Video resumen 1.9. Circuito de lubricación
En el motor del automóvil se genera el par transformando la energía de la combustión en movimiento.
Para lograr este resultado hay numerosos componentes implicados, que al funcionar friccionan entre sí generando grandes rozamientos con riesgos de desgastes sumamente rápidos, además de la merma de rendimiento.
Ya hemos visto en anteriores capítulos cómo funciona el motor y se genera el par y la potencia.
El circuito de lubricación está diseñado para reducir los rozamientos además de algunos aspectos adicionales que vamos a ir explicando.
Concepto de lubricación
Al funcionar el motor se generan roces entre los diferentes componentes, con bastante fuerza de fricción en muchos casos.
Si estos contactos móviles fuesen en seco se producirían desgastes casi instantáneos en algunos elementos, con desprendimiento de material y agarrotamiento por incremento de temperatura.
Además los excesivos rozamientos precisarían de más fuerza para lograr el movimiento.
Con la animación siguiente vemos a la izquierda el concepto de lubricación.
En el motor de la imagen, con cuatro cilindros en línea, la distribución es por válvulas laterales y dos árboles de levas (D)SV.
Los colectores de admisión y escape están en lados opuestos de la culata:
- El aceite está en el cárter del motor
- Desde el cárter ha de ser transportado y repartido a las zonas del motor que requieren ser lubricadas
Zonas del motor a lubricar
Estas son las principales zonas del motor a lubricar (la imagen derecha de la misma animación):
- Desde el cárter el aceite es repartido por el interior del motor
- Apoyos del cigüeñal en el bloque
- Apoyos de la biela en el cigüeñal y pistones (bulones)
- Árbol de levas y contacto con los elementos de accionamiento del las válvulas, empujadores o taqués, balancines,… (en este motor es por empujadores)
- Guías de válvulas; son los conductos por donde se desplazan las válvulas y su objetivo es evitar el paso de aceite a la cámara de combustión
- Pistón – cilindro; el control del rozamiento entre estos elementos por intermediación de los segmentos es trascendental en el funcionamiento del motor, que además ha de ser estanco para evitar que suba aceite y se pierda energía de la combustión
- Accionamiento de la distribución; si es mediante piñones (como en este motor) o cadena, pues si es con correa dentada ha de funcionar en seco
El objetivo resumido de la lubricación es intercalar una película de aceite entre los diferentes elementos que friccionan, con la presión, espesor y caudal adaptados con extrema precisión a las condiciones de trabajo para lograr reducir los desgastes y rozamientos.
Circuito de engrase y sus componentes
Con las dos animaciones siguientes se va a explicar el circuito de engrase detallando sus componentes y funciones.
En la primera animación se describen y se representa el recorrido del aceite y en la segunda se ve el motor funcionando, añadiendo detalles de lubricación.
Elementos del circuito de engrase (es un motor de cuatro cilindros en línea con árbol de levas en culata OHC y accionamiento por cadena):
- Se ha vaciado el aceite del motor y se pone de nuevo el tapón en el cárter
- Llenado de aceite por la tapa de culata
- Control del nivel con la varilla, ha de estar al máximo sin superar esta marca al hacer el cambio de aceite. Se cierra el tapón de llenado de aceite
- La bomba de aceite es accionada por el motor, en este caso está en el cigüeñal
- La bomba aspira el aceite desde el cárter por un succionador colocado al fondo del cárter, para poder tomar aceite aunque el nivel esté muy bajo
- El aceite succionado desde el cárter en enviado a presión por la bomba al filtro de aceite, que le limpia para evitar el paso de impurezas al circuito
- Desde el filtro el aceite continua hasta la rampa principal ,desde la que se distribuye a:
- Los apoyos del cigüeñal en el bloque. En este motor son cinco
- Distribución; las zonas de contacto del árbol de levas con los elementos de accionamiento de las válvulas, en este caso serian empujadores o taqués
- Este aceite que está en la culata lubrica el desplazamiento de las válvulas por sus guías
- Apoyos de biela en el cigüeñal; reciben el aceite desde un apoyo de bancada contiguo por conductos en el interior del cigüeñal
- Accionamiento de la distribución; pues en este motor es mediante cadena
- Testigo de presión mínima; en la rampa principal se ubica un sensor de presión de aceite, al llegar el valor previsto apaga el testigo correspondiente del cuadro de instrumentos
- Circuito de lubricación; se reproduce a continuación el recorrido del aceite desde el cárter a los elementos y zonas explicados
- Pistones – cilindros; el aceite que ha lubricado el cigüeñal y la culata cae de nuevo al cárter
- Al subir los pitones aspiran por debajo parte de este aceite que engrasa su contacto con los cilindros
- En la siguiente animación se ve con más detalle
Vemos en esta segunda animación del circuito de engrase con el motor en marcha:
- Al arrancar el motor y generar presión la bomba de aceite se apaga el testigo
- Se aprecia como baja el nivel de aceite en el cárter al estar circulando por el motor
- Se resalta en color rojo las zonas del motor que reciben aceite para su lubricación
- El aceite de retorno al cárter bajo los pistones es aspirado por estos para engrasar el contacto pistón – segmentos con las paredes de los cilindros
- En motores con valores elevados de par y potencia se incorporan inyectores de aceite a presión bajo los pistones; llega el aceite a presión a zonas muy calientes de los pistones con el objetivo de refrigerarlas, además de mejorar la lubricación del eje de giro de la biela en el pistón (bulón) y pistón con cilindro
- Se resalta seguidamente la función del segmento de engrase (se explicaron los segmentos en el capítulo 1.6.2. Motor de gasolina):
- El segmento de engrase tiene unos taladros que comunican su zona interior con la exterior
- Al subir el pistón aspira por debajo el aceite de retorno al cárter, que pasa a su interior
- Este aceite sale por los taladros al exterior del pistón generando la película intermediara con el cilindro
- Con los inyectores de aceite se potencia este efecto
La presión de aceite depende de varios factores, entre estos las características del aceite y la temperatura.
Con el aceite adecuado y a temperatura óptima de funcionamiento el valor a ralentí está en el entorno de 1 bar.
Al acelerar va subiendo la presión hasta que es limitada por una válvula de descarga en la bomba de aceite, con un valor de entre 3 a 5 bares.
Son datos genéricos.
La calidad de la lubricación se basa en las características del aceite y su estado.
En esto último es trascendental su limpieza.
Vamos a explicar las funciones que desarrollan el aceite y el elemento encargado de mantenerlo en las mejores condiciones durante su vida útil en el motor, el filtro de aceite.
El motor que nos va servir de guía en esta animación es de cuatro cilindros en línea, distribución con árbol de levas lateral y válvulas en culata OHV, con accionamiento por cadena y colectores de admisión y escape en el mismo lado de la culata:
Funciones del aceite
Reducir los rozamientos y desgastes:
- Al mantener una película de aceite entre las diferentes piezas que evitan el contacto directo metal – metal
Refrigerar las zonas calientes:
- El aceite en el cárter se enfría por efecto del aire de la marcha, al llegar a las zonas más calientes se produce un intercambio térmico complementario al efecto de lubricación
Facilitar el arranque:
- Una de las características del aceite es la untuosidad, capacidad de mantener impregnada la superficie de las piezas con el motor parado
- Así al poner en marcha el motor hay cierta cantidad de aceite para conformar una película de protección hasta que llega el aceite a presión impelido por la bomba
Reducir la corrosión:
- Con el motor parado la humedad ambiental llega al interior del motor y se va condensando agua en el cárter, ya veremos en otro capítulo que es la razón de cambiar el aceite por el tiempo transcurrido
- Si el agua es excesiva puede provocar oxidaciones además de perjudicar la calidad de lubricación
- También se produce oxidación al circular con temperatura excesivamente alta del aceite
- El aceite tiene capacidad de asumir cierta cantidad de humedad sin que afecte a su capacidad lubricante
Reducir depósitos:
- Los segmentos no logran estanqueizar completamente la cámara de combustión, ciertas partículas de residuos de combustión caen al cárter y son retiradas por el aceite para no afectar a la calidad del engrase
Estanqueidad de la cámara de combustión:
- Parte de la energía de la combustión se fuga hacia la parte baja del motor llegando al aceite, y son compuestos químicos agresivos
- El aceite colabora con la untuosidad para ayudar a la función de aislamiento de los segmentos con el cilindro
Evitar la formación de espuma:
- Los movimientos del aceite en el cárter por las oscilaciones del automóvil e inercias producen oleajes con el riesgo de que aparezca espuma
- Si sucede se pierde capacidad de lubricación
- El aceite tiene aditivos para evitar que se produzca este nocivo efecto
Mantener limpio el motor:
- El aceite, además de lubricante, es el transporte de las impurezas, residuos y componentes nocivos para depositarlos en el filtro antes de continuar su recorrido por el circuito de engrase del motor
Funciones del filtro de aceite
- Acumular impurezas; son transportadas por el aceite y se van acumulando en el filtro de aceite
- Tiene en su interior unas superficies porosas que permiten el paso del lubricante pero no de las impurezas
- Suministrar aceite limpio; el aceite que sale del filtro hacia la rampla principal ha de ser limpio para poder realizar correctamente sus funciones
Para que el aceite desarrolle sus funciones según las previsiones de diseño del motor ha de estar a la temperatura adecuada.
Los valores óptimos medios de temperatura del aceite están entre 90º y 120º.
Cuando más se desgasta un motor es durante el arranque en frío y periodo de calentamiento, hasta que el aceite llega a 90º la lubricación no es la adecuada.
Por encima de 120º la presión de aceite va bajando.
Según el tipo de aceite puede mantener sus cualidades lubricantes a temperaturas bastante más elevadas de los 120º reduciendo el riesgo de oxidación y caída de presión.
Detalles del nivel de aceite
Con el automóvil en marcha las oscilaciones de la carrocería y las inercias provocan desplazamientos del aceite en el interior del cárter.
Es sumamente importante que el sistema de succión esté siempre sumergido en el aceite, pues de no ser así tomaría aire la bomba con graves riesgos para la integridad el motor.
Entre los sistemas que existen para evitar estos efectos representamos dos en la animación siguiente:
- Motor de la izquierda (4 cilindros en línea OHC y accionamiento por correa en seco); cárter tabicado para reducir los efectos de movimientos del aceite
- Motor de la derecha (4 cilindros en línea OHC y accionamiento por cadena); cárter con cámara de seguridad, es una zona más profunda en la que se sitúa el succionador
- Con el cárter seco se asegura la lubricación en cualquier circunstancia y condición de marcha
- Control del nivel de aceite; el motor ha de estar parado al menos media hora para que haya caído al cárter todo el aceite
- El nivel ha de estar entre el mínimo y el máximo
- El piso dónde esté el automóvil ha de ser plano, para evitar que la inclinación altere la medición (he utilizado para esta animación la imagen de un Mercedes S Coupé con motor de 8 cilindros en V DOHC y accionamiento por cadena)
- Es frecuente que se cuente con información de nivel de aceite del motor en el cuadro de instrumentos, se ha representado mediante círculos de color naranja
- Si baja el nivel de aceite se van sustituyendo los círculos por guiones
La cantidad de aceite en el cárter ha de estar comprendida entre las marcas de mínimo y máximo en la varilla de nivel.
Si está bajo el mínimo, el tiempo que está el aceite refrigerándose en el cárter es más reducido al haber menos cantidad, y tiene además menor capacidad de transportar impurezas al filtro, además se corre el riesgo de se quede al aire el succionador.
Si el nivel está por encima del máximo se producirá espuma y puede que el cigüeñal bata el aceite, lo que provocaría aún más espuma.
La presión bajo los cilindros aumentará en exceso con riesgo de fugar aceite al exterior del motor y que suba a la cámara de combustión.
Necesidad del cambio del aceite y filtro
El aceite va perdiendo sus cualidades como lubricante con los kilómetros y paso del tiempo, por eso la preconización de los periodos de cambio contempla los dos aspectos.
Anticipamos las razones resumidas que determinan la sustitución del aceite y filtro (he seleccionado un Mini clásico, con la particularidad de que en este automóvil el motor y la caja de cambios – diferencial van lubricados conjuntamente por el mismo aceite):
Necesidad del cambio de aceite
- Pérdida de cualidades; por la merma de capacidad lubricante, la dilución de combustible es una de las principales causas
- Defectos de engrase; a causa de la pérdida de cualidades de lubricación
- Riesgo de oxidación; por la excesiva acumulación de humedad
- No mantener el motor limpio; el aceite hace una función detergente en el interior del motor, si no es capaz de desarrollarla se va ensuciando el motor
Necesidad de cambio del filtro de aceite
- Saturación de impurezas; al filtro tiene una capacidad de acumular impurezas, suciedad y residuos, si se satura no puede asumir más
- Paso de aceite sucio; al estar el filtro de aceite saturado impediría la circulación del aceite, para que no suceda se abre una válvula que permite el paso del aceite sucio desde la bomba a la rampa principal, es mejor lubricar con aceite sucio que no hacerlo
Resumen de este módulo
Con la siguiente animación repasamos lo explicado.
- Lubricar es intercalar una película de aceiten entre los elementos que friccionan entre sí; apoyos del cigüeñal en el bloque, apoyos de biela, pistón – segmentos – cilindro, guías de válvulas, árbol de levas – válvulas y accionamiento de la distribución si es con piñones o cadena
- Circuito de engrase; el aceite del cárter es succionado por la bomba, enviado al filtro y después a la rampa principal
- Desde esta se reparte a los elementos del motor a lubricar
- Funciones del aceite; reducir rozamientos y desgastes (por la intermediación de la película de aceite), refrigerar las zonas calientes (el aceite está más frío en el cárter), facilitar el arranque (por la impregnación de aceite sobre las superficies de fricción, untuosidad), reducir la corrosión (capacidad de asumir cierta cantidad de humedad), reducir los depósitos (trasportándolos al filtro), colaborar en la estanqueidad de la cámara de combustión (por el efecto de la untuosidad), evitar la formación de espuma (por los aditivos antiespumantes del aceite) y mantener limpio el motor (hacer de transporte de las impurezas para que queden depositadas en el filtro)
- Funciones del filtro de aceite; acumular impurezas (sin que continúen al circuito) y suministrar aceite limpio al motor
- Las funciones del aceite y del filtro se mantienen durante el recorrido y tiempo previstos de cambio
- Si se supera alguno de los dos aspectos se corre el riesgo de perder capacidad de lubricación del motor, con los riesgos que conlleva
- Control de nivel de aceite; con el motor parado al menos media hora y en piso plano
- Número de apoyos de bancada; el cigüeñal gira sobre su eje asentado en varios apoyos sobre el bloque, apoyos de bancada.
- En el motor de cuatro cilindros en línea, que estamos utilizando hasta ahora básicamente en este módulo, puede tener tres o cinco apoyos de bancada.
- En las imágenes de los motores de la derecha se ve; en la parte superior un motor OHC con cinco apoyos de bancada y en la inferior un motor OHV con tres apoyos de bancada.
- Con más apoyos menos vibraciones y desgastes.
En los apoyos de bancada y biela hay unos casquillos intermediarios en contacto con el aceite.
Estos casquillos, de bancada y biela, tienen capacidad de mantener cierta cantidad de aceite con el motor parado para tener algo de engrase durante el arranque del motor.
Si se enciende el testigo de presión de aceite con motor en marcha, la falta de engrase supone una avería muy grave en pocos segundos, comenzando generalmente por los apoyos de biela en el cigüeñal, fundiéndose sus casquillos.
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