Study of the Degradation of New Lubricant Oil Formulations with the Design and Demands of Current and Future Engines

[ES] El análisis de los aceites lubricantes de motor, englobado dentro de las tareas realizadas en el Oil Condition Monitoring (OCM), resulta ser una herramienta poderosa con la cual se es capaz de extraer información de utilidad. Por este motivo, en esta Tesis se decidió explotar este campo realizando un estudio en profundidad centrado en tres aspectos: mejorar las técnicas y protocolos ya existentes, desarrollar procedimientos propios acorde con las necesidades y requisitos del momento y, para terminar, poner en valor la información obtenida del análisis de los lubricantes mediante el uso de tratamientos estadísticos y quimiométricos. Bajo estas tres premisas, se ha desarrollado toda la tarea de investigación de esta Tesis. En primer lugar, en relación con el análisis de los aceites lubricantes, se realizó un estudio acerca de la degradación de cuatro formulaciones de aceites lubricantes. En este estudio se analizaron aspectos propios de los aceites como: su viscosidad cinemática, oxidación, nitración, caída de los aditivos antioxidantes, etc. así como parámetros de desgaste de motor (monitorizando la presencia de metales). Como resultado de este estudio fue posible encontrar limitaciones en las técnicas actuales, lo cual condujo a realizar mejoras y/o adaptaciones de estas técnicas para conseguir obtener la información deseada. El siguiente aspecto tratado en esta Tesis es una consecuencia de la necesidad de, en ciertas situaciones, disponer de información acerca de uno o varios parámetros de una determinada forma y con un grado de precisión elevado. El caso en cuestión analizado en la Tesis está relacionado con la cuantificación de hollín en el aceite lubricante. Respecto a la cuantificación del hollín se requirió encontrar una técnica que fuera capaz de aportar información de una forma rápida y, además, poder detectar pequeños cambios. Esta técnica fue la espectroscopia Ultravioleta-Visible, con la cual se diseñó un protocolo analítico que permitiera trabajar con muestras de aceites lubricante con muy poco uso y, por ende, poca cantidad de hollín disuelta, consiguiendo resultados muy satisfactorios en periodos de tiempo cortos. Por último, debido a la disponibilidad de una cantidad de datos considerable fruto del trabajo realizado durante todo el tiempo de duración de la Tesis, se decidió emplear toda ella para conseguir extraer la máxima información posible gracias al uso de tratamientos estadísticos y quimiométricos. Este trabajo, nuevo en la línea, se dividió en dos vertientes: la primera focalizada en el conjunto de datos de los aceites ya caracterizados (procedentes del estudio de la degradación de los aceites) y la otra parte en encontrar sinergias entre las técnicas espectroscópicas (FT-IR y NIR) y los ensayos de caracterización de los lubricantes. Como resultado de ello, se obtuvieron relaciones entre parámetros que anteriormente no se tenían presentes, así como modelos predictivos de propiedades de los lubricantes a partir del análisis de sus espectros. El presente documento de Tesis se encuentra redactado en dos idiomas: en español y en inglés. Principalmente el documento se encuentra redactado en inglés para hacer especial énfasis en aquellas labores de investigación desarrolladas en esta etapa, así como los resultados derivados de los diferentes estudios realzados. Mientras que, la parte confeccionada en español hace referencia a aquellos aspectos más descriptivos del documento de Tesis.[CA] L'anàlisi dels olis lubrificants de motor, englobat dins de les tasques realitzades en el Oil Condition Monitoring (OCM), resulta ser una eina poderosa amb la qual s'és capaç d'extraure informació d'utilitat. Per aquest motiu, en aquesta Tesi es va decidir explotar aquest camp realitzant un estudi en profunditat centrat en tres aspectes: millorar les tècniques i protocols ja existents, desenvolupar procediments propis d'acord amb les necessitats i requisits del moment i, per a acabar, posar en valor la informació obtinguda de l'anàlisi dels lubrificants mitjançant l'ús de tractaments estadístics i quimiomètrics. Sota aquestes tres premisses, s'ha desenvolupat tota la tasca d'investigació d'aquesta Tesi. En primer lloc, en relació a l'anàlisi dels olis lubrificants, es va realitzar un estudi sobre la degradació de quatre formulacions d'olis lubrificants. En aquest estudi es van analitzar aspectes propis dels olis com: la seua viscositat cinemàtica, oxidació, nitració, caiguda dels additius antioxidants, etc. així com paràmetres de desgast de motor (monitorant la presència de metalls). Com a resultat d'aquest estudi va ser possible trobar limitacions en les tècniques actuals, la qual cosa va conduir a realitzar millores i/o adaptacions d'aquestes tècniques per a aconseguir obtindre la informació desitjada. El següent aspecte tractat en aquesta Tesi és una conseqüència de la necessitat de, en unes certes situacions, disposar d'informació sobre un o diversos paràmetres d'una determinada forma i amb un grau de precisió elevat. El cas en qüestió analitzat en la Tesi està relacionat amb la quantificació de sutge (soot en anglès). Respecte a la quantificació del soot es va requerir trobar una tècnica que fora capaç d'aportar informació d'una forma ràpida i, a més, poder detectar xicotets canvis. Aquesta tècnica va ser l'espectroscòpia Ultravioleta-Visible, amb la qual es va dissenyar un protocol analític que permetera treballar amb mostres d'oli lubrificant amb molt poc ús i, per tant, poca quantitat de soot dissolta, aconseguint resultats molt satisfactoris en períodes de temps curts. Finalment, a causa de la disponibilitat d'una quantitat de dades considerable fruit del treball realitzat durant tot el temps de duració de la Tesi, es va decidir emprar tota ella per a aconseguir extraure la màxima informació possible gràcies a l'ús de tractaments estadístics i quimiomètrics. Aquest treball, nou en la línia, es va dividir en dos vessants: la primera focalitzada en el conjunt de dades dels olis ja caracteritzats (procedents de l'estudi de la degradació dels olis) i l'altra part a trobar sinergies entre les tècniques espectroscòpiques (FT-IR i NIR) i els assajos de caracterització dels lubrificants. Com a resultat d'això, es van obtindre relacions entre paràmetres que anteriorment no es tenien presents així com models predictius de propietats dels lubrificants a partir de l'anàlisi dels seus espectres. El present document de Tesi es troba redactat en dos idiomes: en espanyol i en anglès. Principalment el document es troba redactat en anglès per a fer especial èmfasi en aquelles labors d'investigació desenvolupades en aquesta etapa així com els resultats derivats dels diferents estudis realitzats. Mentre que, la part confeccionada en espanyol, fa referència a aquells aspectes més descriptius del document de Tesi.[EN] The analysis of engine lubricating oils, encompassed within the tasks carried out in Oil Condition Monitoring (OCM), is a powerful tool with which it is possible to extract useful information. For this reason, in this Thesis it has been decided to exploit this field by carrying out an in-depth study focusing on three aspects: improving existing techniques and protocols, developing our own procedures in accordance with current needs and requirements and finally, adding value to the information obtained from the analysis of lubricants through the use of statistical and chemometric treatments. All the research work in this Thesis has been carried out under these three premises. Firstly, in relation to the analysis of lubricating oils, a study was carried out on the degradation of four lubricating oil formulations. This study analysed aspects of the oils, such as their kinematic viscosity, oxidation, nitration, antioxidant additives depletion, etc. as well as engine wear parameters (monitoring the presence of metals). Using this study, it was possible to find limitations in the current techniques, which led to improvements and/or adaptations of these techniques in order to obtain the desired information. The next aspect dealt with in this Thesis is a consequence of the need, in certain situations, to have information about one or more parameters in a certain form and with a high degree of accuracy. The case in question analysed in the Thesis is related to the quantification of soot. With regard to soot quantification, it was necessary to find a technique that was capable of providing information quickly and, in addition, being able to detect small changes. This technique was Ultraviolet-Visible spectroscopy, with which an analytical protocol was designed to work with samples of lubricating oils with very little use and therefore, with a small amount of dissolved soot, achieving very satisfactory results in short periods of time. Finally, due to the availability of a considerable amount of information resulting from the work carried out throughout the duration of the Thesis, it was decided to use all of these data to extract as much information as possible, thanks to the use of statistical and chemometric treatments. This work, new in the research line, was divided into two parts: the first focused on the dataset of oils already characterised (from the study of oil degradation) and the other on finding synergies between spectroscopic techniques (FT-IR and NIR) and lubricant characterisation tests. As a result, relationships between previously unknown parameters were obtained, as well as predictive models of lubricant properties based on the analysis of their spectra. This Thesis document is written in two languages: Spanish and English. The document is mainly written in English in order to place special emphasis on the research work carried out at this stage, as well as the results derived from the different studies carried out. The part written in Spanish refers to the more descriptive aspects of the Thesis document.García Barberá, A. (2022). Study of the Degradation of New Lubricant Oil Formulations with the Design and Demands of Current and Future Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18166