Teoría del motor: aceite

(Este artículo apareció originalmente en la edición de abril de 2016 de la revista Kitplanes. Ed.) Este mes, nuestra introducción continua a la tecnología de motores comienza con un examen del sistema de lubricación considerando lo que bombea: aceite. La lubricación es una preocupación de fondo para el piloto promedio, pero es imprescindible porque sin ella, el desgaste de metal a metal pronto reduce cualquier motor a un lío inútil de cojinetes derretidos y feas virutas de metal. En la práctica, mantener la temperatura correcta del aceite es el desafío directo para la mayoría de los pilotos y constructores de aeronaves experimentales.

El petróleo, la materia prima de los motores de combustión interna, tiene una doble existencia en las centrales eléctricas de nuestros aviones refrigerados por aire. Es el fluido de trabajo obvio en el sistema de lubricación, mientras que al mismo tiempo es un jugador importante, aunque a menudo se pasa por alto, en el sistema de refrigeración. Incluso funciona ocasionalmente como un fluido hidráulico sustituto en sistemas de hélices de paso controlable.

Como lubricante, el aceite es principalmente responsable de reducir la fricción entre las partes móviles del motor, pero también elimina las impurezas, brinda protección contra la corrosión al metal del motor que de otro modo no estaría enchapado ni pintado, y ayuda a sellar los anillos del pistón al cilindro.

Como refrigerante, el aceite transfiere el calor de la combustión desde el pistón y el pasador del pistón vulnerables e infernalmente calientes al enfriador de aceite, donde se libera a la atmósfera. También es la fuente principal de enfriamiento para todo el extremo inferior del motor, es decir, el cigüeñal, las bielas y, más notablemente, los cojinetes principales, de biela y de empuje, además de ser el refrigerante principal para el tren de válvulas donde los resortes de válvula son especialmente necesitados. De hecho, mientras que los motores de avión típicos están etiquetados como enfriados por aire, las únicas partes principalmente enfriadas por aire son las culatas. Sería más adecuado, aunque laborioso, decir que se trata de motores refrigerados por aire y aceite. Lo mismo ocurre con los motores enfriados por agua, aunque la mayor densidad del agua generalmente maneja un mayor porcentaje del calor residual del motor.

Para nuestros propósitos, observemos que el aceite mineral (el material tradicional) se refina a partir del petróleo crudo y el aceite sintético es el mismo material más refinado, o un material totalmente diferente sintetizado a partir de orígenes no crudos. El aceite sintético es más uniforme en su estructura molecular y contiene mucho menos material extraño que se encuentra en el aceite mineral (ceras y similares) que no tienen nada que ver con los motores lubricantes. El aceite sintético tiene varias cualidades deseables para compensar su mayor costo, en particular, se mantiene estable (no se descompone en residuos gomosos) a altas temperaturas. El aceite mineral comienza a descomponerse notablemente alrededor de los 240F, mientras que el aceite sintético a menudo soporta temperaturas cientos de grados más altas. De hecho, las altas temperaturas del aceite son primero una amenaza para el aceite mineral, pero con algunos sintéticos, lo primero que hay que dar es el material del cojinete en el motor.

Una desventaja del aceite sintético que se vendió por primera vez a los aviadores fue su capacidad mínima para transportar plomo extraño de la gasolina 100LL en solución. Se dice que ha sido un problema de aditivos, la formación de lodos supuestamente ha sido un problema con los 100 % sintéticos, y el aceite sintético ahora se ofrece principalmente como una mezcla de 30 % sintético/70 % mineral para formar un aceite semisintético. No tiene problemas con la formación de lodos.

El aceite también se clasifica por viscosidad, que es el espesor del líquido, medido por su resistencia al vertido a una temperatura determinada. La viscosidad es importante ya que proporciona el "cuerpo" para amortiguar el contacto de metal con metal. En los automóviles, la viscosidad del aceite se denomina "peso", como en "peso 30" y se establece de acuerdo con los estándares establecidos por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE). En la aviación, esta propiedad se conoce formalmente como "grado", y los números resultan aproximadamente el doble del peso SAE. Así que 100 de grado corresponde a 50 de peso, por ejemplo. Naturalmente, alrededor del aeropuerto "peso" se escucha más a menudo que "grado" en estos días.

El peso o grado del aceite se adapta principalmente al rango de temperatura de funcionamiento del aceite, aunque los espacios internos del motor (entre los muñones del cigüeñal y sus cojinetes, o entre los anillos del pistón y las paredes del cilindro) también juegan un papel importante. Por lo tanto, el ciclo de trabajo ligero de los motores de automóviles significa temperaturas de aceite relativamente bajas, además de que estos motores de construcción compacta presentan pequeñas holguras de aceite, por lo que emplean aceites de 20 a 30 pesos como máximo. Nuestros motores de avión enfriados por aire/aceite funcionan duro, durante mucho tiempo y le dan calor generoso al aceite, por lo que es típico un peso de 50, con algunos radiales heredados que funcionan con un peso de 60, gracias a sus holguras de aceite cavernosas.

El aceite de un solo peso o grado es exactamente lo que parece, un aceite con una viscosidad específica a la temperatura de funcionamiento (212F). Es mucho más espesa a bajas temperaturas. El aceite multipeso o multigrado, digamos 15W-50, es un aceite delgado de peso 15 con mejoradores de viscosidad agregados. Los compuestos VI literalmente se enrollan en pequeñas bolas a baja temperatura y se desenrollan en hebras más largas a alta temperatura. Cuando se agrupan, los compuestos VI no impiden la fluidez del aceite, pero cuando se ensartan, hacen que el aceite sea más espeso.

En nuestro ejemplo de 15W-50, el aceite se vierte como aceite de peso 15 a 0F y aceite de peso 50 a 212F. Esto ayuda porque, como todo lo demás, el aceite tiene un rango de temperatura de funcionamiento. El aceite espeso de peso 50 en los motores de los aviones es apenas un lubricante a bajas temperaturas (piense en 45F o arranques en frío más fríos) porque no fluye. El aceite puede ser tan difícil de bombear a través de los pasajes más pequeños del motor que momentáneamente no fluye en absoluto. El precalentamiento del motor es una excelente respuesta, pero un aceite de viscosidad múltiple con un flujo muy mejorado a bajas temperaturas también es una ayuda importante y muy conveniente.

El aceite frío, sin importar el tipo, es una preocupación real. Además de fluir mal hasta que recibe un poco de calor, el aceite espeso provoca un arrastre significativo en las partes internas del motor. Esto dificulta la vida del motor de arranque y agota la batería. También roba potencia al motor y desperdicia gasolina superando el exceso de resistencia. Pero el peor problema es el rápido desgaste del motor de metal a metal debido a la falta o al bajo flujo de aceite. A falta de precalentamiento, un aceite de viscosidad múltiple y calentar el motor en el área de aceleración hasta que se vea movimiento en el instrumento de temperatura del aceite son las respuestas prácticas.

En el otro extremo del termómetro, el calor excesivo es fatal para el aceite mineral. A medida que aumenta la temperatura, el aceite mineral se descompone, cocina, quema, llámelo como quiera, pero se convierte permanentemente en una sustancia pegajosa no lubricante. Este proceso comienza a 225F, pero se vuelve significativo alrededor de 240F, y cuando el aceite de motor convencional supera los 260F, rápidamente se convierte en algo diferente al aceite de motor. Es por eso que se debe cambiar el aceite mineral sobrecalentado. También es una gran ventaja sintética; Las temperaturas del aceite caliente no son una gran preocupación.

Claramente, las temperaturas del aceite Goldilocks son el objetivo: 185F a 215F. Dada una hora de tiempo de vuelo, está lo suficientemente caliente como para quemar la abundante contaminación del agua formada por la combustión, pero no tan caliente como para descomponer el aceite.

Todos los aceites de motor se complementan con aditivos elegidos por el fabricante del aceite. Estos difieren ampliamente según el uso previsto del aceite, pero lo que necesita saber es que la mayoría de los aditivos son sacrificatorios. Se agotan con el funcionamiento del motor, y se deben verter más aditivos en el cárter (lo que no se desconoce en los motores industriales o de camiones de carretera, pero no se hace en las aplicaciones de aviación o automoción), o se debe reemplazar el aceite.

Los aditivos típicos del aceite de motor abordan la lubricidad a alta presión (la interfaz del árbol de levas y el elevador es el factor importante aquí), pero los motores de los aviones también tienen un alto contenido de aditivos anti-lodos para combatir la sustancia gris que se forma cuando la gasolina con plomo, el agua y las tolerancias sueltas del motor aumentan. juntos, junto con neutralizadores de ácidos.

Luego están los conocidos aditivos dispersantes sin cenizas. La ceniza es un subproducto de la combustión que se forma en la cámara de combustión cuando los motores queman aceite allí. Los principales actores en la formación de cenizas son los aditivos de detergentes, por lo que, a diferencia de los motores de automóviles con sus cámaras de combustión esencialmente herméticas al aceite, los aceites para aviones evitan los detergentes. Los motores de aviones enfriados por aire queman aceite, gracias a su pistón, anillo de pistón y tolerancias de pared de cilindro necesariamente sueltos, por lo que los aditivos detergentes que forman cenizas son un no-no de aviación (y por qué no usa aceite de automóvil en motores de avión). Los aditivos dispersantes sin cenizas retienen la ceniza que se forma en la solución para que pueda ser eliminada por el filtro de aceite o (sorprendentemente) si falla un filtro de aceite, hasta que se reemplace el aceite.

Lycoming y Continental proporcionan temperaturas de aceite demasiado frías y demasiado calientes. Un termostato, llamado vernatherm (en los motores Lycoming), está configurado para abrirse a 185F. Transporta aceite frío directamente a través del motor y aceite caliente a través de un enfriador de aceite de aceite a aire antes de dejarlo pasar por el motor. Por lo tanto, la temperatura del aceite en estos motores es un mínimo de 185 °F, excepto entre un arranque del motor en frío y cuando el aceite se calienta a 185 °F. Ese es un gran "excepto", y depende del piloto evitar altas cargas del motor (como despegar) cuando el aceite está demasiado frío (por debajo de 100F). Pocos pilotos parecen tener la disciplina para evitar la operación del motor con aceite frío, y las aplicaciones de categoría estándar de bajo rendimiento y sus equivalentes experimentales parecen sobrevivir a tal barbarie. Pero a medida que aumenta el rendimiento del motor, evitar el funcionamiento con aceite frío y cargas elevadas hace una diferencia en la longevidad del motor.

La temperatura máxima del aceite se controla mediante un enfriador de aceite y, en los aviones, estos son inevitablemente radiadores de aceite a aire. Los motores enfriados por agua significan que el calor del aceite se puede transferir al refrigerante de agua a través de un intercambiador de calor de aceite a agua; es probable que sea la estrategia superior, pero obviamente poco práctica en motores enfriados por aire.

De manera similar a los sistemas de escape, el enfriador de aceite Lycoming montado de forma remota vive en el límite gris entre las responsabilidades del fabricante del motor y del fabricante del fuselaje y, por lo tanto, muchas aplicaciones dejan mucho que desear. Como constructores de aeronaves experimentales, somos responsables de todo, y lidiar con las muchas variables en la construcción de un sistema de enfriamiento de aceite eficiente es un área creativa importante para nosotros.

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Los motores Rotax se suministran y normalmente funcionan sin termostato (vernatherm). Pero los populares Rotax de cuatro tiempos también tienen sumidero seco. El sumidero seco significa que hay un mayor suministro de aceite, por lo que el aceite pasa relativamente más tiempo fuera del motor en un tanque y, por lo tanto, naturalmente arroja más calor que un sumidero húmedo convencional Continental o Lycoming. Los Rotax también se enfrían con agua, lo que significa que menos calor de la culata termina en el aceite en primer lugar.

Los Continental montan sus enfriadores directamente en el motor. También utilizan la construcción de enfriador estilo barra y placa más eficiente en la transferencia de calor y más duradero físicamente. Por lo tanto, se simplifica la integración del motor en el fuselaje; una entrada adecuada y aletas de capó suelen ser suficientes.

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El examen crítico del aceite de drenaje brinda una excelente ventana de lo que sucede dentro del motor. Laboratorios especializados ofrecen dichos servicios; utilizan la espectroscopia y otros métodos avanzados para detallar con precisión en cantidades mínimas lo que hay en el aceite y, por lo tanto, en el motor.

Cantidades excesivas de acero podrían predecir fallas en la leva y el elevador, por ejemplo. Los recuentos altos de aluminio pueden deberse al desgaste del pistón o del obturador del pistón, es probable que el hierro provenga de los anillos del pistón, el estaño normalmente proviene de los cojinetes, etc. La composición del aceite también se rastrea fácilmente, por lo que el agotamiento de los aditivos o las contaminaciones se detectan fácilmente.

El análisis de aceite es una herramienta poderosa, especialmente cuando se usa regularmente para que los cambios se puedan identificar de manera rápida y precisa. Por supuesto, también es un gasto adicional, por lo que la mayoría de los operadores privados lo usan ocasionalmente o cuando sospechan problemas. Como mínimo, es otra herramienta a tener en cuenta; en el mejor de los casos, es una parte regular de un programa completo de operación del motor que brinda tranquilidad, se ve bien para la reventa y puede provocar un desastre inminente.

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Llenar el motor de un avión típico durante un cambio de aceite se siente como llenar un súper camión cisterna, ¿por qué contienen tanto aceite de todos modos?

Hay varias razones. En primer lugar, cuanto más aceite hay disponible, menos viajes a través del motor hace cualquier cantidad dada de aceite por unidad de tiempo. Por lo tanto, más aceite significa menos contaminación, un calentamiento del aceite menos rápido y tal vez un poco menos de temperatura total del aceite. Pero principalmente nuestros viejos motores de avión refrigerados por aire, de baja tolerancia, extraen aceite más allá de los anillos del pistón y lo queman en la cámara de combustión, a veces de forma espectacular.

Cuando se escribieron las regulaciones hace décadas, el consumo masivo de aceite era bastante normal porque el sellado de los cilindros no era tan bueno como hoy. Por lo tanto, a los típicos 6 cilindros se les permite consumir casi un cuarto de galón de aceite por hora (!), por lo que un tramo de siete horas con tanques de combustible de largo alcance significa que es posible consumir cinco cuartos durante ese viaje.

En el mundo moderno, el consumo de aceite debería ser más como un cuarto de galón cada 10 horas, y también encontrará que poner 12 cuartos de galón en un 540 Lycoming u ocho cuartos de galón en un 360 da como resultado que un cuarto de galón se escape por el respiradero del motor y caiga por la barriga de la aeronave. en aproximadamente una hora. Esta es la razón por la que los veteranos siempre corren un litro menos que el máximo indicado en la placa.

Este artículo apareció originalmente en la edición de abril de 2016 de la revista Kitplanes.

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