Repsol YPF

Motors a pistó

En el període que va des dels primers vols impulsats per motor el 1903 i fins al final de la Segona Guerra Mundial hi va haver grans avenços tecnològics en motors d'avions de combustió interna. 

La potència i confiabilitat dels motors es van incrementar abruptament, mentre la relació pes-potència queia de forma constant.

Posteriorment, els desenvolupaments en dissenys de motors duts a terme des del final de la Segona Guerra Mundial van resultar en contínues millores de les eficiències tèrmiques i consum de combustible dels motors moderns.

Això va permetre el desenvolupament d'aeronaus d'alta performance per complir amb les demandes actuals dels mercats.

Motors de combustió interna

El motor de combustió interna crema el combustible en una cambra i transforma d'aquesta manera l'energia química que hi és continguda en energia mecànica.

La majoria dels motors d'aviació són del tipus de pistons alternatius en els quals un pistó es mou de dalt cap a baix en un cilindre. La potència del motor és generada per la força exercida sobre el pistó per la ràpida expansió dels gasos resultants de la combustió d'una mescla comprimida d'aire-combustible. La potència que prové del moviment del pistó es transmet a través d'una biela que el connecta al cigonyal, la qual està acoblada a l'hèlice.

Sistema de l'aire d'admissió

L'aire és forçat dins del motor pel sistema d'admissió. Passa a través d'un filtre que li treu la pols i els contaminants perquè no entrin al motor. Una papallona (disc solidari a un eix) muntada en l'admissió, controla el flux d'aire. Quan el pilot acciona l'accelerador, el disc s'inclina i permet que més aire entri al motor. Així, el motor pot usar més combustible i produir més potència per enlairar-se o ascendir.

Un motor que té l'admissió d'aire a pressió atmosfèrica es diu que té aspiració natural. La quantitat d'aire que un motor naturalment aspirat pot ingressar és limitada per la densitat d'aire local (pressió baromètrica) i per les pèrdues de pressió en el sistema d'admissió. Perquè entri més aire al motor (augmentar la pressió de l'aire), se solen utilitzar petits compressors que pressuritzen l'aire d'admissió. 

Hi ha dues maneres d'impulsar el compressor, a través del cigonyal del motor (superalimentat) o a través d'una turbina moguda pels gasos d'escapament (turboalimentat). Per mantenir la pressió en un valor relativament constant sobre un ampli rang de velocitats del motor es requereix certa regulació. El turbocompressor és el preferit ja que extreu energia dels gasos d'escapament que es malgastaria, per tant, és més eficient que el sistema superalimentat, el qual pren energia del cigonyal.

Com que la densitat de l'aire disminueix amb la pressió atmosfèrica a mesura que l'altura de l'aeronau augmenta, cada vegada menys aire entra en un motor naturalment aspirat. Això limita la velocitat màxima i l'altura que poden assolir-se. Aquesta limitació es va conèxier ja abans de la Primera Guerra Mundial, però els turbocompressors no es van desenvolupar fins a la meitat de la dècada dels anys vint. Van tenir tant d'èxit que els motors naturalment aspirats van quedar virtualment obsolets en avions d'alta performance a començaments dels trenta.

Carburació

En el sistema d'admissió d'un motor, l'aire es barreja amb una petita quantitat de combustible vaporitzat per produir una mescla homogènia d'aire-combustible. El carburador és el que té més èxit entre molts dispositius desenvolupats per descarregar la correcta quantitat de combustible en el cabal d'aire d'admissió.

El cor d'un carburador és el venturi (una tovera convergent-divergent).

El diàmetre de la tovera disminueix fins a un mínim al coll i després s'incrementa cap a l'extrem de la descàrrega. A mesura que l'aire passa a través del venturi, la seva velocitat s'incrementa fins al coll perquè l'àrea transversal disminueix. Quan la velocitat de l'aire s'incrementa, la seva pressió disminueix i genera un buit que força el combustible a sortir del dipòsit del carburador a través d'un petit broquet. Broquets addicionals s'utilitzen per enriquir la mescla durant l'acceleració i per proveir combustible suficient en ralentí. Un d'elemental operat a mà és usat en molts motors per enriquir la mescla per a engegades en fred.

Els carburadors no controlen el flux de combustible amb suficient precisió per a aplicacions crítiques o d'altes performances. En part és perquè el control el fa sobre el volum combustible i és difícil de calibrar per cobrir totes les condicions d'operació.

Injecció de combustible

El segon sistema de combustible més important és el d'injecció.

Injectors de combustibles van muntats al tub d'admissió de cada cilindre, on polvoritzen combustible sobre les vàlvules d'admissió. Per enriquir la mescla durant engegades en fred, es pot utilitzar un injector addicional. Aquest injector addiciona combustible a l'aire d'admissió per un curt lapse mentre el motor agafa temperatura.

El primer avantatge de l'injector de combustible és la major uniformitat en la distribució del combustible dins de cada cilindre comparada amb la carburació. Els motors d'injecció també responen més ràpidament que els motors carburats quan el pilot canvia la configuració de control. Un avantatge addicional és l'eliminació de l'efecte de congelament en el carburador. Els desavantatges del sistema d'injecció comparat amb la carburació rauen en una major complexitat, més parts mòbils, passatges molt estrets a l'injector que es poden obstruir, i major tendència en vapor lock.

Els sistemes d'injecció usats en aviació no són generalment tan sofisticats com aquells usats en motors d'automòbils moderns.

Operen a menor pressió i proveeixen un cabal continu de combustible, a diferència dels injectors de solenoides on hi ha un temps d'injecció, típic dels sistemes d'automòbils.

El sistema d'avió usa una bomba de combustible moguda pel motor i generalment inclou una bomba auxiliar elèctrica, la qual impedeix la formació de vapor i actua com a suport de la bomba principal. Els filtres de combustible són instal·lats un abans i l'altre després de la bomba principal de manera de remoure partícules del combustible que podrien causar obstrucció dels injectors.

En alguns sistemes, un regulador de pressió de diafragma manté la pressió i envia l'excés de combustible de tornada al tanc.

Configuracions de motors

Els motors d'aviació de pistó s'han construït amb diferents configuracions. Els motors en línia i en "V" són molt similars als usats en automòbils. Al principi alguns dissenys havien separat cilindres per reduir pes; els dissenys posteriors van usar blocs de cilindres. Aquests eren refrigerats per aigua ja que els blocs de cilindres són ideals per a la circulació de líquid refrigerant.

La configuració radial de motors és exclusiva d'aviació. Aquí el cigonyal està ubicat en el centre del motor i els cilindres radials en un pla perpendicular al cigonyal. En aquest disseny, cada cilindre rep el mateix flux d'aire, per la qual cosa la majoria d'aquest tipus de motors és refredat per aire. Un disseny primerenc i interessant és el motor rotatiu, en el qual el block del motor gira al voltant d'un cigonyal fix.
Els motors oposats horitzontalment o "boxer" són la tercera major configuració. Aquests es poden considerar un cas extrem dels motors en "V", on l'angle entre pistons és de 180 graus. Els cilindres estan recolzats en un pla paral·lel a les ales. La majoria d'aquests motors són de refredament per aire. Han estat utilitzats en gairebé tots els avions petits construïts a partir de la Segona Guerra Mundial.