Enginyeria Aeronàutica

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Enginyeria Aeronàutica

Sistemes propulsius

Tema 13

El motor Diesel aeronáutico

Manel Quera

Ramon Carreras

Laboratori de Motors Tèrmics i Automòbils

Dept. Màquines i Motors Tèrmics

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Tema 13 : El motor Diesel aeronáutico / Manel Quera, Ramon Carreras

ÍNDICE

EL motor Diesel areonáutico

1.- Primeros motores Diesel en aeronáutica

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1.- Primeros motores diesel en aeronáutica

Motor Junkers-Jumo ( 1937-1945 )

El primer motor diesel utilizado para propulsión aeronáutica fue el Junkers Jumo 205. Era un motor vertical de 2 tiempos de 12 pistones, compartiendo 6 cilindros, según una configuración de 2 pistones opuestos en el mismo cilindro. Esta configuración inusual requería dos cigüeñales, uno en la parte superior del bloque y otro en la parte inferior, que accionaban conjuntamente la hélice de propulsión del avión.

Los pìstones seguían un movimiento alternativo opuesto (uno contra otro) en el mismo cilindro. No disponía de válvulas de adimisón y escape, realizando el proceso de renovación de la carga, a través de lumbreras de admisión y escape ( intake and exhaust ports ), situadas estratégicamente en ambos lados del bloque del motor ( 2 lumbreras por cilindro ). Disponía asimismo dos bombas de inyección por cilindro ( una por pistón ).

Durante el período 1937-39, este motor fué utilizado con limitado éxito por la compañía aérea alemana Luftansa para propulsar el avión Blohm & Voss Ha 139, para cubrir rutas transatlánticas. El avión disponía de cuatro motores Junkers 205 de potencia unitaria 440 kW que permitiáin alcanzar una velocidad máxima de vuelo de 307 km/h y una autonomía de 4.990 km.

Este motor diesel fué evolucionado en otras versiones ( Jumo 206, Jumo 207, Jumo 208 ), llegando a fabricarse hasta uunas 900 unidades de dichos motores.

Durante la II Guerra Munidial ( 1939-45 ) este motor fue utilizado por la Luftwaffe ( fuerza aérea alemana) para propulsar aviones de reconocimiento, pero no fué utilizado para aviones de combate.

Motor Daimler-Benz DB-602 ( 1933- 1945 )

Paralelamente al motor Jumo, se produjeron otros desarrollos de motores diesel para aeronáutica, destacando entre ellos :

Motor Daimler-Benz DB-602 (1933) utilizado para la propulsión de algunos dirigibles Zeppelin, incluyendo el malogrado Hinderberg, que realizaba vuelos transatlánticos entre Europa y Norteamérica y que resultó destruído por un incendio en 1937, cuando aterrizaba en New Jersey (USA).

El DB-602 era un motor diesel de 16 cilindros en V, refrigerado por agua, 1976 kg de peso, 54,1 litros de cilindrada y 984 kW de potencia efectiva.

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Dirigible Hinderberg

Motor diesel DB-602 desarrollado por Daimler-Benz para propulsión de dirigibles

Motor Clerget ( 1929-1940 )

En Francia, Pierre Clerget desarrolló entre 1929 y 1940 una serie de motores diesel para propulsión de aviones del tipo motores en estrella (Clerget 9A, 9B, 14A a 14F), que, en esencia, eran una evolución o adaptación de los motores de gasolina, pero en versión diesel, y utilizados para aviones ligeros

Uno de los últimos motores desarrollados fue el 14F ( 14 cilindros en estrella ) que presentaba una potencia efectiva de 590 CV ( 434 kW ) para unas características constructivas y operativas muy sobrias : 600 kg de peso y consumo de 120 kg de carburante por hora. Fué utilizado para propulsar aviones del tipo Potez 25 y Bloch 203, fabricados por Marcel Dassault.

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Motor Napier-Nomad ( 1945-1955 )

El interés del motor diesel en aeronáutica durante el periodo posterior a la postguerra ( a partir de 1945 ) fué reducido, debido a la mayor utilización del turboreactor y del motor Otto. Sin embargo durante la década 1945-55 debe destacarse el desarrollo de uno de los motores diesel para aeronáutica más sofisticado que quizás se hayan construído hasta el momento : el Napier-Nomad.

Este motor fue diseñado y construído por la empresa inglesa Napier con el objetivo de desarrollar un motor de alto rendimiento, bajo coste y consumo y elevada autonomía ( vuelos de largo recorrido )..

En realidad se desarrollaron dos prototipos de motores :

 Napier-Nomad 1

 Napier-Nomad 2

El motor Napier-Nomad 1 era en realidad una combinación de dos motores de combustión interna ( motor diesel y turbina de gas ), que permitían generar un doble sistema de propulsión :

 Accionamiento de dos hélices

 Empuje por el escape de los gases de combustión de la turbina

El motor diesel era un motor 2T sobrealimentado de 12 cilindros ( cilindrada total : 41,0 litros )

El aire de entrada al motor es comprimido por un compresor axial (1ª etapa), enfriado por un intercooler (intercambiador de calor aire-aire) y comprimido finalmente por un compresor radial (2ª etapa), antes de su alimentación al motor diesel.

A la salida del motor, los gases de combustión, conteniendo un exceso de aire, sufren una segunda combustión (cámara de postcombustión) antes de ser enviados a la turbina de gas.

La potencia mecánica generada por el motor diesel es utilizada para accionar una de las dos hélices y al compresor axial de aire (2ª etapa).

La potencia mecánica generada por la turbina es utilizada para accionar a la segunda hélice y al compresor axial de aire (1ª etapa). La expansión final de los gases de combustión en la tobera de la turbina permite generar un empuje adicional al obtenido por las dos hélices.

El motor diesel desarrollado, o mejor dicho el motor combinado diesel 2T-turbina de gas, presentaba las siguientes operativas :

 Potencia efectiva generada para accionamiento de las dos hélices : 3000 bhp ( 2238 kW )

 Empuje adicional generado por los gases de escape de la turbina : 1,4 kN

 Consumo específico de combustible : 219 g/kWh

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Este motor podía trabajar a diferentes modos de operación, dependiendo del nivel de potencia requerida (con o sin postcombustión, con o sin intercooler, variación de la potencia mecánica generada por la turbina ). Se construyó y ensayó un prototipo, que fue posteriormente incorporado en 1953 a un avión militar Avro Lincoln para diferentes ensayos de vuelo. Después de unas 1000 horas de pruebas, fue finalmente desestimada su producción y utilización en aviones, debido a al elevado nivel de complejidad de operación que presentaba.

Con posterioridad al primer prototipo de motor Napier, se diseño y construyó una segunda versión simplificada, denominada motor Napier-Nomad 2.

Este motor era asimismo una combinación de motor diesel y turbina de gas ( turbo-compound aero-engine ), que permitía generar un sistema de propulsión más simple :

 Accionamiento de una sola hélice

 Empuje por el escape de los gases de combustión de la turbina

El motor diesel 2T sobrealimentado de 12 cilindros era similar al utilizado en el Napier-Nomad 1,pero, tanto el sistema de sobrealimentación del motor, como la turbina de gas se simplificaron notablemente.

El aire de entrada es comprimido por un compresor axial y enviado directamente al motor diesel, sin enfriarlo por intercooler. Los gases de combustión de salida del motor poseen suficiente nivel de presión y temperatura para ser expansionados en la turbina de gas.

La potencia mecánica obtenida sobre el eje de la turbina es utilizada para accionar al compresor de aire y para complementar la potencia mecánica generada por el cigüeñal del motor diesel, a través de una conexión por embrague hidráulico ( hydraulic clutch ). Los gases de escape de la turbina permiten obtener un empuje adicional más modesto que en caso del Napier-Nomad 1.

Motor Napier-Nomad 2

De forma similar a su predecesor, se construyó y ensayó un prototipo de motor Napier-Nomad 2, pero,

a pesar de sus elevadas prestaciones y bajo consumo, el proyecto fué finalmente abandonado en 1955,

debido a la complejidad y problemas de regulación y operación del motor.

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2.- Motores diesel actuales en aeronáutica

Introducción

Desde aproximadamente la década de 1950, la utilización del motor diesel para propulsión aeronáutica ha sido muy limitada o casi inexistente, debido a la simplicidad y mejores prestaciones de los turboreactores y los motores Otto.

Sin embargo este planteamiento ha cambiado recientemente, debido a diversos factores :

 El creciente encarecimiento del precio del combustible para motores Otto aeronáuticos ( avgas : aviation

gasoline ) ha impulsado a considerar la posibilidad de utilizar otros combustibles y otro tipo de motores con

mejor rendimiento y menor consumo

 La evolución reciente de la tecnología de los motores diesel para aplicaciones de transporte (automóviles), permiten disponer de motores de elevado rendimiento y menor peso que los motores tradicionales. Adicionalmente la relación potencia-peso del motor diesel empieza a ser interesante para su aplicación como motor de propulsión aeronáutica.

Debido a ello, desde aproximadamente el año 2000, se ha producido un interés por parte de diversos fabricantes en la reintroducción del motor diesel, como sistema de propulsión por hélice en aeronáutica. En el presente apartado, se presenta un resumen de los principales motores diesel actuales utilizados en aeronáutica :

 Thielert Centurion ( D )

 Dair Engines ( UK )

 Delta Hawk Engines ( USA )

 GAP Diesel Engine ( USA )

Thielert Centurion

Este fabricante alemán de motores aeronáuticos ha sido uno de los primeros fabricantes en reintroducir el motor diesel, basado en una adaptación de los motores Mercedes-Benz utilizados en automoción.

Actulamente fabrica dos tipos de motores diesel :

 Centurion 2.0

 Centurion 4.0

Todos los motores pueden operar con combustible gasóleo (similar al de auotmoción) o keroseno tipo Jet A1. Son motores diesel 4T sobrealimentados por turbocompresor, inyección directa, regulación electrónica y refrigeración por agua.

El Centurion 2.0 está basado en el motor turbodiesel Mercedes Clase A 200 CDI. Es un motor 4 cilindros de 1991 cm3 de cilindrada, 134 kg de peso y 99 kW de potencia efectiva máxima.

El Centurion 4.0 está basado en el motor turbodiesel Mercedes de 8 cilindros ( V8 ), 3996 cm3 de cilindrada y 257 kW de potencia efectiva máxima.

Estos motores son utilizados para propulsar aviones tipo Cessna, Pipper Cherokee y Diamond.

Thielert Centurion 4.0 ( Diesel V8 ) Avión Diamond DA-42 equipado con 2 motores diesel Thielert Centurion 2.0

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Dair Engines

Este fabricante inglés ha sido uno de los primeros fabricantes en reintroducir el motor diesel 2T para la propulsión aeronáutica ligera. Fabrica el motor Dair-100 basado en la tecnología desarrollada anteriormente para la producción del Junkers-Jumo y del Napier.

Las características básicas del motor son :

Tipo de motor : Diesel 2T / inyección directa / sobrealimenado por compresor centrífugo / refrigeración por agua

Tipo de combustible : Diesel / Jet A1 Número de cilindros : 2

Número de pistones : 4 ( configuración de 2 pistones opuestos en el mismo cilindro ) Cilindrada total : 1810 cm3

RPM nominal : 2500

Peso : 97,2 kg

Potencia efectiva : 100 hp = 74,6 kW

Motor Diesel 2T Dair-100 para propulsión de aviones

Motor Diesel 2T Dair-100 para propulsión de dirigibles

Delta Hawk Engines

Este fabricante norteamericano fabrica un motor diesel 2T para la propulsión aeronáutica ligera con una configuración constructiva diferente a Dair Engines.. Actualmente fabrica el motor DH V4, disponible en 3 niveles de potencia : 160, 180 y 200 hp.

Las características básicas del motor son :

Tipo de motor : Diesel 2T / inyección directa / sobrealimenado por turbocompresor e intercooler / refrigeración por agua

Tipo de combustible : Diesel / Jet A / Jet A1

Número de cilindros : 4 en V ( 1 cilindro por pistón ) RPM nominal : 2700

Peso : 330 lb = 150 kg

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Motor Diesel 2T Delta Hawk V4

GAP Diesel Engine

El programa General Aviation Propulsion es un proyecto promovido por la NASA con el objetivo de desarrollar nuevos motores de propulsión de aeronaves de mayor eficiencia, menor consumo y coste y menor contaminación atmosférica que los actualmente utilizados. Adicionalmente se considera la posibilidad de utilizar combustibles alternativos a los actualmente utilizados ( avgas, Jet A ).

Una de las líneas de investigación de este programa se ha centrado en el desarrollo de un nuevo tipo de motores destinados a la aviación ligera ( aviones equipados con un solo motor de propulsión y una ocupación máxima de 4 personas ). Para este tipo de aviación se decidió el desarrollo de motores diesel 2T, a través de un programa conjunto con la empresa Teledyne Continental Motors.

El motor, actualmente en fase de dearrollo, es el conocido como GAP Diesel Engine, cuyas características básicas de diseño son :

Tipo de motor : Diesel 2T / 4 cilindros disposición boxer / sobrealimentado por turbocompresor

Potencia nominal : 200 hp = 150 kW

Motor GAP Diesel ( en fase de desarrollo )

http://www.nasa.gov/centers/glenn/about/fs01grc.html