Manual: FAA-H-8083-32A, Aviation Maintenance Technician Handbook Powerplant, Volume 2, Pagina: 6-33

Aviation: Engine Cooling Systems

El calor excesivo siempre es indeseable tanto en los motores de avión alternativos como de turbina. Si no se dispusiera de medios para su control o eliminación, se producirían daños importantes o fallo total del motor. Aunque la gran mayoría de los motores alternativos están refrigerados por aire, algunos motores diésel refrigerados por líquido están disponibles para aviones ligeros. 

En un motor enfriado por líquido, alrededor del cilindro hay camisas de agua, en las que circula refrigerante líquido y el refrigerante elimina el exceso de calor. Luego, el exceso de calor se disipa mediante un intercambiador de calor o un radiador que utiliza un flujo de aire. Los motores de turbina utilizan un flujo de aire secundario para enfriar los componentes internos y muchos de los componentes exteriores.

Sistemas de enfriamiento de motores reciprocos - Reciprocating Engine Cooling Systems  

Un motor de combustión interna es una máquina de calor que convierte la energía química del combustible en energía mecánica en el cigüeñal. Sin embargo, no hace esto sin cierta pérdida de energía, e incluso los motores de avión más eficientes pueden desperdiciar entre el 60 y el 70 por ciento de la energía original del combustible. 

A menos que la mayor parte de este calor residual se elimine rápidamente, los cilindros pueden calentarse lo suficiente como para causar una falla completa del motor. El calor excesivo es indeseable en cualquier motor de combustión interna por tres razones principales: 

1. Afecta el comportamiento de la combustión de la carga de aire/combustible. 

2. Debilita y acorta la vida de las piezas del motor. 

3. Perjudica la lubricación.

Si la temperatura dentro del cilindro del motor es demasiado alta, la mezcla de aire y combustible se precalienta y la combustión se produce antes del tiempo deseado. Dado que la combustión prematura provoca detonaciones, golpes y otras condiciones indeseables, debe haber una manera de eliminar el calor antes de que cause daños.

Un galón de gasolina de aviación tiene suficiente poder calorífico para hervir 75 galones de agua; por lo tanto, es fácil ver que un motor que quema 4 galones de combustible por minuto libera una enorme cantidad de calor. Alrededor de una cuarta parte del calor liberado se transforma en energía útil. El resto del calor debe disiparse para que no sea destructivo para el motor. 

En el motor típico de un avión, la mitad del calor sale con el escape y la otra parte es absorbida por el motor. El aceite en circulación recoge parte de este calor absorbido y lo transfiere a la corriente de aire a través del enfriador de aceite. 

El sistema de refrigeración del motor se encarga del resto. El enfriamiento consiste en transferir el exceso de calor de los cilindros al aire, pero ese trabajo implica más que simplemente colocar los cilindros en la corriente de aire. 

Un cilindro en un motor grande es aproximadamente del tamaño de una jarra de un galón. Su superficie exterior, sin embargo, se incrementa mediante el uso de aletas de refrigeración, de modo que presenta un exterior del tamaño de un barril al aire de refrigeración. 

Tal disposición aumenta la transferencia de calor por convección. Si se rompe demasiada parte del área de la aleta de enfriamiento, el cilindro no puede enfriarse correctamente y se desarrolla un punto caliente. Por lo tanto, los cilindros normalmente se reemplazan si falta un número específico de pulgadas cuadradas de aletas.

La cubierta y los deflectores están diseñados para forzar el aire sobre las aletas de enfriamiento del cilindro. Los deflectores dirigen el aire alrededor de los cilindros y evitan que se formen charcos calientes de aire estancado mientras las corrientes principales pasan sin usarse. 

Los tubos de explosión están integrados en los deflectores para dirigir los chorros de aire de refrigeración hacia los codos de las bujías traseras de cada cilindro para evitar el sobrecalentamiento de los cables de encendido.

Un motor puede tener una temperatura de funcionamiento demasiado baja. Por las mismas razones por las que un motor se calienta antes del despegue, se mantiene caliente durante el vuelo. La evaporación y distribución del combustible y la circulación del aceite dependen de que el motor se mantenga a su temperatura óptima de funcionamiento. 

El motor de la aeronave tiene controles de temperatura que regulan la circulación de aire sobre el motor. A menos que se proporcionen algunos controles, el motor podría sobrecalentarse en el despegue y enfriarse demasiado en altas altitudes, alta velocidad y baja potencia.

El medio más común para controlar el enfriamiento es el uso de aletas de capó. Estas aletas se abren y cierran mediante tornillos elevadores accionados por motores eléctricos, actuadores hidráulicos o manualmente en algunos aviones ligeros. Cuando se extienden para aumentar el enfriamiento, las aletas del capó producen resistencia y sacrifican la aerodinámica por el enfriamiento adicional. 

En el despegue, las aletas del capó se abren solo lo suficiente para mantener el motor por debajo de la temperatura de la línea roja. Se permite el calentamiento por encima del rango normal para que la resistencia sea lo más baja posible. 

Durante las operaciones en tierra, las aletas del capó deben abrirse por completo, ya que la resistencia no importa y el enfriamiento debe establecerse al máximo. Los flaps de capó se utilizan principalmente con aviones más antiguos e instalaciones de motores radiales.

Algunas aeronaves usan aumentadores para proporcionar un flujo de aire de enfriamiento adicional. Cada góndola tiene dos pares de tubos que van desde el compartimiento del motor hasta la parte trasera de la góndola. 

Los colectores de escape alimentan los gases de escape a los tubos aumentadores internos. El gas de escape se mezcla con el aire que ha pasado sobre el motor y lo calienta para formar un escape similar a un chorro de alta temperatura y baja presión. 

Esta área de baja presión en los aumentadores atrae aire de enfriamiento adicional sobre el motor. El aire que ingresa a las cubiertas exteriores de los aumentadores se calienta a través del contacto con los tubos aumentadores pero no se contamina con los gases de escape. El aire caliente de la carcasa va al sistema de calefacción, descongelación y antihielo de la cabina.  

Los aumentadores utilizan la velocidad de los gases de escape para generar un flujo de aire sobre el motor, de modo que el enfriamiento no dependa completamente del lavado de la hélice. Las paletas instaladas en los aumentadores controlan el volumen de aire. 

Estas paletas generalmente se dejan en la posición de seguimiento para permitir el flujo máximo. Se pueden cerrar para aumentar el calor para uso en cabina o antihielo o para evitar que el motor se enfríe demasiado durante el descenso desde la altura. 

Además de los aumentadores, algunas aeronaves tienen puertas de calor residual o aletas de góndola que se utilizan principalmente para dejar escapar el calor retenido después de apagar el motor. Las aletas de la góndola se pueden abrir para obtener más enfriamiento que el proporcionado por los aumentadores. 

En algunas aeronaves ligeras se utiliza una forma modificada del sistema de enfriamiento del aumentador descrito anteriormente. Los sistemas de aumento no se utilizan mucho en los aviones modernos.

Como se muestra en la figura, el motor se enfría a presión con aire que entra a través de dos aberturas en el capó, una a cada lado del eje de la hélice. Una cámara de presión está sellada en la parte superior del motor con deflectores que dirigen correctamente el flujo de aire de refrigeración a todas las partes del compartimiento del motor. 

El aire caliente se extrae de la parte inferior del compartimiento del motor por la acción de bombeo de los gases de escape a través de los eyectores de escape. Este tipo de sistema de refrigeración elimina el uso de aletas de capó controlables y asegura una refrigeración adecuada del motor a todas las velocidades de funcionamiento. 

Mantenimiento del sistema de enfriamiento del motor reciproco o alternativo - Reciprocating Engine Cooling System Maintenance 

El sistema de enfriamiento del motor de la mayoría de los motores alternativos generalmente consta de la cubierta del motor, los deflectores de los cilindros, las aletas de los cilindros y algunos usan un tipo de aletas de cubierta. Además de estas unidades principales, también existen algunos sistemas indicadores de temperatura, como la temperatura de la culata, la temperatura del aceite y la temperatura de los gases de escape.

El carenado realiza dos funciones: 

1. Agiliza el voluminoso motor para reducir la resistencia. 

2. Forma una envoltura alrededor del motor que fuerza el paso del aire alrededor y entre los cilindros, absorbiendo el calor disipado por las aletas de los cilindros. 

Las bases de los cilindros son escudos metálicos, diseñados y dispuestos para dirigir el flujo de aire uniformemente alrededor de todos los cilindros. Esta distribución uniforme del aire ayuda a evitar que uno o más cilindros estén excesivamente más calientes que los demás. 

Las aletas del cilindro irradian calor desde las paredes y cabezas de los cilindros. A medida que el aire pasa por las aletas, absorbe este calor, lo aleja del cilindro y sale por la borda a través de la parte inferior trasera del capó.

Las aletas del capó controlables proporcionan un medio para disminuir o aumentar el área de salida en la parte trasera del capó del motor. 

Al cerrar las aletas del capó, se reduce el área de salida, lo que reduce efectivamente la cantidad de aire que puede circular por las aletas del cilindro. El flujo de aire reducido no puede llevarse tanto calor; por lo tanto, existe una tendencia a que la temperatura del motor tienda a aumentar. 

Al abrir las aletas del capó, el área de salida es más grande. El flujo de aire de refrigeración sobre los cilindros aumenta, absorbiendo más calor y la temperatura del motor tiende a disminuir. Una buena inspección y mantenimiento en el cuidado del sistema de enfriamiento del motor ayuda a una operación general eficiente y económica del motor.

Mantenimiento de la cubierta del motor - Maintenance of Engine Cowling  

Del flujo de aire ram total que se acerca a la góndola del motor en el aire, solo entre el 15 y el 30 por ciento ingresa a la cubierta para proporcionar enfriamiento al motor. El aire restante fluye sobre el exterior de la capota. Por lo tanto, la forma externa de la capota se debe alisar de manera que permita que el aire fluya suavemente sobre la capota con una mínima pérdida de energía.

El capó del motor discutido en esta sección es típico del que se usa en muchos motores opuestos radiales u horizontales. Todos los sistemas de enfriamiento funcionan de la misma manera, con pequeños cambios de ingeniería diseñados para instalaciones específicas.

El capó se fabrica en secciones desmontables, el número varía según la marca y el modelo de la aeronave. La instalación que se muestra en la figura contiene dos secciones que se bloquean juntas cuando se instalan.

Los paneles de la cubierta, fabricados con láminas de aluminio o material compuesto, tienen una superficie externa lisa para permitir el flujo de aire sin perturbaciones sobre la cubierta. La construcción interna está diseñada para dar resistencia al panel y, además, proporcionar receptáculos para los pestillos de palanca, el soporte del capó y el sello de aire del motor.

Un sello de aire está construido de material de goma, atornillado a una nervadura de metal remachada al panel de la cubierta. Este sello, como su nombre lo indica, sella el aire en la sección del motor, evitando que el aire se escape por la superficie interior del panel sin circular por los cilindros. 

El sello de aire del motor debe usarse en motores que tienen un sistema completo de deflector de cilindros que cubre las culatas. Su propósito es forzar al aire a circular alrededor ya través del sistema deflector. Inspeccione los paneles del capó durante cada inspección regular del motor y de la aeronave. Quitar la cubierta para el mantenimiento brinda la oportunidad de inspeccionar la cubierta con más frecuencia.

Inspeccione los paneles de la cubierta en busca de rayones, abolladuras y rasgaduras en los paneles. Este tipo de daño provoca la debilidad de la estructura del panel, aumenta la resistencia al interrumpir el flujo de aire y contribuye al inicio de la corrosión. 

Se deben inspeccionar los pestillos del panel de la cubierta en busca de remaches tirados y manijas sueltas o dañadas. Se debe examinar la construcción interna del panel para ver que las nervaduras de refuerzo no estén agrietadas y que el sello de aire no esté dañado. 

Las bisagras de la aleta del capó, si las tiene, y las uniones de las bisagras de la aleta del capó deben revisarse para garantizar la seguridad del montaje y si hay roturas o grietas. Estas inspecciones son comprobaciones visuales y deben realizarse con frecuencia para garantizar que el capó se pueda reparar y contribuya a una refrigeración eficiente del motor.

Inspección de la aleta de refrigeración del cilindro del motor - Engine Cylinder Cooling Fin Inspection  

Las aletas de refrigeración son de suma importancia para el sistema de refrigeración, ya que proporcionan un medio para transferir el calor del cilindro al aire. Su estado puede significar la diferencia entre una adecuada o inadecuada refrigeración de los cilindros. Las aletas se inspeccionan en cada inspección regular. El área de la aleta es el área total (ambos lados de la aleta) expuesta al aire. 

Durante la inspección, las aletas deben examinarse en busca de grietas y roturas. Las pequeñas grietas no son motivo para retirar el cilindro. Estas grietas se pueden rellenar o incluso a veces perforar para evitar que se agrieten más. 

Las esquinas ásperas o afiladas de las aletas se pueden alisar limando, y esta acción elimina una posible fuente de nuevas grietas. Sin embargo, antes de volver a perfilar las aletas de enfriamiento del cilindro, consulte el manual de servicio o reacondicionamiento del fabricante para conocer los límites permitidos.

La definición del área de la aleta se vuelve importante en el examen de las aletas en busca de áreas rotas. Es un factor determinante para la aceptación o retiro del cilindro. Por ejemplo, en cierto motor, si más de 12 pulgadas de largo de cualquier aleta, medida en su base, está completamente rota, o si el total de aletas rotas en cualquier culata excede las 83 pulgadas cuadradas de área, el el cilindro es removido y reemplazado. 

El motivo de la eliminación en este caso es que un área de ese tamaño provocaría un punto caliente en el cilindro; ya que podría ocurrir muy poca transferencia de calor.

Cuando las aletas adyacentes se rompen en la misma área, la longitud total de rotura permitida es de seis pulgadas en dos aletas adyacentes, cuatro pulgadas en tres aletas adyacentes, dos pulgadas en cuatro aletas adyacentes y una pulgada en cinco aletas adyacentes. 

Si la longitud de rotura en las aletas adyacentes excede esta cantidad prescrita, el cilindro debe retirarse y reemplazarse. Estas especificaciones de rotura se aplican solo al motor utilizado en esta discusión como un ejemplo típico. En cada caso específico, se deben consultar las instrucciones del fabricante aplicable.

Inspección del sistema deflector y deflector del cilindro - Cylinder Baffle and Deflector System Inspection  

Los motores alternativos utilizan algún tipo de deflectores entre cilindros y culatas para obligar al aire de refrigeración a entrar en estrecho contacto con todas las partes de los cilindros. La figura muestra un sistema deflector y deflector alrededor de un cilindro. El deflector de aire bloquea el flujo de aire y lo obliga a circular entre el cilindro y los deflectores. 

La figura ilustra una disposición de deflector y deflector diseñada para enfriar la culata. El deflector de aire evita que el aire salga de la culata y lo obliga a pasar entre la culata y el deflector. 

Aunque la resistencia que ofrecen los deflectores al paso del aire de enfriamiento exige que se mantenga un diferencial de presión apreciable en todo el motor para obtener el flujo de aire necesario, el volumen de aire de enfriamiento requerido se reduce considerablemente si se emplean deflectores de cilindro correctamente diseñados y ubicados.  

Como se muestra en la Figura, el flujo de aire se acerca a la góndola y se acumula en la parte superior del motor, creando una alta presión en la parte superior de los cilindros. Esta acumulación de aire reduce la velocidad del aire. La salida en la parte inferior trasera del carenado produce un área de baja presión. A medida que el aire se acerca a la salida del capó, vuelve a acelerarse y se fusiona suavemente con la corriente de aire. 

El diferencial de presión entre la parte superior e inferior del motor fuerza el paso del aire por los cilindros a través de los conductos formados por los deflectores. Los deflectores y deflectores normalmente se inspeccionan durante la inspección regular del motor, pero deben revisarse cada vez que se quita la cubierta por cualquier motivo. 

Deben revisarse si hay grietas, abolladuras o pernos de sujeción sueltos. Las grietas o abolladuras, si son lo suficientemente graves, requerirán reparación o remoción y reemplazo de estas unidades.

Sistemas de indicación de temperatura del cilindro - Cylinder Temperature Indicating Systems  

Este sistema generalmente consta de un indicador, cableado eléctrico y un termopar. El cableado se encuentra entre el instrumento y el cortafuegos de la góndola. En el cortafuegos, un extremo de los cables del termopar se conecta al cableado eléctrico y el otro extremo de los cables del termopar se conecta al cilindro. 

El termopar consta de dos metales diferentes, generalmente constante y hierro, conectados por cableado a un sistema indicador. Si la temperatura de la unión es diferente de la temperatura donde los metales diferentes están conectados a los cables, se produce un voltaje. Este voltaje envía una corriente a través de cables al indicador, un instrumento de medición de corriente graduado en grados.

El extremo del termopar que se conecta al cilindro es del tipo bayoneta o junta. Para instalar el tipo de bayoneta, la tuerca moleteada se empuja hacia abajo y se gira en el sentido de las agujas del reloj hasta que quede ajustada. 

Al quitar este tipo, la tuerca se empuja hacia abajo y se gira en sentido contrario a las agujas del reloj hasta que se suelta. El tipo de junta encaja debajo de la bujía y reemplaza la junta de bujía normal. 

Al instalar un cable de termopar, recuerde no cortar el cable porque es demasiado largo, pero enrolle y ate el exceso de longitud. El termopar está diseñado para producir una determinada cantidad de resistencia. Si se reduce la longitud del cable, se obtiene una lectura de temperatura incorrecta. La bayoneta o junta del termopar se inserta o instala en el cilindro más caliente del motor, según lo determinado en la prueba de bloque. 

Cuando el termopar está instalado y el cableado conectado al instrumento, la lectura indicada es la temperatura del cilindro. Antes de poner en marcha el motor, siempre que esté a temperatura ambiente, el indicador de temperatura de la culata indica la temperatura del aire exterior libre; esa es una prueba para determinar que el instrumento está funcionando correctamente. 

La cubierta de vidrio del indicador de temperatura de la culata debe revisarse regularmente para ver que no se haya resbalado o agrietado. 

Se debe revisar el vidrio de la cubierta para detectar indicaciones de calcomanías faltantes o dañadas que indiquen limitaciones de temperatura. Si los cables del termopar tenían una longitud excesiva y tenían que enrollarse y amarrarse, se debe inspeccionar la atadura para ver si está segura o si el cable está desgastado. Se debe inspeccionar la bayoneta o la junta para verificar su limpieza y la seguridad del montaje.

Sistemas indicadores de temperatura de gases de escape - Exhaust Gas Temperature Indicating Systems  

El indicador de temperatura de los gases de escape consta de un termopar colocado en la corriente de escape justo después del puerto del cilindro. Luego se conecta al instrumento en el panel de instrumentos. Esto permite el ajuste de la mezcla, que tiene un gran efecto en la temperatura del motor. Mediante el uso de este instrumento para establecer la mezcla, la temperatura del motor se puede controlar y monitorear.