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Teoría de los motores recíprocos y desempeño Francisco Javier González Cruz*

[email protected]

Ingeniero Mecánico (Universidad Incca de Colombia), Instructor en Especialidades Aeronáuticas (Escuela Aeronáutica de Colombia). Jefe Área Diseño y Mantenimiento Aeronáutico (Fundación Universitaria Los Libertadores). Profesor titular de la asignatura Motores a Reacción (Fundación Universitaria Los Libertadores).

*

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

coningenio Resumen

Francisco Javier González

… Teoría de los motores recíprocos y desempeño … p. 68-81

Los motores recíprocos o a pistón tienen gran aplicación en la industria aeronáutica, estos motores se utilizan en aviones pequeños los cuales no requieren un mayor uso de la potencia y son ideales para vuelos a alturas bajas. En este artículo se hablara de cómo es la sincronización y orden de encendido, de los factores de desempeño que afectan el funcionamiento del avión cuando posee este tipo de motor. Hablaremos también de las cartas de desempeño que se utilizan para determinar la potencia al freno disponible y el flujo de combustible requerido.

Palabras Clave: Orden de encendido, Potencia al freno, Desempeño, Flujo de combustible, Súper cargado, Presión Absoluta en el múltiple.

Reciprocating engine theory and performance Abstract

The piston engines have great implementation in the aviation industry, these engines are used in small aircraft that not require greater use of the power and are ideal for flights to low altitude. In this article was talk of how it is the timing and firing order, of the factors of performance that affect the functioning of the aircraft when have this type of engine. We will also discuss the performance charts for piston engines that are used to determine the Brake horsepower and the fuel flow required.

Key Words: Firing order, Brake horsepower, Performance, Fuel flow, Supercharged, MAP (Manifold Absolute Pressure). 69 AGOSTO··2010··3

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E

INTRODUCCIÓN

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válvula realiza una operación, por lo tanto el mecanismo que abre la válvula de admisión, debe hacer una operación para 2

Existen 2 tipos muy comunes de motores

giros del cigüeñal. En un motor opuesto ó en línea que tiene un

aeronáuticos usados para la propulsión, el

solo eje de levas, el eje de levas es orientado a el cigüeñal para

motor recíproco y el motor a reacción.

producir 2 revoluciones de este último por una del eje de levas. La corona del cigüeñal tiene la mitad del número de dientes

El motor de combustión interna encendi-

que tiene la corona del eje de levas, de esta manera se produce

do por chispa, utiliza el principio del em-

una relación de 1:2. En motores radiales que utilizan anillo de

bolo reciprocante, en donde un émbolo se

levas(cam rings) para accionar las válvulas pueden haber 3, 4,

desliza dentro de un cilindro, hacia atrás y

ó 5 levas en el anillo, la relación del cigüeñal a la rotación del

hacia delante y transmite fuerza a un eje

anillo de levas es de 1:6, 1:8 y 1:10 respectivamente.

motriz mediante un mecanismo de biela manivela. En 1876, Otto, un Ingeniero alemán cons-

ABREVIATURAS PARA EL POSICIONAMIENTO DE LAS VÁLVULAS

truyó un motor con ciclo de trabajo de 4 tiempos, que resulto en los motores recíprocos que conocemos hoy en día.

En una discusión para el posicionamiento de las válvulas es conveniente usar abreviaciones. Las abreviaciones común-

En los motores es muy importante cono-

mente usadas describen el posicionamiento del pistón y el

cer los factores que determinan el funcio-

cigüeñal para la apertura y cierre de las válvulas. A continua-

namiento de los mismos, como por ejem-

ción se muestra:

plo su potencia, la presión media efectiva, entre otros factores que contribuyen a la

After Bottom Center ( Después del punto inferior)

ABC

determinación de gráficas que establecen

After Top Center ( Después del punto superior )

ATC

su desempeño.

Before Bottom Center ( Antes del punto inferior)

BBC

Bottom Center (Punto inferior)

BC

Bottom Dead Center (Punto muerto inferior)

BDC

Before Top center (Antes del punto superior)

BTC

SINCRONIZACIÓN Y ORDEN DE ENCENDIDO

Exhaust Closes (Escape cerrado)

EC

Recordemos que el motor a pistón ae-

Exhaust Opens (Escape abierto)

EO

ronáutico, opera bajo el ciclo de cuatro

Intake Closes (Admisión Cerrada)

IC

tiempos, esto significa que el pistón reali-

Intake Opens (Admisión Abierta)

IO

za estas operaciones durante un ciclo de

Top Center (Punto superior)

TC

funcionamiento.

Top Dead Center (Punto muerto superior)

TDC

Durante un ciclo de operación del motor el cigüeñal realiza 2 revoluciones, y cada

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DIAGRAMA DE TIEMPOS EN EL MOTOR

Se creería que la válvula de admisión debiera abrirse en el punto superior (TC) y ce-

Para tener un concepto visual del tiempo de las válvulas en

rrarse en el punto inferior (BC), de la misma

motores aeronáuticos, se mostrará un diagrama de un motor

manera parecería que la válvula de escape

continental (Figura 1). Un estudio de este diagrama revela las

debiera abrirse en el punto inferior (BC)

siguientes especificaciones de distribución en el motor:

y cerrarse en el punto superior (TC). Esto sería cierto excepto por la inercia de los

IO 15º BTC EO 55º BBC

gases y el tiempo requerido para la apertu-

IC 60º ABC EC 15º ATC

ra total de las válvulas. Cerca del final del tiempo de escape, los gases están aun saliendo por la válvula, la inercia de los gases provoca una condición de baja presión en el cilindro en este tiempo. Abriendo la válvula de admisión un poco antes del punto superior, se toma ventaja de la condición de baja presión para empezar la inyección de la mezcla aire-combustible en el cilindro, de esta manera se consigue una gran carga dentro del motor y se mejora la eficiencia volumétrica. Si la válvula de admisión se abriera tempranamente también, los gases de escape fluirían hacia fuera a través del conducto de admisión y existiría una ignición ascendente de la mezcla aire combustible. El resultado sería un autoencendido, el autoencendido también ocurre cuando la válvula de escape se queda en la posición abierta. La válvula de escape se cierra brevemente después de que el pistón llega al punto superior (TC) y evita que los gases de escape regresen o se devuelvan al cilindro. La distancia angular a través de ambas válvulas cuando están abiertas es llamada traslape de válvulas. Cuando la válvula de admisión abre a 15º antes del punto superior (BTC), y la de escape cierra a 15º después del punto superior (ATC), el traslape de válvulas es de 30º.

Figura 1. Diagrama de posicionamiento de válvulas Fuente: Aircraft Powerplants - Kroes.

La figura 1 muestra dos diagramas que puedan ser usados como guías para el posicionamiento de las válvulas, cualquiera puede

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ser empleado para indicar los puntos en el

punto superior (TC). La apertura o cierre de las válvulas de

ciclo donde cada válvula se abre y cierra.

admisión y escape después del punto superior (TC) o el punto inferior es llamado retraso de válvula (Valve Lag). La apertura

En los diagramas de la figura 1, la válvula

o cierre de las válvulas de admisión o escape antes del punto

de admisión permanece abierta 60º des-

inferior o el punto superior es llamado adelanto de válvula

pués del punto inferior (ABC), esto permi-

(Valve Lead), ambos procesos son expresados en grados del

te tomar ventaja de la inercia de la mez-

recorrido del cigüeñal, por ejemplo si la válvula de admisión

cla aire-combustible que entra al cilindro,

abre 15º antes del punto superior (BTC) se dirá entonces que

porque la mezcla continuará fluyendo al

existe un adelanto de válvula de 15º. Observe en el diagrama

interior del cilindro, para un tiempo des-

de la figura 1, que el adelanto de válvula y el retraso de vál-

pués de que el pistón a pasado por el pun-

vula son grandes en relación a la posición del punto inferior

to inferior (BC). El periodo total durante el

(BC) que a la que están de la posición del punto superior (TC).

cual la válvula de admisión está abierta es

Una razón para esto es que el recorrido del pistón por grado,

diseñado para permitir la mayor posible

del recorrido del cigüeñal es menos próximo al punto inferior

carga de mezcla aire combustible dentro

(BC) que a las cercanías del punto superior (TC), esto es ilus-

del cilindro.

trado en la figura 2.

La válvula de escape abre antes del punto

En el diagrama el círculo representa el recorrido del cigüeñal,

inferior por dos principales razones: Para

el punto C representa el centro del cigüeñal, TC es la posi-

una completa evacuación de los gases de

ción del pasador del pistón en el punto superior y BC es la

escape en el cilindro, y para una mejor re-

posición del pasador del pistón en el punto inferior. Los nú-

frigeración del motor.

meros muestran las posiciones del pasador del pistón y de las muñequillas del cigüeñal en diferentes puntos a través de

Gran parte de la energía del combustible

180º de giro del cigüeñal. Note que el recorrido del pistón es

quemado es gastado para mover el cigüe-

mucho mas largo durante los primeros 90° del recorrido del

ñal 120º pasado el punto superior en el

cigüeñal que durante los segundos 90°, y que el pistón esta-

tiempo de potencia y el pistón es movido

rá viajando a máxima velocidad cuando la muñequilla del

casi a la posición más baja. Abriendo la

cigüeñal haya girado de 80 a 90° pasando el punto superior.

válvula de escape en este tiempo se permite que los gases calientes salgan tempra-

Con respecto a la figura 2, es posible determinar: La distan-

namente y el calor de baja sea transmitido

cia rotacional a través de la cual el cigüeñal gira mientras

a las paredes del cilindro, que debería ser

cada válvula es abierta y determinar la distancia rotacional

el caso si la válvula permaneciera cerra-

del giro del cigüeñal mientras ambas válvulas están cerradas.

da hasta alcanzar el punto inferior (BC).

Desde que la válvula de admisión abre a 15° antes del punto

La válvula de escape no se cierra hasta

superior y cierra a 60° después del punto inferior, el cigüeñal

después del punto superior (ATC) porque

gira 15° desde donde la válvula de admisión abre y alcanza el

la inercia de los gases ayudan a extraer

punto superior (TC), entonces gira 180° y alcanza el punto in-

adicionalmente dichos gases de escape,

ferior (BC), después gira otros 60° a el punto donde la válvula

después de que el pistón a pasado por el

de admisión se cierra.

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vula de admisión se cierra hasta el punto superior (TC). Desde que la válvula de escape abre a 55° antes del punto inferior (BBC), el cigüeñal gira 125° (180° - 55° ), desde el punto superior (TC) hasta el punto donde dicha válvula abre. La distancia total de rotación que el cigüeñal debe recorrer desde el punto donde la válvula de admisión cierra al punto donde la válvula de escape abre, es de 120° + 125° = 245°. El instante en que las válvulas permanecen fuera de su asiento es llamado su duración, por ejemplo la duración de la válvula de escape es de 250° del giro del cigüeñal.

ORDEN DE ENCENDIDO (FIRING ORDER ) Como su nombre lo dice el orden de encendido de un motor, es el orden en el cual Figura 2. Relación entre el recorrido del pistón y el del cigüeñal

salta la chispa en los cilindros. El orden

Fuente: Aircraft Powerplants - Kroes.

de encendido en motores en línea, en V y en motores opuestos es diseñado para proporcionar un balance y eliminación al

La distancia total de rotación del cigüeñal con la válvula de

máximo de las vibraciones que ocurren. El

admisión abierta es por lo tanto 15° + 180° + 60°, para un total

orden de encendido es determinado por las

de 255°; de la misma manera la distancia total de rotación del

posiciones relativas de las muñequillas del

cigüeñal con la válvula de escape abierta es 55° +180° + 15°,

cigüeñal y de las posiciones de las levas en

para un total de 250°. El traslape de válvulas en el punto su-

este eje.

perior (TC) es 15° +15°=30°, y a través del punto inferior (BC) es de 55° + 60° = 115°. La distancia total de rotación del ci-

La figura 3, muestra la disposición de los

güeñal mientras ambas válvulas están cerradas se determina

cilindros y el orden de encendido para un

por observación, cuando la válvula de admisión esta cerrada

motor Lycoming opuesto de 6 cilindros, el

en el tiempo de compresión y cuando la válvula de escape

orden de encendido en el cilindro en mo-

esta abierta en el tiempo de potencia, esto se puede mirar

tores opuestos puede usualmente enume-

en el diagrama en donde la válvula de admisión cierra a 60°

rarse en parejas de cilindros, porque cada

después del punto inferior (ABC) y que en donde el cigüeñal

pareja enciende a través del rodamiento

debe por consiguiente girar 120° (180° - 60°), desde que la vál-

central principal.

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Figura 3. Numeración de cilindros y orden de encendido. Fuente: Aircraft Powerplants - Kroes. La numeración de los cilindros en los motores opuestos no es estándar, algunos fabricantes numeran sus cilindros desde atrás y otros desde delante del motor, siempre se refiere al manual del motor para determinar la numeración usada por el fabricante. A continuación se muestra el orden de encendido de algunos tipos de motores.

TIPO DE MOTOR 4 – Cilindros en Línea 6 – Cilindros en Línea 8 – Cilindros en V (CW ) 12 – Cilindros en V (CW ) 4 – Cilindros Opuestos 6 – Cilindros Opuestos 8 – Cilindros Opuestos 9 – Cilindros Radiales 14 – Cilindros Radiales 18 – Cilindros Radiales

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ORDEN DE ENCENDIDO 1-3-4-2 ó 1-2-4-3 1-5-3-6-2-4 1R-4L-2R-3L-4R-1L-3R-2L 1L-2R-5L-4R-3L-1R-6L-5R-2L-3R-4L-6R 1-3-2-4 ó 1-4-2-3 1-4-5-2-3-6 1-5-8-3-2-6-7-4 1-3-5-7-9-2-4-6-8 1-10-5-14-9-4-13-8-3-12-7-2-11-6 1-12-5-16-9-2-13-6-17-10-3-14-7-18-11-415-8

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FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO DEL AVIÓN POTENCIA Varios factores influyen en la potencia desarrollada del motor recíproco. Los mas importantes son los siguientes: •

Calor Liberado por Libra de Aire: Cuando el calor liberado es alto, la temperatura y la presión de los productos de la combustión en cada cilindro serán altos también, La magnitud del calor liberado depende del poder calorífico del combustible (Qnet,p) y de la relación combustible – aire (f), si esta relación es alta la mezcla es llamada rica y la combustión puede no ser completa, si la relación es baja la combustión puede no tomar lugar o no efectuarse. El efecto de la relación combustible – aire se muestra en unas gráficas de Presión Vrs Volumen (Figura 4a).

Figura 4. Efectos de la relación combustible – aire y supercarga. Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.

•

Carga por Carrera: La cantidad de aire (masa) introducido

primido utilizando una bomba de aire

en el interior del cilindro controla la cantidad de calor

(Compresores) antes de ser admitido

liberado, por una cantidad dada de combustible. La can-

dentro de los cilindros. El efecto de su-

tidad de aire depende de la presión de entrada, también

percargado es mostrado en una gráfica

llamada presión del múltiple de admisión (Manifold Ab-

de P Vrs V (Figura4b)

solute Pressure MAP). La carga por carrera decrece con la altitud debido a los cambios atmosféricos, la carga por

•

Máximas RPM permisibles: Como se

carrera puede incrementarse a cualquier altitud utilizan-

muestra en la ecuación de potencia al

do supercargadores, con estos dispositivos el aire es com-

freno también llamada potencia al eje,

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incrementando las RPM se incremen-

del aire es baja por consiguiente para cualquier paso de

tará la potencia de salida. Cada motor

combustible fijado la potencia de salida decrecerá con la

tiene un límite superior para las rpm

altitud, esto debe ser notado en que el paso de combus-

ya que se poseen limitaciones estruc-

tible fijado determinará el nivel de potencia mediante

turales, los valores típicos máximos en

el sistema de control de combustible. Si el paso de com-

rpm para los motores a pistón son de

bustible es gradualmente abierto a grandes altitudes

2200 a 3500.

como tal para mantener la presión de entrada (MAP), mas potencia puede ser obtenida porque la reducción

•

Efectos de altitud: Para una quema

en la presión de salida tendera a incrementar el flujo de

completa de combustible dada una

aire y de esta manera el empuje. En la figura 5 se mues-

mezcla de combustible – aire se re-

tra el efecto de la altitud, una fórmula para relacionar la

quiere una cantidad suficiente de

potencia a una altura dada con respecto a la potencia a

aire. A grandes altitudes la densidad

nivel del mar es la siguiente:

Esta ecuación solamente es utilizada para motores no supercargados Donde:

ρh = Densidad del aire en slugs / ft a una altura dada ρh=o = Densidad del aire a nivel del mar en slugs / ft 3

Figura 5. Efectos de la altitud y supercargado en motores. Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.

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3

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Efecto de temperatura del aire: Para este análisis se debe tener en cuanta la siguiente ecuación.

Esta ecuación solamente es utilizada para motores no supercargados Donde: SHPT = Es la potencia al eje a la temperatura actual del aire T SHPT s= Es la potencia al eje a la temperatura estándar del aire Evidentemente a altas temperaturas del aire (día caliente) la potencia al eje (SHP) del motor será decreciente.

•

Supercargado: En motores supercargados un compresor

El efecto de supercargado es mostrado en

( Usualmente un compresor centrífugo) accionado por el

la figura 4b. El efecto de altitud en la po-

cigüeñal, o por una turbina en motores turbo supercarga-

tencia de salida en un motor supercarga-

dos, incrementará la presión absoluta (MAP) y por consi-

do también se muestra en la figura 5, en

guiente la potencia de salida será la mas efectiva. La po-

esta se puede observar claramente que la

tencia usada para manejar el supercargado directamente

potencia a 20000ft y a nivel del mar son

desde el cigüeñal (a través de un sistema de engranajes)

iguales. Los motores aeronáuticos de alto

puede ser medida en un 6 a 10% de la potencia total. A

desempeño utilizan motores supercarga-

bajas altitudes la potencia de salida puede en hecho ser

dos (Figura 6).

menor que este con un motor no supercargado. Si la potencia usada para manejar el supercargado es obtenida a través de una turbina accionada por los gases de escape, no existirá pérdida de potencia a baja altitud, es decir la potencia permanecerá constante hasta cierta altitud.

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Figura 6. Disposición esquemática de un motor recíproco con tres etapas de supercargado. Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.

•

Composición: Si la turbina la cual es accionada por los gases de escape es

CARTAS DE DESEMPEÑO PARA MOTORES RecíprocoS

conectada también al cigüeñal del motor, de modo que esto provea de poten-

El desempeño de los motores recíprocos puede ser mostrado

cia a el cigüeñal, la disposición es lla-

en cartas especializadas donde se hallan datos de variables

mada “compuesta”. Los motores com-

importantes para el funcionamiento del motor. En estas car-

puestos fueron usados en le Lockheed

tas la potencia al freno (bhp) entregada al eje es graficada

L-1049C y en el DC -7C al comienzo de

versus las rpm de motor, altitud y MAP( en pulgadas de mer-

los cincuenta, con la llegada de Turbo-

curio). Se debe asumir que la notación shp usada hasta ahora

jets y Turbofans mucho mas sencillos

y que la notación bhp son sinónimos.

( además de manejar velocidades mas altas con mayor eficiencia), los moto-

La potencia de salida de los motores recíprocos es clasificada en

res compuestos no fueron la mejor al-

términos de rangos de potencia, los cuales son los siguientes:

ternativa. 1. Potencia al despegue: La máxima potencia permitida durante el despegue 2. Potencia militar: La máxima potencia permitida para un limitado periodo de tiempo. Este rango es utilizado en aplicaciones militares solamente.

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3. Máxima potencia continua: Este rango puede ser usado para máximo desempeño al asenso y para máximo nivel de velocidad, este nivel de potencia es también conocido como METO ( maximum except take –off ). 4. Potencia crucero: Existen dos rangos de potencia crucero. a. Desempeño crucero: 75% de la potencia al despegue a 90% de las máximas rpm. b. Economía crucero: 65% de la potencia al despegue. Para calcular la potencia actual disponible en una condición de vuelo dado y el correspondiente consumo de combustible, se utilizan los diagramas de las figuras 7 y 8.

Figura 7. Diagrama de potencia para un motor recíproco de 200 bhp. Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.

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Figura 8. Diagrama de flujo de combustible para un motor recíproco de 200 bhp. Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.

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coningenio CONCLUSIONES •

REFERENCIAS

Los órdenes de encendido de los

1. Airplane Aerodynamics and Per-

motores recíprocos o a pistón di-

formance – Jan Roskam, Editorial:

fieren según el tipo de motor.

Darcorporation, Edicion: N° 1, año: 1997, Lawrence Kansas USA

•

Para aumentar la altura de vuelo

2. Motores de combustión interna –

en los motores recíprocos es nece-

Edward F. Oberd, Editorial: C.E.C.S.A,

sario utilizar un sistema de super-

Edicion:N°3 año:1969, Mexico DF

cargado.

Mexico. 3. Aircraft Powerplants - Michael J

•

Para determinar la potencia de los

Kroes - Editorial: GLENCOE, Edi-

motores recíprocos es necesario

cion: N° 7, año: 1994. USA

conocer los rangos en el que se encuentra. •

El uso de cartas de desempeño es muy utilizada para determinar consumos y potencias en el motor recíproco.

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