Por: Johannes Bader.
En el 2004, se inició un ensayo de campo por un período de cuatro años con vehículos tácticos y de combate. La gama incluía vehículos blindados de reconocimiento (ARV, por sus siglas en inglés), así como tanques principales de batalla (MBT, por sus siglas en inglés). Se tomaron muestras de aceite cada 90 días empleando un kit de toma de muestras de aceite de los que se utilizan normalmente para componentes de aviación. Para evitar contaminación cruzada con otros fluidos extraídos del vehículo, cada muestra se tomó con un kit de muestreo nuevo.
Entre los vehículos monitoreados estuvieron 40 tanques principales de combate (Figura 1), 25 vehículos blindados de combate de infantería (AIFV, por sus siglas en inglés), 16 obuses blindados, 25 vehículos blindados de reconocimiento (ARV, por sus siglas en inglés) y 10 vehículos de combate mecanizados de infantería (MICV, por sus siglas en inglés).
Los parámetros del aceite evaluados fueron:
- Viscosidad cinemática (40 y100 °C) e índice de viscosidad
- Contenido de agua
- Prueba de la gota de aceite
- Dilución por combustible por cromatografía de gases (GC)
- Contenido de hollín por FTIR
- Nitración por FTIR
- Oxidación por FTIR
- Sulfatación por FTIR
- Contaminación orgánica
- Elementos metálicos de desgaste y aditivos por AES
- Índice de cantidad de partículas PQI
Enfrentaron varios inconvenientes, entre ellos podemos mencionar,el muestreo por personal noprofesional, la rotación de personal, falta de disponibilidad de los vehículos, diferentes niveles de calidad API de los aceites de motor y falta de documentación delas cantidadesde rellenode aceite yel uso de vehículos por largosperiodosenlos que se desconocían las condiciones del motor.También hubo que evaluar continuamente la conveniencia de las pruebas utilizadas debido a los resultados obtenidos, al igual que las diferencias en los perfiles de las misiones de los vehículos, lo que obligó a una investigación más sofisticada para diagnosticar y obtener información confiable de aquellos motores con sospecha de una falla inminente..Además,los resultados de la condición del aceiteno podían correlacionarse conel consumo de combustiblea partir del último cambio de aceite,debido a que algunosvehículoshabían operadopor varias horassin reabastecimiento de combustibleantes de la toma de muestra.
Resultados del Análisis de Aceite
Primero, se examinó cualquier correlación entre la viscosidad cinemática y los kilómetros recorridosdesde el último cambio de aceite. Para esto, se seleccionaron los datos de un batallón equipado con tanques de combate (Figura 2).
Respecto a la viscosidad cinemática, no había una tendencia aparentemente relacionada conla distancia recorrida. Al evaluar la oxidación del aceite con espectrometríainfrarroja por transformadas de Fourier (FTIR), se obtuvo un resultado similar (Figura 3).
Con varios tanques de combate en un batallón, había diferencias en el perfil de misión individual, la condición del motor y pureza de la película de aceite respecto a la contaminación con polvo, agua y relleno de algunas cantidades de aceite de proveedor distinto. Por otra parte, la calidad del proceso de cambio de aceite de los vehículos blindados fue mucho más variable que la de los camiones comerciales, debido alaubicación del compartimiento del motor.
Los resultados no mostraron una tendencia aparente entre la viscosidad y la oxidación del aceite. Tampoco hubo correlación entre la distancia recorrida y la condición del aceite. Sin embargo, era evidente una gran variación en los resultados.
Aunque los resultados mostraron que no existía relación entre el envejecimiento del aceite de motor y los datos de operación correspondientes, parecía contradecir los resultados obtenidos en un estudio anterior con vehículos de ruedas, como se muestra en la Figura 4.
Comparando los resultados obtenidos en los camiones comerciales (COTS) con los resultados derivados de este estudio, se observaron algunas diferencias importantes. Por ejemplo, contrariamente a los vehículos tácticos, el perfil de misión de los camiones COTS está dominado por su uso en carretera. Las condiciones de operación son también mucho más constantes que el extremadamente variable perfil de misión de los vehículos tácticos todo terreno, ya que tienen menos arranques en frío y operación en vacío con el motor frío.
En el estudio actual, los datos sobre el estado del aceite podrían no estar asociados con el consumo de combustible desde el último cambio de aceite. Dependiendo de la intensidad de uso, algunos vehículos podrían no haber recargado combustible durante el intervalo de muestreo.
En investigaciones adicionales, se evaluaron los datos de la condición del aceite con respecto a un solo vehículo. Para ello, el total de los datos colectados y la credibilidad comprobada de los datos de los datos se utilizaron como una guía para evaluar la condición del aceite.
A continuación, se evaluó la oxidación, nitración y sulfatación del aceite (Figura 5).
Dentro de estos parámetros, se encontró una buena correlación entre la oxidación y la nitración. El factor de correlación estuvo entre 0,92 y 0,95, mientras que el índice de firmeza fue de entre 0,77 y 0,84.
En cuanto a envejecimiento del aceite, los resultados mostraron un bajo nivel debido a que el consumo acumulado de combustible sobre la distancia observada fue de apenas alrededor de 4,500 litros (1,189 galones), correspondientes a 2,300 km (1,429 millas). La razón de la baja sulfatación fue que el combustible diesel utilizado era casi libre de azufre (menos de 10 ppm).
Al analizar el contenido de combustible, el contenido de hollín y la viscosidad cinemática a 40°C, se observó algo notable (Figura 6).
A pesar de que el contenido de combustible fue casi constante, la viscosidad a 40°C se redujo en comparación con la del aceite nuevo de un nivel de 104 cSt hasta aproximadamente 80 cSt. El ligero aumento en el contenido de hollín no tuvo ninguna influencia en este fenómeno.
La razón principal para la pérdida de viscosidad observada fue el contenido de biodieselen el combustible en Alemania. Desde principios del presente siglo, se ha permitido mezclar éster metílico de colza con el diesel. La norma DIN EN 590 permite hasta un 5 por ciento en volumen (7 por ciento desde 2010).
La principal desventaja del biodiesel es que su punto de ebullición es más alto, de más de 300°C. Durante la operación de los motores diesel a carga parcial, la carga de aceite se diluirá por combustible diesel sin quemar o parcialmente quemado. Debido a la volatilidad, los componentes del diesel mineral con punto de ebullición más bajo se evaporarán del aceite durante el tiempo de operación a carga plena, pero el biodieselpermanecerá.
El método de ensayo estándar para dilución por combustible en los aceites usados de motor automotriz (DIN 51380) no era adecuado para determinar los componentes de biodiesel. Con un método de cromatografía de gases (GC) modificado, se estableció el contenido de biodiesel en aproximadamente 6 por ciento, así como el contenido de combustible de acuerdo con la norma DIN 51380. El contenido biodiesel se muestra en la Figura 7. Según este gráfico, el contenido supuesto de combustible en la carga de aceite alcanza el 10 por ciento. En este contexto, la disminución de la viscosidad es creíble.
Debido al extremadamente elevado índice de viscosidad de los combustibles, la disminución de viscosidad a 100°C (de 14.2 cSt a 12 cSt) fue mucho menos notoria.
En todos los vehículos dentro del estudio, el contenido de biodiesel en el aceite se detuvo después del fuerte incremento hasta el límite de casi 7 por ciento.
De acuerdo con el estudio del General German Car Club (ADAC), el contenido total de combustible de hasta 15 por ciento en el aceite no debería causar efectos dañinos en los componentes del motor. Por lo tanto, debía considerarse una ampliación en las guías de contenido de combustible y hollín, ya que se basan en experiencias adquiridas en estudios anteriores que utilizaron combustible diesel sin biodiesel.
En contraste con la degradación del aceite en los componentes del tren de potencia de los camiones, no hubo tendencias visibles sobre todas las muestras de aceite de un tipo de vehículo en particular. Esto se debió a las grandes diferencias en el perfil de misión de los vehículos, así como en la condición del desgaste, el cuidado y mantenimiento de cada vehículo. Las cantidades de aceite de relleno aplicado y no documentado, fue otro factor que alteró los datos.
La extensión general de los límites de operación (es decir, el consumo de combustible, las horas o kilómetros de operación desde el último cambio de aceite) no era factible. Por esto, sería necesario utilizar un programa de análisis de aceite como el del Ejército de EE.UU. Dadas las circunstancias específicas presentes en el ejército alemán, se requiere una gran inversión para llevarlo a cabo.
Monitoreo de Condición
Se utilizó espectrometría de emisión atómica (AES) para determinar el contenido de elementos metálicos en el aceite. Con este eficaz método de análisis, en pocos días se obtuvieron los resultados de las muestras tomadas en un periodo de 90días.
Se aplicó el mismo método empleado en el análisis de aceite. En primer lugar, se colectaron los resultados de los elementos de desgaste. Los resultados de todas las muestras del periodo de 90 días (por tipo de vehículo) se graficaron (Figura 8).
Como se mencionó cuando hablamos de la oxidación del aceite y la viscosidad, aparentemente no había ninguna tendencia. Esto no es sorprendente porque cada vehículo tenía su propia historia de operación. Las diferencias en el perfil de misión y esfuerzo mecánico, así como la condición específica del motor, provocaron diferencias en los contaminantes y la abrasión.
El arranque a bajas temperaturas ambientales, combinado con operación continuaa alta velocidad y alta carga, generaron mucha más abrasión que si el equipo hubiese operado por varios cientos de kilómetros de conducción en carretera a una velocidad media.
Para identificar fallas inminentes causadas por desgaste anormal, se emplearon varios métodos de evaluación, incluyendo la distancia recorrida por el vehículo y el contenido del elemento de desgaste de la muestra actual en comparación con la de una muestra anterior. Este es el procedimiento clásico de análisis de tendencia empleado en el monitoreo de componentes en las aeronaves. Además, se controló la relación de elementos de desgaste dentro de una sola muestra (es decir, hierro vs aluminio), ya que si se presentan diferencias significativas con las muestras anteriores tomadas en el mismo vehículo, esto podría indicar una falla inminente.
Se identificaron tres motores de los tanques de combate con muy alto contenido de elementos de desgaste en el aceite (Figura 9).
En lo que respecta a los vehículos 2 y 3, se encontró que habían operado en trabajo de entrenamiento con mucho polvo y en condiciones de operación muy severas. Para estos vehículos, se recomendó efectuar un nuevo cambio de aceite lo más pronto posible para eliminar la suciedad y abrasión del motor. Parael vehículo 3, se propuso una revisión del filtro de aire. Esto parecía necesario por el alto contenido de silicio en la muestra.
Después de recibir los resultados del vehículo 1, inicialmente se pensó que la muestra había sido tomada antes del cambio de aceite y no después. Sin embargo, el sargento responsable del motor de la unidad confirmó que la muestrase tomó después de hacer el cambio de aceite, aunque no estaba seguro de si la muestra se había tomado en la forma correcta debido a cambios en el personal a cargo de la actividad. Por lo tanto, se tomó una muestra adicional después de operar aproximadamente 50 km, a fin de obtener la tendencia relacionada alos elementos de desgaste (Figura 10).
Los resultados mostraron un mayor incremento de elementos de desgaste. Debido a las dudas sobre la calidad del último cambio de aceite, se recomendó hacerlo nuevamente. Esto se hizo con el mayor cuidado. Inmediatamente después del cambio de aceite, se operó el motor por alrededor de 1 a 3 km para homogeneizar el aceite y se tomó otra muestra de aceite. Posteriormente se tomó una muestra más después que el motor operó 100 km.
Se investigó por operación irregulardel vehículo. El sargento responsable del motor aseguró que no la había. Por razones de seguridad, se instruyó al conductor del vehículo para que prestara atención a las señales relacionadas con comportamiento anormal del motor.
El resultado del análisis de la muestra de aceite tomada inmediatamente después del cambio de aceite indicó que se había hecho bien el trabajo. Sin embargo, la siguiente muestra presentó un fuerte aumento en los elementos de desgaste relacionados con la distancia recorrida y las condiciones de operación. Por lo tanto, se contactó nuevamente al sargento responsable del motor para preguntarle sobre la condición del motor del tanque de combate. El sargento confirmó que todo estaba en orden y que ninguno de los operadores había notado nada sospechoso.
Después de una evaluación posterior de los resultados del análisis, se propuso la sustitución del motor del tanque en cuestión. El informe de investigación del mantenimiento de la unidad mostró que se había evitado una falla catastrófica (Figuras 11 y 12).
Se detectó en el cilindro una etapa avanzada de desgaste abrasivo en el punto inferior de contacto de los anillos en 11 de 12 camisas de cilindro (Figura 11). Una camisa se había dañado por aferramiento del pistón (Figura 12). Este tipo de daño es causado por partículas duras (por ejemplo, polvo de arena) y depósitos en la parte superior del pistón. Estos depósitos consisten principalmente de combustible y productos de oxidación del aceite que se acumulan durante la operación a largo plazo con el motor frío y en velocidad de ralentí. La aceleración subsecuente y la conducción a alta velocidad pueden provocar el daño observado. El conductor no tiene ninguna posibilidad de detectar este tipo de falla inminente en el motor porque no hay una pérdida significativa de potencia o exceso en la temperatura del aceite y del líquido refrigerante.
Durante los cuatro años que duró el estudio, se analizaron cerca de 2,000 muestras de aceite del motor. Los 116 vehículos monitoreados fueron operados por más de 550,000 km. Se detectaron a tiempo dos fallas inminentes de motor. Un motor adicional se dañó a causa de un incendio provocado por la ruptura de una línea de combustible en el interior del compartimiento del motor. Esto, por supuesto, no podía ser previsto por medio de monitoreo de condición. El costo evitado por la reconstrucción total de los dos motores de los tanques de combate (MBT) se estimó en 392,220 dólares.
Conclusiones
Entre las conclusiones derivadas de este estudio están que un falla catastrófica de motor es un evento raro (estadísticamente no sucede antes de 180 mil kilómetros), y que la detección de fallas inminentes es posible con el monitoreo de condición. Además, para la selección de vehículos necesario para el mantenimiento de la paz o para misiones fuera de la zona, el monitoreo de condición es muy adecuado. Los vehículos con visible cantidad de partículas metálicas de desgaste procedentes del motor pueden arreglarse o repararse a tiempo.
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