Sistema de Combustible | Alternativos

Principios básicos

Un sistema de combustible de compone de bombas de presión eléctricas, bombas de presión comandadas por el funcionamiento del motor, válvulas de selección, indicadores de presión, cañerías y por su puesto tanques de combustible que dependerán del tipo de aeronave, diseño y estructura.

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De cada tanque sale una línea que dirige el combustible a una válvula de corte que se encuentra en cabina y permite al piloto realizar la selección del suministro de combustible de los tanques respectivos para luego dirigirse al motor. Generalmente, se utilizan bombas de presión para dirigir el combustible que sale de la válvula de corte a través de las cañerías para luego pasar por un filtro que le saca las partículas de polvo y suciedad antes de dirigirse al motor.

Las bombas de combustible pueden ser eléctricas o mecánicas, es decir que funcionan con el funcionamiento del motor y a medida que este acelera o desacelera (en base a la posición del acelerador) inyecta la cantidad de combustible necesaria en base a la demanda, dirigiendo la presión de combustible a través de las cañerías. Un elemento sensor se encuentra ubicado en las cañerías antes de llegar al motor y mide el flujo de combustible que ingresa al motor entregando la señal en cabina (flujómetro). Además, los tanques cuentan con flotadores que miden el nivel de combustible en cada uno y luego traducen esas mediciones eléctricamente a un instrumento en cabina.

Los requisitos que existen para medir el combustible es que el sensor sea capaz de medir el combustible en proporción con el aire de manera de poder establecer la correcta relación de mezcla aire-combustible en todas las condiciones de potencia y altitud a las que el motor esté certificado para volar. En el gráfico, nótese que la relación aire-combustible para la mejor potencia y economía es prácticamente la misma.

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El sistema de medición de combustible debe ser capaz de distribuir el combustible proveniente del carburador a cada uno de los cilindros en partes iguales además de que la proporción de mezcla debe ser exactamente la misma en cada uno de ellos.

A medida que se asciende, la densidad del aire disminuye y por ende un motor con aspiración de aire podrá absorber menos aire que menor altitud y de esa manera la mezcla tiende a ser más rica a mayor altitud porque la cantidad de aire que pasa por el carburador es menor. Es por ello que se deberá empobrecer la mezcla para compensar esta diferencia a través del control manual o en algunas aeronaves se realiza de forma automática.

La mezcla requerida en base a la potencia se puede determinar a través de las siguientes curvas en donde se puede apreciar que medida que se utiliza potencia por encima de crucero la mezcla deberá ser enriquecida de manera de mantener la temperatura en el cilindro dentro de los márgenes establecidos, ya que una mezcla muy empobrecida ocasionará un aumento de temperatura y posteriores detonaciones que ocasionan daños al motor.

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En el próximo gráfico encontraremos la relación mezcla consumo de combustible, en donde se apreciará que a medida que la mezcla se empobrece, el consumo de combustible es menor, pero…en el caso de que en una condición de vuelo determinada la mezcla esté por debajo de lo mínimo que debe emplear el motor surgirán detonaciones tempranas por lo que se mencionó con anterioridad. Es decir, que tanto para la operación manual o automática de la mezcla, la relación aire-combustible tiene un punto que es el óptimo para una condición de vuelo específica, en donde se obtiene el un mayor rendimiento de combustible. Claro está que los sistemas automáticos, al estar relacionado con sensores que le brindar mayor información de la atmósfera y condiciones del motor, serán más precisos que el humano para determinar está relación óptima.

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Mezcla estequiométrica

La proporción de combustible y aire es de suma importancia para las performances del motor y que las características de una determinada mezcla determinarán la velocidad de la llama y la temperatura en el cilindro.

La composición de la mezcla se mide en proporciones en referencia al peso. Por ejemplo: una relación de mezcla de 12:1 implica que por cada 12 libras de aire, se incorpore 1 libra de combustible. Se realiza de esta manera porque las propiedades de la masa de aire cambian con la temperatura y presión y es necesario tener una dimensión del volumen de la porción de aire para inyectar un volumen de combustible que sea adecuado para la condición de vuelo.

Cuando se habla de mezcla estequiométrica, se hace referencia a la proporción exacta de aire combustible para una determinada condición de vuelo ya que todo el combustible y el aire que ingrese al cilindro es usado completamente en el proceso de combustión proporcionando la mayor temperatura de combustión porque la proporción del calor que se libera en base a la relación aire-combustible es la mayor (empleo estequiométrico). Si se inyectase más combustible respecto de la mezcla ideal existirán cambios en la temperatura y por ende en la potencia.

Desde el punto de vista técnico la mezcla ideal tendría un valor de 0.067 libras de combustible por 1 libra de aire (15:1). La temperatura de los gases desciende cuando se inyecta más combustible (actúa de refrigerante) y la potencia aumenta hasta que la relación es 0.0725. Entre 0.0725 y 0.080 la potencia se mantiene constante a pesar de que la temperatura de la combustión sigue descendiendo porque está ingresando más combustible, igualmente la relación aire-combustible entre 0.0725-0.080 es la de mejor potencia porque entregan los mejores resultados en cuando a ingreso de aire y porción de combustible inyectado. Además recordemos que mayor inyección de combustible aceleraba el proceso de combustión y de esa manera la velocidad de conversión de la energía en potencia. Si se excediese el valor de 0.080 habría una mayor reducción de temperatura y también de potencia sumado a un consumo inapropiado de combustible.

SFC = Combustible (lbs/hrs) / HP  

En el caso contrario, 0.067 mezcla empobrecida, el propósito ya no es la obtención de la máxima potencia sino el ahorro de combustible, buscando adquirir una potencia adecuada para el vuelo pero con la menor inyección de combustible posible. Cuando hablamos de consumo específico (SFC: Specific Fuel Consumption) decimos que es la forma de determinar el uso económico de combustible.

Pero una de las consecuencias de reducir la mezcla por debajo de 0.067 es que si bien el consumo de combustible será menor por cada HP la potencia entregada por el motor también irá cediendo lentamente. Esta tendencia igualmente es favorable para el bajo consumo hasta el punto de mejor economía en donde se obtiene el máximo ahorro de combustible por cada HP. Generalmente esta relación de mezcla ronda el orden de 0.060 – 0.065 y es adecuada para volar en crucero cuando la selección de mezcla es realizada manualmente a través de un comando de mezcla.

Por debajo de la relación mencionada anteriormente (régimen de mejor economía) la potencia y temperatura comienzan a ceder en relación a SFC porque la relación de aire combustible (en este caso menor ingreso de combustible) no es la óptima para producir la potencia adecuada.

Podemos decir, que el efecto refrigerante que produce el combustible por encima de 0.067 es el mismo que produce el aire por debajo de ese valor. El efecto que tiene la variar la mezcla afecta las operaciones del motor y queda claro que la mezcla más eficiente dependerá de las condiciones de vuelo en relación a la velocidad del motor (RPM) y potencia entregada. 

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Como se puede apreciar en el gráfico, en idle existe ingreso de aire y gases a través de la válvula de escape durante la superposición de las válvulas. La mezcla que ingresa por la válvula de admisión debe ser lo suficientemente rica para compensar el exceso de gases y aire que hay en el cilindro. En potencia de crucero, utilizar una mezcla empobrecida disminuye el consumo de combustible y aumenta el alcance del avión. Un motor que esté operando a sus máximas revoluciones (RPM) necesita un ingreso de combustible mayor para compensar el exceso de temperatura y evitar las detonaciones. Si bien el consumo de combustible es mayor, un motor no opera todo el tiempo al máximo sino que lo hace en fases criticas como lo es el despegue, una dada de motor, recuperación de una condición anormal, etc., en donde no habrá un gran consumo de combustible si se considera el tiempo de empleo del motor a esos regímenes.

Es por ello, que conocer la mezcla adecuada para cada condición de vuelo es fundamental para optimizar el rendimiento y evitar daños en el motor. Empleando el motor entre el rango de velocidad máximas, cuando la mezcla es extremadamente pobre, se debe poner especial énfasis en la temperatura de la cabeza del cilindro porque se puede producir detonaciones, fuego interno y/o apagado de motor. Si la mezcla es muy rica además de consumir mayor cantidad de combustible, se perderá potencia.

Otra consideración que se deberá tener en cuenta es el combustible utilizado con el número de octanaje adecuado. El octanaje es una medida de la calidad y capacidad antidetonante de los combustibles para evitar las detonaciones y explosiones en las máquinas de combustión interna, de tal manera que se libere o se produzca la máxima cantidad de energía útil. Por este motivo, si bien existe la posibilidad de emplear los combustibles utilizados en automóviles, estas prácticas están limitadas y deben usarse en casa de extrema necesidad ya que el motor funcionará pero con el tiempo la degradación del material será notoria. Si no está disponible el octanaje apropiado de combustible, se debe utilizar un octanaje superior caso contrario puede ocurrir que la temperatura del motor y la del aceite excedan el rango operativo normal y se generen detonaciones.

Los motores de baja compresión utilizan grados de combustible inferiores porque estos combustibles se encienden a temperaturas más bajas, mientras que los grados superiores se utilizan en motores de alta compresión, porque se encienden a temperaturas más altas pero no prematuramente.

El combustible a utilizar debe ser el recomendado por el fabricante. Muchas aeronaves, establecen que de emplear un combustible con diferente octanaje debe realizarse por un período máximo de tiempo y además el ciclo de inspección se reduce.

Bloqueo por vapor

Todos los sistemas de combustible deben poseer un sistema que los prevenga del ingreso de vapor y también no ser propensos a generarlo teniendo en cuenta la variación de los cambios climáticos.

La vaporización del combustible prematura (antes de que se mezcle con el aire para ingresar al motor) restringe el flujo de combustible causando burbujas en las líneas que lo transportan pudiendo ocasionar una irrupción del flujo de combustible que se denomina bloqueo por vapor. Las causas que lo originan son:

  • Disminución de la presión de combustible
  • Alta temperatura de combustible
  • Turbulencia del flujo de combustible excesiva

A gran altura, la presión en el tanque de combustible es baja y también disminuye el punto de ebullición del combustible generando burbujas de vapor. Estas burbujas pueden ser la causa del bloqueo por vapor. Además, el intercambio de calor desde el motor hacia el resto de sistemas genera que las líneas de combustible se calienten y el combustible comience a evaporarse y si se combinada con baja presión es la mezcla perfecta para generar burbujas.

La causa de la turbulencia del combustible es que el fluido se revuelve en los tanques y sumado a la acción de las bombas de motor que tratan de mantener el flujo pero al no ser constante la presión de salida de combustible ocasiona espacios vacíos o de aire que quedan atrapados en forma de burbujas.

Para mejorar el flujo y evitar la vaporización del combustible existen las bombas de presión constante o boost pumps que operan generalmente con el sistema eléctrico del avión y son las encargadas de mantener el flujo adecuado en base a la demanda de combustible requerida por el motor. Esto hace que el margen para la generación de vapor sea mínimo y además este tipo de bombas se encargan de eliminar el vapor que pueda existir en las líneas de combustible haciendo que quede por encima del combustible que fluye por el sistema y una vez que llega al tanque de combustible por diferencia de presión se descarga por una salida de venteo. También algunas aeronaves poseen eliminadores de vapor ubicados antes de llegar al medidor de flujo de combustible.

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