Home Featured Los motores de la aviación ligera

Los motores de la aviación ligera

Por Despegamos

Introducción
Un dato es un conjunto de caracteres que, en sí mismo, dice poco. En este sentido la información se define como un conjunto de datos, agrupados según una estructura, que son útiles en una situación de decisión.

En este trabajo se trata de hacer uso de lo anterior, analizando los datos de las especificaciones de motores ofrecidos por los fabricantes, acumulándolos dentro del marco formado por la estructura de la teoría que les es propia, para así tratar de extraer conclusiones que sean útiles y, al mismo tiempo, ofrecer una fotografía de los motores actuales.

Se considera solo los motores de pistón de la aviación ligera o general, constituida por aviones de un MTOW (Maximum Take-off Weight) igual o inferior a 6.000 lbs (≈3.000Kg.). Los fabricantes de estos motores son, casi en exclusiva, TEXTRON LYCOMING, TELEDYNE CONTINENTAL y FRANKLIN, este último en mucha menor medida. No se han considerado los motores Diésel, aparecidos en los últimos años, ni los motores diseñados para la aviación ultraligera constituida por aviones (con control en los tres ejes) de MTOW inferior a 1.000lbs., además de autogiros, alas deltas, parapentes y otros artilugios. Tanto los diésel como estos últimos, son lo suficientemente variados en su arquitectura y prestaciones como para exigir un estudio aparte.

Los datos que se han utilizado son los proporcionados por estos fabricantes en sus páginas web y que, fundamentalmente, son diámetros, carreras, relaciones de compresión, potencia máx. continua o despegue (en muchos casos coinciden) con sus correspondientes revoluciones, pesos y dimensiones e información sobre el sistema de alimentación que viene detallada en la identificación del motor.

sunset

Geometría del motor
Todos los motores son del tipo “boxer”, con cilindros horizontales opuestos, refrigerados por aire, de cuatro tiempos.
Cilindradas y nº de cilindros
El nº de cilindros es de 4 o 6, muy raramente de 8 (ver gráfico y tabla). Las cilindradas totales, para los motores de 4 cilindros, varían desde los 3,292 litros, como mínimo, hasta un máximo de 6,372 litros. Para los motores de 6 cilindros, estos valores son 4,938 y 9,558 litros, mínimo y máximo, respectivamente. El número de válvulas por cilindro es dos.

grafica
figura1

Relaciones de compresión
Es una de las más importantes características del motor. Un valor elevado proporciona un incremento del rendimiento termodinámico, sin embargo, este valor está limitado por el poder antidetonante del combustible. Adicionalmente, en su selección, también intervienen factores tales como el método de formación de la mezcla (carburador o inyección), si es sobrealimentado o no, tipo de refrigeración y velocidad. En el caso de los motores que nos ocupan, todos refrigerados por aire y con velocidades similares, las relaciones de compresión varían de 6,75 a 10,502, siendo de 8,20 la media de los motores con carburador, 8,45 la media de los motores con inyección y 7,51 la correspondiente a los motores sobrealimentados. El menor valor de estos últimos viene condicionado por el incremento de la densidad de aire y, por lo tanto, de la presión en el colector de admisión. Ver la figura de abajo.

grafica2

Diámetro y Carrera
El diámetro (D) y la carrera (C) son los principales magnitudes de un motor. Según la relación D/C, tenemos una clasificación de los motores en carrera corta, si D/C > 1 y carrera larga si D/C < 1. Para una relación de compresión dada, la relación D/C determina las proporciones geométricas de la cámara de combustión. Para D/C > 1 las áreas del pistón y de la culata en contacto con los gases quemados son relativamente grandes por lo que cuánto más alta sea esta relación más altas serán las pérdidas de calor. Por otro lado, la duración de la combustión mengua con D/C decrecientes. El efecto es no lineal, siendo más pronunciado cuando D/C baja de valores por encima de la unidad a valores por debajo. Bajas pérdidas de calor (D/C →1) y un rápido quemado del combustible (D/C→ 1), influyen favorablemente sobre el rendimiento térmico indicado (ref. 2). Adicionalmente, debido a las pérdidas de calor, la EGT (engine gas temperature) se reduce y, por tanto, se incrementa la cantidad de HC (hidrocarburos no quemados) en los gases de escape. Por todo ello, desde el punto de vista del consumo específico indicado interesan relaciones D/C iguales o inferiores a 1.

Por otro lado, los motores cuadrados, D/C = 1, son los que presentan menos perdidas por fricción. En los motores de carrera larga, estas pérdidas son más importantes en el pistón. En los motores de carrera corta, las pérdidas por fricción y las cargas se hacen más importantes en los cojinetes del cigüeñal, debido a la mayor fuerza transmitida por el pistón (Mayor área del pistón para la misma presión o superior).

Adicionalmente, diámetros grandes permiten una mejor disposición de las válvulas y las bujías. También, a igualdad de potencia, motores con cilindros contrapuestos tienen menor peso y volumen. Más adelante veremos que una disminución de la carrera conlleva un incremento de la densidad de potencia.

Todo lo anterior hace que la selección de la relación D/C sea una relación de compromiso entre muchos factores contrapuestos. En nuestro caso, todos los motores son D/C > 1, como puede verse en la figura de abajo.

grafica3

Resumen

tabla

Prestaciones de un motor
Presión media efectiva (pme).
Aunque la potencia y el par determinan la capacidad de producir trabajo de un motor, ambos dependen de la geometría y del tamaño del mismo.

La medida estándar de las prestaciones de un motor se obtiene dividiendo el trabajo efectivo realizado en un ciclo, entre la cilindrada. A este parámetro se le llama presión media efectiva (pme) y tiene las dimensiones de una presión. Mide la efectividad con que se utiliza la cilindrada.

form1

(I)

En donde Pb es la potencia al freno, V la cilindrada total, N el nº de revoluciones por seg. y τ el nº de revoluciones por ciclo (1 para los motores de dos tiempos, 2 para los motores de cuatro tiempos, que es nuestro caso) y Wc es el trabajo del ciclo, descontadas las pérdidas por fricción.
La pme se calcula al régimen de máxima potencia y al régimen de máximo par. Desgraciadamente, los fabricantes no dan este último dato por lo que solo se puede calcular la correspondiente a la potencia que nos dan.

Por otro lado, se demuestra que

form_II

(II)

donde:
ηt es el rendimiento térmico indicado, que es producto de otros dos rendimientos: rendimiento termodinámico indicado y el rendimiento de la combustión.
ηv es el rendimiento volumétrico
ηm es el rendimiento mecánico.
ρa es la densidad del aire en el colector de admisión.
FA es la relación combustible/aire.
Hu es el poder calorífico inferior del combustible.

De acuerdo con la ecuación anterior la pme se mejora incrementando los rendimientos, la densidad (presión) en el colector de admisión, la riqueza de la mezcla y el poder calorífico del combustible.

El valor de la pme es relativamente constante para motores de tecnología y diseños similares, por lo que la pme de un determinado motor puede ser comparada con esta norma y, de ahí, evaluar el éxito del diseñador en la utilización de la cilindrada. A este respecto resulta interesante comparar los motores objeto de este estudio (Aviación general o ligera) con los correspondientes a los ultraligeros, que son de diseño mucho más moderno (Ver figura de abajo). Obsérvese que la pme de estos últimos es mayor que la de los primeros.

grafica3.1

Velocidad media del pistón. Es un indicador de la velocidad del motor y también del rendimiento mecánico del mismo. Incrementando esta velocidad suben las fuerzas de inercia con lo que aumentan las perdidas mecánicas.
Viene definida por la expresión:

form_III

(III)

Las fuerzas de inercia, alternativas y giratorias, vienen caracterizadas por el factor mω2r, en donde ω es la velocidad angular del cigüeñal y r el radio del mismo (mitad de la carrera, C). La masa m la podemos considerar proporcional al cubo del diámetro D del pistón y, por lo tanto, proporcional a la cilindrada V, por lo que podemos escribir esta expresión, cuyo valor es meramente cualitativo:

formula

De esta ecuación se deduce que, de dos motores de igual cilindrada que funcionen a las mismas revoluciones, está sometido a mayores fuerzas de inercia aquel cuyo pistón se mueva a mayor velocidad.

grafica3.2

Potencias y Densidad de Potencia. La potencia mide el régimen de entrega de trabajo por unidad de tiempo; es una medida de la utilidad práctica del motor. En la ecuación (I) podemos despejar la potencia al freno Pb con lo que obtenemos:

formula2

Representando esta ecuación en función de la cilindrada obtenemos una recta cuya pendiente es la “densidad de potencia” (Kw/l), que es otro parámetro normalizado, utilizado ampliamente como una medida de las prestaciones del motor. Sin embargo, como en la ecuación figura también N (rev./seg.), que es una variable, esto hace que los puntos representativos de cada motor presenten una cierta dispersión. Esto se ve claramente en el gráfico 3.3., donde se muestran las tres rectas de regresión correspondientes a los motores con carburador, inyección y turbo. Los coeficientes de correlación son muy elevados, lo que indica que la regresión es muy buena en los motores con carburador e inyección, y buena en los motores turbo.

fig3

Potencia vs Cilindrada.

En este gráfico se observa que las rectas de regresión son divergentes, lo que nos dice que el sistema de inyección y el turboalimentador son más interesantes a medida que aumenta la cilindrada.
Si en la ecuación (IV), sustituimos N, despejándolo de la ecuación (III) y expresamos la cilindrada V por:

en donde es el área del pistón (Total, área individual multiplicada por el nº de cilindros) y C la carrera.
Así, obtenemos:

Dado que las variaciones de la velocidad media del pistón, aunque pequeñas, existen, podemos establecer una “potencia normalizada”, dividiendo la potencia entre la velocidad media del pistón, con lo que obtenemos:

La representación gráfica se muestra en la Fig3.4. Como podemos ver los coeficientes de correlación son aún mejores que los de las rectas de regresión de la Fig.3.3

fig3.4

Potencia normalizada vs área del pistón.

De la observación de ambos gráficos deducimos que existe una mejor relación entre la potencia y el área del pistón que respecto a la cilindrada 3.
Fijémonos ahora en la Densidad de Potencia. Se observa que para los motores con carburador, inyección y turbo son, respectivamente, 22, 24 y 26 Kw/l. En los motores con reductor sube a 33 Kw/l4. Vamos a tratar de explicar esto.
Con las ecuaciones (II) y (IV), podemos escribir:

ecs

Esta última ecuación nos dice que la densidad de potencia está limitada por las revoluciones (N). En los motores que nos ocupan (y en los motores navales), éstas vienen limitadas por el diámetro de la hélice con lo que, implícitamente, esta es una restricción al incremento de la misma. Una forma de soslayar esta dificultad está en la utilización de un reductor, otra en la utilización de un turboalimentador (incremento de ρa) y, otra más, en la mejora del rendimiento volumétrico y la estabilidad de la relación FA, con la sustitución del carburador por un sistema de inyección. Esto explica el aumento de los valores de la densidad de potencia a medida que se van incorporando mejoras, siendo la más alta la de los motores que incorporan el sistema de inyección, el turboalimentador y el reductor (GTSIO-520 de Continental)
Despejando N en la ecuación (III) y sustituyendo en la ecuación anterior, obtenemos:

Esta ecuación nos muestra que otra forma de incrementar la Densidad de Potencia es disminuir la Carrera, solución adoptada en nuestros motores.

Pares motores.
El par es la fuerza o, también, la capacidad de hacer trabajo, que tiene ese motor. La potencia y el par están ligadas por esta sencilla ecuación:

ec_par_motor

En donde Pb es la potencia al freno, Mb el momento correspondiente a esa potencia en Nm y N la velocidad del motor en rev/seg.

Igualando con la ecuación (II), obtenemos

ec_II

(V)

Despejando Mb
Esta ecuación nos dice que el par es directamente proporcional a la cilindrada, siendo la constante de proporcionalidad una función de pme, por lo que la dispersión que pueda producirse estará originada por esta.
En las fig. 3.5 se muestra los puntos y las rectas de regresión correspondientes a los motores con Carburador, Inyeccion y Turbo. Obsérvese que, para la misma cilindrada, de la misma forma que en las potencias, la pendiente de la recta de los motores con inyección es mayor que aquellos con carburador. Los motores con turbo ocupan en las posiciones altas.

fig3.5

Par @ Pot. Max vs Cilindrada

Resumen de valores

tabla_resumen

lycoming

Motor Lycoming de 6 cilindros.

Mapa de potencias
Un motor viene caracterizado por su potencia, par y velocidad (revoluciones). La potencia mide el régimen de entrega de trabajo por unidad de tiempo. El par es la fuerza o, más bien, la capacidad de trabajo motor. Como hemos visto, ambas magnitudes están ligadas por la sencilla ecuación:

ec_mapa_potencias

La ecuación anterior es muy general, aplicables a todo tipo de motores, independientemente de su tecnología.
Su representación gráfica en el plano P-M es un haz de rectas con las (n) rpm como parámetro.
En la Fig.4.1, cada punto representa un motor de coordenadas (P máx. continua, Par correspondiente). Se han dibujado las rectas de las rpm de motor, 2700 rpm para motor sin reductor, 3500 para motor con reductor y 600 rpm para ralentí. 2700-2800 rpm son las velocidades normales de la hélice para este tipo de motores pues, como es sabido, las rpm de la misma viene limitada por la velocidad en las puntas.

fig4.1

Como se ve en la Fig. 4.2, la gama de potencias cubiertas está entre 300Kw y 75Kw con 2700 rpm. Por encima de estas potencias ya están las turbinas de gas, en su versión turbohélice. Uno de los más populares es el PT6A de P&W, cuya potencia más baja en el eje de la hélice es de aprox. 375 Kw a 1700-1900 rpm. Por debajo están los motores de los aviones ultraligeros.

fig 4.2

Potencias, pesos y volúmenes
En las aplicaciones aeronáuticas, el peso y el volumen del motor son importantes. Sin embargo, estos parámetros son más útiles si se relacionan con la potencia. Por ello, se definen otras dos relaciones, una es el peso específico(Kg/Kw) , definido como la relación entre el peso del motor(motor completo, con accesorios y sin líquidos) y la potencia considerada (en este caso Potencia máxima continua). El otro es el volumen específico, definido como la relación entre el volumen del motor (calculado multiplicando las alturas, anchuras y longitudes dadas por el fabricante) y la potencia que se considera.

Ambos parámetros miden, respectivamente, el éxito del diseñador en la utilización de los materiales (pesos) y en el “empaquetamiento” de los componentes del motor. Es útil una representación gráfica conjunta de ambos parámetros (ver la siguiente figura).

fig5.1

Las medias de ambos valores son 0,969 kg/Kw (≈ 1 Kg/kw) y 2,931 dm3 /Kw(≈ 3dm3 /Kw). Trazando, por dicho punto, dos ejes paralelos a los ejes de coordenadas obtenemos una división en cuatro cuadrantes de la nube de la figura anterior Los puntos situados en el cuadrante inferior izquierdo representan a los motores con mejores pesos y volúmenes específicos respecto a la media. En las dos siguientes figuras se ven las características físicas de los motores situados en cada cuadrante.

Observando la siguiente figura, se ve que los motores situados en este cuadrante son, en su mayor parte, de 6 cilindros, todos los de 8 y unos pocos de 4 y en la segunda figura de abajo se aprecia que estos están formados por motores con inyección y con turbo. Se ve claramente que, para el mismo rango de volúmenes específicos, los motores con turbo presentan unos pesos específicos menores, seguidos por los dotados de inyección y, en último lugar, por los dotados de carburador.

fig5.2
fig5.3

Resumen

tabla_resumen_final

Resumen y conclusiones
En este trabajo se ha tratado de mostrar una fotografía de los motores actuales. Son todos refrigerados por aire de 4 y 6 cilindros opuestos, más raros de 8. Con carburador la mayor parte de los de cuatro cilindros e inyección el resto. En los de 6 cilindros hay una pequeña fracción con carburador y el resto con inyección. Un número muy importante están dotados de turboalimentación accionada por los gases de escape. Son motores tecnológicamente antiguos (años 60 y 70 del siglo XX), aunque sencillos, ligeros y fiables.

Las relaciones de compresión son ligeramente superiores a 8 en los dotados con carburador, y más altas, alrededor de 8,5 o superiores, en los dotados de inyección. En los turboalimentados es significativamente más baja, 7,50.

La relación Diámetro/Carrera es siempre superior a 1, con un valor medio de 1,222. Es decir, son motores de carrera corta, por lo que, presumiblemente, el consumo específico sea más alto cuanto mayor es la relación D/C. Asimismo, las cargas en los cojinetes de cigüeñal son más altas y menores las de fricción en el cilindro, respecto a un motor cuadrado (D/C=1).

La presión media efectiva (pme), junto con la densidad de potencia son crecientes, desde los motores con carburador hasta los turboalimentados, lo que muestra el camino seguido por los fabricantes para aumentar ambas (carburador -> inyección-> turboalimentador -> turbo y reductor). La aplicación del sistema de inyección y el turboalimentador son más efectivas con cilindradas altas.

La variación de potencias y pares para una misma cilindrada es también creciente, cuando se pasa de los motores con carburador a los turbos, siendo más alta esta diferencia a media que aumenta la cilindrada. Existen muy buenas correlaciones lineales entre la potencia y el par con la cilindrada y el área del pistón. La densidad de potencia está claramente limitada por el diámetro de la hélice. Esta dificultad se ha soslayado disminuyendo la carrera, incrementando la densidad de la carga (turbo) y el rendimientos volumétrico (sistema de inyección).

La gama de potencias cubierta está entre los 75 Kw (100CV) hasta los 300Kw (400CV). Las revoluciones están limitadas por la velocidad de la punta de la hélice, siendo la más frecuente 2700 rpm, con un máximo de 2800 rpm, 3350 con reductor. En las cilindradas, existe una holgura no cubierta entre los 6-8 litros correspondientes, más o menos, a 145Kw. Asimismo, existe una holgura de potencia entre los 300Kw (máximo para estos motores) y 375 Kw (mínimo para las turbinas de gas).

Las velocidades medias del pistón son bajas, algo superiores a 9 m/s, como corresponde a la carrera corta y a las bajas revoluciones. Esto indica que las fuerzas de fricción en el pistón y las de inercia son menores.
En cuanto a la utilización relativa de los volúmenes y los pesos, un porcentaje importante (64 de 139) está situado en valores menores de 1Kg/Kw y 3 dm3/Kw lo que indica un esfuerzo de los fabricantes en reducir pesos y volúmenes.

 


Bibliografía
(1) A. Kolchib V.Demidov. Design of Automotive engines.Edit. Mir 1984.
(2) ZS Filipi,DN Assonis.The effect of the stroke-to-bore ratio combustion, heat tranfer and efficiency of a homogeneus charge spark ignition engine of given displacement. I.J.Engine Research.c2000-ImechE.
(3) Sievert.R.M. Engine combustion at large bore-to-stroke ratios.
SAE paper 780968,SAE Trans 1978.
(4) Heywood J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals.
(5) Dante Giacosa. Motores Endotérmicos. Ediciones Omega, S.A.
(6) D.M.Chon and J. B. Heywood. Performance Scaling of Spark Ignition Engines: Correlation and Historical Analysis of Production engine Data.
(7) Matthews, R. D. (1983) “Relationship of brake power to various energy efficiencies and other engine parameters: The efficiency rule”, Int. J. of vehicle design, vol.4, no.5, pp 491-505.

You may also like

Deja un comentario

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.