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Motor de Combustión Interna Alternativo.
SISTEMAS INTERNOS.
Sistema biela-manivela. -Es el sistema móvil articulado que permite transformar la energía que se
libera en la combustión, con un movimiento oscilatorio, en un
movimiento circular o de rotación. Por lo que se emplean tres elementos
básicos:
1) Émbolo.
2) Biela.
3) Cigüeñal.
Émbolo. -Es el cuerpo cilíndrico que se desplaza alternativamente por el interior del cilindro.
El desplazamiento del émbolo se debe a la presión que ejercen los gases quemados en la cámara de
combustión, durante el tiempo de expansión, tiempo activo del ciclo de funcionamiento del motor. Los
gases en expansión producen una fuerza en el émbolo que se transmite al cigüeñal a través del pasador y
la biela, durante el tiempo no activo del émbolo, el cual también es arrastrado por la inercia del
movimiento giratorio del cigüeñal, a través de la biela.
El émbolo se fabrica en aleación de aluminio de alta resistencia mecánica.
Las partes principales del émbolo son:
1) Cabeza.-Es la parte superior, sobre la cual actúa directamente la presión de los gases. Su forma es
diversa, puede ser plana, cóncava o convexa, según la forma más conveniente para producir una
combustión rápida.
2) Falda.- Es la parte lateral, en él se encuentran las ranuras circulares que sirven para alojar los
anillos o segmentos metálicos de estanqueidad, entre el émbolo y el interior del cilindro.
3) Bulón y perno.-El bulón es el
alojamiento cilíndrico del perno, y
ambos conectan el émbolo con el
extremo superior de la biela (llamado
pie de biela). El perno es de acero
cementado, y lleva un cierto ajuste
dentro del bulón del émbolo,
permitiendo una holgura adecuada
para la condición flotante del montaje
(sin importar la temperatura o la
carga presente durante el funcionamiento del émbolo).
4) Segmentos o anillos de estanqueidad.-Son aros metálicos alojados en las ranuras de la parte
superior de la falda del émbolo, se clasifican en tres grupos, de acuerdo con su función:
De compresión: Son los más cercanos a la parte superior del émbolo, su función es impedir
la fuga de los gases en la cámara de combustión, asegurando la presión dentro del cilindro
durante el ciclo de trabajo.
De lubricación: Alojados por debajo de los segmentos de compresión, su función es regular
el espesor de la película de aceite lubricante que se forma entre la falda del émbolo y la
pared interna del cilindro.
Recogedor.-Esta alojado en la última ranura de la parte inferior de la falda del émbolo, su
función es “barrer” o “rascar” el aceite lubricante que se ha quedado en la pared interna del
cilindro, devolviéndolo al sistema de lubricación del motor. Por esta razón, a éste segmento
también se le conoce como “recuperador de aceite”.
Biela. -Es la barra articulada que une el émbolo con el cigüeñal del motor. La
biela transmite el movimiento oscilatorio del émbolo al movimiento
giratorio o rotación del cigüeñal. Por lo que está sometida a grandes
esfuerzos, y se fabrica en materiales de gran resistencia mecánica,
normalmente aleación de aluminio de alta resistencia o hacer forjado en
los motores antiguos.
El cuerpo de biela va estar compuesto por el pie de biela, extremo que
se acopla con el perno del émbolo; la cabeza de biela, extremo que se
une al cigüeñal del motor; y el sombrerete de biela, es la parte que es
desmontable, el cual une la otra mitad de la cabeza de biela con pernos
que forman parte de la misma o del propio sombrerete.
Los motores radiales emplean el sistema de biela maestra-bielas
articuladas, donde según éste sistema sólo una de las bielas de cada
estrella de cilindros, la biela maestra, se une al cigüeñal del motor. Las
bielas restantes, bielas articuladas, se unen a la biela maestra mediante
un plato de acoplamiento, que tiene tantos orificios como bielas
articuladas hay.
Cigüeñal. -El movimiento oscilatorio de los
émbolos se transforma en movimiento
de rotación en el cigüeñal. El cigüeñal
se compone de tres partes:
1) Muñón.-Son los puntos de apoyo
del cigüeñal en la bancada o soporte
del mismo.
2) Muñequilla.-Es el codo donde se
ajusta la cabeza de la biela.
3) Brazo.-Son los tramos rectos que
unen la muñequilla con los
muñones.
Se llama manivela o codo al conjunto
formado por dos brazos y una muñequilla.
Los cigüeñales son por lo general de acero forjado de alta resistencia mecánica, ahuecado para el paso del
aceite, y es sometido a un procedimiento de nitrurado.
Soportes y fijos.
Carcasas o cárter del motor. -Es el soporte de montaje de los cilindros y del sistema
biela-manivela. Y tanto para motores horizontales como
opuestos está dividido en dos mitades. Las dos mitades
son manufacturadas de aleación de aluminio-magnesio y
se fabrican por separado y luego se ensamblan por
medio de espárragos y pernos. En los motores radiales
son también fabricados por mitades, donde en este caso,
se unen según un plano que pasa por los centros de
todos los cilindros de la estrella.
Es el depósito o cárter del aceite lubricante en los motores de pequeña potencia. Todos los esfuerzos y
vibraciones producidos por el mismo motor son absorbidos por las carcasas o carter del motor, por lo que
su construcción debe responder a los requisitos de resistencia mecánica que imponen estas cargas.
Cárter de aceite adicional. -Funciona como depósito adicional para el suministro de aceite de lubricación para aeronaves de gran
potencia.
Hay dos tipos generales de cárter, que se relacionan con la
instalación del sistema de lubricación del motor:
Cárter húmedo.-Almacena el aceite de lubricación del
motor, actuando como depósito, donde mantiene un
cierto nivel de aceite lubricante, el cual es aspirado por
la bomba de lubricación y distribuido a través de las
líneas o tuberías internas de lubricación del motor.
Cárter seco.-Como su nombre lo indica, no almacena el aceite lubricante en el fondo del cárter,
sino en un depósito independiente. El aceite circula impulsado por la bomba de lubricación desde
el depósito a todos los puntos de lubricación del motor. Después es recuperado por la bomba de
succión, retornándolo al depósito.
Los motores pequeños, como los de cilindros horizontales y opuestos, son de cárter húmedo. Los grandes
motores radiales emplean cárteres secos.
Cilindro. -Es la cámara interna del motor donde se desarrolla la compresión, combustión de la mezcla aire-
combustible, y expansión de los gases.
Los motores de aviación tienen un número variable de cilindros, de acuerdo con su configuración y su
potencia.
El cilindro consta de cuerpo y
culata o cabeza. Las dos partes
se fabrican independientes y se
ensamblan durante la fase de
montaje del motor. El cuerpo es
el cilindro propiamente dicho, y
se fabrica en acero, y a la
superficie interna del cilindro
llamada camisa, es de acero al
cromo-níquel, muy resistente.
La parte exterior del cuerpo
cuenta con una serie de aletas
concéntricas, que sirven para
refrigerar el cilindro.
La culata o cabeza es una pieza
moldeada o forjada de aleación
ligera de aluminio, de gran
resistencia mecánica. La culata o cabeza tiene varios alojamientos de entrada para otros elementos, como
las bujías, las válvulas de admisión de aire y de escape de gases. La cúpula inferior de la culata o cabeza
y en conjunto con el émbolo, forman el volumen de la cámara de combustión del cilindro.
Múltiple de admisión y de escape. -El múltiple de admisión de aire es el sistema encargado
de proveer el aire necesario para la combustión a cada
uno de los cilindros del motor.
El sistema de admisión de aire en un motor de aviación
alternativo debe cumplir un requisito indispensable, la
correcta canalización del flujo de aire hacia el sistema
mezclador de combustible y aire del motor.
Una de las
características
muy importantes
del múltiple de
admisión de aire
es la forma de los conductos de admisión que a la vez depende de la
situación del motor en el avión.
El rendimiento volumétrico del motor de aviación está
determinado no sólo por el sistema de inducción que dirige el aire
hacia el motor, sino también por el sistema de escape que conduce
los gases que pasan fuera de los cilindros.
Un colector de escape típico está construido de aleación de acero
de alta resistencia.
Sistema de distribución.
Válvulas. -Las válvulas son los mecanismos que regulan la entrada y
salida del aire y de los gases de combustión en el cilindro.
Hay dos tipos de válvulas:
a) De admisión.-Tiene por misión regular el paso de
entrada de la mezcla fresca de aire-combustible en el
cilindro.
b) De escape.-Es la vía de expulsión de los gases quemados del cilindro.
Las válvulas están ubicadas en la culata o cabeza del cilindro.
Las válvulas tienen dos resortes, a veces tres, concéntricos. Los resortes mantienen a las válvulas contra
el asiento del cilindro.
Debido a que las válvulas de admisión operan a temperaturas más
bajas que las válvulas de escape, pueden ser de níquel, cromo,
tungsteno o de acero, mientras que las válvulas de escape se hacen
generalmente de algunas de las aleaciones especiales y de alta
resistencia a altas temperaturas como inconel, siliconchromium, o
aleaciones de cromo y cobalto.
Guías y muelles o resortes de las válvulas. -Las guías de las válvulas son el elemento exterior concéntrico del
vástago de la válvula, que además de mantener su desplazamiento
longitudinal, resiste las reacciones laterales debidas al esfuerzo de
empuje sobre la válvula. Las guías de las válvulas se fabrican de
aleación o de bronce especial.
Las guías de las válvulas de escape, al trabajar con altas
temperaturas a veces se hacen de forma cónica.
La misión de los muelles o resortes de las válvulas es impedir su
apertura por trepidación o por la depresión en los cilindros, y
también para impedir que los componentes móviles de la leva se
despeguen de su asiento, debido a la fuerza de inercia producida por la aceleración negativa en el
periodo de cierre.
Se fabrican de aceros especiales al silicio, magnesio y cromo vanadio.
Levas. -La leva es una pieza giratoria cuyo perfil, al actuar tangencialmente directa o indirectamente sobre el
extremo del vástago de la válvula, levanta a ésta periódicamente.
El mecanismo que desplaza las válvulas en un motor
alternativo en estrella se conoce como plato de levas, y en uno
de cilindros horizontales y opuestos se conoce como árbol de
levas.
El árbol de levas es el dispositivo de montaje de las levas que
desplazan a las válvulas, en el sistema de distribución de los
motores de cilindros horizontales, opuestos, en línea y en “V”.
Es un eje de acero que tiene mecanizadas en el mismo las
levas. El eje se apoya en cojinetes sobre el cárter,
normalmente de bronce, y la transmisión de giro se hace por
engranajes rectos o helicoidales.
El árbol de levas gira a la mitad de vueltas que el cigüeñal.
En el caso de los motores
en estrella o radiales se
emplea los plato de levas,
donde el movimiento de
las válvulas se obtiene
mediante un disco
concéntrico con el
cigüeñal que lleva
dispuestas igualmente
espaciadas, un cierto número de levas que accionan las válvulas de
admisión, y solidario con dicho disco otro similar que acciona las
válvulas de escape. Ambos discos están desfasados, uno del otro,
para dar las aperturas de admisión y escape de cada cilindro.
El movimiento del plato de levas puede ser contrario, o en el mismo
sentido de giro del cigüeñal.
SISTEMAS PRIMARIOS.
Aire. -Los motores de las aeronaves están respirando aire, y debe haber suficiente
flujo de aire en el motor para proporcionar el oxígeno necesario para la
mezcla de aire-combustible, liberando a través de la combustión la energía de
la mezcla. El aire que entra en el motor debe de estar limpio, y debe ser
fresco, incrementando la densidad del aire, pero no lo suficientemente, sino
crearía la formación de hielo en el sistema de inducción.
La potencia que el motor alternativo entrega a la hélice disminuye de forma
continua con la altitud de vuelo. La masa de aire adicional que el motor
precisa para mantener actuaciones, a medida que el avión asciende, se puede
obtener mediante la previa compresión del aire de admisión.
Los motores que no emplean la compresión del aire de admisión se conocen
como motor atmosférico o motor de aspiración normal, donde la presión del
aire que admite hacia los cilindros no es más alta que la atmosférica, por lo
que la potencia de éste tipo de motor disminuye con la altura, de la misma
forma que lo hace la densidad del aire, esto es, en la proporción de la
densidad relativa respecto al nivel medio del mar.
Sistemas de sobrealimentación. - La sobrealimentación consiste, comúnmente, en la elevación de la presión de aire a los cilindros,
consiguiendo de esta forma una elevación de la potencia del motor. La sobrealimentación también puede
consistir en el incremento de la mezcla aire/combustible que entra al cilindro en la fase de admisión.
Para ambos casos de sobrealimentación, se aumenta la presión dentro del cilindro, aumentando la fuerza
de la carrera de trabajo, es decir, el par motor en cada revolución y por tanto la potencia del motor, con
objeto de poder compensar la pérdida de densidad del aire con la altura.
Los sobrealimentadores se clasifican en dos grandes grupos:
• Sobrealimentadores de accionamiento interno (sobrealimentadores).
• Sobrealimentadores de accionamiento externo (turboalimentadores).
Sobrealimentadores. -Normalmente, los sobrea1imentadores de accionamiento interno comprimen la mezcla aire-combustible,
esto es, la mezcla ya está formada en el carburador cuando se envía al sistema sobrealimentador.
Se dice que un sobrealimentador está accionado internamente, o que es de accionamiento interno, cuando
el mecanismo que comprime la mezcla aire/combustible es arrastrado por el propio motor.
El mecanismo que comprime la mezcla
es un compresor centrífugo. El
compresor se acciona a través de un
piñón de la caja de engranajes del motor.
Observe que la potencia necesaria para
accionar el compresor del
sobrealimentador de accionamiento
interno proviene del mismo motor.
Dentro de este sentido, el accionamiento
del compresor implica siempre la
sustracción de un cierto porcentaje de la
potencia disponible del motor; la
potencia disponible del motor disminuye en la misma cantidad que se consume en arrastrar el compresor.
No obstante, la propia existencia de estos mecanismos es señal de que los beneficios conseguidos superan
con aumentos de la pérdida de potencia por el arrastre del compresor.
Los sobrealimentadores de accionamiento interno se clasifican según el número de etapas de compresión
que tienen, y según el número de velocidades de giro posibles del compresor.
Los sobrealimentadores pueden funcionar a una velocidad fija, o tener capacidad de girar a distintas
velocidades. En este último caso el compresor dispone de un embrague de selección de velocidad.
Turboalimentadores. -Se dice que un sobrealimentador está accionado externamente, o que es de accionamiento externo, cuando
el mecanismo que comprime el aire (compresor) es arrastrado por un sistema externo al propio motor. El
mecanismo que comprime la mezcla es· también un compresor rotativo (compresor centrifugo), y el
sistema que acciona el compresor es una pequeña turbina accionada por los gases de escape que salen del
motor.
El vocablo "turbo" hace referencia al movimiento de giro característico de la turbina.
El sobrealimentador de accionamiento externo o turboalimentador, el compresor gira debido a la energía
presente en los gases quemados de combustión que salen del cilindro a alta temperatura. Con este fin, los
gases de escape son dirigidos hacia un colector de salida que descarga en la turbina. La turbina gira
impulsada por los gases de escape. La turbina está unida al compresor mediante un eje de interconexión;
por tanto, el compresor recibe de la turbina el movimiento de giro necesario para comprimir el aire.
Los turboalimentadores se clasifican según dos categorías:
1) Por su función: Los turboalimentadores se diseñan y acoplan al motor con dos fines
distintos, mantener la presión de admisión del motor hasta una altitud de vuelo
determinada; y proporcionar una presión de admisión superior a la existente al nivel
medio del mar.
2) Por su sistema de control: Los turboalimentadores se pueden controlar de dos formas, de
acuerdo con la forma de actuar de la válvula de descarga: manual y automática.
Combustible. -De acuerdo con el procedimiento de formación de la mezcla aire-combustible los motores alternativos se
clasifican en dos grandes grupos:
1) Motores de carburación.
2) Motores de inyección.
Es importante no confundir el carburador de inyección con el sistema de inyección de combustible, ya el
primero es una evolución del carburador elemental, y el segundo, es un concepto distinto de dosificación y
preparación de combustible.
Carburación. -Se llama carburación al conjunto de procesos físicos que preparan la mezcla aire-combustible para la
combustión en los cilindros del motor. Los dispositivos que realizan esta función se llaman carburadores.
Los motores que emplean carburador se pueden dividir, a su vez, en dos clases:
1) Carburador de flotador.
2) Carburador de presión.
El carburador de flotador se emplea en aeronaves pequeñas, y se basa
en el carburador elemental, donde la preparación de la mezcla aire-
combustible es a través del mecanismo simple del carburador. La
última clase de carburador, también se le conoce con el nombre de
carburado r de membrana o carburador de inyección.
El carburador por lo general, se compone de los siguientes sistemas:
Sistema principal de dosificación.
Su función es suministrar al motor la mezcla aire-combustible precisa en todas las condiciones de
funcionamiento, en vuelo y en tierra.
El sistema consta de cuatro elementos:
a) Venturi o difusor: Es el cuerpo principal del carburador, donde se
acelera el aire cuando pasa por el estrechamiento o garganta del
venturi, ya que la sección de paso es más pequeña.
b) Cuba: Es una cámara con flotador, cuya función es mantener
constante el nivel de combustible en la cámara.
c) Válvula de mariposa: Es un disco articulado a lo largo de su eje
diametral. Su función es regular la cantidad de aire que pasa por el
venturi.
d) Compensador de mezcla: El carburador básico produce una
relación de mezcla desigual conforme varia el caudal de aire de
admisión. Por lo que los compensadores, tienen la función de
mantener la riqueza de la mezcla sensiblemente constante, sin
importar las condiciones de funcionamiento del motor. Los más
usuales de uso aeronáutico son el compensador por soplador de
aire y el compensador de orificios.
Sistema de control de mezcla.
Su función es el de regular la relación de mezcla en función de la altitud de vuelo.
Puesto que la aeronave vuela a distinta altitud resulta que la cantidad de aire en peso que circula por el
carburador es menor al disminuir la densidad atmosférica. Esta situación conduce al enriquecimiento de la
mezcla a medida que la aeronave gana altura.
Hay dos métodos generales para corregir la relación de la mezcla con la altitud:
a) Mando manual: Se emplea en los carburadores de flotador. El piloto controla la riqueza con la
palanca de mezcla, de acuerdo con las condiciones de funcionamiento del motor.
b) Mando automático: El propio sistema regula la riqueza de
la mezcla, de forma autónoma, de acuerdo con las
condiciones de funcionamiento del motor.
Sistema de marcha lenta o de ralentí.
Cuando el motor funciona en ralentí, la válvula de mariposa se
encuentra prácticamente cerrada de tal manera que la succión del
combustible por el inyector o surtidor es muy pequeño.
Para incrementar la depresión se aprovecha la zona de baja
presión que se origina alrededor de la válvula de mariposa,
donde se sitúan dos o tres orificios, que están comunicados con
el canal o línea de combustible del inyector o surtidor. De este
modo, penetra cierta cantidad de aire que ayuda a una pequeña
emulsión de combustible hacia el ducto de admisión de aire del
cilindro.
Sistema de aceleración.
Consiste de una bomba de émbolo, que cierra la cámara de
combustible, y cuyo movimiento se controla de forma indirecta
con el mando de gases. Cuando se avanza el mando de gases, el
émbolo desciende impulsando el combustible con presión hacia
la válvula de descarga de la bomba hasta el inyector o surtidor
del carburador.
Sistema de enriquecimiento.
El sistema produce una mezcla rica, de tal manera que el
combustible de exceso que no participa en la combustión se
evapora en el interior del cilindro.
Todo proceso de evaporación implica una absorción de calor, el cual se aprovecha para disminuir la
temperatura de la mezcla, eliminando así la posibilidad de detonación del combustible.
Carburador de inyección. El carburador de inyección se instala por lo general en los grandes motores radiales.
El carburador de inyección introduce el combustible en el cilindro a presión superior a la atmosférica. La
alta presión de inyección favorece que las gotas del combustible se puedan dividir muy finamente.
La inyección de combustible se produce en una zona próxima a la entrada del cilindro, una vez que la
corriente de aire de admisión ha pasado por el venturi y por la válvula de mariposa.
La ventaja que presenta éste sistema, es que la cámara de combustible y todo el sistema se encuentra
presurizado, por lo que lo hace insensible a los cambios de posición de la aeronave.
El carburador de inyección consta de cinco elementos fundamentales:
1) Cuerpo del carburador.
2) Regulador de presión de combustible.
3) Unidad de control de combustible.
4) Control automático de combustible.
5) Bomba de aceleración e inyector de descarga de combustible.
Inyección de combustible. -Es el conjunto que prepara el combustible para su inyección
al cilindro. El sistema dosifica, a la vez, la cantidad de aire
necesaria para la combustión.
Los sistemas de inyección se clasifican en dos grupos, de
acuerdo con la zona del cilindro donde se descarga el
combustible:
a) Sistema de inyección directa.-Los inyectores
introducen directamente el combustible en el cilindro.
b) Sistema de inyección indirecta.-Los inyectores
introducen el combustible en la boca de entrada de la
válvula de admisión del cilindro, lista para ser
admitida cuando se abre la válvula.
Si se atiende al modo de inyección, los sistemas pueden ser:
a) De inyección intermitente.-El combustible se inyecta
en un momento dado por la carrera de admisión del
émbolo.
b) De inyección continua.-Introduce el combustible en la boca de entrada del cilindro de forma
constante.
Los motores de aviación emplean el sistema de inyección continua, a baja presión. Algunos motores en
estrella o radiales emplean el sistema de inyección directa e intermitente, de alta presión.
