Los pernos que unen el sombrerete (casco de biela) al cuerpo de biela, deben fabricarse de material resistente para que soporten los esfuerzos de tracción y cizalladura a que están sometidos durante su trabajo. El material empleado es acero al carbono de aleación al cromo y níquel, con una resistencia a la tracción de 90 a 110 Kg-f/cm2. Su tamaño y disposición debe facilitar su montaje y desmontaje de las piezas; no debe interferir en la conformación de los cojinetes y ha de soportar los esfuerzos a que están sometidos.
CUERPO DE BIELA
Esta parte constituye el elemento de unión entre la cabeza y el pie de la biela; está sometida a esfuerzos de tracción en los cambios de sentido, a esfuerzos de compresión, durante el empuje del émbolo y a la reacción sobre la muñequilla del cigüeñal, así como a esfuerzos de flexión por efecto de la fuerza centrífuga. Su perfil o sección es de doble T, ya que es la forma constructiva que proporciona mayor resistencia con una menor sección y al mismo tiempo, es de fácil estampación.
BIELAS PARA MOTORES EN V
Bielas Ahorquilladas.
Bielas Articuladas.
Bielas Conjugadas.
BIELAS AHORQUILLADAS. Este sistema emplea un casquillo común para unir las dos bielas que trabajan sobre el mismo codo del cigüeñal. El casquillo va montado fijo en la biela principal y hace de bulón en la biela secundaria; las ventajas de este sistema consisten en que se aprovecha al máximo el casquillo de unión y las carreras se realizan perfectamente, sin que se produzcan cojinete de unión soporta mayores esfuerzos, ya que tiene que sufrir los efectos de inercia y las cargas de ambas bielas.
BIELAS ARTICULADAS. Este tipo realiza articulación de la biela secundaria en la parte lateral de la biela principal; emplea un cojinete único para ambas bielas y su construcción es más sencilla y económica. Por el contrario, en este montaje son mayores los esfuerzos laterales que se producen en el émbolo, como consecuencia de la posición de los ejes de las bielas y también lo son las flexiones a que está sometida la biela principal debido al empuje que sobre ella realiza la biela secundaria.
BIELAS CONJUGADAS. Este tipo de biela es el más empleado en la actualidad para motores en V; se caracterizan por ser iguales e independientes en su funcionamiento y se articulan sobre la misma muñequilla del cigüeñal. Tiene el inconveniente del rozamiento lateral que se produce entre ambas bielas, por lo que requieren un tratamiento especial en esa zona para que el desgaste sea mínimo.
Fig. N° 51. Bielas en V.
MONTAJE DEL CONJUNTO PISTÓN BIELA
La unión de la biela con el émbolo se realiza a través de un pasador o bulón, el cual permite la articulación de la biela y soporta los esfuerzos a que está sometido. Debe tener una estructura robusta y a la vez ligera para eliminar peso. Estos bulones se fabrican generalmente huecos, en acero de cementación con una profundidad de cementado que oscila desde 0,7 a 1,2 mm, en bulones destinados a motores diésel. El grado de acabado de la superficie debe ser fino; las dimensiones y la profundidad de cementación de estos ejes están normalizadas en función del diámetro del émbolo correspondiente. El diámetro exterior nominal es aproximadamente el 40% del cilindro del émbolo. Según la forma de montaje, el bulón queda unido al émbolo se distinguen cuatro tipos de montaje:
BULÓN FIJO AL ÉMBOLO. En esta forma de montaje el montaje queda unido al émbolo a través de un tornillo pasador o chaveta, mediante los cuales se asegura, la inmovilización del bulón. La unión de bulón biela se realiza por medio de un cojinete de antifricción.
BULÓN FIJO A LA BIELA. En este tipo de montaje, la biela se fija al bulón a través de un tornillo de cierre en este caso el bulón gira sobre su alojamiento en el émbolo.
BULÓN FLOTANTE. En este sistema el bulón queda libre tanto de la biela como del émbolo, es el sistema más empleado en la actualidad pues, además de su fácil montaje, tiene la ventaja de repartir las cargas de rozamiento entre ambos elementos. La unión con la biela se realiza a través de un cojinete antifricción, el bulón se monta en el émbolo, en frío, con una ligera presión de forma que al dilatarse quede libre. Para mantener el bulón en su posición de montaje y evitar que pueda desplazarse lateralmente, en unas ranuras practicadas sobre el alojamiento del émbolo, se montan unos anillos elásticos.
BULÓN DESPLAZADO. En motores que soportan grandes esfuerzos laterales se suele montar el bulón en el émbolo ligeramente desplazado hacia el lado sometido a mayor presión, con el fin de equilibrar los esfuerzos laterales y mantener alineado al émbolo en su desplazamiento. Con este sistema se reduce el desgaste en esa zona.
CIGÜEÑAL
El cigüeñal o árbol motriz es el elemento que realiza, junto con la biela la transformación del movimiento alternativo del émbolo en un movimiento de rotación; transmite también el giro y fuerza a los demás órganos de transmisión acoplados al mismo.
Está constituido por un árbol acodado, con unos muñones de apoyo alineados respecto al eje de giro. Dichos muñones se apoyan en los cojinetes de la bancada del bloque.
Durante su trabajo, el cigüeñal se calienta y sufre una dilatación axial; por esta razón las muñequillas de apoyo se construyen con un pequeño juego lateral, calculado en función de la dilatación térmica del material. Un cojinete principal situado en el centro, fija la posición axial del cigüeñal mientras que los cojinetes laterales son los que tienen holgura; para evitar que se salga el aceite por los laterales se colocan unos retenes de engrase.
Fig. N° 52. Cigüeñal y sus partes
En los codos del árbol motriz se mecanizan las muñequillas sobre las que se montan las cabezas de las bielas. Los brazos que unen las muñequillas se prolongan en unos contrapesos cuya misión es equilibrar el momento de giro y compensar los efectos de la fuerza centrífuga, evitando las vibraciones producidas en el giro y las deformaciones. Torsionales, en la parte posterior del eje va situado el plato de amarre para el acoplamiento del volante de inercia.
El cigüeñal tiene una serie de orificios que se comunican entre sí y con los taladros de engrase, situados en las muñequillas y muñones. La misión de estos conductos es hacer circular el aceite de engrase para la lubricación de los cojinetes, tanto en los apoyos como en las muñequillas, expulsar el sobrante al cárter.
Durante su funcionamiento el cigüeñal está sometido a esfuerzos y cargas variables que ha de soportar sin deformarse, para lo cual ha de reunir en conjunto una serie de características en cuanto a forma, material y dimensiones. Su forma depende del tipo de motor, del número de cilindros y del ciclo de funcionamiento. El proyecto de una forma concreta pretende conseguir el equilibrio estático y dinámico durante el giro para compensar los efectos en los distintos puntos de empuje sobre las muñequillas y las reacciones en los apoyos.
El tipo de motor condiciona los esfuerzos a que está sometido, así como las distorsiones y momentos de inercia debido a la velocidad de régimen. El número de cilindros y forma de realizar el ciclo condiciona su longitud, el número de apoyos y el posicionado de las muñequillas para obtener el desfase correspondiente en las explosiones.
MATERIAL EMPLEADO EN SU FABRICACIÓN.
El material empleado en la fabricación de cigüeñales debe reunir unas características especiales en cuanto a elasticidad, resistencia a la fatiga, dureza, resistencia al desgaste, etc. Capaces de soportar las cargas a que está sometido y la deformación elástica producida por flexión durante el funcionamiento. Sus dimensiones deben permitir una estructura indefinidamente y con un alto índice de seguridad, las cargas máximas de trabajo con el menor peso y tamaño posibles.
La fabricación del cigüeñal puede realizarse por estampación del material en caliente, a una temperatura de 900 a 1 100°C o bien por fusión en moldes apropiados. Se emplea generalmente el primer sistema, ya que requiere menor cantidad de material en su fabricación y al mismo tiempo representa un notable ahorro de tiempo debido a la facilidad del proceso.
CIGÜEÑAL ESTAMPADO Y TRATAMIENTO TÉRMICO.
El material empleado en los cigüeñales forjados es el acero al carbono con contenido variable de Cr, Ni, Co, y Mo. Una vez forjados y torneados se les aplica un temple y después un revenido; estos tratamientos proporcionan al cigüeñal una carga a la rotura que oscila desde los 70 a 110 Kg-f/mm2, con un límite elástico de 60 a 85 kg-f/mm2. Las características finales de resistencia a la fatiga y al desgaste se consiguen con un tratamiento superficial de nitruración, cementación o temple superficial.
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS CIGÜEÑALES FUNDIDOS.
El material empleado en los cigüeñales fundidos son aleaciones especiales a base de Cr, Ni y Mo ó Cr, Ni y Cu, todos ellos en escasa proporción. Estas aleaciones, con un tratamiento adecuado, consiguen alcanzar cargas de rotura del orden de 80 Kg f/mm2. Estos cigüeñales, en iguales condiciones de carga que los estampados, deben ser dimensionados con índice de seguridad más elevado ya que la estructura metálica conseguida es menos resistente.
EQUILIBRADO ESTÁTICO DEL CIGÜEÑAL.
Consiste en disponer toda su masa perfectamente repartida con relación al eje de rotación, de forma que el cigüeñal situado sobre los apoyos de la bancada, quede en reposo cualquiera que sea su posición. Para que esto ocurra, el peso de las muñequillas debe estar perfectamente compensado con los contrapesos, ya que entonces las fuerzas laterales quedan equilibradas, tanto en reposo como en movimiento produciendo un par de rotación uniforme; pues si es distinta aparece una fuerza resultante excéntrica respecto al centro de giro que origina un par de rotación opuesto al giro de impulsión que produce una pérdida de par motor y por tanto la disminución del rendimiento del motor.
Fig. N° 53. Equilibrio estático de cigüeñal
Este equilibrado se efectúa en una máquina especial llamada equilibradora dinámica. El equilibrado se consigue suprimiendo material de la zona más pasada por medio de vaciados en los contrapesos o aplicando una pasta especial (MASTC) en la zona necesaria, hasta que toda su masa quede uniforme.
EQUILIBRADO DINÁMICO DEL CIGÜEÑAL.
El equilibrado se consigue con el correcto diseño de las muñequillas del cigüeñal, de forma que las fuerzas centrifugas o momentos dinámicos que actúan sobre ellas en el giro, con respecto a cualquiera de los puntos de apoyo.
Fig. N° 54. Equilibrio dinámico de cigüeñal
VIBRACIONES EN EL CIGÜEÑAL
Las vibraciones en el cigüeñal se pueden producir por el desequilibrado del cigüeñal o bien por las fuerzas que actúan sobre él. Cuando el émbolo se halla en el PMS, la biela y el codo del cigüeñal forman una línea recta. En esta posición la fuerza que actúa de forma radial sobre la muñequilla del cigüeñal y por tanto no produce momento de giro. Si el cigüeñal sigue girando, aparece un momento de giro cuando la biela toma un cierto ángulo y actúa la fuerza de empuje en el codo o brazo de palanca e impulsa el cigüeñal y produce un momento de giro irregular; estas irregularidades las compense precisamente el volante de inercia.
Fig. N° 55. Equilibrio con volante de inercia
La fuerza que actúa sobre la muñequilla del cigüeñal se descompone en otras dos que forman entre si un ángulo recto, una de ellas actúan en forma tangencial a la circunferencia que el cigüeñal describe y proporciona el trabajo de giro, mientras que la otra fuerza radial actúa como presión sobre el cojinete y consume una parte de la fuerza de empuje que recibe del émbolo. Estas fuerzas varían lógicamente con la posición del brazo del cigüeñal e influyen en la marcha del motor, ocasionando un desgaste irregular en las muñequillas a causa de las cargas unilaterales. En los puntos de inflexión actúan las fuerzas perpendiculares al eje del cigüeñal.
La presión de la combustión que actúa sobre el cigüeñal hace que se flexione hacia abajo, pero las fuerzas de inercia actúan rápidamente en sentido contrario y restablecen el equilibrio. Estas fuerzas se producen en cada una de las muñequillas del cigüeñal y dan origen a vibraciones relativamente importantes que repercuten negativamente en todos los órganos del motor. El volante es otro agente conductor de vibraciones, ya que su peso retarda la propulsión del cigüeñal. La presión de trabajo produce un esfuerzo de torsión sobre el cigüeñal y en la compresión, las resistencias en el cilindro actúan de nuevo, pero de forma antagónica.
La alternancia de estas fuerzas ocasiona unas vibraciones llamadas VIBRACIONES DE TORSIÓN que aparecen especialmente en el momento del arranque y en el frenado. Estas vibraciones destruyen poco a poco la estructura del material y originan su rotura por fatiga. Para evitar estos efectos, en los motores de más de 6 cilindros, se acopla un amortiguador especial de vibraciones al cual también se le denomina DAMPER. Cuando el motor gira a determinado número de revoluciones, llamado número de revolucione crítico, se suman las diversas vibraciones (resonancia) y por ese motivo, se pueden producir cargas peligrosas. Cuando esto ocurre todo el vehículo vibra y esta circunstancia debe evitarse con la máxima diligencia.
Fig. N° 56.Balanceo de cigüeñal
COJINETES DE BIELA Y BANCADA.
La unión del cigüeñal a la biela y el montaje de sus apoyos sobre el cárter del bloque, se realiza a través de unos cojinetes especiales en dos mitades llamados cojinetes de biela o bancada. Debido a las condiciones duras de trabajo a que están sometidas deben reunir las siguientes características:
Fig. N° 57. Cojinetes de biela y bancada
RESISTENCIA AL GRIPADO: Para evitar el riesgo de microsoldadura, se emplean para ello materiales no afines con el cigüeñal.
FACILIDAD DE INCRUSTACIÓN: Para que las impurezas, que se introducen con el aceite entre las superficies en contacto, se incrusten en el material del cojinete y de esta forma no dañen al cigüeñal.
CONFORMABILIDAD: Para absorber las pequeñas deformaciones producidas en la alineación de los elementos.
RESISTENCIA A LA FATIGA: Para que soporten las cargas a que están sometidos.
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN: Que producen los agentes químicos que pasan al cárter procedentes de la combustión o diluidos en el aceite de engrase.
GRAN CONDUCTIBILIDAD TÉRMICA: para evacuar el calor producido por el rozamiento en el cojinete.
La fabricación de este tipo de cojinetes se realiza a base de chapa de acero recubierta en su cara interna con ALEACIÓN ANTIFRICCIÓN, la cual reúne las características mencionadas. Estas aleaciones, según los materiales empleados, pueden ser de varios tipos:
Metal blando con estaño o plomo.
Bronce al cadmio.
Bronce al cobre.
Bronce al aluminio.
Bronce- níquel impregnado de plomo.
Estas aleaciones proporcionan un rozamiento suave y evitan el desgaste del cigüeñal; al mismo tiempo, gracias a su bajo punto de fusión, si se calienta excesivamente por falta de engrase, el cojinete se funde y así se evita el agarrotamiento del cigüeñal con los elementos de unión. Cuando se produce la fusión en una de las bielas la holgura resultante ocasiona un golpeteo característico, que se conoce en el argot popular como BIELA FUNDIDA. Los semicojinetes se suministran con su diámetro nominal estándar y se montan fácilmente en su apoyo o soporte. La fijación se consigue mediante la tapa respectiva que los mantiene sujetos a la cabeza de la biela, debida a la presión de la tapa y a sistema de posicionamiento del casquillo.
La garantía de un perfecto rodaje y de la conservación de la forma geométrica y las dimensiones del orificio de un cojinete, depende en gran parte de la eficacia del sistema de engrase.
Fig. N° 58. Cojinetes de biela y bancada
Por esta razón es importante conocer la forma y situación que deben tener las ranuras de engrase del cojinete con el fin de garantizar una adecuada lubricación. Durante el funcionamiento de un árbol en su cojinete ocurren ciertos fenómenos que es conveniente conocer. Cuando un eje esta montado en el interior de su cojinete y en estado de reposo, la presión se reparte por igual a los dos lados de un eje vertical, pero cuando el árbol gira lentamente en el momento del arranque, el eje se levanta y ejerce presión sobre su alojamiento en la misma dirección de su giro. El arrastre del aceite produce un instante de fricción máxima entre las dos superficies, En este momento se producen los mayores desgastes y se eleva la temperatura del aceite.
Cuando el eje lleva su marcha normal, la presión de aceite actúa desplazando al eje al lado opuesto de la fricción máxima, esto es debido a la cuña de lubricante que arrastra el árbol en su movimiento de giro, la cual impide el contacto directo entre las dos superficies, realizando se entonces una lubricación fluida. La experiencia ha demostrado que casi en las tres quintas partes de la superficie de apoyo del cojinete inferior (de la tapa de bancada) se produce una fuerte presión hidráulica, esta zona de máximo desgaste esta más orientado a favor del giro del eje motriz, mientras que en la zona inferior de este mismo cojinete que está orientada al lado opuesto del giro del eje motriz se origina una depresión y debe armarse de acuerdo al fabricante.
Fig. N° 59. Armado de cojinetes
VOLANTE DE INERCIA
Es una pieza circular pesada unida al cigüeñal, cuya misión es regularizar el giro del motor mediante la fuerza de inercia que proporciona su gran masa. Su trabajo consiste en almacenar la energía cinética durante la carrera motriz y cederla a los demás tiempos pasivos del ciclo de funcionamiento. Se fabrica en fundición gris de estructura perlítica, que se obtiene por colada en moldes y después se mecaniza en todas sus partes para equilibrar su masa. En su periferia se monta la corona de arranque en caliente y, una vez fría, queda ajustada perfectamente a presión en el volante. El volante debe ser equilibrado independientemente y después montado con el cigüeñal para obtener la compensación de masas.
Fig. N° 60. Volante de inercia
RESUMEN
La dimensión y espesor del material empleado para la fabricación de cada uno de los elementos constructivos del motor diésel, deben adaptarse a las características del mismo, es decir, no se puede permitir desequilibrios estáticos, dinámicos ni térmicos, que pudieran producir la aparición de grietas o debilitamientos en su estructura generadas por fuerzas de acción y reacción propias de los componentes que se encuentran en movimiento o en su defecto, que sufren constantemente dilataciones y contracciones térmicas.
El desmontaje, desarmado, armado y montaje de los elementos constructivos del motor diésel, debe ser efectuado con un procedimiento adecuado y con las medidas de seguridad correspondientes a cada caso, ya que se debe tener en cuenta que por cada operación que se realice, existen una serie de normas muy fundamentadas que garantizaran la seguridad integra del operario y del componente que se está maniobrando.
Las holguras de calibración o engrase y las comprobaciones correspondientes a los elementos constructivos del motor diésel, juegan un papel importante en el tipo de mantenimiento que se le debe tener en cuenta para conseguir del mismo, un óptimo rendimiento con bajo consumo de combustible, sin reducir su vida útil ni deteriorar sus elementos vitales.
La armonía entre la apertura y cierre de válvulas con respecto al desplazamiento del pistón, garantizan un correcto y seguro funcionamiento de los elementos motrices y del mecanismo de distribución, evitando que estos puedan quedar seriamente dañados por un mal montaje o ajuste correspondiente.
Es por eso importante el análisis básico de la distribución, con el cual se pueden extraer del propio motor, información importante que servirá para mejorar posibles procedimientos que permitan ahorrar tiempo dinero y esfuerzo, como también solucionar problemas mecánicos que pudieran ser ocasionados por algunos de sus componentes.
CAPITULO III
INTRODUCCIÓN
En el presente capítulo, el material empleado en los elementos constructivos del motor diésel, deben estar diseñados para alcanzar y mantener temperaturas normales de funcionamiento, ya que si exceden el límite establecido, pueden llegar a agarrotar los elementos motrices o a deformar los elementos fijos. Si eso ocurriese al motor, necesariamente se debería efectuar su reparación completa, lo que trae como consecuencia bajas en la producción por una parada intempestiva de la máquina; para evitar que esto ocurra, se cuenta con un sistema de refrigeración bien estudiado, que permite al motor en primera instancia, alcanzar en forma rápida la temperatura normal de funcionamiento para luego mantenerla de tal forma que todo el conjunto quede térmicamente equilibrado.
Parece increíble pensar, que tanto las presiones como las temperaturas dentro de la cámara de combustión logren alcanzar valores críticos en el funcionamiento del motor, presiones que oscilan entre los 50 a 90 Kg/cm2 y temperaturas que pueden alcanzar los 2 000 ó 2 500°C, es decir, temperaturas que están por encima del punto de fusión de los materiales empleados en la fabricación de los elementos constructivos del motor diésel. Es por eso la importancia que se le da al sistema de refrigeración y a los tipos de mantenimientos que en él se deben tener, ya que sin el mismo, el motor no podría funcionar por más de 10 minutos.
OBJETIVOS
Diferenciar las terminologías más comunes utilizadas para identificar a los elementos constitutivos del sistema de refrigeración.
Identificar y clasificar componentes básicos de los tipos de sistemas de refrigeración existentes.
Explicar en forma resumida las características fundamentales propias de cada elemento que forman parte de los diferentes tipos de sistemas de refrigeración.
Describir el proceso correcto para evaluar y diagnosticar el estado de los elementos que son parte del sistema de refrigeración, describir luego el mantenimiento adecuado que debe efectuarse.
Describir los factores que afectan el correcto desempeño de los elementos constitutivos del sistema de refrigeración, sus causas y posibles consecuencias que podrían originarse en un funcionamiento normal del motor.
REFRIGERACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL.
Durante el funcionamiento del motor, la temperatura alcanzada en el interior de los cilindros es muy elevada, superando los 2000 °C en el momento de la combustión. Esta temperatura, al estar por encima del punto de fusión de los metales empleados en la construcción del motor, podría causar la destrucción de los mismos. Aunque esta temperatura sea instantánea, pues baja durante la expansión y expulsión de los gases quemados, aun así la temperatura media es muy elevada y si no se dispusiera de un buen sistema de refrigeración, para evacuar gran parte del calor producido en la explosión, la dilatación de los materiales sería tan grande que produciría agarrotamientos y deformaciones.
Fig. N° 61. Sistema de refrigeración
Esta es la principal causa del bajo rendimiento en los motores térmicos, ya que si se pudiera aprovechar todo el calor energético del combustible, el trabajo obtenido por transformación sería elevado, pero por las causas expuestas se necesitan evacuar gran parte del calor obtenido en la combustión hasta unos límites donde se obtenga el máximo rendimiento del motor, pero que no perjudiquen la resistencia mecánica de las piezas ni el poder lubricante de los aceites de engrase.
Fig. N° 62. Sistema de refrigeración con temperaturas
Por tanto, el sistema de refrigeración instalado debe ser lo bastante eficaz para poder evacuar gran cantidad de calor en intervalos tan cortos de funcionamiento; pero por otro lado, esta evacuación no debe ser excesiva pues bajaría el rendimiento del motor, debiendo mantener la temperatura interna dentro de los límites de tolerancia de los materiales y obtener así mayor rendimiento del motor. Por medio de la refrigeración y durante la expansión se pierde aproximadamente el 35% del calor producido en la explosión y otro 35% quedando aproximadamente un 30% de calor útil para transformarse en trabajo mecánico.
Los sistemas actualmente empleados para la refrigeración de los motores, son los siguientes:
REFRIGERACIÓN POR AIRE
Este sistema consiste en evacuar directamente el calor del motor a la atmósfera a través del aire que lo circunda. Para mejorar la conductibilidad térmica, estos motor se fabrican de aleación ligera y disponen sobre la carcasa exterior de unas aletas que permiten aumentar la superficie radiante de calor. La longitud de estas aletas es proporcional a la temperatura alcanzada en las diferentes zonas del cilindro, siendo por tanto, de mayor longitud las que están más próximas a las cámaras de combustión.
REFRIGERACIÓN DIRECTA
Se emplea este sistema en motocicletas, donde el motor va completamente al aire, efectuándose la refrigeración por el aire que hace impacto sobre las aletas durante la marcha del vehículo, siendo por tanto más eficaz la refrigeración cuanto mayor es la velocidad de desplazamiento.
Fig. N° 63. Sistema de refrigeración por aire directa
REFRIGERACIÓN FORZADA.
El sistema de refrigeración forzada por aire es utilizada en vehículos donde el motor va encerrado en la carrocería y por tanto, con menor contacto con el aire durante su desplazamiento. Consiste en un potente ventilador movido por el propio motor, el cual crea una fuerte corriente de aire que es canalizada convenientemente hacia los cilindros para obtener una eficaz refrigeración aun cuando el vehículo se desplace a marcha lenta.
Las ventajas del sistema de refrigeración forzada por aire son las siguientes:
La sencillez del sistema. Se obtiene un menor peso muerto del motor al eliminar los elementos de refrigeración.
Menor entretenimiento del sistema. Se consigue al eliminar averías en los elementos auxiliares de refrigeración.
El motor ocupa menor espacio. Factor importante, a tener en cuenta en vehículos pequeños y sobre todo en motocicletas en donde el espacio destinado al motor es reducido.
Fig. N° 64. Sistema de refrigeración forzada por aire
No está sometido a temperaturas críticas del elemento refrigerante como ocurre en los motores que emplean el sistema de refrigeración por agua, en el que se puede producir la ebullición o congelación del agua. En este sistema se puede dimensionar las aletas o canalizar el aire conveniente para que el caudal de aire, que atraviesa el motor, asegure una eficaz refrigeración y mantenga una temperatura óptima en el motor.
Disminuye las pérdidas de calor por refrigeración. Estas pérdidas suelen ser un 18% menor que en la refrigeración por agua, obteniéndose, por tanto, un mayor rendimiento térmico.
Los inconvenientes del sistema de refrigeración forzada por aire son las siguientes:
Los motores refrigerados por aire son más ruidosos que los refrigerados por agua. Esto es debido a que el paso del aire por las aletas de refrigeración origina un pequeño amplificador sonoro. En los refrigerados por agua, la capa líquida que circunda las camisas hace de amortiguador de los ruidos internos.
La refrigeración es irregular. Esto es debido a la influencia de la temperatura ambiente que produce en mayor calentamiento al ralentí, al no disponer de reserva de absorción de calor, como ocurre con el agua al vaporizarse. Están sometidos por tanto, a un mayor peligro de gripaje.
Debido a la mayor temperatura en los cilindros, la mezcla o aire aspirado se dilata. Con esto se reduce el llenado y por tanto la potencia útil del motor en un 6% aproximadamente.
REFRIGERACIÓN POR AGUA.
Este sistema en un circuito de agua en contacto directo con las paredes de las camisas y cámaras de combustión, que absorbe el calor radiado y lo transporta a un depósito refrigerante donde el líquido se enfría y vuelve al circuito para cumplir nuevamente su misión refrigerante. El circuito se establece por el interior del bloque y culata, para lo cual estas piezas se fabrican huecas, de forma que el líquido refrigerante circunde las camisas y cámaras de combustión alrededor de ellas.
Fig. N° 65. Sistema de refrigeración forzada por agua
La circulación del agua en el circuito puede realizarse por termosifón o con circulación forzada por bomba centrífuga.
CIRCULACIÓN DEL AGUA POR TERMOSIFÓN
La circulación del agua en el circuito por termosifón prácticamente hoy día está en desuso. Este sistema está basado en la diferencia de peso entre el agua fría y caliente, de forma que el agua en contacto con los cilindros y la cámara de N combustión pesa menos que el agua fría del radiador, con lo cual se establece una circulación de agua del motor al radiador.
El agua caliente entra por la parte alta del radiador donde se enfría a su paso por los tubos y aletas refrigerantes en contacto con el aire de desplazamiento. El agua fría, por el aumento de peso, baja al depósito del radiador y entra en el bloque, donde al irse calentando va ascendiendo por el circuito interno para salir otra vez al radiador. La circulación del agua en el sistema es auto regulable, ya que al aumentar la temperatura del motor aumenta la velocidad de circulación por su circuito interno, independientemente de la velocidad de régimen del motor.
Fig. N° 66. Sistema de refrigeración por agua y termosifón
El sistema es sencillo y económico, pero debido a la pequeña velocidad del agua en el circuito, se requiere un gran caudal, un gran volumen de líquido y mucha superficie radiante en el radiador. Esto hace que el sistema requiera piezas muy voluminosas, que ocupan gran espacio muerto en el motor, solución a todas luces inadecuada para las carrocerías de los vehículos actuales.
CIRCULACIÓN FORZADA POR BOMBA CENTRÍFUGA.
Este sistema, empleado actualmente en los vehículos ofrece una refrigeración más eficaz con menor volumen de agua, ya que, debido a las grandes revolucione que alcanzan hoy día los motores, necesitan una evacuación más rápida de calor, lo cual se consigue forzando la circulación del agua por el interior de los mismos. El sistema, semejante al de termosifón consiste en disponer una bomba centrífuga intercalada en el circuito y movida por el propio motor. La bomba activa la circulación del agua en su recorrido con una velocidad proporcional a la marcha del motor. La velocidad media de circulación suele ser de unos 3 m/s, lo cual permite una refrigeración eficaz en el sistema con un menor volumen de agua y menor superficie radiante en el radiador.
En su funcionamiento, la bomba aspira el agua refrigerada de la parte baja del radiador y la impulsa al interior del bloque a través de los huecos que rodean las camisas y cámaras de combustión. El refrigerante sale por la parte superior de la culata y se dirige otra vez al radiador por su parte alta, donde es enfriada nuevamente a su paso por los panales de refrigeración. Con esta circulación forzada, el agua se mantiene en el circuito a una temperatura de 80 a 85 °C, con una diferencia entre la entrada y la salida de 8 a 10 °C, controlada por medio de una válvula de paso que mantiene la temperatura ideal de funcionamiento sin grandes cambios bruscos en el interior de los cilindros, que podrían dar lugar a dilataciones y contracciones de los materiales constructivos del motor.
El circuito va provisto de un termómetro con indicación de la temperatura a distancia, para que el conductor pueda controlar las anomalías del mismo. En muchas instalaciones, sobre todo en turismo, el agua de refrigeración se aprovecha para la calefacción interna del vehículo. Para ello, se intercala en serie, a la salida del agua caliente de la culata, un intercambiador de calor que trabaja como radiador, calentando el aire del vehículo.
REFRIGERACIÓN MIXTA
Este sistema es el más empleado hoy día en los vehículos y consiste en una combinación de los dos sistemas anteriores, para ello se dispone de un circuito de refrigeración forzada por agua, ayudado por una corriente de aire que suministra un ventilador movido por el propio motor. Este ventilador, además de forzar el paso del aire a través del radiador para obtener una refrigeración más eficaz del agua sobre todo a marcha lenta, suministra una corriente de aire al motor para refrigerar los elementos externos adosados al mismo, como son: el generador de corriente, colectores de escape, etc.
ELEMENTOS QUE COMPONEN EL CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN
El circuito de refrigeración de los motores está formado por los siguientes elementos:
Fig. N° 66. Sistema de refrigeración por agua y termosifón
UN RADIADOR
Situado generalmente en la parte delantera del vehículo, de forma que reciba directamente el paso de aire a través de sus paneles y aletas refrigerantes durante el desplazamiento del mismo y donde se enfría el agua procedente del motor.
Fig. N° 67. Radiador
UNA BOMBA CENTRÍFUGA.
La cual se halla instalada en el bloque motor y es movida directamente por la polea del cigüeñal, a través de una transmisión por correa trapezoidal. Dicha bomba aspira el agua del radiador y la hace circular por el interior del bloque y la culata para refrigerar los cilindros y las cámaras de combustión.
Fig. N° 68. Bomba centrífuga
UN VENTILADOR.
Adosado generalmente a la polea de la bomba, que activa el paso de aire del radiador. El rotor tiene cuatro o seis aspas inclinadas convenientemente para la aspiración del aire y está fabricado en chapa o plástico duro.
Fig. N° 69. Ventilador
TERMOSTATO
Una válvula reguladora de temperatura, situada generalmente en la boca de salida de agua de la culata, mantiene con su apertura y cierre, la temperatura ideal de funcionamiento en el motor. El radiador es aquel elemento que está formado por dos depósitos o tinas, uno superior y el otro inferior, unidos entre sí por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeración o por una serie de paneles en forma de nidos de abeja que aumentan la superficie radiante de calor.
Tanto los tubos y aletas como los paneles se fabrican en aleación ligera (generalmente latón) facilitando con su mayor conductibilidad térmica, la rápida evacuación de calor a la atmósfera. El depósito superior lleva una boca de entrada lateral que se comunica por medio de un manguito de goma, con la salida de agua caliente de la culata. En el depósito inferior va instalada la boca de salida del agua refrigerada, unido por otro manguito de goma a la entrada de la bomba. En este depósito inferior va montado un grifo de desagüe para cuando se quiera vaciar el radiador.
Fig. N° 70. Termostato
En la parte superior del radiador va situada la boca de llenado, que se cierra con un tapón que cumple la doble misión de cierre y regulación de la circulación del agua por el circuito, evitando la presión o depresión en el interior del radiador por los cambios de estado en el líquido refrigerante.
Este tapón lleva incorporadas dos válvulas de paso que en condiciones de funcionamiento se mantienen cerradas por la acción de sus muelles regulados a la presión atmosférica. Cuando el agua del radiador, por efecto de la temperatura en el circuito, se va evaporando, este vapor de agua queda concentrado en la parte superior del depósito, creando una sobrepresión en el mismo que si llegase a unos límites críticos haría saltar el tapón o reventar el depósito.
Para evitar esto, el tapón va provisto de una válvula de reguladora con un muelle de forma que cuando la presión interna rebasa la presión del muelle, empuja a la válvula abriéndola, con lo cual el vapor concentrado en el interior del radiador sale, a través de ella al exterior. Esta salida de vapor regula nuevamente la presión interna, de forma que cuando alcance la presión atmosférica la válvula vuelve a cerrarse.
Si el motor se enfría rápidamente, se produce en el interior del radiador una condensación del vapor acumulado, creando un vacío interno que dificultará la perfecta circulación del agua en el circuito. Para este segundo efecto, el tapón dispone de una segunda válvula que se abre en sentido contrario, por efecto de la depresión creada en el interior, permitiendo la entrada de aire o líquido del exterior que anula el vacío interno y restablece la presión normal del circuito.
CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN ABIERTO Y CERRADO
CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN ABIERTO
Cuando el circuito de refrigeración se comunica a través de las válvulas de paso del tapón del radiador con la atmósfera, se denomina circuito abierto, produciéndose la evacuación del vapor interno a la atmósfera y retornando aire al interior del depósito cuando se produce la condensación.
Este sistema tiene el inconveniente de que con la evaporación y evacuación se va perdiendo líquido en el circuito, con lo que el conductor tiene que rellenar frecuentemente el circuito (sobre todo en tiempo cálido) para restablecer el volumen del mismo, lo que origina un mayor entretenimiento del sistema.
CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN CERRADO.
En los circuitos cerrados, actuales utilizados en casi todos los vehículos, el circuito de refrigeración, a través de la válvula de paso del tapón, se une por medio de un tubo de goma o plástico a un depósito auxiliar llamado depósito de expansión, el cual contiene agua o líquido refrigerante y donde van a para los gases procedentes de la evaporación, los cuales al contacto con el agua se licúan, cuando se produce el vacío interno, el líquido procedente del depósito pasa al radiador, con lo que se restablece el circuito sin pérdida de líquido en el mismo por condensación.
La bomba de agua se intercala en el circuito de refrigeración del motor y tiene la misión de hacer circular el agua en el circuito para que el transporte y evacuación de calor sea más rápido. Cuanto más deprisa gire el motor, mayor será la temperatura alcanzada en el mismo, pero como la bomba funciona sincronizada con él, mayor será la velocidad con que circula el agua por su interior y, por tanto, la evacuación de calor.
La bomba de agua empleada en los motores diésel es de funcionamiento centrífugo y está formada por una carcasa de aleación ligera, unidad al bloque motor con interposición de una junta de cartón amianto para hacer estanca la unión. En el interior de la misma se mueve una turbina de aletas unida al árbol de mando bomba, el cual se apoya sobre la carcasa por medio de uno o dos cojinetes de bolas, con un retén acoplado al árbol para evitar fugas de agua a través del mismo. En el otro extremo del árbol va montado un cubo al cual se une la polea de mando y el ventilador.
Fig. N° 71. Refrigeración cerrada
Estas bombas están calculadas para proporcionar el suficiente caudal de agua al circuito en función de la potencia del motor y la temperatura a evacuar, la cual difiere esencialmente en los motores diésel con cámara de inyección directa y los de cámara de inyección indirecta. Se ha indicado que la temperatura interna del motor debe mantenerse dentro de unos límites establecidos (entre 90 y 110 °C) para obtener un perfecto funcionamiento y un rendimiento máximo, debiendo mantener esa temperatura tanto en verano como en invierno. La temperatura de funcionamiento en el motor incide directamente sobre la lubricación y la alimentación, ya que si está frío, el aceite se hace más denso, dificultando el movimiento de sus órganos con pérdida de potencia en el motor. Por otra parte, a baja temperatura la mezcla de combustible se realiza en peores condiciones, no obteniendo toda su potencia calorífica en la combustión, con un mayor consumo para una potencia dada.
Si la temperatura, por el contrario, es elevada, el aceite se hace más fluido, perdiendo parte de sus propiedades lubricantes, con lo cual las partes móviles del motor pueden sufrir dilataciones y agarrotamientos, dificultando el movimiento de sus órganos móviles y absorbiendo una mayor potencia que reduce el rendimiento útil del motor. Para regular la temperatura del agua, se instala en el circuito de refrigeración de los motores, una válvula termostática, graduada a la temperatura de funcionamiento del motor y se sitúa en la boca de salida de la culata.
Cuando la temperatura del agua es inferior a la prevista, el termostato cierra la válvula de paso impidiendo la salida de agua hacia el radiado, con lo cual la circulación se establece directamente desde la bomba, que al aspirar el agua caliente y mandarla al circuito interno sin refrigerar, hace que el agua ya caliente alcance pronto mayor temperatura. Cuando el agua ha alcanzado la temperatura adecuada, el termostato abre la válvula dejando libre la circulación hacia el radiador, con lo cual se establece el funcionamiento normal del circuito de refrigeración.
Se sabe que el ventilador activa el paso de aire a través del radiador para obtener una mejor y más eficaz refrigeración, pero ello no es indispensable cuando la velocidad del vehículo es suficiente para producir la refrigeración por el simple desplazamiento rápido del mismo. En estos casos, se puede desconectar el ventilador consiguiendo así las siguientes ventajas:
Ganancia de potencia al liberar al motor de esta transmisión.
Menor consumo para una misma potencia.
Marcha más silenciosa.
Cuando la temperatura del agua baja a 85°C, el termostato se abre, interrumpiendo la corriente al electroimán, con lo cual el ventilador queda fuera de servicio. Cuando la temperatura del agua llega a 95°C, se cierra nuevamente el circuito eléctrico del electroimán, atrayendo a la armadura y haciendo solidario el ventilador a la polea de mando, con lo cual éste permanece en funcionamiento.
REFRIGERANTES Y ANTICONGELANTES.
Como líquido refrigerante se emplea generalmente el agua por ser el líquido más estable y económico, pero se sabe que tiene grandes inconvenientes, ya que a temperaturas de ebullición el agua es muy oxidante y ataca a las parte metálicas en contacto con ella. Por otra parte, y debido a la dureza de las aguas, precipita gran cantidad de sales calcáreas que pueden obstruir las canalizaciones y el radiador. Otro de los inconvenientes del agua es que a temperaturas por debajo de 0°C se solidifica, aumentando de volumen, lo cual podría reventar los conductos por los que circula.
Para evitar estos inconvenientes del agua se emplean los anticongelantes, que son unos productos químicos preparados para mezclar con el agua de refrigeración de los motores y conseguir los siguientes fines:
Disminuir el punto de congelación del líquido refrigerante, el cual en proporcione adecuadas, hace descender el punto de congelación entre 5 y 35 °C, por tanto la proporción de mezcla estará en función de las condiciones climatológicas de la zona o país por donde circule el vehículo.
Aumentar la temperatura de ebullición del agua, para evitar pérdidas en los circuitos que trabajen por encima de los 100°C.
Evitar la corrosión de las partes metálicas por donde circula el agua.
Entre los muchos productos anticongelantes que se pueden emplear, el más utilizado en la actualidad está formado a base de un hidrocarburo etílico con glicerina y alcohol, al cual se le añade bórax como inhibidor de corrosión, agua destilada, un antiespumante y un colorante de identificación, en algunos casos con las siguientes proporciones: etilenglicol de 90 a 95%, bórax de 2 a 3%, agua destilada un máximo de 2%, antiespumante y colorante en pequeñas proporciones.
Carbonato de sosa
Según el porcentaje de mezcla de este líquido con el agua se puede conseguir diferentes temperaturas de congelación. Para los circuitos cerrados, las casas fabricantes de este producto lo venden ya preparado para la cantidad total del circuito, según la marca y modelo del vehículo y suele tener una duración de dos años. Hay que tener en cuenta que, en estas soluciones las pérdidas por evaporación sólo se producen en el agua; por tanto para reponer el nivel en los circuitos abiertos sólo deberá añadirse agua.
AVERÍAS Y COMPROBACIONES.
Las pérdidas de agua se deben generalmente a fugas en el circuito, las cuales suelen localizarse en los manguitos de unión, grifo de desagüe del radiador y en la bomba de agua. También se puede producir, aunque más raramente, en el propio radiador y a través de la junta de culata. Para comprobar si el circuito pierde agua se llena el radiador a tope y después de un corto recorrido se observa si ha descendido el nivel. Entonces se comprueba si existe fugas de agua y se procede a localizar el punto exacto por donde se produce la fuga, para ello el sistema más rápido es inyectar aire a presión de 1 a 2 Kg-f/cm2 y observar el punto de la fuga:
Si esta se produce por el grifo de desagüe se comprueba previamente que está bien cerrado; en caso contrario se sustituye por uno nuevo.
Si la fuga se produce en los manguitos de unión, se procede a apretar las abrazaderas; si es en los puntos de unión o a través de la goma, es conveniente cambiar el manguito.
Si la fuga de agua se produce en el radiador, se desmonta el mismo y se suelda con estaño el punto de fuga. Una vez efectuada la reparación hay que comprobar la estanqueidad en el mismo. Para ello se taponan los orificios de entrada y salida y se inyecta, a través de la boca de llenado, aire a presión.
Si la fuga se produce a en la bomba de agua, se debe desmontar la misma y cambiar la junta de unión al bloque o cambiar el retén si las fugas son a través del eje de la turbina.
Las fugas a través de la junta de la culata pueden producirse hacia el exterior del bloque o hacia el interior de los cilindros. Estas fugas de agua producen fallos de funcionamiento en el motor y se puede observar la salida de vapor de agua, bien por el lateral del bloque o por el tubo de escape. En cualquiera de estas circunstancias debe cambiarse la junta.
Si observa algún calentamiento anormal del motor, se comprueba en primer lugar el nivel de agua en el radiador y el tensado de la correa del ventilador, corrigiendo el defecto que proceda.
Si el defecto sigue produciéndose, es conveniente desmontar el termostato y comprobar su perfecto funcionamiento.
Para ello, se sumerge el mismo en un recipiente con agua que se irá calentando progresivamente, controlando la temperatura con un termómetro.
A los 82°C la válvula debe de empezar a abrirse y a los 95°C debe estar completamente abierta; en caso contrario, el termostato está en mal estado y debe ser sustituido por otro nuevo.
Si el termostato funciona correctamente, la avería puede estar producida por una obstrucción en el circuito, bien en la bomba o en el radiador.
Para compensar el funcionamiento de la bomba se suelta el manguito de unión culata-radiador y con el motor en marcha el agua debe salir en abundancia, en caso contrario es que la bomba está obstruida.
Antes de desmontar ésta para su comprobación y limpieza hay que comprobar el radiador.
Para ellos, con el motor parado, se suelta el manguito de salida del radiador y echando a presión por la boca de llenado, ésta debe salir abundante por la boca de salida; en caso contrario el radiador está obstruido.
Para efectuar la limpieza del radiador y a la vez del circuito, debe emplearse preferentemente agua caliente con una mezcla de 1 Kg de carbonato de sosa por cada 10 litros de agua, la operación se realiza con el motor caliente. Para ello se vacía el radiador por medio del grifo de desagüe, se llena a continuación con la solución preparada y se deja el motor funcionando en ralentí durante unos 15 minutos. Luego se vacía el circuito con agua corriente y seguidamente con el motor en marcha y el grifo de desagüe abierto, se introduce agua hasta que salga limpia, se cierra el grifo y se completa el nivel con agua limpia.
El calentamiento anormal del motor, puede ser debido también a causas ajenas al circuito de refrigeración como son la falta de aceite, retraso del punto de inyección, mal reglaje de la bomba de inyección, etc., lo cual debe también comprobarse.
Si el motor tarda en alcanzar su temperatura normal de funcionamiento se puede deber al termostato el cual no cierra en las debidas condiciones. Para su comprobación se desmonta del motor y se hace la prueba de funcionamiento, sustituyéndolo en caso de avería.
RESUMEN
Las fuerzas de acción y reacción propias de los componentes que se encuentran en fricción o en su defecto, que sufren constantemente dilataciones y contracciones térmicas, deben de estar dentro de parámetros establecidos ya que no se puede permitir desequilibrios térmicos, que pudieran producir cristalización en el material empleado para la fabricación de cada uno de los elementos constructivos del motor diésel, tampoco la aparición de grietas o debilitamientos o deformaciones en su estructura.
Uno de los sistemas que ayuda a este fin, es el circuito de refrigeración que está debidamente estudiado en cada punto estructural del motor. Sea el sistema de refrigeración por aire o por líquido refrigerante, desempeñan un papel trascendental en la evacuación del exceso de calor (aproximadamente 30% del total), producto de un proceso químico de combustión que tuvo lugar dentro de una cavidad formada entre la cabeza del pistón y la culata, a la cual se le da el nombre de cámara de combustión.
Del 100% del calor generado dentro de la cámara de combustión, se transforma en energía de movimiento aproximadamente un 35 a 40%, otra parte como ya hemos mencionado, se libera por las paredes de los cilindros a través del circuito de refrigeración y el restante es evacuado con los gases quemados que salen por la válvula de escape.
El desmontaje, desarmado, armado y montaje de los elementos constitutivos del circuito de refrigeración, debe ser efectuado con un procedimiento adecuado y con las normas de seguridad correspondientes a cada tarea u operación.
CAPITULO IV
INTRODUCCIÓN
La función principal del sistema de lubricación es la de reducir el rozamiento entre los elementos constructivos del motor que están en movimiento, con la aplicación de una pequeña película de aceite que se interpone entre las superficies en contacto. Además de esto, el aceite tiene la misión de refrigerar las partes del motor que no pueden ceder su calor directamente al líquido refrigerante o al aire de refrigeración. Por otra parte, contribuye también a la estanqueidad de las piezas deslizantes, como por ejemplo: entre el pistón los anillos y las paredes del cilindro.
También el aceite, limpia el motor llevándose partículas abrasivas y depósitos de residuos procedentes del proceso químico de combustión. El aceite lubricante, por efecto de aditivos especiales, protege las piezas del motor contra la corrosión, actuando también como amortiguador. En conclusión, el aceite debe engrasar, refrigerar, obturar, limpiar, proteger de la corrosión y amortiguar los ruidos procedentes de los mecanismos del motor.
OBJETIVOS
Diferenciar las terminologías más comunes utilizadas para identificar a los elementos constitutivos del circuito de lubricación.
Identificar y explicar en forma resumida las características fundamentales propias de cada elemento que forma parte del circuito de lubricación.
Describir el proceso correcto para evaluar y diagnosticar el estado de los elementos que son parte del sistema de lubricación, describir luego el mantenimiento adecuado que debe efectuarse.
Describir los factores que afectan el correcto desempeño de los elementos constitutivos del sistema de lubricación, sus causas y posibles consecuencias que podrían originarse en un funcionamiento normal del motor.
LUBRICACIÓN EN LOS MOTORES DIESEL.
Todos los órganos del motor que se mueven en contacto con otros elementos del mismo están sujetos a rozamientos. Estos órganos absorben una cantidad de trabajo que se transforma en calor, resultando de ello una pérdida de energía por rozamiento. Esta energía absorbida y transformada en calor puede ser elevada, haciendo que las piezas se dilaten. Al tener entonces una mayor presión de contacto, la energía absorbida será mayor aún, dando lugar a un calentamiento excesivo y llegando a gripar las piezas en movimiento. Si se coloca una película de aceite entre las piezas en contacto, el roce entre ellas será más suave, el trabajo absorbido será menor y por tanto, serán menores las pérdidas de energía transformada en calor.
Esta película de aceite, que se interpone entre las superficies en contacto, queda dividida en tres capas; dos de ellas se adhieren por capilaridad a las superficies metálicas que impregnan, mientras la tercera capa o capa intermedia, hace de cojinete común, en forma de cojín hidráulico, entre las superficies sometidas a presión, con lo que disminuye el roce entre ellas y se amortiguan los ruidos por golpeteo durante su funcionamiento.
A pesar de ello sigue habiendo resistencias pasivas que absorben cierta energía del motor debido a la inercia del líquido a ser arrastrado por la cohesión de aceite y de la fluidez del mismo, así como de la forma y estado de las superficies en contacto. Estas resistencias pasivas se transforman en calor, que es absorbido por el aceite, el cual necesita ser refrigerado para que no se transmita a las piezas en movimiento.
Teniendo en cuenta las observaciones anteriores, el aceite de engrase en un motor cumple con las siguientes misiones:
Lubricar las piezas en contacto por medio de la interposición de una película de aceite, para que el rozamiento entre ellas sea lo más suave posible y así evitar pérdidas de potencia por rozamientos.
Absorber el calor producido por los órganos en movimiento y transportarlo a la cuba donde es refrigerado.
Amortiguar los golpes en las piezas sometidas a desplazamientos por la acción de empuje de otros elementos, como son: muñequillas apoyos de bancada, etc., eliminando a la vez los ruidos procedentes del golpeteo.
Efectuar la limpieza de los órganos en contacto al arrastre en su recorrido las partículas procedentes de la acción esmeriladora entre ellos, limpiando además las paredes de los cilindros de partículas de carbón adheridas a ellos procedentes de la combustión.
PROCESOS DE DESTILACIÓN:
DETERMINACIÓN DEL GRADO DE VISCOSIDAD:
DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE VISCOSIDAD SEGÚN DEAN Y DAVIS (1929):
CARACTERÍSTICA DE LOS ACEITES DE ENGRASE.
VISCOSIDAD
ADHERENCIA
PUNTO DE CONGELACIÓN
PUNTO DE INFLAMACIÓN
ESTABILIDAD QUÍMICA
GRADO DE ACIDEZ Y CENIZAS
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEITES DE ENGRASE
POR SU DENSIDAD
ACEITES PARA MOTOR
VALVULINAS.
GRASAS CONSISTENTES
POR SUS CUALIDADESDE ENGRASE
ACEITE REGULAR
ACEITE PREMIUM
ACEITE DETERGENTE
ACEITES MULTIGRADO
ACEITE AL GRAFITO O MOLIBDENO.
POR SUS CONDICIONES DE SERVICIO
ACEITES PARA SERVICIO ML (EN GASOLINA) Y DG (PARA DIESEL)
ACEITES PARA SERVICIO MM (EN GASOLINA) Y DM (EN DIESEL)
ACEITES PARA SERVICIO MS (EN GASOLINA) Y DS (EN DIESEL)
SISTEMAS DE ENGRASE
ENGRASE POR BARBOTEO.
ENGRASE A PRESIÓN
ENGRASE MIXTO.
Bomba, movida por el propio motor, con capacidad suficiente para mantener el caudal y la presión necesaria en el circuito
Válvula de descarga, empleada para mantener la presión constante en el circuito.
Sistema de filtrado y depurado del aceite, con el fin de que éste llegue a las canalizaciones y a los elementos a lubricar limpio de impurezas.
BOMBAS DE ENGRASE
BOMBA DE ENGRANAJES
BOMBA DE RODETE
BOMBA DEL TIPO OZ
VÁLVULA DE DESCARGA.
Fig. N° 72. Sistema de lubricación
Los aceites empleados en la lubricación de los motores son generalmente aceites minerales procedentes de la destilación del petróleo bruto, donde las naftas pesadas, procedentes de la destilación de aceites combustibles, son tratadas en una torre de vacío. En ésta, entre otros subproductos, se obtienen los aceites de engrase que sirven de base para obtener los diferentes tipos de aceites comerciales. Estos aceites base, obtenidos del petróleo y utilizados en el circuito de lubricación de los motores diésel, pueden tener distinta composición química.
Los del tipo parafínico están compuestos por un conjunto de hidrocarburos saturados de cadena abierta; estos aceites, de densidad baja, tienen excelentes cualidades como lubricantes, siendo la principal cualidad de este aceite, la viscosidad estable, que varía relativamente poco con el aumento de la temperatura. Otros aceites base obtenidos del petróleo son los nafténicos y los aromáticos que poseen una estructura cíclica muy compleja; con una mayor densidad y peores cualidades naturales de engrase se utilizan también para obtener los aceites comerciales.
En estos aceites de engrase, con aditivos apropiados, se mejoran sus cualidades lubricantes como son: la dependencia entre la viscosidad y temperatura, descenso del punto de congelación, elevación de la resistencia al desgaste, disminución y corrosión, inhibición a la formación de espumas, etc.
PROCESO DE DESTILACIÓN DEL PETRÓLEO | |
Temperatura de calentamiento del crudo | 350 °C |
Presión de bombeo | 3 a 4 Kg/cm2 |
Mezcla de bases + Aditivos = Lubricante
Cuadro N° 01. Proceso de destilación
Cuadro N° 02. Grado de viscosidad
Grafico N° 01. Índice de viscosidad según Dean y Davis
Aceites empleados en la lubricación de los motores están sometidos a elevadas temperaturas y presiones, lo cual hace que tiendan a descomponerse, anulando así sus propiedades lubricantes; por tanto la calidad de estos aceites debe ser tal que no se quemen ni deterioren. Para ello se emplean los aceites minerales base, obtenidos del petróleo, mezclados con aditivos que mejoren sus cualidades. Estos aceites deben reunir las siguientes características:
Se define como la resistencia que opone un líquido a fluir por un conducto. Esta característica es muy importante en los aceites de engrase y debe ser la adecuada para que cumplan perfectamente la misión encomendada, ya que si el aceite es muy fluido llenara perfectamente los espacios y holguras entre las piezas en contacto, pero en cambio, debido a su excesiva fluidez, soportará con dificultad las cargas y presiones a que debe estar sometido y no eliminará los ruidos de funcionamiento.
Por el contrario, si el aceite es muy viscoso, soportará perfectamente la presión, pero fluirá mal por los conductos de engrase, llenará con dificultad el espacio entre las piezas y la bomba y necesitará, además un mayor esfuerzo para su arrastre, obligando a consumir mayor energía al motor y ocasionando un mayor calentamiento del mismo.
Fig. N° 73. Viscosidad de aceites
La viscosidad en los aceites de engrase se mide en grados Engler (°E) que relacionan la viscosidad de un líquido a una determinada temperatura con la del agua destilada, que se toma como unidad patrón. Para determinar la viscosidad en los aceites comerciales se emplea el viscosímetro de Engler, la operación consiste en determinar el tiempo que tarda en fluir por su tobera una cierta cantidad de aceite (unos 200cm3) a una determinada temperatura y compararlo con el tiempo que tarda en fluir la misma cantidad de agua destilada a 20 °C.
En la actualidad existe la tendencia a expresar la viscosidad cinemática de los aceites en centistokes (cSt) y para calcularla se utiliza un viscosímetro de caída de bola. Para viscosidades superiores a 50 cSt, los grados Engler y los centistokes se relacionan por medio de las fórmulas:
La temperatura de funcionamiento influye notablemente en los aceites de engrase haciendo que un aceite fluido por efecto del frío, se condense y un aceite viscoso, por efecto de la temperatura de trabajo en el motor, se vuelva fluido. Como los motores durante su funcionamiento trabajan con temperaturas extremas, desde el arranque a su temperatura normal de régimen, interesa que los aceites empleados mantengan su viscosidad sin variaciones sensibles con los cambios de temperatura, de forma que, en el arranque del motor se mantengan con la fluidez necesaria para evitar pérdidas de potencia por el arrastre del aceite, sobre todo en tiempo frío y que a su temperatura normal de régimen mantengan la viscosidad suficiente para no perder sus propiedades lubricantes.
Fig. N° 74. Viscosímetro de Engler
La propiedad de los aceites de mantener la viscosidad con la temperatura determina la calidad del mismo. Esta propiedad se identifica por su índice de viscosidad (V.I.) el cual se obtiene tomando como referencia los aceites base obtenidos en la destilación del petróleo y que reúnen estas características. Entre los aceites obtenidos del petróleo están los parafínicos, los cuales resultan estables con los cambios de temperatura. A estos aceites se les designa un índice (V.I. = 100) y a los aromáticos cuya variabilidad con la temperatura es grande, se les asigna un índice (V.I. = 0), según el porcentaje respectivo que entre a formar parte de un aceite comercial, se determina el índice de viscosidad o calidad del mismo. Normalmente este índice es mejorado con aditivos químicos que proporcionan índices muy elevados, V.I. > 100, permitiendo además aprovechar al máximo los aceites de mala calidad, como son los aromáticos y los nafténicos.
Esta propiedad se define como la capacidad que poseen los aceites de adherirse a las superficies que impregnan. Esta propiedad en los aceites permite mantener en las superficies de las piezas en movimiento una película constante de aceite, con lo que la lubricación de las mismas es permanente.
Se llama así a la temperatura más baja a la cual solidifica un aceite, la cual, como es lógico, varía con la densidad del mismo. Esta temperatura en los aceites comerciales debe ser lo más baja posible para que conserven la suficiente fluidez con temperaturas extremas de funcionamiento.
Se le denomina así a la temperatura mínima a la que se inflama los vapores de los aceites en contacto con un punto incandescente. El cual oscila alrededor de 240 a 300°C.
Es la capacidad que tienen los aceites de permanecer inalterables con el tiempo a la oxidación y a la descomposición. Los aceites minerales, al ser su composición a base de productos hidrocarburos, tienen a oxidarse y descomponerse con el tiempo. Para evitarlo, se añaden aditivos que retrasan la oxidación, permaneciendo largo tiempo estables en su uso y almacenamiento, con lo que se evitan los depósitos de sustancias gomosas en su descomposición que podrían obstruir los conductos de engrase.
Fig. N° 75. Estabilidad química
Indica el porcentaje de ácidos libres que contiene un aceite de engrase, que no debe exceder del 0,03% para evitar corrosiones, sobre todo en los cojinetes construidos a base de plomo, donde el ataque sería pernicioso para el motor. Las cenizas se presentan generalmente en los aceites de mala calidad, no debiendo exceder en los aceites empleados para motor del 0,02%.
Los aceites de engrase se clasifican generalmente por su densidad, sus cualidades de engrase y sus condiciones de servicio.
Los aceites de engrase se clasifican generalmente por su densidad o grado de viscosidad, la cual viene determinada actualmente por el sistema SAE abreviatura de Asociación Americana de Ingenieros del Automóvil, que unifica por grupos los diferentes tipos de aceites comerciales, numerados de 10 en 10 para indicar su menor o mayor densidad. Las categorías API CA, CB, CC, CD, CE están obsoletas actualmente. Actualmente se utilizan las categorías API CF, CF-2, CF-4, CG-4, CH-4, CI-4.
Cuadro N° 03. Densidad o grado de viscosidad
De esta clasificación resulta además los siguientes grupos, tal y como les conoce comercialmente:
Son aceites fluidos empleados para la lubricación del motor, con una densidad o grado de viscosidad que oscila desde el SAE 10 al SAE 7. Si además detrás del número lleva una letra W (por ejemplo SAE 60 W), esto indica que el aceite es un poco más fluido que los del grupo y se utiliza generalmente para zonas extremadamente frías.
Denominación SAE | VISCOCIDAD en °E a 50 °C | VISCOSIDAD en °E a 100 | FLUIDEZ |
10 20 30 40 50 60 70 | 3.1 a 4.2 4,2 a 6.4 6,4 a 9,3 9,3 a 11,6 11,6 a 18 18,8 a 24,8 24,8 a 32,3 | 1.4 a 1.6 1,6 a 1,8 1,8 a 2,1 2,1 a 2,3 2,3 a 3,0 3,0 a 3,5 3,5 a 4,1 | muy fluido fluido semifluido semidenso denso muy denso extra denso |
Cuadro N° 04. Densidad o grado de viscosidad
Dentro de esta denominación se hallan los aceites densos empleados en la lubricación de engranajes en general, tales como caja de cambios, diferenciales, etc. Las valvulinas abarcan los grupos SAE 80 a SAE 120.
Consisten en aceites minerales espesados con jabones, que se emplean para la lubricación estanca de cojinetes y rodamientos.
Los aceites de engrase se clasifican también por sus propiedades lubricantes, resultado de esta clasificación los siguientes tipos de aceites comerciales:
Es el aceite normal purificado, tal y como se obtiene del petróleo; es decir, sin aditivos químicos que mejoren sus cualidades lubricantes. Su viscosidad varía con la temperatura y tiene tendencia a la oxidación.
Es el aceite que resulta de mezclar el aceite regular con aditivos químicos en proporción inferior al 5% con el objetivo de mejorar su resistencia a la oxidación y corrosión, aumentando su grado de adherencia con aceites vegetales.
También denominado con las siglas (H.D.) además de anticorrosivo y antioxidante tiene la propiedad de limpiar las canalizaciones de la carbonilla, procedentes de la combustión, que se deposita en las paredes de las camisas.
Estos aceites abarcan varias denominaciones SAE y se comportan como varios aceites de un solo grado en cuanto a su viscosidad. Entre ellos está el aceite SAE 20 W 40, este tipo de aceite se adapta a todas las temperaturas comprendidas entre el SAE 20 y el SAE 50.
Son aceites del grupo SAE con aditivos de estos compuestos; se emplean generalmente en el rodaje de motores. Estos productos en contacto con las piezas a lubricar, hacen que su rodaje sea más suave y ejercen una acción de pulido en las mismas.
En la actualidad existe una tercera clasificación de los aceites empleados en motores de combustión interna, denominado sistema API (Instituto Americano del Petróleo), el cual los clasifica por sus condiciones críticas de trabajo. Este sistema clasifica a los aceites en los siguientes tipos:
Se emplean para motores en condiciones de servicio moderados y no tienen tendencia a la formación de depósitos ni lodos.
Estos aceites se emplean para motores en condiciones medias de funcionamiento con regímenes altos y fuertes cargas. En el empleo de estos aceites deben controlarse los depósitos de lodo y si existe corrosión.
Se emplean para motores en condiciones duras de funcionamiento que están sometidos a frecuentes arranques y paradas, arranques en fríos y circulación en trayectos cortos.
Sea cual fuere el tipo y calidad empleada, todos los aceites, con el tiempo, van perdiendo sus propiedades lubricantes, por lo que es necesario cambiar el mismo cada cierto número de kilómetros, recomendado por el fabricante del vehículo o bien siempre que el aceite que se vea que ha perdido sus propiedades de viscosidad y adherencia.
Los elementos del motor que están sometidos a fricción y que, por tanto se deben lubricar son: los pistones, cilindros, cojinetes de biela y bancada, el árbol de levas, los balancines y los engranajes de la distribución; esto se realiza por medio de un sistema de engrase instalado en el motor.
Fig. N° 76. Sistema de lubricación
Este sistema de engrase por salpicadura de aceite que actualmente en desuso, consistía en que las cabezas de las bielas llevaban unas pequeñas cucharillas con un conducto en el fondo que llegaba hasta el cojinete de biela, a través del cual y por los conductos del cigüeñal se lubrican los cojinetes de bancada y árbol de levas. Cuando la muñequilla estaba en el punto inferior, la cucharilla se sumergía en el aceite depositado en el cárter y, al ascender, se llevaba una pequeña cantidad de aceite que penetraba por el conducto de engrase del cojinete.
Fig. N° 76. Sistema de lubricación por barboteo
El resto del aceite por fuerza centrífuga del movimiento, era lanzado contra las paredes del cilindro y demás superficies externas en movimiento que, al escurrir, penetraba por unos conductos que llegaban hasta los cojinetes y árbol de levas. Como puede observarse, con este sistema, además de realizar un engrase imperfecto en los motores había que vigilar constantemente el nivel de aceite en el cárter, pues si éste bajaba lo suficiente para que la cucharilla no recogiera aceite, se quedaba completamente sin engrase.
Consiste en mandar aceite, por medio de una bomba, a todos aquellos puntos donde se necesita la lubricación, asegurando, de esta forma, la alimentación constante de aceite a los elementos anteriormente citados, para lo cual la bomba suministra el suficiente caudal a la presión requerida.
Actualmente utilizado en todos los motores modernos, consiste en combinar las ventajas del engrase a presión y barboteo (salpicadura de aceite), lubricando a presión los apoyos del cigüeñal, árbol de levas, cojinetes de biela y balancines y engrasado por barboteo los cilindros y superficies externas de los elementos en movimiento.
El circuito de engrase se realiza partiendo del aceite depositado en el cárter, el cual es aspirado por la bomba a través del colador o depurador de aceite, que lo manda a presión a través del filtro, a la canalización principal situada en el bloque por encima del cigüeñal. A través del canal interno de engrase, el aceite llega a los cojinetes de biela, siendo lanzado otra vez al cárter por los orificios de salida situados en los contrapesos del cigüeñal y pies de las bielas, en su movimiento de rotación. Esta expulsión por centrifugación forma una especie de niebla aceitosa que engrasa las paredes de los cilindros y el bulón del pistón, siendo vertido al cárter por su segmento de rascado o de engrase.
De la canalización principal parten también otras ramificaciones que envían el aceite a los apoyos del árbol de levas y al eje de balancines, que en su rebose engrasa las guías de válvulas y retorna al cárter por los orificios de las varillas empujadoras.
Los circuitos de engrase a presión, instalados actualmente en los motores están formados por una serie de elementos cuya misión es hacer que el aceite de engrase llegue, con la suficiente presión y limpieza, a los puntos a lubricar, manteniendo la circulación del mismo dentro de unos límites de fluidez para una mejor refrigeración de los elementos lubricados.
Los elementos empleados para mantener estas condiciones de engrase en el circuito son los siguientes:
Entre las bombas de engrase más utilizadas en la actualidad para motores de combustión interna están las siguientes:
Está constituida por una carcasa de aleación ligera, donde van alojados dos piñones engranados entre sí, de los cuales uno, el conducido, gira loco en su eje impulsado por el piñón conductor que recibe movimiento del árbol de levas o directamente de la distribución. En su movimiento, los piñones aspiran el aceite del cárter, a través del depurador por el orificio de entrada a la carcasa, el cual es comprimido contra las paredes de la misma y expulsando a presión por el orificio de salida, comunicado con la canalización principal de engrase del motor.
Fig. N° 77. Bomba de aceite
Está constituida por un cuerpo de bomba, donde se aloja un rodete provisto de una serie de entrantes interiores que engranan con los salientes del piñón y del cual recibe movimiento. Este piñón interior que tiene un saliente menos que el rodete, recibe movimiento del árbol de levas a través de un árbol acoplado al piñón por medio de una chaveta. Al girar los dos rotores (piñón y rodete) aspiran el aceite del cárter del orificio de entrada, y después de comprimirlo entre los dientes de los rotores, lo expulsan a presión por el orificio de salida.
Fig. N° 78. Bomba de aceite rodete
Está constituido por un engranaje central de dentado exterior y un engranaje exterior de dentado interior, divididos por una parte del material perteneciente a la carcasa cuyo diseño es en forma de Oz, siendo el engranaje impulsor el de la parte central, ambos engranajes desplazan el aceite de la cámara de aspiración a la cámara de impulsión efectuando una cavidad triangular formada por las paredes laterales de dos de sus dientes y la superficie cóncava o convexa del material fabricado en forma de Oz, de tal forma que el caudal proporcionado queda definido por las cavidades triangulares formadas entre dos de los dientes de cada engranaje de manera independiente, y la velocidad de giro del engranaje central.
Fig. N° 79. Bomba de aceite tipo OZ
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