Los peligros de las descargas electrostáticas en aceites de motor

El arranque de motores a temperaturas muy bajas ha sido un problema para los consumidores, los fabricantes de máquinas y la industria petrolera. En un arranque en frío, el flujo de aceite (un líquido dieléctrico) circulando en el sistema puede inducir picos de voltaje en algunos puntos del circuito de circulación durante el periodo de calentamiento. Cuando el aceite queda expuesto a estos picos de voltaje, los componentes sensibles, como sensores y microprocesadores, pueden dañarse y, en última instancia, si el componente es crítico para la operación, puede causar que se apague el motor.

Cuando una máquina está fría, el aceite que circula por ella tiene una alta viscosidad y una muy baja conductividad eléctrica. El aceite aumenta su temperatura a medida que el motor se calienta, pero durante un periodo posterior al arranque en frío, se producirá cierto peligro por la acumulación de electricidad estática en el aceite y la generación de descargas espontáneas de electricidad potencialmente peligrosas.

La electrificación de los fluidos ha sido una fuente de numerosos accidentes industriales, principalmente en la industria petrolera y de generación de energía. Este efecto se produce en sistemas que transportan combustibles, lubricantes y otros hidrocarburos líquidos aterrizados incorrectamente. Esta es la razón por la cual algunas mangueras comerciales de gasolina en Estados Unidos y otros países tienen un cable de conexión a tierra para disipar las cargas eléctricas acumuladas durante las operaciones con los combustibles y por qué existen regulaciones de apagar el motor del vehículo cuando se le está abasteciendo gasolina.

La electrificación estática de un fluido dieléctrico se debe a la presencia de trazas de ciertos elementos en el aceite. Algunos ejemplos de sustancias que pueden transportar electricidad en un líquido no conductivo son los compuestos de oxidación del aceite, contaminantes, metales y aditivos ionizados. La concentración de cualquiera de estas sustancias en las cuales se puede producir electrificación puede ser tan baja como una parte por billón (ppb). Debido a esta baja concentración, es impráctico eliminarlos. Si se pudiesen eliminar con éxito, el manejo posterior podría reintroducir estos elementos contaminando nuevamente el fluido.

Los aceites de motor en sistemas de potencia son fluidos aislantes eléctricamente, con conductividades eléctricas por debajo de los 1,000 picosiemens (pS) en condiciones ambientales normales. El valor dependerá de la pureza del aceite y de si se le han añadido aditivos surfactantes. Para la mayoría de los líquidos, el producto de su viscosidad y de la conductividad eléctrica es una constante. A medida que la temperatura disminuye, la viscosidad del aceite se incrementa exponencialmente y su conductividad eléctrica disminuye exponencialmente.

Durante la fase de arranque, el sistema tiene un periodo de calentamiento debido al calentamiento por viscosidad y la transferencia de calor de otras fuentes del motor. La temperatura del aceite aumenta, disminuyendo su viscosidad e incrementando su conductividad eléctrica hasta que se alcanza una condición estable de operación. La principal causa de las descargas electrostáticas durante el arranque en frío es la variación de la conductividad eléctrica con la temperatura.

La gráfica ilustra la electrificación inestable del aceite en un sistema de circulación durante el arranque en frío. La temperatura está representada por las barras amarillas/anaranjadas, que se va oscureciendo a medida que la temperatura se incrementa. La concentración de cargas eléctricas se muestra en azul para la concentración más baja hasta púrpura para la más densa.

La habilidad de un fluido para retener su carga eléctrica dependerá de su conductividad eléctrica. En fluidos dieléctricos, el tiempo en que la masa de un fluido aislante puede mantenerse electrificado se conoce como el tiempo de relajación eléctrico. Es inversamente proporcional a su conductividad eléctrica. Para diferentes aceites comerciales, esta constante de tiempo está en el intervalo de 1 microsegundo a 1,000 segundos para la mayor a la menor conductividad. Para cualquier lubricante a temperatura muy baja durante un arranque en frío, el tiempo de relajación eléctrico está más cerca del límite superior, mientras que, en condiciones estables de operación, el valor estará más cercano al límite inferior. Por consiguiente, durante un arranque en frío, el aceite electrificado permanecerá más tiempo cargado, y si se mueve, puede dar lugar a un aumento en la acumulación de cargas en el sistema de circulación.

Una vez electrificado, el intervalo que el aceite puede sostener la carga depende de su tiempo de relajación eléctrico, así como de la velocidad del fluido. En la fase de calentamiento del motor, tanto la velocidad como la conductividad eléctrica del aceite en circulación aumentan con el tiempo. Al comienzo, la velocidad y conductividad del aceite son bajas, y por lo tanto la electrificación se limita a los espacios cercanos a la fuente de carga sin acumulación de carga eléctrica o cualquier daño potencial.

Por otro lado, en condiciones normales de operación, cualquier electrificación estática en el aceite en movimiento, recorrerá distancias muy cortas. El aceite se neutralizará y las cargas eléctricas se disiparán en las paredes adyacentes.

Sin embargo, a medida que el motor se va calentando desde el arranque en frío, existe un intervalo de tiempo en el cual la velocidad del aceite es lo suficientemente alta y la conductividad lo suficientemente baja para que el aceite en movimiento dé lugar a una acumulación de cargas con el potencial de generar daños.

Este gráfico muestra el voltaje de salida de una sonda de densidad de carga a lo largo del tiempo. La línea continua representa mediciones experimentales, mientras que la discontinua representa la predicción teórica. (Ref. J. Electostatics)

Otro efecto de la temperatura involucra la concentración de carga inducida por otra fuente de carga, como por ejemplo un filtro. En la mayoría de los casos, la acumulación de carga eléctrica en los filtros depende de diversos parámetros relacionados con la geometría del filtro y las condiciones de flujo. Para filtros industriales, la carga producida por el filtro está saturada y será proporcional a la conductividad eléctrica del fluido. Por lo que a medida que la temperatura se incrementa durante el arranque en frío, la carga en el filtro también aumentará con el tiempo durante el periodo de calentamiento.

Por consiguiente, a medida que la temperatura se incrementa corriente abajo de la fuente de carga, hay un aumento significativo de la electrificación inducida en el fluido y una disminución efectiva en el intervalo del aceite electrificado. La combinación de estos dos efectos contrarios dará como resultado un efecto de carga transitorio en la forma de picos de voltaje y de una sobrecarga electrostática corriente abajo de la fuente de carga donde fluye el aceite.

¿Qué tan baja debe ser la temperatura de arranque para que el riesgo se convierta en un problema práctico? En general, la severidad de este efecto transitorio está influenciada por una gran cantidad de variables, tales como el tamaño y las disposiciones de los compartimientos en el sistema de circulación, la conductividad eléctrica del aceite, los tipos de filtros y bombas utilizados en el sistema, el caudal del fluido, y los perfiles de temperatura del sistema durante las fases de calentamiento y arranque. Por lo tanto, se requiere de un análisis completo del sistema para responder esta pregunta.

En un sistema en particular analizado recientemente, la temperatura de arranque en el experimento se fijó en menos 41°C, con un voltaje máximo estimado de 500 voltios a menos 10°C. Para este sistema, cualquier temperatura por debajo de menos 10°C podría inducir picos severos de voltaje. Sin embargo, durante el experimento se observó una respuesta similar, pero de menor intensidad, cuando este se realizó a mayores temperaturas.

Es improbable que el precalentamiento del bloque del motor mitigue el peligro de un pico de voltaje. El precalentamiento podría ayudar al arranque del motor, pero potencialmente amplificaría el pico de voltaje. El aceite del motor a menudo está almacenado en un depósito que no está en contacto con el bloque del motor. Por lo tanto, si los componentes del motor están calientes y el aceite muy frío, la electrificación del aceite aumentará.

Un sistema que puede calentar el aceite del motor y no su bloque parecería ofrecer una solución y en la actualidad muchos de estos sistemas se encuentran instalados en algunos motores. Sin embargo, esta solución no es práctica para todos los motores, ya que es posible que el cárter no tenga un fácil acceso.

Otra solución es utilizar un sistema en derivación (by-pass) para ciertos componentes como los filtros, que pueden activarse por un diferencial de presión en el sistema. Si bien esta es una tecnología prometedora y los fabricantes de filtros han comenzado a utilizar los sistemas en derivación (by-pass), todavía se presentan algunas desventajas. Una es que el sistema es ahora más complejo y más propenso a fallar. La otra es que, si se utiliza un aceite nuevo, los ajustes para la condición de derivación (by-pass) deben ser cambiados. Además, esta tecnología no puede ser utilizada en otros componentes como bombas, las cuales pueden también inducir cargas en el aceite.

Se puede prever un cambio en el diseño del motor colocando el cárter de aceite dentro del bloque del motor. Esto es parecido a los sistemas en algunos vehículos híbridos donde el refrigerante caliente se almacena dentro del motor para un mejor desempeño durante el arranque. Sin embargo, la mejor opción sería la conexión a tierra de los compartimientos del motor durante las primeras fases del arranque en frío para evitar la acumulación de cargas.

Si bien se han realizado pocos o ningún estudio sobre problemas de arranque en frío en automóviles, los fabricantes de motores incluyen cada día más componentes electrónicos, lo que podría potencialmente presentar problemas para ellos también. Esto es un problema práctico y fundamental y se requieren nuevas investigaciones que den mayores luces sobre este fenómeno con respecto a los efectos de la temperatura y otros comportamientos transitorios de los motores.

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.