Funcionamiento y lubricación de motores a gas natural

El costo de la energía eléctrica y la conservación del medio ambiente ha sido una gran preocupación en las últimas décadas, lo que ha traído como consecuencia la búsqueda de nuevas fuentes alternativas de energía para la generación de electricidad y el transporte vehicular, que a su vez sean más eficientes, económicas y menos contaminantes.

El uso de motores de combustión interna que operan con gas natural (GN) ha sido la solución, ya que son muy eficientes en una amplia variedad de aplicaciones industriales y domésticas.

Por otra parte, muchos de los motores que actualmente funcionan a gas han sido producto de la conversión de motores a gasolina en el sector automotriz, y de motores diésel convertidos a gas natural (el fabricante ha realizado modificaciones en el diseño para el encendido con chispa y comúnmente son utilizados en la generación de electricidad), y de motores que funcionan con mezclas diésel/gas natural conocidos como motores duales; estos últimos son utilizados tanto en el sector automotriz como en la generación de electricidad.

Las nuevas y más severas regulaciones ambientales han forzado a los fabricantes de los motores a diésel y gasolina a rediseñar y adoptar modificaciones cada vez más sofisticadas, sin tomar en cuenta que la real solución es la utilización del gas natural como combustible, con un costo más bajo al compararlo con los precios internacionales de la gasolina libre de plomo y con los del combustible diésel con bajo contenido de azufre y del biodiésel.

Sistemas de lubricación en motores de combustión interna (MCI).

Toda superficie metálica, por más pulida que esté, no es completamente lisa y, si frotamos una contra otra sometiéndolas también a presión, se producirá desgaste debido al rozamiento y a la elevación de la temperatura como consecuencia de que las asperezas de cada pieza metálica tienden a soldarse, dando origen a un fenómeno llamado comúnmente “agarrotamiento o aferramiento”.

La lubricación en el motor tiene por objeto impedir el agarrotamiento y disminuir las pérdidas por rozamiento. Interponiendo entre las piezas metálicas una película lubricante, las moléculas de aceite se adhieren a ambas superficies llenando los huecos de las irregularidades y formando una película lubricante que sustituye el rozamiento entre las piezas metálicas por el rozamiento interno de las moléculas del fluido, conocida como fricción fluida, la cual produce mucho menos fricción y calor entre las piezas metálicas. Si la película de lubricante se renueva continuamente, el calor producido con el rozamiento es evacuado con ella.

Así pues, la lubricación en los motores de combustión interna tiene los siguientes objetivos:

Lubricar los componentes móviles con el fin de disminuir el desgaste, impidiendo el contacto metal-metal.
Refrigerar las partes lubricadas evacuando el calor de estas zonas.
Aumentar la estanqueidad entre los componentes, ya que la película interpuesta entre componentes como pistones y cilindros mejora el “sellado” entre ambos.
Amortiguar y absorber los choques en componentes tales como los cojinetes.

En un motor, cualquiera que sea el sistema de lubricación empleado, debe suministrarse la cantidad de aceite suficiente a todas las partes móviles para realizar la lubricación adecuada. La bomba de aceite en el sistema recoge el aceite del cárter y lo envía al filtro donde quedan depositadas las impurezas, pasando luego al bloque del motor para lubricar los cojinetes de bancada, luego a los cojinetes del cigüeñal y de biela siguiendo el recorrido a través de los conductos del cigüeñal, desde allí llega a la cadena de distribución (cadena de tiempo). También desde el bloque del motor el aceite es enviado al árbol de levas y sus cojinetes, pasando a lubricar a los balancines, válvulas y taquetes, cilindros y pistones.

En los motores encendidos por chispa (motores a gasolina y a gas natural dedicados o convertidos), como su nombre lo indica, se utiliza un sistema eléctrico externo para encender la mezcla aire/combustible existente en el cilindro. Esta mezcla, casi homogénea, es entregada por el sistema de ignición o por el carburador, los cuales controlan la cantidad y por ende la potencia del motor.

En los motores encendidos por compresión (motores a diésel y duales diésel/gas), no existen bujías de encendido, una cantidad casi constante de aire es admitida en la cámara de combustión y comprimida por el pistón; el combustible es inyectado directamente a la cámara, y la temperatura alcanzada al final de la compresión es lo suficientemente alta para encender la mezcla. El control de la velocidad y la carga se efectúa mediante la regulación de la cantidad de combustible inyectado.

Motores a GNC dedicados.

En términos de lubricación, los requerimientos deben ser subdivididos para motores de dos tiempos y para cuatro tiempos, siendo estos sistemas muy similares a sus afines, los motores diésel y gasolina, con ligeras diferencias dadas por factores tales como: Tipo de motor, tipo de operación (carga y velocidad) y por las especificaciones particulares de los fabricantes.

Motor de dos tiempos

La oxidación y nitración son las causas más comunes de deterioro en este tipo de motor, puesto que los nitratos orgánicos formados en la combustión pasan por las paredes de los cilindros al sistema de lubricación. Estos motores son muy sensibles a las cenizas sulfatadas; una cantidad excesiva de depósitos de cenizas puede provocar pre ignición y hasta pueden bloquear las lumbreras de admisión y de escape, causando disminución de potencia y pobre eficiencia de combustible. Este tipo de motor opera mejor con bajos niveles de cenizas en el aceite.

Motor de cuatro tiempos

La mayor causa de degradación del aceite en motores turbo cargados es la oxidación, y en los motores de aspiración natural es la nitración; ambas conducen a la degradación del aceite. Esta diferencia se debe a que en los motores turbo cargados las temperaturas a nivel de las camisas de los cilindros exceden los 150 °C, temperatura a la cual se descomponen la mayoría de los compuestos orgánicos nitrogenados, que aunado a la mayor limpieza del sistema de lubricación (se disponen de dos sistemas de filtración) mantienen al aceite relativamente más limpio. En ambos casos se requieren de aceites con gran estabilidad a la oxidación.

En cuanto al contenido de cenizas, los motores a gas de cuatro tiempos son más críticos que sus afines de gasolina y diésel ya que niveles muy altos de depósitos de cenizas en el sistema de combustión pueden causar pre ignición y obstrucción de las bujías, resultando en pérdida del encendido y quemado de las válvulas; niveles moderados de cenizas pueden ser beneficiosos, puesto que se pueden formar finos depósitos en las caras de las válvulas que las protegerán a la exposición directa del combustible gaseoso y de la alta temperatura, previniendo la corrosión en caliente.

El motor a gas para la generación eléctrica requiere de lubricantes especiales que posean una gran estabilidad térmica y muy bajos contenidos de cenizas sulfatadas, ya que el aceite a nivel de las cabezas de los cilindros está sometido a temperaturas muy altas, puesto que el sistema de enfriamiento de las camisas funciona con agua a temperaturas muy cercanas o por encima del punto de ebullición, pudiendo llegar hasta los 129 °C, situación en la cual el lubricante puede descomponerse o formar lacas en las paredes de los cilindros.

Hasta hoy, no existen pruebas estándar para la clasificación de desempeño de estos aceites.

Los aceites para motores a gas se pueden dividir en cuatro categorías, dependiendo del nivel de cenizas sulfatadas que poseen, las cuales son directamente proporcionales al contenido de aditivos a base de sulfonatos o fenatos de magnesio o calcio.

TiPo DE ADITIVO	% ADITIVo (Peso)	motor
Sin cenizas	<0.1%	(BN 1-3) gas natural 2T
Contenido bajo de cenizas	0.1 – 0.5%	(BN 3-6) gas natural SI
Contenido medio de cenizas	0.5 – 1%	(BN 5-10) gas natural SI DF
Contenido alto de cenizas	>1%	(BN 10+) gas de relleno sanitario SI-DF

Tabla 1. Clasificaciones de aceites para motores a gas de acuerdo con su contenido de cenizas

Los lubricantes, en su mayoría, contienen aditivos órgano metálicos que proveen propiedades detergentes, dispersantes, antioxidantes y antidesgaste. En los Estados Unidos, existen fabricantes de aceites para un alto porcentaje de motores a gas con muy bajo contenido de cenizas, aditivando su aceite sólo con zinc y fósforo, minimizando los detergentes a base de magnesio y calcio.

FABRICANTE	NIVEL DE CENIZAS
CATERPILLAR	<0.55%
CUMMINS	<0.60%
GE JENBACHER	<0.50%
WÄRTSILÄ	<0.60%
CAT/MWM	<0.50%
ROLLS ROYCE	< 0.50%

Tabla 2. Especificaciones en el nivel de cenizas para motores operando con gas natural

Por otra parte, existen casos de motores de cuatro tiempos que deben utilizar aditivos en el aceite a base de sulfonatos o fenatos, aun operando con combustibles agresivos y altas temperaturas, evitando en gran medida la corrosión en caliente y el quemado de válvulas por la formación de una película protectora de cenizas sobre la superficie. El uso de un lubricante con alto contenido de cenizas puede conducir a la formación de depósitos en la cámara de combustión y en los pistones, causantes de pre ignición, obstrucción de bujías, quemado de válvulas y posiblemente atascamiento de anillos; en motores de dos tiempos puede causar taponamiento (port plugging).

Los aceites básicos más utilizados para motores a gas son del tipo parafínico altamente refinados, ya que proveen una resistencia adicional al excesivo espesamiento, dando mayor protección a los anillos y a los cilindros. Algunos motores pueden presentar mayor tendencia a formar depósitos de carbón al utilizar este tipo de aceite en condiciones desfavorables de operación, lo cual puede ser minimizado con el uso de aditivos, sobre todo con dispersantes, que mantienen en suspensión los depósitos. Claro está que el motor debe encontrarse en buenas condiciones de operación.

Motores diésel convertidos a GNV/Diésel “Conjunto Dual”

El principio básico de operación del conjunto dual de combustible es la sustitución de una cantidad de combustible líquido (diésel y en algunos casos combustible pesado), con una cantidad equivalente de combustible gaseoso (gas natural vehicular – GNV). La cantidad de gas que se utiliza debe ser tal que sustituya el valor calorífico en BTU del diésel, sin que se produzcan pérdidas de potencia.

Existe una gran variedad de convertidores duales que generalmente se instalan a la salida del filtro de aire antes del turbocargador o del múltiple de admisión, donde se mezcla el aire con el gas natural en la relación adecuada para la combustión.

El proceso más empleado para entregar el gas natural se denomina “fumigación”, pre-mezclando el gas natural con el aire antes que entren al motor (sin cambiar el diseño original del múltiple de admisión). La mezcla aire/gas es distribuida en forma homogénea y pareja a través del múltiple de admisión y cuando la válvula de admisión de un cilindro se abre, la carga de la mezcla es introducida en el cilindro.

La temperatura que se necesita para la ignición del gas natural es mucho mayor que la que se requiere para el combustible diésel, por lo tanto la sustitución total del combustible diésel no es posible para la operación normal, puesto que la temperatura generada durante el ciclo de compresión/ignición (CI) no es suficiente para la ignición del gas natural, requiriéndose una fuente alterna de encendido. Para ello se utiliza el propio sistema de inyección del motor, se inyecta una cantidad reducida de diésel en la cámara de combustión, encendiéndose de la misma forma que en el motor 100 % diésel y creando un frente de onda para quemar el gas natural; con este sistema se utilizan mezclas donde el combustible diésel está en el orden del (20 al 35 %). Este método de combustión es conocido como “piloto de ignición” y tiene la ventaja de mantener el sistema de combustión con la lubricación requerida por el fabricante, ya que a través de este continua circulando combustible diésel.

En los motores a gas, la mezcla gas/aire se quema en el cilindro al final de la etapa de compresión utilizando una bujía (ignición por chispa) para provocar la ignición; en los motores duales se utiliza la inyección de un piloto de combustible diésel que enciende la mezcla.

Existe un tipo de motor diésel/gas que opera de forma similar al motor diésel donde solo se comprime aire en el cilindro, el gas se inyecta a alta presión al final de la etapa de compresión así como una pequeña cantidad de diésel; es de amplio uso en motores estacionarios, generadores y en servicios de transmisión por tuberías, donde se utiliza un 95% de gas y 5% de diésel.

Con ambos sistemas se ha tenido la ventaja de poder transformar un motor diésel sin incurrir en el gasto, tan costoso para muchas empresas, de adquirir un motor a gas nuevo, sin disminuir la potencia ni sacrificar la principal bondad del motor diésel: Su eficiencia térmica. Actualmente están siendo utilizados por muchas empresas de transporte público, escolares, recolectores de basura, camiones de reparto, tractores y otros, como un mecanismo alterno para disminuir costos de operación en equipos estacionarios y en el cumplimiento de las regulaciones ambientales en los vehículos de transporte.

Puesto que estos motores pueden ser utilizados indistintamente como motores duales o como motores a diésel, es recomendable ajustarse a los requerimientos de los fabricantes de los equipos, pudiendo escoger la calidad de servicio API correspondiente al aceite diésel con bajo contenido de azufre y bajo nivel de cenizas sulfatadas, que corresponde al uso de un lubricante similar al recomendando para motores a gas con un cierto contenido de aditivos a base de sulfonatos o fenatos de calcio o de magnesio, no mayor al 1% en peso.

La formulación del lubricante ideal para este tipo de operación dual depende, en gran medida, de la composición, contaminantes y porcentaje de mezcla de cada uno de los combustibles, requiriéndose de un cuidadoso balance de los aditivos ya que el aceite debe cumplir con los requerimientos de un motor diésel y uno a gas simultáneamente, sin perder de vista los requerimientos particulares del fabricante del equipo original.

La mayoría de los motores diésel que se transforman al sistema dual corresponden a motores de esta última década, usualmente turbo alimentados, post enfriados, con sistemas de recirculación de gases de escape y, en algunos casos, con inyección directa por cilindro de última generación, todos con requerimientos de lubricación de calidad de servicio API CJ-4 y multigrados para los motores en aplicaciones automotrices.

Si se compara lo que pasa en un motor cuando se utiliza la mezcla diésel/GNV, se tiene:

No hay pérdidas de potencia. El volumen de combustible diésel es sustituido por gas para mantener el mismo valor de BTU requerido por el motor.
El equipo dual no requiere modificar el sistema normal de ensamblaje del motor, sino que es instalado a la salida del purificador de aire antes del turbocargador o del múltiple de admisión, donde se produce la mezcla de aire/gas que ingresará a la cámara de combustión a través de la válvula de admisión. Por lo tanto, no se requiere de fuente o piloto de ignición ya que el pequeño porcentaje de diésel es capaz de encender la mezcla; el sistema de combustible no sufre resequedad ya que continua circulando diésel que imparte la lubricidad necesaria.
Posibilidad de extensión en los periodos de cambio de aceite, ya que solo se utiliza un 20 o 30 % de combustible diésel se disminuye la probabilidad del paso de gases al sistema de lubricación, causantes de la acidificación del aceite y del consumo de los aditivos.
Alarga la vida del motor, ya que disminuye el porcentaje de depósitos carbonáceos en la cámara de combustión a nivel de válvulas y sus asientos. La combustión casi completa del gas natural disminuye la cantidad de productos de oxidación en el escape, disminuyendo significativamente las emisiones de humos negros.

Motores a gasolina convertidos a GNV

Igual que los motores diésel convertidos, los motores a gasolina pueden aceptar gas natural como combustible y funcionar de forma dual eficientemente. En la conversión se utilizan, básicamente, dos piezas, el mezclador aire/gas (establece el grado de riqueza de la mezcla) y el variador de avance (ajusta el tiempo de encendido del motor).

Muchas personas, sin conocimiento de causa, señalan que los convertidores dañan los motores, nada más lejos de la realidad; el problema se presenta cuando el motor no está en buenas condiciones de operación (baja compresión, consumo de aceite anormal, sistema eléctrico en malas condiciones, etc.) o cuando no se han calibrado adecuadamente los componentes del convertidor.

Si el mezclador de aire/gas entrega una mezcla muy pobre (menos combustible del requerido), la temperatura descenderá debido a la reducción de gas disponible en la cámara de combustión con la consiguiente disminución de potencia, pero esto no es de extrañar, ya que un motor dedicado a gas (de fábrica) sometido a mezclas pobres presentará las mismas caídas de potencia; es indudable que un motor que opera en estas condiciones presentará una mejor economía de combustible, pero a expensas de una caída de potencia. En el caso de mezcla muy rica, relación en la que se puede extraer mayor potencia, (exceso de gas en la mezcla), ocasionará un incremento en la temperatura de la cámara de combustión, pudiéndose formar varios frentes de llama, fenómeno conocido como detonación que no es más que la auto ignición de la mezcla en la cámara de combustión causada por el calor y la presión de la carga de combustible, aunque también el tiempo en que la mezcla se ve expuesta a dichas condiciones puede ocasionar el conocido pistoneo, que es un sonido de martilleo resultado de la vibración de las paredes del cilindro causada por las ondas de presión desarrolladas por una combustión deficiente. La detonación puede llegar a causar serios daños a nivel de cabezas de los pistones, de asientos de válvulas, provocar ralladuras en los cilindros, y de ser severo, puede llegar a dañar pistones/anillos y llegar hasta la falda del pistón, por el efecto soplete.

Igual que en los motores exclusivos de gas, un tiempo de encendido o ignición adelantada, aumentará la presión en la cámara de combustión, incrementando la probabilidad de detonación, pero es muy probable que pase desapercibido en los primeros momentos debido a las características anti detonantes del gas, 130 octanos. Aunque no sea evidente el pistoneo, habrá aumento de temperatura en la cámara de combustión que la irá dañando progresivamente. Por lo tanto, solo habrá daños en el motor cuando las dos piezas fundamentales del convertidor estén mal ajustadas.

Muchos habrán oído decir que “la conversión le cristalizó el motor”. Esta expresión se une al glosario de expresiones incultas y mitos tales como “se carearon las válvulas”, “se quemó el embrague”, “el motor no quiere prender en la mañana”, o también “el GNV me quemó el motor”.

Durante la elaboración de esta recopilación técnica, se analizaron más de 20,000 motores, de los cuales el 80% tiene un promedio de vida de 12 años y más de 300,000 Km recorridos. Lo que se observó al abrir los motores para su reparación debido a que el motor llegó al final de su vida útil, es que las válvulas, pistones y cilindros estaban limpios, sin depósitos y sin cenizas, hasta las paredes de los cilindros estaban limpias, tipo espejo. Esto se debe a que al quemar gasolina se forman depósitos de carbón, cenizas y residuos de plomo alojados en toda la cámara de combustión, en cambio, al usar GNV con el mismo ciclo de trabajo, urbano de parada/arranque o de carretera, no se formarán depósitos de carbón y los cilindros se verán limpios ¡como cristalizados!

Por otra parte, es importante recordar que muchas piezas de un carburador son sensibles a la resequedad ya que muchos de sus componentes están recubiertos de gomas, y los sellos vienen diseñados para estar sumergidos en combustible. Si al final de la operación del motor se dejan totalmente secas las líneas de gasolina (por apagar el motor en GNV), al tratar de encenderlo nuevamente, después de un periodo prolongado (por ejemplo desde la noche a la mañana siguiente), le costará al motor succionar gasolina desde el depósito o tanque. Para evitar este contratiempo es recomendable pasar a gasolina, permitiendo la hidratación de los componentes mencionados y luego apagar el motor, asegurándose así, que exista combustible en el momento del encendido. En los vehículos con inyección no existe este problema, ya que el cambio de gasolina a gas y su inverso ocurre automáticamente; cada vez que se enciende el motor lo hace con gasolina y después pasa a gas al superar las 2,500 rpm.

El deterioro del embrague se da principalmente en los taxis, por ejemplo en condiciones de carga de 4 a 6 maletas y de 2 a 4 pasajeros. Con esta carga y un motor relativamente gastado se puede generar deterioro del embrague cuando el conductor aplica un doble embrague para obtener la misma potencia que cuando utiliza gasolina. ¡Pero todo auto pierde potencia en estas condiciones! ¡La pérdida de potencia del paso de gasolina a GNV es equivalente a encender el aire acondicionado de su vehículo!

Si se compara lo que pasa en un motor cuando usa gasolina y cuando utiliza GNV se tiene:

Con gasolina:

Se acumula carbón en toda la cámara de combustión.
Pasa el carbón en forma de hollín al cárter del sistema de lubricación.
Disminuye la película lubricante en las paredes de los cilindros debido al efecto de dilución de la gasolina.
Los productos de la combustión, NOx, CO, Plomo, etc., deterioran al escape, carburador y bujías.
Gran cantidad de gases contaminantes al ambiente.

Con GNV:

No hay formación de carbón durante la combustión debido a que esta es casi completa.
El gas natural no provoca adelgazamiento de la película lubricante en las paredes de los cilindros puesto que es un gas, y por lo tanto es seco, lo cual disminuye la fricción y reduce el desgaste.
Aumenta el intervalo de cambio de bujías, escape y de aceite puesto que no están expuestas a contaminantes externos.
Las emisiones al ambiente están muy por debajo de los límites permitidos.

Por lo tanto, cuando se quemen las válvulas, se dañe un pistón o el cigüeñal, se deberá al uso del vehículo y no al uso de GNV.

Conservación del medio ambiente

Son muchos los esfuerzos que están realizando los países industrializados para proteger el medio ambiente y el aire que respiramos. Se está promoviendo la utilización del GNV y de la gasolina libre de plomo con el convertidor catalítico de gases de escape con el fin de crear consciencia en la población, así como de leyes y disposiciones de las agencias de Medio Ambiente, Minas y Transporte para su utilización en el próximo milenio. A través de esta campaña, ya mucha gente ha podido conocer los beneficios de la conversión de motores a gasolina a GNV, tanto para la protección del motor y de su lubricante, pero muy poco conocen de la conversión dual Diésel/GNV.

Si se observan detenidamente las emisiones de los vehículos en una avenida o autopista constatará que son los camiones y autobuses los más contaminantes; sus emisiones negras y de olor irritante contiene tanto compuestos de nitrógeno (conocidos por NOx), como hidrocarburos (humo negro) y óxidos de carbono (CO), y los desagradables compuestos de azufre (SOx). Todas estas emisiones pueden ser minimizadas a través de la conversión de estos motores diésel a duales con el correspondiente catalizador de gases de escape. Pero no solo la conversión diésel contribuye a mejorar el aire que respiramos, sino que también ayuda a prolongar la vida del motor y de su lubricante y disminuye en gran medida los costos de operación por combustible para las empresas, ya sean de transporte o industriales.

Ya que este motor es producto de la conversión de un motor diésel a casi un 100% gas, es de esperar que los períodos de drenaje se puedan extender significativamente. Si asumimos que el resto de los sistemas de la unidad donde está instalado el motor convertido están en buenas condiciones de operación (admisión, refrigeración y combustión), podríamos pensar que la degradación del aceite vendrá determinada por la vida misma del lubricante, que será tan larga como así lo especifique el proveedor de este y un cierto porcentaje menor debido al consumo de una pequeña proporción de diésel.

De todos es conocido que el mayor desgaste de un motor ocurre en el arranque, momento en el cual el aceite debe lubricar puntos tan lejanos como el tren de válvulas y las paredes de los cilindros. Los motores convertidos comienzan su operación con solo combustible diésel, impartiendo la lubricidad mínima a nivel de cilindros en ese momento tan crítico (el sistema convertidor posee una válvula térmica que impide la activación del gas hasta que el motor no llegue a la temperatura de operación normal), por lo tanto el uso del convertidor no generará un desgaste adicional.

Por otra parte, pruebas de laboratorio y en el campo han demostrado que el volumen de combustible “quemado” en un motor diésel determina en gran medida la vida útil de un lubricante. Por ejemplo en un motor Caterpillar turbo alimentado en buenas condiciones, se pueden consumir 255 galones de diésel por galón de aceite antes de alcanzar el nivel máximo de contaminación de aceite que amerite su remoción; para un motor de aspiración natural se estiman 280 galones de combustible por galón de aceite. Si solo se utiliza un 20% de diésel se podría extender el periodo de cambio de aceite más allá del doble o del triple de los requeridos por CAT.

La determinación de la vida útil de un aceite puede ser determinada realizando análisis de aceite periódico, que indicará a mantenimiento el momento justo para el cambio del aceite, pudiendo utilizase los criterios de remoción que se delimitan en los motores a gas.

Es indudable que, cuando un equipo es utilizado de forma racional por operadores y sometido a buenas prácticas de mantenimiento, se reducen significativamente los niveles de contaminación que pueden ocasionar desgaste, y si además se disminuye la probabilidad de formación de depósitos que ocasiona la operación con combustible diésel (hollín, barniz, laca y gases ácidos por la fuga de gases de combustión), tendremos un aceite con menor degradación y un motor sujeto a menor corrosión, pudiendo extender su vida útil más allá de lo especificado por el fabricante.

Con la finalidad de analizar el impacto del uso del gas natural sobre los motores, se conformó un equipo de representantes del “Gas Research Institute”, “Caterpillar Inc.”, “Clean Air Partners”, y “Power Systems Associates”, a fin de evaluar el comportamiento y durabilidad del motor y vida del lubricante en motores de servicio pesado, convertidos con el sistema dual diésel/gas. El ensayo se realizó en un motor Caterpillar modelo 3176B de 10.3 litros convertido al sistema dual con inyección piloto de combustible diésel durante un periodo de 1,000 horas. El comportamiento del motor fue evaluado a lo largo del ensayo, y su lubricante analizado a intervalos regulares; la durabilidad del motor incluyó el desarme de todas las piezas con inspecciones visuales y dimensionales de los componentes críticos.

En cuanto a la durabilidad, encontraron que no existía desgaste atípico, en cambio, la condición de muchos componentes sugirió un incremento en la vida del motor. En el comportamiento del motor se evaluaron 94 características cada cuatro horas, de las cuales ningún resultado indicó disminución del desempeño al ser comparado con los resultados del motor 100% diésel que se estaba utilizando como patrón. En relación con los análisis de aceites realizados cada 50 horas de operación, sugirieron que los intervalos de drenaje podían ser extendidos, y confirmaron que el desgaste de los metales se había reducido, indicando mayor vida para el motor.

Por lo tanto, su conclusión fue que “Los ensayos de durabilidad, rendimiento, comportamiento y de análisis de lubricante en un motor diésel convertido al sistema dual Diésel/GNV, indican mayor durabilidad, intervalos de servicio más largos y reducción de costos en lubricantes al ser comparado con un motor diésel”.

Programa de análisis de aceite

Un programa de análisis de aceite desarrollado para el mantenimiento preventivo evita paradas costosas de su motor y extiende su vida útil a través de la evaluación de “la sangre que circula por él” y que, en gran medida, refleja las condiciones de operación y de mantenimiento.

El análisis de partículas metálicas en suspensión, producto de desgaste por contaminación o por degradación de aditivos, permite conocer la concentración de desgaste de la muestra de aceite sometida a evaluación, y el seguimiento o monitoreo determinará la condición futura, así como el momento apropiado para que mantenimiento programe y ejerza acciones correctivas, sin paradas inoportunas y costosas para las empresas.

La evaluación de la condición del lubricante determina el momento justo en el cual el lubricante ha perdido su capacidad de proteger al motor, además, a través de los resultados se pueden evaluar las condiciones de operación de los equipos periféricos al sistema de lubricación (sistemas de enfriamiento, combustión, admisión y escape) que pueden estar afectando el desempeño del aceite y del motor.

Si bien existen límites o valores condenatorios para muchos de los parámetros que se evalúan en una muestra de aceite usado, los mismos dependerán del tipo de motor (muchas veces hasta de la marca y modelo), del tipo de servicio y de los combustibles utilizados, por lo que las decisiones de mantenimiento y los periodos de cambio de aceite deberán basarse en las tendencias encontradas mediante la evaluación frecuente de los aceites, tomando los límites condenatorios sólo como guía o referencia.

Como un ejemplo de los beneficios que se obtienen al trabajar con un programa de análisis de aceites usados, a continuación se hace referencia a la interpretación de resultados de un motor a gas.

Análisis de aceites usados en motores a gas

Las pruebas que se realizan frecuentemente son: Análisis de metes por espectrometría de emisión atómica (AES, por sus siglas en inglés) por disco rotatorio, viscosidad cinemática, AN/BN, espectrometría infrarroja por transformadas de Fourier (oxidación, nitración, agua, carbón, aditivos antidesgaste, etc.).

Evaluación de la viscosidad cinemática

Un incremento en la viscosidad en estos motores es usualmente debido a la presencia de productos de oxidación, nitración o a la degradación del aceite por extensión en los intervalos de cambio, por altas temperaturas de operación, bajas temperaturas de enfriamiento de las camisas, por mezcla inapropiada o por ingreso de gases producto de la combustión (blow-by). Contaminantes tales como polvo, insolubles o partículas de desgaste pueden espesar al aceite, causando un incremento significativo de la viscosidad. Un descenso en esta propiedad no es usual, ya que no existe la posibilidad de dilución por combustible, aunque al utilizar aceite multigrado, especialmente en equipos automotores, es posible un descenso leve en la viscosidad debido a que el aditivo mejorador del índice de viscosidad puede sufrir cizallamiento (ruptura del polímero con que está hecho el aditivo mejorador de índice de viscosidad) en las primeras horas de operación sin consecuencias en el motor, ya que ha sido previsto por el fabricante del lubricante y del motor.

Contaminación con agua

El agua puede estar presente en el aceite por condensación de los gases de combustión o por fugas del refrigerante, siendo ambas causantes de degradación acelerada del lubricante, ya que se producen lodos y ácidos corrosivos. Existen muchos métodos para evaluar este contaminante, siendo el la prueba de crepitación la más empleada, y aunque es de carácter cualitativo, es muy útil a nivel de campo. Si en el análisis espectrométrico se encuentran presentes sodio y boro, es recomendable revisar el sistema de enfriamiento; silicato de sodio y metaborato de potasio, son utilizados como inhibidores de corrosión en el anticongelante. El glicol puede evaluarse a través del análisis por infrarrojo, donde se pueden determinar fácilmente tanto el glicol como el agua.

Oxidación y nitración

Ambas se determinan a través del análisis por infrarrojo. Estas propiedades, junto con la viscosidad, son las pruebas más importantes en los motores a gas. Aunque en la mayoría de los casos no se les asigne un límite condenatorio, su presencia e incremento son reflejo de problemas internos en el motor o en los equipos periféricos. En teoría un proceso de oxidación se debería llevar a cabo de forma lenta y progresiva debido al deterioro normal del lubricante en uso, pero la presencia de metales por desgaste (que aceleran las reacciones de oxidación del aceite) y de componentes ácidos de la combustión, producirán una degradación acelerada del lubricante. En estos motores, los procesos de nitración y de formación de residuos carbonáceos (hollín) están relacionados con la mezcla empleada en la combustión; mezclas más ricas en combustible son utilizadas por los usuarios para obtener mayor potencia y soportar mayor carga, puesto que se usa más combustible en la cámara de combustión; en este caso el consumo de combustible será mayor y se generará más hollín. Con mezclas pobres (menor proporción de combustible) mayor será la economía en combustible, pero se producirán más compuestos de NOx que saldrán por el escape (contaminando el ambiente) y producirán mayor nitración en el aceite. A mayor cantidad de aire disponible, es mayor la cantidad de nitrógeno (N2) disponible para reaccionar con el combustible. Por lo tanto la potencia, la economía del combustible y las emisiones son las características de desempeño que influirán más directamente sobre la vida útil del lubricante.

Insolubles en pentano y en tolueno

La diferencia entre las cantidades de ambos es indicativa de oxidación en el aceite. Los insolubles en tolueno están compuestos mayormente de material carbonáceo, polvo, tierra y partículas de desgaste. Los insolubles en pentano consisten en productos de oxidación orgánica. La experiencia de muchos operadores ha demostrado que en motores en condiciones normales de operación es bajo el nivel de insolubles.

BN

Esta prueba es utilizada para monitorear la pérdida de la alcalinidad de un aceite, pero en motores a gas su utilidad ha sido cuestionada ya que el azufre está prácticamente ausente en el combustible.

AN

Prueba utilizada en lubricantes industriales tales como en turbinas y en hidráulicos, que generalmente no utilizan detergentes. Pruebas en motores a gas que operan con combustible del tipo libre de azufre “gas dulce”, han demostrado que valores de AN de 2.5 a 4.0 por encima del valor del aceite virgen operan sin problemas.

Espectrometría de emisión atómica (AES)

El análisis de metales por AES es el método más utilizado para determinar el desgaste, contaminación y consumo de aditivos metálicos en el aceite usado. Los más empleados son los equipos de emisión por disco rotativo (RDE, por sus siglas en inglés) y por plasma (ICP, por sus siglas en inglés), ambas técnicas son excelentes, pero la de RDE es más utilizada debido a que son portátiles y a sus menores costos de operación. Nuevamente, es importante destacar que “la concentración de metales y sus límites dependen significativamente de la marca, modelo, tipo de servicio, intervalos de drenaje de aceite, del tamaño de poro del filtro, de la capacidad del cárter, etc.”. Las concentraciones de metales inicialmente son bajas y van incrementando con las horas de operación; un incremento rápido en alguno de ellos sugerirá un incremento en la velocidad de desgaste y posiblemente una condición anormal de operación.

Afortunadamente, son sólo unos pocos los análisis que se requieren para este tipo de motores en servicio, siendo muy similares a las pruebas para motores a diésel y los que se utilizan en el sistema dual diésel-gas. La mayor diferencia está en los contaminantes derivados de la naturaleza del combustible, tales como agua, polvo atmosférico, material carbonáceo, combustión y partículas de desgaste. Si se cumplen las buenas prácticas de muestreo, los contaminantes reflejarán las condiciones de operación a la que está sujeto un motor. Es importante tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

Bajas temperaturas de operación o periodos de operación cortos e infrecuentes pueden condensar agua en los gases de combustión.
Sistemas de admisión de aire en mal estado permiten el ingreso de aire sin filtrar cargado de polvo, tierra y otros contaminantes que debido a su alto poder abrasivo, promueven el desgaste a nivel de la cámara de combustión (especialmente en las paredes de los cilindros) y luego al sistema de lubricación con resultados que pueden llegar a ser catastróficos, ya que podrían provocar ralladuras a nivel de cojinetes y/o bocinas.
Una combustión pobre produce pérdida de potencia, humo por el escape y carbón en el aceite, el cual debería ser dispersado por los aditivos y atrapado por el sistema de filtración.
En cuanto a las partículas metálicas, se producen lentamente bajo condiciones normales de operación a lo largo de la vida útil del motor, pero en presencia de los contaminantes antes señalados se acelera el proceso de desgaste.
Altas temperaturas y falta de ventilación durante el servicio promueven la oxidación e incrementan la viscosidad, promoviendo la formación de barnices y lodos.
Compuestos productos de la combustión, ácidos y NOx, promueven la degradación del aceite (depósitos y barnices) y la corrosión.
Falta de ventilación del cárter (filtros en mal estado y/o presión diferencial incorrecta), impide la remoción de agua que normalmente se evapora a la temperatura de operación del motor.

Referencia: Beatriz Leal. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América