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7/25/2019 13 ESTUDIO COMPARATIVO DEL DESGASTE EN UN MOTOR.pdf

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Recibido: septiembre 2006. Aprobado: marzo 2007.Versin final: mayo 2007

Saber, Universidad de Oriente, Venezuela.Vol. 20. N 1: 96-102. (2008)

ESTUDIO COMPARATIVO DEL DESGASTE EN UN MOTOR DE ENCENDIDO PORCHISPA EN CONDICIONES DE VELOCIDAD VARIABLE USANDO GASOLINA Y

GAS NATURAL COMO COMBUSTIBLE

A COMPARATIVE STUDY OF THE WEAR-OUT IN A SPARK IGNITED ENGINE UNDERCONDITIONS OF VARIABLE SPEED USING GASOLINE AND NATURAL GAS AS FUELS

HENRYESPINOZA, LUSPATIO, YORDYGONZLEZ, YAMILELARA, ANTONIOTINEO

Centro de Termofluidodinmica y Mantenimiento (CTYM). Universidad de Oriente. Ncleo de Anzotegui. Puerto LaCruz, Venezuela.

[email protected] [email protected]

RESUMEN

Se presenta los resultados de la comparacin del desgaste producido en un motor de encendido por chispa de 1,3litros cuando opera con gasolina y el gas natural para vehculos usado en Venezuela (GNV). La evaluacin del desgastese hizo indirectamente mediante la medicin de elementos de desgaste en el lubricante por espectrometra de emisin,durante un lapso de 100 horas de ensayo. El experimento se realiz en el laboratorio utilizando un banco de prueba conun motor de escasas horas de funcionamiento y en condiciones de operacin controlada en funcin de garantizar unavelocidad de desgaste normal. El procedimiento de arranque y calentamiento consisti en encender el motor sin carga ya velocidad de ralent, dejarlo estabilizar, para luegofijarlo a 1500 RPM. La condicin de velocidad variable se establecimediante ciclos de aceleracin y desaceleracin, los cuales se realizaron 20 veces cada 15 minutos (de 1500 a 2800 RPM).Las muestras de aceite se tomaron a travs del medidor de nivel de lubricante cada 5 y 20 horas de funcionamiento,sustrayndose 8 ml y 100 ml de aceite correspondientemente. Los anlisis espectromtricos se realizaron cada 5 horas deoperacin acumulada. Los resultados medidos se corrigieron considerando la variacin en el volumen total a consecuenciade las muestras tomadas. Las velocidades de desgaste se calcularon utilizando el modelo de velocidad constante parasistemas con fuga y aadidos desarrollado por nuestro grupo y el estudio se bas en el anlisis de las concentracionesde hierro, plomo, cobre, estao, aluminio, y slice. Los resultados evidencian que la velocidad de desgaste del Fe, PB, Cuy Al es mayor usando gasolina en comparacin con el GNV en porcentajes de 434,83%, 734,31%, 145,63%, 146,57%,respectivamente; y la contaminacin de Si usando el GNV como combustible alternativo es menor en un 24,42% conrespecto a la gasolina.

PALABRASCLAVE:Mantenimiento, Tribologa, desgaste de motores de combustin interna.

ABSTRACT

The results of a comparative study of the wear-out in a 1.3 liter internal combustion engine using gasoline andVenezuelan natural gas (GNV) are reported in this research. The wear-out evaluation was performed indirectly bymeasuring worn-out elements in the lubricant through spectrometry of emission during a 100 hour testing lapse. Theexperiment was carried out in laboratory using an engine with few running hours and in conditions of controlledoperation to guarantee a normal wear-out speed. The procedure of starting and warming up included igniting theengine without load at a very slow speed and allowing it to stabilize, then setting it to 1500 RPM. The condition ofvariable speed was set by cycles of acceleration and deceleration, which were performed 20 times every 15 minutes(from 1500 to 2800 RPM). Oil samples were taken through the oil level gauge every 5 and 20 running hours, subtracting8 and 100 ml of oil, respectively. Spectrometric analyses were done every 5 hours of cumulative running. The resultswere corrected considering the variation in the total volume as a result of the samples taken. The wear-out speedswere calculated using the constant speed model of wear-out for systems with oil leakage and additions developed byour group. The study was based on the concentration analysis of iron, lead, copper, tin, aluminum, and silica. Theresults demonstrate that the wear-out speed of Fe, Pb, Cu and Al is greater using gasoline than GNV in percentages of434.83%, 734.31%, 145.63%, 146.57% respectively; and the contamination of Si using the alternative combustible GNVis smaller in 24,42% compared to gasoline.

KEYWORDS: Maintenance, Tribology, wear-out of internal combustion engines.


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Estudio comparativo del desgaste...

INTRODUCCIN

El gas natural ha sido ampliamente utilizado comocombustible alterno a la gasolina en los motores de

combustin interna (Rousseau et al., 1999). Diversosestudios han demostrado las ventajas del uso del gasnatural como sustituto de los combustibles lquidos por lasreducciones en las emisiones de contaminantes y los bajoscostos (Zizow et al.,2003; Hanaki, Y. 1996). En estudios

previos se ha demostrado que el gas natural producebeneficios sobre el desgaste en comparacin con otroscombustibles. En este sentido, Beck en (1997) realiz unainvestigacin sobre el desempeo, durabilidad del motory anlisis de vida del aceite en un motor de inyeccin

piloto de gas natural durante 1000 horas, sometiendo elmotor a cuatro velocidades constantes diferentes duranteel tiempo de prueba, llegando a la conclusin que el motor

dual (Diesel-gas) podra experimentar una larga vida deoperacin, extender los intervalos de servicios, y reducirlos costos por servicio de los cambios de aceite comparadocon un motor Diesel. Debido a la limitada bibliografadisponible sobre desgaste en condiciones operativas quesimulen las diversas condiciones operativas del motor,Espinoza et al. (2002), present un estudio simulandola condicin de arranque y calentamiento de un motorde encendido por chispa y demostr que la velocidad dedesgaste del motor con Gas Natural Vehicular es menorque con gasolina, obteniendo disminuciones porcentualesde 191,59% del hierro, 471,50% del plomo, 162,96% del

cobre y 192,79% del aluminio.

En el presente trabajo se presentan el estudiocomparativo del desgaste de un motor donde lacontaminacin del lubricante producto del desgaste delmotor en condiciones de variacin de la velocidad, simuladamediante procesos cclicos de aceleracin y desceleracindel motor, midindose el desgaste indirectamente poranlisis de la contaminacin del aceite por las partculasde desgaste provenientes del motor y utilizando latcnica de espectrometra de emisin. La justificacindel presente mtodo se basa en que la velocidad dedesgaste expresada en miligramos de material por unidadde tiempo es igual a la velocidad de contaminacin delaceite, siempre que no haya aporte externo, tal como lodefine (Rigaux, J. 1961; Prez, R. 1976; Espinoza, 2002).

Entre los antecedentes de usos de modelosmatemticos en el anlisis de lubricante, se observa quevarios investigadores entre los que se pueden nombrarRigaux, J. (1961); Prez, R. (1976); Kjer, T y Hubert, J.(1982), Stodola, J. (1990), Espinoza H. (1990), FigueroaS. (1994); Macian et al., (2003) han desarrollado y

publicado aproximaciones analticas para modelar elcomportamiento de la contaminacin del lubricante y eldesgaste de motores de combustin interna alternativos.Estos modelos incluyen anlisis estadsticos de ladistribucin de partculas en el tiempo, modelos decorreccin de las concentraciones medidas, modelosde normalizacin para independizar las medidas decontaminantes de variables dimensionales del motor y

poder comparar motores diferentes, modelo de clculo dendices que expresen la severidad de desgaste y mtodos declculo de concentraciones de referencia para determinarvalores de desgaste normal considerando el comportamientoestadstico de flotas de motores, esto permite establecerrangos de valores normales y anormales.

MATERIALES Y MTODOS

Descripcin de la instalacin experimental

El Banco de prueba esta conformado por un motorde combustin interna con alimentacin de combustibledual (gasolina- gas natural) y un freno Dinammetro tipoEddy Current (Figura 1). El motor tiene las siguientesespecificaciones: modelo Toyota 2E, 4 cilindros en lnea.1296cc de cilindrada, dimetro del pistn: 73 mm, Carrera:77.4 mm, Potencia Mxima: 72 Hp, Torque mximo:101 Nm alimentado mediante carburador dos bocas paragasolina con mezclador de gas natural colocado encima.

Figura. 1Banco de prueba utilizado para la obtencin de la data.

METODOLOGA UTILIZADA

Actividades preliminares a los ensayos con cada

combustible.

Se realiz cambio de aceite y filtro de aceite, filtro deaire y bujas.


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ESPINOZAet al.

Se enton el motor para garantizar que cumpliera elbuen funcionamiento del mismo y los requer imientosestablecidos por el fabricante. Se utilizo como lubricante aceite comercial SF, SAE20W-50, con TBN 7.

Procedimiento experimental en condiciones de velocidad

variable del motor de encendido por chispa.

Se coloc la vlvula de seleccin de combustible enla posicin de gasolina.

Se encendi el motor del banco de prueba, siguiendonormas de laboratorio establecidas.

Luego, se esper hasta que la temperatura de salidadel refrigerante se estabilizara a velocidad de ralent,

posteriormente se aceler hasta colocarlo a 1500revoluciones por minuto (RPM).

Se aceler y desaceler 20 veces el motor cada 15minutos (de 1500 a 2800 RPM).

Se tomaron muestras de aceite (8 ml.) cada 5 horasde funcionamiento y (100 ml) cada 20 horas defuncionamiento, a travs del medidor de nivel dellubricante.

La prueba se detuvo cuando el motor alcanz 100horas de funcionamiento.

Las condiciones de prueba fueron:

Velocidad de Ralenti: 1100 RPM.

Velocidad de Operacin: 1500 RPM Velocidad Mxima: 2800 RPM. Intervalo de tiempo de aceleracin: 15 minutos Combustible Utilizado: Gasolina de 91 octanos o

GNV dependiendo del ensayo. Temperatura de Salida del Refrigerante: 97C usando

gasolina y 93 para GNV. Temperatura del Ambiente: 27 a 31 C Presin Baromtrica: 760 mm de Hg.

Se realiz primero el ensayo con el motor usandogasolina y luego gas natural.

Con el fin de garantizar condiciones iguales durantelos ensayos, antes de cada prueba se verific el estadode funcionamiento del motor para detectar fallas oanormalidades que puedan afectar el comportamiento delmotor. El punto de encendido del motor para gasolina seajust segn lo recomendado por el fabricante del motor. El

punto de encendido para GNV se adelant automticamentede acuerdo a la ley avance que trae el equipo de conversin.

El aceite utilizado se cambi al inicio de cada prueba.

En el estudio se plantearon las siguientes suposiciones:

Se desprecia el desgaste de una prueba sobre lasiguiente, en la practica esta hiptesis es cierta ya quelos niveles de desgate registrados en 1000 horas de

prueba es insignificante y no produce variaciones enlas dimensiones de las piezas sometidas a desgaste.

Los cambios que se presenten en el motor solo sedeben al afecto de uso de combustibles diferentes.

Tcnica de medicin indirecta del desgaste

Para la medicin de la velocidad de desgaste se partedel principio, que en ausencia de contaminacin externa lacontaminacin del aceite se produce por efecto del desgastedel motor, por lo que la velocidad de contaminacin delaceite es igual a la velocidad de desgaste del motor. Para

medir los elementos de desgaste en el aceite se utiliz ladata experimental de concentracin de elementos medidasen el aceite obtenida por espectrometra de emisin. Losanlisis espectromtricos se realizaron cada 5 horas.

Aunque se midieron 19 elementos, el estudiocomparativo del anlisis se bas en las concentraciones deelementos representativos del motor: hierro, plomo, cobre,estao, aluminio, y slice. Estos elementos se seleccionarondebido a que son representativos del desgaste generaly de los principales componentes del motor sometidoa desgaste. El slice se analiz para detectar la posible

infl

uencia de la contaminacin externa.Correccin de los datos obtenidos por efectos la toma de

muestra y aadidos de aceite.

Los resultados medidos se corrigieron para tomar encuenta el efecto de la perdida por la muestra tomada y lasvelocidades de desgaste se calcularon experimentalmentey con el modelo. Para la correccin de los resultados delas concentraciones medidas por el espectrmetro con elobjetivo de considerar el efecto de la perdida de partculasen la muestra tomada, se utiliz el modelo de velocidadconstante para sistemas con fuga y aadidos, desarrollado

por Espinoza H. (1990), y el cual se resume en lassiguientes ecuaciones:

(1)

Donde:

Cmo= es la concentracin medida en el momento delinicio de la prueba.S= es el caudal msico de fuga de partculas.


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Qa= es el caudal de fuga.m(t)= es la masa de contaminantes slidos en el instante t.Vo= es el volumen total de lubricante en el crter.t = es el intervalo de tiempo del aceite.P= es la velocidad de desgasteCc= son las concentraciones corregidas

Qa Z = (2)

Vo

La Ec. 1 determina la velocidad de desgaste (P). Nose considera el efecto del filtro, debido a que para lascondiciones de prueba y desgaste normal no se producen

partculas mayores a 5 m, y los filtros convencionales noretienen partculas inferiores a este tamao. Por otro lado losespectrmetros de emisin no detectan partculas de tamaos

superiores a 8 micras (Espinoza, 1990; Macin, 2003).

Las concentraciones corregidas, que representan elnmero de partculas que existieran en el crter si nohay fugas, aadidos ni filtros en el tiempo t, se calculana travs de las Ec. 3 y Ec.4.

P

Cc= Co+ (t1- t

0) (3)

V

o

Si t0es el instante de cambio del aceite, por lo que es

igual a cero, la ecuacin anterior queda:

P Cc= Co+ t (4) Vo

RESULTADOS

En lasfiguras 2, 3, 4,5 y 6 se muestra el comportamientode las concentraciones de los elementos de desgaste medidosen funcin del tiempo del aceite. En base a los resultadosobtenidos, en las Figuras 2 y 3 se observa que la velocidadde desgaste de los componentes del motor a base de hierro

y plomo son menores cuando se utiliza GNV que cuandose utiliza gasolina como combustible. Funcionando congasolina, el incremento de partculas de desgaste de dehierro fue de 310,14% y el de plomo de 444,43%, mientrasque funcionando con GNV los incrementos fueron de82,52% para el hierro y 43,42% para el plomo. Como no semantiene la proporcin entre el hierro y el plomo para losdos combustibles, se supone que el mayor incremento del

plomo con la gasolina se debi a la contaminacin de plomoproveniente de los gases de la combustin de la gasolina

(gasolina con tetraetilo de plomo).

Figura 2.Comparacin de las Concentraciones Corregidas del Fe vs.

Tiempo.

Figura 3.Comparacin de las Concentraciones Corregidas del Pb vs.

Tiempo.

Figura 4.Comparacin de las Concentraciones Corregidas del Cuvs. Tiempo

y = 1,452x + 42,56

y = 0,271x + 34,88

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 15 30 45 60 75 90

PPMd

eFe

Tiempo (h)

Utilizando Gasolina.

Utilizando GNV.

Lineal (Utilizando Gasolina.)

Lineal (Utili zando GNV.)

y = 8,258x + 339,4

y = 0,989x + 423,4

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 15 30 45 60 75 90

PPMdePb

Tiempo (h)


Utilizando GNV.


Lineal (Utilizando GNV.)

y = 0,036x + 2,836

y = 0,014x + 1,163

0

1

2

3

4

5

6

7

0 15 30 45 60 75 90

PPMdeCu

Tiempo (h)


Utilizando GNV.




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100

ESPINOZAet al.

Figura 5.Comparacin de las Concentraciones Corregidas del Al vs.

Tiempo.

Figura 6.Comparacin de las Concentraciones Corregidas del Si vs.

Tiempo.

En cuanto a los valores de velocidad de desgastecalculados representados por las pendientes de laslneas de ajuste de las figuras, se observa una diferenciaimportante entre la velocidad de desgaste del hierro(1,4526 gr/l*h) y el plomo (8,2588 gr/l*h) para la prueba

de gasolina mientras que para el GNV, se obtuvieronvalores de 0,2716 gr/l*h para el hierro y 0,9899 gr/l*h

para el plomo. Es decir, la velocidad de desgaste de hierrousando gasolina es 4,34 veces mayor que usando GNVy en el caso del plomo fue de 7,34 veces mayor, pero eneste caso no se debe solo al desgaste, sino que incluye elefecto de la contaminacin proveniente del plomo de lagasolina.

El anlisis de los resultados de la contaminacin por

cobre y el aluminio, y la velocidad de desgaste (Figuras4 y 5) indican igualmente un mayor desgaste de piezasque aportan estos elementos cuando se usa gasolina quecuando se usa GNV. La velocidad de desgaste del cobrefue de 0,0366 gr/l*h y del aluminio de 0,0757 gr/l*h

para el caso con gasolina y de 0,0149 gr/l*h para elcobre y 0,0307 gr/l*h para el aluminio usando GNV. Lavelocidad de desgaste del cobre usando gasolina es 1.456veces mayor que utilizando GNV, mientras que para elaluminio result ser 1,465 veces mayor. El valor bajo develocidad de desgate del cobre en comparacin con el

plomo cuando se usa gasolina, comprueba la hiptesisque un elevado porcentaje de la contaminacin de plomo

proviene de la gasolina.

En cuanto al silicio, en la Figura 6 se observacierto paralelismo entre las lneas de ajuste de las

concentraciones de la gasolina y GNV, por lo quela velocidad de contaminacin puede considerarse,aproximadamente la misma. Esto demuestra que el slice

proviene principalmente de contaminacin externa y noesta afectado por los niveles de desgaste del motor. La

pequea diferencia de la acumulacin de contaminacinen motor con gasolina sobre el GNV se explica porquelos cilindros contienen pequeas cantidades de slice ensu composicin qumica.

U N A E X P L I C A C I N D E L F E N M E N OOBSERVADO

Los mecanismos de desgaste que se presentan enel motor son: (1) La abrasin producida por partculascontaminantes duras que circulan entre las superficiesen movimiento. En el conjunto pistn, anillos y cilindro,el afecto de la abrasin es mayor cuando el pistn seencuentra en los puntos muertos, donde la velocidad es

baja y la pelcula de lubricante es muy delgada (EyreT. S. 1983). (2) El desgaste adhesivo (Scuffing) el cualgenera tasas elevadas de desgaste y produce fugas degas y aceite de compresin por el cambio de la topografade la superficie. (3) La corrosin originada por el ataquede condensados corrosivos en las superficies del motor

(Schwartz, S. E. 1986).

El incremento de los mecanismos de desgaste congasolina se debe a dos fenmenos: 1) Al lavado que se

produce en las paredes de los cilindros cuando se usanhidrocarburos lquidos, que al ser transportados por elsoplado (blow-by) remueven la capa lubricante facilitandolos mecanismos de desgaste por abrasin, adhesivo ycorrosivo. 2) La formacin de reas libres, originada porla vaporizacin del combustible lquido sobre la capa

y = 0,0757x + 3,1086

y = 0,0307x + 1,8755

0

2

4

6

8

10

12

0 15 30 45 60 75 90

PPMdeAl

Tiempo (h)


Utilizando GNV.



y = 0,1977x + 12,789

y = 0,158x + 5,2222

0

5

10

15

20

25

30

35

0 15 30 45 60 75 90

PPMd

eSi

Tiempo (h)


Utilizando GNV.


Lineal (Utili zando GNV.)


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lubricante, deja un espacio sin lubricacin, desprotegidocontra el desgaste y la friccin.

El efecto de la degradacin o consumo de aditivosprotectores contra la corrosin y la friccin se desecha,debido a que el lubricante utilizado esta recomendado

para ambos combustibles.

En este orden de ideas, el comportamiento observado(mayor desgaste usando gasolina que el GNV) se debe a quea diferencia de la gasolina, el gas natural por su naturalezagaseosa, no promueven mecanismos de desproteccinde las superficies lubricadas, como la formacin dehuecos libres de lubricante y lavados de las pelculasde lubricantes. Aunado a esto, el uso de la gasolinacon composicin alta en azufre puede producir mayorcantidad de condensado corrosivo (formacin de H

2SO

4).

AGRADECIMIENTOS

Al Consejo de Investigacin de la Universidad deOriente, por su financiamiento parcial del presente

proyecto.

CONCLUSIONES

Los resultados evidencian que la velocidad decontaminacin del aceite por partculas de desgaste deFe, Pb, Cu y Al es mayor utilizando gasolina que GNV

en porcentajes de 434.83%, 734.31%, 145.63% y 146.57%,respectivamente.

La velocidad de contaminacin por Si se mantuvo,aproximadamente constante, debido a que su origen esexterno. La diferencia de valores de las concentracionesse debe a que los valores iniciales son distintos para cadacombustible.

El GNV como combustible en motores duales producemenor desgaste que la gasolina, confirindole mayor vidatil tanto al motor como al lubricante para condicionesde velocidad variable.

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