En el caso de las partículas de menor tamaño, capaces de dañar los motores HPCR, nos estamos topando con los límites de los sistemas de filtración convencionales y de la tecnología de ensayo de filtros. Por un lado, los medios filtrantes tradicionales para combustible (el material que forma el elemento filtrante) no son adecuados para los sistemas HPCR: se necesitan medios sintéticos multicapa con una clasificación por micras más fina. Por otro lado, la industria de la filtración no ha contado con polvos de ensayo de laboratorio ni contadores de partículas adecuados para calibrar instrumentos por debajo de las 4 micras; en otras palabras, el nivel mínimo de detección y recuento de partículas en las pruebas estándar de filtros está por encima del tamaño de las partículas más dañinas para los sistemas HPCR (las partículas más pequeñas y dañinas pueden atravesar el sistema sin ser filtradas ni detectadas).
ISO 19438
Muchos fabricantes de filtros evalúan la eficacia de eliminación de partículas y la capacidad de retención de suciedad de sus filtros mediante un procedimiento de ensayo descrito en una norma europea denominada ISO 19438. Esta norma se publicó en 2003.
La norma ISO 19438 especifica el uso de aceite hidráulico para los ensayos. El aceite hidráulico es cuatro veces más viscoso que el combustible diésel y, por lo tanto, no es realmente representativo de este. A efectos de la prueba, el aceite se contamina con un polvo de ensayo ISO que contiene partículas de entre 1 y 150 micras, con la mayor concentración en el rango de 20 a 45 micras. El tamaño de partícula más pequeño contabilizado en la prueba es de 4 micras. Ni el procedimiento de ensayo ni el polvo son adecuados para los motores HPCR.
Existen otros problemas. El procedimiento de ensayo de la norma ISO consiste en una prueba de múltiples pasadas (el aceite se recircula a través del filtro una y otra vez), lo que resulta más adecuado para sistemas hidráulicos que para sistemas de suministro de combustible diésel. La prueba no tiene en cuenta la vibración ni los cambios repentinos en la velocidad y la carga del motor, factores que, según se ha comprobado, provocan aumentos rápidos y considerables en el número de contaminantes de un tamaño determinado que pasan a través de un filtro (por ejemplo, las pruebas realizadas por el SwRI han demostrado un aumento sustancial de las partículas de 4 micras que pasan a través de un filtro durante las oscilaciones de flujo combustible, en comparación con un caudal constante).
Para ayudar a visualizar esto, piense en cómo funciona un tamiz de harina. Cuando se vierte harina en el tamiz, las partículas de harina no pasan a través de los orificios de la malla, aunque sean más pequeñas que estos. Solo cuando se agita el tamiz con el mango, las partículas de harina pasan a través de la malla. De manera similar, es posible que las partículas contaminantes no pasen a través del medio filtrante en un entorno estático, pero cuando se introduce la vibración, las partículas se desprenden y pasan a través de él.
El procedimiento de ensayo de la ISO se basa en filtros nuevos. No es un indicador útil del rendimiento futuro que tendrá un filtro a lo largo de su vida útil. Lo único que hace es proporcionar un mecanismo para comparar un filtro nuevo con otro basándose en un protocolo de ensayo común.
La norma ISO 19438 ha sido revisada y la nueva edición se publicó en 2023 (ISO 19438-2023). Se incluyen polvos de ensayo alternativos con tamaños de partícula de hasta 0,97 micras y requisitos para el recuento de partículas en estos tamaños de micras más pequeños. El polvo de ensayo medio de la ISO, por ejemplo, requiere que al menos el 10 % de las partículas tengan un tamaño inferior a 2,75 micras.
Eficacia de los filtros
Los filtros suelen especificarse en función de su grado de filtración en micras. La capacidad de retener todas o la mayoría de las partículas de ese tamaño y de tamaños superiores se define como la Clasificación (o índice) Beta, o lo que es lo mismo la eficacia del filtro. La clasificación Beta es la relación entre el número de partículas de un tamaño superior a un determinado valor aguas arriba del filtro (antes del filtro) y el número de partículas del mismo tamaño o mayor aguas abajo del filtro (después del filtro), según se determina mediante un ensayo definido en la norma ISO 16889. En otras palabras:
La eficacia (que es la medida de rendimiento utilizada en el ensayo ISO 19438) se puede calcular de la siguiente manera:
Relación entre la clasificación Beta y la eficacia, y recuento de partículas aguas abajo partiendo de 100.000 partículas aguas arriba
Para ponerlo en perspectiva, si hay 100.000 partículas por mililitro (ml) de un tamaño superior a un determinado valor antes del filtro, para una clasificación Beta concreta indicada en la columna 1 de la tabla, el porcentaje de eficiencia se encuentra en la columna 2 y el número de partículas de ese tamaño que seguirán pasando a través del filtro se encuentra en la columna 3.
Por tanto, cuanto más alto sea el índice Beta, mayor poder de filtración para ese tamaño de partícula tiene un filtro.
Si el suministro de combustible cumple el objetivo de limpieza WWFC de 18/16/13, tendrá entre 1.300 y 2.500 partículas por mililitro de 4 µm o más. Para cumplir el objetivo HPCR de 12/9/6, esto debe reducirse a entre 20 y 40 partículas, lo que requiere una relación beta de (2.500/40) = 62,5 o superior. Necesitamos un filtro con una eficiencia cercana al 98,7 %.
Si el suministro de combustible es de 22/19/16, habrá entre 20.000 y 40.000 partículas por mililitro de 4 µm o más. Necesitamos por tanto una clasificación Beta de (40.000/40) = 1.000 o superior. Y necesitamos un filtro con una eficiencia del 99,9 %. Si intentamos cumplir el objetivo HPCR más estricto de 11/8/3, con un límite de partículas de 4 µm de 10 a 20 y un suministro de combustible de 22/19/16, necesitamos una relación beta de (40.000/20) = 2.000 o superior. Por tanto necesitamos un filtro con una eficiencia del 99,95 %.
Si partimos de la base de que la eficacia de los filtros en condiciones reales será considerablemente menor que en las pruebas de laboratorio, los requisitos relativos a la clasificación Beta y a la eficacia aumentan aún más. De hecho, varios de los denominados filtros de alta eficacia sometidos a pruebas por el SwRI dieron como resultado niveles de contaminación del combustible aguas abajo del filtro superiores a los establecidos en la norma ISO 12/9/6.
Tradicionalmente, la tecnología de inyección convencional ha requerido una clasificación Beta mínima de 75 a 10 µm (B₁₀ ˃75), es decir una eficiencia del 98,7 % a 10 µm. La tecnología HPCR suele requerir una clasificación Beta mínima de 1.000 a 4 µm (B₄ ˃1 000), es decir una eficiencia del 99,9 % o superior.
Tenga en cuenta que la clasificación Beta y de eficiencia sólo son válidos para un tamaño de partícula específico; un filtro tendrá clasificaciones diferentes según el tamaño de partícula.
Cumplimiento de los objetivos de eficacia
Uno de los retos a los que se enfrentan los fabricantes de filtros es que las microfibras de vidrio que se utilizan tradicionalmente en los medios filtrantes para cumplir con requisitos de eficacia más exigentes pueden migrar al combustible y causar daños en los sistemas de inyección HPCR. La industria de los filtros ha tenido que desarrollar medios filtrantes sin vidrio, que cumplen con las especificaciones para HPCR.
Al consultar la página web de Hollingsworth & Vose, uno de los principales proveedores de medios filtrantes para fabricantes de filtros de marcas reconocidas, observamos que su medio filtrante para combustible sin vidrio de mayor calidad, que es un medio de 2 µm, tiene actualmente una eficacia nominal superior al 99,99 % a 4 micras (en 2021, Mann Hummel también lanzó un medio con una eficacia del 99,99 %). Esto supone una mejora significativa con respecto a la eficiencia publicada del 99,5 % de los medios filtrantes de mayor rendimiento de hace unos cinco años.
La conclusión es la siguiente: aunque pueda no parecerlo, existe una diferencia sustancial entre un filtro con una eficacia del 99,5 % y uno con una eficacia del 99,99 %. Ese aumento adicional del 0,49 % en la eficacia es importante cuando se trata de sistemas de inyección de combustible HPCR.
Otra forma de cumplir los objetivos de limpieza del combustible con motores HPCR es mediante una filtración en varias etapas a un nivel nominal de 2 µm. Por ejemplo, mientras que un único filtro de 2 µm con una eficacia del 95,0 % reducirá teóricamente el recuento de partículas de 4 µm del combustible WWFC 18/16/13 a entre 65 y 130 partículas, dos filtros en serie reducirán el recuento de partículas de 4 µm a entre 3 y 6 partículas —es decir, dentro del objetivo para estos motores—, pero si el suministro de combustible es de ISO 22/19/16, incluso dos filtros de 2 µm en serie nos dejarán aún entre 2½ y 5 veces por encima del objetivo de limpieza. Se necesitará un tercer filtro en serie.
Debemos diferenciar entre los índices de eficacia nominal —que suelen exagerar considerablemente el rendimiento en condiciones reales— y los índices absolutos, que se ajustan mucho más al rendimiento real. El índice absoluto se basa en la abertura más grande del medio filtrante y, por lo tanto, en la partícula más grande que podría atravesar la malla del filtro en caso de vibraciones o cualquier otra circunstancia que no se reproduzca en las pruebas de laboratorio (por ejemplo, cuando se agita un tamiz de harina). Curiosamente, un manual de Caterpillar de hace algunos años afirma: «Por regla general, el medio filtrante de combustible (papel) de Caterpillar tiene una eficacia nominal de unos 3 µm y una eficacia absoluta de 20 µm». Esto da una idea de la amplia disparidad que puede existir entre las clasificaciones nominales y absolutas.
No existe una definición generalmente aceptada de eficacia absoluta, por lo que no queda claro qué se entiende cuando, por ejemplo, un manual de Perkins Engines exige un filtro secundario de «10 micras absolutas o menos» para motores de inyección convencional y un filtro secundario de «4 micras absolutas o menos» para sistemas HPCR. Sin embargo, probablemente no se equivocará mucho si asume que el filtro debe tener una eficacia mínima del 98,7 % o superior en la clasificación de tamaño correspondiente para cumplir esta especificación.
Lamentablemente, ninguno de estos datos nos indica si un filtro elimina o no las partículas especialmente perjudiciales para los sistemas de inyección HPCR, de entre 2 y 3 micras.
Problemas agravantes
Racor, el fabricante de la marca más popular de filtros de combustible diésel para embarcaciones de recreo en todo el mundo, señala que «entre el 80 % y el 90 % de las obstrucciones de los filtros se deben a hidrocarburos de alto peso molecular, es decir, asfaltenos, cuyas partículas tienen un tamaño comprendido entre 0,4 y 2 micras». Si se utiliza biodiésel, se producen depósitos adicionales. En el caso del biodiésel, Racor recomienda reducir en un 50 % el caudal nominal publicado de sus filtros o bien utilizar un filtro de mayor tamaño. Otra empresa informa: «Más del 95 % de todos los fallos prematuros o rápidos de los filtros actuales se deben a cambios químicos en el combustible que forman diversas sustancias insolubles en él».
Con un suministro de combustible determinado, los filtros más finos se obstruirán más rápido que los menos finos, lo que obliga a cambiarlos con mayor frecuencia (especialmente si se utiliza combustible de mala calidad), lo que se traduce en un aumento del tiempo de inactividad y de los costes de mantenimiento.