UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DETERMINAR LA DIFERENCIA DE ACEITE MINERAL VS
SINTÉTICO EN UN VEHÍCULO LIVIANO EN EL TIEMPO DE
800 HORAS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
MAURICIO FERNANDO TRUJILLO MORILLO
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172290395-0
APELLIDO Y NOMBRES: Trujillo Mauricio Fernando
DIRECCIÓN: Av. Granados Cond. El Batán
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022-276785
TELÉFONO MOVIL: 0998010974
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DETERMINAR LA DIFERENCIA DE ACEITE
MINERAL VS SINTÉTICO EN UN VEHÍCULO LIVIANO EN EL TIEMPO DE 800
HORAS
AUTOR O AUTORES: Mauricio Fernando Trujillo Morillo
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
26 de Mayo del 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Edwin Tamayo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente proyecto de investigación consistió en la realización de pruebas de medición de dos tipos de aceites, uno de origen mineral y el otro sintético, mediante la utilización de un equipo de comprobación que permitió analizar el degrado que sufren los aceites y el desgaste de la máquina de manera rápida.
El estudio pretendió dar a conocer las diferencias entre el aceite mineral y el aceite sintético en relación a la degradación que sufre el aceite durante horas de trabajo y las consecuencias que pueden provocar en el motor. Para lograr aquello, se realizó un análisis rápido de sus propiedades y características, estableciendo protocolos de uso para el equipo, calibración y pruebas para finalizar con un análisis comparativo que permitió concluir si se cumplieron o no con los objetivos del estudio.
estimación de agua, que intervienen en la degradación del aceite.
Una vez finalizados los ensayos de laboratorio y los análisis en cada tipo de muestra de aceite, se construyeron gráficos comparativos del deterioro de los aceites y del kilometraje vs. horas de trabajo. Se pudo determinar que los aceites sintéticos tienen mayor resistencia a la degradación y mayor rendimiento en horas de trabajo, gracias a su estructura molecular y sus aditivos químicos. Por otra parte el aceite mineral pierde rápidamente sus propiedades y aditivos lo que genera un temprano degrado del aceite y menor protección al motor.
PALABRAS CLAVES: Aceite
Mineral Sintético Degradación
ABSTRACT: This research project involved the testing of
measuring two types of oils, a mineral oil and synthetic oil, using a test equipment to analyze quickly the degradation suffered by each oil and the machine wear.
The study aimed to highlight the differences between mineral oil and synthetic oil in regard to oil degradation suffered during working hours and the consequences that may result in the engine. In order to do this, a quick analysis of its properties and characteristics has been made. It involved, establishing protocols use for equipment, calibration and testing to finally and testing and to finally end with an analysis in order to conclude if whether or not fulfilled the objectives of the study.
Tests on the types of oil, showed the effects of working hours on chemical indices, dielectric numbers, ferrous indexes, ferrous and nonferrous contaminants; and estimation of water involved in oil degradation.
After completion of laboratory tests and making analysis of each of oil sample, comparative charts showing the deterioration of oils and numbers of kilometers vs hours, were made. It has been possible to determined that synthetic oils are more resistant to degradation and built higher performance during work hours, thanks to its molecular structure and chemical additives. Otherwise the mineral oil loses, quickly, its properties and additives which generates an early oil degradation and a decrease of the motor protection.
KEYWORDS Oil
Degradation
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, TRUJILLO MORILLO MAURICIO FERNANDO, CI 1722903950 autor/a del proyecto
titulado: DETERMINAR LA DIFERENCIA DE ACEITE MINERAL VS SINTÉTICO EN UN
VEHÍCULO LIVIANO EN EL TIEMPO DE 800 HORAS, previo a la obtención del título de
INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de
Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de
Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del
referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública
respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una
copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio
que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual
vigentes.
DECLARACIÓN
Yo MAURICIO FERNANDO TRUJILLO MORILLO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
CERTIFICACIÓN
DEDICATORIA
Dedico mi trabajo de titulación a Dios y a la Virgen Dolorosa, por permitirme finalizar mi carrera universitaria y brindarme sabiduría y dedicación para el desarrollo de este trabajo de titulación.
A mi hijo David, el cual es mi razón de ser y mi propósito de superación para alcanzar juntos el éxito en un pronto futuro.
A mis padres, Marianita y Germán, por darme la vida, enseñarme valores y enseñanzas que me convirtieron un hombre responsable y justo.
A mis hermanas Viviana, Cristina y Ximena y mi hermano Esteban, que son las personas que me brindaron su apoyo incondicional en todas las circunstancias de mi vida y para el desarrollo de la tesis.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 3
2.1.1 TÉRMINOS PARA EL ESTUDIO DEL M.C.I. ... 4
2.1.2. FUNCIONAMIENTO DE M.C.I. ... 5
2.1.3. CLASIFICACIÓN DE M.C.I. ... 6
2.1.3.1 Modo de ciclo que realizan ... 6
2.1.4 MOTOR OTTO ... 8
2.1.4.1 Funcionamiento del motor Otto ... 8
2.1.4.2 Ciclo de trabajo del motor Otto ... 8
2.1.5 MOTOR DIESEL ... 9
2.1.5.1 Funcionamiento de motor diesel ... 9
2.1.5.2 Ciclo de trabajo del motor diésel ... 10
2.1.6. SISTEMA DE LUBRICACIÓN ... 11
2.1.6.1 Tipos de sistema de lubricación ... 12
2.1.6.2 Elementos de lubricación ... 14
2.2.1 OBTENCIÓN DE LUBRICANTES ... 18
2.2.1.1 Extracción por solventes ... 19
2.2.1.2 Procesamiento por hidrógeno ... 19
2.2.1.3 Refinación por ácidos ... 19
2.2.1.4 Desparafinado catalítico o por solventes ... 19
2.2.2 PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO ... 20
2.2.2.1 Temperatura de funcionamiento ... 20
2.2.2.2 Viscosidad ... 20
2.2.3.3 Compatibilidad ... 20
2.2.3.4 Velocidad de respuesta ... 21
2.2.4 TIPO DE LUBRICANTES ... 21
2.2.4.1. Aceite mineral ... 21
2.2.4.2. Aceite sintético ... 25
2.2.5 ADITIVOS ... 28
2.2.5.1 Índice de viscosidad ... 29
2.2.5.2 Antioxidantes/inhibidores de oxidación ... 29
2.2.5.3 Inhibidores de corrosión ... 30
2.2.5.4 Dispersantes y Detergentes ... 31
2.2.5.6 Aditivos Anti-desgaste y Extrema Presión... 32
2.2.6 PROPIEDADES DE LOS LUBRICANTES ... 33
2.2.6.1 Propiedades físicas ... 33
2.2.6.2 Propiedades químicas ... 34
2.2.6.3 Propiedades térmicas... 34
3. METODOLOGÍA ... 36
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 39
4.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEITES ... 39
4.1.1 CLASIFICACIÓN SAE ... 39
4.1.2 CLASIFICACIÓN API ... 42
4.2 SELECCIÓN DE LOS ACEITES... 43
4.2.1 ACEITE MINERAL ... 44
4.2.2 ACEITE SINTÉTICO ... 45
4.3 SELECCIÓN DEL VEHÍCULO ... 46
4.3.1 PROTOCOLO DE MANTENIMIENTO DEL VEHÍCULO ... 47
4.3.2 RUTA ... 47
4.3.3 CONDICIONES DE TRABAJO ... 48
4.4 ANALIZADOR DE LUBRICANTES ... 49
4.4.1 EQUIPO ... 50
4.4.1.1 Protocolo para el cuidado del equipo ... 51
4.4.2 SOFTWARE DEL ANALIZADOR DE LUBRICANTES ... 53
4.4.2.1 Instalación del software ... 54
4.4.2.2 Ventanas del software ... 55
4.4.2.3 Protocolo para la calibración del analizador ... 59
4.4.2.4 Protocolo para realizar pruebas ... 62
4.4.2.5 Errores de medición ... 69
4.4.2.6 Límites de medición ... 69
4.5 TOMA DE MUESTRAS ... 71
4.6 RESULTADOS ... 74
4.6.1 RESULTADOS DEL ACEITE MINERAL ... 75
4.6.1.1 Deterioro del aceite mineral ... 76
4.6.1.2 Porcentaje de contaminación ... 77
4.6.1.3 Dieléctrico referencial ... 78
4.6.1.4 Número dieléctrico ... 79
4.6.1.5 Índice químico ... 80
4.6.1.6 Índice ferroso ... 81
4.6.1.7 Estimación de agua ... 82
4.6.1.8 Contaminantes del aceite mineral ... 83
4.6.2 RESULTADOS DEL ACEITE SINTÉTICO ... 84
4.6.2.1 Deterioro del aceite sintético ... 85
4.6.2.2 Porcentaje de contaminación ... 86
4.6.2.3 Dieléctrico referencial ... 87
4.6.2.4 Número dieléctrico ... 88
4.6.2.5 Índice químico ... 89
4.6.2.6 Índice ferroso ... 90
4.6.2.7 Estimación de agua ... 91
4.6.2.8 Contaminantes del aceite sintético ... 92
4.7 ANÁLISIS COMPARATIVO ... 93
4.7.1 ANÁLISIS COMPARATIVO # 1 ... 93
4.7.2 ANÁLISIS COMPARATIVO # 2 ... 94
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 97
5.2 RECOMENDACIONES ... 98
BIBLIOGRAFÍA ... 99
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Necesidades y requerimientos del M.C.I. ... 6
Tabla 2. Ciclo de trabajo de motor Otto de cuatro tiempos ... 9
Tabla 3. Ciclo de trabajo del motor diésel de cuatro tiempos ... 10
Tabla 4. Características de la clasificación de los aceite minerales ... 25
Tabla 5. Propiedades de la clasificación de aceites minerales ... 25
Tabla 6. Clasificación SAE ... 40
Tabla 7. Clasificación API para motores a gasolina ... 42
Tabla 8. Clasificación API para motores a diesel ... 43
Tabla 9. Características del vehículo ... 46
Tabla 10. Condiciones de trabajo ... 49
Tabla 11. Protocolo para calibrar el analizador de lubricantes ... 60
Tabla 12. Abreviaciones de la ventana Status... 62
Tabla 13. Detección de límites para la degradación del aceite ... 70
Tabla 14. Detección de límites para la degradación del aceite ... 70
Tabla 15. Detección de límites para la contaminación de la lubricación ... 71
Tabla 16. Alarma para motores a gasolina ... 71
Tabla 17. Resultados de pruebas ... 75
Tabla 18. Resultados de pruebas, continuación ... 75
Tabla 19. Deterioro del aceite mineral ... 77
Tabla 20. Porcentaje de contaminación de aceite mineral ... 78
Tabla 21. Número dieléctrico del aceite mineral ... 79
Tabla 22. Índice químico de aceite mineral ... 80
Tabla 23.Índice ferroso de aceite mineral ... 81
Tabla 24. Estimación de agua (%) ... 82
Tabla 25. Contaminantes del aceite mineral ... 83
Tabla 26. Resultados de pruebas de aceite sintético ... 84
Tabla 27. Resultados de pruebas de aceites sintéticos, continuación ... 84
Tabla 28. Deterioro del aceite sintético ... 86
Tabla 30. Número dieléctrico del aceite sintético ... 88
Tabla 31. índice químico de aceite mineral ... 89
Tabla 32.Índice ferroso de aceite mineral ... 90
Tabla 33. Estimación de agua en aceite sintético... 91
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Automóvil construído por Benz en 1886 ... 3
Figura 2. Gráfico descriptivo de las partes de un pistón ... 4
Figura 3. Gráfico descriptivo de términos del pistón. ... 5
Figura 4. Principio de funcionamiento de M.C.I... 5
Figura 5. Motor Otto de cuatro tiempos ... 7
Figura 6. Motor diesel ... 7
Figura 7. Ciclo de trabajo de motor Otto de cuatro tiempos ... 8
Figura 8. Ciclo de trabajo de motor diésel de cuatro tiempos ... 11
Figura 9. Rozamiento entre partes metálicas(1) y película de aceite (2) .... 12
Figura 10. Engrase a presión ... 13
Figura 11. Sistema de lubricación por seco ... 14
Figura 12. Bomba de engranajes ... 15
Figura 13. Bomba de paletas ... 16
Figura 14. Bomba de lóbulo ... 16
Figura 15. Bomba trocoidal ... 17
Figura 16. Serie parafínica ... 22
Figura 17. Serie naftenos ... 23
Figura 18. Estructura benceno ... 24
Figura 19. Componentes del aceite mineral vs sintético ... 26
Figura 20. Propiedades de fricción entre aceite mineral y sintético ... 27
Figura 21. Proceso Fischer-Tropsch ... 27
Figura 22. Aditivo Inhibidor de oxidación ... 30
Figura 23. Aditivo inhibidores de corrosión ... 31
Figura 24. Aditivo dispersantes ... 31
Figura 25. Aditivo antidesgaste (Químicamente menos agresiva) ... 32
Figura 26. Aditivo de extrema presión (Químicamente más agresiva) ... 33
Figura 27. Aceite mineral monógrado ... 40
Figura 29. Diagrama de clases de viscosidad SAE ... 41
Figura 30. Aceite mineral Kendall 20 W 50 ... 44
Figura 31. Aceite sintético ARAL 5 W 40 ... 45
Figura 32. Vehículo Nissan, modelo Frontier ... 46
Figura 33. OilView QuickCheck, Analizador de lubricantes ... 49
Figura 34. Componentes del analizador de lubricantes ... 51
Figura 35. Instalación del hardware ... 52
Figura 36. Limpieza del sensor ... 53
Figura 37. Mensaje de configuración del puerto ... 54
Figura 38. Ventana de selección del puerto de comunicaciones. ... 54
Figura 39. Nueva base de datos ... 55
Figura 40. Ventana Sample Data ... 56
Figura 41. Ventana Reference Oil ... 56
Figura 42. Ventana Alarm ... 57
Figura 43. Ventana Report ... 57
Figura 44. Ventana Customer ... 58
Figura 45. Ventana Status ... 58
Figura 46. Conexión del analizador - PC ... 59
Figura 47. Verificación de calibración ... 62
Figura 48. Conectar la rejilla del sensor limpio ... 63
Figura 49. Desconectar sensor limpio ... 63
Figura 50. Sensor desconectado del analizador ... 63
Figura 51. Colocar 30 ml de aceite nuevo ... 64
Figura 52. Prueba con aceite puro ... 64
Figura 53. Colocar botella con aceite puro ... 64
Figura 54. Botella de muestras con aceite mineral antes de agitar ... 65
Figura 55. Conectar el sensor con la botella de muestra al equipo... 65
Figura 56. Número dieléctrico referencial ... 65
Figura 57. Botella de muestreo en posición invertida ... 66
Figura 58. Medición de 30 ml de diesel ... 66
Figura 59. Dilución de aceite ... 66
Figura 61. Prueba con muestra diluida ... 67
Figura 62. Colocar muestra diluida en el analizador ... 67
Figura 63. Tiempo estimado para el análisis ... 68
Figura 64. Resultados del análisis ... 68
Figura 65. Conectar rejilla del sensor limpio ... 68
Figura 66. Muestreo por succión con manguera plástica ... 72
Figura 67. Elementos para la toma de muestras ... 72
Figura 68. Gráfica Kilometraje vs Horas de trabajo ... 76
Figura 69. Deterioro del aceite mineral ... 77
Figura 70. Porcentaje de contaminación de aceite mineral ... 78
Figura 71. Número dieléctrico aceite mineral ... 79
Figura 72. Índice químico del aceite mineral ... 80
Figura 73. Índice ferroso aceite mineral ... 81
Figura 74. Estimación de agua % ... 83
Figura 75. Gráfica Kilometraje vs Horas de trabajo, aceite sintético ... 85
Figura 76. Deterioro del aceite sintético ... 86
Figura 77. Porcentaje de contaminación de aceite sintético ... 87
Figura 78. Número dieléctrico del aceite sintético ... 88
Figura 79. Índice químico del aceite sintético... 89
Figura 80. Índice ferroso aceite mineral ... 90
Figura 81. Estimación de agua en aceite sintético ... 92
Figura 82. Kilometraje vs Horas de trabajo ... 93
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1.
Tabla de las especificaciones del aceite mineral Kendal 20W50 ………….102
ANEXO 2.
Tabla de las especificaciones del aceite sintético Aral 5w 40………103
ANEXO 3.
RESUMEN
El presente proyecto de investigación consistió en la realización de pruebas de medición de dos tipos de aceites, uno de origen mineral y el otro sintético, mediante la utilización de un equipo de comprobación que permitió analizar el degradado que sufren los aceites y el desgaste de la máquina de manera rápida. El estudio pretendió dar a conocer las diferencias entre el aceite mineral y el aceite sintético en relación a la degradación que sufre el aceite durante horas de trabajo y las consecuencias que pueden provocar en el motor. Para lograr aquello, se realizó un análisis rápido de sus propiedades y características, estableciendo protocolos de uso para el equipo, calibración y pruebas para finalizar con un análisis comparativo que permitió concluir si se cumplieron o no con los objetivos del estudio. Las pruebas realizadas sobre los tipos de aceite, evidenciaron los efectos de las horas de trabajo sobre los índices químicos, números dieléctricos, índices ferrosos, contaminantes ferrosos y no ferrosos; y estimación de agua, que intervienen en la degradación del aceite. Una vez finalizados los ensayos de laboratorio y los análisis en cada tipo de muestra de aceite, se construyeron gráficos comparativos del deterioro de los aceites y del Kilometraje vs. Horas de trabajo. Se pudo determinar que los aceites sintéticos tienen mayor resistencia a la degradación y mayor rendimiento en horas de trabajo, gracias a su estructura molecular y sus aditivos químicos. Por otra parte el aceite mineral pierde rápidamente sus propiedades y aditivos lo que genera un temprano degrado del aceite y menor protección al motor.
ABSTRACT
1. INTRODUCCIÓN
La presente investigación corresponde a la tesis para la obtención del título de grado como Ingeniero Automotriz. La misma consiste en un estudio de tipo experimental inductivo sobre la degradación de aceites de dos tipos, el primero de origen mineral, y el segundo sintético. Para lo cual se realizará un análisis comparativo.
La selección de los aceites se realizó con base a la especificación de los aceites mineral y sintético, más comercializadas en la región sierra del Ecuador, cuyo resultado fue en aceite mineral la marca Kendall 20W50; y en aceite sintético la marca Aral 5W40.
Para el análisis de las muestras se utilizó el equipo de comprobación OilView® Quick-Check, que es un analizador rápido de lubricantes de origen americana del año 2010, que incluye los equipos y el software para la lectura de los resultados de las mediciones (MJR Technologies LLC, 2010).
El método de análisis incluyó la toma de diez muestras por grupo de aceite, siendo un total de veinte muestras.
Los aceites sintéticos aumentan la vida útil del motor al tener aditivos químicos que reducen el degrado del aceite y, por tanto, protege al motor de la oxidación, acidez, lodos, etc. Sin embargo, su precio duplica o triplica el precio de los aceites minerales en el mercado por lo que es de acceso limitado.
Para el desarrollo de la investigación se organizó la información en marco teórico, metodología, análisis y resultados, conclusiones y recomendaciones. EL objetivo general del trabajo de titulación, es determinar la diferencia de aceite mineral vs sintético en un vehículo liviano en el tiempo de 800 horas, con el fin de establecer sus propiedades y rendimientos en un período de determinado, para el cual se debe crear gráficas comparativas de los tipos de aceites para determinar sus diferencias.
El primer paso es el de identificar las características y propiedades físico químicas del aceite lubricante mineral y sintético en el motor Otto, para obtener un conocimiento de la parte teórica.
El segundo objetivo específico establece un protocolo de pruebas para verificar los parámetros del lubricante antes y después del uso durante 800 horas.
El tercer objetivo consiste en realizar las pruebas determinadas con el aceite mineral y sintético de acuerdo a los protocolos establecidos en el segundo objetivo específico.
2. MARCO TEÓRICO
El desarrollo de esta investigación se basa en determinar las diferencias entre aceite mineral y aceite sintético. Estos aceites son utilizados en motores de combustión interna, los cuales serán descritos detalladamente en este capítulo. Dentro del estudio de los motores se analizará el sistema de lubricación, el cual contiene el estudio del aceite lubricante y donde se desarrollará cada uno de sus características, tipos, clasificaciones, aditivos, etc., para poder entender y en los siguientes capítulos se determinará sus diferencias utilizando un analizador de lubricantes.
2.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Los motores de combustión interna o llamados M.C.I., evolucionaron a partir de los motores de vapor. Estos motores fueron construidos por primera vez por Etienne Lenoir en el año de 1863. Su funcionamiento se basa en la transformación de energía térmica a energía mecánica, la cual es enviada a las ruedas para producir movimiento. Fue mejorado en 1876 por Nikolaus Otto el cual creó el motor de cuatro tiempos de donde toman su nombre. Después de 10 años Karl Benz construyó el primer vehículo de tres ruedas, véase figura 1, donde empieza la historia del automóvil(Sanz, 2011).
2.1.1 TÉRMINOS PARA EL ESTUDIO DEL M.C.I.
Antes de realizar el estudio de los motores de combustión interna, es necesario entender ciertos conceptos básicos, como se observan en la figura 2 y figura 3.
Figura 2. Gráfico descriptivo de las partes de un pistón
(Gil Martinez, 2000)
Como se indica en la figura 2, se puede identificar algunos términos como:
- Punto muerto superior (P.M.S):El pistón se encuentra en la posición más elevada del cilindro.
- Punto muerto inferior (P.M.I.): El pistón se encuentra en la posición más baja del cilindro.
- Diámetro o calibre (1): Se refiere al diámetro interior del cilindro.
- Carrera (2): Es la distancia recorrida por el pistón desde el PMS al PMI.
- Volumen de la cámara de combustión (4): Este volumen es medido desde la cabeza del pistón cuando se encuentra en el PMS hasta el cabezote o culata representada en la figura 3. Con la letra “V” (Gil Martínez, 2000).
Figura 3. Gráfico descriptivo de términos del pistón.
(Gil Martinez, 2000)
2.1.2. FUNCIONAMIENTO DE M.C.I.
Los motores de combustión interna denominados M.C.I, transforman la energía térmica de un combustible en calor y este calor se convierte en energía mecánica o trabajo. Esto se produce a través de la combustión de un combustible, como se explica en la figura 4 (González Calleja, 2001).
Figura 4. Principio de funcionamiento de M.C.I.
Este combustible generalmente suele ser un hidrocarburo como gasolina, diesel, queroseno, metano, etc.
En los motores de combustión interna la combustión se produce al mezclar aire y combustible dentro del motor. Para poder realizar el trabajo los motores de combustión interna necesitan de ciertos requerimientos como lo indica la tabla 1.
Tabla 1. Necesidades y requerimientos del M.C.I.
(Gil Martinez, 2000)
2.1.3. CLASIFICACIÓN DE M.C.I.
Los motores de combustión interna se diferencian por una serie de características de funcionamiento y constructivas que se detallan a continuación(Gil Martinez, 2000).
2.1.3.1 Modo de ciclo que realizan
La combustión que se produce dentro del motor puede ser de dos ciclos diferentes:
Necesidad básicas Requerimientos básicos
Introducir combustible Sistema de alimentación Producir la explosión en los motores de ciclo Otto Sistema de encendido Disminuir la fricción y evitar agarrotamientos Sistema de lubricación Mantener la temperatura de funcionamiento Sistema de refrigeración
Necesidad adicionales Requerimientos no básicos Obtener mayor potencia específica Sistema de sobrealimentación Recuir las emisiones contaminantes Sistemas de anticontaminación Transformación del movimiento lineal del pistón en
giratorio, generando un par motor
Sincronizar la admisión de gases frescos y el escape de los quemados
Menos consumo, aumentar la fiabilidad, reducir
ruido, etc. Perfeccionamiento de todos los sistemas Sistema de distribución
-Ciclo Otto: En los motores de ciclo Otto o llamados motores de explosión la combustión se produce al mezclar oxígeno (el cual se obtiene del aire) y un combustible (gasolina), cuando el pistón llega al punto muerto superior. Es donde por la acción de una chispa eléctrica de una bujía enciende la mezcla y la combustión produce una presión que ejerce sobre el pistón el cual es empujado hacia abajo y de esta forma se produce trabajo en el motor, como lo indica la figura5.
Figura 5. Motor Otto de cuatro tiempos
-Ciclo Diesel: En los motores de ciclo o llamados motores de expansión el aire debe ser introducido previamente a la cámara de combustión y este a través del ciclo de compresión, aumenta la temperatura y cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior se inyecta el diesel pulverizado por lo que se produce la auto combustión y se genera el trabajo motriz, como observa en la figura 6.
2.1.4 MOTOR OTTO
Como se indicó anteriormente en el punto 2.1.3.1. el motor Otto es un motor de combustión interna que transforma la energía térmica en energía mecánica o trabajo, gracias a la combustión de una mezcla de aire más combustible.
2.1.4.1 Funcionamiento del motor Otto
En los motores Otto o llamados motores de explosión, la combustión se produce al mezclar oxígeno y un combustible (gasolina) cuando el pistón se encuentra en el PMS durante la fase de compresión, donde por la acción de una chispa eléctrica de una bujía enciende la mezcla y la combustión produce una presión que ejerce sobre el pistón una fuerza de empuje hacia el PMI y de esta forma repite el ciclo.
2.1.4.2 Ciclo de trabajo del motor Otto
En este motor el ciclo es realizado en 4 carreras del pistón, por lo que un ciclo se produce en dos vueltas del cigüeñal. Se distinguen 4 fases apreciadas en la figura 7.
Figura 7. Ciclo de trabajo de motor Otto de cuatro tiempos
En la tabla 2, se explica cada fase del ciclo de trabajo del motor de cuatro tiempos que se encuentra en la figura 10.
Tabla 2. Ciclo de trabajo de motor Otto de cuatro tiempos
(Sanz, 2011)
2.1.5 MOTOR DIESEL
Es un tipo de motor de combustión interna que tiene el mismo principio de funcionamiento que un motor Otto, que es la de la transformación de la energía térmica de un combustible (diésel) a energía mecánica. La principal diferencia con el motor Otto es su combustible, sistema de alimentación y el proceder de la combustión(Gil Martinez, 2000).
Otras diferencias son la forma de construcción, el diésel es un motor más robusto ya que tiene que soportar cargas de presión y temperaturas más fuertes que un motor Otto.
2.1.5.1 Funcionamiento de motor diesel
El motor diésel utiliza el mismo ciclo de trabajo que los motores de explosión, su diferencia es que el combustible diésel es inyectado el
1. Admisión: 2. Compresión 3. Explosión 4. Escape
El pistión asciende hacia el PMS, y la válvula de
escape se abre produciendo el barrido de los gases quemados los cuales salen a gran
velocidad, cuando el pistón llega al PMS los
gases son evacuados totalmente para realizar nuevamente la admisión y el ciclo de trabajo.
Al tiempo que el pistón llega al PMS la bujía produce una chipa que inflama la mezcla, esto produce el aumento de temperatura y presión sobre el pistón, lo cual crea una fuerza de empuje sobre la cabeza del pistón el cual desciende. En esta
fase se produce la transformación de energía
química del combustible en energía mecánica. El pistón empieza a
descender desde el PMS al PMI (carrera) y se abre la válvula de admisión por completo , el cilindro se llena por la mezcla de
aire-combustible(gasolina). La válvula de admisión se cierra cuando el pistón
llega al PMI.
Las válvulas de admisión y escape están cerradas, el pistón asciende hacia el
PMI y comprime la mezcla. Al llegar el pistón
momento en que el pistón se encuentra en el PMS, donde el aire que se encuentra dentro del cilindro es sometido a grandes temperaturas y presión (mayor que la de un motor Otto), por lo que su construcción tiene que ser más robusta para soportar las altas cargas que se producen durante la combustión.
2.1.5.2 Ciclo de trabajo del motor diésel
El motor diésel tiene un ciclo de trabajo que comprende 4 fases que son admisión, comprensión, expansión y escape. Estas fases son descritas en la tabla 3 y representadas en la figura 8.
Tabla 3. Ciclo de trabajo del motor diésel de cuatro tiempos
(Sanz, 2011)
1. Admisión: 2. Compresión 3. Trabajo 4. Escape
El pistón empieza a descender hacia el PMI,
se abre la válvula de admisión y aspira aire del ambiente de forma libre sin
regulación (mariposa), lo que produce que se llene el cilindro cuando el pistón
llege al PMI.
Las válvulas de admisión y escape se
cierran, el pistón empieza a subir aumentando la temperatura apriximada
a 500°C y aumentando la presión de 36 a 45 kg/cm², el volumen del aire se comprime de 12
a 24 veces (relación de compresión) su volumen
inicial cuando el pistón está en el PMS
El pistión asciende hacia el PMS, y la válvula de escape se abre produciendo el barrido de los gases quemados los cuales salen a gran velocidad,
cuando el pistón llega al PMS los gases son evacuados totalmente
para realizar nuevamente la admisión y el ciclo de
trabajo. Un poco antes que el
pistón llege al PMS y un poco después que empiece a descender se
produce esta fase, cuando el pistón llega al
PMS, el aire tiene una temperatura muy elevada y es ahí cuando
comienza la inyección del diesel en forma pulverizada, las primeras gotas entran en contacto con el aire caliente lo
que produzca que se autoenciendan, desencadenando el encendido de todo el
Figura 8. Ciclo de trabajo de motor diésel de cuatro tiempos
(González Calleja, 2001)
2.1.6. SISTEMA DE LUBRICACIÓN
La lubricación de un motor tiene la finalidad de reducir al mínimo el desgaste de las piezas móviles que se producen por el razonamiento entre partes móviles dentro del motor y el de disipar el exceso de calor. Pero no solo tiene esa finalidad, ya que cumple con otras atribuciones de las cuales nos permite determinar la vida, fiabilidad y rendimiento del motor (Gil Martinez, 2000).
Entre estas atribuciones los lubricantes no permiten la formación de gomosos y lodos, limpieza de los elementos que son lubricados en el motor y la disipación de calor.
Esto se produce al insertar una película protectora de aceite entre las partes mecánicas que sufren de rozamiento para que estas evitaran tener contacto entre sí. Esta película de aceite puede ser enviada por presión, a través de, una bomba o por deslizamiento.
Figura 9. Rozamiento entre partes metálicas(1) y película de aceite (2)
(Gil Martínez, 2000)
Cualquiera que sea el sistema de lubricación, éste debe asegurar el suministro de la cantidad de aceite suficiente a todas las partes móviles del motor, con el fin de realizar la lubricación y todas las finalidades con ella perseguidas de forma conveniente.
2.1.6.1 Tipos de sistema de lubricación
La lubricación puede ser efectuada de distintas formas siempre cuando el suministro de aceite sea el adecuado y el indicado por el fabricante para lubricar las partes móviles del motor. Los principales sistemas de lubricación son:
- Sistema de engrase a presión: El aceite es aspirado desde el cárter por la bomba, la cual gira a las mismas revoluciones del motor y de ahí depende su presión, Después el aceite es enviado por un conducto principal y de ahí se deriva en conductos secundarios, estos conductos llevan al aceite a las partes del motor.
motor. El aceite cae al cárter por el efecto de la gravedad el cual trae impurezas, las cuales al reiniciar el sistema se limpian nuevamente (Gil Martinez, 2000).
En la figura 10, se puede observar el cárter (1) donde el aceite es absorbido por la bomba (2) que entrega la presión al conducto principal (3), que es el encargado de transportar el aceite a sus ramificaciones y lubricar las partes móviles.
Figura 10. Engrase a presión
(Gil Martinez, 2000)
- Sistema de engrase mixto: Se emplean propiedades del sistema de engrase a presión y barboteo (se basa en utilizar el movimiento del motor para conducir el aceite lubricante a los elementos que los necesitan. Es de los sistemas más utilizados.
solo sirve para recoger el aceite que es devuelto por el depósito donde la bomba proporciona la presión al aceite para lubricar las partes móviles.
Figura 11. Sistema de lubricación por seco
(Gil Martinez, 2000)
2.1.6.2 Elementos de lubricación
Los elementos principales que conforman el sistema de lubricación son:
El cárter: El cual cumple con las funciones de depósito o recipiente de aceite y de refrigerar el mismo. Es construido de un material que es un buen conductor de calor y a veces se lo construye con estrías que favorecen a la disipación del calor. Este depósito tiene un orificio que permite para realizar el vaciado del aceite utilizado y así sustituirlo.
La bomba de aceite: Tiene el propósito de aspirar o absorber el aceite y enviarlo bajo presión a través de canalizaciones para que lleguen a las partes móviles, igualmente la bomba debe crear presión y caudal suficiente al aceite. Pueden ser de diferentes tipos:
- La bomba de engranajes: la cual está formada por dos engranajes ubicados en el interior de la bomba, uno de los engranajes es movida por el árbol de levas y la otra gira en su propio eje por el efecto del otro engranaje. Tiene conductos por donde es aspirado el aceite, este ingresa por los espacios libres entre los engranajes, es ahí donde al girar los engranajes o piñones giran y ejercen presión la cual envía al aceite por los conductos. En la figura 12, se indica las partes de una bomba de engranajes:
Figura 12. Bomba de engranajes
(Maquinarias Pesadas, 2006)
- La bomba de émbolo: Está constituida por un cilindro, un pistón y válvulas. El pistón es movido por una biela la cual se encuentra unida a un extremo de un eje del árbol de levas.
Las válvulas se abren o se cierran dependiendo del movimiento del pistón, absorbiendo o despojando aceite sobre los conductos de lubricación.
además cuenta con varias paletas que giran en dirección contraria al aceite, estas succionan y empujan al aceite como lo expresa la siguiente figura 13.
Figura 13. Bomba de paletas
- Bomba de lóbulos: Posee la forma de un cilindro, tiene dos rotores donde el rotor exterior gira libremente conectado al otro rotor y el rotor interior (rodete) el cual gira en función del motor por un eje. El rotor interior posee lóbulos y el exterior alvéolos. El funcionamiento de esta bomba se explica en la figura 14, donde al girar queda un espacio entre los rotores y crean depresión donde absorben el aceite, al pasar el aceite se presiona por las paredes hasta que el aceite sale bajo presión.
Figura 14. Bomba de lóbulo
(Sapiensaman, 2005)
dentada, que posee un giro libre que se acopla con un piñón central y que entre ellos se encuentra un espaciador en forma de media luna. El aceite se aspira cuando los dientes se desplazan a la altura del espaciador y se crea una depresión, al seguir girando los engranajes y el espaciador disminuir su volumen se ejerce presión sobre el aceite el cual se libera en los conductos para ser trasladados a las partes que los necesitan. Las partes de la bomba trocoidal son entrada de aceite(1), salida de aceite (2), rotor exterior (3) y rotor interior (4) como lo indica la figura 15.
Figura 15. Bomba trocoidal
(Gil Martinez, 2000)
Elementos filtrantes: Eliminan las impurezas que se encuentran flotando en el aceite, que pueden llegar a ocasionar daños dentro del motor. Las partículas o impurezas pueden ser de diferentes orígenes, pueden ser productos residuales de los aceites usados, restos de combustión, partículas ferrosas, etc.
2.2. LUBRICANTES
Se denomina lubricante a toda sustancia sólida, semisólida o líquida de origen animal, vegetal, mineral o sintética que sirve como agente separador entre dos elementos en movimiento para evitar el rozamiento(Gil Martinez, 2000).
"La selección se rige según la construcción, el par de materiales, las condiciones del entorno y los esfuerzos en punto de rozamiento" (Bosch, 2005, p.308).
Algunas de las atribuciones adicionales que tiene la lubricación del motor además de la evitar el rozamiento entre partes móviles son:
- Refrigerar los elementos que no tienen acercamiento al sistema de refrigeración y disipar el calor.
- Contribuir con la estanqueidad(evitar fugas) dentro del cilindro.
- Absorber los golpes o choques entre los elementos sometidos a presión - Efectuar una limpieza de los elementos lubricados a través del empuje de impurezas.
2.2.1 OBTENCIÓN DE LUBRICANTES
La obtención de aceites mineral son producidos a partir de petróleo crudo empleando diferentes procesos de refinación donde se puede añadir aditivos que mejoren sus condiciones.
En los procesos de refinación se destila aplicando temperatura y presión (al vacío) a fracciones de hidrocarburos, donde las moléculas sufren variables y son separadas por su tamaño (Troyer & Fitch, 2004).
2.2.1.1 Extracción por solventes
Se mezclan solventes con el aceite ya destilado, lo que produce que moléculas aromáticas que no son necesarias se disuelvan.
2.2.1.2 Procesamiento por hidrógeno
Se distinguen dos procesos:
- Hidro-tratamiento moderado. Este proceso se aplica a baja presión y temperatura lo cual retira el oxígeno, azufre y compuestos de hidrógeno, pero no afecta al aceite de base aromática.
- Hidrofraccionado severo. Se aplica alta presión y temperatura la cual combina las moléculas aromáticas y las transforma en nafténicas y parafínicas que son más estables.
2.2.1.3 Refinación por ácidos
Los compuestos que no se combinaron son removidos al emplear ácido sulfúrico dejando un lodo que después será retirado.
2.2.1.4 Desparafinado catalítico o por solventes
2.2.2 PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO
Los principales parámetros que habrá que tener en cuenta en un circuito hidráulico en los que respecta a su funcionamiento serán:
2.2.2.1 Temperatura de funcionamiento
La temperatura a la cual es sometido el lubricante afecta de forma directa a las propiedades físicas, químicas y térmicas del lubricante.
2.2.2.2 Viscosidad
Este parámetro tiene influencia directa sobre la fricción(el cual es el principal objetivo de la lubricación), la cual debe provocar cavitación ( la cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a líquido), el consumo de fluido y el perder control en el sistema.
2.2.3.3 Compatibilidad
2.2.3.4 Velocidad de respuesta
Los fabricantes crean mecanismos que deben ser precisos para funcionar correctamente, estos dependen del lubricante para que no sufran de fricción, la viscosidad y la incompresibilidad de los aceites son los que permiten que los movimientos sean precisos de los mecanismos.
2.2.4 TIPO DE LUBRICANTES
Según la naturaleza de los lubricantes existen dos tipos principales en el área automotriz, los cuales poseen diferentes características y propiedades que son descritas a continuación:
2.2.4.1. Aceite mineral
Los aceites minerales son producidos a partir de petróleo crudo, esto quiere decir que, es la combinación de cientos de hidrocarburos de diferente composición, lo cual permite obtener diferentes propiedades.
Es importante recalcar que no todos los hidrocarburos sirven como aceites lubricantes.
Posterior a la combinación de los hidrocarburos, estos son refinados lo que permite eliminar elementos y sustancias indeseables que afectan a las propiedades del aceite.
Existen tres tipos principales de petróleo crudo que son los parafínicos, nafténicos y aromáticos.
- Aceite de base parafínica: Posterior al proceso de refinación quedan algunos elementos indeseables que son restos de cera parafínica (45-50%), los cuales afectan al aceite ya que tienen un alto punto de escurrimiento (temperatura más baja en la que el aceite puede fluir). Este tipo de aceite es el más empleado, contienen entre 45%-50% de componentes parafínicos.
Su fórmula general es:
Donde:
n: Número de átomos C: Carbono
H: Hidrógeno
La molécula simple perteneciente a la parafina se crea a través del metano, es un gas que se encuentra a temperatura ambiente.
Se caracterizan debido a que su composición es de 70%-80% de hidrocarburos parafínicos, del tipo saturados de cadena lineal o ramificada, no presenta una cadena cíclica.
Esta clasificación según átomos de carbono determinan la serie parafínica la cual se caracteriza por su gran estabilidad. En dicha serie encontramos el metano, etano, hexano y hexadecano. En la figura 16 se observan sus estructuras moleculares.
Figura 16. Serie parafínica
- Aceite de base nafténica: Este tipo de aceite mineral contiene entre 65%-75% de componentes nafténicos, sus características son un bajo contenido de azufre, acidez y moderado punto de escurrimiento.
Su fórmula general es:
Donde:
n: Número de átomos C: Carbono
H: Hidrógeno
Los hidrocarburos Nafténicos son conocidos también como hidrocarburos cíclicos saturados, es decir que son saturados con cadenas cíclicas o policíclicas muy complejas.
Los naftenos son compuestos cíclicos, del tipo saturados, y estos reaccionan como reemplazo de hidrógeno con otro elemento. Su serie se forma con los llamados ciclobutano, ciclopentano y ciclohexano, como se observa en la figura 17.
Figura 17. Serie naftenos
(Instituto Mexicano del Petróleo, 2014)
Estos aceites se extraen a partir de solventes que retiran a la base aromática, que al final queda conformada entre 20%-25% de componente aromático. Esto conduce a que aumente el índice de viscosidad y una mejora de la estabilidad de oxidación.
Su fórmula general es:
Donde:
C: Carbono H: Hidrógeno
El benceno, como se observa en la figura 18, es un compuesto cíclico que tiene forma hexagonal. Está compuesto por 6 átomos de carbono y 6 de hidrógeno y tres dobles enlaces alternados.
Cada vértice del hexágono, representa un átomo de carbono, el cual está unido a un hidrógeno para así completar los cuatro enlaces del carbono.
Figura 18. Estructura benceno
(Instituto Mexicano del Petróleo, 2014)
Tabla 4. Características de la clasificación de los aceite minerales
Base Índice de
viscosidad
Punto de escurrimiento
Resistencia a la oxidación
Parafínico Muy alto Alto Muy alta
Nafténico Moderado Bajo Aceptable
Aromático Bajo Bajo Baja
(Barrientos Ramirez, 2006)
En la tabla 5, se describen las diferencias en valores de cada tipo de aceite mineral:
Tabla 5. Propiedades de la clasificación de aceites minerales
(Troyer & Fitch, 2004)
2.2.4.2. Aceite sintético
El aceite sintético es un lubricante diseñado y elaborado para mejorar el desempeño del motor en varias condiciones de trabajo, lo que obtiene más beneficios sobre los aceites minerales.
Se obtienen por síntesis química de distintos tipos de materias primas y no se utiliza el método de destilación como los aceites minerales (Gil Martinez, 2000).
El proceso de obtención del aceite sintético se desarrolla través de un proceso químico llamado proceso Fischer-Tropsch. En la producción se
Propiedad Métodod ASTM Parafínico Nafténico Aromático
Viscosidad (cSt)@40°C D445 40 40 36
Viscosidad (cSt)@100°C D445 6.2 5 4
índice de viscosidad D2270 100 0 -185
Densidad relativa D287 0.8628 0.9194 0.9826
Punto de inflamación°C D92 229 174 160
Punto de goteo °C D97 -15 -30 -24
% Parafínico D3238 66% 45% 23%
% Nafténico D3238 32% 45% 36%
utiliza metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono como materia prima para el producto final. Como se señaló anteriormente, se incluyen aditivos para combatir la suciedad y los contaminantes que entran en un motor. El efecto que genera el aceite sintético tiende a descomponer estos contaminantes y limpiar el motor (Coche Español, 2014).
Estos aceites sintéticos se encuentran conformados por aceites bases de polialfaoleofinas (denominado PAOs), aromáticos, polibutenos, poliglicoles, ésteres orgánicos, siliconas y silicatos. Las principales bases químicas para producir aceite mineral son los polietilenos alfaolefinicos (PAOs) que se originan a partir de la química de los hidrocarburos y los ésteres se originan en alcoholes y grasas (Vázquez Guillén, 2013).
La diferencia en la composición el mineral y el sintético es que el aceite mineral es la combinación de cientos de hidrocarburos provenientes de la naturaleza, por lo que tienen diferentes características y tamaños. Mientras que los aceites sintéticos son elaborados por lo general con la misma molécula refiriéndose al tamaño y configuración, como lo indica la figura 19.
Figura 19. Componentes del aceite mineral vs sintético
(Barrientos Ramirez, 2006)
Figura 20. Propiedades de fricción entre aceite mineral y sintético
(Barrientos Ramirez, 2006)
Los beneficios en general que ofrece el aceite sintético es el de disminuir costos de operación y mantenimiento, ahorro energía y aumentar la protección de la maquinaria (Barrientos Ramirez, 2006).
Otros beneficios del aceite sintético sobre el mineral son: - Mejor propiedades lubricantes
- Mejor resistencia a la oxidación - Mejor resistencia térmica
- Intervalos de cambio extendidos - Mayor índice de viscosidad
El proceso Fischer-Tropsch como lo indica la figura 21, es un proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos como gasolina, keroseno, gasoil y lubricantes producto de los gases de síntesis (CO y H2).
Figura 21. Proceso Fischer-Tropsch
La reacción en este proceso se realiza en catalizadores de cobalto o hierro, y para obtener un buen rendimiento se requiere de alta presión que se encuentra entre 20 - 30 bar y una temperatura entre 200 - 350 °C. Si en el proceso la reacción sobrepasa los 400 °C resulta excesiva la formación de metano.
Las reacciones principales de Fischer-Tropsch son en realidad reacciones de polimerización, por el cual reactivos monómeros (son compuestos de bajo peso molecular) se agrupan o aglomeran entre sí, que dan como resultado una molécula de gran peso, que se establece en cinco pasos fundamentales:
1. Adsorción de monóxido de carbono (CO) sobre la superficie del catalizador.
2. Se inicia la polimerización a través de la formación de radical metilo (separación del CO e hidrogenación).
3. Polimerización por condensación (suma de CO y H2 y liberación de agua) 4. Terminación.
5. Desorción (fenómeno en el cual un gas deja un sólido cuando llega a cierta temperatura) del producto.
2.2.5 ADITIVOS
Los aditivos son productos químicos que se desarrollaron para innovar y aumentar las características de los lubricantes, estos se mezclan con los aceites bases en diferentes proporciones. Pueden mezclarse desde partes por millón (ppm) hasta porcentajes considerables. El aceite base puede estar entre 70% a 95% y los aditivos entre 5 al 30% (Barrientos Ramirez, 2006).
se que crearon los aditivos que tienen el propósito de mejorar propiedades de los aceites, eliminando o reduciendo elementos indeseables de los aceites existentes y creando nuevas propiedades. Los principales aditivos son descritos a continuación.
2.2.5.1 Índice de viscosidad
El índice de viscosidad (IV)es la propiedad de resistir cambio en la viscosidad dependiendo de los cambios de temperatura. Los líquidos poseen predisposición de adelgazar cuando se les aplica un aumento de temperatura y de engrosar o espesarse cuando se produce una baja de temperatura o enfriamiento (Barrientos Ramirez, 2006).
El índice de viscosidad se suele comparar por 2 respectivas viscosidades a diferentes temperaturas fijas que se encuentran entre los 100 y 210 ° (°F) grados Fahrenheit que transformados en grados centígrados son de 38 a 98.9° C. Esta escala se basa en un sistema arbitrario de medida diferenciado por el lugar donde fue producido el aceite. Los aceites nafténicos extraídos de México tienen un IV de cero (0), mientras que los aceites parafínicos desarrollados en Pensilvania, USA tienen un IV de cien (100). Se entiende que los tipos de aceites bases por lo general el nafténico y parafínico son los de índice de viscosidad altos y los aromáticos tienen un bajo IV. Por lo tanto entre mayor sea el índice de viscosidad significa que el cambio de viscosidad en el aceite es menor.
2.2.5.2 Antioxidantes/inhibidores de oxidación
anteriormente la viscosidad del aceite se ve afectado con la temperatura. Algunas propiedades de los aceites sufren cambios como el aumento de acidez, oscurecimiento, acumulación de lodos, etc., la rapidez con que esto ocurra depende de la temperatura, presencia de agua, cantidad de aire y presencia de elementos metálicos que pueden aumentar la velocidad de la oxidación.
Este aditivo se creó con el objetivo de oponerse al proceso de oxidación, poseen productos estables que retrasan la velocidad de la reacción, como se aprecia en la figura 22 la vida útil del aceite.
Figura 22. Aditivo Inhibidor de oxidación
(Troyer & Fitch, 2004)
2.2.5.3 Inhibidores de corrosión
Una de las propiedades que se espera de los lubricantes es que éstos protejan a las superficies metálicas de la corrosión. Existe una probabilidad que entre agua al sistema de lubricación y pueda provocar corrosión y herrumbre (sustancia que se forma en la superficie del hierro u otros metales en consecuencia de la oxidación que se origina por la presencia de agua). Esto puede llegar a ocasionar un desgaste en las superficies metálicas que afectan en la vida útil del motor.
inhibidores poseen un extremo polar que causa una atracción con superficies metálicas, además de tener una cola larga que disuelve agua y otros químicos no deseables reaccionen con las superficies (Barrientos Ramirez, 2006).En otras palabras se crea una película de aceite con una cola que aumenta la protección sobre la superficie metálica como lo demuestra la figura 23:
Figura 23. Aditivo inhibidores de corrosión
(Barrientos Ramirez, 2006)
2.2.5.4 Dispersantes y Detergentes
Los dispersantes tienen la función de impedir la acumulación de partículas de hollín, barros y barnices que pueden incrustarse en las partes metálicas, y de mantener las partículas no deseables suspendidas en el aceite y en partículas pequeñas. Por lo general, son polímeros que tienen cabezas polares que se juntan a partículas oxidadas y una cola soluble, los cuales se encargan de enrollar, no permitir que se agrupen y mantenerlos suspendidas en el aceite, como lo indica la figura 30.
Figura 24. Aditivo dispersantes
Los detergentes actúan sobre elementos que están sometidos a grandes temperaturas como pistón, válvulas, anillos, donde se forman depósitos no deseables. Suministran la base a los aceites para que estos puedan neutralizar los ácidos que son generados por la combustión y oxidación del aceite (Troyer & Fitch, 2004).
2.2.5.6 Aditivos Anti-desgaste y Extrema Presión
El desgaste es la disminución de material modificando su superficie, esto se debe a varias razones como contacto metal-metal, existencia de ácidos y abrasivos. Ambos aditivos tienen la función de proteger a los elementos lubricados en la lubricación límite creando una película de aceite tipo jabón, el aditivo anti desgaste (AD) reduce al mínimo el desgaste entre superficies metálicas al distribuir una barrera entre ellos (Troyer & Fitch, 2004).
Al tener presencia de bajas temperaturas este aditivo forma resina en la superficie, por el contrario a altas temperaturas se divide sus elementos (fósforo y zinc) forman una película protectora.
Los aditivos de extrema presión (EP) fueron diseñados para soportar grandes cargas y de fuerte impacto, donde los aditivos anti desgaste no pueden cumplir con esas condiciones de trabajo, se crean reacciones químicas que forman metales blandos para impedir que las superficies metálicas se suelden entre sí (Troyer & Fitch, 2004).
En las figuras 31 y 32, se expresan los dos tipos de aditivos:
Figura 25. Aditivo antidesgaste (Químicamente menos agresiva)
Figura 26. Aditivo de extrema presión (Químicamente más agresiva)
(Troyer & Fitch, 2004)
2.2.6 PROPIEDADES DE LOS LUBRICANTES
Las propiedades de los lubricantes son los que permiten al aceite generar la protección adecuada para evitar contacto entre superficies metálicas, las propiedades se dividen en tres tipos que son físicas, químicas y térmicas (Pirro & Wessol, 2201).
2.2.6.1 Propiedades físicas
- Viscosidad, es la propiedad que indica la resistencia que tiene un aceite a fluir, esta propiedad varía dependiendo del cambio de temperatura que tenga el aceite. La unidad de viscosidad determinada por la Organización Internacional de Estandarización (ISO) se mide a través de los centiStokes. - Densidad, es la relación entre la masa y el volumen (peso específico) que nos permite obtener el peso del aceite por cada litro.
- Color, el aceite dependerá directamente del tipo de refinamiento que tuvo el aceite.
- Untuosidad, nos indica la mayor o menor adherencia del lubricante a las paredes metálicas de las partes metálicas y se presenta como el espesor de la película de aceite que queda en la superficie sin llegar a ser lubricación límite.
2.2.6.2 Propiedades químicas
- Formación de espumas, al momento que el aceite es agitado se produce espuma superficial, si esto se produce en gran cantidad esto genera una ineficiente lubricación, consumo y pérdida de aceite.
- Emulsibilidad, es la aptitud del aceite de separarse del agua.
- Número de neutralización (acidez-alcalinidad), es la proporción de ácido o álcali para contrarrestar el contenido de ácido básico del aceite lubricante. - Corrosión del cobre, es la propiedad de determinar la capacidad de corrosión a materiales blandos como cojinetes(Gil Martinez, 2000).
- Acidez, durante la utilización del aceite es sometido a variables como temperaturas y esfuerzos que producen degradación que influye en las propiedades del aceite, esto produce que los aditivos pierdan efectividad con lo que se producen lodos, oxidación del aceite, barnices, menor viscosidad y corrosión en piezas.
2.2.6.3 Propiedades térmicas
- Índice de viscosidad, en los aceites cuanto mayor sea este índice el aceite este se verá menos intervenido en su viscosidad y tendrá una mejor conducta.
- Punto de congelación, es la temperatura donde el aceite pierde sus propiedades de fluir, lo que se recomienda es escoger un aceite con un número bajo dependiendo de las condiciones de trabajo.
- Punto de anilina, es la temperatura más baja a la que la mezcla de aceite y anilina se solubilizan por completo, esto es importante en sistemas que se cuidan la estanqueidad en cauchos (T&P Refrigeración, 2009).
2.2.7 CLASIFICACIÓN DE LOS LUBRICANTES
Existe una gran cantidad de lubricantes que se fabrican y comercializan en todos los sectores industriales, lo que ha desarrollado la clasificación de los lubricantes los cuales identifican su uso y aplicaciones, las mejoras en los lubricantes son constantes por lo que estas clasificaciones se renuevan por fabricantes y usuarios de los aceites.
3. METODOLOGÍA
La metodología que se utilizó para obtener los resultados de este trabajo de titulación es la metodología experimental-inductiva, donde se realizó un estudio comparativo entre el aceite mineral y el aceite sintético para establecer sus propiedades y rendimientos en un período de trabajo de 800 horas en un motor Otto, el cual es el objetivo general de este estudio.
Para poder cumplir con el objetivo general, este se ayuda de sus objetivos específicos, los cuales describen los pasos que se utilizaron para llegar a plantear las conclusiones.
El primer objetivo específico consiste en identificar las características y propiedades del aceite lubricante mineral y sintético, en el cual se realizó una investigación del tema a través de la recolección de información de libros, informes de laboratorio, información técnica, tesis de pre-grado, manual (como el analizador de lubricantes y del vehículo), etc. para obtener un conocimiento claro de los tipos de aceites que se investigaron en el estudio.
El segundo objetivo específico se basa en establecer el protocolo de pruebas para verificar los parámetros del lubricante antes y después del uso durante 800 horas, para esto se realizó una comprobación experimental, compuesta por los parámetros que intervienen en los análisis de aceites. Los parámetros influyentes en el estudio son: los tipos de aceites mineral y sintético, el vehículo y el equipo de comprobación (analizador de lubricantes).
El motor del vehículo donde se procedió a utilizar los aceites mineral y sintético debe ser el mismo, ya que este debe cumplir las mismas condiciones para obtener datos comparativos que permitan determinar las diferencias entre ellos.
Y finalmente se procedió a buscar equipos de comprobación en el mercado que permitan analizar los aceites de un motor, se localizó el equipo "OilView® Quick-Check Analyzer", que es un equipo y software que permite el diagnóstico del aceite lubricante y problemas de desgaste del motor. En este punto es donde se desarrolló protocolos para el uso, cuidado y calibración del equipo para realizar las pruebas de los aceites lubricantes. En el tercer objetivo específico se deben realizar las pruebas a los aceites mineral y sintético, están pruebas se desarrollaron a través de un trabajo de laboratorio, el cual tiene la función de establecer protocolos para el uso del equipo, el cuidado, la calibración, donde finalmente se aplica el protocolo de pruebas a las muestras de aceite.
Las pruebas que pudo medir el analizador son deterioro del aceite, porcentaje de contaminación, dieléctrico referencial, número dieléctrico, índice químico, índice ferroso, estimación de agua y contaminantes en el aceite. Estas pruebas fueron realizadas a través de procesos automatizados del equipo, excepto en el caso de medición del índice químico, donde los resultados fueron obtenidos a través la siguiente ecuación adimensional:
[1]
Donde:
: Índice químico : Número dieléctrico
: Dieléctrico referencial
significa que existe una diferencia de 0.06, el cual al multiplicar por 100, da como resultado un índice químico de 6.
En el cuarto y último objetivo específico se analizan los resultados obtenidos por el analizador de lubricantes, para esto se construyeron tablas y gráficos que permitieron posteriormente analizar los resultados para cada tipo de aceite y finalmente compararlos.
La construcción de tablas y gráficos consistió en ordenar y sistematizar todos los datos obtenidos de las pruebas realizadas sobre los aceites mineral y sintético, donde estos datos fueron tabulados y graficados de acuerdo a las horas de uso que aplican para cada tipo de aceite, para determinar si los datos obtenidos se encuentran dentro o fuera de los rangos permitidos.
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS
En este capítulo se explicarán las selecciones de los aceites, vehículo y analizador de lubricantes, ya que en base a estos factores se puede realizar la toma de muestras, que están divididas por horas de uso hasta llegar a las 800 horas que es el tiempo determinado de estudio para esta investigación, para realizar las pruebas respectivas que son medidas por el analizador y poder interpretar los resultados para determinar la diferencia entre aceite mineral y sintético.
4.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEITES
Para la elección de los aceites, se debe conocer las clasificaciones que existen de los aceites, las dos clasificaciones más importantes que se toman en cuenta para seleccionar los aceites son SAE (Society of Automotive Engineers de USA) y API (American Petroleum Institute).
4.1.1 CLASIFICACIÓN SAE
Esta clasificación fue desarrollada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices que considera la viscosidad en función de la temperatura. Se diferencian dos tipos de grupos: la clasificación SAE J 300 E que son utilizados para aceites de cárter y la clasificación SAE J 306 que son utilizados para lubricantes de transmisiones(Gil Martinez, 2000).
inglés "Winter" que significa invierno. Esta clasificación se divide en 2 tipos de aceites:
- Aceite monógrado: Estos aceites se crearon para trabajar a una temperatura específica, la cual puede ser de invierno o verano, son recomendados para regiones donde existe poca variación de temperatura, por ejemplo para invierno SAE 10 W y para verano SAE 50 como se puede observar en la figura 27.
Figura 27. Aceite mineral monógrado
En la siguiente tabla 6, se indica la clasificación del aceite monógrado:
Tabla 6. Clasificación SAE
(Gil Martinez, 2000)
- Aceite Multigrado. La combinación de dos o más aceites mono grados crean el aceite multigrado, el cual es favorable en climas variables donde el aceite pueda mantener la viscosidad frente a los cambios de temperatura.
Grado SAE °C cPoises °C cSt
0W -30 3250 -35 3.8
5W -25 3500 -30 3.8
10W -20 3500 -25 4.1
15W -15 3500 -20 5.6
20W -10 4500 -15 5.6
25W -5 6000 -10 9.3
20 5.6
30 9.3
40 12.5
50 16.3
Viscosidad Viscosidad máxima s.c.c.
Temperatura límite de bombeabilidad máxima en