Lubricantes para competición
Diferentes desde su nacimiento!
Los objetivos en la lubricación de motores para competición son muy diferentes a los de los automóviles de uso particular, aún considerando el caso de los "deportivos de serie limitada".
Podríamos listarlos como sigue:
* Disminuir la fricción en todo lo posible
* Colaborar en la refrigeración
* Soportar el rigor de la aplicación
* Temperaturas increíbles, incompatibles con larga duración de los componentes
* Altas cargas de impacto
* Vida del lubricante, se requiere sólo la suficiente…
* Consumo de aceite: no es un objetivo en sí
* Parámetros de desgaste menos rigurosos, si se puede mantener la potencia en la carrera
* Vida útil de los componentes mecánicos: objetivo secundario frente a los otros puntos
Este último punto es muy interesante, ya que el anterior reglamento de la F1 permitía el cambio de motor después de cada carrera, mientras que ahora debe durar al menos por dos fechas... pero aún así la durabilidad de las piezas no es un problema en sí. No es para nada comparable con la protección que debemos darle a un motor de alta performance, que puede llegar a funcionar tranquilamente a unas 8.000 rpm con muy respetable potencia, inyección directa de nafta para dar buena economía de combustible manteniendo prácticamente la tolerancia de fábrica en las piezas críticas, para que pueda cumplir con los reglamentos de emisiones tóxicas en los gases de escape y además debe durar 30.000 Km entre cambios y "otro además" para la protección de los dispositivos de tratamientos de los gases de escape.
La protección de las piezas sólo vuelve a ser contemplada cuando los desgastes de algún botador, leva, o aros de pistón, lleguen a mermar la potencia. Como casos anecdóticos, en la categoría Nascar, donde aplica un reglamento de la FIA similar al de la F1, al tener que durar los motores por dos carreras, se pasó de usar un aceite SAE 0W-30 a un SAE 0W-40... y sólo pudieron volver al tan apreciado 0W-30 tras varios trabajos, que tomaron seis meses, involucrando serios estudios de los caudales y presiones operativas y el surgimiento de un "aceite optimizado".
En nuestro TC2000 algunos equipos miraban también el grado de viscosidad cuando se presentan problemas de "adelgazamiento" del aceite por inyecciones necesariamente ricas (demasiado ricas, si se lo mira del lado del lubricante), o condición de manejo "desfavorable" de algún más que fogoso piloto.
Se ven muchos casos en los que el aceite aprobado por la automotriz para la calle, típicamente un sintético SAE 5W-40, pasa en competición a ser un SAE 5W-50 (y otros más "apretados" por la dilución seguían con el SAE 10W-60, resignando buenos caballos que los acercarían más cómodamente a la punta).
Ahora, con los motores monomarca y los apuros impuestos por la economía por la subsistencia de la categoría, un SAE 5W-50 fue impuesto mientras los motores permanecen sellados por varias carreras…
El primer y fundamental objetivo que es reducir la fricción en todo lo posible: en Formula 1, eliminar pérdidas mecánicas en un motor que gira a 18.000 rpm, con carreras de pistón increíblemente cortas (¿una pulgada?) y el conjunto de aros de pistón reducido en muchos casos a uno (sí, uno solo, ¡y de 0,7 mm de alto!) no es fácil.
El consabido principio de que a mayor velocidad relativa entre las piezas debe usarse menor viscosidad se vuelve imperativo y de allí estos grados SAE tan llamativos; como el 0W-30, que quizás nunca pondríamos en nuestro vehículo particular (de hecho, en su misma definición para los lubricantes de alto rendimiento, la norma europea ACEA previene que los lubricantes de baja fricción pueden ser inadecuados para algunos modelos de motores). Es decir, que pueden provocar desgaste y al mismo tiempo arrojar alto consumo de aceite).
Por otro lado las temperaturas "pico" que debe soportar el aceite, en el aro de pistón justamente, rondan los 450°C, mucho más allá de los 270/290°C de los nafteros de calle o los “deportivos”. Este ambiente literalmente "cocina" a cualquier aceite mineral. Por eso los sintéticos fueron usados desde que se tenga memoria en la F1.
En el siguiente cuadro se puede ver que la viscosidad del aceite en la zona del aro de pistón es mucho menor a la viscosidad de la mismísima agua (que se toma como referencia para la escala de viscosidad cinemática, es decir 1 cSt es la viscosidad del agua a 20°C)
Pensar que en esas condiciones el aceite tiene que sellar los juegos entre ranura de pistón y el aro, y entre aro y la pared del cilindro, a fin de que el motor mantenga la compresión y por lo tanto su rendimiento.
¡Y menos mal que la FIA, que por estos tiempos parece muy cautelosa en cuanto a tecnología, no permite el uso de turbo, ni inyección directa, ni inyección de agua u otros fluidos en la admisión, ni pistones de materiales compuestos como fibra de carbono, ni admisión de geometría variable! ¡Cuántos puntos críticos para lubricar nos ahorramos con estas limitaciones!
La base sintética más reconocida y exitosa, llamada por sus siglas PAO (PoliAlfaOleofina) demuestra como una molécula sencilla en su forma, pero con fuertes ligaduras entre los átomos de carbono, puede lograr la disminución de la fricción en la crítica zona de aros
Otra zona de altísima fricción es el tren de válvulas. Allí las presiones son increíbles. Son cargas de impacto bajo las cuales se deforma el acero templado y el aceite debe formar una película muy especial, en lo que los técnicos llaman Lubricación ElastoHidroDinámica. La viscosidad crece exponencialmente con la presión y el aceite pasa a tener una consistencia similar a la de un queso crema. De esa manera se "queda" en el lugar, separando las levas de los botadores.
En muchas categorías de competición, el seguidor de levas es por rodadura, es decir se pone un cojinete de agujas para eliminar pérdidas mecánicas. Las presiones de los resortes son increíbles y se destacan las de nuestro criollísimo TC, para poder hacer girar motores de mas de 40 años de diseñados a una 9.500 rpm, hay que pasar los 260 Kgf en el “paquete” de resortes de válvulas.
Los sintéticos de alta elasticidad dan ventajas definitivas en esta zona. A las altas presiones de la película ElastoHidroDinámica es fundamental la relación Presión-Viscosidad-Elasticidad del aceite y los sintéticos forman una película lubricante de mayor espesor, sin perjudicar la fluidez, es decir dando un menor “coeficiente de tracción”. Más HPs disponibles, en buen romance.
La estructura molecular más adecuada formará una “cuña” más resistente. Las moléculas más “planas” y circulares ayudan más eficientemente a reducir la fricción (tanto entre las piezas como la fricción fluida interna) porque se desplazan más fácilmente ante altos esfuerzos de corte, como hay en cojinetes y levas contra sus seguidores
En complejos ensayos de dinamómetro se demostró que otros sintéticos como Aromáticos Alquilados o Esteres de Polioles, presentan ventajas inclusive sobre la PoliAlfaOleofinas y entonces se hacen muy "atractivos" para los formuladotes (una pena que los Esteres de Polioles sean tan sensibles al agua, aún en cantidades muy pequeñas que pueden descomponerlos en muy corto plazo
En cambio los aceites minerales tienen estructura “más tridimensional” y heterogénea, por lo que hacen más difícil todo desplazamiento; es decir generan fricción y calentamiento (fricción contra las superficies y además una importante fricción interna por choque entre las moléculas)
La tarea de las bases sintéticas se complementa con la selección de los aditivos más adecuados.
Los aditivos antidesgaste desarrollados para nafteros o diesel (a base de azufre, zinc, fósforo) son también efectivos colaboradores para disminuir la fricción. Se combinan con antioxidantes no metálicos (5 o 6) y se obtiene una buena sinergia.Todo ese paquete ayuda en forma excepcional a prevenir el desgaste.
Es emocionante verificar estos resultados en los motores más exigentes según nuestra experiencia:
Gracias a Carlos Cardonat, un amigo de hace más de 25 años de Jorge Pedersoli, el más exitoso motorista del TC, tuvimos el privilegio de realizar pruebas en dinamómetro sobre los espectaculares motores Chevrolet que prepara para selectos pilotos de la más tradicional y popular de nuestras categorías, el TC
Resultado: con el aceite sintético SAE 5W-50 a base de PAO+Aromáticos Alquilados+Diesteres y tecnológía específica de antidesgastes, incluyendo trímeros de Molibdeno; se lograron más de dos HP adicionales, rozando los 334 entre 8500 y 9300 rpm, el rango de velocidades que vuelve competitivo a este motor frente a los Ford y los Cherokee. Así desplazó de las preferencias al SAE 10W-50 con el que banqueaban tradicionalmente. Esta fue para mí la satisfacción más grande de los últimos años.
Puede parecer llamativo que se aprecien las propiedades tribológicas de un lubricante en un rango del 1% de la potencia medida, porque no sólo es necesario contar con la discriminación del equipamiento, sino que es definitiva la experiencia y el orden para mantener un registro consistente a través de años y años de trabajo. En Pedersoli se combinan talento y tesón para "entenderse con los fierros" y por eso puede tomar decisiones con rapidez.
Aditivos especiales
Como en toda formulación de aceites, el agregado de aditivos debe realizarse en condiciones rigurosamente controladas y con procesos verificados estadísticamente con el fin de no generar inestabilidades durante las aplicaciones tan exigentes como la competición: no olvidemos que un cigüeñal girando a alto régimen de vueltas (rpm) actúa como una centrífuga que tiende a separar a cualquier compuesto que se encuentre fuera de solución.
Al respecto se han desarrollado aditivos que promueven la formación de S2Mo durante la operación, en las zonas con Alta Presión y Temperatura como:
* (Dialquil) DitioCarbamato de Molibdeno
* Dietil Hexil Fosfato de Molibdeno
Estos aditivos "fabrican" Disulfuro de Molibdeno exactamente donde el sólido puede ser útil: entre las superficies de piezas con altas presiones y cargas de impacto. Su presencia en la superficie de las levas se ha demostrada a través de Espectroscopía Fotoelectrónica por Rayos “X” y del Microscopio Electrónico de Alta Resolución. Además se verificaron sus beneficios en Equipos de Ensayos de Fricción (Tribometer)- El S2Mo ha demostrado excelente reducción de la fricción cuando se adhiere y combina con los metales. Forma láminas planas hexagonales que se deslizan entre sí muy fácilmente
La siguiente pregunta respecto de los aditivos es: ¿elevadores de índice de viscosidad?
Son los aditivos típicos de los Multigrado. No olvidemos que los sintéticos son multigrados de rango de viscosidad más amplio. Tienen tendencia a quemarse formando depósitos muy duros, en especial en la zona de las ranuras y cabeza de pistón
Es el caso de los llamados OCP (Copolímeros de Oleofinas), los más habituales para Multigrados nafteros o diesel.
Entonces se los utiliza, pero en la menor cantidad compatible con las necesidades viscométricas, por ejemplo 4% en formulas que incluyen PAO/AlquilBenceno/Diesteres (Formula 1, SAE 0W-30)
En algunos casos, usando bases como Esteres de Polioles se puede prescindir del VII, ¡pero cuidado con la presencia de agua! Se descomponen muy rápidamente y se pierden las propiedades de baja fricción
Detergentes: cuándo usarlos
Se ha comprobado que los detergentes y dispersantes empeoran un poco el coeficiente de fricción. En carreras cortas, “picadas” o dragsters, algunos formuladores lo eliminan directamente de la formulación, pero los motores quedan sin protección si se extiende el uso de estos aceites.
En carreras de duración normal no se puede renunciar a este aditivo.
De las tecnologías más usuales, las que contienen calcio han demostrado tener el menor coeficiente de fricción. Contenidos de Ca : 3300 ppm (como un aceite para diesel de alta potencia). TBN: 10. No se utiliza magnesio ni sodio
Sí a los modificadores de fricción
Son compuestos no metálicos que "acondicionan" a las superficies metálicas con una multitud de "pelos" pegados a las piezas, que hacen un "efecto alfombra" y bajan la fricción. En general son sustancias sin cenizas, es decir no contienen metales en su composición.
Si bien son “barridos” rápidamente por las superficies metálicas con alta carga y temperatura, ¡han demostrado excelente sinergia con los aditivos antidesgaste y el S2Mo!
Son compuestos Orgánicos Polares, con Fuerte Atracción Intermolecular y sus nombres científicos son:
* Dioleil Fosfito (C18H35O)2POH
* Glicerol Diolatos (C18H35COO)2C3H6O
Aceites para clasificar en la previa
Son los llamados lubricantes de acondicionamiento
Algunas experiencias con Diesteres especiales aditivados sólo Modificadores de Fricción fueros testeadas para corridas de muy corta duración
El motor se "acondiciona" a través del funcionamiento por unos 30 minutos, durante los cuales se forma una “capa” de baja fricción con efecto residual por una hora. Al ir a la pista se retira este aceite y se coloca el regular de competición
Sus beneficios en potencia están por verificarse todavía, y no es una práctica generalizada.
Lubricantes para diferencial y caja
La discusión se genera contra las costumbres de uso: sea por falta de información o exceso de cautela, en la mayoría de los autos de TC se usa hoy un aceite cuya viscosidad triplica a la de un SAE 140 (lo cual habla de recalentamiento y pérdida de HPs en la batalla por los primeros puestos) y una compleja aditivación con excesiva cantidad de Calcio, sólidos en suspensión (que difícilmente "se entienden" con las superficies de fricción del autoblocante) y base de poliolester, que si se humedece va perdiendo las propiedades de baja fricción.
La propuesta de los ingenieros de lubricación es un SAE 75W-140 (grado recomendado por el fabricante de los conjuntos piñón y corona, de origen USA) o bien un SAE 80W-140, con bases sintéticas de PAO y éster (en una proporción minoritaria) y aditivos EP de ultima generación. Esta es la propuesta más "cautelosa", porque los pasos siguientes son un SAE 75W-90 (como ya utiliza algún corredor de la categoría) y en un futuro a mediano plazo una viscosidad menor: en la categoría Nascar estos diferenciales, ¡utilizan una viscosidad similar a la de un ATF! Es decir la mitad de la viscosidad de un SAE 90.
El concepto es que bajando la viscosidad no sólo se gana en eficiencia en la transmisión de potencia, sino que se facilita la actuación de los aditivos Modificadores de Fricción, con lo cual tenemos un mejor autoblocante.
Pero además tendremos menor temperatura en todo el conjunto, con lo cual sufrirán menos los retenes de aceite (y recordemos que más de uno "reventó" en carrera desparramando aceite y llevando a la falla al eje trasero).
Las pruebas en pista tienen la última palabra.
La historia empezó al ver cómo se aprovecharon todas las ventajas que ofrece el aceite para diferencial SAE 80W-140, como el descripto más arriba, en el diferencial del auto del ascendente piloto Emiliano Spataro, a partir de la carrera de TC del autódromo de Buenos Aires (16 de marzo de 2008).
Todo esto gracias a la pericia y sagacidad del preparador Miguel “Corto” Román, excelente evaluador y siempre atento a tomar sus mejores chances: esto le permite tomar decisiones rápidas en base a su experiencia y con coraje
El secreto del “Corto Román”
PONER ACÁ FIGURA6
Todos los preparadores tienen diseños propios y secretos en la configuración del eje trasero, lo cual involucra al sistema de suspensión, configuración de las cañoneras y en muchos casos el sistema de lubricación forzada del conjunto de engranajes, por lo cual las fotos que se muestran en este informe son de los componentes más conocidos, en marca y origen (por ejemplo piñones y coronas Richmond, origen USA) pero son suficientes para mostrar resultados que son sorprendentes en cuanto a protección de los componentes y entusiasmaron al “Corto” Román
Prueba de fuego en el Gálvez
-El “enemigo” de los dieferenciales es el Curvón Saloto: se viaja por un período de 19 segundos con escasísimo aceite.
-“Todo el lubricante está en la cañonera externa” porque es desalojado de la carcaza de diferencial,empujado por la gran fuerza centrífuga.
-En carrera se utiliza normalmente un buen sistema de lubricación forzada para una adecuada protección. Las bombas, filtros y sistemas son especialmente diseñados por cada equipo
-Igualmente los daños en los dentados son usuales: “los engranajes siempre quedan marcados”, afirman los preparadores como el Corto.
-Conjunto Piñón Corona : Richmond -Tamaño : 8,25” ???, relación : ???? (estos datos no se informan ya que son parte de la estrategia de carrera).
-El autoblocante: Sistema Isotorque (no requiere fricción modificada como el sistema de discos y placas y/o más rampa de carga)
-El aceite: Formulado a base de PAO + Ester + EP+ Antioxidantes+Antiespumantes, con grado SAE 80W-140
-El diagnóstico: “Deja una película increíblemente firme”
No se escurre, queda adherida lo cual es atípico en un sintético a base de PoliAlfaOleofinas, y esto es una demostración fehaciente de como se pueden alterar las tendencias “naturales” de los sintéticos con una formulación equilibrada
-La toma de decisión: pasadas las pruebas de clasificación (sin bomba, como se hace normalmente para no perder potencia) el estado era impecable. Entonces…
-Se decidió correr la serie sin bomba, resultados: ¡el estado era impecable!
-El “Corto” asume el riesgo y se corre toda la carrera del 16 de marzo sin lubricación forzada.
-Nunca se vio un resultado igual Siempre habían salido “marcados” el piñón y la corona, y ahora estaban intactos.
PONER ACÁ Fig 7
¿Como se toman tan rápido estas decisiones y en base a que parámetros?
Ahí es donde juega la experiencia. Comprobar un patrón de contacto con el eje ya montado, y sin usar las pastas de rigor recomendadas por los fabricantes, y sólo mirando los brillos de asentamiento no es algo que pueda hacer precisamente un principiante ni un ingeniero de lubricación dedicado a múltiples industrias.
Alguien como el “Corto” Román puede asegurar, viendo el patrón de contacto, que no se perdió la precarga del piñón y por supuesto que no hay “juegos” inconvenientes, como para afectar el rendimiento del par hipoidal, y mucho menos ponerlo en riesgo de rotura.
Además se verifican las precargas del autoblocante Isotorque (compleja maraña de engranajes tipo “sin-fin” que logran la limitación del deslizamiento en base a la irreversibilidad mecánica del sistema....esto dá para otro capítulo)
Y claro, sabe que le sobra “paño” porque midió los descensos de temperatura, de unos 15°C al usar este Sintético SAE 80W-140
Otro punto a destacar es el excelente estado del retén de piñón (viene usando el mismo prácticamente desde que empezó a usar los sintéticos, hace año y medio atrás, cuando se había arrancado con un SAE 75W-140 de generación similar, pero dirigido a los autoblocantes de tipo placas y discos de fricción).
Con el aceite más tradicional del TC (uno de origen USA a base de POE, con calcio hasta reventar y a puro Disulfuro de Molibdeno, pero muy sensible al agua) estos retenes tienden a desgastarse, resquebrajarse y fallar por la tremenda presión interna generada por una viscosidad que supera por dos veces al valor de viscosidad máxima recomendada por el fabricante de los engranajes.
Y ahora muchos se jugaros más; varios equipos están utilizando la combinación de aceites SAE 75W-90 en diferencial y 80W-140 en caja de cambios, ambos con la misma química (PAO+Ester) y las cantidades han descendido a niveles impensados como 900 gr a 1 Kg en ambos conjuntos, para manejar los briosos 350 caballos. ¡Parece mentira!
¿Le parece que esto es solo una anécdota de estos “locos lindos” que se la juegan en competición?
Sin embargo es posible comparar esta valentía para tomar decisiones con la que han tenido muchos fabricantes de equipos pesados, por ejemplo al definir Dana para su especificación Roadranger un período entre cambios de aceite de… ¡hasta 500.000 millas!
Si Ud es transportista, ¿no le parece que en su aplicación también puede aprovechar los beneficios de estos sintéticos SAE 80W-140?
Es lo que nosotros definimos como un “lubricante solucionador de problemas”.
* Docente e Investigador asociado al Centro Argentino de Tribología, Comité Técnico de la Cámara Argentina de Lubricantes. Ingeniero de Lubricación -ExxonMobil Lubricants & Specialties.
