Detergencia en los aceites lubricantes de motores de combustión

Resumen

Los aceites lubricantes usados en motores de combustión tienen como una de sus propiedades de importancia a la detergencia, esta propiedad tiene como fines principales el prevenir la formación de lodos y neutralizar la acidez en el aceite. La detergencia es una propiedad relacionada con la alcalinidad del lubricante y es alcanzada mediante el uso de aditivos. El presente documento refiere información relacionada con la propiedad detergente, su degradación, metodología de evaluación y comportamiento ante añadidos de aceite.

Introducción

En la industria, una de las funciones complementarias del aceite lubricante para motores de combustión es preservar la limpieza de sus partes mecánicas, la limpieza de estas partes es facilitada por el uso de aditivos dispersantes y detergentes.

Los aditivos detergentes en los aceites son aquellos cuya principal misión es la de evitar o minimizar la formación de depósitos (hollín, carbonilla y otros productos secundarios de la cámara de combustión) en las partes calientes del motor de combustión, principalmente en el pistón, los alojamientos de segmentos o anilla cilindros, los pistones y las válvulas. Estos aditivos, se encargan de reducir la tensión interfacial entre el aceite y el contaminante para desplazar a este último de la superficie del metal. Por su característica alcalina o básica también previenen la oxidación del aceite con el consiguiente efecto anticorrosivo en el motor de combustión, sobre todo en los cojinetes.

La composición de los aditivos detergentes, comprende a fenatos sulfonizados de alta basicidad o silicatos, la estructura del fenato es la que proporciona propiedades antioxidantes, ayudado por el contenido de azufre (sulfonizado) además de las consecuentes propiedades anticorrosivas. Otro de los componentes de estas sales son los elementos metálicos, principalmente el calcio, bario o el magnesio que ayudan a tener una referencia base del contenido detergente en un aceite lubricante a partir del contenido en ppm (partes por millón) mediante un análisis de aceite.

Relación de la reserva de alcalinidad y la detergencia en el aceite

La reserva de alcalinidad del aceite a través de la medición del TBN o reserva básica, guarda relación con el aditivo detergente, puesto que la alcalinidad, detergencia y dispersancia se seleccionan, con una mayor alcalinidad, en función del tipo combustible del motor, por ejemplo: un combustible diesel de elevado contenido de azufre requerirá un mayor nivel de alcalinidad.

Existe una relación de proporción directa entre la detergencia y alcalinidad del aceite como se ve en la Figura 1; sin embargo, hay que tener cuidado puesto que esta relación puede no ser determinante para afirmar la perdida de detergencia del lubricante.

Figura 1. Relación entre la detergencia y el TBN (Tormos)
Figura 1. Relación entre la detergencia y el TBN (Tormos)

En un estudio sobre la reserva de alcalinidad en aceites lubricantes, se utilizan tres aditivos detergentes: fenato de calcio, sulfonato de calcio y sulfonato de magnesio, los tres lubricantes de formulación completa, similares en todo, excepto en la tecnología detergente. En este estudio se presentan dos de los métodos para medir la reserva de alcalinidad del aceite, la ASTM D2896, para aceites nuevos y la ASTM D4739 para aceites usados, consistiendo el método básicamente en la adición de cantidades de ácido al aceite hasta neutralizar la reserva alcalina. Una de las conclusiones de este estudio, es que, dependiendo del aditivo detergente, específicamente para el caso del sulfonato de magnesio, este podría preservar alcalinidad, conservar aún propiedades detergentes, pero aun así permitir el incremento de acidez y crear un medio corrosivo en el motor.

Figura 2. Incremento del AN (número ácido) en la prueba de neutralización ácida (Van Dam, 2002)
Figura 2. Incremento del AN (número ácido) en la prueba de neutralización ácida (Van Dam, 2002)

La capacidad del aceite de prevenir la corrosión de los cojinetes de motores de combustión es constantemente evaluada de acuerdo a protocolos estandarizados como la prueba Mack-T9[1] que es parte de la especificación API CH-4, que es una especificación para aceites de motores diesel. Esta prueba tiene la virtud de ser realizada durante 500 horas, en las cuales la mayor parte del BN (número básico) se pierde y el AN (número ácido) se incrementa, en muchos casos incrementando el contenido de plomo por la corrosión de los cojinetes.

Tabla 1. Aceite de prueba Mack T-9
Tabla 1. Aceite de prueba Mack T-9 

En la Tabla 1, se muestran las pruebas de número básico de acuerdo a la ASTM D4739, en las cuales los aceites con contenido de aditivo detergente con calcio presentan un mayor nivel de disminución del BN, mayor en comparación a un aceite con aditivo con contenido de magnesio. 

A partir de estas pruebas es posible decir que el nivel de acidez o alcalinidad del aceite puede no ser determinante al momento de evaluar la detergencia o la dispersancia a pesar de ser ambas propiedades son consecuencia de aditivos alcalinos. 


[1] El protocolo de prueba Mack T-9 es aplicado en la clasificación API CH-4, para un aceite CI-4 se usa la Mack T-10, con una duración de prueba menor, igual a 300 horas

Causas de la degradación de la detergencia en el aceite

La degradación de la propiedad detergente se debe, de manera normal, al efecto de la combustión en los motores; sin embargo, una degradación anormal o acelerada de la detergencia puede deberse a otras causas.

Los aditivos detergentes de mala calidad o insuficientes, son evidencia de un aceite de baja calidad verificable mediante un análisis de aceite y comparable con el contenido de calcio u otro detergente. Un buen aceite API CI-4 para motores de combustión diésel tendría cerca de las 3000 ppm de detergente y un aceite para motores a gasolina SN, que incluye mezcla con aceites sintéticos, tendría un nivel de 2000 ppm de detergente.

Un combustible de mala calidad con alto o muy alto contenido de azufre (caso del diésel), principalmente por la formación ácido sulfúrico producto de la combustión, acelera la degradación de la detergencia en el aceite en función del tipo de aditivo detergente. En este caso la selección adecuada de la alcalinidad y detergencia del aceite será determinante con referencia al combustible.

La mala combustión es otra causa de una degradación acelerada de la detergencia, por un lado, una mezcla demasiado rica en combustible producirá un sobrecalentamiento promoviendo la oxidación, así como una combustión incompleta producirán presencia de combustible no combustionado (dilución) que acelerará la degradación del detergente.

El realizar rellenos con aceites de menor contenido detergente o de aditivos detergentes de mala calidad, bajará el contenido detergente y en consecuencia acelerará la degradación de la detergencia del aceite.

Evaluación de los niveles de detergencia

La línea base del aceite lubricante es importante para tener una percepción del contenido alcalino en el aceite y por tanto de los aditivos detergentes relacionados, ya sea mediante la medición del TBN o contenido de elementos metálicos en ppm; sin embargo, como ya se ha revisado en párrafos anteriores, estos pueden no ser determinantes para la determinación de la degradación de la propiedad específica de la detergencia.

Una metodología es hacer una evaluación de la detergencia a partir de los resultados de la medida de insolubles expresando el nivel de detergencia como cociente entre los insolubles en pentano con y sin coagulante.

Otra metodología es el ensayo de mancha de aceite, que es una técnica de campo rápida y sencilla de realizar.

Otro método más sofisticado es el análisis de mancha de aceite mediante la utilización de fotometría, que a partir de la digitalización de la imagen de la mancha de aceite permite calcular la detergencia en función de la homogeneidad de las áreas y de la proyección de la mancha.

Análisis del ensayo de la mancha

El ensayo de la mancha de aceite, puede ser subjetiva; sin embargo, bien aplicada permite determinar las propiedades de un aceite de motor usado a partir de su dispersión en un papel absorbente. Las distintas partículas en el aceite lubricante son arrastradas por el frente de la mancha, pudiéndose determinar tanto los contaminantes del aceite como las propiedades de detergencia del lubricante.

La prueba se realiza a temperatura ambiente, en condiciones normales a 20 °C, teniendo el proceso varios pasos.

Se debe tomar una muestra representativa de aproximadamente 5 ml de lubricante.

Se introduce una varilla de unos 5 mm de diámetro en la muestra hasta que el extremo quede manchado de aceite.

Se deja caer una gota sobre papel absorbente y se observa la evolución de la mancha dejando el papel en posición horizontal durante 24 horas. Pasadas 24 horas la mancha presentará las zonas observables en la Figura 3.

Figura 3. Estructura de mancha de aceite
Figura 3. Estructura de mancha de aceite 

En la mancha de la Figura 3 se distinguen las zonas cuya observación determinan la degradación de propiedades y contaminación del aceite.

  • La zona central caracteriza la cantidad de materia carbonosa contenida en el aceite, por su color más o menos oscuro, pero uniforme.
  • La aureola indica, con su mayor o menor grosor y coloración, caracteriza el contenido de partículas gruesas carbonosas o de contaminantes.
  • La zona intermedia o de difusión es la característica de la dispersión del carbón en el aceite y por tanto de su poder de detergencia.
  • La zona exterior, desprovista de materias carbonosas da idea del grado de oxidación del aceite, normalmente debe ser traslúcida y sin coloración alguna.

Uso de la fotometría en análisis de la mancha de aceite

Para incrementar la precisión y repetibilidad de la evaluación de la mancha de aceite, se ha desarrollado el uso de la fotometría como técnica de evaluación de la mancha de aceite.

La compañía ISL (Instrumentation Scientifique de Laboratoire) ha desarrollado el método incorporando una cámara CCD (Charged Coupled Device) que mide la absorción de la luz a través de la mancha. Esto elimina la subjetividad y reduce los aspectos arbitrarios del método manual tradicional, produciendo resultados imparciales y de alta precisión. El fotómetro del ISL modelo VPH 5G CCD es un pequeño dispositivo de evaluación de la mancha de aceite que puede ser utilizado en aceites lubricantes de motores diesel y gasolina.

Para llevar a cabo la prueba, se calienta la muestra representativa a 240 °C por cinco minutos. Una vez que el aceite se enfría, aproximadamente 2 ml se deposita en papel cromatográfico y se deja por una hora a 80 °C por una hora.

El equipo mide la opacidad de cada mancha, calculando e índice de contaminación (IC) la dispersancia residual (MD) mediante la absorción de la luz en la parte central de la mancha, que proporciona una medida del hollín insoluble presente en las muestras y mediante una distribución radial de la absorbancia que está relacionada con la detergencia o dispersancia del aceite.

El índice de contaminación que representa la concentración de materia carbonosa insoluble presente en el aceite, está afectado por diversos factores como: aplicación, tiempo de servicio del lubricante, entorno de operación, etc. Esta medida es representada en una escala desde 0,1% hasta 3,5%.

La dispersancia o detergencia residual (MD) refleja la habilidad del aceite para separarse homogéneamente a lo largo de la mancha y depende de la calidad dispersante del aceite. Este parámetro es expresado mediante un índice que varía entre 100 (dispersancia ideal) y 0 (sin reserva dispersante).

La degradación ponderada (DP) es un índice que mide este equipo, el cual contiene a los parámetros MD e IC, que da una medida de la degradación de dichos parámetros.

DP=(100-MD)IC 

Tabla 2. Estructura de mancha de aceite (Tormos)
Tabla 2. Estructura de mancha de aceite (Tormos)

Evolución de la detergencia en el periodo de uso del aceite

La detergencia es una propiedad que se pierde en el periodo de uso del aceite, considerando la degradación normal de los aditivos detergentes. El añadido de un aceite con elevada alcalinidad y detergencia a un aceite en proceso de degradación, generará una mezcla de mejores condiciones de detergencia que el aceite en degradación.

En la Figura 5, referida a la evolución del nivel de detergencia con el periodo de uso del aceite, se muestra el efecto de los añadidos de aceite en el periodo. El aumento de aceite crea una mayor dispersión de datos en la gráfica hasta alcanzar un nuevo valor de detergencia, manteniéndose el proceso de degradación.

Figura 4. Evolución de la detergencia en el periodo de uso del lubricante (Tormos)
Figura 4. Evolución de la detergencia en el periodo de uso del lubricante (Tormos)

De manera ideal el efecto del añadido de aceite tendrá un efecto de incremento y decremento en la alcalinidad (TBN) del lubricante formando un “diente de sierra” en función de los períodos de añadido de aceite similar a lo mostrado en la Figura 5.

Figura 5. Incremento de alcalinidad en función de añadidos de aceite en el tiempo
Figura 5. Incremento de alcalinidad en función de añadidos de aceite en el tiempo

Conclusiones

La detergencia como propiedad del aceite lubricante guarda una relación proporcional con la alcalinidad; sin embargo, el TBN no es determinante en la evaluación de la degradación de aditivos detergentes. Los aceites con una mayor alcalinidad y elementos metálicos (Ca, Mg) en ppm que son parte de los aditivos detergentes son usados en la lubricación principalmente de motores de combustión interna y estarán en función de la especificación API necesaria para cada caso. El método de mayor versatilidad para la evaluación de la detergencia es el método de la mancha de aceite, el cual puede ser subjetivo cuando se realiza de forma manual; sin embargo, esta característica es superable mediante el uso de la fotometría que aporta repetibilidad y precisión en la evaluación de la detergencia. Finalmente, el añadido de aceite lubricante durante la operación, tenderá a crear inicialmente una dispersión en los datos de detergencia hasta llegar a un nuevo valor; sin embargo, la tendencia a la degradación de la propiedad detergente prevalece.

Referencias

  1. Tormos, B. (s.f.). Diagnóstico de motores diesel mediante análisis de aceite usado. Valencia, España: Universidad Politécnica de Valencia.
  2. Troyer, D. (1999). Using photometry to analyze engine oil soot.
  3. Widman, R. (2014). La determinación de degradación de lubricantes por análisis de laboratorio.
  4. Van Dam, W. (2002). Measuring Reserve of Alkalinity. 34-37.

Autor: Carlos Vladimir Beltran Valero
MSc. Ing. Electromecánico, MLE
Correo: carlos.beltran.ing@gmail.com 
LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/carlos-vladimir-beltran-valero-15b66173/

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