6 teoria motores reciprocos desempeno

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

Teoríadelosmotoresrecíprocosydesempeño

Francisco Javier González Cruz*

*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).

[email protected]

Francisco Javier González …Teoríadelosmotoresrecíprocosydesempeño…p. 68-81

69

AGOSTO··2010··3 ISSN1909-9142

coningenio

The piston engines have great implementation in the aviation industry, these engi-

nes 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 en-

gines that are used to determine the Brake horsepower and the fuel flow required.

KeyWords:Firingorder,Brakehorsepower,Performance,Fuelflow,Supercharged,MAP(ManifoldAbsolutePressure).

Abstract

Resumen

Reciprocatingenginetheoryand

performance

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.

PalabrasClave:Ordendeencendido,Potenciaalfreno,Desempeño,Flujodecombustible,Súpercargado,PresiónAbsolutaenelmúltiple.


70

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

coningenio

EINTRODUCCIÓN

Existen 2 tipos muy comunes de motores

aeronáuticos usados para la propulsión, el

motor recíproco y el motor a reacción.

El motor de combustión interna encendi-

do por chispa, utiliza el principio del em-

bolo reciprocante, en donde un émbolo se

desliza dentro de un cilindro, hacia atrás y

hacia delante y transmite fuerza a un eje

motriz mediante un mecanismo de biela

manivela.

En 1876, Otto, un Ingeniero alemán cons-

truyó un motor con ciclo de trabajo de 4

tiempos, que resulto en los motores recí-

procos que conocemos hoy en día.

En los motores es muy importante cono-

cer los factores que determinan el funcio-

namiento de los mismos, como por ejem-

plo su potencia, la presión media efectiva,

entre otros factores que contribuyen a la

determinación de gráficas que establecen

su desempeño.

SINCRONIZACIÓNYORDENDEENCENDIDO

Recordemos que el motor a pistón ae-

ronáutico, opera bajo el ciclo de cuatro

tiempos, esto significa que el pistón reali-

za estas operaciones durante un ciclo de

funcionamiento.

Durante un ciclo de operación del motor

el cigüeñal realiza 2 revoluciones, y cada

válvula realiza una operación, por lo tanto el mecanismo que

abre la válvula de admisión, debe hacer una operación para 2

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

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

producir 2 revoluciones de este último por una del eje de levas.

La corona del cigüeñal tiene la mitad del número de dientes

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

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

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

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

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

ABREVIATURASPARAELPOSICIONAMIENTODELASVÁLVULAS

En una discusión para el posicionamiento de las válvulas es

conveniente usar abreviaciones. Las abreviaciones común-

mente usadas describen el posicionamiento del pistón y el

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

ción se muestra:

After Bottom Center ( Después del punto inferior) ABC

After Top Center ( Después del punto superior ) ATC

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

Exhaust Closes (Escape cerrado) EC

Exhaust Opens (Escape abierto) EO

Intake Closes (Admisión Cerrada) IC

Intake Opens (Admisión Abierta) IO

Top Center (Punto superior) TC

Top Dead Center (Punto muerto superior) TDC


71

AGOSTO··2010··3 ISSN1909-9142

coningenio

DIAGRAMADETIEMPOSENELMOTOR

Para tener un concepto visual del tiempo de las válvulas en

motores aeronáuticos, se mostrará un diagrama de un motor

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

siguientes especificaciones de distribución en el motor:

IO 15º BTC EO 55º BBC

IC 60º ABC EC 15º ATC

Figura 1. Diagrama de posicionamiento de válvulas

Fuente: Aircraft Powerplants - Kroes.

Se creería que la válvula de admisión de-

biera abrirse en el punto superior (TC) y ce-

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

manera parecería que la válvula de escape

debiera abrirse en el punto inferior (BC)

y cerrarse en el punto superior (TC). Esto

sería cierto excepto por la inercia de los

gases y el tiempo requerido para la apertu-

ra total de las válvulas. Cerca del final del

tiempo de escape, los gases están aun sa-

liendo por la válvula, la inercia de los gases

provoca una condición de baja presión en

el cilindro en este tiempo. Abriendo la vál-

vula 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 cilin-

dro, de esta manera se consigue una gran

carga dentro del motor y se mejora la efi-

ciencia volumétrica.

Si la válvula de admisión se abriera tem-

pranamente también, los gases de escape

fluirían hacia fuera a través del conducto

de admisión y existiría una ignición ascen-

dente de la mezcla aire combustible. El re-

sultado sería un autoencendido, el autoen-

cendido 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 su-

perior (TC) y evita que los gases de escape

regresen o se devuelvan al cilindro. La dis-

tancia angular a través de ambas válvulas

cuando están abiertas es llamada traslape

de válvulas. Cuando la válvula de admi-

sión abre a 15º antes del punto superior

(BTC), y la de escape cierra a 15º después

del punto superior (ATC), el traslape de vál-

vulas es de 30º.

La figura 1 muestra dos diagramas que pue-

dan ser usados como guías para el posicio-

namiento de las válvulas, cualquiera puede


72

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

coningenio

ser empleado para indicar los puntos en el

ciclo donde cada válvula se abre y cierra.

En los diagramas de la figura 1, la válvula

de admisión permanece abierta 60º des-

pués del punto inferior (ABC), esto permi-

te tomar ventaja de la inercia de la mez-

cla aire-combustible que entra al cilindro,

porque la mezcla continuará fluyendo al

interior del cilindro, para un tiempo des-

pués de que el pistón a pasado por el pun-

to inferior (BC). El periodo total durante el

cual la válvula de admisión está abierta es

diseñado para permitir la mayor posible

carga de mezcla aire combustible dentro

del cilindro.

La válvula de escape abre antes del punto

inferior por dos principales razones: Para

una completa evacuación de los gases de

escape en el cilindro, y para una mejor re-

frigeración del motor.

Gran parte de la energía del combustible

quemado es gastado para mover el cigüe-

ñal 120º pasado el punto superior en el

tiempo de potencia y el pistón es movido

casi a la posición más baja. Abriendo la

válvula de escape en este tiempo se permi-

te que los gases calientes salgan tempra-

namente y el calor de baja sea transmitido

a las paredes del cilindro, que debería ser

el caso si la válvula permaneciera cerra-

da hasta alcanzar el punto inferior (BC).

La válvula de escape no se cierra hasta

después del punto superior (ATC) porque

la inercia de los gases ayudan a extraer

adicionalmente dichos gases de escape,

después de que el pistón a pasado por el

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

admisión y escape después del punto superior (TC) o el punto

inferior es llamado retraso de válvula (Valve Lag). La apertura

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

inferior o el punto superior es llamado adelanto de válvula

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

recorrido del cigüeñal, por ejemplo si la válvula de admisión

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

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

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

vula son grandes en relación a la posición del punto inferior

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

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

del recorrido del cigüeñal es menos próximo al punto inferior

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

trado en la figura 2.

En el diagrama el círculo representa el recorrido del cigüeñal,

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

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

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

meros muestran las posiciones del pasador del pistón y de

las muñequillas del cigüeñal en diferentes puntos a través de

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

mucho mas largo durante los primeros 90° del recorrido del

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

rá viajando a máxima velocidad cuando la muñequilla del

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

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

cia rotacional a través de la cual el cigüeñal gira mientras

cada válvula es abierta y determinar la distancia rotacional

del giro del cigüeñal mientras ambas válvulas están cerradas.

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

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

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

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

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

de admisión se cierra.


73

AGOSTO··2010··3 ISSN1909-9142

coningenio

Figura 2. Relación entre el recorrido del pistón y el del cigüeñal


La distancia total de rotación del cigüeñal con la válvula de

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

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

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

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

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-

güeñal mientras ambas válvulas están cerradas se determina

por observación, cuando la válvula de admisión esta cerrada

en el tiempo de compresión y cuando la válvula de escape

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

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

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

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

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 cigüe-

ñal 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 pun-

to 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 permane-

cen fuera de su asiento es llamado su dura-

ción, por ejemplo la duración de la válvula

de escape es de 250° del giro del cigüeñal.

ORDENDEENCENDIDO(FIRINGORDER)

Como su nombre lo dice el orden de en-

cendido de un motor, es el orden en el cual

salta la chispa en los cilindros. El orden

de encendido en motores en línea, en V

y en motores opuestos es diseñado para

proporcionar un balance y eliminación al

máximo de las vibraciones que ocurren. El

orden de encendido es determinado por las

posiciones relativas de las muñequillas del

cigüeñal y de las posiciones de las levas en

este eje.

La figura 3, muestra la disposición de los

cilindros y el orden de encendido para un

motor Lycoming opuesto de 6 cilindros, el

orden de encendido en el cilindro en mo-

tores opuestos puede usualmente enume-

rarse en parejas de cilindros, porque cada

pareja enciende a través del rodamiento

central principal.


74

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

coningenio

Figura 3. Numeración de cilindros y orden de encendido.


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 ORDEN DE ENCENDIDO4 – Cilindros en Línea 1-3-4-2 ó 1-2-4-3

6 – Cilindros en Línea 1-5-3-6-2-4

8 – Cilindros en V (CW ) 1R-4L-2R-3L-4R-1L-3R-2L

12 – Cilindros en V (CW ) 1L-2R-5L-4R-3L-1R-6L-5R-2L-3R-4L-6R

4 – Cilindros Opuestos 1-3-2-4 ó 1-4-2-3

6 – Cilindros Opuestos 1-4-5-2-3-6

8 – Cilindros Opuestos 1-5-8-3-2-6-7-4

9 – Cilindros Radiales 1-3-5-7-9-2-4-6-8

14 – Cilindros Radiales 1-10-5-14-9-4-13-8-3-12-7-2-11-6

18 – Cilindros Radiales1-12-5-16-9-2-13-6-17-10-3-14-7-18-11-4-15-8


75

AGOSTO··2010··3 ISSN1909-9142

coningenio

FACTORESQUEAFECTANELDESEMPEÑODELAVIÓN

POTENCIAVarios 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 pro-

ductos 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

en el interior del cilindro controla la cantidad de calor

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

tidad de aire depende de la presión de entrada, también

llamada presión del múltiple de admisión (Manifold Ab-

solute Pressure MAP). La carga por carrera decrece con la

altitud debido a los cambios atmosféricos, la carga por

carrera puede incrementarse a cualquier altitud utilizan-

do supercargadores, con estos dispositivos el aire es com-

primido utilizando una bomba de aire

(Compresores) antes de ser admitido

dentro de los cilindros. El efecto de su-

percargado es mostrado en una gráfica

de P Vrs V (Figura4b)

• Máximas RPM permisibles: Como se

muestra en la ecuación de potencia al

freno también llamada potencia al eje,


76

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

coningenio

incrementando las RPM se incremen-

tará la potencia de salida. Cada motor

tiene un límite superior para las rpm

ya que se poseen limitaciones estruc-

turales, los valores típicos máximos en

rpm para los motores a pistón son de

2200 a 3500.

• Efectos de altitud: Para una quema

completa de combustible dada una

mezcla de combustible – aire se re-

quiere una cantidad suficiente de

aire. A grandes altitudes la densidad

del aire es baja por consiguiente para cualquier paso de

combustible fijado la potencia de salida decrecerá con la

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

tible fijado determinará el nivel de potencia mediante

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

bustible es gradualmente abierto a grandes altitudes

como tal para mantener la presión de entrada (MAP),

mas potencia puede ser obtenida porque la reducción

en la presión de salida tendera a incrementar el flujo de

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

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

potencia a una altura dada con respecto a la potencia a

nivel del mar es la siguiente:

Esta ecuación solamente es utilizada para motores no supercargados

Donde: ρh = Densidad del aire en slugs / ft3 a una altura dada

ρh=o= Densidad del aire a nivel del mar en slugs / ft3

Figura 5. Efectos de la altitud y supercargado en motores.



77

AGOSTO··2010··3 ISSN1909-9142

coningenio

• 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

( Usualmente un compresor centrífugo) accionado por el

cigüeñal, o por una turbina en motores turbo supercarga-

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

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

tencia usada para manejar el supercargado directamente

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

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

bajas altitudes la potencia de salida puede en hecho ser

menor que este con un motor no supercargado. Si la po-

tencia 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.

El efecto de supercargado es mostrado en

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

tencia de salida en un motor supercarga-

do también se muestra en la figura 5, en

esta se puede observar claramente que la

potencia a 20000ft y a nivel del mar son

iguales. Los motores aeronáuticos de alto

desempeño utilizan motores supercarga-

dos (Figura 6).


78

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

coningenio

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

conectada también al cigüeñal del mo-

tor, de modo que esto provea de poten-

cia a el cigüeñal, la disposición es lla-

mada “compuesta”. Los motores com-

puestos fueron usados en le Lockheed

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

los cincuenta, con la llegada de Turbo-

jets y Turbofans mucho mas sencillos

( además de manejar velocidades mas

altas con mayor eficiencia), los moto-

res compuestos no fueron la mejor al-

ternativa.

CARTASDEDESEMPEÑOPARAMOTORESRECíPROCOS

El desempeño de los motores recíprocos puede ser mostrado

en cartas especializadas donde se hallan datos de variables

importantes para el funcionamiento del motor. En estas car-

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

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

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

y que la notación bhp son sinónimos.

La potencia de salida de los motores recíprocos es clasificada en

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

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.


79

AGOSTO··2010··3 ISSN1909-9142

coningenio

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 corres-

pondiente 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.



80

AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142

coningenio

Figura 8. Diagrama de flujo de combustible para un motor recíproco de 200 bhp.


AGOSTO··2010··3 ISSN1909-9142

coningenio

81

CONCLUSIONES

• Los órdenes de encendido de los

motores recíprocos o a pistón di-

fieren según el tipo de motor.

• Para aumentar la altura de vuelo

en los motores recíprocos es nece-

sario utilizar un sistema de super-

cargado.

• Para determinar la potencia de los

motores recíprocos es necesario

conocer los rangos en el que se en-

cuentra.

• El uso de cartas de desempeño es

muy utilizada para determinar

consumos y potencias en el motor

recíproco.

REFERENCIAS

1. Airplane Aerodynamics and Per-

formance – Jan Roskam, Editorial:

Darcorporation, Edicion: N° 1, año:

1997, Lawrence Kansas USA

2. Motores de combustión interna –

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

Edicion:N°3 año:1969, Mexico DF

Mexico.

3. Aircraft Powerplants - Michael J

Kroes - Editorial: GLENCOE, Edi-

cion: N° 7, año: 1994. USA

6 teoria motores reciprocos desempeno

Documents