Entre dos superficies en contacto y en movimiento relativo de una respecto a la otra se crea una fuerza, llamada rozamiento, que se opone al movimiento de ambas superficies. Eso quiere decir que cuando dos superficies tienen movimiento relativo hay una fuerza que lo impide. Esta fuerza está relacionada con las irregularidades de las superficies y con la atracción que ejercen los átomos de la capa superficial de cada uno de los materiales en contacto. Para evitar esta fuerza de rozamiento se interpone entre ellas una capa de lubricante, que disminuye enormemente la fuerza de rozamiento. Esta película de lubricante se divide en tres partes: dos, que quedan adheridas a cada una de las superficies en movimiento y otra intermedia que desliza entre ambas.
Con la lubricación se consigue, además de reducir el rozamiento, reducir el desgaste, evitar la corrosión, evacuar el calor producido en el rozamiento, eliminar las partículas que aparecen debidas al propio funcionamiento, limpiar las paredes de los cilindros de restos de carbonillas generadas en la combustión, amortiguar los golpes y reducir los ruidos.

¿Quieres saber más sobre motores de gas? Pincha aqui


1. Tipos de lubricación

Pueden distinguirse tres formas distintas de lubricación: lubricación hidrodinámica, lubricación límite o de contorno, y lubricación hidrostática.

En la lubricación hidrodinámica las superficies están separadas por una película de lubricante que proporciona estabilidad. La presión de lubricante necesaria la proporciona el movimiento relativo de cada una de las superficies. Cuando una superficie se desplaza respecto a otra y los planos no son paralelos y entre ellas se interpone una pequeña película de lubricante, se genera un gradiente de presión capaz de soportar cargas que actúen sobre las superficies y evitando que se toquen entre ellas. Es la lubricación que se da, por ejemplo, en un cojinete:

lhidrodin
Fig 1: Lubricación hidrodinámica en un cojinete de deslizamiento


Puede denominarse también lubricación de película gruesa, fluida, completa o perfecta.

En la lubricación límite la película de lubricante es tan fina que existe un contacto parcial metal-metal. Puede pasarse de lubricación hidrodinámica a límite por caída de la velocidad, aumento de la carga o disminución del caudal de aceite. En este tipo de lubricación (de película delgada, imperfecta o parcial) la composición química es mucho más importante que la viscosidad del lubricante.

La lubricación hidrostática consiste en la introducción de lubricante a presión entre dos superficies, creando una película lo suficientemente espesa como para que puedan deslizarse entre ellas, evitando el posible rozamiento y los daños que provocarían el calentamiento y el desgaste resultantes. El movimiento relativo entre las superficies puede ser muy lento y soportar grandes cargas. También puede emplearse agua o aire como lubricante.
En un cojinete, por ejemplo, pueden darse los tres tipos de lubricación:

- Lubricación hidrostática cuando está parado y se quiere arrancar. En ese momento se inyecta lubricante a presión que ‘eleva’ ligerísimamente el rotor para introducir una capa que facilite el arranque y minimice la fricción
- Lubricación límite. Durante el arranque o la parada la capa de lubricante se hace muy fina
- Lubricación hidrodinámica. Es la que se produce durante el funcionamiento a régimen normal

Tiposlubricacion.bmp

Figura 2: Tipos de lubricación


2. Características de los lubricantes

La característica más importante de un lubricante es la viscosidad, que se define como la resistencia que un fluido opone a cualquier movimiento interno de sus moléculas, dependiendo por tanto, del mayor o menor grado de cohesión existente entre estas. La viscosidad debe tener el valor apropiado, ya que si el aceite es muy fluido (baja viscosidad) llenará perfectamente los espacios y holguras entre las piezas en contacto, pero en cambio soportará con dificultad las cargas y presiones a que debe estar sometido y no eliminará los ruidos de funcionamiento. Por otro lado, si el lubricante es muy viscoso soportará perfectamente la presión, pero fluirá mal por los conductos de engrase, llenará con dificultad el espacio entre las piezas lubricadas y la bomba necesitará absorber mayor energía del motor.

La viscosidad, que se mide normalmente en grados Engler (ºE) se determina normalmente midiendo el tiempo que tarda en fluir 200 cm3 de aceite, y compararlo con el tiempo que tarda en fluir la misma cantidad de agua, todo ello a la temperatura de 20 ºC. Otra unidad de medida habitual es el centipoise y el centistoke. La Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE) establece una clasificación de lubricantes atendiendo a su viscosidad a -18ºC y a 100ºC, como se verá más adelante

Otras características del aceite lubricante son las siguientes:

ÍNDICE DE VISCOSIDAD: Se entiende como índice de viscosidad el valor que relaciona la variación de viscosidad del aceite con la temperatura. Siempre que se calienta un aceite, éste se vuelve más fluido, su viscosidad disminuye; por el contrario, cuando el aceite se enfría, se vuelve más espeso o sea su viscosidad aumenta. Dependiendo de las características del lubricante esta viscosidad puede ser mayor o menor
UNTUOSIDAD: La untuosidad es la propiedad que representa mayor o menor adherencia de los aceites a las superficies metálicas a lubricar y se manifiesta cuando el espesor de la película de aceite se reduce al mínimo, sin llegar a la lubricación límite.
DENSIDAD: Es el cociente de la masa y el volumen que ocupa, esto es la masa de un litro del mismo. Para los aceites lubricantes normalmente se indica la densidad a 15ºC.
PUNTO DE INFLAMACIÓN: El punto de inflamación de un aceite lo determina la temperatura mínima a la cual los vapores desprendidos se inflaman en presencia de una llama.
PUNTO DE COMBUSTIÓN: Si prolongamos el ensayo de calentamiento del punto de inflamación, notaremos que el aceite se incendia de un modo más o menos permanente, ardiendo durante unos segundos. Es entonces cuando se ha alcanzado el punto de combustión.
PUNTO DE CONGELACIÓN: Es la temperatura a partir de la cual el aceite pierde sus características de fluido para comportarse como una sustancia sólida.
ACIDEZ: Los diferentes productos terminados, obtenidos del petróleo bruto pueden presentar una reacción ácida o alcalina. En un aceite lubricante, una reacción ácida excesiva puede ser motivo de un refinado en malas condiciones. A esta acidez se le llama acidez mineral.
ÍNDICE DE BASICIDAD T.B.N: Es la propiedad que tiene el aceite de neutralizar los ácidos formados por la combustión en los motores. El T.B.N. (Total Base Number) indica la capacidad básica que tiene el aceite. Si analizamos un aceite usado, el T.B.N residual nos puede indicar el tiempo (en horas) que podemos prolongar los cambios de aceite en ese motor.
CAPACIDAD ANTIESPUMANTE: La formación de espuma consiste en la emulsión de aire en la masa de aceite, fenómeno indeseable porque perjudica la correcta formación de película lubricante y por tanto, afecta a las buenas cualidades lubricantes. La formación de espuma se evita adicionando sustancias antiespumantes que aumentan la tensión superficial del aceite.

CAPACIDAD DETERGENTE: En los motores se producen gran cantidad de residuos, como carbonillas y residuos inquemados, que se aglomeran y producen mal funcionamiento y rápido desgaste. Para evitarlo, se añade a los aceites productos detergentes que los mantienen en suspensión sin que se aglomeren
ESTABILIDAD QUÍMICA: Es la capacidad que tienen los aceites de permanecer inalterables a la oxidación y a la descomposición. Para mejorarla se usan aditivos.
DEMULSIBILIDAD: Es la mayor o menor facilidad con que el aceite se separa del agua.
COLOR y FLUORESCENCIA: Cuando observamos un aceite lubricante a través de un recipiente transparente el color nos puede dar idea del grado de pureza o de refino y la fluorescencia del origen del crudo.

3. Funciones del sistema de lubricación
Además de proporcionar una capa entre piezas móviles que evite los efectos del rozamiento, el sistema de lubricación tiene otras funciones secundarias:
- Facilitar el arranque en frío. Con el motor bien lubricado y con el aceite a la temperatura adecuada un motor debe arrancar en cualquier condición de clima o temperatura externa, y el aceite debe mantenerse lo suficientemente fluido como para llegar a todos los puntos que deben ser lubricados
- Refrigerar. El aceite del motor es el principal refrigerante de las piezas del motor
- Limpiar el motor internamente. Un buen lubricante de motor tiene un efecto de escoba. Arrastra al cárter partículas de carbón, hollín y otros residuos de la combustión. Esta suciedad se mezcla con el aceite del motor y es eliminada en cada cambio de aceite. En los motores diesel, con fuelóleo la cantidad de contaminantes de origen y formados en la combustión es tal, que es preciso hacer una depuración en continuo mediante centrífugas.
- Prevenir la oxidación. Un aceite formulado adecuadamente deposita una película química sobre las piezas del motor. De esta manera las aísla del agua como si fuera un escudo protector de los metales. Es como si plastificáramos las piezas de metal para evitar que tengan contacto con el agua. Así el motor queda protegido de la corrosión producida por la humedad.

4. Sustitución del aceite del motor

Se intenta que el aceite sea muy estable y en realidad en sí mismo apenas se degrada. Su vida es muy larga, y sin embargo, es necesario sustituirlo con frecuencia. Las dos razones que hacen que un aceite deba ser sustituido es la degradación de los aditivos que le confieren características especiales (mejora del índice de viscosidad, detergencia, untosidad, estabilidad química, capacidad antiespumante, basicidad, etc) y la contaminación con partículas extrañas (agua, polvo, metales, restos de carbonillas e inquemados que le confieren acidez, etc)

Cuando el depósito de aceite es pequeño, menor de 100 litros, el aceite se cambia con una periodicidad fija o por horas de funcionamiento. Pero cuando se trata de grandes cantidades, el aceite se analiza y se cambia cuando los resultados del análisis así lo aconsejan.

En motores de combustión, es el aumento de la acidez debida al paso de gases al cárter y la contaminación por metales y por carbonillas de características abrasivas lo que suele causar que el analista del aceite recomiende la sustitución.

5. Tipos de lubricantes

Los lubricantes tienen diversas clasificaciones: por origen, por viscosidad, etc.

Clasificación según su origen

- Aceites Minerales: Son productos derivados del petróleo. El petróleo crudo tiene diferentes componentes que lo hace indicado para distintos tipos de producto final, siendo el más adecuado para obtener aceites el crudo parafínico.
- Aceites Sintéticos: , Son aceites a medida, creados a partir de productos petrolíferos combinados con procesos en laboratorio. Al ser más largo y complejo su elaboración, resultan más caros que los aceites minerales.
Clasificación según su viscosidad

La Society of Automotive Engineers (SAE) establece tres tipos de lubricantes, según su viscosidad:

Aceites de motor: Son aceites fluidos empleados para la lubricación del motor, con un grado de viscosidad que oscila entre SAE 0W y SAE 70:

Grado SAE
Viscosidad Cinemática cSt @ 100°C

0W
3,8

5W
3,8

10W
4,1

15W
5,6

20W
5,6

25W
9,3

20
5,6 - 9,3

30
9,3 - 12,5

40
12,5 - 16,3

50
16,3 - 21,9

60
21,9 - 26,1

Dentro de estos aceites están los llamados aceites multigrado, que abarcan varias denominaciones SAE y se comportan como varios aceites de un solo grado en cuanto a su viscosidad. Por ejemplo, un aceite SAE 10W 50 indica que el aceite se comporta en frío como un SAE 10 y en caliente como un SAE 50 (la W proviene de winter, invierno)
Valvulinas: Son aceites densos empleados en la lubricación de engranajes en general. Las válvulinas abarcan los grupos SAE 80 a SAE 120

Grasas consistentes: Son aceites sólido, espesados con jabones, que se emplean para lubricación estanca de cojinetes y rodamientos.



6. Análisis de aceite de motor


Los parámetros que se analizan normalmente son los siguientes:

- Viscosidad. Es importante medir no sólo la viscosidad que tiene una muestra de aceite en un momento dado, sino que para poder valorar el análisis correctamente es necesario conocer los análisis anteriores y especialmente el análisis cuando el aceite estaba sin usar. Es importante también tomar la muestra del modo adecuado y que la temperatura esté próxima a la temperatura de trabajo del aceite
- Contenido en agua
- Contenido en combustible, sobre todo en el caso de empleo de combustibles líquidos (gasolina, gasoil, fuel-oil, biomasa líquida, aceites reciclados como combustibles, etc)
- Sales inorgánicas (sílice, carbonatos, cloruros)
Metales (hierro, cromo, plomo, cobre y estaño, principalmente)
- Indice de basicidad o Indice de acidez (TBN, TAN)
- Metales (hierro, cromo, plomo, cobre y estaño, principalmente)


A continuación se indican los ensayos más utilizados, el procedimiento usado y lo que se busca al hacer el análisis:

Viscosidad: se mide resistencia del aceite a fluir. El cambio de la misma en los aceites usados pone de manifiesto problemas de oxidación, presencia de agua, dilución por combustible, etc.

Determinación de contenido de agua (ASTM D-95): La presencia de agua puede indicar problemas vinculados al agua de refrigeración, condensación, fugas de agua, etc.

Determinación del TBN (ASTM D-2896): Mide la capacidad residual de aditivos básicos del lubricante que protegen al equipo de la corrosión.

Análisis de metales por Espectroscopia de Absorción Atómica. Existen tres fuentes que originan metales: metales de desgaste, aditivos y contaminantes:

- Metales de desgaste: Estos metales indican desgastes en componentes particulares de una unidad estudiada permitiendo evaluar el estado de los mismos (hierro, cromo, plomo, cobre y estaño, principalmente)
- Aditivos: Existen metales en numerosos paquetes de aditivos de lubricantes; la caída de concentración de los mismos dan una idea del deterioro de las propiedades del lubricante (Magnesio, Zinc, Calcio, etc.).
- Contaminantes: Contaminantes externos (polvo, tierra, refrigerante) pueden ser detectados de acuerdo a componentes metálicos presentes en los mismos, indicando un fallo en la estanqueidad del sistema lubricante (Silicio, Sodio, Aluminio, etc.).

Dilución por combustible por Cromatografía de gases (ASTM D-3524). El paso de combustible al aceite es frecuente en motores con problemas de mala relación aire/combustible por problemas de inyección, compresión, etc.
También una mala estanqueidad de los cilindros por desgaste excesivo o deterioro de los anillos rozantes del pistón, o incluso un rallado de los cilindros puede provocar una dilución del aceite.

Determinación de contenido de insolubles (insolubles en pentano y tolueno; ASTM D-893): Indica la presencia de contaminantes sólidos (productos de oxidación, hollín, contaminantes externos) e identificación de la naturaleza de los mismos.

Blotter test (Cromatografía de gota) Mediante una gota de aceite en un papel adecuado se obtiene una primera información cualitativa valiosa sobre el estado del mismo. Es un buen ensayo de autocontrol que puede efectuarse con facilidad y con un entrenamiento mínimo

Examen microscópico de cualquier partícula visible en la muestra o eventualmente en el filtro. La identificación cualitativa de la composición del metal revela componentes que están sufriendo el desgaste y el análisis morfológico sugiere modo y causa del mismo.


7. Partes del motor que deben lubricarse

En un motor alternativo las partes que suelen lubricarse son las siguientes:

- Pistones
- Cilindros
- Cojinetes de biela
- Cojinetes de bancada
- Cabezas de biela
- Árbol de levas
- Balancines
- Guías de válvulas
- Cojinetes del turbocompresor



8. Elementos que forman el sistema de engrase

Los antiguos sistemas de engrase por barboteo actualmente están en desuso. Consistían en que las cabezas de las bielas llevaban unas pequeñas cucharillas que se sumergían en el aceite y por fuerza centrífuga lo lanzaban contra las superficies internas impregnándolas y penetrando en conductos que lo llevaban hasta los cojinetes de bancada y del árbol de levas, para terminar en el cárter. Actualmente el sistema ha evolucionado hasta el denominado engrase a presión.

El esquema es el siguiente:

lubripresion.bmp

Figura 3: Esquema de lubricación a presión

El cárter constituye el almacén de aceite lubricante. Este aceite es aspirado por la bomba mecánica de engranajes, acoplada al eje del motor alternativo, que hace circular el aceite por el circuito. Tiene que atravesar un filtro grueso que evita que partículas gruesas estén en circulación, y que protege fundamentalmente la bomba. Tras ésta, está el filtro de aceite, que suele ser de papel y recubierto por una carcasa metálica, de paso mucho más fino que el anterior, y que permite la extracción periódica de los sólidos en suspensión. Un regulador ajustable, montado en paralelo con la tubería principal, hace que la presión en el circuito no pueda sobrepasar un cierto valor, recirculando una parte del aceite hacia el tanque. De la tubería principal salen ramificaciones hacia los diversos puntos que necesitan lubricación. Así, una parte va a los cojinetes del cigüeñal (cojinetes de bancada y de cabeza de biela), otra parte se pulveriza y en forma de nube lubrica las paredes de los cilindros. El segmento rascador o de engrase de los pistones lo barre de las paredes y lo hace retornar al cárter; otras ramificaciones de la conducción principal llevan el aceite hacia los apoyos del árbol de levas, eje de balancines y guías de válvulas, desde donde retorna al cárter; el pie de biela también es lubricada a presión, a través de un taladro que parte del cojinete de bancada; por último, también alcanza los cojinetes del turbocompresor, punto crítico de lubricación por las altas velocidades a las que gira.

Los principales elementos del circuito de engrase son los siguientes:

- Cárter.

Es el depósito de aceite, y se sitúa en la parte baja del motor. Este tipo de configuración se denomina de ‘cárter húmedo’, ya que la parte baja del motor actúa como almacén de aceite. En determinados motores alternativos usados en automoción se utiliza a veces el determinado ‘cárter seco’, en el que la parte baja no contiene aceite, sino que éste es conducido a un depósito situado en el exterior del motor (por problemas relacionados con el movimiento y con el centro de gravedad del vehículo. Estos problemas, por supuesto, no afectan al motor de gas de una planta de cogeneración). También existen algunos motores estacionarios de cárter seco, aunque no es en absoluto habitual.

- Bomba auxiliar o bomba de prelubricación.

Durante los arranques y las paradas, la bomba principal mecánica no es suficiente para asegurar la correcta lubricación, al estar accionada por el eje del motor, que está parado o a velocidad demasiado baja. Por ello, durante los arranques y las paradas el aceite es impulsado por una bomba de lubricación eléctrica auxiliar, hasta que el motor alcanza unas revoluciones determinadas, a las que la presión de la bomba principal es suficiente. En ese momento se produce la conmutación entre ambas.


- Bomba principal mecánica.

Se trata normalmente de una bomba de engranajes

lubriengranajes.bmp


Figura 4: Bomba de lubricación de engranajes

Una de las ruedas dentadas está acoplada al eje del motor, y gira con él. La otra es una rueda loca. La bomba aspira el aceite y lo impulsa con caudal y presión suficiente como para abastecer las necesidades de engrase del motor.

- Sistema de precalentamiento del aceite

Para asegurar que la temperatura del aceite, y por tanto su viscosidad, sean siempre las apropiadas, el cárter tiene unas resistencias eléctricas que precalientan el aceite y facilitan así el arranque en frío.


- Filtros

El sistema va equipado con dos tipos de filtros: un filtro grueso, metálico, cuyo fin es no dejar pasar la partículas de gran tamaño y proteger así la bomba de lubricación, y un filtro fácilmente cambiable, de papel protegido por una carcasa metálica que le confiere resistencia. Este filtro suele ir equipado con un medidor de presión diferencial, que indicará cuando el filtro está obstruido y necesita ser cambiado o limpiado.

- Medidores de presión.

Es un sistema compuesto de sensores de presión y transmisores o acondicionadores de señal, que informan al sistema de control de las presiones de aceite en diversos puntos del circuito

- Reguladores de presión.

La válvula reguladora de presión está colocada después del filtro y se encarga de descargar al cárter el aceite sobrante cuando la presión de aceite del circuito supera cierto valor. La presión de regulación puede ser ajustada en la propia válvula. Este sistema protege el circuito de sobrepresiones de aceite. La presión suele oscilar entre los 2 y 3 Kg/cm2 con el motor caliente y cerca de los 4 Kg/cm2 con el motor frío

- Sistema de refrigeración del aceite

El aceite, como hemos visto, tiene entre sus funciones la refrigeración de determinadas partes internas del motor. El calor que absorbe el aceite debe ser eliminado para evitar que la temperatura del mismo supere su rango óptimo de funcionamiento. Los motores de gas suelen ir equipados con un intercambiador aceite-agua de manera que el calor absorbido por el aceite pasa al circuito de refrigeración. Este circuito, como se verá más adelante, forma parte del circuito de refrigeración de baja temperatura, y el calor puede ser recuperado como calor útil o, más frecuentemente, ser evacuado a la atmósfera.

- Sistema de extracción de vahos

En todos los motores y especialmente en los motores que ya han perdido compresión, parte de los gases de combustión sin quemar o quemados pasan al interior del cárter, que al condensarse se mezclan con el aceite y hacen perder parte de sus cualidades lubricantes, pues aumentan su acidez. Además, genera una sobrepresión que afecta al rendimiento del motor, pues esa sobrepresión crea una fuerza que se opone al movimiento. Por esta razón, los motores alternativos de gas suelen trabajar con el cárter a presión inferior a la atmosférica, y utilizan un extractor para evacuar los gases que pueda haber en el cárter.

El sistema, además del propio extractor y sus filtros (para evitar que el aceite que arrastra ese vapor vaya a la atmósfera) tiene dos tipos de sensores: el sensor de presión, que indicará la presión de vahos en el interior, y un detector óptico de niebla. Cuando el aceite toca algún punto muy caliente, por ejemplo un cojinete en mal estado que se está calentando de forma excesiva, parte de los componentes del aceite se evaporan o combustionan formando una niebla que indica que el motor, en algún punto, presenta una temperatura excesiva.