De los tres tipos de carburadores utilizados en los motores de aviones de gran tamaño y alto rendimiento fabricados en los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial , el carburador de presión Bendix-Stromberg era el más común. Los otros dos tipos de carburador fueron fabricados por Chandler Groves (posteriormente Holley Carburetor Company) y Chandler Evans Control Systems (CECO). Ambos tipos de carburadores tenían una cantidad relativamente grande de piezas internas y, en el caso del carburador Holley, su diseño de "venturi variable" presentaba complicaciones.
Un carburador de presión sin flotador es un tipo de control de combustible de aeronaves 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 con "G" negativa al eliminar la válvula de entrada de combustible controlada por flotador habitual. A diferencia del sistema de combustible del carburador de tipo flotador que se basa en la succión del venturi para llevar combustible al motor, un carburador de presión solo utiliza el venturi para medir el flujo de aire masivo hacia el motor y administra el flujo de combustible que está continuamente bajo presión desde la bomba de combustible hasta la boquilla rociadora. En 1936, se instaló y voló el primer carburador de presión Bendix-Stromberg (un modelo PD12-B) en un Allison V-1710 -7.
Bendix Corporation comercializó tres tipos de sistemas de combustible para aeronaves bajo el nombre Bendix-Stromberg:
Comenzando con los conceptos básicos de la combustión de combustible , sin importar qué tipo de sistema de combustible se use en un motor determinado, la única función del carburador es proporcionar exactamente la cantidad correcta de combustible en una cantidad dada de aire que ingresa al motor. [4] Para que sea combustible, la relación aire-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.
Además, también es un hecho que dentro de ese rango de mezclas aceptables, solo hay una 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 aire-combustible correcta, tal como lo requiere el motor, en todas sus condiciones de funcionamiento. [5]
Por último, la cantidad exacta de combustible necesaria cambia entre el límite inferior de mezcla excesivamente pobre de 16:1 y el límite superior de mezcla excesivamente rica de 9:1 a medida que cambia la condición de funcionamiento del motor. [6]
En resumen, para que un carburador suministre la cantidad exacta de combustible requerida, es necesario proporcionarle al carburador tres cosas:
Una vez que estas tres cosas llegan 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 manera rutinaria, sin importar el tipo o tamaño de motor que se utilice. Los carburadores de aeronaves, por otro lado, funcionan en condiciones extraordinarias, incluidas maniobras violentas en tres dimensiones, a veces todas al mismo tiempo.
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 hace 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 hacia el motor. [7]
Los carburadores de tipo flotador funcionan mejor cuando se encuentran en condiciones de funcionamiento estables. Las aeronaves 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. Las aeronaves grandes o rápidas son un asunto diferente, especialmente si se considera que los aviones de combate pueden volar en posición invertida , o a través de una serie de giros de alta gravedad, ascensos y descensos, todo ello en una amplia gama de velocidades y altitudes, y en un tiempo muy corto. [8]
Una vez que el carburador deja una condición estable, el flotador se ve influenciado tanto por la gravedad como por la inercia , lo que da como resultado una medición inexacta del combustible y una reducción en el rendimiento del motor a medida que cambia la relación aire-combustible, volviéndose demasiado pobre o demasiado rica para el máximo rendimiento del motor y, en algunos casos, deteniendo el motor. [9]
Los carburadores de tipo flotador pueden compensar estas condiciones inestables mediante diversas características de diseño, pero sólo dentro de lo razonable. Por ejemplo, una vez que el carburador de tipo flotador se encuentra en condiciones de gravedad negativa , como una actitud de morro hacia abajo rápida, el flotador se eleva hacia la parte superior del depósito de combustible a medida que el flotador pierde peso cuando el avión 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 depósito de combustible estuviera lleno de combustible. Cortar el suministro de combustible hace que la relación combustible-aire sea mayor de dieciséis a uno, que entonces es demasiado pobre para que se produzca la combustión, lo que detiene el motor. [10] [11]
Lo inverso también es cierto cuando el avión está en vuelo invertido. El flotador se sumerge a medida que el combustible es atraído hacia abajo por la gravedad hasta la parte superior del recipiente de combustible. El flotador se eleva hacia arriba hacia el fondo del recipiente de combustible invertido. Con el flotador en el fondo 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 combustible-aire sea inferior a nueve a uno, que entonces es demasiado rica para que se produzca la combustión, lo que detiene el motor. [10]
Los ingenieros de Bendix-Stromberg solucionaron los problemas que se encontraban 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, ambos por debajo de las placas del acelerador y eliminando el flotador del sistema de medición de combustible. El nuevo diseño de "carburador de presión" reemplazó la válvula de entrada de combustible operada por flotador por una válvula de medición de combustible de tipo servoaccionada . [12]
Sin embargo, hay uno o dos flotadores pequeños 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 el aire atrapado en el regulador de combustible regrese al tanque de combustible, donde se ventilará a la atmósfera.
El carburador de presión consta de tres componentes principales.
Los componentes más pequeños del carburador están unidos, son parte de las partes principales o están montados de forma remota, dependiendo de la aplicación del motor.
Los carburadores militares pueden tener un sistema de inyección antidetonación (ADI). Este consiste en una "válvula de descarbonización" en el componente de control de combustible, un tanque de almacenamiento para el fluido ADI, una bomba, un regulador que proporciona una cantidad específica de fluido ADI en función del flujo de combustible y una boquilla rociadora que está montada en la corriente de aire que ingresa al sobrealimentador.
Hay cuatro cámaras en la parte del regulador de combustible del carburador. Se las conoce con las letras A, B, C y D, siendo la cámara A la 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 resultante del diafragma controla el flujo de combustible hacia el motor en todas las condiciones de vuelo. [14]
La diferencia de presión entre las cámaras A y B crea lo que se conoce como ' fuerza de medición del aire'. [14]
El segundo diafragma es la parte dosificadora de combustible del regulador y está ubicado más alejado del cuerpo del carburador. Mide la diferencia de presión de combustible tomada de dos lugares dentro del propio regulador. Las cámaras C y D están en lados opuestos del diafragma dosificador de combustible. [14]
La diferencia de presión entre las dos cámaras de combustible crea la fuerza de medición del combustible .
La fuerza de medición del aire de las cámaras A y B se opone a la fuerza de medición del 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 del piloto. [14]
Cuando el motor arrancó, el aire empezó a fluir a través del venturi de refuerzo, lo que provocó que la presión (denominada vacío parcial, ya que es inferior a 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 entra al carburador comprime el aire en los tubos de impacto, lo que genera una presión positiva en la cámara B que es proporcional a la densidad y velocidad del aire que entra al motor. La diferencia de presión entre la cámara A y la cámara B crea la fuerza de dosificación del aire que abre la servoválvula y permite que el combustible ingrese al regulador de combustible. [14]
La presión del combustible de la bomba de combustible empuja contra el diafragma de la cámara C, moviendo la válvula servo hacia la posición cerrada. El combustible también fluye hacia la válvula de control de mezcla, que está cerrada cuando está en la posición de corte de ralentí y abierta en todas las demás posiciones.
La cámara C y la cámara D están conectadas por un conducto de combustible que contiene los surtidores dosificadores de combustible . Cuando la palanca de control de la mezcla se mueve desde la posición de corte de ralentí , el combustible comienza a fluir a través de los surtidores dosificadores hacia la cámara D, donde se convierte en combustible dosificado. [14]
La válvula de descarga está accionada por resorte a una presión de descarga preestablecida, que actúa como una restricción de tamaño variable para mantener una presión constante en la cámara D, a pesar de los diferentes caudales de combustible. La válvula se abre a medida que la presión de 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 función de la altitud mediante el control automático de la 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, lo que provoca 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 enriquecimiento automático a mezcla pobre automática . Esto reduce el flujo de combustible al cerrar el paso a través del chorro de enriquecimiento . La reducción de flujo resultante desequilibra el diafragma de medición de combustible, lo que hace que la válvula de medición de combustible cambie de posición, reduciendo así el flujo de combustible al ajuste de flujo de mezcla pobre automática. [14]
En caso de una situación de combate o emergencia, el control de mezcla puede moverse 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, se activa el sistema de inyección antidetonación (ADI), inyectando el fluido ADI en el sistema de admisión del motor. La presión en el sistema ADI mueve el diafragma de desriquecimiento en el control de combustible para cerrar el chorro de desriquecimiento , reduciendo el flujo de combustible a una mezcla más pobre que produce mayor potencia del motor al aumentar 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: golpeteo del motor ). Agregar el fluido ADI aumenta el nivel medio de octano de la carga, lo que evita la preignición y también reduce las temperaturas del cilindro a un nivel más aceptable. Como esta operación lleva al 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 desriquecimiento de control de combustible y el chorro de desriquecimiento se abre nuevamente para un flujo de combustible normal. [15]
Bendix-Stromberg produjo varios estilos y tamaños de carburadores a presión, cada uno de los cuales podía calibrarse para un motor y una estructura de avión específicos.
Hay cuatro estilos: [16]
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. [16]
Bendix utilizó un método especial para identificar los orificios redondos de los carburadores. La primera pulgada del diámetro del orificio se utiliza como el número base uno, luego cada cuarto de pulgada de aumento en el diámetro suma uno al número base. [16]
Ejemplos:
Usando el tamaño de orificio 18 como ejemplo, podemos calcular el tamaño de orificio real de la siguiente manera:
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 entonces un "número de lista" que contiene una lista de las piezas específicas y un diagrama de flujo para esa aplicación. Huelga decir que hay cientos de listas de piezas y diagramas de flujo en el catálogo maestro. [16]
En general, los carburadores de tipo PS se utilizan en motores de pistones opuestos que se encuentran en aeronaves ligeras y helicópteros. El motor puede montarse en el morro, la cola, el ala o en el interior del fuselaje. El motor puede montarse tanto vertical como horizontalmente. [16]
Los carburadores estilo PD son para motores en línea y radiales de 900 a 1900 pulgadas cúbicas. [16]
Los carburadores de 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]