Los sistemas modernos de tratamiento de gases de escape en el contexto de los cambios en las propiedades del lubricante del motor. Los filtros de partículas diesel y su impacto en la degradación del lubricante del motor
Resulta obvio para todo el que esté familiarizado con los principios de los motores de combustión interna que un mal funcionamiento del motor, así como de los sensores y actuadores que complementan su labor, puede acabar provocando fallos en los sistemas de tratamiento de gases de escape. Hay muchos ejemplos de tales fallos y mal funcionamientos en el sistema de gestión del motor. Los fallos más destacados se producen por los desgastes mecánicos (incluido el consumo de lubricante), por problemas en el sistema de inyección (por ejemplo, por inyectores defectuosos, codificados de forma incorrecta o que superen los niveles de tolerancia), por turbocompresores defectuosos (con una configuración incorrecta en el actuador de la válvula de descarga, un VNG de geometría variable), por el mal funcionamiento del caudalímetro o el sensor de presión de refuerzo, por conexiones eléctricas defectuosas, etc.
¿Y si ahora considerásemos que también podríamos estar en lo cierto si le damos la vuelta a esta afirmación? ¿Es posible que los problemas en los sistemas de tratamiento de gases de escape puedan ser los que provoquen fallos en el motor? En caso de fallos en los sistemas de tratamiento de gases de escape, ¿podría ser el lubricante del motor el que provoque, en condiciones extremas, el fallo del motor?
Dado que la respuesta no es tan obvia, vamos a proponer nuestra respuesta a dicha pregunta planteando lo siguiente:
Para familiarizarse con los conceptos básicos, recomendamos completar el curso de formación sobre lubricación y lubricantes que se encuentra disponible en la plataforma gratuita de aprendizaje online de Castrol: "Learning Campus":
https://thelearningcampus.bp.com/uxp/login
En caso de conocer ya los conceptos básicos de tribología y lubricación de mecanismos, podemos pasar a la siguiente parte de este artículo, ya que aquí solo vamos a recordar los conceptos necesarios.
En los cursos de formación de Castrol para socios comerciales hay una parte sustancial dedicada a los lubricantes de motor de los vehículos. En ellos se aprende que las funciones básicas de un lubricante consisten en reducir la fricción y el desgaste, pero también ha de realizar muchas otras (por ejemplo, proteger las superficies contra el desgaste y la corrosión, enfriar el motor, evitar la acumulación de contaminantes y mantenerlos suspendidos en el lubricante, mantener las superficies limpias, sellar la cámara de combustión, etc.).
Por lo tanto, hay que tener presente la importancia de que el lubricante de motor realice múltiples funciones con el objetivo de que el motor pueda funcionar de manera eficiente durante mucho tiempo, sin producir daños a sí mismo y sin causar efectos nocivos para el medio ambiente.
Las diversas funciones del lubricante de motor están relacionadas con los componentes individuales que lo conforman.
Por ejemplo, mantener limpios los componentes del motor (especialmente pistones y segmentos) y los contaminantes suspendidos en el lubricante (principalmente óxidos, barnices y partículas sólidas) son funciones de aditivos como los detergentes y dispersantes.
Además, el uso de polímeros como los modificadores de la viscosidad puede mantener la fluidez del lubricante deseada y apropiada para la aplicación. Así se garantiza una lubricación eficaz de los componentes del motor en todas las posibles temperaturas externas e internas en las que debe funcionar el motor.
Estos polímeros ralentizan la disminución de la viscosidad del lubricante a altas temperaturas. Además, pueden bajar el punto de fluidez a bajas temperaturas. Este comportamiento justifica el nombre de Mejoradores del índice de viscosidad (VII).
Con el tiempo, la tecnología de ingeniería de motores ha experimentado una gran evolución. A día de hoy, lo que queremos es que los motores sean más eficientes, más potentes, más pequeños y menos contaminantes, todo ello de una tacada. Ahora analizaremos brevemente las complicaciones a las que se van a enfrentar los lubricantes de motor con la llegada de unos sistemas más avanzados de tratamiento de gases de escape.
En resumen, ya no basta con que el lubricante cumpla con las funciones enumeradas al comienzo del artículo (las relacionadas únicamente con el correcto funcionamiento del motor), sino que también tiene que hacerlo con otras nuevas que obedecen al correcto funcionamiento de los sistemas de tratamiento de gases de escape.
Así pues, hoy hablamos del lubricante de motor describiendo características tales como el contenido de ceniza sulfatada, fósforo y azufre (SAPS)
Ciertos aditivos, como los compuestos de fósforo y azufre, son muy útiles para mejorar el rendimiento de los lubricantes clásicos (propiedades antidesgaste, resistencia a la oxidación, características que ayudan a mantener limpio el motor). Sin embargo, una alta concentración de estos aditivos puede contaminar y dañar el catalizador, provocando la acumulación de SAPS en el filtro de partículas del motor.
La ceniza sulfatada es el resultado de la combustión del lubricante de motor (sobre todo por la presencia de aditivos y detergentes antidesgaste en los componentes del lubricante). Dado que los depósitos de cenizas sulfatadas no son combustibles, no se pueden eliminar en el proceso de regeneración del filtro de partículas diésel. Esto provoca que las cenizas se acumulen en el filtro de partículas diésel y reduzcan su eficiencia hasta taponarlo por completo.
Por lo tanto, ya podemos sacar la primera conclusión práctica: ¡¡¡No hay que añadir ningún aditivo al lubricante, bajo ningún concepto y por mucho que los elogien sus fabricantes!!!
Si estos productos se fabrican con compuestos metálicos o que generen cenizas después de la combustión, es cierto que pueden tener un efecto positivo en algunas de las funciones básicas del lubricante del motor (como una mayor limpieza del motor), pero también pueden dañar de forma irreversible el sistema de tratamiento de gases de escape.
Al utilizar un lubricante en el motor (el intervalo entre cambios del lubricante), el lubricante se contaminará con múltiples sustancias como combustible, partículas procedentes del desgaste de piezas metálicas, óxidos, ácidos, agua, etc.
Estos contaminantes provocan cambios físicos y químicos en el lubricante, llevando a la pérdida del índice de viscosidad o a la degradación térmica. Si los cambios son de suficiente consideración, hay un riesgo de degradación térmica o de viscosidad del lubricante. Esta es una causa de problemas en el rendimiento del motor que pueden acabar derivando en graves consecuencias como el fallo catastrófico del motor.
"La descomposición de la viscosidad" es un fenómeno generado sobre todo por la dilución del lubricante de motor con el combustible, o porque en el sistema de lubricación aparecen puntos que cortan la película del lubricante. Al mismo tiempo, los polímeros modificadores de la viscosidad (en los que se rompen los principales enlaces entre las moléculas) sufren dificultades para mantener un alto índice de viscosidad.
La pérdida de viscosidad provoca que la película del lubricante formada entre las dos superficies móviles contiguas sea más delgada. De esta forma, no podrá soportar tanta tensión como lo haría un lubricante sin pérdida de viscosidad. Todo ello puede derivar en un mayor desgaste del motor, especialmente en los cojinetes lisos del cigüeñal y en los segmentos del pistón.
Fig 1. Posibles efectos de la pérdida de viscosidad en los cojinetes del cigüeñal
Básicamente, la degradación térmica es un cambio en las propiedades del lubricante del motor debido al calor excesivo o a una exposición prolongada al calor. Esto reduce mucho la capacidad del lubricante de mantener una película protectora de lubricante, lo conduce a su degradación. Al proceso también contribuye mucho la presencia de impurezas en el lubricante.
El fenómeno de la degradación térmica y sus efectos se abordarán con más detalle en el siguiente artículo.
Filtro de partículas y pérdida de viscosidad (Descomposición de viscosidad)
Desde la aprobación de las normas Euro 4, cada vez es más complicado el tratamiento de los gases de escape. Al convertidor catalítico ya presente, se añadió también un filtro de partículas (PF). El filtro de partículas se suele abreviar como PF (por “particulate filter”, en inglés), pero sus nombres más comunes son DPF (filtro de partículas diésel) y GPF (filtro de partículas de gasolina). La siguiente sección cubre sobre todo el DPF, debido a su popularidad, pero los procesos analizados son los mismos para los motores de diésel y de gasolina.
El DPF/GPF tiene el papel inicial de retener las partículas de los gases de escape. Así se evita que se liberen a la atmósfera y la contaminen. Mientras el motor está funcionando, los gases prácticamente atraviesan la pared cerámica del filtro, mientras que el hollín se acumula en él.
Esta regeneración es en realidad una combustión controlada de partículas acumuladas de hollín (ricas en carbono).
¿Cómo se inicia la combustión? El aumento de temperatura del filtro de partículas se controla con precisión (utilizando al menos dos sensores de temperatura colocados antes y después del filtro). Básicamente, para elevar la temperatura, el sistema utiliza lo que tiene a mano. Es decir, el combustible.
Hay sistemas que cuentan con un inyector adicional. Este dispensa una cantidad controlada de combustible directamente al sistema de escape antes del filtro de partículas diésel. Quemar este combustible aumenta la temperatura y regenera el filtro.
Fig 3.Ejemplo de un sistema de escape con un inyector adicional para la regeneración del filtro de partículas
- Inyector (para la regeneración del DPF)
- Catalizador primario
- Sensor de presión en la salida del catalizador primario
- Sensor de temperatura de entrada del DPF
- Convertidor catalítico secundario (en la misma carcasa que el DPF)
- Sensor de presión antes del filtro de partículas
- Filtro de partículas
- Sensor de temperatura de salida del DPF
- Sensor de presión de salida del DPF
Fig 4a. Ejemplo de inyector utilizado para regenerar el DPF: Renault
Fig 4b. Ejemplo de inyector utilizado para regenerar el DPF: Toyota
Fig 5. Sección en el sistema de escape (ejemplo: Mercedes). Conocido como "filtro de partículas diésel o DPF" en su condición de pieza de repuesto, se trata de una estructura que consta de un cuerpo cerámico y un convertidor catalítico (alrededor de 1/3 de su tamaño) y del propio filtro de partículas diésel (alrededor de 2/3 de su tamaño).
Figura 6. La señal de control (en corriente y tensión) de un inyector piezoeléctrico, captada con un osciloscopio Bosch FSA. La captura se ha llevado a cabo en un vehículo Mercedes-Benz E 320 CDI, motor OM 642.920, durante el proceso de regeneración del filtro (proceso iniciado con el comprobador de diagnóstico Bosch KTS).
En la figura 6, el inyector se abre (y se cierra) cuatro veces durante el ciclo de ralentí del motor. Esto permite que una cantidad de combustible perfectamente controlada se introduzca en la cámara de combustión a alta presión.
Las tres primeras señales (dos de preinyección y de inyección principal) representan la "porción de diésel" que recibe un cilindro determinado, para garantizar una combustión de combustible adecuada y que se lleve a cabo el funcionamiento previsto del motor. La última señal resaltada, llamada postinyección, ilustra la parte del diésel que no contribuye al par del motor. Solo se utiliza para el quemado del filtro de partículas diésel. Esta última inyección, que se produce con retraso, no se produce hasta que la ECU haya iniciado el proceso de regeneración del filtro de partículas diésel.
El combustible que se envía a la cámara de combustión durante la postinyección saldrá de la cámara de combustión al abrirse la válvula de escape. De esta forma, llegará al colector de escape, y luego al catalizador y el filtro de partículas diésel, propiciando la limpieza o quema de hollín en este último.
Desafortunadamente, parte del combustible inyectado termina en los segmentos del pistón, fluyendo por la camisa del cilindro y acabando por mezclarse con el lubricante del motor. Esto provoca que el lubricante del motor se diluya con el combustible. ¡¡¡Esto es inevitable, por culpa de la fabricación y el funcionamiento del sistema, siendo además la mayor desventaja del mismo!!!
El uso prolongado del vehículo en tráfico urbano, el uso de combustible con demasiado biocombustible, o el funcionamiento con averías en el sistema de recirculación de gases de escape o en los sensores y actuadores que gestionan el funcionamiento del motor… Estas son solo algunas de las condiciones de funcionamiento que pueden dar lugar a situaciones en las que la regeneración del filtro puede no llevarse a cabo correctamente. Como resultado, la ECU llevará a cabo la regeneración del DPF con mucha frecuencia, aumentando rápidamente la dilución del lubricante con combustible.
Por lo tanto, se puede producir una degradación en la viscosidad del lubricante del motor. Esto puede ocurrir incluso después de un cambio de aceite reciente, en caso de que los sistemas de gestión del motor y de tratamiento de gases de escape no funcionen correctamente. Hacer funcionar un vehículo con un filtro DPF en el que se hayan acumulado grandes cantidades de ceniza sulfatada, azufre y fósforo, conlleva muchísimo riesgo. Puede provocar que el procedimiento de postcombustión se active con mucha frecuencia, lo que provocará que el lubricante se diluya rápidamente con el combustible. Si no se reemplaza el filtro DPF en esta situación, habrá un deterioro cada vez mayor en el rendimiento del lubricante del motor, con todas sus consecuencias.
¿Qué es conveniente recordar aquí?
Los sistemas de tratamiento de gases de escape, como el DPF, deben mantenerse en perfectas condiciones técnicas. Un fallo en este tipo de sistema puede provocar una rápida dilución del lubricante del motor con el combustible, la pérdida de viscosidad y, en las peores condiciones, algún fallo grave del motor.
Antes de cambiar el aceite, se recomienda diagnosticar el sistema (leyendo los códigos de error que se hayan podido registrar) y evaluar el nivel de llenado del filtro de partículas diésel.
Se puede dar la posibilidad de que el filtro de partículas diésel se llene en un 95% con partículas de hollín y cenizas, lo que provocará que la ECU active la regeneración del filtro de partículas justo después de un cambio de aceite. Si el lubricante del motor se cambia en ese caso, tan pronto después del mantenimiento, el proceso de regeneración tendrá lugar y el lubricante del motor se diluirá parcialmente con el combustible.
En cuanto a los sistemas que emplean una inyección secundaria, es conveniente iniciar el procedimiento de regeneración del filtro con un comprobador de diagnóstico antes de sustituir el lubricante. Esto hará que pase el mayor tiempo posible hasta que ocurra el primer proceso de regeneración espontánea y, por lo tanto, ¡el riesgo de que se diluya el lubricante con el combustible será menor!
Para asegurarse de que el lubricante de motor utilizado tenga unas propiedades y un rendimiento óptimos (incluidos un paquete de aditivos específico que proteja el motor y el sistema de tratamiento con el que funcionará), es importante seleccionar el lubricante adecuado para su vehículo en la página web de Castrol:
