El Desarrollo de los Aceites para Motores a Diesel

Los aceites de última generación que proveen la máxima protección para los motores a diesel llevan la clasificación CI-4 en la donut autorizada por el API (American Petroleum Institute). Notamos el CJ-4 en un cuadro abajo.

En total la categoría CI-4 incluye oficialmente 8 pruebas en motores y 7 en bancos de prueba. Dentro de las pruebas nuevas son pruebas de compatibilidad con los retenes y bombeabilidad en temperaturas bajas con un contenido de 5% de hollín.

Para entender la necesidad de esta clasificación, veremos el desarrollo hasta la fecha de las clasificaciones API para mejorar el nivel de protección del aceite para diesel.

API CD: (obsoleto) Sin normas de emisiones, existía una sola prueba en motores para ver los depósitos en los pistones y corrosión de cojinetes.

API CE: (obsoleto) En 1988 empezaron a controlar emisiones de contaminantes por el escape. Uno de los contaminantes más dañinos para el medio ambiente fue la quema de aceite de motor. La clasificación CE incluía pruebas de consumo de aceite con límites del mismo. Para pasar estos límites se tenía que mejorar la calidad y usar aceites multigrados, lo cual bajó el consumo de aceite 30% y básicamente acabó con el uso de aceites monogrados.

API CF: (obsoleto) La prueba de depósitos en los pistones fue reducida a 120 horas y nuevos límites establecidos.

API CF-4: (obsoleto) Para bajar el consumo de diesel, los fabricantes empezaron a utilizar inyección directa para el combustible. Esto, combinado con otra reducción en emisiones causó la introducción de CF-4 y la implementación de las pruebas en motores CATERPILLAR® DI 1K.

API CG-4: (obsoleto) Cambios en los diseños de motores para reducir las emisiones habían causado quiebras catastróficas del tren de válvulas, los cojinetes y otras piezas por el exceso de hollín creado. Al mismo tiempo se aumentó la velocidad de circulación del aceite para presurizar los inyectores independiente de la velocidad del motor. Esto resultó en una circulación de 7 veces por minuto del total del volumen de aceite del cárter en algunos motores. Para evitar problemas de espuma se tenía que mejorar el control de espuma en el aceite, necesitando nuevas pruebas para espuma, desgaste de tren de válvulas en 5% de hollín, control de viscosidad con 5% de hollín, y depósitos en pistones de aluminio. Las pruebas introducidas fueron:

  • INTERNATIONAL HEUI 7.3 LITER: Prueba para espuma en motores a diesel con un límite de 10%.
  • GM 6.5 LITER: Prueba de desgaste de tren de válvulas con 5% de hollín.
  • MACK T-8: Prueba de control de viscosidad con 3.8% de hollín.
  • CATERPILLAR® 1N: Prueba para control de depósitos en pistones de aluminio.

API CH-4:
  • En 1998 para reducir las emisiones se atrasó la inyección de combustible a los cilindros. Mientras esto está bien para el medio ambiente, aumenta el área del cilindro expuesto al hollín, aumentando la cantidad de hollín que llega al aceite.
  • Al mismo tiempo se empezó a colocar el anillo superior más cerca de la cima del pistón para dejar menos espacio donde crear residuos, pero esto arrastra más residuos al aceite.
  • También se había notado que por la reducción en merma, se había reducido las emisiones pero también se había reducido la adición de aceite nuevo que traía nuevos aditivos. Se tenía que aumentar el nivel de aditivos al aceite para compensar la falta de relleno constante.
  • Durante la década de los 90's se había ido aumentando el tamaño de los motores y su potencia. Con el aumento de potencia, se aumenta el tiempo de inyección, aumentando el nivel de hollín producido.
  • Antes de estos cambios los dueños ya habían disfrutado de intervalos extendidos entre cambios. No querían volver a cambiar con la frecuencia anterior. Si el aceite no puede dispersar el hollín se aumenta el desgaste del tren de válvulas y los inyectores, se taponan los filtros, se aumenta el desgaste de cojinetes y se forma lodo en las tapas de válvulas, el motor y el cárter.

Para calificar aceites que cuiden estos aspectos, se desarrolló pruebas nuevas que se tenía que pasar después de los actuales del CG-4:
  • CUMMINS M11: De alto hollín para el desgaste de tren de válvulas, taponamiento de filtros y lodos.
  • MACK T-9: Para desgaste de anillos, camisas y cojinetes.
  • MACK T-8E: Para control de viscosidad con 4.8% de hollín.
  • CATERPILLAR® 1P: Para depósitos en pistones de acero y consumo de aceite.
  • BOSCH: Prueba para la estabilidad contra rotura de viscosidad.
  • NOACK: Prueba de volatilidad.
  • Se bajó el límite permitido de espuma en la prueba INTERNATIONAL HEUI 7.3 LITER de 10% en el CG-4 a 8%. Por continuar algunos problemas de espuma en motores con alta velocidad de circulación del aceite.

Unos meses después de la aprobación de la clasificación CH-4, los gobiernos decidieron reducir más las emisiones permitidas y los fabricantes de motores tuvieron que cambiar sus diseños atrasando más la inyección del combustible y aumentando más el nivel de hollín. No había tiempo para cambiar las pruebas CH-4. CUMMINS y MACK aumentaron nuevas pruebas (CUMMINS CES 20076 y MACK EO-M Plus) para extender el tiempo de prueba y aumentar el nivel de hollín controlado.

API CI-4:

Los cambios en los motores que se desarrollaban desde los años 90's para bajar la contaminación al medio ambiente y extender la vida útil del motor, indicaron que se tenía que mejorar los aceites o acortar los intervalos entre cambios de aceite.

  • Para reducir el nivel de NOx, los fabricantes de motores desarrollaron un sistema de enfriamiento y recirculación de gas al cilindro. Para hacer esto tienen que compensar con mayores presiones del turbo, llegando en algunos casos hasta 2,800 psi en la presión de encendido y 35,000 psi en los inyectores. El escape enfría pasando su calor al refrigerante, que a su vez lo pasa al aceite.
  • La introducción del escape al cilindro aumenta el nivel de ácido que entra al aceite. Esto requiere mejores aditivos para evitar corrosión en los anillos, las camisas, los cojinetes y los bastones de las válvulas. Esto es más importante en climas fríos donde hay más condensación y menos evaporación.
  • Además, la recirculación de gases aumenta el tiempo que el aceite está en las paredes de los cilindros cuando está con NOx durante los ciclos de entrada y compresión.

Para controlar estos efectos se desarrollaron 3 pruebas nuevas en motores. Similares a las del CH-4, pero para motores con recirculación de gases (EGR) por lo tanto más estrictas:

1. MACK T-10: Mide lo mismo que el MACK T-9 en CH-4, pero es más severa por el uso del motor EGR, la generación de 5% de hollín en las primeras 75 horas de la prueba en vez de 1.5% a 2.0%. La temperatura del aceite fue aumentada de 104°C a 113°C. Se bajó la duración de la prueba de 500 a 300 horas. Mide desgaste de anillos y camisas, desgaste de cobre y plomo en los cojinetes y consumo de aceite.
mack_t-10
2. CUMMINS M11 EGR: Mide lo mismo que el CH-4 con la adición de una prueba de desgaste del anillo superior, el aumento de hollín de 4.5% a 8%, y el uso de un motor con EGR, el aumento de horas de prueba de 200 a 300 y el cambio de material del brazo del árbol de levas de hierro a acero. También se cambio el filtro de aceite de uno con 98% a uno con 68% eficiencia.
Cummins-M11
3. CATERPILLAR® 1R: Esta prueba utiliza el mismo motor que el CH-4, sin EGR, pero mide los depósitos en los pistones y el consumo de aceite durante 504 horas de operación. También se incluye la prueba CATERPILLAR® 1K del CH-4 para determinar el carbón en pistones de aluminio.
Para simplificar el uso de estos motores en empresas con motores anteriores, se comprobó que:

  • CUMMINS M11 EGR: Es más severa que la Cummins M11 utilizada en el CH-4.
  • MACK T-10: Es más severa que la Mack T-9 utilizada en el CH-4.
  • CATERPILLAR® 1R: Es más severa que la Caterpillar® 1P utilizada en el CH-4.

En adición, se encontró que los aceites tenían que resistir más oxidación por las temperaturas más altas que encontrarán. Después de revisar todas las pruebas existentes, se decidió utilizar la nueva prueba (secuencia IIIF) de oxidación, que fue diseñada para la categoría SL para motores a gasolina de GENERAL MOTORS.

También se tocó el problema de bombeabilidad en el frío con aceite usado que contiene hollín. Se desarrolló una prueba para identificar las calidades de bombeo en el frío con 5% de hollín.

La prueba MACK T-8E fue desarrollada para el CH-4 para controlar el aumento de viscosidad con el hollín, tomando en cuenta 50% de la pérdida de viscosidad en la prueba de inyectores BOSCH por rotura de polímeros utilizados para mejorar el índice de viscosidad. Para CI-4 se tiene que pasar la prueba considerando 100% de la rotura y bajando el límite de 2.1% a 1.8%.

La prueba de compatibilidad de elastómeros (retenes, etc.): Con el aumento de hollín en el aceite y el aumento de aditivos para controlarlo, se aumentó una prueba de compatibilidad de elastómeros para garantizar el desempeño de los retenes con la cantidad de aditivos en los aceites.

La prueba de pérdida de viscosidad con alta temperaturas: (HT/HS): Los aceites anteriores usaban la prueba SAE J300 (límite 2.9 cP) para determinar su viscosidad después de la rotura de polímeros en altas temperaturas. Pruebas reales habían demostrado un desgaste mayor cuando se bajaba la viscosidad a este nivel. Después de análisis, determinaron un nuevo limite de 3.5 cP para aceites SAE 10W-30 y el limite de 3.7 cP que fue establecido en la nueva tabla SAE J300 en el ano 2001 para los aceites SAE 15W-40 en esta prueba para mantener una película mayor en condiciones de estrés y presiones altas entre piezas del motor.

Límite de Volatilidad: El límite de volatilidad (prueba NOACK – evaporación de aceite en una hora a 250°C) del CH-4 era 20%. Se decidió bajar este límite a 15% para alinearlo con las normas globales.
Límite de desgaste del rodillo de balancín (Roller Follower): Esta prueba de desgaste fue incorporado por primera vez en el CG-4 y fue continuado en el CH-4 con límites más bajos. CI-4 utiliza los mismos límites que CH-4.
desgaste-balancines
Resumen:
Aceites CI-4 son componentes esenciales para el mantener la durabilidad de motores a diesel utilizando sistemas de recirculación de gases enfriados.

API CI-4 es una calidad más alta que las categorías previas, proveyendo protección para los motores existentes y los nuevos con EGR.

No todos los aceites de motor CI-4 son iguales.
CI-4_tests
Para desarrollar la categoría CI-4 se hicieron muchas pruebas físicas en motores y laboratorios para definir los efectos de diferentes aditivos y aceites básicos.
La Prueba de acumulación de plomo en el aceite
(Mack T-10)
:

El plomo viene de los cojinetes. Esta prueba de 300 horas de uso demuestra una diferencia entre 23 ppm y 69 ppm de plomo en las condiciones severas de la prueba. El aceite básico 99% saturado se comporta mucho mejor con los aditivos "X" y "Y", pero no debería ser combinado con los aditivos "Z".
Stacks Image 33854
La Prueba de desgaste del martillo de válvulas
(Cummins M11 EGR)
:

Desgaste abrasivo del martillo de válvulas, reduce la vida útil y cambia el regulado de las válvulas. La acumulación de hollín en el aceite y la habilidad de dispersarlo son factores críticos en esta prueba por lo que la presión entre el martillo y el bastón aprieta el aceite hasta dejar solo el hollín raspando la superficie. Se nota que los aceites formulados con el aceite básico Grupo II con 99% saturados tienen menos desgaste con cualquier aditivo.
desgaste-martillo-valvulas
La prueba de aumento de presión en el filtro
(Cummins M11 EGR)
:


El aceite tiene que evitar el espesado y el taponamiento del filtro para que circule con la velocidad necesaria para lubricar las piezas y no abrir la válvula de alivio de presión (que dejaría circular aceite sucio). Se nota que en el aceite básico con 99% saturados cualquier aditivo funciona bien. Mientras más bajamos la calidad del aceite básico, más importantes son los aditivos.
oil-pressure-increase
La Prueba de oxidación del aceite
(Mack T-10)
:


El aumento de viscosidad por oxidación causa una reducción en lubricación, aumento de desgaste, reducción de bombeabilidad y formación de lodos y barniz en el motor. Se nota que entre más saturados tiene el aceite básico, mejora su resistencia a la oxidación.
Mack_T10
API CJ-4: A partir de Octubre del 2007, se lanzó una nueva categoría CJ-4 para los nuevos motores norteamericanos que llevan catalizadores del escape que reducen la contaminación al medio ambiente.

Este aceite fue desarrollado especialmente para estos camiones de carretera y la nueva especificación de diesel norteamericano donde se limita el contenido de azufre en el diesel al 15 ppm. La norma Boliviana para el límite de azufre era 2000 ppm. Ahora bajaron el limite a 500 ppm, y las muestras de diesel que tenemos están entre 50 y 200 ppm.

Cuando son utilizados en estos motores y el combustible de 15 ppm de azufre, puede reducir el taponamiento del catalizador, lo cual podría dañar el motor. La categoría CJ-4 reduce el nivel de aditivos para llegar a esto.

Recomendamos que se utilice el CJ-4 en los motores que lo piden, ya que requiere el reducido nivel de aditivos. Pero no extienden el intervalo a mas de lo que indica el fabricante del motor sin analizar el aceite usado y ver como se comporta con el diesel de su local.
Límites Superiores de CJ-4 y CI-4
Límite API CJ-4
Límite API CI-4
Cenizas Sulfatadas
1.0%
1.2% al 1.5%
Azufre
0.4%
No especificado
Fosforo
0.12%
1.14%
Volatilidad
13%
15%
Nota que estos son límites máximos. Los aceites API Grupo II o superior siempre han sido básicamente libre de azufre y con menos volatilidad que los aceites API Grupo I. El aceite AMERICAN SUPREME Motor Oil SAE 15W-40 ha estado debajo de la nueva norma volatilidad de 13% desde varios años atrás.

tabla-aceite-motor-api
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