El carburador del motor (Motores de pistones 8)
Motores de pistones
Capítulo 8
El carburador del motor
- Introducción
- Carburador de flotador sencillo
- Funcionamiento
- Limitaciones del carburador de flotador
- Difusor o purga de aire
- Sistema de ralentí
- Equilibrio de presión de aire
- Bomba del acelerador
- Sistemas de enriquecimiento o economizador de potencia
- Control de la mezcla
- Engelamiento en el carburador y la admisión
- Calefacción del carburador
Introducción
Para que un motor desarrolle potencia, se debe suministrar la cantidad correcta de combustible a los cilindros y mezclarlo con la cantidad correcta de aire. Esta dosificación puede lograrse mediante un carburador simple, un carburador de presión o un sistema de inyección de combustible. Todos estos sistemas logran lo mismo: pesan el aire que entra al motor, dosifican la cantidad correcta de combustible, mezclan ambos y distribuyen la mezcla de combustible y aire uniformemente a todos los cilindros.
- Carburador de flotador sencillo: El carburador de flotador sencillo consta de una válvula de mariposa, un chiclé principal, un venturi (tubo de estrangulación) y una cámara de flotación:
- Venturi (tubo de estrangulación): El aire, en su camino hacia los cilindros, pasa a través del venturi; este disminuye la presión estática.
- Válvula de mariposa: La válvula de mariposa controla la densidad de la mezcla de combustible y aire que entra al motor.
- Cámara de flotación: La cámara del flotador contiene un flotador que mantiene un nivel constante de combustible; el espacio sobre el combustible se ventila a la atmósfera.
- Surtidor principal: El surtidor principal es un orificio calibrado que permite el paso de la cantidad correcta de combustible a la boquilla de suministro para una caída de presión dada entre el venturi y la cámara del flotador.
El movimiento descendente del pistón en la carrera de admisión introduce aire en el cilindro. El aire fluye a través del venturi, lo que provoca una disminución de la presión estática; ahora existe una diferencia de presión entre la cámara del flotador y el venturi. Aplicando el principio del tubo en U, la diferencia de presión hace que el combustible en la boquilla de suministro se desborde y se mezcle con el aire en su camino hacia el cilindro.
Figura 8.1 Carburador de flotador sencillo y sus partes principales
Limitaciones del carburador de flotador
El carburador de flotador descrito anteriormente funcionaría perfectamente si el motor funcionara a RPM constantes y permaneciera estacionario a nivel del mar. Sin embargo, los cambios en la velocidad del motor, la carga, la altitud de la aeronave y la velocidad de avance contribuyen a la necesidad de un sistema más complejo. Las limitaciones del carburador de flotador son las siguientes:
- Al aumentar las RPM, la mezcla se enriquece progresivamente debido a las diferentes respuestas del combustible y el aire.
- Debido a la muy baja presión diferencial existente entre la cámara del flotador y el venturi a bajas revoluciones del motor, la succión es insuficiente para extraer combustible de la cámara del flotador.
- Al estar la cámara del flotador ventilada a la atmósfera, proporciona un flujo de combustible desigual debido a los pequeños cambios de presión del aire en la cámara del flotador. La fuente de aire que alimenta la cámara de flotación debe estar a presión constante o aumentar con el flujo másico en el sistema de inducción.
- A medida que una aeronave gana altitud con RPM constantes, el mismo volumen de aire entra en los cilindros. Al reducirse el peso del aire, la mezcla se enriquece.
- Durante la aceleración rápida del motor, la mezcla se debilita debido a las diferencias físicas entre el aire y el combustible, lo que provoca una pérdida temporal de potencia.
- Es necesario enriquecer la mezcla a alta potencia para evitar el sobrecalentamiento.
Difusor o purga de aire
El difusor es el dispositivo que impide que la mezcla se enriquezca al aumentar las RPM. (Figura 8.2) Con el motor en reposo, el nivel de combustible en el difusor es el mismo que en la cámara de flotación. Con el motor en funcionamiento, el centro del tubo perforado está sujeto a la presión del venturi y el exterior a la presión de la cámara de flotación. Al aumentar la velocidad del motor, también aumenta la demanda de combustible, por lo que el nivel de combustible disminuye en el difusor, dejando al descubierto los orificios del tubo. Esto tiene el efecto de admitir el aire de la cámara de flotación al centro del tubo, lo que aumenta la presión del venturi sobre el combustible, reduciendo así el flujo de combustible. Dado que el combustible se mezcla con el aire antes de llegar a la boquilla de suministro, se mejora la atomización del combustible.
A velocidades del motor inferiores a aproximadamente 1000 RPM, el flujo de aire a través del venturi es insuficiente para producir la caída de presión en la boquilla de descarga principal necesaria para extraer combustible de la cámara de flotación; por lo tanto, se requiere un sistema separado. El combustible para el funcionamiento lento se descarga cerca del borde de la válvula de mariposa, donde la presión estática es baja debido al paso de aire acelerado, cerrando el espacio entre la pared del sistema de inducción y la válvula de mariposa
Estos puertos de descarga están conectados a la cámara del flotador mediante un surtidor de flujo lento; este surtidor asegura una mezcla rica y adecuada. La mezcla se enriquece para compensar los efectos de la mezcla de gases de escape con mezcla fresca durante el solapamiento de válvulas. A velocidades del motor superiores a aproximadamente 1000 RPM, el sistema de flujo lento no funciona y el combustible se suministra a través de la boquilla de descarga (Figura 8.3).
Equilibrio de la presión de aire
La presión de aire en la cámara del flotador es fundamental para el correcto funcionamiento del carburador de flotador. No es recomendable que la cámara del flotador se ventile a la atmósfera debido a la presión estática variable que rodea el carburador. El aire que llega a la cámara del flotador generalmente se toma de la parte trasera del venturi, cuyo borde delantero se abre para recibir la presión del flujo de aire de impacto (Figura 8.4).
Bomba del acelerador
Debido a la baja presión diferencial entre la cámara del flotador y el venturi, el flujo de combustible responde lentamente a las aperturas rápidas del acelerador. Se produce una mezcla débil, lo que provoca una pérdida de potencia. Para contrarrestar este efecto, una bomba de aceleración inyecta combustible en el sistema de admisión durante la aceleración rápida.
La bomba de aceleración consta de un cilindro y un pistón conectado a la articulación de la válvula de aceleración. Al cerrar la mariposa, el pistón se mueve hacia arriba, llenando el cilindro con combustible desde la cámara del flotador a través de una válvula antirretorno. Al abrir la mariposa, el pistón se mueve hacia abajo, cerrando la válvula antirretorno e impulsando el combustible hacia afuera, pasando por la válvula antirretorno de descarga, hacia el flujo de aire a través de la boquilla de descarga del acelerador. Las bombas de aceleración generalmente continúan descargando combustible durante un breve periodo después de detenerse la aceleración (Figura 8.5).
Sistemas de enriquecimiento o economizador de potencia
Los motores generalmente no están diseñados para disipar todo el calor que el combustible es capaz de liberar, por lo que se deben tomar medidas para eliminar parte de este calor. Esto se logra enriqueciendo la mezcla a máxima potencia. El combustible adicional absorbe calor al transformarse en vapor. Los sistemas de enriquecimiento de potencia también se denominan sistemas economizadores porque permiten que el motor funcione con una mezcla relativamente débil en todas las condiciones, excepto a máxima potencia (mezcla económica). El enriquecimiento de potencia se logra normalmente mediante dos métodos: enriquecimiento con válvula de aguja y enriquecimiento por retrosucción.
Sistema de Enriquecimiento con Válvula de Aguja
Un surtidor de enriquecimiento se ubica en paralelo al surtidor principal, entre la cámara del flotador y la boquilla de descarga principal. Una válvula de aguja, en serie con el surtidor de enriquecimiento, se mantiene en su asiento mediante un resorte. Cuando la válvula está cerrada, no puede fluir combustible a través del surtidor de enriquecimiento, y toda la dosificación la realiza el surtidor principal. A medida que el acelerador se acerca a su posición completamente abierta, la válvula de aguja se retira mediante la articulación del acelerador, añadiendo combustible al que pasa por el surtidor principal y produciendo una mezcla rica (Figura 8.6).
Sistema de Enriquecimiento por Retrosucción
En todas las condiciones, excepto a máxima aceleración, la cámara del flotador se ventila a una presión ligeramente baja cerca de la válvula de mariposa, así como para impulsar el aire desde detrás del venturi. Al abrir completamente la mariposa, la presión en el puerto situado encima del venturi aumenta, enriqueciendo la mezcla para esta condición (véase la Figura 8.7).
Figura 8.7 Control de mezcla por aire de sangrado
Control Manual de la Mezcla
Se requiere un control manual de la mezcla para ajustar con precisión la relación de mezcla, tanto en la configuración de potencia de crucero como a gran altitud. A medida que la aeronave asciende, la mezcla se enriquece progresivamente a medida que disminuye la densidad del aire. Por lo tanto, se debe reducir el flujo de combustible para mantener la relación correcta.
Existen dos tipos de control de mezcla:
- Control de Mezcla por Succión Trasera
- Control de la mezcla por orificio variable
Control de Mezcla por Succión Trasera: El control de mezcla por succión trasera varía la presión en la cámara del flotador entre la atmosférica y una presión ligeramente inferior a la atmosférica. Esta variación de presión se logra mediante una válvula de control ubicada en la línea de equilibrio de aire de la cámara del flotador. La cámara del flotador se ventila hacia la zona de baja presión cerca del venturi a través de una línea de succión. Esto reduce la presión en la cámara del flotador. Al abrir la línea de compensación de aire, la presión en la cámara del flotador aumenta a la atmosférica y se genera una presión diferencial a través del surtidor principal. Esto provoca el flujo de combustible desde la boquilla de descarga principal. Al cerrar el respiradero, la presión en la cámara del flotador disminuye hasta la de la boquilla de descarga, deteniendo así el flujo de combustible (Figura 8.8).
Engelamiento en el carburador y la admisión
Es importante leer esta sección junto con la Circular de Información Aeronáutica vigente sobre engelamiento en el sistema de inducción.
Calor latente de evaporación
Cuando un líquido se evapora, absorbe calor de su entorno. Para elevar la temperatura de un gramo de agua de 0 °C a 100 °C, se requieren 100 calorías de calor (una caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C).
Cuando el agua hierve, la temperatura no continúa aumentando; en cambio, la energía se convierte en vapor. La energía necesaria para el cambio de estado de líquido a vapor o de vapor a líquido se denomina calor latente de vaporización o condensación. Por lo tanto, se requiere calor para transformar un líquido en vapor. Cuando el combustible se pulveriza en el sistema de inducción, debe extraer calor de su entorno; al hacerlo, provoca la condensación del vapor de agua y, si la temperatura es lo suficientemente baja, se congela.
Leyes de la evaporación
Existen seis factores de evaporación que influyen en la formación de hielo en los carburadores. La velocidad de evaporación aumenta cuando:
- La temperatura aumenta.
- La superficie del líquido aumenta.
- La presión atmosférica disminuye.
- La humedad del aire disminuye.
- Una función directa de la volatilidad del líquido expuesto.
- El flujo de aire sobre la superficie del líquido aumenta.
Formación de hielo en el carburador
Cuando el combustible se pulveriza en la zona de baja presión del venturi del carburador, se evapora rápidamente. Esta evaporación del combustible enfría el aire, la pared del sistema de inducción y el vapor de agua. Si la humedad del aire es alta y el metal del carburador se enfría por debajo de 0 °C, se forma hielo que interfiere con el funcionamiento del motor. Cuando el sistema de admisión se cubre de hielo, cambia el tamaño y la forma de los conductos (Figura 8.10).
El hielo se puede formar en un carburador mediante uno de estos tres procesos:
- El efecto refrigerante de la evaporación del combustible tras su introducción en la corriente de aire puede producir lo que se conoce como hielo de combustible o hielo de evaporación de combustible.
- El agua en suspensión en la atmósfera, al entrar en contacto con las piezas del motor a una temperatura inferior a 0 °C, puede producir hielo de impacto o hielo atmosférico.
- La congelación del vapor de agua condensado del aire en o cerca del acelerador forma lo que se conoce como hielo de aceleración o hielo de expansión.
El hielo de aceleración es más probable que se forme cuando el acelerador está parcialmente cerrado, por ejemplo, al descender. Cuando el acelerador está parcialmente cerrado, la velocidad del aire en su borde aumenta, provocando una caída de presión (efecto Venturi); por lo tanto, se produce una caída de temperatura con la consiguiente formación de hielo en el acelerador.
Engelamiento por impacto
Esto se debe a la congelación de gotas de agua superenfriadas al impactar con la entrada y la pared del cuerpo del acelerador. Es más probable que ocurra a temperaturas entre 0 °C y -7 °C. El hielo se acumula alrededor de la entrada de aire y altera el flujo de aire, alterando así la relación aire/combustible, lo que provoca pérdida de potencia o fallo del motor (Figura 8.11).
Calefacción de la entrada del carburador
Se debe proporcionar calefacción por inducción para eliminar el hielo o prevenir su formación durante el vuelo. La calefacción de la entrada se realiza mediante aire caliente suministrado por una camisa (silenciador) que envuelve el sistema de escape. El aire frío se aspira, se calienta con el escape caliente y luego pasa al sistema de inducción. La cantidad de aire caliente que entra al sistema se controla mediante una válvula ajustable, accionada por una palanca de control de temperatura en la cabina. La selección es entre aire caliente y frío, sin posición intermedia. Al seleccionar aire caliente, se evita el paso del filtro de aire.
Al no filtrarse, el material abrasivo puede entrar en los cilindros y aumentar el desgaste de las camisas. Además, el aire caliente reduce la densidad, lo que reduce la potencia y aumenta el riesgo de detonación. Algunos fabricantes de motores utilizan el precalentamiento del sistema de inducción, canalizándolo a través del cárter de aceite. Este calentamiento facilita la vaporización y reduce el riesgo de formación de hielo. Los sistemas de inyección requieren muy poco o ningún suministro de aire caliente, pero sí requieren un suministro de aire alternativo para evitar el paso del filtro de aire en caso de que se obstruya (Figura 8.12).
Efecto de la formación de hielo en el sistema de inducción sobre el rendimiento del motor
Es fundamental que los pilotos reconozcan los síntomas de la formación de hielo en el carburador y las condiciones meteorológicas que la favorecen. Los principales efectos de la formación de hielo son:
- Baja temperatura de la culata.
- Funcionamiento irregular.
- Pérdida de potencia.
La caída de la temperatura de la culata se debe al efecto de enriquecimiento, que aumenta con el tiempo; a esto le siguen un funcionamiento irregular y pérdida de potencia, y en casos graves, una complicación.
Pérdida de potencia. Esta pérdida de potencia se indica mediante una caída en la velocidad del motor con hélices de paso fijo. En motores equipados con hélices de velocidad constante, la caída de potencia se indica mediante una caída en la presión del colector, manteniendo las RPM constantes.
Los procedimientos estándar en caso de engelamiento son:
- Revisar el sistema de aire caliente del carburador antes del despegue.
- Seleccionar la calefacción del carburador al descender.
- Utilizar la calefacción siempre que se considere que existen condiciones de engelamiento.
Muchos pilotos creen erróneamente que el engelamiento del carburador no se produce cuando la temperatura ambiente es superior a 0 °C. El hielo se formará con las combinaciones de humedad y temperatura indicadas en el gráfico (Figura 8.13).
Si hay hielo y se selecciona la calefacción del carburador, es probable que la aspereza del motor empeore inicialmente antes de desaparecer; esto se debe al drástico efecto de enfriamiento de la entrada de agua o vapor de agua en el cilindro. El piloto deberá adherirse estrictamente a las instrucciones relativas al uso del calor del carburador o del control de aire alternativo, que aparecen en el manual de vuelo de la aeronave o en un documento equivalente.
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