Por M.Sc. Yordanka Reyes Cruz*, PhD. Donato A. Gomes Aranda**,
Ing. Alberto Cavado Osorio*, PhD. Carlos Rodríguez Pereira Belchior***

* Centro de Investigaciones del Petróleo, Ciudad de La Habana, Cuba.
** Escuela de Química, Universidad Federal de Río de Janeiro, Brasil.
*** Ingeniería Naval y Mecánica, Universidad Federal de Río de Janeiro, Brasil.
e-mail: yreyes20042001@yahoo.es

Resumen
En este trabajo se presentan los principios físico-químicos de acción de los aditivos usados para mejorar la lubricidad de los combustibles. Adicionalmente, se propone y evalúa el biodiésel como aditivo mejorador de lubricidad en la mezcla alcohol-diésel. Los estudios de lubricidad se realizaron por la norma ASTM D 6079-99, en el Instituto de Pesquisas Tecnológicas de Sao Paulo (IPT), con resultados positivos. La película lubricante de la mezcla alcohol-diésel, aditivada con biodiésel, se mantiene bajo las mismas condiciones de carga y temperatura que el diésel de referencia. Resultados satisfactorios, como los que se obtuvieron en este estudio, son el inicio de la evaluación del biodiésel como aditivo mejorador de lubricidad en estas mezclas, aspecto que implicaría el posible uso generalizado de las mezclas en el país.
Palabras clave: Biodiésel, diésel, lubricidad de los combustibles.

Introducción
Como es conocido en Cuba, la cuestión del combustible diésel aún corresponde a un problema de difícil solución. A pesar de la creciente producción de petróleo nacional [Agência…, 2006], todavía permanece la dependencia externa de combustibles [Agência…, 2006]. Tal dependencia es particularmente significativa en el caso del combustible diésel [Agência…, 2006]. Además de estos aspectos, es importante considerar los aspectos ambientales. Las emisiones específicas de los motores diésel son significativas, no solo en el sector eléctrico (generación en los grupos electrógenos que consumen diésel) [Agência…, 2006], sino principalmente en el sector de transporte, responsable del mayor consumo de este combustible [Agência…, 2006].

Por todos estos motivos, la reducción en el consumo de combustible diésel es objeto de estudio de diversos especialistas en el asunto, buscando reducir su consumo, tanto en el sector de transporte como en el sector eléctrico. Buscando alcanzar este objetivo, es importante adoptar políticas sustentables que permitan sustituir el combustible diésel por otros energéticos de forma técnicamente adecuada, como por ejemplo, la mezcla alcohol y diésel.

Pero la solución no es tan simple como puede parecer a primera vista. Ocurre que el alcohol no se mezcla bien con el diésel, al contrario de la gasolina, que presenta buena miscibilidad con el etanol por tener elevada concentración de hidrocarburos aromáticos en su composición. El diésel, con una fracción superior de moléculas apolares, admite concentraciones muy bajas de etanol en una única fase. De ese modo, para la adición de cantidades razonables de etanol en el diésel, es necesario utilizar tensioactivos que mantengan la mezcla homogénea en condiciones de almacenamiento, especialmente a bajas temperaturas y expuestas a la humedad del aire [Irshad, 2000, 2001 y 2003, y Tarozo, 2005]. Además, las características del motor de ciclo diésel son bien diferentes del ciclo Otto. Si adiciones de etanol a la gasolina ayuda a aumentar octanaje, eso no ocurre con el número de cetano del diésel, lo que indica que es necesario adicionar promotores de cetano a esa mezcla.

Otros aspectos, como la lubricidad del combustible, deben ser considerados para obtener un combustible de calidad aceptable. De acuerdo con el programa de investigaciones desarrollado en el país, referente al consumo de estas mezclas, se presenta el siguiente trabajo que tiene como objetivo la evaluación del biodiésel como mejorador de lubricidad en las mezclas alcohol-diésel.

Materiales y métodos
Materias primas
En la formulación de las mezclas estudiadas se utilizaron las materias primas siguientes:

Métodos y procedimientos experimentales
Caracterización físico-química del combustible diésel y de las mezclas estudiadas
A partir de las materias primas relacionadas, se formularon las mezclas estudiadas. La caracterización físico-química, tanto del combustible diésel utilizado como de las mezclas formuladas, se realizó en el Laboratorio de Físico-Químicos del Centro de Investigaciones del Petróleo (CEINPET), usando los métodos establecidos en las normas [Annual Book…, 1998; y Unión…, 2002].

Estudios de lubricidad. Aditivos
Para estudiar la eficiencia del biodiésel como aditivo mejorador de la lubricidad de estas mezclas se estudiaron, en el Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT), la lubricidad de las muestras siguientes:

1. Combustible diésel S-500.
2. Combustible diésel S-500 + 8% etanol anhidro.
3. Combustible diésel S-500 + 8% etanol anhidro + 2% biodiésel.

Los estudios de lubricidad se realizaron usando los métodos: ASTM D 6079-99 «High Frequency Reciprocating Rig» e ISO 12156 «Diesel Fuel-Assessment of Lubricity Using the High Frequency Reciprocating Rig» (HFRR).

En estos métodos la lubricidad del combustible es evaluada a partir de la huella de desgaste (WSD: Wear Scar Diameter) promovida entre una esfera de acero oscilante, sometida a una carga de 200 g, y un disco de acero fijo completamente sumergidos en 2 mL de combustible, bajo condiciones específicas (Fig. 1).

Fig. 1. Diseño esquemático del equipo HFR2 utilizado en el ensayo HFRR.

Conforme se puede inferir de sus títulos, estas normas se aplican solamente para combustible diésel y no tienen en cuenta la evaporación de componentes del combustible.

Teniendo en cuenta la presencia del etanol en algunas muestras, este procedimiento fue modificado con el objetivo de reducir la evaporación del alcohol que compone las mezclas, ensayadas a 60 ºC, y los efectos de este fenómeno en los resultados de las evaluaciones en cuestión.

Se utilizó, en sustitución al recipiente patrón, un recipiente desarrollado por el fabricante del equipamiento HFRR para combustibles volátiles, no normalizado, adaptado a un dispositivo que busca mantener la concentración de alcohol de las mezclas durante el ensayo.
Para evitar la introducción de nuevas fuentes de error en la comparación de los resultados, la muestra de combustible diésel también fue ensayada bajo las mismas condiciones.
Las condiciones de ensayo se especifican en la tala 1.

Resultados parciales y discusión
Lubricidad
El diésel, además de las características necesarias para un buen desempeño como combustible, debe actuar también como lubricante en determinadas partes móviles del sistema de inyección, como bombas rotativas e inyectores [Ministério…, 2000].

Cuando un combustible no tiene buena lubricidad se perjudica su capacidad de disminuir el coeficiente de fricción entre las superficies en contacto. Esto es particularmente crítico en el caso de las bombas rotativas, porque sus componentes internos son lubricados por el propio combustible (Fig. 2) [Ministério…, 2000]. En este caso, el combustible debe tener una lubricidad adecuada que garantice la durabilidad del sistema de inyección, evitando el desgaste prematuro de los componentes.

Fig. 2. Puntos críticos de contacto de una bomba rotativa
en relación al desgaste (adhesivo y por fatiga).

Es importante destacar que el consumo de las mezclas de alcohol con diésel no debe implicar ninguna alteración tecnológica en el motor, ni siquiera exigir cambios en su regulación. Para lograr esta premisa, la mezcla combustible debe cumplir con las mismas especificaciones de calidad del combustible diésel.

Sin embargo, es conocido que la adición de etanol al diésel disminuye su viscosidad y consecuentemente su capacidad lubricante. Pruebas a escala de banco dinamométrico y campo mostraron que estas mezclas no deben ser usadas en motores cuyo sistema de inyección es con bombas rotativas. Para corregir esta pérdida de lubricidad están en estudio varios aditivos que deben ser evaluados a través de ensayos de durabilidad en banco de motores [Ministério…, 2000].

Estos aditivos deben ser formulados, fundamentalmente, a partir de compuestos activos de superficie que actúen como agentes lubricantes, como mezclas de ácidos grasos, ésteres o amidas, con afinidad por las superficies metálicas.

En estos casos, hay formación de una película lubricante que evita el contacto metal-metal, que ocasiona desgaste sobre cargas ligeras y moderadas. Concentraciones entre 0,1 y 1% de aditivo generalmente son suficientes para corregir la lubricidad a niveles adecuados [Campi, et al., 1999, y Enciclopedia…, 2005].

La película lubricante es formada por la absorción en la superficie metálica de moléculas de sustancias polares, adicionadas al combustible como aditivos (Fig. 3) [Glasstone, 1972; Sá, 2002, y Trujillo, 2004].

Fig. 3. Formación de la película lubricante por adsorción
de moléculas de sustancias polares sobre la superficie metálica.

El metal es considerado como una superficie electrostática, donde existe una nube electrónica, por tanto está cargado negativamente, atrayendo a sustancias polares como es el caso de los esteres. Esta atracción ocurre por el átomo de carbono, de la carbonila del éster (C = O), que tiene densidad de carga δ(+) [Campi, et al., 1999; Glasstone, 1972; Guibet y Faure-Birchem, 1999, y Sá, 2002].

Las moléculas se fijan a la superficie bajo el mecanismo de adsorción física [Glasstone, 1972, y Guibet y Faure-Birchem, 1999].

La adsorción física consiste en la acción de fuerzas coercitivas de naturaleza eléctrica y magnética, como las fuerzas de Van der Waals, que están presentes tanto en el material absorbente como en la sustancia a ser adsorbida [Glasstone, 1972, y Guibet y Faure-Birchem, 1999].

Cuando ocurre compatibilidad de fuerzas, ocurre una atracción entre el absorbente y la sustancia a ser adsorbida, resultando en la fijación de las moléculas de la sustancia en la superficie del sólido. Para este tipo de adsorción podemos tener varias camadas de moléculas adsorbidas [Glasstone, 1972, y Guibet y Faure-Birchem, 1999].

Formulación y caracterización de las mezclas bases para la evaluación del aditivo
En los laboratorios del Centro de Investigaciones del Petróleo (CEINPET) se realizó la caracterización físico-química de las muestras siguientes:
1. Combustible diésel S-500.
2. Combustible diésel S-500 + 8% etanol anhidro.
3. Combustible diésel S-500 + 8% etanol anhidro + 2% biodiésel.
Los resultados se presentan en la tabla 2.
Estas muestras serán utilizadas como base en las pruebas para el desarrollo y evaluación
del aditivo final.

Propuesta y evaluación del biodiésel como aditivo lubricante en la mezcla alcohol-diésel
En este ítem el objetivo está centrado en la propuesta de un aditivo que aumente la lubricidad de la mezcla afectada con la adición del alcohol, permitiendo una adecuada utilización del combustible en sistemas de inyección con bomba rotativa. Esta ha sido la limitante principal en la aplicación generalizada de esta mezcla. Las bombas de inyección pueden ser clasificadas en los modelos en línea o rotatorias y son el componente más importante del sistema de alimentación de los vehículos diésel. Una característica muy importante de las bombas rotatorias es que la lubricación de sus componentes internos es realizada por el propio combustible, lo que las torna más susceptibles a las características del mismo, especialmente a las alteraciones en la lubricidad y a la presencia de agua u otros contaminantes.

A diferencia de las bombas rotatorias, las bombas en línea son lubricadas internamente por el aceite del cárter del motor, lo que las torna menos susceptibles a los efectos del combustible. En la propuesta del aditivo mejorador de lubricidad, el primer candidato fue el biodiésel, que cumple con las características exigidas para productos usados con estos fines. En el Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo se estudió la lubricidad de las muestras relacionadas, utilizando los métodos ASTM D 6079-99 «High Frequency Reciprocating Rig» e ISO 12156 «Diesel Fuel-Assessment of Lubricity Using the High Frequency Reciprocating Rig» (HFRR))[American Society…, 2003; Annual Book…, 1998]. La concentración de cada uno de los componentes en las mezclas fue seleccionada considerando:

• 8% etanol anhidro, porcentual ideal optimizado [Campi, et al., 1999, y Ecológica…, 1999].
• 2% de biodiésel, regulado por la ANP a partir del 2006, con obligatoriedad a partir del 2008. Los resultados de los ensayos de lubricidad se presentan en la tabla 3.

Las consideraciones relacionadas con los resultados obtenidos en los ensayos de lubricidad se presentan a continuación:
1. El ensayo realizado con la muestra 2 permitió clasificarla como no adecuada para su consumo en motores diésel.

El desgaste provocado por esta muestra es superior al límite especificado por la norma ISO 12156 (WS1,4) y recomendado por la BOSCH para evitar el desgaste excesivo del sistema de de inyección (400 µm (máx.) a 60 ºC).

2. En la muestra 3, aditivada con biodiésel, los valores nominales de desgaste se aproximan a aquellos obtenidos con la muestra 1 (combustible diésel). Se observó una significativa reducción en las medidas de los diámetros de la elipse de desgaste.

Como se comprobó en el análisis anterior, el biodiésel posee la propiedad de aumentar la lubricidad de la mezcla. Sin embargo, a pesar de que los resultados de los ensayos de medición de lubricidad, realizados en laboratorio, muestran que los resultados obtenidos con la mezcla aditivada son mejores que los encontrados para el diésel puro, es imprescindible la realización de estudios de durabilidad acelerada en dinamómetro con motor equipado con bomba de inyección rotativa para reafirmar la efectividad del aditivo.

Conclusiones
1. Cuando se pretende trabajar con concentraciones de alcohol superiores a 3% o extender el consumo de estas mezclas a motores diésel equipados con bombas de inyección rotatorias es necesario introducir en la formulación un tercer elemento, denominado «aditivo».
2. La mezcla de diésel con 8% de etanol anhidro no tiene lubricidad adecuada para su utilización en motores diésel.
3. El biodiésel se mostró como aditivo mejorador de lubricidad.
4. El desgaste provocado por la mezcla aditivada con biodiésel fue nominalmente inferior al observado en la muestra de combustible diésel.

Bibliografía
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