DIAGNOSTICO DE MOTORES DIESEL MEDIANTE E

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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
Este paso de los productos de la combustión hacia el cárter es conocido con
el término anglosajón de “blow-by”, y es particularmente significativo en los
pequeños motores. Estos están diseñados para que tengan un tamaño reducido, así
como su coste, con lo cual el control de tolerancias en la línea de producción es
menor, aún cuando en los procesos productivos se ha mejorado ampliamente estos
controles.
La conexión directa entre pistón y cigüeñal mediante el bulón del pistón y
la biela es un problema, especialmente en los motores de carrera corta, ya que ello
conlleva la imposición de cargas laterales en el pistón y por tanto un sellado
defectuoso por parte de los segmentos, con lo cual existe una tendencia creciente al
paso de gases de la combustión al cárter.
Los motores dotados con el sistema de ventilación positiva de cárter
(Positive Crankase Ventilation: “PCV”) recirculan una cierta proporción de este
blow-by hacia la cámara de combustión vía el sistema de admisión, pero de todas
formas una gran parte de dichos gases quedan atrapados por el aceite del cárter.
Generados como productos de la combustión y que aparecen en los gases
del blow-by, tenemos: dióxido de carbono (CO2), agua, componentes ácidos e
hidrocarburos parcialmente quemados, así como óxidos de nitrógeno.
El dióxido de carbono y el agua provienen de la combustión de los
combustibles:
(Heptano) C7H16 + 11O2 → 7CO2 + 8 H2O
(Tolueno) C7H8 + 9O2 → 7CO2 + 4 H2O
Ec. (2.1)
Ec. (2.2)
Puede verse a partir de las ecuaciones presentadas anteriormente la gran
cantidad de agua que se produce en una reacción de combustión de un
hidrocarburo. Naturalmente, cuando el motor está operando en una temperatura
normal, el agua permanece en estado vapor y es eliminada por el sistema de escape,
pero el vapor de agua presente en los gases del blow-by pasa al cárter relativamente
más frío y puede condensarse en el mismo. El agua líquida puede fijarse en
diversos mecanismos del motor causando oxidación en los mismos o bien
mezclarse con el mismo aceite creando una especie de barro (sludge). La parte
relativamente más fría del motor suele ser la tapa de balancines y es allí donde
también suele condensarse el agua formando el barro anteriormente mencionado.
La utilización de aditivos dispersantes en el aceite trata de evitar que se
produzcan estas condensaciones llevando en suspensión el agua hasta partes más
calientes donde permita a la misma evaporarse y ser eliminada vía el sistema de
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
bromo y también ácidos hidroclórico e hidrobrómico. Todos estos ácidos son
capaces de producir corrosión y desgaste corrosivo en el motor así como actuar de
catalizadores tanto para la degradación del aceite como para la formación de
barnices y gomas a partir de dicho aceite. Estas gomas o depósitos tipo laca pueden
producir el agarrotamiento de determinadas partes del motor, y resultan como
consecuencia de combustiones parciales del combustible, en las cuales se producen
sustancias reactivas, conocidas como “precursores de depósitos” y que aparecen en
el blow-by. Estos, junto con otros productos de la degradación del lubricante,
polimerizan en presencia de ácidos para formar depósitos (gomas), que en el caso
de las partes calientes del motor como la falda del pistón pueden depositarse
formando barnices marrones o amarillos. La formación continuada de estos
barnices llevará finalmente a la producción de depósitos duros de carbón.
Figura 2.4: Formación de depósitos en pistón.
Los aditivos alcalinos se utilizan en el aceite para la neutralización de estos
ácidos y de esta manera prevenir sus peligrosos efectos tanto sobre el motor como
sobre el aceite. El espectacular aumento de la vida útil de los motores en estas
ultimas décadas se debe principalmente a la utilización de estos aditivos en los
aceites. La introducción de las gasolinas sin plomo y las continuas reducciones en
las cantidades máximas de azufre permitidas en los combustibles para motores
Diesel han llevado a una gran reducción en la formación de estos ácidos
conduciendo a nuevos tipos de formulación de aceites y probables incrementos en
las vidas útiles tanto de los aceites como de los motores.
Otro importante contaminante que aparece en mucha mayor medida en
motores Diesel es la materia carbonosa. Proveniente de la incompleta combustión
del combustible en las partes más frías de la cámara de combustión, así como
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ Por barboteo: En este sistema las piezas que giran rápidamente (tales
como el cigüeñal) salpican el aceite. Esto hace que en el espacio libre
del cárter se encuentre una espesa niebla de pequeñas gotas de aceite
que paulatinamente se introducen en los juegos entre las superficies
rozantes. Este tipo de lubricación se utilizó en algunos motores
antiguos; actualmente está en desuso debido a sus inconvenientes tales
como: gran consumo de aceite, rápida oxidación del mismo y falta de
seguridad en las zonas de fuerte fricción.
ƒ Lubricación o engrase a presión, donde el aceite del cárter se
suministra por medio de una bomba y de los conductos
correspondientes a las superficies de rozamiento, de donde vuelve a
escurrir al cárter. Con este sistema a las superficies rozantes llega la
cantidad necesaria de aceite y se asegura su circulación intensa.
ƒ Lubricación mixta, basada en la conjugación de los tipos anteriores.
Por el procedimiento utilizado para suministrar el aceite al conjunto
“cigüeñal – cojinetes de bancada y de biela”.
ƒ Sucesivo: a través de los canales abiertos en el cigüeñal.
ƒ Paralelo: a partir de la tubería maestra principal.
Por el tipo de cárter:
ƒ Cárter húmedo: el cárter sirve de depósito de aceite.
16
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
ƒ
Cárter seco: en este caso actúa como elemento recolector del aceite
que escurre y de aquí se pasa al tanque de almacenamiento.
Además, los sistemas de lubricación se caracterizan por determinados
parámetros tales como la multiplicidad de circulación, la capacidad específica o el
suministro específico de la bomba de aceite.
La multiplicidad de circulación del aceite del motor, K, caracteriza la
relación entre el suministro de la bomba de aceite, Qb y la capacidad del sistema de
lubricación (volumen del cárter: V), con lo que determina la frecuencia con que
unas mismas porciones de aceite entran en la zona de oxidación fuerte.
K = Qb / V
Ec. (2.3)
Según el valor de multiplicidad de circulación los sistemas se dividen en
sistemas con multiplicidad pequeña (K < 60 h-1) ó multiplicidad grande (K ≥ 60 h-1)
[Vsorov, B. A.; 1986]. La capacidad específica del sistema de lubricación q,
representa la relación entre la capacidad del sistema de lubricación y la potencia
efectiva del motor.
q = V / Ne
Ec. (2.4)
El suministro específico de la bomba de aceite se determina por la relación
entre la alimentación de la sección principal y la potencia nominal del motor:
αb = Qb / Ne
Ec. (2.5)
Los sistemas de lubricación suelen constar con los siguientes elementos:
cárter o tanque de almacenamiento, bombas de aceite, depuradoras y filtros de
aceite, tuberías, intercambiadores y elementos de control:
‰
‰
El cárter o tanque de almacenamiento debe ser lo suficientemente grande
como para que el nivel de aceite no esté directamente en contacto con los
sellos de los extremos del cigüeñal, o bien, para que las bielas no queden
sumergidas en este bajo condiciones de extrema velocidad y carga. Debe
contener un volumen suficiente, permitiendo que la multiplicidad de
circulación sea lo suficientemente alta para evitar una excesiva oxidación
del aceite debido a su poco tiempo de descanso en el cárter. El espacio
disponible para la ubicación del motor suele ser un factor determinante a la
hora del diseño de tamaño del cárter.
Los tipos de bombas de aceite que se instalan mas frecuentemente en los
motores son de los siguientes tipos por orden de importancia: bombas de
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Suministrada a los cojinetes del cigüeñal, esta constituye el 50 – 70%
de todo el aceite que ingresa al conducto principal.
Descarga a través de la válvula de reducción de la bomba y del filtro
de depuración fina del cárter.
Suministrada al árbol de levas, a los mecanismos de accionamiento de
las válvulas y a las unidades auxiliares (compresor, a los engranajes,
al turbocompresor, etc.)
Gastada para refrigerar la cara del pistón y lubricar los cilindros.
La cantidad de aceite necesaria para refrigerar los pistones depende del tipo
de motor, del sistema de refrigeración, del grado de sobrealimentación y de la
frecuencia de rotación. Para la refrigeración se gasta el 30 – 50% del aceite que
ingresa para la lubricación de los mecanismos.
El rendimiento volumétrico de la bomba depende de muchos factores, en
primer lugar de la magnitud de las holguras frontales y radiales entre los engranajes
y el cuerpo, de la temperatura y viscosidad del aceite, del enrarecimiento a la
entrada de la bomba y contrapresión a la salida, del número de revoluciones de los
engranajes y de las dimensiones de la bomba.
‰
Los intercambiadores tienen la misión de enfriar el aceite antes de una
nueva entrada en el circuito de lubricación. Los tipos son diversos
pudiendo tener agua o aire como fluidos refrigerantes.
18
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
‰
Los elementos de control del circuito de lubricación comprenden los
dispositivos para medir presiones y temperaturas en el sistema, así como el
nivel de aceite presente en el cárter.
Debido a la importancia del filtrado y depuración del aceite, debido sobre
todo a su validez como síntoma en el diagnóstico de malfuncionamientos de
diversos elementos le dedicamos un apartado específico a continuación.
2.4. La filtración: filtros y depuradoras
La correcta filtración en el trabajo de un motor es de vital importancia, ya
sea la filtración de aire como del aceite lubricante y del combustible. El principal
objetivo que se persigue con la filtración es la eliminación de las partículas
abrasivas presentes en los fluidos que van a circular por el motor. En segundo
lugar, centrado básicamente en lo que atañe a lubricantes, la filtración de los
mismos permite eliminar los productos de combustión y de la propia degradación
de los mismos que van en suspensión, ya que pueden causar la formación de
depósitos en los circuitos de engrase y en otras partes del motor. También por vía
indirecta las partículas de suciedad que entran al sistema pueden acelerar el
desgaste, o en el mejor de los casos, causar únicamente deficiencias de
funcionamiento. Así, por ejemplo, fibras, partículas de materia plástica o de goma
causan obturaciones en el circuito de aceite o en la entrada del combustible.
Los filtros son los encargados de separar y retener las partículas, de
determinados tamaños que, contenidas en el aire de aspiración, el aceite lubricante
o en el combustible pueden constituir una potencial causa de desgaste en el motor.
El concepto “partículas de determinado tamaño” se entiende como sectores
limitados dentro de una escala continua de granulometría de las partículas
arrastradas por los fluidos. Un filtro correctamente diseñado y mantenido deberá
retener estas partículas en un porcentaje definido. Para el filtrado de los fluidos se
utilizan diferentes tipos de filtros, diferenciándose en cuanto a su función,
construcción y mantenimiento. Debido a los diferentes campos de aplicación, las
diferencias entre filtros de aire de aspiración y de aceite lubricante son las más
evidentes. Actualmente los filtros de combustible son muy similares a los de aceite,
por lo cual no se incidirá en los mismos, y únicamente señalamos sus diferencias
más importantes que son:
ƒ
ƒ
Tienen menores exigencias en cuanto al reventamiento, ya que la
presión de trabajo no alcanza los valores del circuito de aceite.
Disponen de un material de filtrado más fino, ya que las holguras de
los elementos que protegen son mas pequeñas.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
Exigencias de filtrado más fino como consecuencia de la disminución
de las holguras de los elementos móviles (fundamentalmente en
cojinetes), mayores rangos de funcionamiento de los motores y
elevados rendimientos.
Tendencia a aumentar los intervalos de mantenimiento sobre los
vehículos, lo que conlleva periodos de servicio del filtro más largos.
Exigencias mayores en cuanto a accesibilidad de los filtros y a su
mantenimiento.
La clasificación de la calidad de los filtros se realiza atendiendo a
diferentes parámetros que a continuación se detallan:
20
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
Uno de los criterios mas importantes es el rendimiento del filtro, el cual
indica el porcentaje de la suciedad incluida en el aire, aceite o combustible que
puede ser eliminada mediante la filtración. En realidad se trata del rendimiento
total del filtro, independientemente del tamaño de las partículas contaminantes. Sin
embargo, en la práctica siempre resulta interesante conocer que tamaños de
partículas han sido retenidas y en que porcentaje. En este caso se habla del
denominado rendimiento fraccional del filtro para un determinado margen de
tamaños de partículas (normalmente referido a su diámetro en µm).
Complementariamente al rendimiento del filtro es el grado de paso. A pesar de que,
en principio, se trata de lo mismo, se utiliza mas comúnmente este término ya que
describe de forma más acertada como se está cargando de suciedad un motor u otro
elemento. Si comparamos dos rendimientos de filtros de 99,9% y 99,6%,
respectivamente, sugiere que existe casi una equivalencia. Sin embargo, el
correspondiente grado de paso de 0,1% y 0,4% respectivamente, con una
proporción de partículas que no son retenidas de 1:4 describe de manera más
tajante la diferencia de la capacidad de rendimiento de ambos tipos de filtros.
Para la valoración de la calidad de un filtro es también muy importante su
capacidad de retención de la suciedad, indicando ésta, la cantidad total de suciedad
que puede retener el filtro. Teniendo en cuenta las correspondientes condiciones de
aplicación que se espera, se puede determinar el tiempo de servicio del filtro. El
tiempo de duración es importante al proyectar un filtro ya que la vida útil, incluido
el coeficiente de seguridad necesario, tiene que ser coordinado con los intervalos
de mantenimiento predeterminados por el fabricante del motor. Con una creciente
carga de suciedad el filtro se va obstruyendo poco a poco, con lo que aumentará la
pérdida de carga para la sustancia a limpiar. Esto tiene como consecuencia
perjuicios sobre el funcionamiento del motor debido a una subalimentación del
mismo. La pérdida de carga se determina como presión diferencial entre entrada y
salida del filtro. La finura de filtración está considerada como criterio decisivo para
la calidad de un filtro. Este término en general se emplea si se trata de filtros de
papel o filtros con medios filtrantes similares y está definiendo el diámetro máximo
de las partículas que pueden pasar a través de los poros del medio filtrante. La
finura absoluta de un filtro corresponde al tamaño de partículas más grandes de un
espectro de tamaño de partículas, independientemente de su cantidad. Para los
efectos de desgaste resulta mas interesante conocer la finura media del filtro. Este
parámetro especifica un tamaño medio de partícula, con el cual el 50% de las
impurezas pueden pasar el filtro mientras que el otro 50% son retenidas.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
Puesto que, dependiendo del tamaño de las partículas, el polvo levantado
está posándose mas o menos rápidamente, las zonas con menos polvo siempre son
más altas que las zonas con mayor concentración de polvo.
Contaminación del aire
(g/m3)
5
4
3
2
1
0
0,5
1
1,5
Altura por encima del suelo (m)
2
Figura 2.10: Contaminación del aire en función de la altura de toma de muestra
para un tractor en servicio en el campo.
Por esta razón el orificio de aspiración para el aire de combustión es
colocado lo más alto posible si se trata de vehículos que trabajan en ambientes
polvorientos. Esto es de gran importancia ya que el grado de separación de
suciedad del filtro siempre es el mismo, independientemente de la concentración
del polvo. Una creciente concentración de polvo, por lo tanto, tiene como
consecuencia el aumento de la cantidad absoluta de polvo a absorber por el motor
así como la reducción de la vida útil del filtro. Estudios realizados por [Ontiveros,
L. E.; 1995] han probado la existencia de niveles de silicio diferenciados en
lubricantes usados en motores montados en buques, en función de la ruta que
realizan, probándose que buques en rutas próximas a las Islas Canarias o en el
Golfo Pérsico muestran valores superiores de contaminación por silicio que los que
realizan otras rutas, fundamentalmente Mar del Norte y Cantábrico.
Tabla 2.2. Resultados obtenidos en la comparación de motores según rutas
efectuadas en la contaminación por Silicio.
Motores 4 T alta potencia
Concentración media
de silicio medida
Motores 2 T
Ruta con
polvo
Ruta sin
polvo
Ruta con
polvo
Ruta sin
polvo
25,7 ppm
13,6 ppm
12,9 ppm
8,8 ppm
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
cambio de los filtros. Pasado un tiempo prudencial se observó que el problema no
remitía y en determinados casos lo que hacía era agravarse. Se continuaba con
elevados valores de silicio en el aceite que llevaban en la mayoría de los casos a
una perdida de compresión en los cilindros, debido al desgaste del conjunto
segmentos pistón camisa y en los casos más graves a un rayado de las camisas y el
gripado. Descartado el que el problema fuese debido a los filtros del aire de
aspiración, se intentó comprobar si el problema provenía de la existencia de alguna
vía de entrada de aire sin filtrar al motor. Para ello se preparó una campaña de
inspección sobre una muestra representativa de los motores para comprobar este
problema, para ello se presurizaba el circuito de admisión insuflando aire y se
utilizó un sistema de detección de fugas mediante la utilización de un medidor por
ultrasonidos. Los resultados de esta campaña mostraron que existía una vía de aire
sin filtrar en los motores que presentaban valores altos de silicio en el aceite, en
concreto se comprobó que el manguito de unión entre el filtro y el turbocompresor,
de un determinado tipo de caucho, con el tiempo de uso se rigidizaba y las
abrazaderas utilizadas para ajustarlo a los conductos no lo hacían ya estanco,
quedando una vía de entrada de aire favorecida además por la depresión que
generaba el turbocompresor que estaba aguas abajo de este punto de entrada. Se
planteó como solución cambiar el diseño del manguito y el material del mismo
para evitar que apareciera este efecto y se realizó la prueba sobre una serie de
motores en los cuales había aparecido este problema. En los primeros resultados ya
empezó a observarse que se comprobaba un drástico descenso en el nivel de silicio
en el aceite, confirmándose en todos los motores utilizados para la prueba.
A continuación se presentan algunos resultados obtenidos en las pruebas de
los mismos:
40
40
Motor Nº 7277133
Motor Nº 7991090
30
Fecha de toma de muestra
Fecha de toma de muestra
1/8/01
10/14/99
7/7/98
6/11/97
8/25/00
1/26/00
0
6/28/99
0
11/6/98
10
5/5/98
10
12/23/96
20
5/2/96
Concentración Si (ppm)
20
6/20/96
Concentración Si (ppm)
30
Figura 2.11: Reducción de los niveles de silicio medidos en las muestras de aceite
tras el cambio de configuración del manguito en tres motores distintos.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
ƒ Polvo atmosférico e impurezas externas que se introducen a través del
circuito de admisión o por aspiración a través de respiraderos, varillas
de nivel de aceite, juntas mal ajustadas o por el mismo aceite en caso
de utilizarse sucio debido a una incorrecta manipulación.
ƒ Agua procedente de la condensación en el interior de los motores, de
la respiración del cárter y de las posibles fugas del sistema de
refrigeración.
ƒ Abrasivos diversos: utilizados en el proceso de fabricación del motor
o para su limpieza.
Por la propia alteración y degradación del aceite
ƒ Productos de la combustión que pasan al aceite
ƒ El propio combustible que produce el efecto de dilución del aceite
ƒ Productos del propio desgaste del motor: hierro, cobre, plomo, etc.
En primer lugar, la función de los filtros de aceite es la de retener todas las
partículas abrasivas, que sobrepasen un cierto tamaño, lo que determina su grado
de filtración. La acción de los filtros de aceite sobre la reducción del desgaste es
debida simultáneamente a la retención de partículas abrasivas y compuestos
carbonosos, que retienen a su vez compuestos orgánicos ácidos capaces de ejercer
un efecto sobre el desgaste de naturaleza corrosiva.
Las características generales de un filtro de aceite dependen de una serie de
factores como son:
‰
De la naturaleza del líquido a filtrar y de sus condiciones (viscosidad,
temperatura, presión)
26
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
‰
‰
‰
‰
‰
‰
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
se basa en hacer girar el aceite en un depósito a gran velocidad; los sólidos, que
poseen un peso específico superior, son expulsados hacia la periferia del tanque
separándose del aceite por efecto de la fuerza centrífuga; el agua, que también
posee un mayor peso específico, forma un estrato anular entre los sólidos y el
lubricante, dejando al último con menor peso específico en el centro. Los sólidos y
el agua son recolectados y eliminados de forma manual o automáticamente a
intervalos apropiados, dejando de este modo el aceite limpio para regresar al
sistema de lubricación.
Las centrífugas pueden operar bajo diferentes disposiciones; para aceites
susceptibles de sufrir contaminaciones con agua, la centrifugadora se prepara
previamente con un drenaje para el agua y una salida para el aceite; con este
montaje el equipo se conoce como depuradora. Cuando el aceite está relativamente
seco, es preferible conseguir una máxima separación entre los contaminantes
sólidos y el aceite, dejando a la centrifugadora provista sólo de una salida para el
aceite limpio, los equipos de centrifugado que operan bajo este sistema son
conocidos como clarificadoras.
Los factores que influyen en la separación son los siguientes:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
La diferencia de densidades, dado que la fuerza centrifuga actúa sobre
todas las materias en proporción a su densidad, por lo que resulta más
sencillo la separación cuanto mayor es la diferencia de densidades.
El tamaño y forma de las materias, atendiendo a que cuanto mayor es
el tamaño de las partículas, mayor es su velocidad de sedimentación,
por lo que en ningún caso es recomendable que la mezcla se aproxime
al estado coloidal. Del mismo modo las partículas de tamaño uniforme
y redondeado son más fáciles de eliminar que las irregulares.
La viscosidad del fluido también hay que tenerla en cuenta ya que
cuanto menor es esta, los resultados de la depuración son mejores. De
aquí la necesidad de precalentar los aceites para adecuar su viscosidad
al régimen de mayor rendimiento de la separadora.
El flujo de depuración (caudal) es otro de los parámetros a tener en
cuenta obteniéndose evidentemente mejores resultados con caudales
menores. Debe distinguirse entre la máxima capacidad de la centrífuga
y el gasto de aceite que puede ser manejado a su máxima eficiencia.
Por lo general, la máxima eficiencia de una centrifuga se encuentra
alrededor del 50% de su máxima capacidad.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
En este punto conviene señalar la diferencia existente entre los
combustibles para Automoción (tipo A), y los fuel-oils de utilización
fundamentalmente en motores estacionarios grandes y motores marinos.
La limpieza de los combustibles típicos de automoción se realiza con
sistemas de filtrado estáticos muy similares a los que se emplean para el filtrado del
aceite lubricante, tal y como se ha comentado previamente.
Para la limpieza de los combustibles residuales (fuel-oil) es habitual
instalar dos equipos montados en serie; el primero operando como depuradora,
eliminando la gran mayoría de los sólidos y el agua, mientras que el segundo está
preparado como clarificadora, completando la eliminación de sólidos insolubles o
cualquier otra cantidad de agua aún presente en el combustible.
2.5. El consumo de aceite
El consumo de aceite, entendido como las reposiciones o rellenos
efectuados sobre el cárter, más que como el periodo de uso del mismo, es un
parámetro muy importante en el funcionamiento del motor, sobre todo en el
aspecto del mantenimiento, ya que a menudo es utilizado como parámetro
indicativo del desgaste que está sufriendo el motor.
El consumo de aceite en el motor ha de tenerse en cuenta en función de
diversos aspectos; en primer lugar en cuanto a su aspecto económico, al ser un
parámetro directo en el coste de utilización del vehículo o sistema donde esta
montado el motor 1, y en razón a su importancia técnica al estar relacionado con el
funcionamiento o estado del motor y por último por la previsión o vigilancia a
tener en cuenta en relación con la evolución mecánica del motor en el curso de su
utilización. Convendría citar si acaso también la importancia de la presencia de
aceite en los gases de escape actuando en los mismos como un componente más
que afecta a la contaminación medio ambiental.
El consumo de aceite en los motores se realiza según unos determinados
procedimientos que vamos a explicar en los siguientes puntos:
1
La flota de autobuses urbanos de Valencia (EMT) tuvo un consumo de aceite
lubricante de motor en el año 2000 de 60000 litros, lo cual supone una importante cifra de
dinero, aunque en términos comparativos con el consumo de combustible es únicamente un
2%.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
Un consumo de aceite elevado, con posible formación de humo azul
en la tubería del escape (básicamente la aparición de humo azul por el
escape se asocia a la combustión del lubricante, aunque en ocasiones
parte del combustible sin quemar puede aparecer como humo azul si
el tamaño de las gotas es próximo a las 0.5 µm [Macian, V.; 1993]).
Formación excesiva de depósitos de carbono sobre las tulipas de las
válvulas o las lumbreras, lo que lleva consigo una modificación en el
comportamiento o funcionamiento del motor.
Formación importante de depósitos en las cámaras de combustión de
los motores de gasolina, lo que conduce a una rápida elevación de la
exigencia en octano, como consecuencia de la actuación de estos
depósitos como puntos calientes que produzcan el encendido de la
mezcla.
32
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
Las fugas por las guías de las válvulas pueden llegar a suponer en algunos
casos hasta un 75% o más del consumo total de aceite, siendo del 50% un valor
medio.
El paso de aceite por el juego varillas-guía de válvulas, tanto de admisión
como de escape, se explica así:
‰
Para las válvulas de admisión
Al final del tiempo de escape, la presión en el cilindro es próxima a la
presión atmosférica, pero en el colector de admisión reina una depresión elevada.
Cuando se abre la válvula de admisión en tanto la válvula de escape no se ha
cerrado todavía (cruce de válvulas), los gases de escape se precipitan hacia el
colector de admisión. Esta acción, que es muy rápida, puede engendrar alrededor
de la varilla de la válvula de admisión una depresión más importante que la propia
depresión de admisión. Aparte de este efecto, las fugas de aceite se deben
normalmente a la depresión de admisión y al movimiento propio de la varilla en su
guía.
El avance al encendido, el ajuste y el reglaje de las válvulas, la depresión
en el colector de admisión, así como sus variaciones (por ejemplo por
aceleraciones o deceleraciones frecuentes y rápidas) son factores que
independientemente de las holguras sobre varillas y guías tienen una gran
influencia en las fugas de aceite
‰
Para las válvulas de escape
En el momento de la apertura de las válvulas se produce una depresión
transitoria alrededor de las varillas de estas válvulas, causando una aspiración de
aceite, añadiendo además el efecto del movimiento propio de la varilla en su guía
que además se ve agravado por la alta temperatura de los gases de escape. Cuando
se cierra la válvula el efecto simultaneo de la tensión superficial del lubricante y de
la gravedad provocan un nuevo aporte de aceite que moja la varilla y la tulipa de la
válvula, comenzando de nuevo el efecto anterior.
Para evitar una excesiva perdida de aceite por las válvulas existen dos
soluciones posibles:
ƒ
ƒ
En un primer paso intentar impedir que el aceite llegue en exceso
hacia la zona de las guías y varillas.
Una segunda posibilidad es retirar el exceso de aceite sobre la varilla
antes de que este alcance el orificio de la válvula.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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].
ƒ
ƒ
ƒ
Consumo de aceite debido a la evaporación del mismo.
Paso de aceite por la parte posterior y entre las caras laterales de los
segmentos en sus alojamientos.
Arrastre de partículas de aceite de la acumulación de aceite en el
segmento de fuego debido a los efectos de inercia.
En estos fenómenos se comprende la importancia del papel que juegan los
segmentos en el funcionamiento del motor. Estos tienen las misiones de: asegurar
la estanqueidad a los gases (fundamentalmente el primer segmento o segmento de
fuego); facilitar el retorno de aceite hacia el cárter (tarea asignada
fundamentalmente al llamado segmento rascador); y contribuir, en una importante
medida, a la evacuación del calor desde el pistón hacia el cilindro.
Por tanto vemos la importancia de la segmentadura en el funcionamiento
del motor y en particular sobre el consumo de aceite. Con respecto a su juego en
altura, si este es demasiado pequeño reduce el desplazamiento del segmento en su
alojamiento lo que puede conducir a un agarrotamiento y posterior pegado del
mismo. El juego de fondo o radial, si es demasiado estrecho puede llevar a un
pegado rápido del mismo. Finalmente el juego de corte no tiene una influencia
apreciable en el consumo de aceite, pero debe ser suficiente en caliente para que las
extremidades no entren en contacto, lo que produciría el pegado y ruptura. La
forma del corte de los segmentos, normalmente recta, y la distribución de los
mismos en el pistón buscando una forma laberíntica para perjudicar el paso de los
gases no parece tener excesiva influencia sobre el consumo de aceite.
Características del aceite que tienen influencia sobre su consumo.
Las características principales del aceite que tienen influencia en el
consumo son: la volatilidad, la viscosidad y la variación de la viscosidad con la
temperatura (índice de viscosidad).
Parece lógico pensar que aceites más volátiles, esto es, con mayor facilidad
para dejar evaporar las fracciones más ligeras de los mismos, van a presentar un
mayor consumo del mismo en el motor. Utilizando como parámetro representativo
de la volatilidad del aceite el punto de inflamación del mismo, aunque este no sea
un parámetro excesivamente preciso como medida de la volatilidad del aceite se ha
34
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
comprobado que aceites de igual viscosidad sobre ensayos en motor en banco
muestran la tendencia anteriormente mencionada, figura 2.12 [Schilling, A.; 1968].
Con los datos que se disponen sobre consumos en motores rápidos Diesel de
utilización en barcos se han obtenido resultados muy similares a los anteriores, tal
como se presenta en la figura 2.13:
280
Punto de inflamación en vaso
abierto, ºC
Punto de inflamación en vaso
abierto, ºC
300
200
100
0
260
240
220
200
180
160
140
120
50
100
150
200
250
300
Consumo relativo de aceite %
Figura 2.12. Consumo relativo de
diferentes aceites de la misma
viscosidad en función de sus puntos de
inflamación en vaso abierto.
3
5
7
9
11
13
15
Consumo medio de aceite al periodo de cambio (l)
Figura 2.13. Consumo medio de aceite
al periodo de cambio en función de los
puntos de inflamación de los aceites
nuevos, todos ellos SAE 30.
La influencia exacta de la volatilidad sobre el consumo del aceite en
servicio es difícil de evaluar, ya que depende de la vida del aceite en servicio, así el
consumo puede ser relativamente elevado inicialmente cuando los constituyentes
más volátiles del aceite son evaporados, reduciéndose este consumo tras la
eliminación de estos compuestos. Después es la viscosidad la que principalmente
rige el consumo, pero en este caso hay que tener en cuenta el tipo de base utilizada,
en caso de que se trate de un aceite multigrado, ya que si es obtenido a partir de
una base muy fluida, esto es, volátil y para obtener el comportamiento de
multigrado se le ha aditivado mucho, el consumo será función de la volatilidad de
la base.
Influencia de las Condiciones de Funcionamiento
La carga y el régimen del motor tienen su propia influencia en el consumo
de aceite. El consumo aumenta con el régimen del motor. A régimen constante,
puede disminuir con la elevación de la carga o de la potencia, si la temperatura del
aceite permanece más o menos constante. En efecto a cargas bajas las depresiones
elevadas que reinan en la admisión actúan sobre las pérdidas de aceite.
El rápido aumento del consumo de aceite con el régimen de motor parece
ser debido al hecho de que la cantidad de aceite proyectado por unidad de tiempo
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
el Nivelmatic o el Oilmaster, los cuales se basan en la utilización de un depósito de
reserva auxiliar conectado al cárter de aceite y que mediante la utilización de
sondas de nivel detecta este y rellena el mismo cuando cae por debajo del nivel de
consigna.
2.6. Formación de depósitos
La formación de depósitos en distintas partes del motor es un aspecto a
tener muy en cuenta, ya que los mismos van a influenciar de forma muy directa el
comportamiento del sistema de lubricación así como la consecución de todas las
tareas que se encomiendan al aceite lubricante. En el siguiente punto vamos a tratar
diferentes aspectos en cuanto a la clasificación de los depósitos en motor, su
formación y la necesidades de control y eliminación de los mismos.
2.6.1. Clasificación de los distintos tipos de depósitos.
Podemos clasificar los distintos tipos de depósitos que podemos encontrar
en el motor en las siguientes clases:
ƒ
ƒ
ƒ
Depósitos que ponen en peligro la vida del motor por dificultar la
circulación del lubricante, actuando fundamentalmente taponando los
filtros o los circuitos de lubricación, con lo cual, existe un importante
riesgo ante la disminución del suministro de lubricante.
Depósitos que pueden conducir a una avería prematura de ciertas
piezas del motor, tales como:
• Depósitos sobre varillas y válvulas con eventual influencia en el
pegado y quemado de las mismas
• Depósitos en la zona de segmentadura, limitando la libertad de
movimientos de los segmentos en sus alojamientos.
Depósitos que provocan un progresivo empeoramiento en el
funcionamiento del motor, pero sin perjuicio inmediato sobre sus
piezas:
• Barnices sobre la falda del pistón, provocando una interferencia en
la transmisión de calor entre pistón y cilindro y que pueden llevar
en casos extremos al pegado en frío de los pistones a los cilindros.
• Depósitos en las ranuras de los segmentos rascadores y en los
orificios de retorno del aceite en los pistones, obstruyendo el paso
del mismo lo que conlleva a su vez un aumento del consumo de
aceite
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
37
•
ƒ
En cámara de combustión, provocando una pérdida de potencia
debido a la aparición de formas anormales de combustión
(fundamentalmente motores de gasolina)
Depósitos no perjudiciales para el funcionamiento del motor pero que
conllevan un aumento del trabajo de mantenimiento del mismo.
• Depósitos sobre la cubierta de la distribución, cubrebalancines,
cárter, filtros, etc.
La naturaleza de los depósitos que podemos encontrar en los motores está
en función de la temperatura de formación de los mismos, así podemos encontrar:
ƒ
ƒ
ƒ
Depósitos de alta temperatura o calamina que se forman en las partes
sometidas a mayores temperaturas tales como cámara de combustión,
cabeza de pistón y válvulas de escape.
Depósitos de temperatura intermedia tales como barnices, lacas y
materia carbonosa en las zonas de segmentos, faldas del pistón y
válvulas de admisión
Depósitos de temperatura relativamente baja, lo que se conoce como
barros y que se forma en el cárter, cubiertas de los balancines y de la
distribución o en los filtros del circuito de lubricante, etc.
2.6.2. Depósitos en la cámara de combustión
En general los depósitos en cámara de combustión en motores de
encendido por compresión son menos problemáticos que los que se presentan en
los motores de encendido provocado. Las características esenciales del mecanismo
de formación y adhesión de depósitos en las cámaras de combustión de los motores
Diesel puede presentarse de la siguiente forma [Schilling, A.; 1968]:
1. En el proceso de combustión, durante la fase premezclada de la combustión
puede liberarse ya carbono sólido. En la fase de difusión, la formación de
carbono sólido aumenta entonces teóricamente con el número de átomos de
carbono de las moléculas de hidrocarburos parafínicos. La elevación de
temperatura que resulta de esta combustión aumenta todavía mas la
liberación de carbono. Por todo ello el carbono formado durante todo el
ciclo puede bien aparecer en los gases de escape como quedarse en el
interior del motor.
2. Según la naturaleza de los depósitos de carbono de las cámaras de
combustión de los motores Diesel, se consideran tres tipos de depósitos de
carbono:
38
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Hollín: carbono pulverulento, fundamentalmente en cabeza de pistón
y paredes de la cámara de combustión. En este estado, el hollín
presenta una cohesión y una adherencia pequeñas y de no acumularse
en cantidades demasiado importantes en algunos puntos,
particularmente del sistema de escape, tienen poca o ningún efecto
sobre el funcionamiento del motor. El efecto más inmediato de una
formación relativamente importante de hollín se ejerce frecuentemente
sobre el aceite lubricante. Sus consecuencias a este respecto están en
el siguiente orden: un ennegrecimiento mas rápido de los aceites, una
saturación igualmente más rápida del efecto dispersante y después por
encima de un contenido del 2-3% una tendencia a flocular, es decir a
separarse para formar depósitos en diversas zonas del motor.
Calamina dura: Las características de los combustibles que mas
influyen en la formación de carbono duro son las siguientes: la
naturaleza de las familias o grupos químicos preponderantes en el
combustible, el contenido en azufre y el contenido en vanadio, es
decir en definitiva su contenido en cenizas y su contenido en
productos asfálticos.
Calamina vitrificada: de aspecto semejante al de una escoria, parece
originarse por el cracking térmico de una mezcla de combustible que
contenga poco oxígeno (muy rica) al entrar en contacto con piezas que
se encuentran a elevada temperatura.
Estas dos últimas formas de carbono son abrasivas y llevan consigo en
ocasiones a importantes y rápidos desgastes de los segmentos y de los
cilindros.
3. Las primeras etapas de formación de los depósitos, parecen ser las que más
afectan al estado de los depósitos, en particular a su adherencia al metal de
las diferentes zonas de la cámara de combustión. Si el depósito formado al
principio es a base de carbono puro, su unión al metal es débil. Si por el
contrario este depósito contiene cenizas fácilmente fusibles, estas actúan
como ligantes frente a los depósitos posteriormente formados.
4. La participación del aceite lubricante en la formación de los depósitos es de
elevada importancia, el aceite que se quema en la cámara de combustión
quema peor evidentemente que el combustible y proporcionalmente da
lugar a una formación mayor de depósitos. La presencia de aditivos
antioxidantes, detergentes, dispersantes, etc. afecta a la formación de
depósitos en dos sentidos contrarios, por un lado, estos aditivos actúan
sobre la estructura de los depósitos haciéndolos mas fácilmente eliminables
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
2.6.4. Depósitos en los alojamientos de los segmentos.
Si el juego entre el fondo del alojamiento del segmento y la cara interna de
dicho segmento comprimido, se encuentra colmado, incluso localmente, por
depósitos duros y adherentes el segmento no posee libertad suficiente para
desempeñar el papel de junta de estanqueidad. Además la presencia de estos
depósitos puede suprimir de forma total la libertad de los segmentos
manteniéndolos bloqueados en sus alojamientos . Se produce entonces el “pegado
de segmentos” con el riesgo de ruptura durante el funcionamiento.
La formación de estos depósitos viene acompañada por una serie de
síntomas en el funcionamiento del motor, tales como: pérdida de potencia, aumento
del consumo de combustible y del aceite, mayor blow-by, contaminación más
rápida del aceite, etc.
El pegado de segmentos es, sobretodo, un parámetro indicativo del
funcionamiento a una temperatura muy elevada del fondo del alojamiento. Existen
dos formas de pegado de segmentos:
ƒ
ƒ
El pegado en caliente. Este se origina por la adherencia de la cara
superior del segmento sobre la parte de arriba de la garganta, que es la
más caliente, sin una formación necesariamente importante de
depósitos en el fondo del alojamiento o bien por estampación de la
cara lateral interior del segmento en el depósito del fondo del
alojamiento.
El pegado en frío. En este caso el segmento queda bloqueado en su
alojamiento después de una parada de cierta duración, quedando libre
cuando el motor funciona de nuevo. Esta forma de pegado es menos
perjudicial al motor en funcionamiento pero puede crear dificultades
en el arranque en razón de una insuficiencia de estanqueidad del
conjunto pistón – segmento - camisa. Este pegado en frío, en caso de
no eliminarse termina en un pegado en caliente.
Dos fenómenos químicos fundamentales son el origen de la formación de
depósitos en los pistones; por una parte la oxidación propia del aceite lubricante y
por otra la coquización térmica del aceite oxidado.
Los productos orgánicos solubles e insolubles presentes en el aceite,
resultan de la oxidación del mismo, se depositan primeramente en los alojamientos
de los segmentos del pistón limpio y actúan en primer lugar como plásticos que
ejercen una adherencia frente a los segmentos, más sensibles a temperaturas bajas
que a temperaturas elevadas a las que estos plásticos son relativamente fluidos.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
y polvo atmosférico o bien emulsiones de los productos indicados anteriormente
con porcentajes variables de agua.
La apariencia del barro depende en gran medida de la temperatura de las
piezas donde se localiza. A temperaturas de funcionamiento bajas, el barro que
contiene cantidades apreciables de agua está fuertemente emulsionado y tiene la
consistencia de una mayonesa. A temperaturas mas altas, los insolubles están
menos emulsionados por existir una menor cantidad de agua y el barro toma la
apariencia de un material semisólido. Este último estado resulta también de una
deshidratación de los barros formados a baja temperatura, como consecuencia de su
exposición momentánea a temperaturas más elevadas.
2.7. El desgaste de los motores
Una de las principales misiones del lubricante es la de reducir el
rozamiento entre las superficies con movimiento relativo entre ellas y con ello el
desgaste que sufren a los valores mínimos posibles. Evidentemente las
consecuencias que se derivan de un desgaste excesivo son: avería total, con lo que
ello supone (indisponibilidad, reparación, etc), molestias al usuario (aumento de los
gastos de explotación: consumos excesivos, pérdida de satisfacción o comodidad:
ruidos), pérdidas de potencia, incidencias directas sobre la vida del vehículo.
De todas maneras no hay que achacar únicamente al lubricante todo el
papel de defensa del desgaste ya que otros factores van a afectar al mismo como
son: la tecnología del conjunto y la de cada pieza considerada independientemente,
la composición metalúrgica de estas últimas, las condiciones de utilización del
motor y su grado de acuerdo con las previsiones que por diseño debía tener, el
combustible empleado, la calidad de la combustión, etc.
Comencemos por definir qué entendemos por desgaste, y que para nosotros
serán aquellos fenómenos que se manifiestan con una pérdida de materia en una
pieza sometida a rozamiento. Los tipos de desgaste que pueden presentarse en un
motor son los siguientes:
‰
Desgaste adhesivo o por contacto metal-metal
ƒ Es el llamado “scuffing” en terminología anglosajona, y se presenta en
todos los rozamientos cuando las superficies no están separadas
completamente por una película lubricante; posiblemente éste sea el
tipo de desgaste más importante y por ello también el menos deseado.
Este desgaste se debe a que las superficies, aún las mejores acabadas,
contienen a escala micrométrica, numerosas asperezas superficiales.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
‰
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.
ƒ Esta forma de desgaste (“pitting”), interesa sobre todo a los
mecanismos en los que interviene el rozamiento de rodamientos. En
este caso la aplicación de las ecuaciones de Hertz para las
deformaciones elásticas muestra que los esfuerzos máximos se
producen a una determinada profundidad por debajo de la superficie.
La repetición cíclica de estos esfuerzos puede dar como resultado
grietas profundas de fatiga y finalmente la aparición de picaduras y de
escamas.
ƒ Fatiga térmica de superficies de fricción duras y frágiles sometidas a
gradientes térmicos elevados. Este desgaste afecta sobre todo a las
superficies en deslizamiento puro con elevada velocidad. El deterioro
producido se presenta en forma de grietas repartidas uniformemente,
de dirección perpendicular a la dirección de deslizamiento.
Desgaste corrosivo
44
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
ƒ
‰
‰
En la reacción de combustión en el motor se generan una serie de
productos, algunos de los cuales tienen un carácter muy ácido, y la
presencia de agua puede hacerlos muy agresivos frente a los metales.
Incluso el mismo aceite cuando alcanza un cierto grado de alteración
puede originar oxiácidos volátiles y corrosivos.
Desgaste abrasivo.
ƒ En este tipo de desgaste, el desprendimiento de materia de una
superficie ocurre cuando partículas duras o superficies rugosas se
desplazan sobre una superficie más suave. Este tipo de desgaste no
siempre es perjudicial, e incluso puede ser deseable en algunos casos
de herramientas de corte, ya que el desgaste abrasivo también puede
ser visto como una serie de micro-cortes. Centrándonos en el aspecto
negativo de este tipo de desgaste; esta abrasión (“scoring” o
“scratching”) puede tener lugar por dos mecanismos diferentes. Si de
las dos superficies rozantes, una tiene una dureza muy superior a la
otra y una rugosidad suficiente, sus asperezas producen un verdadero
“rastrillado” de la superficie mas blanda. Sin embargo, si la superficie
dura está bastante pulida, el desgaste es difícil. De todas formas, el
fenómeno de la abrasión resulta lo mas frecuentemente de la presencia
entre las superficies rozantes de partículas extrañas, más duras que
cualquiera de las superficies. La intensidad de la abrasión es función
de las durezas relativas de las dos superficies y del abrasivo. Entre dos
superficies de dureza semejante, la abrasión la sufre esencialmente la
superficie más blanda. Si de las dos superficies, una es relativamente
muy blanda, las partículas abrasivas se incrustan profundamente, pero
si emerge una parte de ellas, la superficie antagónica más dura es la
que se desgasta.
Desgaste erosivo
ƒ Este tipo de desgaste se produce cuando las superficies metálicas están
“bañadas” por un fluido animado de gran velocidad y cargado de
partículas sólidas y duras. Este desgaste es muy semejante al abrasivo,
pero mientras en este último, las partículas trabajan las superficies
bajo el efecto de las fuerzas angulares en los juegos pequeños, en el
caso de la erosión, es únicamente la energía cinética de las partículas
la que puede, en los puntos de impacto sobre las superficies, provocar
las deformaciones o arranque de materia.
Los diversos elementos de los motores que son susceptibles de
experimentar un desgaste, con indicación del tipo de desgaste más probable se
presentan en la siguiente tabla:
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
Partículas metálicas, provenientes del desgaste de las partes metálicas
del motor sometidas a fricción. Son capaces de producir un desgaste
abrasivo, rugosidad en las superficies que facilitan el desgaste
adhesivo y pueden catalizar los procesos de degradación del propio
aceite.
Oxidos metálicos, provenientes del desgaste metálico y la oxidación
de las partículas metálicas. Tienen un comportamiento similar a las
anteriores.
Polvo atmosférico e impurezas, introducidas en el motor a través de la
admisión, debido al uso de filtros ineficientes o rotos o conductos con
46
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
fugas, respiraderos, orificio de control de nivel o relleno de aceite.
Produce un desgaste abrasivo muy importante.
Productos carbonosos, como resultado del paso de los gases de la
combustión hacia el cárter. Estos mismos gases actúan facilitando la
degradación del aceite.
Agua proveniente de la condensación del vapor obtenido como
producto de la combustión o bien debido a fugas internas del sistema
de refrigeración. Si el agua proviene del circuito de refrigeración, en
muchos casos suele conllevar presencia de glicol, aditivo
anticongelante para el agua, el cuál colabora también en la
degradación del aceite. Puede darse el caso de una contaminación por
agua externa al motor, aunque normalmente es muy difícil que esta se
dé.
Combustible, se introduce al aceite mediante el soplado (blow-by),
debido a fallos en los inyectores, en la combustión o por el motor frío.
Afectará a la viscosidad del lubricante, haciendo que disminuya su
viscosidad y por tanto la capacidad de carga del mismo.
Productos varios como residuos que quedan después de una acción de
mantenimiento.
Actualmente se está dando un nuevo fenómeno en la contaminación
de los aceites lubricantes de motor, la denominada contaminación
bacteriológica o microbiológica [Moran, R.; 1997] que consiste en el
desarrollo de organismos vivos en el seno del lubricante que producen
su infección favorecidos por el carácter parafínico de los aceites, la
incorporación de inhibidores de corrosión no tóxicos para estos
organismos, así como las sofisticadas formulaciones de los lubricantes
de última generación que crean un excelente caldo de cultivo para las
bacterias que se introducen en el motor. La presencia de estos
contaminantes bacteriológicos tienen influencia sobre las
características físico – químicas del aceite, haciéndolas variar de
forma notable.
Así vemos que la contaminación del aceite tienen cuatro grandes focos
principales:
ƒ
ƒ
ƒ
Origen interno, por desgaste de los componentes mecánicos y
degradación del propio lubricante
Contaminación externa, a través del soplado, de los añadidos, la
ventilación del cárter, etc.
Fabricación, donde pueden quedar residuos del mecanizado, partículas
empleadas para la limpieza de las partes, etc.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ Destilación:
El petróleo crudo es una compleja mezcla de hidrocarburos, desde gases
ligeros a material asfáltico pesado. Para realizar una separación inicial de los
productos básicos se emplea la llamada destilación atmosférica (realizada a presión
atmosférica). Se ilustra gráficamente en la imagen inferior de la izquierda (figura
2.14).
Figura 2.14. Esquema de la destilación
atmosférica del crudo de petróleo.
Figura 2.15. Esquema de la destilación
a vacío del petróleo.
50
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
La fracción residual pesada (residuo atmosférico) es de color oscuro y
contiene la mayor cantidad de impurezas y material considerablemente oxidado y
degradado. Ello puede ser directamente utilizado como fuel oil o destilado
posteriormente bien para alimentar un cracker catalítico o para la producción de
aceites lubricantes. Para prevenir posteriores degradaciones de esta fracción, la
segunda destilación se realiza al vacío, con lo que se consigue disminuir la
temperatura de ebullición de los productos. La destilación al vacío permite obtener
diferentes fracciones de aceites base a diferentes rangos de viscosidad (figura
2.15).
El residuo concentrado pesado producto de la destilación a vacío es la
materia prima para la obtención de los llamados “bright stock”, fracciones pesadas
utilizadas en aceites de cajas de cambio o engranajes y otros lubricantes muy
viscosos. Para eliminar el asfalto y otras impurezas el residuo es mezclado con
propano en el cual los residuos aromáticos son insolubles. Estos y otras impurezas
precipitan y el asfalto es recogido.
ƒ
Extracción con disolventes.
Este proceso elimina la mayor parte de los aromáticos y algunos de los
compuestos nafténicos y permite incrementar tanto el índice de viscosidad (IV)
como la estabilidad de la base. El disolvente (fenol, furfural o mas recientemente
N-metil-2-pirrolidona [NMP]) es pasado a contracorriente sobre la secuencia de
materia prima de lubricante, y es recirculado tras ser eliminado de las unidades de
extracción de aromáticos y de aceite refinado, tal y como se muestra en la figura
2.16.
Figura 2.16. Extracción con disolvente
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Saturación: poliaromáticos Æ polinaftenos (mayor IV, menor punto
de congelación)
Rotura de anillos: polinaftenos Æ mononaftenos (mayor IV, menor
punto de congelación)
Reformado (isomerización): n-parafinas Æ parafinas ramificadas
(menor punto de congelación y algo de descenso de IV)
Craqueo: alto peso molecular (PM) Æ medio PM (menor viscosidad y
punto ebullición)
Desulfuración: compuestos de azufre Æ H2S (pérdida de inhibidores
naturales)
Denitrogenación: eliminación de nitrógeno (y oxígeno) contenido en
los compuestos heterocíclicos Æ aumento de la estabilidad
Desparafinado catalítico
Este proceso tiene ciertas similitudes con el proceso de hydrocracking,
pero el catalizador toma la forma de un tamiz molecular altamente poroso. Las
cadenas lineales o parafinas poco ramificadas (alcanos) entran en los poros del
tamiz donde son atrapadas y cortadas en productos más ligeros. Las cadenas largas
54
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
de compuestos complejos pueden ser atrapadas y eliminadas, aunque determinados
compuestos importantes pueden perderse.
El proceso de desparafinado catalítico es altamente específico y eficiente
para la eliminación de las cadenas lineales de hidrocarburos. La base resultante
tiene tendencia a tener un menor IV que las provenientes del desparafinado con
disolvente donde es la temperatura de separación la que marca la fracción de
producto eliminado más que el tamaño de las moléculas.
‰
Aceites base reciclados:
Durante la crisis del petróleo en la década de los 70, varios procesos fueron
desarrollados en orden a obtener aceites base de alta calidad a partir del reciclado
de aceite usado. Algunas plantas fueron puestas en marcha y funcionaron durante
algún tiempo pero generalmente con muy malos resultados económicos. Los altos
costes asociados a la recogida de los aceites usados y los sofisticados procesos de
refino eran los principales inconvenientes.
El proceso de recogida fue siempre un problema, aunque un éxito
considerable fue obtenido, así en Alemania el 50% del aceite usado es recogido. Es
por ello que Alemania es líder en la recogida de aceites usados aunque mas por
razones medio ambientales que por motivos económicos. La mayoría de aceite
residual es empleado como combustible y no para su reciclado.
Figura 2.19. Datos sobre la recogida de aceites usados de cara a su posterior
reciclado o utilización [Mang, T.; 2001].
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
desarrollados en los últimos tiempos y los aditivos producen diferentes respuestas
en función del método utilizado.
Se han utilizado como modificadores de viscosidad compuestos como
polialquilestirenos, copolímeros de etileno o propileno, polisoprenos, polibutadieno
o polímeros de estireno-butadieno. Estos últimos fueron desarrollados en la década
de los 70 por el interés de encontrar compuestos de alta estabilidad que no causaran
depósitos en los motores Diesel debido a su descomposición a altas temperaturas.
Anti-oxidantes: En presencia de aire y a altas temperaturas el aceite se
oxida, oscureciendo de color y tornándose más ácido, con la posibilidad de
producir “sludge”. Los aceites base poco refinados contienen ciertos inhibidores
naturales o antioxidantes que son eliminados a medida que la severidad de refino
aumenta. Actualmente los aceites bases son altamente refinados para poder obtener
aceites de alta calidad, lo que conlleva que son fácilmente oxidables.
Los primeros aceites de motor eran poco refinados y retenían sus
inhibidores de oxidación naturales, que sumado al hecho de los frecuentes cambios
de aceite que se llevaban a cabo debido a la contaminación del mismo por los
productos de combustión y que su coste era bajo no presentaban por tanto ningún
problema de oxidación. Con la persecución de aceites de mayor índice de
viscosidad se tuvo que emplear bases más refinadas, eliminando con ello los
inhibidores naturales presentes anteriormente, con lo que la estabilidad a la
oxidación de estos aceites disminuyó. Con la aparición de la necesidad de cambios
de aceite más prolongados la necesidad de inhibidores de oxidación fue más
relevante.
El desarrollo de aditivos para otras especificaciones ha dado como
resultado que alguno de ellos confiera también características antioxidantes.
Algunos de los primeros aceites de calidad “premium” contenían pequeñas
cantidades de dialquilditiofosfato de Zinc (ZDDP) para proveer al aceite de
características anti-desgaste y también algo de anti-oxidante. Los aceites para
motores Diesel comenzaron a utilizar cada vez mas cantidad de aditivos
detergentes, los cuales contienen componentes sulfurosos que pueden proveer al
aceite con un nivel suficiente de características anti-oxidante. Las exigencias que
han aparecido en los últimos años en cuanto a periodos de cambio de aceite más
largos y un mejor comportamiento frente a la oxidación ha hecho necesario la
utilización de aditivos específicamente desarrollados para el cumplimiento de esta
función, no siendo suficiente con las características que proveían aditivos
utilizados para otras funciones. Con relación a esto tiene importancia la reciente
utilización de aditivos en base cobre para la mejora del comportamiento del aceite
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
En 1952 Dupont patentó varios polímeros de metacrilato y co-polímeros de
metacrilato con contenidos de nitrógeno y fumaratos como aditivos para el control
del barro en motores gasolina. Fueron seguidos por Rohm & Haas con diferentes
metacrilatos y Exxon con fumaratos, y otras compañías con tipos similares de
compuestos poliméricos. Estos compuestos tienen un carácter multi-funcional y no
solo actúan sobre la suspensión del agua sino también como modificadores de
viscosidad y en algunos casos como depresores de punto de congelación. Estos
primeros compuestos no eran térmicamente muy estables y empresas como
Oronite, Lubrizol o Shell desarrollaron otros tipos de compuestos basados en
poliisobutilenos. Estos componentes mostraron características como dispersantes
muy eficientes y térmicamente estables, con lo cual podían ser utilizados en
motores Diesel. A mediados de los años 70, los motores Diesel sobrealimentados
de alta potencia fueron usando mayores dosis de dispersantes sin cenizas
térmicamente estables tanto para la suspensión de barros como detergentes. Los
“succinimidos” basados en poliaminas fueron el tipo dominantes. El concepto de
aceites “multipropósito” que puede lubricar satisfactoriamente tanto motores Diesel
como gasolina nació en este momento, donde fue posible formular un aceite que
pudiese cumplir con los elevados requerimientos de lubricación de motores Diesel
así como los de gasolina.
Formulación de detergentes: El formulador de lubricantes tiene un amplio
margen de selección de posibles compuestos que le permitirán formular un aceite
con capacidad de prevenir el desgaste y la corrosión, pero razones comerciales y
patentes impiden tener acceso a todos y cada uno de estos tipos de aditivos, pero
como se muestra a continuación el campo de selección es amplio:
1. Inhibidores de oxidación (usualmente también proveen de protección
contra la corrosión en cojinetes)
•
•
•
•
•
Fenatos (especialmente los metal fenatos)
Fenatos sulfurizdos
Compuestos fenólicos
Aminas, Salicilatos, Fosfonatos, Tiofosfatos (incluyendo el
ZDDP)
Carbonatos, compuestos de cobre, compuestos de azufre
2. Para prevenir la corrosión ácida y la catálisis ácida
•
•
•
Aditivos sobrebásicos - por neutralización
Sulfonatos – por secuestro / solubilidad
Dispersantes – por secuestro / solubilidad
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
•
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
Figura 2.21. Estructura del aditivo ZDDP
Para los primeros aceites no detergentes para motores de gasolina,
pequeños adiciones de aditivos tales como el ZDDP eran suficientes para
proporcionar protección anti-desgaste en diversas partes, que usualmente eran
llamadas el “tren de válvulas”. Cuando se introdujeron los aditivos detergentes en
los motores de gasolina, o la utilización de aceites para Diesel conteniendo
detergentes en motores de gasolina, aparecieron numerosos fallos con fuerte
desgaste fundamentalmente en levas y empujadores. La reacción inicial fue pensar
que estos detergentes atacaban de forma química a los metales o que sus
componentes coloidales metálicos actuaban como abrasivos sobre las superficies.
Actualmente se sabe que éste no era el caso y que el efecto era debido a su
naturaleza altamente activa de los detergentes que causaba una fuerte competencia
por la posesión de las superficies metálicas con capa límite y aditivos anti-desgaste
o compuestas de lubricidad natural en el aceite. Como la mayoría de los
detergentes no poseen por ellos mismos una capacidad significativa de antidesgaste, las superficies quedan relativamente desprotegidas y el desgaste se
presenta si las cargas a soportar son fuertes. Para superar este problema, la
concentración de ZDDP y otra clase de aditivos anti-desgaste, debe ser aumentada
sustancialmente para poder competir de forma exitosa con los detergentes y
obtener una cierta medida de ocupación de las superficies metálicas.
Actualmente el ZDDP es el aditivo anti-desgaste predominante en los
aceites lubricantes para motor, más aún, está considerado de hecho como una clase
de aditivo más que un compuesto único. Los grupos solubilizantes que permiten
que el ditiofosfato metálico sea soluble en el aceite pueden ser alquil (cadenas
lineales o ramificadas) o aril (anillos aromáticos). La actividad anti-desgaste varía
inversamente con la estabilidad térmica de la estructura particular. Los motores
Diesel funcionan considerablemente más calientes en la zona de la segmentadura
que los de gasolina, y la descomposición del ZDDP tiende a producir lacas en esta
área. Por otra parte, los motores Diesel por su diseño y metalurgia tienden a tener
menos problemas de desgaste que los gasolina, por ello para un aceite Diesel
pueden utilizarse aditivos ZDDP más estables aunque menos potentes. Cuando se
formulan aceites “multipropósito” para motores gasolina o Diesel es necesario
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
descrito métodos y equipos apropiados para realizar esta medición como se
presentará en el siguiente capítulo.
La clasificación mundialmente adoptada de SAE divide en doce grados de
viscosidad los aceites apropiados para la lubricación en motores. La norma que rige
esta clasificación es la SAE J300 cuya última actualización corresponde a
Diciembre de 1999 y cuyo resumen se presenta en la tabla siguiente:
Tabla 2.5. Clasificación de aceites lubricantes para motor SAE J300
(Diciembre 1999).
Viscosidades a bajas temperaturas
Grado
Viscosidad
SAE
a)
Cranking
(cP) max a
temp °C
b)
Bombeabilidad (cP)
máxima a temp °C
0W
5W
10W
15W
20W
25W
20
30
6200 at -35
6600 at -30
7000 at -25
7000 at -20
9500 at -15
13.000 at -10
—
—
60.000 at -40
60.000 at -35
60.000 at -30
60.000 at -25
60.000 at -20
60.000 at -15
—
—
40
—
—
40
—
—
50
60
—
—
—
—
a)
ASTM D-5293 b) ASTM D-4684
D-4741, CEC-L-36-A-90
c)
Viscosidades a altas
temperaturas
c)
d)
Visc. Cinemática
Visc.
(cSt) a 100°C
Alta
Cizalla
(cP) a
min
max
150°C
min
3,8
—
—
3,8
—
—
4,1
—
—
5,6
—
—
5,6
—
—
9,3
—
—
5,6
<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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
Las características de cada categoría son las siguientes:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 2 Tribología en motores Diesel
Tabla 2.12. Secuencias para aceites de motor Diesel (Heavy Duty) según ACEA
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
‰
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:
ƒ 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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
ƒ
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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,
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
‰
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
ƒ
Viscosidad @ 100 ºC
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
ƒ
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
‰
‰
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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:
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
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.
ƒ 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.
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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).
ƒ
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
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
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
Aureola
Zona
central
Zona
traslúcida
Zona de
difusión
Figura 3.15. Estructura típica de la mancha de aceite
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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:
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
ƒ
ƒ
‰
‰
‰
‰
‰
‰
‰
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:
ƒ El tubo interno inyecta la muestra directamente hacia el plasma.
ƒ El tubo intermedio se encarga de aportar el argón necesario para la
formación del plasma.
ƒ 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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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).
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
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.
ƒ
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 3 Técnicas aplicables al análisis de aceites lubricantes para motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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]
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
ƒ
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
‰
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
145
13.6
13.2
Viscosidad @ 100 ºC
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
‰
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Viscosidad a 40 ºC (cSt)
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
400
Horas de uso del aceite
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Viscosidad
@ 100 ºC
+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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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)
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
--
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 4 Comportamiento y evaluación de los parámetros de degradación del aceite lubricante de motor
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
200
Horas de uso del aceite
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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].
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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:
ƒ 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.
ƒ 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.
ƒ 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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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)
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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,
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Viscosidad a 100 ºC (cSt)
12
16
Figura 5.22. Variación de la
viscosidad frente a la dilución en
aceites SAE 15W-40
4
6
8
Viscosidad a 100 ºC (cSt)
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
2
Insolubles (%)
1.6
1.2
0.8
0.4
0
0
100
200
Horas de uso del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
40
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
‰
‰
‰
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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:
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
‰
‰
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
se ha representado. Los descensos observados corresponden al efecto de dilución
por añadidos de aceite nuevo comentado anteriormente.
60
200
Vanadio
Sodio
Concentraciones (ppm)
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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
Concentraciones (ppm)
Concentraciones (ppm)
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
‰
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Evaluación por
Tendencias
Evaluación por
Tendencias
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
Cap. 5 Evaluación de los parámetros de contaminación del aceite
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)
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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.
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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.
ƒ 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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
ƒ
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.
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
ƒ
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:
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
•
•
•
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.
ƒ
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.
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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.
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
ƒ
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.
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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:
•
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
•
•
•
•
•
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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:
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
ƒ
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
espesor de la película es muy acentuada, se puede romper y producirse un fallo por
desgaste adhesivo.
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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.
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
[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.
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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.
ƒ
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.
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
ƒ
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.
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
ƒ 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.
ƒ
Desgastes anormales:
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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.
ƒ
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.
ƒ
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.
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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:
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
C (t ) = (1 − f ) ⋅
β
mA
281
t + Cte
Ec. (6.6)
80
β = 50 mg/h
Concentración (ppm)
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
283
6
Concentración (ppm)
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
285
11
10
Concentración (ppm)
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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:
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Concentración (ppm)
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
Concentración (ppm)
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
295
800
β = 50 mg/h
β = 60 mg/h
β = 80 mg/h
β = 100 mg/h
Concentración (ppm)
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
Concentración (ppm)
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
Concentración (ppm)
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
297
exclusivamente a las proporciones existentes entre las pérdidas debido a fugas y
evaporación.
100
Concentración (ppm)
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
Concentración (ppm)
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Concentración (ppm)
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
Concentración (ppm)
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Concentración (ppm)
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
‰
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
Aceite
309
Concentración Si (ppm)
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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)
Cojinetes de biela y
de
bancada
(recubrimiento
trimetálico)
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante al análisis del aceite usado
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
Cap. 6 Desgaste y diagnóstico
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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]:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
‰
‰
‰
‰
‰
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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<D
≤4
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
‰
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
‰
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
[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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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:
ƒ
ƒ
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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:
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
‰
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
Cap. 7 Sistema de diagnóstico automático de motores basado en el análisis de aceite.
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.
Diagnóstico de motores Diesel mediante el análisis del aceite usado
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
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