Compatibilidad con los sistemas de postratamiento: se vienen los DPF

A las dificultades de lograr baja fricción con una adecuada protección del motor, se agrega la capacidad para proteger a los Filtros de Partículas Diésel (DPF)

En notas anteriores hicimos referencia a los prometedores avances en lo relativo a la Economía de Combustible, usando los aceites de baja viscosidad y alta calidad. Por supuesto que la excelencia en la performance y máxima confiabilidad son inexcusables pautas de diseño de los motores, no sólo de vehículos de alta gama sino para los de segmentos más competitivos, de precio medio y uso popular. Las nuevas formulaciones de los lubricantes surgieron tras intensas horas de investigación y desarrollo; y mencionamos que eran convenientes los aceites de bajas cenizas por su capacidad para disminuir los depósitos en diversos conjuntos… bien, ¡ahora se vuelven una necesidad imperativa!

En los motores diésel ligeros aparecerá en el año 2018 un nuevo desafío, al incorporar los delicados Filtros de Partículas Diésel (DPF) a las Toyota Hilux y otras pick-ups. Esto responde a la creciente severidad de las normas de protección ambiental. Se involucrará también a estos vehículos en la norma de control de gases tóxicos EURO 5, ya establecida para los vehículos de carga.
Las soluciones para minimizar la polución son bien diferentes a los de los vehículos pesados.
En algunos diseños el DPF estará complementando al sistema de recirculación de gases de escape (EGR por las siglas en inglés) que ya se venía utilizando en las camionetas.
El EGR es muy efectivo para bajar los gases NOx, pero compromete la formación de material particulado (PM) y acorta la vida del motor si no se usa en Diésel Grado 3 (como AXION Euro+ Diésel) como veremos más adelante.

En el concepto básico del EGR más usado, se extrae una parte de los gases de escape que han atravesado el múltiple y se la desvía hacia una válvula que disminuye su presión hasta poder incorporarla, una vez enfriada, a la corriente de aire comprimido que sale del intercooler. Resulta así, una mezcla de aire con “gases ya quemados” que por lo tanto agotaron su capacidad para reaccionar, y entonces se comportan como una masa “muerta” que retarda el proceso dentro de la cámara de combustión.

El resultado es una menor temperatura final, con lo cual se forman mucho menos NOx (óxidos complejos de nitrógeno). Es uno de los principales problemas en el control de las emisiones tóxicas.
Como contrapartida se empeora un poco la Economía de Combustible, y por otro lado el material particulado (PM) también se incrementa, en muchos casos por encima de los niveles admitidos por EURO 5.

La cantidad de gases que se recirculan es variable, de acuerdo al mapeo del motor, pero pueden llegar a valores altos (un 40%.no es de extrañar).

Ahora bien, arriba dijimos que los gases de escape ya no reaccionan, pero eso es en “lo macro”, porque no tienen oxígeno ni combustible en cantidades significativas, pero sí son muy importantes las moléculas a medio quemar que son ácidas, corrosivas y que pueden desgastar rápidamente a las paredes de cilindro, aros de pistón y cojinetes. En ellas el elemento nocivo determinante es el azufre, que permanece muy activo después de haber soportado la carrera de potencia. Su cantidad depende del Grado de diésel (contribución mayor) y en menor medida del lubricante.

Los ácidos orgánicos, formaldehídos y “familiares” del ácido sulfúrico atacan no solamente a los metales que cierran la cámara de combustión, sino que al pasar por el laberinto que forman ranuras y aros de pistón, llegan abajo, a mezclarse con el aceite. Allí hacen caer el TBN del lubricante (familiarmente podemos decir que se va consumiendo el aditivo “antiácido”) y aumenta la acidez que ataca en primer lugar a los metales livianos de los cojinetes.

En la siguiente figura vemos la diferencia dramática que hay entre un motor que trabajó con un combustible de 400 ppm de Azufre (técnicamente un Grado 2) y el que trabajó, en las mismas condiciones y duración, pero con un combustible Grado 3 (10 ppm máximo de Azufre) cuando se observa al microscopio la superficie de los cilindros.

El tamaño de los “pits”, su cantidad y rayaduras producidas por partículas agresivas, compuestos duros muy asociados al Azufre y a las cenizas no dejan dudas: si queremos cuidar al motor debemos usar Axion Euro + Diésel, solo así tendremos una vida útil adecuada con performance y funcionalidad correcta.

NOTA: estamos observando un campo muchísimo menor que el rayado cruzado original del cilindro. Con el combustible de 400 ppm de Azufre la pared del cilindro toma el temido aspecto de pulido, que dispara un gran aumento de consumo de aceite y la falla del motor.

El aceite a utilizar deberá tener el mayor TBN compatible con los otros sistemas del motor. Es decir más reserva alcalina, más “antiácido” para acabar con la agresión de las moléculas corrosivas del EGR.

Antes dijimos que el EGR significa la solución para controlar los gases tóxicos NOx pero que se empeora la situación de las partículas (material particulado o simplemente PM).
Los límites de EURO 5 implican entonces el uso un Filtro de Partículas Diésel (DPF) y antes de describirlo recordamos que las partículas de menor tamaño son las que hacen más daño a nuestros pulmones. Una exposición prolongada causa enfermedades severas, hasta cáncer.

 

Las PM 2,5 o menores a 2,5 µm no pueden ser detenidas o filtradas por otro método que el DPF.

Su interior muestra una gran cantidad de largos y finos conductos en forma de panal de abejas, constituidos de cerámica y soporte de catalizadores especiales.

En la figura se ve como las partículas y el hollín no pueden superar el laberinto por el cual son obligadas a pasar y quedan atrapadas en las celdas de cerámica del dispositivo. Lógicamente las celdas se van tapando: si el motor funciona por largos períodos a baja temperatura o a muy baja carga este proceso será muy rápido. Llega un momento en el cual se debe hacer la regeneración del DPF, literalmente quemando todo el carbón acumulado. En general esta acción se ejecuta automáticamente, cuando el motor está erogando buena potencia, es decir cuando todo funciona a alta temperatura y la producción de PM dentro del motor es prácticamente nula.

Una fracción importante de las partículas que tapan a las celdas cerámicas son cenizas metálicas que provienen de ciertos aditivos del aceite, como el Calcio y el Magnesio (detergente / reserva alcalina) y el Cinc del antidesgaste. Este último está acompañado por el Fósforo, que tiende a formar sustancias parecidas al vidrio, las que cubren rápidamente las superficies activas, cerámicas, del DPF.
Esto obliga a formular aceites con menor cantidad de aditivos metálicos, sin perder en lo absoluto el nivel de performance; es decir deben proporcionar la protección integral del motor, manteniendo sus condiciones operativas como si fuera nuevo.

Cuando se inspeccionan DPF ya fallados, tapados definitivamente por cenizas, compuestos inorgánicos, como se muestra en la figura, se advierten en forma tardía los efectos por haber utilizados combustibles y aceites de mala calidad, o incorrectamente recomendados para esta aplicación.

Las especificaciones ACEA han enfocado este complejo problema en forma integral, con aproximaciones sucesivas, con fuertes cambios en las ediciones ACEA 2012 y ACEA 2016, y se anticipan más ensayos que involucran al biodiesel en la edición 2017. El diseño mecánico de los conjuntos más sensibles requiere un delicado equilibrio entre bajos juegos o huelgos y las velocidades relativas que ayudan a formar una película lubricante con resistencia adecuada. Es decir que no sólo juega la calidad del aceite: su “hermanado” con la tecnología del motor es vital.
Ahora debemos enlazar todos estos conceptos, para entender mejor por qué surge la nueva línea de lubricantes Mobil para vehículos livianos con motor diesel.

Primero es necesario mencionar a las mayores dificultades que tienen los aceites de baja viscosidad y baja fricción para superar los rigurosos requerimientos de desgaste en los nuevos ensayos de dinamómetro. Las películas lubricantes más delgadas se ven comprometidas por las altas presiones y cargas de impacto, mientras el motor funciona en caliente. Este efecto lógicamente contrapuesto con lo que sucede en el arranque, como hemos puntualizado muchas veces: los aceites “livianos” minimizan el tiempo de funcionamiento en seco de las piezas críticas del motor… El desgaste durante el calentamiento “post-arranque” llega a representar, en el uso diario, hasta el 70% del daño total.

Conviene también aclarar que no todos los conjuntos sufren el desgaste más acentuado con estos aceites SAE 5W-20, 0W-30 ó 5W-30. Por ejemplo el árbol de levas y sus seguidores, cualquiera su tipo, deslizantes o de rodillos, tienen enormes presiones entre las piezas, del orden de 21000 Kgr/cm2, bajo las cuales los metales se deforman elásticamente (es decir transitoriamente, y recuperan la forma inmediatamente que se abandona la zona de alta carga) En esas condiciones tiene lugar la lubricación ElastoHidroDinámica, identificada como EHL por sus siglas en inglés. Es una película muy delgada…pero ante estas presiones brutales el aceite “reacciona” aumentando su viscosidad en miles de veces, y logra separar ambas superficies. A los aceites minerales y algunos sintéticos “se les va la mano” en ese aumento y por ello generan mucha fricción y alta temperatura. Por su lado, los sintéticos de baja viscosidad no solo protegen adecuadamente a las piezas, separándolas con películas lubricantes muy finas pero resistentes, sino que promueven la economía de combustible, disminuyendo sensiblemente la fricción y la temperatura de trabajo.

Por supuesto que no todos los sintéticos son iguales: aquéllos formulados con bases del Grupo III, como los de nuestra segunda línea de Sintéticos 100% que supera a los del mercado local (Mobil Super 3000 X1 5W-40, Mobil Super 3000 XE 5W-30 y Mobil 3000 Formula D1 5W-30) no se comparan con los extraordinarios resultados de la línea Mobil 1. Es que las bases superiores de PoliAlfaOlefinas, Esteres y otras exclusivas, contienen moléculas que se deforman asombrosamente, cambiando la viscosidad con un efecto complementario para la disminución de la fricción (efecto reológico especial).

Se ven resultados asombrosos en el ensayo de motor Mercedes Benz OM-646, específico para evaluar el desgaste. Corresponde a la serie de ACEA. Los aceites “testeados” se individualizan por la viscosidad HTHS, que es la que representa a las condiciones dinámicas en los cojinetes estándar con el motor en carga (velocidad del eje y juegos) y la temperatura es de 150°C.

Puede parecer sorprendente, pero los aceites más “livianos” son los que conducen a menores desgastes en las levas de admisión y de escape. Como dijimos antes esto se logra con una formulación balanceada, recurriendo a las mejores bases lubricantes…

Pero ahora vamos a otro parámetro que es complicado para los aceites de baja viscosidad. El consumo de lubricante. El mismo depende de muchos factores mecánicos.
Nosotros repasaremos los mecanismos en los que las características del aceite son más relevantes.
Para verlo en una forma simplificada nos referiremos al siguiente esquema:

Vemos las dos vías de ingreso de aceite a la cámara de combustión. En definitiva este lubricante será consumido en su mayoría, simplemente porque se quema con el combustible y el aire de admisión. El aceite que entra por las guías de válvulas, “chupado” por el vacío que se genera en la carrera de admisión, representa una cantidad importante dependiendo de la precisión en la fabricación de la guía y de los retenes (que por simplificación del esquema no están mostrados). Evidentemente un aceite de menor viscosidad a estas temperaturas, de la tapa de cilindros (aproximadamente de 80 a 100°C) favorecerá este flujo perjudicial, con mayor consumo. Pero este aspecto ha sido muy cuidado en los muy modernos diseños de motores.

Por otro lado, el vacío de la carrera de admisión forzará al aceite que moja a las paredes de cilindro a evaporarse, integrándose así a la mezcla aire combustible, con el funesto resultado de ser quemado.
Una ventaja relativa que tienen los aceites “livianos” es que el efecto de arrastre mecánico, de empuje, que realizan los aros de pistón, es menor, en carrera de compresión, ya que la película es de menor espesor, y el aceite es recuperado en mayor cantidad por el aro “rasca-aceite”, que lo devuelve hacia el carter.

Es interesante ver como varía la Volatilidad de aceite (tendencia a evaporarse) por un ensayo denominado Noack, que mide el % de aceite evaporado en una hora a 250°C.
Una buena sorpresa es que no aumenta necesariamente cuando la viscosidad baja. Depende del tipo de base utilizada y de la formulación, de los aditivos bien utilizados en una formulación balanceada.

Así se ve, que, con viscosidades HTHS de 2,6 cP, que corresponden a un SAE 5W-20 o un 0W-20, adecuadamente formulados, tiene una tendencia a la evaporación MENOR que un SAE 10W-40 100% sintético (SAE 5W-40) o un 5W-30.

Esto tiene un límite lógicamente y vemos que para HTHS de 1,8 crece la volatilidad abruptamente y se supera largamente el límite establecido por ACEA, que es de 13%. Estos valores son el desafío para el futuro, para los ya programados aceites 0W-30 y en el futuro cercano los 0W-16.
Sin ninguna duda para las formulaciones iniciales se incluirá a los básicos avanzados PAO-Esteres (es decir que Mobil 1 será la opción de referencia) y los posteriores desarrollos determinarán cuando se podrán usar básicos Grupo III o equivalentes.

El consumo de aceite representa el factor más importante en la formación de depósitos en la cámara de combustión y válvulas, en especial las de escape, pegado de aros, etc. lo cual lleva al desgaste del motor. De allí que los diseños de motor y lubricantes hayan sido exhaustivamente ensayados. Y ahora en los motores diésel nos encontramos con el dispositivo más crítico, que es el DPF.

Por último nos vamos a referir al desgaste de cojinetes. Desde ya que para el uso de aceites de baja viscosidad el motor debe contar con un diseño adecuado, con huelgos o “juegos” menores. Recordemos que la relación entre estos juegos y la viscosidad del aceite definirán el flujo del mismo. El caudal debe ser suficiente para el enfriamiento de los cojinetes, pero no excesivo, pues desde ellos, y empujado por el giro del motor se podría salpicar o “bañar” excesivamente a las paredes de cilindro, “inundándolas”, lo cual hace imposible el trabajo de los aros rasca-aceite y mucho líquido pasa a la cámara de combustión en cambio de ser devuelto al carter. Esto significa mayor consumo de lubricante.

Usualmente la bomba de aceite es más potente y de diseño más cuidado con respecto a sus juegos internos y recirculación del fluido. Por todo esto en las normas ACEA se indica claramente que el uso de los aceites de baja viscosidad debe ser recomendado específicamente por el fabricante, ya que algunos diseños no están preparados para ellos.

El mantenimiento debe ser más cuidadoso, ya que estos cojinetes con juegos tan chicos son más sensibles a la presencia de sólidos abrasivos, como la suciedad proveniente de la admisión.

Nuestra primera experiencia con aceites SAE 5W-30 100% sintéticos, con bases hidrocraqueadas, fue la verificación del aceite de primer llenado de las Toyota Hilux en el 2012.

Pudimos acompañar un ensayo de dinamómetro realizado en la planta de Zárate. El mismo tiene una duración de 300 hs con cambio cada 100 hs. Los resultados simplemente nos sorprendieron para bien, ya que nosotros sólo estábamos acostumbrados a confiarnos en el Mobil 1 ESP Formula 5W-30. Indudablemente el refinamiento en el diseño del motor tiene la mayor parte del mérito en los resultados, pero nosotros nos sentimos muy orgullosos de nuestro producto, que es el aceite de primer llenado de Toyota.

Resumimos algunos valores de análisis de aceite usado, por ejemplos los muy importantes de Viscosidad a 100°C y el de reserva alcalina o “antiácido remanente” como es el TBN. Las variaciones fueron mínimas:

Y en cuanto al desgaste de cilindros (representado por el Hierro) y de los cojinetes (representado por el Cobre en este caso) no podrían haber sido mejores.

Al final del asentamiento, a 100 hs, donde se produjo el peor resultado del hierro (25 ppm) ¡vimos que fue un valor es 4 veces menor que el de precaución!

Con respecto a los cojinetes, el asentamiento se produjo a las 200 hs, con un valor que rozó los de precaución. Curiosamente notamos un aumento del Silicio, que en este caso no provenía del polvo de la aspiración (ambiente cerrado) sino de la metalurgia de los cojinetes, aptos para muy altas presiones.

También notamos un aumento del Molibdeno, que se sumó a la cantidad original del modificador de fricción, y sugiere un baño por plasma de las caras de fricción de los aros de pistón.
Además es admirable verificar que ya se utilizaron cojinetes libres de plomo desde 2012, cosa que es mandatoria solo en Europa a partir de hace 3 años…¡Toyota se adelanta a las especificaciones de protección ambiental!

Así que ahora sabemos: para las nuevas pick-ups diésel, es IMPRESCINDIBLE usar combustible Grado 3, como Axion EURO+ Diesel, y aceites de baja viscosidad , baja fricción y bajas cenizas, como un 5W-30 o 0W-30, que cumplan con las normas ACEA C2 o ACEA C3 (Mobil Super 3000 XE 5W-30 o Mobil 1 ESP Formula 5W-30).

Por Antonio J. Ciancio
Ingeniero de Lubricación de AXION energy (Mobil en Arg.). Docente asociado e investigador del Centro Argentino de Tribologia. Comité Técnico de la Cámara Argentina de Lubricantes.