Revista Lubes em Foco edición 94
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A medida que el sector de la movilidad personal avanza hacia cero emisiones netas de carbono, los fabricantes de equipos originales (OEM) están electrificando más modelos en sus carteras y buscando mejoras de eficiencia en todos los componentes. Los tecnólogos en transmisiones de Infineum, Hitesh Thaker y Yanzhao Wang, explican cómo los resultados de fricción de las pruebas de banco pueden no coincidir con la eficiencia de conducción en condiciones reales. También revelan el exhaustivo programa de pruebas que Infineum utiliza para garantizar que los fluidos de transmisión ofrezcan la alta eficiencia y la protección contra el desgaste que los OEM requieren para sus vehículos electrificados.
Se espera que la electrificación del sistema de propulsión sea la estrategia a largo plazo de reducción de gases de efecto invernadero para los OEM que operan en el mercado de automóviles de pasajeros. Si bien los modelos eléctricos de batería ya superan el 60% de eficiencia, los OEM continúan buscando mejoras de eficiencia en toda su oferta de sistemas de propulsión.
Una tendencia de ingeniería diseñada para mejorar aún más la eficiencia y la densidad de potencia en los vehículos electrificados más nuevos es la integración del motor eléctrico, la caja de cambios y la electrónica de potencia en una única carcasa, conocida como unidad de accionamiento eléctrico (EDU). Esto ha generado la necesidad de fluidos eléctricos específicos que puedan refrigerar los motores eléctricos a la vez que protegen la caja de cambios.
Estos nuevos fluidos eléctricos deben proporcionar el rendimiento y la protección que brindan los fluidos convencionales:
- Control de aireación y oxidación: en depósitos más pequeños y de “llenado permanente”.
- Propiedades de fricción: cuando se utilizan embragues.
- Resistencia al desgaste: para engranajes, cojinetes y bombas.
- Eficiencia: arrastre y agitación frente al desgaste.
Pero ahora necesitan ir un paso más allá. En estos sistemas de motores eléctricos refrigerados por aceite, los fluidos eléctricos más modernos también deben centrarse en proporcionar propiedades eléctricas para el aislamiento, prevenir la corrosión del cobre y garantizar una refrigeración adecuada del motor. Para cumplir con todos los requisitos, tanto convencionales como nuevos, es fundamental encontrar el equilibrio adecuado entre el aceite base y las tecnologías de aditivos.
Las pruebas de banco carecen de correlación con el mundo real
La curva de Stribeck, medida con una minimáquina de tracción (MTM), es una herramienta tribológica fundamental que proporciona una visión general del rendimiento de fricción de un lubricante. Permite evaluar rápidamente la capacidad de un lubricante para reducir la fricción en regímenes de lubricación límite, mixta e hidrodinámica.
En la región hidrodinámica, las superficies están completamente separadas por la película de fluido, sin contacto entre ellas. A medida que disminuye la velocidad, el flujo de fluido disminuye, las superficies se acercan y el coeficiente de fricción aumenta. Al pasar al régimen mixto, existe cierto contacto entre ambas superficies, aunque la película de aceite continúa soportando la carga entre ellas. A medida que la velocidad disminuye aún más, pasamos al régimen límite, donde casi no hay película de aceite entre las superficies en contacto y la carga es soportada por las asperezas de la superficie. Tanto en el régimen mixto como en el límite, los aditivos surfactantes pueden tener un impacto significativo.
Una herramienta tribológica fundamental que ofrece una visión general del rendimiento friccional de un lubricante.
Muchos fabricantes de equipos originales (OEM) y compañías petroleras utilizan el método MTM para evaluar los fluidos de transmisión, donde podrían esperar que los fluidos con menor fricción proporcionen mejores créditos de eficiencia en la EDU del vehículo. En nuestra experiencia, si bien este tipo de prueba de detección puede proporcionar cierta información sobre el rendimiento del fluido, no existe una correlación clara entre las propiedades de fricción límite y mixta y los resultados de la prueba de eficiencia de la EDU. Sin embargo, sí observamos cierta correlación entre ambas pruebas en la región hidrodinámica.
Esta disparidad nos llevó a diseñar una prueba con una EDU para evaluar con mayor precisión el impacto de los aditivos en la eficiencia del combustible. El resultado fue sorprendente.
Las pruebas imitan las condiciones reales de conducción
Infineum utilizó el nuevo equipo EDU para realizar pruebas exhaustivas de eficiencia y evaluar el impacto de diferentes combinaciones de aditivos y aceites base en la eficiencia del combustible. La eficiencia se midió según el Ciclo de Pruebas de Vehículos Ligeros Armonizado Mundialmente (WLTC) y en condiciones de estado estacionario, y los fluidos candidatos se compararon con un fluido de transmisión automática disponible en el mercado basado en el Grupo III de API.
Primero, evaluamos el impacto de diferentes aceites base. Todos los aceites de prueba se formularon con una viscosidad cinemática a 100 °C de 3,0 cSt. Los resultados de las pruebas de eficiencia EDU mostraron que el aceite base del Grupo IV proporcionó la mayor mejora en la eficiencia del combustible, seguido de la combinación del Grupo III con éster y, finalmente, el Grupo III. Este hallazgo coincide con las observaciones de la industria.
Sin embargo, al evaluar el impacto de la tecnología de aditivos, el panorama es diferente. Probamos fluidos con el mismo aceite base del Grupo IV y la misma viscosidad cinemática a 100 °C, pero con diferentes composiciones de aditivos. En este estudio, observamos que, si bien los aceites de prueba A y D presentaron un coeficiente de fricción más alto, medido en el MTM, proporcionaron una mejora de la eficiencia energética (EEI) comparable o superior a la de los aceites B y C, de menor fricción, tanto en condiciones WLTC como en estado estacionario. Como se puede observar en los resultados a continuación, no se observó una correlación sólida entre los resultados energéticos de la EDU y el coeficiente de fricción en el régimen mixto de la curva de Stribeck, y los fluidos de alta fricción pueden proporcionar una mejora considerable en la eficiencia energética.
Los resultados del mapa de eficiencia energética de la EDU indican que el aceite de prueba D, a pesar de presentar la mayor fricción, proporcionó una mejora en la eficiencia energética en todos los regímenes operativos.
Para validar aún más los resultados, realizamos pruebas de eficiencia adicionales en una EDU diferente, con los aceites A y D, así como con dos nuevos aceites candidatos, E y F, con diferentes paquetes de aditivos. Cada uno se formuló con el mismo aceite base del Grupo IV y la misma viscosidad cinemática a 100 °C; dos candidatos con coeficientes de fricción altos y dos con coeficientes de fricción bajos en el régimen de fricción límite de la curva de Stribeck.
En esta ronda de pruebas, se midió la eficiencia en el Ciclo de Prueba de Vehículos Ligeros de China (CLTC) a tres temperaturas diferentes: 20 °C, 40 °C y 60 °C. Como se demostró anteriormente, al igual que en pruebas anteriores, los aceites candidatos de mayor fricción A y D mostraron mejoras de eficiencia energética comparables o superiores a las de los aceites de menor fricción E y F.
En este caso, se observó que la tecnología de fluido para e-líquidos, aceite de prueba D:
- Ofreció una eficiencia de EDU cercana al 90 %.
- Mejoró la eficiencia de EDU en un 1,75 % a 20 °C, lo que permitiría a los vehículos eléctricos (VE) una mayor autonomía en temperaturas frías/templadas.
Una vez más, las pruebas de eficiencia de EDU demostraron que los fluidos de mayor fricción pueden proporcionar mejoras significativas en la eficiencia energética. No se observó una correlación sólida entre la eficiencia energética de EDU y el coeficiente de fricción límite medido en la curva Stribeck de MTM. Esto resalta la importancia de evaluar exhaustivamente las formulaciones candidatas en lugar de basarse únicamente en los datos de las pruebas de MTM.
Confirmación del rendimiento de durabilidad frente al desgaste
Sin embargo, mejorar la eficiencia es solo una parte de la ecuación; también debemos asegurarnos de que los fluidos ofrezcan una excelente resistencia al desgaste y compatibilidad con los materiales. El aceite con mejor rendimiento en pruebas de eficiencia, Infineum e-fluid de viscosidad ultrabaja (aceite D-Test de 3,0 cSt), ha sido probado exhaustivamente en diversas pruebas de banco, donde demostró una excelente protección contra el desgaste y compatibilidad con los materiales.
Realizamos más de 1000 horas de pruebas de durabilidad en una unidad de accionamiento eléctrico OEM, lo que equivale a más de 200 000 km. El fluido para e-fluid de prueba de viscosidad ultrabaja obtuvo excelentes resultados en todos los parámetros de prueba.
Las piezas EOT lucen prácticamente nuevas, sin impacto en engranajes, cojinetes ni bobinados de cobre.
Conclusión
En nuestra opinión, es importante probar las formulaciones de transmisión para vehículos eléctricos en condiciones que imiten las condiciones reales.
Si bien las pruebas de banco como MTM desempeñan un papel importante para comprender rápidamente las propiedades del aceite, es fundamental explorar a fondo el rendimiento de eficiencia de los candidatos, en lugar de basarse únicamente en los datos de las pruebas de banco.
Los fluidos para motores eléctricos de viscosidad ultrabaja han logrado una mejora de la eficiencia energética líder en la industria de hasta un 1,75 %. Además, estos fluidos también ofrecen una excelente durabilidad al desgaste, compatibilidad con sellos y cobre, y un rendimiento de aireación y oxidación, según lo exigen los fabricantes de equipos originales (OEM).
Ahora estamos listos para dar un paso hacia el futuro con formulaciones que cumplen y superan las expectativas de los fabricantes de equipos originales (OEM) en cuanto a durabilidad y eficiencia para vehículos eléctricos.
