Manual: FAA-H-8083-32A, Aviation Maintenance Technician Handbook Powerplant, Volume 2, Pagina: 10-31

Aviation: Factors Affecting Engine Operation

Compresión - Compression 

Para evitar la pérdida de potencia, todas las aberturas del cilindro deben cerrarse y sellarse completamente en las carreras de compresión y potencia. 

En este sentido, hay tres elementos en el correcto funcionamiento del cilindro que deben funcionar correctamente para obtener la máxima eficiencia. Primero, los anillos del pistón deben estar en buenas condiciones para proporcionar el máximo sellado durante la carrera del pistón. 

No debe haber fugas entre el pistón y las paredes de la cámara de combustión. En segundo lugar, las válvulas de admisión y escape deben cerrar herméticamente para que no haya pérdida de compresión en estos puntos. 

En tercer lugar, y muy importante, la sincronización de las válvulas (apertura y cierre) debe ser tal que se obtenga la mayor eficiencia cuando el motor esté funcionando a sus rpm nominales normales. Una falla en cualquiera de estos puntos da como resultado una eficiencia del motor muy reducida.

Medición de combustible - Fuel Metering 

El sistema de inducción es la parte de distribución y medición de combustible del motor. Obviamente, cualquier defecto en el sistema de inducción afecta seriamente el funcionamiento del motor. 

Para un mejor funcionamiento, cada cilindro del motor debe contar con la mezcla adecuada de aire y combustible, generalmente dosificada por el carburador. En algunos motores de inyección de combustible, el combustible se mide mediante el divisor de flujo del inyector de combustible y las boquillas de inyección de combustible.

La relación entre la relación aire/combustible y la potencia se ilustra en la figura. Tenga en cuenta que, a medida que la mezcla de combustible varía de pobre a rica, la potencia de salida del motor aumenta hasta alcanzar un máximo. Más allá de este punto, la potencia de salida disminuye a medida que la mezcla se enriquece aún más. 

Esto se debe a que la mezcla de combustible ahora es demasiado rica para proporcionar una combustión perfecta. Tenga en cuenta que se puede obtener la máxima potencia del motor ajustando el carburador en un punto de la curva.

Al establecer la configuración del carburador para un motor de avión, los ingenieros de diseño ejecutan una serie de curvas similares a la que se muestra. Se ejecuta una curva para cada una de varias velocidades del motor. 

Si, por ejemplo, la velocidad de ralentí es de 600 rpm, la primera curva podría ejecutarse a esta velocidad. Se puede ejecutar otra curva a 700 rpm, otra a 800 rpm, y así sucesivamente, en incrementos de 100 rpm, hasta las rpm de despegue. 

A continuación, se unen los puntos de máxima potencia de las curvas para obtener la mejor curva de potencia del motor para todas las velocidades. Esta mejor curva de potencia establece la rica configuración del carburador.

Al establecer los requisitos detallados del motor con respecto a la configuración del carburador, se debe considerar el hecho de que la temperatura de la cabeza del cilindro varía con la relación aire/combustible. 

Esta variación se ilustra en la curva que se muestra en la figura. Tenga en cuenta que la temperatura de la culata es más baja con la configuración de mezcla pobre automática que con la mezcla rica automática. 

Esto es exactamente lo contrario de la creencia común, pero es cierto. Además, las tripulaciones de vuelo pueden aprovechar el conocimiento de este hecho. Si, durante el crucero, se vuelve difícil mantener la temperatura de la culata de cilindros dentro de los límites, la mezcla de aire/combustible puede empobrecerse para lograr un funcionamiento más frío. 

Entonces se puede obtener el enfriamiento deseado sin tener que auto-enriquecerse con su costoso desperdicio de combustible. La curva muestra únicamente la variación de la temperatura de la culata. 

Para unas rpm dadas, la disminución de la temperatura de la culata con una mezcla más pobre se mantiene solo durante el rango de crucero normal. En ajustes de potencia más altos, las temperaturas del cilindro son más altas con las mezclas más pobres. La razón de esta inversión depende de la capacidad de enfriamiento del motor. 

A medida que se acercan a potencias superiores, se llega a un punto en el que el flujo de aire alrededor de los cilindros no proporciona suficiente refrigeración. En este punto, se debe utilizar un método de enfriamiento secundario. 

Este enfriamiento secundario se realiza enriqueciendo la mezcla aire/combustible más allá del punto de mejor potencia. Aunque enriquecer la mezcla hasta este punto da como resultado una pérdida de potencia, tanto la potencia como la economía deben sacrificarse para fines de refrigeración del motor.

Muchos motores radiales antiguos, grandes y de alta potencia se vieron influidos por los requisitos de refrigeración de la mezcla de aire y combustible, por los efectos de la inyección de agua. La figura muestra una curva de aire/combustible para un motor de inyección de agua. 

La parte punteada de la curva muestra cómo se empobrece la mezcla de aire y combustible durante la inyección de agua. Esta inclinación es posible porque se utiliza agua, en lugar de combustible adicional, como refrigerante del cilindro. Este tipo de sistemas no se utilizan en los aviones modernos.

Esto permite asomarse a una mezcla de potencia aproximadamente óptima sin peligro de sobrecalentamiento o detonación. Este asomarse da un aumento en el poder. El agua no altera las características de combustión de la mezcla. El combustible agregado a la mezcla rica en automóviles en el rango de potencia durante la operación en seco es únicamente para enfriamiento. 

Una mezcla más pobre daría más potencia. En realidad, el agua o, más exactamente, la mezcla de antidetonante (agua/alcohol) es un mejor refrigerante que el combustible extra. Por lo tanto, la inyección de agua permite presiones de colector más altas y un aumento aún mayor de la potencia.

Al establecer la curva final para el funcionamiento del motor, se tiene en cuenta, por supuesto, la capacidad del motor para enfriarse a sí mismo en varios ajustes de potencia. A veces, la mezcla debe modificarse para una instalación dada para compensar el efecto del diseño de la cubierta, el flujo de aire de enfriamiento u otros factores en el enfriamiento del motor. 

Las curvas finales de la mezcla aire/combustible tienen en cuenta la economía, la potencia, el enfriamiento del motor, las características de ralentí y todos los demás factores que afectan la combustión.

La figura muestra una curva final típica para un carburador tipo flotador. Tenga en cuenta que la mezcla de aire/combustible al ralentí es la misma en rico y en pobre manual. 

La mezcla permanece igual hasta que se alcanza el rango de crucero bajo. En este punto, las curvas se separan y luego permanecen paralelas a través de los rangos de crucero y potencia.

Tenga en cuenta la diferencia entre la configuración rica y pobre en el rango de crucero de ambas curvas. Debido a esta dispersión, hay una disminución en la potencia cuando el control de mezcla se mueve de rico automático a pobre automático con el motor funcionando en el rango de crucero. 

Esto es cierto porque la configuración rica automática en el rango de crucero está muy cerca de la mejor relación de mezcla de potencia. Por lo tanto, cualquier empobrecimiento da una mezcla que es más pobre que la mejor potencia.

Mezcla inactiva - Idle Mixture  

La curva de mezcla en vacío muestra cómo cambia la mezcla cuando se cambia el ajuste de mezcla en vacío. Tenga en cuenta que el mayor efecto se produce a velocidades de ralentí. Sin embargo, hay algún efecto sobre la mezcla en flujos de aire por encima del ralentí. 

El flujo de aire en el que se cancela el efecto de ajuste de ralentí varía desde el crucero mínimo hasta el crucero máximo. El punto exacto depende del tipo de carburador y del ajuste del carburador. 

En general, el ajuste de ralentí afecta la mezcla de aire/combustible hasta crucero bajo en motores equipados con carburadores tipo flotador. Esto significa que los ajustes incorrectos de la mezcla de ralentí pueden dar lugar fácilmente a un rendimiento de crucero defectuoso, así como a un ralentí deficiente. 

Existen variaciones en los requisitos de mezcla entre un motor y otro debido a la distribución de combustible dentro del motor y la capacidad del motor para enfriarse. Recuerde, la configuración de un carburador debe ser lo suficientemente rica como para suministrar una mezcla combustible para el cilindro más pobre. 

Si la distribución de combustible es deficiente, la mezcla general debe ser más rica de lo que se requeriría para el mismo motor si la distribución fuera buena. 

La capacidad del motor para enfriarse depende de factores tales como el diseño del cilindro (incluido el diseño de las aletas de enfriamiento), la relación de compresión, los accesorios en la parte delantera del motor que hacen que los cilindros individuales se calienten y el diseño del deflector utilizado para desviar el flujo de aire. alrededor del cilindro. 

En la potencia de despegue, la mezcla debe ser lo suficientemente rica para suministrar suficiente combustible para mantener frío el cilindro más caliente.

Colector de inducción - Induction Manifold  

El múltiple de admisión proporciona los medios para distribuir aire o la mezcla de aire y combustible a los cilindros. Que el colector maneje una mezcla de aire/combustible o aire solo depende del tipo de sistema de medición de combustible utilizado. 

En un motor equipado con un carburador, el colector de admisión distribuye una mezcla de aire y combustible desde el carburador a los cilindros. En un motor de inyección de combustible, el combustible se entrega a las boquillas de inyección, una en cada cilindro, que brindan el patrón de rociado adecuado para una combustión eficiente. 

Por lo tanto, la mezcla de combustible y aire tiene lugar en el puerto de entrada al cilindro. En un motor de inyección de combustible, el colector de admisión solo maneja aire. 

El colector de admisión es un elemento importante por el efecto que puede tener sobre la mezcla aire/combustible que finalmente llega al cilindro. El carburador introduce combustible en la corriente de aire en forma líquida. Para volverse combustible, el combustible debe vaporizarse en el aire. 

Esta vaporización tiene lugar en el colector de inducción, que incluye el sobrealimentador interno, si se utiliza uno. Cualquier combustible que no se vaporiza se pega a las paredes de los tubos de admisión. Obviamente, esto afecta la relación efectiva aire/combustible de la mezcla que finalmente llega al cilindro en forma de vapor. 

Esto explica la razón de la mezcla aparentemente rica que se requiere para arrancar un motor frío. En un motor frío, parte del combustible de la corriente de aire se condensa y se adhiere a las paredes del colector. Esto se suma a ese combustible que nunca se evaporó en primer lugar.

Cualquier fuga en el sistema de inducción repercute en que la mezcla llegue a los cilindros. Esto es particularmente cierto en el caso de una fuga en el extremo del cilindro de un tubo de admisión. A presiones múltiples por debajo de la presión atmosférica, tal fuga empobrece la mezcla. 

Esto ocurre porque se extrae aire adicional de la atmósfera en el punto de fuga. El cilindro afectado puede sobrecalentarse, encenderse intermitentemente o incluso apagarse por completo.

Efecto operativo de la holgura de válvulas - Operational Effect of Valve Clearance  

Al considerar el efecto operativo de la holgura de las válvulas, tenga en cuenta que todos los motores alternativos de aeronaves de diseño actual utilizan superposición de válvulas. La superposición de válvulas es cuando las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo. 

Esto aprovecha el impulso de los gases que entran y salen para mejorar la eficiencia de la entrada de combustible/aire y la salida de los gases de escape. La figura muestra las presiones en los puertos de admisión y escape en dos conjuntos diferentes de condiciones de funcionamiento. 

En un caso, el motor funciona a una presión del colector de 35 "Hg. La presión barométrica (contrapresión de escape) es de 29 "Hg. Esto da una presión que actúa en la dirección indicada por la flecha de diferencial de 6 "Hg (3 psi).

Durante el período de superposición de válvulas, este diferencial de presión fuerza la mezcla de aire/combustible a través de la cámara de combustión hacia el escape abierto. Este flujo de mezcla de aire/combustible empuja hacia adelante los gases de escape que quedan en el cilindro, lo que resulta en un barrido completo de la cámara de combustión. 

Esto, a su vez, permite el llenado completo del cilindro con una carga nueva en el siguiente evento de admisión. Esta es la situación en la que la superposición de válvulas aumenta la potencia.

Hay un diferencial de presión en la dirección opuesta de 9 "Hg (4,5 psi) cuando la presión del colector está por debajo de la presión atmosférica, por ejemplo, 20 "Hg. Esto hace que el aire o los gases de escape ingresen al cilindro a través del puerto de escape durante la superposición de válvulas.

En motores con anillos colectores, este flujo de entrada a través del puerto de escape en configuraciones de baja potencia consiste en gases de escape quemados. Estos gases regresan al cilindro y se mezclan con la mezcla de aire/combustible entrante. Sin embargo, estos gases de escape son inertes; no contienen oxígeno. 

Por lo tanto, la relación de mezcla aire/combustible no se ve muy afectada. Con chimeneas de escape abiertas, la situación es completamente diferente. Aquí, el aire fresco que contiene oxígeno ingresa a los cilindros a través del escape. 

Esto empobrece la mezcla. Por lo tanto, el carburador debe configurarse para entregar una mezcla de ralentí excesivamente rica para que, cuando esta mezcla se combine con el aire fresco aspirado a través del puerto de escape, la mezcla efectiva en el cilindro tenga la relación deseada. 

A primera vista, no parece posible que el efecto de la superposición de válvulas en la mezcla de combustible/aire sea suficiente para causar preocupación. Sin embargo, el efecto de la superposición de válvulas se hace evidente cuando se consideran mezclas de combustible y aire en reposo. 

Estas mezclas deben enriquecerse entre un 20 y un 30 por ciento cuando se utilizan chimeneas abiertas en lugar de anillos colectores (motores radiales) en el mismo motor. 

Tenga en cuenta la distribución en ralentí entre una chimenea abierta y una instalación de anillo colector de escape para motores que, por lo demás, son idénticos. La variación de la mezcla disminuye a medida que la velocidad del motor o el flujo de aire aumentan desde el ralentí hasta el rango de crucero. 

Los fabricantes de motores, aviones y equipos proporcionan una instalación de motor que ofrece un rendimiento satisfactorio. Las levas están diseñadas para brindar el mejor funcionamiento de la válvula y la superposición correcta. 

Pero el funcionamiento de las válvulas es correcto solo si las holguras de las válvulas se establecen y permanecen en el valor recomendado por el fabricante del motor. 

Si las holguras de las válvulas se configuran incorrectamente, el período de superposición de las válvulas es más largo o más corto de lo previsto por el fabricante. Lo mismo es cierto si las holguras se desajustan durante la operación.

Cuando hay demasiada holgura de válvulas, las válvulas no se abren tanto o permanecen abiertas tanto tiempo como deberían. Esto reduce el período de superposición. A velocidad de ralentí, afecta la mezcla de aire y combustible, ya que una cantidad de aire o gases de escape menor que la normal regresa al cilindro durante el período de superposición más corto. Como resultado, la mezcla inactiva tiende a ser demasiado rica.

Cuando la holgura de la válvula es menor de lo que debería ser, el período de superposición de la válvula se alarga. Una cantidad mayor de lo normal de aire, o gases de escape, regresa al cilindro a velocidades de ralentí. Como resultado, la mezcla inactiva se empobrece en el cilindro. 

El carburador se ajusta con la expectativa de que una cierta cantidad de aire o gases de escape regresen al cilindro al ralentí. Si ingresa más o menos aire o gases de escape al cilindro durante el período de superposición de válvulas, la mezcla es demasiado pobre o demasiado rica.

Cuando las holguras de las válvulas son incorrectas, es poco probable que todas sean incorrectas en la misma dirección. En cambio, hay demasiado espacio en algunos cilindros y muy poco en otros. Naturalmente, esto da una variación en la superposición de válvulas entre cilindros. 

Esto da como resultado una variación en la relación aire/combustible al ralentí y en configuraciones de potencia más baja, ya que el carburador entrega la misma mezcla a todos los cilindros. El carburador no puede adaptar la mezcla a cada cilindro para compensar la variación en la superposición de válvulas. 

El efecto de la variación en la holgura de las válvulas y la superposición de las válvulas en la mezcla de aire/combustible entre cilindros se ilustra en la figura. Observe cómo los cilindros con muy poca holgura funcionan bien y los que tienen demasiada holgura funcionan pobremente. Tenga en cuenta también la extrema variación de mezcla entre cilindros.  

La holgura de las válvulas también afecta la eficiencia volumétrica. Cualquier variación en la entrada de combustible/aire y la salida de gases del cilindro afecta la eficiencia volumétrica del cilindro. 

Con el uso de levantaválvulas hidráulicas que ajustan automáticamente la holgura de las válvulas, se ha mejorado mucho el funcionamiento del motor. 

Los elevadores hidráulicos tienen un rango limitado en el que pueden controlar la holgura de las válvulas, o pueden atascarse en una posición y causar problemas en el motor. Normalmente, los motores equipados con elevadores hidráulicos requieren poco o ningún mantenimiento.