AGOSTO··2010··3 ISSN··1909-9142
Teoríadelosmotoresrecíprocosydesempeño
Francisco Javier González Cruz*
*Ingeniero Mecánico (Universidad Incca de Colombia), Instructor en Especialidades Aeronáuticas (Escuela Aeronáutica de Colombia). Jefe Área Diseño y Mantenimiento Aeronáutico (Fundación Universitaria Los Libertadores). Profesor titular de la asignatura Motores a Reacción (Fundación Universitaria Los Libertadores).
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The piston engines have great implementation in the aviation industry, these engi-
nes are used in small aircraft that not require greater use of the power and are ideal
for flights to low altitude. In this article was talk of how it is the timing and firing
order, of the factors of performance that affect the functioning of the aircraft when
have this type of engine. We will also discuss the performance charts for piston en-
gines that are used to determine the Brake horsepower and the fuel flow required.
KeyWords:Firingorder,Brakehorsepower,Performance,Fuelflow,Supercharged,MAP(ManifoldAbsolutePressure).
Abstract
Resumen
Reciprocatingenginetheoryand
performance
Los motores recíprocos o a pistón tienen gran aplicación en la industria aeronáutica,
estos motores se utilizan en aviones pequeños los cuales no requieren un mayor uso
de la potencia y son ideales para vuelos a alturas bajas. En este artículo se hablara de
cómo es la sincronización y orden de encendido, de los factores de desempeño que
afectan el funcionamiento del avión cuando posee este tipo de motor. Hablaremos
también de las cartas de desempeño que se utilizan para determinar la potencia al
freno disponible y el flujo de combustible requerido.
PalabrasClave:Ordendeencendido,Potenciaalfreno,Desempeño,Flujodecombustible,Súpercargado,PresiónAbsolutaenelmúltiple.
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EINTRODUCCIÓN
Existen 2 tipos muy comunes de motores
aeronáuticos usados para la propulsión, el
motor recíproco y el motor a reacción.
El motor de combustión interna encendi-
do por chispa, utiliza el principio del em-
bolo reciprocante, en donde un émbolo se
desliza dentro de un cilindro, hacia atrás y
hacia delante y transmite fuerza a un eje
motriz mediante un mecanismo de biela
manivela.
En 1876, Otto, un Ingeniero alemán cons-
truyó un motor con ciclo de trabajo de 4
tiempos, que resulto en los motores recí-
procos que conocemos hoy en día.
En los motores es muy importante cono-
cer los factores que determinan el funcio-
namiento de los mismos, como por ejem-
plo su potencia, la presión media efectiva,
entre otros factores que contribuyen a la
determinación de gráficas que establecen
su desempeño.
SINCRONIZACIÓNYORDENDEENCENDIDO
Recordemos que el motor a pistón ae-
ronáutico, opera bajo el ciclo de cuatro
tiempos, esto significa que el pistón reali-
za estas operaciones durante un ciclo de
funcionamiento.
Durante un ciclo de operación del motor
el cigüeñal realiza 2 revoluciones, y cada
válvula realiza una operación, por lo tanto el mecanismo que
abre la válvula de admisión, debe hacer una operación para 2
giros del cigüeñal. En un motor opuesto ó en línea que tiene un
solo eje de levas, el eje de levas es orientado a el cigüeñal para
producir 2 revoluciones de este último por una del eje de levas.
La corona del cigüeñal tiene la mitad del número de dientes
que tiene la corona del eje de levas, de esta manera se produce
una relación de 1:2. En motores radiales que utilizan anillo de
levas(cam rings) para accionar las válvulas pueden haber 3, 4,
ó 5 levas en el anillo, la relación del cigüeñal a la rotación del
anillo de levas es de 1:6, 1:8 y 1:10 respectivamente.
ABREVIATURASPARAELPOSICIONAMIENTODELASVÁLVULAS
En una discusión para el posicionamiento de las válvulas es
conveniente usar abreviaciones. Las abreviaciones común-
mente usadas describen el posicionamiento del pistón y el
cigüeñal para la apertura y cierre de las válvulas. A continua-
ción se muestra:
After Bottom Center ( Después del punto inferior) ABC
After Top Center ( Después del punto superior ) ATC
Before Bottom Center ( Antes del punto inferior) BBC
Bottom Center (Punto inferior) BC
Bottom Dead Center (Punto muerto inferior) BDC
Before Top center (Antes del punto superior) BTC
Exhaust Closes (Escape cerrado) EC
Exhaust Opens (Escape abierto) EO
Intake Closes (Admisión Cerrada) IC
Intake Opens (Admisión Abierta) IO
Top Center (Punto superior) TC
Top Dead Center (Punto muerto superior) TDC
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DIAGRAMADETIEMPOSENELMOTOR
Para tener un concepto visual del tiempo de las válvulas en
motores aeronáuticos, se mostrará un diagrama de un motor
continental (Figura 1). Un estudio de este diagrama revela las
siguientes especificaciones de distribución en el motor:
IO 15º BTC EO 55º BBC
IC 60º ABC EC 15º ATC
Figura 1. Diagrama de posicionamiento de válvulas
Fuente: Aircraft Powerplants - Kroes.
Se creería que la válvula de admisión de-
biera abrirse en el punto superior (TC) y ce-
rrarse en el punto inferior (BC), de la misma
manera parecería que la válvula de escape
debiera abrirse en el punto inferior (BC)
y cerrarse en el punto superior (TC). Esto
sería cierto excepto por la inercia de los
gases y el tiempo requerido para la apertu-
ra total de las válvulas. Cerca del final del
tiempo de escape, los gases están aun sa-
liendo por la válvula, la inercia de los gases
provoca una condición de baja presión en
el cilindro en este tiempo. Abriendo la vál-
vula de admisión un poco antes del punto
superior, se toma ventaja de la condición
de baja presión para empezar la inyección
de la mezcla aire-combustible en el cilin-
dro, de esta manera se consigue una gran
carga dentro del motor y se mejora la efi-
ciencia volumétrica.
Si la válvula de admisión se abriera tem-
pranamente también, los gases de escape
fluirían hacia fuera a través del conducto
de admisión y existiría una ignición ascen-
dente de la mezcla aire combustible. El re-
sultado sería un autoencendido, el autoen-
cendido también ocurre cuando la válvula
de escape se queda en la posición abierta.
La válvula de escape se cierra brevemente
después de que el pistón llega al punto su-
perior (TC) y evita que los gases de escape
regresen o se devuelvan al cilindro. La dis-
tancia angular a través de ambas válvulas
cuando están abiertas es llamada traslape
de válvulas. Cuando la válvula de admi-
sión abre a 15º antes del punto superior
(BTC), y la de escape cierra a 15º después
del punto superior (ATC), el traslape de vál-
vulas es de 30º.
La figura 1 muestra dos diagramas que pue-
dan ser usados como guías para el posicio-
namiento de las válvulas, cualquiera puede
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ser empleado para indicar los puntos en el
ciclo donde cada válvula se abre y cierra.
En los diagramas de la figura 1, la válvula
de admisión permanece abierta 60º des-
pués del punto inferior (ABC), esto permi-
te tomar ventaja de la inercia de la mez-
cla aire-combustible que entra al cilindro,
porque la mezcla continuará fluyendo al
interior del cilindro, para un tiempo des-
pués de que el pistón a pasado por el pun-
to inferior (BC). El periodo total durante el
cual la válvula de admisión está abierta es
diseñado para permitir la mayor posible
carga de mezcla aire combustible dentro
del cilindro.
La válvula de escape abre antes del punto
inferior por dos principales razones: Para
una completa evacuación de los gases de
escape en el cilindro, y para una mejor re-
frigeración del motor.
Gran parte de la energía del combustible
quemado es gastado para mover el cigüe-
ñal 120º pasado el punto superior en el
tiempo de potencia y el pistón es movido
casi a la posición más baja. Abriendo la
válvula de escape en este tiempo se permi-
te que los gases calientes salgan tempra-
namente y el calor de baja sea transmitido
a las paredes del cilindro, que debería ser
el caso si la válvula permaneciera cerra-
da hasta alcanzar el punto inferior (BC).
La válvula de escape no se cierra hasta
después del punto superior (ATC) porque
la inercia de los gases ayudan a extraer
adicionalmente dichos gases de escape,
después de que el pistón a pasado por el
punto superior (TC). La apertura o cierre de las válvulas de
admisión y escape después del punto superior (TC) o el punto
inferior es llamado retraso de válvula (Valve Lag). La apertura
o cierre de las válvulas de admisión o escape antes del punto
inferior o el punto superior es llamado adelanto de válvula
(Valve Lead), ambos procesos son expresados en grados del
recorrido del cigüeñal, por ejemplo si la válvula de admisión
abre 15º antes del punto superior (BTC) se dirá entonces que
existe un adelanto de válvula de 15º. Observe en el diagrama
de la figura 1, que el adelanto de válvula y el retraso de vál-
vula son grandes en relación a la posición del punto inferior
(BC) que a la que están de la posición del punto superior (TC).
Una razón para esto es que el recorrido del pistón por grado,
del recorrido del cigüeñal es menos próximo al punto inferior
(BC) que a las cercanías del punto superior (TC), esto es ilus-
trado en la figura 2.
En el diagrama el círculo representa el recorrido del cigüeñal,
el punto C representa el centro del cigüeñal, TC es la posi-
ción del pasador del pistón en el punto superior y BC es la
posición del pasador del pistón en el punto inferior. Los nú-
meros muestran las posiciones del pasador del pistón y de
las muñequillas del cigüeñal en diferentes puntos a través de
180º de giro del cigüeñal. Note que el recorrido del pistón es
mucho mas largo durante los primeros 90° del recorrido del
cigüeñal que durante los segundos 90°, y que el pistón esta-
rá viajando a máxima velocidad cuando la muñequilla del
cigüeñal haya girado de 80 a 90° pasando el punto superior.
Con respecto a la figura 2, es posible determinar: La distan-
cia rotacional a través de la cual el cigüeñal gira mientras
cada válvula es abierta y determinar la distancia rotacional
del giro del cigüeñal mientras ambas válvulas están cerradas.
Desde que la válvula de admisión abre a 15° antes del punto
superior y cierra a 60° después del punto inferior, el cigüeñal
gira 15° desde donde la válvula de admisión abre y alcanza el
punto superior (TC), entonces gira 180° y alcanza el punto in-
ferior (BC), después gira otros 60° a el punto donde la válvula
de admisión se cierra.
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Figura 2. Relación entre el recorrido del pistón y el del cigüeñal
Fuente: Aircraft Powerplants - Kroes.
La distancia total de rotación del cigüeñal con la válvula de
admisión abierta es por lo tanto 15° + 180° + 60°, para un total
de 255°; de la misma manera la distancia total de rotación del
cigüeñal con la válvula de escape abierta es 55° +180° + 15°,
para un total de 250°. El traslape de válvulas en el punto su-
perior (TC) es 15° +15°=30°, y a través del punto inferior (BC)
es de 55° + 60° = 115°. La distancia total de rotación del ci-
güeñal mientras ambas válvulas están cerradas se determina
por observación, cuando la válvula de admisión esta cerrada
en el tiempo de compresión y cuando la válvula de escape
esta abierta en el tiempo de potencia, esto se puede mirar
en el diagrama en donde la válvula de admisión cierra a 60°
después del punto inferior (ABC) y que en donde el cigüeñal
debe por consiguiente girar 120° (180° - 60°), desde que la vál-
vula de admisión se cierra hasta el punto
superior (TC).
Desde que la válvula de escape abre a 55°
antes del punto inferior (BBC), el cigüe-
ñal gira 125° (180° - 55° ), desde el punto
superior (TC) hasta el punto donde dicha
válvula abre. La distancia total de rotación
que el cigüeñal debe recorrer desde el pun-
to donde la válvula de admisión cierra al
punto donde la válvula de escape abre, es
de 120° + 125° = 245°.
El instante en que las válvulas permane-
cen fuera de su asiento es llamado su dura-
ción, por ejemplo la duración de la válvula
de escape es de 250° del giro del cigüeñal.
ORDENDEENCENDIDO(FIRINGORDER)
Como su nombre lo dice el orden de en-
cendido de un motor, es el orden en el cual
salta la chispa en los cilindros. El orden
de encendido en motores en línea, en V
y en motores opuestos es diseñado para
proporcionar un balance y eliminación al
máximo de las vibraciones que ocurren. El
orden de encendido es determinado por las
posiciones relativas de las muñequillas del
cigüeñal y de las posiciones de las levas en
este eje.
La figura 3, muestra la disposición de los
cilindros y el orden de encendido para un
motor Lycoming opuesto de 6 cilindros, el
orden de encendido en el cilindro en mo-
tores opuestos puede usualmente enume-
rarse en parejas de cilindros, porque cada
pareja enciende a través del rodamiento
central principal.
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Figura 3. Numeración de cilindros y orden de encendido.
Fuente: Aircraft Powerplants - Kroes.
La numeración de los cilindros en los motores opuestos no es estándar, algunos fabricantes numeran sus
cilindros desde atrás y otros desde delante del motor, siempre se refiere al manual del motor para determinar
la numeración usada por el fabricante.
A continuación se muestra el orden de encendido de algunos tipos de motores.
TIPO DE MOTOR ORDEN DE ENCENDIDO4 – Cilindros en Línea 1-3-4-2 ó 1-2-4-3
6 – Cilindros en Línea 1-5-3-6-2-4
8 – Cilindros en V (CW ) 1R-4L-2R-3L-4R-1L-3R-2L
12 – Cilindros en V (CW ) 1L-2R-5L-4R-3L-1R-6L-5R-2L-3R-4L-6R
4 – Cilindros Opuestos 1-3-2-4 ó 1-4-2-3
6 – Cilindros Opuestos 1-4-5-2-3-6
8 – Cilindros Opuestos 1-5-8-3-2-6-7-4
9 – Cilindros Radiales 1-3-5-7-9-2-4-6-8
14 – Cilindros Radiales 1-10-5-14-9-4-13-8-3-12-7-2-11-6
18 – Cilindros Radiales1-12-5-16-9-2-13-6-17-10-3-14-7-18-11-4-15-8
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FACTORESQUEAFECTANELDESEMPEÑODELAVIÓN
POTENCIAVarios factores influyen en la potencia desarrollada del motor recíproco. Los mas importantes son los siguientes:
• Calor Liberado por Libra de Aire: Cuando el calor liberado es alto, la temperatura y la presión de los pro-
ductos de la combustión en cada cilindro serán altos también, La magnitud del calor liberado depende
del poder calorífico del combustible (Qnet,p) y de la relación combustible – aire (f), si esta relación es alta la
mezcla es llamada rica y la combustión puede no ser completa, si la relación es baja la combustión puede
no tomar lugar o no efectuarse. El efecto de la relación combustible – aire se muestra en unas gráficas de
Presión Vrs Volumen (Figura 4a).
Figura 4. Efectos de la relación combustible – aire y supercarga.
Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.
• Carga por Carrera: La cantidad de aire (masa) introducido
en el interior del cilindro controla la cantidad de calor
liberado, por una cantidad dada de combustible. La can-
tidad de aire depende de la presión de entrada, también
llamada presión del múltiple de admisión (Manifold Ab-
solute Pressure MAP). La carga por carrera decrece con la
altitud debido a los cambios atmosféricos, la carga por
carrera puede incrementarse a cualquier altitud utilizan-
do supercargadores, con estos dispositivos el aire es com-
primido utilizando una bomba de aire
(Compresores) antes de ser admitido
dentro de los cilindros. El efecto de su-
percargado es mostrado en una gráfica
de P Vrs V (Figura4b)
• Máximas RPM permisibles: Como se
muestra en la ecuación de potencia al
freno también llamada potencia al eje,
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incrementando las RPM se incremen-
tará la potencia de salida. Cada motor
tiene un límite superior para las rpm
ya que se poseen limitaciones estruc-
turales, los valores típicos máximos en
rpm para los motores a pistón son de
2200 a 3500.
• Efectos de altitud: Para una quema
completa de combustible dada una
mezcla de combustible – aire se re-
quiere una cantidad suficiente de
aire. A grandes altitudes la densidad
del aire es baja por consiguiente para cualquier paso de
combustible fijado la potencia de salida decrecerá con la
altitud, esto debe ser notado en que el paso de combus-
tible fijado determinará el nivel de potencia mediante
el sistema de control de combustible. Si el paso de com-
bustible es gradualmente abierto a grandes altitudes
como tal para mantener la presión de entrada (MAP),
mas potencia puede ser obtenida porque la reducción
en la presión de salida tendera a incrementar el flujo de
aire y de esta manera el empuje. En la figura 5 se mues-
tra el efecto de la altitud, una fórmula para relacionar la
potencia a una altura dada con respecto a la potencia a
nivel del mar es la siguiente:
Esta ecuación solamente es utilizada para motores no supercargados
Donde: ρh = Densidad del aire en slugs / ft3 a una altura dada
ρh=o= Densidad del aire a nivel del mar en slugs / ft3
Figura 5. Efectos de la altitud y supercargado en motores.
Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.
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• Efecto de temperatura del aire: Para este análisis se debe tener en cuanta la siguiente ecuación.
Esta ecuación solamente es utilizada para motores no supercargados
Donde: SHPT = Es la potencia al eje a la temperatura actual del aire T
SHPT s= Es la potencia al eje a la temperatura estándar del aire
Evidentemente a altas temperaturas del aire (día caliente) la potencia al eje (SHP) del motor será decreciente.
• Supercargado: En motores supercargados un compresor
( Usualmente un compresor centrífugo) accionado por el
cigüeñal, o por una turbina en motores turbo supercarga-
dos, incrementará la presión absoluta (MAP) y por consi-
guiente la potencia de salida será la mas efectiva. La po-
tencia usada para manejar el supercargado directamente
desde el cigüeñal (a través de un sistema de engranajes)
puede ser medida en un 6 a 10% de la potencia total. A
bajas altitudes la potencia de salida puede en hecho ser
menor que este con un motor no supercargado. Si la po-
tencia usada para manejar el supercargado es obtenida a
través de una turbina accionada por los gases de escape,
no existirá pérdida de potencia a baja altitud, es decir la
potencia permanecerá constante hasta cierta altitud.
El efecto de supercargado es mostrado en
la figura 4b. El efecto de altitud en la po-
tencia de salida en un motor supercarga-
do también se muestra en la figura 5, en
esta se puede observar claramente que la
potencia a 20000ft y a nivel del mar son
iguales. Los motores aeronáuticos de alto
desempeño utilizan motores supercarga-
dos (Figura 6).
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Figura 6. Disposición esquemática de un motor recíproco con tres etapas de supercargado.Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.
• Composición: Si la turbina la cual es
accionada por los gases de escape es
conectada también al cigüeñal del mo-
tor, de modo que esto provea de poten-
cia a el cigüeñal, la disposición es lla-
mada “compuesta”. Los motores com-
puestos fueron usados en le Lockheed
L-1049C y en el DC -7C al comienzo de
los cincuenta, con la llegada de Turbo-
jets y Turbofans mucho mas sencillos
( además de manejar velocidades mas
altas con mayor eficiencia), los moto-
res compuestos no fueron la mejor al-
ternativa.
CARTASDEDESEMPEÑOPARAMOTORESRECíPROCOS
El desempeño de los motores recíprocos puede ser mostrado
en cartas especializadas donde se hallan datos de variables
importantes para el funcionamiento del motor. En estas car-
tas la potencia al freno (bhp) entregada al eje es graficada
versus las rpm de motor, altitud y MAP( en pulgadas de mer-
curio). Se debe asumir que la notación shp usada hasta ahora
y que la notación bhp son sinónimos.
La potencia de salida de los motores recíprocos es clasificada en
términos de rangos de potencia, los cuales son los siguientes:
1. Potencia al despegue: La máxima potencia permitida
durante el despegue
2. Potencia militar: La máxima potencia permitida para un
limitado periodo de tiempo. Este rango es utilizado en
aplicaciones militares solamente.
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3. Máxima potencia continua: Este rango puede ser usado para máximo desempeño al
asenso y para máximo nivel de velocidad, este nivel de potencia es también conocido
como METO ( maximum except take –off ).
4. Potencia crucero: Existen dos rangos de potencia crucero.
a. Desempeño crucero: 75% de la potencia al despegue a 90% de las máximas rpm.
b. Economía crucero: 65% de la potencia al despegue.
Para calcular la potencia actual disponible en una condición de vuelo dado y el corres-
pondiente consumo de combustible, se utilizan los diagramas de las figuras 7 y 8.
Figura 7. Diagrama de potencia para un motor recíproco de 200 bhp.
Fuente: Airplane Aerodynamics and Performance – Jan Roskam.
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Figura 8. Diagrama de flujo de combustible para un motor recíproco de 200 bhp.
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CONCLUSIONES
• Los órdenes de encendido de los
motores recíprocos o a pistón di-
fieren según el tipo de motor.
• Para aumentar la altura de vuelo
en los motores recíprocos es nece-
sario utilizar un sistema de super-
cargado.
• Para determinar la potencia de los
motores recíprocos es necesario
conocer los rangos en el que se en-
cuentra.
• El uso de cartas de desempeño es
muy utilizada para determinar
consumos y potencias en el motor
recíproco.
REFERENCIAS
1. Airplane Aerodynamics and Per-
formance – Jan Roskam, Editorial:
Darcorporation, Edicion: N° 1, año:
1997, Lawrence Kansas USA
2. Motores de combustión interna –
Edward F. Oberd, Editorial: C.E.C.S.A,
Edicion:N°3 año:1969, Mexico DF
Mexico.
3. Aircraft Powerplants - Michael J
Kroes - Editorial: GLENCOE, Edi-
cion: N° 7, año: 1994. USA