Motores de pistones (III)

En los post anteriores dedicados al tema del motor de pistones hemos visto su clasificación y terminología en inglés y en español (post I - Post II). En esta tercera entrega vamos a ver algo más sobre su instalación, principio de funcionamiento y la potencia.

Debajo se puede ver la típica instalación de un motor de cuatro tiempos en una avioneta Piper. La instalación delantera es la más tradicional. En la foto se puede apreciar el motor y su bancada. El conjunto de tirantes (barras) que sujetan la planta motriz a la estructura del aeroplano está construidos a base de de acero de alta resistencia

La casa Cessna también suele posicionar la planta motriz en el morro del avión en las avionetas tradicionales. Debajo se puede ver una Cessna 172 dentro del hangar.. En las fotos se aprecia el tipo de instalación a base de tirantes. Los tirantes están atornillados a la pared que separa el habitáculo de los pilotos de la planta motriz. Esta pared es un cortafuegos certificado para proteger a los ocupantes en caso de que el motor se incendie.

Existen muchas más disposiciones del motor de émbolo. En las imágenes que siguen se puede ver el montaje en posición trasera con hélice que empuja y delantera, con hélice tractora.

El Moynet 360 Júpiter fue un pequeño avión de transporte ejecutivo construido en Francia en la década de 1960. Tenía una configuración inusual de doble empuje y fuselaje único. Este modelo tenía una selección de motores, ya sea de 290 caballos de fuerza (216 kW) Lycoming IO-540 de seis cilindros que impulsan la velocidad constante, hélices de tres palas, o 310 caballos de fuerza (231 kW) de motores Lycoming TIO-541.

El Cessna Skymaster es un avión civil bimotor utilitario construido en una configuración mixta tracción-empuje. En lugar de montar los motores en las alas, uno va montado en el morro y otro en la parte trasera del fuselaje. Los estabilizadores están montados en una doble viga que se extiende desde las alas, situándose entre ellos el motor trasero. La planta motriz eran dos motores de inyección y cilindros opuestos Continental IO-360-C con un a potencia de 210 por motor.

En cualquiera de estos aviones, el cigüeñal movido por los pistones es el que hace rotar la hélice. El cigüeñal es el responsable de convertir el movimiento rectilíneo de los pistones en movimiento circular. La eficiencia mecánica de un motor  es el ratio entre la potencia desarrollada por este en los cilindros y la potencia que le llega finalmente al eje de la hélice. Se suele expresar en porcentaje. En este sentido, los motores de aviación suelen ser 90% eficientes. El eje que mueve las levas que van a operar las válvulas SIEMPRE se mueve a la mitad de revoluciones del cigüeñal.

El extremo de la biela  (big end) opuesta al bulón del pistón (cabeza de biela o small end) conecta con la muñequilla y es la parte que se une al cigüeñal, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera el par motor instantáneo, que esta acoplado un casquillo antifricción para la unión con el pistón, a través de un eje llamado bulón. El cigüeñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos el eje del motor.

Se fabrican de aleaciones especiales para poder soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos y suelen llevar perforaciones y conductos para el paso del lubricante. Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay que tienen un apoyo cada dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla. Debajo se puede ver la terminología del cigüeñal en inglés.

En el motor de avionetas con cuatro cilindros boxer existen cigüeñales con cinco apoyos (muy común), pero puede haber otros diseños con más.

Debajo se puede ver un esquema con la terminología en inglés de un motor boxer típico con el cigüeñal (crankshaft) en el medio.

La potencia que desarrolla un motor de pistones es función del trabajo que pueda desarrollar (W) por unidad de tiempo (t). P = W/t. Los motores de pistones suelen medirse en el mundo anglosajón en términos de caballos o HP (Horse Power). 1 HP = 550 pies por libra cada segundo. Esto se puede convertir también en vatios, 1HP = 746 vatios. 

En la ilustración que sigue se puede ver de donde viene el término HP o Horse Power.

Cuando se intentó traspasar el mismo método de cálculo al sistema decimal cambiamos pounds (libras) por kg y pies por metros. Al final resulta ser algo similar.

Ambas medidas se relacionan con el vatio, pero entre ellas la relación es:

• 1 CV = 0.986 320 070 619 67 HP ≈ 0.986 HP
• 1 HP = 1.013 869 665 423 850 CV ≈ 1.014 CV

En los motores se pierde potencia no solo por fricción de sus componentes, sino también cuando se añaden correas de transmisión o engranajes, cadenas, etc. para mover los accesorios del motor. La potencia que llega a la hélice es siempre inferior a la que se genera en la cámara de combustión. Los fabricantes hacen las medidas correspondientes y las presentan en gráficos.

La cantidad de potencia que desarrolla un motor se mide en bancos de pruebas especiales. En la imagen de abajo se puede ver uno de los instrumentos, llamado "freno Prony", que se utiliza para medir la potencia. Se trata de un freno mecánico en el que se inserta el eje de la hélice y con el motor en marcha, se va aplicando fricción con la ruedecilla de ajuste hasta que se acaba parando el motor. La fuerza ejercida se mide en libras por la presión que el brazo del instrumento (de longitud 3,18 pies) ejerce en una balanza especial. Existe un método igual para hacer las mediciones en el sistema métrico.

A esta fuerza que se ejerce sobre la balanza hasta que se frenar el motor se le llama BHP o Brake Horse Power o Caballos al freno.  Esta medida de caballos al freno es igual a  los caballos de potencia obtenidos en la cámara de combustión menos los que se lleva la fricción producida por los accesorios. 

 

En resumen:

• Lo que se conoce en inglés como Specific fuel consumption (SFC) o consumo específico de combustible de un motor, es el peso del combustible que se requiere para producir 1 BHP.
• La potencia indicada (IHP) de un motor es la que desarrolla dentro del cilindro durante la carrera de este.
• FHP es el término anglosajón para definir los caballos perdidos por la fricción. 
• MEP es lo que se conoce como Mean Effective Pressure y es la presión media que se ejerce en el pistón durante el tiempo de bajar en el mal llamado tiempo de explosión.

En el próximo post seguimos hablando de motores de pistones e introducimos los famosos cuatro tiempos (ciclo de Otto)