Aceites de motor de bajo consumo: Fundamentos científicos y controversias

Abstract

Dado que una parte significativa de las pérdidas de energía en el motor de combustión interna proviene de la disipación viscosa, la tendencia ha cambiado hacia aceites de baja viscosidad desde SAE 40 y 50 en las décadas de 1960-1980 hasta los actuales SAE 20 y grados de viscosidad más bajos. El uso de aceites de motor de baja viscosidad reduce significativamente las pérdidas de energía en los sistemas de cojinetes principales y pistones/orificios, mientras que las tensiones tribológicas en el tren de válvulas, especialmente en los motores de levas de taqué plano, pueden aumentar. Esto constituye un argumento sólido para el despliegue de nuevas clases de modificadores de fricción y aditivos antidesgaste. Sin embargo, el desarrollo de una formulación equilibrada no es tan sencillo como parece, y se pueden encontrar numerosos escollos debido a las interacciones de los aditivos. Otro problema grave es que la definición de "aceite de motor de bajo consumo" es bastante vaga, ya que depende de la elección del aceite de referencia. Hoy en día, la evaluación de la economía de combustible se basa en las pruebas Sequence VIE o VIF utilizando un motor de gasolina GM V6 2012 de 3.6L. No es de extrañar que los resultados de esta prueba resulten ser en gran medida engañosos cuando se extrapolan a los modernos motores de baja cilindrada muy potenciados. Por lo tanto, también existen muchas pruebas de economía de combustible específicas para OEM y los diferentes diseños de motores a menudo producen resultados controvertidos. Además, el rendimiento de "ahorro de combustible" del mismo aceite en el mismo motor puede cambiar drásticamente según el ciclo de conducción. Por ejemplo, el aceite de baja viscosidad puede aumentar el ahorro de combustible a velocidades de crucero (alta velocidad / bajo límite de carga) y degradar el ahorro de combustible durante la conducción agresiva en la ciudad (baja velocidad / alta carga).

Todas las circunstancias mencionadas deben tenerse en cuenta al tratar de armonizar las afirmaciones de rendimiento normativo con las expectativas del cliente.

Introducción

Las nuevas normas de ahorro de combustible para los automóviles establecidas por los gobiernos de las principales economías del G20 y el cambio en las preferencias de los clientes impulsado por los altos precios del combustible, junto con los impuestos sobre el carbono, ejercen una mayor presión sobre los fabricantes de automóviles. En los EE. UU., la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA, por sus siglas en inglés) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) han emitido recientemente la Regla de Vehículos Más Seguros, Asequibles y Eficientes en el Consumo de Combustible (SAFE, por sus siglas en inglés) que establece estándares estrictos de ahorro de combustible y dióxido de carbono. Estas normas se aplican a los turismos y camiones ligeros y establecen un objetivo móvil que aumentará un 1,5 % en rigor cada año desde los años modelo 2021 hasta 2026. Cabe destacar que, reconociendo las realidades del mercado, el listón de las expectativas se ha reducido a 40.4 mpg proyectado en la economía de combustible requerida promedio general de la industria en el año modelo 2026, en comparación con el requisito proyectado de 46.7 mpg según los estándares de 2012. Este último volvió a ser inferior a los objetivos iniciales de la EPA para 2025 de 62 mpg anunciados hace una década, que poco después se redujeron a 56 mpg.

Esto demuestra que el progreso es bastante doloroso y que los objetivos demasiado ambiciosos pueden no lograrse sin una base tecnológica sólida y poderosos incentivos financieros para impulsar el cambio.

Otros mercados siguen la misma tendencia, véase la Fig. 1.

Fig.1 Comparación de los estándares de ahorro de combustible en los principales mercados de vehículos (Fuente: ICCT, septiembre de 2019)

En Europa, el Parlamento Europeo y el Consejo adoptaron el Reglamento (UE) 2019/631 que establece normas de comportamiento en materia de emisiones de CO2 para turismos y furgonetas nuevos para 2025 y 2030. A partir de 2021, el objetivo de emisiones medias de toda la UE para los vehículos nuevos se fija en 95 g de CO2/km. Esto corresponde a un consumo de combustible de alrededor de 4.1 l/100 km (57.4 mpg) de gasolina o 3.6 l/100 km (65.3 mpg) de diésel. En la actualidad, las emisiones medias de CO2 de los coches nuevos vendidos en la UE son de unos 120 g de CO2/km. Los fabricantes de automóviles pagan una multa de 95 € por cada g/km que supere el objetivo.

Los nuevos estándares de economía de combustible de Japón emitidos hace un año establecieron un objetivo para la economía de combustible equivalente a gasolina promedio de la flota en 25,4 kilómetros por litro (59,8 mpg) para 2030, una mejora del 30% sobre el promedio de la flota actual.

Estos factores políticos y económicos intensifican los esfuerzos de investigación y desarrollo realizados por los principales fabricantes de equipos originales en su búsqueda de una mejor eficiencia de combustible. Además de los esfuerzos concertados en la electrificación del tren motriz y el uso de fuentes de energía alternativas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), se hace un gran énfasis en la comprensión de los aspectos tribológicos de las pérdidas de energía en el tren motriz y en la utilización de los avances actuales en ingeniería de lubricación y recubrimientos para minimizar esas pérdidas. Para fomentar esta innovación ecológica, se conceden a los fabricantes «créditos de emisión» para el despliegue de tecnologías innovadoras que, sobre la base de datos verificados de forma independiente, deberían dar lugar a una reducción de las emisiones de CO2, aunque el procedimiento de ensayo utilizado para la homologación de tipo de los vehículos no demuestre ningún efecto. Además, a los fabricantes se les conceden "supercréditos" por poner en el mercado coches de cero y bajas emisiones (BEV, PHEV) que emitan menos de 50 g de CO2/km.

Los costes de desarrollo, los costes de material y los costes de producción son siempre factores importantes a la hora de evaluar el potencial de mercado de uno u otro enfoque.

Aproximadamente un tercio del consumo de combustible en los automóviles se debe a las pérdidas por fricción [1], siendo la fricción del tren motriz uno de los principales culpables, ver Fig. 2.

Fig.2 Pérdidas de energía en automóviles de pasajeros (Fuente: www.fueleconomy.gov)

Por lo tanto, el desarrollo de sistemas de propulsión de baja fricción se considera un objetivo importante [1-3].

Papel del aceite de motor en el desarrollo del tren motriz de baja fricción

Se cree que los motores automotrices operan predominantemente en el régimen hidrodinámico [4-6]. Por lo tanto, al reducir la viscosidad del lubricante, se puede reducir la fricción del motor y mejorar la economía de combustible del vehículo. La Fig. 3 explica cómo funciona esta estrategia: en el lado izquierdo se muestra la curva de par real de un motor GDI de 1.6L de producción típica, y en el lado derecho se muestra la curva de par de fricción para el mismo motor medida con un equipo motorizado. La fricción "consume" alrededor de 1/10 del par útil que puede producir el motor. El hecho de que el par de fricción aumente con la velocidad del motor demuestra el régimen de lubricación hidrodinámica. Por lo tanto, cambiar a un lubricante de menor viscosidad ayuda a reducir el par de fricción a altas rpm.

Fig.3 La curva de par (l.h.s.) y la curva de par de fricción (r.h.s.) para un motor i4 GDI de 1.6L de producción. También se muestran las principales estrategias de ingeniería para la reducción de la fricción.

En las últimas dos décadas, ha habido una tendencia constante hacia lubricantes de menor viscosidad, ver Fig. 4. Por lo tanto, la norma SAE J300 se ha revisado en 2015 para incluir tres nuevos grados de viscosidad más ligeros, SAE 16, 12 y 8. Los grados PCMO más pesados SAE xW-40, xW-50 y xW-60 se están convirtiendo en productos de nicho. La especificación ILSAC GF-6 ni siquiera incluye viscosidades superiores a SAE 30. Los lubricantes para engranajes automotrices siguen su ejemplo: La norma SAE J306 se ha revisado en 2019 añadiendo grados de viscosidad SAE 75, 70 y 65.

En el caso de los turismos, un cambio de la versión SAE 10W-40 heredada a 0W-20 supone una mejora media del 5% en el ahorro de combustible en las condiciones de prueba WLTP, y la posterior migración a 0W-8 puede aportar un 5% adicional, siempre que el hardware del motor pueda manejar con seguridad una viscosidad tan baja. En el caso de los camiones pesados, el efecto es mucho menor: al cambiar de la antigua SAE 15W-40 a la 5W-20, no se ahorra más del 2% en las condiciones ESC, y aún menos en las condiciones ETC. Muchos diseños de HDDE más antiguos no son capaces de trabajar con aceite de baja viscosidad.

Fig.4 La tendencia continua hacia una viscosidad más baja y lubricantes SAPS más bajos

Sin embargo, existe un obstáculo principal para reducir la viscosidad del lubricante cada vez más: es el desgaste [7-11]. El espesor de la película lubricante hidrodinámica es directamente proporcional a la viscosidad del lubricante. Por lo tanto, para mantener el régimen de lubricación hidrodinámica, habrá que modificar las especificaciones del acabado de la superficie y actualizar la bomba de aceite y el sistema de filtración de aceite [7]. Sin eso, el riesgo de desgaste excesivo es real y no se puede ignorar, ver Figs. 5-6

Fig.5 Mapas simulados de ΔBSFC y de salud de rodamientos para un motor de automóvil de pasajeros moderno (después de D.E. Sander et al. [8])

Fig. 5 muestra el mapa ΔBSFC simulado para un motor de automóvil de pasajeros moderno y el mapa de estado de rodamiento simulado para el mismo. En el medio, se muestra el cambio en BSFC al cambiar de SAE 0W-20 (el lado izquierdo) a 0W-8 (en el medio), el área verde corresponde a una economía de combustible mejorada, el área roja a una economía de combustible degradada. Es factible una reducción de hasta el 20% en BSFC. Desafortunadamente, el efecto máximo está restringido a la parte equivocada del mapa: velocidades del motor medias a altas y baja carga. Tales condiciones se aplican a un motor que acelera al ralentí. Cerca del "punto óptimo" del motor, el efecto sobre BSFC se reduce al 10%. Sin embargo, la observación más problemática es el área roja a bajas revoluciones y alta carga del motor, ya que esto no solo significa una economía de combustible degradada, sino también un riesgo elevado de desgaste [5,7-12]. Esto se confirma mediante la simulación del estado del rodamiento principal.

Se han observado tendencias similares para los motores diésel de servicio pesado, véase la Fig. 6. De hecho, el desajuste es aún más evidente en este caso, ya que el máximo efecto de ahorro de combustible se produce a baja carga y altas revoluciones, mientras que el mayor desgaste se produce a alta carga y baja velocidad, cerca del punto óptimo del motor. Para muchos motores, los problemas ya comienzan cuando se cambia de API CJ-4 heredado o su sucesor compatible con versiones anteriores API CK-4 a aceite de motor FA-4 más ligero. Al mismo tiempo, algunos motores nuevos, por ejemplo, de Scania y DAF, pueden utilizar de forma segura aceites tan ligeros como 5W-20 e incluso 0W-16.

Fig.6 Posibles problemas de desgaste con HDEO de viscosidad ultrabaja (según P. Klejwegt et al. [9])

Los ejemplos anteriores muestran que es en condiciones de baja velocidad - alta carga que la película lubricante puede fallar. Los problemas a alta velocidad se asocian principalmente con una capacidad inadecuada de la bomba de aceite y se pueden abordar mediante el uso de bombas variables. A altas revoluciones del motor, las fuerzas de inercia que actúan sobre el grupo alternativo y los efectos de cavitación también juegan un papel importante. Esto puede causar problemas con el extremo pequeño de la interfaz de biela/pasador de muñeca y los cojinetes. En general, los lubricantes de menor viscosidad tienden a ser menos propensos a la cavitación.

Dado que la película hidrodinámica colapsa cuando no hay movimiento relativo entre las superficies de fricción, los problemas de desgaste asociados con la introducción de lubricantes de baja viscosidad se agravan aún más debido a la tecnología automática de arranque-parada [13,14]. El uso de bombas de aceite eléctricas y cojinetes de rodillos para el árbol de levas y el eje del equilibrador ayuda a mitigar el problema. También se probaron cigüeñales soportados por cojinetes de rodillos, pero se encontraron poco prácticos.

Las formulaciones de lubricantes para cárter se pueden ajustar para obtener un rendimiento óptimo en condiciones específicas. Por ejemplo, el aceite de motor puede diseñarse para funcionar mejor a altas velocidades y temperaturas del motor, como es el caso de los aceites de carreras. Sin embargo, el aceite de carreras no sería una buena opción para los coches de carretera en el tráfico urbano con paradas y arranques. Por el contrario, uno puede diseñar aceite de motor para que funcione mejor en el tráfico de la ciudad con paradas y arranques, pero entonces puede no ganarse su "rosquilla" de conservación de recursos.

A diferencia de los aceites de carreras, los lubricantes convencionales están formulados para equilibrar una gran cantidad de propiedades diferentes, una especie de cambio de paradigma consciente e inevitable de "ser el mejor en algo" a "ser lo suficientemente bueno en todo". Dado que la eficiencia del combustible se considera un aspecto de rendimiento extremadamente importante (de hecho, muchas aprobaciones de OEM lo exigen explícitamente), la transición a viscosidades más bajas continuará. Sin embargo, hay que reconocer que los aceites de ahorro de combustible no tienen mucho sentido económico para el consumidor final: hablamos de un ahorro de combustible de unos 100 euros en comparación con un riesgo de 1000 euros si el aceite es demasiado fino y provoca un desgaste excesivo del motor. Sin embargo, el beneficio de estos aceites recae en los fabricantes de automóviles. Si sus vehículos pueden ahorrar entre un 1 y un 2% de combustible mediante el uso de un lubricante especial para el ahorro de combustible, entonces ese OEM puede reducir drásticamente la cantidad de multas que pueden tener que pagar.

Uso de modificadores de fricción en lubricantes de cárter

El aumento de los requisitos de rendimiento del lubricante explica un aumento constante en la cuota de mercado de los lubricantes sintéticos en las últimas dos décadas. Los aceites base sintéticos tienen múltiples ventajas: mejor consistencia de las propiedades, mayor estabilidad a la oxidación, mejores propiedades de flujo a baja temperatura, baja volatilidad, etc., ver Fig. 7 Combinados con los aditivos adecuados, los aceites base sintéticos se pueden utilizar para fabricar lubricantes con propiedades sobresalientes. Un tipo de aditivos merece una mención especial en lo que respecta a los aceites de motor de ahorro de combustible: los modificadores de fricción. Los modificadores de fricción son una herramienta indispensable para la "ingeniería inteligente del petróleo", véase la Fig. 3.

Fig.7 Migración hacia el aceite de motor totalmente sintético que ahorra combustible

Los modificadores de fricción se pueden agrupar aproximadamente en dos categorías principales: (1) sistemas de partículas (PTFE, grafito, grafeno, MoS2, WS2, IF-WS2, ácido nanobórico, nanopartículas de cobre/oleato de cobre, etc.); (2) sistemas formadores de capas de adsorción, que a su vez, pueden ser monomoleculares (monooleato de glicerol, monooleato de sorbitán, triglicéridos grasos, ésteres de ácidos hidroxicarboxílicos, ésteres de fosfato, ésteres de borato, ácidos grasos, amidas grasas, aminas grasas, grasas sulfuradas, etc.) y poliméricos (metacrilatos, poliésteres, poliéteres, poliamidas, aceites vegetales polimerizados, etc.). La principal ventaja de los sistemas de partículas radica en su estabilidad química relativamente alta, mientras que su principal desventaja es la propensión a la separación. Los sistemas de partículas tienden a hacer que la formulación del lubricante tenga un aspecto opaco, lo que no siempre es aceptable. Por ejemplo, se utiliza un sistema de modificación de la fricción de partículas en el paquete de aditivos para aceite de motor Lubrizol 21307. Los sistemas de formación de capas de adsorción son numerosos: hay cientos de productos comerciales en el mercado.

La principal diferencia entre los modificadores de fricción monomoleculares y poliméricos es la compacidad de las capas adsorbidas. Mientras que los OFM monomoleculares tienden a producir capas moleculares densas "en forma de cepillo", los OFM poliméricos producen capas de adsorción "en forma de gel". Estas capas causan repulsión entre las superficies, de la misma manera que lo hacen los dispersantes poliméricos, lo que contribuye al llamado efecto de "superlubricidad": tienden a desplazar la curva de Stribeck hacia la izquierda al extender el rango de lubricación de película completa hacia cargas más altas [2,16]. Sin embargo, no necesariamente reducen la fricción en el régimen de lubricación de película completa.

Las estructuras densamente empaquetadas en forma de cepillo parecen ofrecer el mejor efecto de reducción de la fricción en las pruebas de laboratorio, como HFRR, pin-on-disk, Cameron-Plint, MTM, etc. Por otro lado, son más propensos a desplazar a otras especies tensioactivas debido a la adsorción competitiva. Por ejemplo, el monooleato de glicerilo puede desplazar eficazmente el fosforotioato de molibdeno de la superficie. Por la misma razón, los aditivos de molibdeno pierden eficacia cuando se utilizan en combinación con ciertos aceites base de éster.

Los sistemas mixtos pueden combinar la superlubricidad con la lubricidad límite. Por ejemplo, el aceite vegetal polimerizado suele contener pequeñas cantidades de ácidos grasos y ésteres parciales de glicerol. Las moléculas poliméricas proporcionan repulsión estérica entre las superficies de roce, mientras que los ácidos grasos y los ésteres parciales de glicerol aumentan la lubricidad límite [17]. Muchos sistemas OFM comerciales exhiben la misma propiedad (por ejemplo, Perfad 3000 de Croda). Este tipo de comportamiento se puede simular fácilmente en pruebas de laboratorio mediante la combinación de mejoradores VI comunes, como PIB o poliestireno, con monooleato de glicerol o monooleato de sorbitán.

Los OFM formadores de gel de superficie tienen menos probabilidades de participar en la adsorción competitiva, ya que tienen menos "anclajes" por unidad de área. Esto permite desarrollar formulaciones que combinan propiedades favorables de extrema presión con el efecto de "superlubricidad"; véase, por ejemplo, la Fig. 8 [18].

Un efecto de superlubricidad similar se puede experimentar mientras se camina sobre las rocas resbaladizas de la orilla del mar. La baba de algas que crece en las rocas retiene una capa de agua suficientemente gruesa, que actúa como lubricante entre los pies y la superficie de la roca. Sin este limo, la fuerza de la película de agua no sería suficiente para sostener sus pies. Las capas de adsorción formadas por estos aditivos de superlubricidad formadores de geles superficiales son viscoelásticas (o pseudoplásticas) y tienen un efecto tribológico beneficioso, ya que reducen la fricción y el desgaste, así como la disipación de energía y la excitación acústica asociadas. También ayudan a solubilizar el material particulado al actuar como dispersantes poliméricos. La fuerza de separación entre dos superficies en presencia de tales aditivos se puede medir directamente usando microscopía de fuerza atómica, Fig. 9 [13]

Fig.8 Un sistema modificador de fricción sinérgico que contiene un modificador de fricción polimérico y un aditivo de molibdeno [18]

Fig.9 Mediciones de AFM que muestran la fuerza de repulsión debida a la capa de gel superficial formada por un aditivo de superlubricidad de copolímero de bloque tensioactivo [13]

Modificadores de fricción inorgánicos solubles en aceite, tales como fosforoditioatos de di(2-etilhexilo) de molibdeno, amidas grasas de ácidos molibdico y tungsticio, El fosforodtiotato de dialquilo de antimonio y los ésteres de borato pueden funcionar de dos maneras diferentes: En primer lugar, actúan por adsorción, y su afinidad con las superficies metálicas suele ser mayor que la de los OFM. En segundo lugar, pueden sufrir tribomutación en condiciones extremas de presión y/o cizallamiento, depositando capas sólidas de lubricante en las superficies de fricción en contacto. Así, los derivados del molibdeno se convierten en MoS2, el tungsteno en WS2, el borato en ácido bórico, etc. Al hacerlo, los modificadores de fricción inorgánicos juegan un papel esencial en el proceso de rodaje [19]. Esta propiedad también sirve como base para el acabado mecánico de superficies [20] y da como resultado una reducción de la fricción y el desgaste, ver Fig.10.

Fig.10 Efecto de ZDDP y modificadores de fricción inorgánicos en la fricción del tren de válvulas (según Ashworth et al. [21])

Efecto del aceite de motor en la fricción del motor para diferentes diseños de motor

Como ya se ha mencionado en la introducción, cambiar a un lubricante de menor viscosidad ayuda a reducir la fricción del motor. La mejor manera de ilustrar esto es mediante el uso de equipos de motor motorizados [4,13]. Las Figs. 11-13 muestran los datos de par de fricción para dos motores de gasolina diferentes. Se utilizaron motores i4 de producción de 2L usados pero funcionales para construir las plataformas. Las plataformas funcionaban sin presurizar, utilizando una bomba de aceite eléctrica externa sin pulso para suministrar petróleo. Además, se utilizó un volante pesado para reducir el ruido de los datos. La principal diferencia entre los motores era la superficie del orificio del cilindro: hierro fundido pulido frente a pulverizado térmicamente, y el tipo de tren de válvulas: cucharón mecánico de acción directa (DAMB) frente seguidor de dedo de rodillo (RFF).

La Fig. 11 muestra el efecto de la temperatura del aceite en la fricción del motor. Como era de esperar, una temperatura más baja del aceite se asocia con una mayor fricción. Para el diseño de motor más antiguo (Motor A: Ford Duratec) utilizando orificios de cilindros de hierro fundido convencionales y un tren de válvulas DAMB, hay un ligero aumento de la fricción en el extremo de bajas revoluciones: esto se puede atribuir al colapso de la película lubricante hidrodinámica y a la fricción excesiva en el tren de válvulas y el grupo alternativo. Para el nuevo diseño del motor (Motor B: Mercedes Benz M133) con orificios recubiertos de pulverización y tren de válvulas RFF, el par de fricción depende casi linealmente de la velocidad del motor. Esto demuestra que el nuevo diseño permite evitar eficazmente la fricción de los límites.

La Fig. 12 muestra el efecto del grado de viscosidad del aceite a una temperatura de trabajo de 90 °C. Pasar de la versión SAE 10W-40 heredada a 0W-16 permite una reducción de casi el doble en la fricción del motor a altas revoluciones. Sin embargo, el efecto se reduce progresivamente cuando se bajan las revoluciones. Es interesante que para el motor más antiguo, el aceite de menor viscosidad proporciona la mayor fricción en el extremo de bajas revoluciones. Una vez más, esto demuestra que el colapso de la película lubricante hidrodinámica puede ser un problema real.

Finalmente, la Fig. 13 muestra cómo responde la fricción del motor al uso de un modificador de fricción en la formulación del lubricante. Se puede ver que el motor con un tren de válvulas DAMB y orificios de cilindros de hierro fundido convencionales obtiene más beneficios del despliegue de modificadores de fricción que el motor con un tren de válvulas RFF y orificios rociados térmicamente. Esto muestra que el despliegue de modificadores de fricción solo tiene sentido cuando hay una contribución sustancial de la fricción límite en la pérdida total de energía.

Fig.11 El efecto de la temperatura del aceite en la fricción del motor: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Fig.12 El efecto del grado de viscosidad del aceite en la fricción del motor a 90 °C: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Fig.13 El efecto del modificador de fricción de molibdeno en la fricción del motor: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Es importante entender que los diferentes modificadores de fricción pueden competir entre sí por los sitios de superficie vacantes, y también pueden competir con otra clase importante de aditivos invariablemente presentes en las formulaciones de lubricantes del cárter: los detergentes [22]. Como resultado, dos formulaciones de aceite diferentes que tienen exactamente las mismas propiedades viscométricas pueden tener un ahorro de combustible diferente, aunque las variaciones casi nunca superan el 1 por ciento.

Algunas ideas sobre los sistemas de propulsión híbridos

Los sistemas de propulsión híbridos plantean nuevos desafíos para los formuladores de aceite: dado que el motor de combustión interna no se enciende permanentemente durante el uso del automóvil, es posible que no alcance la temperatura de trabajo. Esto crea condiciones para la condensación de agua en las paredes del cilindro de potencia, seguida de la acumulación de agua en el cárter. Dado que los OFM son tensioactivos, ayudan a solubilizar el agua y alejarla del cárter. La electrónica de control del tren motriz debe activar el motor de combustión interna a intervalos para calentar el aceite y evaporar el exceso de agua.

Otro aspecto importante por el que los OFM son tan importantes para los aceites de motor para automóviles híbridos es el ahorro adicional de combustible. Los híbridos tienden a utilizar lubricantes de baja y ultra baja viscosidad: desde 0W-20 (Volvo, Mercedes) hasta 0W-8 (Honda). La viscosidad del aceite tiene el efecto dominante en el ahorro de combustible en el límite de alta velocidad y baja carga. Sin embargo, este régimen operativo es relativamente poco importante en la vida real. Por otro lado, los OFM ayudan a mejorar el ahorro de combustible en el límite de baja velocidad y alta carga que se encuentra más cerca del punto óptimo del motor y es el más interesante desde un punto de vista práctico. Además de eso, los OFM ayudan a minimizar la dependencia de modificadores de fricción inorgánicos que pueden ser potencialmente dañinos para el equipo de control de escape. La Fig. 14 muestra que los modificadores de fricción orgánicos pueden competir con éxito con MoDTC en términos del efecto reductor de fricción.

Fig.14 Datos de prueba MTM comparando dos modificadores de fricción orgánicos comerciales con MoDTC en aceite base PAO. Se utilizaron las siguientes condiciones de prueba: SRR 50%, carga 36N, temperatura 100oC.

Por último, pero no menos importante: los OFM poliméricos funcionan bien en combinación con aceites base de poliéter soluble en aceite (OSP) y éster que se utilizan a menudo en lubricantes de viscosidad ultrabaja (grados 0W-8 y 0W-12), mientras que los aditivos de molibdeno resultan menos eficientes en este caso.

En Japón, el cambio al aceite SAE 0W-20 comenzó alrededor de 1980, y el primer producto similar a SAE 0W-16 (no había designaciones J300 para grados de viscosidad sub SAE 20 en ese momento) se introdujo en 2010. Hoy en día, Honda y Toyota promueven activamente la tecnología SAE 0W-8 que aporta una mejora media del 3-4% en el ahorro de combustible con respecto a la SAE 0W-20. Se ha desarrollado la nueva prueba de ahorro de combustible JASO y posiblemente reemplazará a la secuencia VIF existente en la futura especificación ILSAC GF-7. En 2019 se completó el desarrollo de la nueva norma, conocida como JASO M364:2019, y de la especificación de aceite, JASO GLV-1 [23]. Para la prueba de economía de combustible, se puede utilizar el motor Toyota 2ZR-FXE de 1.8L o el motor Nissan MR20DD de 2.0L. Los límites de ahorro de combustible propuestos para la nueva especificación JASO GLV-1 son de >1,1 % (encendido) y >2,0 % (motorizado) en comparación con el aceite de referencia SAE 0W-16. No es probable que el ILSAC GF-7 llegue antes de 2025, si es que llega, teniendo en cuenta todos los obstáculos, retrasos, costos prohibitivos y utilidad limitada de la categoría ILSAC GF-6.

Observaciones finales

El aceite de motor es un elemento importante en el desarrollo de sistemas de propulsión de baja fricción. Cambiar a aceite de motor de baja viscosidad es una forma eficiente de reducir las pérdidas por fricción en los motores de combustión interna. Sin embargo, el aceite de baja viscosidad tiende a comprometer la protección contra el desgaste, lo que requiere el uso de modificadores de fricción y aditivos antidesgaste en las formulaciones de lubricantes para cárteres. Junto con una adopción más amplia de aceites base sintéticos, se espera que los modificadores de fricción desempeñen un papel cada vez más importante en el futuro.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un posible conflicto de intereses.

Contribuciones de los autores

Boris Zhmud respalda la idea general del artículo y los datos de la investigación. Arthur Coen y Karima Zitouni han contribuido a la sección sobre el uso de varias clases de modificadores de fricción.

Acknowledgements

Se agradece a Robert Ian Taylor por inspirar la discusión y los comentarios sobre las pruebas de fricción del motor motorizado. Se agradece a Peter Klejwegt por compartir su experiencia con el aceite de motor de ahorro de combustible para aplicaciones de servicio pesado.

References

1.  K. Holmberg, P. Andersson, A. Erdemir. Consumo global de energía debido a la fricción en los turismos. Tribología Internacional, 47 (2012) 221.
2. B. Zhmud, Desarrollo de lubricantes y recubrimientos energéticamente eficientes para aplicaciones automotrices, Tribología y Tecnología de Lubricación 67(9) (2011) 42.
3. B. Zhmud, Búsqueda de una mejor economía de combustible: Reducir la fricción del motor ayuda a maximizar las millas por galón, The Vehicle Component 5 (2012) 18.
4. R.I. Taylor, N. Morgan, R. Mainwaring, T. Davenport, ¿Cuánta fricción mixta/límite hay en un motor, y dónde está? Proc IMechE Parte J: J. Tribología de Ingeniería 234 (2020) 1563.
5. B. Zhmud, Tribología del motor: un camino espinoso del laboratorio al campo, Lube 154 (2019) 20.
6. R.I. Taylor, R.C. Tímido, Eficiencia de combustible mejorada por el diseño del lubricante: Una revisión, Proc. Inst. Mech. Eng. 214 (1999) 1.
7. B. Tatievski, B. Zhmud, "Aceites de motor de ahorro de combustible: Fundamentos científicos y controversias", en Proc. 20º Coloquio Internacional de Tribología, Stuttgart, Alemania, 12-14 de enero de 2016.
8. D.E. Sander, H. Allmaier, C. Knauder, F. Strömstedt, Potenciales y riesgos de reducir la fricción con futuros aceites de motor de viscosidad ultrabaja. MTZ Worldwide 79 (2018) 21.
9. P. Kleijwegt, R. ter Rele, M. Sabater Ferret, R. van den Bulk, "Especificaciones globales de aceite de motor de servicio pesado y su impacto en los lubricantes actuales y de próxima generación" Congreso Benelux Smeermiddelen, Retie, Bélgica, 26 de septiembre de 2019.
10. G. Lechner, A. Knafl, D. Assanis, S. Tseregounis, M. McMillan, S. Tung, P. Mulawa, E. Bardasz, S. Cowling, Efectos del aceite de motor en la fricción y las emisiones de un motor diésel de inyección directa de 2,2 L de servicio ligero, Parte 1 - Resultados de la prueba del motor. Documentos Técnicos SAE 2002-01-2681.
11. S. Tung, M. McMillan, G. Hong, E. Bardasz, Efectos del aceite de motor en la fricción y el desgaste utilizando componentes de motores diésel de inyección directa de 2,2 L para pruebas de banco, Parte 2: Resultados de pruebas de banco de tribología y análisis de superficie. Documentos Técnicos SAE 2004-01-2005.
12. B. Zhmud, E. Tomanik, "Optimización de la tribología pistón/orificio: El papel de las especificaciones de la superficie, el paquete de anillos y el lubricante". Coloquio Internacional de Tribología, Esslingen, Alemania, 28-30 de enero de 2020.
13. B. Zhmud, B. Tatievski, "Preparación para el ILSAC GF-6: Ventajas de los aceites de motor totalmente sintéticos para aumentar el ahorro de combustible". Congreso Mundial de Tribología, Pekín, China, Sep. 17-22, 2017.
14. B. Zhmud, "Avances actuales en lubricantes para cárteres". Cumbre Europea de Aceites Básicos y Lubricantes, Rotterdam, Países Bajos, 20 y 21 de noviembre de 2019.
15. H. Espigas, Aditivos modificadores de fricción, Trib. Letón. 60 (2015) 5.
16. B. Zhmud, M. Roegiers, Los nuevos aceites base plantean un desafío para la solubilidad y la lubricidad, Tribology and Lubrication Technology 65(7) (2009) 34.
17. M. Roegiers, B. Zhmud, Rendimiento tribológico de los aceites vegetales ionizados como aditivos de lubricidad y oleosidad grasa en lubricantes y combustibles, Lubrication Science 21 (2009) 169.
18. M.C. Southby, H. Gao, C. Chen, C.A. Chin, B.L. Parke, Composición lubricante, WO Patent 2015193395, 23 de diciembre de 2015.
19. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Tribocarbonización de un aceite de motor sintético en contacto deslizante lubricado con el anillo del pistón/orificio del cilindro y su relación con la fricción y el desgaste. Revista de Lubricación Sintética 20 (2003) 203.
20. B. Zhmud, "Rodaje en la fabricación de componentes del motor mediante el uso del proceso de triboacondicionamiento®", en M. Abdel Wahab (Ed.): FFW 2018, LNME, pp. 671-681, 2019.
21. S. Ashworth, K. Mistry, A. Morina, A. Neville, Tribómetro de una sola leva para evaluar parámetros tribológicos y triboquímica del seguidor del tren de válvulas recubierto de DLC. Tribología - Materiales, Superficies e Interfases, 6 (2012) 31.
22. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Interacciones superficiales competitivas de aditivos críticos con componentes de anillos de pistón/camisas de cilindros en condiciones de rodaje lubricadas. Tribology Transactions 46 (2003) 200.
23. S. Yoshida, K. Yamamori, S. Hirano, T. Sagawa, et al., El desarrollo de la especificación de aceites para motores de gasolina automotrices de baja viscosidad de próxima generación JASO GLV-1. Documento técnico SAE 2020-01-1426