Arranque en frío en motores y transmisiones automotrices

El lubricante es posiblemente uno de los componentes más esenciales de una máquina, pero también resulta ser uno de los más vulnerables. Algo que influye en gran medida sobre esta vulnerabilidad es la temperatura, que tiene una correlación inversa con la propiedad más importante del lubricante: la viscosidad. Al darse cuenta de los efectos potenciales que la temperatura puede tener en sus lubricantes, usted puede comprender mejor cómo podría fallar una máquina y, con un poco de suerte, evitar fallas futuras.

Temperatura de arranque

Arranque en frío del motor

El término “arranque en frío” se refiere a la baja temperatura del ambiente que puede ser perjudicial para la operabilidad de una máquina. Las industrias de vehículos y equipos móviles llevan mucho tiempo desarrollando soluciones para el desafío de lidiar con temperaturas extremas, incluyendo el trabajo en ambientes muy fríos. Esto ha llevado a la creación de formulaciones avanzadas de lubricantes, como aditivos depresores del punto de fluidez y aceites multigrado, así como diseños avanzados de motores con calefactores integrados en el cárter y en el monoblock.

Falla del lubricante

Para comprender los modos de falla potenciales de la máquina asociados con un arranque en frío, es esencial revisar las formas en que un lubricante puede fallar en estas condiciones, tanto física como químicamente. El lubricante no solo se vuelve más viscoso a temperaturas frías debido a la relación temperatura-viscosidad, sino que también puede solidificarse cuando pasa por debajo de un determinado punto de temperatura denominado punto de fluidez. De acuerdo con la definición establecida en el estándar ASTM D97, el punto de fluidez describe la temperatura más baja (fría) a la cual el aceite comienza a quedar inmóvil y ya no fluirá.

Por ejemplo, un aceite de motor a una temperatura suficientemente fría puede colocarse sobre el piso y quedar como un bloque de hielo. Sin embargo, a diferencia del agua, que mantiene una viscosidad constante hasta que se solidifica a una temperatura exacta, el aceite se volverá gradualmente más espeso y se congelará a velocidades variables. Esto hace que sea difícil establecer estándares de selección de lubricante para la operación de la maquinaria. Por lo tanto, aunque el aceite aún no haya alcanzado el punto de fluidez, la naturaleza viscosa del aceite frío puede causar una restricción sustancial del flujo en los componentes del motor, como es el caso de la bomba de aceite. Las consecuencias de una restricción de flujo en la bomba pueden ser catastróficas, con efectos como el desgaste de la superficie por cavitación vaporosa y el desgaste de los cojinetes por escacez de lubricante.

Algunos aditivos se ven afectados por las condiciones de baja temperatura durante el arranque del motor. Por ejemplo, ciertos aditivos antidesgaste solo se activan a temperaturas elevadas como resultado de la fricción de la superficie debido a altas velocidades o altas cargas. Si la máquina funciona a velocidades más lentas durante el arranque y en un entorno frío, el aditivo puede ser significativamente menos efectivo. Otros aditivos, como los inhibidores de oxidación, pueden tener poca solubilidad y estratificarse en el fondo del cárter durante períodos prolongados de permanencia a bajas temperaturas. Si el aceite continúa operando a bajas temperaturas, la tendencia de espuma puede aumentar, especialmente con aceites de baja viscosidad. Todos estos efectos degradantes sobre los aditivos del lubricantes darán como resultado una protección limitada a los componentes de la máquina contra la corrosión, el desgaste prematuro y la espuma.

Resistencia y falla del filtro

Todas las máquinas se comportan diferente por la alta viscosidad en condiciones de arranque en frío, dependiendo del diseño de la máquina y la sensibilidad de los componentes. Por ejemplo, en el sistema de lubricación por circulación forzada del motor el aceite debe fluir a través de un filtro. Los filtros naturalmente causarán restricción de flujo. Una mayor restricción del flujo da como resultado una mayor caída de presión, lo que lleva a la apertura de la válvula de derivación del filtro (si está instalada), la ruptura de la media filtrante o ambas. Debido a que la viscosidad aumenta durante un arranque en frío, la caída de presión también aumenta debido a la mayor resistencia a través del filtro.

Desafortunadamente, el potencial de falla en estás condiciones no está centrado solo en el filtro. Este no solo puede romperse, sino que también puede generar una reacción en cadena con otras fallas secundarias en la máquina. Cuando el aceite comienza a canalizarse entre las grietas a medida que el filtro se rompe, los contaminantes acumulados en el filtro tienen la posibilidad de salir todos al mismo tiempo. La entrada masiva de partículas promoverá directamente el desgaste del motor.

Generalmente, la principal causa de falla por condiciones de arranque en frío es la mayor resistencia al flujo. Incluso si el filtro no se rompe, el aceite viscoso causará daños. La tabla en la Figura 3 ilustra cómo la viscosidad puede cambiar como resultado de un cambio de su temperatura. Un aceite SAE 50 con viscosidad aproximada de 220 centistokes (cSt) con un índice de viscosidad de aproximadamente 100 aumentará por arriba de 5,000 cSt cuando la temperatura descienda a 0 ºC (32 ºF).

Escacez de lubricante

La mayoría de los métodos mecánicos que ayudan a suministrar aceite a los componentes lubricados se verán obstaculizados cuando las temperaturas bajen. Como se mencionó anteriormente, si el aceite está diseñado para fluir a través de tuberías, como un sistema de circulación de aceite, puede restringirse su flujo en gran medida y hacer que la máquina padezca escacez de lubricante.

Motores de combustión interna

Hoy en día, es común que las máquinas en ambientes fríos estén equipadas con elementos de calefacción para permitir que la máquina arranque. Sin embargo, a medida que las temperaturas continúan bajando, el solo uso de calentadores no elimina el riesgo para los componentes del motor que no reciben el aceite que permanece por debajo del punto de fluidez. Por ejemplo, aunque el cigüeñal del motor puede girar libremente al arrancar, si el lubricante en el cárter sigue gelificado, no podrá realizar su función correctamente. Esto puede conducir a la detención del motor por aferramiento. Pueden formarse bolsas de aire en el cárter por el aceite gelificado, lo que se denomina bloqueo de aire, y hacer que no llegue aceite a la bomba. Para evitar esto, a menudo se usan calentadores en el cárter y lubricantes de mayor calidad para ayudar a mantener baja la viscosidad. Si no está seguro de la condición del aceite, puede observar el flujo de aceite en la punta de la varilla de medición de nivel para verificar el estado de la viscosidad del aceite.

Cajas de engranajes automotrices

La mayoría de las cajas de engranajes corren el riesgo de sufrir escacez de lubricante. Cuando el aceite es demasiado viscoso durante el arranque, no puede alcanzar las zonas de contacto del engranaje debido a la formación de canales en el aceite en los sistemas lubricados por salpique. Como resultado, pueden dañarse los puntos de contacto de alta presión entre los dientes de los engranajes al no estar lubricados. Además, cualquier sistema de engranajes que debe vencer el efecto de moverse en un fluido muy viscoso también experimentará una transmisión de potencia limitada y alto consumo de energía.

Evite la falla de la maquinaria durante el arranque en frío

Afortunadamente, en las últimas décadas, los fabricantes de lubricantes se han dado cuenta de los efectos que las bajas temperaturas pueden tener en las máquinas. Esto les ha llevado a desarrollar formulaciones que pueden manejar estas condiciones, incluso durante los arranques de las máquinas. La base lubricante juega un rol importante, ya que muchos aceites minerales altamente refinados y sintéticos se ven menos afectados por los cambios de temperatura. Esto se representa por el índice de viscosidad. Los mejoradores del índice de viscosidad pueden mejorar esta propiedad. Cuanto más alto sea el índice de viscosidad, menor será el cambio en la viscosidad por un cambio en la temperatura. Los depresores de punto de fluidez también pueden mejorar las características del aceite en temperaturas frías. Estas propiedades del aceite base y aditivos, junto con un grado de viscosidad seleccionado correctamente o un aceite multigrado, ofrecen soluciones viables en temperaturas frías.

Sin embargo, a veces las formulaciones de lubricantes pueden no ser suficientes para evitar los contratiempos de los arranques en frío. En estos casos, las máquinas se pueden equipar para superar los efectos del frío instalando calentadores en el cárter y en el monoblock, como se mencionó anteriormente, así como empleando sistemas de prelubricación, que preparan a los componentes de la máquina para un arranque en frío.

La falla consecuente que puede surgir de una preparación inadecuada para las condiciones de arranque en frío será gradual e indirecta. Las temperaturas frías no solo pueden ser la causa principal de condiciones desfavorables del lubricante, sino que su presencia también puede desencadenar una reacción en cadena, lo que lleva a lubricantes altamente viscosos, que presentan la posibilidad de una falta de lubricante, un aumento de contaminación, una generación prematura de desgaste, aditivos inactivos y otros efectos perjudiciales. Una vez que los operadores de la maquinaria y los ingenieros de confiabilidad están conscientes de los riesgos que presentan las bajas temperaturas, especialmente durante el arranque, se pueden hacer ajustes para evitar que ocurran estas reacciones en cadena.

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