馃敶✈️ 320. Aeronaves: Sistemas de Inducci贸n de Motores Reciprocos - Induction Systems 馃殎
Manual: FAA-H-8083-32A, Aviation Maintenance Technician Handbook Powerplant, Volume 1, Pagina: 3-1
(Recuerda que nuestra informacion esta basada en manuales certificados de la Federal Aviation Administration FAA)
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Reciprocating Engine Induction Systems
El sistema de inducci贸n b谩sico de un motor alternativo de aeronave consta de una toma de aire que se usa para recolectar el aire de entrada y un conducto que transfiere el aire al filtro de entrada. El filtro de aire generalmente est谩 alojado en la caja de calor del carburador u otra carcasa cercana que est谩 conectada al carburador o al controlador de inyecci贸n de combustible.
El motor que se utiliza en los aviones ligeros suele estar equipado con un carburador o con un sistema de inyecci贸n de combustible. Despu茅s de que el aire pasa a trav茅s del dispositivo dosificador de combustible, se utiliza un colector de admisi贸n con conductos o conductos largos y curvos para enviar la mezcla de aire y combustible a los cilindros.
En la figura se muestra una toma de aire de inducci贸n. La toma de aire est谩 ubicada en la cubierta del motor para permitir el m谩ximo flujo de aire en el sistema de inducci贸n del motor. El filtro de aire, que se muestra en la figura, evita que la suciedad y otras materias extra帽as entren en el motor.
El aire filtrado ingresa al dispositivo de medici贸n de combustible (carburador/inyector de combustible) donde la placa del acelerador controla la cantidad de aire que fluye hacia el motor. El aire que sale del acelerador se denomina presi贸n del colector. Esta presi贸n se mide en pulgadas de mercurio ("Hg) y controla la potencia de salida del motor.
Los sistemas de inducci贸n pueden constar de varios arreglos diferentes. Los dos que se utilizan son los sistemas de inducci贸n de corriente ascendente y corriente descendente.
Un sistema de inducci贸n de corriente ascendente consta de dos corredores y un tubo de equilibrio con tubos de admisi贸n para cada cilindro para entregar aire de inducci贸n al puerto de admisi贸n de cada cilindro. El tubo de equilibrio se utiliza para reducir los desequilibrios de presi贸n entre los dos corredores de inducci贸n laterales.
Con motores con carburador, es importante mantener una presi贸n constante y uniforme en el sistema de inducci贸n para que cada cilindro reciba la misma cantidad de combustible. En los motores de inyecci贸n de combustible, el combustible se inyecta en el puerto de admisi贸n justo antes de la v谩lvula de admisi贸n. Con este sistema es importante mantener constante la presi贸n en cada puerto de entrada.
Un sistema de inducci贸n equilibrado de tiro descendente proporciona un flujo de aire 贸ptimo a cada uno de los cilindros individuales en un amplio rango operativo. Las relaciones de combustible a aire mejor adaptadas proporcionan un funcionamiento del motor mucho m谩s suave y eficiente.
El aire del m煤ltiple de admisi贸n fluye hacia los puertos de admisi贸n donde se mezcla con el combustible de las boquillas de combustible y luego ingresa a los cilindros como una mezcla combustible cuando se abre la v谩lvula de admisi贸n.
Sistema de inducci贸n de carburador b谩sico
La figura es un diagrama de un sistema de inducci贸n utilizado en un motor equipado con un carburador. En este sistema de inducci贸n, el aire de flujo normal del carburador se admite en la parte inferior delantera de la cubierta debajo del rotor de la h茅lice y pasa a trav茅s de un filtro de aire hacia los conductos de aire que conducen al carburador.
Una v谩lvula de aire caliente del carburador se encuentra debajo del carburador para seleccionar una fuente alternativa de aire caliente (calor del carburador) para evitar la formaci贸n de hielo en el carburador. La formaci贸n de hielo en el carburador ocurre cuando baja la temperatura en la garganta del carburador y hay suficiente humedad para congelar y bloquear el flujo de aire al motor.
La v谩lvula de calor del carburador admite aire de la toma de aire exterior para el funcionamiento normal y admite aire caliente del compartimiento del motor para el funcionamiento en condiciones de formaci贸n de hielo. El calor del carburador es operado por un control push-pull en la cabina.
Cuando la puerta de aire caliente del carburador est谩 cerrada, el aire caliente canalizado alrededor del escape se dirige al carburador. Esto eleva la temperatura del aire de admisi贸n. Se puede abrir una puerta de aire alternativa mediante la succi贸n del motor si algo bloquea la ruta normal del flujo de aire. La v谩lvula se cierra con un resorte y el motor la succiona para abrirla si es necesario.
El filtro de aire del carburador, que se muestra en la figura, est谩 instalado en la toma de aire frente al conducto de aire del carburador. Su prop贸sito es evitar que el polvo y otras materias extra帽as entren en el motor a trav茅s del carburador.
La pantalla consta de un marco de aleaci贸n de aluminio y una pantalla profundamente engarzada, dispuesta para presentar el 谩rea de pantalla m谩xima a la corriente de aire.
Hay varios tipos de filtros de aire en uso, incluidos los de papel, espuma y otros tipos de filtros. La mayor铆a de los filtros de aire requieren mantenimiento a intervalos regulares y se deben seguir las instrucciones espec铆ficas para el tipo de filtro.
Los conductos de aire del carburador consisten en un conducto fijo remachado a la cubierta frontal y un conducto flexible entre el conducto fijo y la carcasa de la v谩lvula de aire del carburador. Los conductos de aire del carburador normalmente proporcionan un pasaje para el aire exterior al carburador.
El aire ingresa al sistema a trav茅s de la entrada de aire ram. La abertura de admisi贸n est谩 ubicada en la estela, por lo que el aire es forzado hacia el sistema de inducci贸n, lo que genera un efecto de ariete en el flujo de aire entrante.
El aire pasa a trav茅s de los conductos de aire al carburador. El carburador dosifica el combustible en proporci贸n al aire y mezcla el aire con la cantidad correcta de combustible. La placa del acelerador del carburador se puede controlar desde la cabina para regular el flujo de aire (presi贸n del colector) y, de esta manera, se puede controlar la potencia del motor.
Aunque muchas aeronaves m谩s nuevas no est谩n tan equipadas, algunos motores est谩n equipados con sistemas indicadores de la temperatura del aire del carburador que muestran la temperatura del aire en la entrada del carburador. Si el bulbo est谩 ubicado en el lado del motor del carburador, el sistema mide la temperatura de la mezcla de aire y combustible.
Formaci贸n de hielo del sistema de inducci贸n - Induction System Icing
Es 煤til una breve discusi贸n sobre la formaci贸n y ubicaci贸n del sistema de inducci贸n de hielo, aunque un t茅cnico normalmente no se preocupa por las operaciones que ocurren cuando la aeronave est谩 en vuelo. Los t茅cnicos deben saber algo sobre la formaci贸n de hielo en el sistema de inducci贸n debido a su efecto sobre el rendimiento del motor y la soluci贸n de problemas.
Incluso cuando una inspecci贸n muestra que todo funciona correctamente y que el motor funciona perfectamente en tierra, el hielo del sistema de inducci贸n puede hacer que el motor act煤e de manera err谩tica y pierda potencia en el aire. Muchos problemas del motor com煤nmente atribuidos a otras fuentes en realidad son causados por la formaci贸n de hielo en el sistema de inducci贸n.
La formaci贸n de hielo en el sistema de inducci贸n es un riesgo operativo porque puede cortar el flujo de la carga de aire/combustible o variar la relaci贸n aire/combustible. Se puede formar hielo en el sistema de inducci贸n mientras un avi贸n vuela en medio de nubes, niebla, lluvia, aguanieve, nieve o incluso aire claro que tiene un alto contenido de humedad (alta humedad).
La formaci贸n de hielo en el sistema de inducci贸n generalmente se clasifica en tres tipos: • Hielo de impacto • Hielo de evaporaci贸n de combustible • Hielo del acelerador.
El hielo en el sistema de inducci贸n puede prevenirse o eliminarse elevando la temperatura del aire que pasa a trav茅s del sistema, utilizando un sistema de calentamiento del carburador ubicado aguas arriba cerca de la entrada del sistema de inducci贸n y muy por delante de las zonas peligrosas de formaci贸n de hielo.
Este aire es recogido por un conducto que rodea el colector de escape. El calor generalmente se obtiene a trav茅s de una v谩lvula de control que abre el sistema de inducci贸n al aire caliente que circula en el compartimiento del motor y alrededor del colector de escape.
El uso inadecuado o descuidado del calor del carburador puede ser tan peligroso como el hielo en la etapa m谩s avanzada del sistema de inducci贸n. El aumento de la temperatura del aire hace que se expanda y disminuya su densidad. Esta acci贸n reduce el peso de la carga entregada al cilindro y provoca una p茅rdida notable de potencia debido a la disminuci贸n de la eficiencia volum茅trica.
Adem谩s, la alta temperatura del aire de admisi贸n puede provocar la detonaci贸n y la falla del motor, especialmente durante el despegue y la operaci贸n a alta potencia. Por lo tanto, durante todas las fases de funcionamiento del motor, la temperatura del carburador debe brindar la mayor protecci贸n contra la formaci贸n de hielo y la detonaci贸n.
Cuando hay peligro de formaci贸n de hielo en el sistema de inducci贸n, el control de temperatura del carburador de la cabina se mueve a la posici贸n caliente. La mejor manera de eliminar el hielo del acelerador o cualquier hielo que restrinja el flujo de aire o reduzca la presi贸n del m煤ltiple es usando el calor total del carburador. Si el calor del compartimiento del motor es suficiente y la aplicaci贸n no se ha retrasado, es solo cuesti贸n de unos minutos hasta que se elimine el hielo.
Cuando no hay peligro de formaci贸n de hielo, el control de calor normalmente se mantiene en la posici贸n "fr铆o". Es mejor dejar el control en esta posici贸n si hay part铆culas de nieve seca o hielo en el aire. El uso de calor puede derretir el hielo o la nieve y la humedad resultante puede acumularse y congelarse en las paredes del sistema de inducci贸n.
Para evitar da帽os a las v谩lvulas del calentador en caso de petardeo, no se debe usar el calor del carburador mientras se arranca el motor. Adem谩s, durante la operaci贸n en tierra, solo se debe usar suficiente calor del carburador para que el motor funcione sin problemas.
El funcionamiento con aceleraci贸n parcial puede provocar la formaci贸n de hielo en el 谩rea del acelerador. Cuando el acelerador se coloca en una posici贸n parcialmente cerrada, en efecto, limita la cantidad de aire disponible para el motor. Cuando la aeronave planea, una h茅lice de paso fijo gira, lo que hace que el motor consuma m谩s aire de lo que normalmente consumir铆a con el mismo ajuste del acelerador, lo que aumenta la falta de aire detr谩s del acelerador.
El acelerador parcialmente cerrado, en estas circunstancias, establece una velocidad de aire mucho m谩s alta que la normal m谩s all谩 del acelerador, y se produce un 谩rea de presi贸n extremadamente baja. El 谩rea de baja presi贸n reduce la temperatura del aire que rodea la v谩lvula de mariposa.
Si la temperatura de este aire cae por debajo del punto de congelaci贸n y hay humedad, se forma hielo en los aceleradores y en las unidades cercanas, lo que restringe el flujo de aire al motor y hace que se apague. El hielo del acelerador se puede minimizar en los motores equipados con h茅lices de paso controlable mediante el uso de una presi贸n efectiva media del freno (BMEP) m谩s alta de lo normal a esta baja potencia.
El BMEP alto disminuye la tendencia a la formaci贸n de hielo porque una gran apertura del acelerador a bajas revoluciones por minuto (rpm) del motor elimina parcialmente la obstrucci贸n que reduce la temperatura que ofrece la operaci贸n con aceleraci贸n parcial.
Filtrado del sistema de inducci贸n - Induction System Filtering
El polvo y la suciedad pueden ser una fuente grave de problemas para el motor de un avi贸n. El polvo consiste en peque帽as part铆culas de material duro y abrasivo que pueden ser transportadas por el aire e introducidas en los cilindros del motor.
Tambi茅n puede acumularse en los elementos de medici贸n de combustible del carburador, alterando la relaci贸n adecuada entre el flujo de aire y el flujo de combustible en todas las configuraciones de potencia del motor.
Act煤a sobre las paredes de los cilindros amolando estas superficies y los segmentos del pist贸n. Luego, contamina el aceite y se transporta a trav茅s del motor, provocando un mayor desgaste de los cojinetes y engranajes.
En casos extremos, una acumulaci贸n puede obstruir un paso de aceite y causar falta de aceite. Aunque las condiciones de polvo son m谩s cr铆ticas a nivel del suelo, la operaci贸n continua bajo tales condiciones sin protecci贸n del motor resulta en un desgaste extremo del motor y puede producir un consumo excesivo de aceite.
Cuando es necesario operar en una atm贸sfera polvorienta, el motor puede protegerse mediante una entrada de aire del sistema de inducci贸n alternativo que incorpora un filtro de polvo.
Este tipo de sistema de filtro de aire normalmente consta de un elemento de filtro, una puerta y un actuador operado el茅ctricamente. Cuando el sistema de filtrado est谩 funcionando, el aire se aspira a trav茅s de un panel de acceso con persianas que no mira directamente hacia la corriente de aire. Con esta ubicaci贸n de entrada, se elimina una cantidad considerable de polvo ya que el aire se ve obligado a girar y entrar en el conducto.
Dado que las part铆culas de polvo son s贸lidas, tienden a continuar en l铆nea recta y la mayor铆a de ellas se separan en este punto. Los que se introducen en las persianas se eliminan f谩cilmente con el filtro. Este tipo de sistema de filtro de aire normalmente consta de un elemento de filtro, una puerta y un actuador operado el茅ctricamente.
Cuando el sistema de filtrado est谩 funcionando, el aire se aspira a trav茅s de un panel de acceso con persianas que no mira directamente hacia la corriente de aire. Con esta ubicaci贸n de entrada, se elimina una cantidad considerable de polvo ya que el aire se ve obligado a girar y entrar en el conducto.
Dado que las part铆culas de polvo son s贸lidas, tienden a continuar en l铆nea recta y la mayor铆a de ellas se separan en este punto. Los que se introducen en las persianas se eliminan f谩cilmente con el filtro. Este tipo de sistema de filtro de aire normalmente consta de un elemento de filtro, una puerta y un actuador operado el茅ctricamente.
Cuando el sistema de filtrado est谩 funcionando, el aire se aspira a trav茅s de un panel de acceso con persianas que no mira directamente hacia la corriente de aire. Con esta ubicaci贸n de entrada, se elimina una cantidad considerable de polvo ya que el aire se ve obligado a girar y entrar en el conducto.
Dado que las part铆culas de polvo son s贸lidas, tienden a continuar en l铆nea recta y la mayor铆a de ellas se separan en este punto. Los que se introducen en las persianas se eliminan f谩cilmente con el filtro. se elimina una cantidad considerable de polvo a medida que el aire se ve obligado a girar y entrar en el conducto.
Dado que las part铆culas de polvo son s贸lidas, tienden a continuar en l铆nea recta y la mayor铆a de ellas se separan en este punto. Los que se introducen en las persianas se eliminan f谩cilmente con el filtro.
se elimina una cantidad considerable de polvo a medida que el aire se ve obligado a girar y entrar en el conducto. Dado que las part铆culas de polvo son s贸lidas, tienden a continuar en l铆nea recta y la mayor铆a de ellas se separan en este punto. Los que se introducen en las persianas se eliminan f谩cilmente con el filtro.
En vuelo, con los filtros de aire en funcionamiento, se debe considerar las posibles condiciones de formaci贸n de hielo que pueden ocurrir debido a la formaci贸n de hielo en la superficie real o al congelamiento del elemento del filtro despu茅s de que se empapa de lluvia.
Algunas instalaciones tienen una puerta de filtro accionada por resorte que se abre autom谩ticamente cuando el filtro est谩 excesivamente restringido. Esto evita que se corte el flujo de aire cuando el filtro est谩 obstruido con hielo o suciedad. Otros sistemas usan un protector de hielo en la entrada de aire filtrado.
La protecci贸n contra el hielo consiste en una pantalla de malla gruesa ubicada a poca distancia de la entrada de aire filtrado. En esta ubicaci贸n, la pantalla est谩 directamente en el camino del aire entrante, de modo que el aire debe pasar a trav茅s o alrededor de la pantalla.
Cuando se forma hielo en la pantalla, el aire, que ha perdido sus part铆culas pesadas de humedad, pasa alrededor de la pantalla congelada y hacia el elemento del filtro. La eficiencia de cualquier sistema de filtraci贸n depende del mantenimiento y servicio adecuados. La remoci贸n y limpieza peri贸dica del elemento del filtro es esencial para una protecci贸n satisfactoria del motor.
Inspecci贸n y mantenimiento del sistema de inducci贸n - Induction System Inspection and Maintenance
El sistema de inducci贸n debe revisarse en busca de grietas y fugas durante todas las inspecciones regulares del motor. Las unidades del sistema deben verificarse para la seguridad del montaje.
El sistema debe mantenerse limpio en todo momento, ya que los pedazos de trapo o papel pueden restringir el flujo de aire si se les permite ingresar a las tomas o conductos de aire. Los pernos y tuercas flojos pueden causar da帽os graves si pasan al motor.
En los sistemas equipados con un filtro de aire de carburador, el filtro debe revisarse regularmente. Si est谩 sucio o no tiene la pel铆cula de aceite adecuada, se debe quitar y limpiar el elemento del filtro.
Despu茅s de que se haya secado, generalmente se sumerge en una mezcla de aceite y un compuesto para prevenir la oxidaci贸n. Se debe permitir que el exceso de l铆quido se drene antes de volver a instalar el elemento del filtro. Los filtros de papel deben inspeccionarse y reemplazarse seg煤n sea necesario.
Sistemas de inducci贸n sobrealimentados - Supercharged Induction Systems
Dado que las aeronaves operan a altitudes donde la presi贸n del aire es m谩s baja, es 煤til proporcionar un sistema para comprimir la mezcla de combustible/aire. Algunos sistemas se utilizan para normalizar la presi贸n de aire que ingresa al motor. Estos sistemas se utilizan para recuperar la presi贸n del aire perdida por el aumento de altitud.
Este tipo de sistema no es un sistema de refuerzo de tierra y no se usa para aumentar la presi贸n del colector por encima de 30 pulgadas de mercurio. Un verdadero motor sobrealimentado, llamado motor impulsado desde tierra, puede aumentar la presi贸n del colector por encima de 30 pulgadas de mercurio. En otras palabras, un verdadero sobrealimentador aumenta la presi贸n del colector por encima de la presi贸n ambiental.
Dado que muchos motores instalados en aviones ligeros no utilizan ning煤n tipo de compresor o dispositivo de sobrealimentaci贸n, los sistemas de inducci贸n para motores alternativos pueden clasificarse en t茅rminos generales como sobrealimentados o no sobrealimentados.
Los sistemas de sobrealimentaci贸n utilizados en los sistemas de inducci贸n de motores alternativos normalmente se clasifican como accionados internamente o accionados externamente (turbosobrealimentados).
Los supercargadores accionados internamente comprimen la mezcla de aire y combustible despu茅s de que sale del carburador, mientras que los supercargadores accionados externamente (turbocargadores) comprimen el aire antes de que se mezcle con el combustible dosificado del carburador.
Supercargadores accionados internamente - Internally Driven Superchargers
Los sobrealimentadores impulsados internamente se utilizaron casi exclusivamente en motores alternativos radiales de alta potencia y son impulsados por el motor a trav茅s de una conexi贸n mec谩nica. Aunque su uso es muy limitado, algunos todav铆a se utilizan en cargueros y aviones de fumigaci贸n.
Excepto por la construcci贸n y disposici贸n de los diversos tipos de sobrealimentadores, todos los sistemas de inducci贸n con sobrealimentadores accionados internamente eran muy similares. Los motores de las aeronaves requieren el mismo control de la temperatura del aire para producir una buena combusti贸n en los cilindros del motor.
Por ejemplo, la carga debe estar lo suficientemente caliente para garantizar la vaporizaci贸n completa del combustible y, por lo tanto, una distribuci贸n uniforme.
Al mismo tiempo, no debe estar tan caliente que reduzca la eficiencia volum茅trica o provoque una detonaci贸n. Todos los motores alternativos deben protegerse contra el aire de admisi贸n demasiado caliente. Al igual que con cualquier tipo de sobrealimentaci贸n (compresi贸n del aire de admisi贸n), el aire gana calor a medida que se comprime.
A veces, este aire requiere enfriamiento antes de que se env铆e a los puertos de admisi贸n del motor. Con estos requisitos, la mayor铆a de los sistemas de inducci贸n que utilizan sobrealimentadores accionados internamente deben incluir dispositivos sensores de presi贸n y temperatura y las unidades necesarias para calentar o enfriar el aire.
El sencillo sistema de inducci贸n del sobrealimentador accionado internamente se utiliza para explicar la ubicaci贸n de las unidades y la ruta del aire y la mezcla de combustible/aire. El aire ingresa al sistema a trav茅s de la entrada de aire ram.
La abertura de admisi贸n est谩 ubicada de manera que el aire es forzado hacia el sistema de inducci贸n, lo que produce un efecto de ariete causado por el avi贸n que se mueve por el aire.
El aire pasa a trav茅s de conductos al carburador. El carburador dosifica el combustible en proporci贸n al aire y mezcla el aire con la cantidad correcta de combustible. El carburador se puede controlar desde la cabina para regular el flujo de aire. De esta manera, se puede controlar la potencia de salida del motor.
El man贸metro del colector mide la presi贸n de la mezcla de aire y combustible antes de que entre en los cilindros. Es una indicaci贸n del rendimiento que se puede esperar del motor.
El indicador de temperatura del aire del carburador mide la temperatura del aire de entrada o de la mezcla de aire y combustible. El indicador de temperatura de la entrada de aire o de la mezcla sirve como gu铆a para que la temperatura de la carga entrante pueda mantenerse dentro de l铆mites seguros.
Si la temperatura del aire entrante a la entrada de la toma de aire del carburador es de 100 °F, hay una ca铆da de temperatura de aproximadamente 50 °F debido a la vaporizaci贸n parcial del combustible en la boquilla de descarga del carburador. Tiene lugar una vaporizaci贸n parcial y la temperatura del aire cae debido a la absorci贸n del calor por vaporizaci贸n.
La vaporizaci贸n final tiene lugar cuando la mezcla ingresa a los cilindros donde existen temperaturas m谩s altas. El combustible, atomizado en la corriente de aire que fluye en el sistema de inducci贸n, tiene forma globular. El problema, entonces, se convierte en una de fragmentaci贸n y distribuci贸n uniforme del combustible, permaneciendo en forma globular a los distintos cilindros.
En los motores equipados con un gran n煤mero de cilindros, la distribuci贸n uniforme de la mezcla se convierte en un problema mayor, especialmente a altas velocidades del motor cuando se aprovecha al m谩ximo la gran capacidad de aire.
En la figura se muestra un m茅todo utilizado principalmente en motores alternativos radiales para mejorar la distribuci贸n de combustible. Este dispositivo se conoce como impulsor de distribuci贸n.
El impulsor est谩 unido directamente al extremo del v谩stago trasero del cig眉e帽al mediante pernos o esp谩rragos. Dado que el impulsor est谩 conectado al extremo del cig眉e帽al y funciona a la misma velocidad, no impulsa ni aumenta materialmente la presi贸n sobre la mezcla que fluye hacia los cilindros.
Pero el combustible que queda en forma globular se descompone en part铆culas m谩s finas cuando golpea el impulsor, por lo que entra en contacto con m谩s aire. Esto crea una mezcla m谩s homog茅nea con la consiguiente mejora en la distribuci贸n a los distintos cilindros, especialmente al acelerar el motor o cuando prevalecen las bajas temperaturas.
Para obtener una mayor presi贸n de la mezcla aire/combustible dentro de los cilindros, la secci贸n del difusor o soplador contiene un impulsor de alta velocidad. A diferencia del impulsor de distribuci贸n, que est谩 conectado directamente al cig眉e帽al, el sobrealimentador, o impulsor del ventilador, es accionado a trav茅s de un tren de engranajes desde el cig眉e帽al.
Turbocompresores - Turbosuperchargers
Los sobrealimentadores accionados externamente (turbosobrealimentadores) est谩n dise帽ados para suministrar aire comprimido a la entrada del carburador o a la unidad de control de aire/combustible de un motor.
Los supercargadores impulsados externamente obtienen su poder de la energ铆a de los gases de escape del motor dirigidos contra una turbina que impulsa un impulsor que comprime el aire entrante.
Por esta raz贸n, com煤nmente se les llama turbocompresores o turbocompresores. Para ser un verdadero sobrealimentador, debe aumentar la presi贸n del colector por encima de 30 "Hg.
El turbosobrealimentador t铆pico, que se muestra en la figura, se compone de tres partes principales: 1. Conjunto del compresor 2. Conjunto de la rueda de la turbina 3. Un conjunto de cojinete de eje flotante completo. En la figura se muestran ejemplos detallados de un turbocompresor.
Adem谩s de los conjuntos principales, hay un deflector entre la carcasa del compresor y la turbina de gases de escape que dirige el aire de enfriamiento a la bomba y la carcasa del cojinete, y tambi茅n protege al compresor del calor irradiado por la turbina.
En instalaciones donde el aire de enfriamiento es limitado, el deflector se reemplaza por una cubierta de enfriamiento normal que recibe el aire directamente del sistema de inducci贸n.
El conjunto del compresor se compone de un impulsor, un difusor y una carcasa. El aire para el sistema de inducci贸n ingresa a trav茅s de una abertura circular en el centro de la carcasa del compresor, donde es recogido por las paletas del impulsor, lo que le da una alta velocidad a medida que se desplaza hacia el difusor.
Las paletas del difusor dirigen el flujo de aire cuando sale del impulsor y tambi茅n convierten la alta velocidad del aire en alta presi贸n.
La potencia motriz para el impulsor se proporciona a trav茅s de la fijaci贸n del impulsor al eje de rueda de turbina de la turbina de gases de escape. Este conjunto completo se denomina rotor. (El rotor gira sobre los cojinetes de alimentaci贸n de aceite). El conjunto de la turbina de gases de escape consta del turbocompresor y la v谩lvula de compuerta de descarga.
La rueda de la turbina, impulsada por los gases de escape, impulsa el impulsor. La carcasa del turbo recoge y dirige los gases de escape a la rueda de la turbina, y la compuerta de desechos regula la cantidad de gases de escape dirigidos a la turbina. La compuerta de desechos controla el volumen del gas de escape que se dirige a la turbina y, por lo tanto, regula la velocidad del rotor (turbina e impulsor).
Si la compuerta de desechos est谩 completamente cerrada, todos los gases de escape se “retroceden” y son forzados a trav茅s de la rueda de la turbina. Si la compuerta de desechos est谩 parcialmente cerrada, se dirige una cantidad correspondiente de gases de escape a la turbina.
Los gases de escape, as铆 dirigidos, golpean los 谩labes de la turbina, dispuestos radialmente alrededor del borde exterior de la turbina, y hacen que el rotor (turbina e impulsor) gire. Los gases, habiendo agotado la mayor parte de su energ铆a, son expulsados por la borda. Cuando la compuerta de desechos est谩 completamente abierta, casi todos los gases de escape pasan por la borda proporcionando poco o ning煤n impulso.
Turbocompresor normalizador - Normalizer Turbocharger
Algunos motores utilizados en aviones ligeros est谩n equipados con un sistema de normalizaci贸n accionado externamente. Estos sistemas funcionan con la energ铆a de los gases de escape y generalmente se los denomina sistemas de "turbocargador de normalizaci贸n". Estos sistemas no fueron dise帽ados para usarse como un verdadero sobrealimentador (presi贸n del colector de sobrealimentaci贸n superior a 30 "Hg).
Compensan la potencia perdida debido a la ca铆da de presi贸n resultante del aumento de la altitud. En muchos motores de aeronaves peque帽as, el sistema (normalizador) del turbocompresor est谩 dise帽ado para funcionar solo por encima de cierta altitud, por ejemplo, 5000 pies, ya que la potencia m谩xima sin normalizaci贸n est谩 disponible por debajo de esa altitud.
La ubicaci贸n de los sistemas de admisi贸n y escape de aire de un sistema normalizador de turbocompresor t铆pico para una aeronave peque帽a se muestra en la Figura.
Sistema de turbocompresor impulsado desde tierra - Ground-Boosted Turbosupercharger System
Algunos sistemas turboalimentados impulsados desde tierra (al nivel del mar) est谩n dise帽ados para operar desde el nivel del mar hasta su altitud cr铆tica.
Estos motores, a veces denominados motores impulsados por el nivel del mar, pueden desarrollar m谩s potencia al nivel del mar que un motor sin turbosobrealimentaci贸n. Como se mencion贸 anteriormente, un motor debe impulsarse por encima de 30 "Hg para estar realmente sobrealimentado. Este tipo de turbocompresor logra esto al aumentar la presi贸n del colector por encima de 30 "Hg a alrededor de 40 "Hg.
El sistema de inducci贸n de aire del turbosobrealimentador consta de una entrada de aire comprimido filtrada situada en el lateral de la g贸ndola. Una puerta de aire alternativa dentro de la g贸ndola permite que la succi贸n del compresor admita autom谩ticamente aire alternativo (aire calentado del compartimiento del motor) si el filtro de aire de inducci贸n se obstruye.
En muchos casos, la puerta de aire alternativa se puede operar manualmente en caso de obstrucci贸n del filtro.
Casi todos los sistemas de turbocompresor utilizan aceite de motor como fluido de control para controlar la cantidad de impulso (presi贸n adicional del colector) que se proporciona al motor. El actuador y los controladores de la compuerta de descarga usan aceite de motor presurizado para su fuente de alimentaci贸n.
El turbocompresor est谩 controlado por la compuerta de desechos y el actuador de la compuerta de desechos.
El actuador de la compuerta de desechos, que est谩 conectado f铆sicamente a la compuerta de desechos mediante un enlace mec谩nico, controla la posici贸n de la v谩lvula de mariposa de la compuerta de desechos. La compuerta de desechos desv铆a los gases de escape del motor alrededor de la entrada de la turbina del turbocargador.
Al controlar la cantidad de gases de escape que pasan a trav茅s de la turbina del turbocompresor, se controla la velocidad del compresor y la cantidad de refuerzo de admisi贸n (presi贸n de la plataforma superior). El aceite de motor tambi茅n se usa para enfriar y lubricar los cojinetes que soportan el compresor y la turbina en el turbocompresor.
El aceite lubricante del turbocompresor es aceite de motor suministrado a trav茅s del sistema de aceite del motor. Una manguera de suministro de aceite desde la parte trasera del enfriador de aceite dirige el aceite a las carcasas y cojinetes centrales del turbocargador.
Las mangueras de aceite devuelven el aceite de los turbocompresores a la bomba de barrido de aceite ubicada en la parte trasera del motor. La v谩lvula de retenci贸n unidireccional en la l铆nea de suministro de aceite evita que el aceite se drene hacia el turbocompresor mientras el motor no est谩 funcionando.
Los sellos de aceite en forma de anillo de pist贸n se utilizan en el eje de la rueda del compresor para evitar que el aceite lubricante entre en las carcasas de la turbina y el compresor desde la carcasa central. Una manguera de suministro de aceite desde la parte trasera del enfriador de aceite dirige el aceite a las carcasas y cojinetes centrales del turbocargador.
Las mangueras de aceite devuelven el aceite de los turbocompresores a la bomba de barrido de aceite ubicada en la parte trasera del motor. La v谩lvula de retenci贸n unidireccional en la l铆nea de suministro de aceite evita que el aceite se drene hacia el turbocompresor mientras el motor no est谩 funcionando.
Los sellos de aceite en forma de anillo de pist贸n se utilizan en el eje de la rueda del compresor para evitar que el aceite lubricante entre en las carcasas de la turbina y el compresor desde la carcasa central. Una manguera de suministro de aceite desde la parte trasera del enfriador de aceite dirige el aceite a las carcasas y cojinetes centrales del turbocompresor. Las mangueras de aceite devuelven el aceite de los turbocompresores a la bomba de barrido de aceite ubicada en la parte trasera del motor.
La v谩lvula de retenci贸n unidireccional en la l铆nea de suministro de aceite evita que el aceite se drene hacia el turbocompresor mientras el motor no est谩 funcionando. Los sellos de aceite en forma de anillo de pist贸n se utilizan en el eje de la rueda del compresor para evitar que el aceite lubricante entre en las carcasas de la turbina y el compresor desde la carcasa central.
La posici贸n de la compuerta de desechos se controla ajustando la presi贸n de aceite en el actuador de la compuerta de desechos. Se utilizan varios tipos diferentes de controladores para proporcionar la presi贸n correcta en el actuador de la compuerta de desechos.
Esto se hace restringiendo el flujo de aceite o permitiendo que el aceite regrese al motor. Cuanto m谩s se restringe el aceite, m谩s presi贸n hay en el actuador de la compuerta de desechos y m谩s cerrada est谩 la compuerta de desechos.
Esto hace que los gases de escape pasen a trav茅s de la turbina, aumentando la velocidad del compresor elevando la presi贸n de entrada. Ocurre lo contrario si los controladores no restringen el aceite y se reduce el refuerzo. La presi贸n de la salida del compresor del turbocompresor al acelerador se conoce como presi贸n de la plataforma o presi贸n de la plataforma superior.
Un sistema t铆pico de turbocompresor - A Typical Turbosupercharger System
La figura es un esquema de un sistema de turbocompresor reforzador del nivel del mar. Este sistema, ampliamente utilizado, se regula autom谩ticamente mediante tres componentes: • Conjunto de v谩lvula de derivaci贸n de escape • Controlador de densidad • Controlador de presi贸n diferencial.
Al regular la posici贸n de la compuerta de desechos y las posiciones "totalmente abierta" y "cerrada", se puede mantener una salida de potencia constante. Cuando la compuerta de desechos est谩 completamente abierta, todos los gases de escape se env铆an a la atm贸sfera y no se comprime ni env铆a aire a la entrada de aire del motor.
Por el contrario, cuando la compuerta de desechos est谩 completamente cerrada, un volumen m谩ximo de gases de escape fluye hacia la turbina del turbocompresor y se logra la m谩xima sobrealimentaci贸n.
Entre estos dos extremos de la posici贸n de la compuerta de desechos, se puede lograr una salida de potencia constante por debajo de la altitud m谩xima a la que el sistema est谩 dise帽ado para funcionar.
Un motor con una altitud cr铆tica de 16 000 pies no puede producir el 100 por ciento de su presi贸n nominal del m煤ltiple por encima de los 16 000 pies. Por altitud cr铆tica se entiende la altitud m谩xima a la que, en una atm贸sfera est谩ndar, es posible mantener,
Existe una altitud cr铆tica para cada ajuste de potencia posible por debajo del techo operativo m谩ximo. Si la aeronave vuela por encima de esta altitud sin un cambio correspondiente en el ajuste de potencia, la compuerta de descarga se conduce autom谩ticamente a la posici贸n completamente cerrada en un esfuerzo por mantener una salida de potencia constante.
Por lo tanto, la compuerta de desechos est谩 casi completamente abierta al nivel del mar y contin煤a movi茅ndose hacia la posici贸n cerrada a medida que la aeronave asciende, para mantener el ajuste de presi贸n del colector preseleccionado.
Cuando la compuerta de desechos est谩 completamente cerrada (dejando solo un peque帽o espacio libre para evitar que se atasque), la presi贸n del m煤ltiple comienza a caer si la aeronave contin煤a ascendiendo. Si no se puede seleccionar una configuraci贸n de potencia m谩s alta, se ha alcanzado la altitud cr铆tica del turbocompresor. M谩s all谩 de esta altitud, la potencia de salida contin煤a disminuyendo.
La posici贸n de la v谩lvula de compuerta de descarga, que determina la potencia de salida, est谩 controlada por la presi贸n del aceite. La presi贸n del aceite del motor act煤a sobre un pist贸n en el conjunto de la compuerta de desecho, que est谩 conectado mediante un enlace a la v谩lvula de la compuerta de desecho.
Cuando aumenta la presi贸n de aceite en el pist贸n, la v谩lvula de compuerta de descarga se mueve hacia la posici贸n cerrada y aumenta la potencia de salida del motor. Por el contrario, cuando disminuye la presi贸n del aceite, la v谩lvula de compuerta de descarga se mueve hacia la posici贸n abierta y la potencia de salida disminuye como se describi贸 anteriormente.
La posici贸n del pist贸n acoplado a la v谩lvula de compuerta de desecho depende del aceite de purga, que controla la presi贸n del aceite del motor aplicada a la parte superior del pist贸n.
El aceite regresa al c谩rter del motor a trav茅s de dos dispositivos de control, el controlador de densidad y el controlador de presi贸n diferencial. Estos dos controladores, que act煤an de forma independiente, determinan cu谩nto aceite se purga de vuelta al c谩rter y establecen la presi贸n de aceite en el pist贸n.
El controlador de densidad est谩 dise帽ado para limitar la presi贸n del colector por debajo de la altitud cr铆tica del turbocompresor y regula el aceite de purga solo en la posici贸n de m谩xima aceleraci贸n.
Los fuelles sensores de presi贸n y temperatura del controlador de densidad reaccionan a los cambios de presi贸n y temperatura entre la entrada del inyector de combustible y el compresor del turbocargador. Los fuelles, llenos de nitr贸geno seco, mantienen una densidad constante al permitir que la presi贸n aumente a medida que aumenta la temperatura.
El movimiento de los fuelles reposiciona la v谩lvula de purga, lo que provoca un cambio en la cantidad de aceite de purga, lo que cambia la presi贸n del aceite en la parte superior del pist贸n de la compuerta de desecho.
El controlador de presi贸n diferencial funciona en todas las posiciones de la v谩lvula de compuerta de desechos excepto en la posici贸n totalmente abierta, que es controlada por el controlador de densidad. Un lado del diafragma en el controlador de presi贸n diferencial detecta la presi贸n de aire aguas arriba del acelerador; el otro lado mide la presi贸n en el lado del cilindro de la v谩lvula de mariposa.
En la posici贸n de aceleraci贸n "totalmente abierta", cuando el controlador de densidad controla la compuerta de desechos, la presi贸n a trav茅s del diafragma del controlador de presi贸n diferencial es m铆nima y el resorte del controlador mantiene cerrada la v谩lvula de purga.
En la posici贸n de “aceleraci贸n parcial”, el diferencial de aire aumenta, abriendo la v谩lvula de purga para purgar aceite al c谩rter del motor y reposicionar el pist贸n de la compuerta de descarga. Por lo tanto, los dos controladores funcionan de forma independiente para controlar el funcionamiento del turbocargador en todas las posiciones del acelerador.
Sin la funci贸n de anulaci贸n del controlador de presi贸n diferencial durante la operaci贸n de aceleraci贸n parcial, el controlador de densidad colocar铆a la v谩lvula de compuerta de desechos para m谩xima potencia. El controlador de presi贸n diferencial reduce la presi贸n de entrada del inyector y reposiciona continuamente la v谩lvula en todo el rango de operaci贸n del motor.
El controlador de presi贸n diferencial reduce la condici贸n inestable conocida como "bootstrapping" durante la operaci贸n de aceleraci贸n parcial. Bootstrapping es una indicaci贸n de un cambio de potencia no regulado que da como resultado la deriva continua de la presi贸n del colector. Esta condici贸n se puede ilustrar considerando el funcionamiento de un sistema cuando la compuerta de desechos est谩 completamente cerrada.
Durante este tiempo, el controlador de presi贸n diferencial no modula la posici贸n de la v谩lvula de compuerta de desechos. Cualquier ligero cambio en la potencia causado por un cambio en la temperatura o la fluctuaci贸n de las rpm se magnifica y da como resultado un cambio en la presi贸n del colector, ya que el ligero cambio provoca un cambio en la cantidad de gas de escape que fluye hacia la turbina.
Cualquier cambio en el flujo de gases de escape a la turbina provoca un cambio en la potencia de salida y se refleja en las indicaciones de presi贸n del m煤ltiple. Bootstrapping, entonces, Bootstrapping a veces se confunde con la condici贸n conocida como overboost, pero bootstrapping no es una condici贸n que sea perjudicial para la vida 煤til del motor.
Una condici贸n de sobrealimentaci贸n es aquella en la que la presi贸n del m煤ltiple excede los l铆mites prescritos para un motor en particular y puede causar da帽os graves. Cuando se usa en algunos sistemas, se proporciona una v谩lvula de alivio de presi贸n, ajustada ligeramente por encima de la presi贸n m谩xima de la plataforma, para evitar da帽os por sobrealimentaci贸n en caso de mal funcionamiento del sistema.
El controlador de presi贸n diferencial es esencial para el buen funcionamiento del turbocompresor controlado autom谩ticamente, ya que reduce el arranque al reducir el tiempo necesario para equilibrar un sistema. Todav铆a hay una mayor sensibilidad del acelerador con un motor turboalimentado que con un motor de aspiraci贸n natural.
El movimiento r谩pido del acelerador puede provocar una cierta desviaci贸n de la presi贸n del colector en un motor turboalimentado. Menos grave que el arranque, esta condici贸n se denomina sobreimpulso.
Si bien el exceso no es una condici贸n peligrosa, puede ser una fuente de preocupaci贸n para el piloto o el operador que selecciona una configuraci贸n de presi贸n de m煤ltiple en particular solo para descubrir que ha cambiado en unos segundos y debe restablecerse.
Dado que los controles autom谩ticos no pueden responder con la rapidez suficiente a los cambios bruscos en la configuraci贸n del acelerador para eliminar la inercia de los cambios de velocidad del turbocompresor, el operador debe controlar el sobreimpulso.
Esto se puede lograr mejor haciendo cambios lentos en la configuraci贸n del acelerador, acompa帽ados de unos segundos de espera para que el sistema alcance un nuevo equilibrio. Tal procedimiento es efectivo con motores turboalimentados, independientemente del grado de sensibilidad del acelerador.
Controladores del turbocompresor y descripciones del sistema - Turbocharger Controllers and System Descriptions
Los motores del sistema de turbocompresor contienen muchos de los mismos componentes mencionados con los sistemas anteriores. Algunos sistemas usan l铆neas y accesorios especiales que est谩n conectados a la presi贸n de la cubierta superior para referencia de aire al sistema de inyecci贸n de combustible y, en algunos casos, para presurizar los magnetos.
El funcionamiento b谩sico del sistema es similar al de otros sistemas de turbocargadores, con las principales diferencias en los controladores. El controlador monitorea la presi贸n de la plataforma detectando la salida del compresor.
El controlador controla el flujo de aceite a trav茅s del actuador de la compuerta de descarga, que abre o cierra la v谩lvula de derivaci贸n de escape. Cuando la presi贸n de la plataforma es insuficiente, el controlador restringe el flujo de aceite, lo que aumenta la presi贸n de aceite en el actuador de la compuerta de descarga.
Esta presi贸n act煤a sobre el pist贸n para cerrar la v谩lvula de descarga, forzando m谩s pulsos de gas de escape para hacer girar la turbina m谩s r谩pido y causar un aumento en la salida del compresor. Cuando la presi贸n de la plataforma es demasiado grande, ocurre lo contrario.
La v谩lvula de descarga de escape se abre por completo y desv铆a algunos de los gases de escape para disminuir el flujo de escape a trav茅s de la turbina. Se instala un posenfriador en la ruta del aire de inducci贸n entre la etapa del compresor y la entrada del acelerador de aire.
La mayor铆a de los turbocompresores son capaces de comprimir el aire de inducci贸n hasta el punto en que puede elevar la temperatura del aire por un factor de cinco. Esto significa que la toma de fuerza m谩xima en un d铆a de 100 °F podr铆a producir temperaturas del aire de inducci贸n que salen del compresor de hasta 500 °F. Esto exceder铆a la temperatura de entrada de aire del acelerador permitida en todos los modelos de motores alternativos.
Por lo general, la temperatura m谩xima de entrada del acelerador de aire oscila entre un m铆nimo de 230 °F y un m谩ximo de 300 °F. Superar estos m谩ximos puede colocar las c谩maras de combusti贸n m谩s cerca de la detonaci贸n.
La funci贸n del posenfriador es enfriar el aire comprimido, lo que reduce la probabilidad de detonaci贸n y aumenta la densidad del aire de carga, lo que mejora el rendimiento del turbocompresor para ese dise帽o de motor.
En el arranque del motor, el controlador detecta una presi贸n de descarga del compresor insuficiente (presi贸n de la plataforma) y restringe el flujo de aceite del actuador de la compuerta de descarga al motor. Esto hace que la v谩lvula de mariposa de la compuerta de descarga se cierre.
A medida que se avanza el acelerador, aumenta el flujo de gases de escape a trav茅s de la turbina, lo que aumenta la velocidad del eje de la turbina/compresor y la presi贸n de descarga del compresor.
El controlador detecta la diferencia entre la cubierta superior y la presi贸n del colector. Si aumenta la presi贸n de la plataforma o la presi贸n diferencial del acelerador, se abre la v谩lvula de asiento del controlador, aliviando la presi贸n de aceite al actuador de la compuerta de descarga.
Esto disminuye la presi贸n de descarga del compresor del turbocompresor (presi贸n de la plataforma). los flujos de gases de escape a trav茅s de la turbina aumentan, lo que aumenta la velocidad del eje de la turbina/compresor y la presi贸n de descarga del compresor.
El controlador detecta la diferencia entre la cubierta superior y la presi贸n del colector. Si aumenta la presi贸n de la plataforma o la presi贸n diferencial del acelerador, se abre la v谩lvula de asiento del controlador, aliviando la presi贸n de aceite al actuador de la compuerta de descarga.
Esto disminuye la presi贸n de descarga del compresor del turbocompresor (presi贸n de la plataforma). los flujos de gases de escape a trav茅s de la turbina aumentan, lo que aumenta la velocidad del eje de la turbina/compresor y la presi贸n de descarga del compresor.
El controlador detecta la diferencia entre la cubierta superior y la presi贸n del colector. Si aumenta la presi贸n de la plataforma o la presi贸n diferencial del acelerador, se abre la v谩lvula de asiento del controlador, aliviando la presi贸n de aceite al actuador de la compuerta de descarga. Esto disminuye la presi贸n de descarga del compresor del turbocompresor (presi贸n de la plataforma).
Controlador de presi贸n absoluta variable (VAPC) - Variable Absolute Pressure Controller (VAPC)
El VAPC contiene una v谩lvula de control de aceite similar a los otros controladores que se discutieron. El restrictor de aceite es accionado por un fuelle aneroide que est谩 referenciado a la presi贸n de la cubierta superior.
Una leva conectada al mecanismo de aceleraci贸n aplica presi贸n a la v谩lvula restrictora y al aneroide. A medida que el acelerador se abre a valores mayores, la leva aplica una mayor presi贸n al aneroide.
Esto aumenta la cantidad de presi贸n de la plataforma superior necesaria para comprimir el aneroide y, por lo tanto, abrir la v谩lvula de restricci贸n de aceite. Esto significa que el valor absoluto programado de la presi贸n de la plataforma superior que se requiere para superar el aneroide es variable seg煤n la posici贸n del acelerador.
A medida que se abre completamente el acelerador, los requisitos de presi贸n del m煤ltiple y de presi贸n de la plataforma superior aumentan considerablemente.
Controlador inclinado - Sloped Controller
El controlador inclinado est谩 dise帽ado para mantener la presi贸n nominal de descarga del compresor con el acelerador completamente abierto y para reducir esta presi贸n en los ajustes de aceleraci贸n parcial.
Un diafragma, acoplado con un fuelle soportado por resorte para referencia de presi贸n absoluta, est谩 expuesto a la presi贸n de la plataforma y la presi贸n del m煤ltiple de admisi贸n a trav茅s de puertos ubicados antes y despu茅s del acelerador, respectivamente.
Esta disposici贸n monitorea constantemente la presi贸n de la plataforma y el diferencial de presi贸n entre la plataforma y la presi贸n del m煤ltiple debido a un acelerador parcialmente cerrado. Si aumenta la presi贸n de la plataforma o la presi贸n diferencial del acelerador, el asiento del controlador se abre y disminuye la presi贸n de descarga (plataforma) del turbocompresor.
El controlador inclinado es m谩s sensible a la presi贸n diferencial del acelerador que a la presi贸n de la plataforma, logrando as铆 una reducci贸n de la presi贸n en la plataforma cuando se cierra el acelerador.
Controlador de presi贸n absoluta - Absolute Pressure Controller
Un dispositivo que se usa para controlar la velocidad y la salida del turbocompresor, pero controla el sistema solo a la salida m谩xima, es el controlador de presi贸n absoluta. El controlador de presi贸n absoluta contiene un fuelle aneroide que est谩 referenciado a la presi贸n de la cubierta superior.
Opera la v谩lvula de descarga, que desv铆a, m谩s o menos, los gases de escape sobre la turbina. A medida que se alcanza un ajuste de presi贸n absoluta, desv铆a el aceite y alivia la presi贸n en el actuador de la compuerta de desechos.
Esto permite que el controlador de presi贸n absoluta controle la presi贸n m谩xima de descarga del compresor del turbocompresor. El turbocompresor es completamente autom谩tico y no requiere ninguna acci贸n del piloto hasta la altitud cr铆tica.