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

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

El aceite lubricante en un motor de gas estacionario realiza múltiples funciones críticas. Lubrica las superficies en movimiento relativo entre sí al proporcionar la separación de estas superficies a través de la viscosimetría de fluidos, sella la interfaz entre el anillo del pistón y la camisa del cilindro y enfría las piezas del motor, como los pistones y los cojinetes. Con la ayuda de la tecnología de aditivos, el aceite lubricante también brinda 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. Finalmente, pero lo más importante, mantiene el motor limpio.

Un circuito típico de lubricación de un motor de gas consta de un sumidero de aceite, una bomba de aceite, un enfriador de aceite, válvulas de control de presión y temperatura, filtros de aceite de flujo completo y sistemas de filtración secundarios. 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 desvía para lograr 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 micrones (nominales) y 40 micrones (absolutos). Desde los filtros de aceite, el aceite se alimenta al motor, alimentando los cojinetes principales y de la biela, el árbol de levas y el seguidor, el tren de engranajes, los turbocompresores, los balancines y los ejes, los pistones y las camisas. Los vástagos de válvula y las guías de válvula normalmente no se incluyen en el sistema de aceite presurizado, ya que reciben aceite de los balancines que fluyen libremente sobre la plataforma de válvulas. Eventualmente, todo el aceite 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 los muñones del cigüeñal. Se forma una cuña hidrodinámica durante el arranque, donde cuanto más rápido corre el eje en el rodamiento, o cuanto más pesada es la viscosidad del fluido, más gruesa 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 la separación de estas superficies metálicas; esta película de aceite también actúa como un sello para los gases de combustión.

Se requiere una cantidad mínima de flujo de aceite para la lubricación adecuada de los vástagos y guías de las válvulas de admisión y escape. A través de la holgura entre la guía y el vástago de la válvula, una pequeña cantidad de aceite entrará en el 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 evitará que llegue 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 estacionarios a gas es una función normal y necesaria para un funcionamiento saludable. Los fabricantes de motores de gas consideran 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, a menudo proporcionada a los propietarios en gramos por kilovatio-hora (g/kWh). En los motores modernos, las tasas de consumo de aceite de 0,05 g/kWh a 0,15 g/kWh son típicas y tienden a aumentar a medida que el motor se acerca al intervalo de revisión planificado. Las tasas de consumo de aceite en motores con carga ligera suelen ser algo más altas.

La tasa de consumo de aceite también puede tener un impacto en la vida útil de servicio de un llenado de aceite. El bajo consumo de aceite puede significar poca reposición 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 que el mayor consumo de aceite no coincida con un mayor escape de gases.

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 como cenizas. Las cenizas de los aceites de motores de gas estacionarios a menudo se componen de calcio, magnesio, zinc, fósforo, boro y molibdeno que se utilizan en los productos químicos de aditivos detergentes y antidesgaste.

El consumo de aceite en combinación con el contenido de cenizas determinará el rendimiento total 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 de motor de gas con el llamado contenido "bajo en cenizas" de aproximadamente 0,5% a 0,6% de cenizas (en peso). Para los motores que necesitan más protección, hay disponibles aceites para motores de gas con un contenido de "ceniza medio", con niveles de ceniza de hasta 1,0 % de ceniza (por peso).

Efectos beneficiosos de la ceniza de aceite lubricante. La razón principal por la que un aceite lubricante contiene aditivos que producen cenizas es el papel que desempeñan estos aditivos en la protección general del motor. Los aditivos que producen 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 la 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 hacia la cara de la válvula y lubricará la superficie de 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, que se originan del aceite lubricante quemado en la cámara de combustión. La ceniza que queda puede depositarse o sinterizarse en 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 de ceniza o motas en la superficie de asiento, lo que proporciona evidencia de una adecuada lubricación en seco de la superficie de 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 de aceite lubricante. La ceniza del aceite lubricante quemado escapará en gran parte 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 la plataforma de disparo pueden aumentar la relación de compresión de un motor, lo que puede influir en las posibilidades de golpeteo (detonación). Golpear puede dañar gravemente el motor. Por lo tanto, se instalan sensores para detectarlo. Cuando se produce detonación, el sistema de control del motor primero retrasará 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 la producción).

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

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

Los depósitos formados en las coronas de los pistones y las superficies superiores pueden actuar como aislantes, lo que impide que se transfiera suficiente calor. La temperatura de la cámara de combustión aumenta, lo que también puede contribuir a la detonación.

Los depósitos excesivos que se forman en los electrodos de las bujías pueden cerrar la brecha de la bujía, causando poca o ninguna chispa (ensuciamiento de la bujía). Mientras que se requiere un poco de ceniza para proporcionar una lubricación seca de los asientos de las válvulas, un depósito excesivo de cenizas en las superficies de los asientos de las válvulas de escape puede impedir el cierre completo de la válvula, lo que provoca que la válvula se queme (Figura 5).

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

Se pueden formar cenizas de aceite y depósitos de carbón en la parte superior del pistón. Cuando los depósitos de la parte superior del pistón crecen lo suficiente como para entrar en contacto con la pared del revestimiento, los depósitos perturban la película de aceite lubricante en el revestimiento y pueden frotar y desgastar el sombreado cruzado del revestimiento, lo que da como resultado un pulido del orificio. El espesor de la película de aceite en el régimen hidrodinámico es una función de velocidad x viscosidad / carga x rugosidad de la superficie, por lo que cuando la rugosidad de la superficie disminuye (desgaste de la trama cruzada), esta superficie más lisa 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 da como resultado un mayor escape de gases. A medida que avanza este mecanismo de desgaste, se crea una mayor formación de depósitos, lo que conduce a un mayor desgaste, más escapes y más consumo de aceite.

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

El depósito de cenizas sueltas y las partículas de carbón del aceite base oxidado pueden regresar al cárter mediante escape. 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 para ello.

En las aplicaciones de cogeneración, puede ocurrir el ensuciamiento 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 conducirá a un mayor ensuciamiento de la caldera, lo que provocará que se recupere menos 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 aceite 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 da como resultado una reducción de la vida útil del catalizador. El enmascaramiento por cenizas también puede provocar fallas en los sensores de emisión.

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 un rendimiento suficiente de cenizas y garantizar la vida útil de las culatas de cilindros y, al mismo tiempo, mantener el rendimiento de cenizas lo suficientemente bajo como para evitar el ensuciamiento excesivo de la cámara de combustión, la caldera de recuperación de calor y el catalizador de gases de escape, todo lo cual podría causar que el motor se ensucie. tiempo de inactividad y cuesta mucho dinero rectificar.

Varios mecanismos pueden afectar el consumo de aceite en un motor de gas 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 entrará en la cámara de combustión a través del escape de aceite del paquete de anillos cerca del punto muerto superior. Cuanto más gruesa es la película de aceite, más aceite transporta hacia arriba el paquete de anillos. Todo el aceite transportado por encima del punto muerto superior se pierde por medio de la inercia en la cámara de combustión y se quemará. Esto significa que para un buen sellado de la combustión y un bajo consumo de aceite, se desea una película de aceite delgada. Sin embargo, para la protección contra el desgaste, se requiere un cierto espesor de película de aceite. Por lo tanto, se debe identificar una solución donde la película de aceite sea lo más delgada posible, pero lo suficientemente gruesa 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 anillos se desplazan sobre la superficie de la camisa en un régimen completamente hidrodinámico. A medida que el pistón se ralentiza 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 al revestimiento 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 un efecto de amortiguación suficiente para evitar el desgaste del revestimiento/anillo 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).

A una determinada viscosidad del aceite y a 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 tiro de inercia. -apagado. Como tal, el anillo de control de aceite prepara una película de aceite bien definida para que funcionen los otros anillos. Con un espesor de película de aceite dado, los perfiles de los anillos de compresión (cilindro asimétrico, trapezoidal), la rigidez y capacidad de flexión 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 lanzamiento inercial. El patrón de bruñido de las paredes del cilindro ayuda a mantener delgada la película de aceite y reduce el desprendimiento por inercia. Para un diseño mecánico dado, un fluido de mayor viscosidad contribuirá a una película de aceite más espesa y conducirá a un mayor consumo de aceite. Los aceites de baja viscosidad y los aceites con un buen control de la viscosidad en funcionamiento pueden ayudar a mantener bajo el consumo de aceite a través de la descarga inercial (Figura 6).

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

Vástagos de válvula y sellos de turbocompresor. Otro contribuyente al consumo de aceite es la pérdida de aceite, por ejemplo, entre el vástago de la válvula y las guías o a través de los sellos del turbocompresor. Esto también está influenciado por la viscosidad, sin embargo, de manera opuesta: un aceite de baja viscosidad se escapa más fácilmente y puede resultar en 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 en la grieta 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 las guías de los vástagos de las válvulas se desgastan, la pérdida de aceite por fugas sobre los vástagos de las válvulas 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 múltiple de admisión; esta contrapresión reducida permite que el aceite fluya más fácilmente por la guía/vástago. Para que los sellos de aceite del turbocompresor funcionen bien, es necesario que el juego axial permanezca pequeño. Esto debe ser monitoreado durante el mantenimiento regular.

Fuga inversa. El escape de gases inverso puede ocurrir cuando la presión en los bolsillos entre los anillos del pistón es más alta que la presión en la cámara de combustión, como en la mitad de la carrera o hacia el final de la carrera de potencia/expansión. La presión en la cámara de combustión ha caído debido a la expansión y la presión en las bolsas entre anillos se queda 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, lo que contribuye al consumo de aceite.

Una serie de medidas de diseño pueden ayudar a evitar el escape inverso. Por ejemplo, la reducción del número de anillos de compresión a dos, la reducción de la altura de las zonas entre los anillos del pistón y el tamaño adecuado de la ranura del anillo son beneficiosos en este sentido.

La ventilación del cárter. La ventilación del cárter puede ser una causa importante del consumo de aceite. Los gases de escape del cárter contienen neblina y vapores de aceite; por lo tanto, los sistemas de ventilación de gas del cárter están equipados con filtros tipo coalescedor 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 percibido de aceite 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 aceite. Un aceite de motor de gas formulado con una base de destilación directa tendrá una ventaja sobre los aceites que usan una mezcla de bases más pesadas y más ligeras, ya que las fracciones más ligeras 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, considere un motor que consume 5 litros de aceite por día (4,4 kilogramos/día). Suponiendo que se trata de un aceite bajo en cenizas que contiene un 0,5 % de cenizas (en peso), aproximadamente 22 gramos de cenizas pasan a través de 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 de cenizas medias que contenga 0,9% de cenizas (por peso). Esto también se traduce en un rendimiento de cenizas de 39 gramos por día.

El mayor rendimiento de cenizas no es deseable por las razones mencionadas anteriormente, a menos que se requiera para proteger las válvulas de escape. La mayor protección de las válvulas de escape (y, por lo tanto, una mayor vida útil de las culatas) se compensa con los efectos perjudiciales de un mayor rendimiento de cenizas. Como se mencionó anteriormente, se debe tener en cuenta una mayor tasa de incrustaciones en 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 incrustaciones en 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 tener en cuenta al seleccionar el aceite lubricante para un motor de gas.

El consumo de aceite es un gran indicador de la salud de un motor, especialmente del paquete de anillos de pistón y la camisa. En primer lugar, indicará el llenado de las ranuras del anillo superior con carbón, lo que perturbará el funcionamiento del anillo superior e inevitablemente provocará escapes y un mayor consumo de aceite. En segundo lugar, indicará el pulido de la camisa: cuando el patrón de bruñido se desgasta debido a los depósitos de carbón en la parte 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 un anillo de pistón roto.

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

Una mayor tasa de consumo de aceite no solo 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 aceite. Es ideal utilizar un medidor de aceite de flujo bajo diseñado para monitorear el caudal de relleno 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 relleno cuando se envía una muestra de aceite para su análisis. Cuando el muestreo de aceite se realiza a intervalos regulares de horas de funcionamiento, los volúmenes de relleno deben permanecer iguales. De esta manera, se puede notar fácilmente un aumento en el consumo de aceite y se puede iniciar una investigación mediante una inspección boroscópica, por ejemplo.

Este documento ha explorado los mecanismos del consumo de aceite en los motores de gas, incluidas las vías a través del paquete de anillos del pistón a través de la expulsión inercial y el paso 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 grosor de la película de aceite lubricante: una película de aceite más gruesa contribuye a que pase más aceite a través del paquete de anillos y una película de aceite más delgada permite que pase más aceite a través de la interfaz de guía/vástago de la válvula y los sellos del turbocompresor.

Para un motor de gas estacionario, elegir un lubricante con el nivel correcto de cenizas es extremadamente importante para brindar suficiente protección al motor sin producir depósitos excesivos de cenizas. La cantidad total de ceniza que pasa a través de un motor no solo depende del contenido de ceniza de aceite, sino también en gran medida del consumo de aceite. Comprender y monitorear las tasas diarias de consumo de aceite brinda información crítica sobre la confiabilidad del motor y ayuda a identificar las 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 sénior de servicios técnicos de Lubricantes Petro-Canada.

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