Lubricación y refrigeración (Motores de pistones 10)

Motores de pistones

Capítulo 10

Lubricación y refrigeración

• Introducción
• Funciones del aceite
• Tipos de aceite lubricante
• Métodos de lubricación
• Tipos de sistemas de lubricación
• Componentes del sistema
• Refrigeración

Introducción

El manómetro de aceite es el instrumento más importante del motor, ya que un fallo en el suministro de aceite provocará un fallo inmediato del motor. El estado del aceite también es en parte responsable de la fiabilidad y la vida útil del motor. El aceite reduce la fricción y cumple con otros requisitos.

Funciones del aceite

• Reducción de la fricción: Para reducir la fricción, se coloca una película de aceite entre las piezas móviles. Este aceite humedece las superficies y mantiene separadas las superficies metálicas. Por lo tanto, el movimiento se produce entre capas de aceite, no entre superficies metálicas. La viscosidad del aceite es una medida de su fricción fluida; la holgura entre las piezas móviles determina la viscosidad requerida del aceite utilizado.

• Refrigeración: El aceite absorbe el calor del motor. Este aceite caliente fluye a través del sistema hacia el enfriador de aceite; aquí, el calor se disipa al aire exterior al pasar por el enfriador.

• Sellos y amortiguadores: El aceite, por su propia naturaleza, es un buen agente sellador entre las piezas móviles. La película de aceite en las paredes del cilindro y alrededor del pistón forma un sello hermético en el cilindro, y la fina película de aceite entre el balancín y el vástago de la válvula absorbe gran parte del impacto de la acción de la válvula.

• Protección contra la corrosión: Cuando el metal queda al descubierto en presencia de humedad y ciertos productos químicos, la corrosión lo ataca. Una película de aceite que cubre estas superficies impide que el oxígeno llegue al metal, previniendo así la oxidación y la corrosión.

• Limpieza: La suciedad, el polvo, la carbonilla y el agua entran en el aceite; la capacidad del aceite para retener estos contaminantes hasta que quedan atrapados en el filtro ayuda a mantener limpio el interior del motor.

Tipos de aceite lubricante

• Aceite mineral puro: Este aceite tenía una limitación principal: su tendencia a oxidarse al exponerse a altas temperaturas o al airearse. Esto provoca la formación de lodos a partir de productos de combustión como combustible parcialmente quemado, vapor de agua y compuestos de plomo; estas partículas se unen para formar una masa débilmente unida que obstruye los filtros. Para acortar el periodo de rodaje, se utiliza aceite puro durante las primeras 50 horas de vida útil del motor.

• Aceite detergente: Como su nombre indica, este aceite tiene un alto poder de limpieza que provoca la obstrucción de filtros y conductos de aceite, etc. Los aceites detergentes generalmente no están aprobados para su uso en motores aeronáuticos.

• Dispersante sin cenizas: Este aceite no presenta las limitaciones de formación de carbono del aceite mineral puro ni forma depósitos de ceniza como el aceite detergente. Utiliza aditivos dispersantes que, en lugar de permitir la formación de lodos, hacen que estos se dispersen y permanezcan en suspensión hasta que los filtros los recojan. Este es el aceite universalmente aprobado para todos los motores aeronáuticos de pistón.

• Aceite sintético: Este aceite no está generalmente aprobado para motores de pistón, sino que se utiliza exclusivamente en motores de turbina de gas. El aceite sintético es superior a los demás aceites mencionados en todos los aspectos, pero debido a su coste y a la limitada experiencia en servicio, pocos fabricantes de motores de pistón lo aprueban.

Compatibilidad de los aceites

Contrariamente a la opinión popular, los aceites dentro de sus categorías básicas son compatibles. Todos los aceites minerales puros son compatibles entre sí. Todos los aceites dispersantes también lo son. El aceite sintético y el aceite detergente no son compatibles entre sí ni con otros aceites.

Grados de aceite

El aceite se clasifica según su viscosidad, que describe su resistencia al flujo. El aceite que fluye lentamente tiene alta viscosidad; el que fluye libremente tiene baja viscosidad. Lamentablemente, la viscosidad del aceite se ve afectada por la temperatura.

El aceite seleccionado debe ser lo suficientemente ligero para circular libremente, pero lo suficientemente pesado para proporcionar la película de aceite adecuada a las temperaturas de funcionamiento del motor. Dado que las propiedades de los aceites varían y que ningún aceite es satisfactorio para todos los motores y todas las condiciones de funcionamiento, es extremadamente importante utilizar únicamente el grado y tipo de aceite recomendados.

En general, los aceites de aviación comercial se clasifican numéricamente: 80, 100, 140, etc.; el número es una aproximación de la viscosidad medida por el viscosímetro universal Saybolt. Este instrumento contiene una cantidad de aceite a una temperatura específica y se anota el tiempo que tarda en fluir a través de un orificio calibrado. Si tarda 40 segundos en atravesar el orificio, se le asigna la calificación SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices) 40. El aceite de aviación se clasifica según una norma estadounidense y se le asigna un número de aviación comercial. El número 80 equivale a SAE 40. Los grados de aviación comercial son 65, 80, 100 y 120.

La letra W a veces se incluye en la clasificación (p. ej., W100); esto indica que el aceite, además de cumplir con los requisitos de viscosidad a la temperatura de prueba, es un aceite adecuado para uso invernal en climas fríos.

Aceites multigrado

Actualmente, se producen aceites de motor que cumplen con los requisitos de más de un grado. Por ejemplo, un aceite multigrado SAE 20W/40 posee una viscosidad dentro del rango SAE 20W a -18 °C y dentro del rango SAE 40 a 99 °C. Esto se muestra mediante la línea discontinua marrón en el gráfico. Los aceites multigrado están aprobados para motores aeronáuticos, pero no son de uso general. (Consulte la Figura 10.1).

Figura 10.1 Características del aceite multigrado

Métodos de lubricación

El aceite se distribuye a las distintas partes móviles del motor mediante diversos métodos:

1. Presión
2. Salpicadura
3. Una combinación de presión y salpicadura.

En un sistema típico de lubricación a presión, una bomba mecánica suministra aceite a presión a los cojinetes de todo el motor. El aceite fluye hacia el lado de admisión, o succión, de la bomba desde el cárter o depósito de aceite. La bomba es accionada por el motor, lo que hace que el aceite circule por el exterior de los engranajes. La resistencia al flujo creada por los cojinetes de bancada y de cabeza de biela genera la presión en el sistema. 

La variación de velocidad de la bomba, desde funcionamiento lento hasta aceleración máxima, y ​​la fluctuación de la viscosidad del aceite debido a los cambios de temperatura se compensan mediante la acción de la válvula de alivio. La bomba está diseñada para crear una presión superior a la necesaria para compensar el desgaste de los cojinetes o la dilución del aceite. Las piezas del motor lubricadas con aceite a presión proyectan un chorro de aceite (lubricación por salpicadura) sobre las paredes del cilindro y el pistón para su refrigeración y lubricación; el aceite se drena al cárter y el ciclo se repite.

La lubricación por salpicadura puede utilizarse además de la lubricación a presión en los motores de aeronaves, pero nunca se utiliza sola. Los motores de aeronaves utilizan lubricación a presión o una combinación de ambas. Las ventajas de la lubricación a presión son:

• Introducción positiva de aceite a los cojinetes
• Efecto de refrigeración gracias a la gran cantidad de aceite que puede bombearse y circular a través de un cojinete.
• Funcionamiento satisfactorio en diversas actitudes de vuelo.

Tipos de sistemas de lubricación

Sistema de cárter seco: En este sistema, el aceite se almacena en un depósito fuera del motor, ya sea en el compartimento del motor o dentro de la estructura de la aeronave. Almacenar el aceite de esta manera, en lugar de dentro del motor, permite el vuelo invertido y es adecuado para motores radiales. Aquí solo se explicará la diferencia entre el sistema de cárter húmedo y el sistema de cárter seco; los componentes del sistema se describirán en el sistema de cárter húmedo. Las diferencias son:

• El aceite se almacena fuera del motor.
• Una bomba de barrido devuelve el aceite al depósito desde el motor.
• El enfriador de aceite se encuentra en el sistema de barrido (retorno).

Sistema de cárter húmedo: La mayoría de los motores actuales utilizan un sistema de cárter húmedo en el que todo el aceite se transporta en un cárter que forma parte del motor. La bomba recoge el aceite a través de un filtro de succión. Desde la bomba, el aceite pasa al enfriador de aceite. Si la temperatura del aceite es inferior a la establecida por la válvula de derivación del enfriador de aceite, el aceite va directamente al conducto principal de aceite del motor; al alcanzar cierta temperatura, el aceite se dirige a través del enfriador. La válvula de derivación del enfriador se controla termostáticamente y es sensible a la presión.

El aceite pasa por un filtro de presión; si este se obstruye, una válvula de alivio de presión diferencial permite que el aceite lo desvíe. Una válvula de alivio de presión accionada por resorte protege el sistema contra presiones excesivas; cuando la presión supera la presión ajustada por la válvula de alivio, esta se abre y descarga el exceso de aceite al cárter o lo devuelve a la entrada de la bomba. El aceite ingresa al conducto principal y fluye a través de conductos perforados hacia la parte delantera del motor, lubricando los cojinetes del cigüeñal, el árbol de levas y el eje de la hélice, y proporcionando aceite de funcionamiento a la hélice de paso variable.

El aceite para lubricar el mecanismo de válvulas fluye hacia las cajas de balancines a través de varillas de empuje huecas y se drena de regreso a través de las líneas de drenaje intercilindro o los tubos de las varillas de empuje. Las paredes del cilindro se lubrican y los pistones se enfrían con el aceite proveniente de los cojinetes principales del cigüeñal, que se inyecta en un chorro continuo contra la cúpula interior del pistón. Este aceite, tras lubricar los pistones y cilindros, se drena al cárter (Figura 10.2).

Cuando se instala un turbocompresor, se lubrica con aceite procedente del conducto de aceite; tras lubricar los cojinetes del turbocompresor, se devuelve al cárter del motor mediante una bomba de barrido.

Figura 10.2 Sistema de lubricación simplificado de un motor de pistones

Componentes del sistema

Bomba de engranajes: Dos engranajes rectos, uno accionado por el motor y el otro por el engranaje conducido, giran en una carcasa ajustada. En el lado de entrada, el aceite queda atrapado entre los dientes y la carcasa, y se transporta por el exterior de los engranajes, desde donde se descarga al lado de salida.

Una bomba de engranajes es una bomba de desplazamiento constante, lo que significa que se mueve una cantidad específica de fluido cada vez que gira; se debe prever un alivio de la sobrepresión para que la presión del sistema se mantenga constante a medida que varía la velocidad de la bomba (Figura 10.3).

Figura 10.3 Típica bomba de engranajes

Válvulas de Alivio: Casi todas las bombas en los sistemas de lubricación de motores de aeronaves son de desplazamiento constante. Es necesario prever el retorno de parte del aceite a la entrada de la bomba para mantener la presión constante a medida que cambian las RPM. Mientras la presión sea inferior a la ajustada para la válvula de alivio, esta permanece en su asiento; cuando la presión supera el valor predeterminado, la válvula se desplaza y el aceite regresa a la entrada de la bomba, manteniendo constante la presión del sistema (Figura 10.4).

Figura 10.4 Válvula de alivio o sobrepresión

Radiadores de Aceite: Parte del calor liberado por el combustible es absorbido por el aceite, por lo que es necesario prever la transferencia de la mayor parte al aire. Esta transferencia se realiza mediante el enfriador. El enfriador se encuentra entre el filtro de aceite y los cojinetes (sistema húmedo), o entre la bomba de barrido y el depósito de aceite (sistema seco).

En ambos sistemas, una válvula de control termostática permite que el aceite frío evite el núcleo del enfriador. A medida que el aceite se calienta, la válvula lo impulsa a través del núcleo para que el aire absorba el exceso de calor. Otros tipos de válvulas termostáticas también actúan como válvulas de alivio de presión, de modo que, además de ser sensibles a la temperatura, también detectan la presión (Figura 10.5).

Figura 10.5 Funcionamiento de un radiador de aceite

Tanque de aceite: Los motores de cárter seco transportan el aceite en un tanque externo que debe tener una capacidad compatible con la cantidad de combustible transportado, más un volumen adicional para garantizar una circulación y refrigeración adecuadas.

Los tanques de aceite instalados en motores con hélices de velocidad constante alimentan la bomba de presión a través de una tubería de chimenea. La salida del tanque a la bomba de puesta en bandera de la hélice se toma del fondo del tanque; con esta configuración, si una tubería de aceite se rompe y la bomba del motor bombea todo el aceite por la borda, aún habrá suficiente aceite en el tanque para poner en bandera la hélice (Figura 10.6).

Figura 10.6 Tanque de aceite típico

Filtros: Los contaminantes sólidos y los lodos bombeados a través del sistema de lubricación de un motor de aeronave pueden obstruir los conductos de aceite y dañar las superficies de los cojinetes; por lo tanto, es necesario eliminarlos al máximo.

La mayoría de los motores de pistón utilizan el sistema de aceite de flujo completo, donde todo el aceite pasa a través del filtro. Si el filtro se obstruye, es probable que el motor sufra una avería; es necesario prever una válvula de alivio de derivación para el filtro.

Refrigeración

Solo aproximadamente el 30 % de la energía térmica liberada en la combustión del combustible está disponible para producir energía; el 70 % restante, aproximadamente, debe disiparse para que no sea perjudicial para el motor. La mayor parte del exceso de calor escapa por el tubo de escape, mientras que el resto es absorbido por el motor.

El aceite circulante recoge parte de este calor absorbido y lo transfiere al aire que pasa por el enfriador de aceite; el resto se transfiere al sistema de refrigeración del motor.

Refrigerar los cilindros consiste en transferir el exceso de calor de los cilindros al aire. Esto se logra de forma controlada mediante aletas, deflectores y carenados que garantizan que el cilindro se mantenga dentro de un rango de temperatura adecuado. Los carenados y deflectores están diseñados para impulsar el aire sobre las aletas del cilindro; estas tienen diferentes grados de grosor y profundidad sobre el cilindro para permitir diferentes temperaturas en su superficie. A veces, se incorporan tubos de soplado en los deflectores para dirigir chorros de aire refrigerante sobre los magnetos o los cables de las bujías (Figura 10.7).

Figura 10.7 Típico diagrama de flujos de refrigeración

En la mayoría de las aeronaves ligeras, el piloto no tiene control directo sobre la cantidad de refrigeración, salvo para operar la aeronave dentro de sus límites operativos.

En la mayoría de las aeronaves monomotor grandes y, en general, en todas las aeronaves bimotores, el piloto puede controlar el flujo de aire a través del motor mediante los flaps del carenado. Los flaps del carenado, cuando están abiertos, permiten que fluya la máxima cantidad de aire sobre el motor, y cuando están cerrados, un flujo mínimo.

Normalmente están completamente abiertos durante el despegue y el ascenso, y cerrados o parcialmente cerrados durante el crucero. La temperatura del cilindro se registrará en el indicador de temperatura del cilindro y la aleta del capó se ajustará para mantener la temperatura correcta.

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