Study of the Capacity of Spectroscopy UV-Vis and NIR to Quantify Fuel Dilution on used engine oils

Abstract

[ES] La dilución por combustible del aceite de motor es un problema común tanto para los motores de combustión interna diésel como para los de gasolina. Cuando el combustible contamina el aceite modifica sus propiedades, principalmente la viscosidad, reduciendo la resistencia de la película lubricante, aumentando así la fricción y el desgaste del motor. La cuantificación del combustible en aceite es un parámetro esencial en el mantenimiento preventivo de los motores, al conocerla se pueden tomar las medidas oportunas para proteger el motor. Los métodos estandarizados para evaluar el contenido de combustible en aceite se basan en análisis cromatográficos (por ejemplo: ASTM D3524, ASTM D7593), por lo que requieren equipos costosos, personal altamente calificado y grandes cantidades de solventes. Este trabajo busca proponer un método alternativo para cuantificar la dilución de combustible en aceite de motor usado mediante espectroscopia UV-Vis y FT-NIR. Existe amplia evidencia de que las técnicas espectroscópicas permiten obtener resultados precisos y significativos para la cuantificación de analitos específicos, con una operación simple y un costo reducido. Este trabajo se centra en la dilución por combustible en motores diésel, considerando su importancia en el mercado y siendo estos los motores típicos en los que se aplican estudios de mantenimiento predictivo. Para este estudio, se prepararon muestras utilizando aceite de motor SAE 5W-30 nuevo y usado, el cual fue contaminado con gasoil convencional en un rango de concentración de 0¿10.0% (m/m). En la región del infrarrojo cercano se trabajó entre los números de onda de 11500-4400 cm-1 con un espectrómetro Perkin Elmer FT-NIR Spectrum Two N. En la región del UV-Visible se trabajó entre las longitudes de onda de 700-200nm con un espectrómetro Perkin Elmer UV Vis Lambda 365. La primera parte del estudio se realizó utilizando las muestras preparadas a partir de aceite de motor nuevo contaminado con combustible, para evitar interferencias de los contaminantes típicos del aceite usado. Esta etapa consistió en recolectar los espectros de las muestras, en ambos espectrómetros, posteriormente, los datos recolectados en cada región fueron utilizados para generar un modelo que relacionara la señal con la concentración de combustible en las muestras, para posteriormente determinar a través de cuál método espectroscópico se obtienen mejores resultados para la cuantificación. La siguiente fase del trabajo consistió en utilizar el método espectroscópico selccionado para analizar muestras preparadas a partir de aceite usado y construir un modelo para predecir la concentración de combustible con métodos univariable y técnicas quimiométricas más avanzadas, como regresión por componentes principales y por mínimos cuadrados parciales. De acuerdo con los resultados obtenidos en este estudio, la espectroscopia NIR demostró ser el método más adecuado para la cuantificación en aceites de motor usados. El uso de la espectroscopia NIR en combinación con métodos de calibración multivariable fue capaz de predecir la concentración de combustible de las muestras utilizadas para validar el modelo, las mejores predicciones se obtuvieron por el método de mínimos cuadrados parciales.

[EN] Fuel dilution of engine oil is a common problem for both diesel and gasoline internal combustion engines (ICE): when the fuel contaminates the oil, it modifies its properties, mainly viscosity, reducing lubrication film strength, causing a negative impact on friction and wear. Quantification of fuel in oil (FiO) is an essential parameter in the ICE's condition monitoring, as it allows engine performance prediction and to take proper actions at the right time. The standard methods (e.g., ASTM D3524, ASTM D7593) for assessing fuel content in oil are based on chromatography, requiring high-cost equipment, highly qualified personnel, and large amounts of solvents. This work search for an alternative method for quantifying fuel dilution in used engine oil by UV-Vis and FT-NIR spectroscopy. Many studies have proven that spectroscopic techniques can produce accurate and significant results in the quantification of a particular analyte with simple operation and reduced cost. This work is focused on diesel fuel dilution attending to its market importance, and being just the typical engines where condition monitoring is applied. For the study, samples were prepared using new and used SAE 5W-30 automotive motor oil contaminated with diesel in a concentration range of 0¿10.0% (w/w). The NIR spectra between 11500-4400 cm-1 were acquired in a Perkin Elmer FT-NIR Spectrum Two N. The UV-Vis spectra between 700-200 nm were obtained in a Perkin Elmer UV Vis Lambda 365. The first part of the study was performed on the samples prepared from new engine oil contaminated with diesel, mainly to avoid possible interferences from contaminants in the spectra. This part consisted of collecting the sample spectra in both spectrometers, analyzing the data, and obtaining a calibration model that related the concentration of the diesel fuel in the sample to the spectral data collected from the sample to determine which spectroscopic method provided the best results for quantification. The next phase of the work was to use the previously chosen method to analyze samples prepared from used oil with univariate methods and more advanced chemometric techniques, such as principal component regression and partial least squares. According to the results obtained in this study, NIR spectroscopy proved to be the most suitable method for the quantification in used engine oils. Furthermore, the use of NIR spectroscopy in combination with multivariate calibration methods was able to predict the concentration of fuel of the samples used for validating the model; the best predictions were obtained by the partial least squares method.