Motores de pistones (I)




Los motores de aviación se pueden clasificar de varias maneras. Se puede empezar por una clasificación basada en ciclos, disposición del cilindro o el método de producción de empuje. Todos son motores de combustión interna (reciprocating en inglés) que convierten la energía contenida en las moléculas del combustible en energía térmica. Esta a su vez se convierte en energía mecánica para producir empuje. La mayoría de los motores de aviación actuales son del tipo de combustión interna porque el proceso de combustión tiene lugar dentro del motor. Estos motores tienen muchas variantes, como los sobrealimentados, pistón alternativo, rotativo, de dos o cuatro ciclos, encendido por chispa, diesel y refrigerados por aire o agua, etc. etc.


Se han diseñado muchos tipos diferentes de motores a pistones en aviación. Sin embargo, los fabricantes al final han desarrollado algunos diseños que se utilizan con más frecuencia que otros y, por lo tanto, se reconocen como convencionales. Los motores alternativos se pueden clasificar según la disposición del cilindro (en línea, tipo V, radial y opuestos) o de acuerdo con el método de enfriamiento (refrigerado por líquido o enfriado por aire). En realidad, todos los motores de pistón se enfrían transfiriendo el exceso de calor al aire circundante. En motores refrigerados por aire, esta transferencia de calor es directa desde los cilindros al aire. Por lo tanto, es necesario proporcionar finas aletas de metal en los cilindros de uno de estos motores enfriado solo por aire. El objetivo es tener una mayor superficie para que exista una transferencia de calor suficiente. 


La mayoría de los motores de avión de pistones se refrigeran con aire, aunque algunos motores de alta potencia usan algún sistema eficiente de refrigeración líquida. En los motores refrigerados por líquido, el calor se transfiere de los cilindros al refrigerante, que luego se envía a través de un tubo y se enfría dentro de un radiador colocado en la corriente de aire. El radiador del refrigerante debe ser lo suficientemente grande como para enfriar el líquido de manera eficiente. El principal problema con la refrigeración líquida es el peso adicional de refrigerante, el intercambiador de calor (radiador) y sistema o tubería para conectar los componentes. Los motores refrigerados por líquido permiten que se obtenga una alta potencia del motor de forma segura.

Disposición de los cilindros

Debajo se puede ver una disposición clásica de cuatro cilindros en línea, típica de los coches. Este tipo de motores fueron usados en aviación al principio. La disposición del cigüeñal no difería mucho de la de los automóviles de la época. En general se puede decir que a mayor numero de cilindros se obtiene más potencia. De la misma manera, a mayor volumen de cilindro (más centímetros cúbicos) mayor potencia. Estea que se puede ver debajo era el tipo de motor que montaron los hermanos Wright desde 1910 hasta 1912. Tenía una potencia de 35 CV. Pronto, con el aumento de tamaño y peso de los aviones se hizo necesario dotar a los aviones con más potencia.





Motores en línea


Un motor en línea generalmente tiene un número par de cilindros, aunque se han construido algunos motores de tres cilindros. Este motor puede ser refrigerado por líquido o por aire y tiene solo un cigüeñal, que se encuentra arriba o debajo de los cilindros. Si el motor está diseñado para operar con los cilindros debajo del cigüeñal, se llama motor invertido.

En la ilustración se puede ver una disposición de cilindrois en línea, pero esta vez invertidos. Se trata del Ranger L-440 refrigerado por aire, tenía 6 cilindros y fue utilizado en el Fairchild PT-19. La una de las razones de utilizar los cilindros en posición invertida era la de dar mejor visibilidad al piloto.

 

El motor en línea tiene un área frontal pequeña y está mejor adaptado para la aerodinámica. Cuando se monta con los cilindros en una posición invertida, ofrece las ventajas adicionales de un tren de aterrizaje más corto. Con el aumento en el tamaño del motor, el tipo en línea enfriado por aire ofrece problemas adicionales para proporcionar una refrigeración adecuada (los últimos cilindros se solían recalentar); por lo tanto, este tipo de motor se limita a motores de potencia baja y media utilizados en aviones ligeros muy antiguos.

Motores tipo V

Debajo se puede ver un antiguo motor Curtiss OX-5 con los cilindros en "V". Se puede apreciar claramente la cantidad de grados de inclinación entre cilindros. Este dato resultó ser fundamental en muchos modelos para poder sacarle el máximo rendimiento teniendo en cuenta el número de cilindros.


En la ilustración que sigue se puede ver uno de los archiconocidos y superfamosos Rolls-Royce Merlin. Un motor en V-12 refrigerado por líquido con 27 litros que equipó al fabuloso Spitfire.

En los motores de tipo V, los cilindros están dispuestos en dos bancos en línea generalmente separados a 60°, pero los motores a 90º, 45º y a 30º también fueron populares . La mayoría de los motores tienen 12 cilindros, que son refrigerados por líquido o refrigerados por aire. Los motores están designados por una V seguida de un guión y el desplazamiento del pistón en pulgadas cúbicas. Por ejemplo, V-1710. Este tipo de motor se usó principalmente durante la Segunda Guerra Mundial y su uso se limita principalmente a aviones más antiguos. La forma en V de los motores reduce la longitud del cigüeñal y también la vibraciones y las tensiones. La configuración en V invertida para mejorar la visibilidad y ofrecer un CG más bajo fue muy famosa en la IIGM, donde los alemanes desarrollaron los conocidos Daimler-Benz DB 601 y el Jumo.



Motores opuestos u O-Type

En la ilustración se puede ver un ULPower UL260i con cilindros en disposición horizontal y opuestos.  Este motor es una variación del motor en V, pero la disposición de los cilindros sería de 180º. El motor de tipo opuesto tiene dos bancadas de cilindros uno frente al otro con un cigüeñal en el centro. Los pistones de ambos bancos de cilindros están conectados a un solos
 cigüeñal. Aunque el motor puede ser refrigerado por líquido o por aire, la versión refrigerada por aire se usa predominantemente en aviación. Generalmente se monta con los cilindros en posición horizontal. El motor de tipo opuesto tiene una baja relación peso-potencia, y su silueta estrecha lo hace ideal para la instalación horizontal en las alas de la aeronave (típica configuración en los bimotores ligeros como la Piper Seneca). Otra ventaja es sus bajas características de vibración.




Motores Radiales

En la ilustración se puede ver un Pratt & Whitney R-2800. El motor radial consiste en una fila, o filas, de cilindros dispuestos radialmente alrededor de un cárter central. Ver post dedicado al motor radial Continental R-670 aquí.

Este tipo de motor ha demostrado ser muy robusto y fiable, ofreciendo gran potencia con relativamente poco peso. La cantidad de cilindros que componen una fila puede ser de tres, cinco, siete o nueve. Algunos motores radiales tienen dos filas de siete o nueve cilindros dispuestos radialmente alrededor del cárter, uno delante del otro. Estos se llaman radiales de doble fila. Existe un tipo de motor radial que tiene cuatro filas de cilindros con siete cilindros en cada fila para un total de 28 cilindros. Los motores radiales todavía se usan en algunos aviones de carga antiguos, aviones históricos de guerra, acrobáticos y aviones de fumigación. Aunque muchos de estos motores todavía existen, su uso es limitado. El motor radial de una sola fila y nueve cilindros es de construcción relativamente simple, tiene una parte frontal de una pieza y un cárter principal de dos secciones. Los motores más grandes de doble hilera son de construcción un poco más compleja que los motores de una hilera. Por ejemplo, el cárter del motor Wright R-3350 se compone de la sección delantera del cárter, cuatro secciones principales del cárter (parte delantera principal, centro delantero, centro posterior y parte trasera), leva trasera y carcasa del empujador, carcasa delantera del sobrealimentador, sobrealimentador carcasa trasera y cubierta de la carcasa trasera del sobrealimentador. Los motores Pratt y Whitney de tamaño comparable incorporan las mismas secciones básicas, aunque la construcción y la nomenclatura difieren considerablemente. Una de las ventajas de estos motores durante la guerra era que ofrecían una gran protección al piloto debido a su gran área frontal. La desventaja de este gran área frontal estaba en la peor aerodinámica de la aeronave.

Motores tipo Wankel

El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. Wankel concibió su motor rotativo en 1924 y obtuvo la patente en 1929. Durante los años 1940 se dedicó a mejorar el diseño. En los años 1950 y los 1960 se hicieron grandes esfuerzos en desarrollar los motores rotativos Wankel. Eran especialmente interesantes por funcionar de forma suave y silenciosa, y con escasas averías, gracias a la simplicidad de su diseño. Dentro de las ventajas para la aviación general, en éstas tendrían la ventaja del menor peso, ausencia de vibraciones y una mejor pauta de funcionamiento en caso de averías, que nunca serían instantáneas, totales y catastróficas como en un motor convencional de pistones alternativos, suministrando el Wankel algo de potencia durante un tiempo, lo que permite buscar una zona de aterrizaje más segura. Para ver algunos ejemplos del motor Wankel en aviación: http://www.rotaryeng.net/  (Wankel LCR-407 y Wankel LCR-814)

Motores diésel

Mención a parte se merecen los motores diésel para aviación. El primer motor diésel diseñado específicamente para la aviación fue el “Junkers Jumo 4”, que comenzó las pruebas de vuelo en 1913. De este modelo se fueron derivando muchos otros. Al comienzo de su andadura en aviación no tuvieron mucho éxito al contra con combustibles muy baratos. El principio de funcionamiento de uno de estos motores es algo diferente a los de gasolina. Para empezar no llevan bujías y poseen una relación de compresión bastante más alta, son motores fiables y robustos. Poseen una mayor eficiencia y un mayor alcance, por lo que actualmente parece haber resurgido la idea de equipar a aeronaves ligeras con este tipo de motores. Por otra parte, en términos generales las motorizaciones diésel suelen presentar un menor consumo de combustible. De hecho, dicho consumo suele ser un 30% más bajo que los motores que usan Avgas. El mejor ejemplo que puedo dar de la aplicación de esta planta motriz es el de nuestros aviones DA-42, que empleamos par formar pilotos en nuestra compañía.


Debajo se puede ver el Motor diésel Thielert Centurion de 1,7 L instalado en el Diamond DA42 Twin Star




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