MOTORES ALTERNATIVOS

Una de las partes más importantes de las aeronaves es el motor. Sin él, los aviones convencionales no podrían salir del suelo, acelerarse, ascender, controlar el régimen de descenso y/o ascenso, ascender en un caso que la seguridad lo amerite, etc. El motor es para el avión lo que prácticamente es el ala, porque ambos generan fuerzas positivas (tracción y sustentación).

En el caso de la tracción o empuje, no podemos dejar de mencionar a la tercera ley de Newton (acción-reacción), porque la masa de aire que es movida por el motor hacia atrás del avión, genera una fuerza contraria y proporcional en sentido contrario que permite que el avión avance en la dirección de vuelo.

Los motores que analizaremos con profundidad en esta materia son los empleados en aviación por la gran mayoría de los aviones. En el caso de los motores recíprocos, la fuerza que generan se emplea para que una hélice mueva una masa de aire que le brindará tracción a la aeronave. En el caso de las turbinas a gas, este término abarca a todos los motores que empleen turbinas, el aire al pasar por las estaciones del motor se convierte en un gas de salida que brinda el empuje del avión o en el caso de los turbohélices, la fuerza se utiliza para mover el eje que contiene a la hélice. 

Todas las aeronaves deben cumplir con ciertos requisitos basados en:

  • Eficiencia
  • Economía
  • Fiabilidad

Cuando se habla de economía no es solo consumo de combustible, sino que se contempla el costo de mantenimiento, periocidad de controles, durabilidad, etc., que se relaciona con eficiencia y fiabilidad porque se busca que el motor tenga una tasa de fallas mínima y su rendimiento sea óptimo, máxime teniendo en cuenta la importancia que juega en el vuelo de las aeronaves.

Por ejemplo, para realizar operaciones ETOPS (Extended Twin Engines Operations) antes reservada para aviones de tres o más motores, la tasa de falla de los motores debe tratar de alcanzar 0.2 cada 1000 horas y permitir la continuidad del motor operativo. Este número surgió del estudio de una flota de aeronaves de gran porte durante 10 años, y es el valor que se toma como referencia para los cálculos. Es decir, el riesgo de fallo del motor debe ser muy pequeño y, a su vez, en el caso de falla de uno de los dos motores no deben existir causas para que falle el otro. Esto va de la mano con el diseño y los sistemas funcionales del avión.

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La tasa de riesgo relativo “ideal” debería ser igual a 1 cuando ETOPS 60´.

El avance de la tecnología logro grandes cambios en el rendimiento y fiabilidad de los motores que le ha permitido a la aviación realizar operaciones cada vez más seguras. Comenzaremos nuestro estudio con los motores recíprocos más comúnmente utilizados en los aviones que se emplean para realizar los primeros pasos en aviación.

Motores Alternativos

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La relación entre presión, temperatura y volumen define los principios básicos de funcionamiento de los motores de éste tipo. Los motores de combustión interna convierten calor en energía para mover un eje en el que va adosada una hélice que con su rotación generará tracción.

El combustible se mezcla con aire, ingresa al cilindro que lo comprime a través de un pistón y se ignita para generar una detonación. El resultado es convertir calor en energía para mover un eje (trabajo).

En el funcionamiento de estos motores se destacan los siguientes eventos:

  • Compresión: ingresa al cilindro la mezcla aire combustible se comprime a través de la válvula de admisión.
  • Ignición: la mezcla se ignita.
  • Expansión: producto de la compresión de la mezcla aire combustible y la ignición, se produce una explosión y los gases generados se expanden y fuerzan al pistón a moverse fuera de la cabeza de cilindro. El movimiento hacia abajo del pistón, a través de una biela, se traduce en movimiento circular del cigüeñal.
  • Escape: una válvula en la cabeza del cilindro (válvula de escape) permite el escape de los gases fuera del motor y el momento generado por el cigüeñal y la hélice hacen que el pistón nuevamente vuelva hacia su posición inicial para comenzar un nuevo ciclo.

Ahora bien, cuando hablamos de ciclos operativos, no podemos dejar de hablar del ciclo Otto (denominado por su creador) o también conocidos como motores de cuatro tiempos porque son necesarios cuatro eventos en forma ordenada para que se cumpla un ciclo. Dos revoluciones completas (720°) del cigüeñal son necesarias para cumplir un ciclo. 

  1. Admisión: el pistón es empujado hacia abajo por medio del cigüeñal. Esto reduce la presión en el cilindro permitiendo el ingreso de aire de la atmósfera a través del carburador que realiza la correcta mezcla aire-combustible. Esta mezcla, pasa por la válvula de admisión e ingresa al cilindro y será mayor o menor dependiendo de la posición del acelerador. La válvula de admisión se abre antes de que el pistón alcance el tope de manera de que ingrese una buena porción de aire combustible pero algunos factores como los gases remanentes dentro del cilindro pueden limitar la apertura total de la válvula. Por otro lado, la válvula de escape se mantiene cerrada hasta que el pistón comience a bajar luego de alcanzar el tope de su posición. Esta diferencia de tiempos de apertura de la válvula de admisión y escape se denomina superposición y permite que el cilindro se enfríe internamente eliminando los gases y circulando la mezcla aire-combustible para mantener la refrigeración. La válvula de admisión se cierra aproximadamente a los 50° a 75° luego de que el pistón haya partido de la posición más baja para permitir que el impulso de los gases cargue el cilindro completamente. Como el volumen que existe por encima del pistón cuando se encuentra en la posición más baja es grande, el poco movimiento ascendente del pistón durante la fase de apertura de la válvula de escape no tiene efecto en el flujo de los gases.
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2. Compresión: luego de que se cierra la válvula de admisión el pistón continúa con su recorrido comprimiendo la mezcla aire-combustible para obtener una explosión. El combustible es encendido por una chispa cuando el pistón se aproxima al tope del cilindro (entre 20° y 35° antes de haber llegado al tope).

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3. Expansión: cuando el pistón inicia su recorrido hacia abajo, la expansión de los gases en el cilindro lo empujan con una fuerza que puede ser mayor a 15 toneladas a máxima potencia del motor. La temperatura de los gases ronda los 1600 a 2200 °C. A medida que el pistón es forzado hacia abajo, la biela mueve al cigüeñal y esa fuerza se traslada al eje del motor que hace girar la hélice.

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4. Escape: a medida que el pistón comienza a subir nuevamente, fuerza a los gases que lo impulsaron inicialmente a salir por la válvula de escape. Recordemos que en ese momento la temperatura de los gases se encuentra en una condición que la compresión del pistón no generará otra explosión. La velocidad de los gases que abandonan el cilindro lo hacen a una gran velocidad causando una baja de presión que permite, a medida que se va abriendo la válvula de admisión, el ingreso de la mezcla aire-combustible para refrigerar el cilindro e iniciar un nuevo ciclo. La válvula de admisión, se abre una vez que la de escape se haya cerrado. Eso ocurre de 8° a 55° antes de que el pistón llegue a la parte superior.

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A medida que la presión en el cilindro aumenta (movimiento del cilindro hacia arriba) la chispa genera la ignición de la mezcla aire combustible. De esa manera, la compresión generada por el cilindro en la parte superior de la cámara hace que se produzca una expansión de los gases alcanzando su máxima temperatura y ocasionando el movimiento hacia abajo del cilindro que genera que el conjunto cigüeñal se mueva y traslade la energía al movimiento de la hélice, además de impulsar nuevamente al cilindro hacia arriba para comenzar con un nuevo ciclo.

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Potencia y Eficiencia

Los valores expresados para determinar la fuerza que tiene un motor viene de la mano del trabajo que éste pueda producir para convertirlo en potencia. El trabajo, está definido por la fuerza y la distancia en la que actúa la fuerza. Una de las unidades de medición más empleadas es pies/libras. Ejemplo: si un cuerpo con una masa de una libra se eleva 1 pie, se produjo un esfuerzo de 1 pie/lb. En este caso, tanto la fuerza como la distancia son variables que aumentan o disminuyen el trabajo.

T = F.d

Si queremos determinar HP (horsepower) de un motor, debemos dividir la potencia del motor en pie/lbs por minuto dividido 33.000 o para segundos por 550. Esto surge de su inventor James Watt (Ingles) creador de la máquina de vapor, el cual observó que un caballo de carga trabajaba 550 pies/libras por segundo o 33.000 pies/libras por minuto y eso lo podía mantener en el tiempo. Ejemplo: si un peso de 33.000 libras puede ser elevado a una altura de un 1 pie en un minuto la fuerza generada sería 33.000 pies/lbs o lo que es lo mismo…1 HP.

Ahora bien, para determinar la potencia deberemos analizar cuál es el movimiento del pistón. Mientras mayor sea el desplazamiento del pistón dentro del cilindro mayor será la potencia que pueda suministrar el motor. El volumen que mueve el pistón dentro del cilindro se denomina desplazamiento de pistón y dependerá del área del cilindro y la distancia recorrida para cumplir un evento.

V = A.h

El volumen arrastrado es igual al área del cilindro por la altura recorrida. Recordemos que para determinar el área debemos emplear la ecuación

A = π.r2

Y el radio (r) es igual a la mitad del diámetro del circulo r = d/2.

Relación de compresión: es la comparativa del volumen que existe en el cilindro cuando el pistón está totalmente abajo o totalmente arriba. Este es un parámetro a controlar cuando se desea saber cuál es la potencia que entrega del motor a régimen máximo (HP). Esta relación se expresa generalmente en proporción al volumen de espacio que existe cuando el pistón se encuentra en una posición. Por ejemplo, si el volumen que existe en el cilindro es de 140 pulgadascuando el pistón está en la parte baja del cilindro y 20 pulgadas3 de espacio cuando está en la parte superior se dice que la relación de compresión es 140/20 o lo que es lo mismo por fracción 7:1. Esto quiere decir, que si la presión de admisión es de 30´´Hg la presión antes de la ignición va a ser de 210´´Hg.

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Como podemos apreciar, el volumen en el cilindro afecta la presión de admisión y ambas la presión de combustible antes de ignitar. Si la presión es muy alta puede ocurrir que el combustible de encienda sin haber sido necesaria la ignición lo que causará que detone y genere sobretemperatura. Si esta condición ocurre en el tiempo, el motor puede dañarse o destruirse.

BHP (Brake Horse Power): se denomina de esta manera a la potencia que se entrega a la hélice. Es el resultado del HP indicado (IHP) o medido a través de ciertos equipos, menos los efectos de fricción que se producen en el conjunto del motor y que causan pérdida de potencia (puede llegar a ser del orden del 10% a 15% del HP indicado). La medida del BHP envuelve otra forma de representar la potencia que es el Torque (F.d) expresado en libras/pulgadas o libras/pie, contrario al trabajo que es expresado en pulgadas/libras o pie/libras. Una vez que se conozca el torque, el trabajo realizado por revolución se determina:

T = 2π.torque

Y si se multiplica por las RPM, el resultado es trabajo por minuto o potencia.

P = T.RPM

Presiones medias efectivas de Fricción y Freno: la presión media efectiva indicada (IMEP: Indicated Mean Effective Pressure) es la presión media producida en la cámara de combustión durante un ciclo y se expresa como HP indicado (IHP=no contempla la fricción). No da ninguna noción de la potencia que se entrega al eje para que mueva la hélice, solo expresa la presión que ocurre en el cilindro y es empleada para medir estas presiones.

Para computar la pérdida por fricción y potencia neta, el IMEP debe ser separado en dos potencias que producen efectos diferentes, el HP de fricción que es el resultado de la fricción interna en el cilindro y el BHP que produce la potencia efectiva para la hélice. Al IMEP que produce BHP se lo denomina BMEP y al de fricción interna FMEP estas dos expresiones son las empleadas para determinar las pérdidas por fricción y potencia neta representando la distribución de presiones o relación de compresión en todo el cilindro.

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Del total de calor producido, el 25% a 30% es entregado como potencia, 15% a 20% se pierde en la refrigeración, 5% a 10% se pierde en fricción y entre 40% y 45% es liberado durante la etapa de escape de gases. La cantidad de calor que es convertido en trabajo mecánico depende en gran medida del régimen de compresión. A medida que la distancia entre el pistón y las paredes del cilindro sea mayor (posición arriba-abajo) mayor será la combustión que se traducirá en trabajo para mover el cigüeñal. 

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Otro aspecto a tener en cuenta es que si BHP = 100 y en el caso de que se mueva una hélice que tenga una eficiencia del 85% por ejemplo, significará que del total de potencia BHP se empleará para la tracción el 85%, es decir 85. A esta potencia se la denomina HP de tracción.

La hélice conjuntamente con el motor está diseñada para proveer potencia. El motor provee BHP a través de un eje y la hélice absorbe esa potencia y lo convierte en HP de tracción. En esta conversión se pierde potencia por fricción denominando eficiencia de la hélice a la relación entre el HP de tracción y el BHP. En promedio el HP de tracción ronda el 80% con respecto al BHP ya que el 20% restante se pierde producto de la fricción. Para obtener la máxima eficiencia de la hélice, se controla el ángulo de la pala para las diferentes condiciones de vuelo (hélices de paso variable).

 Reflexiones finales

  • El motor en el avión tiene tanta importancia como las superficies que generan sustentación.
  • Cuando hablamos de ciclo Otto, distinguimos cuatro eventos que nos permiten diferenciar el funcionamiento de los motores recíprocos: admisión, compresión, expansión y escape.
  • En la etapa de expansión es donde la temperatura dentro de la cámara llega a su máximo valor.
  • Los gases que se generan dentro de la cámara mueven el cilindro de forma de que el cigüeñal absorba ese trabajo y lo convierta en potencia para mover la hélice y generar tracción.
  • Se denomina relación de compresión a la comparativa del volumen que existe en el cilindro cuando el pistón está totalmente abajo o totalmente arriba. Este es un parámetro a controlar cuando se desea saber cuál es la potencia que entrega del motor a régimen máximo (HP).
  • También es menester saber que el motor no entrega el 100% de la potencia producida a la hélice, ya que para mover todas sus partes se pierde potencia (alrededor del 20% menos).
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