BIOGAS en MOTORES de Combustión Interna (C.I.)

 Ing. Roberto J. Leonetti- Ing. Agustín H. Cieri - TRIBOMECANICA

 Introducción

El BIOGAS es un combustible producido por la digestión anaeróbica de residuos de origen animal y vegetal. Es utilizado como combustible en Motores de Combustión Interna (C.I.) pero para poder otorgar una potencia aceptable debe tener un mínimo de 60% de METANO y ser producido en un proceso controlado para evitar variaciones en sus características y reducir al mínimo los componentes indeseables que afectan al funcionamiento del motor.

 Producción del BIOGAS

Las características del BIOGAS dependen de la materia prima utilizada y del proceso de digestión.

Típicamente está constituido en volumen por 60% Metano CH4, 35% de  Dióxido de Carbono CO2 y pequeñas cantidades de (H2S), Hidrogeno (H2), Nitrógeno (N2) y otros.

Estos últimos están como sulfuros de hidrógeno y mercaptanos, siloxanos, fosfuro de hidrógeno y compuestos nitrogenados (amoníaco y aminas) y pueden ser nocivos para el motor al ser corrosivos, formar depósitos y acelerar la acidifican del lubricante. Las presencias de estos compuestos indeseables presentes dependen del proceso de producción en los digestores.

 La fermentación anaeróbica es un proceso natural que ocurre en forma espontánea en la naturaleza y es parte del ciclo biológico normal. El gas METANO se produce por bacterias metano-génicas y se puede encontrar en aguas estancadas ("gases de los pantanos") o en el tracto digestivo de rumiantes. Las bacterias que lo producen son anaeróbicas y sólo sobreviven en ausencia total de oxígeno atmosférico y son sensibles a los cambios ambientales como la temperatura.

El proceso de fermentación anaeróbica involucra tres fases diferentes. Se inicia en una FASE de HIDROLISIS donde las bacterias toman la materia orgánica con sus largas cadenas de estructuras carbonadas y las van rompiendo y transformándolas en cadenas más cortas de ácidos orgánicos, liberando hidrógeno y dióxido de carbono. Luego sigue una FASE de ACIDIFICACION donde las bacterias aceto-génicas degradan los ácidos orgánicos y por último la FASE METANO-GENICA donde bacterias diferentes a las anteriores producen el METANO. La producción del METANO es la última parte de este proceso y solo ocurre si los microorganismos de las dos primeras etapas han cumplido su tarea.

La composición del BIOGAS depende del correcto desarrollo de todas las fases de la digestión. Si en la primer fase las bacterias no rompen las cadenas de los carbohidratos, proteínas y grasas de la materia  orgánica, no las puede convertir en azucares y ácidos que posteriormente se transforman en METANO y resultara un BIOGAS con bajo contenido de Metano.

 


La estabilidad del BIOGAS producido depende de de la Materia orgánica empleada (Composición, Concentración, Calidad del Mezclado y Nivel de Acidez pH) y del Proceso de Digestión (Tamaño de la Carga volumétrica, Tiempo de la materia en el Digestor y Temperatura durante la Digestión, Relación Carbono/Nitrógeno).

Las deviaciones en las características pueden producir fallas catastróficas en los motores.

Características del BIOGAS

ALTO Nro. OCTANO El alto contenido de Dióxido de Carbono CO2  reduce la temperatura de llama durante la combustión minimizando el riesgo de autoencendido de la mezcla. Esto permite usar altas relaciones de compresión sin riesgo de detonación pudiendo alcanzar hasta 13:1.


 Figura # 1 Rango de Inflamabilidad

BAJO PODER CALORIFICO. El bajo poder calorífico del BIOGAS (21,5 MJ/m3 contra 38 MJ/m3 del GAS NATURAL) se debe al alto contenido de CO2.

Esto reduce la densidad de energía del gas y se requiere menos aire por unidad de BIOGAS para la combustión que en el caso del GAS NATURAL (la relación estequiometrica es 5,7 a 1 contra 9,5 a 1). Esto causa que los motores alimentados con BIOGAS entreguen menor potencia que los alimentados con GAS NATURAL. 


Figura # 2 Presión de la combustión

MENOR RANGO DE INFLAMABILIDAD. El CO2 actúa como un diluyente del gas y reduce la Máxima Presión del Cilindro, una mayor pobreza de la mezcla y menor velocidad del frente de llama lo que aumenta las fluctuaciones en la mezcla y disminuye su rango de inflamabilidad (Figura # 1 Referencia #5).

La menor velocidad de propagación de la llama aumenta la temperatura de la cámara de combustión. El motor funciona como si estuviera atrasado en su punto de encendido.

En la Figura #2 (Referencia #5) se observa la variación de la Presión de combustión cuando el porcentaje de CO2  varía desde 23,1% a 41,2%. 

La máxima presión de combustión se logra con el valor mínimo ensayado (23,1%) y con un adelantamiento del pico de la combustión de unos 5 grados. A mayor CO2 se aplana la combustión y demora más tiempo en finalizar.

El aumenta del tiempo de la combustión permite que el calor de la combustión se transmita al motor por finalizar con el pistón descubriendo gran parte de los cilindros. Esto recalienta los pistones por disminuir la disipación del calor a través de los aros

El volumen de Metano en la mezcla que ingresa al motor disminuye por la mayor densidad del CO2 y baja la temperatura porque absorbe más calor de la combustión debido a su alto poder calorífico.


Figura # 3

La disminución de la velocidad de la llama en un gas de acuerdo al porcentaje de Metano CH4 se observa en la Figura # 3- (Referencia #5).  



Figura # 4

La figura # 4 (referencia 12) muestra un pistón de un motor alimentado con BIOGAS con bajo contenido de metano que sufrió una excesiva temperatura en su cabeza.

El BIOGAS era producido por la digestión de heces de animales y desechos de la cosecha y la falla se produjo con solo 4700  horas de servicio.

La alta temperatura del pistón, dilato la zona del 1er Tabique y produjo fuertes rozamientos y múltiples partículas de aluminio fundido que se extendieron hasta el tercer tabique. Los aros también sufrieron por las altas temperaturas y el aro de compresión se trabo en su ranura y dejó de sellar los gases de combustión, lo que afecto al segundo y tercer aro. Se observa en la Figura # 4 las marcas del fuerte roce en la parte superior del 1er Tabique (círculo rojo)

Las partículas de aluminio generadas por el roce del pistón contaminaron las válvulas.


 

 


Figura # 5

En el detalle de la Figura # 5 se observa la impronta de una partícula de aluminio depositada en el asiento de la válvula. Esto impidió la disipación del calor de la válvula por el incorrecto cierre con su asiento. Se observa la diferente coloración en la cabeza de la válvula donde no apoyo su asiento (ver flecha).

En el cielo de la cámara y las cabezas de las válvulas se observa una cantidad importante de partículas de aluminio.

 


Figura # 6

En otro cilindro la falla estaba más adelantada y la fatiga térmica de las válvulas provoco las roturas de sus vástagos y el desprendimiento de las cabezas de dos válvulas (Figura # 6).

Las cabezas de válvula cayeron en el cilindro y golpearon al pistón.

Una de las valvulas no desprendidas presenta rotura parcial en su asiento (flechas rojas).  Se observa gran cantidad de partículas de aluminio adheridas al cielo de la  cámara de combustión.

Estas dos tapas de cilindros pertenecientes al mismo motor muestran dos estadios de la misma falla.

El bajo contenido de Metano atrasa la combustión y para compensarlo debe adelantarse el punto de encendido.

Por otro lado si al motor se lo usa con un gas de mayor poder calorífico aumenta la temperatura y la presión generada y son más proclives a la detonación. La combustión se adelanta y debe retrasarse el punto de encendido para compensarlo.



Figura # 7

El caso de las Figura #  7 corresponde a un pistón de un motor preparado para Biogás que ante la no disponibilidad del mismo se lo empleo transitoriamente con GAS Natural.  EL mayor Poder Calorífico del Gas Natural provoco un aumento de la temperatura del pistón y los aros.

El calor de la combustión se transmite desde el cóncavo a los cilindros a través de los aros. Un exceso de calor no se puede disipar rápidamente especialmente si posee aro APA (aro porta aros), el cual concentra calor y sufre una fuerte dilatación. El  ARO PORTA AROS (APA) acumula calor por ser un inserto de una aleación de NIQUEL/HIERRO  cuya dilatación es similar a la del aluminio, pero tiene un coeficiente de disipación de calor un tercio de la del aluminio (49 Kcal/m2 contra 150 Kcal/m2).

Se observa el fuerte deterioro de los tabiques del pistón y los aros.

El roce del pistón se produjo por la excesiva dilatación de los aros y el porta aro APA.Partículas de desgaste muy duras de los aros (cromo, níquel y hierro) rayaron el cilindro y afectaron los asientos de las válvulas.

En el detalle A de la Figura # 7 se observa que el punto de mayor diámetro del pistón (zona de medición)  no tiene signos de roce. Esto indica que el enfriamiento y la lubricación del pistón eran correctos.

El fuerte rozamiento en la cara de apoyo del pistón esta solo en la zona del segundo tabique y el aro APA. El resto tiene marcas de partículas de aluminio arrastradas. Únicamente la zona superior del pistón sufrió un calentamiento excesivo.

El detalle B muestra un vacio producido en la parte inferior del aro APA por la fusión del aluminio y rastros de aluminio en forma líquida en la parte superior. La alta temperatura del APA fundió el aluminio que migro en forma líquida y solidifico en zonas más frías del pistón. Para que la aleación de aluminio comience una micro fusión debe alcanzar una temperatura de  500ºC y la fusión completa 760 /800ºC. Esto indica las elevadas temperaturas a las cuales fue sometido el APA.

El detalle C  muestra el fuerte agarre en la zona del aro de compresión y del APA.





Figura # 8

La cámara de combustión muestra marcas de detonación en la Figura # 8.

Son puntos de fusión  en forma esférica originados por la onda de presión y temperatura de la detonación.Se observan partículas de aluminio fundido desprendidas (ver flechas) en las proximidades de la bujía y depósitos de carbón quemado en el borde del cóncavo (detalle inferior) y en el centro de la cámara justo debajo de la bujía (detalle derecho).

La figura # 9 muestra el estado del 1er aro y del aro APA  en distintos sectores del pistón



Figura # 9

La foto de la izquierda es a 90 grados de la cara de apoyo del pistón (alineada con el perno) donde no hay marcas de fuerte roce por la mayor holgura del pistón en esa zona.

La segunda foto es a 45 grados de la anterior y comienza verse un fuerte roce en el APA (parte inferior) y en el 1er aro con exceso de carbón...

La última foto a la derecha es en la cara de apoyo del pistón donde el roce es muy fuerte y se puede apreciar el fuerte desgaste del aro APA y del 1er ARO.

Las tres fotos pertenecen al mismo pistón.

En TODOS los cilindros de este motor aparecían signos de ALTA TEMPERATURA de la COMBUSTION lo cual confirma que la causa fue un mal “maridaje” del motor con el gas combustible utilizado.

 


Figura # 10

Otros pistones del mismo motor estaban en una etapa menos avanzada del problema. Se observa roce en el primer tabique (Figura # 10 círculo amarillo) y depósitos de carbón en el resalte (flecha roja) pero no en la falda. Este pistón ya tenía una dilatación excesiva por la temperatura de la combustión

El cromo del primer aro de compresión se desprendió (círculo amarillo y azul- Figura # 11) produciendo ralladuras en el segundo tabique (círculo rojo) por las duras partículas de cromo.

 


Figura # 11



Los motores a GAS son más proclives a sufrir de excesiva temperatura en la cámara de combustión respecto a los combustibles líquidos porque en estos últimos el calor latente del combustible líquido al evaporizarse enfría la cámara de combustión y las válvulas.

La recirculación de gases (EGR) también aumenta la cantidad de CO2 de la mezcla y un aumento del 10% de los gases reciclados en ensayos disminuyo en 20 % la velocidad de llama.

Esto hace que la combustión finalice cuando el pistón avanzo más en su descenso y el calor se disipa en los cilindros y no en un aumento de la presión. Produce un recalentamiento de los pistones, válvulas y aros de pistón.

Los motores pueden ser ajustados a las características del BIOGAS usado pero el gas debe ser homogéneamente constante porque de otra forma los motores requerirán ajustes permanentes en la calibración de la inyección y el encendido. Las variaciones del BIOGAS se deben a la materia prima usada y las características del proceso de digestión que son las que definen sus características.

Los motores preparados para Biogás emplean relaciones de compresión altas, por su baja tendencia a la detonación, lo que lo hace incompatibles con gases de mayor poder calorífico que aumentan la posibilidad a la detonación. Es muy peligroso para el motor.

RECOMENDACIONES

Los motores a GAS deben tener un margen de seguridad aceptable ante cualquier posible variación de la composición del gas.

Realizar análisis periódicos de la composición de los gases combustibles y verificar que  cumplan los requisitos del motor (por ejemplo la norma VDI IC-G-D-30-003) / Nro. Metano Mínimo 75).

·       Un motor de BIO GAS que utilice gases con mayor poder calorífico debe regularse y  limitar la potencia para evitar que el mayor poder calorífico aumente excesivamente la temperatura de la cámara de combustión.

Existen motores a Gas denominados FLEX que pueden utilizar GAS NATURAL o BIOGAS pero para ello usan el ciclo MILLER que al modificar el cierre de la válvula de admisión durante el ciclo de compresión varían el índice de compresión para adaptarlo a uno u otro combustible, además de modificar  la puesta a punto del encendido y la composición estequiometria del aire/gas. Pero el límite del rango de adaptabilidad es acotado.

·     Controlar que el pistón recibe el adecuado enfriamiento a través de la inyección de aceite en su interior. Una disminución del caudal de aceite inyectado aumenta la temperatura de la cabeza del pistón.

·      Utilizar bujías con el correcto grado térmico para las condiciones del motor y el combustible. Para mayor poder calorífico debe buscarse bujías más frías.

·    Controlar que la presión de alimentación del GAS NATURAL es la correcta porque puede variar la correcta relación estequiometria con respecto al aire.

·       Verificar el correcto y rápido funcionamiento de los sensores anti detonación.

 Muchos motores no están suficientemente probados para todos los tipos de gases. Las condiciones de experimentación y ensayos de aprobación pueden no corresponder exactamente a las variaciones del gas y las condiciones de trabajo (enfriamiento, calidad del gas, temperatura exterior, etc.).

Las prestaciones de potencia, rendimiento, y durabilidad de los motores modernos solo se obtiene cumpliendo las especificaciones de fábrica. Pequeñas desviaciones pueden disparar fallas inesperadas en  los motores. Es buena práctica reducir la potencia del motor a temperaturas superiores a 30 grados en el ambiente (0,5% por cada grado arriba de 30 grados).

En servicio muchos motores  son utilizados al 100% de su capacidad durante largos periodos de tiempo y combinados con rápidos arranques y paradas que no garantizan la normalización de la temperatura de en el interior del motor. Debe esperarse un lapso de tiempo para arrancar nuevamente al motor.

Las alarmas desoídas o mal interpretadas son muy peligrosas. Las alarmas avisan de problemas en el motor pero no evitan fallas. Muchas veces se arrancan una y otra vez el motor con las alarmas encendidas para verificar si el reseteo lo soluciona. Esto puede provocar daños en alguna parte del motor que con el tiempo dispare una falla catastrófica.

 Bibliografía

1. Mineral Deposit Formation in Gas Engines During Combustion of Biogas from Landfills and Municipal WWTP

2. MANUAL DE BIOGÁS MINENERGIA / PNUD / FAO / GEF : Proyecto CHI/00/G32  CHILE

3. Generación de electricidad a partir de biogás capturado de residuos sólidos urbanos: División de Energía Marzo 2017 Nº IDB-TN-1260 Gabriel Blanco Estela Santalla Verónica Córdoba Alberto Levy

4. MANUAL PARA LA PRODUCCION DE BIOGAS Instituto de Ingeniería Rural I.N.T.A. – Castelar. Ing. A. M. Sc. Jorge A. Hilbert

5. The Use of Biogas in Internal Combustion Engines: ASME 2006 Internal Combustion Engine Division Spring Technical Conference 

6. Nirendra Nath Mustafi   Rajshahi University of Engineering & Technology

7. Automobile Handbook Bosch

8. Motores de Combustion Interna . Hans List volume 5

9. Caracterización del proceso de combustión de Gas - D. Mario Nieto Salinas

10. El cálculo de la Combustión- Rodolfo Orel

11. Manual del Biogás ministerio de energía de chile

12. Atlas de Falla – Informe 3-21 TRIBOMECANICA.

13. Atlas de Falla – Informe 5-22 TRIBOMECANICA.


 
 

 

CAVITO EROSION Mecanismos de Formación en Cojinetes Planos

Ing. Roberto J. Leonetti – TRIBOMECANICA Consultoría de Desgaste y Lubricación

Introducción

La CAVITACION es la creación espontanea de burbujas en un líquido cuando la presión cae por debajo de la Presión de Vapor a la temperatura local. La EROSION producida por el colapso de estas burbujas se denomina CAVITO EROSION.

CAVITO EROSION en Cojinetes de Motor

La Cavito Erosión en los Cojinetes de los Motores de Combustión Interna (C.I.) es una fatiga por impacto producida por el colapso de las burbujas formadas en la película de aceite por los cambios de presión durante el ciclo del cigüeñal.

El cigüeñal equilibra las fuerzas a que está sometida mediante la presión hidrodinámica creada en la película de aceite (Figura # 1).

Pero como las fuerzas aplicadas al cigüeñal varían en dirección y magnitud, este debe cambiar de posición dentro del cojinete para equilibrarlas adoptando diferentes ubicaciones (Figura # 2). 


                    


Estos cambios en la posición del cigüeñal crean espacios que deben ser llenados, pero la demora del aceite en completarlos crean una fuerte caída de la presión. Si la presión cae por debajo de la presión de vapor del lubricante se generan burbujas. Al restablecerse la presión, las burbujas colapsan y producen CAVITO EROSION. (ver linea roja en la Figura #2)

La EROSION de la superficie de los cojinetes se produce por fatiga del impacto de las implosiones de las burbujas siempre que  la energía de la misma alcance un valor suficientemente alto. Esta energía depende del tamaño de la burbuja y del diferencial de la presión interior y la de la presión restaurada del lubricante al momento de colapsar.

Las burbujas tienden a nuclearse aumentando su tamaño. Pero esto necesita tiempo físico por lo que la CAVITO EROSION es más frecuente en motores de velocidades bajas y estables porque hay más tiempo para la nucleación de las burbujas y el aumento de la energia de la implosion.

 La velocidad del jet de líquido en la implosión es directamente proporcional a la energía de colapso y se calcula:

 υ = ((P x V)/ б)²                          υ                Velocidad del colapso
                                                     P                Presión del Colapso
                                                     V               Volumen de la Burbuja
                                                     Ϭ               Densidad del Líquido

 Ejemplo: La velocidad de Colapso para una Presión de  Colapso de 1 atm (0,1MPa) y una Burbuja con  Radio de 1mm supera los 100 m/seg.

 Cuando una burbuja colapsa en el seno del líquido solo genera una onda de presión sin daños a las partes. Pero cuando la burbuja se apoya sobre la superficie del cojinete pierde el equilibrio interno de presiones y colapsa asimétricamente formando un microjet que impacta directamente en la superficie (Figura # 3).


Con la implosión cae la presión local y las burbujas cercanas pierden también su equilibrio y colapsan impactando la misma zona.

Las zonas erosionadas en la superficie del cojinete sirven de gatillo para concentrar la implosión de las próximas burbujas  generando temperaturas muy altas que maximizan el proceso de EROSION.

 La CAVITOEROSION es un proceso acumulativo que primero destruye la micropelícula del cojinete (espesor de 0,02 a 0,03 mm) y luego ataca al sustrato de Cobre Plomo o Aluminio.

Si se detecta en etapas tempranas y se reemplaza los cojinetes, se evita que derive en una falla catastrófica pero la CAVITO EROSION puede continuar.

 Al destruirse la micropelícula del cojinete se expone el material antifricción al ambiente acido del motor, el cual puede ser corroído, especialmente el Plomo de la aleación. El material corroído es lavado mecánicamente por la presión hidrodinámica dejando al descubierto nuevo material virgen propenso a la corrosión.

El sustrato del cojinete termina desgranándose y deteriorándose su superficie de trabajo. Esto facilita el contacto metálico del cojinete con el cigüeñal y un aumento de la temperatura que inicia un ciclo de rotura del cojinete.

Los cojinetes de Cu-Pb son más susceptibles que los de aluminio  porque el plomo al corroerse se disuelve como un jabón dejando una estructura de Cobre remanente, totalmente porosa que termina rompiéndose por las presiones de hidrodinámicas.

 CASOS de CAVITOEROSION

Existen distintos mecanismos que crean los cambios de presión en el interior de los cojinetes que producen la CAVITO EROSION de los cojinetes.

 INERCIA del Lubricante  Las burbujas se crean por la caída de presión creada al separarse el eje del cojinete y la demora del aceite en llenar los espacios creados (ver zona inferior en figura # 4 - línea azul). Al revertirse el movimiento se restablece la  presión y colapsan las burbujas. 


El patrón típico de esta forma de CAVITOEROSION  son marcas circunferenciales situados en los laterales del cojinete y a los bordes de las ranuras como se muestra en la Figura # 4.

APLASTAMIENTO de la pelicula de aceite   El cigüeñal al acercarse muy rápidamente al cojinete aplasta al lubricante allí ubicado desplazándolo. La propia inercia del lubricante crea una zona de muy baja presión detrás de él generando burbujas. El restablecimiento de la presión produce las implosiones de las mismas.

Las zonas erosionadas se observan en forma de “mariposa” o “splash” (ver Figura  # 5). Es una de las Cavito Erosión más destructivas por ocurrir en una zona cargada y las presiones al restablecerse son muy altas.



DISCONTINUIDADES  Geométricas  El lubricante arrastrado por el cigüeñal pasa a alta velocidad por los borde de las ranuras y de los orificios de lubricación produciéndose una abrupta caída de su presión. El espesor de la película de lubricante es de aproximado 0,01 mm y al pasar por el orificio de lubricación  se expande a más de 1 mm (más de 100 veces).

Esta expansión hace caer instantáneamente la presión y crean burbujas que rápidamente colapsan al  concluir el pasaje por el orificio y restablecerse la presión. Es una erosión que progresa lentamente y no afecta el rendimiento del cojinete ni genere una falla catastrófica. La erosión se produce en el borde de salida del orificio (Figura # 6).

También es común que se produzca en la traba del cojinete o en la finalización de la ranura de lubricación como se observa en la Figura  # 7.

Al finalizar la ranura se produce un rápido incremento de la presión que hace implotar las burbujas creadas.  

EROSION por Impacto Hidráulico  Es creada por el impacto debido a la aceleración del flujo del lubricante en los conductos de lubricación del cigüeñal por las depresiones creadas durante el ciclo del cigüeñal.

Sucede en los cojinetes de bancada con ranura de lubricación solo en su medio superior y sin ranura en el medio.  La alimentación del  lubricante al cojinete de biela se produce por el interior del cigüeñal mediante un conducto en el muñon con dos entradas a 180 grados (Figura # 8). Este conducto se alimenta por la ranura superior y alterna entre una y otra entrada al girar el cigüeñal. Siempre una entrada estará conectada para asegurar un flujo permanente. 

Cuando una entrada del conducto deja la ranura se interrumpe su alimentación y se produce un brusca descompresión del lubricante en la boca de dicho conducto por el espacio creado atrás de la columna del lubricante (círculo rojo en Figura #8).  Esto crea burbujas de aceite. 


El flujo de aceite que comienza a ingresar por la otra entrada es acelerado por la depresión creada y aplasta con violencia a las burbujas creadas haciéndolas colapsar. 

La foto adjunta es la de un cojinete de un motor que opero a velocidades constantes por extensos periodos mostrando diferentes aéreas erosionadas de acuerdo a la velocidad de servicio. Esta falla es  más común en motores que funcionan a velocidades constantes por el efecto acumulativo en un mismo lugar. 


Es una CAVITOEROSION muy peligrosa porque puede alcanzar velocidades de erosión  muy altas y producir la destrucción de los cojinetes muy rápidamente como se muestra en la Figura 10. La CAVITO EROSION destruyo los cojinetes de biela y produjo la rotura de la biela (Figura # 11). 


Las causas en este caso se explica por el ciclo del motor. En el momento de la COMBUSTION (360 grados del ciclo), la fuerza de los gases sobre la biela provocan que el cigüeñal y cojinete se acerquen en la zona superior   creando una caída de presión en la zona opuesta (lado inferior del cojinete-circulo naranja Figura #11). Esto crea una CAVITACION del lubricante con creación de burbujas de vapor de aceite.                                                    



Al girar 90 grados (450 grados del ciclo) una entrada del orificio de lubricación del cigüeñal coincide con esa zona de muy baja presión (Flecha naranja Figura # 11). La gran diferencia de presión entre la de alimentación del lubricante y esta zona acelera el aceite en el conducto de lubricación haciéndolo impactar violentamente contra el cojinete en la otra entrada del orificio colapsando las burbujas y provocando una erosión muy localizada de la micropelícula  

La Figura # 12 muestra la erosión producida a 45 grados de la zona de mayor carga y del lado de la uña del motor perfectamente circular y sin signos de desgaste adhesivo.


Analizando otros cojinetes del motor se pudo reconstruir la evolución de la falla. El material del sustrato sin  la protección de la micropelícula sufre corrosión ayudada por la difusión de gases reactivos en la superficie del material y por la permanente remoción mecánica de las capas corroídas.


El cojinete de la Figura # 13 solo tenía 1800 horas de uso y el material antifricción ya esta desgranado con signos de corrosión y con marcas de roce por la destrucción parcial de la superficie portante del cojinete. El deterioro de la superficie de trabajo del cojinete produjo una disrupción de la película de aceite con rozamiento mecánico y un aumento local de la temperatura. 



El rozamiento mecánico recalentó el muñón del cigüeñal por el roce mecánico y transmitió la temperatura al cojinete con el cual comparte el muñón afectándolo (Cojinete de biela nro.13 de la Figura # 14). La temperatura se transmitió hasta los muñones de las bancadas adyacentes afectando su lubricación por lo que sufrieron un fuerte rozamiento del material antifricción (Bancadas Nro. 3 y 4 de la Figura # 15).

Las temperaturas locales fueron superiores a los 800 grados por la coloración alcanzada. La destrucción del cojinete produjo la rotura de la biela y afecto severamente al cigüeñal.


La lubricación del motor era correcta por el estado de los otros cojinetes de bancada (Figura # 16). 


Al analizarse otros motores idénticos de la misma central se observo una erosión localizada en casi todos los cojinetes de biela, en la misma ubicación (a 45 grados de la corona y del lado de la uña) y únicamente en los cojinetes de la fila de los cilindros 1 a 10 (lado izquierdo) y ninguno de la fila 11 a 20 (lado derecho). Esto sucedía porque en los cojinetes del lado derecho de este motor V20 no se producía la coincidencia entre el orificio de lubricación y la zona de baja presión.

La sinergia entre la CAVITACIONEROSION  y la CORROSION produjo en menos de 1800 hs la destrucción del motor con la rotura de la biela, el deterioro del cigüeñal y fisuras en el block.

 Analizando diversos cojinetes del mismo motor pudimos reconstruir la evolución de la destrucción de la superficie de trabajo del cojinete por esta CAVITO EROSION. 

En el detalle a) la erosión es apenas perceptible (ver con detenimiento en el interior del circulo naranja), en el b) ya se observa la desaparición local de la micropelícula, en las c) la acción combinada de la CORROSION y la EROSION ha desgranado la estructura del material antifricción y en la d) aparecen los primeros signos de fuerte roce mecánico.





 

La destrucción de la micropelícula por la CAVITO EROSION expuso el material antifricción de Cobre/Plomo al ambiente acido del interior del motor permitiendo la corrosión y el deterioro de la fase Plomo de la aleación. El plomo corroído se disuelve como un jabón y es eliminado mecánicamente por la presión hidrodinámica y las ondas de presión de la CAVITACION. El material del cojinete se convierte en una estructura de Cobre totalmente porosa que se desgrana con la presión hidrodinamica.

En este motor una de las causas de la CAVITOEROSION fue la re potenciación de los motores con pistones de acero que aumento la temperatura del motor y del lubricante. Esto disminuye la presión de vapor necesaria para la aparición de la CAVITO EROSION y acelera la CORROSION.

 Recomendaciones

La CAVITOEROSION no tiene un método correctivo único para eliminarlo y deben aplicarse todas las medidas posibles para minimizar o eliminar su efecto. La Cavito Erosión es afectada por factores como las luces de armado, presión de alimentación del lubricante, temperatura del aceite, diseño de los conductos y canaletas de lubricación, vibraciones torsionales del cigüeñal, etc.  No es un solo factor sino la coincidencia de varios los que producen la energía necesaria para disparar la CAVITOA EROSION.

 PRESION DE ACEITE de SUMINISTRO: un aumento de la Presión de Suministro del sistema de lubricación garantiza una más rápida reposición del aceite y reduce sensiblemente la Cavitación. En la bibliografía (1) se indica un caso que con el aumento de la presión de 2 kg/cm2 y la reducción de la luz de armado en un 25% se logró eliminar la CAVITOEROSION del motor.

·       CONTROLAR la TEMPERATURA DE ACEITE: el aumento de la temperatura del lubricante reduce su viscosidad (permite movimientos más violentos del eje dentro del cojinete) y disminuye la presión de vapor necesaria para la creación de las burbujas de aceite. Los pistones de acero incrementan la temperatura del aceite por trabajar a más temperatura que los de aluminio.

·       DISEÑO de las ranuras, trabas y orificios suavizando los cambios de geometría

·       LUCES de ARMADO: Utilizar valores medios de las luces de aceite de armado de los cojinetes  evitando los máximos porque permiten mayores movimientos al eje que facilitan la CAVITOEROSION.

·       MATERIAL de la MICROPELICULA y del SUSTRATO: la Micropelícula aplicada por Sputtering es la más resistente a la EROSION. Recomendamos el uso de cojinetes sin Plomo para disminuir el riesgo de CORROSION.

·       NIVEL de POTENCIA: mayor potencia produce mayor carga en los cojinetes y mayor violencia en los movimientos del eje dentro del cojinete. Con temperaturas del ambientes de altas debe regularse la potencia de acuerdo a fin de mantener bajo control las temperaturas internas del motor.

·       CONTROLAR LOS COJINETES al menos cada 5,000 horas. Reemplazar los cojinetes al menor signo de Cavito Erosión.

·       NO DEJAR DETENIDO MUCHO TIEMPO EL MOTOR el ataque corrosivo se incrementa en motores detenidos por largos periodos por no renovarse el aceite que los moja.

·       ESTABILIDAD de los LUBRICANTES Los lubricantes deben tener un alto valor de TBN para mantener la resistencia a la corrosión y evitar la corrosión del sustrato de COBRE PLOMO cuando se desgasta la micropelícula. La pérdida de la capacidad anticorrosiva del aceite aumentan drásticamente con el aumento de la temperatura.

·        BIBLIOGRAFIA

1) Erosion Damage Engine Bearings- R.O. James – Glacier ltd
2)  Semienaberichte- BHW – 2008
3) Bearings Failures – Glacier
4) Mechanism of Cavitation –STLE nor 89-TC-58-1
5) Federal Mogul Technical Center. Technical Reports
6) ASTM Volumen 18
7) Cavito-Erosión en Cojinetes de Motores -AAT eTRIBOS nro. 1 –Marzo 2014
8)  Cavitation Estimates by Orbit Prediction of a Journal Bearing - Tribology 1 vol 33/2015
 

 

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