Jim Fitch, Noria Corporation. Traducido por Gustavo Huicochea Hernández. Noria Latín América

Un elevado consumo de aceite en un motor casi siempre es síntoma o consecuencia de otra condición de mayor importancia. Este artículo abordará este problema desde el punto de vista de la pérdida de aceite durante la combustión (no por fugas). Si bien la atención se centrará más en los motores diésel utilizados en servicio industrial y comercial, gran parte de lo que se discutirá se aplica igualmente a los automóviles de pasajeros y motores a gas natural.

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Por sí mismo, el consumo de aceite es una fuente bien conocida de emisiones nocivas a la atmósfera. El aceite sin quemar o parcialmente quemado se libera a través del tubo de escape en forma de hidrocarburos y particulado (hollín). Además, se sabe que los aditivos antidesgaste del aceite de motor envenenan o al menos afectan el desempeño de los convertidores catalíticos. Mientras más aceite se consuma a través de la cámara de combustión, mayor es el riesgo y efecto de envenenamiento. Esto aumenta aún más el impacto ambiental.

Las causas del alto consumo de aceite son muchas y complejas. Debido a que este consumo es sintomático de otras condiciones, es necesario estar atento a los cambios en la tasa de consumo de aceite, los cuales deben verse en el contexto de otros datos y factores, incluidos el análisis de aceite, los gases de escape, la vida útil del motor (desde la última reconstrucción), las presiones de sobrealimentación, la temperatura de operación, la carga, las condiciones de funcionamiento y el paso de gases hacia el cárter (blow-by). El análisis de aceite se discutirá en términos de la correlación y el significado de las tendencias comunes y cómo podrían ser útiles para la solución de problemas.

Causas de un alto consumo de aceite

Es necesario comprender los mecanismos de movimiento del aceite para evitar que se dirija a donde no debe ir. La pérdida de aceite está influenciada por el diseño del motor y sus condiciones de operación. El consumo de aceite ocurre principalmente cerca o a través de la cámara de combustión, ya sea hacia abajo a través de las válvulas o hacia arriba pasando el conjunto anillos, pistón, cilindro.

Movimiento del aceite y consumo a través de las válvulas del motor

El aceite que lubrica los vástagos de las válvulas de admisión es aspirado hacia la cámara de combustión durante la operación normal. Los gases de escape calientes queman el aceite en los vástagos de las válvulas de escape. Si hay demasiada holgura entre los vástagos de las válvulas y sus guías, el motor succionará más aceite por las guías al interior de los cilindros. Esto podría ser causado por el desgaste de las guías de las válvulas y por sellos desgastados, agrietados, faltantes, rotos o mal instalados. El motor aún puede tener una buena compresión, pero quemará una gran cantidad de aceite.

Flujo de aceite a través del conjunto de anillos

El aceite del motor está diseñado para producir una película lubricante en las paredes del cilindro. Aunque el anillo de control de aceite en el pistón limpia gran parte de este, aún quedará una película delgada. Cuando el motor desacelera, las altas presiones negativas succionan aceite hacia la cámara de combustión y lo expulsan por el múltiple de escape.

fig1El problema es más severo cuando los anillos o cilindros están muy gastados o dañados, pero también puede ocurrir si los cilindros no se pulieron correctamente (defectos de acabado de la superficie o pérdida de circunferencia) cuando el motor fue fabricado (o reconstruido) o si los anillos fueron instalados incorrectamente. Gran parte del aceite que se mueve a través del conjunto de anillos, por lo  general ocurre durante el ciclo de compresión. El anillo de control de aceite raspa el aceite de la pared del cilindro, el cual fluye hacia los orificios/cavidades del anillo. El aceite que queda en la pared del cilindro es necesario para lubricar los anillos de compresión. Una vez que el aceite traspasa los anillos de compresión, es difícil que regrese al cárter. Sin embargo, el paso de gases de combustión al cárter puede proporcionar un medio de transporte para ayudar a regresar el aceite al depósito (ver Figura 1).

Depósitos en el conjunto de anillos y movimiento

Los depósitos en el conjunto anillos pueden disminuir drásticamente el movimiento y la flexión de los anillos. Del mismo modo, el movimiento del anillo puede influir en gran medida en dónde se forman los depósitos y el movimiento del lubricante (transporte) dentro del conjunto. El movimiento del anillo define el tiempo de residencia del lubricante en los anillos, que a su vez afecta la velocidad de degradación del lubricante y en dónde se formarán depósitos (ver Figura 2). La temperatura en los anillos pueden oscilar entre 195 a 340 °C.

Conjuntamente, estas condiciones pueden acelerar el desgaste del anillo-pistón-cilindro (APC), deteriorar la eficiencia de la combustión, incrementar el paso de gases (blow-by) y reducir la economía de aceite (más consumo). Una manera en que esto sucede es por el empuje causado por depósitos de carbón. En este fenómeno, se acumulan depósitos de carbón en las ranuras de los anillos (a causa del hollín y productos de degradación del aceite). Esto restringe el movimiento del anillo y aumenta el desgaste, el paso de gases al cárter y el consumo de aceite al ritmo del movimiento del pistón.

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Evaporación del aceite de la pared del cilindro

Hasta el 17% del consumo total de aceite está asociado con su evaporación en el cilindro. Cuanto más deformado (ovalado) y áspero (acabado de la superficie) se encuentre el cilindro, más película de aceite quedará en él después del ciclo de fuerza. Las altas temperaturas en la superficie del cilindro (80 – 300 °C) causarán una pérdida de este aceite por nebulización y evaporación. Las moléculas más livianas del aceite son más propensas a la evaporación. Estas moléculas livianas son las primeras en agotarse; como resultado, hay menos pérdida por evaporación hacia el final de la vida útil del lubricante.

No todos los aceites que tienen la misma viscosidad son iguales desde el punto de vista de la volatilidad (riesgo de pérdida por evaporación). Algunos lubricantes pueden tener hasta un 50% más pérdida por volatilidad que otros. Esto está determinado por la distribución del peso molecular del aceite base.

Por supuesto, la temperatura juega un papel clave. Una baja temperatura en el cilindro se traduce en una baja tasa de evaporación. La temperatura del cilindro se ve afectada por la carga, la eficiencia de combustión y el enfriamiento. Aproximadamente el 74% de la vaporización se produce durante las carreras de admisión y compresión (no se han encontrado efectos de la velocidad).

Paso de gases al cárter (blow-by) por cilindros ovalados

Los cilindros ovalados suelen ser causados ​​por problemas de maquinado o distorsiones térmicas y de presión. Los anillos del pistón pueden ajustarse, hasta cierto punto, en cilindros ovalados. Aun así, los gases de combustión y la niebla de aceite pueden seguir su camino a través de estas distorsiones del cilindro moviéndose más fácilmente en el contacto de la superficie del anillo contra el cilindro. La niebla de aceite es transportada con los gases de combustión hacia la cámara de combustión y hacia afuera con los gases de escape.

Condiciones de alta flotación de anillos

Los investigadores han encontrado que una menor viscosidad del aceite puede reducir las condiciones de “flotación” del anillo de control de aceite. “Flotación” básicamente significa que la película lubricante entre el anillo de control de aceite y la pared del cilindro es demasiado gruesa. En consecuencia, esta viscosidad excesiva supera la capacidad del anillo para escurrir (raspar) el aceite de la pared del cilindro y devolverlo al cárter; por lo tanto, queda demasiado aceite en la pared del cilindro que luego puede moverse hacia los anillos de compresión o permanecer adherido al cilindro, aumentando el consumo de aceite por nebulización y evaporación.

Cómo el consumo de aceite afecta a las emisiones de escape y la salud

A medida que los motores envejecen y se desgastan, se convierten en mayores consumidores de aceite. Los contaminantes sólidos combinados con hollín y otras suspensiones en el aceite influyen en el desgaste del motor, la formación de depósitos y la tasa de consumo de aceite. Cuando se consume aceite, este ingresa a la cámara de combustión, se quema con el combustible y se expulsa con los gases de escape en forma de partículas e hidrocarburos volátiles.

Los lubricantes nuevos tienen moléculas volátiles más ligeras y son más propensos a emitir hidrocarburos. A medida que el aceite envejece, la emisión de hidrocarburos se nivela, pero puede volver a aumentar si el aceite se contamina con combustible (dilución por combustible), por ejemplo, cuando se tienen tiempos de operación cortos o largos tiempos de inactividad. Sin embargo, en general, la vida útil del aceite no tiene una influencia significativa en las emisiones de monóxido de carbono y óxido nítrico.

El nivel de emisiones por el escape puede aumentar considerablemente con el tiempo, según el grado de desgaste del motor y la formación de depósitos. Esto conduce no solo a una mayor cantidad de partículas en el escape, sino también a un mayor porcentaje de hidrocarburos, que es un subproducto del consumo de aceite. Se ha observado que el aceite lubricante contribuye significativamente a las emisiones de partículas a medida que el motor envejece, especialmente con los motores diésel. La estrategia obvia para controlar/reducir las emisiones de hidrocarburos es disminuir el consumo de aceite. Esto, en gran parte, se logra solo al controlar la eficiencia de la combustión, el desgaste y los depósitos (especialmente a través de buenas prácticas de lubricación y filtración).

Los óxidos de nitrógeno (NOx) consisten en óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2). Estos precursores del ozono también producen smog cuando se exponen a los gases de hidrocarburos y la luz solar. Como un peligro para la salud, el NOx puede causar irritación y daño al tejido pulmonar, así como parálisis. Debido a los requisitos normativos y la presión ejercida por organizaciones de protección ambiental para reducir tanto las partículas como el NO2, se ha aumentado la presión para mejorar la formulación del lubricante, el diseño del motor y el desempeño del filtro.

Vale la pena señalar que muy poca viscosidad también induce una serie de peligros. Siempre se desea tener la viscosidad óptima (ni muy alta, ni muy baja). Este valore “óptimo” es empujado y jalado por numerosos factores de diseño y operación del motor, incluido el deseo de reducir el consumo de aceite.

Efecto del intervalo de cambio de aceite

Los cambios de aceite extendidos son una tendencia en constante crecimiento. Si bien hay claras ventajas (menores costos por cambios de aceite, mayor productividad, beneficios ambientales, etc.), también existen riesgos en la vida del motor, riesgos de economía de combustible y sanciones en el consumo de aceite. En la Fig. 3, se muestra un estudio reciente sobre los efectos del intervalo de cambio de aceite en millas por litro de aceite. Tres motores diferentes (clase 8, servicio de largo recorrido) a diferentes intervalos de cambio de aceite, muestran una relación clara entre la salud del aceite y el consumo de aceite. Se puede concluir que a medida que el aceite envejece, los efectos del envejecimiento (alto hollín, pérdida de dispersancia, agotamiento de aditivos, insolubles, corte del mejorador del índice de viscosidad, nivel de limpieza, etc.) deterioran la capacidad del motor para retener el aceite durante la operación.

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Problemas de consumo de aceite revelados por el análisis de lubricantes

El monitoreo de los niveles de aceite y las tasas de relleno son indicadores confiables del consumo de aceite y la economía relativa del aceite. Si el consumo de aceite es bajo, se puede suponer que, si bien muchas cosas podrían estar yendo mal, no están fallando simplemente porque el consumo de aceite del motor se encuentra dentro de un rango normal y seguro. Por lo tanto, es lógico rastrear los niveles de aceite y la cantidad de aceite repuesto entre los cambios de aceite programados.

La tabla 1 no solo detalla cómo el alto consumo de aceite puede acompañar ciertas condiciones verificables con análisis de aceite, sino que también proporciona ejemplos de lo que estas condiciones pueden significar.

Comprender cómo los motores consumen aceite sigue siendo un trabajo en progreso y es objeto de investigación continua por parte de muchas organizaciones. Es importante desacelerar o detener el problema tanto como sea posible. Sin dudas, se progresará mucho en los años venideros. Mientras tanto, será benéfico utilizar el conocimiento actual en toda su extensión. Las estrategias descritas en este artículo ofrecen varias formas plausibles de lograrlo.

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