Motor de aeronave ou powerplant

Um motor de aeronave, ou powerplant, produz empuxo para impulsionar uma aeronave. Motores alternativos e motores turboélice trabalham em combinação com uma hélice para produzir empuxo. Os motores turbojato e turbofan produzem empuxo aumentando a velocidade do ar que flui através do motor. Todos esses motores também acionam os vários sistemas que suportam a operação de uma aeronave.

Motores recíprocos

A maioria das aeronaves pequenas são projetadas com motores alternativos. O nome é derivado do movimento para frente e para trás, ou alternativo, dos pistões que produz a energia mecânica necessária para realizar o trabalho.

Impulsionada por uma revitalização da indústria de aviação geral (GA) e avanços em materiais e projetos de motores, a tecnologia de motores alternativos melhorou drasticamente nas últimas duas décadas. A integração de sistemas computadorizados de gerenciamento do motor melhorou a eficiência de combustível, diminuiu as emissões e reduziu a carga de trabalho do piloto. 

Os motores alternativos operam com o princípio básico de converter energia química (combustível) em energia mecânica. Essa conversão ocorre dentro dos cilindros do motor através do processo de combustão. Os dois projetos primários de motores alternativos são a ignição por faísca e a ignição por compressão. O motor alternativo de ignição por faísca tem servido como o motor de escolha por muitos anos. Em um esforço para reduzir os custos operacionais, simplificar o projeto e melhorar a confiabilidade, vários fabricantes de motores estão adotando a ignição por compressão como uma alternativa viável. Muitas vezes referidos como motores de pistão de combustível de jato, os motores de ignição por compressão têm a vantagem adicional de utilizar diesel ou combustível de jato prontamente disponível e de baixo custo. 

Os principais componentes mecânicos da ignição por centelha e do motor de ignição por compressão são essencialmente os mesmos. Ambos usam câmaras de combustão cilíndricas e pistões que percorrem o comprimento dos cilindros para converter o movimento linear no movimento rotativo do virabrequim. A principal diferença entre ignição por faísca e ignição por compressão é o processo de ignição do combustível. Os motores de ignição por centelha usam uma vela de ignição para acender uma mistura ar-combustível pré-misturada. (Mistura ar-combustível é a razão entre o “peso” do combustível e o “peso” do ar na mistura a ser queimada.) Um motor de ignição por compressão primeiro comprime o ar no cilindro, elevando sua temperatura a um grau necessário para ignição automática quando o combustível é injetado no cilindro. 

Esses dois projetos de motor podem ser classificados como:

1. Arranjo do cilindro em relação ao virabrequim - radial, em linha, tipo v ou oposto

2. Ciclo operacional - dois ou quatro

3. Método de resfriamento - líquido ou ar  

Os motores radiais foram amplamente utilizados durante a Segunda Guerra Mundial e muitos ainda estão em serviço hoje. Com esses motores, uma ou mais fileiras de cilindros são dispostas em um padrão circular ao redor do cárter. A principal vantagem de um motor radial é a relação potência-peso favorável.

Os motores em linha têm uma área frontal comparativamente pequena, mas suas relações potência-peso são relativamente baixas. Além disso, os cilindros mais traseiros de um motor em linha refrigerado a ar recebem muito pouco ar de resfriamento, de modo que esses motores são normalmente limitados a quatro ou seis cilindros. Os motores do tipo V fornecem mais potência do que os motores em linha e ainda mantêm uma pequena área frontal.

Melhorias contínuas no projeto do motor levaram ao desenvolvimento do motor horizontalmente oposto, que continua sendo o motor alternativo mais popular usado em aeronaves menores. Esses motores sempre têm um número par de cilindros, pois um cilindro de um lado do cárter “se opõe” a um cilindro do outro lado. A maioria desses motores são refrigerados a ar e geralmente são montados na posição horizontal quando instalados em aviões de asa fixa. Os motores do tipo oposto têm altas relações potência-peso porque têm um cárter comparativamente pequeno e leve. Além disso, o arranjo compacto dos cilindros reduz a área frontal do motor e permite uma instalação simplificada que minimiza o arrasto aerodinâmico.

Dependendo do fabricante do motor, todos esses arranjos podem ser projetados para utilizar ignição por faísca ou compressão e operar em um ciclo de dois ou quatro tempos. 

Em um motor de dois tempos, a conversão de energia química em energia mecânica ocorre ao longo de um ciclo de operação de dois tempos. Os processos de admissão, compressão, potência e exaustão ocorrem em apenas dois tempos do pistão, em vez dos quatro tempos mais comuns. Como um motor de dois tempos tem um curso de potência em cada revolução do virabrequim, ele normalmente tem uma relação potência-peso mais alta do que um motor de quatro tempos comparável. Devido à ineficiência inerente e às emissões desproporcionais dos primeiros projetos, o uso do motor de dois tempos foi limitado na aviação. 

Avanços recentes no design de materiais e motores reduziram muitas das características negativas associadas aos motores de dois tempos. Os motores modernos de dois tempos geralmente usam reservatórios de óleo convencionais, bombas de óleo e sistemas de lubrificação alimentados por pressão total. O uso de injeção direta de combustível e ar pressurizado, característico de motores avançados de ignição por compressão, tornam os motores de ignição por compressão de dois tempos uma alternativa viável aos projetos mais comuns de ignição por faísca de quatro tempos.

Os motores de quatro tempos com ignição por faísca continuam sendo o projeto mais comum usado na GA hoje. As partes principais de um motor alternativo de ignição por centelha incluem os cilindros, o cárter e a carcaça de acessórios. As válvulas de admissão/escape, velas de ignição e pistões estão localizados nos cilindros. O virabrequim e as bielas estão localizados no cárter. Os magnetos estão normalmente localizados na carcaça de acessórios do motor.    

Em um motor de quatro tempos, a conversão de energia química em energia mecânica ocorre ao longo de um ciclo de operação de quatro tempos. Os processos de admissão, compressão, potência e exaustão ocorrem em quatro tempos separados do pistão na seguinte ordem.

1. O curso de admissão começa quando o pistão inicia seu curso descendente. Quando isso acontece, a válvula de admissão se abre e a mistura ar-combustível é puxada para dentro do cilindro.

2. O curso de compressão começa quando a válvula de admissão fecha e o pistão começa a se mover de volta para o topo do cilindro. Esta fase do ciclo é usada para obter uma potência muito maior da mistura ar-combustível, uma vez que é inflamada.

3. O curso de força começa quando a mistura ar-combustível é inflamada. Isso causa um tremendo aumento de pressão no cilindro e força o pistão para baixo, afastando-se do cabeçote, criando a força que gira o virabrequim. 

4. O curso de exaustão é usado para purgar o cilindro de gases queimados. Começa quando a válvula de escape se abre e o pistão começa a se mover em direção ao cabeçote mais uma vez. 

Mesmo quando o motor é operado a uma velocidade bastante baixa, o ciclo de quatro tempos ocorre várias centenas de vezes por minuto. Em um motor de quatro cilindros, cada cilindro opera em um curso diferente. A rotação contínua de um virabrequim é mantida pelo tempo preciso dos cursos de força em cada cilindro. A operação contínua do motor depende da função simultânea dos sistemas auxiliares, incluindo os sistemas de indução, ignição, combustível, óleo, refrigeração e exaustão.    

O mais recente avanço em motores alternativos de aeronaves foi iniciado em meados da década de 1960 por Frank Thielert, que procurou na indústria automotiva respostas sobre como integrar a tecnologia diesel em um motor de aeronave. A vantagem de um motor alternativo movido a diesel está na semelhança física do diesel e do querosene. Aeronaves equipadas com motor de pistão a diesel funcionam com querosene de aviação padrão, o que proporciona mais independência, maior confiabilidade, menor consumo e economia de custos operacionais.

Em 1999, Thielert formou a Thielert Aircraft Engines (TAE) para projetar, desenvolver, certificar e fabricar um novo motor de ciclo diesel de queima Jet-A (também conhecido como motor de pistão a jato) para a indústria GA. Em março de 2001, o primeiro motor protótipo tornou-se o primeiro motor diesel certificado desde a Segunda Guerra Mundial. A TAE continua a projetar e desenvolver motores de ciclo diesel e outros fabricantes de motores, como a Société de Motorisations Aéronautiques (SMA), agora também oferecem motores de pistão a jato. Os motores TAE podem ser encontrados no Diamond DA40 single e no DA42 Twin Star; o primeiro motor diesel a fazer parte do certificado de tipo de uma nova aeronave fabricante de equipamento original (OEM).

Esses motores também ganharam espaço no mercado de retrofit com um certificado de tipo suplementar (STC) para reprojetar os modelos Cessna 172 e a família Piper PA-28. A tecnologia do motor a pistão a jato continuou a progredir e um controle de motor digital de autoridade total (FADEC, discutido mais detalhadamente mais adiante no capítulo) é padrão em tais aeronaves equipadas, o que minimiza a complicação do controle do motor. Em 2007, várias aeronaves a pistão movidas a jato haviam registrado mais de 600.000 horas de serviço. 

Hélice

A hélice é um aerofólio rotativo, sujeito a arrasto induzido, estol e outros princípios aerodinâmicos que se aplicam a qualquer aerofólio. Ele fornece o impulso necessário para puxar ou, em alguns casos, empurrar a aeronave pelo ar. A potência do motor é usada para girar a hélice, que por sua vez gera empuxo muito semelhante à maneira pela qual uma asa produz sustentação. A quantidade de empuxo produzida depende da forma do aerofólio, do ângulo de ataque (AOA) da pá da hélice e das rotações por minuto (rpm) do motor. A própria hélice é torcida para que o ângulo da pá mude do cubo para a ponta. O maior ângulo de incidência, ou o passo mais alto, está no cubo, enquanto o menor ângulo de incidência ou o menor passo está na ponta.

A razão para a torção é produzir uma elevação uniforme do cubo até a ponta. À medida que a lâmina gira, há uma diferença na velocidade real das várias partes da lâmina. A ponta da lâmina viaja mais rápido do que a parte próxima ao cubo, porque a ponta percorre uma distância maior que o cubo no mesmo período de tempo. Alterar o ângulo de incidência (pitch) do cubo para a ponta para corresponder à velocidade produz uma elevação uniforme em todo o comprimento da lâmina. Uma pá de hélice projetada com o mesmo ângulo de incidência em todo o seu comprimento seria ineficiente, pois à medida que a velocidade do ar aumenta em vôo, a porção próxima ao hub teria um AOA negativo enquanto a ponta da pá ficaria paralisada. Aeronaves pequenas são equipadas com um dos dois tipos de hélices: passo fixo ou passo ajustável.

Hélice de passo fixo

Uma hélice com ângulos de pá fixos é uma hélice de passo fixo. O passo desta hélice é definido pelo fabricante e não pode ser alterado. Como uma hélice de passo fixo atinge a melhor eficiência apenas em uma determinada combinação de velocidade e rpm, a configuração de passo é ideal para cruzeiro ou subida. Assim, a aeronave sofre um pouco em cada categoria de desempenho. A hélice de passo fixo é usada quando são necessários baixo peso, simplicidade e baixo custo.

Existem dois tipos de hélices de passo fixo: subida e cruzeiro. Se o avião tem uma hélice de subida ou de cruzeiro instalada depende do uso pretendido. A hélice de subida tem um passo mais baixo, portanto, menos arrasto. Menos arrasto resulta em maior rpm e mais capacidade de potência, o que aumenta o desempenho durante as decolagens e subidas, mas diminui o desempenho durante o voo de cruzeiro. 

A hélice de cruzeiro tem um passo mais alto, portanto, mais arrasto. Mais arrasto resulta em menor rpm e menos capacidade de potência, o que diminui o desempenho durante decolagens e subidas, mas aumenta a eficiência durante o voo de cruzeiro. 

A hélice geralmente é montada em um eixo, que pode ser uma extensão do virabrequim do motor. Neste caso, a rotação da hélice seria a mesma que a rotação do virabrequim. Em alguns motores, a hélice é montada em um eixo voltado para o virabrequim do motor. Neste tipo, a rotação da hélice é diferente da do motor. 

Em uma hélice de passo fixo, o tacômetro é o indicador da potência do motor. Um tacômetro é calibrado em centenas de rpm e fornece uma indicação direta da rotação do motor e da hélice. O instrumento é codificado por cores com um arco verde indicando a rotação máxima de operação contínua. Alguns tacômetros possuem marcações adicionais para refletir as limitações do motor e/ou hélice. As recomendações do fabricante devem ser usadas como referência para esclarecer qualquer mal-entendido sobre as marcações do tacômetro.    

A rotação é regulada pelo acelerador, que controla o fluxo de ar de combustível para o motor. Em uma determinada altitude, quanto maior a leitura do tacômetro, maior a potência de saída do motor.

Quando a altitude de operação aumenta, o tacômetro pode não mostrar a potência correta do motor. Por exemplo, 2.300 rpm a 5.000 pés produz menos potência do que 2.300 rpm ao nível do mar porque a potência depende da densidade do ar. A densidade do ar diminui à medida que a altitude aumenta e uma diminuição na densidade do ar (altitude de densidade mais alta) diminui a potência do motor. À medida que a altitude muda, a posição do acelerador deve ser alterada para manter a mesma rpm. À medida que a altitude aumenta, o acelerador deve ser aberto ainda mais para indicar a mesma rpm que em uma altitude mais baixa. 

Hélice de passo ajustável 

A hélice de passo ajustável foi a precursora da hélice de velocidade constante. É uma hélice com pás cujo passo pode ser ajustado no solo com o motor desligado, mas que não pode ser ajustado em voo. Também é referido como uma hélice ajustável no solo. Na década de 1930, inventores pioneiros da aviação estavam preparando o terreno para mecanismos automáticos de mudança de passo, e é por isso que o termo às vezes se refere a hélices modernas de velocidade constante que são ajustáveis ​​em voo. 

Os primeiros sistemas de hélice de passo ajustável forneciam apenas duas configurações de passo: baixo e alto. Hoje, a maioria dos sistemas de hélice de passo ajustável são capazes de uma variedade de configurações de passo.

Uma hélice de velocidade constante é uma hélice de passo controlável cujo passo é automaticamente variado em voo por um regulador que mantém rpm constante apesar das cargas de ar variadas. É o tipo mais comum de hélice de passo ajustável. A principal vantagem de uma hélice de velocidade constante é que ela converte uma alta porcentagem de potência de freio (BHP) em potência de empuxo (THP) em uma ampla faixa de combinações de rpm e velocidade do ar. Uma hélice de velocidade constante é mais eficiente do que outras hélices porque permite a seleção da rotação do motor mais eficiente para as condições dadas. 

Uma aeronave com hélice de velocidade constante tem dois controles: o acelerador e o controle da hélice. O acelerador controla a saída de potência e o controle da hélice regula a rotação do motor. Isso regula a rotação da hélice, que é registrada no tacômetro. 

Uma vez que uma rpm específica é selecionada, um governador ajusta automaticamente o ângulo da pá da hélice conforme necessário para manter a rpm selecionada. Por exemplo, depois de definir a rpm desejada durante o vôo de cruzeiro, um aumento na velocidade do ar ou diminuição na carga da hélice faz com que o ângulo da pá da hélice aumente conforme necessário para manter a rpm selecionada. Uma redução na velocidade do ar ou aumento na carga da hélice faz com que o ângulo da pá da hélice diminua.

A faixa de velocidade constante da hélice, definida pelas paradas de passo alto e baixo, é a faixa de ângulos de pás possíveis para uma hélice de velocidade constante. Desde que o ângulo da pá da hélice esteja dentro da faixa de velocidade constante e não contra a parada de passo, uma rotação do motor constante é mantida. Se as pás da hélice entrarem em contato com uma parada de passo, a rotação do motor aumentará ou diminuirá conforme apropriado, com mudanças na velocidade do ar e na carga da hélice. Por exemplo, uma vez que uma rpm específica tenha sido selecionada, se a velocidade da aeronave diminuir o suficiente para girar as pás da hélice até que elas entrem em contato com o batente de passo baixo, qualquer diminuição adicional na velocidade do ar fará com que a rotação do motor diminua da mesma forma como se uma hélice de passo fixo foram instalados. O mesmo vale quando uma aeronave equipada com uma hélice de velocidade constante acelera para uma velocidade mais rápida. À medida que a aeronave acelera, o ângulo da pá da hélice aumenta para manter a rpm selecionada até que a parada de passo alto seja alcançada. Quando isso ocorre, o ângulo da lâmina não pode aumentar mais e a rotação do motor aumenta. 

Em aeronaves equipadas com hélice de velocidade constante, a potência é controlada pelo acelerador e indicada por um manômetro de pressão. O medidor mede a pressão absoluta da mistura ar-combustível dentro do coletor de admissão e é mais corretamente uma medida da pressão absoluta do coletor (MAP). A uma rpm e altitude constantes, a quantidade de energia produzida está diretamente relacionada à mistura ar-combustível que está sendo entregue à câmara de combustão. À medida que o ajuste do acelerador é aumentado, mais combustível e ar flui para o motor e o MAP aumenta. Quando o motor não está funcionando, o manômetro do coletor indica a pressão do ar ambiente (ou seja, 29,92 polegadas de mercúrio (29,92 "Hg)). Quando o motor é ligado, a indicação de pressão do coletor diminui para um valor menor que a pressão ambiente (ou seja, marcha lenta a 12 "Hg).

O manômetro do coletor é codificado por cores para indicar a faixa de operação do motor. A face do manômetro do manifold contém um arco verde para mostrar a faixa de operação normal e uma linha radial vermelha para indicar o limite superior da pressão do manifold. 

Para qualquer rpm, há uma pressão no coletor que não deve ser excedida. Se a pressão do coletor for excessiva para uma determinada rpm, a pressão dentro dos cilindros pode ser excedida, colocando pressão indevida nos cilindros. Se repetido com muita frequência, esse estresse pode enfraquecer os componentes do cilindro e, eventualmente, causar falha no motor. 

Um piloto pode evitar condições que sobrecarregam os cilindros estando constantemente atento às rpm, especialmente ao aumentar a pressão do coletor. Consulte as recomendações do fabricante para configurações de potência de um motor específico para manter a relação adequada entre pressão do coletor e rpm. 

Quando a pressão do coletor e a rotação precisarem ser alteradas, evite a sobrecarga do motor fazendo os ajustes de potência na ordem correta:

• Quando as configurações de potência estiverem sendo reduzidas, reduza a pressão do coletor antes de reduzir a rotação. Se a rpm for reduzida antes da pressão do coletor, a pressão do coletor aumenta automaticamente, possivelmente excedendo as tolerâncias do fabricante.   

• Quando as configurações de potência estiverem sendo aumentadas, inverta a ordem – aumente a rpm primeiro e depois a pressão do coletor.

• Para evitar danos aos motores radiais, minimize o tempo de operação em rpm máxima e pressão do coletor e evite a operação em rpm máxima e pressão baixa do coletor.

As recomendações do fabricante do motor e/ou fuselagem devem ser seguidas para evitar desgaste severo, fadiga e danos aos motores alternativos de alto desempenho. 

Excesso de velocidade da hélice em aeronaves com motor a pistão

Em 17 de março de 2010, a Federal Aviation Administration (FAA) emitiu o Boletim de Informação de Aeronavegabilidade Especial (SAIB) CE-10-21. O assunto foi Hélices/Propulsores; Excesso de velocidade da hélice em aeronaves com motor a pistão para alertar os operadores, pilotos e fabricantes de aeronaves sobre as preocupações de uma resposta ideal a uma sobrevelocidade da hélice em aeronaves com motor a pistão com hélices de passo variável. Embora um SAIB não seja de natureza regulatória, a FAA recomenda que as informações sejam lidas e levadas em consideração para a segurança do voo.

O documento explica que uma aeronave monomotor experimentou um excesso de velocidade da hélice durante o voo de cruzeiro a 7.000 pés. O piloto relatou que a aplicação do acelerador resultou em um excesso de velocidade da hélice sem empuxo apreciável. O piloto tentou planar para um aeroporto próximo e estabeleceu a velocidade de “melhor planeio” de 110 nós, conforme publicado no Pilot's Operating Handbook (POH), mas não conseguiu chegar ao aeroporto e foi forçado a realizar um pouso fora do campo. 

Foi ainda explicado que foi determinado que a hélice sofreu uma falha fazendo com que o mecanismo de mudança de passo da pá se movesse para a posição de parada de passo baixo. Isso fez com que a hélice operasse como uma hélice de passo fixo, de modo que muda de rpm com mudanças na potência e velocidade do ar. A configuração de passo baixo permite a potência máxima durante a decolagem, mas pode resultar em uma velocidade excessiva da hélice em uma velocidade mais alta. 

Uma avaliação de desempenho da condição de voo foi realizada para o modelo de aeronave específico envolvido neste incidente. Esta avaliação indicou que uma velocidade no ar menor que a melhor velocidade de planeio resultaria em aumento de empuxo, permitindo ao piloto manter o vôo nivelado. Existem inúmeras variáveis ​​em aeronaves, motores e hélices que afetam o desempenho da aeronave. Para alguns modelos de aeronaves, a melhor velocidade de planeio publicada pode não ser baixa o suficiente para gerar o empuxo adequado para uma determinada instalação de hélice nesta situação (pás da hélice na posição de parada de passo baixo). 

Os operadores de aeronaves com hélices de passo variável devem estar cientes de que, em certos casos de excesso de velocidade da hélice, a velocidade necessária para manter o vôo nivelado pode ser diferente da velocidade associada à melhor velocidade de planeio sem motor. Os procedimentos de emergência apropriados devem ser seguidos para mitigar a situação de emergência em caso de excesso de velocidade da hélice; no entanto, os pilotos devem estar cientes de que alguma redução na velocidade do ar pode resultar na capacidade de vôo e pouso contínuos e seguros. A determinação de uma velocidade no ar que seja mais adequada do que a melhor velocidade de planeio sem motor só deve ser realizada em uma altitude segura quando o piloto tiver tempo para determinar um curso de ação alternativo que não seja o pouso imediatamente. 

Sistemas de indução 

O sistema de indução traz ar de fora, mistura-o com combustível e entrega a mistura ar-combustível ao cilindro onde ocorre a combustão. O ar externo entra no sistema de indução através de uma porta de admissão na frente da carenagem do motor. Esta porta normalmente contém um filtro de ar que inibe a entrada de poeira e outros objetos estranhos. Uma vez que o filtro pode ocasionalmente ficar entupido, uma fonte alternativa de ar deve estar disponível. Normalmente, o ar alternativo vem de dentro da carenagem do motor, onde contorna um filtro de ar entupido. Algumas fontes alternativas de ar funcionam automaticamente, enquanto outras operam manualmente. 

Dois tipos de sistemas de indução são comumente usados ​​em motores de aeronaves pequenas: 

1. O sistema do carburador mistura o combustível e o ar no carburador antes que esta mistura entre no coletor de admissão. 

2. O sistema de injeção de combustível mistura o combustível e o ar imediatamente antes da entrada em cada cilindro ou injeta combustível diretamente em cada cilindro. 

Sistemas de Carburador 

Os carburadores de aeronaves são separados em duas categorias: carburadores do tipo float e carburadores do tipo pressão. Os carburadores do tipo flutuador, completos com sistemas de marcha lenta, aceleração, controle de mistura, corte de marcha lenta e enriquecimento de energia, são os mais comuns dos dois tipos de carburador. Carburadores do tipo pressão geralmente não são encontrados em aeronaves pequenas. A diferença básica entre um carburador tipo flutuador e um carburador tipo pressão é a entrega de combustível. O carburador do tipo pressão fornece combustível sob pressão por uma bomba de combustível. 

Na operação do sistema de carburador tipo flutuador, o ar externo flui primeiro através de um filtro de ar, geralmente localizado em uma entrada de ar na parte frontal da carenagem do motor. Este ar filtrado flui para o carburador e através de um venturi, uma garganta estreita no carburador. Quando o ar flui através do venturi, é criada uma área de baixa pressão que força o combustível a fluir através de um jato de combustível principal localizado na garganta. O combustível então flui para a corrente de ar onde é misturado com o ar que flui. 

A mistura ar-combustível é então puxada através do coletor de admissão e nas câmaras de combustão onde é inflamada. O carburador tipo bóia recebe o nome de uma bóia que repousa sobre o combustível dentro da câmara da bóia. Uma agulha presa ao flutuador abre e fecha uma abertura na parte inferior da cuba do carburador. Isso mede a quantidade de combustível que entra no carburador, dependendo da posição da bóia, que é controlada pelo nível de combustível na câmara da bóia. Quando o nível do combustível força a bóia a subir, a válvula de agulha fecha a abertura do combustível e corta o fluxo de combustível para o carburador. A válvula de agulha abre novamente quando o motor requer combustível adicional. O fluxo da mistura ar-combustível para as câmaras de combustão é regulado pela válvula borboleta, que é controlada pelo acelerador na cabine de comando. 

O carburador tipo flutuador tem várias desvantagens distintas. Primeiro, eles não funcionam bem durante manobras abruptas. Em segundo lugar, a descarga de combustível a baixa pressão leva à vaporização incompleta e dificuldade em descarregar combustível em alguns tipos de sistemas superalimentados. A principal desvantagem do carburador tipo flutuador, no entanto, é sua tendência de congelamento. Como o carburador tipo bóia deve descarregar o combustível em um ponto de baixa pressão, o bocal de descarga deve estar localizado na garganta do venturi e a válvula borboleta deve estar no lado do motor do bocal de descarga. Isso significa que a queda de temperatura devido à vaporização do combustível ocorre dentro do venturi. Como resultado, o gelo se forma prontamente no venturi e na válvula do acelerador. 

Um carburador do tipo pressão descarrega combustível na corrente de ar a uma pressão bem acima da pressão atmosférica. Isso resulta em melhor vaporização e permite a descarga de combustível na corrente de ar no lado do motor da válvula do acelerador. Com o bocal de descarga nesta posição, a vaporização do combustível ocorre após o ar ter passado pela válvula borboleta e em um ponto onde a queda de temperatura é compensada pelo calor do motor. Assim, o perigo de formação de gelo por vaporização do combustível é praticamente eliminado. Os efeitos de manobras rápidas e ar agitado nos carburadores de pressão são desprezíveis, pois suas câmaras de combustível permanecem cheias em todas as condições de operação. 

Controle de Mistura 

Os carburadores são normalmente calibrados à pressão do ar ao nível do mar, onde a relação correta da mistura ar-combustível é estabelecida com o controle de mistura ajustado na posição FULL RICH. No entanto, à medida que a altitude aumenta, a densidade do ar que entra no carburador diminui, enquanto a densidade do combustível permanece a mesma. Isso cria uma mistura progressivamente mais rica que pode resultar em aspereza do motor e uma perda apreciável de potência. A aspereza normalmente é devido à incrustação da vela de ignição devido ao acúmulo excessivo de carbono nas velas. O acúmulo de carbono ocorre porque a mistura rica reduz a temperatura dentro do cilindro, inibindo a combustão completa do combustível. Esta condição pode ocorrer durante a preparação antes da decolagem em aeroportos de alta altitude e durante subidas ou voo de cruzeiro em altitudes elevadas. Para manter a mistura ar-combustvel correta, a mistura deve ser inclinada usando o controle de mistura. Inclinar a mistura diminui o fluxo de combustível, o que compensa a diminuição da densidade do ar em grandes altitudes.

Durante uma descida de grande altitude, a mistura ar-combustível deve ser enriquecida, ou pode se tornar muito pobre. Uma mistura excessivamente pobre causa detonação, o que pode resultar em operação irregular do motor, superaquecimento e/ou perda de potência. A melhor maneira de manter a mistura ar-combustível adequada é monitorar a temperatura do motor e enriquecer a mistura conforme necessário. O controle adequado da mistura e melhor economia de combustível para motores com injeção de combustível podem ser alcançados usando um medidor de temperatura dos gases de escape (EGT). Como o processo de ajuste da mistura pode variar de uma aeronave para outra, é importante consultar o manual de voo do avião (AFM) ou o POH para determinar os procedimentos específicos para uma determinada aeronave. 

Gelo do Carburador     

Como mencionado anteriormente, uma desvantagem do carburador tipo flutuador é sua tendência de formação de gelo. O gelo do carburador ocorre devido ao efeito da vaporização do combustível e da diminuição da pressão do ar no venturi, o que causa uma queda brusca de temperatura no carburador. Se o vapor de água no ar condensar quando a temperatura do carburador for igual ou inferior a zero, pode formar-se gelo nas superfícies internas do carburador, incluindo a válvula de aceleração.

A pressão de ar reduzida, assim como a vaporização do combustível, contribui para a diminuição da temperatura no carburador. Gelo geralmente se forma nas proximidades da válvula borboleta e na garganta do venturi. Isso restringe o fluxo da mistura ar-combustível e reduz a potência. Se gelo suficiente se acumular, o motor pode parar de funcionar. O gelo do carburador é mais provável de ocorrer quando as temperaturas estão abaixo de 70 graus Fahrenheit (°F) ou 21 graus Celsius (°C) e a umidade relativa está acima de 80%. Devido ao resfriamento repentino que ocorre no carburador, a formação de gelo pode ocorrer mesmo em temperaturas do ar externo de até 38 °C (100 °F) e umidade tão baixa quanto 50%. Essa queda de temperatura pode ser de 60 a 70 graus Fahrenheit absolutos (versus relativos) (70 x 100/180 = 38.

A primeira indicação de congelamento do carburador em uma aeronave com hélice de passo fixo é uma diminuição na rotação do motor, que pode ser seguida pela rugosidade do motor. Em uma aeronave com uma hélice de velocidade constante, o congelamento do carburador geralmente é indicado por uma diminuição na pressão do coletor, mas sem redução na rpm. O passo da hélice é ajustado automaticamente para compensar a perda de potência. Assim, uma rpm constante é mantida. Embora o gelo do carburador possa ocorrer durante qualquer fase do voo, é particularmente perigoso ao usar potência reduzida durante uma descida. Sob certas condições, o gelo do carburador pode se acumular despercebido até que a energia seja adicionada. Para combater os efeitos do gelo do carburador, os motores com carburadores do tipo flutuador empregam um sistema de aquecimento do carburador. 

Calor do Carburador 

O calor do carburador é um sistema anti-gelo que pré-aquece o ar antes de chegar ao carburador e destina-se a manter a mistura ar-combustível acima do congelamento para evitar a formação de gelo no carburador. O calor do carburador pode ser usado para derreter o gelo que já se formou no carburador se o acúmulo não for muito grande, mas usar o calor do carburador como medida preventiva é a melhor opção. Além disso, o calor do carburador pode ser usado como uma fonte de ar alternativa se o filtro de admissão entupir, como em condições repentinas ou inesperadas de congelamento da fuselagem. O calor do carburador deve ser verificado durante a partida do motor. Ao usar o calor do carburador, siga as recomendações do fabricante. 

Quando as condições são propícias ao congelamento do carburador durante o voo, verificações periódicas devem ser feitas para detectar sua presença. Se detectado, o calor total do carburador deve ser aplicado imediatamente e deve ser deixado na posição ON até que o piloto tenha certeza de que todo o gelo foi removido. Se houver gelo, aplicar calor parcial ou deixar o calor ligado por um tempo insuficiente pode agravar a situação. Em casos extremos de formação de gelo no carburador, mesmo após a remoção do gelo, o calor total do carburador deve ser usado para evitar mais formação de gelo. Se instalado, um medidor de temperatura do carburador é útil para determinar quando usar o calor do carburador. 

Sempre que o acelerador é fechado durante o voo, o motor esfria rapidamente e a vaporização do combustível é menos completa do que se o motor estiver quente. Além disso, nesta condição, o motor é mais suscetível ao congelamento do carburador. Se houver suspeita de condições de congelamento do carburador e a operação com acelerador fechado for antecipada, ajuste o aquecimento do carburador para a posição totalmente LIGADO antes de fechar o acelerador e deixe-o ligado durante a operação com acelerador fechado. O calor ajuda a vaporizar o combustível e ajuda a prevenir a formação de gelo no carburador. Periodicamente, abra o acelerador suavemente por alguns segundos para manter o motor aquecido; caso contrário, o aquecedor do carburador pode não fornecer calor suficiente para evitar a formação de gelo.

O uso do calor do carburador causa uma diminuição na potência do motor, às vezes até 15%, porque o ar aquecido é menos denso do que o ar externo que entrava no motor. Isso enriquece a mistura. Quando o gelo está presente em uma aeronave com hélice de passo fixo e calor do carburador está sendo usado, há uma diminuição na rpm, seguida por um aumento gradual na rpm à medida que o gelo derrete. O motor também deve funcionar mais suavemente após a remoção do gelo. Se não houver gelo, a rotação diminui e permanece constante. Quando o calor do carburador é usado em uma aeronave com hélice de velocidade constante e gelo está presente, nota-se uma diminuição na pressão do coletor, seguida de um aumento gradual. Se o gelo do carburador não estiver presente, o aumento gradual na pressão do coletor não é aparente até que o aquecimento do carburador seja desligado.

É imperativo que um piloto reconheça o gelo do carburador quando ele se forma durante o voo para evitar uma perda de potência, altitude e/ou velocidade do ar. Esses sintomas podem às vezes ser acompanhados por vibração ou rugosidade do motor. Uma vez que uma perda de potência é notada, ações imediatas devem ser tomadas para eliminar o gelo já formado no carburador e para evitar a formação de mais gelo. Isso é feito aplicando calor total no carburador, o que reduzirá ainda mais a potência e pode causar aspereza do motor à medida que o gelo derretido passa pelo motor. Esses sintomas podem durar de 30 segundos a vários minutos, dependendo da gravidade do gelo. Durante este período, o piloto deve resistir à tentação de diminuir o uso de calor do carburador. O calor do carburador deve permanecer na posição totalmente quente até que a energia normal retorne. 

Como o uso do calor do carburador tende a reduzir a potência do motor e aumentar a temperatura de operação, o calor do carburador não deve ser usado quando a potência total é necessária (como durante a decolagem) ou durante a operação normal do motor, exceto para verificar a presença de , ou para remover o gelo do carburador. 

Medidor de temperatura do ar do carburador 

Algumas aeronaves são equipadas com um medidor de temperatura do ar do carburador, que é útil para detectar possíveis condições de formação de gelo. Normalmente, a face do medidor é calibrada em graus Celsius com um arco amarelo indicando as temperaturas do ar do carburador onde pode ocorrer formação de gelo. Esse arco amarelo normalmente varia entre –15 °C e +5 °C (5 °F e 41 °F). Se a temperatura do ar e o teor de umidade do ar forem tais que o congelamento do carburador seja improvável, o motor pode ser operado com o indicador na faixa amarela sem efeitos adversos. Se as condições atmosféricas forem propícias ao congelamento do carburador, o indicador deve ser mantido fora do arco amarelo pela aplicação de calor no carburador. 

Certos medidores de temperatura do ar do carburador têm um radial vermelho que indica a temperatura máxima permitida do ar de entrada do carburador recomendada pelo fabricante do motor. Se presente, um arco verde indica a faixa operacional normal. 

Medidor de temperatura do ar externo 

A maioria das aeronaves também está equipada com um medidor de temperatura do ar externo (OAT) calibrado em graus Celsius e Fahrenheit. Ele fornece a temperatura do ar externo ou ambiente para calcular a velocidade real e é útil na detecção de possíveis condições de formação de gelo. 

Sistemas de injeção de combustível 

Em um sistema de injeção de combustível, o combustível é injetado diretamente nos cilindros, ou logo à frente da válvula de admissão. A entrada de ar para o sistema de injeção de combustível é semelhante à usada em um sistema de carburador, com uma fonte de ar alternativa localizada dentro da carenagem do motor. Esta fonte é usada se a fonte de ar externa estiver obstruída. A fonte de ar alternativa geralmente é operada automaticamente, com um sistema manual de backup que pode ser usado se o recurso automático apresentar mau funcionamento. 

Um sistema de injeção de combustível geralmente incorpora seis componentes básicos: uma bomba de combustível acionada pelo motor, uma unidade de controle ar-combustível, um coletor de combustível (distribuidor de combustível), bicos de descarga, uma bomba de combustível auxiliar e indicadores de pressão/fluxo de combustível. 

A bomba auxiliar de combustível fornece combustível sob pressão à unidade de controle ar-combustível para partida do motor e/ou uso de emergência. Após a partida, a bomba de combustível acionada pelo motor fornece combustível sob pressão do tanque de combustível para a unidade de controle ar-combustível. 

Esta unidade de controle, que substitui essencialmente o carburador, mede o combustível com base na configuração de controle de mistura e o envia para a válvula do coletor de combustível a uma taxa controlada pelo acelerador. 

Depois de atingir a válvula do coletor de combustível, o combustível é distribuído para os bicos de descarga de combustível individuais. Os bicos de descarga, localizados em cada cabeçote, injetam a mistura ar-combustível diretamente em cada porta de admissão do cilindro. 

Um sistema de injeção de combustível é considerado menos suscetível ao congelamento do que um sistema de carburador, mas o impacto do gelo na entrada de ar é uma possibilidade em qualquer sistema. A formação de gelo de impacto ocorre quando o gelo se forma no exterior da aeronave e bloqueia as aberturas, como a entrada de ar para o sistema de injeção. 

A seguir estão as vantagens do uso de injeção de combustível: 

• Redução no gelo evaporativo 

• Melhor fluxo de combustível 

• Resposta mais rápida do acelerador 

• Controle preciso da mistura 

• Melhor distribuição de combustível 

• Partidas mais fáceis em climas frios       

A seguir estão as desvantagens do uso de injeção de combustível: 

• Dificuldade em ligar um motor quente 

• Bloqueios de vapor durante operações terrestres em dias quentes 

• Problemas associados à reinicialização de um motor que desliga devido à falta de combustível