Si los pilotos conocen unos cuantos principios generales del funcionamiento del motor, pueden utilizarlo más eficazmente, ampliar su vida útil y evitar las averías.
Principios básicos de los motores de pistón
Los motores de pistón (o de émbolo) son los más comunes en la aviación general. Estos motores son prácticamente idénticos a los de los automóviles, con tres importantes diferencias:
- La mayoría de los motores aeronáuticos están refrigerados por aire. Este método evita tener que cargar con el peso de un radiador y del refrigerante, y es una medida de seguridad. La pérdida de refrigerante o la avería del sistema de enfriamiento de un motor refrigerado por líquido provocaría una avería general del motor.
- Los motores de los aviones poseen sistemas de encendido dobles, y la energía para crear la chispa la generan los magnetos. Los magnetos, dado que los activa el cigüeñal, no dependen de la batería del avión. Además, cada cilindro tiene dos bujías. Si una bujía o magneto se avería, la otra dispara la chispa para encender el combustible.
- Los motores de aviación funcionan a muy diversas altitudes, por lo que los controles de potencia incluyen un control de la mezcla manual que el piloto utiliza para ajustar la proporción adecuada de aire y combustible según ascienda o descienda el avión.
El ciclo de cuatro tiempos
Un motor de pistón típico funciona de acuerdo con un ciclo de cuatro tiempos.
Admisión: el pistón baja hasta el fondo del cilindro y aspira aire y combustible a través de la válvula de admisión abierta.
Compresión: las válvulas de admisión y de escape del cilindro se cierran y el pistón sube por el cilindro, y comprime la mezcla de aire y combustible.
Potencia: al aproximarse el pistón al límite superior del cilindro durante el tiempo de compresión, una descarga de electricidad procedente del sistema de encendido genera una chispa en las bujías. La chispa enciende la mezcla de aire y combustible, que se expande rápidamente al explosionar. La fuerza de esta expansión vuelve a empujar al pistón hacia la parte inferior del cilindro. Al bajar el pistón, mueve el cigüeñal que, a su vez, acciona la hélice.
Escape: cuando el pistón llega al fondo del cilindro, se abre la válvula de escape. El pistón vuelve a subir por el cilindro, empujando la mezcla de aire y combustible quemada fuera del cilindro.
Cada cilindro efectúa, por turnos, un ciclo de estos cuatro tiempos, lo que garantiza que al menos un pistón esté siempre generando potencia.
Carburadores e inyectores de combustible
La mayoría de los motores de pistón que se utilizan en aviación están equipados con un carburador o con un sistema de inyección de combustible que lleva el combustible y el aire a los cilindros. El carburador mezcla el combustible con el aire antes de que entre en los cilindros. Los carburadores son comunes en los motores más pequeños, porque son relativamente económicos. Los motores mayores suelen tener sistemas de inyección de combustible que inyectan el combustible directamente en los cilindros, donde se mezcla con el aire durante el tiempo de admisión.
Sistemas de encendido
El sistema de encendido genera una chispa que enciende la mezcla de aire y combustible de los cilindros de un motor de pistón. La mayoría de los motores aeronáuticos modernos utilizan magnetos para generar la chispa. Aunque no son tan sofisticados como los sistemas electrónicos de encendido que se utilizan en los automóviles más avanzados, los magnetos son de gran utilidad en aviación porque:
- Generan una chispa más caliente a mayores velocidades del motor que la del sistema de batería de los automóviles.
- No dependen de una fuente de energía externa, como la batería, el generador o el alternador.
Puesta en marcha
Los magnetos generan electricidad al girar. Por ello, para poner en marcha el
motor, el piloto debe accionar el arranque (estárter) alimentado por batería que
hace girar el cigüeñal. Una vez que los magnetos comienzan a girar, generan una
chispa en cada cilindro que enciende la mezcla de aire y combustible, tras lo
cual el sistema de arranque queda desactivado. La batería ya no juega ningún
papel en el funcionamiento del motor. Si el interruptor de la batería (o
principal) se desconecta, el motor seguirá funcionando.
Doble encendido
La mayoría de los motores de los aviones están equipados con un doble sistema de
encendido: dos magnetos que suministran corriente eléctrica a dos bujías en cada
cilindro. Un sistema de magnetos proporciona corriente a un juego de bujías y el
segundo sistema alimenta al otro juego. Por eso el interruptor de encendido del
Cessna Skyhawk SP Model 172 (marcado como MAGNETO en algunos aviones)
tiene cinco posiciones: OFF, L (izquierda), R (derecha),
BOTH y START. Con el interruptor en las posiciones L o R,
sólo suministra corriente un magneto y se acciona un solo juego de bujías. Con
el interruptor en la posición BOTH, ambos magnetos suministran corriente
y se accionan los dos juegos de bujías.
Ventajas del doble encendido
Los aviones tienen sistemas de doble encendido por cuestiones de 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 mejoran la combustión de la mezcla y permiten un mayor rendimiento.
Funcionamiento del sistema de encendido
Debe colocar el interruptor de encendido en BOTH después de encender el
motor y dejarlo en BOTH durante el vuelo. Colóquelo en OFF cuando
apague el motor. Si deja el interruptor de encendido en BOTH (o en L
o R), el motor puede ponerse en marcha si alguien mueve la hélice desde
el exterior del avión, aún cuando el interruptor eléctrico principal esté en
OFF.
Comprobación antes del despegue
Para asegurarse de que ambos sistemas de encendido están funcionando
correctamente, revíselos durante el calentamiento del motor previo al despegue.
El procedimiento normal consiste en ajustar la potencia a unas 1700 rpm. Mueva
el interruptor de encendido de BOTH a R, luego de nuevo a BOTH,
a continuación a L, y luego otra vez a BOTH. Debería ver cómo las
rpm descienden ligeramente cada vez que pasa de BOTH a R o L.
Si ambos magnetos están funcionando con normalidad, la caída no deberá ser
superior a 75 rpm.
Apagado del motor
El motor de pistón no debe apagarse colocando el interruptor de encendido en
OFF. En su lugar, mueva el control de la mezcla hacia la posición de ralentí
para interrumpir la alimentación de combustible a los cilindros. Una vez que el
motor se detenga, coloque el interruptor de encendido en la posición OFF.
Este procedimiento garantiza que no quede combustible en los cilindros y que el
motor no se encienda accidentalmente si alguien mueve la hélice o si los
depósitos de carbono dentro de los cilindros crean zonas calientes que pudieran
encender el combustible residual.
Mandos del motor de pistón
La mayoría de los motores de pistón modernos tienen dos o tres mandos básicos:
- Un acelerador, que es el mando que ejerce el efecto más directo sobre la potencia.
- Un control de hélice (si el avión está equipado con una hélice de velocidad constante) para ajustar la velocidad de giro de la hélice, expresada en revoluciones por minuto (rpm).
- El control de la mezcla, para ajustar la mezcla de aire y de combustible conforme el avión asciende y desciende.
Los motores con carburador tienen también un calefactor de carburador que impide la formación de hielo en el mismo y derrite el que se haya formado. De 200 caballos de potencia en adelante, los motores también suelen tener aletas de refrigeración que permiten al piloto ajustar la cantidad de aire de enfriamiento que llega al motor. La apertura de las aletas de refrigeración es de fundamental importancia durante las operaciones a altos regímenes de potencia como, por ejemplo, el despegue o los ascensos prolongados.
Hélices
Los motores de pistón suelen estar conectados a una hélice de cabeceo fijo o de velocidad constante.
Las hélices de cabeceo fijo están conectadas directamente al cigüeñal del motor y, por lo tanto, siempre giran a la misma velocidad que el motor. Las hélices de cabeceo fijo se parecen a una transmisión, pero sólo tienen una marcha. Esta configuración compensa la falta de eficiencia con la facilidad de uso. El único indicador que hay que controlar es el taquímetro.
Las hélices de velocidad constante poseen un regulador que ajusta el ángulo de las paletas para mantener las rpm que se hayan seleccionado. Este tipo de hélice utiliza con mucha más eficiencia la potencia del motor. A bajas velocidades, cuando se requiere la máxima potencia (por ejemplo, durante el despegue), se seleccionan las rpm máximas y el "máximo incremento" con el controlador de la hélice, y las paletas de la hélice chocan con el aire en un pequeño ángulo. Durante el vuelo a velocidad de crucero, podrá ajustar las rpm a un nivel más bajo y las paletas chocarán con un volumen de aire mayor al girar a menor velocidad.
Regulación de la potencia
Con una hélice de cabeceo fijo, es muy sencillo regular la potencia. Apriete el acelerador y verá que las rpm (y la potencia) aumentan. Suelte el acelerador y las rpm descenderán. No obstante, tenga cuidado, porque a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, las rpm tienen a aumentar también. Controle bien el taquímetro durante los descensos a gran velocidad para asegurarse de que las rpm no sobrepasen el límite.
Las hélices de velocidad constante complican un poco más la regulación de la potencia. Hay que controlar el manómetro del colector de admisión, que a su vez controla el acelerador, y el taquímetro, que indica las rpm de la hélice. Para ajustar las rpm, se utiliza el control de la hélice.
Al ajustar la potencia con una hélice de velocidad constante, recuerde estas reglas básicas para evitar la sobrefatiga del motor:
Para aumentar la potencia:
- Aumente las rpm. Para ello, adelante el control de la hélice.
- Aumente la presión del colector con el acelerador.
Para disminuir la potencia:
- Reduzca la presión del colector con el acelerador.
- Disminuya las rpm con el control de la hélice.
Motores con carburador
Muchos motores de pistón de los aviones utilizan carburadores para combinar el aire y el combustible con el fin de crear una mezcla de combustible que se queme en los cilindros.
Funcionamiento del carburador
El aire proveniente del exterior pasa a través de un filtro de aire para, a continuación, entrar en el carburador. El aire pasa a través de un tubo Venturi, que es una tobera estrecha del carburador. El aire se acelera en el tubo Venturi y la presión desciende, de acuerdo con el principio de Bernoulli. El vacío parcial hace que el combustible pase por un propulsor y llegue a la corriente de aire, donde se mezcla con el flujo de aire. A continuación, esta mezcla de aire y combustible entra en el colector de admisión, que la dirige a cada cilindro.
La proporción adecuada
El carburador mezcla el aire con el combustible por peso. Los motores de pistón suelen producir la máxima potencia cuando la mezcla de aire y combustible es de aproximadamente 15 a 1. Los carburadores se calibran con la presión a nivel del mar para medir la cantidad correcta de combustible con el control de mezcla en la posición de riqueza máxima. A medida que la altitud aumenta, disminuye la densidad del aire. Para compensar esta diferencia, el piloto utiliza el control de la mezcla para ajustar la mezcla de aire y combustible que entra en la cámara de combustión.
Para controlar la cantidad de combustible que se mezcla con el aire, la mayoría de los carburadores utilizan un flotador en la cámara de combustible. Hay una aguja unida al flotador que abre y cierra un orificio en el conducto de combustible, para medir la cantidad correcta de combustible que entra en el carburador. La posición del flotador, controlada por el nivel de combustible de la cámara del flotador, determina cuándo se abre y cuándo se cierra la válvula.
Mezcla rica
Si la mezcla de aire y combustible es demasiado rica, es decir, contiene demasiado combustible, se consumirá demasiado combustible, el motor funcionará de manera irregular y se perderá potencia. Si se hace funcionar el motor con una mezcla demasiado rica, el motor se enfría y genera temperaturas por debajo de lo normal en las cámaras de combustión lo que, a su vez y entre otras cosas, provoca el funcionamiento defectuoso de las bujías.
Mezcla pobre
Si el avión vuela con una mezcla demasiado pobre (combustible escaso para el peso del aire), se produce un funcionamiento irregular del motor, detonaciones, recalentamiento y pérdida de potencia.
Formación de hielo en el carburador
La vaporización del combustible y la expansión del aire en el carburador provoca el enfriamiento súbito de la mezcla de aire y combustible. La temperatura puede descender hasta 15 °C (60 °F) en sólo una fracción de segundo. Este enfriamiento provoca que el vapor de agua contenido en el aire se condense, y si la temperatura del carburador baja hasta 0 °C (32 °F), el agua se congelará dentro de los conductos del carburador. Incluso una mínima acumulación de hielo puede obstruir la entrada de aire en el carburador, lo que provoca la pérdida de potencia. La formación de hielo en el carburador también puede dar como resultado una avería general del motor, en especial cuando el acelerador está parcial o totalmente cerrado.
Condiciones de generación de hielo
En los días secos o cuando la temperatura está bastante por debajo del punto de congelación, la humedad del aire no suele generar hielo en el carburador. Pero si la temperatura fluctúa entre –7 °C (20 °F) y 21 °C (70 °F), con humedad visible o muy alta, el piloto debe mantenerse constantemente alerta para impedir la formación de hielo en el carburador.
Indicadores de formación de hielo en el carburador
En los aviones con hélices de cabeceo fijo, el primer indicador de formación de hielo en el carburador es el descenso de las rpm en el taquímetro. En los aviones con hélice de cabeceo controlable (de velocidad constante), la primera indicación suele ser un descenso de la presión del colector. En ambos casos, el motor puede comenzar a funcionar de manera irregular. En los aviones con hélices de velocidad constante, las rpm se mantendrán constantes.
Descongelación
Para impedir la formación de hielo en el carburador y para eliminar el que se haya formado, los carburadores están equipados con calefactores. El calefactor del carburador precalienta el aire antes de que llegue al carburador. De esta manera, se derrite el hielo o la nieve que entran por el colector de admisión, derrite el hielo que se forma en los conductos del carburador (siempre y cuando no se haya acumulado una cantidad muy grande) y se mantiene la mezcla de aire y combustible por encima del punto de congelación para evitar que se forme hielo.
Utilizar el calefactor del carburador
Al volar en condiciones que pudieran provocar la formación de hielo en el carburador, vigile los instrumentos del motor en busca de señales que indiquen que se está formando hielo. Si sospecha que hay hielo en el carburador, active inmediatamente el calefactor. Déjelo funcionar al máximo hasta estar seguro de que el hielo se ha eliminado. Si aplica el calefactor de manera parcial o deja el calefactor encendido muy poco tiempo, la situación puede empeorar.
Al accionar el calefactor por primera vez, las rpm pueden disminuir en los aviones equipados con hélices de cabeceo fijo. En los aviones propulsados por hélices de velocidad constante puede producirse una caída en la presión del colector de admisión. Si no se ha formado hielo en el calefactor, las rpm o la presión del colector de admisión se mantendrán por debajo de lo normal hasta que se desactive el calefactor. Si hay hielo, es posible que se produzca un aumento de las rpm o de la presión del colector de admisión tras la caída inicial (por lo general acompañada de un funcionamiento irregular intermitente del motor). Al desconectar el calefactor, las rpm o la presión del colector de admisión subirán por encima del valor que tenían antes de aplicar calor. Además, el motor funcionará con mayor regularidad después de que el hielo se haya descongelado.
En casos extremos de hielo en el carburador, después de haber eliminado el hielo, deberá aplicar sólo el calor justo para impedir que vuelva a formarse.
El calefactor del carburador como precaución
Cada vez que se cierra el acelerador durante el vuelo, en especial durante los preparativos para el aterrizaje, el motor se enfría rápidamente y la vaporización del combustible es menos completa que cuando está caliente. Si sospecha que se ha podido formar hielo en el carburador, encienda el calefactor al máximo antes de cerrar el acelerador y déjelo encendido.
Más potencia
El uso del calefactor del carburador tiende a reducir la potencia del motor y a incrementar la temperatura de funcionamiento. Por consiguiente, no debe utilizar el calefactor cuando necesite plena potencia (como, por ejemplo, durante el despegue) o durante el funcionamiento normal del motor, salvo cuando desee comprobar la presencia de hielo en el carburador o eliminar el que se haya formado.
Motores de inyección
Los motores de pistón con más de 200 caballos de potencia suelen utilizar un sistema de inyección de combustible en lugar de un carburador.
Como su nombre indica, un motor de inyección inyecta directamente el combustible en los cilindros o justo antes de la válvula de admisión. A continuación, el combustible se mezcla con el aire dentro de los cilindros. Este tipo de sistema requiere bombas de alta presión, una unidad de control de aire y combustible, un distribuidor de combustible, y toberas de descarga en cada cilindro, por lo que generalmente es más caro que uno equipado con carburador.
Al igual que en el caso de los motores con carburador, el piloto controla el flujo de combustible ajustando el control de la mezcla.
Ventajas de los motores de inyección
La inyección de combustible presenta diversas ventajas en relación con los sistemas de carburador, que compensan su mayor costo y complejidad.
- No existe posibilidad de que se forme hielo en el carburador (aunque el hielo entrante puede bloquear los conductos de admisión de aire).
- Mejor flujo de combustible.
- El acelerador responde mejor.
- Control exacto de la mezcla.
- Mejor distribución del combustible.
- Arranques más fáciles a bajas temperaturas.
Desventajas de los motores de inyección
La inyección de combustible presenta también algunas desventajas. Las principales son:
- La dificultad de poner en marcha un motor caliente.
- Los bloqueos del vapor durante las operaciones en tierra en días calurosos.
- La dificultad en volver a poner en marcha un motor que se detiene por falta de combustible.