Control del motor: EEC y FADEC

La evolución de la tecnología de turbinas de gas exigió un control más preciso de los parámetros del motor que el que estaba disponible en los sistemas hidromecánicos convencionales.  Debajo se puede ver uno de estos antiguos sistemas para el control de combustible. Como se puede apreciar, las palancas de gases estaban físicamente conectadas con el motor por medio de cables, sectores y poleas. La complejidad es grande y el sistema está sujeto a múltiples averías, además de no ser muy preciso.

Debajo se puede ver un antiguo cuadro de instrumentos del 707. Los instrumentos básicos incluyen indicaciones de EPR o RPM, Temperatura de aceite, vibraciones, flujo de combustible y temperatura de gases. Una de las principales tareas del ingeniero de vuelo era precisamente la de responsabilizarse de todo lo relativo a los motores. Con la implantación de los sistemas automáticos de control la figura del ingeniero de vuelo se vio relegada a solo ciertas tareas menores. Con el tiempo este miembro de la tripulación desapareció de las cabinas de vuelo.

Al principio fue el EEC

El primer sistema electrónico de control del motor (EEC o Electronic Engine Control System) fue un control de supervisión de funcionamiento. Este sistema de supervisión se combinaba con los controles hidromecánicos. Los componentes principales incluyen el control en sí, el control de combustible del motor y el aire de purga (bleed air) y el control variable de los álabes del estator.

Con este control de supervisión, el piloto simplemente mueve la palanca a un empuje deseado o a la posición máxima de ascenso. El control electrónico ajusta la relación de presión del motor (EPR) o las RPM según sea necesario para mantener el índice de empuje a pesar de los cambios en el vuelo y las condiciones ambientales. El control también limita la velocidad y la temperatura del motor, lo que garantiza un funcionamiento seguro en todo el sobre del vuelo.

Si se produce un problema en este sistema, el control revierte automáticamente al sistema hidromecánico, sin discontinuidad en el empuje. El piloto también puede volver al sistema hidromecánico en cualquier momento. Este sistema de control evolucionó y se llegó a la autoridad completa del EEC. Un sistema que es totalmente redundante (dos canales monitorizados), y controla todas las funciones del motor y elimina la necesidad de un control hidromecánico de reserva utilizado en los sistemas de supervisión antiguos. La autoridad completa del EEC se llama control de motor digital de autoridad total o FADEC en inglés.

Control de motor digital de autoridad total (FADEC)

El FADEC en realidad, es una combinación de sistemas en los que se incluye el EEC. En el novísimo PW1100G de última generación que equipa nuestro CSeries (A220), el FADEC está compuesto por los sistemas:

• Electronic engine control (EEC)
• Prognostic and health monitoring unit (PHMU)
• Data storage unit (DSU)

Uno de los propósitos básicos del FADEC es reducir la carga de trabajo de los pilotos, particularmente durante las fases críticas del vuelo. Esto se logra mediante la lógica de control del FADEC, que simplifica la configuración de potencia para todas las condiciones de funcionamiento del motor. Las palancas de empuje alcanzan valores de empuje determinados en posiciones fijas, independientemente de las condiciones de vuelo o ambientales. Por ejemplo, suponen un EPR dado en un OAT particular, si el OAT cambia, el sistema ajustaría el sistema de combustible del motor en consecuencia, para mantener el EPR. Ver diagrama más abajo.

El FADEC establece la potencia del motor a través del control directo de circuito cerrado de EPR, que es el parámetro de índice de empuje. La selección de EPR se calcula en función del ángulo de la palanca de empuje, la altitud, el número de Mach y la temperatura total del aire. El ordenador de datos de aire (ADC) proporciona altitud, número de Mach y temperatura total del aire al control. Los sensores proporcionan mediciones de las temperaturas, presiones y velocidades del motor, y estos datos se utilizan para proporcionar un control automático del índice de empuje, protección del límite del motor, control transitorio y arranque del motor. El control implementa cronogramas EPR para obtener la clasificación EPR en varias posiciones diferentes con respecto al ángulo de la palanca y proporciona el empuje correcto con un ángulo constante de la palanca durante un cambio en el vuelo o las condiciones ambientales.

El FADEC tiene muchas ventajas sobre el sistema mecánico:

• No requiere ajustes, por lo tanto, ahorra combustible.
• Reduce el consumo de combustible a través del control mejorado del aire de sangrado.
• Modula completamente los sistemas de control de forma activa, produciendo un beneficio sustancial en el rendimiento.
• La velocidad de ralentí permanece constante independientemente de los cambios en las condiciones ambientales y los requisitos de sangrado.
• La mayor precisión de la computadora digital asegura transiciones del motor suaves y repetibles en diferentes condiciones (es decir, aceleración/desaceleración más precisa que los posibles con un sistema hidromecánico. Este último está sujeto a tolerancias de fabricación, deterioro y desgaste que afectan su capacidad de proporcionar consistentemente los mismos tiempos de aceleración y desaceleración.
• Asegura mejores arranques del motor mediante cronogramas digitales y lógica que se ajusta a las condiciones medidas.
• Proporciona protección del límite del motor al limitar automáticamente las presiones y velocidades críticas del motor.

El FADEC está montado en la carcasa del compresor del motor en soportes antivibraciones y está normalmente refrigerado por aire. 

En el diagrama de debajo se ven las señales que se transmiten entre los componentes montados en el motor y describe la interfaz motor/avión. El sistema de control tiene dos canales electrónicos, cada uno con su propio procesador, fuente de alimentación, memoria de programa, sensores de entrada seleccionados y actuadores de salida.

La potencia de cada canal de control electrónico es proporcionada por un alternador dedicado y conectado a la caja de engranajes del motor. Si la capacidad computacional se pierde en el canal primario, el FADEC cambia al canal secundario. Si se pierde un sensor en el canal primario, la discrepancia con el canal secundario proporciona información relevante a los pilotos.

En el caso improbable de la pérdida de ambos canales del control electrónico, los motores dadoptan las siguientes posiciones a prueba de fallos:

• el flujo de combustible queda seleccionado al mínimo
• los álabes del estator quedan completamente abiertos (para proteger el despegue),
• el radiador aire/aceite se abre completamente,
• y el control activo se apaga.

La comunicación entre el control de vuelo y FADEC se lleva a cabo en la aviación civil utilizando el protocolo serie estandarizado ARINC 429 . Este protocolo ARINC-429 también se utiliza para comunicarse con otros componentes de la aeronave, por lo que no está restringido al motor.

Las indicaciones a los pilotos ya no tienen por qué ser por medio de instrumentación mecánica. Con este sistema se pueden mandar señales eléctricas y generar páginas como las del EICAS:

Limitadores de control del motor y otras ventajas

El sistema de control del motor recibe señales de la temperatura de los gases de escape y la velocidad del motor (N1 y N2). El sistema compara estos parámetros con datos preestablecidos. Si alguno de estos parámetros excede sus datos, se envía una señal a la bomba HP para reducir la salida. El sistema está diseñado para proteger el motor contra parámetros que exceden sus valores de diseño bajo operación normal y fallos básicos del sistema de combustible. Cuando algo va mal, el sistema es capaz de registrar los datos  y además transmitirlos a la base de mantenimiento durante las operaciones de vuelo por medio de la telemetría. Con ello la compañía puede saber de antemano la avería del motor y así estar preparados para efectuar las reparaciones necesarias antes de que el avión aterrice.