El consumo de aceite en los motores estacionarios a gas es una función normal y necesaria para una operación saludable. Los fabricantes de motores a gas lo consideran en el diseño de sus motores, ya que se requiere una cantidad específica de consumo de aceite. Cada fabricante de motores tiene su propio rango de lo que es o no aceptable respecto a la tasa de consumo. La mayoría de los OEM (fabricantes de equipos originales) proporcionan un valor en g/ kWh, g/ hph o lb/ hph. En los motores modernos, las tasas de consumo de aceite de 0,05 a 0,15 g/ kWh son normales y tienden a aumentar a medida que el motor se acerca al intervalo de revisión planificado. Las tasas de consumo de aceite en motores con carga ligera suelen ser algo más altas.

La tasa de consumo de aceite también puede tener un impacto en la vida útil de servicio de un llenado de aceite. El bajo consumo de aceite puede significar poca reposición de aceite nuevo, lo que puede reducir la vida útil potencial del aceite. Un mayor consumo de aceite de motor aumenta la tasa de reposición de aceite nuevo, lo que puede ayudar a prolongar la vida útil del aceite, siempre que el mayor consumo de aceite no coincida con un mayor escape de gases.

El aceite consumido por el motor pasará a la cámara de combustión, donde se quema. Sin embargo, algunos aditivos que contienen metales son incombustibles y permanecen como cenizas. Por lo tanto, un mayor consumo de aceite da como resultado un mayor rendimiento de cenizas a través de la cámara de combustión y el sistema de escape del motor.

El aceite que entra en la cámara de combustión se quemará; sin embargo, algunos aditivos no se pueden quemar y permanecen como cenizas. Las cenizas de los aceites para motores estacionarios a gas a menudo se componen de calcio, magnesio, zinc, fósforo, boro y molibdeno que se usan en la química de aditivos detergentes y antidesgaste.

El consumo de aceite en combinación con el contenido de ceniza determinará el rendimiento total de cenizas a través de la cámara de combustión, el turbocompresor, los catalizadores de gases de escape y el calentador de recuperación de calor. Por lo tanto, los lubricantes para motores estacionarios a gas a menudo se clasifican según su contenido de ceniza. Hay aceites de motor a gas con el llamado contenido "bajo en cenizas" aproximadamente entre el 0,5 y el 0,6 % en peso de cenizas. Para los motores que necesitan más protección, hay disponibles aceites para motores a gas con un contenido de "ceniza medio", con niveles de ceniza hasta del 1,0 % en peso de ceniza.

EFECTOS BENÉFICOS DE LA CENIZA DE ACEITE LUBRICANTE

La razón principal por la que un aceite lubricante contiene aditivos que producen cenizas es el papel que desempeñan estos aditivos en la protección general del motor. Los aditivos que producen cenizas son:

• Aditivo detergente con exceso de base. Las sales básicas de este aditivo ayudan a neutralizar los ácidos provenientes de la combustión del combustible o del proceso de envejecimiento del aceite. Tales ácidos pueden causar un desgaste corrosivo de los componentes del motor si no se neutralizan con las sales básicas del aditivo. El detergente de este aditivo es necesario para que las sales básicas (inorgánicas) sean solubles en el aceite lubricante. La otra función de los detergentes es mantener limpio el motor.
• Aditivo antidesgaste. Este aditivo a base de zinc y fósforo brinda protección en caso de fricción mixta / lubricación límite o contacto de metal con metal, que puede ocurrir en muchos lugares del motor durante el arranque, pero también en el funcionamiento normal en el tren de engranajes y válvulas. El zinc y el fósforo permanecen presentes en forma activa en la ceniza del aceite lubricante.

La segunda función benéfica de las cenizas de aceite lubricante es la protección de las válvulas de escape. Se necesita una cantidad pequeña de flujo de aceite para la lubricación adecuada de los vástagos y guías de las válvulas de admisión y de escape. En el lado de admisión, el aceite que se filtra entre la válvula y la guía se transportará por el flujo de aire hacia la cara de la válvula y lubricará la superficie de asiento. Sin embargo, en el lado del escape, el aceite se quemará antes de llegar al asiento de la válvula. Por lo tanto, la superficie de asiento de la válvula de escape se lubrica con cenizas de aceite secas, que se originan del aceite lubricante quemado en la cámara de combustión. La ceniza que queda puede depositarse o sinterizarse en el asiento de la válvula y las superficies frontales para protegerlas del desgaste y la recesión. La figura 1 muestra una válvula de escape empotrada sin protección. La figura 2 muestra una válvula con pequeñas perlas de ceniza o motas en la superficie de asiento, lo que proporciona pruebas de una lubricación correcta en seco de la superficie de asiento, lo que evita la recesión de la válvula.

EFECTOS PERJUDICIALES DE LA CENIZA DE ACEITE LUBRICANTE

La ceniza del aceite lubricante quemado escapará en gran parte con los gases de escape; sin embargo, una fracción se depositará en los componentes de la cámara de combustión (figuras 3, 4). Los depósitos en la corona del pistón y la plataforma de disparo pueden aumentar la relación de compresión de un motor, lo que puede influir en las posibilidades de golpeteo (detonación). Golpear puede dañar gravemente el motor. Por lo tanto, se instalan sensores para detectarlo. Cuando se produce detonación, el sistema de control del motor primero retrasará el tiempo de encendido (lo que afectará de manera negativa la eficacia del motor) y, finalmente, reducirá la carga o apagará el motor por completo (lo que afectará de forma negativa la producción).

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

Los depósitos excesivos que se forman en los electrodos de las bujías pueden cerrar la brecha de la bujía, causando poca o ninguna chispa (suciedad de la bujía).

Mientras que se requiere un poco de ceniza para proporcionar una lubricación seca de los asientos de las válvulas, un depósito excesivo de cenizas en las superficies de los asientos de las válvulas de escape puede impedir el cierre completo de la válvula, lo que provoca que la válvula se queme.

Se pueden formar cenizas de aceite y depósitos de carbón en la parte superior del pistón. Cuando los depósitos de la parte superior del pistón crecen lo suficiente como para entrar en contacto con la pared del revestimiento, los depósitos perturban la película de aceite lubricante en el revestimiento y pueden frotar y desgastar el sombreado cruzado del revestimiento, lo que da como resultado un pulido del orificio. El espesor de la película de aceite en el régimen hidrodinámico es una función de velocidad x viscosidad/ carga x rugosidad de la superficie, por lo que cuando la rugosidad de la superficie disminuye (es decir, se desgasta la trama cruzada), esta superficie más lisa permite que se forme una película de aceite más gruesa. Debido a esto, el paquete de anillos transporta más aceite a la cámara de combustión, mientras que, al mismo tiempo, la película de aceite más gruesa no puede resistir la presión de combustión, lo que da como resultado un mayor escape de gases. A medida que avanza este mecanismo de desgaste, se crea una mayor formación de depósitos, lo que conduce a un mayor desgaste, más escapes y más consumo de aceite. Para reducir el pulido dañino de los orificios, los fabricantes modernos de motores a gas pueden usar un anillo antipulido. Un anillo antipulido es un anillo que se asienta en la parte superior del revestimiento que tiene una dimensión interior ligeramente más pequeña que el revestimiento. Este anillo limpia de forma continua la parte superior del pistón de cualquier depósito dañino al no permitir que el depósito de la parte superior se una a la pared del revestimiento y provoque el pulido del orificio. El efecto de esto es que el consumo de aceite no aumentará.

El depósito de ceniza suelta y las partículas de carbón del aceite base oxidado pueden regresar al cárter mediante escape. Por lo general, las partículas más grandes se filtran en los filtros de aceite principales y las partículas más pequeñas se eliminan a través del filtro centrífugo de aceite si el motor está equipado para ello.

En las aplicaciones de cogeneración, puede haber suciedad en el calentador, ya que el calentador está más frío que los gases de escape, lo que promueve la condensación de los vapores de aceite que capturan las cenizas de aceite. Un mayor consumo de aceite causará más suciedad en el calentador, lo que provocará que se recupere menos calor, lo que obligará a una limpieza más frecuente del calentador.

Muchos motores a gas están instalados con sistemas de reducción de emisiones de escape en forma de catalizadores para reducir las emisiones de CO y NOx. Los depósitos de cenizas de aceite pueden enmascarar la superficie reactiva del catalizador. La desactivación química también puede ocurrir debido a una reacción entre el catalizador y los diversos elementos que se encuentran en las cenizas del aceite lubricante, como el fósforo y el azufre. Esto da como resultado una conversión menos eficaz de las emisiones nocivas en los catalizadores de gases de escape. El aumento del consumo de aceite a menudo da como resultado una reducción de la vida útil del catalizador. El enmascaramiento por cenizas también puede provocar fallas en los sensores de emisión.

Lo anterior explica que el rendimiento de cenizas debe controlarse encontrando el equilibrio correcto entre el consumo de aceite y el contenido de ceniza de aceite. El objetivo es proporcionar un rendimiento suficiente de cenizas y garantizar la vida útil de las culatas de cilindros y, al mismo tiempo, mantener un rendimiento de cenizas lo suficientemente bajo como para evitar la suciedad excesiva de la cámara de combustión, el calentador de recuperación de calor y el catalizador de gases de escape, todo lo cual podría causar tiempo de inactividad del motor y costar mucho dinero rectificar.

Varios mecanismos pueden afectar el consumo de aceite en un motor estacionario a gas.

CONSUMO DE ACEITE A TRAVÉS DEL PAQUETE DE ANILLOS DE PISTÓN

En los motores modernos con bajo consumo de aceite, este mecanismo es la causa predominante del consumo de aceite.

Una consecuencia natural de una película de aceite en la pared del revestimiento es que algo de aceite entrará en la cámara de combustión a través del escape de aceite del paquete de anillos cerca del punto muerto superior.

Cuanto más gruesa es la película de aceite, más aceite transporta hacia arriba el paquete de anillos. Todo el aceite transportado por encima del punto muerto superior se pierde por medio de la inercia en la cámara de combustión y se quemará. Esto significa que para un buen sellado de la combustión y un bajo consumo de aceite, se desea una película de aceite delgada.

Sin embargo, para la protección contra el desgaste, se requiere cierto espesor de película de aceite. Por lo tanto, se debe identificar una solución donde la película de aceite sea lo más delgada posible, pero lo suficientemente gruesa para evitar el desgaste.

El espesor de la película de aceite varía a lo largo de la carrera del pistón. A mitad de carrera, la velocidad del pistón es alta y los anillos se desplazan sobre la superficie de la camisa en un régimen totalmente hidrodinámico. A medida que el pistón se desacelera y entra en cualquiera de las zonas de giro, el efecto hidrodinámico disminuye y los anillos del pistón comienzan a presionarse a través de la película de aceite. El efecto amortiguador evitará que los anillos lleguen al revestimiento antes de que el pistón comience a moverse nuevamente y los anillos vuelvan a entrar en el régimen hidrodinámico. El espesor mínimo requerido de la película de aceite está determinado por la cantidad de amortiguación que se necesita. En la práctica, un régimen de lubricación parcialmente inundado proporciona un efecto de amortiguación suficiente para evitar el anillo de punto muerto superior/ el desgaste del revestimiento y ayudará a mejorar el sellado de la cámara de combustión y reducir el desprendimiento de inercia (es decir, reducir el consumo de aceite).

A una determinada viscosidad del aceite y a una determinada temperatura del aceite y de la camisa, es el anillo de control de aceite, junto con el acabado de la superficie rayada de la camisa, lo que determina el espesor de la película de aceite en la camisa y, por lo tanto, el consumo de aceite del motor a través de la inercia. Como tal, el anillo de control de aceite prepara una película de aceite bien definida para que funcionen los otros anillos. Con un espesor de película de aceite dado, los perfiles de los anillos de compresión (cilindro asimétrico, trapezoidal), la rigidez y capacidad de flexión del anillo del pistón, la tensión radial del anillo y la presión del gas de combustión en la ranura del anillo determinan cuánto aceite se raspa hacia la cámara de combustión y se pierde a causa del lanzamiento inercial. El patrón de pulido de las paredes del cilindro ayuda a mantener delgada la película de aceite y reduce el desprendimiento por inercia. Para un diseño mecánico dado, un fluido de mayor viscosidad contribuirá a una película de aceite más espesa y conducirá a un mayor consumo de aceite. Los aceites de baja viscosidad y los aceites con un buen control de la viscosidad en funcionamiento pueden ayudar a mantener bajo el consumo de aceite a través de la descarga inercial.

RENDIMIENTO DE ACEITE A TRAVÉS DE LOS VÁSTAGOS DE VÁLVULA Y LOS SELLOS DE TURBOCOMPRESOR

Otro contribuyente al consumo de aceite es la pérdida de aceite, por ejemplo, entre el vástago de la válvula y las guías o a través de los sellos del turbocompresor. Sin embargo, la viscosidad también influye en esto de manera opuesta: Un aceite de baja viscosidad se escapa más fácilmente y puede resultar en un mayor consumo de aceite.

Los motores modernos están equipados con sellos de vástago de válvula que ayudan a medir la cantidad requerida de flujo de aceite en la grieta entre el vástago y la guía. Esto ayuda a evitar un consumo excesivo de aceite a través de los vástagos de las válvulas. Si los sellos y las guías de los vástagos de las válvulas se desgastan, la pérdida de aceite por fugas sobre los vástagos de las válvulas puede ser más significativa. También en diseños más antiguos sin sellos dosificadores, el consumo de aceite a través de los vástagos de las válvulas puede ser significativo. En casos de menor carga del motor, el arrastre de aceite a través de los vástagos de las válvulas puede ser más pronunciado debido a la menor presión del aire de carga o del múltiple de admisión; esta contrapresión reducida permite que el aceite fluya más fácilmente por la guía / el vástago. Para que los sellos de aceite del turbocargador funcionen bien, es necesario que el juego axial permanezca pequeño. Esto debe supervisarse durante el mantenimiento habitual.

FUGA INVERSA

El escape de aire inverso puede ocurrir cuando la presión en los bolsillos entre los anillos del pistón es más alta que la presión en la cámara de combustión, por ejemplo, a media carrera o hacia el final de la potencia / la carrera de expansión. La presión en la cámara de combustión ha caído debido a la expansión y la presión en las bolsas entre anillos se queda atrás. Esto puede ocurrir si dichas bolsas son relativamente grandes o si el motor funciona con carga parcial.

En tal caso, la presión entre anillos puede impulsar el aceite más allá del paquete de anillos y hacia la cámara de combustión, lo que contribuye al consumo de aceite. Una serie de medidas de diseño pueden ayudar a evitar el escape inverso. Por ejemplo, reducir el número de anillos de compresión a dos, reducir la altura de las zonas entre los anillos del pistón, dimensionar correctamente la ranura del anillo, etc.

VENTILACIÓN DEL CÁRTER

La ventilación del cárter puede ser una causa importante del consumo de aceite. Los gases de escape del cárter contienen neblina y vapores de aceite; por lo tanto, los sistemas de ventilación de gas del cárter están equipados con filtros tipo coalescedor para eliminar la neblina de aceite de los gases del cárter. Si dicho filtro está saturado o sobrecargado, los gases del cárter pueden escapar sin filtrar, lo que aumenta significativamente el consumo percibido de aceite del motor. Lo mismo puede suceder si la línea de drenaje del filtro está bloqueada, lo que detiene el flujo de retorno del aceite separado al sumidero.

VOLATILIDAD DEL ACEITE LUBRICANTE

En lo que respecta al aceite, los aceites de diferentes calidades, tipos de aceite base y viscosidades tendrán diferentes niveles de volatilidad cuando se exponen a altas temperaturas. Los aceites con mayor volatilidad perderán una fracción mayor debido a la evaporación, lo que contribuirá al consumo de aceite. Un aceite de motor a gas formulado con una base de destilación directa tendrá una ventaja sobre los aceites que usan una mezcla de bases más pesadas y más ligeras, ya que las fracciones más ligeras se evaporarán más fácilmente.

El consumo natural de aceite de un motor puede ser un criterio importante a la hora de seleccionar el aceite lubricante adecuado para el motor. Esto se debe a que el consumo de aceite determina el rendimiento de cenizas. Por ejemplo, considere un motor que consume 5 litros de aceite por día (4,4 kg/día). Suponiendo que se trata de un aceite bajo en cenizas que contiene un 0,5 % en peso de cenizas, aproximadamente 22 gramos de cenizas pasan a través de las cámaras de combustión cada día.

Si ese mismo motor consumiera 9 litros por día, esto significaría que aproximadamente 39 gramos de ceniza pasarían por el motor cada día.

Este mayor rendimiento de cenizas también podría lograrse de otra manera, por ejemplo, si el motor que consume 5 litros de aceite por día se lubricara con un aceite de cenizas medias que contenga un 0,9 % en peso de cenizas. Esto también se traduce en un rendimiento de cenizas de 39 gramos por día.

El mayor rendimiento de cenizas no es deseable por las razones mencionadas anteriormente, a menos que se requiera para proteger las válvulas de escape. La mayor protección de las válvulas de escape (y, por lo tanto, una mayor vida útil de las culatas) se compensa con los efectos perjudiciales de un mayor rendimiento de cenizas. Como se mencionó anteriormente, se debe tener en cuenta una mayor tasa de incrustaciones en la cámara de combustión y, por lo tanto, una limpieza más frecuente, el riesgo de mayores tasas de desgaste del revestimiento, una mayor tasa de incrustaciones en el calentador de recuperación de calor de escape y una vida útil reducida del catalizador.

Por lo tanto, el contenido de cenizas del aceite lubricante es una propiedad importante a tener en cuenta al seleccionar el aceite lubricante para un motor a gas.

El consumo de aceite es un gran indicador de la salud de un motor, especialmente del paquete de anillos de pistón y la camisa. En primer lugar, indicará el llenado de las ranuras del anillo superior con carbón, lo que perturbará el funcionamiento del anillo superior e inevitablemente provocará escapes y un mayor consumo de aceite. En segundo lugar, señalará el pulido del revestimiento: Cuando el patrón de pulido se desgasta debido a los depósitos de carbón en la parte superior del pistón, el espesor de la película de aceite aumentará y el consumo de aceite aumentará (figura 7). En tercer lugar, puede ayudar a indicar anomalías, como un anillo de pistón roto.

Una mayor tasa de consumo de aceite no solo significa un mayor gasto en aceite nuevo, sino que también significa un mayor rendimiento de cenizas, lo que deteriora la condición del motor y causa otros efectos perjudiciales como se discutió antes.

Por lo tanto, es fundamental controlar la tasa de consumo de aceite. Es ideal usar un medidor de aceite de flujo bajo diseñado para supervisar el caudal de relleno de lubricante, por lo general, montado después de los tanques de reposición de aceite nuevo y antes del controlador de nivel de aceite del motor. Este medidor debe leerse y registrarse a intervalos periódicos de horas de funcionamiento para documentar el consumo de aceite.

Es una buena práctica informar los volúmenes de relleno cuando se envía una muestra de aceite para su análisis. Cuando el muestreo de aceite se realiza a intervalos habituales de horas de funcionamiento, los volúmenes de relleno deben permanecer iguales. De esta manera, por ejemplo, se puede notar fácilmente un aumento en el consumo de aceite y se puede iniciar una investigación mediante una inspección boroscópica.

Este documento ha explorado los mecanismos del consumo de aceite en los motores a gas, incluidas las vías a través del paquete de anillos del pistón a través de la expulsión inercial y el paso inverso, los sellos del vástago de la válvula y del turbocompresor, la ventilación del cárter y la volatilidad del aceite lubricante. Hemos demostrado la influencia que juega el espesor de la película de aceite lubricante: una película de aceite más gruesa contribuye a que pase más aceite por el empaque del anillo y una película de aceite más delgada permite que pase más aceite a través del vástago de la válvula /interfaz de guía y sellos del turbocargador.

Para un motor estacionario a gas, elegir un lubricante con el nivel correcto de cenizas es muy importante para brindar suficiente protección al motor sin producir depósitos excesivos de cenizas. La cantidad total de ceniza que pasa a través de un motor no solo depende del contenido de ceniza de aceite, sino también en gran medida del consumo de aceite. Comprender y supervisar las tasas diarias de consumo de aceite brinda información crítica sobre la confiabilidad del motor y ayuda a identificar las condiciones que pueden contribuir al desgaste prematuro. Es una herramienta necesaria que complementa el análisis de aceite usado, el análisis de filtros y las inspecciones visuales.