Todos los motores de aeronaves se clasifican de acuerdo con su capacidad para trabajar y producir energía. Esta sección presenta una explicación del trabajo y la potencia y cómo se calculan. También se analizan las diversas eficiencias que gobiernan la potencia de salida de un motor alternativo.
Trabajo - Work
Un físico define el trabajo como fuerza por distancia. El trabajo realizado por una fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual a la magnitud de la fuerza multiplicada por la distancia a través de la cual actúa la fuerza. Trabajo (W) = Fuerza (F) × Distancia (D).
El trabajo se mide por varios estándares. La unidad más común se llama pie-libra (ft-lb). Si una masa de una libra se eleva un pie, se ha realizado un trabajo de una libra-pie. Cuanto mayor es la masa y/o mayor es la distancia, mayor es el trabajo realizado.
Caballo de fuerza - Horsepower
La unidad común de potencia mecánica es el caballo de fuerza (hp). A fines del siglo XVIII, James Watt, el inventor de la máquina de vapor, descubrió que un caballo de batalla inglés podía trabajar a una velocidad de 550 lb-pie por segundo, o 33,000 lb-pie por minuto, durante un período de tiempo razonable.
De sus observaciones surgió la unidad de potencia, que es la unidad estándar de potencia mecánica en el sistema de medida inglés. Para calcular la clasificación de hp de un motor, divida la potencia desarrollada en ft-lb por minuto entre 33 000, o la potencia en ft-lb por segundo entre 550. Un hp = ft-lb por min / 33 000 o One hp = ft-lb lb por segundo / 550
Como se indicó anteriormente, el trabajo es el producto de la fuerza por la distancia, y la potencia es el trabajo por unidad de tiempo. En consecuencia, si se levanta un peso de 33 000 lb a lo largo de una distancia vertical de 1 pie en 1 minuto, la potencia gastada es de 33 000 ft-lb por minuto, o exactamente 1 hp.
El trabajo se realiza no solo cuando se aplica una fuerza para levantar; la fuerza se puede aplicar en cualquier dirección. Si se arrastra un peso de 100 lb por el suelo, todavía se aplica una fuerza para realizar un trabajo, aunque la dirección del movimiento resultante es aproximadamente horizontal. La cantidad de esta fuerza dependería de la rugosidad del suelo.
Si el peso estuviera unido a una báscula de resorte graduada en libras, y luego se arrastrara tirando del mango de la báscula, se podría medir la cantidad de fuerza requerida. Suponga que la fuerza requerida es de 90 lb y que el peso de 100 lb se arrastra 660 pies en 2 minutos. La cantidad de trabajo realizado en los 2 minutos es 59 400 ft-lb o 29 700 ft-lb por minuto. Dado que 1 hp es 33 000 lb-pie por minuto, los hp gastados en este caso son 29 700 divididos por 33 000, o 0,9 hp.
Desplazamiento del pistón - Piston Displacement
Cuando otros factores permanecen iguales, cuanto mayor es el desplazamiento del pistón, mayor es la potencia máxima que un motor es capaz de desarrollar. Cuando un pistón se mueve de BDC a TDC, desplaza un volumen específico.
El volumen desplazado por el pistón se conoce como desplazamiento del pistón y se expresa en pulgadas cúbicas para la mayoría de los motores fabricados en Estados Unidos y en centímetros cúbicos para otros.
El desplazamiento del pistón de un cilindro puede obtenerse multiplicando el área de la sección transversal del cilindro por la distancia total que se mueve el pistón en el cilindro en una sola carrera. Para motores de varios cilindros, este producto se multiplica por el número de cilindros para obtener el desplazamiento total del pistón del motor.
Dado que el volumen (V) de un cilindro geométrico es igual al área (A) de la base multiplicada por la altura (h), se expresa matemáticamente como: V = A × h. El área de la base es el área de la sección transversal del cilindro.
área de un círculo - Area of a Circle
Para encontrar el área de un círculo, es necesario usar un número llamado pi (π). Este número representa la relación entre la circunferencia y el diámetro de cualquier círculo. Pi no se puede indicar exactamente porque es un decimal sin fin. Es 3,1416 expresado con cuatro decimales, que es lo suficientemente preciso para la mayoría de los cálculos.
El área de un círculo, como en un rectángulo o triángulo, debe expresarse en unidades cuadradas. La distancia que es la mitad del diámetro de un círculo se conoce como radio. El área de cualquier círculo se encuentra elevando al cuadrado el radio (r) y multiplicando por π. La fórmula es: A = πr2. El radio de un círculo es igual a la mitad del diámetro: r = d /2.
Índice de compresión - Compression Ratio
Todos los motores de combustión interna deben comprimir la mezcla de aire y combustible para recibir una cantidad razonable de trabajo de cada golpe de potencia. La carga de aire/combustible en el cilindro se puede comparar con un resorte helicoidal en el sentido de que cuanto más se comprime, más trabajo es potencialmente capaz de realizar.
La relación de compresión de un motor es una comparación del volumen de espacio en un cilindro cuando el pistón está en la parte inferior de la carrera con el volumen de espacio cuando el pistón está en la parte superior de la carrera. Esta comparación se expresa como una relación, de ahí el término relación de compresión.
La relación de compresión es un factor de control en la potencia máxima desarrollada por un motor, pero está limitada por los grados de combustible actuales y las altas velocidades del motor y las presiones múltiples requeridas para el despegue.
Por ejemplo, si hay 140 pulgadas cúbicas de espacio en el cilindro cuando el pistón está en la parte inferior y hay 20 pulgadas cúbicas de espacio cuando el pistón está en la parte superior de la carrera, la relación de compresión sería de 140 a 20. Si esta relación se expresa en forma de fracción, sería 140/20 o 7 a 1, generalmente representada como 7:1.
Las limitaciones impuestas a las relaciones de compresión, la presión del múltiple y el efecto de la presión del múltiple sobre las presiones de compresión tienen un efecto importante en la operación del motor.
La presión del múltiple es la presión absoluta promedio de la carga de aire o combustible/aire en el múltiple de admisión y se mide en unidades de pulgadas de mercurio ("Hg). La presión del múltiple depende de la velocidad del motor (ajuste del acelerador) y el grado de sobrealimentación. El funcionamiento del supercargador aumenta el peso de la carga que ingresa al cilindro.
Cuando se usa un verdadero supercargador con el motor de la aeronave, la presión del múltiple puede ser considerablemente más alta que la presión de la atmósfera exterior. La ventaja de esta condición es que una mayor cantidad de carga se fuerza en un volumen de cilindro dado, y se produce una mayor salida de caballos de fuerza.
La relación de compresión y la presión del colector determinan la presión en el cilindro en esa parte del ciclo operativo cuando ambas válvulas están cerradas.
La presión de la carga antes de la compresión está determinada por la presión del múltiple, mientras que la presión a la altura de la compresión (justo antes de la ignición) está determinada por la presión del múltiple multiplicada por la relación de compresión.
Por ejemplo, si un motor estuviera funcionando a una presión del colector de 30 "Hg con una relación de compresión de 7:1, la presión en el instante anterior al encendido sería de aproximadamente 210 "Hg. Sin embargo, a una presión múltiple de 60 "Hg, la presión sería de 420 "Hg.
Sin entrar en muchos detalles, se ha demostrado que el evento de compresión magnifica el efecto de variar la presión del múltiple, y la magnitud de ambos afecta la presión de la carga de combustible justo antes del instante del encendido. Si la presión en este momento es demasiado alta, se produce una preignición o detonación y se produce un sobrecalentamiento.
El preencendido es cuando la carga de combustible y aire comienza a quemarse antes de que se encienda la bujía. La detonación ocurre cuando la bujía enciende la carga de aire de combustible, pero en lugar de quemarse a un ritmo controlado, explota, lo que hace que la temperatura y la presión del cilindro aumenten rápidamente. Si esta condición persiste por mucho tiempo, el motor puede dañarse o destruirse.
Potencia indicada - Indicated Horsepower
La potencia indicada producida por un motor es la potencia calculada a partir de la presión efectiva media indicada y los demás factores que afectan la potencia de salida de un motor.
La potencia indicada es la potencia desarrollada en las cámaras de combustión sin referencia a las pérdidas por fricción dentro del motor. Esta potencia se calcula en función de la presión real del cilindro registrada durante el funcionamiento del motor.
Para facilitar los cálculos de los caballos de fuerza indicados, un dispositivo indicador mecánico, como el que se adjunta al cilindro del motor, captura la presión real existente en el cilindro durante el ciclo operativo completo. Esta variación de presión se puede representar mediante el tipo de gráfico que se muestra en la figura.
Observe que la presión del cilindro aumenta en la carrera de compresión, alcanza un pico después del centro superior y disminuye a medida que el pistón se mueve hacia abajo en la carrera de potencia.
Dado que la presión del cilindro varía durante el ciclo de operación, se calcula una presión promedio (línea AB). Esta presión promedio, si se aplica constantemente durante el tiempo de la carrera de potencia, haría la misma cantidad de trabajo que la presión variable durante el mismo período.
Esta presión promedio se conoce como presión efectiva media indicada y se incluye en el cálculo de la potencia indicada con otras especificaciones del motor. Si se conocen las características y la presión efectiva media indicada de un motor, es posible calcular la potencia nominal indicada.
La potencia indicada para un motor de ciclo de cuatro tiempos se puede calcular a partir de la siguiente fórmula, en la que los símbolos de las letras en el numerador están dispuestos para deletrear la palabra "PLANK" para ayudar a memorizar la fórmula: Potencia indicada = P*L*A *N*K/33,000 ( Donde: P = Presión efectiva media indicada, en psi L = Longitud de la carrera, en pies o en fracciones de pie A = Área de la cabeza del pistón o área transversal del cilindro, en pulgadas cuadradas N = Número de golpes de fuerza por minuto: rpm/2 K = Número de cilindros )
En la fórmula anterior, el área del pistón multiplicada por la presión efectiva media indicada da la fuerza que actúa sobre el pistón en libras. Esta fuerza multiplicada por la longitud de la carrera en pies da el trabajo realizado en una carrera de potencia, que, multiplicada por el número de carreras de potencia por minuto, da la cantidad de libras-pie por minuto de trabajo producido por un cilindro.
Multiplicando este resultado por el número de cilindros en el motor se obtiene la cantidad de trabajo realizado, en lb-pie, por el motor. Dado que hp se define como trabajo realizado a razón de 33 000 libras-pie por minuto, el número total de libras-pie de trabajo realizado por el motor se divide entre 33 000 para encontrar la potencia indicada.
Potencia al freno - Brake Horsepower
El cálculo de la potencia indicada discutido en el párrafo anterior es la potencia teórica de un motor sin fricción. La potencia total perdida al superar la fricción debe restarse de la potencia indicada para llegar a la potencia real entregada a la hélice.
La potencia entregada a la hélice para un trabajo útil se conoce como potencia al freno (bhp). La diferencia entre la potencia indicada y la del freno se conoce como potencia por fricción, que es la potencia necesaria para superar las pérdidas mecánicas, como la acción de bombeo de los pistones, la fricción de los pistones y la fricción de todas las demás piezas móviles.
La medición de la potencia de un motor implica la medición de una cantidad conocida como par o momento de torsión. El par es el producto de una fuerza y la distancia de la fuerza desde el eje sobre el que actúa, o par = fuerza × distancia .
El torque es una medida de carga y se expresa correctamente en libras-pulgadas (lb-in) o libras-pie (lb-ft). El torque no debe confundirse con el trabajo, que se expresa en pulgadas-libras (in-lb) o pie-libras (ft-lb).
Existen numerosos dispositivos para medir el par, como un dinamómetro o un torquímetro. Un tipo de dispositivo muy simple que se puede usar para demostrar los cálculos de torque es el freno Prony. Todos estos dispositivos de medición de par se pueden utilizar para calcular la potencia de salida de un motor en un banco de pruebas.
Consiste esencialmente en un collar con bisagras, o freno, que se puede sujetar a un tambor acanalado en el eje de la hélice. El collarín y el tambor forman un freno de fricción, que se puede ajustar mediante una rueda.
Un brazo de una longitud conocida está unido rígidamente o es parte del collarín articulado y termina en un punto que descansa sobre un conjunto de escalas. A medida que gira el eje de la hélice, tiende a arrastrar consigo el collarín articulado del freno y sólo el brazo que descansa sobre la escala se lo impide.
La escala indica la fuerza necesaria para detener el movimiento del brazo. Si la fuerza resultante registrada en la escala se multiplica por la longitud del brazo, el producto resultante es el par ejercido por el eje giratorio.
Caballos de fuerza de fricción - Friction Horsepower
La potencia de fricción es la potencia indicada menos la potencia de frenado. Es la potencia utilizada por un motor para superar la fricción de las piezas móviles, aspirar combustible, expulsar gases de escape, impulsar bombas de aceite y combustible y otros accesorios del motor. En los motores de los aviones modernos, esta pérdida de potencia por fricción puede llegar al 10 o 15 por ciento de la potencia indicada.
Presiones medias efectivas de fricción y freno - Friction and Brake Mean Effective Pressures
La presión efectiva media indicada (IMEP), discutida anteriormente, es la presión promedio producida en la cámara de combustión durante el ciclo de operación y es una expresión de la potencia teórica sin fricción conocida como potencia indicada.
Además de ignorar por completo la potencia perdida por la fricción, la potencia indicada no da ninguna indicación de cuánta potencia real se entrega al eje de la hélice para realizar un trabajo útil. Sin embargo, está relacionado con las presiones reales que ocurren en el cilindro y puede usarse como una medida de estas presiones.
Para calcular la pérdida por fricción y la salida de potencia neta, la potencia indicada de un cilindro se puede considerar como dos potencias separadas, cada una de las cuales produce un efecto diferente. La primera potencia supera la fricción interna, y la potencia así consumida se conoce como potencia por fricción. La segunda potencia, conocida como potencia al freno, produce un trabajo útil en la hélice.
La porción de IMEP que produce caballos de fuerza al freno se llama presión efectiva media del freno (BMEP). La presión restante utilizada para superar la fricción interna se denomina presión efectiva media de fricción (FMEP).
IMEP es una expresión útil de la potencia total del cilindro, pero no es una cantidad física real; asimismo, FMEP y BMEP son expresiones teóricas pero útiles de las pérdidas por fricción y la potencia neta.
Aunque BMEP y FMEP no tienen una existencia real en el cilindro, brindan un medio conveniente para representar los límites de presión o evaluar el rendimiento del motor en todo su rango operativo. Existe una relación operativa entre IMEP, BMEP y FMEP.
Una de las limitaciones básicas impuestas a la operación del motor es la presión desarrollada en el cilindro durante la combustión. En la discusión de las relaciones de compresión y la presión efectiva media indicada, se encontró que, dentro de los límites, el aumento de la presión resultó en un aumento de la potencia.
También se señaló que si la presión de los cilindros no se controlaba dentro de límites estrechos, se impondrían cargas internas peligrosas que podrían provocar la falla del motor. Por lo tanto, es importante contar con un medio para determinar estas presiones de los cilindros como medida de protección y para una aplicación eficiente de la energía.
Potencia de empuje - Thrust Horsepower
La potencia de empuje puede considerarse el resultado del trabajo conjunto del motor y la hélice. Si se pudiera diseñar una hélice para que fuera 100 por ciento eficiente, el empuje y el bph serían los mismos.
Sin embargo, la eficiencia de la hélice varía con la velocidad del motor, actitud, altitud, temperatura y velocidad aerodinámica. Por lo tanto, la relación entre la potencia de empuje y los bhp entregados al eje de la hélice nunca será igual.
Por ejemplo, si un motor desarrolla 1000 bhp y se usa con una hélice que tiene una eficiencia del 85 por ciento, la potencia de empuje de esa combinación de motor y hélice es el 85 por ciento de 1000 u 850 hp de empuje. De los cuatro tipos de caballos de fuerza discutidos, es la potencia de empuje la que determina el rendimiento de la combinación motor-hélice.