Máquinas de Barcos: Conceptos sobre presión y caudal de aceite en un motor

Este es uno de los temas inevitables al hablar de lubricación en mantenimiento de maquinaria.
Es indudable que muchas de las personas que trabajan con distintos tipos de motores todavía asocian el concepto de buena lubricación con una alta presión de aceite reflejada en el manómetro de la unidad.

Preguntas!!!!

¿Es realmente perjudicial una baja presión para un motor Diesel?
¿Por qué no se preocupan por un exceso de presión?

Podemos imaginarnos un escenario con algunos interrogantes frecuentes cuando se produce una baja presión de aceite:

En un motor se usaba un aceite SAE 40 y se cambia por un SAE 15W-40

Por supuesto que ante este cambio la persona encargada de controlarlo se vuelve más celosa y "detallista" durante la operación de la maquina.
Nota una disminución de la presión de aceite, y esto le infunde el temor de que haya desgaste del motor y una falla mecánica prematura.

Él piensa: ¿será el aceite nuevo?

Vuelve a usar el SAE 40.
La presión aumenta.
Ahora se siente seguro con la alta presión medida, y sigue usando el aceite menos adecuado técnicamente.

¿Cómo le explicamos que esta observación es incorrecta?

En los pasos siguientes tratare de demostrar que:

1) Una menor presión de aceite no es necesariamente un mal síntoma; y de hecho es muy beneficiosa para cualquier motor Diesel que opere bajo condiciones normales.

2) La alta presión de aceite no es necesariamente un buen síntoma: es preocupante pues indica bloqueo de los conductos de lubricación o bien el uso de un lubricante muy viscoso, que fluye con dificultad, y no llega en las cantidades adecuadas a los puntos críticos del motor, sobre todo tras el arranque en frio.

Un esquema simplificado de lubricación de un motor

El aceite es "chupado" por la bomba a través de un filtro de malla de alambre y por el tubo de succión. Luego, la bomba fuerza al lubricante a través del enfriador de aceite y del filtro, para posteriormente distribuirlo a todo el motor por las galerías y conductos de alimentación. Así todas las partes móviles están continuamente lubricadas.
Generalmente se coloca el manómetro que mide la presión del sistema a la salida del filtro de aceite. Desde ese punto recibe la información el operador de la máquina.

REFERENCIAS:
0) Filtro de Malla (Chupador)
1) Cárter
2) Bomba de Aceite
3) Válvula de Alivio de la presión de aceite (by-pass)
4) Enfriador de Aceite
5) Válvula de alivio del filtro
6) Filtro de Aceite
7) Manómetro de presión de aceite
8) Cigüeñal
9) Galería Principal de Aceite
10) Pistones
11) Árbol de Levas
12) Toberas de lubricación de levas taqués
13) Turbo Compresor
14) Eje de balancín (Flauta)
15) Conductos de Aceite (para14)
16) Compresor de Aire
17) Conducto de Aceite (Para 11)
18) Bomba de inyección

Como se Origina la Presión del Aceite.

La presión es causada por la resistencia del aceite a fluir (viscosidad) bajo el efecto de empuje de la bomba. Por consiguiente, cuando se tienen venas de lubricación amplias y una aceite de baja viscosidad, el flujo es más rápido y la presión es menor, lo que es una condición deseable para minimizar el desgaste. Por otro lado, bajo las mismas condiciones de bombeo, con venas de lubricación estrechas (por diseño o por que estén bloqueadas), y un aceite de alta viscosidad, el flujo de aceite será más lento y la presión más alta, lo que resulta en una lubricación menos eficiente.
Por lo anterior, un buen aceite es aquel que tiene la viscosidad adecuada para proporcionar una adecuada lubricación hidrodinámica entre las superficies que se encuentran en movimiento proveyendo alimentación continua de un lubricante
a todas las partes del motor.
En un caso extremo, un aceite muy viscoso nunca lubricaría adecuadamente las partes críticas del motor, y como consecuencia un desgaste excesivo, perdida de potencia y mayores costos de mantenimiento.

El diseño de bomba más comúnmente usado es el de engranajes, que "transporta" la misma cantidad de aceite por cada vuelta que gira (por ello se la clasifica en la jerga técnica como de "desplazamiento positivo")

Veamos un esquema:

Es innegable la similitud del circuito de lubricación con el sistema circulatorio sanguíneo de nuestro mismo cuerpo (la bomba "es" el corazón, el filtro los riñones, etc.)
La pregunta que cabe hacerse entonces es: si para el cuerpo humano una alta presión representa un riesgo coronario, probabilidad de fallo cerebral, malestar general... ¿por qué deseamos para nuestro motor una alta presión?

Ahora es tiempo de plantear que el criterio fundamental para una buena lubricación en cualquier motor es Caudal de Aceite y NO Presión de Aceite.

Interpretación de la presión de aceite
Arranque en Frío
Cuando un motor arranca, todo el aceite se encuentra en el cárter y la presión es cero. La bomba no puede empezar a suministrar aceite o generar presión hasta que chupe el aceite frío del cárter a través del tubo de succión: la lubricación en frío es favorecida si se tiene un tubo de succión corto y amplio; y un aceite con buenas propiedades de flujo en frío tal como un aceite multigrado.
Cuando el aceite llega a la bomba, es forzado a pasar a través del filtro y luego por todo el motor. Sin embargo debido a que el aceite está todavía frío y las galerías de lubricación son estrechas, la circulación se hace lenta y por lo tanto la bomba desarrolla una alta presión. El manómetro registra un dramático incremento de la misma, se abre la válvula de alivio (by-pass) de la bomba, con lo que se reduce el caudal efectivo para el circuito de aceite.
Ni bien el aceite circulante se calienta, fluye más rápidamente y la presión baja a un nivel estable. Recién en este punto el motor está correctamente lubricado. Hasta este momento, el desgaste es elevado, debido al poco caudal de aceite que llega a las partes del motor más solicitadas. Bajo condiciones de arranque en frío, un buen aceite es aquél con el que se obtiene presión estable lo más rápido posible; y el aceite multigrado precisamente nace para este fin. Los aceites semisintéticos SAE 10W-40 y sintéticos SAE 5W-40 mejoran aún más este funcionamiento, con lo cual protegen a los motores más allá de las expectativas de los fabricantes.
Debe tenerse en cuenta que arranque en frío no significa sólo temperaturas bajo cero, el arranque a 20ºC también implica un desgaste acelerado (a esa temperatura un SAE 40 tiene unos 600 cSt de viscosidad, mientras que un multigrado SAE 15W-40 solo tiene 300 cSt, con lo que su velocidad de circulación es del orden del doble que la del monogrado).

Veamos el proceso Gráficamente

Nota: Este estudio se realizó en un motor Diesel ligero, con una temperatura de aceite de 60 ºC

Se representa en ordenadas la presión manométrica de distintos aceites, y en abscisas el caudal de aceite enviado por la bomba, en este caso en mililitros por minuto.
A medida que elevamos las vueltas del motor desde ralentí hasta 4000 rpm, se ve que la presión va en aumento para todos los aceites o sea el usuario ve un aumento en el indicador de la presión. Pero es totalmente distinto el comportamiento de un aceite SAE 40 vs. un aceite SAE 15W40. De hecho el usuario notará (según el estado del motor) que al pasar a usar un aceite SAE 15W-40, una merma de presión: en el gráfico se ve que a 4000 rpm hay una presión menor en unos 0,5 Kgr/cm2.

Pero recordemos el concepto fundamental:

Lo importante es el caudal de aceite y no la presión!

En el gráfico se refleja que a 4000 rpm el SAE 15W-40 tiene a su favor un aumento de 23 % en el caudal!!! O sea hay más aceite circulando por el motor ; y esto implica mayor protección frente al desgaste y un mejor enfriamiento de todas las partes del motor, en especial el interior de los pistones.
También queremos hablar aquí de los multigrados menos adecuados como los SAE 20W50, los cuales, como se ve en gráfico, se comportan en forma similar a un aceite monogrado SAE 40: por ello en climas templados el SAE 15W-40 es el mineral recomendado por todos los fabricantes de motores.

Bajo condiciones normales de operación, la presión de aceite debe ser estable y cualquier gran incremento o disminución de presión debe ser investigado por posibles fallas mecánicas

Causas Probables de Baja Presión en el circuito de Aceite

Bajo nivel de Aceite.

El aceite no llega hasta la bomba en el momento del arranque, en tiempo muy frío.

Bomba lenta para suministrar suficiente aceite.

Bomba desgastada.

Válvula de "by pass" trabada en posición "Abierta".

Resorte de la Válvula de "by-pass" flojo o roto.

Cojinetes desgastados. El aceite fluye a través de huelgos más amplios.

Contaminación con combustible.

Reducción de la viscosidad del aceite.

Elevación del nivel de aceite en el cárter.

Cárter sobrecalentado. (baja la viscosidad del aceite).

Causas Probables de Alta Presión en el circuito de Aceite

Arranque en frío por debajo de la temperatura recomendada para ese grado SAE. La presión permanece muy alta luego del arranque en frío por bastante
tiempo.

Válvula de "by-pass" de la bomba trabada en posición cerrada (por depósitos, etc), o mal ajustada en una reparación.

Aceite muy viscoso debido al hollín (efecto más crítico en los motores modernos con inyección retardada / control electrónico).

Aceite muy viscoso debido a oxidación/degradación por recalentamiento.

Selección de un aceite con viscosidad demasiado alta.

Filtro de aceite tapado. La válvula de “by-pass” permite el paso de aceite sin filtrar

Depósitos en los conductos de lubricación que reducen el pasaje efectivo (Esto se produce p.ej. después de cierto tiempo de uso con la válvula de "by-pass" del filtro abierta).

Aceite demasiado frío durante todo el funcionamiento del motor.

RESUMEN

1) La persona encargada del manejo del motor siempre está alerta frente a la baja presión, pero de hecho cualquier desviación por muy baja o alta comparada con la normal debe ser investigada (los cuadros anteriores son una buena guía).

2) Alta presión significa que el trabajo de la bomba para enviar la misma cantidad de lubricante a las piezas críticas del motor es mayor. Indica además una pérdida de potencia mecánica, que debe minimizarse (se desperdicia energía "empujando" a un fluido con demasiada fricción interna).

3) Alta presión de aceite no indica buena lubricación, de hecho es lo contrario.

4) Baja presión de aceite, dentro de los límites establecidos por el fabricante, significa que el lubricante está circulando rápidamente por todo el motor: esta es una condición óptima para reducir el desgaste y prolongar así la vida del motor.

5) Debe recordarse que la presión indicada por el manómetro no tiene relación alguna con la presión máxima de la película lubricante entre partes críticas.
La presión del manómetro sólo representa el esfuerzo que está realizando la bomba para hacer circular al lubricante, es decir, alimentar a cada parte del motor. Luego cada sistema debe estar diseñado para formar su propia película lubricante (que depende de cada temperatura local, velocidades relativas, juegos entre piezas, etc.).