Eficiencia térmica 

Cualquier estudio de motores y potencia implica la consideración del calor como fuente de potencia. El calor producido por la quema de gasolina en los cilindros provoca una rápida expansión de los gases en el cilindro, y esto, a su vez, mueve los pistones y crea energía mecánica. 

Desde hace tiempo se sabe que el trabajo mecánico se puede convertir en calor y que una determinada cantidad de calor contiene la energía equivalente a una determinada cantidad de trabajo mecánico. 

El calor y el trabajo son teóricamente intercambiables y tienen una relación fija entre sí. Por lo tanto, el calor se puede medir en unidades de trabajo (por ejemplo, ft-lb) así como en unidades de calor. 

La unidad térmica británica (BTU) de calor es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua en 1 °F. Es equivalente a 778 ft-lb de trabajo mecánico. 

Una libra de combustible de petróleo, cuando se quema con suficiente aire para consumirlo por completo, cede alrededor de 20 000 BTU, el equivalente a 15 560 000 ft-lb de trabajo mecánico. Estas cantidades expresan la energía térmica del combustible en unidades de calor y trabajo, respectivamente.

La relación entre el trabajo útil realizado por un motor y la energía térmica del combustible que utiliza, expresada en trabajo o unidades de calor, se denomina eficiencia térmica del motor. 

Si dos motores similares usan cantidades iguales de combustible, el motor que convierte en trabajo la mayor parte de la energía del combustible (mayor eficiencia térmica) entrega la mayor cantidad de potencia. 

Además, el motor que tiene la mayor eficiencia térmica tiene menos calor residual para desechar en las válvulas, cilindros, pistones y sistema de refrigeración del motor. Una alta eficiencia térmica también significa un bajo consumo específico de combustible y, por lo tanto, menos combustible para un vuelo de una distancia dada a una potencia dada. 

Por lo tanto, la importancia práctica de una alta eficiencia térmica es triple y constituye una de las características más deseables en el rendimiento de un motor de avión. 

Del calor total producido, del 25 al 30 por ciento se utiliza para generar potencia, del 15 al 20 por ciento se pierde en el enfriamiento (calor irradiado por las aletas de la culata de cilindros), del 5 al 10 por ciento se pierde al superar la fricción de las piezas móviles; y del 40 al 45 por ciento se pierde por el escape. 

Cualquier cosa que aumente el contenido de calor que entra en trabajo mecánico en el pistón, que reduzca la fricción y las pérdidas por bombeo, o que reduzca la cantidad de combustible no quemado o la pérdida de calor en las piezas del motor, aumenta la eficiencia térmica.

La parte del calor total de combustión que se convierte en trabajo mecánico depende en gran medida de la relación de compresión. La relación de compresión es la relación del desplazamiento del pistón más el espacio de la cámara de combustión al espacio de la cámara de combustión, como se mencionó anteriormente. 

En igualdad de condiciones, cuanto mayor sea la relación de compresión, mayor será la proporción de la energía térmica de la combustión convertida en trabajo útil en el cigüeñal. Por otro lado, al aumentar la relación de compresión aumenta la temperatura de la culata. 

Este es un factor limitante porque la temperatura extremadamente alta creada por las altas relaciones de compresión hace que el material del cilindro se deteriore rápidamente y que el combustible detone en lugar de quemarse a un ritmo controlado.

La eficiencia térmica de un motor puede basarse en bhp o en caballos de fuerza indicados (ihp) y se representa mediante la fórmula:  Eficiencia térmica indicada = ihp × 33,000 / peso de combustible quemado/min. × valor calorífico × 778.  La fórmula para la eficiencia térmica del freno es la misma que se muestra arriba, excepto que se inserta el valor de bhp en lugar del valor de ihp.

Eficiencia mecánica 

La eficiencia mecánica es la relación que muestra qué parte de la potencia desarrollada por los gases en expansión en el cilindro se entrega realmente al eje de salida. Es una comparación entre el bhp y el ihp. Se puede expresar mediante la fórmula:  Eficiencia mecánica = bhp / ihp

La potencia al freno es la potencia útil entregada al eje de la hélice. La potencia indicada es la potencia total desarrollada en los cilindros. La diferencia entre los dos es la potencia de fricción (fhp), la potencia perdida al superar la fricción. El factor que tiene el mayor efecto sobre la eficiencia mecánica es la fricción dentro del propio motor. 

La fricción entre las partes móviles de un motor permanece prácticamente constante en todo el rango de velocidad del motor. Por lo tanto, la eficiencia mecánica de un motor es más alta cuando el motor está funcionando a las rpm en las que se desarrolla la potencia máxima. La eficiencia mecánica del motor alternativo promedio de una aeronave se acerca al 90 por ciento.

Eficiencia volumétrica 

La eficiencia volumétrica es una relación expresada en términos de porcentajes. Es una comparación del volumen de carga de aire/combustible (corregido por temperatura y presión) inducida en los cilindros con el desplazamiento total del pistón del motor. Varios factores causan la desviación de una eficiencia volumétrica del 100 por ciento. Los pistones de un motor de aspiración natural desplazan el mismo volumen cada vez que viajan desde el centro superior al centro inferior de los cilindros. 

La cantidad de carga que llena este volumen en la carrera de admisión depende de la presión y temperatura existentes en la atmósfera circundante. Por lo tanto, para encontrar la eficiencia volumétrica de un motor, se tenían que establecer estándares de presión y temperatura atmosféricas. 

Los Estados Unidos la temperatura estándar al nivel del mar es de 59 °F o 15 °C. A esta temperatura, la presión de una atmósfera es de 14,69 lb/in2, y esta presión soporta una columna de mercurio (Hg) de 29,92 pulgadas de alto, o 29,92 "Hg. 

Estas condiciones estándar del nivel del mar determinan una densidad estándar, y si el motor consume en un volumen de carga de esta densidad exactamente igual al desplazamiento de su pistón, se dice que está operando con una eficiencia volumétrica del 100 por ciento. 

Un motor que consume menos volumen que este tiene una eficiencia volumétrica inferior al 100 por ciento. (impulso por encima de 30,00 "Hg) puede tener una eficiencia volumétrica superior al 100 por ciento. 

La ecuación para la eficiencia volumétrica es:  Eficiencia volumétrica = Volumen de carga (corregido por temperatura y presión) / Desplazamiento del pistón Muchos factores reducen la eficiencia volumétrica, entre ellos: 

• Funcionamiento con aceleración parcial 

• Tubos de admisión largos y de diámetro pequeño 

• Curvas pronunciadas en el sistema de inducción 

• Temperatura del aire del carburador demasiado alta 

• Temperatura de la culata demasiado alta 

• Barrido incompleto 

• Sincronización de válvulas incorrecta.

Eficiencia de propulsión 

Se utiliza una hélice con un motor para proporcionar empuje. El motor suministra CV a través de un eje giratorio y la hélice absorbe los CV y ​​los convierte en CV de empuje. En esta conversión, se desperdicia algo de energía. 

Dado que la eficiencia de cualquier máquina es la relación entre la potencia de salida útil y la potencia de entrada, la eficiencia de propulsión (en este caso, la eficiencia de la hélice) es la relación entre los hp de empuje y los bhp. En promedio, los caballos de fuerza de empuje constituyen aproximadamente el 80 por ciento de los caballos de fuerza. 

El otro 20 por ciento se pierde en la fricción y el deslizamiento. Controlar el ángulo de las palas de la hélice es el mejor método para obtener la máxima eficiencia de propulsión para todas las condiciones encontradas en vuelo.

Durante el despegue, cuando la aeronave se mueve a baja velocidad y cuando se requiere potencia y empuje máximos, un ángulo de pala de hélice bajo proporciona el empuje máximo. Para volar o bucear a alta velocidad, el ángulo de la pala se incrementa para obtener el máximo empuje y eficiencia. La hélice de velocidad constante se usa para dar el empuje requerido con la máxima eficiencia para todas las condiciones de vuelo.