Kestrel Automotriz: Ciclo Otto

Ciclo Otto y Diesel análisis termodinámico

Kestrel Automotriz julio 20, 2022

En la entrada del motor de combustión interna explicamos algunas diferencias entre el ciclo Otto y Diesel en relación al funcionamiento del motor de gasolina y diesel. En esta entrada vamos a centrarnos en el análisis termodinámico de ambos ciclos.

Los motores de combustión interna, en un análisis termodinámico, se consideran máquinas térmicas generadoras de energía mecánica. Tanto el ciclo Otto como el Diesel se encuentran dentro de este conjunto, sin embargo, vamos a diferenciar entre:

Motores de encendido provocado (MEP)

Motores de encendido por compresión (MEC)

Aquellos motores en los que la compresión se realiza mediante la mezcla aire-combustible reciben el nombre de motores de encendido provocado y siguen el ciclo Otto. En este tipo de motores el encendido se ha de provocar de manera artificial (generalmente con una chispa).

Aquellos motores en los que la compresión se realiza sólo con aire se denominan motores de encendido por compresión y siguen el ciclo Diesel. En este tipo de motores, el aire pasa directamente a los cilindros donde se comprime hasta temperaturas muy elevadas. Posteriormente se inyecta el combustible que se inflama espontáneamente al superarse su temperatura de autoinflamación.

Entendido esto, podemos deducir si nuestro motor trabaja con ciclo Otto o Diesel. Si el motor dispone de bujía para producir la chispa, tenemos un motor de encendido provocado (Otto) (para entendernos, motor de gasolina), si la combustión se realiza mediante inyección del combustible, tenemos un motor de encendido por compresión (Diesel) (motor diesel).

A continuación vamos a centrarnos en el análisis termodinámico de ambos ciclos.

En un ciclo Otto, se toma calor del proceso de combustión (a volumen constante) y se cede calor a la atmósfera. Las transformaciones del ciclo son:

Ciclo Otto

1-2 Expansión adiabática: Se realiza trabajo sin intercambio de calor, disminuyendo su energía interna

2-3 Expansión isócora: Se cede calor al foco frío (Q2). No se realiza trabajo. La entropía disminuye

3-4 Compresión adiabática: Se consume trabajo sin intercambio de calor y aumenta su energía interna

4-1 Compresión isócora: Se toma calor Q1. No se realiza trabajo y aumenta la energía interna

El rendimiento del ciclo Otto será:

Donde:

ε=relación de compresión volumétrica

relacion compresion

γ=coeficiente adiabático= 1,4

El rendimiento depende del grado de compresión, cuanto mayor sea, mayor será el rendimiento.

En el ciclo Diesel la combustión se realiza teóricamente a presión constante y por superación del grado de autoinflamación del combustible. Las transformaciones del ciclo son:

Ciclo Diesel

1-2 Expansión adiabática: Se realiza trabajo sin intercambio de calor

2-3 Expansión isócora: Se cede calor al foco frío (Q2). No se realiza trabajo

3-4 Compresión adiabática: Se necesita absorber trabajo para llegar a la T de autoinflamación

4-1 Expansión isóbara: Se absorbe calor Q1 y se realiza trabajo

El rendimiento del ciclo Diesel será:

Donde:

ρ=grado de combustión a presión constante

grado combustion

El rendimiento del ciclo Diesel dependerá de ρ y ε

Según el teorema de Carnot, “No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas“. Por lo tanto, el rendimiento de los ciclos mencionados será siempre menor al rendimiento de Carnot.

Algunos cálculos realizados por la Universidad de Sevilla, demuestran que la eficiencia máxima de un motor teórico perfecto de gasolina con relación de compresión 8:1 es de un 56,5%.

Para el ciclo Diesel, que permite relaciones de compresión mayores, su rendimiento perfecto para una relación de compresión de 18:1 sería de un 63,2%.

Estos estudios se realizaron para motores teóricamente perfectos, por lo que en la realidad no se construyen motores que se acerquen a estos valores de rendimiento, debido a rozamientos, pérdidas por bombeo, etc.

Con ello quiero decir que en el diseño de un motor térmico, el objetivo no puede ser convertir toda la energía química en movimiento, sino intentar no desperdiciar mucho más de la mitad, en el mejor de los casos.

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Motor de ciclo cuatro tiempos

Kestrel Automotriz julio 20, 2022

Un motor de cuatro tiempos es un motor de combustión interna alternativo tanto de ciclo Otto como ciclo del diésel, que precisa cuatro carreras del pistón o émbolo (dos vueltas completas del cigüeñal) para completar el ciclo termodinámico de combustión. Estos cuatro tiempos son: admisión, compresión, combustión o explosión y escape.

Si es necesario un reemplazo no programado de las bujías, use solo las bujías recomendadas para el motor .

Motor de cuatro tiempos.

Esto evitará fallos del motor, una disminución de su potencia, un deterioro de la respuesta del acelerador, un aumento del contenido de sustancias nocivas en los gases de escape y la interferencia con la recepción de radio. Características especialmente importantes de las velas: el número de electrodos, el número de brillo, en algunos casos la capacidad de no interferir con la recepción de radio.

El funcionamiento normal de las bujías es una de las condiciones más importantes para el funcionamiento eficiente del motor. Instale únicamente bujías especificadas de fábrica en el motor. Las bujías rara vez se limpian cuando el motor está en buenas condiciones de funcionamiento.

En 1861, el alemán Otto experimentó con su primer motor a gas de 4 tiempos que tuvo que abandonar debido a dificultades técnicas. En 1867 los alemanes Otto y Langen idearon un motor de gasolina de 4 tiempos, con la ignición de la mezcla comprimida, que presentaron el año siguiente en París. El gran acierto de Otto fue provocar la chispa en la mezcla comprimida en lugar de solo aspirada, lo que aumentó tanto la eficiencia como el rendimiento del motor.

Aquí se detallan los diferentes tiempos (actividades realizadas durante el ciclo) y sus características.

Ciclo teórico de un motor de combustión interna.

1. Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado (MEP) o el aire en motores de encendido por compresión (MEC). La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º. La válvula de admisión se encuentra abierta y la carrera que realiza el pistón es descendente.

2. Segundo tiempo o compresión: al llegar al final de la carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.

3. Tercer tiempo o explosión/expansión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado o de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta a través del inyector el combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas gira 90º respectivamente, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.

4. Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas gira 90º.

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Funcionamiento de un motor en ciclo práctico

Kestrel Automotriz julio 20, 2022

Ciclo práctico

El comportamiento de un motor durante su fases o tiempos de trabajo no se realiza con la exactitud del ciclo teórico expuesto, hay unos factores que hacen que el trabajo desarrollado por el ciclo teórico descrito sea menor, la mezcla no entra en el cilindro de forma instantánea, el llenado no es perfecto a la presión atmosférica, hay pérdidas de calor y no se consiguen las presiones teóricas expuestas, son ligeramente inferiores, la superficie útil del diagrama indicador en el ciclo práctico es inferior a la del ciclo teórico.

La diferencia es que en la práctica, el ciclo no se realiza completamente como menciona el ciclo teórico en cuanto a los movimientos de cierre y apertura de las válvulas, ya que existe un desfase en el momento en que los pistones pasan por los puntos muertos.

Para mejorar el rendimiento del motor las válvulas de admisión y escape no se abren y cierran en los puntos muertos superior e inferior, se modifican sus tiempos de apertura y cierre.

La explosión no es instantánea, tarda un cierto tiempo en producirse, muy pequeño, pero las grandes velocidades que adquiere el pistón en su movimiento hacen que sea preciso para modificar el momento en que se produce la chispa de encendido. Todo ello contribuye a que en la práctica el motor de explosión funcione de la siguiente forma:

Primer tiempo: Admisión

Tiempo de admisión en ciclo real

Durante este tiempo el llenado del cilindro no se produce a la presión atmosférica, sino con un valor menor. Por muy bien que ajusten los segmentos en el cilindro el vacío que produce el pistón no es perfecto, siempre hay pérdidas; además el recorrido de los gases está sujeto a roces en las paredes del colector de admisión, que hacen que el llenado no sea perfecto y que la presión interior del cilindro esté por debajo de la atmosférica.

Para remediar en parte estas pérdidas, la válvula de admisión, se abre antes de que el pistón llegue al PMS (AAA), unos 20º aproximados, de promedio, de giro de cigüeñal, cuando ya finalizaba el tiempo del escape, dependiendo del tipo de motor. La mezcla así empieza a entrar antes en el cilindro. Esta cota en algunos motores no existe, Audi A3, Mercedes Benz Sprinter 601-602, retrasan incluso el momento de apertura, existe un RAA, se abre la válvula de admisión cuando ya baja el pistón.

Es general en todos los motores que exista retraso al cierre de la admisión RCA: la válvula de admisión se cierra después de que el pistón pase por el PMI. Durante la carrera descendente del pistón los gases siguen entrando y la inercia adquirida por los mismos hace que se siga llenando el cilindro aún después de que el pistón pase por el PMI, manteniendo la válvula de admisión abierta. Se relacionan unos ejemplos de motores actuales con las cotas dadas por el fabricante a las válvulas de admisión, en las que se aprecia la innovación que supone, con respecto a motores más antiguos, el comentado RAA (Retraso a la apertura de la Admisión).

En la figura 1.8 se representa el valor de la presión interna de los gases, según la posición del pistón.

Se abre la válvula de Admisión 5" después de que el pistón pase por el PMS los gases contenidos en el colector de admisión entran cuando el pistón ha empezado a bajar, creando una depresión tal que al abrir la válvula se acelera la entrada de gases. Existe un RCA de 25°, la inercia adquirida por los gases hace que sigan entrando al cilindro aun cuando el pistón sube haciendo ya compresión.

Segundo Tiempo: Compresión

Segundo tiempo de compresión en un ciclo práctico.

Igual en el ciclo teórico y práctico, los gases son reducidos a la cámara de compresión. Las pérdidas de calor que se producen hacen que la presión interior disminuya con respecto al ciclo teórico, alcanzándose valores de 9 Kp/cm² a 10 Kp/cm² (Fig. 1.9).

Tercer tiempo: Explosión

Tercer tiempo de explosión en ciclo práctico.

La chispa de encendido salta antes de que el pistón llegue al PMS del tiempo de compresión. Hay que considerar que la explosión no es instantánea, tarda un cierto tiempo. Al saltar la chispa se explosionan las capas de mezcla más próximas a la bujía, el frente de llama avanza hacia las capas más alejadas. Con el objeto de que la expansión de los gases se aproveche al máximo, se hace saltar la chispa unos grados de giro antes de que el pistón llegue al PMS así mientras se comunica la explosión a toda la mezcla, el pistón se sitúa en el PMS empezando a bajar, momento ideal para recibir la onda expansiva (Fig. 1.10).

Cuarto Tiempo: Escape

El último tiempo es el escape o salida de gases quemados.

Es general en todos los motores un cierto avance a la apertura del escape (A.A.E), del orden de 18° a 37°. Es tendencia actual, avanzar el cierre del escape A.C.E, con lo que se disminuye o se evita el giro de Solape (las dos válvulas abiertas al mismo tiempo), que se producía con la cota de R.C.E, que existía y aún existe en motores menos actuales. Se citan algunos ejemplos de motores actuales con las cotas de reglaje en las válvulas de escape y su comparación con las válvulas de admisión (Fig. 1.11):

En el primer caso hay 2° de Solape: la válvula de Escape se cierra 3° antes del PMS, y la de Admisión se abre 5° antes del PMS, luego están 2° de giro del cigüeñal abiertas. En el segundo caso no coinciden, no hay solape. Peugeot 1,6 y 16 Válvulas ME 18º y 14º ACE 8º y 4 RAA 1º

Y 5º No hay solape.

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Motor de cuatro tiempos | a volumen constante

Kestrel Automotriz julio 20, 2022

El ciclo de cuatro tiempos | a volumen constante

Para que el motor funcione por sí solo es necesario que el pistón haga alternativamente cuatro recorridos: dos de arriba y dos de abajo arriba. En cada uno de ellos ocurre en el interior del cilindro una operación distinta, que se ilustra en la figura. Y por eso se llama ciclo de cuatro tiempos o de ciclo otto, que fue su realizador. Para comprender esas cuatro fases suponemos el motor girando.

El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape.

Motor de ciclo otto de cuatro tiempos.

PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN

Primer tiempo ingreso de aire atmosférico.

El pistón se encuentra en el PMS y comienza a descender creando un vacío en el cilindro, cuyo espacio libre aumenta a medida que desciende el pistón. La mezcla de aire-gasolina proporcionada por el sistema de alimentación a través de colector de admisión y de válvula de admisión va llenando ese vacío que se produce en el cilindro. Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión. En este tiempo el cigüeñal ha girado media vuelta. Si representamos en un eje de coordenadas los valores de la presión interior del cilindro alcanzada por los gases y el volumen que ocupa el pistón desde el PMS al PMI, vemos que en este tiempo teóricamente los gases han entrado a la presión atmosférica de 1.033Kg/cm², debido a la presión está representado por la recta A, que se llama isobara.

SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN

Segundo tiempo compresión de aire.

El pistón sube del PMI al PMS, manteniéndose las válvulas cerraras. Los gases que llenaron al interior del cilindro se comprimen y se disponen de un espacio cada vez mas reducido, lo que hace la presión interior y la temperatura de los mismos se eleve. Cuando el pistón llega al PMS esos gases ocupan el espacio de la cámara de compresión en la culata a una presión de 11kg/cm² aproximadamente (Según los tipos de motor).

Se ha producido una compresión adiabática C2, es decir, que el interior y el exterior de ese recinto acotado no se puede producir intercambio de calor. La temperatura de los gases se ha elevado. El cigüeñal ha girado otra media vuelta.

TERCER TIEMPO: EXPLOSIÓN

Tercer tiempo explosión de la mezcla aire-gasolina.

Los gases están comprimidos en a cámara de compresión y con el pistón en el PMS salta una chispa en la bujía que produce la explosión (Teóricamente instantánea) de la mezcla; una explosión que empuja al pistón hacia abajo, transmitiéndose a través de la biela un fuerte giro al cigüeñal, giro que a su vez recibe el volante, almacenando una energía que después devolverá en los tiempos muertos de escape, admisión y compresión. En esta fase, las válvulas han permanecido cerradas. Se a producido una carrera motriz, un tiempo efectivo, el único que produce energía para que el cigüeñal gire otra media vuelta. Los otros tres tipos son preparatorios de éste. De los cuatro tiempos, sólo el de explosión produce energía.

La presión interior de los gases comprimidos se ha elevado con la explosión, teóricamente y de forma instantánea a 50 a 60 Kp/cm² cuando el pistón se encuentra en el PMS. Se dice que esto ciclo es a “volumen constante” por que se produce la explosión con el pistón en el PMS, sin que se cree más presión cuando el pistón baja; es como un golpetazo que recibe el mismo. El ciclo diésel es distinto a la de motor de ciclo otto.

El pistón desciende hasta el PMI produciéndose una expansión adiabática. Las válvulas se mantienen cerradas y al final la presión tiene un valor P, hasta que se abren la o las válvulas de escape y la presión se iguala con la atmosférica.

CUARTO TIEMPO: ESCAPE

Cuarto tiempo expulsión de gases quemados.

Con el pistón en el PMI se abre la válvula de escape y se reduce la presión interior del cilindro de P a P presión atmosférica. El pistón sube empujando los gases quemados hacia la salida del múltiple de escape, conservándose el valor de la presión. El cigüeñal ha dado otra media vuelta. En el tiempo de escape, pues, se vacía la cámara de combustión dando la salida de los gases residuales que originó la explosión de la mezcla aire/combustible. En el PMS se cierra la válvula de escape y vuelve ha empezar el ciclo. La superficie S del diagrama da idea del trabajo desarrollado por el motor: cuando mayor sea mayor la superficie, mayor trabajo se ha realizado y más potencia erogará el motor. Línea E, isobara representa el tiempo de escape. El cigüeñal ha dado dos vueltas en el ciclo y hemos obtenido sólo una explosión o carrera motriz útil.

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Descripción de motor de un cilindro

Kestrel Automotriz julio 20, 2022

Dentro de cada cilindro y ajustándose a sus paredes, se desliza alternativamente arriba y abajo un pistón o émbolo, que mediante una biela, articulada en ambos extremos, se enlaza a la muñequilla o codo del cigüeñal, que es el eje giro de rotación, transformada en la caja de velocidades, y se transmite a las ruedas.

Partes internas de un motor.

Cuando al pistón recibe en su parte superior (cabeza) la fuerza ocasionada por la explosión de la mezcla aire gasolina en la cámara de combustión, se ve impelido con fuerza hacia abajo y ese movimiento lineal rectilíneo de sube y baja se convierte, por medio de la biela, en movimiento circular (giro del cigüeñal) Recíprocamente ocurre que si el cigüeñal gira, el pistón a el enlazado por la biela tendrá que moverse arriba y abajo dentro del cilindro. La posesión más baja del codo corresponde al punto mas bajo del recorrido del émbolo, justo donde cambia de dirección su movimiento lineal rectilíneo, pues si el cigüeñal sigue girando, el pistón, que antes bajaba, tendrá que subir.

Comparación el de como gira un motor.

Esta posición más baja y conjunta del codo y del pistón se llama punto muerto inferior (PMI). Cuando el codo del cigüeñal esta lo más alto posible de su recorrido, también lo está el pistón y en ese punto cambia nuevamente de sentido su movimiento, puesto que el cigüeñal continúa girando y obliga a la biela y está al pistón. Ese es el punto muerto superior (PMS). El recorrido del pistón de l PMS al PMI se llama carrera.

Hay, además, montada en el cigüeñal, una rueda de peso, el volante de inercia, del que vamos a aclarar.