INTRODUCCIÓN A LA IGNICIÓN. El proceso de combustión se activa por una descarga eléctrica en la cámara de combustión hacia el final del ciclo de compresión. Los componentes requeridos son una bobina de encendido como la fuente de alta tensión y una bujía de encendido como el electrodo en la cámara de combustión. De la chispa, surge un canal de plasma de alta temperatura entre los electrodos de la bujía. Una reacción química exotérmica se produce en una capa de reacción fina alrededor de este canal. Esto se convierte en un frente de llama auto-sostenible y en expansión. FUNCIÓN DEL SISTEMA DE ENCENDIDO. Inflamar la mezcla aire-combustible en la cámara de combustión del cilindro. El encendido se efectúa en un instante determinado y preciso del ciclo de funcionamiento del motor. La forma práctica de realizar la operación consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de muy alta tensión por una bujía en la que salta la chispa. TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE ELÉCTRICA. 1. Magnetos. 2. Batería. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE ENCENDIDO. Administrativos. o Dos bujías por cilindro. o Dos circuitos generadores de energía eléctrica totalmente independientes. Técnicos. o Distribución de corriente adecuada a aquellos puntos que la requieran.
Transcript
INTRODUCCIÓN A LA IGNICIÓN.
El proceso de combustión se activa por una descarga eléctrica en la cámara de combustión hacia el final del ciclo de compresión.
Los componentes requeridos son una bobina de encendido como la fuente de alta tensión y una bujía de encendido como el electrodo en la cámara de combustión.
De la chispa, surge un canal de plasma de alta temperatura entre los electrodos de la bujía.
Una reacción química exotérmica se produce en una capa de reacción fina alrededor de este canal.
Esto se convierte en un frente de llama auto-sostenible y en expansión.
FUNCIÓN DEL SISTEMA DE ENCENDIDO.
Inflamar la mezcla aire-combustible en la cámara de combustión del cilindro. El encendido se efectúa en un instante determinado y preciso del ciclo de
funcionamiento del motor. La forma práctica de realizar la operación consiste en hacer pasar una corriente
eléctrica de muy alta tensión por una bujía en la que salta la chispa.
TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE ELÉCTRICA.
1. Magnetos.2. Batería.
REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE ENCENDIDO.
Administrativos.o Dos bujías por cilindro.o Dos circuitos generadores de energía eléctrica totalmente independientes.
Técnicos.o Distribución de corriente adecuada a aquellos puntos que la requieran.o Dispositivos que se encarguen de aprovechar al máximo la corriente
generada.
FUNCIONAMIENTO DEL MAGNETO
El funcionamiento del magneto se basa en la generación de corriente de alta tensión, en el carrete Ruhmkorff.
PRODUCCIÓN DE CORRIENTE DE ALTA TENSIÓN.
El carrete de Ruhmkorff es una bobina eléctrica. Está formado por un núcleo de hierro dulce alrededor del cual se arrolla un carrete de hilo metálico muy grueso, y otro carrete de hilo muy fino, ambos conductores.
Supongamos que circula una corriente eléctrica por la bobina de hilo grueso. Se induce de esta forma un campo magnético que enlaza el carrete del hilo fino, produciendo en este una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida. El núcleo de hierro que está entre las bobinas tiene la función de reforzar el campo magnético creado.
Si la corriente que circula por el carrete de hilo grueso se interrumpe de forma brusca, repentina, se produce una tensión muy alta en la bobina de hilo fino, como consecuencia de la rápida contracción y desaparición del campo magnético.
El principio del carrete de Ruhmkorff se emplea de diversas formas en los sistemas de encendido de los motores alternativos.
En el caso de los motores para automóviles el dispositivo que se emplea es exactamente el descrito en los párrafos anteriores. Único dato adicional a señalar es que la corriente circula por la bobina de hilo grueso proviene de la batería.
En el caso de los motores para aviación hace tiempo que se abandonó el sistema de encendido por batería. La práctica del vuelo enseño la conveniencia de usar magnetos, pequeños generadores autónomos, movidos por el propio motor de la aeronave. Estos generadores alimentan de corriente la bobina de hilo grueso del carrete de Ruhmkorff.
La producción de corriente de alta tensión precisa de un paso posterior, que vamos a mencionar ahora.
Hemos visto que para generar la f.e.m. muy alta en la bobina de hilo fino es necesario variar la intensidad del campo magnético creado por la bobina de hilo grueso. Cuanto más rápido sea el cambio o la variación del campo magnético mayor es la f.e.m. inducida.
La forma más rápida de anular el campo magnético consiste en interrumpir bruscamente la corriente eléctrica en la bobina de hilo grueso. Anular el campo, esto es, eliminarlo, es el mayor cambio que se puede hacer. El campo magnético se anula cortando el paso de corriente eléctrica por la bobina. En este momento se induce una f.e.m. muy alta en la bobina de hilo fino.
Las magnetos actuales elevan la tensión de la corriente a valores tan altos como 25000 voltios.
Por fortuna contamos con un mecanismo muy simple que, trabajando a baja tensión, puede controlar la producción de voltajes tan elevados. Este dispositivo mecánico está construido en torno a dos contactos metálicos, uno fijo y el otro móvil, de manera que éste se puede aproximar o separar del primero. La posición del contacto móvil está
controlada por dos mecanismos: una leva, cuya cresta lo empuja y separa del contacto fijo, y un resorte que tiende a mantenerlos unidos.
Los contactos forman parte del circuito eléctrico de la bobina de hilo grueso, de manera que la corriente eléctrica cesa de circular por la bobina cuando la leva separa los contactos. En este momento el campo magnético se anula y aparece, como consecuencia, una f.e.m. inducida de valor muy alto.
A destacar las cuestiones siguientes:
7.1 Esquema eléctrico básico del magneto.
Con un mecanismo que trabaja a unos cuantos voltios (los contactos), se controla una corriente cuya tensión se mide en miles de voltios.
Los contactos deben de estar construidos en materiales de alta resistencia a la oxidación. Antiguamente se fabricaban con materiales que contenían platino, de ahí la popularidad del término platinos, con que se conocían. Hoy en día se fabrican de tungsteno.
Los contactos son regulables, pues hay una separación óptima que asegura el funcionamiento eficiente del conjunto.
DISTRIBUCIÓN DE LA CORRIENTE DE ALTA TENSIÓN
El tercer registro que se impone al sistema de encendido es la distribución de la corriente de alta tensión a cada uno de los cilindros donde debe disparar la bujía.
La solución consiste en repartir sucesivamente la corriente a las bujías por medio de cables de conexión y un mecanismo especial de distribución. EL mecanismo se llama distribuidor.
EMPLEO DE LA CORRIENTE DE ALTA TENSIÓN.
Finalmente, el último requisito que se impone al sistema de encendido es el efecto útil: la producción de chispas eléctricas de energía suficiente para inflamar la mezcla.
Las chispas se producen en las bujías en el momento más adecuado para inflamar la mezcla.
ENCENDIDO POR MAGNETO DE ALTA TENSIÓN.
El magneto es un generador transformador de energía eléctrica, utilizado para hacer saltar una o más chispas de alta tensión en un instante determinado en el interior de los cilindros de un motor de explosión, con el fin de provocar el encendido de la mezcla gaseosa.
Se tienen dos tipos de magnetos de alta tensión:
1. Magnetos con imanes fijos e inducido giratorio.2. Magnetos con imanes giratorios e inducido fijo.
El magneto de alta tensión produce valores comprendidos entre 2000 y 20000 voltios, siendo el valor nominal más normal, 12000 voltios.
PARTES FUNDAMENTALES DEL SISTEMA.
Inductor: Formado por imanes permanentes que crean el campo magnético necesario para generar la corriente.
Inducido: Formado por un núcleo de hierro dulce portador de los arrollamientos primario y secundario, para la corriente de baja y alta tensión respectivamente.
Ruptor: Sirve para cerrar y abrir el circuito de baja tensión, en los instantes establecidos para el encendido.
Distribuidor: Reparte la corriente de alta tensión a las bujías. Dispositivos auxiliares: Mejoran el funcionamiento y seguridad tales como
condensador y “pararrayos”.
CIRCUITO ELÉCTRICO.
Generador eléctrico, que es el magneto. Cables que unen el distribuidor del magneto a las bujías de encendido. Las bujías, uno de cuyos electrodos está unido a la extremidad del conductor de la
corriente de alta tensión, y el otro a masa. El circuito de retorno es la masa del motor.
MAGNETOS CON IMANES FIJOS E INDUCIDO GIRATORIO.
El campo magnético es creado por un imán permanente. Entre sus polos, gira un núcleo de hierro dulce con dos arrollamientos bobinados sobre él; el primario, compuesto de pocas espiras, puede abrirse y cerrarse su circuito por medio de un interruptor, y el secundario con un elevado número de espiras lleva en serie una bujía. Este circuito permanecerá abierto por los electrodos de la bujía, mientras que la tensión que en él se crea, no tenga valor suficiente para hacer pasar la corriente entre dichos electrodos, produciéndose entonces la chispa.
Partes fundamentales del sistema de encendido por magnetos.
MAGNETOS DE ALTA TENSIÓN CON IMANES GIRATORIOS E INDUCIDO FIJO
Fijos: Bobina con arrollamientos primario y secundario, así como el condensador.
Rotación: Imán Inductor, Leva del ruptor, Escobilla del distribuidor.
TIPOS
Dos chispas por vuelta Cuatro chispas por vuelta
Para que en todas las bujías del motor surja una chispa en un ciclo, el distribuidor debe dar una vuelta completa, en tanto que el rotor del magneto debe dar el número de vueltas necesarios para producir todas las chispas.
N-Número de cilindros
n-Velocidad del motor
M-Número de chispas por vuelta del magneto de motor de 4 tiempos
EN AVIACIÓN
Se usan magnetos de doble encendido: Se sitúa en cada cilindro dos bujías alimentadas por dos magnetos independientes.
Magneto izquierdo y derecho, el primero alimenta energía a las bujías posteriores de cada cilindro y el segundo a las delanteras.
Deben funcionar correctamente magnetos y bujías.
El inductor de los magnetos es de acero al cobalto por sus propiedades magnéticas y por el hecho de que a igualdad de volumen pueda almacenarse una mayor energía magnética,
además permite construir un imán de menor volumen y menor peso. Su desventaja es el costo.
MAGNETO DE BAJA TENSIÓN Y BOBINA INDUCTORA DE ALTA TENSIÓN
Es el sistema utilizado en los más avanzados diseños de los motores para aviación.
Un magneto de baja tensión, que produce aprox. 250 voltios, proporciona esta corriente a un distribuidor del cual parte también la corriente de baja tensión, siendo distribuida así hasta unas bobinas transformadoras en alta tensión próximas a las bujías.
El sistema de baja tensión genera solamente bajo voltaje en el magneto que se transmite así a través de los distribuidores, llega a las bobinas transformadoras, que situadas cerca de los cilindros, elevan la tensión en el alto voltaje necesario para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujía.
Por tener poca longitud el cableado de alta tensión, elimina los problemas de dispersión que hay en altura y fenómenos parasitarios inducidos por conducciones largas.
Componentes principales de un sistema de encendido de baja tensión.
SISTEMAS REFORZADORES DE LA CHISPA.
La chispa que produce el magneto en la bujía no posee energía suficiente para inflamar la mezcla en el momento de la puesta en marcha del motor, abajas revoluciones. Es una chispa débil, corta, incapaz de desencadenar el proceso de la combustión.
Por tanto, para conseguir un mecanismo eficaz durante todas las condiciones de funcionamiento posibles del motor, es necesario recurrir a sistemas compensatorios. Estos sistemas se llaman, de forma genérica, sistemas reforzadores de la chispa. Actúan
durante el momento de la puesta en marcha del motor; después, cuando el magneto gira a revoluciones suficientes, los sistemas reforzadores se desacoplan de una forma u otra.
Los sistemas de reforzamiento de chispa del magneto, para la puesta en marcha del motor, son los siguientes:
a) Sistema de lanzamiento.b) Sistema de salto.c) Sistema de bobina con vibrador.d) Sistema de “Lluvia de chispas”.
El primer sistema es obsoleto, el tercero, es sistema de bobina con vibrador, se emplea en algunos motores de estrella. Es parecido al sistema de “lluvia de chispas”, que también hace uso del vibrador, pero este último es más moderno y está en uso, de manera que se hace una breve descripción del mismo.
El principio de funcionamiento del magneto de salto consiste en producir una rápida y breve aceleración del eje del magneto, durante la puesta en marcha del motor. Se hace mediante un acoplamiento inercial que ha acumulado energía durante la fase inicial del giro del motor, arrastrado por la puesta en marcha. Una vez liberada la energía del acoplamiento en forma de rotación, la aceleración repentina del eje del magneto simula un movimiento a mayor velocidad angular, cuando, en la realidad, el magneto esta siento conducida a un número de revoluciones muy pequeño.
El principio de funcionamiento del sistema “lluvia chispas” se basa en la teoría del vibrador. La corriente continua pulsatoria, procedente del vibrador, se envía a las bobinas del magneto para producir una “lluvia de chispas” en la bujía. La profusión de chispas favorece el arranque del motor y la rápida combustión de la mezcla.
El sistema presenta la particularidad de que una de las magnetos, la izquierda, tiene un juego adicional de contactos, los llamados contactos de retardo.
Los contactos de retardo están ajustados para abrir algo más tarde que los contactos normales. Esto se hace así con el fin de favorecer la ignición de la mezcla durante la puesta en marcha.
VENTILACIÓN Y PRESURIZACIÓN DE LAS MAGNETOS.
La ventilación del magneto tiene por objeto eliminar la presencia de humedad, que condensa en el interior de los mecanismos del magneto.
La presencia de humedad puede originar la condensación del agua en zonas vitales del circuito eléctrico del magneto y puede ocasionar el fallo del aislamiento de la unidad.
La corriente no sigue en estos casos el circuito normal, sino que se deriva a masa, u otra zona del sistema de encendido a través de los “conductos eléctricos” que proporciona la condensación de la humedad sobre las superficies. Estos “pasos” ofrecen una vía de circulación más fácil para la corriente eléctrica.
La zona del distribuidor de corriente es la que induce más fallos de ignición por presencia de humedad. El vuelo en condiciones de lluvia, en nubes, etc., favorece la entrada de humedad en el interior del magneto. La ventilación asegura una corriente de aire adecuada para eliminar o reducir la presencia de humedad.
Por su parte, el sistema de presurización del magneto tiene por objeto rodear los componentes y circuitos eléctricos del interior del magneto con aire a presión, evitando así la posibilidad de ruptura del aislamiento eléctrico. El magneto presurizada solo es de aplicación hoy día en aviación general de altas prestaciones, que vuelan a gran altitud. A este grupo, y como ejemplo, pertenecen aviones como Cessna TU206, 320, 402, 414 etc.
En los motores actuales de aviación en general el aire de presurización se obtiene del turboalimentador del motor. A tal fin el magneto se conecta al conducto de salida del aire del turboalimentador, a través de líneas neumáticas. Es un conjunto de accesorios que dispone el fabricante del avión. El sistema incluye una pequeña válvula de regulación de presión que controla el flujo de aire de presurización en el magneto, y por tanto el valor de la presión en el interior del equipo.
ORDEN DE ENCENDIDO.
Se define como la secuencia de combustión de la mezcla en los cilindros, y debe de cumplir dos funciones principales:
Regular la cadencia y suavidad de los impulsos de la combustión del gas sobre los émbolos, conseguir la máxima regularidad posible en las explosiones. Dicho en otra forma, conseguir la máxima regularidad posible en las explosiones.
Favorecer la repartición del aire por el colector de admisión de cada uno de los cilindros del motor.
CABLES DE ENCENDIDO.
Los cables de encendido transmiten la anergia eléctrica de alta tensión desde los magnetos a cada una de las bujías, Un extremo de los cables se conecta a los postes (electrodos) del distribuidor, y el otro a las terminales de la bujía. En ocasiones los cables se enfundan en tubos de latón, de acero inoxidable, o de aleación de aluminio.
A veces los cables se enfundan y se enrutan por el compartimiento del motor, por medio de tubos de latón o de aluminio, además de ser un sistema de protección. A este conjunto se le denomina arnés.
BUJIAS.
Es el órgano que produce las chispas eléctricas en el interior de la cámara de combustión del cilindro. La conexión bujía-magneto se realiza con los cables de encendido. La chispa salta entre los dos electrodos de la bujía, los cuales se encuentran separados una distancia pequeña y precisa. Esta chispa se encuentra rodeada por la mezcla aire combustible previamente preparada.
Las bujías se sitúan a un lado y otro de cada cilindro, se puede decir que existe una bujía superior y una inferior. Cada magneto alimenta con corriente eléctrica de alta tensión a dos bujías superiores y dos inferiores.
AVANCE DEL ENCENDIDO
Ángulo medido en grados de recorrido de cigüeñal , contados desde que salta la chispa antes de llegar al émbolo a la posición del punto muerto superior y cuando se encuentra en este.
La chispa teóricamente debería saltar en el punto muerto superior y a volumen constante la combustión, pero como esta no es instantánea, sino que dura aprox. 1 milésima de segundo, es menester adelantar el salto de la chispa aprox. 15° a 45° antes del PMS. De esta forma la presión máxima de la mezcla se alcanza del orden de 15°después de pasar por el PMS.
El ángulo de avance al encendido debe ser mayor cuando se incrementen las RPM del motor, y puede ser: fijo o variable automáticamente y en motores de muy alta potencia el control es manual.
En la figura se representa el efecto del avance de encendido, retrasado, normal y adelantado en el trabajo desarrollado en el ciclo.
PREUBAS OPERACIONALES DE COMPROBACIÓN PREVUELO
Prevuelo de los magnetos es una prueba que permite identificar la condición de funcionamiento satisfactorio del equipo o la necesidad de efectuar servicio o ajustes en tierra. El manual del motor contiene los datos precisos que el piloto y el mecánico deben seguir en el proceso de interpretación de las pruebas.
Consiste en situar, alternativamente, el interruptor de magneto desde la posición BOTH, a las posiciones LEFT y RIGHT, con la palanca de gases del motor entre el 50% y el 65% de potencia. La chispa deja de saltar en una de las bandas de bujías de los cilindros cuando un magneto se pone a masa, lo que implica menor velocidad de la combustión de la mezcla y caída de RPM´s.
La caída excesiva de revoluciones, o bien, una diferencia sustancial de este valor entre el magneto izquierdo derecho, son síntomas de mal funcionamiento. El problema puede no ser del magneto, sino que este asociado al fallo de una bujía o de un cable de encendido.
Los valores exactos de las caídas de revoluciones admisibles se consultan en los manuales apropiados. En general, cuando se pasa el interruptor de la posición BOTH a L, o a R, no debe producirse una caída de vueltas superior a 200 rpm.; además la diferencia de caídas no debe ser superior a 50 rpm.
IGNICIÓN POR RAYO LASER Y CONVENCIONAL
Las bujías eléctricas actualmente representan un limitante para mejorar el consumo de combustible y reducir la emisión de óxidos nitrosos producidos como resultado de la combustión, estos óxidos son la base del smog. Si un motor opera con mezclas diluidas -con mayor proporción de aire sobre el combustible- producirá considerablemente menos óxidos nitrosos.
REQUERIMIENTOS
Para que una bujía eléctrica logre ignición en una mezcla diluida requerirá de voltajes más elevados, los cuales producirán mayor erosión en los electrodos de la bujía reduciendo considerablemente su vida media.
Un rayo láser puede lograr la ignición de una mezcla de aire y combustible focalizando el rayo de luz en el medio de la mezcla logrando que la flama se expanda con mayor rapidez en el medio que usando una bujía eléctrica convencional.
VENTAJAS
• Tiempo (orden de nanosegundos).
• Eficiencia
• Región de Ignición
• Si es necesario, con un láser se puede producir ignición multipunto ya sea secuencial o simultánea.
EN NUESTRO PAÍS
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) está iniciando trabajo de colaboración en este tema junto con el Institut für Photonik de la Universidad Técnica de Viena en Austria que es una de las instituciones pioneras en el mundo en ignición láser de motores de combustión interna.
¿Y por que no teníamos ya bujías láser?
• Espacio: No se había logrado desarrollar un instrumento de rayo laser lo suficientemente pequeño para ser instalado
• Salud
Sistema de Inyección
El motor alternativo consta de un control electrónico del motor que utiliza una computadora para controlar los sistemas de encendido, combustible, emisión de gases entre otros. En la mayor parte la medición del combustible se efectúa mediante un sistema electrónico de inyección de combustible (EFI). Dos tipos de ellos que se utilizan son:
a) Inyección de combustible multipuerto (MFI) que tiene un inyector de combustible en cada puerto de admisión.
b) Inyección de combustible en el cuerpo del acelerador (TBI) en el cual están localizados uno o dos inyectores de combustible por encima de las válvulas del acelerador.
Con cualquiera de los sistemas, la bomba eléctrica de combustible suministra combustible a presión. Cuando la computadora del motor le manda una señal al inyector, una válvula operada por solenoide se abre en el extremo del inyector. La presión obliga al combustible salir como rocío hacia afuera. Cuando se ha inyectado la cantidad apropiada de combustible en el aire que está pasando, la válvula se cierra y la inyección de combustible se detiene.
La inyección multipuerto o en el puerto proporciona una distribución más uniforme de la mezcla aire y combustible que el TBI. La misma cantidad de combustible se le entrega a cada cilindro, por lo que la relación aire combustible es la misma para todos los cilindros. Esto mejora la economía de combustible y el desempeño del motor, al mismo tiempo, reduce las emisiones de escape.
Aunque el TBI requiere de menos inyectores y tuberías de combustible más cortas, no es tan preciso en el equilibrio de las relaciones aire-combustible entre cilindros. Como en un sistema de combustible carburado, puede ocurrir una acumulación de combustible en las extremidades del múltiple de admisión. Esto tiende a enriquecer los cilindros de los extremos.
Inyección electrónica.
La mayor parte de los sistemas de inyección de combustible están controlados electrónicamente. El controlador es la computadora del motor un módulo de control electrónico(EMC) o un módulo de control del tren de motor (PMC), que también se conoce como la computadora abordo.
Varias partes del motor y del sistema de combustible tienen sensores que envían señales eléctricas al ECM. Cada sensor es un dispositivo que recibe y reacciona a una señal como un cambio de temperatura, presión o voltaje. Algunos sensores informan sobre la cantidad de aire que entra. Utilizando esta información, el EMC calcula de manera continúa cuánto combustible debe inyectar y abre los inyectores de combustible, de manera que la cantidad correcta de combustible se rocíe hacia afuera, para producir la relación deseada.
Un sistema electrónico de inyección de combustible es un tipo de sistema de control electrónico que incluye dispositivos sensores o de entrada, un controlador (EMC o PCM), y diversos accionadores o dispositivos de salida.
Los sensores que informan al PMC incluyen
a) Velocidad del motor.b) Posición del motorc) Presión absoluta del múltiple de admisiónd) Temperatura de refrigerante del motore) Cantidad y temperatura del aire de admisiónf) Cantidad de oxígeno en los gases de escapeg) Presión atmosférica.
El ECM recibe continuamente toda esta información y verifica con datos almacenados dentro de su memoria para decidir cuándo abrir y durante cuanto tiempo los inyectores de combustible. Esta variación de apertura dependen del ancho de pulso que genere la señal de acuerdo con el análisis de datos de la computadora.
Tipos de inyectores
Existen dos tipos de inyectores de combustible; el inyector operado por solenoide y el inyector de combustible mecánico.
El inyector operado por solenoide se conecta y desconecta a través del ECM, abriendo el inyector. El solenoide tiene una pequeña bobina de alambre que se magnetiza cuando le aplica un voltaje. El magnetismo levanta la armadura, que eleva una válvula de aguja de su asiento y el combustible se rocía afuera mientras la válvula de aguja esté elevada. Cuando el voltaje se detiene, la bobina pierde su magnetismo. Entonces el resorte se cierra y empuja la válvula de aguja de regreso a su asiento, deteniendo el combustible.
En un sistema de inyección de combustible electrónico, al hacer girar la llave de encendido, se le da el voltaje al inyector; esté se mantiene cerrado por que no tiene tierra y por lo tanto, no puede completar el circuito eléctrico. El solenoide es energizado cuando el ECM proporciona tierra para completar el circuito, y entonces, el inyector se abre y se rocía el combustible. Cuando el solenoide está desenergizado el combustible se detiene.
Otro tipo de inyector de combustible operado por solenoide tiene una válvula con balín en lugar de una válvula de aguja. El combustible pasa a través de la entrada de combustible a lo largo del inyector. La válvula con balín controla el rocío de combustible de la tobera que tiene seis pequeñas perforaciones u orificios de rociado. Su ángulo da al combustible un movimiento de torbellino, lo que mejora la mezcla del combustible con el aire.
En muchos motores, el inyector entrega combustible a un puerto de admisión en una sola válvula de admisión; sin embargo existen motores con dos válvulas de admisión, que tienen un inyector con un solo chorro que entrega un patrón de rociado en forma de un cono ancho a través de una sola perforación. O un inyector de doble rociado tiene dos perforaciones en su extremidad que están colocadas de manera que el rociado de cada una de ellas entregue combustible a una de las válvulas de admisión.
Inyector mecánico
Un sistema de inyección continua tiene un inyector mecánico en cada puerto de admisión. El inyector es básicamente un orificio fijo, con una válvula de aguja operada por presión en su extremo. La cantidad de combustible que se inyecta depende de la variación del tamaño de las aperturas a través de las cuales fluye el combustible.
Las posiciones de abierto y cerrado de la válvula de aguja en el inyector mecánico, conforme fluye el combustible, la válvula de aguja se abre y cierra con rapidez. Esta vibración, que a veces se puede escuchar, ayuda a pulverizar el combustible en una niebla fina cuando el motor está operando. Cuando la llave de encendido se apaga, la bomba de combustible eléctrica se detiene, y cae la presión de combustible. Entonces, el resorte empuja la válvula de aguja para que se mantenga cerrada, lo que impide que el combustible goteé en el puerto de admisión.
Válvula de arranque en frío.
Los sistemas de inyección de combustible pueden incluir una válvula de arranque en frío que suministra combustible adicional para el arranque del motor en frío. La válvula es similar en construcción y operación a un inyector de combustible operado por solenoide. A fin de impedir que el motor reciba demasiado combustible o se inunde, un interruptor térmico de tiempo limita la duración en tiempo que la válvula de arranque en frío puede inyectar combustible.
El interruptor térmico de tiempo tiene una cinta termostática, un par de contactos y un elemento calefactor. Cuando el motor esta frío, la cinta está recta y los contactos cerrados. La vaálvula de arranque frío rocía combustible al girar el motor. Conforme se calienta el motor, la cinta termostática se dobla y los contactos se separan. Esto abre el circuito a la válvula de arranque en frío y se detiene el suministro de combustible. El elemento calefactor acelera esta acción y reduce el tiempo que el motor opera con una mezcla muy rica.
Sensor de posición del acelerador.
La velocidad del motor y la posición de la válvula del acelerador son entradas esenciales para el ECM. El conocimiento de la posición de la válvula del acelerador le permite al ECM hacer coincidir el flujo de combustible con el flujo de aire. La posición del acelerador es también importante para el control de la velocidad de marcha en vacío y para los patrones de cambio de velocidades. En algunos motores, cuando la válvula del acelerador se cierra durante la desaceleración, el ECM detiene el flujo de combustible, lo que evita una mezcla exageradamente rica durante la desaceleración.
A fin de proporcionar al EMC información sobre la posición del acelerador, se monta un sensor de posición del acelerador (TPS) sobre el cuerpo mismo que es un potenciómetro, que envía de manera continua una señal de voltaje variable al ECM. Un potenciómetro es un resistor variable, que convierte un movimiento mecánico en un voltaje. En el sensor de posición del acelerador, este voltaje está relacionado directamente con la posición de la válvula del acelerador.
El sensor de posición del acelerador tiene un alambre de resistencia que puede ser recto o circular. Un extremo se conecta a tierra y el otro extremo se conecta a un voltaje de referencia de 5 volts del ECM. Una hoja deslizante conecta la flecha de la válvula del acelerador y se mueve a lo largo de la bobina, conforme cambia la posición del acelerador.
Cuando la válvula del acelerador está cerrada, el brazo está en el extremo aterrizado de la resistencia. La corriente debe fluir a través de todo el largo del material resistivo. Esto causa una caída de voltaje relativamente grande y como resultado, con acelerador cerrado, el brazo envía al ECM solamente una señal pequeña de voltaje de aproximadamente un volt. Conforme se abre la válvula del acelerador, el brazo se mueve hacia otro extremo de la resistencia y la corriente ahora fluye a través de la resistencia, por lo que hay menos voltaje. Esto incrementa la señal de voltaje del brazo, hasta que el voltaje es de 5volts, a acelerador totalmente abierto.
Medición del flujo del aire de admisión.
La admisión de aire que fluye hacia el motor debe medirse con precisión. El ECM necesita esta información para calcular la cantidad de combustible a inyectar. El flujo del aire de admisión se puede medir de manera indirecta o de manera directa utilizando un sensor de flujo de aire.
1.- Medición indirecta: la información sobre la velocidad del motor y la carga del motor le indican al ECM cuánto aire está entrando al motor, lo que se le conoce como medición de la densidad-velocidad. La velocidad es la del motor, y la densidad es la del aire o de la mezcla aire-combustible. Los sensores envían esta información al ECM que calcula cuánto aire está entrando al motor. Los sistemas de inyección en los puertos utilizan medición de la velocidad-densidad.
Un sistema de velocidad- densidad no tiene sensor de flujo sino que , para calcular la cantidad de combustible, el ECM utiliza la señal del sensor MAP. Entonces el ECM cambia el ancho del pulso del inyector de manera que cada inyector quede abierto el tiempo suficiente para suministrar la cantidad calculada de combustible.
En medición velocidad-densidad, las dos entradas primarias al ECM son la posición del acelerador o la velocidad del motor, y el vacío del multiple de admisión, es decir, la carga del motor.La información de la posición del acelerador está proporcionada por una señal de voltaje del sensor de posición del acelerador. El vacío parcial o presión absoluta del multiple de admisión está medido por un sensor.
Las entradas de temperatura del aire de admisión y otros sensores pueden hacer que el ECM modifique su cálculo del flujo de aire.
2.-En muchos motores inyectados en los puertos, el aire de admisión fluye a través de un sensor de flujo de aire y mide de manera directa ya sea el volumen o masa del aire que entra en el motor enviando la información a la ECM. Existen varios tipos de sensor de flujo de aire. En los sistemas electrónicos de inyección de combustible, todos los sensores de flujo de aire proporcionan una salida eléctrica al ECM proporcional a la tasa de flujo del aire de la admisión al motor, por lo que el ECM no tiene que calcular el flujo del aire.
Medición del vacío del múltiple y de la presión absoluta
El vacío del múltiple de admisión se puede medir utilizando un indicador de vacío o mediante un indicador que mida la presión absoluta del múltiple. Los dos indicadores son similares, puesto que ambos tienen un diafragma flexible que divide al indicador en dos cámaras, una de las cuales se conecta al múltiple de admisión. En un indicador de vacío, la otra cámara está abierta a la atmósfera. En un indicador de presión absoluta, la otra cámara contiene un vacío sellado.
El indicador de vacío comprara la presión atmosférica con el vacío del múltiple de admisión. Sin embargo, la presión atmosférica varía y un indicador de presión absoluta compara el vacío o presión absoluta del múltiple de admisión con un vacío sellado, que no varía.
Sensor de presión absoluta del múltiple de admisión (MAP)
Muchos sistemas de inyección de combustible y de control electrónico del motor incluyen un sensor MAP. Puede tratarse de una unidad por separado, montada cerca o sobre el motor, localizada dentro del ECM. El sensor MAP mide la presión absoluta en el múltiple de admisión y envía esta información como una señal variable del voltaje al ECM.
El sensor MAP se conforma de un chip de silicio para sellar un ligero vacío entre el chip y su placa de base, lo que permite que el chip se flexione conforme se le aplica una presión absoluta variable.
Dos semiconductores alteran su forma, lo que cambia su resistencia. Este cambio en la resistencia es utilizado por EMC para determinar la presión absoluta en el múltiple de admisión.
Sensor de flujo de aire
Para medir de manera directa el flujo de aire de admisión los motores utilizan varios tipos de sensores:
1) Placa: La placa sensora de flujo de aire es utilizada en los sitemas mecánicos de inyección continua para medir el volumen de aire que entra al motor. La placa se coloca en el pasaje de admisión del sensor de flujo de aire. Conforme el flujo de aire se incrementa, la placa se levanta, lo que eleva un émbolo de control en el distribuidor de combustible y permite un flujo mayor de combustible a los inyectores. El flujo adicional coincide con el flujo adicional del aire.
2) Aletas. Se utiliza en algunos sistemas de inyección de combustible. Las aletas cargadas por resorte están en el pasaje de admisión de aire del sensor de flujo de aire y están conectadas a un potenciómetro. El aire que fluye a través suyo hace que la aleta se mueva y el potenciómetro envíe una señal variable de voltaje al ECM.
3) Karman-Vortex. Conforme el aire se mueve a través del sensor de flujo de aire, el aire pasa una varilla de generación de vórtex o de vórtice en el centro del sensor. La varilla genera pequeñas espirales conocidas como vórtices, el aire que pasa en la parte trasera de la varilla, un transmisor ultrasónico envía de manera continua ondas sonoras de alta frecuencia a través del aire de admisión. Los vórtices interrumpen las ondas ultrasónicas en relación con el flujo del aire de admisión. Esta medida de la tasa de flujo volumétrico produce una señal eléctrica que es enviada a ECM
4) Alambre caliente Este sensor del tipo de masa de flujo de aire. Consiste en un alambre de platino que se coloca en la trayectoria del flujo de aire y un sensor de temperatura del aire de admisión mide la temperatura. El ECM envía una corriente eléctrica través del alambre de platino para mantenerlo a una temperatura constante por encima de la temperatura del aire de admisión. Sin embargo, mientras mayor sea el flujo de aire, más enfriará al alambre caliente. Entonces el ECM debe incrementar la corriente para mantener el alambre a la temperatura especificada. Esta corriente variable se convierte en voltaje variable, que es enviado al ECM. El voltaje es proporcional a la masa del aire que entra al motor.
5) Película caliente. Este tipo de sensor de flujo de masa de aire que utiliza un elemento sensor de película caliente consiste en una hoja o rejilla de metal o de níquel recubierta con un material de alta temperatura. El flujo de corriente pasa a través de la película caliente y el flujo de aire que pasa por encima de la película la enfría. Igual que en el alambre caliente,el ECM mantiene la película a una temperatura específica. La frecuencia en la que varía es de 30 a 150hertz.
Sensores de la presión atmosférica y la temperatura del aire de admisión
Al modificarse la presión atmosférica y la temperatura, cambia la densidad del aire. El aire caliente y la presión atmosférica baja este es menos denso y contiene menos oxígeno que un volumen igual de aire más frío a una presión que entra al motor, de manera igual el aire más frío a una presión más elevada. Cuando varía la cantidad de oxígeno que entra al motor, de igual manera varía la cantidad de combustible que puede ser quemado.
Algunos sistemas de inyección de combustible incluyen un sensor de presión atmosférica que también se conoce como sensor de presión barométrica.
El sensor de temperatura del aire de admisión es un termistor cuya resistencia eléctrica se reduce conforme aumenta la temperatura.
Sensor de temperatura de refrigerante
Es un termistor que informa al ECM de manera continua la temperatura del refrigerante del motor. Se trata de una señal variable de voltaje que el ECM utiliza de maneras diferentes. Mientras menor sea la temperatura del refrigerante, más elevada será la resistencia del sensor de temperatura del refrigerante. En un motor en frío, esta señal hace que el ECM incremente el ancho de pulso del inyector y se suministra combustible adicional para una operación del motor en frío. El ECM también puede alterar el tiempo de encendido para adecuarse a la temperatura del motor.
Sensor de Oxígeno
Está instalado en el múltiple de escape y mide la cantidad de oxígeno en el gas de escape antes de entrar al convertidor catalítico. Un sensor de oxígeno es del tamaño aproximado de una bujía. Funciona comparando el contenido del gas de escape con el contenido de oxígeno del aire exterior. El aire exterior o de referencia entra al sensor a tavés de una apertura o ventilación cerca de su parte superior. Cuando existe una diferencia en el contenido de oxígeno, el sensor produce un pequeño voltaje que es inversamente proporcional a la cantidad de oxígeno en el gas del escape.
El sensor puede ir desde 0.1volt hasta 1.3 volts. Sin embargo, el intervalo está entre 100 y 900mv. Cuando está cerca de 450mv, la relación aire-combustible es estequiométrica. Si el voltaje es superior a 450mv, el contenido de oxígeno es bajo la mezcla es rica y si el voltaje es inferior a 450mv el contenido de oxígeno es elevado y la relación es pobre.
Operación en lazo cerrado y en lazo abierto.
El sensor de oxígeno no funciona a menos que esté caliente. Su temperatura debe estar en aproximadamente 600°F o más arriba. Debido a lo anterior, el ECM tiene dos condiciones que se
pueden utilizar cuando el motor está operando normalmente. Estas condiciones se conocen como lazo abierto y lazo cerrado.
Cuando el motor arranca y se está calentando, el ECM mantiene el sistema en lazo abierto. Durante ese tiempo, el ECM ignora cualquier señal de voltaje enviada por el sensor de oxígeno y calcula la relación deseada de aire y combustible utilizando la señal del sensor de temperatura del refrigerante, la señal de la carga del motor.
El ECM coloca al sistema en lazo cerrado únicamente después de que se hayan cumplido:
1.- El motor debe haber estado operando durante un tiempo especificado (2minutos)
2.-La señal del sensor de temperatura de refrigeración debe estar por encima de un valor específico
3.-La señal del sensor de oxígeno debe indicar que ha alcanzado su temperatura de operación de 600°F o superior.
Cuando cumple estas condiciones, el ECM coloca al sistema en lazo cerrado, acepta la señal del sensor de oxígeno. Utilizando está retroalimentación, el ECM calcula el ancho del pulso del inyector de combustible.
El motor puede recibir una mezcla rica mientras está operando en lazo abierto, lo que produce emisiones excesivas al escape. A fin de reducir el tiempo en lazo abierto, muchos sensores de oxígeno tienen en su interior un elemento calefactor eléctrico, lo que hace que el sensor de oxígeno alcance su temperatura de operación con mayor rapidez.
Sensor de velocidad
Le dice a la ECM la rapidez con que está girando el cigüeñal , se utilizan estos datos para controlar la medición de combustible, el avance de la chispa de encendido. Esta señal de la velocidad del motor puede estar proporcionada por el distribuidor de encendido o por el sensor de posición del cigüeñal. Estos por lo general son sensores de efecto Hall o sensores generadores de pulso magnéticos.
Un sensor magnético de posición de cigüeñal se coloca en el costado del bloque de cilindros de un motor de cuatro cilindros en línea con encendido sin distribuidor, las muescas en el disco de tiempo del cigüeñal generan pulsos de voltaje en el sensor conforme las muescas pasan frente a él y son enviadas al EMC.
Otro tipo de sensor de velocidad del motor cuenta los pulsos de alto voltaje provenientes del distribuidor de encendido. Estos pulsos disparan las oscilaciones de alto voltaje que generan las chispas para las bujías. El número de pulsos por segundo le indican al ECM lo rápido que esta operando el motor.
Sistemas de inyección de combustible.
1.-Mono-jetronic: Se trata de un sistema de inyección pulsada en el cuerpo del acelerador o de un solo punto. También se conoce como inyección central de combustible CFI.
2.-K y KE-Jetronic: Estos sistemas de inyección en puerto de tipo continuo. El sistema K es mecánico y posteriormente fue mejorado a KE con la adición de un ECM .
3.-L-jetronic. Se trata de un sistema pulsado de inyección en los puertos que tienen un sensor de flujo de aire de aletas y una válvula de arranque enfrío.
4.- LH-Jetronic: Es un sistema pulsado de inyección en puerto similar al sistema L-jetronic. Sin embargo, este sistema utiliza un sensor de masa de aire de flujo de alambre de hilo caliente.
5.-Monotronic: Se trata de un sistema pulsado de inyección en los puertos, que administra al motor mediante el control electrónico tanto en los sistemas decombustible como en los de encendido. La admisión del aire se mide utilizando un sensor de flujo de aire de aletas. No requiere de válvula de arranque en frío.
Inyección en el cuerpo del acelerador
Algunos motores tipo V utilizan ensambles de cuerpos de acelerador que tienen dos inyectores de combustible. Cada inyector suministra a la mitad de los cilindros del motor. Ala mayor parte de los ensambles TBI tienen incorporados tres dispositivos: un sensor de la posición del acelerador, una válvula de control de aire en la marcha en vacío y un regulador de presión. Este regulador de presión mantiene la presión de combustible correcta para el inyector. Si la presión se eleva demasiado, vencerá al resorte y abrirá la válvula del regulador de presión. Algo de combustible fluirá entonces a través de la válvula y a la tubería de retorno de combustible hacia el depósito con lo que se limita la presión del combustible.
Inyección central de puertos.
Este sistema tiene un solo inyector de combustible, operado por solenoide, está localizado en el múltiple de admisión. Cuando el ECM le da la señal al inyector de combustible, éste se abre y envía el combustible a través de tubos de nylon a una tobera de combustible en cada puerto de admisión con que se proporciona una inyección simultanea de puertos.
Inyección de combustible multipuerto (MFI)
Cuando existe un inyector de combustible operado por solenoide en cada puerto de admisión, los inyectores pueden ser energizados simultáneamente, de grupo secuencial o secuencial. El método dependerá de la capacidad del ECM. La inyección simultánea significa que todos los inyectores de combustible se abran al mismo tiempo una vez durante cada revolución del cigüeñal. Cada inyector abre dos veces para cada vez que su válvula de admisión de aire se abre. Los intervalos
entre inyección del combustible y la apertura de la válvula de admisión son tan breves que existe poca perdida en eficiencia del motor.
La inyección por grupo significa que la mitad de los inyectores de un motor se abren al mismo tiempo. La inyección en secuencia del orden de encendido y proporciona el suministro más preciso de combustible y el mejor rendimiento del motor, al mismo tiempo minimiza las emisiones de escape.
Sistema de escape
Reúne enfría, quita el ruido y limpia los gases de escape del motor. El sistema transporta los gases al exterior del motor. Las partes del sistema de escape incluyen al múltiple de escape, la tubería de escape, el convertidor catalítico, el silenciador, el resonador y tubos de escape. Para una mayor resistencia a la herrumbre y más durabilidad, muchos sistemas de escape están fabricados de acero inoxidable.
El silenciador y resonador reducen el ruido del escape. Los gases de escape se descargan al aire a través del tubo de escape. En un motor en lía sólo se tiene una trayectoria a través de la cual fluyen desde el múltiple de escape al tubo de escape.
En un motor tipo V, cada monoblock tiene un múltiple de escape. Un tubo conecta cada múltiple de escape. Los extremos de salida se conectan a una tubería en Y que reúne los flujos de escape en una salida, que se conectan al resonador. La tubería intermedia transporta a los gases de escape del resonador hacia la parte trasera del vehículo. Sin embargo, cerca del eje trasero, el sistema de escape de nuevo se divide. El gas de escape se descarga por los silenciadores, uno a cada lado del motor.
También hay motores con escape dual, se trata de dos sistemas de escape por separado, cada uno de ellos para cada banco de cilindros. En lugar de una tubería en Y, un tubo de cruce conecta las dos tuberías intermedias para ayudar a reducir el ruido.
Múltiple de escape
Es un conjunto de pasajes o tubos que transportan el gas de escape de los puertos de escape de la cabeza de cilindros al tubo de escape. El múltiple recolecta el gas de escape y entonces, el múltiple reúne el gas en un solo flujo que entra en la tubería de escape. Un múltiple de escape del tipo de tubo puede combinar el flujo de los cilindros en uno. Un motor en línea tiene solo un múltiple de escape. Los motores de tipo V tienen dos múltiples de escape, uno por cada banco de cilindros.
Algunos motores en línea tienen los múltiples deadmisión y de escape en lados opuestos de la cabeza de cilindros. Otros motores en línea tienen los múltiples de un solo lado. El múltiple de escape queda debajo del múltiple de admisión. Algunos motores carburados con este arreglo
tienen una válvula de control de calor. Cuando el motor está frío, envía calor de los gases calientes del escape para calentar el múltiple de admisión, mejorando la evaporación del combustible para una mejor operación del motor frío.
Múltiple de escape afinado
Se puede mejorar la eficiencia volumétrica afinando el múltiple de escape cuando los tubos de escape producen la menor contrapresión posible en el sistema de escape, que es la presión creada en el sistema de escape por cualquier restricción al gas de escape fluyendo. Mientras más elevada sea la contrapresión, menor será la eficiencia volumétrica del motor.
La longitud de los tubos incrementa la velocidad del gas de escape. Cuando se abre una válvula de escape, el gas sale a alta velocidad como pulso de alta presión y justo detrás del pulso aparece una presión mucho más baja. En un múltiple de escape afinado, cada vez que se abre el escape, el pulso de alta presión se descarga en esta baja presión, así el cilindro se vacía o es barrido completamente. Esto permite que más aire o mezcla entre la siguiente vez que se abra la válvula de admisión. Como resultado se da un incremento en la potencia del motor. En algunos motores, los pulsos del sistema de escape hacen funcionar la válvula de aire pulsado, al utilizar los pulsos para alimentar con aire fresco al sistema de escape.
Silenciador
Está localizado entre un convetidor catalítico y el resonador o el tubo de escape. Su propósito es enfriar y reducir la presión del gas de escape, y al mismo tiempo, aquietar o silenciar su ruido. El silenciador tiene una serie de perforaciones, pasajes y cámaras a través de las cuales pasa el gas del escape. Esto amortigua las ruidosas oscilaciones de alta presión que resultan de la apertura de válvulas de escape. Algunos sistemas de escape utilizan un resonador más pequeño de tipo silenciador para amortiguar aún más el ruido. Muchos motores utilizan un tubo de escape laminado, formado de dos capas una dentro de la otra. Entre las dos se tiene una capa de plástico emparedada. Ambos tipos de tubería amortiguan el repique del tubo de escape que ocurre en algunos sistemas de escape.
Algunos motores requieren de un silenciador de modo dual, es decir, un sistema de escape activo, permitiendo que el gas de escape fluya a través de un silenciador y de una tubería de derivación. El área total más grande de flujo reduce la restricción en el sistema de escape, mejorando la economía del combustible.
Convertidor Catalítico
Un catalítico es una sustancia que puede acelerar o retardar una reacción química entre otras sustancias, sin que ella misma sea consumida por la reacción. Por lo general, una pequeña cantidad del catalítico afectara una gran cantidad de otras sustancias. El convertidor catalítico utiliza estas propiedades para ayudar a limpiar los contaminantes dañinos del aire de gas del escape del motor.
Una operación correcta del convertidor catalítico requiere que el catalítico entre en contacto con el gas del escape que fluye a través suyo.
El catalítico no es igualmente eficiente bajo todas las condiciones. Para una mejor eficiencia de conversión, los cilindros del motor deben recibir una mezcla de aire y combustible con la relación estequiometrica de 14:.7:1. Pequeñas variaciones en la relación de aire y combustible pueden causar incrementos y emisiones al escape.
Para mantener la relación deseada de aire y combustible, la mayor parte de los motores tienen un sistema de combustible controlado electrónicamente y para medir el combustible utilizan un carburador retroalimentado o inyección de combustible. Como resultado, durante la mayor parte de las condiciones de operación el motor recibe la relación estequimétrica de aire y combustible.
Construcción y operación del convertidor catalítico
Es un dispositivo parecido al silenciador, que por lo general contiene dos o más catalíticos. Conforme el gas del escape fluye, los catalíticos convierten los contaminantes dañinos del gas del escape en gases inocuos y el gas de escape que sale del convertidor contiene menos contaminantes que el gas que entró.
Dentro del catalítico, el gas de escape pasa por encima de una gran superficie recubierta con una delgada capa de material catalítico. Esta superficie o sustrato es una cama, que contiene cientos de pequeños cuentas o nódulos, o un panal de cerámica único. La forma del convertidor catalítico a menudo identifica el sustrato en su interior. Un convertidor catalítico del tipo nódulo es plano. El convertidor catalítico de panal es de forma oval o redondeada.
Algunos motores de tipo V tienen dos convertidores catalíticos, uno para cada banco de cilindros. También otros motores con un solo sistema de escape tienen dos convertidores.
Convertidor Catalítico de oxidación.
La construcción de un convertidor catalítico de tipo de oxidación, se ocupa de dos contaminantes, HC y CO. Utiliza solo un catalizador de oxidación, los cuales son los metales paladio y platino, ayudando a quemar los gases tóxicos.
Al entrar los gases calientes del escape en contacto con el catalizador, éste hace que el HC se una con el oxígeno para convertirse en agua y bióxido de carbono.
Convertidor catalítico de tres vías
Un convertidor catalítico de tres vías reduce el HC, Co y NOx del gas de escape. Este tipo de convertidor por lo general contiene el metal rodio para tratar los óxidos de nitrógeno y oxígeno. Lo hace dividiendo el oxígeno del nitrógeno para formar al nitrógeno en un gas inocuo.
Y además este convertidor utiliza el convertidor de dos vías con paladio y platino, para deshacer los otros gases contaminantes.
Escudos térmicos delos convertidores catalíticos.
Durante la reacción química del convertidor catalítico, cuando el gas del escape pasa por encima del catalizador, la temperatura puede subir hasta 1600°F por lo que los componenentes alrededor deben protegerse.
SISTEMA DE ESCAPE
Uno de los sistemas más críticos empleados en los motores en operación, el sistema de escape remueve los productos de combustión desde el motor al exterior segura y efectivamente. Los gases de escape son tóxicos y muy calientes, por lo que su diseño, construcción y mantenimiento se debe considerar con sumo cuidado.
El mantenimiento e inspección del sistema de escape del motor debe evitar que la nariz de la aeronave se incendie, entren gases de escape en la cabina, dañando partes y estructuras de la aeronave.
DESARROLLO DEL SISTEMA DE ESCAPE
El sistema de escape para los motores de aeronaves fueron muy simple, solo los gases eran expulsados por tubos de acero ajustadas en cada puerto de escape de cada cilindro separadamente a través de pequeñas descargas . Este sistema era ruidoso y además permitía que los gases de escape fluyeran dentro de las aberturas de las cabinas de las aeronaves.
Por otro lado, los pilotos volaban en la noche donde podían ver los problemas del motor, observando el color de su flama de escape. Una pequeña flama de luz azul indicaba que la mezcla fue correcta y el motor estaba operando satisfactoriamente. Si la flama fue más pequeña que lo normal, indica una mezcla pobre. Cuando la flama es blanca o rojiza, indica que la mezcla fue excesivamente rica. Y si solo un cilindro producía una flama blanca o roja, denotaba que una válvula podía ser el problema o un anillo de pistón estaba gastado.
El siguiente paso en el desarrollo del sistema de escape, fue instalar el múltiple de escape por una línea y opuesto al motor y a los anillos del colector para motor radial. A través de estos aparatos, los gases de escape fueron direccionados al exterior, reduciendo la probabilidad de que entraran por la cabina, ya que el múltiple se encuentra por abajo del motor. El múltiple y tubos de escape, descargan no solo en el exterior sino que parte de ese flujo es dirigido al radiador, puesto que los gases de escape calientes se utilizan para el sistema de deshielo en el carburador y limpiador de vidrios de cabina.
Una aeronave moderna es equipada con un múltiple de escape, intercambiador de calor y amortiguadores de ruido, y algunos sistemas incluyen turbocargador.
SISTEMA DE ESCAPE MOTOR OPUESTOMuchos tipos de escape han sido diseñados y construidos para motores opuestos, que incluyen las características esenciales requeridas para un efectivo sistema de escape.
El múltiple consiste de tubos de entrada desde el silenciador a los puertos de escape, los tubos están sujetos por medio de tuercas y pernos; una junta de cobre –asbesto está colocada entre los sellos del cilindro y la estructura que proviene en el escape de los gases. La tubería usada en la construcción del silenciador y ductos es de acero inoxidable, resistente a la corrosión.
El sistema de escape para cuatro cilindros opuestos, está unido al tubo de expansión, lo cual es esencialmente para permitir que la tubería se expanda y se contraiga sin generar roturas. Los tubos están sujetos por un múltiple tipo “Y”, el cual pasa a través por el silenciador e intercambiador de calor.
El arreglo para un múltiple de escape para seis cilindros opuesto con turbocargador, tiene ductos de acero inoxidable, también sujetos por pernos y tuercas. Este ducto esta curveado para direccionar el flujo de escape hacia la parte de atrás del múltiple. El lado opuesto del motor tiene un arreglo similar y el flujo de los gases desde ambos lados del motor pasa a través de los tubos para la puerta de descarga en la parte de atrás del motor. Cuando el motor esta en operación con el turbocargador, la puerta de descarga direcciona una porción de los gases de escape a través del turbocargador. Una unión expansiva es provista en el sistema para permitir una expansión y contracción irregular debido a los cambios de temperatura.
Un sistema de escape para una aeronave ligera, incluye un sistema de calentamiento para cabina
En este sistema, los gases son direccionados a través de los intercambiadores de calor y por debajo del motor se encuentran los tubos de escape. Unos tubos transversales llevan los gases desde los cilindros izquierdos a los tubos de escape de lado derecho del silenciador. Los tubos de escape se sujetan al silenciador por medio de abrazaderas, lo cual permite la expansión y contracción del sistema. Un revestimiento de acero delgado es puesto alrededor del intercambiador de calor para capturar el calor desde este y direccionarlo a las mangeras. Los revestimientos de ambos silenciadores son conectados a un ducto flexible el cual direcciona el aire hacia afuera entre el espacio del silenciador y su revestimiento. El aire caliente del revestimiento es llevado a través de un ducto flexible para la cámara de ventilación en el cual son localizadas las válvulas de control de calor.
El sistema empleado en un motor doble de una aeronave ligera, tiene un sistema de calentamiento tipo combustión, por lo que no hay necesidad de un intercambiador de calor. El sistema en cada lado del motor consiste de tres tubos, una unión flexible entre el tubo posterior, el silenciador y el tubo de escape, y están sujetos a la estructura por medio de un soporte colgante para expansión y flexibilidad.
SISTEMA PARA MOTOR RADIAL
El motor radial usualmente deposita los gases a través de un pequeño colector. El colector sirve para prevenir cambios de temperatura extremo para las válvulas de escape y área de escape de la cabeza de cilindro.
También se llevan los gases calientes lejos desde el área de la cabeza de cilindros. La experiencia revela que para mejor instalación es deseable que el colector de gases de un múltiple, descargue en un punto donde el calor no pueda afectar a la estructura de la aeronave y los gases de escape no entren ni en la cabina, ni en el motor.
El anillo de colector de escape para un R_985 es fabricado en secciones con pequeños tubos de entrada para puertos de escape de cada cilindro. La construcción de un anillo de colector es tal que cada sección individual pueda ser re-movido para mantenimiento y reparación. La separación de secciones también permite la expansión y contracción sin causar fatiga extrema y alabeo.
El anillo del colector para 14 cilindros, está hecho de más de 7 secciones cada una con dos salidas de escape. La sección del anillo opuesto de los gases de salida es más pequeña por que lleva a los gases desde solo dos cilindros. Desde ese punto el lugar de la salida, la sección es incrementada en diámetro para proveer gases adicionales para un mejor barrido. El ducto de escape es largo y se conecta al puerto del anillo de colección alcanzado hacia delante de la conexión con los cilindros frontales. El tubo de escape desde los cilindros esta unido a los puertos de anillos de colección por medio de un tubo de conexión que permite la expansión y flexibilidad. Cada sección del anillo colector está sujeto a una sección del ventilador.
Algunos sistemas de escape incluyen un aumentador de escape. Por instalación de aumentador con 18 cilindros, los gases de escape son colectados desde el lado derecho del motor y descargados dentro de la campana del lado derecho del aumentador izquierdo. Cuatro de los tubos de escape instalados sobre cada lado del motor manejan los gases de cada dos cilindros.
La línea de fuego de los cilindros se alimentan dentro de cada tubo de escape es separado lo más posible para proveer un flujo de escape máximo sin exceso de presión trasera.
El aumentador produce un efecto venturi, el cual incrementa el flujo del aire desde la carcaza. Este incrementa el flujo a través de la estructura adicionando un enfriamiento en el motor y provee una cantidad pequeña de empuje. El tubo aumentador debe estar en perfecto alineamiento con el flujo de escape para producir un máximo efecto.
El tubo del aumentador, es construido de acero resistente a la corrosión y a veces contiene venas ajustables, las cuales pueden ser controladas desde cabina. En el caso del motor en operación a baja temperatura el piloto puede cerrar la vena para reducir la sección transversal del aumentador hasta 45º incrementando la temperatura de operación.
CARBURADOR
DEFINICIÓN
El carburador es el dispositivo que se encarga de preparar la mezcla de aire combustible en los motores a gasolina . A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida, es importante que la gasolina esté mezclada con el aire en las proporciones óptimas. Estas proporciones, denominadas factor lambda son de 14,7 partes de aire en peso, por cada 1 parte de gasolina; es lo que se llama "mezcla estequiométrica"; pero en ocasiones se necesitan otras dosificaciones, lo que se llama mezcla rica (factor lambda menor de 1) o bien mezcla pobre o factor lambda mayor de 1 en volumen corresponden unos 10.000 litros de aire por cada litro de gasolina.
CARBURADORES, SU OBJETO Y NECESIDAD
El carburador desempeña una triple función: debe de proporcionar una mezcla
proporcionada, homogénea y constante.
La proporción teórica de una mezcla, se puede modificar, bien voluntaria o
accidentalmente. Pero hace falta, sin embargo, que permanezca dentro de ciertos límites, de lo contrario la mezcla obtenida sería ininflamable.
Estos límites son: 8 gramos de aire por 1 gramo de combustible (mezcla rica) 28 gramos de aire por 1 gramo de combustible (mezcla pobre). La dosificación de la mezcla para un régimen de funcionamiento no presenta dificultad y puede obtenerse con la ayuda de calibradores.
Homogeneidad. El combustible debe de estar íntimamente mezclado con el aire, y la mezcla debe presentar en toda la masa la misma uniformidad. Luego es necesario fraccionar el combustible cuanto sea posible. Este fraccionamiento favorece la acción vaporizante como
consecuencia de la mayor superficie que de ello resulta.
Constancia. La constancia de una mezcla es la propiedad que debe de poseer todo carburador para formar una mezcla proporcionada y homogénea en todos los regímenes de
funcionamiento del motor. Esta propiedad, conocida bajo el nombre de automatismo, es una de las más difíciles de obtener.
REGULACION DE LOS CARBURADORES
La regulación de los carburadores se basa en la necesidad de obtener en todo momento, actuando sobre los distintos elementos que constituyen el carburador, una mezcla correcta para cualquier régimen de funcionamiento.
La regulación de la mayoría de los carburadores ha de realizarse en varios períodos; así, por
ejemplo, el reglaje del carburador Solex con starter se efectúa en tres operaciones sucesivas
correspondientes a tres estados de marcha perfectamente distintos, a saber:
Para la marcha normal. Esta regulación consiste en fijar el diámetro del surtidor principal
y el diámetro del difusor. La regulación plena de admisión se resume en determinar el diámetro del surtidor principal; en principio ha de procurarse que sea lo más pequeño posible, pero sin adoptar un reglaje excesivamente pobre. En cuanto al difusor, únicamente se procederá a su sustitución por otro cuando se desee variar el rendimiento.
Para la marcha lenta o ralentí. El surtidor de marcha lenta suministra la cantidad de combustible necesario habiéndose determinado experimentalmente el diámetro del mismo. Un
tornillo tope de cierre de la mariposa, determina la velocidad del motor. Un tornillo de riqueza de ralentí, actúa sobre el caudal de mezcla que suministra el surtidor de ralentí y calibrador de aire.
La afinación de la marcha lenta debe ser hecha con el motor en caliente, debiendo efectuarse
aflojando o apretando el tornillo de ajuste de riqueza de ralentí para obtener la velocidad del motor más elevada.
Si después de haber efectuado este reglaje, el régimen de ralentí parece demasiado elevado o demasiado bajo, habrá que actuar sobre el tornillo tope de cierre de la mariposa, aflojando o apretando, según sea el caso, para reducir o aumentar el régimen.
Para la puesta en marcha del motor frío. La afinación del starter consiste en determinar
el diámetro del surtidor de combustible y el surtidor de aire. El starter debe utilizarse en tanto
que el motor no haya alcanzado su temperatura normal de funcionamiento.
Tipos de Mezclas:
Básicamente se basa en dos clases de mezcla, más "rica" o "pobre". Cuando en una mezcla hay exceso de aire se dice que es "pobre" y, en este caso, la combustión es lenta, se calienta el motor y no desarrolla toda su potencia. Se dice que una mezcla es "rica" cuando contiene excesiva cantidad de gasolina, en cuyo caso, como no hay suficiente aire, no se quema todo el combustible, desperdiciándose inútilmente.
Existe la mezcla estequiometrica, es la cantidad de aire y gasolina que debe tener la mezcla, para que la explosión sea la adecuada, dependiendo de las necesidades de marcha del motor. Varía desde 17/1 hasta 12/1.
Requerimientos del motor
Son tres las condiciones generales en las que se deben satisfacer la relación de aire-combustible:
En vacio y con poca carga (Ralentí o marcha lenta): Es el régimen de giro más bajo del motor que sirve para que éste no se detenga con el acelerador suelto y en parado. Trabaja con la antes mencionada “Mezcla rica”.
Zona económica, con cargas medias: la relación de aire-combustible que puede proporcionar máxima economía. Los motores mono cilíndricos utilizan relaciones económicas elevadas de 16 y 17 a 1 porque el múltiple alimenta a un cilindro, esta utiliza “Mezcla estequiometrica”
Zona de potencia, a plena carga: cuando se demanda más potencia del motor, esta utiliza “mezclas pobres”.
Componentes del Carburador y descripción
Partes principales del carburador:
- Estrangulador: regula la cantidad de mezcla aspirada por el motor y esta mandada por el pedal del acelerador, que a su vez es accionada por el conductor.
- Esprea: Su objetivo es llevar el combustible al tubo Venturi para poder mezclarlo con el aire
- Flotador: su misión es abrir o cerrar el sistema de aguja.
- Tubo Venturi: Su función es comprimir la mezcla de fluido para poder garantizar una mezcla realmente homogénea
- Ahogador: Regula el paso del aire con el que se hará la mezcla con el combustible
- Cámara de flotador: Mediante un flotador que abre y cierra el orificio de entrada de la gasolina con una válvula de aguja, se impide los efectos causados de la diferencia de nivel entre el depósito y el carburador, el cual varía con la posición del auto.La posición del flotador se puede regular en el mayor parte de los casos, para nivelar el nivel de la gasolina correctamente y evitar inundaciones en el carburador (nivel muy alto) o fallos del motor (nivel muy bajo).
Tipos de sistemas de carburación
El carburador simple
Un carburador simple no mantendrá una relación constante de la mezcla cuando la presión en la garganta del venturi toma diferentes valores bajo diferentes condiciones de funcionamiento.
El carburador del motor de un cilindro, cuando trabaja con el estrangulador completamente abierto, puede ser ajustado para proporcionar la relación requerida de la mezcla. Pero cuando no se abre completamente, el flujo intermitente es alterado durante mayor tiempo por la acción del estrangulador y por ello resulta la mezcla más pobre. Esta tendencia se agudiza por el volumen del múltiple. Es difícil diseñar el carburador para que funcione igualmente bien bajo todas las
condiciones de velocidad del motor, el volumen del múltiple y la presencia de oleadas de presión resonante, complican aun más el problema.
Carburador doble
Utilizado principalmente en vehículos de altas prestaciones, esta constituido por dos carburadores simples, como los ya estudiados, unidos en cuerpo común. Lleva dos colectores de aire y cada uno de los dos carburadores tiene todos los circuitos correspondientes para la formación y la dosificación correcta de la mezcla. Cada uno de los colectores desemboca por separado en un colector de admisión independiente, para alimentar con cada uno de los carburadores a la mitad de los cilindros del motor. De esta forma se consigue un mejor llenado de los mismos y un perfecto equilibrio en el reparto de la mezcla
● Los carburadores se pueden clasificar según la posición del difusor:
- Vertical ascendente: actualmente no se usa por que presenta problemas de arranque en frío y en el pleno llenado de los gases.- Vertical descendente: actualmente el mas usado, facilita el llenado por el efecto de la fuerza de la gravedad.- Horizontal o inclinado: se utiliza cuando hay problemas de espacio (altura en el vano motor).
Posiciones de la esprea o tobera de descarga
También se clasifican según la forma y la disposición de sus elementos constructivos:
- Carburadores de difusor fijo (la gran mayoria).- Carburadores de difusor variable (motocicletas principalmente).- Carburadores dobles (motores de altas prestaciones).- Carburadores de doble cuerpo (para motores de gran cilindrada).
Efecto Venturi
El efecto Venturi es en el que se basa el funcionamiento de cualquier carburador convencional, si vemos en la figura vemos que tenemos un tubo con un estrechamiento central, un recipiente con liquido comunicado a la atmosfera y tos tubos pequeños que comunican verticalmente ese liquido con el tubo superior, el 1 y 2.
FUNCIONAMIENTO
• El carburador posee una división donde la gasolina y el aire son mezclados y otra porción donde la gasolina es almacenada a un nivel muy preciso, por debajo del nivel del orificio
de salida (cuba). Estas partes están divididas pero están conectadas por la tobera principal.
• En la carrera de admisión del motor, el pistón baja dentro del cilindro y la presión interior del cilindro disminuye, aspirando aire desde el purificador (filtro), carburador y colector de admisión fluyendo hasta el cilindro. Cuando este aire pasa a través de la porción angosta del carburador, la velocidad se eleva, y por el efecto Venturi aspira la gasolina desde la tobera principal. Esta gasolina aspirada es soplada y esparcida por el flujo de aire y es mezclada con el aire.
• Esta mezcla aire-combustible es luego aspirada dentro del cilindro.
• Para poder enriquecer momentáneamente la mezcla para obtener un aumento instantáneo de fuerza, casi todos los carburadores actuales poseen una bomba llamada de aceleración.
• Suelen ser de pistón, de forma que a partir de cierto punto de apertura de la válvula de mariposa, éste presiona y envía la gasolina al colector a enriquecer la mezcla realizada por el difusor.
• Constan de dos válvulas que sólo permiten el paso de gasolina en dirección al colector, una para llenado de la bomba y otra para enviarla al colector.
• Algunos motores incorporan al carburador un elemento más, llamado economizador, que bien aumentando la proporción de aire o disminuyendo la gasolina, consigue un ahorro de combustible a medida que el motor está más acelerado.
• Basa su funcionamiento en que el tapar el pozo compensador con una válvula de membrana, la cual permanece cerrada por la acción de un resorte situado en una cámara que comunica con el colector de admisión, y al acelerar y activar la succión en el colector, ésta hace un vacío en la cámara, que vence el resorte y permite una entrada de aire mayor en el pozo, con lo que se empobrece la mezcla, que sale por el compensador.
En este tipo de compresor podemos observar la válvula de nombre estrangulador y ahogador, que recordemos que uno regula el paso de aire y la otra regula el paso de la mezcla respectivamente.
El sistema de válvulas se cierra y se abre conforme a los requerimientos del motor, en el caso de este carburador cuenta con 2 ductos, en la siguiente imagen se puede observar la parte que va ensamblada al múltiple de admisión, un ejemplo es que, en primera estancia se abren los ductos 1
y cuando se requiere más potencia, se abren los ductos mas grandes (2) y así permiten una mayor aérea de entrada, se empobrece la mezcla.
Con una sola válvula reguladora se administra el flujo en 2 ductos separados, en esta imagen se puede observar la esprea, el tubo venturi, etc.
Los carburadores requieren que siempre haya un paso de mezcla en todo momento, que sin ese flujo el motor se puede apagar, en la siguiente imagen se muestra como solo tiene una válvula reguladora en un solo ducto, en el del lado derecho el flujo siempre esta constante, y el otro podría servir como antes mencionamos, cuando se abre, es porque el motor requiere más potencia.
PROBLEMAS
• El carburador fue el primer sistema de alimentación pensado para motores de combustión por ignición (gasolina), por lo que es lógico pensar que era un sistema más simple que los actuales.
• En concreto, éste constaba de un tubo con un estrechamiento en la parte media y una mariposa en la parte final.
• En la zona del estrechamiento, la incompresibilidad del aire ambiente explica que allí se produzca un aumento de velocidad del mismo. A cambio, su presión disminuye, hecho que se aprovecha colocando justo en esa zona un conducto por el que discurre la gasolina (aproximadamente a presión ambiente), de tal manera que la diferencia de presión entre ésta y el aire en el estrechamiento (menor que la ambiente) da lugar a la inyección de la gasolina en el tubo, donde se mezcla por fin con el aire.
• Así pues, resulta ser un sistema bastante sencillo, simple, de fácil construcción y buena fiabilidad, dado que sólo dispone de un elemento mecánico (la mariposa). No obstante, este sistema planteaba una serie de problemas.
• El primero de ellos estriba en la falta de control sobre la dosificación de la mezcla cuando se actúa sobre la mariposa, cuando se acelera, para demandar potencia.
• La mezcla entonces se vuelve demasiada rica, utilizando más gasolina de la necesaria para entregar esa potencia requerida, lo que eleva en exceso el consumo de carburante.
• Esto crea, por otra parte, un problema mayor, pues no toda la gasolina es capaz de quemarse dentro del cilindro, pero se encontrará más adelante, en el tubo de escape, con aire muy caliente, donde entonces sí explotará parte de lo que no había combustionado antes (el conocido efecto de postcombustión o detonación).
• En el lado opuesto, cuando el motor está al ralentí, la dosificación de gasolina es baja, es decir, la mezcla es demasiado pobre, por lo que se corre el peligro de que el motor se apague por exceso de aire ya que la llama no se propaga.
• Ante esto, se propuso la solución de añadir un conducto desde el depósito de gasolina, paralelo al anterior, que desembocara en un tubo más allá de la mariposa, para seguir introduciendo combustible con el acelerador desactivado.
• El siguiente en ser mencionado es el debido a la adhesión del combustible en las paredes. Esta cantidad de gasolina es importante pues el estrechamiento del tubo principal está lejos de la entrada a los cilindros y, desde ahí en adelante, las paredes acumulan mucha gasolina adherida.
• Esto es perjudicial para los procesos transitorios. En concreto, si se acelera, se requiere rápidamente una mezcla ligeramente rica, cosa que no se consigue al instante ya que el combustible es frenado por estas acumulaciones, hasta que las arrastra. Justo después, cuando soltamos el acelerador de golpe, el coche no se frena instantáneamente, pues sigue entrando parte de la gasolina que había sido arrastrada anteriormente.
• Resultado: respuestas lentas. La solución en este caso consiste en una bomba de gasolina que acelera el combustible para hacer más rápido el arrastre antes mencionado. Esto desemboca en un aumento rápido de la dosificación, es decir, mezclas ricas otra vez.
• La congelación:
• Es la formación de escarcha en las diferentes partes del carburador, debido al enfriamiento del vapor de agua que hay en el mismo.
• La evaporación de la gasolina es un factor determinante ya que provoca un descenso importante de la temperatura del interior del carburador, si ha esto le unimos una temperatura ambiente cercana a los 0ºC, el vapor de aire circundante choca contra los diversos conductos del carburador y se deposita en forma de escarcha.
•Los efectos provocados por la congelación trae los siguientes inconvenientes:
• 1- Si se deposita en el difusor se reduce la sección, pasa menos caudal de aire y por lo tanto la mezcla se hace mas rica, peligro de calado del motor.
•2- Si se deposita en los orificios del ralentí, se taponan, no funciona el ralentí y el motor se para.
• 3- Si se deposita en los orificios del by-pass, la progresión es mas defectuosa.Como remedio se utiliza un elemento que caliente el carburador.
• Percolación:
• Es la evaporación de la gasolina en el carburador debido a la elevada temperatura que existe en este.
• Dicha evaporación provoca la formación de burbujas de gasolina en el carburador.Las burbujas aparecidas en el circuito de ralentí provocan el empobrecimiento de la mezcla y por tanto marcha irregular o calado del motor.
• Los vapores formados en el circuito principal provocan el desbordamiento de la mariposa que se vierte sobre la mariposa y colector de admisión pudiendo provocar calados en ralentí por exceso de riqueza así como anegado del motor y mojado de las bujías. Además dificulta la puesta en marcha.
•Cuando los vapores se forman en el circuito de la bomba de aceleración la mezcla suministrada se empobrece.
• El remedio para la percolación hay que buscarlo a la hora de diseñar el carburador, por que después es difícil buscar soluciones, como no sean la mejora de la ventilación del vano motor y la interposición de barreras térmicas entre el carburador y sobre todo el colector de escape, el que mas calor genera.
Problemas con la Carburación en el Mundo de la Aeronáutica
• En el mundo de la aeronáutica, existe otro problema añadido en cuanto a la dosificación de la mezcla. Y es que la densidad con la altitud disminuye.
• Por lo tanto, la masa de aire admitida es menor respecto al combustible inyectado.
• La mezcla se vuelve rica, con la grave amenaza de poder apagarse el motor por falta de combustión, esta vez, por exceso de combustible.
• Para esto, se introdujo un conducto adicional más delgado por el que se dejaba pasar combustible sólo en condiciones de vuelo alto.
Clasificación de los carburadores
Se pueden clasificar como retroalimentados o no retroalimentados. El primero está controlado electrónicamente con un sistema similar al de la inyección electrónica de combustible. Sin embargo, la computadora del motor envía pulsos a un solenoide en el carburador, o a una válvula de medición controlada por vacío, en vez de a un inyector de combustible. Estos pulsos pueden hacer que el carburador ajuste la relación aire-combustible.
Y los no retroalimentados son los carburadores básicos y sencillos.
Sistemas de carburador de venturi fijo
El carburador necesita varios sistemas o circuitos especiales que ayudan a ajustar la relación de aire-combustible para adecuarse a condiciones variables de operación. Estos sistemas son:
1) El sistema de flotador2) El sistema de marcha en vacío3) El sistema de medición principal4) El sistema de potencia5) El sistema de estrangulador
Sistema de flotador
En el carburador, el depósito o taza del flotador se llena de combustible desde el depósito mediante una bomba de combustible. La ventilación en la parte superior de la taza del flotador permite que la presión atmosférica actúe sobre el combustible del depósito. La presión atmosférica empuja al combustible hacia arriba a través de la tobera de combustible. Si está pasando aire por el carburador, el flujo del aire a través del venturi produce un vacío alrededor del extremo de descarga de la tobera de combustible y el diferencial de presión resultante hace que se descargue combustible de la tobera de combustible al aire que está pasando.
El sistema de flotador incluye un pequeño depósito de combustible con un flotador y una válvula de aguja. Algunos flotadores son huecos y están hechos de latón, otros están fabricados de material sólido más ligero que la gasolina, tienen formas variadas y a menudo se utilizan en pares.
El movimiento hacia arriba y hacia abajo del flotador mueve la aguja de la válvula hacia adentro y fuera de su asiento. La válvula de aguja puede estar en posición horizontal o vertical. En cualquiera de estas posiciones, la válvula de aguja controla el nivel de combustible de la taza del flotador. Conforma la bomba de combustible envía combustible a presión a la taza del flotador, el nivel de combustible y el flotador se elevan. El flotador empuja a la válvula de aguja contra su asiento. Una vez llegado el combustible a su nivel correcto, la válvula de aguja cierra el suministro de combustible al depósito del flotador.
Cuando el carburador consume combustible de la taza del flotador, esté baja. La válula de aguja se mueve de su asiento y entra más combustible. En operación, el flotador y la válvula de aguja tienen una posición de equilibrio. Entra la misma cantidad de combustible que ha sido retirada. Algunos carburadores tienen una válvula de combustible auxiliar, operada por el flotador. Si el nivel de combustible cae durante cargas o altas velocidades, el extremo de la palanca de flotador abre una válvula auxiliar para admitir combustible adicional a la taza del flotador.
Un nivel inadecuado de flotación hace que el carburador entregue una mezcla ineficiente de aire-combustible. Si el nivel es demasiado elevado, mucho combustible se descargará de la tobera del mismo y la mezcla aire-combustible será demasiado rica. Si es demasiado bajo, no se descargará suficiente combustible y la mezcla será demasiado pobre.
Ventilación de la taza del flotador
Las tazas de flotador están ventiladas en un punto por arriba de la válvula de aceleración. La ventilación ayuda a compensar los efectos de un limpiador de aire sucio que puede causar un vacío más grande en el venturi, como extraer combustible adicional de la taza del flotador, produciendo una mezcla rica. La ventilación asegura que el aire por arriba del combustible en la taza del flotador y el aire que entra al carburador tengan la misma presión.
La taza del flotador tiene otra ventilación. Una vez apagado el motor, el calor de esté vaporiza parte del combustible de la taza. La perforación de la ventilación del cánister permite que estos vapores fluyan hasta él atrapando los vapores de combustible, evitando se escapen y lleguen a la cabina o contaminen el aire.
Válvula compensadora de marcha en vacío en caliente
Durante la marcha en vacío en caliente, la ventilación interna puede dejar pasar suficiente vapor de combustible de la taza del flotador para descompensar la relación aire-combustible, lo que podría enriquecer excesivamente la mezcla. A fin de impedir lo anterior, algunos carburadores tienen una válvula compensadora de marcha en vacío en caliente sujeta a una hoja termostática. Cuando la temperatura elevada actúa sobre la hoja, se dobla y abre un pasaje de aire del carburador. Entonces, el aire adicional se deriva en el sistema de marcha en vacío y fluye a través del paso de aire auxiliar, lo que empobrece la mezcla lo suficiente para compensar el vapor adicional de combustible de la taza del flotador.
Sistema de marcha en vacío
Cuando la válvula del acelerador está cerrada durante la marcha en vacío, pasa muy poco aire a través del vénturi, lo que causa un vacío tan pequeño que no hay descarga de combustible de la tobera del mismo.
El sistema de marcha en vacío suministra mezcla aire-combustible durante la operación de acelerador cerrado. El elevado vacío en el múltiple de admisión por debajo de la válvula de estrangulamiento cerrada succiona aire-combustible a través de los pasajes de sistema de marcha en vacío y se descarga a través del puerto de marcha en vacío donde la mezcla se empobrece debido al aire que pasa alrededor de la válvula del acelerador cerrada.
Operación en baja velocidad
Cuando la válvula del acelerador se abre ligeramente, el borde de la válvula de acelerador se mueve por arriba del punto de marcha en vacío, hacia el puerto de baja velocidad o de transferencia. El vacío del múltiple de admisión actúa ahora sobre este puerto superior, haciendo que se descargue combustible adicional, que se mueve más allá de la válvula de acelerador ligeramente abierta. La mezcla resultante tienen la riqueza apropiada para operación en baja velocidad.
Sistema de medición principal
Cuando la válvula de acelerador se ha abierto lo suficiente, de manera que su borde superior está por arriba de los puertos de marcha en vacío y de transferencia, estos puntos dejan de suministrar combustible debido a que hay una diferencia cada vez menor en el vacío por arriba y por debajo de la válvula del acelerador.
Sin embargo, conforme se mueve más aire a través del vénturi, el vacío de esté se hace más fuerte, la tobera de combustible y el sistema de medición principal se hace cargo. Mientras más abierta esté la válvula del acelerador, más rápido fluirá el aire y más grande será el vacío del vénturi. Esto hará que se descargue más combustible de la tobera principal para mantener la relación correcta de aire y combustible.
Sistema de Potencia
Para una operación de alta velocidad con el acelerador todo abierto, la mezcla de aire-combustible debe enriquecerse. El sistema de potencia produce este aumento de mezcla y se divide en :
1) Sistema operado mecánicamente. Este sistema utiliza una varilla de medición y una esprea . Esta última es una perforación o un orificio efectuado con precisión, a través del cual pasa el fluido. La varilla de mediciónes cónica, o bien contiene dos o tres o más pasos de diámetros diferentes. En el carburador la varilla de medición está sujeta al acoplamiento del acelerador. Cuando el acelerador está cerrado, la varilla de medición está abajo. El diámetro más grande está introducido en la esprea, lo que restringe el flujo de combustible hacia la tobera principal. Sin embargo, fluye suficiente combustible para la operación de marcha en vacío y de acelerador parcialmente abierto.Conforme se abre la válvula del acelerador, el acoplamiento eleva la varilla de medición. Esto deja una sección de diámetro menor de la varilla dentro de la esprea y puesto que la esprea está menos restringida, fluye más combustible, para más potencia del motor.
2) Sistema operado por vacío. Utiliza el vacío del múltiple de admisión, el carburador con dos varillas de medición, que se elevan y bajan debido al movimiento de un pistón de potencia. Un alto vacío hace que el pistón de potencia venza la fuerza del resorte y tire hacia debajo de las varillas de medición, lo que limita el flujo de combustible a través de las esprea de las varillas de medición. Conforme se abre el acelerador y el vacío del múltiple de admisión se hace más débil, el resorte empuja el pistón de potencia hacia arriba, eleva las varillas de medición y permite el paso de más flujo de combustible a través de las espreas. Un carburador con un difragma de vacío, cargado con resorte acoplado a la varilla de medición. Cuando el acelerador se abre completamente, existe poco vacío del múltiple de admisión. El resorte baja el diafragma y la varilla de medición. Así se mueve una sección de diámetro más pequeña de la varilla en la esprea, por lo que fluye más combustible. Algunos carburadores tienen un sistema combinado de potencia en vacío y mecánico. La varilla de medición está acoplada tanto a la válvula del acelerador como a un diafragma de vacío.
Compensación en altitudA gran altitud la presión atmosférica es menor y el aire es menos denso, lo que puede hacer que el carburador produzca una mezcla más rica, con un rendimiento del motor pobre y elevadas emisiones de escape.Al fin de corregir lo anterior, algunos carburadores tienen un compensador de altitud que automáticamente ajustas la mezcla aire-combustible en función de cambios en altitud. El dispositivo es un pequeño barómetro aneroide, que consiste en un fuelle sellado, con vacío parcial en su interior. El fuelle se alarga en condiciones de una menor presión de aire y hace que baje la varilla de medición dentro de una esprea, reduciendo la cantidad de combustible que puede fluir a través de la misma.
EstranguladoresPara arrancar un motor, el carburador debe suministrar una mezcla muy rica. Con el carburador y el motor frío, sólo se evapora una parte del combustible, por lo que se necesita combustible adicional, de manera que se evapora lo suficiente para producir una mezcla de combustible.Los carburadores de vénturi fijo tienen una válvula de estrangulación redonda o rectangular en la parte superior de la toma de aire que está controlada mecánicamente o automáticamente. Durante el arranque, la velocidad del aire a través del carburador es baja, por lo que el vacío del vénturi es demasiado pobre para hacer que la tobera de combustible o el sistema de marcha en vacío suministren combustible. Cerrando la válvula el flujo se estrangula, y se incrementa el vacío en el carburador al hacer girar el motor.
Esto hace que la tobera de combustible suministre suficiente combustible, de manera que el motor puede arrancar y operar.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
1. Características Generales y operación
Introducción
El rendimiento de un Motor de Combustión Interna MCI está asociado a su capacidad para convertir el total de la energía suministrada en trabajo útil. Para elevar el rendimiento térmico del motor es ideal operarlo a temperaturas lo más elevadas posibles, pero hay limitantes como los materiales, los cuales no pueden trabajar en rangos tan altos de temperatura, siendo necesario una apropiada remoción del calor para prevenir fallas debido a la fatiga térmica. Igualmente las altas temperaturas de operación son precursoras de contaminantes como NO2, requiriéndose de tecnologías cada vez más eficientes de tratamiento de gases
La temperatura es un parámetro que afecta de manera importante el funcionamiento de los motores de combustión interna modernos.En algunas partes del motor se tienen temperaturas mayores de 1000°C (cámara de combustión), en algunos casos los gases de escape salen a 550°C. En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra a través del combustible se pierde en forma de calor. El sistema de enfriamiento es el que se encarga de que los diferentes componentes del motor se mantengan en temperaturas seguras y así evitar que el motor sufra desgastes prematuros o daños importantes y lograr con ello su máximo rendimiento.
Algunas partes del motor que se deben enfriar constantemente son:
- Cámara de combustión
- Parte alta del cilindro
- Cabeza del pistón
- Válvulas de escape y de admisión
- Cilindro
Razones para Refrigerar el motorDurante la combustión, parte de la energía generada no es convertida en energía mecánica y se disipa en forma de calor. Según el diseño del motor alrededor del 33% de la
energía potencial del combustible se transforma en trabajo mecánico, y el resto se transforma en calor que es necesario disipar para evitar comprometer la integridad mecánica del motor.
El sistema no solo debe limitar la temperatura máxima del motor para evitar daños al mismo. También debe mantener la temperatura óptima de funcionamiento que, dependiendo del diseño del motor, se encuentra en el rango de 80 a 100°C. De su buen funcionamiento depende en buena medida el rendimiento térmico del motor.2
Si el motor trabaja por encima de su temperatura óptima, se corre el riesgo de disminuir la viscosidad del aceite y aumentar el desgaste del motor, se produce un recalentamiento de las piezas y una mayor fricción entre estas. También puede producirse detonaciones al encenderse la mezcla combustible antes de tiempo.
Si el motor trabaja por debajo de su temperatura óptima, se aumenta el consumo de aceite y el desgaste de las piezas, ya que éstas están diseñadas para dilatarse por efecto del calor a un tamaño determinado, se reduce la potencia por falta de temperatura para una combustión eficiente, se producen incrustaciones de carbón en válvulas, bujías y pistones.
Objetivo del sistema de enfriamiento
- Reducir la temperatura dentro de rangos seguros de operación para los diferentes
componentes, tanto exteriores como interiores del motor
- Disminuir el desgaste de las partes
- Reducir el calentamiento de los elementos de la máquina que se mueven unos con
respecto a otros
- Mantener una temperatura óptima para obtener el mejor desempeño del motor
El sistema de enfriamiento mantiene el motor a su temperatura más eficiente, en todas las velocidades y condiciones de operación. Al quemarse el combustible en el motor se produce calor, parte del cual debe ser eliminado antes que dañe las partes del motor. Esta es una de las tres tareas que lleva a cabo el sistema de enfriamiento. También ayuda a poner al motor a la temperatura de operación normal tan rápido como sea posible.
La mayor parte de los motores son enfriados por líquido. El motor tiene aberturas o espacios conocidos como camisas de agua, que rodean a los cilindros y a las cámaras de combustión Estos pasajes están fundidos en las cabezas de cilindros y en la mayor parte de los bloques de cilindros.
Una bomba de refrigerante impulsada por el motores decir una "bomba de agua" hace circular el refrigerante líquido (una mezcla de agua y de anticongelante) a través de las camisas de agua.
El refrigerante absorbe el calor y lo lleva al radiador. El aire que pasa a través del radiador se lleva el calor excedente, lo que impide que se sobrecaliente el motor.
La Necesidad del Sistema de Refrigeración. Cuando quemamos combustible aprovechamos aproximadamente 30% de su energía para mover el vehículo, generar luz o mover nuestra máquina. Lo demás se convierte en calor: 33% pasa por el caño de escape, 7% al medio ambiente por el contacto con el aire, y 30% va al agua y el aceite para ser absorbido por el sistema de refrigeración.
Para que éste sistema trabaje eficientemente, tiene que estar libre de corrosión, obstáculos, y lodos. Un poco de corrosión restringe la circulación, causa cavitación y evita la transferencia del calor de la combustión al agua.
Refrigeración
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles, de aviones y los motores fuera de borda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro (difusores de calor).
En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador.
Es importante que el líquido que se usa para enfriar el motor no sea agua común y corriente porque los motores de combustión trabajan regularmente a temperaturas más altas que la temperatura de ebullición del agua. Esto provoca una alta presión en el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques (tapones) y sellos de agua (retenes) así como en el radiador. Se usa un refrigerante, pues hierve a una temperatura más alta que el agua y congela a temperaturas muy bajas.
Otra razón por la cual se debe usar un refrigerante es que éste no produce sarro ni sedimentos que se adhieran a las paredes internas del motor y del radiador formando una capa aislante que disminuirá la capacidad de enfriamiento del sistema. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.
Refrigerantes
El sistema cuenta con el refrigerante que es la sustancia encargada de transferir el calor
hacia el aire del medio ambiente, y debe tener las siguientes características:
- Mantener el refrigerante en estado líquido evitando su evaporación.
Esto se logra al cambiar el punto de evaporación de la sustancia refrigerante
- Mantener el refrigerante en estado líquido evitando la formación de hielo al bajar la
temperatura ambiente, esto se logra al cambiar el punto de congelación de la
sustancia refrigerante
- Evitar la corrosión
- Tener una gran capacidad para intercambiar calor
El agua es el fluido de enfriamiento básico porque es abundante, barato y fluye con facilidad. Los productos químicos que contiene un buen anticongelante mejoran las propiedades del agua y la convierten en un excelente fluido de enfriamiento. Estas sustancias están diseñadas para reducir la formación de espuma, reducir cavitación y evitar la corrosión. La base de casi todos los anticongelantes es el etilenglicol o el propilenglicol.
Casi todos los fabricantes recomiendan una mezcla de 50% de anticongelante y agua (mitad y mitad), en áreas muy frías la mezcla puede ser más concentrada pero el límite es 67% (2/3 de anticongelante y 1/3 de agua)
Los Refrigerantes:
Hay varias opciones de refrigerantes para circular en el sistema: 1. Agua. 2. “Agua verde” (vendida en la mayoría de puestos). 3. Refrigerante/Anticongelante/Anticorrosivo tradicional a base de etilenglicol4. Refrigerante/Anticongelante/Anticorrosivo a base de etilénglicol y Carboxilatos
2. TIPOS DE SISTEMA
Los sistemas de enfriamiento se clasifican generalmente de acuerdo al tipo de elemento utilizado para enfriar el motor En algunos casos es un líquido y en otros es aire. Ambos elementos presentan características muy particulares.En sistemas que manejan aire como elemento refrigerante, se requieren grandes cantidades de este elemento para enfriar al motor, por lo cual su uso está restringido a motores pequeños (como en el caso de algunas motocicletas) o en condiciones muy específicas. Generalmente el aire es llevado al exterior del cilindro el cual cuenta con una serie de aletas para mejorar la transferencia de calor, en otras ocasiones el aire es utilizado además para enfriar un radiador por el cual circula el aceite lubricante y es éste el que realmente enfría al motor.
Enfriamiento por líquido
El líquido es movido por una bomba que se acciona desde la polea del cigüeñal, de manera que siempre que este funcione, la bomba hace circular el líquido al sistema, una válvula de control de flujo cuya apertura depende de la temperatura, restringe el flujo de refrigerante en mayor o menor medida de acuerdo a esta, y así garantizar una temperatura adecuada en el agua que sale del motor y con ello su temperatura de trabajo. Esta válvula se conoce como termostato.
El refrigerante caliente procedente del motor se hace circular por un intercambiador de calor dotado de múltiples tubos con aletas, conocido como radiador, por el que se hace circular un flujo de aire externo representado con flechas azules para enfriarlo.Una hélice accionada eléctricamente o bien desde el motor a través de un embrague térmico induce el flujo de aire para el funcionamiento del intercambiador de calor.Por último un sensor especial alimenta el indicador al conductor, que puede ser una señal luminosa de alarma o un aparato indicador de la temperatura o ambos. El aparato indicador de la temperatura generalmente es un termómetro de termo resistencia.Como el sistema está completamente lleno con agua y esta se dilata y contrae al calentarse y enfriarse, el sistema está provisto de una válvula de seguridad de presión calibrada, que se abre y cierra por la propia presión.
1. Radiador2. Ventilador3. Bomba de agua4. Tapón de radiador5. Mangueras6. Termostato7. Tolva8. Poleas y bandas9. Depósito recuperador (pulmón)10. Camisas de agua11. Intercambiador de calor (de aceite para motores a diesel)12. Bulbo de temperatura.
Enfriamiento por aire
En la refrigeración por aire el enfriamiento se obtiene mediante el barrido de los cilindros por la corriente de aire efectuada por el desplazamiento de la máquina (motos y aviones), o forzada mecánicamente. Este sistema es muy utilizado en motores de motocicletas, aviación de baja y alta potencia y turismos de escasa potencia, debido a su menor peso, mayor fiabilidad y/o bajo coste.
Las ventajas de este sistema son: casi nulo mantenimiento, seguridad al no tener casi partes móviles ni agua, rápido alcance del equilibrio térmico, menor peso, y menor costo.
Las desventajas son: motor ruidoso, regulación delicada, y absorción de energía por la turbina.
Al sistema de enfriamiento por aire lo forman:
1. Ventilador (también llamado turbina)2. Mangueras
3. Termostato4. Poleas y bandas5. Aletas en el cilindro6. Bulbo de temperatura7. Radiador de aceite8. Tolva
Circuito del sistema de enfriamiento por aire en el motor
Una hélice radial movida desde el cigüeñal del motor a través de una correa, está ubicada dentro de un cuerpo de forma adecuada para dirigir el flujo de aire hacia la camisa del cilindro que es la parte a refrigerar. El diámetro de la hélice así como la relación de transmisión entre las poleas están bien elaborados para garantizar la cantidad de aire necesario. La camisa del cilindro está dotada de aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor con el aire y así mejorar el enfriamiento.
Un termostato, que puede ser mecánico o electro-mecánico, regula la apertura de la compuerta de salida de acuerdo a la temperatura del aire procedente de la camisa para mantener el motor a la temperatura óptima.
Este mecanismo es en cierto modo auto compensado, ya que a medida que crece la velocidad del motor y se producen más ciclos de combustión, automáticamente se genera más aire de enfriamiento debido al propio aumento de la velocidad de rotación de la hélice que está acoplada al cigüeñal.
En la mayor parte de las aplicaciones la correa que mueve la hélice también mueve otros agregados del motor como el alternador, el fallo de la correa puede encender una alarma luminosa al conductor en caso de fallo debido a la falta de servicio de alguno de los otros agregados, y por lo tanto, en ocasiones el indicador de temperatura del motor no existe en el tablero.
3. Componentes del sistema
La vida del motor depende de la funcionalidad de todos los componentes del sistema al 100% de su capacidad. No podemos anular partes del sistema y esperar los mismos resultados. El Radiador
Situado generalmente en la parte delantera del vehículo, de forma que reciba directamente el paso de aire a través de sus paneles y aletas refrigerantes durante el desplazamiento del mismo y donde se enfría el agua procedente del motor.
Este elemento está formado por dos depósitos, uno superior y otro inferior, unidos entre sí por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeración, o por una serie de paletas en forma de nidos de abeja que aumentan la superficie radiante de calor. Tanto los tubos y aletas como los paneles se fabrican en aleación ligera generalmente de latón, facilitando, con su mayor conductibilidad térmica, la rápida evacuación de calor a la atmósfera.
Es un componente crítico para el funcionamiento del sistema. Si su resorte esta dañado, la goma gastada ó seca, no mantiene la presión necesaria para evitar la ebullición.
El depósito de expansión
Muchos sistemas utilizan un depósito para recibir el exceso refrigerante generado por la expansión del mismo, permitiendo su retorno al radiador cuando el sistema se enfría. Cuando el sistema no cuenta con éste elemento, requiere un colchón de aire en la parte superior del radiador para comprimirse en el calor, absorbiendo la diferencia de volumen
La Bomba de agua
Se halla instalada en el bloque del motor y es movida directamente por la polea del cigüeñal, a través de una transmisión por correa trapezoidal. Dicha bomba aspira el agua del radiador y la hace circular por el interior del bloque y la culata para refrigerar los cilindros y la cámara de combustión.
La bomba de agua gira con la misma velocidad que el motor, por un engranaje o polea. El exceso de agua empujado vuelve directamente al radiador. Cuando la bomba sufre de cavitación, corrosión o abrasión, pierde eficiencia. Evitaremos estos daños si aplicamos un buen refrigerante en el sistema y facilitaremos la circulación del agua. En esta foto podemos ver la cavitación causada por el movimiento del agua por las aletas de la bomba al no ser protegida con un buen refrigerante.
El Termostato
Tal como un atleta que tiene que calentarse antes de correr, el termostato funciona para calentar el motor antes de trabajar y lo mantiene a la temperatura óptima para su trabajo. Así el termostato es el controlador de la temperatura. Cuando la temperatura del motor se acerca a la temperatura nominal del termostato (normalmente 80ºC), este empieza a abrirse, dejando pasar un poco de agua para mezclarse con el agua caliente e iniciar el proceso de refrigeración. Cuando el motor se calienta totalmente, el termostato se abre a plenitud, controlando la velocidad de circulación del agua. El termostato de 80ºC normalmente empieza ha abrirse a 80ºC y queda totalmente abierto después de los 93ºC. Esto garantiza que el motor trabaje en su rango de temperatura ideal.
Adosado generalmente a la polea de la bomba, que activa el paso de aire a través del radiador. El rotor tiene cuatro o seis aspas inclinadas convenientemente para la aspiración del aire y está fabricado en chapa o plástico duro. En muchos diseños el ventilador es movido por un motor eléctrico. Éste motor es comandando por un termostato que se encuentra en el bloque de cilindro o en la culata en contacto con el agua, de tal manera que al alcanzar ésta un temperatura determinada, cierra el circuito eléctrico poniendo en marcha el motor y el ventilado
Las Mangueras.- Las mangueras forman una parte importante en el sistema. Por falla de una manguera se puede perder todo el refrigerante y posiblemente fundir el motor. La manguera de salida del radiador es reforzada para resistir la succión creada por la bomba.
4. Principales problemas del sistema
Los motores de combustión interna están diseñados para operar eficientemente por un largo tiempo mientras se mantenga la temperatura interna entre 82oC y 100oC.
Si operamos con la temperatura por encima de este rango: 1. Corremos el riesgo de reducir la viscosidad del aceite, disminuyendo la protección al
desgaste. 2. Provocamos incremento de fricción entre las piezas móviles. 3. Incrementamos el calentamiento de las piezas. 4. Causamos tecleo por encender el combustible en el cilindro antes de tiempo.
Si operamos con una temperatura por debajo de este rango: 1. Aumentamos el consumo de combustible porque el sistema ajusta la mezcla para la
temperatura del motor. 2. Acumulamos agua en el aceite como residuo de la combustión, causando corrosión,
herrumbre, formación de lodos, taponamiento del filtro de aceite y por ende la circulación de aceite “sucio” por el motor.
3. Aumentamos el consumo de aceite y desgaste de piezas porque ellas están diseñadas para expandir hasta su tamaño y tolerancia normal cuando están en el rango correcto de temperatura.
4. Reducimos la potencia del motor por la pérdida de compresión (punto 3) y la falta de temperatura para una combustión eficiente.
5. Causamos herrumbre en el sistema de escape por la falta de evaporación del agua residual de la combustión.
6. Causamos depósitos de nitración, carbón y barniz en las válvulas, bujías y pistones. Efectos de la altitud ( sobre el nivel del mar ) en el refrigerante y el sistema.
El punto de ebullición del agua varía en diferentes partes del país de acuerdo a la altitud, encontrándose entre 85ºC a 99ºC. Si no mantenemos el sistema trabajando como fue diseñado, tendremos problemas de pérdida de agua y sobrecalentamiento del motor.
El sistema de refrigeración está diseñado para operar presurizado a 15 psi (1 bar). Esta presión está determinada por el diseño de la tapa del radiador. La tapa correcta sube la temperatura de ebullición del agua 16.7ºC, compensando por una parte la eficiencia que perdemos por estar sobre el nivel del mar.
La tapa tiene que sellar bien contra el cuello del radiador y mantener la presión correcta.
Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una temperatura homogénea entre 82° y 113°C. Un sistema que no cumpla los requisitos que se exigen puede producir los siguientes efectos:
- Desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, en especial en el pistón con
la pared del cilindro
- Preignición y detonación
- Daño a componentes del motor o accesorios (radiador, bomba de agua, cabeza del
motor, monoblock, bielas, cilindros, etc.)
- Corrosión de partes internas del motor
- Evaporación del lubricante
- Formación de películas indeseables sobre elementos que transfieren calor como los
ductos del radiador
- Sobreconsumo de combustible
5. Mejoras e innovaciones
Gestión Térmica Inteligente
Los desarrollos futuros van encaminados a conseguir una regulación optimizada de los diferentes flujos de calor y materiales existentes en el sistema.
La gestión térmica va más allá de la técnica del sistema de refrigeración, ya que tiene en cuenta todos los flujos de calor y materiales existentes en el vehículo, es decir, teniendo en cuenta, además de los elementos del sistema de refrigeración, los del sistema de climatización. Los objetivos de la optimización buscan: o Reducir el consumo de combustible y las emisiones de materiales nocivos o Aumentar el confort climático dentro del vehículo o Aumentar la duración de los componentes o Mejorar la potencia refrigeradora en estados de carga parcial.Uno de los puntos de partida de la gestión térmica es la realidad de que las energías auxiliares para el funcionamiento del sistema de refrigeración representan siempre una pérdida para el consumo de energía del vehículo y que la capacidad de rendimiento de los componentes con una alimentación de energía auxiliar no se puede aumentar a voluntad.Por ello, y para alcanzar los objetivos de optimización, se dota al sistema de refrigeración de “inteligencia” en forma de actuadores, así como de sistemas de regulación controlados por microprocesadores para mejorar el funcionamiento de dichos actuadores. (Ejemplo: Cortinas de aire de refrigeración y ventiladores regulables).
Refrigeración de alto rendimiento
Los motores de competición utilizan sistemas de refrigeración de alta presión. Esto significa que utilizan tapas de radiador especiales de 22 a 26 libras por pulgada. Esta presión inhibe la ebullición y aumenta la temperatura de funcionamiento lo cual trae consigo un mejor aprovechamiento del calor para generar potencia.
Refrigeración en aeronaves
Un motor de aeronave tiene una forma de calentar el motor, el cual trata de convertir la energía térmica en energía mecánica. Pero esto es una conversión ineficiente, ya que solo se cambia un tercio de la energía de la usada para potencia.
Alrededor de la mitad de este calor es llevado al escape y mucho del resto es absorbida por el aceite o por el metal del motor y es transferido dentro del aire a través del sistema de enfriamiento.
Muchos de los motores de aeronaves rápidas fueron adaptados en motores de automóviles y son enfriados por agua que pasa a través de las cubiertas alrededor de los cilindros para absorber el calor desde las paredes de los cilindros y las cabezas de cilindros.
El calor del agua es llevado fuera del motor dentro del radiador donde pasa aire a través de los absorbedores de calor.
Los motores enfriados por agua han estado desde el inicio del automóvil, pero desde que las aeronaves operan a altitudes donde la presión del aire es baja, el agua comienza a hervir a baja temperatura y como el sistema debe estar sellado para mantener el agua bajo presión, esto
provoca que este peso vibre, teniendo fugas y fallas de vuelo el sistema ya que el agua va presurizada,
El agua cede el calor trasportado por medio de radiadores, los cuales hay de distintas formas. Algunas aeronaves tienen radiadores en la parte frontal del motor en donde el paso de la hélice refresca el corazón del radiador por el aire que pasa a través del sistema . Mientras otros tienen el radiador montado en la parte baja del motor o en una cabina cerca de la sección central de las alas. Y algunas aeronaves de alta velocidad usan radiadores superficiales en el cual el enfriamiento del agua pasa entre el espesor de la hoja de latón que fue instalado alrededor de las superficies de las alas.
Muchas de los problemas del enfriamiento por líquidos fue resuelto al sustituir el glicólico etileno por agua, que es alcohol líquido grueso que tiene un bajo punto de congelación y un alto punto de calentamiento, requiere de muy poco volumen que el sistema de agua y puede remover una cantidad equivalente de calor.
La transferencia de calor desde el interior del motor a un líquido enfriador es llevado a un radiador externo donde el calor puede ser transferido con el aire, algunos motores para motores de aeronaves rápidas, colocaron aletas sobre el exterior de los barriles de cilindros y sus cabezas. El aire fluye alrededor de las aletas absorbiendo el calor, enfriando efectivamente el cilindro.
Los motores radiales mandaban naturalmente el aire por los cilindros, estando expuestos al flujo de aire, siendo el motor más eficiente Wright J5-C.
El enfriamiento por aire resulto ser eficiente, pero las aeronaves eran castigadas por el incremento de arrastre, cayendo la velocidad de las aeronaves a 120 millas por hora. Algunos métodos de reducción de arrastre encerraban las cabezas de los cilindros en una cobertura aerodinámica, minimizando el arrastre causado por el aire turbulento alrededor de las cabezas de cilindro.
Tanto la velocidad y el incremento de potencia demandaban la necesidad de un enfriamiento más eficiente con menos arrastre de aire. Fue hasta 1930 cuando NACA trajo una cobertura aerodinámica en los motores radiales, que cubrían completamente todas las porciones del motor y los sellos deflectores del área entre las cabezas de los cilindros y todo el espacio entre cilindros.
Los deflectores intercilindricos cubre la parte trasera de los cilindros, además que el aire fluye a través de las aletas, forzándolo a fluir dentro del área del centro de los cilindros. Un área que es insuficientemente enfriada en instalaciones sin deflectores. Este provee el efecto enfriante y bajo arrastre para motores radiales.
Siempre en los renglones dos y cuatro de los motores radiales son enfriados por presión de aire, gracias a los deflectores. Para controlar la cantidad de enfriamiento, una cubierta o capote medidor de fluido es instalada en la parte de atrás de la cubierta. Cuando estos flaps se abren, el flujo de aire pasa entre ellos creando una baja presión detrás de los cilindros que incrementan la caída de presión que cruza los cilindros, en donde cada posición se incrementa el flojo de aire a través de las aletas.
Cuando la velocidad del aire es alta y la necesidad de enfriamiento es disminuida, la cubierta de los flaps puede ser cerrada para disminuir el flujo a través de los cilindros y la instalación del motor aerodinámicamente.
La presión de enfriamiento es usada, no solo en motores radiales, sino también para motores en línea y motores horizontalmente opuesto. La cubierta para motores en línea trae aire en una de
las partes del motor y pase a través de las aletas de los cilindros donde esto es mantenido por los deflectores intercilindricos. Además este arrastre dentro de área de baja presión es creada por la cubierta de los flaps sobre los lugares opuestos del motor
El motor Horizontalmente opuesto hace efectivo el uso de presión de enfriamiento a través de abrir la cubierta. Aquí el aire de impacto presuriza el área bajo el motor, y además este fluye a través de los cilindros por el espacio debajo del motor y afuera a través de la cubierta de los flaps en la parte posterior de la cubierta baja. Las aeronaves pequeñas pueden no tener cubiertas en los flaps, tienen un borde sobre la cubierta baja que crea una caída de presión para asistir el flujo de aire a través de los cilindros
El defllector intercilindrico y el deflector vertical posterior son de plastico, goma o banda de cuero que proveen un sello de aire entre los deflectores y la cubierta, previendo perdida de aire en áreas críticas, siendo esto vital cuando se instala la cubierta, esto tiene atención especial para ese sello para asegurar que ellos estén en buena condición y que ellos tomen los limites de manual de servicio.
El tubo aumentador es usado en algunas aeronaves para aumentar o incrementar el flujo de aire a través de los cilindros en cada lado, fluye a través de un colector de descarga dentro del tubo interior aumentador. Este flujo de alta velocidad crea el gas bajo presión y arrastra aire desde arriba del motor por las aletas de los cilindros
SISTEMA DE INDUCCION
ASPIRACION NATURAL
UN MOTOR ALTERNATIVO TIENE UNA ASPIRACION DE AIRE, EL CUAL SIGNIFICA QUE ELLOS DEBEN TOMAR UNA CANTIDAD SUFICIENTE DE AIRE PARA COMBINAR CON EL COMBUSTIBLE PARA CALENTAR Y CONVERTIR LA MEZCLA QUE AL QUEMARLA LIBERA ENERGIA EN FORMA DE CALOR PARA CONVERTIRLA EN TRABAJO MECANICO. UN SISTEMA DE INDUCCION PERMITE PROVEER LA CANTIDAD DE AIRE PARA SER INTRODUCIDO AL MOTOR.
UN MOTOR EQUIPADO CON UN CARBURADOR TIENE EL PROBLEMA POR CONGELAMIENTO. EL COMBUSTIBLE ES ASPIRADO DENTRO DEL AIRE EN LA NARIZ PRINCIPAL DE DESCARGA, EN FORMA DE LIQUIDO ATOMIZADO, ENTRANDO COMO VAPOR, POR LO QUE ABSORBE EL CALOR DEL AIRE. ESTA PERDIDA DE CALOR BAJA LA TEMPERATURA BASTANTE, AL GRADO QUE EL AGUA CONTENIDA EN EL AIRE SE EMPIEZA A CONDENSAR. AL ENFRIARSE EL AGUA SE CONGELA, RESTRINGIENDO EL FLUJO DE AIRE DENTRO DEL MOTOR.
PARA PREVENIR LA FORMACION DE HIELO EN EL CARBURADOR LA FAA REQUIERE QUE CADA SISTEMA DE INDUCCION DE UN MOTOR ALTERNATIVO DEBE PREVENIR Y ELIMINAR EL HIELO, A NO SER QUE ESTO SE HAGA POR OTRO MEDIO; DEBE MOSTRAR QUE EL AIRE DEBE ESTAR A 30 ºF. CADA AEROPLANO CON UN MOTOR A NIVEL DEL MAR QUE USA UN VENTURI CONVENCIONAL, PUEDE SER PRECALENTADO ALCANZANDO UNA TEMPERATURA DE 90ºF CON UN MOTOR AL 75% DE POTENCIA CONTUNIA MAXIMA. CADA AEROPLANO CON UN MOTOR A CIERTA ALTITUD QUE USA UN VENTURI CONVENCIONAL DEBE TENER UN PRECALENTAMIENTO QUE PUEDE ALCANZAR UNA TEMPERATURA DE 120ºF CON EL MOTOR AL 75% DE POTENCIA.
EL AIRE SE TOMA DE LA PARTE FRONTAL DE LA CUBIERTA; DONDE PUEDE TOMAR VENTAJA DEL EFECTO DE IMPACTO DEL AIRE DURANTE UN VUELO NORMAL PARA PROVEER UN PEQUEÑO INCREMENTO EN LA CANTIDAD DE AIRE QUE ENTRA EN EL MOTOR.ESTE AIRE PASA A TRAVES DE UN FILTRO Y ENTRA AL CARBURADOR. CUANDO ES NECESARIO CALENTAR EL AIRE, HAY UNA VALVULA QUE INCIDE EN EL CARBURADOR QUE TOMA PARTE DE LOS GASES DEL SISTEMA DE ESCAPE PARA SUBIR LA TEMPERATURA DEL AIRE ENTRANTE. SIN EMBARGO ESTE AIRE QUE SE PRECALIENTA CON LOS GASES DE ESCAPE NO ESTA FILTRADO, LO QUE IMPIDE USAR EL PRECALENTAMIENTO DEL AIRE EN TIERRA, ESPECIALMENTE CUANDO ESTA EN LUGARES ARENOSOS O POLVOSOS.
EL MOTOR EQUIPADO CON EL SISTEMA DE INYECCION O CON CARBURADOR A PRESION QUE NO ES SUCEPTIBLE ALTAMENTE AL HIELO, PUEDE USAR AIRE QUE HA SIDO PRECALENTADO AL PASAR A TRAVES DE LAS ALETAS DE ENFRIAMIENTO EN LUGAR DE PASAR ALREDEDOR DEL ESCAPE. ES DECIR UN SISTEMA ALTERNO.
QUE CUANDO LA VALVULA DE AIRE ALTERNO ESTA EN LA POSICIÓN DE FRIO, UNA VALVULA DE MARIPOSA PERMITE QUE EL AIRE FLUYA A TRAVES DE UNA APERTURA EN LA DESCARGA DE ENFRIAMIENTO FILTRANDO EL AIRE DENTRO DEL CARBURADOR. MOVIENDO LA VALVULA DE AIRE ALTERNO EN LA CABINA PARA LA POSICION DE CERRADO, LA VALVULA DE MARIPOSA CIERRA EL FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL FILTRO. LA BAJA PRESION CAUSADA POR EL MOVIMIENTO DEL PISTON ABRE LA PUERTA DEL AIRE ALTERNO JALADO POR UNOS RESORTES Y EL AIRE QUE A PASADO POR LA ALETAS DE ENFRIAMIENTO ES TOMADO EN EL CARBURADOR.ESTE RESORTE DE LA PUERTA TAMBIEN ABRE SI LA AERONAVE VUELA EN UNA LLUVIA FRESCA Y EL AIRE FILTRA EL HIELO SUFICIENTEMENTE PARA EL CIERRE DEL FLUJO DENTRO DEL MOTOR. ADEMAS QUE EL MOTOR ESTA HAMBRIENTO DE AIRE, LA PUERTA AUTOMATICAMENTE ABRIRA Y PERMITIRA UN AIRE CALIDO QUE SERA MENEJADO DENTRO DEL CARBURADOR.
ALGUNAS AERONAVES SON EQUIPADA CON MEDICION DE TEMPERATURA DE AIRE PARA AVISAR AL PILOTO DE DAÑOS POR LA FORMACION DE HIELO EN EL CARBURADOR O DE IGUAL FORMA SERIOS PROBLEMAS EN LA TEMPERATURA DEL AIRE DE ENTRADA.
LA TEMPERATURA CORRIENTE ARRIBA EN LA ENTRADA DE AIRE DEL CARBURADOR. EL HIELO ES MAS PROPENSO A OCURRIR CORRIENTE ABAJO EN LA NARIZ DE DESCARGA DEL COMBUSTIBLE, Y ADEMAS LA MEDICION DE LA TEMPERATURS POR LA SONDA NO ES LA TEMPERATURA ACTUAL DE LA PARTE MAS VITAL DEL SISTEMA DE INDUCCION. PERO LA FABRICACION DE LA AERONAVE HA SIDO DETERMINADA POR LA PRUEBA DE VUELO RELACIONADA ENTRE EL INDICADOR DE TEMPERATURA DEL AIRE DEL CARBURADOR Y LA ACTUAL TEMPERATURA QUE SE DESCARGA EN LA NARIZ, Y LA TEMPERATURA LIMITE ESTA PARA AVISAR AL PILOTO DE UNA TEMPERATURA DE ENTRADA DE AIRE QUE PERMITIRA LA FORMACION DE AIRE. LA MEDICION DE LA TEMPERATURA ESTA USUALMENTE MARCADA CON UN AREA DE PELIGRO DE BAJA TEMPERATURA QUE PUEDE INDICAR UNA FORMACION DE HIELO TAMBIEN COMO UNA AREA DE ALTA TEMPERATURA QUE AVISA DE UNA POSIBILIDAD DE DETONACION.
ALGUNSO MOTORES ALTERNATIVOS LARGOS TIENEN SUPLEMENTOS PARA CALENTAR EL CARBURADOR O UN SISTEMA DE AIRE ALTERNO CON UN SISTEMA DE DESHIELO DE ALCOHOL, QUE PERMITE AL PILOTO ROCIAR ALCOHOL EN LA ENTRADA DEL CARBURADOR PARA REMOVER EL HIELO.
LOS MOTORES RADIALES TIENEN UNA VENTAJA SOBRE LOS MOTORES OPUESTOS EN SUS SISTEMAS DE INDUCCION, YA QUE MUCHOS DE ELLOS TIENEN UNA SECCION DE DIFUSOR EN EL CENTRO DEL MOTOR DENTRO DEL CUAL EL CARBURADOR DESCARGA LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE. EL DUCTO DE INDUCCION ALIMENTA UNIFORMEMENTE LA MEZCLA DESDE ESTA SECCION POR LA VALVULA DE ENTRADA DE CADA UNO DE LOS CILINDROS. PARA ASEGURAR UNA COMPLETA VAPORIZACION DE COMBUSTIBLE, ALGUNOS DE ESTOS MOTORES RUTAN UNA PARTE DE LOS GASES DE ESCAPE A TRAVES DE LOS TUBOS DE ACERO QUE PASAN POR LA SECCION DEL DIFUSOR, JUSTO DEBAJO DEL CARBURADOR.
UN MOTOR OPUESTO HORIZONTALMENTE TIENE AL CARBURADOR MONTADO SOBRE EL COLECTOR DE ACEITE Y LOS TUBOS DE INDUCCION PASAN A TRAVES DEL ACEITE. ESTO SIRVE COMO DOBLE FUNCION; PARA ENFRIAR EL ACEITE Y AL MISMO TIEMPO CALENTAR EL AIRE DE ENTRADA SIN DAÑAR ALGUN PUNTO QUE PROVOQUE DETONACION. EL CARBURADOR, CUANDO ESTA MONTADO EN ESTA POSICION, ESTA LOCALIZADO CENTRALMENTE Y ESTO PUEDE PROVEER UNA MEZCLA DE AIRE-COMBUSTIBLE PARA TODOS LOS CILINDROS.
FILTROS
LA ARENA QUE SE INTRODUCE EN EL MOTOR ACTUA COMO ABRASIVO Y VESTIRA LAS PAREDES DE LOS CILINDROS Y ANILLOS DEL PISTON.
LA ARENA FORMARA UN CONTAMINANTE DE SILICATO DE PLOMO EN LA COBERTURA DE LA NARIZ DE LA BUJIA AISLADA QUE ES EXTREMADAMENTE DIFICIL DE REMOVER Y ES CONDUCTIVA CUANDO ESTA CALIENTE. ESTE CONTAMINANTE PUEDE HACER INTERRUPCIONES DE BUJIA. MUCHOS DE LOS FILTROS DE AIRE ESTAN HECHOS DE UNA MALLA DE ALAMBRE; LA CUAL ESTA HECHA CON UN MATERIAL FIBROSO LLAMADO BANDA, DE PAPEL O DE UN MATERIAL ACUOSO.
SUPERCARGADOR
NATRUALMENTE O NORMALMENTE UN MOTOR ASPIRADO ES CUANDO LOS CILINDROS SON LLENADOS CON AIRE FORZADO DENTRO DE ELLOS POR PRESION ATMOSFERICA. LAS TOMAS DE LAS VALVULAS ABREN CUANDO EL PISTON SE MUEVE HACIA ABAJO Y LOS GASES DE ESCAPE HAN SALIDO; LLENANDO EL CILINDRO PARA EMPEZAR LA CARRERA DE COMPRESION.
LA EFICIENCIA VOLUMETRICA, ES LA RELACION ENTRE EL VOLUMEN DE CARGA DE MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE EN EL CILINDRO Y EL VOLUMEN DEL CILINDRO; EL CUAL NUNCA ALCANZARA EL 100%. Y, POR FACTORES COMO EL COORDINACION DE VALVULAS, EL USO DEL CALENTAMIENTO DEL CARBURADOR, LA BAJA DENSIDAD DEL AIRE, HACE MAS DIFICIL LA CANTIDAD DE OXIGENO.
AL OBSERVAR LA CURVA DE POTENCIA QUE ILUSTRA LA POTENCIA AL FRENO CON UN MOTOR NATURALMENTE ASPIRADO DECRECE, CUANDO LA DENSIDAD SE INCREMENTA CON LA ALTITUD. COMO EL AIRE LLEGA HACER MENOS DENSO HAY MEOR CANTIDAD DE OXIGENO PARA COMBINAR CON EL COMBUSTIBLE. LA MAXIMA POTENCIA SE OBTIENE CUANDO LOS CILINDROS CAPTAN MAYOR CANTIDAD DE AIRE.
ALGUNOS MOTORES ESTAN DISEÑADOS CON UN COMPRESOR DE AIRE PARA COMPRIMIR LA MEZCLA AIRE-COMBUSTIBLE, DESPUES DE SALIR DEL CARBURADOR Y ANTES DE ENTRAR EN LAS TOMAS DE LOS CILINDROS. LLAMANDO A ESTE COMPRESOR RUPERCARGADOR, QUE AUMENTA LA POTENCIA EN EL MOTOR.
ALGUNOS MOTORES RADIALES USADOS EN LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL TENIAN DOS SUPERGARGADORES QUE USABAN UN CUTCH O EMBRAGUE OPERADO POR ACEITE PARA MANEJARLOS A TRAVES DE CUALQUIER RELACION DE POTENCIA.
EL DESPEGUE SE HACE CON EL SUPERCARGADOR EN BAJA RELACION DE COMPRESION Y EL MOTOR ACTUA EN LA MISMA MANERA QUE CON SOBREALIMENTADOR DE TIERRA. LA POTENCIA CAERA CON LA ALTITUD YA QUE ESTE COMPRESOR TOMA SU ENERGIA DEL CIGÜEÑAL.
TURBOCARGADOR.
EN ESTE SISTEMA SIMPLE, LA VELOCIDAD DE LA TURBINA, LA VELOCIDAD DEL COMPRESOR Y LA CANTIDAD DE AIRE COMPRIMIDO, ESTAN EN FUNCION DE LA VALVULA REGULADORA. POR LO QUE ES MUY FACIL OBTENER UN EXCESO DE PRESION DE ADMISION, LA CUAL CAUSARA DETONACION. EL OBTENER ESTE EXCESO DE PRESION HACE QUE EL MOTOR ESTE SOBRECARGADO.
EL SISTEMA PUEDE SER DISEÑADO BAJO CONDICIONES ESTANDAR DE TURBINA, NO SOBRECARGANDO AL MOTOR RAPIDAMENTE, PERO ESTAS CONDICIONES NO EXISTEN EN VUELO. ESTA LIMITACION SE SUPERA POR EL USO DE UNA COMPUESTA DE RESIDUOS DE GASES CONTROLABLE. CUANDO LA COMPUERTA ES ABIERTA TODOS LOS GASES DE ESCAPE SALEN AFUERA DE LOS TUBOS SIN PASAR POR EL TURBOCARGADOR, Y CUANDO ESTA CERRADA. TODOS LOS GASES DE ESCAPE DEBEN PASAR A TRAVES DE LA TURBINA POR EL TUBO DE OLA. LA
DIFERENCIA ENTRE VARIOS SISTEMAS DE TURBOCARGADOR ES COMO SE CONTROLA LA VALVULA DE GASES RESIDUAL.
UNO DE LOS SITEMAS MAS SIMPLES PARA CONTROLAR EL USO DE UN TURBOCARGADOR, ES USAR UNA PALANCA MANUAL ENTRE LA VALVULA REGULADORA Y LA VALVULA DE RESIDUO DE GASES DE ESCAPE. PARA DESPEGUE A BAJA DENSIDAD, LA VALVULA AVANZA A LA POSICION DE DESPEGUE Y EL MOTOR AL DESARROLLAR POTENCIA DE DESPEGUE CON LA VALVULA DE GASES RESIDUALES COMPLETAMIENTE ABIERTA, LA POTENCIA DEL MOTOR CAERA. ADEMAS LA VALVULA AVANZARA MAS ALLA DE LA POSICION DE DESPEGUE, Y EL MOMENTO ADICIONAL DE LA MARIPOSA LLEGARA A CERRAR LA VALVULA DE LOS GASES RESIDUALES, LA PRESION DE ADMISION ENTRANTE PRODUCIRA LA RELACION DE CABALLOS DE POTENCIA NECESARIA. CUANDO LA MARIPOSA ESTA RETARDADA, LA VALVULA DE RESIDUOS SE ABRE Y EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE ES MENOR. ALGUNOAS INSTALACIONES USAN ESTE SIMPLE SISTEMA CON DOS CONTROLES EL DE LA VALVULA DEL MOTOR Y EL DE LOS GASES RESIDUALES.
OTRO SISTMEA USA UN AJUSTADOR DE VALVULAS DE GASES RESIDUALES Y VALVULA DE ALIVIO DE PRESION. ESTE SISTEMA ES USADO SOLO EN ALGUNAS AERONAVES PARA SIMPLE OPERACIÓN DONDE LA VALVULA ES AJUSTABLE POR MEDIO DE UN TORNILLO ROSCADO ADHERIBLE DE LA POSICION DE LOS GASES DE ESCAPE QUE PASAN POR EL TURBOCARGADOR. REGULANDO ESTE TORNILLO HACIA AFUERA O HACIA ADENTRO SE DETERMINA LA CANTIDAD DE GASES QUE SON FORZADOS A FLUIR A TRAVES DEL TURBOCARGADOR DETERMINANDO LA CANTIDAD DE AIRE QUE ENTRA AL CARBURADOR POR EL COMPRESOR.
LA VALVULA DE RESIDUO DE GASES ES AJUSTADA PARA PRODUCIR LOS HP BAJO NIVEL DEL MAR, CUANDO ESTA TOTALMENTE ABIERTA. COMO LA AERONAVE SUBE A CIERTA ALTITUD Y LA DENSIDAD DEL AIRE DECRECE, LA PRESION DE ENTRADA TAMBIEN DECRECE.
EN EL DESPEGUE CUANDO EL AIRE SALE A BAJA TEMPERATURA QUE ES LA ESTANDAR EL PILOTO MONITOREA LA PRESION PARA PREVENIR UNA SOBREPRESION PERO PARA PROTEGER AL MOTOR, EL SISTEMA DE INDUCCION ESTA EQUIPADO CON UNA VALVULA DE PRESION DE ALIVIO. ESTA VALVULA LLEGARA A UN ASIENTO ALREDEDOR DE UNA PULGADA CUADRADA DE PRESION DE ADMISION DEBAJO DEL MAXIMO PERMITIDO, Y PARA EL TIEMPO MAXIMO PERMITIBLE PARA LA PRESION DE ADMISION, LA VALVULA ESTA APAGADA EN SU ASIENTO LO SUFICIENTE PARA SACAR TODA LA PRESION EN EL EXCESO DEL MAXIMO PERMITIDO.
UNA VALVULA DE RESIDUOS DE GASES ES ABIERTA PARA UN ROCIADO Y CERRADA POR EL MOTOR ACTUANDO SOBRE LA PRESION DEL ACEITE DEL PISTON CONTROLANDO EL FLUJO DE LOS GASES. CUANDO LA VALVULA ESTA TOTALMENTE ABIERTA, TODOS LOS GASES DE ESCAPE FLUYEN HACIA AFUERA SIN PASAR ATRAVES DEL TURBO CARGADOR.
EL ACEITE FLUYE A TRAVES DEL SISTEMA DE LUBRICACION DEL MOTOR DENTRO DE LOS CILINDROS DEL ACTUADOR DE LA VALVULA DE RESIDUOS DEL TUBO CAPILAR DEL RESTRICTOR Y SALIDA DEL ACTUADOR, ADEMAS DENTRO DEL COLECTOR DEL ACEITE. HAY UN RESTRICTOR VARIABLE EN LA LINEA DE RETORNO DE ACEITE DESDE LAS VALVULAS DE GASES RESIDUALES, Y EL TAMAÑO DE SU ORIFICIO ES DETERMINADO POR LA PRESION DE MANDO ELEVADO, EL CUAL ES LA PRESION DE DESCARGA DEL TURBOCARGADOR. CUANDO EL MOTOR ES PRENDIDO Y ESTA EN MARCHA LENTA, LA VALVULA ESTA CERRADA Y LA PRESION DE ENTRADA ES BAJA, LA VALVULA SE CIERRA. EL RESORTE DENTRO DEL ACTUADOR DE LA VALVULA DE RESIDUO MANTIENE ABIERTA LA VALVULA, PERO COMO EL ACEITE FLUYE DENTRO DEL ACTUADOR DEL CILINDRO, LA PRESION AUMENTA Y LAS FUEZAS DEL PISTON ENCIMAN OTRA VEZ EL RSORTE. ESTO CIERRA LA VALVULA DE LOS GASES DE ESCAPE, ADEMAS QUE LOS GASES DE ESCAPE FLUYEN DE LA TURBINA PARA HACER GIRAR AL COMPRESOR.
SOBREALIMENTACIÓN DE LOS MOTORES DE AVIACIÓN
Definición y clasificación
INTRODUCCIÓNHistoria de la sobrealimentación de motores de aviaciónLa primera noticia histórica que se tiene sobre las ventajas inherentes a la sobrealimentación de motores de combustión interna se debe al ingeniero suizo Alfred Buchi, que patentó en 1905 un mecanismo cuya idea es totalmente actual; el diseño incluía una pequeña turbina que se hacía girar por medio de los gases de escape del motor. La turbina, a su vez, movía el compresor, y el compresor aumentaba la presión del aire que se introducía en los cilindros.
Las ideas de Buchi no se llevaron a la práctica, porque él mismo fue consciente de la gran complejidad que esa tecnología introducía en aquellos momentos. Pero, en el campo de las ideas, Buchi llegó a dibujar el compresor multi etapa, provisto de refrigeración intermedia. Esta permite enfriar el aire caliente comprimido. En efecto, es una experiencia común que cuando el aire se comprime su temperatura aumenta; por tanto, parte del efecto positivo de la compresión, que se manifiesta en el incremento de la densidad del aire, se pierde por el efecto contrario del calentamiento de aire. El aire caliente pesa menos que el aire frío, es menos denso que el aire frío. Buchi llegó a plasmar en sus planos la idea de dirigir el aire comprimido que salía de cada etapa de compresión a través de un intercambiador de calor, para permitir su refrigeración entre etapa y etapa.
Buchi tendría su oportunidad más tarde, en Alemania, bajo los auspicios del Ministerio de Transportes alemán.
En 1914 empieza la Primera Guerra Mundial, donde la aviación libró sus primeras batallas decisivas. En esta etapa se tiene noticia del primer sobre alimentador específicamente previsto para la aviación. Augusto
Rateau diseñó en Francia un "motor reforzado" para aviación, que aunque tuvo poco empleo en tiempo de guerra, más tarde, en 1924, equipaba a dos escuadrones franceses con este tipo de motor. Rateau fue un precursor, pues a él se deben los primeros ensayos de experimentación con turbinas accionadas por gases de escape para motor aviación. Rateau estimó que el futuro de la "sobrealimentación" estaba en la turbo alimentación pues esta técnica permitía el accionamiento del compresor sin la necesidad de rudas de engranaje multiplicadoras de velocidad, que aumentaban extraordinariamente el peso del motor y constituían una fuente de problemas operativos.
Las ventajas de la sobrealimentación de los motores de aviación también se explicaron técnicamente en el Reino Unido. El interés inicial en este país fue hacia los sistemas turbo alimentadores, pero en 1925 se decidieron por seguir los desarrollos en el campo de la sobrealimentación pura.
En Estados Unidos, al otro lado del Atlántico, el desarrollo de los motores sobrealimentados de aviación giró en torno a las ideas de Stanford Moss, de General Electric. Moss demostró en 1918 que un motor Liberty, sobrealimentado, producía más potencia en altura que al nivel del mar. El motor Liberty de Moss llevó al comandante Rudolph Schroeder, del US Army, hasta 33.113 pies de altura, estableciendo un récord mundial de altura a bordo de un biplano LePere en febrero de 1920.
A pesar de estos logros, la época que va desde 1.920 hasta comienzos de la Segunda Guerra Mundial se caracteriza, en el terreno de la sobrealimentación de motores de aviación, por un desarrollo lento aunque progresivo. Para el estudioso del tema no es difícil comprender esta evolución. En efecto, con los primeros motores sobrealimentados de aviación se habían alcanzado los primeros desarrollos y se había comprobado la practicabilidad de estos sistemas, pero faltaba la explotación eficiente de las ideas. La teoría de diseño de los compresores y de las turbinas estaba en su infancia; los compresores de la época comprimen el aire, desde luego, pero a costa de unos rendimientos muy pobres. Los rendimientos tan deficientes se traducían en importantes incrementos de la temperatura del aire, de manera que una gran parte de los beneficios conseguidos con la compresión (mayor densidad del aire) se disipaban por esta otra vía, el incremento de calor en la corriente de aire que se enviaba a los cilindros.
Mientras se desarrollaban nuevas teorías, que trataban de aproximarse a la realidad física de los complejos movimientos del aire dentro de las máquinas rotativas, las pruebas y ensayos con motores continuaban. Estados Unidos dotó al Boeing 299 con motores turboalimentados, avión que fue el predecesor de las famosas "Fortalezas volantes" B-17. Más tarde, esta misma línea siguieron aviones como el P-38, el Republic F-47 Thunderbolt, el Consolidated B-24 Liberator, y el famoso Boeing B-29. Todos ellos volaban con motores turboalimentados, más rápidos y más altos, como decía la propaganda de entonces.
La sobrealimentación en el campo terrestreLa época entre las dos guerras mundiales fue la eclosión de la aplicación de los motores sobrealimentados y turboalimentados al transporte de superficie. La aplicación aeronáutica aún no había madurado, debido a los requisitos especiales que impone esta aplicación, donde el peso y la fiabilidad son factores ineludibles de diseño. Sin embargo, la aplicación terrestre, menos comprometida con estos factores, fue un campo de desarrollo muy amplio en esta época.
Alemania no se había quedado al margen de la tecnología de la sobrealimentación. El Ministerio de Transportes decidió llevar a la práctica algunas de las ideas del suizo Buchi, para lo cual construyó dos barcazas que se propulsaron con motores Diesel accionados por turbo alimentadores. De aquí nació una de las grandes multinacionales en el mundo de la mecánica, cuando en 1926 Buchi se unió, en un consorcio
formado por él mismo, con Brown-Boveri, y Winterthur, con el objetivo de perfeccionar el "concepto de la turbo alimentación".
Las ideas de Buchi en Alemania se llevaron también a la práctica en el Reino Unido. En 1928, el mercante inglés "Rady Castle" fue el primer navío equipado con motores sobrealimentados. Los primeros motores Diesel ingleses para aplicaciones fijas, sobrealimentados, se fabricaron en 1929, motores para generadores eléctricos, etc. En 1933 aparece el primer motor Diesel sobrealimentado para camiones, pero la continuación histórica en este campo debe quedar al margen de esta reseña histórica.
Orígenes de la sobrealimentación de la aviación actualPor brevedad debemos volver al campo aeronáutico, y más concretamente a la evolución de los sobre alimentadores y turbo alimentadores, tal como se aplican hoy día en nuestra aviación general, que es donde está presente casi en exclusividad.
El motor de explosión de aviación de gran potencia dejó las aerovías cuando se puso a punto el motor turbohélice y, poco más tarde, los primeros turborreactores. La complejidad de diseño del motor de aviación de los años cincuenta había llegado a un máximo, en un intento por obtener toda la capacidad generadora de potencia que es posible producir de la combustión intermitente en los cilindros. La época de los últimos grandes motores de explosión se caracterizó por la regular fiabilidad de estas plantas de potencia, con numerosas averías de sus complicados sistemas sobre alimentadores o turbo alimentadores, de manera que la llegada de los turbohélices y los primeros turborreactores se vio, en muchos sectores, como el inicio de una etapa de liberación. Se decía en aquella época, con un punto indudable de exageración, que no había vuelo transatlántico que no finalizara con la avería de un motor.
La sobrealimentación de motores de aviación, englobando en este concepto ahora los dos términos, sobrealimentación y turbo alimentación, ha quedado reducida, salvo excepciones, a la aviación general de nuestros días. Se trata de pequeños aviones, que requieren, igualmente, pequeñas unidades de sobrealimentación.
El desarrollo de estas unidades pequeñas fue tardío. Con las máquinas rotativas, compresores y turbinas, no se puede hacer lo que vemos constantemente en las máquinas alternativas, es decir, la reducción de escala. Hoy es posible encontrar pequeños motores de combustión que propulsan aeromodelos, con notable eficacia. Es impensable una solución de ese tipo con máquinas rotativas, al menos desde un mínimo punto de vista práctico. Estas máquinas rotativas, como veremos en el capítulo siguiente, impulsan el aire mediante un conjunto de alabes o paletas, que no se pueden reducir de tamaño de forma indefinida, sin incurrir en una degradación de su rendimiento operativo muy importante. Las paletas o alabes muy pequeños no funcionan bien desde el punto de vista aerodinámico. Por esta razón, estas máquinas encontraron primero aplicación en los turborreactores y turbohélices, que precisan de una cantidad de aire importante y permiten la construcción de alabes de tamaño mediano. Sólo los estudios muy cuidadosos y experimentados del flujo de aire en las máquinas rotativas, en los años cincuenta, permitió el diseño y fabricación de pequeñas unidades con rendimientos aceptables.
Los primeros turbo alimentadores pequeños para aviación fueron construidos por la firma americana Garret, hacia principios de los años cincuenta, pero el coste previsto de las unidades era prohibitivo para su empleo masivo en la aviación. Los factores de coste llevaron a Garret a introducir su gama de turbo alimentadores en el campo de la automoción. Lo que inicialmente fue un plan para introducir el turbo alimentador en la industria aeronáutica, se dirigió hacia la firma Caterpillar Company, en Peoría, Illinois, para equipar sus motores con el turbo alimentador proyectado. El marzo de 1953 salió el primer motor Caterpillar con el
turbo alimentador de Garret. A partir de esa fecha, Garret tiene en sus líneas de fabricación turbo alimentadores para aviación y para automoción.
Garret fabricó el primer turbo alimentador para aviación eficiente, y de bajo coste. El diseño original fue para introducirlo en helicópteros, pero pasó pronto al campo de la aviación convencional. Las pruebas efectuadas sobre un Cessna Skyknight permitieron mantener la potencia continua de nivel del mar hasta una altitud de 15.000 pies. Más tarde, en 1966, una Cessna Turbo-Centurion consiguió el récord mundial de altura para aviones ligeros, al alcanzar una altitud de 39.334 pies. Este fue uno de los primeros aviones ligeros que salían de fábrica con los turbo alimentadores de Garret. Desde entonces, suben a 20.000 pies dos veces más rápido que la versión no sobrealimentada, con el mismo peso y potencia instalada.
En la actualidad Garret y Rajay copan el mercado aeronáutico de turbo alimentadores.
1. DESCRIPCIÓN GENERALLa potencia que el motor de émbolo entrega a la hélice disminuye de forma continua con la altitud de vuelo. La potencia del motor disminuye un 30 %, aproximadamente, en los primeros 10.000 pies de altura; por tanto, se puede afirmar que el motor pierde potencia al ritmo del 3 % cada 1.000 pies de altura. Estos resultados están relacionados con la cantidad de combustible que se puede introducir en los cilindros, en relación con la cantidad de aire disponible para la combustión. El hecho claro es que cuanto menor es la cantidad de combustible que se quema en los cilindros, también es menor la potencia que proporciona el motor.
La mezcla carburada de aire y de combustible debe de mantenerse con dosificaciones apropiadas para que se pueda inflamar y desarrollar la combustión. Por tanto, si se persigue el objetivo de introducir más combustible en el cilindro, con el ánimo de aumentar la potencia del motor, es clara la necesidad de suministrar una mayor cantidad de aire en el sistema de admisión del motor. De esta forma, se mantiene la proporción de mezcla equilibrada. No se puede quemar más combustible si no hay suficiente aire para quemarlo.
La masa adicional de aire que un motor de aviación precisa, a medida que el avión asciende, se puede obtener mediante un proceso previo de compresión del aire de alimentación del motor. Habría que hablar, en puridad, de la compresión del aire o de la mezcla carburada, porque, dependiendo de la instalación, la mezcla puede estar ya formada cuando se envía al compresor. En uno u otro caso, es cierto que el aire comprimido tiene más moléculas de aire por unidad de volumen que el aire atmosférico normal, digamos por centímetro cúbico. La densidad del aire es mayor en estas condiciones, y mayor es el peso de la carga que el cilindro admite en cada embolada.
La compresión previa del aire que admiten los cilindros se efectúa mediante unos mecanismos llamados compresores.
En líneas generales, el compresor consiste en una rueda o rodete con alabes, que aspira y centrifuga el aire a gran velocidad; la gran velocidad de salida que tiene el aire a la salida del rodete se convierte en presión en un difusor. El difusor es un órgano que forma parte del compresor, y que tiene la función de transformar la energía cinética del aire en energía de presión. Para transformar la energía cinética en energía de presión, es decir, para aumentar la presión de aire, es necesario conducirlo por conductos cuya sección o área de paso aumenta en el sentido de movimiento del aire. Por ello, los difusores tienen la forma de canales que se abren.
El aire comprimido, o la mezcla de gasolina y aire ya dosificada, se introducen en el cilindro, aumentando así la eficiencia volumétrica de la operación. Un motor sin compresor (motor atmosférico) no puede admitir aire en los cilindros con presión de admisión más alta que la presión atmosférica existente en la cota de vuelo donde actúa. Al nivel del mar este valor es de 30 pulgadas de mercurio, aproximadamente. Por el contrario, es frecuente observar en los indicadores de presión de admisión de los aviones con motores sobrealimentados, esto es, motores con compresor, lecturas de presión de admisión en el despegue de 40 y 44 pulgadas de mercurio.
Los motores que emplean compresores para elevar, artificialmente, la presión del aire de admisión reciben el nombre genérico de motores sobrealimentados. Lo que distingue, pues, a los motores sobrealimentados de los motores atmosféricos es que la presión de admisión es, o puede ser, mayor que la presión atmosférica ambiente.
Resumiendo, pues, esta presentación inicial, digamos que la potencia de un motor de émbolo depende del peso del aire que se introduce en los cilindros, y el peso del aire se puede aumentar mediante compresión previa del aire en un mecanismo llamado compresor. Puesto que en los cilindros hay más moléculas de aire por centímetro cúbico, es posible introducir más gasolina para la combustión. El resultado es un incremento de la potencia del motor.
2. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE SOBREALIMENTACIONSe llama sobrealimentación de un motor de aviación al sistema o sistemas que permiten comprimir el aire (o la mezcla) que se introduce en los cilindros del motor.
Los sobre alimentadores se clasifican en dos grandes grupos:
Sobre alimentadores de accionamiento interno Sobre alimentadores de accionamiento externo
Los primeros reciben el nombre de sobre alimentador, propiamente dicho. Los segundos reciben el nombre de turbo alimentadores.
Normalmente, los sobre alimentadores de accionamiento interno comprimen la mezcla aire-combustible, esto es, la mezcla ya está formada en el carburador cuando se envía al sistema sobre alimentador. Por su parte, en los sobre alimentadores de accionamiento externo, primero se comprime el aire y luego se forma la mezcla.
3. SOBREALIMENTADORES DE ACCIONAMIENTO INTERNOSe dice que un sobre alimentador está accionado internamente, o que es de accionamiento interno, cuando el mecanismo que comprime la mezcla es arrastrado por el propio motor.
El mecanismo que comprime la mezcla es un compresor rotativo (compresor centrífugo). El compresor se acciona a través de un piñón de la caja de engranajes del motor.
La potencia necesaria para accionar el compresor del sobre alimentador de accionamiento interno proviene del mismo motor. En este sentido, pues, 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 creces la pérdida de potencia por el arrastre del compresor.
Los sobre alimentadores de accionamiento interno se clasifican según número de etapas de compresión que tienen, y según el número de velocidades de giro posibles del compresor.
Se llama etapa de compresión a cada proceso completo de compresión del aire, o de la mezcla carburada. Las etapas de compresión coinciden con el número de ruedas de compresores que tiene el sobre alimentador. Si el sobre alimentador tiene un rodete centrífugo se dice que tiene una etapa. Si consta de dos rodetes, colocados en serie según la dirección del flujo, se dice que el sobre alimentador es de dos etapas.
Los sobre alimentadores 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.
La presión de descarga del aire que sale del compresor varía según sea la velocidad de giro, a mayor velocidad de rotación del compresor mayor presión del aire, pero las distintas presiones de descarga obtenidas de esta forma no quiere decir que tenga distintas etapas de compresión.
Si se combinan las características de la clasificación explicada anteriormente se obtienen varias combinaciones posibles: sobre alimentadores de una etapa de compresión y de una velocidad, de una etapa y dos velocidades, etc.
4. POTENCIA EN LOS MOTORES SOBREALIMENTADOSLas relaciones de potencia que intervienen en los motores sobrealimentados y turboalimentados son, necesariamente, más complejas que las que intervienen en los motores atmosféricos.
Las relaciones de potencia de un motor atmosférico suelen ser muy simples pues, normalmente, no encuentran limitación de empleo de régimen del motor. Sin embargo, en los motores sobrealimentados y turboalimentados, es claro que el motor puede proporcionar una potencia extraordinariamente alta al nivel del mar, o mantener un régimen de potencia alta de forma continua y a diferentes alturas. Todo ello requiere una definición de los términos o regímenes de potencia disponibles.
Los términos siguientes son definiciones básicas:
Presión de admisión
Es la presión absoluta del aire, o de la mezcla carburada, medida en un punto determinado del circuito de admisión del motor, que está detrás de la válvula de mariposa (válvula de estrangulación). Se mide normalmente en pulgadas de mercurio absolutas, puesto que la aeronave cuenta con un instrumento de medida de esta presión, que está calibrado en dichas unidades. La presión de admisión de un motor atmosférico es siempre menor que la presión atmosférica ambiente. No puede ser mayor porque, precisamente, la presión atmosférica ambiente es la fuerza que desplaza la masa de aire hacia el interior de los cilindros. La presión de admisión es, asimismo, menor que la presión atmosférica porque la corriente de aire, en su desplazamiento hacia los cilindros, pierde algo de presión (energía de presión) debido a los rozamientos con las tuberías y en las obstrucciones que encuentra a su paso.
La presión de admisión de los motores turboalimentados se puede mantener en el valor máximo del nivel del mar hasta una altitud de vuelo determinada (turbo alimentadores de altura), o bien es más alta en el despegue que la presión al nivel del mar; más tarde disminuye de forma constante con la altura, siguiendo igual tendencia que en un motor atmosférico (turbo alimentadores de sobre potencia).
Presión de admisión de despegue
La presión de admisión de despegue es la máxima presión de admisión autorizada por el manual técnico de la aeronave para efectuar el despegue.
La presión de admisión de despegue está sujeta normalmente a limitación de tiempo, debido a los grandes esfuerzos a que se somete el motor. Generalmente, el tiempo máximo de empleo es 5 minutos.
Potencia de despegue
La potencia de despegue es la potencia máxima autorizada para el despegue en las condiciones que se especifican. Se obtiene con las revoluciones y la presión de admisión máximas autorizadas del motor. Tanto la potencia de despegue como la potencia máxima de subida, suelen tener una limitación de tiempo de empleo.
Potencia máxima continua
La potencia máxima continua es la máxima potencia autorizada para funcionamiento continuo.
La Fig. 4.1 muestra las formas de variación de la potencia máxima de un motor de aviación, en función de la altitud de vuelo.
Fig. 4.1
La potencia del motor atmosférico disminuye de forma constante a medida que el avión asciende; de hecho, la potencia máxima del motor sólo es posible obtenerla en condiciones de máxima presión de admisión al nivel del mar. Igualmente la potencia del motor sobrealimentado de una etapa y de una velocidad disminuye también con la altura, lo que sucede es que el motor con este sobre alimentador es capaz de suministrar, a cualquier altura, una potencia mayor que el motor atmosférico equivalente. Por tanto, la presión de admisión puede ser mayor que la correspondiente a la cota de vuelo. Todo sucede como si el avión volara a menor altura, en un ambiente de mayor densidad del aire.
Con los motores turboalimentados sabemos que contamos con dos posibilidades, según que el turbo alimentador se haya diseñado para sobre potencia o para altitud. Lo normal es para altura. El motor turboalimentado de altura, cuya línea de variación de la potencia aparece dibujada en la Fig. 4.1, es capaz de mantener la potencia que el motor tiene al nivel del mar hasta una altitud de vuelo determinada, la indicada con la línea de trazos. Cuando la aeronave sobrepasa la altura citada, la potencia del motor disminuye y sigue la misma ley descendente que en los motores atmosféricos.
Hay otras configuraciones de motor sobrealimentado que permiten mantener la potencia disponible en el suelo hasta una altitud de vuelo determinada. En efecto, un motor sobrealimentado con un compresor del aire que puede girar a dos velocidades permite operar de esta forma. El motor con sobre alimentador de dos velocidades dispone de un embrague que selecciona la relación de ruedas de engranajes que impulsan al compresor. Así, por ejemplo, para las operaciones de despegue y de vuelo a baja altitud se emplea el conjunto de ruedas de engranaje de menor relación de transmisión (por ejemplo, 6:1, es decir, el compresor gira a seis veces la velocidad del cigüeñal del motor). Esta velocidad de giro permite la sobre potencia requerida en esta fase de vuelo. Cuando se vuela a mayor altura y la potencia del motor empieza a disminuir es posible pasar a la segunda velocidad. La segunda velocidad permite el giro del compresor a mayor número de revoluciones por minuto. La presión de descarga del aire aumenta, ya que el compresor gira a mayor número de revoluciones; por consiguiente, la densidad del aire que se envía a los cilindros es mayor también. Esta situación permite restaurar el nivel de potencia deseado a la altitud de vuelo especificada. Relaciones de segunda velocidad de 10:1 se encuentran a menudo en estos motores.
Se llama altitud de adaptación del motor a la altura de vuelo hasta la cual es posible mantener en el motor la potencia equivalente del nivel del mar. La altitud de adaptación viene representada en el gráfico de la Fig. 4.1 por la altitud correspondiente a la línea de trazos, en el momento que la línea de potencia empieza a inclinarse.
Note que una aeronave de altas prestaciones requiere turbo alimentadores de la mayor altitud de adaptación posible.
La forma de variación que tiene la línea de potencia del motor sobrealimentado o turboalimentado de sobre potencia, que refleja la línea decreciente intermedia de la Fig. 4.1., indica que la potencia al nivel del mar, o, para mayor generalidad, a la elevación del campo de vuelo, es mayor que la que se obtiene en un motor atmosférico similar, con la palanca del mando de gases situada en idéntica posición. Por tanto, estos tipos de motores soportan mayores presiones en el cilindro. El motor de sobre potencia es un motor distinto, preparado para soportar las mayores tensiones y esfuerzos de servicio.
REFERENCIAS: Antonio Esteban Oñate, “Motores Atmosféricos y Turbo”, Editorial Paraninfo, España 1992.
SISTEMA DE ARRANQUE
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan (véase Momento de fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal.
Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal. Ciertos motores grandes utilizan iniciadores explosivos que, mediante la explosión de un cartucho mueven una turbina acoplada al motor y proporcionan el oxígeno necesario para alimentar las cámaras de combustión en los primeros movimientos. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
Definición y función
El sistema de arranque es el encargado de proporcionar los primero giros al motor de combustión para que encienda.
El arranque del motor se facilita con un volante de gran momento de inercia, porque el mismo acumula en la primera fase útil mayor energía para superar rápidamente las fases pasivas que preceden a la combustión siguiente. Lo mismo ocurre para la marcha al mínimo: cuando mayor es el volante, tanto menor es el régimen necesario para almacenar energía cinética que debe mantenerse en el motor, en la fase pasiva. Por el contrario, para asegurar una aceleración rápida, es necesario reducir al mínimo la inercia de las masas en movimiento.”
Para esto utiliza un motor eléctrico de repulsión (marcha) y su funcionamiento se basa en el principio de la ley de las cargas magnéticas.Para seguir con el tema entendamos un poco las bases sobre cómo funcionan los magnetos y el sistema de la bobina y el electromagnetismo.
El magnetismo se define como una propiedad peculiar poseída por ciertos materiales mediante la cual se pueden repeler o atraer mutuamente con naturalidad de acuerdo con determinadas leyes.
El magnetismo es en realidad una fuerza que no se puede ver aunque se pueden observar sus efectos en otros materiales.
En la imagen anterior podemos observar un imán y sus líneas de fuerza.
Debido a la existencia de una relación entre magnetismo y corriente eléctrica, es posible producir un electroimán. Esta relación es la base del funcionamiento de casi todos los aparatos eléctricos del vehículo, como el motor de arranque en cuestión, alterador y bobina de encendido.
En la anterior imagen se pueden observar los siguientes aspectos. a) Representación de una bobina b) Generación de un flujo magnético c) Generación de f.e.m. (tensión)
Cuando la corriente pasa por un conductor, se forma un pequeño campo magnético alrededor de él.De la misma manera tenemos los solenoides, generalmente provisto de un núcleo movible de hierro (algunas veces el núcleo es de aire, pero esto no tiene aplicación en mecánica automotriz, salvo en circuitos electrónicos de radiofrecuencia). En este diseño el núcleo de
hierro se mueve hacia el interior del enrollado cuando la corriente fluye por las vueltas, por lo que el núcleo se puede usar para mover mecánicamente algunos aparatos. Los solenoides se usan comúnmente en relés o interruptores de circuitos. El campo magnético aumentado en el centro de la bobina atrae el núcleo hacia el solenoide, haciendo abrir o cerrar los contactos del relé.
INCLUDEPICTURE "D:\\mecanica\\Web de FISICA_archivos\\mag20.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "D:\\mecanica\\Web de FISICA_archivos\\
Web de FISICA_archivos\\mag20.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "D:\\mecanica\\Web de FISICA_archivos\\mag20.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "D:\\mecanica\\Web de FISICA_archivos\\mag20.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "D:\\mecanica\\Web de FISICA_archivos\\
mag20.gif" \* MERGEFORMATINET
Flujo de campo magnético y líneas de fuerza a través de un solenoide.
Una de las aplicaciones de los imanes permanentes es el uso en motores eléctricos y generadores eléctricos, tales como el motor de arranque en un automóvil, usan el principio de atracción y repulsión.
En la imagen se puede observan como el principio del electromagnetismo es usado dentro del sistema de arranque proporcionando una fuerza de tracción capaz de hacer girar el
componente deseado en el sistema.
La marcha está diseñada para producir una gran fuerza de tracción capaz de hacer girar el motor de un vehículo, pero no para trabajar por un periodo muy prolongado de tiempo, por lo que no es recomendable hacer funcionar la marcha por más de 10 segundos continuos ya que podría quemarse.Puesto que un motor es incapaz de arrancar sólo por el mismo, su cigüeñal debe ser girado por una fuerza externa a fin de que la mezcla aire-combustible sea tomada, para dar lugar a la compresión y para que el inicio de la combustión ocurra. El arrancador montado en el bloque de cilindros empuja contra su engranaje motriz cuando el interruptor de encendido es girado, una cremallera enganchada con el volante y el cigüeñal es girado.La marcha, que en este caso viene siendo el motor de arranque, funciona como un motor eléctrico, con un piñón y un dispositivo para guiar el piñón en la rueda dentada del volante. Exteriormente, la armadura, las zapatas polares y el devanado de excitación son semejantes a los del generador; el devanado de excitación se conecta en serie, funcionando como el motor gracias a la corriente principal que se adapta bien a la marcha, debido a que, por su elevado par motor, consigue desde el principio sobrepasar la resistencia impuesta por el motor.
La relación entre el anillo y la cremallera es de aproximadamente 20:1. En esta alta relación de transmisión el piñón no permanece engranado continuamente puesto que el motor de la marcha alcanzaría una frecuencia de giro demasiada alta, por ende, se necesita un dispositivo especial de desenganche, con el fin de que haya separación entre el motor principal y el de la marcha, cuando la frecuencia de giro del motor sobrepase cierto valor.
Estructura del motor de arranque.
La constitución interna de un motor de arranque (o arrancador) es similar a un motor eléctrico el cuál se monta sobre el Carter superior del motor del automóvil, de tal modo que el piñón que lleva en el extremo de su eje, engrane con la corona dentada de la periferia del volante. De esta forma cuando gire el motor eléctrico, obligará a girar también al motor del automóvil y podrá arrancar. El tamaño del piñón depende de la velocidad propia del arrancador eléctrico.
El arrancador está compuesto básicamente de tres conjuntos.
1- Conjunto de solenoide o mando magnético.2- Conjunto del motor de arranque propiamente.3- Conjunto del impulsor o Bendix
Las partes que conforman al conjunto del motor de arranque propiamente dicho, son semejantes a las del generador teniendo una diferencia en el bobinado de los campos y el inducido. Además hay una diferencia muy notoria, el arrancador consume corriente. Ambos trabajan en base a los principios del magnetismo y del electromagnetismo.
Dichas partes son las siguientes:
1- Núcleo magnético.2- Resorte de recuperación del núcleo magnético del solenoide.3- Collar palanca de conexión del mecanismo de impulsión.4- Conjunto de resorte y eje Bendix.5- Bocina del extremo posterior del eje del inducido.6- Anillo de tope del mando de impulsión o Bendix.7- Tambor de embrague del mecanismo de impulsión.8- Resorte de amortiguación de 1 retorno del mecanismo impulsor.9- Zapatas polares o conjunto de boninas de campo y sus núcleos.10- Inducido.11- Conjunto porta escobilla.12- Escobillas de cobre.13- Tapa delantera, su bocina y fieltro.14- Pernos pasantes con sus anillos de presión.15- Casco o carcasa.
La carcasa o casco es de hierro dulce, el bobinado, el campo y del inducido es de alambre grueso especial de cobre, las escobillas son de cobre, las demás partes son semejantes a las del generador.Para generalizar este concepto resumiremos en algunas imágenes las partes importantes del motor de arranque.
Motor de arranque
1- Tapas delantera y trasera de apoyo del inducido y de sujeción al bloque motor.2- Sistema de piñón de engrane deslizante con rueda libre y palanca de acople.3- Inducido o rotor.4- Devanados inductores de excitación para las masas polares.5- Placa portaescobillas.6- Relé de doble función, conexionado de corriente y desplazamiento del piñón de
engrane.7-
Otro ejemplo un poco más detallado donde podemos ver elementos estructurales internos que conforman al sistema de arranque.
Para entender lo más sobre las partes de un motor de arranque, necesitamos saber en términos generales el funcionamiento de cada una de sus partes, sin embargo cabe mencionar que existen diferentes tipos de arrancadores y la estructura de cada uno varía dependiendo de su función deseada. La problemática de los automóviles se relaciona en la
gran transmisión entre las frecuencias de giro del árbol de levas y el piñón, y en la relación de la guía de entrada y salida del piñón. Los tipos de motores de marcha difieren conforme al tipo de guía:
Dispositivos de marcha de tracción helicoidal.
Reciben inmediatamente su corriente total y lanza, en función de la inercia de su masa, al piñón de cremallera (tracción del tipo Bendix) sobre una rosca helicoidal de paso largo. La salida se produce en el instante en que aumenta la frecuencia de giro: el piñón regresa a su posición de descanso. Para altas potencias, el dispositivo de marcha helicoidal se construye en dos etapas. La entrada se hace en una pre etapa eléctrica; a continuación, después de la entrada del piñón, se conecta la corriente principal.
Dispositivos de marcha de tracción por impulso.
La entrada del piñón es mecánica, o por medio del control eléctrico del mecanismo de enlace. Para proteger al motor de marcha contra las altas frecuencia de giro, se instala entre el piñón y el inducido del motor de marcha una rueda libre, como dispositivo de seguridad contra las sobrecargas. Un freno hace que el inducido se detenga con rapidez en su posición de reposo.
Dispositivos de marcha combinado, de empuje y helicoidal
Se desea asociar la entrada suave del dispositivo de marcha con el buen par motor de arranque del dispositivo de tracción de empuje. La entrada se hace como en el mecanismo de enlace del dispositivo de marcha de tracción helicoidal, que se controla por medio de la electricidad. No obstante, a la salida el piñón solo retrocede sobre una rosca de paso largo, hasta el punto que le permite el vástago de engranaje. Para eso se necesitan, como dispositivos de seguridad contra la sobrecarga, una rueda libre y un freno para el inducido. El dispositivo de marcha combinado utiliza casi siempre en automóviles particulares.
Dispositivos de marcha mediante empuje del inducido
La entrada del piñón produce debido a que el inducido comienza a girar, sufriendo la atracción del campo magnético de ala bobinas de excitación. Solo cuando termina la
secuencia de entrada y se conecta el dispositivo, mediante un mecanismo de conexión, se aplica la corriente total. La secuencia de salida es como sigue: el motor está funcionando; el consumo de corriente disminuye en función de la alta frecuencia de giro del inducido del campo magnético y, en esa forma, se retira el piñón de la cremallera. Como protección del inducido contra las altas frecuencias de giro, se ponen entre el piñón y el inducido acoplamientos de láminas o resortes. El dispositivo de engranaje de empuje del inducido se utiliza, sobre todo, en camiones.
Hay dos tipos comunes de motor de arranque: los que llevan solenoide separado, y los que lo llevan incorporado.
Arrancador con solenoide integrado.
Cuando usted activa la llave hacia la posición de arranque, un alambre lleva la corriente de 12 voltios hacia el solenoide del motor de arranque, el solenoide tiene un campo magnético, que al ser activado hace 2 cosas, primero, desliza un pequeño engrane llamado Bendix ,hacia los dientes del flywheel, y al mismo tiempo hace un puente de corriente positiva (+) entre el cable que llega al motor de arranque desde la batería y el cable que surte de corriente los campos del motor de arranque, al suceder esto el motor de arranque da vueltas rápidas y con la suficiente fuerza para que el engrane pequeño de vueltas al flywheel (rueda volante del motor) y así se da inicio al arranque del motor.
El motor de arranque con solenoide separado.
Utiliza el solenoide para conectar la corriente positiva al motor de arranque. En cuanto se conecta la corriente, el motor de arranque activa y desliza el engrane o piñón que se acopla a la rueda volante, y al mismo tiempo, gira con la fuerza necesaria, para que el motor empiece su funcionamiento.Bendix Cuando usted deja que la llave de encendido regrese a su posición normal, desconecta el solenoide, el engrane regresa a su sitio de descanso, el motor de arranque deja de dar vueltas, y queda desconectado del motor, hasta que usted lo vuelva a activar.
En estas dos figuras, podemos observar la forma en que actúa, el pequeño engrane del Bendix (embrague de giro libre), cuando se acopla a la rueda volante, para dar inicio al arranque del motor.
Una vez entendiendo esta parte de los arrancadores podemos abordar la descripción general de las partes principales y que función desempeñan dentro del sistema.
- Contactor: es el encargado de coordinar el proceso de salida del piñón y arranque del motor eléctrico para poner en marcha el motor térmico.
- Horquilla: es el mecanismo que mueve el piñón.- Piñón: es el que engrana en la corona del volante del motor.- Mecanismo de rueda libre: es un embrague para que en caso de que el piñón
quede engranado en la corona, éste comience a girar como loco y no arrastre al motor de arranque completo en su giro. Hay que tener en cuenta que si la desmultiplicación es de 10:1, si el motor térmico gira a 1000 r.p.m. el motor de arranque giraría a 10,000 por lo que quedaría centrifugado y se destruiría.
- Estator: es la parte fija donde van sujetos los electroimanes inductores que generan el campo magnético.
- Rotor: es la parte móvil, donde se encuentra el tambor con las bobinas inducidas, el colector y el eje que se apoya en los cojinetes y desplaza al piñón.
- Escobillas y portaescobillas: situadas en la parte trasera, las portaescobillas, a través de los muelles, asegura la correcta fijación de las escobillas al colector.
- Tapa del lado de accionamiento: es la tapa de la parte delantera del motor de arranque, donde está el piñón de ataque y que se fija a la carcasa del envolvente de la caja de cambios.
- Tapa del lado del portaescobillas: cubre la parte trasera del motor de arranque.
En la siguiente imagen podemos visualizar estas partes y otros conceptos ya vistos anteriormente.
Aplicación en la aeronáutica
Existen a lo largo de la historia diferentes tipos de arrancador para motores de combustión interna en la aviación, por nombrar algunos, se explicara el funcionamiento de cada uno y una descripción general.
Arranque a mano / impulso de hélice.
El comienzo por mano de los aviones de motores con pistón que se basa en hacer girar la hélice es la manera más vieja y simple conocida, con la ausencia de algún tipo de sistema de arranque dentro de la aeronave se ahorraba cierto peso. La posición de la hélice es relativa al arreglo del cigüeñal tal que el pistón del motor pase por el punto muerto superior durante golpe oscilante.
Así mismo el sistema de ignición debe estar colocado normalmente para producir chispas antes de que el punto muerto superior sea pateado por el golpeteo del motor durante el arranque a mano, para evitar este problema se utilizan uno o dos magnetos típicos de los motores de ignición aérea usando “un impulso de enganche”, este dispositivo de resorte retarda la chispa hasta el punto muerto superior y de la misma manera incrementa la velocidad de rotación del magneto produciendo una chispa más fuerte.
Cuando el motor se prende el impulso por enganche deja de operar y al mismo tiempo el segundo magneto es activado. Así como los motores aéreos incrementan su capacidad (alrededor de la primera guerra mundial), las hélices para una sola persona se volvieron más difíciles de maniobrar, por lo que grupos terrestres tenían que unirse para poder jalar y encender el motor sobre una sola pala.
Muchos accidentes ocurrieron a consecuencia de este método encendido a mano, no se tenían frenos de motor ni volantes de mordaza, como resultado el avión era movido cuando estaba apagado y sin el piloto abordo.
Arrancador Hucks
El arrancador de Hucks (inventado por Bentfield Hucks durante la primera guerra mundial) es un remplazo mecánico para la tripulación en tierra. Basado en el chasis de un vehículo el dispositivo usa un eje de embrague usado para activar la hélice, desenganchándola al mismo tiempo que prende el motor. El arrancador de Hucks es usado regularmente en la Colección de Shuttleworth para el periodo de arranque del avión.
Arrancador por cuerda “jalada”
Los motoveleros autosustentables (mejor conocidos como “turbos”) son puestos con motores pequeños de dos tiempos sin sistemas de arranque, en tierra una cuerda es enredada alrededor del cubo de la hélice y se jala rápidamente en conjunto con las válvulas de descompresión operables.
Estos motores son arrancados en vuelo operando el descompresor y aumentando la velocidad del viento en las hélices. Algunas variantes tempranas en las moto velas Slingsby Falke usan un piloto abordo que jala o acciona el sistema de arranque.
Arrancador eléctrico
Los aviones empezaron a instalar los sistemas eléctricos alrededor de 1930 con una fuente de batería y un pequeño motor impulsado por el viento que inicialmente no fue lo suficientemente potente para usarse como arrancador. De esta manera se introdujeron los primeros generadores impulsados por motor para resolver el problema.
La introducción de los motores eléctricos de arranque para motores de aviación incrementaron de manera de manera conveniente peso extra y su complejidad de construcción. Fueron muy necesarios para los botes voladores con motores inaccesibles. Energizado por baterías abordo, por recarga de tierra o ambos, el arrancador es operado por una llave o switch que manipula el piloto en la cabina, la llave manipula la posición de los magnetos de encendido.
En condiciones de ambiente frio la fricción causaba debido al grueso aceite de motor que descargara cantidades grandes al arrancar el motor, otro problema era la renuencia del combustible a evaporarse y que se combustionara a bajas temperaturas. Se desarrollaron sistemas de dilución de aceite (mezclando el combustible con el aceite de motor), pre calentadores de motor fueron incluidos (incluidos los pequeños incendios debajo del avión) y el sistema de bomba de presión Ki-Gass para asistir el arranque en motores británicos.
Los aviones con hélice de paso variable o de hélices a velocidad constante son arrancados en un buen paso para reducir las fuerzas de aire y corriente en el circuito de arranque del motor.
Muchos aviones ligeros con el “arrancador enganchado” tienen una luz de precaución en la cabina del piloto, es un requerimiento obligatorio de aeronavegabilidad para protegerse ante el riesgo de un fallo en el sistema de arranque.
Arrancador de Coffman
El arrancador Coffman era un dispositivo de cartucho de operación explosiva, los gases de combustión, ya sean actuando directamente en los cilindros para girar el motor u operando a través de una unidad orientada. Presentado por primera vez en el motor Diesel Junkers Jumo 205 en 1936, el motor de arranque Coffman no fue ampliamente utilizado por operadores públicos debido al costo de los cartuchos.
Arrancador Neumático
El arranque neumático fue diseñado en 1920 por Roy Fedden, un sistema de arranque del motor de pistón de gas, este estaba en uso en el motor de Bristol Júpiter en 1922. Un sistema utilizado en los motores Rolls- Royce donde los primeros conductos Kestrel de aire de alta presión de una unidad terrestre a través de un distribuidor de árbol de levas impulsado a los cilindros a través de las válvulas de retención , el sistema tenía inconvenientes que fueron superados por la conversión al arranque eléctrico.
Arranque en vuelo
En el caso de necesitar reiniciar un motor de pistones en el aire, el motor de arranque eléctrico puede ser utilizado, este es el procedimiento normal para los planeadores de motor que se han disparado con el motor apagado. Durante las acrobacias aéreas, algunos tipos de aviones anteriores, no era raro que el motor necesitara reiniciarse durante las maniobras debido al diseño del carburador, sin los motores del sistema de arranque, el sistema podría ser reanudado picando la aeronave para incrementar la velocidad aérea, molinar de cierta manera la hélice.
Arrancador por inercia.
Un arrancador de inercia de un motor aéreo utiliza un volante de inercia pre - rotada para transferir energía cinética al cigüeñal, normalmente a través de los engranajes de reducción y un embrague para evitar ciertas condiciones que el exceso de torque produce.
Tres variaciones se han utilizado, impulsado por la mano, de accionamiento eléctrico y una combinación de ambos. Cuando el volante está totalmente energizada ya sea por un cable manual que está tirado o un solenoide que se utiliza para activar el motor de arranque.
Motores de turbina de gas.
Los motores de turbina de gas requieren de rotación del compresor a una velocidad que proporciona aire a presión suficiente para las cámaras de combustión. El sistema de arranque tiene que superar la inercia de la carga del compresor y de fricción, el sistema permanece en funcionamiento después del inicio de la combustión y se desacopla una vez que el motor ha alcanzado la velocidad de auto- ralentí.
Arranque eléctrico
Hay dos tipos de motor de arranque eléctrico se pueden utilizar: arranque directo (para desenganchar los motores de combustión interna) y el generador de arranque del sistema (que permanece activado permanentemente).
Arrancadores hidráulicos
Los pequeños motores de turbina de gas de arranque hidráulico, en particular los motores de turbo-eje utilizados en helicópteros y turborreactores con misiles crucero pueden iniciarse por un motor hidráulico orientado usando la presión de aceite de un suministro en tierra.
Arrancadores por aire
Con la turbina de gas, el sistemas de aire inicia el compresor del motor que se hacen girar por la acción de un gran volumen de aire comprimido que actúa directamente sobre los álabes del compresor o la conducción del motor a través de un pequeño motor de la turbina orientada. Estos motores pueden llegar a pesar hasta 75% menos que un sistema eléctrico equivalente. El aire comprimido puede ser suministrado desde una unidad abordo de potencia auxiliar (APU), un generador portátil de gas utilizado por el personal de tierra o por la alimentación cruzada purga el aire de un motor en marcha en el caso de aviones de varios motores.
El generador de gas Turbomeca Palouste se utiliza para arrancar los motores Spey del Blackburn Buccaneer , el Havilland Sea Vixen llevar su propio Palouste en un recipiente debajo del ala, extraíble para facilitar el arranque cuando fuera de la base.
Otros tipos de aviones militares con equipos terrestres suministran aire comprimido para su partida incluyendo el Lockheed F-104, Starfighter y variantes del F- 4 Phantom usando el turborreactor de General Electric J79.
Arrancadores de Combustión
Arrancadores AVPIN.
Versiones de arranque AVPIN del turborreactor Rolls- Royce Avon utilizan un motor de arranque de la turbina con engranajes que queman el nitrato de isopropilo como el combustible. En el servicio militar este mono combustible tenía la designación de la OTAN de la S -746 AVPIN. Para comenzar se introdujo una cantidad medida de combustible a la cámara de combustión de arranque que después quedo calcinada eléctricamente, los gases calientes hacen girar la turbina a altas revoluciones con la salida de escape sobresaliente.
Cartuchos de arranque.
Similar en principio de funcionamiento para el motor de arranque Coffman de motor de pistón, un cartucho explosivo conduce a un pequeño motor de turbina que está conectado por engranajes al eje del compresor.
Arrancador de turbina Aire/Combustible (APU).
Desarrollado para aviones de corto recorrido y aeronaves militares que requieren sistemas de arranque auto contenido, estas unidades son conocidas por varios nombres, tales como la Unidad de Potencia Auxiliar (APU), Jet Fuel Starter (JFS) o turbina de gas del compresor (GTC). Consta de una pequeña turbina de gas que inicia la electricidad, estos dispositivos proporcionan flujo de aire comprimido para el arranque del motor y, a menudo también proporcionan energía eléctrica e hidráulica para las operaciones en tierra y sin la necesidad de ejecutar los motores principales.
Motor de arranque de combustión interna.
Una característica interesante del turborreactor Junkers Jumo 004 alemán era el sistema de arranque, que consistía en una Riedel 10 CV (7,5 kW) del motor de dos tiempos de motocicletas escondido en la ingesta, y esencialmente funcionaba como un ejemplo pionero de una unidad de potencia auxiliar (APU) para el inicio de un motor a reacción. Un agujero en la nariz extrema del centrebody contenía una palanca manual que encendía el motor de pistón, que a su vez hace girar el compresor. Dos pequeños tanques de gasolina fueron ajustados en la ingesta de anular.
Reinicio en vuelo.
Los motores de turbina de gas pueden ser apagados en vuelo de forma deliberada por la tripulación para ahorrar combustible o durante una prueba de vuelo o para no alimentar de combustible después de una compresión debido al desplome.Se utiliza la suficiente velocidad para el compresor luego de que el combustible y el sistema de encendido comiencen, una unidad de potencia auxiliar a bordo puede ser utilizada en altas altitudes donde la densidad del aire es menor.
Pulso chorro de partida
Los motores pulsorreactores son fuentes eléctricas de aeronaves no comunes, sin embargo, el Argus As 014 utilizados para alimentar el V - 1 (bomba voladora) y Fieseler Fi 103R Reichenberg fue una notable excepción. En este pulsorreactor tres boquillas de aire en la sección frontal se conectaron a una fuente de aire a alta presión externa, se utilizó butano de un suministro externo para el arranque, el encendido se lleva a cabo por una bujía situada detrás del sistema de obturación, la electricidad para el enchufe que se suministra desde una unidad portátil de partida. Una vez que el motor está en marcha y la temperatura se eleve hasta el nivel mínimo de funcionamiento, la manguera de aire externo y conectores se retiraron y el diseño de resonancia del tubo de escape mantiene el chorro de disparo de pulso. Cada ciclo o pulso del motor comenzaron con las persianas abiertas, el combustible se inyecta detrás de ellos y se enciende, y la expansión resultante de los gases obligó a los postigos a cerrarse. Como la presión en el motor se redujo después de la combustión, las persianas se reabren y se repite el ciclo, más o menos 40 a 45 veces por segundo. Se utilizó el sistema de encendido eléctrico sólo para arrancar el motor, el calentamiento de la piel mantiene la combustión del tubo de escape.
CONCLUSIÓN…
El sistema de arranque de los motores de combustión interna, tipo alternativos consiste en vencer la inercia de cigüeñal. Por lo que es necesario una fuerza externa o ajena al propio motor que nos ayude a arrancarlo, y por tanto llevar algún conjunto émbolo-cilindro a la etapa inicial de la carrera de potencia. En consecuencia el sistema de arranque solo es necesario hasta que el motor hasta que se mantenga de una manera independiente.
La evolución de los sistemas de arranque se ha desarrollado en el último siglo, la evolución se ha dado desde el desarrollo de la manivela hasta el arranque por motor eléctrico, muy utilizado en nuestros días.
BIBLIOGRAFÍA - El motor de arranque, Funcionamiento. Disponible en la página web:
- Motores eléctricos, Estructura y componentes del motor de arranque. Disponible en la página web: http://www.slideshare.net/cemarol/estructura-motor-de-arranque-presentation#
- Partes de un motor de arranque (o marcha). Disponible en la página web: http://www.ehowenespanol.com/partes-motor-arranque-o-marcha-sobre_386874/
- Sistema de arranque. Disponible en la página web: http://www.monografias.com/trabajos24/sistema-arranque/sistema-arranque.shtml
- Sistema de arranque: Estructura y partes. Disponible en la página web: http://www.monografias.com/trabajos75/sistema-arranque-estructura-partes/sistema-arranque-estructura-partes2.shtml
SISTEMA DE ENCENDIDO
El motor de pistón transforma la energía contenida en el combustible en energía mecánica, gracias a la explosión violenta de la mezcla de aire-combustible en los cilindros. Esta explosión, se produce gracias a una chispa que salta en las bujías en el momento adecuado (ciclo de explosión). La función del sistema de encendido consiste en generar la energía que hace saltar esa chispa.
Los sistemas de encendido se clasifican en sistemas de magneto y sistemas de batería y bobina. El encendido por magneto suele ser utilizado en motores aeronáuticos mientras que el encendido por batería y bobina es clásico en motores de automóvil, aunque en estos últimos está siendo desplazado por el encendido electrónico.Aunque el funcionamiento de ambos sistemas es similar en sus principios básicos, la magneto es autosuficiente y requiere solo de las bujías y los cables conductores mientras que el sistema de batería y bobina requiere además otros componentes.
En la mayoría de los motores de los aviones se utiliza el sistema de encendido por magnetos, debido a que:
Este sistema es autónomo, es decir no depende de ninguna fuente externa de energía, tal como el sistema eléctrico (batería, generador...). Esta autonomía posibilita que aunque el sistema eléctrico del avión sufra alguna avería en vuelo, el
motor funcione con normalidad pues las magnetos continúan proveyendo la energía necesaria para la ignición.
Las magnetos generan una chispa más caliente a mayores velocidades del motor que la generada por el sistema de batería y bobina de los automóviles.
El sistema de encendido de los motores aeronáuticos se compone de magnetos, bujías, y los cables de conexión entre estos elementos. De forma simplificada el funcionamiento del sistema es como sigue: las magnetos generan una corriente eléctrica, la cual es encaminada a las bujías adecuadas a través de los cables de conexión. Como es comprensible, el conjunto funciona de forma sincronizada con los movimientos del cigüeñal para hacer saltar la chispa en el cilindro correspondiente (el que está en la fase de combustión) y en el momento adecuado.
Doble encendido.
Prácticamente todos los motores aeronáuticos están equipados con un sistema doble de encendido, compuesto por dos magnetos independientes que suministran corriente eléctrica a dos bujías en cada cilindro (una magneto suministra corriente a un juego de bujías y la otra alimenta al otro juego), por seguridad y eficacia:
Si falla un sistema de magnetos, el motor puede funcionar con el otro hasta que pueda realizarse un aterrizaje seguro.
Dos bujías en cada cilindro no solo dan mayor seguridad sino que además mejoran la combustión de la mezcla y permiten un mayor rendimiento.
Operación del encendido.
En el panel de instrumentos, hay un interruptor de encendido/starter accionado por llave, el cual tiene cinco posiciones:
OFF (Apagado). R (Right=Derecha) en la cual solo una magneto suministra corriente a su juego de
bujías.
L (Left=Izquierda) lo mismo con la otra magneto y su juego de bujías.
BOTH (Ambos), ambas magnetos suministran corriente, cada una a su juego de bujías, y
START (Arranque) que acciona el starter que arranca el motor.
Para generar electricidad las magnetos deben girar, así que para poner en marcha el motor el piloto acciona el arranque (llave en START), alimentado por la batería, con lo cual se hace girar al cigüeñal y este a su vez las magnetos. Una vez comienzan a girar, las magnetos producen corriente y hacen saltar en las bujías la chispa que inflama la mezcla de aire y combustible en los cilindros. En el momento en que el motor comienza a girar por sus propios medios (explosiones en los cilindros), el piloto suelta la llave, la cual vuelve automáticamente a su posición de BOTH quedando desactivado el sistema de arranque. El motor sigue su ciclo de trabajo, con el sistema de encendido alimentado por la corriente generada por las magnetos gracias al giro del motor, así que la batería ya no juega ningún papel en el funcionamiento del motor. Esta autonomía de las magnetos posibilita que en vuelo el motor siga funcionando aún con el sistema eléctrico averiado o desconectado por avería.
Para asegurar que el sistema dual de encendido funciona correctamente, se debe comprobar este en la prueba de motores previa al despegue. El procedimiento consiste en: ajustar la potencia al régimen indicado por el fabricante (entre 1700 y 2000 r.p.m. dependiendo del avión); entonces se mueve la llave de encendido desde la posición BOTH hasta la posición L (Left) chequeando en el tacómetro que la caída de r.p.m. no excede de las indicadas por el fabricante (normalmente entre 75 y 100 r.p.m.); seguidamente se vuelve a la posición BOTH y se repite el mismo procedimiento llevando la llave esta vez a la posición R (Right) y comprobando en el tacómetro la caída de r.p.m. La diferencia en la caída de r.p.m. con la llave en L y con la llave en R tampoco debe superar las indicadas por el fabricante (unas 50 r.p.m.). Antes de realizar este procedimiento conviene asegurarse de que la temperatura y la presión del aceite tengan valores normales (indicadores en verde).
Para apagar el motor de un automóvil, basta con girar la llave de encendido y extraerla, pero el peculiar sistema de encendido del motor de un avión hace esto algo diferente. En primer lugar, se mueve la palanca de la mezcla de combustible a la posición de mínima para interrumpir la alimentación al motor; una vez que el motor se para, es cuando se lleva la llave de encendido a la posición OFF. De esta manera se garantiza que no queda combustible en los cilindros, lo cual podría hacer que el motor se pusiera en marcha si
alguien mueve accidentalmente la hélice con la llave de encendido puesta, aun cuando el interruptor eléctrico principal (master) esté apagado.
Otros elementos.
Además de las magnetos, el sistema de encendido consta de las bujías y los cables que llevan la corriente desde las magnetos hasta las bujías. Las bujías de los motores de avión no son diferentes de la empleadas en los automóviles, y sus cuidados los mismos: mantenerlas limpias de carbonilla y desengrasadas, calibrar la separación entre sus electrodos, etc... En cuando a los cables, vigilar que no estén cortados o pelados, que están bien conectados, etc...
FUNCIONAMIENTO DE LA MAGNETO
El funcionamiento de la magneto se basa en la generación de corriente de alta tensión, en el carrete de Ruhmkorff.
Es un generador de alta tensión, que puede provocar el encendido independientemente de la instalación eléctrica con batería; convierte la energía mecánica, suministrada por el motor, en energía eléctrica de baja tensión que, posteriormente, es transformada en corriente de alta tensión y distribuida a las bujías en el instante y en el orden de sucesión requeridos., La invención de la magneto se atribuye al británico Simms y al alemán Bosch, aunque, Probablemente, el austríaco Marcus fue el Primero que tuvo la idea de obtener una descarga eléctrica haciendo mover unos imanes. Las primeras aplicaciones de la magneto se remontan a los últimos años del siglo pasado cuando los sistemas de *encendido empleados eran aún muy numerosos, inciertos y delicados. Entre éstos cabe citar el encendido de brúleur (con llama exterior de gas) y el de pila y trembleur (donde la corriente continua de una pila se convierte en pulsante por la acción do un vibrador conectado a una gran bobina). Ninguno de tales sistemas podía regular correctamente el instante del encendido, además de depender de una fuente de energía exterior. Los primeros aparatos que emplearon una magneto para el encendido fueron los de disyuntor, en los cuales la corriente alterna producida era transportada directamente a la cámara de combustión. En ella, un martillo, accionado directamente por el pistón o mediante una varilla, por el árbol de levas, abría el circuito provocando unsobre corriente de apertura de más de 400 V (capaz de provocar una chispa).
La Morsa fue la primera empresa que aplicó dicho sistema, denominado también magneto de media tensión. Debido a la dificultad de mantener eficientes y aislados los órganos móviles en la cámara de combustión, este sistema fue abandonado enseguida, siendo substituido por la magneto de baja tensión, es decir, una magneto que producía corriente alterna cuya tensión era aumentada después por una bobina exterior. Dicho sistema, montado en el Ford T de 1909, es empleado aún en los motores de motocicletas de 1-2 cilindros. En los automóviles fue abandonado pronto, siendo reemplazado por la magneto de alta tensión, denominada así porque no existía una bobina o transformador exterior para aumentar la tensión, sino que el circuito del alternador estaba dotado de 2 bobinas, una de las cuales actuaba como transformador.
El progreso ulterior de la magneto de alta tensión estuvo unido al perfeccionamiento de los materiales dieléctricos y al de los imanes, lo cual permitió aligerar enormemente el aparato y reducir las dimensiones hasta permitir su empleo sobre motores hasta de 8 y más cilindros, tanto de encendido simple como doble.
La magneto de alta tensión se empleó exclusivamente en toda la producción mundial de los años veinte. Desde 1925 fue substituida gradualmente por el encendido por *delco, pero en los motores de competición, dadas las óptimas prestaciones a regímenes elevados y no necesitando la batería, mantuvo las preferencias de los constructores hasta finales de los años cincuenta.
Magneto de baja tensión - La denominación es impropia, en el sentido de que la corriente producida por la magneto era de tensión limitada (no superior a 280 V en el momento de
la apertura de los contactos), pero la corriente enviada a las bujías después era aumentada por un transformador exterior (bobina) que la llevaba a valores superiores a 10.000 V.
El funcionamiento era muy sencillo: se trataba de hacer mover un imán alrededor de una bobina de alambre de cobre o viceversa. En las primeras magnetos, el imán estaba fijo y la bobina (inducido) giraba en su interior. De este modo, la corriente debía obtenerse del rotor a través de unas escobillas o contactos de rozamiento. Más tarde, se fijó el inducido, y el imán o los imanes adquirieron la forma de rotores. Existieron también ejemplos de inducido de imán fijo, entre los cuales se deslizaba con movimiento alternativo un núcleo metálico que originaba una variación del flujo.
El principio básico sobre el que trabajaba la magneto (tanto de baja tensión como de alta tensión) es el mismo que el del alternador. Las variaciones de flujo magnético producido por el movimiento recíproco crean en la bobina —cerrada sobre sí misma— una corriente alterna. Si el imán tiene 2 polos, la tensión de la corriente tendrá 2 mínimos y 2 máximos (de unos 10 CV), que se producen exactamente cuando el flujo magnético experimenta la variación máxima (es decir, se invierte de signo); esto es, que la tensión máxima se obtiene cuando un polo del imán se ha alejado de la bobina. Si en ese instante se interrumpe el circuito con un ruptor (constituido por 2 platinos o, como en el caso de las motocicletas, por 2 contactos de volframio), la tensión entre los contactos separados alcanza valores de más de 200 V (sobre corriente de apertura). Si en paralelo con los contactos se monta un condensador, su efecto será absorber elsobre corriente de apertura (eliminando la chispa) y aumentar más velozmente la diferencia de tensión que se establece entre los contactos. En estas circunstancias, conectando la bobina a un transformador exterior se obtiene fácilmente un aumento de tensión que puede hacer saltar la chispa. Si las bujías son más de una, deberá colocarse un distribuidor de tensión (de 200 V) que envía la corriente a tantos transformadores como bujías; o bien, más económicamente, pueden colocarse varios platinos que alimentan otras tantas bobinas. Con la solución de distribuidor, tratándose de baja tensión, son imprescindibles los contactos de rozamiento, pero, por otra parte, no son necesarios aislamientos muy esmerados.
Las bobinas que generan corriente de alta tensión pueden colocarse muy cerca de las bujías, para evitar el peligro de dispersión o de corto circuito. En los motores aeronáuticos, o en los de funcionamiento por metano, se ha preferido la magneto de baja tensión, precisamente por la reducción de las dispersiones debidas al efecto corona a gran altura (para los aviones) y de los peligros de corto circuito (para los motores de gas).
En los motores mono cilíndricos, la magneto de baja tensión se emplea aún porque es posible construir un volante magnético donde toda la corriente producida tenga valores bajos de tensión, pero elevados en cuanto a intensidad de corriente, de manera que se pueda destinar una parte de las bobinas a la iluminación o a las luces de a bordo.Magneto de alta tensión - No difiere mucho de la anterior; es más sencilla, puesto que falta la bobina exterior y produce directamente corriente de alta tensión para enviarla a las bujías. Desde el punto de vista de su construcción, la posibilidad de tener agrupados en un único bloque todos los órganos destinados a producir corriente, a aumentar la tensión y a distribuirla a las bujías, reduce mucho los costes y, en parte, la posibilidad de averías. La magneto de alta tensión está compuesta por:
- Un imán giratorio o 2 imanes dotados de expansiones adecuadas hasta formar un rotor de 2 ó 4 polos. Generalmente, se emplean aceros al volframio, cromo, molibdeno o cobalto que, con un temple adecuado, mantienen las características magnéticas durante mucho tiempo.
- Una bobina inducida, constituida por un paquete de láminas al silicio (núcleo), sobre el que están enrollados un circuito primario, formado por varios centenares de espiras de cobre de un diámetro aproximado de 0,5 mm y, coaxialmente, un circuito secundario de varios millares de espiras de alambre muy fino (0,05-0,08 mm). Los circuitos están conectados en serie por un extremo: del mismo punto parte una conexión que va a los platinos (y después a masa) y en paralelo a un condensador; el otro extremo del primario (alambre grueso) se conecta a masa, mientras que el secundario va a la escobilla giratoria de un distribuidor de tensión.
- Un ruptor, constituido por dos contactos (uno móvil y otro fijo, conectado a masa), y una leva. Esta última tiene 2 lóbulos, tanto en el caso de motores bicilíndricos, con leva giratoria a la mitad de revoluciones del motor, como en el de motores de 4 cilindros, con leva giratoria a las mismas revoluciones del motor. Su finalidad es interrumpir, en instantes determinados y a intervalos regulares, la corriente de baja tensión que circula en la bobina primaria del inducido, determinando así el instante exacto en que salta la chispa. La escuadra sobre la que está soldado el contacto fijo, puede desplazarse angularmente algunos grados para determinar la distancia más conveniente entre los platinos (generalmente, 0,4 mm). El contacto móvil está fijado a una escuadra, aislada eléctricamente del resto de la magneto y montada sobre un tornillo que actúa de terminal del muelle del martillo, y a la conexión de baja tensión que une el ruptor con la bobina primaria del inducido. Con la magneto funcionando, cuando los contactos están cerrados, la corriente que circula por la bobina primaria del inducido llega al tornillo, recorre el muelle y alcanza la masa por medio del contacto fijo y el cuerpo de la magneto.
- Un condensador, cuya función consiste en que la interrupción de la corriente sea rápida, eliminando el arco que tendería a producirse entre los contactos del ruptor, en el momento en que se separan por efecto de la leva que empuja al patín del martillo. El condensador, que tiene la caja conectada a masa, deja pasar la corriente alterna y, por tanto, evita que se descargue sobre la bobina secundaria cuando los platinos están separados (después de que haya saltado la chispa); efectivamente, esto, durante las fases muertas del ciclo, provocaría chispas nocivas, con peligrosos retornos de llama. Debe tenerse en cuenta que, puesto que el imán posee al menos 2 polos, el número mínimo de chispas que puede obtenerse de una magneto es de 2 por cada vuelta; por consiguiente, si la magneto está montada directamente sobre el cigüeñal, es adecuada para un motor de 4 tiempos y de 4
cilindros, o para un motor de 2 cilindros y de 2 tiempos. En un motor mono cilíndrico se produciría un número de chispas excesivo.
— Un dispositivo de avance automático, cuyo funcionamiento es similar al empleado en los distribuidores de encendido. Sirve para variar progresivamente el avance al aumentar el número de revoluciones: se basa en 2 masas centrífugas que, alejándose, varían la posición angular de la leva, que separa los platinos, respecto al árbol de la magneto. Es importante advertir que la magneto no trabaja con corriente continua, sino alterna, y que la mejor chispa se obtiene cuando la tensión de la corriente alcanza su valor máximo. Esto obliga a separar los platinos sólo para una determinada posición del árbol de la magneto. Dicha posición se produce cuando la arista de los polos de un imán se ha alejado algunos milímetros del polo del inducido. Cuando la magneto debe ponerse en fase con el motor, es necesario realizar la puesta a punto de la propia magneto entre el instante de separación de los platinos y la posición descrita. —Un arranque por disparo, que permite paliar la escasa potencia de la chispa en los regímenes bajos del motor. Asimismo, puesto que la tensión de la corriente producida por la magneto depende de la variación del flujo magnético, cuando el motor gira muy despacio o, peor aún, durante el arranque, la chispa resultante es muy débil. Por esto, casi todas las magnetos de los automóviles de los años veinte y treinta estaban dotadas de un dispositivo de muelle que podía ser tensado antes de poner en marcha el motor y que desenganchaba el rotor cuando el cilindro estaba realizando la fase de compresión; por tanto, la chispa era independiente de la velocidad con que giraba la manivela de arranque.
- Un distribuidor de tensión, que se encarga de enviar la corriente en el orden establecido a cada una de las bujías. En la práctica, se trata de un sombrerete de ebonita, semejante al del delco, con una escobilla giratoria que distribuye la corriente, por salto de chispa. El distribuidor para motores de 4 tiempos está conectado al árbol de la magneto por medio de un par de engranajes, que divide por 2 el número de revoluciones. Pero en un motor de 2 tiempos, el distribuidor puede estar montado sobre el propio árbol de la magneto.
Resumen.
La función del sistema de encendido consiste en generar la energía que hace saltar la chispa en las bujías.
Los sistemas de encendido se clasifican en sistemas de magneto y sistemas de batería y bobina. El encendido por magneto es el más utilizado en motores aeronáuticos.
El funcionamiento de ambos sistemas es similar en sus principios básicos, pero la magneto es autosuficiente y requiere solo de las bujías y los cables conductores mientras que el sistema de batería y bobina requiere además otros componentes.
