Estimación de la vida útil del lubricante empleado en
motores que utilizan una mezcla biocombustible
Estimation of the useful life of the lubricant used in engines that use a biofuel mixture.
Sergio Alejandro López Rodríguez
sergio.lopez@profesor.usac.edu.gt
https://orcid.org/0000-0002-3187-1226
Instituto Tecnológico Universitario Guatemala Sur, USAC.
Escuintla, Guatemala
RESUMEN
El objetivo de la investigación fue estimar la vida
útil del lubricante empleado en motores que
utilizan una mezcla biocombustible. Se realizaron
pruebas en dos motores de combustión interna con
inyección mecánica de combustible diésel iguales
que funcionaron con mezclas de combustible al
50% y 25 % de aceite vegetal durante 400 horas y
se tomaron muestras del lubricante cada 100 horas.
El estudio se basó en la reducción de la reserva
alcalina del lubricante TBN, bajo la influencia del
uso de biocombustible, por medio del análisis de
aceite usado. Los resultados muestran que el TBN
se redujo, de un valor estándar de 9.3, a valores
después de 400 horas de 7.85 y 7.74, con esta
información y el uso de fórmulas matemáticas, se
estimó la vida útil del aceite lubricante a 560 y 460
horas, antes de que el valor de TBN llegue a 4.65
que se considera crítico.
Palabras clave: TBN; biocombustible; aceite de
motor; vida del aceite; estimación
ABSTRACT
The objective of the research was to estimate the
useful life of the lubricant used in engines that use
a biofuel mixture. Tests were conducted on two
identical mechanically injected diesel internal
combustion engines, which ran on 50% and 25%
vegetable oil fuel blends for 400 hours with
lubricant samples taken every 100 hours. The study
was based on the reduction of the alkaline reserve
of the TBN lubricant, under the influence of the
use of biofuel, through the analysis of used oil. The
results show that the TBN was reduced, from a
standard value of 9.3, to values after 400 hours of
7.85 and 7.74, with this information and the use of
mathematical formulas, the useful life of the
lubricating oil was estimated at 560 and 460 hours.
, before the TBN value reaches 4.65 which is
considered critical.
Keywords: TBN; biofuel; motor oil; oil life;
estimate
El autor declara que no tiene ningún conflicto de interés. El estudio fue financiado con recursos del
Instituto Tecnológico Universitario Guatemala Sur ITUGS.
Recibido: febrero 26 de 2023| Aceptado: julio 28 de 2023 | Publicado: octubre 30 de 2023
Revista de Investigación Proyección Científica
Centro Universitario de San Marcos
ISSN 2957-8582
www.revistacusam.com
DOI:
Vol. 5 No. 1
Enero-Diciembre 2023
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Proyección Cientíca
Revista de Investigación
Revista de Investigación Proyección Cientíca
Centro Universitario de San Marcos
ISSN 2957-8582
www.revistacusam.com
DOI:
Vol. 5 No. 1
Enero-Diciembre
2023
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https://doi.org/10.56785/ripc.v5i1.76
INTRODUCCIÓN
El biodiesel es un biocombustible renovable, biodegradable, no tóxico y
respetuoso con el medio ambiente. Por ejemplo, el biodiesel puede derivarse del
aceite de palma, que es un aceite comestible (Suthisripok, y Semsamran, 2018).
Hay ventajas y desventajas en el uso de biodiesel en comparación con el uso
de combustible diésel a base de petróleo. Las ventajas incluyen el mayor índice
de cetano del biodiesel que el D2 (combustible diésel normal) y el hecho de que
el biodiesel no contiene esencialmente compuestos aromáticos ni azufre. El
biodiesel es un combustible oxigenado con un alto contenido de oxígeno, +11
%, que reduce las emisiones de carbono elemental. También hay desventajas
para el combustible biodiesel, una densidad de combustible ligeramente más
baja que el combustible diésel normal, por lo que se requiere más combustible
para lograr la misma cantidad de energía. En comparación con el combustible
diésel normal, el biodiesel también tiene una mayor viscosidad, lo que afecta la
formación de rocío; mayor punto de fluidez y puntos de turbidez, operación
limitante; menor estabilidad oxidativa, acortando la vida de almacenamiento; y
mayores emisiones de carbono orgánico (Acevedo y Mantilla, 2011).
La aplicación de estos combustibles alternativos en motores, que
ordinariamente emplean diésel fósil, conlleva también efectos directos en la
calidad y funcionamiento de las máquinas que requieren de los biocombustibles.
Las principales preocupaciones incluyen la coquización del inyector, el
taponamiento del filtro, la deposición de carbón o lodo denso rico en ésteres
grasos, la autooxidación, la naturaleza corrosiva, la reactividad de las cadenas de
hidrocarburos insaturados, entre otros. Muchos de estos problemas también
pueden influir en la fricción y el desgaste de los diferentes componentes del
motor que entran en contacto con el biodiesel en condiciones de deslizamiento
(Fazal, et al., 2013).
Debido a las condiciones descritas, uno de los efectos directos del uso de
biodiesel sobre el motor, es su posibilidad de generar ácidos provenientes de su
naturaleza orgánica en el aceite lubricante, razón por la cual es necesario estudiar
los efectos del uso de biodiesel en la degradación del aceite lubricante del motor,
con el fin de predecir o establecer la vida útil del mismo, previo a que la reserva
alcalina TBN, no sea suficiente para neutralizar los agentes ácidos. Una de las
técnicas de mantenimiento predictivo más usadas para estos fines es el análisis
de aceite usado, el cual permite anticiparse a las fallas de las maquinas, y con ello
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programar la reparación de los equipos, con la finalidad de corregir los
problemas, esto evita el paro imprevisto de los mismos e incrementa su
disponibilidad (Rojas, Engativá y Ramírez, 2019).
El problema radica en ¿cómo estimar la vida útil del lubricante empleado
en motores que utilizan una mezcla biocombustible?, y surgen problemas
subsecuentes como ¿cuál es la reserva alcalina TBN de dos motores que utilizan
una mezcla biocombustible diferente?, ¿cuál es la cantidad máxima de aceite
vegetal que puede contener una mezcla de biocombustible, para el
funcionamiento adecuado en el motor de combustión interna seleccionado?,
¿cómo establecer las horas de vida útil del aceite lubricante en un motor de
combustión que emplea biocombustible?
Bajo las premisas de los problemas antes planteados se exponen los
objetivos del estudio, los cuales son: estimar la vida útil del lubricante empleado
en motores que utilizan una mezcla biocombustible, comparar la reserva alcalina
TBN de dos motores que utilizan una mezcla biocombustible diferente,
establecer la cantidad máxima de aceite vegetal que puede contener una mezcla
de biocombustible para el funcionamiento adecuado en el motor de combustión
interna seleccionado, con base en mezclas preestablecidas en otras
investigaciones y establecer las horas de vida útil del aceite lubricante en un
motor de combustión que emplea biocombustible, a través del análisis de aceite
usado.
Para el alcance de los objetivos de la presente investigación se propone una
experimentación con dos motores, que funcionan de forma ordinaria con diésel
fósil, con el empleo de una mezcla combustible de aceite vegetal y diésel
(biodiesel) en dos proporciones, a 50% y 25% de aceite vegetal. Se tienen 400
horas de funcionamiento por cada motor y muestreo de aceite usado cada 100
horas. Por medio de ecuaciones matemáticas, se estima la vida útil del aceite en
función de la perdida de la reserva alcalina (TBN).
MATERIALES Y MÉTODOS
Los equipos empleados en el estudio fueron dos motores estacionarios de
combustión interna marca Nissan, modelo SD 22 de 2 500 centímetros cúbicos
y que utilizan diésel como combustible (Figura 1), el sistema de inyección de
combustible es indirecta de tipo mecánica por bomba lineal. Los motores
funcionaron durante 400 horas en jornadas de 8 horas diarias. El régimen de
carga fue a ralentí con un promedio de 850 revoluciones por minuto. El
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combustible utilizado fue de tipo “biodiesel”, que se consideró como una
mezcla de aceite vegetal y diésel fósil. Se prepararon dos mezclas en
proporciones de 50% aceite vegetal y 50% diésel fósil para el primero de los
motores ensayados, 25% de aceite vegetal y 75% de diésel fósil para el segundo
de los motores ensayados. El aceite vegetal utilizado fue una mezcla de aceite
de soya y palma africana que se utiliza de forma ordinaria como aceite de cocina
sin proceso de hidrogenación o refinación. Se realizaron las mezclas de
combustible en recipientes de 20 litros y la proporción se hizo con base al
volumen.
Figura 1
Motores empleados en la experimentación.
Fuente: Elaboración propia
El lubricante empleado fue aceite para motor SAE 15W40 API CH 4/SJ
TD. Además, filtros de aire, combustible y aceite nuevos. Para las muestras de
aceite usado se emplearon botellas de plástico con tapa rosca descartables,
manguera para la toma de muestra y una bomba de vacío específica para la labor
de muestreo de aceite. Las muestras de aceite se enviaron a laboratorio
certificado para el análisis de los contenidos de partículas y degradación por uso
del lubricante. Cada 100 horas se tomaron muestras del aceite lubricante usado
en ambos motores.
La toma de muestras de aceite usado requiere de cuidados especiales, ya que
cualquier contaminación durante el proceso de llenado de las botellas plásticas,
puede ocasionar presencia de información falsa sobre la respuesta de los datos
obtenidos en los estudios del laboratorio, provenientes del aceite de motor
muestreado.
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Según Perkins (2008) y Caterpillar (2008), para reducir los efectos de
posibles contaminantes en el muestreo se recomienda lo siguiente:
Asegurar que las botellas para muestreo se encuentren cerradas y libres de
humedad o polvo, las mangueras para extracción de muestra de aceite usado son
útiles solo una vez, después de tomada la muestra deberán descartarse y no se
pueden utilizar en otra muestra, rellenar las etiquetas de identificación de las
muestras con la información del equipo que se va a monitorear, arrancar el
motor hasta alcanzar la temperatura normal de funcionamiento, apagar el
motor, medir el tubo nuevo para la toma de muestra y cortarlo del largo de la
varilla indicadora de nivel.
Figura 2
Procedimiento para la toma de muestras de aceite usado
Fuente: Elaboración propia
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Si el compartimiento de donde se toma la muestra no tiene una varilla, se
deberá cortar el tubo de modo que llegue hasta la mitad de la profundidad del
cárter de aceite. Insertar el tubo por la cabeza de la bomba de vacío y apretar la
tuerca de retención, el tubo debe sobresalir aproximadamente 4 cm (1 pulgada)
de la base de la cabeza de la bomba de vacío, abrir la botella de muestreo solo
hasta que esté listo para realizar el bombeo y extraer el aceite usado, conectar
una nueva botella de muestreo a la bomba de vacío e inserte el extremo del tubo
en el aceite, no permita que el tubo toque el fondo del compartimiento, accionar
la manija de la bomba para crear un vacío, mantenga la bomba en posición
vertical, si se voltea se puede contaminar con el aceite, si le entra aceite a la
bomba, desármela y límpiela antes de tomar la muestra, llenar tres cuartas partes
de la botella para muestras, no se debe llenar completamente, por último, sacar
el tubo del compartimiento, extraer la botella de la bomba de vacío y asegurar
la tapa a la botella. Luego se coloca la botella con la etiqueta debidamente llenada
en el tubo de envío para que lo pueda recibir el laboratorio (Figura 2).
El laboratorio certificado (Figura 3) proyecta sus resultados en cada muestra
de aceite bajo el número TBN (Total Base Number), que se refiere a la reserva
alcalina o básica de los aceites para neutralizar los ácidos procedentes de la
combustión y de la propia oxidación del aceite debido a las temperaturas
elevadas (Martínez, 2005). Un valor de TBN a la mitad del obtenido del aceite
estándar (según los datos del laboratorio certificado es 4.65), se considera como
límite inferior de vida del aceite lubricante para motor (Bietresato y Friso, 2014).
Para realizar los cálculos y la obtención de las ecuaciones, se emplearon
software en línea, es.symbolab.com y desmos.com respectivamente. Los valores
de R 2 en ambas ecuaciones, muestran un ajuste adecuado de la ecuación
matemática.
Con la información del TBN y las ecuaciones resultantes de las
experimentaciones, se estableció la vida útil de cada aceite lubricante en los
motores ensayados.
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Figura 3
Ejemplo de resultados de análisis de aceite usado
Fuente: POLARIS laboratories
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RESULTADOS
Bajo las condiciones de funcionamiento previamente descritas, se estimaron
las vidas útiles de los aceites lubricantes (véase la Figura 4). Se ordenaron los
datos recopilados de cada análisis de aceite usado (véase la Tabla 1), luego con
el uso del software en línea, desmos.com, se graficaron los datos y se obtuvo
una ecuación de tendencia para cada motor (Ecuación Uno y Dos). A partir de
esto, se utilizó el software en línea es.symbolab.com, para resolver las ecuaciones
con un valor de y=4.65, equivalente a la mitad del valor TBN de 9.3 estándar
del aceite de motor nuevo. El valor de 4.65 se consideró como un TBN crítico.
Los resultados de la estimación son, para el Motor 1 de 561 horas, y para el
Motor 2 de 460 horas.
Ecuación Uno
Con R2=0.9886
Ecuación Dos
Con R2=0.9319
Figura 4
Gráficas de resultados en ambos motores
Fuente: elaboración propia
Tabla 1
Resultados de los análisis de aceite usado
Muestra
TBN Motor 1
TBN Motor 2
1 (estándar)
9.3
9.3
2
8.47
8.65
3
6.93
7.4
4
7.07
8.32
5
7.85
7.74
Fuente: Elaboración propia a partir de los datos de la empresa POLARIS S.A.
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DISCUSIÓN
Es difícil realizar una comparación directa de estudios previos, ya que la
mayoría de estos han empleado biodiesel como tal, es decir, un combustible
obtenido a partir del reciclaje de aceite usado de origen vegetal y no una mezcla
de combustible fósil con aceite vegetal, además, las aplicaciones de los motores
y carga de trabajo fueron distintos.
La investigación de Suthisripok, y Semsamran (2018), se enfocó en el
análisis de los efectos que tenía el uso de biodiesel puro (B100) en las
propiedades del aceite de un motor monocilindrico de baja cilindrada. En su
estudio, los investigadores emplearon aceite SAE 40 y no se reporta la calidad
de este, el motor trabajó durante 12 horas diarias con una carga de aireación
para un estanque de peces, la duración fue de 1000 horas y recambios totales
del aceite cada 100 horas, tiempo en el que se tomaron las muestras de aceite
usado. Los estudios incluyeron el análisis completo del lubricante y un estudio
ferrográfico para conocer con mayor profundidad el desgaste del motor.
Debido a que la investigación se desarrolló en un motor monocilindrico,
con condiciones de mantenimiento continuo bajo el esquema recomendado por
el fabricante y con muestreo antes del recambio de aceite total, se dificulta
realizar una comparación relevante, ya que solo se comparte la metodología de
la experimentación de forma parcial, es decir, el uso de biodiesel y su incidencia
en la degradación del aceite de motor.
Por su parte Kardos, S. y Pietriková, (2016), estudiaron los cambios en la
constante dieléctrica del aceite de motor y como esto puede indicar la presencia
de contaminación, por agua, combustible, impurezas, etc. así como cambios en
la composición del aceite de motor por oxidación y deficiencia de aditivos. La
experimentación se realizó en un automóvil a gasolina con aceite SAE 10W30.
En esta investigación se buscó estimar la vida útil del aceite lubricante, sin
embargo, fue a través de una variable distinta a la expuesta en el presente estudio
y no se comparte las mismas condiciones de aplicación del combustible.
Bietresato y Friso (2014), desarrollaron un estudio de campo de durabilidad
del aceite de motor a 800 h, en un motor diésel normalmente utilizado en un
tractor agrícola de potencia media a alta (118 kW), alimentado con biodiesel
puro (B100). Se analizó la composición química del aceite lubricante, SAE
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15W40 sin especificar la calidad de este, a intervalos de tiempo establecidos y
antes de cada cambio. En esta experimentación se obtuvieron datos de TBN a
60, 180, 440 y 630 horas de funcionamiento, el valor del aceite estándar fue de
10 y el mínimo se encontró a 440 horas con 2.10. A pesar de que este estudio es
el más similar respecto a la metodología empleada en la investigación planteada,
los recambios de aceite, el tipo de combustible empleado y la carga de
funcionamiento de los motores difieren.
Wei y colaboradores (2020), realizaron una comparación entre los sistemas
independientes de monitoreo de degradación del aceite de motor y análisis de
aceite usado con el empleo de un espectrómetro infrarrojo para estudiar los
cambios en la composición de oxidación, nitración, sulfatación y zinc, pruebas
de TAN y temperatura de oxidación con un calorímetro. En la experimentación
incluyeron tres automóviles de pasajeros con motor a gasolina, con 10, 5 y 0
años de antigüedad. Los aceite empleados fueron SAE 5W40 y 5W30. Con los
resultados se realizaron modelos matemáticos y estadísticos para la predicción
de la vida útil del aceite de motor de una forma similar al presente estudio.
CONCLUSIONES
1. Se estimó la vida útil del aceite lubricante empleado en un motor de
combustión interna, con el uso de ecuaciones matemáticas de forma similar
a otros estudios que aproximan el comportamiento de la degradación del
aceite en el tiempo.
2. Se compararon las mediciones de la reserva alcalina total del aceite
lubricante utilizado en dos motores que emplearon biodiesel como
combustible, en dos porcentajes distintos y no se encuentran diferencias
en ambas mediciones, por lo que se puede asegurar que el aceite lubricante
empleado contó en todo momento de la experimentación, con suficiente
cantidad de aditivos neutralizadores de los ácidos producto de la
combustión y el empleo del biocombustible.
3. Se estableció la cantidad máxima de aceite vegetal que puede contener una
mezcla de biodiesel, para el funcionamiento adecuado en los motores de
combustión interna seleccionados, la cual fue del 100%, pero no se
utilizaron los valores máximos en la experimentación, ya que se podrían
deteriorar piezas internas de la bomba de inyección e inyectores de los
sistemas de alimentación de los motores por la carencia, en al aceite vegetal,
de agentes lubricantes adecuados.
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4. Con el uso de ecuaciones matemáticas se determinó el comportamiento de
la degradación del índice TBN del aceite lubricante utilizado en la
experimentación con los motores, se logró obtener tiempos estimados de
561 y 460 horas de vida útil para el aceite de motor ensayado antes de que
llegue al 50% del número TBN estándar, sin embargo, se requiere de más
análisis de aceite usado para validar estas predicciones y continuar con
ensayos en los motores a mayor cantidad de horas.
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Cómo citar este artículo:
López Rodríguez, S. A. (2023). Estimación de la vida útil del lubricante empleado en motores
que utilizan una mezcla biocombustible. Revista de Investigación Proyección Científica, 5(1), 101-112.
https://doi.org/10.56785/ripc.v5i1.76
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