Confiabilidad del motor de gasolina: comprensión del consumo de aceite del motor

Este artículo explica los mecanismos que afectan el consumo de aceite lubricante en motores de gas estacionarios. Explica las consecuencias positivas y negativas del consumo de petróleo. Analiza la importancia de considerar el contenido de cenizas de aceite al seleccionar un aceite lubricante para motores de gas y enfatiza la importancia del monitoreo del consumo de aceite en las operaciones diarias.

El aceite lubricante en un motor de gasolina estacionario realiza múltiples funciones críticas. Lubrica superficies en movimiento relativo entre sí al proporcionar separación de estas superficies a través de viscosimetría de fluidos, sella la interfaz anillo de pistón/camisa de cilindro y enfría piezas del motor, como pistones y cojinetes. Con la ayuda de la tecnología de aditivos, el aceite lubricante también proporciona protección contra el desgaste durante el arranque y contra la corrosión por especies ácidas, provenientes del combustible o de los procesos de degradación del aceite. Por último, pero lo más importante, mantiene limpio el motor.

Un circuito de lubricación típico de un motor de gasolina consta de un cárter de aceite, una bomba de aceite, un enfriador de aceite, válvulas de control de presión y temperatura, filtros de aceite de flujo total y sistemas de filtración secundaria. La bomba de aceite aspira líquido del sumidero a través de un colador. A continuación, el aceite se enfría en el enfriador de aceite; Una válvula termostática determina cuánto aceite pasa por el enfriador y cuánto lo evita para alcanzar la temperatura de entrada de aceite deseada. El aceite fluye a través de los filtros de aceite con una finura que puede oscilar entre 20 micras (nominal) y 40 micras (absoluta). Desde los filtros de aceite, el aceite se alimenta al motor, suministrando a los cojinetes principal y de biela, al árbol de levas y al seguidor, al tren de engranajes, a los turbocompresores, a los balancines y ejes, a los pistones y a las camisas. Los vástagos de las válvulas y las guías de las válvulas normalmente no están incluidos en el sistema de aceite presurizado, ya que reciben aceite de los balancines que fluyen libremente sobre la plataforma de válvulas. Todo el aceite eventualmente regresa al cárter de aceite a aproximadamente 10 ° C a 15 ° C (50 ° F a 59 ° F) más caliente que cuando ingresó al motor.

La película de aceite proporciona una separación completa de los cojinetes y muñones del cigüeñal. Se forma una cuña hidrodinámica durante el arranque, donde cuanto más rápido gira el eje en el rodamiento, o cuanto mayor es la viscosidad del fluido, más espesa será la película de aceite. La velocidad reducida, la viscosidad reducida y el aumento de la carga disminuyen el espesor de la película de aceite. También se construye una cuña hidrodinámica entre el anillo del pistón y la interfaz de la pared del revestimiento para proporcionar separación de estas superficies metálicas; Esta película de aceite también actúa como sello para los gases de combustión.

Se requiere una cantidad mínima de flujo de aceite para una lubricación adecuada de los vástagos y guías de las válvulas de admisión y escape. A través del espacio libre entre la guía y el vástago de la válvula, una pequeña cantidad de aceite ingresará al flujo de gas. Este aceite llegará a los asientos de las válvulas de admisión y los protegerá. Sin embargo, en el lado del escape, el flujo de gases de escape impedirá que lleguen a los asientos de las válvulas de escape. En cambio, estos están protegidos con cenizas del aceite quemado en la cámara de combustión.

El consumo de aceite en los motores de gas estacionarios es una función normal y necesaria para un funcionamiento saludable. Los fabricantes de motores de gas tienen en cuenta esto en el diseño de sus motores, ya que se requiere una cantidad específica de consumo de aceite. Cada fabricante de motores tiene su propio rango de lo que es o no aceptable en relación con la tasa de consumo, que a menudo se proporciona a los propietarios en gramos por kilovatio-hora (g/kWh). En los motores modernos, los índices de consumo de aceite de 0,05 g/kWh a 0,15 g/kWh son típicos y tienden a aumentar a medida que el motor se acerca al intervalo de revisión planificado. Los índices de consumo de aceite en motores con carga ligera suelen ser algo más elevados.

La tasa de consumo de aceite también puede tener un impacto en la vida útil de un llenado de aceite. Un bajo consumo de aceite puede significar poca composición de aceite nuevo, lo que puede reducir la vida útil potencial del aceite. Un mayor consumo de aceite de motor aumenta la tasa de reposición de aceite nuevo, lo que puede ayudar a prolongar la vida útil del aceite, siempre y cuando el mayor consumo de aceite no coincida con un mayor consumo de aceite.

El aceite consumido por el motor pasará a la cámara de combustión, donde se quema. Sin embargo, algunos aditivos que contienen metales son incombustibles y permanecen en forma de cenizas. Las cenizas de los aceites para motores de gas estacionarios suelen estar compuestas de calcio, magnesio, zinc, fósforo, boro y molibdeno que se utilizan en la química de detergentes y aditivos antidesgaste.

El consumo de aceite en combinación con el contenido de cenizas determinará el rendimiento general de cenizas a través de la cámara de combustión, el turbocompresor, los catalizadores de gases de escape y la caldera de recuperación de calor. Por lo tanto, los lubricantes para motores de gas estacionarios a menudo se clasifican según su contenido de cenizas. Hay aceites para motores de gas con el llamado contenido "bajo en cenizas", de aproximadamente 0,5% a 0,6% de cenizas (en peso). Para motores que necesitan más protección, se encuentran disponibles aceites para motores de gasolina con un contenido de “cenizas medio”, con niveles de ceniza de hasta 1,0% (en peso).

Efectos beneficiosos de las cenizas de aceite lubricante. La razón principal para que un aceite lubricante contenga aditivos productores de cenizas es el papel que desempeñan estos aditivos en la protección general del motor. Los aditivos productores de cenizas son:

La segunda función beneficiosa de las cenizas de aceite lubricante es la protección de las válvulas de escape. Se necesita una pequeña cantidad de flujo de aceite para una lubricación adecuada de los vástagos y guías de las válvulas de admisión y escape.

En el lado de admisión, el aceite que se filtra entre la válvula y la guía será transportado por el flujo de aire a la cara de la válvula y lubricará la superficie del asiento. Sin embargo, en el lado del escape, el aceite se quemará antes de llegar al asiento de la válvula. Por lo tanto, la superficie de asiento de la válvula de escape se lubrica con cenizas de aceite secas, provenientes del aceite lubricante quemado en la cámara de combustión. La ceniza que queda puede depositarse o sinterizarse sobre el asiento de la válvula y las superficies frontales para protegerlas del desgaste y la recesión. La Figura 1 muestra una válvula de escape empotrada sin protección. La Figura 2 muestra una válvula con pequeñas perlas o motas de ceniza en la superficie del asiento, lo que proporciona evidencia de una lubricación seca adecuada de la superficie del asiento, evitando la recesión de la válvula.

1. Válvula de escape empotrada. Cortesía: Lubricantes Petro-Canada

2. Válvula de escape bien protegida. Cortesía: Lubricantes Petro-Canada

Efectos perjudiciales de las cenizas del aceite lubricante. Las cenizas del aceite lubricante quemado se escapan en gran medida con los gases de escape. Sin embargo, una fracción se depositará en los componentes de la cámara de combustión (Figuras 3 y 4). Los depósitos en la corona del pistón y en la plataforma de disparo pueden aumentar la relación de compresión de un motor, lo que puede influir en las posibilidades de detonación. Los golpes pueden dañar gravemente el motor. Por ello, se instalan sensores para detectarlo. Cuando se producen detonaciones, el sistema de control del motor primero retardará el tiempo de encendido (lo que afectará negativamente la eficiencia del motor) y, finalmente, reducirá la carga o apagará el motor por completo (lo que afectará negativamente a la producción).

3. Depósito de cenizas en la parte superior del pistón. Cortesía: Lubricantes Petro-Canada

4. Depósito de cenizas en la plataforma de válvulas. Cortesía: Lubricantes Petro-Canada

Los depósitos formados en las coronas de los pistones y en las superficies superiores pueden actuar como aislante, impidiendo así la transferencia de suficiente calor. La temperatura de la cámara de combustión aumenta, lo que también puede contribuir a que se produzcan detonaciones.

El exceso de depósitos formados en los electrodos de las bujías puede puentear el espacio de la bujía, provocando poca o ninguna chispa (ensuciamiento de la bujía). Mientras que se requiere algo de ceniza para proporcionar lubricación seca de los asientos de las válvulas, un exceso de depósito de ceniza en las superficies de los asientos de las válvulas de escape puede impedir el cierre completo de la válvula, lo que provocará que la válvula se queme (Figura 5).

5. Válvula de escape quemada. Cortesía: Lubricantes Petro-Canada

Se pueden formar cenizas de aceite y depósitos de carbón en la superficie superior del pistón. Cuando los depósitos de la superficie superior del pistón crecen lo suficiente como para hacer contacto con la pared del revestimiento, los depósitos perturban la película de aceite lubricante en el revestimiento y pueden frotar y desgastar el rayado del revestimiento, lo que resulta en el pulido del orificio. El espesor de la película de aceite en el régimen hidrodinámico es función de la velocidad x viscosidad / carga x rugosidad de la superficie, por lo que cuando la rugosidad de la superficie disminuye (el rayado se desgasta), esta superficie más suave permite que se forme una película de aceite más espesa. Debido a esto, el paquete de anillos transporta más aceite a la cámara de combustión, mientras que al mismo tiempo la película de aceite más gruesa no puede soportar la presión de combustión, lo que resulta en un mayor escape. A medida que avanza este mecanismo de desgaste, se crea una mayor formación de depósitos, lo que conduce a un mayor desgaste, más fugas y más consumo de aceite.

Para reducir el dañino pulido de los orificios, los fabricantes de motores de gasolina modernos pueden utilizar un anillo antipulido. Un anillo antipulido es un anillo que se encuentra en la parte superior del revestimiento y que tiene una dimensión interior ligeramente más pequeña que el revestimiento. Este anillo limpia continuamente la superficie superior del pistón de cualquier depósito dañino al no permitir que el depósito de la superficie superior cruce la pared del revestimiento y provoque el pulido del orificio. El efecto de esto es que el consumo de petróleo no aumentará.

Los depósitos de cenizas sueltas y las partículas de carbón del aceite base oxidado pueden regresar al cárter mediante purga. Las partículas más grandes generalmente se filtran en los filtros de aceite principales y las partículas más pequeñas se eliminan a través del filtro centrífugo de aceite, si el motor está equipado con él.

En aplicaciones de cogeneración, puede producirse contaminación de la caldera, ya que la caldera está más fría que los gases de escape, lo que promueve la condensación de los vapores de aceite que capturan las cenizas de aceite. Un mayor consumo de aceite provocará un mayor ensuciamiento de la caldera, lo que dará como resultado una menor recuperación de calor, lo que obligará a una limpieza más frecuente de la caldera.

Muchos motores de gas están instalados con sistemas de reducción de emisiones de escape en forma de catalizadores para reducir las emisiones de CO y NOx. Los depósitos de cenizas de petróleo pueden enmascarar la superficie reactiva del catalizador. La desactivación química también puede ocurrir debido a una reacción entre el catalizador y diferentes elementos que se encuentran en las cenizas del aceite lubricante, como el fósforo y el azufre. Esto da como resultado una conversión menos eficiente de las emisiones nocivas en los catalizadores de gases de escape. El aumento del consumo de aceite a menudo resulta en una reducción de la vida útil del catalizador. El enmascaramiento por cenizas también puede provocar fallos en los sensores de emisiones.

Lo anterior explica que el rendimiento de cenizas debe controlarse encontrando el equilibrio correcto entre el consumo de aceite y el contenido de cenizas de aceite. El objetivo es proporcionar suficiente rendimiento de cenizas y garantizar la vida útil de las culatas de los cilindros y, al mismo tiempo, mantener el rendimiento de cenizas lo suficientemente bajo como para evitar una excesiva contaminación de la cámara de combustión, la caldera de recuperación de calor y el catalizador de los gases de escape, todo lo cual podría causar daños al motor. tiempo de inactividad y su rectificación cuesta mucho dinero.

Varios mecanismos pueden afectar el consumo de petróleo en un motor de gasolina estacionario.

Paquete de anillos de pistón. En los motores modernos con bajo consumo de aceite, este mecanismo es la causa predominante del consumo de aceite. Una consecuencia natural de una película de aceite en la pared del revestimiento es que algo de aceite ingresará a la cámara de combustión a través del desprendimiento de aceite del paquete de anillos cerca del punto muerto superior. Cuanto más gruesa es la película de aceite, más aceite transporta el paquete de anillos hacia arriba. Todo el aceite transportado por encima del punto muerto superior se pierde por expulsión inercial hacia la cámara de combustión y se quema. Esto significa que para un buen sellado de la combustión y un bajo consumo de aceite, se desea una fina película de aceite. Sin embargo, para la protección contra el desgaste se requiere un determinado espesor de película de aceite. Por lo tanto, es necesario identificar una solución donde la película de aceite sea lo más delgada posible, pero lo suficientemente espesa para evitar el desgaste.

El espesor de la película de aceite varía a lo largo de la carrera del pistón. A mitad de carrera, la velocidad del pistón es alta y los segmentos se desplazan sobre la superficie de la camisa en un régimen totalmente hidrodinámico. A medida que el pistón desacelera y entra en cualquiera de las zonas de giro, el efecto hidrodinámico disminuye y los anillos del pistón comienzan a presionarse a través de la película de aceite. El efecto amortiguador evitará que los anillos lleguen a la camisa antes de que el pistón comience a moverse nuevamente y los anillos vuelvan a entrar en el régimen hidrodinámico. El espesor mínimo requerido de la película de aceite está determinado por la cantidad de amortiguación que se necesita. En la práctica, un régimen de lubricación parcialmente inundado proporciona suficiente efecto amortiguador para evitar el desgaste del anillo/revestimiento del punto muerto superior y ayudará a mejorar el sellado de la cámara de combustión y a reducir el desprendimiento de inercia (reducir el consumo de aceite).

Para una determinada viscosidad del aceite y una determinada temperatura del aceite y de la camisa, es el anillo de control de aceite, junto con el acabado de la superficie rayada de la camisa, lo que determina el espesor de la película de aceite en la camisa y, por lo tanto, el consumo de aceite del motor a través del lanzamiento inercial. -apagado. Como tal, el anillo de control de aceite prepara una película de aceite bien definida para que funcionen los otros anillos. Para un espesor de película de aceite determinado, los perfiles del anillo de compresión (barril asimétrico, trapezoide), la rigidez y flexibilidad del anillo del pistón, la tensión radial del anillo y la presión del gas de combustión en la ranura del anillo determinan cuánto aceite se raspa hacia la cámara de combustión y se pierde. por despegue inercial. El patrón de bruñido de las paredes del cilindro ayuda a mantener delgada la película de aceite y reduce el desprendimiento de inercia. Para un diseño mecánico determinado, un fluido de mayor viscosidad contribuirá a una película de aceite más espesa y provocará un mayor consumo de aceite. Los aceites de baja viscosidad y los aceites con buen control de la viscosidad en operación pueden ayudar a mantener bajo el consumo de aceite a través del desprendimiento inercial (Figura 6).

6. Régimen de lubricación totalmente inundado y parcialmente inundado. Cortesía: Lubricantes Petro-Canada

Vástagos de válvulas y sellos de turbocompresor. Otro factor que contribuye al consumo de aceite es la pérdida de aceite, por ejemplo, entre el vástago de la válvula y las guías o a través de las juntas del turbocompresor. En esto también influye la viscosidad, aunque de forma inversa: un aceite de baja viscosidad se escapa más fácilmente y puede provocar un mayor consumo de aceite.

Los motores modernos están equipados con sellos de vástago de válvula que ayudan a medir la cantidad requerida de flujo de aceite hacia la hendidura entre el vástago y la guía. Esto ayuda a evitar un consumo excesivo de aceite a través de los vástagos de las válvulas. Si los sellos y guías del vástago de la válvula se desgastan, la pérdida de aceite por fuga sobre los vástagos de la válvula puede ser más significativa. Además, en diseños más antiguos sin sellos dosificadores, el consumo de aceite a través de los vástagos de las válvulas puede ser significativo. En casos de menor carga del motor, el arrastre de aceite a través de los vástagos de las válvulas puede ser más pronunciado debido a la menor presión del aire de carga o del colector de admisión; esta contrapresión reducida permite que el aceite fluya más fácilmente por la guía/vástago. Para que los retenes de aceite del turbocompresor funcionen bien, es necesario que el juego axial sea pequeño. Esto debe controlarse durante el mantenimiento regular.

Blow-by inverso. El escape inverso puede ocurrir cuando la presión en las cavidades entre los anillos del pistón es mayor que la presión en la cámara de combustión, como a mitad de la carrera o hacia el final de la carrera de potencia/expansión. La presión en la cámara de combustión ha disminuido debido a la expansión y la presión en las bolsas entre anillos se ha quedado atrás. Esto puede ocurrir si dichas bolsas son relativamente grandes o si el motor funciona con carga parcial. En tal caso, la presión entre anillos puede impulsar el aceite más allá del paquete de anillos y hacia la cámara de combustión, contribuyendo al consumo de aceite.

Una serie de medidas de diseño pueden ayudar a evitar el escape inverso. Por ejemplo, reducir el número de anillos de compresión a dos, reducir la altura de las zonas entre los anillos de pistón y dimensionar adecuadamente la ranura del anillo son beneficiosos a este respecto.

La ventilación del cárter. La ventilación del cárter puede ser una de las principales causas del consumo de aceite. Los gases de escape del cárter contienen neblinas y vapores de aceite; por lo tanto, los sistemas de ventilación de gases del cárter están equipados con filtros tipo coalescente para eliminar la neblina de aceite de los gases del cárter. Si dicho filtro está saturado o sobrecargado, los gases del cárter pueden escapar sin filtrar, aumentando significativamente el consumo de aceite percibido del motor. Lo mismo puede suceder si la línea de drenaje del filtro está bloqueada, deteniendo el flujo de retorno del aceite separado al sumidero.

Volatilidad del aceite lubricante. En lo que respecta al aceite, los aceites de diferentes calidades, tipos de aceite base y viscosidades tendrán diferentes niveles de volatilidad cuando se exponen a altas temperaturas. Los aceites con mayor volatilidad perderán una fracción mayor debido a la evaporación, lo que contribuirá al consumo de petróleo. Un aceite para motor de gasolina formulado con una base pura tendrá una ventaja sobre los aceites que utilizan una mezcla de bases más pesadas y más livianas, ya que las fracciones más livianas se evaporarán más fácilmente.

El consumo natural de aceite de un motor puede ser un criterio importante a la hora de seleccionar el aceite lubricante adecuado para el motor. Esto se debe a que el consumo de aceite determina el rendimiento de cenizas. Por ejemplo, consideremos un motor que consume 5 litros de aceite al día (4,4 kilogramos/día). Suponiendo que se trata de un aceite bajo en cenizas que contiene 0,5% de cenizas (en peso), aproximadamente 22 gramos de cenizas pasan por las cámaras de combustión cada día.

Si ese mismo motor consumiera 9 litros por día, esto significaría que aproximadamente 39 gramos de ceniza pasarían por el motor cada día. Este mayor rendimiento de cenizas también podría lograrse de otra manera, por ejemplo, si el motor que consume 5 litros de aceite por día se lubricara con un aceite con contenido medio en cenizas que contenga un 0,9% de cenizas (en peso). Esto también se traduce en un rendimiento de cenizas de 39 gramos por día.

El aumento del rendimiento de cenizas no es deseable por las razones mencionadas anteriormente, a menos que sea necesario para proteger las válvulas de escape. La mayor protección de las válvulas de escape (y, por tanto, una mayor vida útil de las culatas) se compensa con los efectos perjudiciales de un mayor rendimiento de cenizas. Como se mencionó anteriormente, hay que tener en cuenta una mayor tasa de contaminación de la cámara de combustión y, por lo tanto, una limpieza más frecuente, el riesgo de mayores tasas de desgaste del revestimiento, una mayor tasa de contaminación de la caldera de recuperación de calor de escape y una vida útil reducida del catalizador. . Por lo tanto, el contenido de cenizas del aceite lubricante es una propiedad importante a considerar al seleccionar el aceite lubricante para un motor de gas.

El consumo de aceite es un gran indicador del estado de un motor, especialmente el del paquete de anillos y la camisa del pistón. En primer lugar, indicará que las ranuras del anillo superior están llenas de carbón, lo que alterará el funcionamiento del anillo superior y provocará inevitablemente fugas y un mayor consumo de aceite. En segundo lugar, indicará el pulido del orificio de la camisa: cuando el patrón de bruñido se desgasta debido a los depósitos de carbón en la superficie superior del pistón, el espesor de la película de aceite aumentará y el consumo de aceite aumentará (Figura 7). En tercer lugar, puede ayudar a indicar anomalías como la rotura de un aro de pistón.

7. Depósitos de carbón pesados ​​en la superficie superior (izquierda) y pulido del orificio correspondiente (derecha). Cortesía: Lubricantes Petro-Canada

Una mayor tasa de consumo de aceite no sólo significa un mayor gasto en aceite nuevo, sino que también significa un mayor rendimiento de cenizas, deteriorando la condición del motor y causando otros efectos perjudiciales como se discutió anteriormente. Por lo tanto, es fundamental controlar la tasa de consumo de petróleo. Es ideal utilizar un medidor de aceite de bajo flujo diseñado para monitorear el flujo de llenado de lubricante, generalmente montado después de los tanques de reposición de aceite nuevo y antes del controlador de nivel de aceite del motor. Este medidor debe leerse y registrarse a intervalos regulares de horas de funcionamiento para documentar el consumo de aceite.

Es una buena práctica informar los volúmenes de recarga al enviar una muestra de aceite para su análisis. Cuando el muestreo de aceite se realiza a intervalos regulares de horas de funcionamiento, los volúmenes de recarga deben permanecer iguales. De este modo se puede detectar fácilmente un aumento en el consumo de aceite e iniciar una investigación mediante, por ejemplo, una inspección boroscópica.

Este artículo ha explorado los mecanismos del consumo de aceite en los motores de gasolina, incluidas las vías a través del paquete de anillos del pistón a través del despegue inercial y el escape inverso, los sellos del vástago de la válvula y del turbocompresor, la ventilación del cárter y la volatilidad del aceite lubricante. Hemos demostrado la influencia que juega el espesor de la película de aceite lubricante: una película de aceite más gruesa contribuye a que pase más aceite más allá del paquete de anillos y una película de aceite más delgada permite que pase más aceite a través de la interfaz guía/vástago de la válvula y los sellos del turbocompresor.

Para un motor de gasolina estacionario, elegir un lubricante con el nivel de ceniza correcto es extremadamente importante para brindar suficiente protección al motor sin producir depósitos excesivos de ceniza. La cantidad total de cenizas que pasa a través de un motor no sólo es función del contenido de cenizas de aceite, sino también del consumo de aceite. Comprender y monitorear las tasas diarias de consumo de aceite proporciona información crítica sobre la confiabilidad del motor y ayuda a identificar condiciones que pueden contribuir al desgaste prematuro. Es una herramienta necesaria que complementa el análisis de aceite usado, el análisis de filtros y las inspecciones visuales.

—Thijs Schasfoort y Clinton Buhler son asesores senior de servicios técnicos de Lubricantes Petro-Canada.

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