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G U Í A

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A P L I C A C I Ó N

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I N S T A LA C I Ó N

VENTILACIÓN DEL CÁRTER

G3600 • G3500 G3400 • G3300 3600 • 3500 3412E • 3400 • 3126B C18 • C-16 • C-15 • C15 C13 • C-12 • C11 • C-10 C9 • C-9 • C7

Contenido Sistemas de ventilación del cárter.................................................. 1 Emisiones del cárter ...................................................................... 2 Paso de gases al cárter ............................................................ 2 Ventilación del cárter ..................................................................... 3 Ingestivo.................................................................................... 3 Sistema ingestivo de presión baja........................................ 3 Sistema ingestivo de presión alta......................................... 5 Entrada de aire fresco al cárter ............................................ 5 Agua en el aceite del motor.................................................. 5 Presión del cárter ................................................................. 5 No ingestivo .............................................................................. 6 Dilución de las emisiones del cárter ............................................ 12 Material de Referencia................................................................. 13

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Prefacio Esta sección de la Guía de Aplicación e Instalación describe, en general, los requerimientos y las opciones del sistema de ventilación del cárter de los motores Caterpillar mencionados al comienzo de esta sección. Los sistemas de motores, componentes y dinámicas adicionales se presentan en otras secciones de esta Guía de Aplicación e Instalación. Los datos y la información específica del motor están disponibles en un amplio número de fuentes. Consulte la sección “Introducción” de esta guía para obtener referencias adicionales. Los sistemas y los componentes descritos en esta guía pueden no estar disponibles o no aplicarse a todos los motores. En la tabla de abajo se presenta una lista de sistemas de ventilación del cárter para varios motores Caterpillar. Consulte la Lista de Piezas para obtener las opciones específicas y la compatibilidad.

z= Estándar Estándar

3126B

C7

C-9

C9

C-10/C-12

C11/C13

3406E

C-15/C-16

C15/C18

3412E

C27/C32

3500

3600

G3300/G3400

G3500

G3600

M= (Sólo marino)

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= Optativo -= No disponible Ventilación del cárter Ingestivo Ventilación del cárter - No ingestivo

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Sistemas de Ventilación del Cárter

Sistemas de ventilación del cárter Los sistemas de ventilación del cárter están diseñados para controlar el equilibrio de la presión del aire entre el cárter del motor y la presión atmosférica, al mismo tiempo que procesan los gases producidos. Las presiones de aire del cárter excesivas con valores por encima o por debajo de la presión atmosférica pueden tener efectos negativos en la vida útil de los componentes, en el sistema de aceite lubricante y en general en las emisiones del motor. La ventilación del cárter del motor no es un proceso difícil. Sin embargo, el control de las emisiones y la prevención de la contaminación añaden algo de complejidad al sistema.

CONTENIDOS DE LA LECCIÓN Emisiones del cárter .............. 2 • Fuentes •

Efectos nocivos

Medición del paso de gases al cárter......................................11 • Instrucciones paso a paso

• Composición Ventilación del cárter ............. 3 • Ingestivo •

No ingestivo

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Emisiones del cárter Paso de gases al cárter Las emisiones del cárter resultan de los subproductos de la combustión y/o de los gases de escape que se filtran alrededor de los anillos del pistón y llegan al cárter. Este escape se denomina, comúnmente, paso de gases al cárter. Si no se controla, el paso de gases al cárter puede contaminar el aceite lubricante y presurizar el cárter, lo cual resulta posiblemente en una fuga de aceite. El volumen total del paso de gases al cárter varía, debido a la presión del cilindro, a la presión de los anillo del pistón y a al desgaste los componentes. Una solución simple es descargar las emisiones a la atmósfera, para liberar la presión y los gases atrapados. Sin embargo, el manejo de las emisiones añade complejidad a los sistemas de ventilación del cárter. Se pueden encontrar distintos elementos en los gases que pasan al cárter, como partículas de desgaste, aceite, combustible, gas y aire. La composición específica de los elementos varía según el tipo de combustible, la clase de motor, la velocidad del motor, la carga y el historial de mantenimiento. Típicamente, los gases que pasan al cárter están compuestos por hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrógeno (NOx),

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vapor de agua y trazas de sulfatos y aldehídos. Las emisiones de hidrocarburos al cárter equivalen a 3% del total de las emisiones de escape encontradas en motores en la mitad de su vida útil. Sin embargo, debido a las tolerancias de los anillos del pistón, las emisiones de hidrocarburos al cárter pueden llegar a 20% del total de las emisiones de hidrocarburos. La cantidad de NOx presente en los gases que pasan al cárter disminuye dependiendo de la relación aire/combustible del motor. Cuanto más débil sea la mezcla de aire/combustible (menor temperatura de gases de escape), será menor la cantidad presente de NOx. Los sulfatos y los aldehídos cambiarán, dependiendo del combustible. Un motor diesel, de gas de relleno sanitario o de gas digestor tendrá más azufre los gases que pasan al cárter que un motor de gas natural. A medida que se van haciendo más severas las normas sobre emisiones, es inevitable que las emisiones del cárter se incluyan en los valores de emisión del sistema total. En ciertas partes de Europa y California ya se tiene en cuenta las emisiones de los gases que pasan al cárter en los índices de emisión. En el futuro, las emisiones del cárter descargadas a la atmósfera serán prohibidas o entrarán en la normatividad.

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Ventilación del cárter Los sistemas de ventilación del cárter se pueden clasificar como ingestivo y no ingestivo. Un sistema ingestivo descarga los gases que pasan al cárter dentro del motor, de donde retornan al proceso de combustión. Un sistema no ingestivo descarga los gases que pasan al cárter a la atmósfera. Excepto en algunas aplicaciones de embarcaciones de recreación marina, Caterpillar no ofrece sistemas ingestivos de ventilación del cárter en los motores diesel.

presión alta (después del turbocompresor). Sistema ingestivo de presión baja El sistema ingestivo de presión baja involucra tubería para las emisiones del cárter en el lado de presión baja del turbocompresor.

Ingestivo El sistema ingestivo de ventilación del cárter envía cualquiera de las emisiones del cárter a la corriente de aire de admisión, donde se vuelve a quemar en el proceso de combustión. Este sistema se conoce en la industria automotriz como Válvula de Ventilación del Cárter (PCV). El sistema PCV es económico y eficiente en los automóviles, gracias a que la mayoría tienen aspiración natural y no requieren componentes sofisticados de manejo de aire, como en los motores industriales. La turbocompresión y otros componentes para el manejo de aire de admisión pueden verse afectados adversamente por los humos que pasan al cárter. Esto crea retos adicionales cuando se usa un sistema PCV en un motor industrial. Existen dos formas de volver a introducir los gases que pasan al cárter en el proceso de combustión en un motor con turbocompresión. Los gases que pasan al cárter se pueden poner en el sistema de presión baja (antes del turbocompresor) o en el de Caterpillar® Todos los derechos reservados.

Figura No. 1 Como se muestra en la figura No. 1, los gases del cárter fluyen desde éste por los tubos de ventilación, hasta un dispositivo condensador de aceite (o filtro de gases al cárter) y se descarga a través del filtro de aire al turbocompresor. Hay cierto número de “inconvenientes” que pueden ocurrir cuando se usa un sistema ingestivo en un motor con turbocompresión. Éstos son: •

Reducción de la vida útil de la bujía de encendido en motores de gas

•

Daño o contaminación del turbocompresor o del posenfriador

•

Reducción del margen de detonación, detonación del

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motor y pistones dañados en los motores de gas •

Reducción en la capacidad de operación y carga

•

Reducción de la eficiencia

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•

El sistema debe asegurar que el tiraje de gases al cárter no exceda los niveles aceptables. Esto se puede lograr instalando la válvula de alivio de presión entre el turbocompresor y el sistema de filtración.

•

Se deben reemplazar o limpiar los filtros de gases al cárter en cada cambio de aceite.

•

Se debe diseñar el sistema para manejar dos veces las mediciones de gases que pasan al cárter, para relacionarlo con el desgaste normal del motor.

•

Se requiere una tasa de remoción de aceite mínimo de 99,97%. El porcentaje de remoción de aceite se calcula así:

•

Reducción de la vida útil de los componentes Además, la mayoría de las pruebas han mostrado que, sin importar qué tan eficaz sea el filtro de gases del cárter, con el tiempo se absorberá suficiente aceite para cubrir el posenfriador. Este aceite actuará como un aislador, y reducirá las capacidades de enfriamiento del posenfriador. A pesar de estos inconvenientes, la demanda de este tipo de sistemas ha llevado a Caterpillar a ofrecer un sistema PCV ingestivo, de presión baja, optativo, en el motor G3520C. Cuando se usa este sistema, se recomienda seguir estrictamente todos los procedimientos de operación y mantenimiento. También es de esperar un costo mayor de mantenimiento. Si se usa un sistema no proporcionado por Caterpillar, debe asegurarse de que el diseño cumpla con la siguiente lista de recomendaciones para el diseño del sistema ingestivo de presión baja. •

Se debe usar un posenfriador que facilite su limpieza regular.

•

Los gases del cárter se deben enviar a través de un sistema filtrante antes de entrar al turbocompresor.

•

Se debe proteger el sistema del congelamiento en condiciones de temperatura ambiente baja.

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% Remoción =

Concentración de gases al cárter (antes de PCV) (después de PCV) Concentración de gases al cárter Antes de PCV

•

Caterpillar recomienda que NO se retorne el aceite al cárter si va a usarse un sistema no aprobado. Si se planea retornar el aceite al cárter, use el análisis de fluidos S•O•SSM para realizar pruebas de aceite cada 100 horas, hasta las 800 horas de operación del motor, para certificar que el aceite recuperado no llegue a los limites definidos de contaminación. Si el aceite llegara a los límites de contaminación definidos, NO retorne el aceite al cárter.

•

El sistema debe tener una derivación para eliminar la Caterpillar® Todos los derechos reservados.

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posibilidad de sobrepresión del cárter si se tapara el elemento del filtro. Caterpillar no suministra las alarmas por diferencial de presión. Sistema ingestivo de presión alta El sistema ingestivo de presión alta de ventilación del cárter implica sacar los gases del cárter desde el cárter y bombearlo directamente en el sistema de admisión, como se muestra en la figura No. 2.

Figura No. 2 Aunque este tipo de sistema elimina el riesgo de cubrimiento con aceite del posenfriador y del turbocompresor, también se deben filtrar las emisiones para reducir la cantidad de aceite enviado a la corriente de admisión. El factor limitante de este tipo de sistema es el costo. La bomba adicional requerida en este sistema puede ser costosa y difícil de instalar. Entrada de aire fresco al cárter La descarga de los gases del cárter no es suficiente para asegurar un ambiente libre de emisiones en el cárter. Puede necesitarse añadir aire fresco directamente al cárter para destilar el aire dentro de éste. La cantidad de aire debe ser cerca de

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dos veces el caudal volumétrico de gases al cárter. Además de la filtración del aire, para prevenir la contaminación, es necesario calentar el aire frío para reducir la posibilidad de condensación de agua de los gases del cárter. Agua en el aceite del motor Las emisiones del cárter son, esencialmente, los gases de escape concentrados; por esta razón, contienen una cantidad considerable de vapor de agua. Cuando se separa el aceite de los gases que pasan al cárter y se filtra en el sumidero de aceite, existe un riesgo de condensación de agua. Debido a que los motores diesel y de gas natural tienen una cantidad considerable de agua en los gases de escape, muchos proveedores de PCV recomiendan que el exceso de aceite se drene a un recipiente separado. Cuando entra agua en el sistema de aceite de motor, se forma una emulsión que tapa los filtros de aceite. Cuando aumenta la cantidad de agua, disminuye la capacidad de los aditivos de dispersar el agua en el aceite. El calor del aceite, generalmente, evapora las partículas de agua, pero los gases condensados que pasan al cárter contienen mucha más agua que la que realmente puede enfriar el aceite, y forman lodos. Las temperaturas del aceite del enfriador pueden hacer que el agua y el aceite se combinen hasta formar ácidos peligrosos que pueden corroer los metales y reducir las cualidades de lubricación del aceite. Presión del cárter El sentido común, cuando se trata de los motores de combustión interna, determina que el motor debe operarse

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a una presión ligeramente alta para evitar que los contaminantes circundantes sean absorbidos por el motor. El efecto del sistema de ventilación ingestivo de presión alta, sin embargo, tiende a crear un vacío ligero. Cuando se consideran los beneficios de las emisiones removidas del cárter, es aceptable ese vacío, siempre y cuando no exceda de 0,25 kPa (1 pulg H2O). Las presiones del cárter no deben variar más de 25,4 mm de H2O (1,0 pulg de H2O) de la presión barométrica ambiente en los motores G3300, G3400 y G3500. Algunos de los motores que hacen seguimiento a la presión del cárter pararán si se detecta un vacío excesivo. Las restricciones más altas que el límite específico de los sistemas pasivos aumentarán las fugas de aceite. El sistema impulsado debe producir no más de 25,4 mm H2O (1.0 pulg de H2O) de vacío; de lo contrario, el motor podría absorber impurezas y polvo a través de los sellos principales. La medición debe hacerse en el lugar de la varilla de medición de

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nivel de aceite del motor a temperatura, velocidad y carga de operación.

No ingestivo En los sitios que no incluyen las emisiones del cárter como parte de las emisiones totales del motor, el sistema no ingestivo de ventilación del cárter es una solución aceptable. En algunas situaciones los clientes pueden reducir los costos y las fallas potenciales del motor al descargar los gases del cárter a la atmósfera. La figura No. 3 muestra una configuración típica del sistema no ingestivo de ventilación del cárter. Una de las finalidades del sistema PCV es incrementar la vida útil del aceite del motor. La descarga de emisiones del cárter puede disminuir la degradación del aceite. Se ha demostrado que un sistema PCV no ingestivo puede duplicar la vida útil del aceite del motor. Sin embargo, los efectos del sistema PCV en la vida útil del motor variarán con el tamaño del motor, la carga, las horas del motor y las condiciones del ambiente.

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Configuración típica del sistema no ingestivo de ventilación del cárter Crankcase Breather Vent Tube (Fumes Disposal Tube)

Vent Outlet (Add filter to outlet or vent to atmosphere)

Figura No. 3 Aunque el sistema no ingestivo es menos complejo que el ingestivo, existe un número de requerimientos y consideraciones para la descarga eficaz de las emisiones del cárter. No descargue las emisiones directamente al cuarto del motor sin ninguna filtración. •

Las emisiones pueden taponar los filtros de aceite, y causar daños al motor.

•

La exposición a las emisiones del cárter puede ocasionar problemas en el equipo eléctrico.

•

Las emisiones pueden ser un riesgo para la salud, si se descargan en un cuarto con ventilación deficiente.

•

Se debe usar un sistema de ventilación para el cárter que

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filtre y descargue en forma apropiada las emisiones a la atmósfera. •

Motores múltiples en el mismo sitio requieren tuberías de ventilación separadas. Esto evita que los gases y la humedad producidos por el motor entren durante la operación en vacío. La entrada de humedad en el motor puede ocasionar corrosión y acumulación de depósitos nocivos.

•

Use tuberías de ventilación del tamaño correcto. Las tuberías de ventilación del cárter deben ser lo suficientemente grandes para minimizar la contrapresión. A través de toda la vida útil del motor, el paso de gases al cárter puede variar

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dramáticamente, dependiendo de la temperatura de operación del motor y del tipo de aceite usado. Como regla general, el paso de gases al cárter en un motor nuevo es de aproximadamente 0,02 m3/hr bkW (0,5 pie3/hr bhp). Calcule el tamaño de las tuberías de ventilación, de modo que pueda acomodar un motor desgastado, con una velocidad de paso de gases al cárter de 0,04 m3/hr bkW (1 pie3/hr bhp). Determine el tamaño de la tubería de ventilación para un máximo de 13 mm de H2O (0,5 pulg de H2O) de caída de presión a carga plena. Las siguientes fórmulas le permiten al diseñador del sistema de ventilación del cárter calcular el diámetro de la tubería que proporcione una contrapresión de menos de 13 mm de H2O (0,5 pulg de H2O). Use las siguientes fórmulas para calcular la contrapresión:

P (kPa) =

L x S x Q2 x 3,6 x 106 D5

P pulg de H2O) =

Donde P=

L x S x Q2 187 x D5

Contrapresión (kPa), (pulg de H2O) Lb/pulg2 = 0,0361 x pulg de columna de agua kPa = 0,00981 x mm de columna de agua L= Longitud equivalente total de la tubería (m), (pie) Q= Flujo de gas de escape (m3/min), (cfm) D= Diámetro interno de la tubería (mm), (pulg) Página 8

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Densidad del gas (kg/m3), (lb/pie3) S (kg/m3) = 1,08 S (lb/pie3) = 0,067 S=

Para obtener la longitud equivalente de tubería recta con varios codos: Codo estándar (radio = diámetro)

L=

33D X

Codo de radio largo (radio = 1,5 diámetro)

L=

20D X

45° Codo (radio = 1,5 diámetro)

L=

15D X

Codo cuadrado (radio =1,5 diámetro)

L=

66D X

Donde X = 1.000 mm (12 pulg) Calcule el diámetro de la tubería de acuerdo con la fórmula y luego escoja la siguiente medida de tubería más larga comercialmente disponible. Como se evidencia en las fórmulas, si se requieren dobleces de 90º, entonces, el uso de codos de radio largos con un radio 1,5 veces el diámetro de la tubería, ayudará a disminuir la resistencia. Se deben evitar los bucles o puntos bajos en la tubería de ventilación del cárter, para evitar la condensación en la tubería y la restricción de descarga de emisiones. Cuando se requieran tendidos horizontales, instale la tubería con una pendiente gradual desde el motor, como se muestra en la figura No. 4. La pendiente debe ser de 4,17 mm/m (1/2 pulg/pie) aproximadamente. Caterpillar® Todos los derechos reservados.

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Los grupos electrógenos con ventiladores sopladores impulsados por el motor se consideran una alternativa para el tendido de la tubería del cárter, como se muestra en la figura No. 5. Esto impide que el compresor y el radiador absorban las emisiones del cárter. Figura No. 4 El peso de las tuberías de ventilación requerirá soportes separados fuera del motor, como parte del diseño de la instalación. Cualquier tendido de la tubería, sea horizontal o vertical, que no pueda desarmarse para limpieza debe tener instalados orificios de limpieza. Las emisiones del cárter desde sistemas no ingestivos de ventilación no deben descargarse en los conductos de ventilación de aire ni en las tuberías de los gases de escape. En los conductos y en las tuberías de estos motores se formarán depósitos aceitosos que crean peligro de incendio. Descargue la tubería del cárter directamente a la atmósfera y póngala de tal modo que evite la entrada de lluvia o rocío al motor. Tenga en cuenta el equipo situado cerca del área de descarga, así como la ubicación en el edificio. Después de un tiempo, pequeñas cantidades de aceite pueden acumularse, hasta volverse molestas e incluso dañinas para el equipo auxiliar.

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Figura No. 5

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Un colector de goteo instalado cerca del motor minimizará la cantidad de aceite a través de la tubería de descarga. Esta configuración también requiere una trampa, que evitará que los gases del cárter se descarguen en el cuarto del motor. Vea la figura No. 6.

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Si se usa una trampa, como la mostrada en la figura No. 6, parte B, el diseñador debe asegurarse de que el colector de goteo se pueda quitar o drenar. Otra alternativa es instalar una válvula al final de la tubería de goteo y drenarla periódicamente.

Trampas de ventilación del cárter

Figura No. 6

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La figura No. 7 ilustra un sistema de eliminación de gases que pasan al cárter impulsado por el motor, en una instalación de motor múltiple. Hay dos ventajas principales en un sistema impulsado por el motor. Las emisiones se diluyen en el aire para una mejor dispersión en la atmósfera, lo que puede mejorar la vida útil del aceite, al eliminar los óxidos nítricos del cárter

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antes de que puedan causar nitración del aceite. Debido a la formación de vacío con un sistema impulsado por el motor, se requiere un filtro de aire en el cárter del motor. Éste filtrará el aire que entra al cárter y evitará que los sedimentos pasen al aceite. La válvula conectada en la tubería de cada motor controla el flujo de gases del cárter fuera del motor.

Sistema de eliminación de gases que pasan al cárter impulsado por el motor

Figura No. 7

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Dilución de las emisiones del cárter El siguiente es el procedimiento paso a paso para diluir con aire fresco las emisiones del cárter y es necesario cuando se diseña un sistema de ventilación del cárter. Se recomienda, para un mejor rendimiento, la medición del paso de gases al cárter en cada instalación. Para configurar el sistema, se requiere un indicador de flujo aire/paso de gases al cárter. 1. Mida el paso de gases al cárter de la combustión en el motor dado. Esto se hace cerrando la válvula de ventilación del cárter, bloqueando el filtro de aire del cárter y conectando el indicador de gases al cárter al conducto lleno de aceite. La lectura en el indicador es el paso de gases al cárter del motor. Todas las medidas se deben tomar con el motor en operación a velocidad, carga y temperatura de clasificación. 2. Desconecte el filtro de aire del cárter y conecte el indicador de paso de gases al cárter. Abra lentamente la válvula de ventilación del cárter, hasta que el indicador lea el mismo valor que en el paso No. 1. Este procedimiento hará que

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3. 4.

ingrese una cantidad de aire al cárter igual a la que pasa a través de los anillos del pistón. Esto diluirá suficientemente los gases y aumentará la vida útil del aceite. Realice este procedimiento en cada motor. Haga una revisión final de la presión del cárter para asegurarse de que el vacío en el motor es menor que 25,4 mm de H2O (1 pulg de H2O).

Válvula de balance Algunas veces es difícil calcular el tamaño del soplador de un sistema propulsado. Si el único soplador disponible es demasiado grande, podría producir demasiado vacío en las válvulas de ventilación del cárter y dificultar los ajustes. Para solucionar este problema se puede conectar una válvula de balance en el lado de vacío del soplador, para hacer que el aire sea absorbido por el sistema y reducir así la presión del vacío en las válvulas de ajuste. Una válvula de alivio opcional se puede usar para limitar la presión del cárter a 0,14 kPa (0,5 pulg de H2O). Esta se usa para evitar problemas, si no está acoplado el soplador de ventilación del cárter.

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Material de Referencia La siguiente información se presenta como referencia adicional a los temas tratados en esta guía. REHS0883 Instrucción Especial Instalación y mantenimiento del filtro de eliminación de humos del G3516B

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