¿Qué es una caja de empaquetadura de motor?
En un motor diésel marino de dos tiempos con cruceta, la caja de empaquetadura actúa como un sello entre el espacio de barrido del motor y el cárter. Las cajas de empaquetadura son esenciales para minimizar el riesgo de incendios en el espacio de barrido, explosiones del cárter y/o contaminación del aceite. Los motores de tipo tronco no requieren una caja de empaquetadura.
Una caja de empaquetadura consta de tres secciones principales:
- Sección superior – evita que el aceite lubricante del cilindro y los gases entren en el cárter.
- Sección media – permite el drenaje del aceite si hay arrastre desde las partes superior o inferior.
- Sección inferior – impide que el aceite lubricante del cárter entre en el espacio de barrido.
La 'sección superior' también se denomina 'sección de sellado'. La 'sección media' es conocida como 'sección de drenaje'. La 'sección inferior' se llama 'sección de raspado'. Cada nombre refleja la función de las secciones. La sección de sellado forma un sello de gas, la sección de drenaje permite el drenaje del aceite, mientras que la sección de raspado elimina el exceso de aceite lubricante del cárter.
Caja de Empaquetadura de Motor Marino de Dos Tiempos
Este artículo se centra en las cajas de empaquetadura utilizadas en motores diésel marinos de dos tiempos de baja velocidad. Estos motores tienen una pequeña relación diámetro-carrera, lo que requiere el uso de una cruceta para limitar el tamaño del cárter. Sin una cruceta, el cárter sería económicamente inviable y el sellado entre los anillos del pistón y el revestimiento del cilindro se complicaría.
Importante – el espacio de barrido se encuentra debajo de cada pistón del motor, permitiendo la entrada de aire fresco en los cilindros, lo que expulsa los gases de escape del espacio de combustión. El cárter del motor está directamente debajo de la caja de empaquetadura.
Importante – los motores de tronco utilizan una biela para conectar el pistón al cigüeñal. Los motores de cruceta conectan el pistón al cigüeñal a través de la biela del pistón, cruceta y biela.
Comparación de Motores de Tronco y Cruceta
¿Cuál es el propósito de una caja de empaquetadura de motor?
Las funciones principales de una caja de empaquetadura de motor son:
- Evitar que el aceite lubricante del cárter entre en el espacio de barrido cuando la biela del pistón se mueve hacia arriba.
- Impedir que el aire de barrido entre en el cárter cuando el pistón se mueve hacia arriba o hacia abajo.
- Prevenir que el aceite lubricante del cilindro entre en el cárter cuando la biela del pistón se mueve hacia abajo.
- Evitar que los residuos entren en el cárter cuando la biela del pistón se mueve hacia abajo.
- Impedir que los gases de escape entren en el cárter (si los anillos del pistón no están sellando correctamente) cuando el pistón se mueve hacia arriba o hacia abajo.
La dirección del movimiento de la biela del pistón determina qué función realiza la caja de empaquetadura en cada momento.
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¿Cuáles son las partes principales de una caja de empaquetadura de motor?
Las partes principales de una caja de empaquetadura se enumeran a continuación.
Carcasa de la Caja de Empaquetadura
La carcasa de la caja de empaquetadura forma la cubierta exterior que encierra los anillos de sellado y los anillos raspadores. Generalmente está construida de hierro fundido o acero y se ensambla a partir de dos partes.
Importante – la 'carcasa de la caja de empaquetadura' también se llama 'diáfragma', 'carcasa del diafragma' o 'gland del diafragma'.
Caja de Empaquetadura con Partes Etiquetadas
Anillos de Sellado
Los anillos de sellado son principalmente responsables de evitar que el aire de barrido entre en el cárter. Si los anillos del pistón permiten el paso de gases (permitiendo que los gases pasen del espacio de combustión al espacio de barrido), los anillos de sellado también evitarán que estos gases entren en el cárter. Los anillos de sellado se ajustan en ranuras dentro de la carcasa de la caja de empaquetadura y generalmente se fabrican de bronce. Como no es posible ensamblar los anillos dentro de la caja de empaquetadura como una sola pieza, cada anillo se forma por tres o cuatro secciones diferentes que se conectan para formar un círculo.
Anillo de Sellado Dividido en Cuatro Secciones
Importante – los anillos del pistón que permiten el paso pueden causar explosiones del cárter y/o incendios en el espacio de barrido. Por esta razón, es crucial que los anillos del pistón defectuosos se reemplacen lo antes posible. Los anillos del pistón que permiten el paso a menudo se descubren debido a una caída en la potencia del motor dentro del cilindro afectado.
Importante – válvulas de explosión del cárter se utilizan para mitigar los efectos de una explosión del cárter, si ocurre.
Anillos Raspadores Superiores e Inferiores
Los anillos raspadores están ubicados por encima y por debajo de los anillos de sellado. Existen para eliminar el exceso de aceite lubricante de la biela del pistón a medida que se mueve hacia arriba, y para eliminar el exceso de aceite lubricante del cilindro y los residuos de la biela del pistón a medida que se mueve hacia abajo. Similar a los anillos de sellado, los anillos raspadores se ajustan en ranuras dentro de la carcasa de la caja de empaquetadura. En el pasado, todo el anillo raspador se fabricaba de un material blando como hierro fundido o bronce, pero los diseños más modernos utilizan delgadas lamelas mientras que las partes no desgastables se fabrican de acero; esto se debe a que solo las lamelas necesitan ser reemplazadas en lugar de todo el anillo, reduciendo así el desperdicio y los costos. Los anillos raspadores consisten en tres o cuatro secciones individuales que forman un círculo cuando se ensamblan (similar a los anillos de sellado).
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Lamelas (negras) Instaladas Dentro de Anillos Raspadores (grises)
Resorte de Garter
Un resorte de garter se instala detrás de cada anillo de sellado y raspado. Los resortes sirven para presionar los anillos contra la biela del pistón, asegurando así un buen sellado. Si la tensión de un resorte es demasiado alta, puede resultar en un desgaste excesivo de la biela del pistón, los anillos de sellado y los anillos raspadores. Si la tensión de un resorte es demasiado baja, se producirá un sellado inadecuado.
Drenaje
Entre los anillos de sellado superiores y los anillos raspadores inferiores, hay un drenaje. El drenaje permite que cualquier aceite lubricante del cárter que pase los anillos raspadores inferiores sea devuelto a un tanque de aceite lubricante usado; este aceite puede ser tratado y reutilizado. El drenaje también permite que cualquier aceite del cilindro que pase el anillo raspador superior sea devuelto al mismo tanque para su procesamiento.
¿Cómo funciona una caja de empaquetadura de motor?
La caja de empaquetadura está fijada al marco en A principal del motor. A medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo con cada carrera, la biela del pistón se desplaza a través de la caja de empaquetadura.
Cuando el pistón se mueve hacia arriba…
Cualquier aceite lubricante del cárter que haya entrado en contacto con la biela del pistón es eliminado por el conjunto inferior de anillos raspadores; el aceite raspado drena de regreso al cárter. Los anillos raspadores son presionados contra la biela del pistón por sus resortes de garter asociados.
Cuando el pistón se mueve hacia abajo…
Cualquier aceite del cilindro presente en la biela del pistón es eliminado por el anillo raspador superior a medida que el pistón se mueve hacia abajo. Los anillos de sellado evitan que los gases (aire o gases de escape) del espacio de barrido entren en el cárter. El anillo raspador y los anillos de sellado son presionados contra la biela del pistón por sus resortes de garter asociados.
Importante – si los anillos raspadores o los anillos de sellado están instalados demasiado apretados, se producirá desgaste de los anillos y la biela del pistón (no deseado).
Importante – se requiere una pequeña cantidad de aceite lubricante para lubricar los anillos raspadores y los anillos de sellado. Los anillos no deben entrar en contacto físico con la biela del pistón; una fina película de aceite separa la biela del pistón de los anillos, reduciendo así el desgaste en todas las partes.
Importante – los gases de escape solo estarán presentes si hay una falla o desgaste excesivo de los anillos del pistón o del revestimiento del cilindro; un pistón agrietado también puede permitir fugas de gases de escape.
¿Son adecuadas las cajas de empaquetadura para todos los tipos de motores?
Las cajas de empaquetadura solo son adecuadas para motores de cruceta de dos tiempos. Hay dos tipos principales de motores de combustión interna de dos tiempos: el tipo tronco y el tipo cruceta.
Motor de Cruceta
En un motor de cruceta, una cruceta convierte el movimiento rotatorio del cigüeñal en el movimiento lineal del pistón. Esto significa que la biela del pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo linealmente, mientras que el cigüeñal gira alrededor de un eje central de rotación.
Motor de Tronco
Un motor de tronco de dos tiempos no tiene una cruceta, lo que significa que la biela del pistón se mueve tanto vertical como horizontalmente en cada carrera. Estos dos grados de libertad/movimiento significan que no se puede usar una caja de empaquetadura para proporcionar un sello en un motor de tronco de dos tiempos. La falta de un arreglo de sellado significa que el aceite lubricante puede entrar en el espacio de barrido de un motor de tronco de dos tiempos; esta es una debilidad de diseño inherente para este tipo de motor.
Importante – los motores de cuatro tiempos no son lo suficientemente grandes como para requerir una cruceta, es decir, su relación diámetro-carrera es demasiado grande, por lo tanto, no pueden utilizar una caja de empaquetadura.
Características de la Caja de Empaquetadura
Las siguientes características son la razón por la cual se utilizan cajas de empaquetadura en motores marinos de cruceta de dos tiempos de baja velocidad:
Simplicidad y Fiabilidad
Las cajas de empaquetadura son dispositivos simples con altas tasas de fiabilidad. Son relativamente fáciles de mantener y reparar, y son menos propensas a fallar que otros tipos de sellos.
Capacidad para Acomodar Grandes Espacios
El espacio entre la biela del pistón y el marco en A en un motor marino de dos tiempos puede ser bastante grande; las cajas de empaquetadura son capaces de acomodar este gran espacio mientras aún obtienen un buen sellado.
Bajo Costo
Las cajas de empaquetadura son relativamente económicas de fabricar e instalar; esto las hace rentables.
Diseño Comprobado
Los avances en la ciencia de materiales han permitido que los diseños de cajas de empaquetadura se mejoren continuamente. Las mejoras en el diseño han llevado a tasas de desgaste reducidas, mejor sellado y mayores intervalos entre intervenciones de mantenimiento.
Recursos Adicionales
https://marineinbox.com/marine-exams/stuffing-box/
https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/1468087418796615