Piston Engines Lesson 4 #ATPL

Summary

El guion trata sobre la relación entre aire y gasolina en motores de combustión interna, destacando que la combustión completa ocurre con una proporción de aire a gasolina de 14.7:1, conocida como la relación estociométrica. Sin embargo, para evitar detonaciones y mejorar el rendimiento, se utiliza una mezcla ligeramente más rica. La mezcla se ajusta según la velocidad del motor y la salida de potencia, siendo más rica durante el arranque y el funcionamiento lento, y más débil para vuelo económico. También se menciona la importancia de la regulación de la mezcla en función de la altitud y la utilización de instrumentos como el medidor de temperatura de gases de escape para ajustar la mezcla adecuada.

Takeaways

• 🔥 La mezcla de aire y vapor de gasolina se quema en proporciones que varían entre 8:1 y 30:1.
• ⚖️ La relación de aire a gasolina de 14.7:1 es conocida como la relación estociométrica o químicamente correcta, donde ocurre la combustión completa.
• 🚫 La mezcla químicamente correcta no siempre produce los mejores resultados en un motor de pistón debido al riesgo de detonación.
• 💨 En sistemas de inducción de carburador, la mezcla y distribución de los partículas de aire y combustible no es perfecta, lo que puede afectar el rendimiento.
• 🌡️ Al correr el motor con una mezcla más rica, no se pierde mucho poder ya que el exceso de combustible solo reduce levemente la eficiencia volumétrica del motor.
• 💨 Al correr el motor con una mezcla más débil, la reducción de potencia es significativamente mayor ya que parte del oxígeno inspirado no se utiliza.
• 🛫 Es común correr motores de aviones con carburadores en una mezcla un poco más rica que la químicamente correcta para garantizar un rendimiento óptimo.
• 📉 La consumo específico de combustible disminuye a medida que la mezcla se enfraquece por debajo de 15:1, lo que es útil para vuelos de巡航.
• 🔥 Las mezclas muy débiles pueden causar sobrecalentamiento y estragos en los componentes del motor, como la válvula de escape.
• 📊 Las necesidades de la mezcla varían con la velocidad del motor y la salida de potencia, lo que se refleja en las curvas de mezcla de aire-combustible típicas.

Q & A

¿Cuál es la proporción de aire a gasolina que se considera rica y en qué casos se utiliza?

La proporción de aire a gasolina que se considera rica es de 8 a 1, y se utiliza en algunos motores de automóviles que funcionan con combustión deficiente.

¿Cuál es la proporción de aire a gasolina conocida como la relación estociométrica y por qué es importante?

La proporción de aire a gasolina conocida como la relación estociométrica es de 14.7 a 1 por peso. Es importante porque en esta proporción, todo el oxígeno en la carga se combina con todo el hidrógeno y carbono durante la combustión.

¿Por qué no se utiliza la mezcla químicamente correcta en motores de pistón para obtener los mejores resultados?

La mezcla químicamente correcta no da los mejores resultados en motores de pistón porque la temperatura de combustión es tan alta que puede causar detonaciones y perder potencia.

¿Cómo afecta una mezcla ligeramente rica el rendimiento del motor en comparación con una mezcla más débil?

Una mezcla ligeramente rica no afecta mucho el rendimiento del motor, ya que todo el oxígeno todavía se consume y el exceso de combustible simplemente reduce ligeramente la eficiencia volumétrica del motor. En cambio, una mezcla débil reduce rápidamente el poder ya que parte del oxígeno inspirado no se utiliza.

¿Por qué es común correr motores de aeronaves con carburadores con una mezcla ligeramente rica en comparación con la mezcla químicamente correcta?

Es común correr motores de aeronaves con carburadores con una mezcla ligeramente rica, alrededor de 12.5 a 1, para asegurarse de que ningún cilindro funcione con una potencia severamente reducida debido a una mezcla demasiado débil.

¿Cómo se ven afectados el rendimiento y el consumo de combustible cuando se utiliza una mezcla más débil que la relación estociométrica?

Cuando se utiliza una mezcla más débil que la relación estociométrica, el rendimiento disminuye debido a que la combustión es más lenta y se quema a una temperatura más baja. Sin embargo, el consumo específico de combustible disminuye ya que la eficiencia aumenta debido a la combustión más fría y la disminución en la ocurrencia de detonaciones.

¿Qué sucede con los gases de escape cuando se utiliza una mezcla extremadamente débil?

Con mezclas extremadamente débiles, los gases todavía pueden estar quemando cuando se abre la válvula de escape, exponiendo la válvula a altas temperaturas que pueden causar fracturas o deformaciones. Además, el calor de los gases de escape que permanecen en el cilindro puede causar retonos en el sistema de admisión.

¿Cómo varía el requerimiento de mezcla de aire-combustible según la velocidad del motor y la salida de potencia?

El requerimiento de mezcla de aire-combustible es dependiente de la velocidad del motor y la salida de potencia. Se requiere una mezcla rica para arranque y funcionamiento lento, mientras que para vuelo de crucero se puede utilizar una mezcla más económica.

¿Cómo se puede mantener la mezcla correcta en un motor de aeronave que opera a diferentes altitudes?

Para operar eficientemente un motor de aeronave a diferentes altitudes, es necesario tener algún método de definir y regular la intensidad de la mezcla. Se pueden utilizar métodos basados en el cambio en la velocidad del motor o en la lectura de la temperatura de los gases de escape.

¿Qué indica el sistema de temperatura de los gases de escape y cómo se utiliza para ajustar la mezcla de aire-combustible?

El sistema de temperatura de los gases de escape utiliza una termocupla colocada en el tubo de escape del cilindro más caliente, que produce una tensión directamente proporcional a su temperatura. Al ajustar la mezcla hacia la posición más débil, la temperatura alcanzará un pico en la relación de 15:1. Luego, se debe ajustar la mezcla hacia la posición rica para disminuir la temperatura de los gases de escape, buscando la configuración que el manual de vuelo especifique como ajuste adecuado.

Outlines

00:00

🔥 Combustión de aire y gasolina

El primer párrafo explica la relación entre aire y gasolina en la combustión. Se menciona que la mezcla perfecta de aire y gasolina se encuentra en una proporción de 14.7 a 1 por peso, conocida como la relación estequiométrica. Sin embargo, en motores de pistones, esta relación no siempre es la más eficiente. La mezcla perfecta puede causar detonaciones y pérdida de potencia. En motores carburadores, la mezcla puede variar, lo que afecta el rendimiento. Se sugiere que en vuelos de crucero se utilice una mezcla más rica para evitar problemas de combustión y detonaciones.

05:02

🛫 Curvas de mezcla de aire-gasolina en aviones

Este párrafo describe cómo las curvas de mezcla de aire-gasolina varían según las condiciones del motor. Se destaca la necesidad de una mezcla rica para arranque y funcionamiento lento, ya que el motor está frío y la evaporación de la gasolina es limitada. También se menciona la influencia del timing de las válvulas en la mezcla de aire-gasolina. Durante el crucero, el piloto puede elegir entre una mezcla más económica o una que ofrezca mejor rendimiento. En situaciones de mayor potencia, como subida o despegue, la mezcla se enriquece para evitar detonaciones. Se discute cómo el aumento de altitud afecta la mezcla debido a la disminución de la densidad del aire.

10:04

📊 Métodos para controlar la mezcla de aire-gasolina

El tercer párrafo trata sobre los métodos para controlar la mezcla de aire-gasolina en un motor de avión. Se describe cómo el movimiento del control de mezcla desde una posición rica hacia una más débil afecta la velocidad de giro del motor y cómo esto puede ser utilizado para determinar la mezcla correcta. También se explica el uso del medidor de temperatura de gases de escape, que se basa en la temperatura de los gases en la válvula de escape, para ajustar la mezcla. Se sugiere que la mezcla se debe ajustar hacia una temperatura más baja para evitar detonaciones y mejorar el rendimiento.

Keywords

💡Combustión completa

La combustión completa es un proceso en el que todos los componentes de una mezcla combustible y aire se queman completamente para producir energía. En el guion, se menciona que la combustión completa ocurre con una proporción de aire a gasolina de 14.7 a 1, conocida como la relación estociométricas o químicamente correcta. Este concepto es crucial para entender la eficiencia del motor y cómo afecta el rendimiento y la economía del combustible.

💡Relación estociométricas

La relación estociométricas es la proporción exacta de aire y combustible necesaria para una combustión completa. En el guion, se especifica que esta relación es de 14.7 a 1 por peso, y se simplifica a 15:1 para facilitar la comprensión. Esta relación es fundamental para el funcionamiento eficiente de un motor, ya que permite que el aire y el combustible se quemen de manera óptima.

💡Mezcla rica

Una mezcla rica es aquella en la que hay más combustible del necesario para la combustión completa. En el guion, se menciona que una mezcla rica no tiene mucho efecto en la potencia, ya que el exceso de combustible simplemente reduce la eficiencia del motor. Sin embargo, es común utilizar mezclas ricas en motores de avión para garantizar un rendimiento óptimo, especialmente cuando se busca el máximo poder en lugar de la economía de combustible.

💡Mezcla débil

Una mezcla débil es aquella en la que hay menos combustible del necesario para la combustión completa. El guion indica que una mezcla débil reduce rápidamente la potencia del motor, ya que no se utiliza todo el oxígeno inspirado. Esto se debe a que la combustión ocurre a una temperatura más baja y a una velocidad más lenta, lo que disminuye la eficiencia y aumenta la posibilidad de detonaciones.

💡Detonation

La detonación es un fenómeno en el que la combustión ocurre de manera explosiva y no controlada dentro del motor, lo que puede causar daños. El guion explica que la combustión a una relación químicamente correcta puede generar temperaturas tan altas que pueden provocar detonaciones, por lo que es importante ajustar la mezcla para evitar este problema.

💡Eficiencia volumétrica

La eficiencia volumétrica se refiere a la capacidad de un motor para llenar su cilindro con una mezcla de aire y combustible. El guion menciona que una mezcla rica puede reducir la eficiencia volumétrica del motor debido al exceso de combustible, lo que a su vez afecta la potencia y el rendimiento del motor.

💡Inducción

La inducción es el proceso por el cual el aire y el combustible son llevados al motor. En el guion, se discute cómo las diferencias en la distancia que recorren los flujos de aire-combustible en un sistema de inducción de doble carburador pueden afectar el rendimiento del motor, ya que pueden causar variaciones en la mezcla de aire y combustible que se entrega a los cilindros.

💡Ignición

La ignición es el proceso que inicia la combustión en el motor. El guion habla sobre la necesidad de ajustar la ignición en función de la relación de mezcla de aire y combustible, ya que una mezcla más débil que la relación químicamente correcta requiere una ignición más adelantada para permitir que la combustión se realice a una velocidad más lenta.

💡Temperatura de gases de escape

La temperatura de gases de escape es un indicador de la eficiencia de la combustión en el motor. El guion explica que se puede utilizar un medidor de temperatura de gases de escape para ajustar la mezcla de aire y combustible, buscando una disminución en la temperatura que indique una mezcla adecuada para el motor.

💡Altitud

La altitud afecta la densidad del aire y, por lo tanto, la cantidad de aire que entra en el cilindro del motor. El guion menciona que a medida que aumenta la altitud, es necesario ajustar la mezcla de aire y combustible para mantener la eficiencia del motor, ya que la disminución de la densidad del aire puede hacer que la mezcla se vuelva más rica de lo ideal.

Highlights

空气和汽油蒸汽在8:1到30:1的比例范围内混合时会燃烧。

完全燃烧仅在14.7:1的空燃比时发生，这是化学上正确的比例。

化学上正确的空燃比为15:1，但这不是活塞发动机的最佳工作比例。

在化油器系统中，空气和燃料颗粒的混合和分布不完美，导致混合比例在不同部分有所不同。

略微富油的混合对动力影响不大，因为所有氧气都被消耗了。

运行在弱混合比的发动机会迅速减少动力，因为部分吸入的氧气没有被利用。

弱混合比除了燃烧温度较低外，燃烧速率也比化学正确比例慢。

在经济巡航时，可以使用18:1的空燃比，并需要提前点火时机。

非常弱的混合可能导致排气阀打开时气体仍在燃烧，从而暴露阀门于高温。

混合需求最终取决于发动机转速和功率输出。

启动和慢速运行时需要富油混合，因为发动机冷启动时缺乏热量帮助燃料蒸发。

在巡航飞行中，飞行员可以选择经济巡航或性能巡航的混合比。

当需要更高功率时，如爬升，混合比会富化到大约11:1。

当全功率选择时，混合比必须富化到大约10:1，以确保没有气缸因混合过稀而动力严重下降。

随着飞行高度的增加，空气密度降低，如果不调节，混合比会变得更富。

为了在高空有效操作发动机，必须有方法来定义和调节混合强度。

通过观察发动机转速的变化，可以手动调节混合比以找到化学正确的混合比。

利用排气气体温度表也可以调节混合比，它通过热电偶测量最热气缸的排气温度。

Transcripts

[Music]

although air and gasoline Vapor will

burn when mixed in proportions ranging

between 8 to 1 which is considered to be

rich and 30 to1 which is used in some

lean burn automobile

engines complete combustion only occurs

with an air gasoline ratio of 14.7 to1

by

weight this ratio is termed the

stochiometric or chemically correct

ratio at this ratio all of the oxygen in

the charge combines with all of the

hydrogen and carbon during

combustion for the purposes of this

lesson we'll restrict our numerical

definition of the chemically correct

ratio to two significant figures thus

we'll specify 15:1 as a chemical correct

ratio for air and

gasoline it's important to remember that

the chemically correct mixture does not

give the best results in a piston engine

because the temperature of combustion is

so high at this ratio that power can be

lost through

detonation in practice particularly in a

carburetor induction system mixing of

the air and fuel particles and their

distribution is less than perfect this

results in some parts of the induction

system having a richer mixture and

others having a weaker mixture than the

optimum

strength this variation in mixture

strength may even exist between one

cylinder and another adjacent to it as

is evident in this example of a simple

Automotive twin carburetor induction

system where the difference in the

distance that the air fuel stream has to

travel between the carburetor and say

the number one and number two cylinders

will have a quantifiable effect on per

performance having a slightly Rich

mixture does not have much effect on

power since all of the oxygen is still

consumed and the excess of fuel merely

serves to slightly reduce the effective

volumetric efficiency of the

engine in fact the cooling effect of the

evaporating fuel can to some extent be

beneficial in cooling the charge

temperature below the level where it

might otherwise

detonate running the engine on a weak

mixture however

rapidly reduces power since some of the

inspired oxygen is not being utilized

the power reduction thus suffered is

much greater than that which results

from a slight richness of

mixture it is therefore quite common to

run aircraft engines which are fitted

with carburetors when maximum power

rather than best fuel economy is the

objective that's somewhat richer than

the chemically correct mixture for

example about 12.5 to1 to ensure that no

cylinder is left running at severely

reduced power from being unduly

weak a mixture which is weaker than the

chemically correct ratio besides burning

at a lower temperature than that which

would occur with the chemically correct

ratio also Burns at a slower rate than

the chemically correct ratio because of

the greater proportion of nitrogen in

the

cylinder power output thus decreases as

the mixture is weakened but because of

the increase in efficiency which results

from cooler burning and the associated

decreased occurrence of detonation the

fall in power is proportionally less

than the decrease in fuel

consumption thus the specific fuel

consumption decreases as the mixture

strength is weakened below

15:1 for economical cruising at moderate

Power air fuel ratios of 18:1 may be

used and advancing the ignition timing

being necessary to allow for the slower

rate of

combustion the current number number of

modern aircraft with the facility to

vary the ignition timing in Flight is

limited however following the recent

introduction of electronic engine

control a rise in this number is

likely with extremely weak mixtures the

gases may still be burning when the

exhaust valve opens exposing the valve

to high temperatures which may cause the

valve to crack or

distort as the inlet valve opens the

heat of the exhaust gases remaining in

the cylinder may still be so high that

it could ignite the mixture in the

induction system and popping back occurs

through the induction

manifold this slow burning also causes

overheating because a certain amount of

the heat generated in combustion is not

converted into work by expanding the

gases in the cylinder as it should be it

therefore remains in the cylinder and

has to be dissipated by the cooling

system the mixture requirement is

ultimately dependent upon engine speed

and power output this diagram shows

typical air fuel mixture

curves note that a rich mixture is

required for starting and slow running

there are two reasons for

this the first reason concerns the fact

that fuel will only burn when it's

vaporized and is mixed with air when

first starting the engine will be cold

and there is little heat to assist the

vaporizing process therefore only the

lightest fractions of the fuel will

vaporize to make sure that there is

sufficient fuel vapor in the cylinders

to support combustion a rich mixture is

therefore

required the second reason concerns the

valve timing as we've already learned

the exhaust valve timing is given a

certain amount of lag so that full

advantage can be taken of the

considerable inertia of the gases at

normal engine speeds to obtain efficient

Scavenging of the burnt gases and to

give impetus to the incoming

charge however as engine speed reduces

the gas velocity Falls and more of the

burnt gases remain in the cylinder

whilst at still lower speeds such as

idling speed there is the tendency for

exhaust gases to be sucked back into the

cylinder by the descending piston before

the exhaust valve

closes the consequent dilution of the

induction gases is such that to maintain

smooth running a rich mixture is

required the cruise portion of the DI

shows that this is really the only time

during which the pilot has any choice in

what mixture to

set if time is No Object then during

cruising flight only moderate power is

required from the engine thus an economy

Cruise setting of approximately 17.4 to1

can be used fuel consumption will

decrease

accordingly on the other hand if speed

is of the essence then a mixture setting

which gives performance Cruise power can

be selected say somewhere in the region

of 14.4

to1 the fuel consumption will of course

rise in some cases by as much as

20% when higher power is required for

instance when climbing the mixture is

enriched to about

11:1 the extra fuel in vaporizing cools

the mixture and reduces the tendency to

desonate when full power is selected for

takeoff the mixture must be enriched to

about 10

to1 apart from the cooling effect the

excess fuel is wasted or there is

insufficient oxygen available for it to

burn

completely the higher power results from

a greater weight of charge induced in a

given time and not because of mixture

enrichment in practice excess fuel vapor

is not scavenged as Vapor because the

oxygen is shed out to some extent so

that carbon monoxide is produced during

combustion as well as carbon

dioxide with very rich mixtures some of

the carbon fails to combine with oxygen

tall and is exhausted as black

smoke because the density of the air

decreases with increase of altitude as

the aircraft altitude increases the

weight of air drawn into the cylinder

decreases for a given intake velocity

the pressure drop in the carburetor vuy

will decrease as ambient density

decreases

however the fuel flow due to this

pressure drop will not decrease by the

same proportion and so the mixture will

become

richer if we are to operate the engine

efficiently when flying at altitude then

it becomes imperative that we have some

method of defining and regulating the

mixture

strength we'll look at two methods which

can be used to maintain the the correct

mixture

control the first method that we'll

examine presumes some knowledge of the

effects that mixture change will have on

the

engine bear in mind that as the mixture

control is moved from fully Rich to a

weaker setting the air fuel ratio

approaches the chemically correct value

of approximately 15

to1 at this ratio all of the air and

fuel are consumed and the heat released

by combustion is at its

maximum more heat means more power with

a fixed pitch propeller the RPM will

rise and air speed will increase as more

power is

produced if the mixture is weakened even

more the RPM will

drop pushing the mixture control back to

where the chemically correct mixture was

found will bring the engine speed back

up but this cannot be maintained without

risking the generation of

detonation to prevent this happening the

mixture control should be moved to a

slightly richer position when the RPM

will fall

slightly the second method utilizes the

exhaust gas temperature

gauge the exhaust gas temp temperature

system is powered by a thermac couple

which is fitted into the exhaust pipe of

the hottest cylinder on the engine the

thermac couple produces a voltage which

is directly proportional to its

temperature the voltage is indicated on

a gauge which is calibrated to show

exhaust gas

temperature if the mixture control is

moved towards lean the temperature will

Peak at the ratio of

15:1 it should be remembered that this

ratio should not be used used as

detonation can

occur the mixture control should then be

moved from the peak exhaust gas

temperature position towards rich and

the exhaust gas temperature will

drop the aircraft's flight manual will

specify a temperature drop which will

give the rich crew setting this

concludes the lesson on mixture

[Music]

oh