Cómo se determina la calidad del aceite de motor

Si bien la mayoría de los aceites de motor se fabrican según estándares aceptables, sus cualidades generales y específicas pueden variar ampliamente. Los aceites de motor de mala calidad suelen comercializarse debido a la ignorancia o la codicia. Lamentablemente, para el usuario desinformado de un automóvil, un aceite de motor de alta calidad y uno de mala calidad tendrán el mismo aspecto y sensación.

Pruebas de motor y de banco

El motor siempre ha sido la plataforma definitiva para identificar la calidad requerida de su aceite. Incluso cuando el diseño del motor ha cambiado para cumplir con los estándares ambientales, de rendimiento y de eficiencia de combustible, el motor sigue siendo el árbitro definitivo de la calidad del aceite.

Sin embargo, utilizar el motor para medir la calidad del aceite en pruebas de dinamómetro puede resultar una propuesta costosa. Aun así, para ayudar a controlar los costos de garantía, el desarrollo y uso de pruebas de motores es inevitable para los fabricantes de motores al determinar la calidad del aceite necesaria para un diseño o componente en particular.

Aunque es necesario, generar pruebas dinamométricas repetibles para un motor puede resultar un desafío. A medida que el diseño de los motores ha ido aumentando progresivamente la potencia de los motores más pequeños, la dificultad de establecer pruebas dinamométricas repetibles ha aumentado aún más rápidamente. Afortunadamente, una vez que se ha determinado el nivel de calidad en el dinamómetro o en el campo, existe un método mucho menos costoso que se puede aplicar para evaluar con mayor precisión la calidad del aceite.

Esto implica el uso de pruebas de laboratorio diseñadas para correlacionarse estrechamente con las pruebas del dinamómetro de motor o la experiencia de campo. Estas pruebas de banco tienen la capacidad de proporcionar una medida relativamente económica de la calidad del aceite. Sin embargo, el valor y la importancia de este tipo de prueba dependen de una serie de factores, incluida la identificación de las necesidades específicas del motor, información clara y consistente del motor, ya sea en pruebas de dinamómetro o experiencia de campo, y una comprensión de la relación entre las las necesidades del motor y las propiedades físicas y/o químicas del aceite.

Propiedades del aceite de motor

Para que funcione el motor, el aceite debe poseer ciertas propiedades físicas y químicas. Durante el servicio del aceite, el motor genera una serie de tensiones operativas que afectan negativamente la capacidad a largo plazo del aceite para funcionar a un nivel alto y constante. Las condiciones de servicio también pueden variar ampliamente según el entorno y la forma en que se utiliza el vehículo. En consecuencia, elegir un aceite de motor que satisfaga las necesidades y condiciones de servicio particulares requiere el conocimiento de varias propiedades importantes del aceite, incluida la viscosidad.

Viscosidad

La viscosidad se puede definir como la resistencia de un fluido a fluir. Debido a que las moléculas de un fluido se atraen entre sí, se requiere energía para separarlas y crear flujo. En general, las moléculas más grandes tienen más atracción entre ellas y una mayor viscosidad. La energía necesaria para superar esta atracción de molécula a molécula y producir un flujo de fluido puede considerarse una forma de fricción.

Por tanto, la viscosidad se puede definir como una forma de fricción molecular. De todas las cualidades físicas y químicas del aceite de motor, su viscosidad y su comportamiento viscométrico durante su uso suelen considerarse las más importantes.

Viscosidad y prevención del desgaste

Esta misma fricción molecular evita que el aceite se escape demasiado rápido cuando dos superficies del motor en movimiento relativo se acercan bajo presión. Esta incapacidad del aceite interpuesto para escapar rápidamente y su nivel de incompresibilidad mantienen separadas las dos superficies y previenen el desgaste, proceso que se denomina lubricación hidrodinámica. Cuanto mayor es la viscosidad, mayor es la atracción de las moléculas del aceite y mayor es la protección contra el desgaste.

Clasificación de viscosidad

La viscosidad de un lubricante siempre se ha asociado con la protección contra el desgaste. Al principio de su historia, la Asociación de Ingenieros Automotrices (SAE, por sus siglas en inglés) reconoció que la viscosidad era importante para el funcionamiento del motor e instituyó el sistema de clasificación SAE J300, que establece niveles de viscosidad para los aceites de motor según una serie de grados. Estos grados se definen por niveles de viscosidad en una o dos zonas de temperatura. Hoy en día, los grados se establecen para las temperaturas de funcionamiento del motor y para las temperaturas invernales en las que el aceite afecta el arranque y el bombeo.

Viscosidad en condiciones de funcionamiento

En los primeros años de los motores automotrices, los aceites se formulaban de forma sencilla y obedecían la ecuación de viscosidad de Newton: cuanta más fuerza se utilizara para hacer que el fluido fluyera (esfuerzo de corte), más rápido fluiría (velocidad de corte). Esencialmente, la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte (la viscosidad) permaneció constante en todas las velocidades de corte. Todos los aceites de motor de esa época eran esencialmente de grado único (monogrado) y no tenían clasificación SAE “W”.

Esta relación viscométrica cambió en la década de 1940 cuando se descubrió que la adición de pequeñas cantidades de polímeros de alto peso molecular parecía dar al aceite las características de flujo deseadas tanto para el arranque a baja temperatura como para el funcionamiento del motor a alta temperatura. En consecuencia, estos aceites que contienen polímeros fueron incluidos en el sistema de clasificación de viscosidad SAE como aceites de motor multigrado, ya que cumplían con los requisitos de ambas zonas de temperatura de viscosidad.

Desde entonces, los aceites multigrado (por ejemplo, SAE 10W-40, 5W-30, 0W-20, etc.) se han vuelto muy populares. Sin embargo, ya no son newtonianos en cuanto a características de flujo, ya que se descubrió que la viscosidad disminuía al aumentar la velocidad de corte. Esto se consideró importante en la lubricación de motores que operaban a altas velocidades de cizallamiento (medidas en millones de segundos recíprocos), en contraste con los varios cientos de segundos recíprocos de los viscosímetros de bajo cizallamiento que se usaban entonces para caracterizar los aceites de motor.

Viscometría de alta velocidad de corte

En consecuencia, surgió la necesidad de desarrollar un viscosímetro de alta velocidad de corte para reflejar la viscosidad en motores a temperaturas de funcionamiento. A principios de la década de 1980, se desarrollaron un instrumento y una técnica que podían alcanzar varios millones de segundos recíprocos a 150 ºC, así como ejercer altas tasas de corte a otras temperaturas en aceites de motor tanto nuevos como usados.

El instrumento se denominó viscosímetro simulador de rodamientos cónicos. La técnica fue aceptada por la Asociación Americana para Pruebas y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés) como método de prueba D4683 para uso a 150 ºC (y más recientemente como D6616 para uso a 100 ºC). Esta crítica prueba de banco de la calidad del aceite de motor se conoció como viscosidad a alta temperatura y tasa de corte (HTHS, por sus siglas en inglés). Luego se impusieron límites mínimos para varios grados en el sistema de clasificación de viscosidad SAE.

Curiosamente, más tarde se demostró que este instrumento era único y básicamente absoluto al proporcionar medidas tanto del par de corte o del esfuerzo cortante como de la velocidad de corte durante el funcionamiento. Es el único viscosímetro conocido capaz de hacer esto.

Viscosidad y gelificación del aceite a bajas temperaturas.

Los aceites de motor multigrado se introdujeron originalmente para reducir la viscosidad del aceite a bajas temperaturas para ayudar en el arranque del motor. Este importante beneficio se hizo evidente de inmediato y desde entonces los aceites multigrado se han convertido en la forma más popular de lubricante para motores en todo el mundo.

Al facilitar el arranque del motor a bajas temperaturas, se hizo evidente otro problema: la capacidad de bombeo del aceite. Este era un problema considerablemente más grave, ya que la falta de capacidad de bombeo del aceite podría destruir el motor. En pruebas de dinamómetro en cámara fría, se determinó que había dos formas de problema de bombeabilidad. El primero estaba simplemente relacionado con la alta viscosidad y se denominaba comportamiento de flujo limitado.

El segundo fue menos obvio e implicó la gelificación del aceite bajo un ciclo de enfriamiento largo y profundo. Esto se denominó “bloqueo por congestión de aire”, ya que la bomba de aceite quedó atrapada por aire como resultado de que se extrajo una columna de aceite del cárter y el aceite no llenó este vacío, como se muestra en la Figura 1.

Este conocimiento y la prueba de banco, que inicialmente parecían predecir ambas formas de falla, no fueron suficientes. En el invierno de 1979-80 en Sioux Falls, Dakota del Sur, un ciclo de enfriamiento demostró que la congestión o bloqueo por aire podía ocurrir en condiciones de enfriamiento relativamente suaves. En 24 horas se estropearon varios motores que contenían aceite gelificado.

El ciclo de enfriamiento había producido una condición en la que el aceite quedó atrapado en el aire. El costoso incidente reveló la necesidad de una prueba de banco más sensible que pudiera predecir con precisión la tendencia de las fallas en la capacidad de bombeo.

Índice de gelificación

El aceite de motor que retuvo el aire y que causó las fallas de Sioux Falls proporcionó un caso de estudio sólido. Se desarrolló un nuevo instrumento y técnica de prueba de banco para indicar cualquier tendencia del aceite de prueba a gelificarse. La técnica, que implicaba el funcionamiento continuo a baja velocidad de un rotor cilíndrico en un estator circundante, se incorporó inmediatamente a las especificaciones de aceite de motor y más tarde se convirtió en ASTM D5133.

Esto no sólo mostró la tendencia del aceite a tener un flujo limitado, sino que también especificó el grado de gelificación que podría ocurrir en el rango de temperatura medido (típicamente -5 a -40 ºC). El parámetro se denominó índice de gelificación. Hoy en día, las especificaciones de aceite de motor para aceites multigrado requieren un índice de gelificación máximo de 12.

Viscosidad y absorción de energía.

Por muy beneficiosa que sea la viscosidad para el motor a la hora de prevenir el desgaste mediante la lubricación hidrodinámica, también tiene algunos aspectos negativos que pueden afectar la eficiencia operativa del motor. La fricción molecular del aceite, que separa dos superficies en movimiento relativo, requiere energía para superarla. Se trata de una cantidad significativa de energía del motor a cambio de la protección contra el desgaste proporcionada. Por lo tanto, una formulación cuidadosa de la viscosidad del aceite es fundamental para los propietarios de vehículos y para los gobiernos que imponen límites de economía de combustible.

Reducir la viscosidad del aceite puede ser un paso importante para reducir la fricción viscosa y mejorar la eficiencia del combustible. Curiosamente, en los últimos años ha habido un aumento en el número de automóviles que funcionan con aceites de motor que tienen niveles de viscosidad más bajos, mejorando así notablemente la eficiencia de sus motores.

Hace una década, los grados de viscosidad SAE más bajos eran los aceites SAE 0W-20 y 5W-20, y el SAE 20 tenía la viscosidad mínima de alta velocidad de corte de 2.6 centipoises (cP) para simular el funcionamiento del motor a 150 ºC. La Figura 2 muestra datos de Aceites de motor vendidos en Norteamérica y Sudamérica, así como aceites de motor SAE 5W-30.

Los fabricantes de automóviles japoneses han pedido recientemente grados de viscosidad aún más bajos. Como consecuencia, la SAE ha introducido tres nuevos grados operativos identificados como SAE 16 (2.3 cP mínimo a 150 ºC), SAE 12 (2.0 cP mínimo a 150 ºC) y SAE 8 (1.7 cP mínimo a 150 ºC). Estos requisitos de calificación también se muestran en la Figura 2 para efectos de comparación.

Ninguno de estos aceites de menor viscosidad ha llegado aún al mercado para su análisis. Dado que la viscosidad está directamente relacionada con la cantidad de energía gastada por el motor para la protección contra el desgaste a través de la lubricación hidrodinámica, se esperaría que tal disminución en la viscosidad tuviera importantes beneficios en la eficiencia del combustible, pero sólo en motores diseñados para su uso.

Índice de eficiencia de combustible dependiente de la viscosidad

Dada la influencia que tiene la viscosidad del aceite en el motor, se desarrolló una técnica para calcular los efectos de los aceites de motor en la eficiencia del combustible. Para que fueran significativos, los valores de viscosidad debían obtenerse a altas velocidades de cizallamiento asociadas con la operación en secciones específicas del motor.

Trabajos anteriores con dinamómetro habían identificado el porcentaje de fricción y la temperatura de funcionamiento de los cinco principales sitios de lubricación en un motor reciprocante alimentado por gas, responsables de casi toda la pérdida de eficiencia. Esta información se utilizó para desarrollar el parámetro del índice de eficiencia de combustible por viscosidad (V-FEI, por sus siglas en inglés).

Con este valor, que oscila entre 0 y 100, cuanto mayor sea el V-FEI de un aceite de motor determinado, menos energía se pierde por viscosidad y, en consecuencia, más eficiente en consumo de combustible será el motor. Aunque diferentes diseños de motores pueden tener distintos niveles de fricción en las áreas de lubricación esenciales, el uso de estos datos de fricción proporciona un valor comparativo para los aceites de motor.

La Figura 3 muestra el valor promedio de los aceites de motor SAE 0W-20 y 5W-30 de los mercados de América del Norte y del Sur de 2008 a 2014. A modo de comparación, el V-FEI promedio para SAE 0W-20 y 5W-30 en un estudio anterior fue 46 y 47 respectivamente.

Como se esperaba, se determinó que los aceites multigrado SAE 0W-20 promediados anualmente contribuyeron con mayor eficiencia de combustible al motor que los aceites multigrado SAE 5W-30 promediados debido a las diferencias de viscosidad que se muestran en la Figura 2. Con la excepción de 2012, el aumento en V-FEI equivale a casi un 7 a 8 por ciento en eficiencia de combustible dependiente de la viscosidad.

La disminución mostrada en la eficiencia de combustible promedio de los aceites de motor SAE 0W-20 recopilada en 2012 puede indicar el desarrollo de formulaciones que satisfacen las preocupaciones de los fabricantes de automóviles de que los beneficios de la lubricación hidrodinámica no se perderán en los esfuerzos por mejorar la eficiencia del combustible.

Volatilidad del aceite del motor

Otro aspecto a considerar al reducir la viscosidad en las formulaciones de aceite de motor es que dicha reducción se obtiene con mayor frecuencia utilizando aceites base con mayor volatilidad. El aceite volatizado reduce la cantidad de lubricante que sirve al motor y puede transportar componentes que contaminan el catalizador de escape, afectando negativamente la capacidad del catalizador para reducir el smog. El aceite que quede después de la pérdida de los componentes más volátiles también será más viscoso y absorberá más energía.

La Figura 4 muestra la respuesta de dos de las clasificaciones de aceites de motor multigrado más volátiles. También se muestra la volatilidad máxima especificada establecida por el Comité Internacional de Aprobación y Normalización de Lubricantes (ILSAC, por sus siglas en inglés).

En los últimos años, es evidente que las categorías de clasificación SAE 0W-20 y 5W-30 fueron diseñadas para cumplir con la especificación de volatilidad del ILSAC por un margen cómodo. Estos resultados sugieren que el control de la volatilidad puede ser menos exigente con los aceites multigrados clasificados más recientemente identificados como SAE 0W-16, 0W-12 y 0W-8.

Emisiones y volatilidad del fósforo

Los compuestos de fósforo solubles como el dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP, por sus siglas en inglés) se han utilizado en la formulación de aceites de motor durante muchos años. Estos compuestos antidesgaste y antioxidantes han brindado un apoyo considerable al diseño de motores modernos.

A mediados del siglo XX, se identificó que el motor de combustión interna era uno de los principales contribuyentes a la contaminación del aire. Los hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados del escape del motor eran modificados por la luz solar en hidrocarburos gaseosos nocivos, que produjeron smog en algunas grandes ciudades.

Como consecuencia, en la década de 1970 se desarrollaron convertidores catalíticos de escape para tratar los gases de escape y convertirlos en dióxido de carbono y agua. Desafortunadamente, en los años posteriores al desarrollo del convertidor catalítico, se descubrió que ciertos elementos de la gasolina o del aceite de motor, incluidos el fósforo y el azufre, desactivaban el catalizador al recubrirlo. En última instancia, esto llevó a restricciones sobre la cantidad de estos químicos en el aceite de motor y el combustible.

Índice de emisión de fósforo

La prueba de volatilidad de Selby-Noack se desarrolló a principios de la década de 1990 como un método mejor y más seguro para determinar la volatilidad del aceite de motor. Consiste en colectar el componente volátil de la prueba de volatilidad para su posterior análisis, lo que es útil para detectar fósforo y azufre. En los primeros análisis de los volátiles recogidos en la prueba de banco, era evidente que los aditivos de fósforo en los aceites de motor también producían fósforo a través de la descomposición de los aditivos.

A partir de estos hallazgos, se desarrolló un parámetro relacionado con la cantidad de fósforo liberado durante la prueba, denominado índice de emisión de fósforo (PEI, por sus siglas en inglés).

La Figura 5 muestra el cambio en PEI durante los últimos ocho años. Es evidente que se han logrado avances considerables en la reducción de la descomposición o volatilidad del fósforo de estas dos clasificaciones SAE multigrado. La reducción del PEI a entre 6 y 10 miligramos por litro de aceite de motor supone un cambio significativo para proteger al catalizador de los efectos del fósforo.

Con la tendencia hacia motores más pequeños, eficientes en combustible y equipados con turbocompresores que generan temperaturas más altas durante la operación, una prueba de banco que pueda revelar las tendencias de emisión de fósforo de una formulación de aceite sería útil para diseñar los lubricantes que mejor se adapten al motor y al medio ambiente.

Contenido de fósforo y volatilidad

La influencia que tiene el fósforo en un aceite de motor sobre la cantidad de fósforo volatilizado durante el funcionamiento del motor es una cuestión importante que afecta a la elección de los aditivos en la formulación del aceite. La Figura 6 muestra el contenido de fósforo en varios aceites de motor SAE 0W-20 y 5W-30 frente a los valores de PEI obtenidos.

Los datos revelan que la volatilidad del fósforo generada por la prueba de Selby-Noack prácticamente no tiene relación con la cantidad de fósforo presente en el aceite como aditivo. La falta de correlación entre el fósforo en el aceite del motor y la cantidad de fósforo volatilizado es evidente en los bajos valores del coeficiente de correlación (R²).

Este parámetro estaría cerca de un valor de uno si la concentración de fósforo afectara su volatilidad. Como se muestra en la Figura 6, los valores obtenidos a partir de los datos son mucho más bajos, con R² en 0.05 para aceites de motor SAE 0W-20 y 0.17 para aceites de motor SAE 5W-30.

Los datos de PEI se agrupan principalmente en valores que van desde 2 miligramos por litro hasta aproximadamente 30 miligramos por litro. Sin embargo, un pequeño número de valores de PEI superan los 40 miligramos por litro. Es probable que estos aceites de motor sean más dañinos para el catalizador de escape. Sin embargo, como se muestra en la Figura 5, los niveles de PEI han disminuido notablemente en los últimos años.

Sin lugar a dudas, la calidad de los aceites de motor desempeñará un papel mucho más importante en los motores turboalimentados más pequeños y potentes que están ingresando al mercado automotriz. Sin embargo, es esencialmente imposible establecer la calidad de un aceite de motor por su apariencia.

Esta determinación sólo se puede hacer usando el aceite o probándolo previamente. Obviamente, esta última es la opción preferida por los propietarios de automóviles, que tienen una inversión importante y necesitan un motor duradero y que funcione bien.

Base de datos de aceite de motor

Hace treinta años, basándose en las preocupaciones expresadas por los fabricantes de motores sobre la calidad de algunos aceites, el Instituto de Materiales (IOM, por sus siglas en inglés) comenzó a compilar una base de datos de aceites de motor. Los aceites de motor fueron recolectados directamente del mercado y analizados por laboratorios seleccionados mediante una serie de pruebas de banco. Luego se publicaron los resultados. La base de datos, que está disponible en www.instituteofmaterials.com, cubre ahora más de 14,000 aceites de motor en todo el mundo.

Referencia: Tina Dasbach; Theodore W. Selby. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América