Repsol YPF

En el período que va desde los primeros vuelos impulsados por motor en 1903 y hasta el final de la Segunda Guerra Mundial hubo grandes avances tecnológicos en motores de aviones de combustión interna.

La potencia y confiabilidad de los motores se incrementaron abruptamente, mientras la relación peso-potencia caía en forma constante.

Posteriormente, los desarrollos en diseños de motores llevados a cabo desde el final de la Segunda Guerra Mundial resultaron en continuas mejoras de las eficiencias térmicas y consumo de combustible de los motores modernos.

Esto permitió el desarrollo de aeronaves de alta performance para cumplir con las demandas actuales de los mercados.

Motores de combustión interna

El motor de combustión interna quema el combustible en una cámara transformando de esa manera la energía química contenida en el mismo, en energía mecánica.

La mayoría de los motores de aviación son del tipo de pistones alternativos en los cuales un pistón se mueve de arriba hacia abajo en un cilindro. La potencia del motor es generada por la fuerza ejercida sobre el pistón por la rápida expansión de los gases resultantes de la combustión de una mezcla comprimida de aire-combustible. La potencia que proviene del movimiento del pistón se transmite a través de una biela que lo conecta al cigüeñal, el cual está acoplado a la hélice.

Sistema del aire de admisión

El aire es forzado dentro del motor por el sistema de admisión. Pasa a través de un filtro que le quita el polvo y los contaminantes para que no entren al motor. Una mariposa (disco solidario a un eje) montada en la admisión, controla el flujo de aire. Cuando el piloto acciona el acelerador, el disco se inclina, permitiendo entrar más aire al motor. Así, el motor puede usar más combustible y producir más potencia para despegar o ascender.

Un motor que posee la admisión de aire a presión atmosférica se dice que tiene aspiración natural. La cantidad de aire que un motor naturalmente aspirado puede ingresar es limitada por la densidad de aire local (presión barométrica) y por las pérdidas de presión en el sistema de admisión. Para que ingrese más aire al motor (aumentar la presión del aire), se suelen utilizar pequeños compresores que presurizan el aire de admisión.

Hay dos maneras de impulsar el compresor, a través del cigüeñal del motor (superalimentado) o a través de una turbina movida por los gases de escape (turboalimentado). Para mantener la presión en un valor relativamente constante sobre un amplio rango de velocidades del motor se requiere cierta regulación. El turbocompresor es el preferido ya que extrae energía de los gases de escape que se desperdiciaría, por lo tanto es más eficiente que el sistema superalimentado, el cual toma energía del cigüeñal.

Como la densidad del aire disminuye con la presión atmosférica a medida que la altura de la aeronave aumenta, cada vez menos aire ingresa a un motor naturalmente aspirado. Esto limita la velocidad máxima y altura que pueden alcanzarse. Esta limitación fue conocida aún antes de la Primera Guerra Mundial, pero los turbocompresores no fueron desarrollados hasta la mitad de la década del ’20. Tuvieron tanto éxito que los motores naturalmente aspirados quedaron virtualmente obsoletos en aviones de alta performance a principios de los ‘30.

Carburación

En el sistema de admisión de un motor, el aire se mezcla con una pequeña cantidad de combustible vaporizado para producir una mezcla homogénea de aire-combustible. El carburador es el más exitoso entre muchos dispositivos desarrollados para descargar la correcta cantidad de combustible en el caudal de aire de admisión.

El corazón de un carburador es el venturi (una tobera convergente-divergente).

El diámetro de la tobera disminuye hasta un mínimo en la garganta y después se incrementa hacia el extremo de la descarga. A medida que el aire pasa a través del venturi, su velocidad se incrementa hasta la garganta porque el área transversal disminuye. Cuando la velocidad del aire se incrementa, su presión disminuye, generando un vacío que fuerza al combustible a salir de la cuba del carburador a través de una pequeña boquilla. Boquillas adicionales se utilizan para enriquecer la mezcla durante la aceleración y para proveer suficiente combustible en ralentí. Uno elemental operado a mano es usado en muchos motores para enriquecer la mezcla para arranques en frío.

Los carburadores no controlan el flujo de combustible con suficiente precisión para aplicaciones críticas o de altas performances. En parte es porque el control lo realiza sobre el volumen combustible y es difícil de calibrar para cubrir todas las condiciones de operación.

Inyección de combustible

El segundo sistema de combustible más importante es el de inyección.

Inyectores de combustibles van montados en el tubo de admisión de cada cilindro, donde pulverizan combustible sobre las válvulas de admisión. Para enriquecer la mezcla durante arranques en frío, puede usarse un inyector adicional. Este inyector adiciona combustible al aire de admisión por un corto lapso mientras el motor toma temperatura.

La primera ventaja del inyector de combustible es la mayor uniformidad en la distribución del combustible dentro de cada cilindro comparada con la carburación. Los motores de inyección también responden más rápidamente que los motores carburados cuando el piloto cambia la configuración de control. Una ventaja adicional es la eliminación del efecto de congelamiento en el carburador. Las desventajas del sistema de inyección comparado con la carburación radican en una mayor complejidad, más partes móviles, pasajes muy angostos en el inyector que se pueden obstruir, y mayor tendencia al vapor lock.

Los sistemas de inyección usados en aviación no son generalmente tan sofisticados como aquellos usados en motores de automóviles modernos.

Operan a menor presión y proveen un caudal continuo de combustible, a diferencia de los inyectores de solenoides donde existe un tiempo de inyección, típico de los sistemas de automóviles.

El sistema de avión usa una bomba de combustible movida por el motor y generalmente incluye una bomba auxiliar eléctrica, la cual impide la formación de vapor y actúa como respaldo de la bomba principal. Los filtros de combustible son instalados uno antes y el otro después de la bomba principal de manera de remover partículas del combustible que podrían causar obstrucción de los inyectores.

En algunos sistemas, un regulador de presión de diafragma mantiene la presión y envía el exceso de combustible de vuelta al tanque.

Configuraciones de motores

Los motores de aviación a pistón han sido construidos con diferentes configuraciones. Los motores en línea y en “V” son muy similares a los usados en automóviles. Al principio algunos diseños habían separado cilindros para reducir peso; los diseños posteriores usaron bloques de cilindros. Estos eran refrigerados por agua ya que los bloques de cilindros son ideales para la circulación de líquido refrigerante.

La configuración radial de motores es exclusiva de aviación. Aquí el cigüeñal está ubicado en el centro del motor y los cilindros radiales en un plano perpendicular al cigüeñal. En este diseño, cada cilindro recibe el mismo flujo de aire, por lo que la mayoría de este tipo de motores es enfriado por aire. Un temprano e interesante diseño es el motor rotativo, en el cual el block del motor gira alrededor de un cigüeñal fijo.
Los motores opuestos horizontalmente o “boxer” son la tercera mayor configuración. Estos pueden ser considerados un caso extremo de los motores en “V”, en donde el ángulo entre pistones es de 180 grados. Los cilindros están acostados en un plano paralelo a las alas. La mayoría de estos motores son de enfriamiento por aire. Han sido utilizados en casi todos los aviones pequeños construidos a partir de la Segunda Guerra Mundial.