Los lubricantes son esenciales en la vida moderna. Los motores y las cajas de cambios de los automóviles funcionan sin problemas gracias a aceites y grasas sofisticados, mientras que los discos duros de las computadoras se basan en películas orgánicas delgadas para garantizar que el cabezal de «lectura/escritura» pueda moverse de manera confiable a altas velocidades a través del medio de grabación. Sin embargo, según algunos analistas, los costos directos de la fricción y el desgaste pueden representar casi el 10% del producto nacional bruto (PNB) en muchas naciones industrializadas. Además, estiman que se podrían lograr ahorros de costos de hasta el 1% del PNB simplemente usando el lubricante adecuado para el trabajo.
Los lubricantes son fluidos extraordinarios. Durante el invierno en Detroit, por ejemplo, el mismo aceite de motor de coche tiene que funcionar de forma fiable a temperaturas que oscilan entre -40 °C y más de 250 °C, la temperatura cercana al segmento superior del pistón. También tiene que hacer frente a presiones entre 10 5 y 10 9 pascales, así como a contaminantes como partículas de metal y hollín. La gota que colmó el vaso es que este fluido debe lidiar de manera confiable con estas condiciones todos los días durante hasta dos años, el tiempo recomendado entre cambios de aceite, según algunos fabricantes de vehículos.
Sorprendentemente, una de las principales fuerzas impulsoras detrás del desarrollo de lubricantes es el medio ambiente. Los vehículos modernos deben emitir muchos menos contaminantes que los automóviles y camiones más antiguos. De hecho, las emisiones de un vehículo moderno típico son unas 50 veces inferiores a las de los fabricados en la década de 1960.
El dióxido de carbono es un subproducto natural de la combustión de combustible y se encuentra entre los contaminantes más importantes que se pretende reducir. De hecho, los vehículos que tienen un alto consumo de combustible emiten grandes cantidades de dióxido de carbono. Sin embargo, la Unión Europea está tomando una fuerte iniciativa para abordar este problema y ha indicado que la cantidad promedio de dióxido de carbono emitido por cada vehículo debe reducirse del promedio actual de 200 gramos por kilómetro a menos de 140 gramos por kilómetro a partir de 2008. Esto equivale aproximadamente a mejorar el consumo promedio de combustible de 33 a 47 millas por galón. Tal aumento conduciría a grandes recortes en términos de dióxido de carbono. Solo en el Reino Unido, donde hay aproximadamente 20 millones de automóviles, cada uno de los cuales recorre un promedio de 16 000 km cada año, la caída anual total de CO 2sería de unos 19 millones de toneladas.
Claramente, los fabricantes están realizando una serie de cambios de ingeniería en sus vehículos para tratar de mejorar la economía de combustible. Sin embargo, es menos conocido el hecho de que el consumo de combustible puede mejorarse significativamente simplemente cambiando los lubricantes. Por ejemplo, es posible reducir la cantidad de combustible que consumen los automóviles modernos hasta en un 5% simplemente cambiando de un aceite multigrado típico a un lubricante «modificado por fricción» con una viscosidad más baja. Esto conduciría a una caída anual de CO 2 de aproximadamente 3 millones de toneladas en el Reino Unido. Recuerde que esta cifra es solo para el Reino Unido y solo para automóviles. Claramente, es posible lograr mayores ahorros de CO 2 si también se usaran lubricantes optimizados en camiones y en otra maquinaria.
¿Qué es un lubricante?
Los lubricantes para automóviles desempeñan cuatro funciones principales: controlan la fricción y el desgaste del motor, protegen el motor de la oxidación, enfrían los pistones y protegen el aceite del motor almacenado en el sumidero de los gases de combustión.
Entre el 75% y el 95% de un lubricante de motor típico se compone de un aceite base, un aceite mineral que proviene directamente de una refinería. Estos aceites base pueden contener naturalmente cadenas lineales o ramificadas de hidrocarburos, moléculas de hidrocarburo con anillos aromáticos unidos, o estas cadenas se pueden producir mediante reacciones químicas adicionales de los aceites base.
El resto del lubricante comprende una variedad de aditivos, que se utilizan para mejorar el rendimiento. Por lo general, estos incluyen aditivos antidesgaste, inhibidores de la corrosión, antioxidantes, detergentes, dispersantes, aditivos antiespumantes y moléculas poliméricas grandes conocidas como modificadores de la viscosidad, que se agregan para mejorar la variación de la viscosidad del lubricante con la temperatura.
De hecho, la viscosidad es la propiedad física más significativa de un lubricante. La forma en que varía con la temperatura, la velocidad de corte y la presión determina en gran medida cómo se comporta el lubricante en un motor. Pero la química del lubricante también es importante: debe ser resistente a la oxidación y debe poder “establecer” una película protectora para combatir el desgaste donde el contacto metálico es inevitable.
El comportamiento de una película de aceite atrapada entre dos superficies en movimiento se cuantifica mediante la viscosidad dinámica, que se mide en milipascales por segundo (mPa·s). Más precisamente, la viscosidad dinámica relaciona el esfuerzo cortante, la fuerza cortante que actúa sobre el aceite por unidad de área, y la tasa de corte, la diferencia de velocidad entre las dos superficies dividida por su separación. Sin embargo, a menudo es más conveniente medir una cantidad conocida como viscosidad cinemática, que es la viscosidad dinámica dividida por la densidad del fluido y se mide en mm 2 s -1 o centiStokes (cSt).
Los lubricantes se dividen en dos amplias categorías, monogrado y multigrado, dependiendo de si su viscosidad cambia significativamente con la temperatura o no. La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) ha ideado un sistema de clasificación más detallado (ver tabla ). Un lubricante común se describe de acuerdo con este esquema como multigrado SAE-10W/30. El primer número (10W) se refiere a la viscosidad dinámica medida a bajas temperaturas, mientras que el segundo (30) describe la viscosidad cinemática a 100 oC. Los números más bajos describen lubricantes más fluidos: la viscosidad de un multigrado SAE-5W/30, por ejemplo, es cinco veces menor que la de SAE-20W/50 a -20 °C. En términos generales, la energía perdida debido a la fricción varía con la raíz cuadrada de la viscosidad: a -20 °C, las pérdidas por fricción del aceite de baja viscosidad serán aproximadamente la mitad de las del aceite más espeso, lo que permitirá que el motor arranque más fácilmente.
El grado de viscosidad de un aceite multigrado es diferente a altas y bajas temperaturas debido a los aditivos conocidos como modificadores de viscosidad. Por ejemplo, SAE-10W/30 tiene una viscosidad similar al lubricante monogrado SAE-30 a 100 °C. Sin embargo, a temperaturas más bajas, SAE-10W/30 es mucho más delgado que el aceite monogrado. Esto significa que el aceite multigrado brinda protección a altas temperaturas y es lo suficientemente fluido a bajas temperaturas para permitir que los motores arranquen fácilmente en la mayoría de los países europeos. Por el contrario, el aceite monogrado espeso simplemente no sería adecuado en invierno.
Los lubricantes hacen el grado
| Grado de viscosidad | Viscosidad cinemática a 40 °C (cSt) | Viscosidad cinemática a 100 °C (cSt) | Viscosidad dinámica a -15 °C (mPa·s) |
| SAE-30 | 91.3 | 10.8 | 3950 |
| SAE-20W/50 | 144.8 | 17.8 | 5870 |
| SAE-15W/40 | 114.3 | 14.9 | 2940 |
| SAE-10W/30 | 72.3 | 10.8 | mil novecientos |
| SAE-5W/30 | 57.4 | 9.9 | 1090 |
| SAE-0W/20 | 44.4 | 8.3 | 690 |
Las viscosidades típicas de los lubricantes comunes según la clasificación J300 de la Sociedad de Ingenieros Automotrices. Un aceite multigrado descrito como SAE-15W/40, por ejemplo, es un grado 15 a bajas temperaturas y un grado 40 a altas temperaturas. Para que un aceite sea de grado 15, la viscosidad dinámica a -15 °C debe ser inferior a 3500 mPa·s, mientras que la viscosidad cinemática de un aceite de grado 40 debe estar entre 12,5 y 16,3 cSt a 100 °C.
Componentes bien engrasados
En un motor de combustión interna de gasolina típico, el combustible ingresa a la cámara de combustión cuando se abre una válvula de entrada. Luego, esta válvula se cierra y el pistón se mueve hacia arriba, comprimiendo la mezcla de combustible y aire. Cuando el pistón alcanza su posición más alta, la bujía se activa y se produce la combustión, empujando el pistón hacia abajo. El movimiento de traslación del pistón se convierte entonces en movimiento de rotación a través de la biela y los cojinetes del cigüeñal.
Para que un motor funcione con eficacia, los contactos entre las levas (que empujan las válvulas que controlan la entrada y salida de la cámara de combustión) y los taqués (que accionan las válvulas) deben estar adecuadamente lubricados para que los componentes no se desgasten en exceso. También se debe formar una película de aceite completa entre los anillos del pistón y la camisa del pistón para evitar el desgaste, sellar los gases de la cámara de combustión del resto del motor y minimizar las pérdidas por fricción. Finalmente, una gruesa película de aceite debe cubrir los cojinetes del motor para que las superficies metálicas del cojinete no entren en contacto.
Figura 1
Un aceite de motor típico está cuidadosamente formulado para proteger el tren de válvulas, los cojinetes y el conjunto del pistón, a pesar de los diferentes requisitos de lubricación de estos componentes. De hecho, el espesor del aceite determina su coeficiente de fricción y define cuatro regiones distintas de lubricación ( figura 1 .
Los cojinetes del motor y el pistón funcionan principalmente en la región de «lubricación hidrodinámica», donde una película gruesa separa las superficies metálicas en movimiento para que no haya posibilidad de que entren en contacto. Sin embargo, cuando los pistones están momentáneamente estacionarios, la capa de aceite que los cubre puede tener un grosor similar a la rugosidad de la superficie de los componentes. En esta región de “lubricación mixta”, las superficies metálicas entran en contacto directo intermitentemente. Si el grosor de la película de aceite es mucho menor que la rugosidad de la superficie, las superficies metálicas se frotan entre sí repetidamente; esto se conoce como «lubricación límite». El contacto entre las levas y los taqués en el tren de válvulas abarca las regiones mixtas y limítrofes.
El tipo final de lubricación, la lubricación elastohidrodinámica, ocurre bajo cargas altas y se encuentra comúnmente con aceites a base de hidrocarburos. Aquí la presión desarrollada en el lubricante es suficientemente alta para deformar elásticamente las superficies metálicas a ambos lados de la película de aceite. Esto sucede porque la viscosidad de estos fluidos aumenta significativamente a medida que aumenta la presión. Las válvulas y los anillos de pistón operan ocasionalmente en esta región.
Los lubricantes también se utilizan en otros componentes importantes de un vehículo, incluida la caja de cambios. Este es un entorno desafiante donde las presiones superan habitualmente los 10 9 Pa y los engranajes funcionan en el régimen de lubricación elastohidrodinámica. Además, en muchos automóviles, el lubricante para engranajes se llena una vez y luego nunca se reemplaza durante la vida útil del vehículo. Aun así, los investigadores de Torotrak en Leyland, Reino Unido, están desarrollando actualmente nuevos sistemas de transmisión que son efectivamente cajas de cambios con una gama infinita de relaciones de transmisión. Estas transmisiones continuamente variables están diseñadas para mejorar en última instancia la eficiencia del combustible y requieren lubricantes que tengan propiedades especiales, como coeficientes de fricción muy altos, que nuestro grupo en Cheshire Innovation Park de Shell está desarrollando en colaboración con Torotrak.
Las grasas también se usan comúnmente para lubricar las juntas de velocidad constante que conectan los ejes a la rueda motriz mientras permiten que la suspensión se mueva hacia arriba y hacia abajo. Estas juntas son componentes críticos en muchos modelos actuales de vehículos deportivos utilitarios y de tracción en las cuatro ruedas y, por lo tanto, requieren grasas de alto rendimiento.
Las medidas allanan el camino
La mayoría de los fabricantes de motores diseñan sus componentes para operar con aceites y grasas dentro de un cierto rango de viscosidad. Por lo tanto, es importante poder medir con precisión las propiedades de los lubricantes.
La viscosidad cinemática del aceite generalmente se determina a velocidades de cizallamiento bajas, simplemente midiendo el tiempo que tarda el menisco en fluir verticalmente hacia abajo entre dos marcas en un tubo capilar. Se utilizan tubos capilares de diferentes diámetros para aceites más delgados o más espesos.
Mientras tanto, la viscosidad dinámica generalmente se mide en condiciones de alto cizallamiento, y algunas veces en altas temperaturas, que se encuentran típicamente en los cojinetes y otros contactos críticos en los motores. Estas mediciones se llevan a cabo mediante instrumentos en los que una fina película de aceite queda atrapada entre dos superficies que se mueven entre sí. Por ejemplo, en un «viscosímetro de cilindro giratorio», la viscosidad dinámica se estima a partir del par de corte producido en un cilindro interno estacionario por uno externo giratorio. Otro instrumento que se utiliza para medir cantidades muy pequeñas de lubricante, en particular, comprende una superficie cónica que gira contra una placa plana recubierta de aceite.
Figura 2
Estas medidas también pueden decirnos algo acerca de cómo varía la viscosidad con la velocidad de corte. Nuestro grupo en Shell y otros, incluido Jagadish Sorab en Ford, han ajustado dichos datos a ecuaciones realistas que describen cómo varía la viscosidad con la temperatura y la velocidad de corte ( figura 2 ). Hemos encontrado, por ejemplo, que la viscosidad de un lubricante de motor típico disminuye a altas velocidades de cizallamiento. La razón es que las grandes moléculas de polímero utilizadas como modificadores de la viscosidad se alinean en la dirección de la fuerza de corte a altas velocidades de corte. Esta alineación reduce el efecto de “espesamiento” que tienen estos polímeros cuando se alinean aleatoriamente.
figura 3
De hecho, las simulaciones de dinámica molecular sin equilibrio de lubricantes modelo realizadas por físicos de Shell a principios de la década de 1990 muestran claramente cómo se alinean las moléculas cuando se aplica una alta velocidad de corte al fluido ( figura 3 ). Sin embargo, el efecto es temporal: la viscosidad vuelve a su valor anterior cuando se reduce la velocidad de corte.
Crucialmente para las aplicaciones automotrices, este tipo de experimentos también han revelado cómo la viscosidad de un lubricante varía con la presión. Por ejemplo, la viscosidad de un lubricante típico a 500 MPa puede ser entre 10 000 y 100 000 veces mayor que a presión atmosférica. En términos generales, la viscosidad aumenta exponencialmente a medida que aumenta la presión. Esta variación exponencial se conoce como ley de Barus y es válida a presiones de hasta unos pocos cientos de megapascales. Sin embargo, a presiones muy altas (2-4 GPa), esta simple relación tiende a sobrestimar el aumento de la viscosidad. En cambio, el lubricante se vuelve similar al vidrio y se comporta más como un sólido que como un líquido, deformando elásticamente las superficies metálicas a ambos lados del lubricante: este es el régimen de lubricación elastohidrodinámica.
Efectos elásticos
Figura 4
Se han desarrollado otras técnicas ópticas y mecánicas para investigar el comportamiento de aceites y grasas en la región elastohidrodinámica. Uno de los instrumentos más comunes utilizados para este propósito es el llamado reómetro de bola sobre placa, que fue utilizado extensamente por primera vez por el grupo de Hugh Spikes en el Imperial College de Londres en la década de 1980. Esencialmente, el instrumento consiste en una bola de acero que se presiona contra un disco giratorio transparente hecho de vidrio o zafiro. A medida que el disco gira, el espesor de la película de aceite entre los dos componentes se mide haciendo pasar una luz a través del disco transparente y monitoreando las franjas de interferencia resultantes ( figura 4, arriba ).
Cuando la bola se presiona ligeramente contra el disco, la superficie permanece inalterada y se observa una serie de círculos concéntricos. Sin embargo, si la bola se presiona con fuerza contra el disco, la placa se deforma elásticamente, como lo muestra el patrón de interferencia característico en forma de herradura ( figura 4, abajo ). Esta forma indica que el espesor de la película de aceite en el punto central del contacto es aproximadamente constante, mientras que el aumento en el número de franjas fuera de la región central demuestra que la película es más gruesa en los bordes. En esta región elastohidrodinámica, la región central plana se comporta de manera similar a una bola de plastilina presionada contra una superficie plana, con la diferencia de que las superficies vuelven a su forma original cuando se quita la presión.
La lubricación elastohidrodinámica ocurre en engranajes, trenes de válvulas y en los «cojinetes de elementos rodantes» que se encuentran en los cubos de las ruedas, que tienen que hacer frente a grandes cargas radiales y de empuje con una fricción mínima. Por lo tanto, el reómetro de bola sobre placa es ideal para evaluar el rendimiento de los lubricantes en las condiciones realistas que se encuentran en muchos componentes de máquinas.
Otros métodos para medir la viscosidad de los lubricantes bajo altas presiones incluyen los experimentos de «bola que cae» iniciados por Bo Jacobson, ahora en la Universidad de Lund en Suecia, y colaboradores en 1985. En estos experimentos, una bola de acero se deja caer verticalmente o más comúnmente en ángulo, sobre un plato untado con una gota de aceite o grasa. De esta manera se pueden crear presiones de hasta 7,5 GPa en la película lubricante. Y el coeficiente de fricción se puede determinar a partir del movimiento de la pelota después del contacto o de los transductores de fuerza en la superficie. Los diferentes lubricantes tienen diferentes coeficientes de fricción debido a la forma en que la viscosidad varía con la temperatura, la velocidad de corte y la presión.
Finalmente, vale la pena mencionar que muchos lubricantes también exhiben algunos efectos elásticos; en otras palabras, su comportamiento no puede explicarse completamente suponiendo que son fluidos puramente viscosos. La grasa, por ejemplo, es viscoelástica: bajo ciertas condiciones se comporta como un fluido viscoso, por ejemplo, cuando fluye libremente en una tubería bajo una presión aplicada; en otras ocasiones se comporta como un sólido, por ejemplo antes de fluir. La mayoría de los demás lubricantes disponibles en el mercado también muestran un comportamiento viscoelástico, aunque en menor medida.
Los reómetros también se pueden usar para medir las propiedades viscoelásticas y las viscosidades. Sin embargo, se sabe poco acerca de cómo estos atributos varían con la temperatura, la presión y la velocidad de corte porque estas mediciones son difíciles de realizar para lubricantes comerciales que tienen una viscoelasticidad débil. Sin embargo, varios investigadores, incluidos Brian Williamson de Shell y Ken Walters de la Universidad de Gales en Aberystwyth, actualmente especulan que los lubricantes viscoelásticos forman películas de aceite más gruesas en los cojinetes del motor en condiciones extremas que los fluidos menos elásticos.
Simulaciones de rayos de grasa
Con la mayor capacidad informática disponible durante la última década, ahora es posible modelar con precisión el rendimiento de los lubricantes en motores, cajas de cambios y otros componentes. Por ejemplo, si conocemos el espesor mínimo de la película de aceite, podemos predecir la durabilidad del componente y la pérdida de potencia por fricción. Esta capacidad puede ayudar a los investigadores que están diseñando nuevos lubricantes a predecir cómo se relaciona el rendimiento de una máquina con la viscosidad del lubricante y cómo se verá afectado por la temperatura, la velocidad de corte y la presión.
La teoría de la lubricación elastohidrodinámica fue desarrollada por primera vez por Duncan Dowson en la Universidad de Leeds y otros, en la década de 1950, cuando las simulaciones por computadora no eran posibles. En la lubricación elastohidrodinámica, deben modelarse tanto las ecuaciones de fluidos como la deformación elástica de las superficies, y estas complicadas simulaciones ahora se pueden realizar en computadoras modernas con relativa rapidez. Mientras tanto, la lubricación hidrodinámica en cojinetes lisos y anillos de pistón se puede analizar en segundos. Modelar la lubricación mixta y límite es más difícil ya que necesitamos una comprensión detallada de la rugosidad de las superficies, así como de las propiedades del lubricante. En general, la salida de los modelos es el espesor mínimo de la película de aceite y las pérdidas por fricción.
Muchos grupos han estimado con precisión el espesor mínimo de la película de aceite en un contacto elastohidrodinámico. Sin embargo, estimar el coeficiente de fricción ha resultado mucho más problemático debido a la gran variación de la viscosidad con la presión, que no siempre se conoce con precisión. Recientemente, Laurence Scales en Shell ha demostrado que vale la pena invertir el esfuerzo para encontrar relaciones precisas entre viscosidad, temperatura, presión y tasa de corte porque permiten estimar tanto el espesor mínimo de la película de aceite como el coeficiente de fricción. Sin embargo, para hacer esto se requieren al menos ocho parámetros para caracterizar el lubricante.
Figura 5
Pero al combinar modelos para los cojinetes lisos, el conjunto del pistón y el tren de válvulas, los investigadores descubrieron que pueden modelar las condiciones de lubricación en un motor de combustión interna completo. Dado que los cojinetes y los anillos del pistón se lubrican principalmente en régimen hidrodinámico, un lubricante con una viscosidad más baja debería conducir a una película de aceite más delgada y, por lo tanto, a una fricción más baja. Sin embargo, el tren de válvulas opera en el régimen de lubricación de límite mixto, lo que significa que solo se puede obtener una fricción más baja con lubricantes más espesos. Los modelos de fricción del motor nos permiten estudiar el equilibrio entre la viscosidad y la fricción y, por lo tanto, seleccionar el lubricante óptimo para mejorar la economía de combustible de un vehículo ( figura 5 ).
Futuros retos
Hay muchos desafíos en el desarrollo de los lubricantes del futuro. Los coches son cada vez más potentes, a los conductores les gustaría cambiar el aceite del motor con menos frecuencia y los fabricantes quieren reducir aún más las pérdidas debidas a la fricción. Para desarrollar lubricantes que satisfagan estas demandas, los físicos e ingenieros deben comprender el rendimiento del lubricante con más detalle.
Primero, necesitamos comprender completamente el papel que juegan las propiedades elásticas de los lubricantes en condiciones extremas. Para hacer esto, necesitaremos medir las propiedades viscoelásticas de los lubricantes a diferentes temperaturas, presiones y velocidades de corte, y desarrollar un modelo adecuado. Nuestros modelos actuales se basan en la ecuación de Reynolds, que supone que la película de aceite tiene un grosor del orden de unas pocas micras y que los componentes tienen unos pocos milímetros de ancho. Una deficiencia más seria de la ecuación de Reynolds es que asume que los efectos elásticos no son importantes.
El segundo gran desafío es incorporar la química a los modelos físicos. Después de todo, los lubricantes cambian químicamente durante su tiempo en un motor. Simplemente hablando, un lubricante fresco es como un hidrocarburo puro. Sin embargo, con el tiempo, se oxida y se degrada químicamente para formar alcoholes, cetonas, aldehídos, ácidos y ésteres. Estos cambios químicos pueden conducir a un aumento de la viscosidad. El presente autor está desarrollando actualmente un modelo químico que también simula las reacciones en un motor, en colaboración con Martin Priest en la Universidad de Leeds y John Lindsey-Smith en la Universidad de York, ambos en el Reino Unido. El objetivo es determinar la composición química del lubricante en el sumidero en cualquier instante y, en principio, el aumento de la viscosidad, que luego alimentaría los modelos físicos discutidos anteriormente. Sin embargo,
Salvaguardar el medio ambiente
Los físicos están desempeñando un papel cada vez mayor en el tratamiento de los problemas ambientales de la contaminación y el calentamiento global, así como en la comprensión de fenómenos climáticos naturales como El Niño. Experimentos cada vez más sofisticados están revelando que los lubricantes son una rica fuente de física, y los físicos se apresuran a utilizar estos hallazgos para diseñar lubricantes ecológicos que ayudarán a reducir nuestro impacto en el planeta. Sin duda, el progreso que se está logrando en la investigación de lubricantes en la actualidad desempeñará un papel en la protección del medio ambiente natural para muchas generaciones venideras.
