Sistemas de medición de combustible del motor y de combustible - Engine Fuel and Fuel Metering Systems
Requisitos del sistema de combustible
El sistema de combustible del motor debe suministrar combustible al dispositivo de medición de combustible del motor en todas las condiciones de funcionamiento en tierra y aire. Debe funcionar correctamente en altitudes que cambian constantemente y en cualquier clima. Los combustibles más comunes son AVGAS para los motores recíprocos y Jet A para los motores de turbina. El AVGAS suele ser de 80 (rojo) o 100LL (azul) octanos. El LL significa "low lead" (bajo en plomo), aunque contiene cuatro veces más plomo que el AVGAS de 80 octanos. El Jet A es un combustible a base de queroseno que tiene un color entre claro y pajizo.
Los controles electrónicos del motor han permitido un gran aumento en el control del flujo de combustible medido al motor. Los sistemas de combustible del motor se han vuelto muy precisos a la hora de proporcionar la mezcla correcta de combustible y aire a los motores.
Los controles de combustible de las turbinas de gas también han mejorado mucho la capacidad de programar (medir) el combustible correctamente durante todos los regímenes de vuelo. Las mejoras en la electrónica y el uso de ordenadores digitales han permitido interconectar electrónicamente el avión y los motores. Gracias al uso de sensores electrónicos y a la lógica informática incorporada a los controles electrónicos, los motores pueden controlarse con mucha más precisión.
El coste y la disponibilidad del combustible también se han convertido en factores para dotar a los motores de sistemas de combustible eficientes y muy precisos a la hora de programar el flujo de combustible hacia el motor. Muchos motores utilizan un sistema interactivo que detecta los parámetros del motor y transmite la información al ordenador de a bordo (control electrónico del motor).
El ordenador determina la cantidad de combustible necesaria y envía una señal al dispositivo de medición. Esta señal enviada al dispositivo de medición determina la cantidad correcta de combustible que necesita el motor. Los controles electrónicos se han vuelto bastante comunes en las turbinas de gas y han aumentado las capacidades del sistema de combustible, haciéndolo menos complicado para el técnico y disminuyendo los problemas de mantenimiento.
Los sistemas de combustible de los motores pueden ser bastante complicados, aunque algunos son bastante sencillos, como en el caso de las pequeñas aeronaves con un simple sistema de combustible alimentado por gravedad. Este sistema, que consiste en un tanque para suministrar combustible al motor, suele estar instalado en el ala superior y alimenta un pequeño carburador de tipo flotador.
En las aeronaves multimotor, se necesitan sistemas complejos para que el combustible pueda ser bombeado desde cualquier combinación de tanques a cualquier combinación de motores a través de un sistema de alimentación cruzada. En las aeronaves de gran tamaño también se pueden incluir disposiciones para transferir el combustible de un tanque a otro.
Bloqueo de vapor - Vapor Lock
Todos los sistemas de combustible deben estar diseñados para que no se produzca el bloqueo de vapor. Los antiguos sistemas de alimentación por gravedad eran más propensos al bloqueo de vapor. El sistema de combustible debe estar libre de la tendencia al bloqueo de vapor, que puede resultar de los cambios en las condiciones climáticas en tierra y en vuelo.
Normalmente, el combustible permanece en estado líquido hasta que es descargado en la corriente de aire y entonces cambia instantáneamente a vapor. Bajo ciertas condiciones, el combustible puede vaporizarse en las líneas, bombas u otras unidades. Las bolsas de vapor formadas por esta vaporización prematura restringen el flujo de combustible a través de unidades que están diseñadas para manejar líquidos en lugar de gases.
La interrupción parcial o total del flujo de combustible resultante se denomina bloqueo de vapor. Las tres causas generales del bloqueo de vapor son la disminución de la presión sobre el combustible, las altas temperaturas del combustible y la excesiva turbulencia del mismo.
A gran altura, la presión del combustible en el depósito es baja. Esto reduce el punto de ebullición del combustible y hace que se formen burbujas de vapor. Este vapor atrapado en el combustible puede provocar un bloqueo de vapor en el sistema de combustible.
La transferencia de calor del motor tiende a causar la ebullición del combustible en las líneas y la bomba. Esta tendencia aumenta si el combustible en el tanque está caliente. Las altas temperaturas del combustible suelen combinarse con la baja presión para aumentar la formación de vapor. Esto es más probable que ocurra durante un ascenso rápido en un día caluroso.
A medida que el avión asciende, la temperatura exterior desciende, pero el combustible no pierde temperatura rápidamente. Si el combustible está lo suficientemente caliente en el despegue, conserva suficiente calor para hervir fácilmente a gran altura. Las principales causas de las turbulencias del combustible son el chapoteo del combustible en los depósitos, la acción mecánica de la bomba accionada por el motor y las curvas o subidas pronunciadas en los conductos de combustible.
El chapoteo en el depósito tiende a mezclar el aire con el combustible. Al pasar esta mezcla por los conductos, el aire atrapado se separa del combustible y forma bolsas de vapor en cualquier punto donde haya cambios bruscos de dirección o subidas pronunciadas. Las turbulencias en la bomba de combustible suelen combinarse con la baja presión en la entrada de la bomba para formar un bloqueo de vapor en este punto.
El bloqueo de vapor puede llegar a ser lo suficientemente grave como para bloquear el flujo de combustible por completo y detener el motor. Incluso pequeñas cantidades de vapor en la línea de entrada restringen el flujo a la bomba accionada por el motor y reducen su presión de salida. Para reducir la posibilidad de bloqueo de vapor, las líneas de combustible se mantienen alejadas de las fuentes de calor; también se evitan las curvas cerradas y las subidas pronunciadas.
Además, la volatilidad del combustible se controla en la fabricación para que no se vaporice con demasiada facilidad. Sin embargo, la principal mejora para reducir el bloqueo de vapor es la incorporación de bombas de refuerzo en el sistema de combustible. Estas bombas de refuerzo, que se utilizan ampliamente en la mayoría de los aviones modernos, mantienen el combustible en las líneas de la bomba accionada por el motor bajo presión.
La presión sobre el combustible reduce la formación de vapor y ayuda a desplazar una bolsa de vapor. La bomba de sobrealimentación también libera el vapor del combustible al pasar por la bomba. El vapor se desplaza hacia arriba a través del combustible en el depósito y sale por los respiraderos del depósito. Para evitar que la pequeña cantidad de vapor que permanece en el combustible altere su acción de medición, en algunos sistemas de combustible se instalan eliminadores de vapor antes del dispositivo de medición o se incorporan a esta unidad.
Sistema básico de combustible del motor
Las partes básicas de un sistema de combustible incluyen tanques, bombas de refuerzo, líneas, válvulas selectoras, filtros, bombas accionadas por el motor y manómetros. Una revisión de los sistemas de combustible en el Manual General del Técnico de Mantenimiento de Aviación proporciona alguna información sobre estos componentes.
Generalmente, hay varios tanques, incluso en un sistema simple, para almacenar la cantidad requerida de combustible. La ubicación de estos tanques depende tanto del diseño del sistema de combustible como del diseño estructural de la aeronave. Desde cada tanque, una línea conduce a la válvula selectora. Esta válvula se ajusta desde la cabina para seleccionar el tanque del que se debe suministrar el combustible al motor.
La bomba de sobrealimentación impulsa el combustible a través de la válvula selectora hasta el filtro de la línea principal. Esta unidad de filtrado, situada en la parte más baja del sistema, elimina el agua y la suciedad del combustible. Durante el arranque, la bomba de sobrealimentación impulsa el combustible a través de una derivación en la bomba accionada por el motor hacia el dispositivo de medición. Una vez que la bomba accionada por el motor gira a una velocidad suficiente, toma el relevo y suministra combustible al dispositivo de medición a la presión especificada.
El sistema de combustible del fuselaje comienza con el tanque de combustible y termina en el sistema de combustible del motor. El sistema de combustible del motor suele incluir las bombas accionadas por el motor y los sistemas de medición de combustible.
En las aeronaves propulsadas por un motor recíproco, la bomba de combustible accionada por el motor y el sistema de medición constan de los componentes principales desde el punto en que el combustible entra en la primera unidad de control hasta que se inyecta en el tubo de admisión o en el cilindro.
Por ejemplo, el sistema de combustible de un motor típico tiene una bomba de combustible accionada por el motor, la unidad de control de combustible/aire (dispositivo de medición), la válvula del colector de combustible y las boquillas de descarga de combustible. El sistema de medición de combustible en los motores recíprocos actuales dosifica el combustible en una proporción predeterminada con respecto al flujo de aire. El flujo de aire que llega al motor es controlado por el carburador o la unidad de control de combustible/aire.
El sistema de medición de combustible del motor de turbina de gas típico consiste en una bomba accionada por el motor, un transmisor de flujo de combustible, un control de combustible con un control electrónico del motor, un sistema de distribución o colector, un divisor de flujo y boquillas de descarga de combustible.
En algunos motores turbopropulsores, un calentador de combustible y un control de arranque forman parte del sistema de combustible del motor. La tasa de suministro de combustible puede ser una función del flujo de masa de aire, la temperatura de entrada del compresor, la presión de descarga del compresor, las revoluciones por minuto (rpm) del compresor, la temperatura de los gases de escape y la presión de la cámara de combustión.
Dispositivos de medición de combustible para motores recíprocos
Aquí se tratan los principios básicos de funcionamiento sin pretender dar instrucciones detalladas de mantenimiento. Para obtener la información específica necesaria para inspeccionar o mantener una instalación o unidad concreta, consulte las instrucciones del fabricante.
El requisito básico de un sistema recíproco de medición de combustible es el mismo, independientemente del tipo de sistema utilizado o del modelo de motor en el que esté instalado el equipo. Debe dosificar el combustible de forma proporcional al aire para establecer la relación adecuada de mezcla de combustible y aire para el motor a todas las velocidades y altitudes a las que pueda funcionar el motor.
El sistema de medición de combustible debe atomizar y distribuir el combustible del carburador en el flujo de aire de masa. Esto debe lograrse de manera que las cargas de combustible/aire que van a todos los cilindros contengan cantidades iguales de combustible. Cada uno de los cilindros del motor debe recibir la misma cantidad de mezcla de combustible/aire y en la misma proporción de combustible/aire.
Debido a la caída de la presión atmosférica a medida que aumenta la altitud, la densidad del aire también disminuye. Un motor de aspiración normal tiene una cantidad o volumen fijo de aire que puede aspirar durante la carrera de admisión, por lo que entra menos aire en el motor a medida que aumenta la altitud.
Al haber menos aire, los carburadores tienden a ser más ricos en altitud que a nivel del suelo, debido a la disminución de la densidad del flujo de aire a través de la garganta del carburador para un determinado volumen de aire.
Por lo tanto, es necesario que haya un control de la mezcla para adelgazar la mezcla y compensar este enriquecimiento natural. Algunas aeronaves utilizan carburadores en los que el control de la mezcla se acciona manualmente. Otras aeronaves emplean carburadores que inclinan automáticamente la mezcla del carburador en altitud para mantener la mezcla adecuada de combustible/aire.
Los requisitos de la mezcla rica para un motor de avión se establecen ejecutando una curva de potencia para determinar la mezcla de combustible/aire para obtener la máxima potencia utilizable. Esta curva se traza a intervalos de 100 rpm desde el ralentí hasta la velocidad de despegue.
Dado que en el rango de potencia es necesario añadir combustible a los requisitos básicos de la mezcla de combustible/aire para mantener las temperaturas de la culata en un rango seguro, la mezcla de combustible debe hacerse gradualmente más rica a medida que se utilizan potencias superiores a la de crucero.
En el rango de potencia, el motor funciona con una mezcla mucho más pobre, como se indica en las curvas. Sin embargo, con la mezcla más pobre, la temperatura de la culata superaría las temperaturas máximas permitidas y se produciría la detonación.
En este rango, el motor funciona normalmente con mezclas ligeramente más pobres y, obviamente, funciona con mezclas más ricas que la mezcla de punto bajo. Si se utiliza una mezcla más pobre que la especificada para el motor, el cilindro más pobre del motor es propenso a petardear porque la velocidad de combustión más lenta de la mezcla pobre provoca una combustión continua en el cilindro cuando se inicia la siguiente carrera de admisión.
Relacion de Combustible vs Aire
Mezclas La gasolina y otros combustibles líquidos no arden en absoluto si no se mezclan con aire. Para que la mezcla se queme correctamente en el cilindro del motor, la proporción entre el aire y el combustible debe mantenerse dentro de un rango determinado. Sería más exacto decir que el combustible se quema con el oxígeno del aire.
El 78% del aire en volumen es nitrógeno, que es inerte y no participa en el proceso de combustión, y el 21% es oxígeno. El calor se genera al quemar la mezcla de gasolina y oxígeno. El nitrógeno y los subproductos gaseosos de la combustión absorben esta energía calorífica y la convierten en energía por expansión.
La proporción de la mezcla de combustible y aire en peso es de extrema importancia para el rendimiento del motor. Las características de una determinada mezcla pueden medirse en términos de velocidad de la llama y temperatura de combustión.
La composición de la mezcla de combustible y aire se describe mediante la proporción de la mezcla. Por ejemplo, una mezcla con una relación de 12 a 1 (12:1) está compuesta por 12 libras de aire y 1 libra de combustible. La relación se expresa en peso porque el volumen de aire varía mucho con la temperatura y la presión. La relación de la mezcla también puede expresarse como un decimal. Así, una relación combustible/aire de 12:1 y una relación combustible/aire de 0,083 describen la misma relación de mezcla.
Las mezclas de aire y gasolina tan ricas como 8:1 y tan pobres como 16:1 se quemarán en un cilindro del motor, pero más allá de estas mezclas, podría producirse un reventón pobre o rico. El motor desarrolla su máxima potencia con una mezcla de aproximadamente 12 partes de aire y 1 parte de gasolina en peso.
Desde el punto de vista de un químico, la mezcla perfecta para la combustión de combustible y aire sería de 0,067 libras de combustible por 1 libra de aire (relación de mezcla de 15:1). El científico llama a esta combinación químicamente correcta una mezcla estequiométrica. Con esta mezcla (dado el tiempo y la turbulencia suficientes), todo el combustible y todo el oxígeno del aire se utilizan completamente en el proceso de combustión.
La mezcla estequiométrica produce las temperaturas de combustión más elevadas porque la proporción de calor liberado por una masa de carga (combustible y aire) es la mayor. Si se añade más combustible a la misma cantidad de carga de aire que la cantidad que da una mezcla químicamente perfecta, se producen cambios de potencia y temperatura.
La temperatura de los gases de combustión disminuye a medida que se enriquece la mezcla, y la potencia aumenta hasta que la relación combustible/aire es de aproximadamente 0,0725. Para las mezclas de 0,0725 de relación combustible/aire a 0,080 de relación combustible/aire, la potencia permanece esencialmente constante aunque la temperatura de combustión sigue bajando. Las mezclas de 0,0725 de relación combustible/aire a 0,080 de relación combustible/aire se denominan mezclas de mejor potencia, ya que su uso da lugar a la mayor potencia para un flujo de aire o una presión de colector determinados.
En este rango de relación combustible/aire, no se produce un aumento del calor total liberado, pero el peso del nitrógeno y de los productos de la combustión se ve incrementado por el vapor formado con el exceso de combustible. Por lo tanto, la masa de trabajo de la carga aumenta. Además, el combustible extra en la carga (sobre la mezcla estequiométrica) acelera el proceso de combustión, lo que proporciona un factor de tiempo favorable en la conversión de la energía del combustible en potencia.
Si la relación combustible/aire se enriquece por encima de 0,080, se produce una pérdida de potencia y una reducción de la temperatura. Los efectos de enfriamiento del exceso de combustible superan el factor favorable del aumento de la masa. Esta reducción de la temperatura y la ralentización de la combustión conducen a una pérdida creciente del rendimiento de la combustión. Si, con un caudal de aire constante, la mezcla se inclina por debajo de 0,067, la potencia y la temperatura de la relación combustible/aire disminuyen conjuntamente.
Esta vez, la pérdida de potencia no es un inconveniente, sino una ventaja. El objetivo de la inclinación es ahorrar combustible. El aire es gratuito y está disponible en cantidades ilimitadas. El objetivo es obtener la potencia necesaria con el menor flujo de combustible. Una medida del uso económico del combustible se llama consumo específico de combustible (SFC = libras de combustible/hora / caballos de fuerza), que es el peso del combustible en libras por hora por caballo de fuerza.
Utilizando esta relación, se puede comparar el uso de combustible del motor con diferentes ajustes de potencia. Cuando se inclina por debajo de 0,067 de relación combustible/aire con un flujo de aire constante, aunque la potencia disminuye, el coste en combustible para soportar cada caballo hora (SFC) también se reduce. Aunque la carga de la mezcla es cada vez más débil, esta pérdida de fuerza se produce a un ritmo inferior al de la reducción del flujo de combustible.
Esta tendencia favorable continúa hasta que se alcanza la fuerza de la mezcla conocida como mejor economía. Con esta relación combustible/aire, se desarrollan los CV necesarios con el menor caudal de combustible o, dicho de otro modo, la mayor potencia producida por un caudal de combustible determinado.
La relación combustible/aire más económica varía un poco con las rpm y otras condiciones, pero para las potencias de crucero en la mayoría de los motores recíprocos, es suficientemente preciso definir este rango de funcionamiento como de 0,060 a 0,065 relaciones combustible/aire en los aviones donde se practica la inclinación manual.
Por debajo de la mejor intensidad de mezcla económica, la potencia y la temperatura siguen disminuyendo con un flujo de aire constante, mientras que el SFC aumenta. A medida que la relación combustible/aire se reduce aún más, la combustión se vuelve tan fría y lenta que la potencia para una presión de colector dada es tan baja que resulta antieconómica.
El efecto de enfriamiento de las mezclas ricas o pobres resulta del exceso de combustible o aire sobre el necesario para la combustión. La refrigeración interna del cilindro se obtiene del combustible no utilizado cuando se utilizan relaciones de combustible/aire superiores a 0,067. La misma función la realiza el exceso de aire cuando se utilizan relaciones de combustible/aire inferiores a 0,067.
La variación de la intensidad de la mezcla de la carga produce cambios en las condiciones de funcionamiento del motor que afectan a la potencia, la temperatura y los requisitos de sincronización de la chispa. La mejor relación combustible/aire de potencia es deseable cuando se requiere la mayor potencia de un flujo de aire determinado. La mejor mezcla económica resulta de la obtención de la potencia dada con el menor flujo de combustible. La relación combustible/aire que proporciona el funcionamiento más eficiente varía con el régimen del motor y la potencia.
En el gráfico que muestra esta variación en la relación combustible/aire, observe que la mezcla es rica tanto en el ralentí como en el funcionamiento a alta velocidad y es pobre en el rango de crucero. Al ralentí, parte del aire o de los gases de escape se introducen en el cilindro a través de la lumbrera de escape durante el solapamiento de las válvulas.
La mezcla que entra en el cilindro a través del orificio de admisión debe ser lo suficientemente rica para compensar este gas o aire adicional. A potencia de crucero, las mezclas pobres ahorran combustible y aumentan la autonomía del avión. Un motor que funciona casi a plena potencia requiere una mezcla rica para evitar el sobrecalentamiento y la detonación.
Dado que el motor funciona a plena potencia sólo durante breves períodos, el elevado consumo de combustible no es un asunto grave. Si un motor funciona con una mezcla demasiado pobre, y se realizan ajustes para aumentar la cantidad de combustible, la potencia del motor aumenta rápidamente al principio, y luego gradualmente hasta alcanzar la potencia máxima. Si se vuelve a aumentar la cantidad de combustible, la potencia disminuye gradualmente al principio y luego más rápidamente a medida que se enriquece la mezcla.