De los tres tipos de carburadores utilizados en motores de aviones grandes y de alto rendimiento fabricados en los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial , el carburador de presión Bendix-Stromberg fue el más común. Los otros dos tipos de carburador fueron fabricados por Chandler Groves (más tarde Holley Carburetor Company) y Chandler Evans Control Systems (CECO). Ambos tipos de carburadores tenían un número relativamente grande de piezas internas y, en el caso del carburador Holley, había complicaciones en su diseño de "venturi variable".
Carburador de presión Bendix-Stromberg | |
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Bendix-Stromberg PD12-F13 recortado de un motor radial Pratt & Whitney R-2000 | |
Tipo | Bendix-Stromberg modelo PD12-F13 |
origen nacional | Estados Unidos |
Fabricante | Bendix |
Un carburador de presión sin flotador es un tipo de control de combustible de aeronave que proporciona un suministro de combustible muy preciso, evita que se forme hielo en el carburador y evita la falta de combustible durante el vuelo invertido y negativo al eliminar la válvula de entrada de combustible controlada por flotador habitual. A diferencia del sistema de combustible de carburador de tipo flotador que se basa en la succión venturi para extraer combustible al motor, un carburador de presión solo usa el venturi para medir el flujo de aire masivo en el motor y administra el flujo de combustible que está continuamente bajo presión de la bomba de combustible. a la boquilla de pulverización. En 1936, el primer carburador de presión Bendix-Stromberg (un modelo PD12-B) se instaló y voló en un Allison V-1710 -7.
Fondo
La Corporación Bendix comercializa tres tipos de sistemas de combustible de aviones bajo el nombre Bendix-Stromberg:
- Los motores de avión de bajo rendimiento y casi todos los motores de avión producidos antes de 1940 estaban típicamente equipados con carburadores de tipo flotador convencionales que no eran muy diferentes, excepto en tamaño, a los que se encontraban en los automóviles o tractores agrícolas de esa época. [1]
- Después de 1938, los motores de aviones de alto rendimiento se equiparon con carburadores de presión sin flotador, especialmente los motores utilizados en aviones de combate. Estos carburadores fueron un gran paso adelante en la tecnología y podrían considerarse como contrapartes mecánicas de las computadoras de control electrónico de combustible de hoy en día. Estos carburadores de presión sin flotador son el tema de este artículo. [2]
- En los últimos años de la Segunda Guerra Mundial, los motores de avión que excedían una potencia específica superior a 1.0, fueron equipados primero con inyección de combustible distribuida y luego con inyección directa, que se convirtió en el sistema de combustible de elección. Usando los mismos principios que el carburador de presión para medir el flujo de aire en el motor, el sistema de inyección de combustible distribuido usó líneas de combustible individuales para cada cilindro, inyectando el combustible en el puerto de admisión . Los sistemas de inyección directa difieren de un carburador a presión en que el combustible se introduce justo arriba de la válvula de admisión en el puerto de entrada en cada culata individual en el sistema de inyección directa de combustible, a diferencia del carburador de presión donde se introduce el combustible. en el carburador. Estos dispositivos de control de combustible se dimensionaron y calibraron individualmente para adaptarse a casi todos los motores de aviones de pistón utilizados por aviones militares civiles y aliados fabricados en la era de la posguerra. Estos sistemas de inyección de combustible se encuentran en motores de pistón de aviación general de alto rendimiento que continúan volando hacia el siglo XXI. [3]
Diseño y desarrollo
Comenzando con los conceptos básicos de la combustión de combustible , no importa qué tipo de sistema de combustible se use en un motor dado, el único trabajo del carburador es proporcionar exactamente la cantidad correcta de combustible en una cantidad determinada de aire que ingresa al motor. [4] Para ser combustible, la proporción de aire a combustible debe estar dentro de los límites de inflamabilidad de entre 9 y 16 libras (4 y 7 kg) de aire por 1 libra (0,5 kg) de combustible (para motores de gasolina). Por encima o por debajo de esta relación, el combustible no se quemará.
A continuación, también es un hecho que dentro de ese rango de mezclas aceptables, solo hay una relación que es la relación aire-combustible ideal en ese momento, dada la posición del acelerador establecida por el piloto. En resumen, se puede decir que el carburador ideal proporciona la relación correcta de mezcla de aire y combustible, según lo requiera el motor, en todas sus condiciones de funcionamiento. [5]
Por último, la cantidad exacta de combustible necesaria cambia entre el límite inferior excesivamente pobre de 16: 1 y el límite superior excesivamente rico de 9: 1 a medida que cambia la condición de funcionamiento del motor. [6]
En resumen, para que un carburador entregue la cantidad exacta de combustible requerida, es necesario proporcionar al carburador tres cosas:
- Primero, el peso exacto del aire que lo atraviesa,
- En segundo lugar, ¿qué relación aire-combustible se necesita para la condición de funcionamiento del motor?
- En tercer lugar, qué funcionamiento del motor busca el piloto de la aeronave.
Una vez que estas tres cosas se entregan al carburador, un carburador bien diseñado proporcionará al motor el flujo de combustible exacto y correcto en todo momento. Cualquier carburador bien diseñado hace esto de forma rutinaria, sin importar qué tipo o tamaño de motor se utilice. Los carburadores de aviones, por otro lado, funcionan en condiciones extraordinarias, incluidas maniobras violentas en tres dimensiones, a veces todas al mismo tiempo.
Los problemas: hielo, gravedad e inercia
Cuando el combustible se vaporiza, enfría el aire circundante debido al efecto de refrigeración ya que el combustible absorbe calor cuando cambia de estado de líquido a gas. [7] Esto puede provocar que el aire caiga por debajo del punto de congelación, lo que provocará que el vapor de agua contenido en el aire cambie primero de estado de gas a líquido, que luego se convierte en hielo. Este hielo se forma en la placa del acelerador, que se encuentra "corriente abajo" de la boquilla de combustible. El hielo también se forma en las paredes internas del carburador, a veces hasta tal punto que bloquea el flujo de aire al motor. [7]
Los carburadores de flotador funcionan mejor cuando están en una condición de funcionamiento estable. Los aviones de aviación general operan en una variedad de condiciones no muy diferentes a las de un automóvil, por lo que un carburador de tipo flotador puede ser todo lo que se necesita. Los aviones grandes o rápidos son un asunto diferente, especialmente si se considera que los aviones de combate pueden volar invertidos , oa través de una serie de giros altos, ascensos y picado, todo a una amplia gama de velocidades y altitudes, y en muy poco tiempo. [8]
Una vez que el carburador deja una condición estable, el flotador se ve influenciado por la gravedad y la inercia , lo que resulta en una medición de combustible inexacta y una reducción en el rendimiento del motor a medida que cambia la relación aire-combustible, volviéndose demasiado pobre o demasiado rico para el máximo rendimiento del motor, y en algunos casos, detener el motor. [9]
Los carburadores de tipo flotador pueden compensar estas condiciones inestables a través de varias características de diseño, pero solo dentro de lo razonable. Por ejemplo, una vez que el carburador tipo flotador se encuentra en condiciones de gravedad negativa , como una posición rápida de morro hacia abajo, el flotador se eleva hacia la parte superior del recipiente de combustible a medida que el flotador pierde peso cuando la aeronave desciende más rápido que el flotador y el combustible. El flotador se eleva hacia arriba por inercia, cerrando la válvula de entrada de combustible como si el recipiente de combustible estuviera lleno de combustible. Cortar el suministro de combustible hace que la relación aire-combustible sea mayor de dieciséis a uno, lo que entonces es demasiado pobre para que se produzca la combustión, deteniendo el motor. [10] [11]
Lo contrario también es cierto cuando la aeronave está en vuelo invertido. El flotador se sumerge cuando el combustible es empujado hacia abajo por la gravedad hasta la parte superior del recipiente de combustible. El flotador se eleva hacia el fondo del recipiente de combustible invertido. Con el flotador en la parte inferior del recipiente de combustible, la válvula de entrada de combustible se abre, como lo haría cuando no hay suficiente combustible en el recipiente de combustible. Con la válvula de entrada de combustible abierta, la bomba de combustible continúa bombeando combustible al recipiente de combustible, donde el exceso de combustible resultante hace que la relación aire-combustible sea inferior a nueve a uno, que luego es demasiado rica para que se produzca la combustión, deteniendo el motor. [10]
La solución: mueva la boquilla de combustible y retire el flotador
Los ingenieros de Bendix-Stromberg superaron los problemas encontrados con los carburadores de tipo flotador moviendo la boquilla de descarga de combustible al adaptador del carburador o, en algunos casos, al "ojo" del sobrealimentador, tanto debajo de las placas del acelerador como eliminando el flotador de la medición de combustible. sistema. El nuevo diseño de "carburador de presión" reemplazó la válvula de entrada de combustible operada por flotador con una válvula dosificadora de combustible de tipo asiento operada por servo . [12]
Sin embargo, hay uno o dos pequeños flotadores en el sistema de purga de aire del regulador de combustible. Estos flotadores no tienen nada que ver con la relación aire-combustible, ya que su único propósito es permitir que cualquier aire arrastrado que pueda haber quedado atrapado en el regulador de combustible regrese al tanque de combustible donde será ventilado a la atmósfera.
Componentes del carburador
El carburador de presión consta de tres componentes principales.
- El cuerpo del acelerador es el componente principal del carburador. Contiene uno o más orificios a través de los cuales todo el aire fluye hacia el motor. Cada orificio contiene una serie de placas de aceleración que el piloto utiliza para controlar el flujo de aire en el motor. También se instala un venturi en cada orificio. Los tubos de impacto se montan en cada venturi, colocándolos directamente en el camino del aire entrante. Todos los componentes principales restantes están unidos al cuerpo y están interconectados con pasajes internos o tubos o mangueras externos.
- El piloto utiliza el componente de control de combustible para ajustar el flujo de combustible en el motor. Contiene una serie de chorros que controlan las presiones de combustible dentro del control de combustible. Tiene una válvula de tipo placa giratoria con tres o cuatro posiciones: corte inactivo , que detiene todo el flujo de combustible, inclinación automática que se usa para condiciones normales de vuelo o crucero, enriquecimiento automático que se usa para operaciones de despegue, ascenso y aterrizaje, y en algunos carburadores, militar , que se utiliza para obtener el máximo rendimiento del motor , aunque acorte la vida útil. [13]
- El componente regulador de combustible toma señales de entrada de varias fuentes para controlar automáticamente el flujo de combustible al motor. Consiste en una serie de diafragmas intercalados entre placas de metal, con el centro de los diafragmas aproximadamente circulares conectados a una varilla común, formando cuatro cámaras de presión cuando se ensamblan. El extremo exterior de la varilla se conecta a la servoválvula de medición de combustible que se aleja del cuerpo del acelerador para abrirse, lo que permite que fluya más combustible o que se cierre hacia el cuerpo del acelerador, lo que reduce la cantidad de combustible que fluye. La varilla es movida por las fuerzas medidas dentro de las cuatro cámaras de presión.
Los componentes más pequeños del carburador están conectados, son parte de las partes principales o están montados de forma remota, según la aplicación del motor.
- El componente de impulso está montado en el lado de entrada del cuerpo del acelerador. Mide la densidad del aire , la presión barométrica y el flujo de aire hacia el carburador. Se monta directamente en el flujo de aire en la entrada a la garganta. El control automático de mezcla, si está equipado, está montado en la parte de impulso para los cuerpos de acelerador con dos o más gargantas, o en el propio cuerpo del acelerador para los modelos de una sola garganta.
- El componente de suministro de combustible está montado de forma remota en el "ojo" del sobrealimentador del motor o en la base del cuerpo del carburador. El combustible se rocía en la corriente de aire cuando ingresa al motor a través de una o más válvulas rociadoras controladas por resorte. Las válvulas de pulverización se abren o cierran a medida que cambia el flujo de combustible, manteniendo una presión de suministro de combustible constante.
- Una bomba de acelerador se monta de forma remota o se monta en el cuerpo del carburador. La bomba del acelerador está conectada mecánicamente al acelerador o se opera al detectar el cambio de presión del colector cuando se abre el acelerador. De cualquier manera, inyecta una cantidad medida de combustible adicional en la corriente de aire para permitir una aceleración suave del motor.
Los carburadores militares pueden tener un sistema de inyección anti-detonación (ADI). Consiste en una "válvula de derichment" en el componente de control de combustible, un tanque de almacenamiento para el líquido ADI, una bomba, un regulador que proporciona una cantidad específica de líquido ADI según el flujo de combustible y una boquilla rociadora que está montada en el corriente de aire que entra en el sobrealimentador.
Teoría de operación
Hay cuatro cámaras en la parte del regulador de combustible del carburador. Se denominan con las letras A, B, C y D, con la cámara A más cercana al cuerpo del acelerador. La servoválvula dosificadora de combustible responde a las diferencias de presión a través de los diafragmas que separan las cámaras. El movimiento del diafragma resultante controla el flujo de combustible al motor en todas las condiciones de vuelo. [14]
- El diafragma ubicado más cerca del cuerpo del carburador es el diafragma dosificador de aire. Mide la diferencia de presión de aire tomada de dos lugares dentro del carburador. Las cámaras A y B están en lados opuestos del diafragma de medición de aire.
- La velocidad del flujo de aire que ingresa al carburador se mide colocando uno o más venturi directamente en el flujo de aire. El venturi crea una presión baja que cambia con la velocidad del aire. A medida que la presión de aire en la cámara A disminuye con un mayor flujo de aire, el diafragma se tira hacia el cuerpo del carburador. La cámara A también contiene un resorte que abre la válvula dosificadora de combustible cuando no hay flujo de aire. [14]
- La masa del aire que ingresa al carburador se mide colocando varios tubos de impacto directamente en el flujo de aire, generando una presión que representa la densidad del aire. La presión del tubo de impacto está conectada a la "Cámara B" en el lado del diafragma de medición de aire más alejado del cuerpo del carburador. A medida que aumenta la presión de aire en la cámara B, el diafragma se mueve hacia el cuerpo del carburador. [14]
La diferencia de presión entre las cámaras A y B crea lo que se conoce como la fuerza de medición del aire ”. [14]
El segundo diafragma es la porción de medición de combustible del regulador y está ubicado más lejos del cuerpo del carburador. Mide la diferencia en la presión del combustible tomada de dos lugares dentro del propio regulador. Las cámaras C y D están en lados opuestos del diafragma de medición de combustible. [14]
- La cámara C contiene "combustible no medido", es decir, el combustible que ingresa al carburador. [14]
- La cámara D contiene "combustible medido", es decir, combustible que ya ha pasado a través de los chorros, pero que aún no se ha inyectado en la corriente de aire. [14]
La diferencia de presión entre las dos cámaras de combustible crea la fuerza dosificadora de combustible .
La fuerza de medición de aire de las cámaras A y B se opone a la fuerza de medición de combustible de las cámaras C y D. Estas dos fuerzas se combinan en el movimiento de la servoválvula para ajustar el flujo de combustible a la cantidad precisa requerida para las necesidades del motor, y las necesidades del piloto. [14]
Operación
Cuando el motor arrancó, el aire comenzó a fluir a través del venturi de refuerzo, lo que provocó que la presión (denominada vacío parcial, ya que es más baja que la presión atmosférica, pero no un vacío total) en el venturi cayera de acuerdo con el principio de Bernoulli . Esto hace que la presión del aire en la cámara A caiga en proporción con el vacío parcial en el venturi de refuerzo. [14]
Al mismo tiempo, el aire que ingresa al carburador comprime el aire en los tubos de impacto, generando una presión positiva en la cámara B que es proporcional a la densidad y velocidad del aire que ingresa al motor. La diferencia de presión entre la cámara A y la cámara B crea la fuerza de medición de aire que abre la servoválvula permitiendo que el combustible entre en el regulador de combustible. [14]
La presión del combustible de la bomba de combustible empuja contra el diafragma en la cámara C, moviendo la servoválvula hacia la posición cerrada. El combustible también fluye a la válvula de control de mezcla, que se cierra cuando está en la posición de corte en vacío y se abre en todas las demás posiciones.
La cámara C y la cámara D están conectadas por un paso de combustible que contiene los surtidores dosificadores de combustible . Cuando la palanca de control de la mezcla se mueve desde la posición de corte en ralentí , el combustible comienza a fluir a través de los surtidores de medición hacia la cámara D, donde se convierte en combustible medido. [14]
La válvula de descarga está cargada por resorte a una presión de descarga de presión preestablecida, que actúa como una restricción de tamaño variable para mantener una presión constante en la cámara D, a pesar de las variaciones de flujo de combustible. La válvula se abre cuando la presión del combustible de descarga aumenta por encima de la fuerza del resorte, lo que reduce la presión del combustible para mantener una posición equilibrada con la fuerza del resorte. [14]
La mezcla de combustible se controla automáticamente en altitud mediante el control automático de mezcla. Funciona purgando aire a mayor presión de la cámara B a la cámara A a medida que fluye a través de una válvula de aguja cónica. La válvula de aguja está controlada por un fuelle aneroide que detecta la presión barométrica, provocando una inclinación de la mezcla a medida que aumenta la altitud. [14]
Una vez en el aire y habiendo alcanzado la altitud de crucero , el piloto mueve el control de mezcla de auto rico a auto lean . Esto reduce el flujo de combustible al cerrar el paso a través del chorro rico . La reducción resultante del flujo desequilibra el diafragma de medición de combustible, lo que hace que la válvula de medición de combustible cambie de posición, lo que reduce el flujo de combustible al ajuste de flujo pobre automático. [14]
En el caso de una situación de combate o emergencia, el control de mezcla se puede mover a la posición de enriquecimiento automático , proporcionando combustible adicional al motor, o en aviones militares, a la posición militar , si el avión está equipado para ello. Cuando está en la posición militar, el sistema de inyección antidetonante (ADI) se activa, inyectando el líquido ADI en el sistema de admisión del motor. La presión en el sistema ADI mueve el diafragma de derichment en el control de combustible para cerrar el chorro de derichment , reduciendo el flujo de combustible a una mezcla más pobre que produce una mayor potencia del motor al elevar la presión efectiva media . Esto hace que la temperatura de la culata aumente a un nivel muy alto, lo que aumenta drásticamente el riesgo de detonación (ver: detonación del motor ). Agregar el líquido ADI aumenta el nivel medio de octanaje de la carga, lo que evita la preignición y también reduce la temperatura del cilindro a un nivel más aceptable. Dado que esta operación lleva el motor mucho más allá de sus límites de diseño normales, este ajuste de potencia no es adecuado para un uso prolongado. Una vez que se agota el fluido ADI o si la válvula de control de mezcla se mueve fuera de la posición militar , se pierde la presión del diafragma de derichment de control de combustible y el chorro de derichment se abre una vez más para el flujo normal de combustible. [15]
Variantes
Bendix-Stromberg produjo varios estilos y tamaños de carburador de presión, cada uno de los cuales podía calibrarse para un motor y una estructura de avión específicos.
Hay cuatro estilos: [16]
- Carburador de un solo barril PS
- Carburador de doble barril PD
- Carburador PT de triple barril
- Carburador PR de calibre rectangular
Cada uno de estos estilos está disponible en varios tamaños, utilizando medidas del área del orificio en un orificio rectangular, o un sistema especial para orificios circulares, y las pulgadas cuadradas reales del área de la garganta para el estilo rectangular. [dieciséis]
- Estilo PS
- Garganta redonda simple, se puede montar en corriente ascendente, descendente y horizontal con ligeros cambios
- PS-5, PS-7, PS-9 [16]
- Estilo PD
- Doble garganta redonda, se puede montar en corriente ascendente y descendente con ligeros cambios
- PD-7, PD-9, PD-12, PD-14, PD-16, PD-17, PD-18 [16]
- Estilo PT
- Garganta triple redonda, se puede montar en corriente ascendente y descendente con ligeros cambios
- PT-13 [16]
- Estilo de relaciones públicas
- Dos o cuatro gargantas rectangulares, se pueden montar en corriente ascendente y descendente con ligeros cambios
- PR-38, PR-48, PR-52, PR-53, PR-58, PR-62, PR-64, PR-74, PR-78, PR-88, PR-100 [16]
Bendix utilizó un método especial para identificar los orificios redondos del carburador. La primera pulgada de diámetro del orificio se usa como la base número uno, luego cada aumento de un cuarto de pulgada en el diámetro agrega uno al número base. [dieciséis]
Ejemplos:
- un diámetro interior de 1-1 / 4 pulgadas se codificaría como un número de tamaño 2 (número de base 1 + 1 para 1/4 de pulgada sobre 1 pulgada)
- un diámetro interior de 1-1 / 2 pulgada se codificaría como un número de tamaño 3 (número de base 1 + 2 para los dos 1/4 de pulgada sobre 1 pulgada),
- y así sucesivamente hasta un tamaño 18 (número de base 1 + 17 para los diecisiete incrementos de 1/4 de pulgada sobre la base de 1 pulgada).
- Por último, se agrega 3/16 de pulgada al tamaño codificado para el diámetro real del orificio terminado.
Utilizando el tamaño del orificio número 18 como ejemplo, podemos calcular el tamaño real del orificio de la siguiente manera:
- La primera pulgada está representada por la base número uno, y restamos ese uno del número de tamaño, 18. Esto deja 17 unidades de un cuarto de pulgada, o 17/4, que se reduce a 4-1 / 4 pulgadas.
- Sumando el número base de una pulgada, ahora tenemos un diámetro interior de 5-1 / 4 pulgadas.
- Por último, agregamos 3/16 para un gran total de 5-7 / 16 pulgadas de diámetro para cada uno de los dos orificios en el cuerpo del carburador PD-18.
Cada número de modelo de carburador incluye el estilo, el tamaño y una letra de modelo específica, que puede ir seguida de un número de revisión. Cada aplicación (la combinación específica de motor y fuselaje) recibe un "número de lista" que contiene una lista de las partes específicas y el diagrama de flujo para esa aplicación. No hace falta decir que hay cientos de listas de piezas y diagramas de flujo en el catálogo maestro. [dieciséis]
Aplicaciones
Generalmente, los carburadores estilo PS se utilizan en motores de pistones opuestos que se encuentran en aviones ligeros y helicópteros. El motor puede montarse en el morro, la cola, el ala o montarse internamente en la estructura del avión. El motor se puede montar tanto vertical como horizontalmente. [dieciséis]
Los carburadores estilo PD son para motores radiales y en línea de 900 a 1900 pulgadas cúbicas. [dieciséis]
Los carburadores estilo PT se encuentran generalmente en motores de 1700 a 2600 pulgadas cúbicas [16]
Los carburadores estilo PR se utilizan en motores de 2600 a 4360 pulgadas cúbicas [16]
Referencias
Notas
- ^ Carburadores de aviones Stromberg p 16
- ^ Schlaifer, Capítulo XVIII, págs. 509-546
- ^ Hoja de cálculo de la aplicación del carburador Stromberg, colección del autor
- ↑ Schlaifer, p 509
- ^ Thorner págs. 46-47
- ^ Thorner p 47
- ↑ a b Schlaifer, p 515
- ^ Thorner págs. 129-130
- ^ Carburadores de aviones Stromberg págs. 16-17
- ^ a b Carburadores de aviones Stromberg p 18
- ↑ Schlaifer, p 514
- ^ Schlaifer p. 522
- ^ Thorner págs. 70-71
- ^ a b c d e f g h i j k l m n Inyección a presión, por Charles A. Fisher, AMIMech.E, MIAE in Flight , 11 de septiembre de 1941 págs. 149-152
- ^ Ley de Pete, presentación de ADI
- ^ a b c d e f g h i j k l Hoja de cálculo CarbApps05.xls, colección del autor
Bibliografía
- Lista de aplicaciones del carburador Stromberg, Bendix-Stromberg, sin fecha.
- Thorner, Robert H., Carburación de aviones , John Wiley & Sons, Nueva York y Londres, 1946
- Inyección a presión, vuelo , 11 de septiembre de 1941
- Schlaifer, Robert, Desarrollo de motores de aeronaves , Universidad de Harvard, Boston, 1950
- Law, Peter, presentación de ADI a AEHS, del sitio web de AEHS
- Stromberg Aircraft Carburation, Bendix Corp sin fecha, pero anterior a 1940
- Carburadores Bendix, Vuelo ,
- Manual de capacitación, RSA Fuel Injection System , Precision Airmotive Corp. Enero de 1990
- Manual del carburador Bendix serie PS, 1 de abril de 1976