media de desgaste o de contaminación para un metal en concreto en el periodo de tiempo considerado entre muestras. La obtención y análisis periódico de muestras durante la vida del motor permitirá obtener las variaciones de la tasa de desgaste en el mismo.

6.3.3. Aplicación del modelo de cálculo de la tasa de desgaste a motores en servicio Para comprobar la validez del modelo se ha realizado un estudio de cara a obtener las tasas de desgaste en motores reales en servicio. Los motores seleccionados para su aplicación han sido los siguientes:

Motores de vehículos de transporte urbano, dotados de equipos de relleno automático de aceite de forma que nos aseguramos que en el cárter del motor el nivel se mantiene constante durante el estudio. Aunque la política de muestreo en este caso es de tomar una única muestra de aceite al final del periodo de cambio se definió la toma de muestras intermedias para realizar un mejor seguimiento de los mismos. El aceite utilizado en este

304


caso es el Repsol Superturbo Diesel 15W-40. Estos motores pertenecen a tres fabricantes distintos con potencias nominales en torno a los 200 kW. A continuación, se presentan en la tabla 6.7, los resultados obtenidos en estos vehículos sobre dos elementos típicos de desgaste, hierro y cobre. Tabla 6.7. Resultados de la determinación de la tasa de desgaste : Vehículo

Periodo de uso (km)

qA (kg/1000 km)

5011

10000

0,36

5126

9000

0,4

5128

12500

0,576

5140

12000

0,6

5224

13500

0,467

5241

11000

1,309

6001

12000

1,275

6007

8500

1,376

6120

13000

0,553

6123

14000

0,514

6129

10500

1,2

6133

12500

0,216

7002

11000

1,06

7005

11500

0,94

7010

9500

2,46

Elemento

C0

C(t)

β (mg/1000 km)

Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu Fe Cu

11,7 9,7 14,5 17 15,4 35,7 14,8 1,4 14,4 2,1 11,4 1,9 10,3 2 9,8 1,6 7,6 1,2 10,8 2 9,7 2,7 8,8 2,1 11,6 2,6 7,1 3 9 8,5

21,5 11,9 24,4 12,9 24,9 33,5 31,6 2,4 28,2 2,6 22,7 5,2 21,6 4,3 16,2 2,6 15 5,11 17,4 2,3 18,2 4,6 21,8 4,4 18,8 4,3 15 6,5 10,9 10,8

30,12 8,3 30,12 -7,73 (*) 30,72 12,59 46,28 2,94 33,71 1,67 46,38 12,01 44,63 8,97 35,17 5,57 20,26 5,11 19,33 1,59 38,72 9,28 30,22 5,44 36,48 8,47 30,61 13,44 31,06 31,71

En un caso (*) se ha obtenido una tasa de desgaste negativa para un metal, algo que a priori parece que debería ser imposible. La explicación a este fenómeno


305

puede deberse a que estamos considerando una tasa de desgaste media durante el periodo. En este caso concreto partimos de una concentración elevada inicial a una menor concentración final, la situación puede ser debida a un desgaste durante la etapa inicial que deja de producirse, con lo cual la aportación es mucho menor y es mucho más importante el efecto de dilución que se produce por los añadidos, dando este caso para el intervalo considerado una tasa de desgaste negativa. En otros casos se han observado variaciones en este sentido con concentraciones iniciales superiores a las finales pero no se ha llegado a obtener una tasa de desgaste negativa. Tal y como puede observarse en la tabla anterior los resultados obtenidos son bastante similares atendiendo a las características de los motores, con similares edades de utilización y kilómetros de utilización de aceite comparativos. Existen diferencias entre las tasas de desgaste en cada metal atendiendo a la diferencia de comportamiento de los mismos, parece lógico una tasa de desgaste superior de hierro que de cobre atendiendo a la mayor presencia del mismo en el motor que de cobre. De forma gráfica podemos representar los datos tabulados anteriormente en la siguiente figura 6.29.

Tasa de desgaste (mg/1000 km)

60

Hierro Cobre

40

20

0

7010

7005

7002

6133

6129

6123

6120

6007

6001

5241

5224

5140

5128

5126

5011

-20

Vehículos

Figura 6.29. Tasas de desgaste de los metales hierro y cobre obtenidas para los vehículos en estudio.

306


Por otro lado se ha realizado el mismo tipo de seguimiento en motor de Cogeneración a Gas, de cara a aprovechar el método de muestreo frecuente en el periodo de vida de la carga de aceite. Los motores utilizados para el estudio son dos motores idénticos de 950 kW de potencia, de 20 cilindros y una cilindrada total de 48,7 litros utilizando gas natural como combustible. En este caso el aceite utilizado es el Repsol Motor Gas HTM SAE 40 y los resultados obtenidos son los que se presentan en la tabla 6.8. Tabla 6.8. Resultados de la determinación de la tasa de desgaste en dos motores de cogeneración a gas.

Motor Periodo Acumulado qA nº (horas) (horas) (kg/h) 227

227

0,1875

186

413

0,1875

217

630

0,1875

112

742

0,1875

211

211

0,1875

275

486

0,1875

413

899

0,1875

227

1126

0,1875

204

1330

0,1875

197

1527

0,1875

12

1

Elemento

C0

C(t)

β (mg/h)

Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al

1,76 0,91 2,1 1,59 3,41 1,75 3,91 2,65 2,5 1 3,2 1,4 4,1 2,1 5,5 2,8 6,4 3,1 6,8 3,4

2,1 1,59 3,41 1,75 3,91 2,65 4,36 2,25 3,2 1,4 4,1 2,1 5,5 2,8 6,4 3,1 6,8 3,4 7,7 3,9

0,72 1,14 2,62 0,40 1,32 1,72 2,11 -0,12 1,37 0,74 1,87 1,29 1,63 0,82 2,07 0,81 1,69 1 2,7 1,43

La representación gráfica de estas tasas de desgaste se presenta en la figura 6.30. Podemos observar que teniendo en cuenta que los motores de los vehículos de transporte son menores y que su velocidad media de trabajo es de aproximadamente 12 km/h, al expresar su tasa de desgaste en las mismas unidades


307

que los motores de Cogeneración (mg/h), obtenemos mayores tasas de desgaste en los motores más reducidos como ya habíamos comentado anteriormente. 3

Tasa de desgaste (mg/h)

2

1

0 Hierro (motor 1) Aluminio (motor 1) Hierro (motor 12) Aluminio (motor 12) -1 0

400

800

1200

Horas de funcionamiento del aceite

1600

Figura 6.30. Tasas de desgaste de los metales hierro y aluminio obtenidas para los motores en estudio.

6.3.4. Obtención de concentraciones iniciales Con todo lo anteriormente presentado, hemos visto que resulta fundamental un perfecto conocimiento de las concentraciones de partida en el aceite nuevo de cualquier metal que queramos realizar un control de su evolución. Obviamente el control de los metales utilizados como trazadores debe ser fundamental, pero no por ello hay que menospreciar la presencia de otros metales en el aceite nuevo, sino por el propio proceso de obtención de los mismos si por la posible contaminación que puedan sufrir durante el periodo de almacenamiento previo al uso del mismo. En general, los metales presentes en el aceite nuevo no suelen coincidir con los que se derivan del desgaste de las distintas partes del motor pero en alguna ocasión si que pueden ser coincidentes, este es el caso del silicio que se encuentra presente en una cantidad a tener en cuenta en muchos de los aceites nuevos de uso en motor. Los datos que se presentan a continuación surgieron como resultado de la observación en el seguimiento de muestras en motores de una flota de transporte que el nivel de silicio en las mismas era irregularmente alto. Se descarto un problema de filtrado ya que la problemática era muy general y no se observaba

308


únicamente en una población concreta. Debido al funcionamiento de la empresa, con talleres de reparación y mantenimiento repartidos por todo el estado y en los cuales se distribuye el aceite a granel se pensó en una primera aproximación que podría haber una contaminación del aceite previo a su utilización por no tener debidamente aislados los tanques de almacenamiento de aceite. Para comprobar esta hipótesis se recogieron muestras de aceite sin usar desde los tanques de almacenamiento de las principales dependencias de la empresa repartidas por todo el área geográfica del país, así como directamente se analizó una muestra de la refinería de suministro de dicho aceite. Los resultados obtenidos en las mediciones se presentan a continuación en la tabla 6.9: Tabla 6.9 Concentraciones de diversos elementos en muestras de aceite sin usar procedentes de diferentes lugares de almacenamiento. Elemento Taller (ppm) 1 Hierro 0,7 Cromo 0,5 Cobre 0,5 Silicio 2,2 Calcio 4390

Taller 2 0,7 0,5 0,5 3,6 4680

Taller 3 1,1 0,5 0,5 3,8 4053

Procedencia Taller Taller 4 5 1,2 1,1 0,5 0,5 0,5 0,5 3,6 3 4488 4182

Taller 6 1,2 0,5 0,5 3,3 4171

Taller Refinería 7 1,4 1,1 0,5 0,5 0,5 0,5 4,2 2,6 4137 4322

Así se comprueba que existe una tendencia clara en la presencia de un nivel no despreciable de silicio (del orden de 3 ppm) en el aceite nuevo de este tipo de aceites, no siendo achacable a una contaminación durante el almacenamiento. Para comprobar si realmente esta presencia se debe a contaminación en los tanques de almacenamiento o corresponde a un nivel normal de este tipo de contaminante en el aceite nuevo se realizó un nuevo estudio comparando o analizando muestras de diferentes tipos de aceites sin usar y teniendo en cuenta el tipo de recipiente en el cual estaba almacenada. Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 6.10. Tabla 6.10. Concentraciones de silicio en diferentes aceites nuevos Aceite Elf Pestrigrade 20W-50 (lata metálica) Elf Synthese gasoline 10W-50 (bote PE) Castrol TTS 2T (bote PE) Cepsa Ultra SHPD 15W-40 (bidón metálico)

Concentración Si (ppm) 2,7 2,5 1,1 3,7


Aceite

309


Feuverd 15W-40 (bote PE) Repsol Especial FFCC (cisterna a granel) Total Super Rubia TIR 64 15W-40 (bidón metálico) Texaco Texamatic 4011 (bidón metálico)

2,7 3,6 5,3 2,9

Con todo ello, por tanto se concluye que debe considerarse para el elemento Silicio (Si), en lo que son aceites de cárter para uso en Automoción un nivel de presencia en aceites nuevos de 3 ppm y tener la misma en consideración en el proceso de cálculo de la tasa de contaminación. Finalmente se concluye que resulta realmente muy aconsejable realizar un análisis previo del aceite nuevo antes de su utilización en el motor para de esta manera cuantificar de forma exacta por un lado las concentraciones de aditivos presente en el mismo y que luego resultarán fundamentales para el cálculo de la tasa de desgaste como las posibles contaminaciones externas que pueda sufrir el aceite previo a su utilización.

6.4. Metalurgia de los motores El conocimiento exacto de la metalurgia de los motores que se pretende diagnosticar mediante el uso de la técnica del análisis de aceite resulta fundamental de cara a la obtención de un diagnóstico preciso y acertado. En general, la metalurgia genérica de los motores es bastante conocida pero con esta información los diagnósticos alcanzables serán también de un orden genérico y con una certeza relativa. El conocimiento exacto de la metalurgia de un motor puede llevar a la distinción de sus componentes y a una posible obtención de diagnósticos muy precisos. La experiencia nos ha mostrado la reticencia que existe por parte de los fabricantes de suministrar a los usuarios de sus productos la metalurgia real de los modelos de sus motores, de forma que el conocimiento de la misma debe basarse en la información que proporciona el propio fabricante de los motores a aplicar sobre los análisis de aceite (en el caso de que lo den) o la propia experiencia del usuario en el mantenimiento de dichos motores. A continuación se presenta una tabla comparativa de las fuentes de procedencia de los metales que ofrecen diferentes fabricantes de motores [NTS – Technical Information].

310


Tabla 6.11. Procedencia de metales según diversos fabricantes. Metal Hierro

Fabricantes Caterpillar Wärtsilä, Waukesha Cummins Camisas, segmentos, Camisas, segmentos, Camisas, segmentos, tren de válvulas, tren de válvulas, tren de válvulas, cigüeñal, bloque, cigüeñal, engranajes. cigüeñal, engranajes. empujadores, bulones, etc.

Cobre

Cojinetes de biela, de Cojinetes bancada, del bulón del pistón y del balancín.

Plomo

Cojinetes de biela y Cojinetes de biela y Cojinetes de biela y de bancada de bancada de bancada

Estaño

Cojinetes de biela y de bancada (recubrimiento trimetálico)



Cromo

Segmentos, camisas

Segmentos

Segmentos

Aluminio

Cojinetes de biela y Contaminación de bancada. Pistones grasa (ciertos modelos)

Silicio

Aditivos antiespuma, Aditivos antiespuma, Aditivos antiespuma, polvo atmosférico. polvo atmosférico, polvo atmosférico, residuos catalíticos residuos catalíticos

Níquel

--

Cojinetes, contaminación combustible

Cojinetes

con Contaminación con grasa, desgaste del bloque (según modelos), enfriador.

Cojinetes, del contaminación combustible

del

Como caso práctico presentamos el trabajo desarrollado en el Departamento de cara a la obtención de un sistema de diagnóstico preciso aplicado en una empresa de transporte con una gran flota de motores; dichos motores son de dos fabricantes diferentes y todos ellos correspondientes al mismo modelo de motor.


311

La solicitud por parte del usuario de la información de la metalurgia de los motores a los propios fabricantes no fue atendida por ninguno de ellos. Debido a la uniformidad del parque, se decidió realizar un estudio de cara a conocer la metalurgia real de ambos tipos de motores. Se utilizaron piezas nuevas de los elementos más susceptibles de sufrir desgaste y se analizaron, obteniéndose los resultados que como ejemplo se presentarán a continuación. Preparación de muestras y realización de medidas. Para el análisis de las piezas seleccionadas se extrajeron una serie de probetas de las mismas, siendo posteriormente embutidas en una matriz de metacrilato y pulidas hasta conseguir un acabado superficial de brillo de espejo. Las imágenes y las composiciones de cada muestra se obtuvieron mediante un análisis de rayos X y el empleo del microscopio de barrido (SEM-2) de la Universidad Politécnica de Valencia. Para la realización del análisis se empleó un recubrimiento de grafito sobre las muestras a fin de estabilizarlas, ya que al estar embutidas en una matriz orgánica no conductora eléctrica era necesario. Como ejemplo de los análisis realizados presentamos una pieza analizada:

Semicojinete superior de bancada del motor marca A.

Se realizó una cata de la pieza tal y como se presenta en la figura 6.31 siguiente:

Figura 6.31. Esquema de la pieza analizada Los resultados obtenidos en el microcopio electrónico se presentan a continuación donde se ha visualizado la pieza a diferentes aumentos en los cuales se puede ir observando la estructura de la metalurgia.

312


Figura 6.32. Imagen de la probeta a 150 aumentos

Figura 6.33. Imagen de la probeta a 2000 aumentos

La capa superficial, denominada D es la que es mayormente susceptible de desgaste, esta se analizó en mayor profundidad, para ello se obtuvo una imagen a 3000 aumentos en orden a contemplar la estructura que disponía.

Figura 6.34. Imagen de la probeta a 3000 aumentos A continuación podemos observar los espectros de emisión obtenidos para las diferentes subestructuras presentes en la capa D considerada.


313

Figura 6.35. Espectros obtenidos asociados a cada una de las microestructuras visualizadas anteriormente. Finalmente como resumen del análisis de esta pieza se presenta la siguiente tabla en la cual se encuentran los resultados obtenidos para las diferentes capas definidas. Tabla 6.12. Resumen del análisis metalográfico obtenido para el semicojinete inferior de bancada del motor de la marca A. ZONA

METAL

%

ZONA

METAL

%

A

Hierro (Fe)

100

C-3 (matriz)

Aluminio (Al)

100

B

Aluminio (Al)

100

D-1

Níquel (Ni) 100

C-1 (gránulos brillantes)

Estaño (Sn)

100

D-2

Estaño (Sn) 43,8 Cobre (Cu) 43,7 Níquel (Ni) 12,5

314


C-2 (gránulos grisáceos)

Aluminio (Al)

84,8

Níquel (Ni) Hierro (Fe) Silicio (Si) Estaño (Sn)

6,9 5,6 1,3 0,6

Cobre (Cu)

0,8

D-3 (matriz brillante) 81,2% D-4 (gránulos grises) 18,8 %

Plomo (Pb) 100 Cobre (Cu) 53,3 Estaño (Sn) 46,7

Plomo (Pb) 81,2 Composición media de la capa del cojinete en contacto con el Cobre (Cu) 10 cigüeñal Estaño (Sn) 8,8

CAPITULO VII SISTEMA DE DIAGNÓSTICO AUTOMÁTICO DE MOTORES BASADO EN EL ANÁLISIS DE ACEITE.

Objetivo del capitulo: Presentación de la estructura general de un sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis del lubricante utilizado conjuntamente con otros parámetros o informaciones. El objetivo final sería el desarrollo de una herramienta útil para la aplicación del mantenimiento predictivo en instalaciones o vehículos que utilicen este tipo de planta motriz.

7.1. Introducción La finalidad del presente capítulo es la definición de la estructura y la base del conocimiento de ingeniería para el desarrollo de un sistema automático de monitorizado, seguimiento y diagnóstico de motores de combustión interna alternativos mediante la técnica del análisis de aceite usado. Ello implica la necesidad de la utilización de los denominados sistemas de inteligencia artificial (AI), dentro de los cuales haremos uso de los llamados Sistemas Expertos. La aplicación de Sistemas Expertos para el diagnóstico de maquinaria en general mediante el análisis de aceite, aunque parezca lo contrario, no es una técnica ampliamente extendida. Los grandes laboratorios que manejan gran cantidad de muestras y por tanto serían los mas interesados en automatizar el

316

Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.

diagnósticos de las mismas no recurren en general a este tipo de sistemas. Así podemos comentar los siguientes ejemplos: Wearcheck, una de las mas importantes empresas dedicadas a ofrecer servicios de análisis de aceite e implantada a nivel mundial posee el llamado sistema WEBCHECK, que permite acceder al cliente a los datos de sus análisis de forma inmediata a través de Internet. En este sistema, los técnicos, atendiendo al tipo de máquina y sus condicionantes fijan el programa de análisis de aceite más adecuado para la misma. El cliente se encarga de tomar las muestras y enviarlas al correspondiente laboratorio con la necesaria información adicional de la misma. El informe sobre los resultados es realizado por parte de los propios técnicos de Wearcheck que pueden realizar determinados diagnósticos y recomendaciones sobre el estado de aceite y de la máquina así como sugerir modificaciones en el programa de análisis, cambios de frecuencias, ampliación o reducción del número de análisis, etc. Pero como hemos comentado no se realiza de forma automática sino por parte de personal especializado. Se recomienda a los usuarios del sistema además, que antes de realizar alguna acción de mantenimiento puntual importante recomendada desde el sistema, se pongan en contacto con el técnico que ha realizado el seguimiento de su equipo. Las compañías suministradoras de aceite lubricante suelen ofrecer a sus clientes los servicios de análisis de aceite como elemento adicional de fidelización a la empresa. Dentro de este tipo de servicio podemos destacar los que ofrece EXXON, con su sistema Exxgard. En el mismo, se fijan periodos de toma de muestra a las 500 horas de uso del motor, con un paquete básico de análisis y un segundo tipo de análisis que se realiza cada 2000 horas de funcionamiento. La cuantificación de la concentración de las partículas metálicas se realiza mediante espectrometría cada dos tomas de muestra y por ferrografía de lectura directa cada cuatro muestras [González, J. R.; 2001]. La combinación de los dos sistemas permite una detección fiable de los diferentes tamaños de muestras de partícula, que varían entre 1 y 100 µm. El muestreo cada 2000 horas consiste en un análisis ferrográfico en aras a evaluar la topología de las partículas y poder establecer las causas y efectos que es posible que produzcan, de manera que se integra en el sistema un examen cualitativo de la muestra que valora las partículas en cuatro categorías, basándose en la proporción de área cubierta en el ferrograma. Debido a la complejidad del análisis ferrográfico se utiliza siempre que existan indicios de desgaste en el análisis espectrométrico. De acuerdo a la frecuencia de muestreo y el tipo de analítica empleado resulta un seguimiento más caro que otros aquí mencionados. El sistema permite seguir en el informe de muestra los datos históricos de hasta ocho muestras anteriores, de manera que permite ver una evolución temporal de los resultados de las mismas así como presenta las imágenes


317

de la ferrografía. El sistema Exxgard incorpora además la posibilidad de que el usuario disponga del llamado “TigerTrack Software Program”, se trata de un sistema de gestión de los datos de los análisis de aceite que el cliente se instala en su ordenador y que le permitirá realizar sobre sus propios datos análisis gráficos de tendencias, crear informes personalizados, realizar consultas definidas por el mismo, etc [Exxgard Information]. La compañía MOBIL emplea su sistema denominado Mobil Monitor el cual realiza la evaluación de 20 parámetros diferentes del aceite, que son comparados frente a los resultados históricos que se disponen en una base de datos central, de manera que se pueden establecer valores de peligro en base a la experiencia acumulada. El sistema ofrece sugerencias sobre las posibles causas de los problemas detectados así como recomienda periodos de cambio de aceite idóneos [Mobil Monitor Information]. Dentro de los programas de análisis de aceite que utilizan sistemas de inteligencia artificial para la obtención del diagnóstico del estado del aceite y del motor podemos encontrar los siguientes ejemplos, ambos desarrollados en nuestro país:

Sistema ADOC, de la empresa Repsol-YPF y desarrollado conjuntamente con el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la UPV.

Sistema MANCOGEN desarrollado por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universitat de Girona, aplicado al mantenimiento de motores para Cogeneración de encendido por compresión. Este sistema está basado en las siguientes estrategias [González, J. R.; 2001]:

Sistema Experto basado en los parámetros característicos de los fluidos circulantes en el motor (aceite, refrigerante y combustible) y los parámetros de funcionamiento del mismo. Utilización de lógica difusa en el diseño del programa de mantenimiento. Utilización del estudio morfológico de las partículas de desgaste como elemento o síntoma para el mantenimiento predictivo del desgaste del motor. Sistema integrado dentro del programa de mantenimiento global.

Dadas las características de este tipo de sistemas, el enfoque que aquí se presenta, está desarrollado teniendo en cuenta que existirá una posterior

318


implantación informática del mismo, aunque se omite cualquier referencia de esta índole debido a que se sale del objetivo del presente trabajo.

7.2. Selección y definición de análisis. Atendiendo a que el análisis de aceite se realiza por parte de un Laboratorio externo a la empresa, resulta conveniente realizar una selección óptima de los análisis a realizar atendiendo a que a mayor número de análisis el coste unitario de la muestra será mayor. Tal como hemos visto en capítulos anteriores, hemos podido comprobar que en muchos casos no existe unanimidad en cuanto a la definición de los parámetros fundamentales a controlar de cara a un correcto seguimiento del estado del aceite y del motor y atendiendo a las diferentes opciones de equipos de medida que nos ofrecen resultados comparativos, vamos a encontrarnos con planteamientos ligeramente diferentes en el programa de monitorizado. A continuación se presentan diferentes apuestas realizadas por importantes empresas y Laboratorios que ofrecen el servicio de análisis de lubricantes de cara al mantenimiento.

National Tribology Services (NTS), empresa estadounidense dedicada a estos menesteres, ofrece en su programa de monitorizado para motores por análisis de aceite las opciones presentadas en la tabla 7.1: Tabla 7.1. Análisis definidos en el programa de seguimiento que ofrece NTS. Tipo de programa

Análisis Viscosidad @ 100 ºC Standard Engine TBN (Motores en vehículos con periodos Espectroscopia (21 metales) largos de mantenimiento y cambio de FT-IR espectroscopia (dilución, glicol, aceite) oxidación, etc). Viscosidad @ 100 ºC Doublecheck Engine Standard TBN (Motores estacionarios “heavy duty” y Espectroscopia (21 metales) FT-IR espectroscopia. de propulsión marina) Espectroscopia de rótrodo


319

El sistema de diagnóstico de motores por análisis de aceite ADOC de la empresa Repsol-YPF propone los siguientes análisis atendiendo al tipo de motor del que se trata. Tabla 7.2. Selección de análisis que ofrece el sistema ADOC en función de la aplicación y tipo del motor.

Análisis Viscosidad @ 100 ºC Viscosidad @ 40 ºC TBN TAN Detergencia Insolubles Materia carbonosa Dilución Agua Silicio Sodio Punto de Inflamación Nitración Oxidación Metales de desgaste: hierro, aluminio, cobre, plomo, plata, etc. Metales de aditivación: Zinc, fósforo, calcio, bario, boro y magnesio

Tipos de motor Automoción A Gas 9 -9 -9 9 9 -9 -9 -9 -9 -9 9 9 9 9 9 --9 -9 -9 9 9

9

Marinos -9 9 9 -9 9 9 9 9 9 9 --9 9

Adicionalmente en los motores fundamentalmente de Marinos, con mayor complejidad en el sistema de lubricación se realizan ensayos específicos para determinar la eficacia de la depuradora o clarificadora, el estado del aceite de levas si utiliza un circuito específico, etc. [Poley, J. 2000] recomienda como programa de monitorizado de aceites en motores de Automoción, fundamentalmente de tracción ferroviaria, un menú similar al que presenta ADOC con los análisis adicionales de Nitración, Oxidación e Infrarrojos por FT.

320


La empresa EXXON, dentro de su programa de análisis de aceite Exxgard ofrece los siguientes paquetes de análisis en función del tipo de motor y los objetivos del programa de monitorizado. La clasificación se realiza por colores:

Negro: Motores para aplicaciones en marina o ferrocarril. Verde: Camiones y Maquinaria de Obra Pública. Análisis realizados con el objetivo de definir el periodo de cambio de aceite óptimo. Púrpura: Camiones y Maquinaria de Obra Pública. Análisis enfocados dentro de un programa completo de mantenimiento predictivo. Blanco: Autobuses Diesel o gasolina

La siguiente tabla 7.3, muestra los análisis que se engloban dentro de cada una de las clasificaciones por tipo y uso de motor que se han presentado anteriormente. Tabla 7.3. Selección de análisis en el servicio Exxgard de EXXON. TEST Viscosidad @ 100 ºC Agua (crepitación) Glicol Metales Oxidación (FTIR) Nitración (FTIR) Dilución Materia carbonosa TBN (D664) Ferrografía de lectura directa

Negra 9 9 9 9 9 9 9 9 9 --

Verde 9 9 9 9 --9 9 9 --

Púrpura 9 9 9 9 9 9 9 9 -9

Blanco 9 9 9 9 9 9 9 9 9 --

El coste de un programa de análisis para motores va a venir marcado por la selección de los análisis a realizar y la frecuencia de realización de los mismos. Como datos orientativos se presentan los precios extraídos de las tarifas ofrecidas por un Laboratorio en la tabla 7.4. Tabla 7.4. Ejemplos de costes de realización de ensayos en Laboratorio. (Datos del Laboratorio Oil Analyzers Inc.). Análisis (método) TBN (ASTM D2896) Viscosidad, 40° C o 100° C (ASTM D445) TAN (ASTM D664)

Precio (€) 10 9 10


Análisis (método) Flash Point Cleveland Open Cup (ASTM D92) Flash Point Pensky-Marten Closed Cup (ASTM D93) Nivel de limpieza ISO 4406 Dilución (FTIR) Materia Carbonosa (FTIR) Nitración (FTIR) Oxidación (FTIR) FTIR-Scan FTIR Infrared Analysis Determinación de glicol (Hach) Análisis contenido metálico (ICP)

321

Precio (€) 20 20 30 5 5 5 5 20 6 10

Los datos anteriormente presentados son sólo orientativos, ya que la política normal en este tipo de servicios presenta dos opciones: en algunos casos los clientes aceptan el paquete de análisis definido por el Laboratorio en función del tipo de sistema lubricado a monitorizar y atendiendo a este programa de análisis y el número de muestras a realizar se pacta un precio, o bien el cliente define cual es el programa de análisis que requiere y negocia el precio con el Laboratorio en función del mismo y el número de muestras a analizar. En los casos especiales en los que el suministrador de aceite es el que lleva a cabo los análisis del mismo, los precios de los mismos se suelen negociar directamente entre el cliente y el suministrador, teniendo éste muy en cuenta el consumo de aceite que el cliente realiza, como era lógico pensar. En caso de ensayos más específicos, tal como sería un ensayo de ferrografía analítica el precio se encarecería bastante más, fundamentalmente atendiendo al coste de recursos humanos que supone la interpretación de los mismos.

7.2.1. Claves en un programa de monitorizado basado en análisis de aceite Tal y como indica [Fitch, J.; 2001] hay una serie de situaciones que van a marcar la validez y el éxito de un programa de análisis de aceite, lo que él denomina los seis tests más caros en el análisis de aceite. Utilizando su propia denominación estos son:

Test de retraso: Un ejemplo común de este situación es cuando la muestra llega al laboratorio de análisis 10 o 20 días después de su toma. Esto resulta muy caro por la pérdida de tiempo y la pérdida de oportunidad. La

322


tardanza del análisis puede ser debido al retraso del envío o al retraso del laboratorio. La consecuencia final de este retraso puede ser una reparación más costosa o un fallo colateral a otros componentes del sistema. Test basura: En muchas ocasiones se realizan análisis de forma rutinaria durante mucho tiempo sobre muestras que no son representativas de la condición de lubricación de la máquina. Esto puede deberse a la falta de preparación y correcta documentación sobre el correcto procedimiento de toma de muestras. Esta práctica ofrece frecuentemente datos que no sirven para nada. “Puzzle test”: Situación que se presenta cuando un análisis de aceite revela un fallo crítico del sistema que un técnico inexperto no es capaz de detectar o una condición correcta que es erróneamente calificada como alarma. Esta situación puede deberse a falta de preparación, falta de personal o falta de énfasis en la importancia del programa de análisis de aceite. Muchos usuarios ponen poca atención a la correcta formación de los técnicos involucrados dentro del programa de mantenimiento basado en el análisis de aceite. “Bloody test”: Situación referida a los análisis “post mortem” en aras de obtener que fue lo que pasó. En este caso en análisis de aceite ya ha llegado demasiado tarde. “Non-test”: Este es el análisis no realizado. En ocasiones es denominado reducción de costes. Asociado a la toma de muestras de forma aleatoria o a la reducción del número de análisis sobre la batería de análisis definida. La toma de un menor número de muestras o la reducción de la batería de análisis a realizar pueden reducir costes pero en ocasiones pueden tener consecuencias graves. La óptima definición de la frecuencia de muestreo, la definición apropiada de los análisis a realizar, así como la realización de análisis especiales ocasionalmente llevarán a la obtención de una buena efectividad del programa de análisis de aceite. “Get-no-respect test”: Resultante del descuido de datos por parte del personal de mantenimiento. Determinados factores que condicionan el resultado del análisis de aceite en ocasiones son ignorados, situaciones como el uso de un lubricante inadecuado, fugas de refrigerante, etc. Estas son causas primarias de fallos que en ocasiones llevan a importantes y costosos problemas.

Las experiencias que se han tenido, en casos reales, en empresas durante el desarrollo del presenta trabajo, desgraciadamente han mostrado un ajuste muy elevado con los problemas que se han comentado anteriormente, aunque hay que comentar los esfuerzos que tanto por parte de técnicos de mantenimiento en las


323

propias empresas así como en las empresas del servicio de análisis por inculcar una política de concienciación de cara al aprovechamiento real de las posibilidades que ofrece la herramienta no cayendo en los errores anteriores.

7.3. Evaluación de análisis Una vez realizados todos los análisis, según el plan establecido en cada caso sobre la muestra de aceite; dichos resultados serán los parámetros de entrada al sistema automático de diagnóstico. El primer paso a realizar sobre los mismos es su evaluación, de cara a determinar si el resultado obtenido en el análisis se encuentra dentro de un rango normal o si al contrario puede ser indicativo de la ocurrencia de algún tipo de problema. Aunque en principio podría pensarse en la utilización de forma exclusiva de escalas de comparación absoluta, en las cuales los límites son fijados en base a la experiencia acumulada, se considera un planteamiento mejor utilizar escalas de tipo relativo o evaluación por tendencias en función del análisis concreto que estemos evaluando. Sobre todo, en la medida de las concentraciones metálicas, debido a los muchos factores que afectan al resultado del análisis y que pueden quedar fuera del control en escalas absolutas definidas por fabricantes, usuarios, mantenedores o laboratorios especializados, y de cara a tenerlos en cuenta a la hora de realizar un diagnóstico preciso. La evaluación por tendencias es la manera que puede aportar los máximos beneficios [Evans, J. S.; 2002] en este caso y en general en gran número de técnicas aplicables al mantenimiento predictivo. Tras lo expuesto anteriormente, se van a considerar por tanto tres criterios diferentes en función de la magnitud a contrastar:

Escalas fijadas sobre valores absolutos (aplicables a contaminantes) Escalas relativas, función de las variaciones producidas sobre los valores originales del aceite nuevo (aplicables a las propiedades del aceite). Escalas basadas en tendencias de comportamiento (parámetros de desgaste o contaminación)

Además, hay que tener en cuenta que el objetivo final de realizar un diagnóstico automático del estado del aceite y del motor mediante el análisis del aceite usado en el mismo, se va a ver facilitado si conseguimos que el resultado de la evaluación de los diferentes análisis realizados sea expresado o calificado en forma de un índice, de esta manera independientemente del análisis que estemos

324


utilizando tendremos una escala de valoración del “nivel de bondad o de gravedad” de dicho análisis.

7.3.1. Escalas absolutas Para las magnitudes de parámetros de contaminación del aceite se establece su nivel de gravedad contrastando el valor obtenido en el análisis frente a valores fijos determinados, lo que denominamos límites. Los parámetros evaluados de esta forma serán: contenido en agua, dilución, materia carbonosa, insolubles y metales de contaminación (sodio). Adicionalmente utilizaremos este tipo de escala de evaluación para los parámetros de oxidación y nitración; aunque estos sean representativos del nivel de degradación del aceite, por su modo de medida, resulta mas claro este tipo de escala. En este caso se definirán dos límites, que a su vez definen tres rangos de estado: L1 (límite de alerta) y L2 (límite de alarma). Se entiende perfectamente que en estos casos, la no presencia en el aceite de un contaminante determinado es indicativo de que no se ha producido dicha contaminación. A medida que comienza a haber presencia del mismo, definimos un límite de presencia del contaminante indicativo de que dicha presencia comienza a ser representativa en el aceite y potencialmente dañina para el propio aceite y el motor (límite de alerta). En caso de que la presencia continúe creciendo rebasará el límite definido como alarma, indicativo en este caso que dicha contaminación rebasa los limites aceptables para el correcto funcionamiento del sistema. Gráficamente se pueden representar tal como vemos en la figura 7.1.

Figura 7.1. Rangos de estado y límites que definen los mismos. Tal como se ha comentado anteriormente, de cara a tener un parámetro definitorio del nivel de bondad o gravedad del análisis independientemente de la escala y los límites a los que se refiere, se puede realizar la siguiente conversión. Se define como escala de valoración del nivel de gravedad, el llamado índice decimal, que varía entre 0 y 10 y que se ajusta de la siguiente manera: para


325

el valor de L1 (independientemente del análisis que se este contrastando) se le asigna siempre un valor de índice decimal de 2,0 y para el valor de L2 el valor de 4,0. Con ello, los valores resultantes de los análisis pueden ser calificados utilizando interpolaciones o extrapolaciones a partir de la suposición anteriormente expresada y que se presenta de manera gráfica en la figura 7.2.

Figura 7.2. Modelo para la evaluación de los contaminantes en el aceite. Con esto, siempre se cumple, independientemente del análisis realizado que un valor de índice decimal inferior a 2,0 se considera como correcto y tanto más correcto cuanto más bajo sea dicho valor. El rango de alerta siempre estará definido entre 2,0 y 4,0 y para el resultado concreto de un análisis su posicionamiento exacto será indicativo si está mas cerca del estado correcto (próximo a 2,0) o del estado de alarma (mas próximo a 4,0). Por encima del nivel o índice decimal 4,0 el parámetro se encuentra en alarma y tanto más grave cuanto mayor sea su índice decimal, hasta el máximo definido de 10.

7.3.2. Escalas relativas. Determinadas propiedades del aceite: viscosidad, TBN, TAN, convienen ser analizadas de forma comparativa frente a los valores iniciales que las mismas presentan en el aceite nuevo, aunque en algunos casos como hemos visto anteriormente, los propios fabricantes de motor u otros autores los evalúan a partir

326


de valores fijos definidos. Consideramos más acertada la evaluación de forma comparativa y es por ello que utilizaremos esta forma. En todos los casos la expresión que permite la evaluación de estos parámetros es la siguiente:

Z=

Valor parámetro medido Valor parámetro original

Ec. (7.1)

Los límites L1 y L2 aplicables a este tipo de análisis se establecen por tanto en función del parámetro Z definido anteriormente y la propiedad concreta de que se trate. Además se pueden establecer diferentes criterios adicionales, como ejemplo para el caso de la viscosidad, debido a que puede presentar variaciones tanto hacia valores superiores respecto a su valor original como inferiores habrá que definir por tanto valores superiores o inferiores. Adicionalmente podemos definir limites atendiendo al tipo de aceite, definiendo así escalas para aceites multigrado, monogrado o incluso para grados específicos concretos. En la siguiente gráfica podemos ver un ejemplo concreto.

Figura 7.3. Esquema de la utilización de las escalas relativas. Ejemplo de aplicación al parámetro evaluador de la viscosidad y diferenciando por tipos de aceites: monogrado y multigrado. El establecimiento del nivel de gravedad o índice decimal se realiza en este caso de forma análoga a como se ha descrito en el punto anterior.


327

7.3.3. Escalas de evaluación por tendencias El método de evaluación considerado adecuado para evaluar el nivel de desgaste del motor va a ser la evaluación por tendencias, de modo que se pueda realizar un seguimiento de lo que es el comportamiento normal del motor y podamos comprobar cuando este comportamiento se ve alterado debido a una situación anormal. Anteriormente hemos presentado la metodología de cara a obtener la tasa de desgaste de un determinado elemento metálico en el motor a partir de las mediciones de las concentraciones del mismo en las muestras. Ahora presentamos el modo de evaluar si esa tasa de desgaste obtenida resulta de un comportamiento que puede considerarse normal o viene como consecuencia de algún problema que está dando como resultado un desgaste anormal. La caracterización de la tasa de desgaste obtenida a partir de las concentraciones metálicas medidas en las muestras de aceite de un motor, debe tener en cuenta la desviación con respecto a lo que se considera su tasa de desgaste normal; esta es la razón por la cual se elige un parámetro característico de comparación “Z” que se define como:

Z=

Td motor - Td normal motor Td normal modelo

Ec. (7.2)

Siendo: • • •

Td motor: tasa de desgaste obtenida en la muestra en estudio Td normal motor: valor medio de la tasa de desgaste durante la vida de ese motor Td normal modelo: valor medio de la tasa de desgaste de los motores pertenecientes al mismo modelo de motor (de un mismo fabricante).

En la expresión anterior (Ec. 7.2) no sólo se tiene en cuenta lo establecido en el párrafo anterior, sino que al adimensionalizar con el valor medio de la tasa de desgaste del modelo, que es de suponer que se trata de un valor bastante estable y característico de los diferentes motores de un mismo modelo, se compara la tasa de desgaste propio del motor con la tasa de su modelo. Con ello, la magnitud definida Z cuantifica la importancia de la tasa de desgaste del motor comparado con el comportamiento que se considera normal de

328


su modelo, que no varía acusadamente aunque el motor presente sistemáticamente tasas anormales. Determinación de los límites de la escala del parámetro Z La tasa de desgaste en un motor en funcionamiento normal podemos asimilar que seguirá un comportamiento tal como marca la curva de la bañera [Huo, Y. 1997], esto es, una primera fase con tasas de desgaste relativamente altas, correspondiendo con el periodo de rodaje, en el cual las superficies rozantes se van ajustando. En situación normal, en un periodo relativamente corto de tiempo, de debe superar esta primera fase de rodaje, la tasa de desgaste debe descender y fijarse en un valor que se mantendrá relativamente estable a lo largo de gran parte de la vida del motor, es lo que se denomina periodo de madurez en la curva de la bañera. Con el envejecimiento del motor, la tasa de desgaste empezará a aumentar de forma progresiva correspondiendo con la denominada fase de envejecimiento en la curva de la bañera. Atendiendo a este comportamiento resulta lógico pensar que las tasas de desgaste presentes en el motor van a seguir una distribución de tipo normal alrededor de un valor medio considerado como tasa de referencia. En realidad se ajustarán más exactamente a una distribución log-normal teniendo en cuenta que tenemos un límite inferior de desgaste, esto es, no tendremos ningún motor que presente ausencia de desgaste. Este comportamiento esperado en un motor se verá reflejado también para una población que englobe a todos los motores del mismo modelo (y por tanto de la misma marca), con lo que el parámetro definido anteriormente Z seguirá una distribución tal como se presenta en la figura 7.4. Para la definición de los límites aplicables al parámetro de comparación Z utilizaremos criterios estadísticos aplicados sobre la distribución que siguen sus valores, tal como proponen diferentes autores, [Espinoza, H. J.; 1990], [Fygueroa, S.; 1994], [Ontiveros, L. E.; 1995], así, a partir de los datos de que se disponen para una población muy amplia se pueden calcular periódicamente los valores límites, L1, y L2 que delimitan el 90%, y 96% de la población presente en el histograma y se asocian dichos límites a los rango de alerta y alarma tal como se ha hecho anteriormente. La forma más ajustada de calcular estos valores límites L, es a partir de un histograma con las muestras que se consideren adecuadas que definen un mismo comportamiento, así podemos agrupar y obtener límites asociados a una


329

determinada marca de motor y un tipo determinado, para un usuario concreto atendiendo que su modo de trabajo es muy particular, por tipo de motor mas genérico de lo que seria una marca, etc. Es decir, con ello podemos ajustar los límites dependiendo de los condicionantes que más se ajusten en cada caso particular.

Figura 7.4. Distribución del parámetro Z para un determinado metal en un modelo concreto de motor. Actualización de referencias de la tasa de desgaste. La tasa de desgaste normal de un motor definida nos ofrece una idea del comportamiento normal de un motor especifico y se usa para comparar y calificar las tasas de desgaste que se obtienen de sus muestras, como se ha visto anteriormente. Las tasas de desgaste de referencia asociadas a diferentes modelos se deben obtener mediante el estudio estadístico de una población de motores suficientemente numerosa para que sea representativa de la población. Comprobando que el comportamiento de las poblaciones puede considerarse como lognormal, se recomienda tomar como valor para las concentraciones de referencia, la media de la distribución lognormal. Teniendo en cuenta que el comportamiento del desgaste en un motor es un fenómeno dinámico que se modifica a lo largo de la vida del mismo hay que definir una metodología de actualización de su propia referencia de desgaste de modo que

330


se ajuste a dicho comportamiento dinámico. A continuación se expone el método de asignación y actualización de las tasas de desgaste de referencia, a partir de los valores que se obtienen en la evaluación de las correspondientes muestras. Se calcularán cuatro referencias a saber: La tasa de desgaste de referencia global, que es la correspondiente a toda la población de muestras de aceite analizadas, teniendo en cuenta la influencia de todas las marcas, modelos y motores para un tipo de aplicación concreto, esto es, motores de Automoción, Marinos, o Cogeneración a gas. La tasa de desgaste de referencia de marca, es la referencia que pertenece a una población de muestras de motores de un mismo fabricante. La tasa de desgaste de referencia de modelo concerniente a todas las muestras de un mismo modelo de motor, con la finalidad de tener en cuenta la existencia de distintos modelos dentro de los motores de un mismo fabricante. La tasa de desgaste de referencia de motor es la correspondiente a un motor específico, y se obtiene a partir de sus propias muestras, es necesaria esta referencia, ya que cada motor está expuesto a distintas condiciones de uso y por ello tienen distinto comportamiento. A continuación se detallan cada una de ellas explicando la expresión matemática que se utiliza para determinarlas.

Tasa de desgaste de referencia del motor.

Se calcula a partir de las muestras de un motor en particular. La razón principal de la actualización de las referencias de cada motor es la de modificar el valor inicial asignado a éste, para llevar sus valores a unos más propios de su estado. La actualización de las referencias del motor se hará después de calcular el valor de la tasa de desgaste de la muestra en concreto (TDm). La filosofía de la actualización consiste en atenuar la diferencia existente entre el valor de la tasa obtenido, y la referencia original (RMOT) y corregirla:

R ' MOT =

A ⋅ RMOT + TDm A +1

Ec. (7.3)

Donde: RMOT es la tasa de desgaste de referencia de motor original, R’MOT es la tasa se desgaste de referencia de motor actualizada y A es un coeficiente de


331

ponderación para tratar de corregir efectos que pueden ser contraproducentes, esto es, en el caso de que un comportamiento anormal puntual suceda, éste debe tratarse como tal y no debe de entrar a formar parte de los cálculos que ajustan la tasa de desgaste de referencia considerada como situación representativa . Se ha considerado óptima la asignación que se muestra a continuación en la tabla 7.5, en función del índice decimal (D), asignado en cada caso para cada análisis, indicativo del estado de la muestra. Es decir, que el valor de la tasa de desgaste de la muestra tendría un peso del 33 % si la muestra estuviera bien, un peso del 25 % en rango de alerta y del 20 % en rango de alarma siendo el índice menor de 5. Se consideran situaciones poco normales que el valor de la tasa de desgaste obtenido sea menor de un tercio de la referencia considerada o sea superior al valor normal de la población tal que el índice decimal esté entre 4 y 5, si no se trata de la primera muestra, con lo que no se actualizará en dichos casos. Tabla 7.5. Selección del parámetro de ponderación A en función de la calificación del estado de la muestra. TDm ≤ RMOT / 3

D≤2

1ª muestra No 1ª muestra A=4

No actualizar

A= 2

4≤D≤5

2
A=3

1ª muestra

No 1ª muestra

A=4

No actualizar

D≥5 No actualizar

Si por el contrario se dan los casos anteriores pero se trata de la primera muestra, sí se actualiza pues es posible que el valor tomado como referencia sea poco adecuado y como consecuencia haya conducido a un cálculo de índices erróneo. Esto ocurre cuando la muestra viene de un motor del que no se tiene suficiente información sobre su comportamiento característico. Si el índice decimal es mayor que 5 se considera muy alejado de lo considerado como normal, por lo que no debe considerarse para la actualización.

332


Tasa de desgaste de referencia del modelo.

Se utiliza como valor inicial de referencia de las primeras muestras de cada motor que ingresan en el Sistema, por lo que se irá actualizando conforme lo hagan cada uno de los motores específicos de ese modelo. Esta actualización se realizará con la llegada de cada muestra de ese modelo para menor complejidad del Sistema. La expresión a utilizar será:

R´MOD =

RMOT + B ⋅ RMOD B +1

Ec. (7.4)

donde: RMOT : Tasa de desgaste de referencia del motor al que pertenece la nueva muestra tras ser actualizada. RMOD : Tasa de desgaste de referencia del modelo de motor. R´MOD : Tasa de desgaste de referencia del modelo actualizada. B : Número total de muestras de ese modelo antes de actualizar. Dicho coeficiente B podría ser fijo, sin embargo, actuando según la forma en que se ha definido, cuando el modelo tiene una población de motores reducida, éste parámetro B tiene un valor bajo y permite una rápida adecuación del valor de referencia del modelo, partiendo del de la marca, mientras que una vez recibidas bastantes muestras, la referencia de modelo se hace más insensible a modificaciones tomando un valor casi constante. Sin embargo se debe limitar el valor mínimo de B para impedir que si las primeras muestras fueran anormales se modificara exageradamente la referencia del modelo, así se define: BMIN = 4 Por otra parte si el número de muestras recibidas se incrementa, B iría aumentando, perdiendo influencia las nuevas referencias de motor, por ello se debe limitar el valor máximo de B: BMAX = 19


333

Tasa de desgaste de referencia de marca.

La idea de tener una referencia por marca Rf es la de disponer de un valor promedio de todos los modelos de una marca, con el fin de usar dicha referencia como referencia inicial para un nuevo modelo de esa marca que ingresa en el sistema o cuando de los datos de la muestra sólo se conozca el fabricante del motor. Esta referencia por marca se actualiza con las de los modelos que le pertenecen, como promedio de ellas, ponderadas de alguna forma con la cantidad de muestras recibidas de cada modelo, para lo que puede utilizarse el valor del coeficiente B de cada uno, tal como se definió anteriormente sin tener en cuenta los valores máximo y mínimo. La actualización sería de forma mensual y la expresión a utilizar será: N

Rf =

∑B ⋅R i =1

i

MODi

Ec. (7.5)

N

∑B i =1

i

donde se denota con el subíndice i a cada uno de los modelos de la marca, siendo N el número total de modelos de la marca. Para posteriores cálculos tomaremos: N

C=

∑B i =1

i

donde C es la cantidad de muestras por marca.

Tasa de desgaste de referencia genérica.

Finalmente se deberá calcular una referencia genérica, Rg, que tenga en cuenta todas las de los motores de una misma aplicación, sin distinción por marca, para utilizarla en aquellos casos en que no se especifique ni la marca ni el modelo del motor, o la marca sea nueva. Estas referencias deberán evolucionar conforme lo hagan las poblaciones a las que representan.

334


La forma de operar será análoga al caso anterior, actualizando mensualmente y empleando la siguiente expresión: M

∑C ⋅R Rg =

j

j =1

fj

Ec. (7.6)

M

∑C j =1

j

donde el subíndice j denota cada una de las marcas, siendo M el número total de marcas de motores. En este caso, para la actualización mensual, tampoco se considerarán las marcas que no han recibido muestras durante los dos últimos años. Finalmente se destaca que una vez instalado el método de actualización de las referencias, al dar de alta una muestra, será necesario conocer la mayor cantidad de información posible acerca del motor del que proviene, para no tener que asignarle una referencia más general y menos adecuada Asignación de índices decimales Tal como hemos comentado anteriormente, la evaluación de las tasa de desgaste, y en general de cualquier parámetro, se hará con un índice de gravedad. La finalidad de este proceso es tener almacenados los índices con información precisa. La asignación se realizará de la misma forma que hemos comentado anteriormente.

7.4. Uso de Sistemas diagnóstico

Expertos

para

Para poder obtener el diagnóstico sobre el estado de un sistema hay que manejar información relativa a los síntomas monitorizado en el mismo y combinarla de forma inteligente, este tipo de tareas pueden ser realizadas de forma adecuada por un sistema informático implementado según la metodología de la inteligencia artificial. Un sistema de Inteligencia Artificial es el que incorpora, de forma manipulable por el ordenador, el conocimiento sobre un tema y los procedimientos generales para obtener respuestas a los problemas sobre un tema determinado.


335

En los algoritmos tradicionales, los conceptos en base a los cuáles se resuelve el problema (conocimiento), y el procedimiento de resolución se encuentran juntos, en un proceso unificado de resolución que es lo que llamamos programa. En estos algoritmos, cuando varía el conocimiento sobre el tema, hay que modificar el programa para que trabaje con el nuevo conocimiento. Sin embargo, los sistemas de inteligencia artificial utilizan mecanismos que permiten la modificación de los procesos sin más que modificar el conocimiento. Los sistemas de inteligencia artificial son pues, aquellos sistemas relacionados con:

Transformación de los datos en elementos de conocimiento representados en forma tratable por el sistema inteligente Diseño de formas de representación y utilización del conocimiento para resolución de problemas Adquisición de conocimiento (aprendizaje)

Dentro de los sistemas de I. A. podemos encontrarnos básicamente con tres métodos diferentes [Chacón, J. L.; 2001]:

El reconocimiento de formas o “Pattern Recognition”: En este método se hace uso de una manera implícita o explícita de las técnicas de reconocimiento de formas mediante la interpretación por parte de los especialistas de firmas asociadas a los fallos. Por ejemplo: una firma vibratoria permite la clasificación del funcionamiento de la máquina a partir del reconocimiento del patrón entre todos los otros patrones asociados a los modos de funcionamiento normales y anormales. Con la evolución de la informática, se han desarrollado varios métodos de reconocimiento de formas que ayudan a los operadores humanos a realizar automáticamente la clasificación de firmas, lo que facilita enormemente el proceso de diagnóstico de sistemas complejos. El problema de estos métodos, al menos en su versión clásica, radica en la incertidumbre proveniente de la información de los sensores, de los elementos de accionamiento y de las características físicas del sistema y que se introduce al algoritmo de clasificación, también en la incapacidad de estos métodos de manejar información ambigua o heurística tal y como la manejan los expertos humanos. Otra desventaja de esta técnica es que manejan conocimiento poco transparente para los operarios, no hay una interacción entre el sistema de diagnóstico y el usuario como si ocurre con los sistemas expertos.

336


Las redes neuronales artificiales (RNA): son herramientas que en teoría se adaptan muy bien para ayudar al especialista de mantenimiento en sus actividades de reconocimiento y de clasificación de fallos. Varios estudios por parte de los especialistas en mantenimiento se están llevando a cabo para evaluar los posibles aportes de las redes neuronales al diagnóstico de anomalías antes de su implementación industrial real. Son el objeto de una atención particular las leyes de aprendizaje de sus pesos y de las conexiones entre neuronas; pues ellas condicionan los rendimientos de las RNA. Las redes neuronales funcionan ya sea mediante un procedimiento de aprendizaje supervisado o al contrario sin supervisión. Para las aplicaciones industriales, particularmente el mantenimiento, las RNA que funcionan con aprendizaje supervisado son bastante interesantes ya que permiten clasificar las diferentes firmas, aún si las formas presentadas poseen mucho ruido o si la información que ellas suministran no es completa. El principal inconveniente de las RNA radica en la cantidad de información o datos experimentales que se necesita para alcanzar un entrenamiento óptimo y que proporcione un rendimiento lo suficientemente elevado y robusto. Se recomienda la utilización de las RNA solamente cuando las técnicas tradicionales no dan buenos resultados, como en el caso de sistemas muy complejos donde el comportamiento del sistema es no lineal. También tiene la desventaja de no manejar información ambigua o heurística, igualmente que las técnicas de reconocimiento de patrones. Estas técnicas solamente manejan bien la información numérica.

Los sistemas Expertos (SE): A diferencia de las RNA y las técnicas de reconocimiento de formas que están reservadas principalmente al diagnóstico externo (sistemas de muy complejo modelado), los SE por su capacidad de reproducir el razonamiento de un experto humano, ofrecen perspectivas mucho mas amplias e interesantes para el diagnóstico debido a que permiten resolver e integrar conjuntamente tanto problemas de diagnóstico interno como externo. Los sistemas expertos capaces de razonar con conocimientos de “superficie” o “shallow knowledge” (análisis de firmas externas) o con conocimientos “profundos” o “deep knowledge” (conocimientos de modelos directos del sistema), tienen una aplicación industrial muy sobresaliente, sobre todo para el diagnóstico de pequeños sistemas. Sin embargo, para sistemas complejos y de gran escala, su utilización en la forma tradicional o clásica es muy escasa debido a los costos muy elevados de desarrollo, de explotación y mantenimiento. Uno de los principales inconvenientes de los sistemas expertos clásicos radica también en su limitada capacidad para manejar información incierta, imprecisa y ambigua.


337

Entre todos los sistemas de inteligencia artificial mencionados, ocupan un lugar muy importante en el ámbito del mantenimiento los sistemas expertos. Un sistema experto es un sistema informático que incorpora, de forma operativa, el conocimiento de expertos humanos, de forma que responde de igual forma a como lo harían estos expertos, siendo capaz de explicar y justificar sus respuestas. Estos sistemas, además, son capaces de modificar o ampliar su conocimiento. Los sistemas expertos se diseñan a partir de una estructura con dos elementos básicos:

Base de conocimiento, cuya estructura refleja un sistema de relaciones entre afirmaciones o recomendaciones Motor de inferencia, procedimiento de obtención de respuestas a los posibles problemas a plantear basándose en la base de conocimiento, los grados de certeza de las hipótesis y de los hechos primarios.

Con estas características, un sistema experto se diferencia de otros sistemas informáticos convencionales por su parecido a los expertos humanos en:

Capacidad para adquirir nuevos conocimientos y para perfeccionar o ampliar los que poseen. Capacidad para justificar sus conclusiones atendiendo al hecho de que el sistema recuerda la cadena de razonamiento lógico utilizada. Capacidad para explicar por qué hacen determinadas preguntas cuando están tratando de resolver un problema.

En resumen un sistema experto debe ser capaz de realizar las siguientes funciones:

Resolver problemas complejos tan bien o mejor que un experto humano Razonar heurísticamente, utilizando reglas que los humanos consideran eficaces Interactuar eficazmente con los usuarios Gestionar descripciones simbólicas Poder funcionar con datos erróneos e incompletos Contemplar múltiples hipótesis alternativas Explicar por qué plantean sus preguntas Justificar sus conclusiones

338


[Miller, R.; 1999] ofrece un resumen muy interesante de las ventajas y desventajas que ofrecen los sistemas expertos, comparados frente a los expertos humanos en la situación de la tecnología actual.

Ventajas:

Memoria: Un sistema experto no olvida, un experto humano puede olvidar. Reproducibilidad: Se pueden generar muchas copias de un sistema experto mientras que formar un experto humano es largo y costoso. Eficiencia económica: un sistema experto es costoso de desarrollar y mantener pero muy barato de operar. Los costes de desarrollo y mantenimiento pueden ser repercutidos sobre un número importante de usuarios. El coste total puede ser comparativamente muy favorable frente al coste de expertos humanos. Consistencia: Los sistemas expertos manejan las situaciones siempre en el mismo modo. Los expertos humanos están influenciados por las situaciones más recientes que provocan un impacto desproporcionado sobre el juicio o por efectos de prejuicios previos. Documentación: Un sistema experto puede proporcionar documentación permanente sobre el proceso de decisión. Ahorro de tiempo: Un sistema experto correctamente diseñado puede tratar un volumen de datos en un tiempo que no es posible alcanzar por un experto humano. Amplitud: El conocimiento de diferentes expertos humanos puede ser combinado en un sistema experto mas amplio de lo que un solo experto humano puede alcanzar.

Desventajas.

Razonamiento según “sentido común”: Un experto humano posee el denominado sentido común que de momento no puede ser implementado en un sistema experto. Creatividad: Los expertos humanos pueden responder con creatividad sobre situaciones inusuales, mientras que un sistema experto no. Aprendizaje: los expertos humanos realizan un adaptamiento automático a los entornos cambiantes mientras que los sistemas expertos deben ser actualizados de forma explícita. Experiencia sensorial: los expertos humanos disponen de un amplio abanico de experiencias sensoriales mientras que los sistemas expertos dependen de los datos numéricos o entradas simbólicas que manejan.


339

“Fallo gracioso”: los sistemas expertos son incapaces de reconocer cuando no existe una respuesta o cuando el problema se encuentra fuera de su área de conocimiento.

Habitualmente, cuando se realiza un sistema informático, se produce una mezcla en el código del programa de los conocimientos sobre el tema con los procedimientos que los usan para resolver el problema. Si queremos que un sistema informático cumpla las especificaciones enumeradas es necesario separar claramente estos dos componentes. De esta forma se consigue que el sistema sea flexible para adquirir y modificar conocimientos, y tenga transparencia para explicar sus razonamientos y conclusiones. Por tanto, un sistema experto tendrá dos módulos claramente diferenciados, la base de conocimiento y el motor de inferencia. Dentro de un sistema experto se deben distinguir tres componentes estructurales:

Base de hechos: contiene el conocimiento declarativo, los datos, sobre el problema particular que en un momento dado se intenta resolver. Base de conocimiento: Contiene el conocimiento específico y procedimental del problema que debe tratar el sistema. Motor de inferencia: Controla las deducciones del sistema.

Figura 7.5. Esquema de los componentes de un Sistema Experto Los tipos de usuarios que van a relacionarse con un sistema experto son:

Experto humano, es quien comunica su conocimiento al sistema. Ingeniero del conocimiento, es quien diseña las estructuras con las que trabajará el sistema, y traduce el conocimiento extraído del experto humano a dichas estructuras.

340


Usuario final, es el que usa el sistema para resolver problemas.

Habitualmente se utiliza indistintamente la expresión sistema experto o la expresión sistema basado en el conocimiento, aunque su significado no es exactamente el mismo. Sistema experto tiene más contenido funcional y el sistema basado en el conocimiento un contenido más estructural.

Figura 7.6. Esquema de un Sistema Experto

7.4.1. Base de hechos La base de hechos, como ya se ha comentado contiene la información original sobre el problema en un momento dado. Lo habitual en los sistemas expertos en general es que estos hechos los vaya preguntando al usuario final según le haga falta conocer un dato. En el caso de los sistemas expertos para el mantenimiento es bastante usual que los valores de los hechos se encuentren almacenados en una base de datos, y las preguntas al usuario final sean mínimas. Esto es así ya que la gestión moderna del mantenimiento obliga al manejo de gran cantidad de datos, con lo que se hace necesario la utilización de bases de datos para el almacenamiento y gestión de los mismos [Macián, V., 2000], por tanto, se dispone de una base de datos de programación de actividades y de historiales de la instalación a mantener. Estos historiales van a ser muy importantes para el desarrollo del sistema experto. La base de datos del departamento de mantenimiento podrá llevar, por tanto, una gestión global de los tres tipos de mantenimiento: correctivo, sistemático y predictivo. Los resultados obtenidos de las medidas de los síntomas definidos en


341

el mantenimiento predictivo se almacenarán en dicha base de datos y representarán la base de hechos del sistema para el diagnóstico del mismo.

7.4.2. Base de conocimiento Como hemos dicho la base de conocimiento almacena la información y la experiencia que un experto humano tiene sobre un tema. Esta información no es fácilmente representable, ya que constituye una experiencia, intuición, sentido común, etc. Las técnicas de representación del conocimiento es un área actualmente que se encuentra en continua evolución. Actualmente existen diversas técnicas que permiten resolver el problema. En primer lugar hay que tener en cuenta que existe diferente conocimiento a representar; conocimiento factual o descriptivo, es el que se almacena en la base de hechos; y conocimiento procedimental o normativo que son los que se usan para dados unos hechos deducir otros, que a su vez pueden ser de tipo táctico (reglas) o de tipo estratégico (orden de aplicación de las reglas). En segundo lugar, hay que tener en cuenta que los humanos no siempre trabajan con todos los datos, existe información incompleta e información incierta. Con ambos tipos de información sabe trabajar la mente humana, y un sistema de este tipo deberá simular esta forma de razonamiento. La elección de una forma de representación del conocimiento condicionará el desarrollo del sistema, especialmente el mecanismo de inferencia, por lo que se debe ser cuidadoso al decidir una técnica u otra de representación. A continuación se comentan brevemente las técnicas de representación clásicas más comúnmente usadas:

Sistemas de producción

Un sistema de producción consta de tres componentes: reglas de producción (conocimiento), una base de datos (hechos) y un intérprete (motor de inferencia). Una regla de producción es un par ordenado (A,B) representado como:

A→B

342


Los elementos del par se llaman antecedente y consecuente. El intérprete funciona siguiendo la regla de inferencia de la lógica “modus ponens”, es decir, del hecho A y de la regla, se infiere el hecho B. Este esquema de conocimiento se usó en el sistema experto MYCIN, uno de los más famosos sistemas que han funcionado en el mundo y que fué una ayuda para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades infecciosas desarrollado en la Universidad de Stanford en 1976.

Lógica de predicados

La lógica se ha utilizado desde tiempo inmemorial para el análisis del comportamiento racional, por tanto juega un papel importante en la ingeniería del conocimiento. La lógica de predicados maneja variables proposicionales (a, b, c, ...) y conectivas: ¬a (negación de a), a∧b (a y b), a → b ( a implica b), etc. La lógica de predicados permite trabajar con propiedades de individuos y relaciones entre ellos. Existen lógicas de orden superior que resuelven algunas limitaciones de la lógica de predicados, por ejemplo necesidad de cuantificar predicados (entre dos individuos siempre hay una relación de parentesco). Esta técnica de representación del conocimiento es la base del lenguaje de programación PROLOG, que es absolutamente declarativo frente a los lenguajes convencionales que son imperativos.

Redes semánticas

Esta técnica de representación utiliza la teoría de los grafos, donde los nodos representan objetos, y los arcos relaciones entre objetos. Así un arco con sus dos nodos representa una unidad de conocimiento. Una red semántica ofrece una buena visión sobre las relaciones y dependencias de un área de conocimiento y es muy útil para establecer la estructuración del conocimiento y la verificación del experto. Sin embargo, los enunciados de las relaciones expresadas en los arcos deben ser formuladas fuera de la red

Frames (Marcos)

Es una estructura de datos que sirve para representar una situación típica. En cada frame hay varios tipos de información. Una parte de esta información hace referencia a cómo utilizar el frame, otra se refiere a lo que se puede esperar que suceda, y por último, otra indica qué hacer si estas esperanzas no son confirmadas.


343

Un frame es un armazón estructurado de datos, sus componentes se introducen en los slots cuyas definiciones están fijadas, a su vez los slots pueden estar divididos en facets. Ambos van teniendo contenido a lo largo del procesamiento, de forma que puede haber dos frames idénticos con diferente contenido. Para el procesamiento de los frames debe haber reglas y procedimientos incorporados como en las redes semánticas. Existen procedimientos asociados a slots que son activados cuando se da un determinado acontecimiento. Además de representar el conocimiento, existe el problema adicional de la imprecisión que puede venir de dos fuentes, por un lado el experto humano cuando tienen que transmitir su conocimiento no tiene absoluta seguridad en toda la información que maneja; por otra parte, cuando el sistema pregunta al usuario si un hecho es cierto o no, es posible que el usuario no lo sepa con seguridad. Para tomar en consideración esta imprecisión también existen diversos métodos, la mayoría de ellos basados en conceptos estadísticos como por ejemplo, las probabilidades condicionales. Así cuando el experto o el usuario debe dar una información sobre su conocimiento o sobre un hecho se le asocia una probabilidad que será una estimación hecha por el experto. De entre todas las técnicas de representación del conocimiento los sistemas de producción son los más usados para el mantenimiento predictivo, ya que la forma de representación es fácil de comprender para el experto humano.

7.4.3. Motor de inferencia El motor de inferencia es el mecanismo que procesa el conocimiento evaluando el conocimiento representado por las reglas y los hechos. Existen dos formas básicas de evaluación del conocimiento:

Encadenamiento hacia adelante o inferencia controlada por los datos

El mecanismo consiste en buscar en la base de conocimiento las reglas cuyo antecedente está formado por hechos conocidos y se ejecuta su consecuente. Este proceso se repetirá hasta que se alcance el objetivo, o hasta que no queden reglas que puedan ser disparadas.

Encadenamiento hacia atrás o inferencia controlada por el objetivo

344


En este caso se parte de un objetivo, de una conclusión, todas las reglas que contienen dicho objetivo en su consecuente se intentan disparar, es decir, se comprueba si se cumple su antecedente. Se repite el proceso con aquellas reglas que contienen en su consecuente el dato que se necesita comprobar para poder disparar las reglas que contienen el objetivo. En ambos casos, pueden existir conflictos en el momento de disparar una regla, para solucionar dicho conflicto existen dos tipos de estrategias de selección de la regla a disparar:

Búsqueda en profundidad

Se profundiza en una rama del árbol lógico de decisión. En general se usa esta estrategia para aquellos casos en que lo más importante es encontrar una solución cuanto antes, aunque no sea la más óptima.

Búsqueda en anchura

Se evalúan todas las ramas del árbol antes de seguir un determinado camino. Esta estrategia es la adecuada para aquellos casos en que se requiere encontrar la solución mejor o muchas soluciones. En general se utilizan estrategias mixtas, en las que se mezclan las dos filosofías de búsqueda. Además, siempre se puede dar el caso de que el mecanismo de búsqueda seleccione varias reglas a la vez porque todas cumplen las características requeridas. En estos casos, para elegir una de ellas se pueden usar diferentes criterios como:

la regla que más va a influir en la hipótesis que en ese momento evalúa el sistema la regla cuyo antecedente sea más sencillo de verificar la regla que más reduzca el espacio de búsqueda, etc.

7.5. Sistema Experto de diagnóstico basado en el análisis de aceite. El sistema de representación de conocimiento elegido para el desarrollo del Sistema Experto en el caso que nos ocupa ha sido el de los sistemas de producción. La utilización de reglas de producción nos ha parecido el mejor método de desarrollo por su similitud de razonamiento con el de los humanos y que tal como ha sido comentado anteriormente se trata de uno de los métodos típicos aplicados


345

al diagnóstico de enfermedades a partir de la sintomatología presentada por los pacientes, muy similar a lo que se realiza en el diagnóstico de motores por análisis de aceite y en general ampliamente utilizado en el Mantenimiento Predictivo. Otra ventaja asociada a su similitud al razonamiento humano es su facilidad de comprensión por parte de no expertos en el campo de la programación en inteligencia artificial, de modo que la depuración de errores en su fase inicial y posteriores modificaciones o mejoras del mismo fuesen relativamente fáciles de realizar. Los hechos de partida del sistema experto serán los resultados evaluados de los análisis físico químicos sobre la muestra en cuestión y toda la información adicional sobre la misma que sea necesario utilizar. El objetivo o resultado final del sistema experto será el diagnóstico de los posibles problemas que están ocurriendo en el motor y a ser posible la recomendación que debe seguir el usuario para evitar dichos problemas o fallos más graves que puedan aparecer. Esto quiere decir que los resultados del sistema experto se expresarán como sentencias de texto. La organización de estas sentencias se ha realizado atendiendo a tres tipos diferentes de las mismas:

Sentencias de comentarios: éstas exponen el estado del aceite, son de tipo general (estado global de la muestra) o particular (estado anormal de una propiedad, contenido anormal de un contaminante). Sentencias de diagnóstico: presentan los posibles fallos del motor que han causado las anomalías expuestas en los comentarios. Sentencias de recomendación: consisten en una serie de consejos que pueden remediar la situación presentada en los comentarios y diagnósticos, tales como la revisión o reparación de alguna parte del motor o la necesidad de efectuar cambios parciales o totales de la carga de lubricante.

Internamente el sistema dispone de una codificación de dichas sentencias, de forma que la gestión de las mismas, tanto desde el punto de vista de la base de datos, como del Sistema Experto sea lo más óptima posible. La estructura de programación del denominado fichero de reglas, base del Sistema Experto, es la que se presenta a continuación, partiendo de la base de que se han elegido las reglas de producción como herramienta, así tenemos:

346


Figura 7.7. Estructura de programación del fichero de reglas. Las funciones del antecedente y del consecuente ejecutan una serie de acciones definidas previamente que permiten el correcto funcionamiento del sistema.

7.5.1. Definición de los datos y su estructuración. Para la definición de cualquier sistema de gestión, y dentro de estos uno dedicado al mantenimiento, el tratamiento y almacenamiento de datos de forma racional y organizada es clave, de modo que en el planteamiento de un sistema automático de diagnóstico la definición de los datos necesarios y la estructura de este almacenamiento de cara a un manejo optimizado son puntos muy importantes. Es por ello que se plantea la utilización de lo que sería un sistema de información, definido como el conjunto de elementos ordenadamente relacionados entre sí de acuerdo a ciertas reglas que aportan a la organización la información necesaria para cumplir sus fines [Lerma, Mª. J., 2000]. Pensando en una futura sustentación de los datos en una base de datos (BDD), vamos a definir los mismos y su estructura de forma que sea lo más fácilmente posible su futura implementación en estos tipos de sistemas. El tipo más comúnmente utilizado en el diseño de bases de datos, por su facilidad de comprensión y su gran potencia en el manejo de los datos, es el sistema relacional. Una base de datos relacional es un conjunto de relaciones que contienen la información almacenada en la base de datos, entendiendo por relación un conjunto de n-tuplas de elementos cada uno de ellos pertenecientes a un dominio. Es decir, se trata de una tabla en la que en cada fila o registro, sería una tupla de información, los nombres de las columnas son atributos o campos y los valores concretos que aparecen en una fila y columna concreta, valores de los atributos. Los dos componentes de las bases de datos relacionales son, por una parte, la llamada entidad, definida como el concepto o suceso real o abstracto de interés para la información y por otro lado las relaciones definidas como la correspondencia o asociación entre diferentes entidades. Las entidades básicas a considerar en una estructura aplicable a un sistema automático de diagnóstico serán las siguientes:


347

Motor: entidad básica a la que refiere el sistema. Tipo de motor: entidad que agrupa a los motores que pueden considerarse comunes. Planta: elemento (vehículo, buque, instalación, etc) que sustenta el motor. Usuario o gestor del mantenimiento de la planta Muestra de aceite Aceite concreto Análisis físico químicos que se realizan sobre la muestra Límites o escalas que se aplican para la evaluación de los análisis realizados sobre la muestra.

La organización y relaciones de estas entidades se pueden visualizar en la siguiente figura.

Figura 7.8. Esquema de relaciones entre las entidades que definen un sistema automático de diagnóstico. La estructura presentada anteriormente es únicamente un prediseño básico de las necesidades de información. Para una definición más completa y que realmente sea plasmable en un programa informático se requerirá de la participación de ingenieros del conocimiento.

7.5.2. Tratamiento de certeza Siempre que se utiliza un sistema de diagnóstico cabe la duda al respecto de las capacidades verdaderas de resolución de problemas en situaciones reales que tendrá el mismo. Tanto en la vida cotidiana como en el mundo técnico, la información que se manipula es habitualmente “incompleta”. Nunca se dispone de

348


información en toda su integridad o con la “certeza” necesaria, y más aún, esta información está cargada siempre de incertidumbre [Chacón, J. L.; 2001]. Un sistema de Inteligencia Artificial, o dentro de estos un Sistema Experto, debe poder reflejar esa falta de completitud en la información y la falta de la absoluta certeza en el proceso de inferencia, es por ello que de alguna manera se ha de emplear una metodología para el tratamiento para estas incertidumbres. Con todo ello se debe realizar un sistema lo más robusto posible, que refleje de forma fiable y fiel las diferentes entradas al mismo, así en caso de no tener gran seguridad en los datos de entrada, esta incertidumbre debe reflejarse en las conclusiones de salida y si al contrario la fiabilidad de los datos de entrada es alta también las conclusiones deberán ser altamente certeras y fiables. Además deberemos de implementar el sistema de modo que permita cambios y mejoras de forma ágil y fácil por parte de los usuarios. El modo de abordar este planteamiento puede ser desde diversos puntos, así tenemos el propuesto por [Ontiveros, L. E.; 1995] basado en un tratamiento de tipo probabilístico, o mas recientemente el propuesto por [González, J. R., 2001] de utilización de la lógica difusa para el desarrollo del Sistema Experto. En nuestro caso se ha optado por un sistema diferente teniendo en cuenta que en todos los casos la validez o incertidumbre asociada a determinados procesos debe ser considerada de forma subjetiva y por ello el resultado final vendrá marcado por esa subjetividad. Dentro de todo lo que es proceso de tratamiento de certeza en el sistema podemos dividir este en tres grandes grupos:

El primero de ellos serian las incertidumbres asociadas a las medidas de las determinaciones, lo que conocemos como errores de medida. Al ser estos los datos básicos sobre los que se trabajará para inferir ciertos resultados es necesario tener en cuenta la falta de certeza que se tiene sobre ellos.

En un segundo grupo englobaríamos todo lo que son procesos de tratamiento de estos datos iniciales, esto es; los cálculos de las tasa de desgaste, la comparación de las mismas, la certeza en los datos sobre añadidos, la validez del dato del aceite utilizado, etc. Además se tendrá en cuenta la incertidumbre que consideramos debido al tipo de escala utilizada para evaluar cada determinación.


349

En el tercer grupo entrarían las certezas subjetivas de inferencia de resultados en función de una serie de “inputs”, es lo que anteriormente denominamos certeza de las reglas. Esto es, a partir de los resultados de una serie de análisis, un experto, de forma subjetiva infiere un diagnóstico con un cierto nivel de certeza sobre el mismo, esto en un sistema experto se representa por la certeza que tenemos en la regla. Este es uno de los casos mas claros de subjetividad ya que debe asociarse esta certeza a una regla en función de las consideraciones propias y subjetivas de los expertos humanos involucrados en el desarrollo del mismo.

Veamos de forma detallada cada uno de estos grupos y cual es la nueva forma de actuar del sistema.

7.5.3. Errores de medida. Todo aparato o procedimiento para obtener la medida de un análisis lleva asociado de manera intrínseca un cierto error, que por otro lado es inevitable, por lo que habrá que tenerlo en cuenta en el tratamiento de estos datos. Como ejemplo se presentan los errores de los aparatos de medida o procedimientos que se utilizan son: Tabla 7.6. Errores típicos asociados a los equipos utilizados en laboratorio para análisis de aceites usados. Equipo Espectrómetro Fotómetro Viscosímetro Potenciómetro Punto de inflamación

Error asociado ± 5% ± 3% ± 1% ± 4% ± 5%

7.5.4. Errores en los procesos de cálculo Una vez obtenidos los valores medidos estos pasan por una serie de procedimientos para su evaluación. En estos procedimientos entran en juego una serie de variables que en función de que sean totalmente conocidas o bien tengan que ser supuestas o estimadas van a afectar de forma directa los resultados obtenidos. Así mismo, consideraremos el posible error cometido en función del tipo de escala utilizado para calificar la determinación; en caso de escalas basadas en la referencia del motor podemos considerar que al estar obtenidas por métodos estadísticos el error es menor que en el caso de escalas relativas o absolutas fijadas

350


en base a la experiencia. La cuantificación de los errores en todo caso será al final de forma subjetiva y habrá que asociar un valor concreto a cada una de las consideraciones realizadas anteriormente. Todos los procesos realizados por el sistema de forma interna para obtener la evaluación de todos y cada uno de los análisis realizados sobre la muestra, pueden ser reducidos a la aplicación de una determinada función, teniendo cada una de las variables que forma parte en esa función una serie de errores o incertidumbres asociadas. De tal modo que para obtener el error asociado o la falta de certidumbre asociada a ese proceso utilizamos un modelo de ponderación de errores, definido por Kline y McClintok [Holman, J. P.; 1978]. Así, si tenemos una función R=R(x1, x2, ·····, xn) el error cometido en la operación en función de los errores de cada una de las variables independientes se puede expresar de la forma: 1

2 2 2  ∂R  ∂R  2    ∂R wR =  ⋅ wn   ⋅ w2  + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ w1  +   ∂xn      ∂x 2  ∂x1

Ec. (7.7)

siendo:

wi = xi ⋅ Εi

Ec. (7.8)

es decir el producto del valor de la variable por el error asociada a la misma. Esto es, el error puede expresarse como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los productos de las derivadas parciales con respecto a cada una de las variables por el valor de la misma y por su error asociado. Realmente lo que estamos haciendo al aplicar esta ecuación es ponderar cada uno de los errores que intervienen en el proceso de cálculo definido, sea éste el que sea. De todos modos no hay que obviar que la mayoría de estos errores asociados a ciertas variables lo son de modo bastante subjetivo.


351

7.5.5. Certeza de las reglas Como hemos comentado anteriormente en todos los análisis que se realizan al final obtenemos un índice de calificación propio, el denominado índice decimal, que nos muestra el estado de gravedad de dicho análisis en la muestra, y con lo definido anteriormente tendremos asociado al mismo la certidumbre del mismo. Estos parámetros de índice decimal y su certeza asociada van a ser los hechos y certeza de hechos que entran en el sistema experto para poder inferir una serie de consecuentes que serán expresados como sentencias, diferenciadas en las tres categorías mencionadas anteriormente: comentarios, diagnósticos y recomendaciones. La inferencia desde un hecho o combinación de diferentes hechos a un determinado consecuente (sentencia) tiene a su vez asociada una certidumbre definida por la denominada confianza de la regla. Dicha confianza de la regla se define como se ha comentado anteriormente ponderando las certezas subjetivas que los expertos humanos asocian a la misma. A continuación se presenta una figura resumen de los diferentes errores e incertidumbres consideradas dentro del sistema para la obtención del diagnóstico.

Figura 7.9 . Tratamiento de certeza en el sistema.

CAPITULO VIII EPILOGO

La creciente importancia del mantenimiento y dentro de este, lo que sería su estadio mas avanzado, el mantenimiento predictivo obliga al avance en esta área de conocimiento. La necesidad por parte de las empresas de reducir los costes asociados al mantenimiento sin perder las mejoras obtenidas en cuanto a fiabilidad y seguridad de los elementos a mantener marca profundamente las tendencias dentro de este campo. La importancia actual de los motores de combustión interna alternativa, fundamentalmente de encendido por compresión, en áreas como el transporte o la generación de energía lo convierten en uno de los elementos básicos a controlar, requiriendo para ello de la aplicación de un completo plan de mantenimiento perfectamente definido y dentro del cual evidentemente no puede faltar la parte dedicada al mantenimiento predictivo. El objetivo del trabajo realizado ha sido aportar un pequeño esfuerzo de mejora dentro de una de las técnicas más extendidas dentro del mantenimiento predictivo aplicado a motores, que sigue presentado determinadas lagunas pero que tiene un potencial futuro aún mayor. La mejora dentro de las técnicas de medida aplicadas a los diferentes parámetros a controlar en el aceite, tanto en medidas de laboratorio como equipos de medida de taller, sobre todo en cuanto a la determinación de la contaminación metálica. La utilización de enormes bases de datos y herramientas de Inteligencia Artificial que permitan mejorar el conocimiento sobre el diagnóstico y aumentar la versatilidad y rapidez de respuesta

354

Cap. 8 Epílogo

de cara al técnico en mantenimiento en recibir los resultados de los análisis y los diagnósticos de los mismos, son puntos que hay que mejorar Este trabajo no pretende presentar la técnica del análisis de aceite como única referencia del mantenimiento predictivo para motores, donde también podemos encontrar técnicas muy empleadas y conocidas como es el monitorizado de prestaciones, monitorizado de sistemas (sobrealimentación, escape, refrigeración, etc) o más novedosas como el caso de la aplicación de la termografía o la medida de vibraciones. Este trabajo se encuentra enmarcado dentro del área de investigación en la que está involucrada la línea de Mantenimiento del Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad Politécnica de Valencia, centrándose en el desarrollo y aplicación de técnicas de mantenimiento predictivo al campo de los motores térmicos. Además, no sólo desde el punto de vista de la investigación sino en la puesta en marcha y aplicación de dichas técnicas en el ámbito industrial. Consideramos que el trabajo realizado supone una contribución al estudio de las técnicas de monitorizado y diagnóstico de los motores Diesel, pudiendo servir de apoyo para su mejor vigilancia y mantenimiento. Las principales conclusiones que pueden ser extraídas son las siguientes:

Se ha llevado a cabo una revisión general de las particularidades de la lubricación en los motores Diesel, realizando un estudio exhaustivo de cara a identificar la problemática asociada a la misma con vistas a la utilización del análisis de aceite como herramienta de diagnóstico.

Se ha llevado a cabo una revisión de las diferentes técnicas aplicables al análisis de aceite, para disponer de un amplio conocimiento que permita seleccionar la técnica óptima, mostrando ventajas e inconvenientes en cada caso y sus potencialidades y limitaciones.

Se ha realizado un profundo estudio del comportamiento de los aceites y los motores en servicio, tanto referido a la propia degradación de los aceites como a la presencia de contaminantes en el mismo. Todo ello a partir del estudio de la información disponible de análisis realizados durante la última década en todo tipo de motores de uso en Automoción, Marinos y Cogeneración a gas.

Se han definido procedimientos o modos de evaluación de problemas puntuales que presentan una sintomatología específica, tales como métodos

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis de aceite usado

355

indirectos para la determinación de la contaminación por agua de refrigeración en el aceite, problemática que no suele detectarse con la medida de la presencia de agua exclusivamente, o para motores de uso en Marina se ha definido un método para la determinación de si la presencia de agua es achacable a la contaminación con agua marina a partir de la presencia de sodio en la misma.

Se ha reflejado la importancia de la materia carbonosa como elemento de contaminación en el aceite y la tendencia futura de una mayor problemática asociada a esta contaminación por los nuevos diseños de motor con emisiones menores que provocan una mayor solicitación sobre los aceites que han de ser utilizados en los mismos, sobre todo en sus capacidades de contrarrestar los efectos negativos de la materia carbonosa en los mismos.

Se ha realizado un estudio de la posible influencia de determinados elementos metálicos presentes en los combustibles residuales junto con los nuevos diseños en grandes motores sobre el desgaste de los mismos, comprobándose que no se produce ningún efecto adicional al comportamiento que se observaba en los diseños anteriores de estos motores.

Se ha definido una metodología para la determinación de la tasa de desgaste que sufre el motor a partir de las medidas de las concentraciones metálicas mediante la espectrometría. Resulta un concepto innovador frente a la clásica evaluación del desgaste de motor basado en valores absolutos de concentración. Como contrapunto, la determinación exacta de estas tasas de desgaste obliga al mantenedor a realizar un cuidadoso seguimiento de las operaciones que se realizan sobre el motor.

Adicionalmente esta metodología permite la estimación de los consumos de aceite en el motor, diferenciando entre el consumo debido a fugas directas de aceite y el consumo debido a la combustión o evaporación de aceite en la cámara de combustión del motor. Todo ello puede utilizarse como parámetro o síntoma para el diagnóstico o podría ser utilizado con otros fines en la investigación de motores, como por ejemplo el efecto de la combustión del aceite lubricante sobre los gases de escape y su efecto sobre los contaminantes.

Se ha definido la estructura de un sistema automático de diagnóstico por análisis de aceite que permite de forma relativamente sencilla el seguimiento del aceite y del motor. Se ha implementado en el mismo un

356

Cap. 8 Epílogo

completo tratamiento de la certidumbre asociada al mismo tal y como la que poseería un experto humano.

Desde el punto de vista de aplicación a un sistema de diagnóstico mediante el análisis de aceite ha quedado patente la importancia del conocimiento exacto del motor y de todo lo que rodea al mismo de cara a la obtención de un diagnóstico preciso. La generalización puede darnos nociones generales sobre el tema pero para un diagnóstico apropiado es fundamental un conocimiento exacto de factores como son: metalurgia, combustible utilizado, aditivos utilizados en aceite y agua de refrigeración, rellenos de aceite, etc.

Dentro de los posibles trabajos futuros que pueden plantearse sobre el tema cabe mencionar los siguientes:

Determinación de tasas de desgaste típicas según motores atendiendo a la edad de los mismo, tipo de uso, tipo de motor, marca, etc. Ello se llevará a cabo dentro de los sistemas de diagnóstico que se desarrollan en el Departamento de modo que en breve se pondrá implementar un sistema basado en esta metodología y las premisas definidas en este trabajo. Con lo cual en un periodo de tiempo relativamente corto se podrá extender su uso en aplicaciones reales.

Se está trabajando ya, más desde el punto de vista químico en metodologías que permitan aumentar la sensibilidad de medida de la espectrometría. En concreto se está intentando aplicar la digestión ácida sobre las muestras de aceite de cara a eliminar o al menos paliar el problema del tamaño de las partículas o al menos comprobar si se aumenta el rango de medida en un nivel que resulte admisible para su utilización a gran escala.

Se pretende incidir en el estudio de las partículas de desgaste que quedan retenidas en los filtros de aceite, de las cuales se va a poder extraer gran cantidad de información a partir de tanto la cantidad depositada como del estudio morfológico de las mismas. Para este último punto se pretende desarrollar una metodología propia basada en el tratamiento de imágenes de partículas que permita su identificación y diagnóstico de forma también automática.

Se plantea la utilización de la lógica difusa (fuzzy) en el sistema experto de diagnóstico basado en análisis de aceite, siguiendo algún trabajo ya

Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis de aceite usado

357

comenzado en este mismo Departamento y no restringido exclusivamente al análisis de aceite. De esta manera, se tiene una metodología ya definida para tratar los síntomas, en este caso, resultados de los análisis sobre el aceite, no como variable binaria, sino como variable difusa y por tanto llevando incorporada lo que sería el tratamiento de certeza definido en este trabajo.

Bibliografía

I

BIBLIOGRAFÍA [Anderson, D. P.; 1991] Anderson, Daniel P. Wear Particle Atlas (revised). Predict Technologies. Cleveland, USA. 1991 [ASM Handbook, 1992] ASM Handbook. “Friction, Lubrication and Wear Technology”. ASM International Vol. 18. 1992. ISBN: 0-87170-380-7 [ASTM D-88] Standard Test Method for Saybolt Viscosity [ASTM D-95] Standard Test Method for Water in Petroleum Products and Bituminous Materials by Distillation. [ASTM D-97] Standard Test Method for Pour Point of Petroleum Products. [ASTM D-445] Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids (the Calculation of Dynamic Viscosity). [ASTM D-664] Standard Test Method for Acid Number of Petroleum Products by Potentiometric Titration. [ASTM D-892] Standard Test Method for Foaming Characteristics of Lubricating Oils [ASTM D-893] Standard Test Method for Insolubles In Used Lubricating Oils [ASTM D-1744] Standard Test Method for Determination of Water in Liquid Petroleum Products by Karl Fischer Reagent.

II


[ASTM D-2270] Standard Practice for Calculating Viscosity Index From Kinematic Viscosity at 40 and 100°C. [ASTM D-2602] Test Method for Apparent Viscosity of Engine Oils at Low Temperature Using the Cold-Cranking Simulator, Replaced By D5293. [ASTM D-2896] Standard Test Method for Base Number of Petroleum Products by Potentiometric Perchloric Acid Titration. [ASTM D-2982] Standard Test Methods for Detecting Glycol-Base Antifreeze in Used Lubricating Oils. [ASTM D-2983] Standard Test Method for Low-Temperature Viscosity of Lubricants Measured by Brookfield Viscometer. [ASTM D-3524] Standard Test Method for Diesel Fuel Diluent in Used Diesel Engine Oils by Gas Chromatography. [ASTM D-3828] Standard Test Methods for Flash Point by Small Scale Closed Tester. [ASTM D-4624] Standard Test Method for Measuring Apparent Viscosity by Capillary Viscometer at High Temperature and High-Shear Rates. [ASTM D-4683] Standard Test Method for Measuring Viscosity at High Shear Rate and High Temperature by Tapered Bearing Simulator. [ASTM D-4684] Standard Test Method for Determination of Yield Stress and Apparent Viscosity of Engine Oils at Low Temperature. [ASTM D-4739] Standard Test Method for Base Number Determination by Potentiometric Titration.

Bibliografía

III

[ASTM D-4741] Standard Test Method for Measuring Viscosity at High Temperature and High Shear Rate by Tapered-Plug Viscometer. [ASTM D-4781] Standard Test Method for Measuring Viscosity at High Temperature and High Shear Rate by Tapered-Plug Viscometer. [ASTM D-4928] Standard Test Method for water in crude oils by coulometric Karl Fischer Tritation. [ASTM D-5133] Standard Test Method for Low Temperature, Low Shear Rate, Viscosity/Temperature Dependence of Lubricating Oils Using a TemperatureScanning Technique. [ASTM D-5293] Standard Test Method for Apparent Viscosity of Engine Oils Between -5 and 35oC Using the Cold-Cranking Simulator. [ASTM D-5480] Standard Test Method for Engine Oil Volatility by Gas Chromatography. [ASTM D-5800] Standard Test Method for Evaporation Loss of Lubricating Oils by the Noack Method. [ASTM D-6278] Standard Test Method for Shear Stability of Polymer Containing Fluids Using a European Diesel Injector Apparatus. [Babichev, J.; 1971] Babichev, J. Investigation on the abrasive wear of metals by the Brinell Method. Transactions of ASME. 4(2). 1971. [Bagshaw, J. A.; 1997] Bagshaw, J. A.; Malcolm, F. Fox; Jones, C. J.; Picken, D. J.; Seare, K. D. The continuous flow stirred tank reactor (CFSTR) model and used oil volume corrections in condition monitoring. Tribology International. Vol. 30 Nº 4, pp. 271274. 1997.

IV


[Bajpai, S.; 1999] Bajpai, S.; Logan, M. R.; Stanley, R. M.; Sundaram, S. Measurements of lubricating oil consumption using Mg tracer in a medium-speed Diesel engine. SAE Paper 1999-01-3572. [Barnes, M. 2000] Barnes, Mark. Advanced strategies for selecting oil analysis alarms and limits. Practicing Oil Analysis 2000 Conference Proceedings. [Barnes, M.; 2001] Barnes, M. Water: the forgotten contaminant. Practicing Oil Analysis Magazine. Julio – Agosto 2.001. [Benlloch, J.Mª. 1985] Benlloch, J. Mª. Lubricantes y lubricación aplicada. Ceac, Barcelona, 1985. [Bilbao, J. M.; sine die] Bilbao, J. M. Espectroscopia Infrarroja como herramienta de control de la degradación de los aceites de motor usados. Boletín Técnico nº 2. Wearcheck Ibérica. [Blevins, G.; 1998] Blevins, G.; Evans, J. Silicon: Enemy Number 1. Practicing Oil Analysis Magazine. Noviembre – Diciembre 1998. [Blumenstock, K. U.; 1989] Blumenstock, Klaus U. Filtros para motores. Fundamentos de la filtración de aire y de aceite lubricante. Verlag Moderne Industrie, 1989. [BOE 13/Nov/1999] Anexo II. Especificaciones del gasóleo de Automoción (clase A) a partir del 1 de Enero del año 2000. Anexo IV. Especificaciones del gasóleo de Automoción (clase A) a partir del 1 de Enero del año 2005. [Boss, C. B.; 1997] Boss, C. B.; Freeden K. J. Concepts, Instrumentation, and techniques in Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry. Perkin Elmer, 1997

Bibliografía

V

[Briant, J.; 1985] Briant, J.; Denis, J.; Parc, G. Rheological properties of Lubricants. Technip, Paris, 1985. ISBN: 2-7108-0564-2 [Caines, A.; 1996] Caines, A.; Haycock, R. Automotive Lubricants Reference Book. SAE, Warrendale, 1996. ISBN: 1-56091-525-0. [Carbonell, V.; 2001] Carbonell, V.; Anubla, E.; Macián, V. Resultados de la Implantación de un Sistema de Mantenimiento Predictivo en el Equipo Motor de una Flota de Transporte de Ferrocarril. XI Congreso Iberoamericano de Mantenimiento. Florianópolis, Brasil. Septiembre 2001. [Carey, A.; 2001] Carey, A.; Hayzen, J. The dielectric constant and oil analysis. Practicing Oil Analysis Magazine. Septiembre – Octubre 2.001. [Cerny, J.; 2000] Cerny, J.; Strnad, Z.; Sebor, G.; Vaclavickova, I.; Vinklarkova, N. Composition and Oxidation Stability of SAE 15W-40 Motor Oils. Proceedings of the 2000 Tribology Colloquium. Esslingen Germany. 2000, pp. 495-502. [Chacón, J. L.; 2001] Chacón Velasco, Jorge L. Diagnóstico de fallos mediante la utilización de información incompleta e incierta. Aplicación a motores Diesel. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia. 2001. [Collister, C.J.; 2000] Collister, C.J.; Weisman, P. On-board Oil Condition Sensing. Proceedings of the 2000 Tribology Colloquium. Esslingen Germany. 2000, pp 555-560. [Copan, W.; 1993] Copan, W. G.; Haycock, R.F. Lubricant Additives and the Environment. Fourth International Symposium on the Performance Evaluation of Automotive Fuels and Lubricants. Coordinating European Council for the Development of Performance Test for Transportation Fuels, Lubricants and Others Fluids. CEC/93/SP02, pp 131.

VI


[D. T. Castrol. 1998] Departamento Técnico Castrol España. Tribología de la lubricación en cilindros de motores de dos tiempos. Rotación. nº 357. Octubre – Noviembre 1998, pp:84-101. ISSN 0211-2892. [Espinoza, H. J.; 1990] Espinoza, H. J. Diagnóstico de motores de encendido por compresión mediante análisis de aceite. Tesis Doctoral. 1990. Universidad Politécnica de Valencia. [Ethyl; 2000] Ethyl Corporation. Specification Handbook. 2000 (www.ethyl.com) [Evans, J.; 1998] Evans, J. Oil analysis statistics show frequencies of common problems. Practicing Oil Analysis Magazine. Julio – Agosto 1.998. [Evans, J.S.; sine die] Evans, J. S. Wear limits versus trends. Wearchek Africa Technical Bulletin. Issue 15. [Exxgard Information] Exxgard Lube Oil Analysis Program 2000. www.exxon.com (http/www.exxon.com/Exxon_lubes/tigerbytes/documents/brochures/bro0006.htm) [Finch, S.; sine die] Finch, S. TBN analysis of lubricants using non-hazardous solvents. Dexsil Cooporation. (www.dexsil.com). [Fitch, J. 1999] Fitch, J. Oil Analysis for the New Millennium. Practicing Oil Analysis Magazine. Enero-Febrero 1999. [Fitch, J. 1999] Fitch, J. The Influence of Bottle Cleanliness and Sample agitation on Particle Count Trends Practicing Oil Analysis Magazine. Marzo-Abril 1999. [Fitch, J.; 1998] Fitch, J. Use the ISO code to represent Particle concentrations. Practicing Oil Analysis Magazine. Septiembre - Octubre 1998.

Bibliografía

VII

[Fitch, J.; 2000] Fitch, J. The enduring flash point test. Practicing Oil Analysis Magazine. Marzo Abril 2.000. [Fitch, J.; 2001] Fitch, J. Oil and glycol don´t mix. Practicing Oil Analysis Magazine. Julio – Agosto 2.001. [Fitch, J.; 2001] Fitch, J. The six most expensive oil analysis tests. Practicing Oil Analysis Magazine. Marzo - Abril 2.001. [Fitch, J.; 2001] Fitch, J. Trouble-shooting viscosity excursions. Practicing Oil Analysis Magazine. Mayo – Junio 2001. [Fygueroa, S.; 1994] Fygueroa, S. Diagnóstico del desgaste y el estado de motores de encendido por compresión. Tesis Doctoral. 1994. Universidad Politécnica de Valencia. [Fygueroa, S. 1997] Fygueroa, S. Técnicas de análisis de aceite empleadas en el mantenimiento de motores Diesel. Consejo de Publicaciones de la Universidad de los Andes. Mérida (Venezuela) 1997. ISBN: 980-221-959-2. [Fygueroa, S.; 1993] Fygueroa, S.; Wonsang, Y.; Ontiveros, L. El desgaste en motores Diesel de Automoción. Primer Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. 1993. [Garrido, A.; 2000] Garrido, A. Combustibles para motores Diesel. InfoPower, nº 28, Julio-Agosto 2000. pp. 67-70. ISSN: 1138-5073. [GM EMD MI 1756] Instrucciones de Mantenimiento “1756: Especificaciones del Lubricante”. General Motors Electro-Motive Division. [González, J. R.; 2001] González Castro, Josep Ramón. Manteniment integral de motors d’encesa per compresió de cogeneració mitjançant l’anàlisi del lubricant. Validació

VIII


experimental de nous paràmetres de control. Tesis Doctoral. Universitat Politècnica de Catalunya. 2001. [Gulwadi, S. D.; 2000] Gulwadi, S.D. Analysis of tribological performance of a piston ring pack. Tribology Transactions. Vol. 43 (2000). Pp 151-162. [Hewson, W. D.; 1987] Hewson, William D. Durability and fuel efficiency performance of multigrade railway diesel engine lubricants. Lubrication Engineering. Vol 44, nº 6, pp. 535542. [Holman, J. P.; 1978] Holman, J. P. Experimental Methods for engineers. McGraw-Hill. USA. 1978. ISBN: 0-07-029601-4. [Hubert, C.; 1982] Hubert, C.; Beck, J.; Johnson, J. A model and the methodology for determining wear particle generation rate and filter efficiency in a Diesel engine using ferrography. SAE Paper 821195. [Humphrey, G.; 1996] Humphrey, G.; Characterisation of debris from F404 engine oil filters by energie dispersive X-ray fluorescence. Joint Oil Analysis Program Technical Support Centre, JOAP-TSC-TR-96-02, Junio 1996. [Hunt, T. M.; 1996] Hunt, T. M. Oil Debris Monitoring. Handbook of condition monitoring. Editor B. K. N. Rao. Elsevier Science. Oxford. 1996. [Huo, Y.; 1997] Huo, Y.; Chen, D.; Wen, S. Monitoring of the wear condition and research on the wear process for running equipment. Tribology Transactions. Volume 40 (1997) pp. 87-90. [Iofa, Z.; 1957] Iofa, Z.; Besprokurnov, G. Etude du mécanisme de la corrosion atmosphérique du fer en présence de gaz sulfureux comme agresseur. Traducción IFP. 1957.

Bibliografía

IX

[ISO 4406] International Standard ISO 4406: 1999 Hydraulic fluid power -- Fluids -- Method for coding the level of contamination by solid particles. [ISO 8217] International Standard ISO 8217: 1996 (E). Petroleum Products – Fuels (Class F) – Specifications of marine fuels. Requirements for marine residual fuels. Requirements for marine distillate fuels. [Informe Interno Repsol] Informe Interno Repsol. Octubre 2000. [Jenbacher; 1994] Jenbacher Energiesysteme A. G. Descripción, mantenimiento y manejo del grupo de Cogeneración JMS 320 GS-N.L. 1994 [Kajdas, C.; 1993] Kajdas, C. Engine oils additives: a general overview. (Engine Oils and automotive lubrication). Wilfried J. Bartz. 1993. New York, USA. ISBN: 0-8247-8807-9. [Kittiwake Technical Information] Kittiwake Developments Limited. www.kittiwake.com [Korcek, S.; 2000] Korcek, S., Sorab, J., Johnson, M.D., Jensen, R.K. Automotive Lubricants for the next millennium. TAE Tribology Colloquium 2000. Esslingen. Germany. [Krause, H.; sine die] Krause, H. A technical evaluation of the lubri-sensor oil quality analyzer. Technical report, Technical College, University of Aachen. [Leal, B.; 2001] Leal, B. Funcionamiento y lubricación www.noria.com.mx/conf/lub10.html.

de

motores

a

gas

natural.

[Lerma, Mª. J.; 2000] Lerma, Mª. J.; Tormos, B. Gestión de Mantenimiento asistido por ordenador. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia: 2000.063.

X


[Logan, M.R.; 1982] Logan, M.R.; Parker, C.K.; Pallesen, L.C. Improved fuel economy through lubricant technology in medium-speed railroad diesel engines. ASLE 37th Annual Meeting. 1982. [Love, P.; 1957] Love, P.; Forrester, P.; Burke, A. Functions of materials in bearing operation. Proceedings of The Institution of Mechanical Engineers, Auto Div. 1957. [Lubrizol Information] Diesel Trends. PC-9: Building a better oil. www.lubrizol.com [Macian, V.; 1993] Macián, V. Mantenimiento de motores de combustión interna alternativos. Servicio de publicaciones de la UPV, Valencia. 1993. [Macián, V.; 1999] Macián, V.; Lerma, Mª. J.; Tormos, B. Oil analysis evaluation for an engines fault diagnosis system. SAE Paper 1999-01-1515. [Macián, V.; 2000] Macian, V.; Tormos, B.; Lerma, Mª. J. Evaluation of used lubricant behaviour in industrial vehicles engines in the 1990s. SAE Paper 2000-01-1824. [Mainwaring, R. 1997] Mainwaring, R. Soot and wear in heavy duty Diesel engines. SAE Paper 971631. [Mang, T.; 2001] Mang, T. Lubricants and lubrications. Wiley-VCH. Weinheim. 2001. ISBN: 352729-536-4 [McGeehan, J.A. 1987] McGeehan, J.A.; Kulkarni, A. V. Mechanism of wear control by the lubricant in Diesel engines. SAE Paper 872029. [McGeehan, J. A.; 2000] McGeehan, J. A.; Alexander, W.; Ziemer, J. N.; Roby, S. H.; Graham, J. P. The pivotal role of crankcase oil in preventing soot wear and extended filter life in low emission diesel engines. TAE Tribology Colloquium. 2000. Conference Proceedings. pp. 425-449.

Bibliografía

XI

[Miller, R.; 1999] Miller, R.; Reilly, S. The effective use of Expert Systems in Oil Analysis. Practicing Oil Analysis '99 Conference Proceedings. [Manual Mini Laboratorio] Kittiwake Developments Limited. Power Plant Laboratory Fuel and Lube Oil Training manual [Mobil Monitor Information] Mobil_Monitor. http/ww.mobil.com/mobil_lubes/offhighway/engineering/monitor.html [Morán R.; 1997] Morán, R. Origen, efectos y tratamientos de las contaminaciones de lubricantes y combustibles en motores marinos de combustión interna. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia. [Morley, G.; 1982] Morley, G. British Rail experience of engine monitoring. Wear debris Analysis Group Newsletter, Noviembre, 1982. [MTU; 2001] MTU Friedrichshafen. Fluids and Lubricants specifications A001061/24E. 2001. MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH. [Mundi, E.; 1972] Mundi Crespo, E. Los lubricantes y sus aplicaciones. Interciencia, Madrid, 1972. [Muñoz, M.; 1989] Muñoz, M.; Payri, F. Motores de combustión interna alternativos. Sección de publicaciones de la ETSII. Fundación General UPM. Madrid. 1989. [Nathan, A.; 1974] Nathan, A.; Jones, J. The empirical relationship between abrasive wear and the applied conditions. Symposium on the abrasive wear. The Institution of Mechanical Engineers. 1974. [Neale, M. J. 1992] Neale, M. J. The Tribology of engine design. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Nº 206.

XII


[Neale, M. J. 1993] Neale, M. J. Lubrication. A tribology handbook. Butterworth-Heinemann. Oxford. 1993. ISBN: 1-56091-392-4. [Neale, M. J. 1995] Neale, M. J. Component failures, maintenance and repair. Butterworth-Heinemann. 1995 ISBN: 1-56091-451-3. [Needelman, W. M. 1988] Needelman, W. M.; Madhavan, P. V. Review of lubricant contamination and diesel engine wear. SAE Paper 881827. Needelman, W. M. [NTS Technical Information] National Tribology Services. Equipment http://www.natrib.com/regimens.htm. Application note 24: “Alarm limits http://www.natrib.com/appnotes/app24.htm

specific for

on/off

regimens highway

and

Tests.

Engines”.

Application note 29: “Metallurgy of oil wetted components in engines”. http://www.natrib.com/appnotes/app29.htm. [Ontiveros, L. E.; 1995] Ontiveros, L. E. Lubricación y Diagnóstico de Motores de encendido por compresión Marinos. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia. 1995. [Pérez, R.; 1976] Pérez, R. Control de desgaste y diagnosis anticipada de averías en motores por medio del análisis de aceite. Tesis Doctoral. 1976. Universidad Politécnica de Madrid. [Poley, J. 2000] Poley, J. Reciprocating engine oil analysis (EOA). Practicing Oil Analysis 2000 Conference Proceedings. [Pounder, C.C. 1974] Pounder, C.C. Marine Diesel Engines. Butterworths. London, 1974. [Püffel, P.K.; 1999] Püffel, P.K.; Thiel, W.; Boesl, U. Application of a new method for on-line oil consumption measurement. SAE Paper 1999-01-3460.

Bibliografía

XIII

[Royalance, B. J.; 1999] Royalance, B. J., Hunt, T. M. The Wear Debris Analysis Handbook. Coxmoor Publishing, Oxford. 1999. ISBN 1 90189 202 6. [SAE J300] SAE J300: Engine Oil viscosity classification. Society of Automotive Engineering. Warrendale, USA. [Schillling, A.; 1968] Schillling, A. Los aceites para motores y la lubricación de los motores. Tomo II. Ediciones Interciencia. Madrid 1968. [Thibault, R.; 2000] Thibault, R. Converting to Condition-Based Oil Changes. Practicing Oil analysis 2000 Conference Proceedings. [Thomas, J.R.; 1957] Thomas, J.R.; Harle, O. L.; Richardson, W.L.; Bowman, L.O. Copper-Lead Bearing Corrosion Inhibition in Diesel Service. Industrial and Engineering Chemistry. Vol. 49, nº 10. Octubre 1957. [Treuhaft M. B.; 1993] Treuhaft, Martín B. The use of radioactive tracer technology to measure engine ring wear in response to dust ingestion. SAE Paper 930019. [Troyer, D.; 1999] Troyer, D. Get ready for more soot. Practicing Oil Analysis Magazine. Julio – Agosto 2001. [Troyer, D.; 2001] Troyer, D. Using photometry to analyse engine oil soot. Practicing Oil Analysis Magazine. Septiembre – Octubre 2.001. [Van Dam, W. 2000] Van Dam, W.; Willis, W. W.; Cooper, M. W. The impact of lubricant composition and rheology on wear in heavy duty diesel engines. TAE Tribology Colloquium. 2000. Conference Proceedings, pp 515-526. [Vsorov, B. A.; 1986] Vsorov, B. A. Manual de motores Diesel para tractores. MIR. Moscú. 1987.

XIV


[Waukesha, 2001] Waukesha Lube Oil recommendations. Service Bulletin. June 2001. Waukesha Engine Dresser. Inc. [Whitlock, R.; 1998] Whitlock, R.; Humphrey, G.; Churchill, D. X-Ray fluorescence Spectroscopy. The next generation of wear debris analysis. Practicing Oil Analysis Magazine. Noviembre - Diciembre 1998. [Wilks Enterprise, 1998] Wilks Enterprise. The Soot Meter. For condition-based drains. Practicing Oil Analysis Magazine. Septiembre - Octubre 1998.

ANALISIS DE ACEITES EN MOTORES DIESEL

Recommend Documents