Facultad de Ingeniería Industrial y Mecánica

Carrera Profesional de Ingeniería Automotriz

Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Automotriz

“INFLUENCIA DE LA CALIDAD DEL LUBRICANTE EN EL DETERIORO DE LAS VÁLVULAS DE LOS MOTORES GASOLINEROS CONVERTIDOS A

GAS NATURAL”

Bachiller:

Cabrera Fernández, Steven Dany

Lima – Perú.

2016.

ii

DEDICATORIA

Para mi eterno ángel Macarena por ser la

estrella en el firmamento que guía mis pasos.

A mi amada esposa, por su apoyo y ánimo que

me brinda día a día para alcanzar nuevas metas,

tanto profesionales como personales.

A mis padres no solo porque fueron mi pilar

fundamental con su amor sino en la educación y

valores que me brindaron.

Todos ellos con su apoyo invaluable e

incondicional, son mi fuente de inspiración y

motor para llegar a las metas que me voy

trazando en la vida como el sueño de estudiar y

llegar a ser Ingeniero de Mecánica Automotriz el

cual anhele desde muy joven.

iii

AGRADECIMIENTO

Expreso mi agradecimiento a mi esposa y

mis padres por la esperanza que tuvieron en

mí y en especial a mi asesor Mg. Ing.

Roberto Pineda León en el cuales encontré

aprecio mutuo y una gran amistad.

Igualmente agradezco a las personas y

empresas que colaboraron en la realización

de este trabajo de investigación de tesis:

Autoservicio Argas (Ing. Pablo Lodigiani),

rectificaciones diésel (Pedro Ivarrola Leiva);

al Sr. Juan Carlos Villegas que me apoyó

con las muestras de aceite, al Ing. Félix

Mauricio Pérez que aportó con sus

conocimientos y las probetas para el análisis

metalográfico de las válvulas.

iv

ÍNDICE.

RESUMEN XIII

INTRODUCCIÓN XV

CAPITULO 1: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1

1.1. Descripción del problema. 2

1.2. Formulación del problema de investigación. 4

1.2.1. Problema general. 4

1.2.2. Problemas específicos. 4

1.3. Objetivos de investigación. 4

1.3.1. Objetivo general. 4

1.3.2. Objetivos específicos. 4

1.4. Justificación de la investigación. 5

1.4.1. Tecnológica. 5

1.4.2. Económico. 5

1.4.3. Ambiental. 5

1.4.4. Laboral. 5

1.5. Limitaciones de la investigación. 6

1.5.1. Temporales. 6

1.5.2. Espaciales. 6

1.5.3. Infraestructura. 6

CAPITULO 2: MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL 7

2.1. Antecedentes de la investigación. 8

1. A nivel Nacional. 8

2. A nivel Internacional. 10

2.2. Marco teórico. 13

1. Motores ciclo Otto. 13

2. Características de aplicabilidad en MCI. 17

3. Tribología. 18

3.1. Desgaste de motor. 18

3.1.1. Normal. 18

3.1.2. Anormal. 18

3.1.3. Crítico. 18

3.2. Metales de desgaste. 19

4. Número de octano. 19

5. Sistema de refrigeración. 21

v

2.3. Marco conceptual. 23

1. Gas Natural. 23

1.1. Gas Natural Vehicular (GNV). 24

2. Rendimiento del motor convertido a Gas Natural. 25

3. Mezcla de aire - combustible. 26

4. Conversión de un MCI del Ciclo Otto a gas natural. 26

4.1. Sistema Bi-Combustible. 27

4.2. Sistema dual-combustible. 27

4.3. Vehículo dedicado. 27

5. Operación eficiente del motor convertido. 28

6. Bujías. 28

7. Balancines. 29

8. Válvulas. 30

9. Sincronización de válvulas. 32

9.1. Apertura y cierre de válvula de admisión. 33

9.2. Apertura y cierre de válvula de escape. 33

10. Traslape valvular. 33

11. Holgura de la válvula. 34

12. Árbol de levas. 34

13. Lubricantes. 34

14. Mantenimiento. 36

14.1. Mantenimiento Preventivo. 36

14.2. Mantenimiento Predictivo. 36

14.3. Mantenimiento Proactivo. 37

2.4. Hipótesis de la investigación. 38

2.4.1. Hipótesis general. 38

2.4.2. Hipótesis específicas. 38

2.5. Variables e Indicadores. 38

2.5.1 Variable independiente. 38

2.5.1.1. Indicador tecnológico. 38

2.5.1.2. Indicador de emisiones. 38

2.5.1.3. Indicador económico. 38

2.5.2. Variable dependiente. 38

2.5.2.1. Indicador de deformación. 39

2.5.2.2. Indicador de análisis de aceite. 39

2.5.2.3. Indicador de temperatura. 39

vi

Capítulo 3: INGENIERÍA DEL PROYECTO 40

3.1. Situación actual. 41

A. Condiciones y estado del motor para una Pre conversión. 43

B. Condiciones de operación. 43

3.2. Defectos frecuentes durante el funcionamiento de los motores

convertidos a GNV. 44

A. Golpeteo o detonación. 44

1. Puesta a punto inicial del encendido incorrecta. 44

2. Distribuidor en mal estado. 44

3. Curvas de avance inadecuadas. 44

4. Uso de gasolinas de bajo octanaje. 45

5. Mezcla demasiado pobre. 45

B. Punto caliente o Autoencendido. 45

1. Riqueza excesiva del ralentí. 45

2. Exceso de carbonilla en la cámara de combustión. 46

3. Bujías demasiado calientes. 46

4. El motor trabaja a una temperatura demasiado alta. 46

C. Esfuerzo térmico. 47

3.3. Análisis de fallas frecuentes en los motores convertidos a GN. 47

3.3.1. Composición del lubricante sin uso. 47

A. Aceite de calidad baja. 49

B. Aceite de gama alta. 50

C. Análisis de aceite lubricante. 50

3.3.2. Análisis del deterioro o deformación de las válvulas

en los motores gasolineros convertidos a GNV. 51

A. Deformación en la cara de las válvulas. 51

B. Deterioro de las válvulas. 51

C. Desgaste por fricción. 52

3.3.3. Análisis de la calidad del lubricante para evitar el deterioro

de las válvulas de los motores gasolineros convertidos a GNV. 53

A. Residuos de carbón: (propiedades Químicas) según la norma

ASTM D189 – ASTM D524. 53

B. Nitración. 53

B.1. La resistencia a la oxidación y nitración. 54

C. Cenizas Sulfatadas. 55

D. Calidad del aceite lubricante. 56

E. Propiedades importantes. 57

E.1. Viscosidad. 57

vii

E.2. Índice de viscosidad. 59

E.3. Reserva de Alcalinidad TBN (Total Neutral Base). 60

E.4. Punto mínimo de fluidez. 60

E.5. Residuo de carbono. 60

F. Calidad del lubricante. 62

G. Temperatura inadecuada. 63

CAPITULO 4: METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 65

4.1. Diseño de la investigación. 66

4.2. Tipo de investigación. 67

4.3. Nivel de investigación. 68

4.4. Unidad de análisis. 69

4.5 Población y muestra. 69

4.6 Tamaño de la muestra. 71

4.7 Técnicas e instrumentos de investigación. 73

4.8 Procesamiento y análisis de la información. 73

4.9 Procedimiento de la Investigación. 74

CAPÍTULO 5: ANALISIS DE RESULTADOS 76

5.1 Análisis de la composición del lubricante usado. 77

A. Toma de muestra de aceite. 77

B. Análisis de aceite (Laboratorio). 79

B.1. Análisis de Viscosidad. 80

B.2. Análisis de los insolubles. 80

B.3. Análisis de TBN. 80

B.4. Análisis del agua. 81

C. Análisis de la dilución por combustible. 81

D. Análisis de la oxidación. 81

E. Análisis por espectrometría. 81

F. Análisis de resultados. 81

F.1. Análisis de resultado de vehículos que utilizan aceite

SHELL 10W40. 82

F.2. Análisis de resultado de vehículos que utilizan aceite

CHEVRON 10W30. 84

5.2 Análisis del deterioro o deformación de las válvulas en los motores

gasolineros convertidos a gas natural. 87

A. Análisis metalográficas. 87

viii

A.1. Válvula “A”. 89

A.2. Válvula “B”. 94

A.3. Válvula “C” 99

B. Análisis de ensayos de dureza de la Válvula. 102

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 105

CONCLUSIONES 106

SUGERENCIAS 108

ANEXOS. 109

Anexo A: Especificaciones del motor Toyota Yaris. 109

Anexo B: Cotización de la muestra de análisis de aceite (INTERTEK). 110

Anexo C: Muestras número 2 del análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa F4E-542, con aceite (SHELL Rimula R4 15W40). 111

Anexo D: Muestras número 3 del análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa F4E-542, con aceite (SHELL Rimula R4 15W40). 112

Anexo E: Muestras número 1 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa F3I-697, con aceite (SHELL Rimula R4 15W40). 113

Anexo F: Muestras número 2 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa F3I-697, con aceite (SHELL Rimula R4 15W40). 114

Anexo G: Muestras número 2 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AEF-645, con aceite (SHELL Rimula R4 15W40). 115

Anexo H: Muestras número 3 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AEF-645, con aceite (SHELL Rimula R4 15W40). 116

Anexo I: Muestras número 1 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AEO-163, con aceite (CHEVRON Supreme OIL 10W30). 117

Anexo J: Muestras número 1 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AEC-536, con aceite (CHEVRON Supreme OIL 10W30). 118

Anexo K: Muestras número 2 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AEC-536, con aceite (CHEVRON Supreme OIL 10W30). 119

Anexo L: Muestras número 3 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AEC-536, con aceite (CHEVRON Supreme OIL 10W30). 120

Anexo M: Muestras número 1 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AJA-013, con aceite (CHEVRON Supreme OIL 10W30). 121

Anexo N: Muestras número 3 de análisis de aceite del vehículo TOYOTA

Yaris de placa AJA-013, con aceite (CHEVRON Supreme OIL 10W30). 122

Anexo Ñ: Muestras de análisis de aceite del vehículo TOYOTA Yaris de

placa A5H-149 con aceite (Original Toyota – SAE 10W30 y API SN). 123

ix

Anexo O: Sincronización de las válvulas del motor TOYOTA Yaris. 124

Anexo P: Certificado de Garantía / Libreta de Servicios TOYOTA Yaris. 125

GLOSARIO. 126

Glosario de Abreviaturas. 128

REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS. 129

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Ubicación del taller (Croquis). 6

Figura 2.1. Ciclo Teórico Otto en coordenadas P-v y T-Entropía (s). 14

Figura 2.2. Motor Toyota Yaris en corte longitudinal de los cilindros. 16

Figura 2.3. Motor Toyota Yaris en corte longitudinal de motor. 16

Figura 2.4. Sistema de recirculación del refrigerante. 21

Figura 2.5. Instalación de cilindro de gas natural. 24

Figura 2.6. Ubicación del Kit de conversión del gas natural en el vehículo. 27

Figura 2.7. Partes de la bujía 29

Figura 2.8. Partes de la válvula de motor. 30

Figura 2.9. Dimensiones de la válvula. 31

Figura 2.10. Punto de sincronización de la cadena de distribución (Yaris). 32

Figura 2.11. Diagrama de sincronización del motor Toyota Yaris. 33

Figura 3.1. Motor de Yaris corte longitudinal (funcionamiento). 46

Figura 3.2. Desarrollo y vigencia de la clasificación API. 48

Figura 3.3. Válvula de escape (Deformada y Soplada). 51

Figura 3.4. Válvula de escape (Nitración). 52

Figura 3.5. Sistemas de Clasificación API para aceites de motor (MCI). 57

Figura 3.6.Resistencia del aceite al fluir. 59

Figura 3.7. Índice de viscosidad del aceite. 59

Figura 3.8. Culata de motor Yaris desmontada (residuos de carbono). 61

Figura 3.9. Fotografía con micro cámara (cámara de combustión). 61

Figura 3.10. Fotografía con micro cámara del bruñido del cilindro (Yaris). 64

Figura 5.1. Toma de muestra de aceite. 78

Figura 5.2. Viscosidad de muestras con aceite SHELL 10W40 82

Figura 5.3. Número básico de muestras con aceite SHELL 10W40. 82

Figura 5.4. Análisis cuantitativo de las muestras con aceite SHELL 10W40. 83

Figura 5.5. Comparativo del Calcio y Magnesio (aceite SHELL 10W40). 83

Figura 5.6. Viscosidad de muestras con aceite CHEVRON 10W30. 84

Figura 5.7. Número básico de las muestras con aceite CHEVRON 10W30. 84

Figura 5.8. Análisis cuantitativo de muestras de aceite CHEVRON 10W40. 85

Figura 5.9. Comparativo del Calcio y Magnesio (aceite CHEVRON 10W40) 85

Figura 5.10. Análisis metalográfica en el microscopio. 87

Figura 5.11. Microscopio Óptico. 88

Figura 5.12. Probeta para pruebas metalográficas. 89

Figura 5.13. Identificación de zonas para los análisis metalográficos. 89

Figura 5.14. Metalografía a 100X en la zona del núcleo de la válvula. 90

xi

Figura 5.15. Identificación de zona para el análisis metalográficos. 90

Figura 5.16. Metalografía a 50X en la zona de desgaste de la válvula. 91

Figura 5.17. Metalografía a 100X en la zona de desgaste de la válvula. 91

Figura 5.18. Metalografía a 500X en la zona de desgaste de la válvula. 92

Figura 5.19. Identificación de zona para el análisis metalográfico (base). 92

Figura 5.20. Metalografía a 100X en la zona inferior de la válvula (base). 93

Figura 5.21. Metalografía a 200X en la zona inferior de la válvula (base). 94

Figura 5.22. Válvula de escape. 94

Figura 5.23. Identificación de zona para el análisis metalográfico. 95

Figura 5.24. Metalografía a 1000X Zona del núcleo (Válvula de escape). 96

Figura 5.25. Identificación de zona para el análisis metalográfico (base). 96

Figura 5.26. Metalografía a 200X Zona de la base (Válvula de escape). 97

Figura 5.27. Metalografía a 1000X Zona de la base (Válvula de escape). 97

Figura 5.28. Identificación de zona (desgaste de cara de válvula de escape). 98

Figura 5.29. Metalografía a 500X Zona de la cara (Válvula de escape). 98

Figura 5.30. Metalografía a 1000X Zona de la cara (Válvula de escape). 99

Figura 5.31. Válvula de escape fisurada. (Válvula de escape). 100

Figura 5.32. Probeta de válvula de escape fisurada. (Válvula de escape). 100

Figura 5.33. Metalografía a 100X Zona de fisura de la válvula escape. 101

Figura 5.34. Metalografía a 500X Zona de fisura de la válvula escape. 101

Figura 5.35. Metalografía a 1000X Zona de fisura (v. escape parte inferior). 102

Figura 5.36. Muestra de la prueba de dureza (válvula de admisión). 103

xii

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1. Fallas de vehículos que ingresaron al taller Autoservicio Argas SAC. 3

Tabla 2.1. Número de octano de los combustibles que se utilizan en MCI. 20

Tabla 2.2 Especificaciones del refrigerante del motor Toyota. 22

Tabla 2.3. Propiedades del gas natural. 23

Tabla 2.4. Precios de combustibles para uso vehicular. 25

Tabla 2.5. Comparativo de aceites Monogrado y Multigrado (Viscosidad – T º). 36

Tabla 3.1. Temperaturas de los aceite de los MCI. 49

Tabla 3.2 Viscosidad básica según SAE J300. 58

Tabla 5.1. Análisis de aceite (seis vehículos Yaris). 86

Tabla 5.2. Valores de dureza de válvula de escape. 104

Tabla 5.3. Valores de dureza de válvula de admisión. 104

xiii

RESUMEN

La presente tesis, describe la influencia de la calidad del lubricante en el deterioro de

las válvulas de admisión y escape de los motores gasolineros convertidos a gas natural,

se analiza el estado y condiciones del aceite luego de ser retirado en el cambio, se

estudió la microestructura de las válvulas para determinar la deformación y el deterioro.

En el capítulo 1 se plantea la problemática de la influencia del aceite en el deterioro

de las válvulas de los motores convertidos a gas natural, el objetivo, justificaciones y

limitaciones de esta investigación.

En el capítulo 2 se indica el marco teórico y conceptual que fundamenta esta tesis.

En el capítulo 3 se propone la ingeniería del proyecto describiendo los defectos y el

análisis que presentan las válvulas de los motores convertidos a gas natural, se hace un

análisis de los defectos frecuentes de los motores convertidos a GNV

En el capítulo 4 se muestra la metodología de la investigación donde se refiere el

diseño, tipo y nivel de la investigación.

En el capítulo 5 se analiza los resultados del aceite; se evalúa el estado de la

condición de los aditivos, viscosidad, TBN y otros elementos que constituyan las

muestras de aceites, se realizan las pruebas metalográficas y pruebas de durezas

realizadas en las válvulas de los motores convertidos a GNV.

En la última parte de la investigación se presenta las conclusiones y sugerencias del

trabajo de investigación.

xiv

ABSTRACT.

This thesis, describes the influence of the quality of the lubricant on the deterioration

of the intake and exhaust valves of gasoline engines converted to natural gas, it

discusses the State and conditions of oil after being changed, we studied the

microstructure of the valves to determine the deformation and deterioration.

The chapter 1 raises the problematic of the influence of oil in the valves deterioration

engines converted to gas natural, the objective, justifications and limitations of this

research.

Chapter 2 indicates the theoretical and conceptual framework that are basic to this

thesis.

Chapter 3 proposes the project engineering describing the defects and analysis that

show the valves of the engines converted to natural gas, an analysis is made, of the

frequent defects in the engines converted to NGV.

Chapter 4 shows the research methodology concerning the design, type and level of

research.

Chapter 5 discusses the oil analysis; evaluates the State of the condition of additives,

viscosity, TBN and other elements that constitute samples of oils, metallographic tests

are conducted and testing of hardness in the valves of the engines converted to NGV.