Sistema motopropulsor de un avión (Aircraft Systems Powerplant)

Un motor de avión, o planta motriz, produce empuje para propulsar un avión. Los motores alternativos y los turbopropulsores funcionan en combinación con una hélice para producir empuje. Los motores turborreactores (Turbojet) y turbofan producen empuje aumentando la velocidad del aire que fluye a través del motor. Todas estas plantas motrices también impulsan los diversos sistemas que apoyan el funcionamiento de una aeronave.

Funcionamiento de los Motores Recíprocos en aviación (Reciprocating Engines)

La mayoría de los aviones pequeños están diseñados con motores recíprocos. Su nombre se debe al movimiento de vaivén de los pistones, que produce la energía mecánica necesaria para realizar el trabajo.

Impulsada por la revitalización de la industria de la aviación general (GA) y los avances en el diseño de materiales y motores, la tecnología de los motores alternativos ha mejorado drásticamente en las últimas dos décadas. La integración de sistemas informatizados de gestión de motores ha mejorado la eficiencia del combustible, ha disminuido las emisiones y ha reducido la carga de trabajo del piloto.

Los motores recíprocos funcionan según el principio básico de convertir la energía química (combustible) en energía mecánica. Esta conversión se produce dentro de los cilindros del motor mediante el proceso de combustión. Los dos principales diseños de motores alternativos son el de encendido por chispa y el de encendido por compresión. El motor recíproco de encendido por chispa ha sido el motor preferido durante muchos años. 

En un esfuerzo por reducir los costes de funcionamiento, simplificar el diseño y mejorar la fiabilidad, varios fabricantes de motores están recurriendo al encendido por compresión como una alternativa viable. Los motores de encendido por compresión, a menudo denominados motores de pistón de combustible a chorro, tienen la ventaja añadida de utilizar combustible diésel o a chorro de bajo coste y fácilmente disponible.

Los principales componentes mecánicos del motor de encendido por chispa y del motor de encendido por compresión son esencialmente los mismos. Ambos utilizan cámaras de combustión cilíndricas y pistones que recorren la longitud de los cilindros para convertir el movimiento lineal en el movimiento rotatorio del cigüeñal. La principal diferencia entre el encendido por chispa y el encendido por compresión es el proceso de ignición del combustible.

Los motores de encendido por chispa utilizan una bujía para encender una mezcla premezclada de combustible y aire. (La mezcla de combustible y aire es la relación entre el "peso" del combustible y el "peso" del aire en la mezcla que se va a quemar). Un motor de encendido por compresión comprime primero el aire en el cilindro, elevando su temperatura a un grado necesario para el encendido automático cuando se inyecta combustible en el cilindro.

Estos dos diseños de motor pueden clasificarse a su vez como:

- Disposición de los cilindros con respecto al cigüeñal: radial, en línea, en V o C. Opuesto.

- Ciclo de funcionamiento-dos o cuatro.

- Método de refrigeración: líquido o aire.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Los motores radiales se utilizaron ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial y muchos siguen en servicio hoy en día. En estos motores, una o varias filas de cilindros están dispuestas en forma circular alrededor del cárter. La principal ventaja de un motor radial es la favorable relación peso-potencia.

Los motores en línea tienen una superficie frontal comparativamente pequeña, pero su relación potencia-peso es relativamente baja. Además, los cilindros traseros de un motor en línea refrigerado por aire reciben muy poco aire de refrigeración, por lo que estos motores suelen estar limitados a cuatro o seis cilindros. Los motores en V proporcionan más potencia que los motores en línea y siguen manteniendo una pequeña superficie frontal. 

Las continuas mejoras en el diseño de los motores condujeron al desarrollo del motor de oposición horizontal, que sigue siendo el motor recíproco más popular utilizado en las aeronaves más pequeñas. Estos motores tienen siempre un número par de cilindros, ya que un cilindro de un lado del cárter se "opone" a un cilindro del otro lado (cilindros opuestos).

La mayoría de estos motores están refrigerados por aire y suelen estar montados en posición horizontal cuando se instalan en aviones de ala fija. Los motores de tipo cilindros opuesto tienen una elevada relación potencia-peso porque tienen un cárter comparativamente pequeño y ligero. Además, la disposición compacta de los cilindros reduce el área frontal del motor y permite una instalación aerodinámica que minimiza la resistencia. 

Dependiendo del fabricante del motor, todas estas disposiciones pueden diseñarse para utilizar el encendido por chispa o por compresión y funcionar con un ciclo de dos o cuatro tiempos.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

En un motor de dos tiempos, la conversión de energía química en energía mecánica se produce en un ciclo de funcionamiento de dos tiempos. Los procesos de admisión, compresión, potencia y escape se producen en sólo dos carreras del pistón, en lugar de las cuatro carreras más comunes. Dado que un motor de dos tiempos tiene una carrera de potencia en cada revolución del cigüeñal, suele tener una mayor relación potencia-peso que un motor comparable de cuatro tiempos. Debido a la ineficacia inherente y a las emisiones desproporcionadas de los primeros diseños, el uso del motor de dos tiempos ha sido limitado en la aviación.

Los recientes avances en el diseño de materiales y motores han reducido muchas de las características negativas asociadas a los motores de dos tiempos. Los motores modernos de dos tiempos suelen utilizar cárteres de aceite convencionales, bombas de aceite y sistemas de lubricación alimentados a toda presión. El uso de la inyección directa de combustible y el aire presurizado, característicos de los motores avanzados de encendido por compresión, hacen que los motores de dos tiempos de encendido por compresión sean una alternativa viable a los diseños más comunes de cuatro tiempos de encendido por chispa.

Los motores de cuatro tiempos de encendido por chispa siguen siendo el diseño más común que se utiliza hoy en día en la GA aviación general. Las partes principales de un motor alternativo o reciproco de encendido por chispa incluyen los cilindros, el cárter y el alojamiento de los accesorios. Las válvulas de admisión y escape, las bujías y los pistones se encuentran en los cilindros. El cigüeñal y las bielas se encuentran en el cárter. Los magnetos se encuentran normalmente en el cárter de accesorios del motor.

En un motor de cuatro tiempos, la conversión de la energía química en energía mecánica se produce durante un ciclo de funcionamiento de cuatro tiempos. Los procesos de admisión, compresión, potencia y escape se producen en cuatro movimientos separados del pistón en el siguiente orden.

1.  La carrera de admisión comienza cuando el pistón inicia su recorrido hacia abajo. Cuando esto ocurre, la válvula de admisión se abre y la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro.

2. La carrera de compresión comienza cuando se cierra la válvula de admisión y el pistón comienza a moverse hacia la parte superior del cilindro. Esta fase del ciclo se utiliza para obtener una potencia mucho mayor de la mezcla de combustible y aire una vez encendida.

3. La carrera de potencia comienza cuando se enciende la mezcla de combustible y aire. Esto provoca un tremendo aumento de la presión en el cilindro y fuerza al pistón hacia abajo alejándose de la culata/cabeza, creando la potencia que hace girar el cigüeñal.

4. La carrera de escape se utiliza para purgar el cilindro de los gases quemados. Comienza cuando la válvula de escape se abre, y el pistón comienza a moverse hacia la cabeza del cilindro una vez más.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Incluso cuando el motor funciona a una velocidad bastante baja, el ciclo de cuatro tiempos tiene lugar varios cientos de veces cada minuto. En un motor de cuatro cilindros, cada cilindro funciona en una carrera diferente. La rotación continua de un cigüeñal se mantiene gracias a la sincronización precisa de las carreras de potencia en cada cilindro. El funcionamiento continuo del motor depende de la función simultánea de los sistemas auxiliares, incluidos los sistemas de inducción, encendido, combustible, aceite, refrigeración y escape. 

El último avance en los motores alternativos de aviación fue impulsado a mediados de los años 60 por Frank Thielert, que buscó en la industria del automóvil respuestas sobre cómo integrar la tecnología diésel en un motor de aviación. La ventaja de un motor alternativo alimentado con gasóleo reside en la similitud física del gasóleo y el queroseno. Los aviones equipados con un motor de pistón diésel funcionan con queroseno de combustible de aviación estándar, lo que proporciona más independencia, mayor fiabilidad, menor consumo y ahorro de costes operativos.

En 1999, Thielert fundó Thielert Aircraft Engines (TAE) para diseñar, desarrollar, certificar y fabricar un nuevo motor de ciclo diésel de combustión Jet-A (también conocido como motor de pistón alimentado por chorro) para la industria GA Aviación General. En marzo de 2001, el primer prototipo de motor se convirtió en el primer motor diesel certificado desde la Segunda Guerra Mundial. TAE sigue diseñando y desarrollando motores de ciclo diésel y otros fabricantes de motores, como la Société de Motorisations Aéronautiques (SMA), ofrecen ahora también motores de pistón alimentados por chorro. Los motores TAE se encuentran en el Diamond DA40 single y en el DA42 Twin Star; el primer motor diesel que forma parte del certificado de tipo de un nuevo avión del fabricante de equipos originales (OEM).

Estos motores también se han afianzado en el mercado de la retroadaptación con un certificado de tipo suplementario (STC) para rediseñar los modelos Cessna 172 y la familia Piper PA-28. La tecnología de los motores de pistón a reacción ha seguido progresando y el control digital del motor con plena autoridad (FADEC) es estándar en estas aeronaves equipadas, lo que minimiza la complicación del control del motor. En 2007, varias aeronaves de pistón alimentadas por chorro habían registrado más de 600.000 horas de servicio. 

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Características y funcionamiento de la Hélice (Propeller) 

La hélice es una dispositivo (hoja/blade) en rotación, sujeta a la resistencia inducida, a la entrada en pérdida y a otros principios aerodinámicos que se aplican a cualquier dispositivo aerodinámico. Proporciona el empuje necesario para impulsar o en algunos casos empujar, el avión a través del aire. La potencia del motor se utiliza para hacer girar la hélice, que a su vez genera un empuje muy similar a la forma en que un ala produce sustentación. La cantidad de empuje producida depende de la forma del perfil aerodinámico, el ángulo de ataque (AOA) de la pala de la hélice y las revoluciones por minuto (rpm) del motor. La hélice en sí está torcida, por lo que el ángulo de las palas cambia desde el hub/centro hasta la punta. El mayor ángulo de incidencia, o el mayor paso, está en el centro, mientras que el menor ángulo de incidencia o el menor paso está en la punta.

La razón de la torsión es producir una elevación uniforme desde el centro hasta la punta. Cuando la pala gira, hay una diferencia en la velocidad real de las distintas partes de la pala. La punta de la pala viaja más rápido que la parte cercana al centro, porque la punta recorre una mayor distancia que el centro en el mismo tiempo. Si se modifica el ángulo de incidencia (paso) desde el centro hasta la punta para que se corresponda con la velocidad, se produce una elevación uniforme en toda la longitud de la pala. Una pala de hélice diseñada con el mismo ángulo de incidencia en toda su longitud sería ineficaz porque, al aumentar la velocidad del aire en vuelo, la parte cercana al centro tendría un AOA negativo, mientras que la punta de la pala entraría en pérdida. Los aviones pequeños están equipados con uno de los dos tipos de hélices: de paso fijo o de paso ajustable.

¿Cómo funciona la Hélice de paso fijo? (Fixed-Pitch Propeller)

Una hélice con ángulos de pala fijos es una hélice de paso fijo. El paso de esta hélice lo establece el fabricante y no se puede cambiar. Dado que una hélice de paso fijo sólo alcanza la mejor eficiencia en una combinación determinada de velocidad aerodinámica y rpm, el ajuste del paso no es ideal ni para el crucero ni para el ascenso. Por lo tanto, el avión sufre un poco en cada categoría de rendimiento. La hélice de paso fijo se utiliza cuando se necesita poco peso, simplicidad y bajo coste. 

Hay dos tipos de hélices de paso fijo: de ascenso y de crucero. El hecho de que el avión tenga instalada una hélice de ascenso o de crucero depende de su uso previsto. La hélice de ascenso tiene un paso más bajo, por lo que tiene menos resistencia. Al tener menos resistencia, las revoluciones son más altas y la capacidad de potencia es mayor, lo que aumenta el rendimiento durante los despegues y las subidas, pero disminuye el rendimiento durante el vuelo de crucero.

La hélice de crucero tiene un paso más alto, por lo que tiene más resistencia. Una mayor resistencia se traduce en un menor número de revoluciones y una menor capacidad de potencia, lo que disminuye el rendimiento durante los despegues y las subidas, pero aumenta la eficiencia durante el vuelo de crucero.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

La hélice suele estar montada en un eje, que puede ser una prolongación del cigüeñal del motor. En este caso, las rpm de la hélice serían las mismas que las del cigüeñal. En algunos motores, la hélice está montada en un eje engranado al cigüeñal del motor. En este tipo, las rpm de la hélice son diferentes a las del motor. 

En una hélice de paso fijo, el tacómetro es el indicador de la potencia del motor. Un tacómetro está calibrado en cientos de rpm y da una indicación directa de las rpm del motor y de la hélice. El instrumento está codificado por colores con un arco verde que denota las máximas rpm de funcionamiento continuo. Algunos tacómetros tienen marcas adicionales para reflejar las limitaciones del motor y/o de la hélice. Las recomendaciones del fabricante deben utilizarse como referencia para aclarar cualquier malentendido sobre las marcas del tacómetro. 

Las revoluciones se regulan mediante el acelerador, que controla el flujo de aire de combustible al motor. A una altitud determinada, cuanto mayor sea la lectura del tacómetro, mayor será la potencia del motor.

Cuando la altitud de funcionamiento aumenta, el tacómetro puede no mostrar la potencia correcta del motor. Por ejemplo, 2.300 rpm a 5.000 pies produce menos caballos de fuerza que 2.300 rpm a nivel del mar porque la potencia depende de la densidad del aire. La densidad del aire disminuye a medida que aumenta la altitud y una disminución de la densidad del aire (altitud de mayor densidad) disminuye la potencia del motor. A medida que la altitud cambia, la posición del acelerador debe modificarse para mantener las mismas rpm. A medida que aumenta la altitud, el acelerador debe abrirse más para indicar las mismas rpm que a una altitud menor.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Hélice de Paso Ajustable en una aeronave (Adjustable-Pitch Propeller)

La hélice de paso ajustable fue la precursora de la hélice de velocidad constante. Se trata de una hélice con palas cuyo paso puede ajustarse en tierra con el motor parado, pero que no puede ajustarse en vuelo. También se denomina hélice ajustable en tierra. En la década de 1930, los inventores pioneros de la aviación estaban sentando las bases de los mecanismos de cambio de paso automático, por lo que el término se refiere a veces a las hélices modernas de velocidad constante que son ajustables en vuelo.

Los primeros sistemas de hélices de paso ajustable sólo ofrecían dos ajustes de paso: bajo y alto. Hoy en día, la mayoría de los sistemas de hélices de paso ajustable pueden tener varios ajustes de paso.

Una hélice de velocidad constante es una hélice de paso controlable cuyo paso se varía automáticamente en vuelo mediante un regulador que mantiene las revoluciones constantes a pesar de la variación de las cargas de aire. Es el tipo más común de hélice de paso regulable. La principal ventaja de una hélice de velocidad constante es que convierte un alto porcentaje de la potencia de freno (BHP) en potencia de empuje (THP) en una amplia gama de combinaciones de rpm y velocidad del aire. Una hélice de velocidad constante es más eficiente que otras hélices porque permite seleccionar las rpm del motor más eficientes para las condiciones dadas.

Un avión con una hélice de velocidad constante tiene dos controles: el acelerador y el control de la hélice. El acelerador controla la potencia, y el control de la hélice regula las rpm del motor. Éste regula las rpm de la hélice, que se registran en el tacómetro.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Una vez seleccionado un régimen específico, el regulador ajusta automáticamente el ángulo de las palas de la hélice según sea necesario para mantener el régimen seleccionado. Por ejemplo, después de establecer las rpm deseadas durante el vuelo de crucero, un aumento de la velocidad del aire o una disminución de la carga de la hélice hace que el ángulo de las palas de la hélice aumente según sea necesario para mantener las rpm seleccionadas. Una reducción de la velocidad del aire o un aumento de la carga de la hélice hace que el ángulo de las palas de la hélice disminuya.

El rango de velocidad constante de la hélice, definido por los topes de paso alto y bajo, es el rango de ángulos de pala posibles para una hélice de velocidad constante. Mientras el ángulo de las palas de la hélice esté dentro de la gama de velocidad constante y no esté en contacto con ninguno de los topes de paso, se mantendrán constantes las revoluciones del motor. Si las palas de la hélice entran en contacto con uno de los topes de paso, las rpm del motor aumentarán o disminuirán según los cambios en la velocidad del aire y la carga de la hélice.

Por ejemplo, una vez que se han seleccionado unas rpm específicas, si la velocidad de la aeronave disminuye lo suficiente como para hacer girar las palas de la hélice hasta que entren en contacto con el tope de paso bajo, cualquier disminución adicional de la velocidad del aire hará que las rpm del motor disminuyan de la misma manera que si se instalara una hélice de paso fijo. Lo mismo ocurre cuando una aeronave equipada con una hélice de velocidad constante acelera a una velocidad del aire mayor. A medida que la aeronave acelera, el ángulo de las palas de la hélice aumenta para mantener las rpm seleccionadas hasta que se alcanza el tope de paso alto. Una vez que esto ocurre, el ángulo de las palas no puede aumentar más y las rpm del motor aumentan.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

En las aeronaves equipadas con una hélice de velocidad constante, la potencia se controla mediante el acelerador y se indica mediante un manómetro del colector. El manómetro mide la presión absoluta de la mezcla de combustible y aire dentro del colector de admisión y es más correctamente una medida de la presión absoluta del colector manifold absolute pressure (MAP). A un régimen de revoluciones y altitud constantes, la cantidad de potencia producida está directamente relacionada con la mezcla de combustible y aire que llega a la cámara de combustión. A medida que se aumenta el ajuste del acelerador, fluye más combustible y aire al motor y el MAP aumenta.

Cuando el motor no está en marcha, el manómetro del colector indica la presión del aire ambiente (es decir, 29,92 pulgadas de mercurio (29,92 "Hg)). Cuando el motor se pone en marcha, la indicación de la presión del colector disminuye a un valor inferior a la presión ambiente (es decir, al ralentí a 12 "Hg). El fallo del motor o la pérdida de potencia se indica en el manómetro como un aumento de la presión del colector hasta un valor correspondiente a la presión del aire ambiente a la altitud en la que se produjo el fallo.

El manómetro del colector está codificado por colores para indicar el rango de funcionamiento del motor. La cara del manómetro contiene un arco verde para mostrar el rango de funcionamiento normal y una línea radial roja para indicar el límite superior de la presión del colector.

Para un determinado número de revoluciones, existe una presión del colector que no debe superarse. Si la presión del colector es excesiva para un régimen determinado, la presión dentro de los cilindros podría superarse, lo que supondría un esfuerzo excesivo para los cilindros. Si se repite con demasiada frecuencia, esta tensión puede debilitar los componentes de los cilindros y, finalmente, provocar un fallo del motor.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Un piloto puede evitar condiciones que sobrecarguen los cilindros estando constantemente atento a las rpm, especialmente al aumentar la presión del colector. Consulte las recomendaciones del fabricante sobre los ajustes de potencia de un motor concreto para mantener la relación adecuada entre la presión del colector y las rpm.

Cuando sea necesario modificar tanto la presión del colector como las rpm, evite el sobreesfuerzo del motor realizando los ajustes de potencia en el orden adecuado:

-   Cuando se reduzcan los ajustes de potencia, reduzca la presión del colector antes de reducir las rpm. Si se reducen las rpm antes de la presión del colector, la presión del colector aumenta automáticamente, pudiendo superar las tolerancias del fabricante.

-   Cuando se aumenten los ajustes de potencia, invierta el orden: aumente primero las rpm y luego la presión del colector.

-   Para evitar daños en los motores radiales, minimice el tiempo de funcionamiento a las máximas rpm y a la presión del colector, y evite el funcionamiento a las máximas rpm y a la baja presión del colector.

Deben seguirse las recomendaciones del fabricante del motor y/o del fuselaje para evitar el desgaste grave, la fatiga y los daños en los motores alternativos de alto rendimiento.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Fuel-air mixture (Mezcla de combustible y aire)

La mezcla de combustible y aire se dirige a las cámaras de combustión para su combustión. 

Throttle valve (Válvula de mariposa/aceleración)

El flujo de la mezcla de combustible y aire mezcla de combustible y aire es controlado por la válvula de mariposa. La válvula de mariposa válvula de mariposa se ajusta desde la cabina de vuelo por el acelerador.

Venturi

La forma del venturi crea una zona de baja presión.

Discharge nozzle (Boquilla de descarga)

El combustible es forzado a través de la boquilla de descarga en el venturi por mayor presión atmosférica presión atmosférica en la cámara cámara del flotador.

Air inlet (Entrada de aire)

El aire entra en el carburador a través de la entrada de aire.

Air bleed (Purga de aire/ Sangrado de aire)

El purgador de aire permite que el aire se mezcle con el combustible que se extrae de la boquilla de descarga para disminuir la densidad del densidad del combustible y promover la vaporización del mismo.

Mixture needle (Aguja de mezcla)

La aguja de mezcla controla el combustible que llega a la boquilla de descarga. La posición de la aguja de mezcla puede ajustarse mediante el control de la mezcla.

Fuel inlet (Entrada de combustible)

El combustible se recibe en el carburador a través de la entrada de combustible.

Float chamber (Cámara de flotación)

El nivel de combustible se mantiene mediante un dispositivo de tipo flotador.

Comportamiento de la hélice con sobrevelocidad en aviones con motor de pistón (Propeller Overspeed in Piston Engine Aircraft)

El piloto informó de que la aplicación del acelerador dio lugar a un exceso de velocidad de la hélice sin empuje apreciable. El piloto intentó planear hasta un aeropuerto cercano y estableció la velocidad de "mejor planeo" de 110 nudos, tal y como se publicaba en el Manual de Operaciones del Piloto (POH), pero no pudo llegar al aeropuerto y se vio obligado a realizar un aterrizaje fuera del campo.

Se explicó además que se determinó que la hélice experimentó un fallo que hizo que el mecanismo de cambio de paso de las palas se moviera a la posición de parada de paso bajo. Esto provocó que la hélice funcionara como una hélice de paso fijo, de manera que cambia las rpm con los cambios de potencia y velocidad del aire. El ajuste de paso bajo permite la máxima potencia durante el despegue, pero puede dar lugar a un exceso de velocidad de la hélice a una mayor velocidad del aire.

Se llevó a cabo una evaluación del rendimiento de las condiciones de vuelo para el modelo de aeronave concreto implicado en este incidente. Esta evaluación indicó que una velocidad del aire inferior a la mejor velocidad de planeo habría dado lugar a un mayor empuje que habría permitido al piloto mantener el vuelo nivelado. 

Existen numerosas variables en las aeronaves, los motores y las hélices que afectan al rendimiento de la aeronave. Para algunos modelos de avión, la mejor velocidad de planeo publicada puede no ser lo suficientemente baja como para generar el empuje adecuado para una instalación de hélice determinada en esta situación (palas de la hélice en posición de parada de paso bajo).

Los operadores de aeronaves con hélices de paso variable deben ser conscientes de que en ciertos casos de sobrevelocidad de la hélice, la velocidad aerodinámica necesaria para mantener el vuelo nivelado puede ser diferente de la velocidad asociada a la mejor velocidad de planeo sin motor. 

Deben seguirse los procedimientos de emergencia apropiados para mitigar la situación de emergencia en caso de sobrevelocidad de la hélice; sin embargo, los pilotos deben ser conscientes de que una cierta reducción de la velocidad aerodinámica puede dar lugar a la capacidad de continuar el vuelo y el aterrizaje con seguridad. La determinación de una velocidad aerodinámica que sea más adecuada que la velocidad de planeo óptima del motor sólo debería realizarse a una altitud segura cuando el piloto tenga tiempo para determinar un curso de acción alternativo que no sea el aterrizaje inmediato.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Sistema de inducción en el motor (induction system)

El sistema de inducción introduce aire del exterior, lo mezcla con el combustible y lleva la mezcla de combustible y aire al cilindro donde se produce la combustión. El aire exterior entra en el sistema de inducción a través de un puerto de admisión situado en la parte delantera del capó del motor. 

Este puerto contiene normalmente un filtro de aire que impide la entrada de polvo y otros objetos extraños. Dado que el filtro puede obstruirse ocasionalmente, es necesario disponer de una fuente de aire alterno. Por lo general, el aire alterno proviene del interior del capó del motor, donde evita el filtro de aire obstruido. Algunas fuentes de aire alterno funcionan automáticamente, mientras que otras lo hacen manualmente.

En los motores de las aeronaves pequeñas se suelen utilizar dos tipos de sistemas de inducción:

-   El sistema de carburación mezcla el combustible y el aire en el carburador antes de que esta mezcla entre en el colector de admisión.

-   El sistema de inyección de combustible mezcla el combustible y el aire inmediatamente antes de entrar en cada cilindro o inyecta el combustible directamente en cada cilindro.

Sistemas de carburador (Carburetor Systems)

Los carburadores de avión se dividen en dos categorías: carburadores de tipo flotador y carburadores de tipo presión. Los carburadores de flotador, con sistemas de ralentí, aceleración, control de la mezcla, corte de ralentí y enriquecimiento de la potencia, son los más comunes de los dos tipos de carburadores. Los carburadores de presión no suelen encontrarse en las aeronaves pequeñas. La diferencia básica entre un carburador de flotador y uno de presión es el suministro de combustible. El carburador de presión suministra el combustible bajo presión mediante una bomba de combustible.

Carburador de tipo flotador

En el funcionamiento del sistema de carburador de tipo flotante, el aire exterior pasa primero por un filtro de aire, normalmente situado en una toma de aire en la parte delantera del capó del motor. Este aire filtrado fluye hacia el carburador y a través de un venturi, una garganta estrecha en el carburador. Cuando el aire fluye a través del venturi, se crea una zona de baja presión que obliga al combustible a fluir a través de un surtidor principal de combustible situado en la garganta. El combustible pasa entonces a la corriente de aire, donde se mezcla con el aire que fluye. 

La mezcla de combustible y aire pasa por el colector de admisión y llega a las cámaras de combustión, donde se enciende. El carburador de flotador debe su nombre a un flotador que descansa sobre el combustible dentro de la cámara del flotador. Una aguja unida al flotador abre y cierra una abertura en el fondo de la cuba del carburador. Esto mide la cantidad de combustible que entra en el carburador, dependiendo de la posición del flotador, que es controlada por el nivel de combustible en la cámara del flotador. 

Cuando el nivel del combustible obliga al flotador a subir, la válvula de aguja cierra la abertura de combustible y cierra el flujo de combustible al carburador. La válvula de aguja se abre de nuevo cuando el motor necesita más combustible. El flujo de la mezcla de combustible y aire a las cámaras de combustión se regula mediante la válvula de mariposa, que se controla con el acelerador en la cabina de vuelo.

El carburador de tipo flotador tiene varias desventajas claras. En primer lugar, no funcionan bien durante las maniobras bruscas. En segundo lugar, la descarga de combustible a baja presión conduce a una vaporización incompleta y a la dificultad de descargar el combustible en algunos tipos de sistemas sobrealimentados. 

Sin embargo, la principal desventaja del carburador de flotador es su tendencia a la formación de hielo. Dado que el carburador de flotador debe descargar el combustible en un punto de baja presión, la boquilla de descarga debe estar situada en la garganta del venturi, y la válvula de mariposa debe estar en el lado del motor de la boquilla de descarga. Esto significa que el descenso de la temperatura debido a la vaporización del combustible tiene lugar dentro del venturi. Como resultado, se forma fácilmente hielo en el venturi y en la válvula de mariposa.

Carburador de presión

Un carburador de presión descarga el combustible en la corriente de aire a una presión muy superior a la atmosférica. Esto da lugar a una mejor vaporización y permite la descarga de combustible en la corriente de aire en el lado del motor de la válvula de mariposa. 

Con la boquilla de descarga en esta posición, la vaporización del combustible tiene lugar después de que el aire haya pasado por la válvula de mariposa y en un punto en el que la caída de la temperatura se compensa con el calor del motor. De este modo, el peligro de congelación por vaporización de combustible queda prácticamente eliminado. Los efectos de las maniobras rápidas y el aire revuelto en los carburadores de tipo de presión son insignificantes, ya que sus cámaras de combustible permanecen llenas en todas las condiciones de funcionamiento.

Control de la mezcla del carburador

Los carburadores se calibran normalmente a la presión del aire a nivel del mar, donde se establece la relación correcta de la mezcla de combustible y aire con el control de la mezcla ajustado en la posición FULL RICH. Sin embargo, a medida que aumenta la altitud, la densidad del aire que entra en el carburador disminuye, mientras que la densidad del combustible permanece igual. Esto crea una mezcla progresivamente más rica que puede provocar asperezas en el motor y una apreciable pérdida de potencia. La aspereza se debe normalmente al ensuciamiento de las bujías por una excesiva acumulación de carbono en las mismas.

La acumulación de carbono se produce porque la mezcla rica reduce la temperatura dentro del cilindro, impidiendo la combustión completa del combustible. Esta situación puede producirse durante el rodaje previo al despegue en aeropuertos de gran altitud y durante los ascensos o el vuelo de crucero a gran altitud. Para mantener la mezcla correcta de combustible y aire, la mezcla debe inclinarse utilizando el control de mezcla. La inclinación de la mezcla disminuye el flujo de combustible, lo que compensa la disminución de la densidad del aire a gran altura.

Durante un descenso desde gran altitud, la mezcla de combustible y aire debe enriquecerse, o puede volverse demasiado pobre. Una mezcla demasiado pobre provoca la detonación, lo que puede dar lugar a un funcionamiento irregular del motor, un sobrecalentamiento y/o una pérdida de potencia. La mejor manera de mantener la mezcla adecuada de combustible y aire es controlar la temperatura del motor y enriquecer la mezcla según sea necesario. 

Un control adecuado de la mezcla y un mayor ahorro de combustible en los motores de inyección pueden lograrse utilizando un medidor de temperatura de los gases de escape (EGT). Dado que el proceso de ajuste de la mezcla puede variar de una aeronave a otra, es importante consultar el manual de vuelo del avión (AFM) o el POH para determinar los procedimientos específicos para una aeronave determinada.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Formación de hielo en el carburador (Carburetor Icing)

Como se ha mencionado anteriormente, una desventaja del carburador de tipo flotador es su tendencia a la formación de hielo. La formación de hielo en el carburador se debe al efecto de la vaporización del combustible y a la disminución de la presión del aire en el venturi, lo que provoca un fuerte descenso de la temperatura en el carburador. Si el vapor de agua presente en el aire se condensa cuando la temperatura del carburador es igual o inferior al punto de congelación, puede formarse hielo en las superficies internas del carburador, incluida la válvula de mariposa.

La reducción de la presión del aire, así como la vaporización del combustible, contribuyen a la disminución de la temperatura en el carburador. Generalmente se forma hielo en las proximidades de la válvula de mariposa y en la garganta del venturi. Esto restringe el flujo de la mezcla de combustible y aire y reduce la potencia. Si se acumula suficiente hielo, el motor puede dejar de funcionar. El hielo en el carburador es más probable cuando las temperaturas son inferiores a 70 grados Fahrenheit (°F) o 21 grados Celsius (°C) y la humedad relativa es superior al 80 por ciento. Debido al enfriamiento repentino que se produce en el carburador, la formación de hielo puede producirse incluso con temperaturas del aire exterior de hasta 100 °F (38 °C) y una humedad tan baja como el 50 por ciento. 

Esta caída de temperatura puede ser de 60 a 70 grados Fahrenheit absolutos (frente a los relativos) (70 x 100/180 = 38,89 grados Celsius) (Recuerde que hay 180 grados Fahrenheit desde la congelación hasta la ebullición frente a los 100 grados de la escala Celsius). Por lo tanto, una temperatura del aire exterior de 100 F (38 C), una caída de temperatura de un absoluto 70 F grados (38,89 grados Celsius) resulta en una temperatura del aire en el carburador de 30 F (-1 C).

El primer indicio de congelación del carburador en una aeronave con una hélice de paso fijo es una disminución de las rpm del motor, que puede ir seguida de una aspereza del motor. En una aeronave con una hélice de velocidad constante, la formación de hielo en el carburador suele estar indicada por una disminución de la presión del colector, pero no por una reducción de las rpm. El paso de la hélice se ajusta automáticamente para compensar la pérdida de potencia. De este modo, se mantiene un número de revoluciones constante. Aunque el hielo en el carburador puede ocurrir durante cualquier fase del vuelo, es particularmente peligroso cuando se utiliza la potencia reducida durante un descenso. 

En determinadas condiciones, el hielo del carburador puede acumularse de forma inadvertida hasta que se añada potencia. Para combatir los efectos del hielo del carburador, los motores con carburadores de tipo flotante emplean un sistema de calentamiento del carburador.

Método de calefacción del carburador (Carburetor Heat)

La calefacción del carburador es un sistema anticongelante que precalienta el aire antes de que llegue al carburador y tiene por objeto mantener la mezcla de combustible y aire por encima del punto de congelación para evitar la formación de hielo en el carburador. La calefacción del carburador puede utilizarse para derretir el hielo que ya se ha formado en el carburador si la acumulación no es demasiado grande, pero utilizar la calefacción del carburador como medida preventiva es la mejor opción. 

Además, el calor del carburador puede utilizarse como una fuente de aire alterno si el filtro de admisión se obstruye, como en condiciones repentinas o inesperadas de formación de hielo en el fuselaje. La calefacción del carburador debe comprobarse durante el arranque del motor. Cuando utilice la calefacción del carburador, siga las recomendaciones del fabricante.

Cuando las condiciones son propicias para la formación de hielo en el carburador durante el vuelo, se deben realizar comprobaciones periódicas para detectar su presencia. Si se detecta, debe aplicarse inmediatamente la calefacción completa del carburador, y debe dejarse en la posición ON hasta que el piloto esté seguro de que se ha eliminado todo el hielo. Si hay hielo, aplicar calor parcial o dejar el calor encendido durante un tiempo insuficiente podría agravar la situación. En casos extremos de formación de hielo en el carburador, incluso después de que se haya eliminado el hielo, se debe utilizar el calor total del carburador para evitar que se siga formando hielo. Si se instala, un medidor de temperatura del carburador es útil para determinar cuándo utilizar la calefacción del carburador. 

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Cuando se cierra el acelerador durante el vuelo, el motor se enfría rápidamente y la vaporización del combustible es menos completa que si el motor está caliente. Además, en esta condición, el motor es más susceptible a la formación de hielo en el carburador. Si se sospecha que el carburador se está congelando y se prevé un funcionamiento con el acelerador cerrado, ajuste la calefacción del carburador a la posición de encendido total antes de cerrar el acelerador y déjela encendida durante el funcionamiento con el acelerador cerrado. 

El calor ayuda a vaporizar el combustible y a prevenir la formación de hielo en el carburador. Periódicamente, abra el acelerador suavemente durante unos segundos para mantener el motor caliente; de lo contrario, la calefacción del carburador podría no proporcionar suficiente calor para evitar la formación de hielo.

Si no hay hielo, las revoluciones disminuyen y luego se mantienen constantes. Cuando se utiliza la calefacción del carburador en un avión con una hélice de velocidad constante y hay hielo, se nota una disminución de la presión del colector, seguida de un aumento gradual. Si no hay hielo en el carburador, el aumento gradual de la presión del colector no es evidente hasta que se apaga la calefacción del carburador.

Es imperativo que el piloto reconozca el hielo en el carburador cuando se forma durante el vuelo para evitar una pérdida de potencia, altitud y/o velocidad del aire. Estos síntomas pueden ir a veces acompañados de vibraciones o asperezas del motor. Una vez que se advierte una pérdida de potencia, se deben tomar medidas inmediatas para eliminar el hielo que ya se ha formado en el carburador y para evitar que se siga formando. Esto se logra aplicando calor a todo el carburador, lo que reducirá aún más la potencia y puede causar asperezas en el motor a medida que el hielo derretido pasa por el motor.

Estos síntomas pueden durar desde 30 segundos hasta varios minutos, dependiendo de la gravedad de la formación de hielo. Durante este período, el piloto debe resistir la tentación de disminuir el uso del calor del carburador. El calor del carburador debe permanecer en la posición de máximo calor hasta que se recupere la potencia normal.

Dado que el uso del calor del carburador tiende a reducir la potencia del motor y a aumentar la temperatura de funcionamiento, el calor del carburador no debe utilizarse cuando se requiera toda la potencia (como durante el despegue) o durante el funcionamiento normal del motor, excepto para comprobar la presencia de hielo en el carburador o para eliminarlo.

Indicador de temperatura del aire del carburador (Carburetor Air Temperature Gauge)

Algunas aeronaves están equipadas con un medidor de temperatura del aire del carburador, que es útil para detectar posibles condiciones de formación de hielo. Por lo general, la cara del medidor está calibrada en grados Celsius con un arco amarillo que indica las temperaturas del aire del carburador donde puede producirse la formación de hielo. Este arco amarillo suele oscilar entre -15 °C y +5 °C (5 °F y 41 °F). Si la temperatura y el contenido de humedad del aire son tales que la formación de hielo en el carburador es improbable, el motor puede funcionar con el indicador en el rango amarillo sin efectos adversos. Si las condiciones atmosféricas son propicias para la formación de hielo en el carburador, el indicador debe mantenerse fuera del arco amarillo mediante la aplicación de calor en el carburador.

Algunos medidores de la temperatura del aire del carburador tienen un radio rojo que indica la temperatura máxima admisible del aire de entrada del carburador recomendada por el fabricante del motor. Si está presente, un arco verde indica el rango de funcionamiento normal. 

Indicador de temperatura del aire exterior (Outside Air Temperature Gauge)

La mayoría de las aeronaves también están equipadas con un medidor de temperatura del aire exterior (OAT) calibrado en grados Celsius y Fahrenheit. Proporciona la temperatura del aire exterior o ambiente para calcular la velocidad real del aire y es útil para detectar posibles condiciones de hielo.

Funcionamiento del sistemas de inyección de combustible (Fuel Injection Systems)

En un sistema de inyección de combustible, el combustible se inyecta directamente en los cilindros, o justo antes de la válvula de admisión. La admisión de aire para el sistema de inyección de combustible es similar a la utilizada en un sistema de carburador, con una fuente de aire alterno situada dentro del capó del motor. Esta fuente se utiliza si la fuente de aire externa está obstruida. La fuente de aire alterno suele funcionar de forma automática, con un sistema manual de reserva que puede utilizarse si la función automática funciona mal.

Un sistema de inyección de combustible suele incorporar seis componentes básicos: una bomba de combustible accionada por el motor, una unidad de control de combustible-aire, un colector de combustible (distribuidor de combustible), boquillas de descarga, una bomba de combustible auxiliar e indicadores de presión y flujo de combustible. 

La bomba de combustible auxiliar suministra combustible bajo presión a la unidad de control de combustible-aire para el arranque del motor y/o el uso de emergencia. Tras el arranque, la bomba de combustible accionada por el motor suministra combustible a presión desde el depósito de combustible a la unidad de control de combustible-aire.

Esta unidad de control, que esencialmente sustituye al carburador, mide el combustible en función del ajuste de control de la mezcla y lo envía a la válvula del colector de combustible a un ritmo controlado por el acelerador. 

Después de llegar a la válvula del colector de combustible, el combustible se distribuye a las boquillas individuales de descarga de combustible. Las boquillas de descarga, situadas en cada culata, inyectan la mezcla de combustible y aire directamente en el puerto de admisión de cada cilindro.

Se considera que un sistema de inyección de combustible es menos susceptible a la formación de hielo que un sistema de carburador, pero la formación de hielo por impacto en la entrada de aire es una posibilidad en cualquiera de los dos sistemas. El hielo por impacto se produce cuando se forma hielo en el exterior de la aeronave y bloquea las aberturas, como la entrada de aire del sistema de inyección.

Las siguientes son las ventajas de utilizar la inyección de combustible: