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Impacto de la lubricación efectiva en el sector del autotransporte de carga.

Ariel Hernández Mascorro. MLA II.

Resumen:

El sector del autotransporte es una de las principales actividades económicas del país y como actividad económica debe ser redituable para los propietarios de las unidades y dar confiabilidad en el servicio para los usuarios. Los principales insumos de este sector son el combustible, peaje, llantas, refacciones y en menor grado, lubricantes. El objetivo de este artículo es destacar los beneficios reportados en la literatura, que la adecuada gestión del presupuesto destinado a los lubricantes puede tener en la operación, a través de factores como ahorro de combustible, extensión de la vida útil de motores, disminución de gasto en refacciones y reducción del impacto ambiental. Introducción. Cuánto cuesta, cuánto vale. La anterior es una cuestión que surge con frecuencia en el mercado de los lubricantes y está profundamente relacionada con el costo inicial del lubricante y las consecuencias para el área de mantenimiento en caso de que la elección no haya sido óptima. Dejando de lado la mercadotecnia, la elección correcta de un lubricante no es necesariamente comprar el lubricante más caro, sino el que el equipo necesita de acuerdo a sus condiciones de operación, y una vez que se tiene el lubricante adecuado, es preciso cuidarlo y mantenerlo en condiciones óptimas. Un lubricante adecuado, si se mantiene frio, si se mantiene seco y sobre todo, se mantiene limpio, tendrá una vida útil muy prolongada. La primera consecuencia de lo anterior es la disminución de la frecuencia en los cambios de aceite. Otra consecuencia; quizá la más importante económicamente hablando, de la elección correcta de lubricantes, es la mayor durabilidad de los equipos. Esa mayor durabilidad representa una mayor disponibilidad para trabajar, lo que inmediatamente se traduce en mayor productividad y; por ende, mayores utilidades.

¿Que son los lubricantes? La definición básica de lubricante es una sustancia solida, liquida o gaseosa que es capaz de formar una película separadora entre dos superficies en movimiento relativo entre sí, disminuyendo la fricción y el desgaste. Los lubricantes más comunes, son los aceites y las grasas; y estos pueden tener un origen mineral o sintético.

Los lubricantes minerales, se obtienen del petróleo. El petróleo crudo es una mezcla muy compleja de componentes, para poder ser aprovechado este es transportado hacia las refinerías, donde a través de un proceso de destilación se van separando dichos compuestos, en primera instancia, gases, como el etileno y posteriormente combustibles como la gasolina y el diesel, finalmente, las fracciones útiles para la elaboración de lubricantes1. Estas fracciones son posteriormente tratadas en diversos procesos, y la severidad de estos tratamientos es lo que da origen a los tres primeros grupos de básicos reconocidos por API (American Petroleum Institute):

Tabla: Grupo I Derivados del petróleo, obtenidos a través de extracción por solventes. Grupo II Derivado del petróleo, obtenidos a través de hidrotratamiento Grupo III Derivados del petróleo, obtenidos a través de un hidrotratamiento severo. Grupo IV Polialfaolefinas. Obtenidos a través de síntesis química. Grupo V Básicos diversos. Obtenidos a través de síntesis química. ¿Qué es lubricar? La definición más básica de lubricar, según la RAE, es “hacer resbaladizo algo”. Aunque en esencia tal definición es correcta, es asimismo, incompleta, LUBRICAR es un conjunto de acciones, incluyendo la aplicación de un lubricante; entendido este como sustancia capaz de formar una adecuada película interfacial, tendientes a incrementar la vida útil de los equipos lubricados, así como optimizar su operación, garantizando la confiabilidad de la infraestructura productiva. Se conocen varios regímenes de lubricación2, descritos en una grafica denominada Curva de Stribeck, (ver figura).

Categoría Porcentaje Índice de viscosidad

Saturados Azufre API I <90 >0.03 80-120 API II 90 0.03 80-120 API III 90 0.03 120 API IV NA NA 130 API V NA NA 80-200

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Lubricación Límite. En esta fase, hay contacto entre las superficies, la carga es soportada sobre capas de óxidos, aditivos y asperidades superficiales. Lubricación Mixta. Fase de transición entre lubricación limite y establecimiento de película elastohidrodinámica Lubricación Elastohidrodinámica. (EHL) La carga es soportada por el fluido y por una deformación elástica de las superficies en movimiento. Lubricación Hidrodinámica. La carga es soportada totalmente por el fluido.

Un análisis de la información anterior nos sugiere tanto la importancia de una adecuada aditivación, para condiciones de lubricación límite y mixta, así como la importancia de la viscosidad del fluido, responsable de formar, al fin y al cabo, la película de lubricación hidrodinámica. Es necesario notar el incremento de la fricción en la lubricación hidrodinámica, debida a la resistencia misma del fluido. Una alta viscosidad puede llegar a proporcionar una ancha película lubricante, sin embargo, ese grosor de película traerá consigo un gasto energético innecesario, por lo que es pertinente; también, balancear la protección del equipo con el gasto energético al elegir un lubricante. El motor diesel. El motor diesel, fue diseñado por Rudolph Diesel en 1892. Este es un motor de combustión interna, cuyo encendido se logra al inyectar combustible en una cámara especial que tiene aire a una temperatura superior a la de auto ignición del combustible utilizado, sin necesidad de una chispa eléctrica que lo provoque. El pistón es responsable de generar esta temperatura al comprimir el aire atrapado en el cilindro. 3,4,5 Cuando está a punto de alcanzarse el punto de máxima compresión, (punto muerto superior) y por ende, máxima temperatura, el combustible es inyectado a alta presión a través de la tobera del inyector con objeto de que se atomice y se distribuya de manera uniforme con el aire contenido6, quemándose rápidamente. Esta rápida combustión provoca una explosión (cambio

radical y repentino en volumen de un fluido gaseoso) que empuja hacia abajo al pistón anteriormente mencionado que al estar conectado con el cigüeñal, convierte el movimiento lineal en rotacional.

El proceso de combustión. La combustión es una reacción química entre el oxigeno del aire y el combustible, esta reacción da como resultado un gran desprendimiento de energía, así como la generación de dióxido de carbono y trazas de agua, cuando esta se lleva a cabo con un 100% de eficiencia, esto es, cuando el combustible se quema totalmente. En un motor de combustión interna, dado que el combustible tiene que pasar del estado líquido al estado gaseoso, la combustión no es un proceso eficiente al 100%, por lo que además del agua y del bióxido de carbono, se observa la generación de otros subproductos, generalmente vertidos a la atmosfera como parte de los gases de escape.7 La naturaleza de estos productos es dependiente de la manera en que se quema el combustible (Ver figura). La generación de residuos carbonosos se da en las regiones 1 y 2, en tanto que la región 5 es aquella donde se generan, principalmente, los óxidos nitrosos y sulfurosos.

Fig. Dispersión del combustible por el inyector. La región a es combustible líquido. La región 1 es muy rica en combustible para quemarse adecuadamente, la región 2 es rica en combustible, en la región 3 la relación aire-combustible, es estequiométrica. La región 4 es pobre en combustible, la región 5 es demasiado pobre en combustible para quemarse.

Esto nos indica que a menor temperatura, mayor generación de contaminantes como Material particulado y Combustible no quemado, en tanto que una generación de óxidos de nitrógeno está relacionada con alta presión en zonas pobres en combustibles, ya que en esos lugares, el oxígeno, al no tener combustible que oxidar, reaccionara con el nitrógeno del aire.

Emisiones. Las emisiones de la combustión del diesel son complejas, desde el punto de vista cantidad de sustancias presentes, muchas de las cuales estarán en función del combustible, el vehículo, los hábitos de manejo, entre otros factores. Entre esas especias, las más relevantes desde los puntos de vista ambiental y toxicológico son: Material particulado: Carbón, cenizas metálicas.

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Gases: NO2, SO2, hidrocarburos aromáticos policíclicos, compuestos orgánicos volátiles, aldehídos etc.

API. El American Petroleum Institute (API) es una asociación comercial de cerca de 400 corporaciones implicadas en la producción, el refinamiento, la distribución y otros aspectos de la industria del petróleo y del gas natural. Sus principales funciones incluyen la negociación con las agencias gubernamentales y organismos reguladores; investigación de efectos económicos, toxicológicos, y ambientales; establecimiento y certificación de los estándares de la industria (ver tabla categorías de servicio API), y programas de acercamiento a la comunidad a través de la capacitación. Esta organización emite un boletín denominado Motor oil guide, dividido en categorías de servicio para motores diesel y gasolina, Tales categorías de servicio van de la mano con la evolución tecnológica de los motores, siendo las más recientes las más exigentes hacia los parámetros de desempeño que deben ofrecer los lubricantes que aspiren a ostentar la dona de API, lo que es una manera de de garantizar el desempeño mínimo de los lubricantes en cuanto a protección del motor, disminución de emisiones y ahorro de combustible8. 1

ACEA. ACEA es la Asociación Europea de Constructores de Automóviles. En el apartado de la lubricación, también cuentan con una clasificación, a semejanza de API, con las respectivas diferencias que sus desarrollos tecnológicos tienen con los fabricantes americanos. La clasificación cualitativa ACEA ha estado en uso desde 1996, la más reciente edición (2012) divide los lubricantes para motor en 3 grupos, marcados con una combinación de letras: A y B para motores diesel y gasolina de vehículos ligeros y C, aceite para motores a diesel y gasolina con sistemas de disminución de emisiones específicos, E para transporte pesado. Cada uno de estos grupos está dividido en niveles, tales como A1/B1, A3/B3 etc. Es importante mencionar que aceites con la denominación A/B y C son universales y adecuados para motores a gasolina y diesel, aunado a

lo anterior, un número más alto no siempre indica un mayor nivel de calidad en la clasificación ACEA9. Viscosidad.

Se considera la viscosidad (Cinemática) como la característica fisicoquímica más importante de los aceites lubricantes. Se define como la resistencia de un fluido a fluir o deslizarse sobre si mismo por acción de la gravedad. Monogrados, multigrados y sintéticos. A partir de la segunda mitad del siglo pasado, los fabricantes de automóviles han llevado la pauta en cuanto al desarrollo de motores y a los requerimientos sobre los lubricantes para lubricar esos motores. En la década de los 50 del siglo pasado, el producto predominante eran los lubricantes monogrados, con el inconveniente de que debían utilizarse por temporadas; esto es, se requería de un grado de viscosidad en verano y otro en invierno. En los años 60 del siglo pasado, surgieron los lubricantes multigrado, con lo que el mismo producto podía utilizarse durante todo el año, no era necesario ya un producto diferente por cada temporada10.

Figura: Comportamiento típico de lubricantes monogrado y multigrado. Conforme fueron avanzando las técnicas de refinación del petróleo, se fueron obteniendo bases cada vez más resistentes a fenómenos como oxidación y volatilización, así como con mejores características de fluidez a bajas temperaturas; asimismo, llegaron los lubricantes sintéticos en la década de 1970.7 Desgaste en el arranque.

SI bien existe un consenso, es decir, una opinión compartida, en la industria referente a que entre el 50 y 70 % del desgaste de los motores se da durante el arranque, no hubo manera de corroborar este rango en ninguna de las fuentes consultadas, aunque muchos fabricantes de aditivos de post-tratamiento exhiben valores aún mayores, aludiendo un estudio de McDonell-Douglas, este tampoco pudo ser contrastado. No obstante, las fuentes citadas en las referencias concuerdan en que la utilización de un lubricante mineral multigrado o de uno sintético disminuirían de

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manera sensible el nivel de desgaste en el arranque, comparados con un lubricante mineral monogrado, por su capacidad de fluir con mayor facilidad hacia los puntos que requieren lubricación, así como por sus mejores características de desempeño dadas por el avance en los paquetes de aditivos. Las garantías de motores se fijan comúnmente por un periodo de 2 años, 250,000 millas o 6,250 horas de trabajo, una adecuada lubricación, acompañada de un seguimiento técnico a través de capacitaciones, análisis de lubricante y una política de mantenimiento proactivo permite alcanzar en algunos casos, más de 1 millón de kilómetros recorridos o periodos de trabajo de más de 15,000 horas, vale la pena mencionar que algunas marcas de lubricantes han publicado testimoniales de desempeño con valores aún mayores. El parámetro MOFT (Minimum oil film thickness, espesor mínimo de película lubricante) de motores en funcionamiento no presentaba una adecuada correlación con los niveles de desgaste normal de estos dispositivos en uso, por lo que se diseñó un método en el cual el lubricante sería sometido a una temperatura alta, y elevados esfuerzos de corte para determinar la viscosidad en la que se presentara una mayor correlación con los niveles de desgaste, de aquí la utilización y utilidad del parámetro HT/HS.

HT/HS.

Las características de protección a alta temperatura, ahorro de combustible y emisión de gases de efecto de

invernadero están relacionados con el parámetro HT/HS11, siglas que significan: High Temperature / High Shear, y corresponden a una serie de pruebas ASTM12 que evalúan la viscosidad de un lubricante en condiciones severas de trabajo, tales condiciones se describen a continuación: La temperatura para llevar a cabo la medición del parámetro HTHS es 150 °C, entonces el lubricante es sometido a un stress mecánico (High shear) de 1 millón de operaciones de corte por segundo. El término “High Shear” es, en pocas palabras, un gran diferencial de velocidad entre dos superficies de fricción que se están lubricando con un fluido determinado. Con frecuencia es solo la velocidad del elemento móvil, ya que la otra superficie suele ser estacionaria, sin embargo, hay casos en los que las dos superficies son móviles, tales como rodamientos antifricción donde el elemento rodante y las pistas pueden moverse. Se considera que el fluido adyacente a cada una de estas superficies se encuentra "adherido" a estas, por lo que da lugar a un gradiente de velocidad (Entendámoslo como un diferencial de velocidad entre las capas adheridas y las capas de fluido adheridas a las capas adheridas, sucesivamente.) en el fluido entre ambas superficies. Dado que el esfuerzo de corte es por definición la magnitud de este gradiente de velocidad en el fluido entre estas superficies, altas velocidades, pueden considerarse equivalentes a altos esfuerzos de corte (High Shear).

Gráfica: La grafica muestra el comportamiento viscométrico típico de 3 lubricantes: Multigrado mineral SAE 15w40, Monogrado mineral SAE 40 y multigrado sintético SAE 10w40. (Cálculos hechos en base a información obtenida de las hojas de datos de producto.) En ella podemos ver la diferencia del comportamiento ante bajas temperaturas, el lubricante monogrado tiene una alta viscosidad, el lubricante multigrado tiene una viscosidad considerablemente menor, en tanto que el lubricante sintético tiene lamenor viscosidad, por ende, la mayor fluidez.

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En términos MUY generales, una mayor viscosidad proporciona un mayor HT/HS, de lo que podemos extraer, que un lubricante que mantuviera su viscosidad más estable sometido a situaciones de stress térmico y mecánico, podría proporcionar una película lubricante que diera mejores resultados en esta prueba y en el mundo real, disminuyendo los niveles de desgaste y alargando la vida de los equipos. Un lubricante sintético para motor puede dar ahorros de combustible de entre un 1-2%. Si se acompaña con lubricantes sintéticos para transmisión y rodamientos, este porcentaje puede incrementarse a 4%. El máximo teórico posible es un 10%13, dependiendo del establecimiento de la línea base para cuantificar la mejora, por lo que puede haber casos muy significativos de ahorro al hacer el cambio hacia lubricantes sintéticos, que mientras mantengan niveles altos de HT/HS (>3.5) seguirán protegiendo al motor contra el desgaste, en tanto que valores menores, si van acompañados de mejoras en la ingeniería de los motores, darán mejor rendimiento de combustible, aunque es muy probable que estos nuevos lubricantes no sean retrocompatibles.

Aditivación.

Los aditivos son sustancias químicas que se agregan a los lubricantes para fortalecer o proporcionar una característica determinada. Los lubricantes para motor son una mezcla sumamente compleja de componentes: desde los básicos necesarios para alcanzar determinadas propiedades viscométricas y de solubilidad de aditivos, hasta los paquetes de aditivos propiamente dichos utilizados en su formulación, que incluyen:

Aditivos Antioxidantes. Aditivos Antidesgaste. Aditivos Detergentes. Aditivos Dispersantes. Modificadores de fricción Mejoradores de Índice de viscosidad. Depresores del punto mínimo de fluidez4,14.

El adecuado balance en la proporción de los aditivos antes mencionados será el responsable del rendimiento del lubricante. TBN A partir de la aparición de la especificación API CJ, el parámetro de TBN ha tomado una gran relevancia, y en muchos casos se le ha tomado como parámetro critico para determinar el estado del lubricante o para publicitar la calidad del lubricante, demeritando; en algunos casos, a otros. El TBN es un parámetro compuesto, esto es, está determinado por la suma o la presencia de diversos componentes, entre los más significativos, los aditivos

detergentes y los aditivos dispersantes, aunque otros agentes presentes pueden afectarlo. La metodología empleada en determinarlo (Normas ASTM D974 , ASTM D2896, ASTM D4739)15,16,17 también influye en el valor obtenido. Químicamente hablando, los aditivos detergentes y dispersantes llevan a cabo funciones similares de acarreo y suspensión de contaminantes. Se ha establecido por consenso, que los detergentes son aquellos que acarrean una determinada cantidad de agentes en su molécula que les permite neutralizar los ácidos formados en el proceso de combustión y los aditivos dispersantes son los que se encargan de mantener en el seno del fluido agentes que de otra manera formarían depósitos nocivos. Es necesario remarcar que aunque su función sea similar, pertenecen a especies sumamente diferentes, las más significativas son la presencia de elementos metálicos (ej. calcio) en los detergentes y el alto peso molecular (ej. poliisobutilenos) de los dispersantes. Como el valor de TBN depende de la presencia de diferentes especies, un número determinado de TBN 10, 10.5 o 12 para el caso de los motores de combustión interna de vehículos comerciales, puede ser alcanzado mediante diferentes combinaciones de aditivos. Una manera muy común de alcanzar esos niveles es la utilización de detergentes sobrebasificados (Overbased detergents) que son detergentes que en forma miscelar18 acarrean una gran cantidad de reserva alcalina en proporciones que no son estequiometricas con respecto a la cantidad de aditivo meramente detergente. Esto puede expresarse de manera más simple de la siguiente manera: Una molécula de detergente puede neutralizar una molécula de ácido, una molécula de detergente sobrebasificado, puede neutralizar 2, 3, 5, 10 o más moléculas de ácido gracias a los agentes básicos "asociados" a ella. Así pues, un lubricante puede tener una muy buena capacidad para neutralizar ácidos, pero muy pobres características de detergencia y dispersancia, por lo que la utilización del TBN como parámetro crítico para determinar la vida útil remanente de un lubricante es cuestionable. De lo anterior puede extraerse que el TBN puede o no estar directamente relacionado con el poder detergente-dispersante de un lubricante, más aun, las proporciones de estos aditivos tienen una relación sinergísta con el resto del sistema de aditivos19, particularmente los aditivos antioxidantes y con agentes antidesgaste como ZDDP, esto es muy importante, pues aquí radica una de las razones de la diferencia de rendimiento de diferentes marcas de lubricantes.

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El mejor lubricante es aquel que balancea de manera óptima todos esos factores, brindando el mejor desempeño posible considerando las interacciones que los aditivos tendrán entre sí, y no fortaleciendo una característica cualquiera a expensas de las otras. Conclusión.

De acuerdo a Romero20, el autotransporte de carga es uno de los 3 principales aportadores al PIB, siendo una de las actividades económicas más importantes del país. Entre los insumos indispensables para este sector están el combustible, el peaje, las llantas, refacciones y lubricantes. Como toda operación productiva, el autotransporte de carga tiene un impacto ambiental significativo, pero este puede ser mitigado a través de la utilización de lubricantes elaborados con básicos cada vez más refinados, o con lubricantes sintéticos, lo anterior tendrá un efecto en la disminución de emisiones de gases contaminantes como óxidos nitrosos y sulfurosos.21 Aunado a lo anterior, pueden alcanzarse ahorros de hasta un 4% en el consumo de combustible a través de la utilización de lubricantes sintéticos, en motor y tren de potencia, lo que disminuye de manera significativa la emisión de subproductos de la combustión. Aunado al ahorro en combustible, es posible triplicar la vida de un motor diesel antes de una reconstrucción, particularmente cuando se pone especial atención al sistema de filtración de aire. Esta extensión de la vida útil es equiparable al resto de los componentes, por lo que es evidente la conveniencia de la adquisición cuidadosa de estos insumos. Por lo anterior, al tomar una decisión informada sobre la adquisición de lubricantes se tendrán beneficios como los que se enlistan a continuación:

Disminución del volumen de compra de lubricantes.

Disminución en la compra de refacciones Extensión de la vida útil de motores. Disminución de tiempos muertos. Ahorro en combustibles.

Los cuales representan el impacto económico más significativo, pues son ahorros fácilmente traducibles en incremento de las utilidades. Las consideraciones ambientales de cualquier operación productiva son un imperativo actualmente, la utilización de lubricantes sintéticos o multigrados de buena calidad presenta las siguientes ventajas:

Disminución de la generación de desechos peligrosos.

Disminución de emisiones contaminantes. Disminución de emisión de gases de efecto de

invernadero Todos los factores tienen repercusiones significativas,ya sea en las utilidades de la flota o en el impacto ambiental que su operación conlleva, al aprovechar plenamente los recursos con los que se cuenta. El ahorrar no debe ser entendido como no gastar, sino como no desperdiciar. Una adecuada gestión del presupuesto destinado a la compra de lubricantes puede tener un efecto impactante en otras áreas, notablemente en el rubro de mantenimiento, al tener menos incidentes y efectuar menos reparaciones. Detrás de un lubricante hay muchos más factores que su precio inicial, la capacidad técnica del proveedor (O la asesoría externa especializada) es indispensable para conseguir el rendimiento óptimo del fluido y una larga vida de los equipos. Es importante recordar que lo barato suele resultar caro, y lo más caro no es; necesariamente, lo mejor.

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13. Boris Zhmud, Ph.D., Assoc.Prof. Advancements in development of energy-saving lubricants and coatings for automotive applications An Advanced Course on Lubricated Wear, Luleå, Sweden, March 15-17, 2011. 14. D. Atkinson, A.J. Brown, D. Jilbert and G. Lamb Chapter 9 Formulation of Automotive Lubricants pp 293-324, Chemistry and Technology of Lubricants Third Edition Roy M. Mortier • Malcolm F. Fox • Stefan T. Orszulik Editors 15. ASTM D974 Standard test method for acid and base number by color-indicator titration. 16. ASTM D2896 Standard Test Method for Base Number of Petroleum Products by Potentiometric Perchloric Acid Titration. 17. ASTM D4739 ”Standard Test Method for Base Number Determination by Potentiometric Titration” 18. Zenon Pawlak Tribochemistry of Lubricating oils, pp 11-64, Elsevier 2003. 19. Syed Q. A. Rizvi chapter 4 Detergents chapter 5 Dispersants Lubricant Additives Chemistry and Applications Second Edition pp 123-170 CRC Press Edited by Leslie R. Rudnick 2009. 20. Eric Moreno Quintero Elizabeth De la Torre Romero, Indicadores Económicos en el Autotransporte Federal de Carga, Publicación Técnica No. 344 Sanfandila, Qro, 2011. Secretaria de Comunicaciones y Transportes, Instituto Mexicano del Transporte. 21. Radimko Gligorijevic, Jeremija Jevtic, Goran Jaksic, Contribution of engine oil to diesel exhaust emission and friction reduction, IMR-Institute, 1090 Belgrade-Serbia, Patrijarha Dimitrij.