Circuito de Lubricación de un Motor Marino: Componentes y Recorrido del Aceite
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The circuito de lubricación de un motor marino es el conjunto de equipos, tuberías, válvulas y conductos internos encargados de almacenar, impulsar, acondicionar y distribuir el aceite lubricante hasta los componentes del motor que necesitan una película de aceite para funcionar correctamente.
En un motor diésel marino, el lubricante no se limita a reducir la fricción entre piezas. También interviene en la refrigeración de cojinetes y pistones, evacuación de partículas, protección de superficies metálicas y control térmico del propio motor.
Por este motivo, el circuito debe garantizar de manera continua un caudal, presión, temperatura y grado de limpieza adecuados, incluso cuando cambian las condiciones de carga del motor.
En este artículo estudiaremos principalmente la configuración física del circuito, sus componentes y el recorrido que realiza el aceite.
Este artículo forma parte de la serie dedicada a los sistemas de lubricación de motores marinos. Para comprender previamente las funciones generales del sistema y los fundamentos sobre los que trabaja, consulta Sistema de Lubricación de un Motor Marino: Fundamentos y Funcionamiento.
1. Introducción
Los motores marinos contienen numerosos elementos sometidos simultáneamente a cargas elevadas, movimiento relativo, presión y temperatura.
Cojinetes de bancada, muñequillas del cigüeñal, cojinetes de biela, árboles de levas, mecanismos de válvulas, turbocompresores y, dependiendo del diseño del motor, pistones y crucetas necesitan recibir aceite de forma continua.
Una interrupción importante del suministro puede destruir en poco tiempo la película lubricante que mantiene separadas las superficies metálicas.
Pero disponer de aceite dentro del motor no es suficiente.
El sistema debe ser capaz de:
- Recoger o almacenar el lubricante;
- Aspirarlo sin interrupciones;
- Impulsarlo y establecer la circulación;
- Mantener su temperatura dentro del rango requerido;
- Eliminar partículas y contaminantes;
- Distribuirlo a los distintos puntos de lubricación;
- Evacuar parte del calor absorbido;
- Gestionar adecuadamente su retorno, drenaje o renovación según el tipo de sistema.
En los circuitos de system oil y en la mayoría de sistemas de lubricación del motor, este proceso se desarrolla mediante un circuito de recirculación del lubricante, en el que el aceite es recuperado, acondicionado y utilizado nuevamente.
En otros sistemas específicos, como la lubricación de cilindros de determinados motores marinos de dos tiempos, el lubricante puede trabajar mediante una configuración de pérdida total o once-through, como veremos más adelante.
En los sistemas marinos, además, la fiabilidad condiciona considerablemente el diseño. Por eso es frecuente encontrar bombas, filtros, enfriadores u otros equipos configurados de manera que sea posible mantener el suministro aunque un elemento deba quedar fuera de servicio.
The normativa SOLAS especialmente el Capítulo II-2 relativo a la prevención de incendios, establece requisitos de seguridad aplicables a la disposición, almacenamiento, distribución y utilización de aceites empleados en sistemas de lubricación a presión. Entre otros aspectos, exige adoptar medidas para reducir el riesgo de que una fuga de aceite procedente de bombas, filtros, calentadores u otros componentes pueda entrar en contacto con superficies calientes o fuentes de ignición dentro de los espacios de máquinas.
2. Cómo Funciona el Circuito de Lubricación de un Motor Marino
Aunque existen importantes diferencias entre motores, el principio general puede resumirse mediante la siguiente secuencia:
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Esquema simplificado del circuito de lubricación de un motor marino, mostrando el recorrido del aceite desde el cárter o tanque de circulación a través del colador de aspiración, la bomba de aceite, el control de temperatura, el enfriador, el filtro y la galería principal, con distribución hacia cojinetes, pistones y turbocompresor, y su posterior retorno al sistema.
El aceite se encuentra inicialmente en el cárter o tanque de circulación.
Desde allí es aspirado por una bomba que proporciona el caudal necesario para mantener la circulación.
Posteriormente pasa por los equipos destinados a controlar su temperatura y grado de limpieza, normalmente un enfriador y un sistema de filtración.
Una vez acondicionado, el aceite entra en la galería principal de lubricación del motor, desde donde se distribuye mediante diferentes ramificaciones hacia los elementos que necesitan lubricación.
Entre ellos pueden encontrarse:
- Cojinetes principales;
- Cojinetes de biela;
- Árbol de levas;
- Tren de válvulas;
- Engranajes;
- Turbocompresor;
- Mecanismos de cruceta;
- Sistemas de refrigeración de pistones.
Después de cumplir su función, gran parte del aceite retorna por gravedad hacia el cárter o tanque de circulación.
El ciclo comienza nuevamente.
3. Componentes Principales del Circuito de Lubricación
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Esquema simplificado del circuito de lubricación de un motor marino, mostrando el recorrido del aceite desde el cárter o tanque de circulación a través del colador de aspiración, la bomba de aceite, el control de temperatura, el enfriador, el filtro y la galería principal, con distribución hacia cojinetes, pistones y turbocompresor, y su posterior retorno al sistema.
3.1 Cárter y Tanque de Aceite
Uno de los primeros elementos que debemos diferenciar es dónde se encuentra almacenado el lubricante mientras permanece dentro del circuito.
Dependiendo del diseño podemos encontrar un sistema basado en un cárter húmedo o un sistema en el que existe un tanque de circulación independiente.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Comparativa técnica entre un sistema de lubricación con cárter húmedo y un sistema con tanque de circulación independiente, mostrando el almacenamiento del aceite, la bomba, el enfriador, el filtro, el retorno del lubricante y el sentido de circulación hacia los principales puntos de lubricación del motor.
3.1.1 Cárter Húmedo
En un sistema de cárter húmedo, el aceite que abandona los distintos componentes del motor cae hacia la parte inferior y se acumula directamente en el cárter.
La aspiración de la bomba se realiza desde ese volumen de aceite.
Es una solución relativamente compacta y permite integrar almacenamiento y recogida dentro del propio motor.
3.1.2 Tanque de Circulación
En instalaciones de mayor tamaño puede existir un tanque independiente, frecuentemente situado por debajo del motor.
El aceite procedente del motor drena hasta este tanque y desde allí vuelve a ser aspirado por las bombas.
Separar físicamente el almacenamiento del aceite del cuerpo del motor ofrece importantes posibilidades de tratamiento, circulación y gestión del lubricante.
La configuración concreta depende del tipo y diseño de la instalación.
3.2 Colador de Aspiración
Antes de entrar en la bomba puede existir un colador o strainer de aspiración destinado a impedir que partículas relativamente grandes alcancen la bomba y otros componentes.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Representación técnica de un colador de aspiración instalado antes de la bomba de aceite en un sistema de lubricación marino, mostrando la malla interior, la retención de partículas de mayor tamaño y el efecto de una obstrucción sobre el flujo de aspiración.
Su posición en la línea de aspiración hace que deba ofrecer una resistencia al paso del aceite lo más reducida posible. Por este motivo, el diseño del colador busca un equilibrio entre capacidad de retención y superficie de paso suficiente para no limitar innecesariamente el caudal disponible hacia la bomba.
Un colador excesivamente obstruido aumenta la pérdida de carga en aspiración y puede perjudicar el funcionamiento de la bomba. Si la restricción se vuelve importante, la presión disponible en la entrada disminuye y pueden aparecer problemas de alimentación, reducción de caudal e incluso condiciones desfavorables para la aspiración de la bomba.
Por ello, el estado del colador debe formar parte de las inspecciones periódicas del sistema de lubricación. Su limpieza y revisión permiten detectar además la presencia de residuos anómalos dentro del circuito, aunque el análisis detallado del estado del aceite y de las partículas presentes corresponde a técnicas específicas de análisis de lubricantes.
3.3 Bombas de Aceite Lubricante
La bomba constituye uno de los elementos fundamentales del circuito.
Su función no consiste simplemente en producir presión.
La bomba debe proporcionar el caudal necesario para hacer circular el aceite a través de todo el sistema, venciendo las pérdidas de carga existentes en tuberías, filtros, enfriadores y galerías internas.
La presión observada en el circuito aparece como consecuencia de esa circulación frente a las distintas resistencias del sistema.
Dependiendo del diseño del motor y de la instalación pueden emplearse distintos tipos de bombas volumétricas.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica sobre los principales tipos de bombas volumétricas empleadas para aceites lubricantes en aplicaciones marinas, incluyendo bombas de engranajes, rotor o gerotor, tornillo y paletas, además de una configuración con bomba principal y bomba de reserva para aportar redundancia al sistema.
3.3.1 Bombas de Engranajes
Las bombas de engranajes son bombas volumétricas ampliamente utilizadas para la circulación de aceites.
Están formadas básicamente por dos engranajes que giran dentro de una carcasa.
Cuando los dientes se separan en la zona de aspiración aumenta el volumen disponible y se produce la entrada del aceite.
El fluido queda atrapado entre los dientes y la carcasa y es transportado hacia la zona de descarga.
Cuando los engranajes vuelven a engranar, el volumen disponible disminuye y el aceite es impulsado hacia la salida.
Su construcción relativamente sencilla y robusta las hace especialmente adecuadas para trabajar con lubricantes.
3.3.2 Bombas de Rotor
También pueden utilizarse bombas basadas en un rotor interior y otro exterior dispuestos excéntricamente, como ocurre en determinadas configuraciones tipo gerotor.
Durante el giro se forman cámaras cuyo volumen aumenta en la zona de aspiración y disminuye progresivamente hacia la descarga.
Esta variación de volumen produce el desplazamiento continuo del lubricante.
3.3.3 Bombas de Tornillo
The bombas de tornillo constituyen otra solución utilizada para el trasiego y circulación de aceites en instalaciones marinas.
El fluido queda confinado en cavidades formadas entre los tornillos y la carcasa y avanza axialmente desde la aspiración hacia la descarga.
Entre sus características destaca la posibilidad de proporcionar un caudal continuo con pulsaciones reducidas, circunstancia especialmente interesante cuando se manejan lubricantes.
Dependiendo de la instalación pueden utilizarse como bombas de circulación, bombas independientes o en determinados servicios auxiliares asociados al sistema de lubricación.
3.3.4 Bombas de Paletas
Las bombas de paletas utilizan un rotor excéntrico provisto de paletas móviles que forman cámaras de volumen variable durante la rotación.
Pueden emplearse para el manejo de aceites, aunque no constituyen la solución más habitual en los circuitos principales de lubricación de grandes motores marinos.
Su presencia depende del diseño concreto y del servicio al que se destinen.
3.3.5 Bombas Principales y de Reserva
La denominación principal y de reserva no describe un principio constructivo de bomba, sino una configuración de redundancia del sistema.
En instalaciones marinas resulta habitual que determinados servicios esenciales dispongan de una bomba en funcionamiento y otra preparada para entrar en servicio si la primera falla o debe quedar fuera de operación.
Ambas bombas pueden ser del mismo tipo constructivo y estar conectadas a colectores comunes de aspiración y descarga.
De esta forma, el mantenimiento o fallo de una unidad no implica necesariamente la pérdida inmediata del suministro de aceite.
La disposición concreta, el modo de arranque de la bomba de reserva y las condiciones de transferencia entre ambas deben comprobarse siempre en el esquema y manual del motor instalado.
3.4 Bomba de Prelubricación
En motores que permanecen detenidos durante cierto tiempo, parte del aceite situado en cojinetes y conductos puede regresar al cárter.
Arrancar el motor en estas condiciones supondría comenzar el movimiento antes de haber establecido plenamente la circulación de lubricante.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Esquema técnico del sistema de prelubricación de un motor marino, mostrando el recorrido del aceite desde el cárter o tanque, a través del colador de aspiración, la bomba auxiliar, el filtro, el bypass del enfriador y la válvula de retención, hasta las galerías principales del motor y su posterior retorno al tanque.
Por este motivo muchos motores incorporan una bomba de prelubricación independiente.
Su función consiste en hacer circular aceite antes del arranque para:
- Llenar galerías;
- Establecer presión mínima previa al arranque
- Suministrar aceite a los cojinetes;
- Reducir el tiempo durante el cual las superficies trabajan sin una película hidrodinámica completamente establecida.
La lógica de operación, enclavamientos y secuencia de arranque la desarrollaremos en la tercera parte de esta serie.
La presión mínima depende del fabricante.
3.5 Válvula de Alivio y Regulación de Presión
Las bombas volumétricas pueden seguir desplazando aceite incluso cuando aumenta considerablemente la resistencia del circuito.
Si la descarga quedase bloqueada, la presión podría alcanzar valores peligrosos.
Para evitarlo se utilizan válvulas de alivio o seguridad.
Cuando la presión supera el valor establecido, la válvula abre un paso alternativo permitiendo recircular parte del caudal.
Dependiendo del diseño, el aceite puede retornar:
- Hacia la aspiración de la bomba;
- Hacia el cárter;
- Hacia otro punto del circuito.
No debe confundirse esta protección con el control normal de presión del sistema.
3.6 Enfriador de Aceite Lubricante
El aceite absorbe calor de cojinetes, pistones y otros componentes.
Si ese calor no se elimina, aumenta la temperatura del lubricante y disminuye su viscosidad.
Por ello el circuito incorpora habitualmente un heat exchanger.
En aplicaciones navales resulta especialmente habitual utilizar un circuito de agua de refrigeración para retirar el calor del aceite.
3.6.1 Intercambiador Agua – Aceite
Los dos fluidos circulan separados por superficies metálicas a través de las cuales se produce la transferencia térmica.
El agua y el aceite no deben entrar en contacto directo.
Dependiendo de la instalación pueden encontrarse diferentes configuraciones de intercambiador.
El aceite cede calor al circuito de refrigeración del buque y continúa posteriormente hacia el motor.
3.6.2 Regulación de Temperatura
No interesa enfriar el lubricante indiscriminadamente.
Una temperatura excesivamente baja puede elevar demasiado su viscosidad, mientras que una temperatura elevada puede reducirla y acelerar procesos de degradación.
Por este motivo el sistema suele incorporar una válvula termostática o circuito de bypass capaz de modificar cuánto aceite atraviesa el enfriador.
El objetivo es mantener una temperatura de suministro estable dentro del rango definido para el motor.
3.7 Filtros de Aceite
La circulación continua del aceite transporta partículas procedentes de:
- Desgaste;
- Productos de combustión;
- Degradación del propio lubricante;
- Mantenimiento;
- Contaminación externa.
Los filtros tienen la función de retirar partículas antes de que vuelvan a alcanzar cojinetes y otros componentes sensibles.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica sobre filtros de aceite en el sistema de lubricación de un motor marino, mostrando los contaminantes que transporta el aceite, la filtración full-flow, la configuración de filtro duplex, los sistemas automáticos de retrolavado y la interpretación de la presión diferencial del filtro.
3.7.1 Filtración Full – Flow
En una configuración full-flow, todo el caudal destinado al motor atraviesa el filtro antes de entrar en la galería principal.
Esto permite mantener un nivel de limpieza adecuado en el aceite suministrado.
3.7.2 Filtros Duplex
Una configuración especialmente interesante en aplicaciones navales es el filtro duplex.
Está formado por dos cuerpos de filtración conectados mediante un sistema de válvulas.
Mientras uno permanece en servicio, el otro puede permanecer disponible.
Esto permite cambiar de cuerpo filtrante cuando aumenta la presión diferencial o cuando debe realizarse una limpieza, sin interrumpir necesariamente el suministro de aceite al motor.
3.7.3 Filtros Automáticos
En instalaciones de mayor capacidad también pueden encontrarse filtros con sistemas automáticos de limpieza o retrolavado.
Su objetivo es retirar los contaminantes acumulados manteniendo la continuidad del servicio.
Más adelante desarrollaremos específicamente los filtros de aceite duplex en buques dentro del cluster de Lubricación y Tribología.
3.8 Presión Diferencial del Filtro
La restricción que genera un filtro aumenta a medida que acumula contaminación.
Por este motivo resulta especialmente útil medir la diferencia entre:
presión de entrada – presión de salida
Esta magnitud recibe el nombre de presión diferencial.
Un incremento importante puede indicar que el elemento filtrante está acumulando suciedad y ofrece una resistencia excesiva al paso del aceite.
La interpretación concreta debe realizarse utilizando los límites establecidos para cada sistema.
3.9 Tuberías, Colectores y Galerías de Lubricación
Una vez acondicionado, el aceite debe llegar hasta todos los elementos del motor.
Podemos distinguir de forma general entre:
3.9.1 Tuberías Externas
The tuberías externas conectan los distintos equipos que forman parte del circuito de lubricación y permiten transportar el aceite entre ellos de forma continua.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Representación técnica de las tuberías externas del sistema de lubricación de un motor marino, mostrando la conexión entre el tanque de aceite, la bomba, las válvulas, el enfriador, el filtro, el motor y el sistema de tratamiento del lubricante.
A diferencia de las galerías internas mecanizadas dentro del bloque del motor, estas conducciones discurren por el exterior y enlazan elementos como:
- Bombas;
- Enfriadores;
- Filtros;
- Válvulas;
- Tanques de aceite;
- Motor;
- Sistemas de tratamiento y depuración.
Además de transportar el lubricante, estas líneas deben mantener unas condiciones adecuadas de caudal y presión, minimizando pérdidas de carga innecesarias y evitando restricciones que puedan afectar al suministro de aceite.
Por este motivo, su diseño tiene en cuenta factores como el diámetro de las tuberías, la longitud del recorrido, el número de codos, válvulas y accesorios, así como la viscosidad y temperatura del aceite durante la operación.
Las uniones suelen realizarse mediante bridas, racores y conexiones desmontables, facilitando las tareas de inspección, mantenimiento y sustitución de equipos. También pueden incorporarse puntos de medida para controlar presión, temperatura o presión diferencial en determinadas zonas del circuito.
En instalaciones marinas es igualmente importante disponer las tuberías de forma que queden correctamente soportadas y protegidas frente a vibraciones, esfuerzos mecánicos y posibles fugas. Una pérdida de estanqueidad en una línea de aceite a presión no solo puede comprometer la lubricación del motor, sino que también puede representar un riesgo importante dentro de la sala de máquinas.
El recorrido exacto de estas tuberías varía según el diseño del motor y de la instalación, por lo que siempre debe comprobarse en el esquema específico del sistema de lubricación del buque.
3.9.2 Galerías Internas
Son conductos practicados dentro de la estructura del propio motor.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica de las galerías internas de lubricación de un motor marino, mostrando la distribución del aceite desde la galería principal hacia cojinetes de bancada, cigüeñal, muñequillas, cojinetes de biela, árbol de levas, engranajes y mecanismos auxiliares.
Distribuyen el aceite desde la galería principal hasta componentes como:
- Cojinetes de bancada;
- Cigüeñal;
- Bielas;
- Árbol de levas;
- Engranajes;
- Mecanismos auxiliares.
La lubricación del cigüeñal representa un buen ejemplo.
El aceite llega a presión al cojinete principal y, mediante conductos internos, puede continuar hacia las muñequillas y cojinetes de biela.
Estas galerías permiten transportar lubricante hasta zonas que de otro modo serían difíciles de alcanzar mediante tuberías externas.
3.10 Instrumentación Básica del Circuito
Aunque la operación y las alarmas se desarrollarán en la siguiente parte, resulta necesario conocer los puntos básicos de instrumentación porque forman parte física del circuito.
Entre las variables más importantes encontramos:
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica sobre la instrumentación básica del circuito de lubricación de un motor marino, mostrando los principales puntos de medición de presión, temperatura, nivel y presión diferencial, así como su integración en sistemas de automatización, alarmas y protecciones.
3.10.1 Presión
Permite comprobar que existe una alimentación adecuada hacia el motor.
Los puntos exactos de medición dependen del diseño.
3.10.2 Temperatura
Se mide habitualmente en puntos relevantes de entrada y/o salida para evaluar el estado térmico del sistema.
3.10.3 Nivel
El cárter o tanque de circulación necesita mantener suficiente volumen de aceite para evitar pérdida de aspiración y permitir un funcionamiento estable.
3.10.4 Presión Diferencial
Se utiliza especialmente para controlar filtros y otros componentes que pueden aumentar progresivamente su resistencia al paso del aceite.
Estos valores pueden ser utilizados por el sistema de automatización para generar alarmas, activar equipos de reserva o iniciar protecciones.
3.11 Separadora Centrífuga de Aceite
El filtro instalado en la línea principal y una separadora centrífuga realizan funciones diferentes.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Representación técnica de una separadora centrífuga de aceite lubricante en una instalación marina, mostrando la entrada de aceite contaminado, el tambor centrífugo, la separación de agua y sólidos, la descarga de lodos y la salida del aceite limpio hacia el sistema de lubricación.
La separadora permite realizar un tratamiento más profundo del lubricante mediante la aplicación de fuerza centrífuga.
La diferencia de densidad existente entre aceite, agua y determinadas partículas permite favorecer su separación.
De esta forma puede retirarse del sistema:
- Agua;
- Sólidos;
- Lodos;
- Determinados contaminantes.
Normalmente la separadora trabaja dentro de un circuito de tratamiento asociado al sistema principal, y no necesariamente procesando todo el caudal que va directamente hacia los cojinetes.
Esta distinción es importante:
El filtro protege continuamente el circuito principal, mientras que la separación centrífuga contribuye al acondicionamiento y mantenimiento de la calidad del volumen total de lubricante.
Las recomendaciones técnicas de CIMAC sobre tratamiento del lubricante en motores diésel marinos consideran precisamente la contaminación, los sistemas de tratamiento y las consecuencias de una depuración inadecuada como elementos relevantes para conservar el aceite en servicio.
4. Recorrido del Aceite por el Motor
Una vez identificados los componentes podemos seguir el recorrido completo del lubricante.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica del recorrido del aceite en un motor marino, mostrando la aspiración desde el cárter o tanque de circulación, la impulsión mediante bomba, la regulación térmica, la filtración, la entrada a la galería principal y la distribución interna hacia cojinetes, árbol de levas, tren de válvulas, turbocompresor y pistones, así como el retorno del lubricante por gravedad al cárter.
4.1 Aspiración
El ciclo comienza en el cárter o tanque de circulación.
La bomba aspira el aceite, normalmente a través de un colador que impide la entrada de contaminantes de gran tamaño.
Debe existir una columna de aceite suficiente y unas condiciones de aspiración adecuadas para evitar problemas en la bomba.
4.2 Impulsión
La bomba incrementa la energía del fluido y establece la circulación.
A partir de este punto el lubricante debe vencer las pérdidas de carga del circuito.
La válvula de alivio protege la descarga frente a incrementos excesivos de presión.
4.3 Regulación Térmica
El aceite pasa por el sistema encargado de mantener su temperatura.
Cuando es necesario retirar calor, parte o la totalidad del caudal atraviesa el enfriador.
Cuando el aceite todavía está frío, el sistema puede derivar una mayor proporción a través de un bypass.
4.4 Filtración
Antes de llegar a los componentes críticos, el aceite atraviesa el sistema de filtrado.
El objetivo es evitar que partículas circulantes alcancen las superficies sometidas a pequeñas tolerancias y elevada carga.
4.5 Galería Principal
Una vez acondicionado, el aceite llega a la «main lubricating oil gallery« o galería principal.
Esta actúa como colector desde el que parten diferentes ramificaciones.
Desde aquí comienza la distribución interna por el motor.
4.6 Cojinetes de Bancada y Cigüeñal
Los cojinetes principales reciben aceite a presión.
El lubricante forma una película entre el muñón del cigüeñal y la superficie del cojinete.
Cuando las condiciones de velocidad, carga, geometría y viscosidad son adecuadas puede establecerse un régimen de lubricación hidrodinámica, en el cual las superficies quedan separadas por la película de aceite.
La teoría que explica este fenómeno, así como viscosidad, fricción y regímenes de lubricación, pertenece al campo de la tribología y se desarrolla en Lubricantes Marinos: Tribología, Propiedades y Regímenes de Lubricación.
4.7 Cojinetes de Biela
Desde los cojinetes principales o mediante conductos específicos, el aceite puede alcanzar los cojinetes de biela.
Debido a las cargas alternantes existentes durante el ciclo del motor, mantener correctamente la película lubricante resulta especialmente importante.
4.8 Árbol de Levas y Tren de Válvulas
Dependiendo de la arquitectura del motor, el aceite también se distribuye hacia:
- Cojinetes del árbol de levas;
- Rodillos;
- Balancines;
- Engranajes;
- Otros elementos del mecanismo de distribución.
La disposición concreta varía significativamente entre motores.
4.9 Lubricación del Turbocompresor
El eje del turbocompresor gira a velocidades muy elevadas.
Sus cojinetes necesitan un suministro de aceite capaz de proporcionar tanto lubricación como evacuación de calor.
Según la instalación, el turbocompresor puede recibir aceite desde el sistema de lubricación del motor o disponer de una configuración específica.
Este componente tendrá posteriormente un artículo propio dentro del cluster debido a sus particularidades.
4.10 Refrigeración de Pistones Mediante Aceite
En numerosos motores el lubricante cumple también una importante función como medio refrigerante del pistón.
El aceite puede dirigirse hacia la parte inferior del pistón mediante conductos o boquillas.
Allí absorbe calor procedente de la corona y posteriormente retorna al sistema.
Esta función explica por qué, al analizar el balance térmico del circuito de lubricación, el calor retirado de los pistones puede representar una carga importante para el enfriador.
4.11 Retorno
Después de atravesar los diferentes puntos de lubricación, el aceite pierde presión y retorna fundamentalmente por gravedad.
El flujo termina nuevamente en:
- El cárter;
- Un colector de drenaje;
- El tanque de circulación,
dependiendo del diseño del motor.
A partir de ahí vuelve a comenzar el ciclo.
5. Circuito de Lubricación con Cárter Húmedo
En un sistema de cárter húmedo, la zona inferior del motor funciona simultáneamente como punto de recogida y almacenamiento operativo del lubricante.
El proceso simplificado sería:
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Esquema simplificado de un circuito de lubricación con cárter húmedo en un motor marino, mostrando la aspiración del aceite desde la parte inferior del propio motor, su impulsión mediante bomba, el paso por el sistema de regulación térmica, enfriador y filtro, la alimentación de la galería principal y la distribución hacia los principales puntos de lubricación, con retorno final por gravedad al cárter.
La bomba aspira directamente el aceite acumulado en la parte inferior.
Tras atravesar los equipos de acondicionamiento, el lubricante llega a las galerías del motor.
Después de lubricar y refrigerar los distintos componentes, vuelve a caer al cárter.
Ventajas
Entre sus características destacan:
- Instalación relativamente compacta;
- Menor número de tanques externos;
- Circuito conceptualmente sencillo;
- Retorno directo por gravedad.
Limitaciones
La disposición del aceite está directamente ligada a la geometría y condiciones del cárter.
Además, la capacidad de almacenamiento disponible depende del propio diseño del motor.
En determinadas aplicaciones marinas se necesitan configuraciones más complejas para garantizar circulación, tratamiento y capacidad de aceite.
6. Circuito de Lubricación con Cárter Seco
El término cárter seco no significa que no exista aceite en la zona inferior del motor.
Significa que el cárter no funciona como depósito principal del sistema.
Después de lubricar y refrigerar los distintos componentes, el aceite se recoge en la parte inferior del motor y se conduce hacia un tanque de circulación independiente, desde el que vuelve a ser aspirado por las bombas del sistema.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Esquema simplificado de un circuito de lubricación con cárter seco en un motor marino, mostrando el tanque de circulación independiente, las bombas principal y de reserva, el enfriador, el filtro dúplex full-flow, la distribución del aceite hacia el motor y el retorno por drenaje al tanque, además del circuito auxiliar de tratamiento mediante separadora centrífuga.
Dependiendo del diseño de la instalación, el retorno hacia el tanque puede realizarse por gravedad, mediante colectores de drenaje o mediante sistemas específicos de evacuación, por lo que no debe asumirse una única configuración para todos los motores.
Esta arquitectura permite separar claramente:
Motor of almacenamiento y tratamiento del lubricante.
En instalaciones marinas de gran tamaño esta separación facilita integrar elementos como:
- Tanques de circulación;
- Bombas principal y de reserva;
- Equipos de tratamiento;
- Separadoras centrífugas;
- Sistemas de reposición;
- Colectores de drenaje;
- Diferentes circuitos auxiliares.
El tanque de circulación suele disponerse de forma que facilite la recogida del aceite procedente del motor y proporcione unas condiciones adecuadas de aspiración para las bombas.
La configuración exacta, incluyendo la disposición de bombas, filtros, enfriadores, drenajes y equipos de tratamiento, depende del diseño del motor, del buque y de la planta propulsora.
7. Lubricación en Motores Marinos de Cuatro Tiempos
En un motor de cuatro tiempos, un mismo sistema de aceite puede atender numerosos componentes.
En la siguiente imagen nos centramos en el conjunto piston – camisa que desarrollamos más en profundidad en el artículo: Segmentos del Piston de Motores Marinos
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica sobre la lubricación en motores marinos 4T de pistón de tronco, mostrando cómo el aceite del sistema general llega al conjunto pistón-camisa, la función del segmento de control de aceite, el equilibrio entre lubricación y consumo de aceite, el retorno del lubricante hacia el interior del motor y las consecuencias de un control deficiente del exceso de aceite sobre la camisa.
De forma general, el lubricante puede dirigirse hacia:
- Cojinetes principales;
- Cigüeñal;
- Cojinetes de biela;
- Pistones;
- Árbol de levas;
- Tren de válvulas;
- Engranajes;
- Turbocompresor.
El aceite destinado a los cojinetes debe mantener una película capaz de soportar las cargas generadas durante la combustión.
Simultáneamente, el aceite empleado para refrigerar pistones absorbe una importante cantidad de calor.
Por este motivo el sistema no puede dimensionarse observando únicamente las necesidades de lubricación.
The caudal total también está condicionado por las necesidades de refrigeración.
Tras recorrer los componentes, el aceite retorna al sistema y vuelve a ser acondicionado.
8. Lubricación en Motores Marinos de Dos Tiempos
En grandes motores de dos tiempos de cruceta aparece una diferencia fundamental respecto a muchos motores de cuatro tiempos.
No todo el motor utiliza necesariamente el mismo sistema de lubricación.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica sobre la lubricación en grandes motores marinos de dos tiempos y cruceta, mostrando la inyección directa del aceite de cilindros sobre la camisa, la distribución de la película lubricante por acción del pistón y los segmentos, la condición de sistema de pérdida total, la importancia de la dosificación y las consecuencias de una lubricación insuficiente o excesiva.
Podemos encontrar dos funciones claramente diferenciadas:
- Lubricación del sistema interno del motor;
- Lubricación de cilindros.
El sistema interno suministra aceite a elementos como:
- Cojinetes de bancada;
- Cojinetes y mecanismos asociados a la cruceta;
- Cigüeñal;
- Sistemas auxiliares;
- Refrigeración del pistón (dependiendo del diseño).
Por otro lado, las camisas y segmentos necesitan un sistema específico de lubricación de cilindros.
Esta separación está relacionada con las condiciones completamente diferentes que existen en ambas zonas del motor.
CIMAC dispone precisamente de recomendaciones diferenciadas para la lubricación de motores diésel marinos de dos tiempos, lo que refleja la importancia técnica de distinguir ambos sistemas.
9. System Oil y Cylinder Oil: Dos Funciones Diferentes
En motores de dos tiempos de cruceta resulta fundamental no confundir ambos lubricantes.
Source: Elaboración propia de Ingeniero Marino. Infografía técnica comparativa de los circuitos de system oil y cylinder oil en un motor marino de dos tiempos de cruceta, mostrando el circuito cerrado del system oil para cojinetes, crucetas y mecanismos, y la lubricación dosificada del cylinder oil hacia la camisa y los segmentos mediante quills o inyectores, sin retorno al tanque principal.
9.1 System Oil
The system oil circula dentro de un circuito cerrado.
Se recupera, filtra, acondiciona y vuelve a utilizar.
Entre sus funciones puede encontrarse la lubricación de:
- Cojinetes;
- Crucetas;
- Mecanismos;
- Determinados sistemas auxiliares.
* En la infografía, el aceite no retorna al circuito de system oil. Parte se consume y parte puede evacuarse como cylinder drain oil.
9.2 Cylinder Oil
The cylinder oil trabaja directamente sobre la camisa y los segmentos del pistón.
Se introduce de forma controlada mediante lubricadores y puntos de inyección denominados «quills», distribuidos alrededor de la camisa, de forma que el lubricante pueda extenderse sobre la superficie de trabajo durante el movimiento del pistón y los segmentos.
Su misión es proporcionar lubricación en una zona sometida a:
- Elevadas temperaturas;
- Productos de combustión;
- Altas presiones;
- Desgaste entre segmentos y camisa;
- Condiciones químicas particulares derivadas del combustible y de la combustión.
A diferencia del system oil, se trata fundamentalmente de un sistema once-through o de pérdida total.
El aceite de cilindros dosificado sobre la camisa no retorna al tanque principal para ser acondicionado y reutilizado como ocurre con el system oil. Parte del lubricante se consume durante el proceso de lubricación y combustión, mientras que otra parte puede ser evacuada como cylinder drain oil o scrape-down oil, junto con residuos y productos procedentes de la zona de camisa y segmentos.
Precisamente por esta razón, el aceite drenado de los cilindros puede proporcionar información útil sobre el estado de desgaste y las condiciones de lubricación del conjunto camisa – segmentos.
La selección, alcalinidad, dosificación y estrategia de alimentación del cylinder oil constituyen por sí mismas un tema suficientemente amplio como para desarrollarlo de forma independiente.
Dentro del cluster de Lubricación y Tribología se desarrollarán específicamente:
- Aceite de Cilindros y System Oil en Motores Marinos de Dos Tiempos
- Lubricación de Cilindros en Motores Marinos de Dos Tiempos
De esta forma podemos estudiar esta tecnología en profundidad sin desviar el objetivo del presente artículo.
10. Relación entre el Circuito y el Estado del Lubricante
Un circuito correctamente diseñado no puede compensar indefinidamente un lubricante en mal estado.
Del mismo modo, utilizar un aceite adecuado no solucionará los problemas provocados por una bomba defectuosa, un filtro saturado o un enfriador incapaz de retirar suficiente calor.
El aceite y el circuito forman un sistema conjunto.
Propiedades como la viscosidad afectan directamente a:
- La formación de la película lubricante;
- Las pérdidas de carga;
- La presión observada;
- El comportamiento de bombas;
- El flujo a través de cojinetes.
Por esta razón, para comprender el comportamiento físico y químico del lubricante conviene continuar con Lubricantes Marinos: Tribología, Propiedades y Regímenes de Lubricación.
Además, durante el servicio el lubricante puede proporcionar información valiosa sobre lo que está ocurriendo dentro del motor.
Cambios de viscosidad, entrada de agua, combustible, productos de degradación o partículas metálicas pueden ayudar a identificar alteraciones en la maquinaria.
Ese ámbito se desarrolla en Análisis de Lubricantes: Detección de Partículas Metálicas, que será también renovado dentro de este cluster.
11. Bibliografía y Referencias Técnicas
- CIMAC Recommendation No. 29 – Guidelines for the Lubrication of Medium Speed Diesel Engines. CIMAC Recommendation No. 29 CIMAC Working Group “Marine Lubricants”. Documento de referencia sobre lubricación de motores diésel de media velocidad, configuración del sistema de aceite, limpieza, tratamiento y prácticas de operación.
- CIMAC Recommendation No. 31 – The Lubrication of Two-Stroke Crosshead Diesel Engines. CIMAC Recommendation No. 31 CIMAC Working Group “Marine Lubricants”. Guía específica sobre lubricación de motores diésel marinos de dos tiempos y cruceta, incluyendo evolución de los sistemas de lubricación, combustibles y tecnologías de lubricantes.
- CIMAC Recommendation No. 24 – Treatment of the System Oil in Medium Speed and Crosshead Diesel Engine Installations. CIMAC Recommendation No. 24 CIMAC. Documento centrado en el tratamiento del aceite de sistema, tipos de contaminantes, equipos de limpieza y consecuencias de una depuración inadecuada del lubricante.
- CIMAC Recommendation No. 30 – Used Engine Oil Analysis: User Interpretation Guide. CIMAC Recommendation No. 30 CIMAC Working Group “Marine Lubricants”. Referencia para el análisis de aceite usado, interpretación de parámetros y utilización del lubricante como herramienta de diagnóstico del estado del motor.
- CIMAC Recommendation No. 20 – Guidelines for Diesel Engines Lubrication: Lubrication of Large High Speed Diesel Engines. CIMC Recommendation No. 20 CIMAC. Guía dedicada a las particularidades de lubricación de grandes motores diésel de alta velocidad que trabajan con combustibles destilados.
- CIMAC Recommendations – Marine Lubricants. CIMAC Recommendations Colección de recomendaciones técnicas elaboradas por los grupos de trabajo de CIMAC, incluyendo documentación sobre degradación del aceite, influencia del combustible, motores de dos tiempos, motores de media velocidad y análisis de aceite usado.
- International Maritime Organization (IMO) – SOLAS, International Convention for the Safety of Life at Sea, 1974. SOLAS 1974 – IMO Convenio internacional de referencia para la seguridad de los buques, con requisitos relativos a maquinaria, instalaciones eléctricas y prevención contra incendios, entre otros aspectos aplicables a los espacios de máquinas.
- Documentación técnica y manual de operación del motor instalado a bordo. Los valores concretos de presión, temperatura, caudal, viscosidad, capacidad del sistema, tarados de válvulas, alarmas y secuencias de operación deben comprobarse siempre en la documentación específica del fabricante y del modelo de motor.
Importante labor la de empujar el aceite sin que se escape entre los dedos. He hechado de menos una mención al engrase por barboteo. Por lo demás me ha parecido un artículo para encuadernarlo y tenerlo en la estanteria de documentos imprescindibles.
Hola casalameda,el engrase por barboteo se describe en el articulo anterior,la 1*parte del bloque de lubricación.
«Teoria de los lubricantes»,está bastante más completo. Un saludo y gracias por tu comentario.
Correcto. No conocía el artículo anterior.
Como dices en él, es una tecnica antigua ya casi en desuso por su falta de prcisión.
Excelente todo, sus articulos son ideales para «Física – Buques» en una feria científica que pretendo hacer en mi colegio, ETRIPORT, Chile. Se agradece.
Tengo una pregunta y es sobre el ciclo de vida del sistema de lubricación