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Efecto de los Aditivos Lubricantes Cuando se Prueba en R�gimen de Lubricaci�n hidrodin�mica (motores)

 

Effect of Lubricant Additives when Tested in Hydrodynamic Lubrication Regime (Engines)

 

Efeito de aditivos lubrificantes quando testados em regime de lubrifica��o hidrodin�mica (motores)

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec

 

Ciencias de la salud

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 19 de junio de 2021 *Aceptado: 15 de julio de 2021 * Publicado: 10 de agosto de 2021

 

        I.            Magister en Dise�o Mec�nico, Docente Investigador, Coordinador de Carrera de Mec�nica Y Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

     II.            Analista en sistemas, Licenciado en Ciencias de la Educaci�n Especialidad Ingl�s, Magister en Gerencia Educativa, Docente Investigador, Director Pr�cticas Pre Profesionales. Director del �rea de Ingl�s, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  III.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz. Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  IV.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz. Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.�

 

Resumen������

El sector del transporte es un consumidor principal de diferentes recursos energ�ticos, por lo que reducir el consumo de recursos energ�ticos vitales es fundamental en los autom�viles. La evoluci�n de los lubricantes para motores de combusti�n interna desde el inicio del dise�o de estos componentes hasta la actualidad se busca aprovechar la energ�a provoca por las oscilaciones de su trabajo normal. Por todo aquello se est�n desarrollando aditivos para mejorar las propiedades de desgaste de los componentes del motor, la eficiencia del combustible y para reducir las emisiones de carbono, ya que estos componentes influyen sobre varias propiedades del lubricante como es la fricci�n, la temperatura y otros m�s que son prioridad en la aplicaci�n pr�ctica de aceites comerciales. En este trabajo tambi�n se aprecia cual es el comportamiento de la fricci�n hidrodin�mica, la fricci�n l�mite y su relaci�n con la viscosidad del aceite para los dise�os de ciertos componentes como el pist�n, el cig�e�al que son donde se concentra un gran porcentaje de perdidas en el motor. En conclusi�n, se menciona que las pel�culas de aceite generadas en los contactos con la adici�n de los aditivos evitan eficazmente el contacto directo entre las asperezas met�licas y redujeron el desgaste de la superficie desgastada provocada por la fricci�n en los componentes del motor derivando en un menor consumo de combustible y por tanto de energ�a.

Palabras clave: Lubricantes para autom�viles; formulaci�n de aditivos; fricci�n; motor; propiedades tribol�gicas.

 

Abstract

The transport sector is a major consumer of different energy resources, so reducing the consumption of vital energy resources is essential in automobiles. The evolution of lubricants for internal combustion engines from the beginning of the design of these components to the present seeks to take advantage of the energy caused by the oscillations of their normal work. For all that, additives are being developed to improve the wear properties of engine components, fuel efficiency and to reduce carbon emissions, since these components influence various properties of the lubricant such as friction, temperature, and others. more than they are priority in the practical application of commercial oils. In this work it is also appreciated what is the behavior of hydrodynamic friction, limit friction and its relationship with oil viscosity for the designs of certain components such as the piston, the crankshaft, which are where a large percentage of losses is concentrated in the motor. In conclusion, it is mentioned that the oil films generated on the contacts with the addition of additives effectively prevent direct contact between metallic roughness and reduced wear on the worn surface caused by friction on engine components, resulting in less consumption of fuel and therefore energy.

Keywords: Automotive lubricants; additive formulation; friction; engine; tribological properties.

 

Resumo

O setor de transportes � um grande consumidor de diferentes recursos energ�ticos, portanto, reduzir o consumo de recursos energ�ticos vitais � essencial nos autom�veis. A evolu��o dos lubrificantes para motores de combust�o interna desde o in�cio do projeto desses componentes at� a atualidade busca aproveitar a energia provocada pelas oscila��es de seu funcionamento normal. Por tudo isso, aditivos est�o sendo desenvolvidos para melhorar as propriedades de desgaste dos componentes do motor, a efici�ncia do combust�vel e reduzir as emiss�es de carbono, uma vez que esses componentes influenciam v�rias propriedades do lubrificante como fric��o, temperatura e outras. Mais do que prioridade na pr�tica aplica��o de �leos comerciais. Este trabalho tamb�m mostra qual � o comportamento do atrito hidrodin�mico, atrito limite e sua rela��o com a viscosidade do �leo para os projetos de determinados componentes como o pist�o, o virabrequim, que s�o onde grande parte das perdas se concentra no motor. Em conclus�o, cita-se que as pel�culas de �leo geradas nos contatos com a adi��o de aditivos evitam efetivamente o contato direto entre a rugosidade met�lica e o desgaste reduzido da superf�cie desgastada pelo atrito nos componentes do motor, resultando em menor consumo de combust�vel e, portanto, de energia.

Palavras-chave: Lubrificantes automotivos; formula��o de aditivos; atrito; motor; propriedades tribol�gicas.

 

Introducci�n

Desde los tiempos como el Neol�tico en Mesopotamia, Egipto, y Asiria se han encontrado encajes en roca para ejes de puertas, ruedas de alfareros en madera y roca, as� como cojinetes. En la Edad de Hierro emergen los primeros� cojinetes insertadas en recursos de madera, de aceites vegetales y grasas de procedencia animal. En las metas t�cnico�econ�micos de la Tribolog�a se establecen tres importantes: Ahorro de energ�a; Ahorro de materiales primas; explotaci�n optima de los sistemas tribol�gicos (Herrera y Cunalata, 2019). Uno de los entornos m�s exigentes en aplicaciones como las de los veh�culos de alto rendimiento son las �reas de alta fricci�n, desgaste y contacto del motor y del tren de v�lvulas, como el �rbol de levas y dem�s componentes donde hay alta presi�n de contacto y velocidades de deslizamiento (Broitman y Zhou, 2019).

Los lubricantes generalmente se pueden clasificar como org�nicos naturales u org�nicos sint�ticos (Bhushan, 1990). Los lubricantes org�nicos naturales incluyen los obtenidos de recursos naturales, como animales, vegetales y minerales, mientras que los lubricantes sint�ticos son aquellos fabricados y personalizados para aplicaciones espec�ficas (por ejemplo, hidrocarburos sint�ticos y �steres) (Palacios y Bhushan, 2010). La polialfaolefina (PAO), que es un aceite sint�tico del Grupo IV del Instituto Americano del Petr�leo (API), es uno de los aceites base m�s utilizados junto con el aceite mineral paraf�nico (M), el aceite API Grupo I (AI), el aceite API Grupo II (A-II), aceite API Grupo III (A-III), as� como algunos aceites de base biol�gica [es decir, aceite de colza (RO), aceite de girasol (SO)]. Los aceites aplicados en motores totalmente formulados disponibles comercialmente, como Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) 5W30, SAE 5W20, SAE 75W85, SAE 0W40 y SAE 40, que contienen paquetes completos de aditivos, principalmente optimizado para interactuar con superficies ferrosas (Zahid et al., 2015). Los aceites mono grados como SAE 10, o SAE 50 se comparan en la figura 1.El lubricante es un elemento fundamental para la operaci�n del motor de combusti�n interna, este es afectado con respecto a su vida �til, as� como tambi�n la condici�n operativa del veh�culo, por los procesos de combusti�n y el combustible. Para esto se han generado los aditivos, los cuales son encargados maximizar el rendimiento del lubricante base; potencian las propiedades que ya posee, y a�ade otras que complementan y eliminando as� a las que no son v�lidas. Otras funciones de los aditivos son, que protegen al lubricante de la oxidaci�n, ralentizar el desgaste, mejorar la fluidez del lubricante base, proteger a los sistemas de los procesos de combusti�n o posibles fallas del lubricante (Delfin, 2018).

Existe una gran variedad de aditivos, los cuales se ajustan a las necesidades de cada veh�culo, por lo general estos se est�n utilizando mucho m�s en la actualidad en motores modernos(Haas et al., 1991). A continuaci�n, se presenta los tipos de aditivos: Aditivos antioxidantes; Aditivos anticorrosivos; Aditivos antiespumantes; Aditivos detergentes; Aditivos antidispersantes; Aditivos antidesgaste; Aditivos espesantes; Aditivos diluyentes(Wong & Tung, 2016). Algunos de los aditivos lubricantes que se aplican m�s ampliamente en combinaci�n con diferentes aceites b�sicos incluyen modificadores de la fricci�n [como monooleato de glicerol (OGM) y ditiocarbamato de molibdeno (MoDTC)] y aditivos antidesagaste [como el dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP)] y aditivos de extrema presi�n en algunos de los estudios. Algunos otros aditivos, como el fosforotionato de trifenilo butilado (b-TPPT), los aminofosfatos (AP) y el di�ster de amina sulf�rico-fosfato (T307), tambi�n se utilizan (Zahid et al., 2015). Por este motivo se propone analizar las consecuencias de la aplicaci�n y los factores que influyen en la vida �til de los lubricantes.

 

Figura 1: Viscosidad Din�mica En Funci�n De La Temperatura Para Motores con Aceites Comunes Mono grado y Multigrado (Pulkrabek, 2013).

 

Lubricaci�n en el pist�n del motor

La lubricaci�n mixta unidimensional en el espesor de la pel�cula de aceite y la fricci�n en la cabeza y anillos del pist�n. Se aplica un modelo donde se consideran tres modos de lubricaci�n, a saber, lubricaci�n pura hidrodin�mica, mixta y de l�mite pura. Todas estas consideraciones son cruciales para estudiar el transporte de aceite, especialmente en la regi�n del punto muerto superior (TDC), donde el anillo de control de aceite no puede llegar, esto en un motor di�sel monocil�ndrico ya que sus caracter�sticas de baja velocidad y alta presi�n del cilindro crean condiciones de lubricaci�n severas para el paquete de anillos. De esto se encuentra que la rugosidad de la superficie tiene un impacto importante en este mecanismo de transporte de petr�leo. Posteriormente, los resultados del espesor m�nimo de la pel�cula de aceite y la fricci�n total se muestran en la Figura 2 para estos tres aceites. El anillo de control de aceite del motorgasolina es significativamente m�s afilado que el motor Caterpillar. Esta cara de anillo m�s afilada proporciona menos fuerza de compresi�n del aceite y, por lo tanto, m�s contacto de aspereza alrededor de los puntos muertos que se puede ver en la Figura desde los picos de fricci�n incluso alrededor de las regiones BDC. Adem�s, el grosor de la pel�cula de aceite de los dos anillos superiores solo se reduce ligeramente durante las carreras de expansi�n y escape. Las fluctuaciones de fricci�n alrededor del TDC son hidrodin�micas y ocurren cuando el anillo superior pasa las ubicaciones del TDC del anillo raspador y el anillo de control de aceite y cuando el anillo raspador pasa el TDC del anillo de control de aceite. Para esta misma condici�n de funcionamiento al respecto del espesor m�nimo de la pel�cula de aceite, el motor gasolina no se eleva a la misma magnitud que la del di�sel Caterpillar debido a la menor presi�n del cilindro y la mayor velocidad del motor(Tian et al., 1996)

 

Figura 2: Predicciones del espesor m�nimo de la pel�cula de aceite y la fricci�n para un motor Kohler a 2500 rpm, carga completa y temperatura 100�C(Tian et al., 1996)

 

Figura 3: C�lculos inform�ticos que muestran los efectos de la viscosidad del aceite en la fricci�n del pist�n-fald�n / camisa, que ilustran la dependencia del grado de lubricaci�n mixta / l�mite: (izquierda) lubricaci�n significativa de l�mite mixto; (derecha) lubricaci�n moderada de l�mite mixto(Moughon, 2006)

 

La Figura 3 ilustra los efectos conceptualmente t�picos del aumento de la viscosidad en la fricci�n del pist�n-falda, donde la fricci�n hidrodin�mica aumenta y la fricci�n l�mite disminuye al aumentar la viscosidad del aceite para un dise�o de falda con una buena cantidad de lubricaci�n l�mite. En este caso, un aceite m�s espeso mantiene una mayor separaci�n entre el fald�n y el revestimiento y reduce constantemente la fricci�n. Sin embargo, en la figura tambi�n, en un dise�o de fald�n diferente con menos lubricaci�n l�mite, el aumento de la viscosidad del aceite aumentar�a la fricci�n m�s all� de un punto �ptimo, ya que la lubricaci�n hidrodin�mica se vuelve dominante y una viscosidad m�s baja disminuir�a la fricci�n.La clave para reducir la fricci�n entre el fald�n y el revestimiento del pist�n radica en mantener la lubricaci�n hidrodin�mica del fald�n. Con un suministro de aceite adecuado al fald�n, desaparecer�an la mayor�a de los otros problemas del dise�o del perfil del fald�n y las caracter�sticas de la superficie que afectan la lubricaci�n del l�mite(Wong & Tung, 2016).

 

Lubricaci�n hidrodin�mica en el cig�e�al

El an�lisis de lubricaci�n del cojinete principal considerando el movimiento axial del cig�e�al y la deformaci�n del cig�e�al bajo carga se basan en el modelo de lubricaci�n hidrodin�mica tridimensional(Zia et al., 2017). La lubricaci�n del cojinete principal del cig�e�al se analiza mediante un m�todo din�mico. El resultado muestra que la trayectoria del centro del mu��n del cojinete principal del cig�e�al es una curva espacial no cerrada y tridimensional cuando se considera el movimiento axial del cig�e�al y el espesor m�nimo de la pel�cula de aceite, la presi�n m�xima de la pel�cula de aceite, la p�rdida de potencia por fricci�n y el flujo de fuga final. La tasa del cojinete principal se cambia obviamente en algunos momentos del ciclo de trabajo de un motor de combusti�n interna en comparaci�n con no considerar el movimiento axial(Mian et al., 2002). Por lo tanto, para ser m�s razonables y m�s cercanos a la realidad, es necesario tener en cuenta la influencia del movimiento axial del cig�e�al en el an�lisis del rendimiento de lubricaci�n del cojinete principal del cig�e�al(Li et al., 2019).Haciendo una secci�n en la misma circunferencia posici�n en los modelos mostrados en las figuras, es posible comparar directamente la forma del campo de presi�n hidrodin�mico en el ancho del rodamiento direcci�n. La Figura� lo muestra para la posici�n donde se aplica la carga m�s alta (X = 0)(Zottin & Lopez, 2000).

Figura 4: Perfil de presi�n hidrodin�mica axial, r�gido y caso EHL

 

Se identificaron los principales mecanismos de fricci�n como el conjunto del pist�n, incluidos los aros y la falda del pist�n, el sistema de tren de v�lvulas, el sistema de manivela y cojinetes para el (motores de cig�e�al) CSE y el generador el�ctrico lineal para el (motores de pist�n libre) FPE. Se estim� y discuti� la p�rdida por fricci�n de cada mecanismo de fricci�n (Jia et al., 2018). Se utiliz� un diagrama de Stribeck para simular la fricci�n del anillo del pist�n durante la lubricaci�n hidrodin�mica, la lubricaci�n mixta y la condici�n de contorno. Se observa que la tendencia cambiante de la fuerza de fricci�n del segmento de pist�n est� de acuerdo con la de la presi�n del cilindro. La fuerza de fricci�n del anillo del pist�n es m�nima durante el proceso de lubricaci�n hidrodin�mica a pesar de la alta velocidad del pist�n, mientras que una alta presi�n del cilindro reducir� el par�metro de trabajo, lo que llevar� la condici�n de lubricaci�n a la lubricaci�n mixta de la lubricaci�n hidrodin�mica. En la Figura 5 y 6 como resultado, se incrementar� tanto la carga que act�a sobre el segmento del pist�n como el coeficiente de fricci�n, lo que aumentar� significativamente la fuerza de fricci�n (Jia et al., 2018).

 

Figura 5: Viscosidad El par�metro de servicio y el valor absoluto de la fuerza de fricci�n del anillo del pist�n superior del FPE (Jia et al., 2018).

 

Figura 6: El desplazamiento del pist�n y el valor absoluto de la velocidad del pist�n del FPE (Jia et al., 2018).

 

Figura 7: El desplazamientomecanismo de fricci�n, y las p�rdidas por fricci�n en los mecanismos (Jia et al., 2018).

 

Se discuten los modelos de simulaci�n para cada mecanismo de fricci�n, y las p�rdidas por fricci�n se calculan y comparan en la figura 7. Se observa que la potencia indicada del motor del FPE es algo mayor que la del CSE, que tambi�n se puede encontrar a partir de la presi�n-desplazamiento. El FPE no muestra ventajas en la fuerza de fricci�n del segmento del pist�n sobre el CSE, y la p�rdida por fricci�n del segmento del pist�n es a�n mayor. Sin embargo, la eliminaci�n del sistema de cig�e�al reduce la p�rdida por fricci�n del FPE, y la p�rdida total por fricci�n del FPE es casi la mitad del CSE.Se encuentra que el FPE no muestra ventajas en la fuerza de fricci�n del anillo del pist�n sobre el CSE, y la p�rdida por fricci�n del anillo del pist�n es a�n mayor. Mientras que la eliminaci�n del sistema de cig�e�al reduce la p�rdida por fricci�n del FPE, y la p�rdida total por fricci�n del FPE es casi la mitad del CSE (Jia et al., 2018).

En suma, con el fin de mejorar la caracter�stica de lubricaci�n de los cojinetes principales de un motor diesel despu�s de mejorar su salida de potencia, se estableci� un modelo de an�lisis de lubricaci�n de los cojinetes. Las influencias de las diferentes tasas de equilibrio en el rendimiento de la lubricaci�n del cig�e�al se analizaron de acuerdo con las teor�as de la lubricaci�n elastohidrodin�mico (EHD) y la din�mica de los rodamientos. Los resultados muestran que la tasa de equilibrio del cig�e�al tiene una gran influencia en el rendimiento de lubricaci�n de los cojinetes principales. Los pesos de influencia del espesor m�nimo de la pel�cula de aceite, la presi�n m�xima de la pel�cula de aceite y la presi�n de contacto de aspereza m�xima son cercanos a los del juego radial, pero menores que los del ancho del rodamiento. Adem�s, la tasa de equilibrio tiene la mayor influencia en la p�rdida media por fricci�n. En comparaci�n con los factores de influencia del ancho del rodamiento, el juego radial y otros, el factor de influencia de la tasa de equilibrio del cig�e�al tambi�n debe considerarse durante la etapa de dise�o de lubricaci�n de los rodamientos principales cuando se intensifica la potencia del motor (Zhang et al., 2020).As� mismo, los cojinetes de deslizamiento de los motores di�sel de alto par se utilizan para atender cargas de combusti�n elevadas que se aplican de forma intermitente. El calentamiento por cizallamiento reduce la viscosidad del lubricante que, en �ltima instancia, reduce la capacidad de carga del cojinete de deslizamiento. Ofrece un contacto f�sico y reduce la vida �til del cig�e�al. Los resultados muestran que el aceite con alta viscosidad produce altas presiones hidrodin�micas en comparaci�n con el aceite que tiene baja viscosidad. La temperatura de cizallamiento viscoso reduce las presiones hidrodin�micas, pero a�n el aceite lubricante de alta viscosidad tiene presiones suficientes para elevar el eje despu�s de incorporar los efectos de calentamiento por cizallamiento. Este estudio determina la presi�n hidrodin�mica y la variaci�n de densidad, viscosidad y conductividad t�rmica con la temperatura para tres aceites lubricantes diferentes. Estos an�lisis facilitar�n la selecci�n del lubricante apropiado para motores di�sel de baja velocidad de alto par con el fin de mejorar la vida �til del cig�e�al (Naseer et al., 2018). Por otro lado, la lubricaci�n de un cojinete de biela y sus cojinetes principales adyacentes de un motor de gasolina de cuatro tiempos, en el que se introducen el criterio de Kirchoff y la ecuaci�n de Bernoulli para analizar el flujo de aceite en los conductos de aceite del cig�e�al y se construye un modelo de cavitaci�n para simular la cavitaci�n en los conductos de aceite. Los resultados muestran que considerar el flujo de aceite en el paso de aceite tiene efectos significativos en los resultados del an�lisis de la lubricaci�n en el cojinete de biela. Teniendo en cuenta el flujo de aceite en el paso de aceite, las condiciones l�mite de la lubricaci�n en el cojinete de la biela cambian, lo que lleva al aumento de la presi�n m�xima de la pel�cula de aceite, la disminuci�n del espesor m�nimo de la pel�cula de aceite y el aumento de la fuga final del flujo de aceite. y el pico de potencia de p�rdida por fricci�n. Por lo tanto, este an�lisis del flujo de aceite en los conductos de aceite tiene un significado importante para predecir la cavitaci�n en el conducto de aceite y el ajuste adecuado de las condiciones l�mite para la lubricaci�n del cojinete de biela (Pan et al., 2018).

Las caracter�sticas de desempe�o de los cojinetes principales del motor bajo cargas hidrodin�micas en un motor di�sel de seis cilindros en l�nea. Se analiza desde el comportamiento de los cojinetes principales del motor bajo carga din�mica. Como resultado la presi�n m�xima de la pel�cula de aceite Pmax en diferentes lambdas se muestran en las figuras 8, Los resultados muestran que el lubricante se ve afectado por lambda bajo compresi�n y la expansi�n viva. Como se indica en la figura 8, bajo las cargas din�micas, la presi�n m�xima de la pel�cula de aceite disminuye mientras que lambda aumenta. La temperatura afecta al m�ximo presi�n de la pel�cula de aceite y hace que disminuya(Hatami et al., 2020).

 

Figura 8: Comparaci�n de la presi�n m�xima de la pel�cula de aceite del cojinete principal en diferentes grados(Hatami et al., 2020).

 

Aditivos de aceite de motor gasolina

Mejorar el comportamiento tribol�gico utilizando un nano lubricante de grafeno (Gr) dise�ado para ahorrar energ�a y reducir las emisiones de escape en los motores de los autom�viles. Para esto se vincula las pruebas tribol�gicas con el rendimiento real del motor, el rendimiento del motor se evalu� utilizando un dinam�metro AVL seg�n el Nuevo ciclo de conducci�n europeo (NEDC). Los resultados tribol�gicos mostraron que la lubricaci�n a trav�s del nano lubricante Gr mejora las propiedades antifricci�n y anti-desgaste en un 29�35% y un 22�29%, respectivamente, durante el sistema de lubricaci�n l�mite. La lubricaci�n del motor con nano lubricante Gr revel� una reducci�n de la masa de combustible acumulada consumida en un 17% con la simulaci�n de carga en carretera durante la prueba NEDC. Adem�s, las emisiones de escape (CO, CO2, HC y NOx) se redujeron entre un 2,79 y un 5,42%, en comparaci�n con el aceite de referencia(Ali, Xianjun, et al., 2018). En el mismo sentido los motores econ�micos con alta eficiencia se logran aplicando las nanopart�culas h�bridas de Al2O3 / TiO2 como nano lubricantes. Las caracter�sticas de rendimiento del motor de gasolina se evaluaron experimentalmente utilizando un dinam�metro AVL en diferentes condiciones de funcionamiento, los resultados mostraron que el uso de nano lubricantes Al2O3 / TiO2 aumenta la potencia de frenado, el par y la eficiencia mec�nica, mientras que el consumo de combustible espec�fico del freno (BSFC) se redujo debido a que la eficiencia mec�nica del motor mejor� en un 1,7-2,5%, en comparaci�n con el aceite sin nanopart�culas (Ali, Fuming, et al., 2018).

La degradaci�n t�rmica de los aceites lubricantes se realiz� utilizando un analizador t�rmico simult�neo (TGA / DTG / DSC). Los resultados de TGA mostraron que la temperatura de inicio de oxidaci�n y la temperatura de quemado de los nano lubricantes h�bridos Al2O3 / TiO2 podr�an retrasarse 54,9 � C y 38,7 � C, respectivamente, en comparaci�n con el aceite de referencia (5W-30). Los nano lubricantes Al2O3 / TiO2 presentaron una mejora de las caracter�sticas de transporte de calor y la eficiencia t�rmica del freno en un 9�14% y un 3,9�8,6%, respectivamente, en comparaci�n con el aceite de referencia como se presenta en la figura 9 y 10. Por lo tanto, la alta estabilidad t�rmica de los nano lubricantes Al2O3 / TiO2 permite su uso en un amplio rango de temperaturas con una mayor econom�a de combustible, optimizar los intervalos de cambio de aceite lubricante y reducir los costos de mantenimiento en los veh�culos (Ali & Xianjun, 2020).

 

Figura 9: Comportamiento del par motor durante NEDC utilizando nano lubricantes y aceite lubricante (5W-30)

 

Figura 10: Consumo de combustible frente a la velocidad del veh�culo tanto para el aceite lubricante (5W-30) como para Al2O3 / TiO2

 

Aditivos de aceite de motor di�sel

El mecanismo anti-desgaste para aceite de motor di�sel de los compuestos nano-La (OH) 3 / RGO se estudi� simult�neamente compar�ndolo con el comportamiento tribol�gico del �xido de grafeno y las part�culas puras nano-La (OH) 3. Los resultados indican que los compuestos nano-La (OH) 3 / RGO pueden mejorar notablemente el rendimiento anti-desgaste del aceite de motor di�sel en condiciones de lubricaci�n l�mite. En particular, el rendimiento anti desgaste del aceite de motor di�sel aument� en un 44% despu�s de agregar compuestos al 0,1% en peso a una temperatura de 80 � C y una presi�n de contacto de 1,62 GPacomo se aprecia en la figura 11 (Wu et al., 2020). As� mismo se requieren nuevos aditivos antifricci�n y anti-desgaste mejorados para mejorar el ahorro de combustible y reducir la emisi�n de gases de efecto invernadero. La inclusi�n de nanopart�culas conocidas como lubricantes s�lidos en los motores de combusti�n interna (fullerenos inorg�nicos MoS2 y WS2). El nano-lubricante permiti� demostrar en el Nuevo Ciclo de Conducci�n Europeo (NEDC) una reducci�n del 0,9% del consumo de combustible con respecto al lubricante de referencia SAE 5 W30 (Sgroi et al., 2017). Adem�s, la eficiencia de estimulaci�n de emisiones del DOC y DPF reduce los gases y contaminantes s�lidos obtenidos con el aceite aditivado con MoS2 a niveles equivalentes a los alcanzados con el aceite de referencia. Una prueba de resistencia de 100 h (equivalente a 10.000 km) demostr� la estabilidad del sistema catal�tico y la idoneidad de los catalizadores comerciales de postratamiento para hacer frente a las modificaciones de las emisiones inducidas por la inclusi�n de nano aditivos en la matriz del aceite (Castillo Marcano et al., 2014). Por otro lado, la viscosidad y densidad de los nano lubricantes resultantes se determinaron variando tanto la fracci�n de volumen de nanopart�culas como la temperatura. se evalu� experimentalmente el rendimiento de un motor di�sel de 4 tiempos al agregar nanopart�culas de Al2O3 o SiO2 al aceite del motor (SAE15W40). Se evalu� el rendimiento de estos nano lubricantes en un banco de pruebas de motor di�sel de 4 tiempos y se observaron las mayores mejoras en el comportamiento tribol�gico y el rendimiento del motor al emplear 0,3% en volumen de Al2O3 y un BSFC m�s bajo.(Kotia et al., 2018).

 

Figura 11: Comparaci�n del rendimiento tribol�gico GO, nano-La (OH) 3 y nano-La (OH) 3 / RGO (Wu et al., 2020).

 

Componentes del motor y sus actuales aditivos

Para comenzar, los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) son materiales de carbono amorfo que exhiben propiedades t�picas del diamante, como dureza y bajo coeficiente de fricci�n. Este revestimiento se puede aplicar al componente del motor de un autom�vil en un intento de proporcionar eficiencia energ�tica al reducir la fricci�n y el desgaste. Entre las propiedades tribol�gicas y mec�nicas de las pel�culas DLC, est� la adhesi�n, generalmente las pel�culas DLC enfrentan dificultades con la adhesi�n, debido a la alta tensi�n de compresi�n interna, que acompa�a al crecimiento de las pel�culas. Ahora, recubrimientos DLC dopado con tungsteno y el molibdeno, estos elementos com�nmente son usados para recubrir piezas de motores de autom�viles para mejorar la estabilidad t�rmica. Seg�n un estudio de comportamiento tribol�gico de DLC-W en Aluminio que se ha llevado a cabo en condiciones lubricadas mostro un coeficiente de fricci�n bajo y una tasa de desgaste de 0.51𝑥10−5𝑚𝑚3/𝑁𝑚, que se debi� a la presencia de disulfuro de tungsteno. En la pel�cula DLC se implementan diferentes nanopart�culas de forma controlada ya que esto es de gran importancia. Es por eso por lo que los DLC tiene que estar dopados de elementos met�licos como Si para que una mejor adhesi�n y una baja fricci�n entre los elementos mec�nicos. Pero como avanza las investigaciones es recomendable usar un dopaje con nanopart�culas en las pel�culas de DLC con tri�xido de tungsteno que este nos da una mejor adherencia, entre la pel�cula y sustrato met�lico, y tambi�n nos ayuda a tener un bajo �ndice de fricci�n por lo que el aguante en los elementos mec�nicos es mucho mayor (Olaitan Kolawole et al., 2020).

Adicionalmente, se mide la potencia de fricci�n del motor en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. Se agreg� un accionamiento auxiliar hidrost�tico a un banco de pruebas convencional con algunas modificaciones en el uso de los instrumentos de medici�n. Se llevaron a cabo dos series de pruebas de motor: Aceite de referencia API SE, SAE 20W-50; y Aceite de referencia con coloides de PTFE aditivo para aceite de motor (politetrafluoroetileno). Se muestra que en determinadas condiciones de funcionamiento se puede lograr una reducci�n de hasta un 4 por ciento en el consumo espec�fico de combustible (Gutman & Stotter, 1985). Se habla de una reducci�n del coeficiente de fricci�n en un 47,61% bajo el r�gimen de lubricaci�n l�mite cuando se utilizan nano lubricantes h�bridos Al2O3 / TiO2 en comparaci�n con el aceite de motor sin nanopart�culas. Adem�s, la reducci�n de COF de nano-MoS2-ZDDP sin ninguno fue del 35,3% en comparaci�n con el aceite de parafina, mientras que fue solo del 12,2% cuando se a�adi� 3% en peso (Olaitan Kolawole et al., 2020). En otro estudio se observ� una gran reducci�n de la fricci�n para el aceite de motor con 0.5% en peso y 2% en peso de MLG-Cu como 33% y 43%, respectivamente debido a que las nanopart�culas de cobre act�an como elementos espaciadores entre las tribocapas formadas por grafema y en consecuencia formando una tribo-capa m�s gruesa que los reg�menes de lubricaci�n mixta y l�mite (Ram�n-Raygoza et al., 2016). Tambi�n informaron las reducciones de desgaste del aceite de motor agregado con MLG en 0.5% en peso y 2% en peso, aproximadamente 20% y 30%, respectivamente. Indicaron que el aumento de la concentraci�n de MLG reduce el desgaste debido a la mayor cantidad de nanopart�culas tribo-sinterizadas que protegen la superficie de desgaste. Adem�s se describi� el efecto de la velocidad de corte en la disminuci�n de la viscosidad, cuando la velocidad de corte aumenta las nanopart�culas y var�an su posici�n en la direcci�n de corte y aumenta la velocidad de corte (Ram�n-Raygoza et al., 2016; Hatami et al., 2020).

Se estudia nano lubricantes a�adidos con grafeno multicapa (MLG), grafeno multicapa impregnado con cobre (MLG-Cu) y grafeno multicapa impregnado con poli anilina (MLG-PANI) para aplicaciones en motores de automoci�n. Estos nano fluidos se prepararon utilizando aceite de motor comercial (SAE 25 W-50) como fluido base. Las propiedades tribol�gicas se midieron a 100 � C y se encontraron reducciones significativas en el coeficiente de fricci�n y desgaste. Las concentraciones utilizadas fueron 0,5% y 2% en peso, obteniendo reducciones en el coeficiente de fricci�n y desgaste de hasta 43% y 63%, respectivamente, en el caso de aceite de motor con grafeno impregnado de cobre como se aprecia en la figura 12. Todas las formulaciones de MLG, MLG-Cu y MLG-PANI no mostraron sedimentaci�n cuando se dispersaron en aceite de motor(Ram�n-Raygoza et al., 2016).

 

 

Figura 12: Coeficiente de fricci�n promedio de pruebas de deslizamiento con un nivel de confianza (Cl) del 95% en funci�n del tipo nano aditivo(Ram�n-Raygoza et al., 2016).

 

Por otro lado, se est�n desarrollando aditivos para mejorar las propiedades de desgaste de los componentes del motor, la eficiencia del combustible y para reducir las emisiones de carbono de los autom�viles y veh�culos comerciales al reducir la fricci�n, existe una necesidad cada vez mayor de mostrar la contribuci�n de los aditivos lubricantes a la industria del autom�vil, el consumidor y el impacto en el medio ambiente (Tonk, 2021). As� mismo los nano fluidos son la nanotecnolog�a m�s utilizable en motores para mejorar su eficiencia.Se intenta encontrar aditivos de nanopart�culas adecuados para obtener los m�ximos beneficiosdesde aspectos tribol�gicos y de eficiencia t�rmica. Entonces, los efectos del tipo de nanopart�culas sobre tribol�gicas, t�rmicas y las propiedades reol�gicas de los nanos lubricantes se realizan para introducir las nanopart�culas m�s eficientes enestas aplicaciones. Como resultado principal, se introdujeron los nano fluidos de TiO2 y Al2O3-SAE40 como los m�s eficientes nano-lubricantes debido a una reducci�n m�xima del 86% en el coeficiente de fricci�n (COF), reducci�n del desgaste del 29% y reducci�n del 51% de las p�rdidas de potencia por fricci�n, mientras que Gr tuvo las mejores reducciones de BSFC (17%) y emisiones (5,42%), as� que usandonanopart�culas h�bridas (como Al2O3-Gr) (Hatami et al., 2020).

Las nanopart�culas de �xido junto con el aditivo representativo (dialquil ditiofosfato de zinc, ZDDP) en el aceite de motor formulado. Los resultados revelaron bien que la adici�n de nanopart�culas de �xido proporcion� la lubricidad mejorada del aceite de motor y una resistencia significativa al desgaste. La nanopart�cula de Al2O3 proporcion� espec�ficamente una capacidad tribol�gica superior en comparaci�n con otras nanopart�culas. Adem�s, los diferenciales de mecanismo de uso, pel�cula lubricante y jerarqu�a de interfaz se aclararon mediante la observaci�n morfol�gica y la caracterizaci�n composicional (Ma, 2021).

La creciente demanda de aceite de motor de baja viscosidad es necesario analizarse la influencia de los aditivos modernos como el �cido ciclopropanocarbox�lico (CPCa) y las nanopart�culas de Ni sobre el rendimiento tribol�gico del ZDDP para la aplicaci�n pr�ctica de aceites comerciales. Seg�n los resultados experimentales, las nanopart�culas de Ni formaron una pel�cula protectora que exhibi� un efecto sin�rgico con ZDDP. Se detect� una concentraci�n significativamente mayor de azufre en la capa lubricante en comparaci�n con el ZDDP por s� mismo, que fue responsable de una p�rdida por desgaste un 27,6% menor. Mientras tanto, un efecto competitivo entre CPCa y ZDDP result� en un aumento dram�tico en la fricci�n y un desempe�o antidesgaste inestable. Esto sugiere adem�s un nuevo enfoque para aumentar la eficiencia del rendimiento tribol�gico de ZDDP en los procesos de arranque en fr�o(Huynh et al., 2021).

 

Conclusiones y recomendaciones

En este art�culo presentamos las aplicaciones, las pruebas, los problemas de fricci�n y desgaste impactan en la eficiencia energ�tica de los motores, por lo tanto, es un desarrollo importante del lubricante base y sus aditivos, para ahorrar energ�a y sus desarrollos futuros.

Existe diferentes par�metros objetivos, equilibrando la energ�a, el dise�o y costo del sistema lubricantederivado de las perdidas por fricci�n donde la creciente demanda de aceite de motor mejorado con la influencia de los aditivos modernos como �cidos y las nanopart�culas est�n mostrando sus frutos para la aplicaci�n pr�ctica de aceites comerciales en relaci�n con el consumo de combustible de los veh�culos.

Los aditivos lubricantes que se aplican m�s ampliamente en combinaci�n con diferentes aceites b�sicos incluyen modificadores de la fricci�n, aditivos antidesgastey aditivos de extrema presi�n donde es necesario el estudio de las influencias de la lubricaci�n del cig�e�al, el pist�n y zonas de m�ximo desgaste, a trav�s de las teor�as de la lubricaci�n elastohidrodin�mico y la din�mica de los rodamientos. Donde se dice que el espesor m�nimo de la pel�cula de aceite, la presi�n m�xima de la pel�cula de aceite y la presi�n de contacto de aspereza m�xima son cercanos a los del juego radial, pero menores que los del ancho del rodamiento y se debe cuidarse cuando se intensifica la potencia del motor.

 

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