¿Por qué solo los aviones de hélice tienen mezcla?

Los motores de pistón de encendido por chispa (gasolina) tienen controles separados de aceleración y mezcla. Esto se debe a que la potencia de los motores de pistón de encendido por chispa se regula al estrangular la entrada de aire , en la que se mezcla el combustible. La relación aire/combustible correcta se asegura midiendo el aire usando el carburador o con un sensor similar para la inyección de combustible, pero por varias razones es necesario hacer ajustes en la relación, por lo que hay un control de mezcla (que puede ser automatizado con electrónica). unidad de control).

Otros tipos de motores, diesel y de turbina, no miden el aire. Siempre inducen todo el aire que pueden y queman el combustible pobre, en exceso de aire. Por lo tanto, solo tienen una cosa que controlar, la válvula de combustible.

La diferencia se debe a que los motores de encendido por chispa (ciclo Otto) mezclan el combustible con aire en el múltiple de admisión y luego lo encienden con bujías. Y tal mezcla solo se encenderá si está lo suficientemente cerca de la relación estequiométrica, la relación en la que todo el combustible reacciona exactamente con todo el oxígeno disponible. Si hay demasiado aire o demasiado combustible, el exceso absorberá el calor, evitando que la mezcla se caliente lo suficiente y la llama no se propague. Entonces, el motor debe inducir la mezcla correcta y su presión se restringe para reducir la potencia.

En contraste, los motores diésel (ciclo diésel) y de turbina (ciclo Brayton) inducen aire a cualquier presión disponible e inyectan el combustible en el aire comprimido en un punto en el que se encenderá automáticamente en el punto en que el rociado de la boquilla se mezcle suficientemente con el aire. – porque el aire está lo suficientemente caliente solo por la compresión en los diésel y porque la llama es continua en las turbinas. Así que no hay problema en tener exceso de aire y por lo tanto no hay que medir el aire. Solo se mide el combustible, por lo que solo hay una palanca.

Los motores de encendido por chispa más antiguos usan carburador. Esto induce el combustible simplemente debido a la caída de presión creada por un venturi en el colector de admisión. Pero tienen que ser ajustados con la altitud. La mejor explicación que encontré es que la densidad del aire disminuye con la presión, pero la densidad del combustible no, por lo que, si bien el recipiente de combustible siente la presión correcta, aún inyecta relativamente más combustible a medida que disminuye la densidad del aire. Esto requiere ajustar la mezcla a medida que la aeronave sube, de lo contrario se volvería demasiado rica y el motor se detendría.

Los motores inyectados, incluidos aquellos con "carburadores a presión" que son un tipo simple de inyección indirecta, manejan esto correctamente, pero aún desea usar una mezcla más rica para alta potencia ya que el motor funciona más frío con un poco de exceso de combustible o una mezcla más pobre para eficiencia, ya que el motor tiene menos potencia, pero mayor eficiencia con un poco de exceso de aire. Así que los motores inyectados todavía tienen control de mezcla.

Solo los motores con control electrónico (ECU; también llamado FADEC, computadora de motor digital de autoridad completa) automatizan esto por completo (usando una mezcla más rica a plena potencia), pero eso es raro en los motores de avión de pistón, con la excepción de algunos aviones experimentales (construidos en casa) con motores adaptados. motores de automóviles

Las turbinas y los motores diésel más nuevos también suelen tener FADEC, pero eso proporciona principalmente protección contra el estancamiento o el sobrecalentamiento del motor con una manipulación descuidada de la potencia. Y las turbinas más antiguas ya tenían FCU, un sistema electromecánico más simple y no tan bueno con el mismo propósito. Pero todavía hay solo una variable que controla, no dos como en los motores de encendido por chispa.

La mezcla previa de aire y combustible de una manera que requiere regulación manual es solo una cosa en los motores de pistón de gasolina más antiguos, en su mayoría carburados. La mayoría de los usos han reemplazado este método por inyección de combustible a finales del siglo XX.

Se intentó el control de mezcla automatizado para motores con carburador (retroalimentación), pero no fue muy confiable. Con la inyección de combustible, el control de la mezcla podría automatizarse fácilmente y la mayoría de los motores de inyección tienen un sistema automatizado para administrar la relación aire:combustible.

Los motores controlados manualmente han persistido en la aviación general debido a que la regulación aumenta el costo de los nuevos diseños. Los nuevos diseños de aviones, como la mayoría de los LSA (aviones deportivos ligeros), también tienden a eliminar el control de mezcla manual.

Los motores diésel, turbopropulsores y jets suministran aire limpio al motor e inyectan el combustible por separado. En un jet, su acelerador es su control de mezcla.

En un motor de pistón, cada ciclo del pistón aspira un cierto volumen de aire en el que se quemará un cierto volumen de combustible, agregando calor a los gases en el cilindro. En el caso ideal, esa cantidad de aire sólo es suficiente para quemar por completo el volumen de combustible mezclado con él en cada ciclo; es decir, la mezcla aire-combustible es idealmente químicamente estequiométrica (sin exceso de aire, sin exceso de combustible).

En la práctica, las desviaciones de la estequiometría perfecta se marcan para mantener feliz el motor (exceso de combustible en una mezcla rica para llevar el calor y evitar el sobrecalentamiento de las cabezas) o para maximizar la eficiencia (operación "xxx grados F lean of peak"). El piloto es el encargado de gestionar esa mezcla con un control de mezcla.

Pero en un turborreactor (por ejemplo) que no funciona con el ciclo Otto sino con el ciclo Brayton, siempre hay un exceso de aire que fluye a través del motor, al que se inyecta una tasa de flujo variable de combustible y se quema en las latas de la cámara de combustión. Más flujo de combustible significa que se consume más oxígeno según sea necesario del exceso de aire que fluye a través del motor, agregando más calor al gas y, por lo tanto, más empuje y una mayor velocidad de rotación del motor, pero al final del proceso de combustión, el escape siempre contiene oxígeno no consumido porque el proceso de combustión del motor se lleva a cabo en un ambiente con exceso de oxígeno. Esta es la razón por la que puede obtener un aumento repentino en el empuje arrojando más combustible directamente en el gas caliente aguas abajo del disco de la turbina de potencia antes de expulsarlo por la boquilla de escape, es decir, postcombustión .

Ahora, si intentara hacer ese vaciado de combustible en las latas de la cámara de combustión en lugar de consumir todo el oxígeno disponible, ¡entonces la temperatura de la turbina se dispararía rápidamente y las aspas se derretirían!

Por lo tanto, no existe un control de mezcla como tal operable por el piloto de un turborreactor.

Tenga en cuenta que si un turborreactor funcionara como un motor de ciclo Otto de gasolina, casi no habría oxígeno no consumido contenido en la corriente de gases de escape y la poscombustión sería imposible.

Consulte la respuesta de Jan Hudec a continuación para obtener más detalles sobre cómo funciona todo esto.

No hay necesidad de control de mezcla en un jet. En un motor FADEC (Full Authority Digital Engine Control), la computadora mide el combustible. En un motor de turbina que no es FADEC, la FCU (Unidad de control de combustible) es un dispositivo electromecánico que mide el combustible de acuerdo con entradas como la posición del acelerador, la temperatura de entrada, la presión del quemador, etc.

Creo que te equivocas acerca de que los turbohélices tienen control de mezcla. No tengo tuneladora de flujo de turbina, pero tampoco la C-208 ni la T-34 ambas con turbinas PT6 tenían control de mezcla. La palanca en la que está pensando es probablemente la palanca de condición de combustible. Se ve similar, pero realiza una función diferente.

La cuestión no es que los aviones de hélice tengan controles de mezcla, sino que los motores de pistón suelen venir con ellos.

La razón es sumamente simple. Los motores de las aeronaves gestionan la mezcla aire/combustible mediante un sistema que es muy poco probable que falle catastróficamente: el piloto. No hay ninguna razón por la que una computadora no pueda hacerse cargo de la función, excepto el proceso de certificación excesivamente enrevesado (por muchas buenas razones) que hace que su costo sea prohibitivo.

Ha habido motores de pistón de aviones de una sola palanca (el Fw190 de la era de la Segunda Guerra Mundial me viene a la mente como un ejemplo temprano), pero con demasiada frecuencia no han resistido la prueba de las condiciones del mercado y el tiempo. Hoy en día, algunos aviones de pistón de producción vienen con la electrónica necesaria para prescindir del control de mezcla.

La razón por la que los motores de turbina automatizan esos controles es que las tolerancias para las mezclas aceptables de aire y combustible son mucho más estrictas. En un motor de pistón, los componentes clave funcionan cientos de grados por debajo de su punto de fusión. En comparación, un motor de turbina podría estar solo 50 grados por debajo de donde las cosas comienzan a cambiar drásticamente su ductilidad. Si bien, teóricamente , un ser humano podría administrar la mezcla de combustible y aire de un motor de turbina como un trabajo de tiempo completo, la probabilidad de que un error humano cause daños costosos al motor (o algo peor) es demasiado alta. De ahí la automatización.

La razón por la que los jets no tienen una opción de control de mezcla es porque no hay necesidad de cambiar la relación de mezcla. No existe tal cosa como 'magra-de-pico' en un jet.

A diferencia de los motores de pistón que queman combustible en una serie de explosiones individuales, los jets queman combustible en una llama continua. El impulso principal detrás de esa llama es un flujo de aire igualmente continuo a través del chorro, causado por un compresor y/o la forma interior del chorro. Es por eso que ese flujo tiene que estar allí antes de que puedas encender la llama.

Una vez que la llama arde, es la expansión del gas en la llama lo que mantiene el flujo de aire, de la misma manera que un turbocompresor en un automóvil funciona con la propia presión de escape del motor. Esto vincula indirectamente el flujo de combustible al flujo de aire en una relación más o menos fija.

Al contrario de los motores de pistón, no hay mucha necesidad de jugar con esa proporción en los jets. Además, hacerlo puede resultar muy fácilmente en una falla catastrófica del motor. Un apagado de llama y una parada del compresor son mucho más importantes que, por ejemplo, un carburador congelado, sin mencionar los riesgos que implica la fusión de las aspas del ventilador.

En general, los motores a reacción son una expresión muy delicada de un principio en sí mismo simple y muy violento, mientras que los motores de pistón son una expresión bastante robusta de un principio comparativamente delicado y complicado. Esta es la razón por la que tomó tanto tiempo desarrollar un motor a reacción utilizable, una vez que se inventó, mientras que el motor de pistón estuvo prácticamente operativo desde el primer día. Por lo tanto, es posible optimizar el rendimiento de un motor de pistón evadiendo el manual del fabricante, mientras que la mejor manera de obtener un rendimiento óptimo de un jet es apegarse al manual, tanto en uso como en mantenimiento.