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15 Jul,2019

Technical Tip / TT#43

Los nuevos diseños de motores para vehículos livianos nafteros, apuntan a mejorar los consumos de combustible y reducir las emisiones contaminantes. El concepto se denomina downsizing, es decir crear motores más pequeños o de menor cilindrada, mientras se aumenta la potencia y el rendimiento a un menor consumo específico.

Entre otras, existen dos tecnologías clave que incorporan estos motores: los turbocompresores y la inyección directa de nafta en cámara de combustión. El turbo permite levantar las presiones de funcionamiento mejorando así la carga en el cilindro, mientras que la inyección directa permite trabajar con mezclas estratificadas pobres (exceso de aire y combustión más completa), lo cual venía siendo hasta ahora una cualidad única de los diesel. La eficiencia lograda es superior a la que obtienen los motores simplemente aspirados con inyección indirecta detrás de la válvula de admisión, sin embargo incluye un nuevo desafío a superar, el fenómeno denominado LSPI (Low Speed Pre-Ignition, o preignición de baja velocidad). 

¿Qué es LSPI? 

El LSPI es un fenómeno de detonaciones aleatorias en los cilindros del motor, que ocurre en condiciones de bajas rpm (<2500) y alta carga o torque. Las detonaciones implican que el combustible es inflamado a destiempo, previo a la chispa de la bujía, y que una parte de la inyección no es quemada en un frente estable de llama sino de forma violenta. Dependiendo de las dimensiones de la detonación, las consecuencias van desde un fuerte golpeteo perceptible por el conductor, hasta una falla catastrófica. Es importante remarcar que hay una ventana de funcionamiento de baja velocidad y alta carga donde el LSPI es esperable, fuera de ese marco el fenómeno es altamente improbable. A su vez, en esa ventana, los eventos de detonación aparecen de forma aleatoria y son de baja repetitividad en laboratorio. Es decir, los estudios de laboratorio permiten generar estas detonaciones entrando en la zona de LSPI, pero es prácticamente imposible repetir el mismo número e intensidad de eventos en cada ciclo y en los mismos cilindros del motor. Se sabe que luego de un evento de LSPI sigue un ciclo sin detonaciones, estos vienen siempre en pares, luego al tercer ciclo es posible que haya una nueva detonación o que el motor siga funcionando normalmente, si hubo detonación será luego seguida de un nuevo ciclo normal. Existen actualmente dos normas o especificaciones al respecto, por un lado ILSAC GF-6 ensayado en un motor Ford EcoBoost 2.0L, y Dexos 1 Generación 2 ensayado en un motor GM Ecotec 2.0L. Las mismas tienen en cuenta los promedios de ocurrencia de eventos o detonaciones según lo recién comentado sobre la naturaleza estocástica de las mismas.

¿Cómo impacta el lubricante en el LSPI? 

El fenómeno de LSPI es complejo y sus causas incluyen muchas variables aún bajo estudio, es por esto que es tan difícil lograr repetitividad en laboratorio. Se han puesto muchos esfuerzos en tratar de entender la mecánica del desarrollo de los LSPI, y se ha puesto un especial foco en el lubricante dado que es una de las variables importantes a la hora de reducir la frecuencia de detonaciones. 

Los últimos estudios muestran que la viscosidad del lubricante nuevo no es un factor principal que afecte el LSPI, no se han podido trazar tendencias claras de aumento de eventos al usar distintos lubricantes como 0W-20, 0W-30, 0W-40, 5W-20, 5W-30 o 5W-40. Sin embargo, sí se pudo trazar una relación clara entre la dilución con nafta en el aceite, versus cantidad de ocurrencias de LSPI. Los nuevos motores de inyección directa pueden llegar fácilmente a diluciones de combustible en el cárter del 6%, reduciendo notablemente el punto de inflamación del aceite, y levantando la cantidad de LSPI. La recirculación de vapores del cárter a cámara de combustión, o el mismo aceite proveniente del sistema aros-pistón-cilindro, hacen que pequeñas gotas de aceite altamente inflamables por la dilución con nafta puedan causar la preignición de la mezcla. Posiblemente la dilución mencionada sea suficiente para eliminar cualquier efecto en diferencia de viscosidad, pensando que un aceite de mayor viscosidad pueda resistir mejor la detonación, cosa que como vimos no se cumple. El tipo de bases lubricantes podría también tener un efecto aparentemente secundario. 

Los aditivos del aceite son otro de los factores a considerar. El calcio es un clásico y efectivo elemento de los paquetes de aditivos detergentes, aunque ha demostrado aumentos en los LSPI. Es por eso que nuevas tecnologías buscan reemplazar calcio por aditivos de magnesio, como una forma de mantener la detergencia y levantar el TBN (Número Total Básico: reserva alcalina que permite neutralizar ácidos), con un mínimo impacto en la frecuencia de LSPI. 

Es importante mencionar que dadas las nuevas legislaciones y los objetivos medioambientales vigentes, difícilmente podamos evitar trabajar en la ventana de probables LSPI, es decir bajas rpm y altas cargas. Como dijimos inicialmente los turbocompresores e inyección directa de nafta, son tecnologías clave y necesarias en los nuevos motores nafteros de diseño eficiente. Lo que sí es factible es trabajar para mitigar la frecuencia e intensidad de los LSPI, y es justamente lo que se está haciendo progresivamente en el desarrollo de nuevos Shell Helix Ultra y Shell Helix HX8. Como vimos los lubricantes jugarán un papel importante en este desafío, incorporando nuevos aditivos que reduzcan las ocurrencias de LSPI. Aún queda mucho camino por estudiar para tener un completo entendimiento del fenómeno LSPI, que seguramente sea motivo de próximas discusiones. 

Bernardo Seguí 

Asesor Técnico – Shell Lubricantes

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