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Motores
Alternativos
Por Gizmo
Motor en doble estrella de un F4U Corsair
Componentes de
un motor alternativo
Antes
de intentar explicar como funciona un motor, vamos a dividirlo en trozos y
vamos a ver la utilidad de cada uno de ellos...
Cilindros-Pistón
(émbolo)
Es el
recipiente en el que se realiza la explosión de la mezcla. Al tener una pared
móvil (pistón), el aumento de presión que produce la explosión en el interior
hace que esta pared móvil adquiera un movimiento rectilíneo. Es decir, al
quemar la mezcla, los gases aumentan violentamente de volumen, y al aumentar
éste hace que el pistón se desplace a lo largo del cilindro.
Culata:
Como se ve en la imagen, existen una o más válvulas de admisión, donde es
inyectada la mezcla combustible-comburente. Esta mezcla es encendida por la
bujía, en el caso de los motores de gasolina, o se enciende por la presión y el
calor generados en la compresión de la mezcla, en el caso de los motores
diesel.
El
pistón es el elemento mecánico que se desplaza por la expansión de los gases. Las
partes que lo componen pueden verse en el diagrama superior. La cabeza del
émbolo forma la “pared móvil” del cilindro. En el bulón se articula la biela,
que transformará el movimiento de va-y-ven del pistón en uno rotatorio en el
cigüeñal, y los segmentos sirven para asegurar la estanqueidad entre las
paredes del cilindro y el pistón. Dentro de ellos podremos tener algunos que
además de cumplir esta función, cumplan otras adicionales: los engrasadores
tendrán orificios para permitir la llegada de aceite lubricante a las paredes
del cilindro, y establecer una minúscula capa de aceite en ella, mientras que
los segmentos rascadores se encargan de recoger esta “alfombra” de aceite, que
lubrica el movimiento.
Los
materiales de construcción de ambos han variado mucho, desde la fundición,
aceros especiales y aleaciones ligeras.
Cárter
Cárter de un
motor en estrella y de uno lineal
Los
cilindros están montados en el cárter, que es la pieza principal del motor, y a
la que se unen todas las demás. En los motores en línea se suelen diferenciar 3
partes: cárter superior (o de reductor), cárter inferior (o de potencia) cárter
auxiliar (o de accesorios). En los motores radiales la disposición es similar.
Podemos ver ambas en las imágenes.
Bielas
Como
ya fue comentado, la biela está articulada en el émbolo en el bulón, y va unida
a su vez a la muñequilla del cigüeñal. Su misión es transmitir el movimiento
del émbolo al cigüeñal, convirtiéndolo junto con el cigüeñal de un movimiento
rectilíneo alternativo en uno circular (mecanismo de biela-manivela).
El
brazo de la biela suele aligerarse (por eso la de la imagen tiene sección en I,
en lugar de rectangular) con varios fines: produce bielas más ligeras y reduce
las cargas producidas por la inercia del movimiento.
En
los extremos del brazo encontramos la cabeza y el pié, o cabeza inferior y
superior. El pié o cabeza superior se unen al bulón del émbolo, y la inferior a
la muñequilla del cigüeñal. Los casquillos (de bronce u otro material
antifricción) se emplean para reducir la fricción entre una pieza y otra. La
cabeza de la biela está dividida en dos partes, la base, que forma una sola
pieza junto con el brazo, y el sombrerete, que se une a la primera mediante
espárragos y tuercas.
En
los motores lineales, cada biela se une a una muñequilla del cigüeñal. En otros
tipos de motores se recurren a distintas soluciones:
Dos bielas
acopladas juntas, biela interior y exterior, biela maestra y bieleta
Biela maestra y
bieletas en motor radial
Dos
bielas idénticas, lado a lado, acopladas en el mismo codo o bien una biela
exterior (con forma de tenedor) y otra interior unidas al mismo codo son
soluciones típicas adoptadas para motores en V. La solución de biela-bieleta es
típica en motores en V y radiales.
Cigüeñal
En
mecánica se define “árbol” como todo aquél trasto que gira sobre sí mismo y
arrastra en su movimiento a otras piezas, a las que obliga a girar. Después de
esto, podemos decir que el cigüeñal es un árbol acodado.
Las
bielas se unen al cigüeñal en cada codo, por la cabeza, formando un sistema de
biela-manivela. El cigüeñal se apoya sobre el cárter, o mejor dicho, en los
cojinetes situados en él. El volante de inercia cumple la función de homogeneizar
el giro del cigüeñal. El movimiento del cigüeñal no se transmite directamente
al eje de la hélice, si no que va acoplado a un reductor, con un sistema de
engranajes que adecua la velocidad de salida a la requerida en la hélice.
Los
motores en H tienen dos cigüeñales, acoplados a un solo reductor. Son algo así
como dos motores lineales, moviendo sendos cigüeñales, y acoplados ambos al
mismo reductor (o caja reductora).
En
los motores radiales el cigüeñal tiene un solo codo, al que se une la biela
maestra, y a ésta se acoplan las bieletas.
Caja reductora de
un engranaje
Sistema de
encendido
Debido
a que el motor de ciclo diesel apenas se empleó en aviación, nos ocuparemos
aquí solo del sistema de encendido por bujías, empleado en los motores de
gasolina.
La combustión de la
mezcla la realiza en este tipo de motor la chispa producida por la bujía. La
bujía esta formada por un electrodo central y uno o mas electrodos “de masa”,
entre los que se produce una chispa, por la poca separación existente entre
ellos, cuando una corriente de alto voltaje está aplicada a ellos. Ambos
electrodos están aislados por una envoltura aislante de porcelana.
Podemos
distinguir dos tipos de encendidos, por magneto y por batería, siendo ambos muy
similares.
En el
encendido por batería, la corriente eléctrica la produce una batería
acumuladora. Su tensión es aumentada mediante unas bobinas de inducción
(arrollamiento primario y secundario, es decir, un transformador). Puesto que
los transformadores solo funcionan con corriente alterna, y la batería nos
proporciona corriente continua, el ruptor hace que el suministro de corriente eléctrico
sea “a pulsos”, para que el transformador funcione. Conectado en paralelo al
ruptor encontramos un condensador, para evitar que salten chispas entre los
extremos del primero.
El
distribuidor o “delco” es un interruptor giratorio, dando paso a la corriente
eléctrica proveniente de la bobina a cada una de las bujías, de modo cíclico,
en su movimiento rotatorio.
El
sistema por magneto sustituye la batería por una magneto. Es un sistema más
ligero y fiable que el de batería, empleándose dos magnetos en cada motor, por
motivos de seguridad.
Sistema de
lubricación
Por
muy pulidas que se encuentren dos superficies metálicas, si se encuentran en movimiento
relativo la una respecto a la otra, siempre se producirá fricción, y por tanto
desgaste y calor. Esa es la misión del sistema de lubricación, interponer una
delgadísima capa de lubricante entre las superficies rozantes, para reducir la
fricción y, al ser un fluido en circulación, cumple además la misión de evacuar
el calor producido en la zona, refrigerando ambas piezas.
Para
llevar a cabo la lubricación existen varios métodos, pudiendo clasificarlos de
forma general en:
·
A presión. El lubricante se
conduce a las distintas partes a través de conductos, por una bomba. Siempre
antes de la bomba se sitúa un filtro, para purificar el aceite tras su
recorrido por el motor. También este circuito hidráulico puede incorporar
radiadores para enfriar el aceite.
·
Por Barboteo. El cigüeñal se
mueve de tal modo que en su giro “salpica” con el aceite que se encuentra en el
cárter inferior, generando una neblina aceitosa que lubrica todo el motor. Este
sistema está prácticamente en desuso, por su baja efectividad, y por variar
ésta en función de la actitud del avión (pensemos por ejemplo en las diversas
actitudes que adopta un caza o un avión acrobático).
·
Cárter seco. Este caso es
similar al de presión, pero el aceite no va contenido en el cárter inferior (típico
en automoción), si no en depósitos.
Sistema de
refrigeración
Teniendo
en cuenta que el motor funciona con explosiones de mezcla, se produce mucho
calor y hay que evacuarlo de algún
modo. De aquí la necesidad inherente de un sistema de refrigeración. Se pueden
utilizar dos sistemas:
·
Refrigerado por líquido. La
base es relativamente simple. Una bomba garantiza que el líquido refrigerante
se encuentra en movimiento por todo el circuito, circulando por todos los
elementos que necesitan refrigeración. Existe un intercambiador de calor
(habitualmente radiadores, aunque hubo algún sistema más innovador como el
empleado en el He100, que no llegó a cuajar definitivamente), en el que el agua
cede su calor a otro medio y vuelve a la bomba. Su principal inconveniente es
el gran peso que añade al aparato. La ventaja es el poder carenarlos
aerodinámicamente de una forma muy simple, sin ofrecer gran resistencia, y
situar el radiador donde más convenga. Comentar a modo casi anecdótico, que
también se usó un sistema de refrigeración “por gravedad”, sin bomba alguna. La
alimentación del circuito se debía gracias a la posición del depósito del agua.
·
La refrigeración por aire,
durante la segunda guerra mundial, en un principio se desechó, por poseer estos
motores una gran superficie frontal y causar gran resistencia aerodinámica. Sin
embargo, dado a que ofrecen la gran ventaja de su poco peso, y de no averiarse
si una bala roza algún tubo y empieza a perder refrigerante, les hacían ser una
apuesta muy interesante. Finalmente hubo grandes cazas equipados con motores
radiales, y muchos bombarderos y otros tipos de aparatos. Entre los cazas,
caben destacar el Zero, el P47 o el Fw190, con unos magníficos carenados (la NACA
estuvo estudiando los carenados y sistemas de refrigeración para este tipo de
motores intensamente). Como puede verse (o intuirse) los cilindros de los
motores refrigerados por aire tienen una serie de aletas. Su misión es aumentar
la superficie de intercambio de calor. Este tipo de refrigeración es la que se
emplea para los motores en estrella, aunque existen algunos motores lineales
refrigerados por aire.
El que quiera más
información sobre los estudios NACA, aún puede bajarse de su servidor
el informe correspondiente. NACA Report NO. 771
Sistema de
alimentación
·
Por carburador: el carburador
mezcla el aire con el combustible, y se calibra de tal modo que esta mezcla
proporcione una cantidad de oxígeno lo mas parecida a la ideal según lo que nos
dice la química (estequiometría de la combustión). La entrada del aire conduce
hasta un tubo venturi (tubo convergente-divergente) en el que se encuentra un
difusor, al que llega la gasolina. La forma del tubo de venturi hace que se
cree una depresión y por tanto la gasolina sea succionada del difusor,
produciéndose la mezcla de gasolina y aire. La mariposa es la que permite
variar el paso de mezcla al motor, para adecuar el funcionamiento de este a la
carga que se le requiere.
Carburador simple
·
El sistema de inyección
directa realiza la mezcla dentro del cilindro. Para ello sustituye el
carburador por la bomba de inyección y los inyectores. La bomba de inyección
envia el combustible a los inyectores, en la medida y presion necesaria. Suele
llevar un regulador de consumo, que asegura una mezcla lo más similar a la que
nos da la relación estequiométrica. Los inyectores introducen la gasolinaen el
cilindro en la fase de admisión. Esto se realiza de forma simultánea a la
entrada de aire al cilindro, produciéndose la mezcla. Este sistema elimina los
convenientes del carburador, y suministra combustible independientemente de la
actitud del avión (recordemos los combates entre los primeros modelos de Spitfire
–hasta el MkIX- y Fw190)
Sistema de
inyección moderno en un motor de automóvil
Sobrealimentación
Que el
motor alternativo es un “trasto” que necesita aire para poder funcionar (no así
los motores cohete, que pueden funcionar en ausencia de atmósfera, pues llevan
consigo el comburente) es algo que tenemos en mente. Ahora, la densidad del
aire varía con la altitud de vuelo, y con la temperatura a la que se encuentre
el aire a dicha altitud. Cuanto menor es la densidad del aire, menor es el
rendimiento del motor, y menor potencia da. Para solucionarlo nació la
sobrealimentación, acompañada en ocasiones de intercambiadores de calor. La
sobrealimentación consiste en situar un compresor (bien mecánico, bien por una
turbina movida por los gases de escape –turbo o turbocompresor-), que comprima
el aire (aumente su densidad) antes de realizar la mezcla. Al comprimir el aire
éste aumenta algo de temperatura. Por ello en ocasiones se sitúa a continuación
del compresor un intercambiador de calor (intercooler), que enfría el
aire, aumentando aún más su densidad. Con éste método se consiguen motores más
potentes a igualdad de altitud, y en comparación con un motor sin
sobrealimentar (pero con mayor consumo), y/o mayores techos prácticos para el
avión.
Bibliografía
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Manual de automóviles, Arias-Paz
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Nociones Tecnología
Aeronáutica, F. De la Malla , editorial
Dossat (2ª edición, 1963)