Análisis estadístico comparativo de propiedades de aceites lubricantes usados en motores de combustión interna de una planta de generación eléctrica

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TITULO: Análisis estadístico comparativo de propiedades de aceites lubricantes
usados en motores de combustión interna de una planta de generación
eléctrica.
TITLE: Statistical analysis comparing properties of lubricating oils used in internal
combustion engines of an electric power plant.
AUTORES: Ítalo Jorge Tavares Jimenez1;Iván Leandro Rodríguez Rico2; Arnaldo Manuel
Herrera Artiles2; Francisco Beraldo Herrera Fernández2; Alcimar de Jesus
França3; Jandecy Cabral Leite1;Oiama de Asis Guedes3.
1 ITEGAM - Instituto de Tecnologia Galileo da Amazônia, RuaIpixuna, 510 /Sub-esquina
comRuaVisconde de Porto Alegre. Centro. Manaus – Amazonas – Brasil +55(92) 3584-6145/3248-
2646 Site: www.itegam.org.br, jandecycabral@hotmail.com
2 Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuani Km 5.5. Santa Clara. Villa
Clara, Cuba.
3Companhia Energética Manauara, S.A. AM 010, Km 20, s/nº, Zona Rural, CEP 69059-000,
Manaus, Amazonas, Brasil.
RESUMEN
En el trabajo se presentan los resultados del análisis comparativo del comportamiento de algunas
propiedades del aceite lubricante usado en cinco motores de combustión interna Wärtsilä, en la
generación de energía eléctrica. El análisis estadístico se realizó usando el software Statgraphics
Plus 4.1 haciéndose una comparación de medias de muestras múltiples. Se compararon las
medias de los valores de TBN y Viscosidad del aceite lubricante de cada motor para un periodo de
trabajo, así como, la contaminación de origen externa y por metales de desgaste en los elementos
constructivos de los motores. Se constató, por los resultados de los análisis de laboratorio, que
todas las propiedades de los aceites lubricantes, para el periodo evaluado, se encuentran dentro
de los límites condenatorios establecidos por el fabricante, no obstante, en el aceite lubricante de
uno de los motores se manifiestan las principales diferencias con respecto al resto de los motores
de la planta de generación eléctrica donde se realizó el estudio.
Palabras Claves: Análisis de aceites usados; Diagnóstico de lubricante en motores de
combustión interna.
ABSTRACT
This paper presents the results of comparative analysis of the behavior of some properties of the
lubricating oil used in five Wärtsilä internal combustion engines in power generation. Statistical
analysis was performed using the StatgraphicsPlus 4.1 software making a comparison of means
from multiple samples. Comparing the averages of the values of TBN and viscosity of lubricating oil
of each engine for a period of work, as well as external sources of pollution and wear metals in the
constructive elements of the motors. It was confirmed by the results of laboratory tests that all the
properties of lubricating oils to the assessment period, are within the limits set by the manufacturer
damning, however, in lubricating oil of an engine is show major differences from the rest of the
engines of the power plant where the study.
Keywords: Analysis of lubricating oils used; Lubricants diagnostics in internal combustion
engines.

INTRODUCCION
El diagnóstico técnico de motores diesel ha evolucionado rápidamente en los últimosaños.
Existen diversos métodos, entre ellos los basados en análisis de laboratorio del aceite
lubricante los que son usados con rigor científico para conocer lo que estáaconteciendo
en el interior del motor y con el propio aceite lubricante. Las principales ventajas del
diagnósticotécnico son: que constituye una herramienta de mantenimiento predictivo, evita
paradas no programadas, ayuda a prevenir fallas, aumenta la vida útil del motor diesel,
reduce los costos de inventario, mejora la disponibilidad de los motores, revela el estado
de degradación del aceite lubricante y contribuye al control de emisiones de los gases
expulsados al medio ambiente, reduciendo la contaminación del aire atmosférico. Este
método consiste en una serie de pruebas de laboratorio (análisis de aceite lubricante) que
permiten evaluar las característicasquímicofísicas de los aceites lubricantes y su deterioro
y determinar indirectamente la condicióntécnica de los componentes del motor.
La obtención de datos del motor diesel en operación y su posterior análisis permite
observar la condición del aceite lubricante en intervalos sucesivos durante un periodo de
tiempo largo, eso puede ser ventajoso para determinar un intervalo práctico de troca y
reposición del aceite lubricante e identificar los contaminantes. La identificación de esos
contaminantes usualmente puede y debe llevar a una acción correctiva para eliminar sus
causas y por tanto extender la vida útil del motor.
Actualmente los programas de análisis de aceite lubricante utilizan tecnología y
herramientas modernas de laboratorio para determinar el estado técnico del aceite.
Este trabajo tiene como objetivo el análisis del comportamiento de las propiedades del
aceite lubricante en los motores de combustión interna en la generadora de energía
eléctrica Compañía energética Manauara.
FUNDAMENTACION TEORICA
En los motores de combustión interna (MCI), el sistema de lubricaciónes responsable de
lubrificar las piezas en movimiento relativo. Al producirse desgastes internos debido a la
fricción entre ellas, laspequeñas partículas de material desprendidas pasan al aceite, las
mayores se depositan en el fondo del cárter o quedan retenidas en el filtro, el resto
permanecen en suspensión en el aceite. La cantidad o masa de las partículas metálicas
en suspensión (concentración) en el aceite lubricante determinará si el desgaste en el
motor es normal, progresivo o acelerado. De modo que la técnica de análisis de aceites
debe apoyarse en una serie de análisis periódicos y continuos, con lo cual se puede
establecer la tendencia del desgaste y controlar estadísticamente los desgastes normales,
progresivos o acelerados.
El análisis de aceite lubricante es considerado como un método de mantenimiento
predictivo en los motores de combustión interna. Esta técnica permite saber lo que está
sucediendo en el interior del motor, ayudando a detectar rápidamente problemas de
desgaste de los componentes del motor, tales como la contaminación y degradación del
aceite lubricante.
Experimentalmente, se ha demostrado que la temperatura del aceite lubricante en el
motor influyeconsiderablemente en las pérdidas por fricción, debido a las alteraciones en
las propiedades del aceite con la temperatura, principalmente su viscosidad.
Las pérdidas por fricción dependen fundamentalmente de las condiciones en que se
forma la película de aceite y en la forma en que se presenta la película limite y la fricción
en estas condiciones,(Herrera, A. 2005). Los componentes de las pérdidas por fricción,
dependen poco de la carga (
González, E. y Herrera, A. 2005).

Los valores absolutos de contaminación delaceite y los niveles de degradación del mismo
(tales como agua, combustible, insolubles, etc) son medidas confiables para evaluar la
condción de éste.
Se ha determinado experimentalmente que no siempre es suficiente cambiar el aceite
después de la contaminación o degradación para prevenir la deterioración posterior de
componentes del MCI, por tanto, es necesario saber cuánto tiempo o problemas estaba
presente en el aceite lubricante y si había alguna relación con las fallas secundarias del
motor.
LOS ANALISIS DE LUBRICANTES
El aceite puede ser usado para fines de diagnóstico ya que de acuerdo con una de sus
funciones, es el medio de salida de todas las impurezas que recogen o se forman de él
mismo. El análisis de aceite usado consiste en obtener muestras cada cierto periodo de
tiempo de funcionamiento del motor, generalmente coincidiendo con el cambio del aceite,
para su evaluación determinándose tanto el estado del motor como de su aceite
(Martinez, F. 2002).
La condición del motor es detectada principalmente definiendo el grado de contaminación
del aceite debido a la presencia de partículas de desgaste o de sustancias extrañas a éste
(Schilling, 1965). Los valores de las concentraciones de partículas se determinan por
mediciones espectrométricas aunque los resultados pueden no describir correctamente lo
que sucede con el desgaste del motor, si el análisis se realiza de modo incorrecto con
falsas interpretaciones sobre su estado (Fygueroa, 1995).
La condicióndel aceite es detectada a través de la determinación de la degradación
sufrida o sea pérdida de capacidad para lubricar, causada por una variación de sus
propiedades físicas y químicas y de sus aditivos (Schilling, 1965).
Según Widman,2007, “tener un plan de análisis de aceites no significa tener un buen
programa de mantenimiento”, eso constituye apenas una parte del programa.
Los laboratorios químicos operarán con equipos muy sofisticados para determinar el
estado del aceite, incluyendo su contaminación, la reserva de aditivos, la degradación,
etc. Esto es hecho con mucho detalle, hasta con una exactitud de 0,0001% (± 10%- o sea,
0,00009% a 0,00011%).
Se compara esta información con el banco de datos y se relatan los desvíoscríticos,
considerando que el cliente sabe interpretarlo y utilizarlo para comparar con sus propios
patrones, identificar tendencias, etc.
Los resultados de los laboratorios son útiles para identificar problemas graves o comparar
con límites condenatorios de los fabricantes. Sin embargo, el mantenimiento proactivo
exige la comprensión de las diferencias entre:
• Límites condenatorios:Los límites publicados por los fabricantes que indica una situación
crítica que requiere un cambio del aceite con las revisiones recomendadas en sus
catálogos.
Los límites comúnmente aceptados: Límites basados en lo que frecuentemente es visto,
y cuando se sobrepasan estará entre los peores límites.
•Valores medios: Muchas veces los laboratorios compraran los resultados con la media de
lo que analizan. Por tanto eso puede significar que no hay nada de qué preocuparse, no
indica lo que puede ser alcanzado.
• Límites proactivos: Estos son los límites establecidos por el benchmarking o
comparaciones con los mejores resultados, buscando lo mejor para la empresa
generadora de energíaeléctrica, carro,camión, etc

La contaminación del aceite puede ser determinada cuantificando en una muestra de
lubricante, la cantidad de: partículas metálicas de desgaste, combustible, agua,
materiascarbónicas e insolubles.
La degradación puede ser evaluada midiendo las siguientespropiedades del aceite:
viscosidad, detergentes, basicidad, constante dieléctrica.
Debe destacarse que la contaminación y la degradación no son fenómenos
independientes, visto que la contaminación es causa de la degradación y esta última
propicia un aumento de la contaminación
El análisis estadístico de los datos del procesobrinda informaciones valiosas sobre
indicadores de desempeño de los mismos y en aspectos importantes como la calidad de
materiasprimas y productos. El Statgraphics Plus 4.1software fue usado para el
procesamiento de los datos del año 2011 y fueron hechas comparaciones de las medias
de muestras múltiples de los aceites CCD 440 y CCD 430, usados en periodos de tiempo
diferentes en el año 2011, en la Empresa EnergéticaManaura de Manaus, Brasil.
RESULTADOS
ANALISIS ESTADISTICO DE LOS DATOS HISTORICOS DE LA EMPRESA (2011)
TBN
Tabla 1 Comparación de medias de muestras múltiples de TBN.
La tabla 1 muestra los resultados del procedimiento de comparación de muestras
múltiples para determinar cuáles de estas son significativamente diferentes unas de otras.
El asterisco colocado entre los pares de muestras significa que hay diferencias
significativas entre ellas para una probabilidad del 95%.
El TBN en el motor 1, muestra diferencias significativas entre el motor M1 y los motores
M2, M3, M4 y M5. El valor medio de TBN es más bajo en el M1 (34, 2346) aunque en
todos los casos la media es superior a 25 mgKOH/g, que es el límite establecido por la
Wärtsilä, observe Tabla 1 y Figura 1

Figura 1: TBN valores medios en cada motor
VISCOSIDAD
Tabla 2. Comparación de medias de muestras múltiples de viscosidades
Como se observa en la Tabla 2, las medias de los valores de viscosidades a 40ºC son
diferentes de modo que el M4 presenta diferencias significativas en relación con M1, M2,
M3, M5, con el valor más alto de esa propiedad del aceite (163, 192 cSt), que para un
aceite lubricante SAE 40, está dentro del intervalo de 110-212 cSt.
Figura 2. Valoresmedios de viscosidadesencada motor

SODIO
Existen diferencias significativas entre las medias de los valores de cantidad de sodio en
ppm (m) entre M4 y M1, M3, y M5. En el motor M4 la media alcanzó el valor más alto de
54,6154, obsérvese en la figura 3.
Figura 3. Valoresmedios de cantidad de sodioencada motor.
SILICIO
En el caso del silicio, que es otro metal contaminante de origen externo, se observa en la
Figura 4 que los valores medios de la cantidad de este metal, difieren en todos los casos
con respecto al M4, por lo que la contaminación es superior en el motor 4 (media de 31,69
ppm (m)), aunque este valor está por debajo del límite de (50 ppm(m)).
Figura 4. Valoresmedios de cantidad de silicioencada motor
VANADIO
Para el vanadio, que es otro metal de contaminación externa, la media de los valores en
el M4 (36,46 ppm(m)), está por debajo del límite de 47 ppm (m), y es superior al resto de
los motores para el periodo de evaluación (2011).
Estadísticamente esas diferencias se reflejan entre el M4 y los motores M1, M3 e M5,
como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Valoresmedios de cantidad de vanadio encada motor
ZINC
Los niveles de Zincdetectados en todos los motores son muy bajos y muy por debajo
dellímite de 5.0%. Solo se detecta una diferencia estadísticamente significativa entre M1 y
M5 , como se muestra en la figura 6
Figura 6. Valoresmedios de cantidad de zincencada motor
METALES DE CONTAMINACION POR DESGASTE
ALUMINIO.
De igual forma que como otros metales, el contenido de aluminio en los motores está por
debajo del límite de 20 ppm(m), aunque sigue siendo el M4 el que presenta una media
superior al resto de los motores.

Existen diferencias estadísticamente significativas entre las medias de cantidad de Al en
el motor M4 y los motores Mj donde J=1,2,3,5, en la figura 7.
Figura 7. Valoresmedios de cantidad de aluminioencada motor.
CROMO
No existen diferencias significativas entre los valores de las medias de cantidad de cromo
entre los 5 motores.
Tabla 3. Comparación de medias de muestras múltiples de cantidad de cromo.
HIERRO
Existen diferencias significativas estadísticamente entre las medias de la cantidad de
hierro entre el M4 y los motores M1, M2, M3 y M5. El valor medio de cantidad de hierro en
el M4 está próximo al límite de 50 ppm(m).

Figura 8. Valoresmedios de cantidad de hierroencada motor.
NIQUEL
Existen diferencias significativas entre las medias de las cantidades de Ni para todos los
pares de motores Mj,a y Mj,b para j=1,2,3,4,5, lo que evidencia la diferencia de
comportamiento de la variable entre los periodos de análisis, véase figura 9
Los valores medios de cantidad de Ni se presentan separados en dos períodos de tempo:
a y b. Los valores medios están por debajo del límite de 100 ppm(m), nos obstante en el
primer período de tempo en el motor M4 la media estuvo por encima (113,846).
a: los primeros 13 análisis realizados en el año 2011.
b: los 13-14 análisis realizados después del período entre agosto-septiembre.

Figura 9. Valores medios de cantidad de níquel en cada motor.
CONCLUSIONES
 Todas las propiedades del aceite lubricante usado en los 5 motores de combustión
interna de la generadora de energíaeléctricaManauara en el año 2011 están dentro de los
límites establecidos por el fabricante de motores Wärtsilä.
 Los valores medios de TBN fueron superiores en el motor M1 que en el resto de los
motores analizados, mientras que para la viscosidad el valor medio más alto se alcanzó
en el motor 4.
 En cuanto a la contaminación de origen externa, la media de los valores de cantidad de
Na es superior en M4 que en el resto de los motores, existen diferencias significativas
estadísticamente con los motores M1, M3 y M5.
 La media de cantidad de Si es superior en el motor M4 que en el resto de los motores y
existen diferencias significativas estadísticamente entre los valores de M4 y sus pares
con los demás motores.
 La media de los valores de vanadio es superior en el motor M4 que en el resto de los
motores, existen diferencias estadísticamente significativas con los motores M1, M3 y M5
mientras que la media de valores del Zn no difiere apreciablemente entre un motor u
otro.
 La contaminación por metales de desgaste presenta medias de valores de Al, Fe y Ni
superiores en M4 y difieren estadísticamente con el resto de10los motores, mientras que
los valores medios de Cr son prácticamente iguales en cada uno de los motores y no
difieren entre ellos.

AGRADECIMENTOS: Ao Instituto de Tecnologia e Educação Galileo da
Amazônia (ITEGAM) e ao Centro Universitário do Norte (UNINORTE) e a
Companhia Energética Manauara (CEM) pelo apoio à pesquisa desenvolvida e
aos recursos financeiros.
REFERENCIAS
Fygueroa, S. (1995).
Diagnóstico del desgaste y el estado de motores de encendido por
compresión
. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. España.
González, E. y Herrera, A. (2005). Tribología. Fricción, Desgaste y Lubricación. UCLV. Cuba. 2005
Herrera, A. (2005). Reparación de Motores de Combustión Interna. Monografía. Universidad
Popular de Nicaragua. Managua. 2005. 150p
Martínez, F. (2002).
La tribologia: Ciencia y técnica para el mantenimiento
. Editorial
Limusa. México.
Montoro, L. (2004).
Contribución al desarrollo y mejora de técnicas para la detección y análisis de
partículas metálicas y contaminantes en aceites lubricantes usados
. Tesis doctoral.
Universidad Politécnica de Valencia. España.
Schilling, A. (1965).
Los aceites para motores y la lubricación de los motores
. Interciencia.
Madrid. España.
Tormos, B. (2005).
Diagnóstico de motores diesel mediante el análisis del aceite usado
. Temas
avanzados en motores de combustión interna.: Editorial Reverté. Barcelona. España.
Widman, R. (2007). Interpretando el Reporte de Análisis de Aceite.Boletín #46. Consultado abril
2012, en www.Widman.com