Aircraft: Fuel Metering Devices for Reciprocating Engines
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 en particular, consulte las instrucciones del fabricante.
El requisito básico de un sistema de medición de combustible recíproco 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 proporcionalmente al aire para establecer la relación de mezcla combustible/aire adecuada para el motor a todas las velocidades y altitudes a las que pueda funcionar el motor.
En las curvas de mezcla de aire/combustible que se muestran en la figura, observe que los requisitos básicos de mezcla de aire/combustible de mejor potencia y mejor economía para los motores alternativos son aproximadamente los mismos.
El sistema de medición de combustible debe atomizar y distribuir el combustible desde el carburador hacia el flujo de masa de aire. Esto debe lograrse de modo 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 al descenso de la presión atmosférica al aumentar 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. Menos aire tiende a hacer que los carburadores funcionen 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 volumen dado de aire.
Por lo tanto, es necesario que haya un control de mezcla para reducir 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 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 la velocidad de 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 enriquecerse gradualmente a medida que se utilizan potencias superiores a la de crucero. En la gama 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 admisibles y se produciría la detonación.
El mejor ajuste de economía se establece ejecutando una serie de curvas a través de la gama de crucero, como se muestra en el gráfico de la figura, el punto bajo (auto-lean) en la curva es la mezcla de combustible / aire donde se utiliza el mínimo de combustible por caballo de fuerza. En este rango, el motor funciona normalmente con mezclas ligeramente más pobres y, obviamente, funciona con mezclas más ricas que la mezcla del 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 continuada en el cilindro cuando se inicia la siguiente carrera de admisión.
Mezclas de combustible y aire. La combustión de la gasolina y otros combustibles líquidos sólo es posible si se mezclan con aire. Para que la mezcla se queme correctamente en el cilindro del motor, la proporción de aire y combustible debe mantenerse dentro de un determinado margen. 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 térmica y la transforman 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 mezcla determinada pueden medirse en términos de velocidad de la llama y temperatura de combustión.
La composición de la mezcla de aire y combustible se describe mediante la relación de mezcla. Por ejemplo, una mezcla con una proporción de 12 a 1 (12:1) se compone de 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 mezcla también puede expresarse en decimales.
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 arderán 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). Los científicos llaman a esta combinación químicamente correcta 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 altas 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 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 con una relación combustible/aire de 0,0725 a 0,080 se denominan mezclas de mejor potencia, ya que su uso produce la mayor potencia para un caudal de aire o una presión de colector determinados. En este intervalo de relación combustible/aire, no se produce un aumento del calor total liberado, pero el peso del nitrógeno y los productos de la combustión se ve incrementado por el vapor formado con el exceso de combustible.
De este modo, aumenta la masa de trabajo de la carga. Además, el combustible extra en la carga (por encima de la mezcla estequiométrica) acelera el proceso de combustión, lo que proporciona un factor de tiempo favorable para convertir 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 refrigerantes del exceso de combustible superan al factor favorable del aumento de masa.
Esta reducción de la temperatura y la ralentización de la combustión provocan una pérdida creciente de eficacia 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 gratis y está disponible en cantidades ilimitadas. El objetivo es obtener la potencia necesaria con el menor caudal de combustible. Una medida del uso económico del combustible se llama consumo específico de combustible (SFC), que es el peso del combustible en libras por hora por caballo de potencia. SFC = libras de combustible/hora / caballos de potencia.
Utilizando esta relación, se puede comparar el consumo de combustible del motor con distintos reglajes de potencia. Cuando se inclina por debajo de 0,067 de combustible / aire con flujo de aire constante, aunque la potencia disminuye, el costo en combustible para apoyar cada caballo de fuerza hora (SFC) también se reduce. Mientras que la carga de 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 una fuerza de 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 dado.
La relación combustible/aire más económica varía algo con las rpm y otras condiciones, pero para potencias de crucero en la mayoría de los motores alternativos, es suficientemente preciso definir este rango de funcionamiento como de 0,060 a 0,065 relaciones combustible/aire en aviones en los que se practica la inclinación manual.
Por debajo de la mezcla más económica, la potencia y la temperatura siguen disminuyendo con un caudal 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 llega a ser tan baja que resulta antieconómica.
El efecto refrigerante 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 combustible/aire superiores a 0,067. La misma función realiza el exceso de aire cuando se utilizan relaciones combustible/aire inferiores a 0,067.
La variación de la fuerza 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 potencia combustible/aire es deseable cuando se requiere la mayor potencia a partir de un caudal de aire determinado.
La mejor mezcla económica resulta de obtener la potencia dada con el menor caudal de combustible. La relación combustible/aire que proporciona el funcionamiento más eficaz varía con el régimen del motor y la potencia.
En el gráfico que muestra esta variación de la relación combustible/aire, observe que la mezcla es rica al ralentí y a alta velocidad y pobre en el régimen 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 sólo funciona a plena potencia durante breves periodos, el elevado consumo de combustible no es un problema 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, después, gradualmente hasta alcanzar la potencia máxima. Con un nuevo aumento de la cantidad de combustible, la potencia disminuye gradualmente al principio y luego más rápidamente a medida que se enriquece la mezcla.
Existen instrucciones específicas relativas a las relaciones de mezcla para cada tipo de motor en distintas condiciones de funcionamiento. La inobservancia de estas instrucciones da lugar a un rendimiento deficiente y, a menudo, a daños en el motor. Las mezclas excesivamente ricas provocan pérdida de potencia y desperdicio de combustible.
Con el motor funcionando cerca de su potencia máxima, las mezclas muy pobres provocan una pérdida de potencia y, en determinadas condiciones, un recalentamiento grave. Cuando el motor funciona con una mezcla pobre, debe vigilarse atentamente el indicador de temperatura de la culata.
Si la mezcla es excesivamente pobre, el motor puede petardear a través del sistema de inducción o pararse por completo. El petardeo se produce por la combustión lenta de la mezcla pobre. Si la carga sigue ardiendo cuando se abre la válvula de admisión, se enciende la mezcla fresca y la llama se desplaza hacia atrás a través de la mezcla combustible en el sistema de inducción.