Motores de pistones (IV)

Continuando con los post anteriores dedicados al tema, en esta entrega vamos a ver algunos aspectos más del motor de pistones de gasolina y cuatro tiempos. El principio de funcionamiento es sencillo. En el dibujo de debajo se puede ver de forma esquemática como funciona un motor de avión. El aire entra desde la atmósfera a través un filtro. Si existiera un problema de engelamiento el aire podría venir del propio motor, para ello existe una válvula dedicada.  

El aire pasa al carburador, representado en el esquema como la restricción tipo venturi. En esta parte se mezcla con el combustible. La cantidad de combustible que pasa a mezclarse con el aire viene determinada por el mando de mezcla (mixture control), que es de color rojo en el cuadro de mandos de los aviones.  La cantidad de mezcla que pasa  a los cilindros es regulada por una válvula de mariposa que opera el mando llamado throttle de color negro. Este es el equivalente al acelerador de los coches. En la foto se pueden ver estos dos mandos además del dedicado al paso de la hélice de color azul. Este mando azul controla las revoluciones del motor variando el paso de la hélice. Además de este mando con su indicador, existe también en los paneles de control un indicador (MAP) que nos da la lectura de la presión de entrada.

La mezcla pasa al cilindro a través de las válvula de admisión cuando este baja, creando presión negativa en el interior. Al subir el cilindro se cierra la válvula de admisión y se comprime la mezcla. En el instante apropiado se aplica una chispa a la bujía que inflama la mezcla impulsando el pistón hacia abajo. Al volver a subir el pistón empuja los gases resultantes, que salen del cilindro por medio de la válvula de escape que se encuentra abierta. En la mayoría de aviones también existe un indicador de la temperatura de los gases de salida (exhaust gas temperature o EGT). Los gases abandonan el motor por el escape. La presión exterior puede tener un efecto negativo a la hora de evacuar los gases y esto se conoce como exhaust back-pressure. La refrigeración de este tipo de motores para aviones ligeros es casi siempre por medio de aire. Los llamados "cooling fins" o aletines de refrigeración se encargan de disipar el calor de los cilindros.

El ciclo de cuatro tiempos

A veces llamado de volumen constante o ciclo de Otto, es el más común en aviación y es el que se utiliza para la obtención del título ATPL. Para la explicación de estos motores se les considera ya en funcionamiento, una vez iniciada la marcha por medio del arranque. Para que el motor funcione por sí solo es necesario que el pistón haga cuatro recorridos (strokes en inglés): dos de arriba abajo y dos de abajo arriba; en cada uno de ellos ocurre en el interior del cilindro una operación distinta, de ahí el nombre de 4 tiempos: admisión, compresión, explosión y escape. En la ilustración que sigue se pueden ver estos tiempos (strokes) con la denominación anglosajona: induction, compression, power y exhaust.

En el gif animado se aprecia el movimiento del pistón y las leva que accionan las válvulas. En el primer tiempo (first stroke), llamado de admisión, el pistón se encuentra en el PMS (punto muerto superior o Top Death Center -TDC-) y comienza a descender creando un vacío en el cilindro. Este espacio libre aumenta a medida que desciende el pistón. 

La mezcla aire-gasolina proveniente del sistema de alimentación va llenando el cilindro a través del colector de admisión y de la válvula de admisión. Cuando el pistón llega al PMI (Bottom Death Center -BDC-)se cierra la válvula. En este tiempo el cigüeñal ha girado media vuelta (180°).  

Para obtener una visión todavía más detallada de lo que ocurre dentro del cilindro, podemos plasmar este movimiento en un gráfico, siendo el eje de ordenadas la presión que se genera dentro del cilindro y en el eje de abscisas la posición del pistón con los límites superior (PMS - TDC) e inferior (PMI - BDC). Como se puede apreciar en el gráfico resultante, el punto A se encuentra a la presión atmosférica (1.013 mb o 29.92" Hg. en un día estándar) también llamada línea Isóbara (línea discontinua de color ámbar). Al bajar el cilindro la presión desciende por debajo de la presión atmosférica. Este tiempo se representa con la línea de color azul que va desde el punto A hasta el punto B.

En el segundo tiempo, llamado de compresión, el pistón sube del PMI (BDC) al PMS (TDC). Línea roja en el gráfico que va desde B hasta C. En este movimiento las válvulas se encuentran cerradas. Los gases que llenaban el cilindro van ocupando un espacio cada vez mas reducido, la presión interior de los mismos se eleva, así como su temperatura, hasta ocupar el espacio de la cámara de compresión en la culata, cuando el pistón llega al PMS (TDC). La presión interior de los gases ha ido subiendo al mismo tiempo que el espacio ocupado ha ido en disminución, hasta quedar reducidos los gases a la cámara de compresión de la culata, a una presión de 11 Kp/cm2 aproximadamente y según tipos de motor. Se ha producido una compresión adiabática C. La temperatura de los gases se ha elevado. El cigüeñal ha girado otra media vuelta (360°).

En el tercer tiempo, llamado de explosión, el pistón en su PMS (TDC) ha comprimido los gases en la cámara de compresión. En ese momento salta una chispa en la bujía que produce la explosión de la mezcla teóricamente instantánea, que empuja al pistón hacia abajo, transmitiéndose por la biela un fuerte giro al cigüeñal, que a su vez recibe el volante de inercia o los contrapesos, almacenando una energía que después devolverá en los tiempos muertos de Escape, Admisión y Compresión. Las válvulas han permanecido cerradas. Se ha producido una carrera motriz, un tiempo efectivo, los otros tres son de preparación y el cigüeñal ha dado otra media vuelta. Se representa en el gráfico por la línea verde que va desde C hasta D. 

La presión interior de los gases se ha elevado con la explosión de forma casi instantánea, teóricamente, cuando el pistón se encuentra en el PMS (TDC). Se dice que este ciclo es a VOLUMEN CONSTANTE, porque se produce la explosión con el pistón en el PMS (TDC) sin que se cree más presión cuando el pistón baja, es como un  golpetazo que recibe el mismo. El pistón desciende hasta el PMI (BDC) produciéndose una expansión adiabática, las dos válvulas se mantienen cerradas y al final, la presión tiene un valor P, hasta que se abre la válvula de escape y se iguala con la atmosférica. El cigüeñal ha girado 540°.

En el cuarto tiempo (fourth stroke), llamado de escape, el pistón se encuentra en el PMI (BDC), en ese momento se abre la válvula de escape, baja la presión interior del cilindro de P a Pl (presión atmosférica), el pistón sube empujando los gases hacia la salida conservándose el valor de la presión.  El cigüeñal ha dado otra media vuelta (720°). En el PMS (TDC) se cierra la válvula de escape y vuelve a empezar el  ciclo.

La superficie o área A en el diagrama no es ni más ni menos que la cantidad de trabajo desarrollado por el motor, cuanto mayor sea la superficie, mayor trabajo se ha realizado y más potencia del motor habremos obtenido. El cigüeñal ha dado dos vueltas en el ciclo y hemos obtenido una explosión o carrera motriz útil habiendo tres tiempos auxiliares de preparación. En el dibujo a lápiz se puede ver como se calcula la cilindrada: el área de la corona multiplicada por la altura del cilindro no da el volumen entre PMS y PMI (swept volume). Dicho volumen más el "clearence volume" o volumen de la cámara de explosión nos da el volumen total. En el dibujo también se aprecian los anillos o segmentos de compresión (rings) en el pistón que aumentan la estanqueidad del sistema. Debajo se puede ver un resumen gráfico de los cuatro ciclos que se han expuesto más arriba.

La tarea de abrir y cerrar válvulas debe de estar calculada y sincronizada con mucho detalle. Debajo se puede ver un ejemplo típico del cálculo. Se muestran los grados del cigüeñal con respecto a los puntos muertos superior e inferior donde deben de ocurrir el cierre o apertura. 

Esta tarea se lleva a cabo por medio de las levas o balancines, que a su vez son accionadas por el propio cigüeñal. El tiempo en el que las válvulas de admisión y escape se encuentran abiertas al mismo tiempo (por un periodo muy breve) se suele denominar Traslapo o Solape. Este tiempo viene expresado en grados de giro del cigüeñal. La idea de mantener este brevísimo solape es la de mejorar el llenado y barrido de los gases. En la actualidad los fabricantes de motores están dejando de sincronizar las válvulas para que exista el solape, pues con los estudios avanzados sobre circulación de gases ya no tiene mucho sentido.

El pistón no puede ajustarse perfectamente a la pared del cilindro, pues crearía mucha fricción. En su lugar, y para asegurar la estanquidad y evitar fugas de aceite y de gases que hicieran perder fuerza a la compresión y a la explosión, se deja un ligero huelgo entre el pistón y el cilindro, y se recurre a la colocación de segmentos. Estos son anillos elásticos de fundición son de diámetro algo mayor que el del pistón y se encuentran alojados en unas hendiduras que les permite contraerse cuando el pistón se monta y se mete en el cilindro. 

Se hacen de material más blando que el que se emplea en el bloque para que cuando se produzca la fricción con la pared de los cilindros, sean precisamente los segmentos los que se desgasten. Se alojan en las gargantas que lleva el pistón; suelen ser dos o tres en la parte alta (segmentos de compresión) y son los que impiden las pérdidas de potencia comentadas.