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CAPITULO 2

CICLOS REALES DE LOS MOTORES DE AUTOMVIL

2.1 GENERALIDADES

Los motores de automvil en condiciones de explotacin trabajan en una amplia zona de variacin del rgimen de velocidad. La frecuencia de rotacin del cigeal en el rgimen de funcionamiento depende del tipo de motor. Por ejemplo, para un Diesel de un camin dicho parmetro flucta entre 8003000 rpm. y ms; para el Diesel de un automvil ligero, hasta 45005000 rpm. y para un motor de encendido por chispa 8006000 rpm. Para las frecuencias de rotacin indicadas en los motores de cuatro tiempos cada ciclo se efecta en 0,150,02 s y en los motores de dos tiempos dura 2 veces menos.

En este intervalo de tiempo debern efectuarse los siguientes procesos: el suministro del combustible y aire al cilindro, la compresin la evaporacin del combustible y su mezcla con el aire, la ignicin de la mezcla aire-combustible y su combustin que conduce a elevar la temperatura y presin de los gases, la expansin (carrera de trabajo) y la expulsin de los gases quemados. Para todos estos procesos es caracterstico que los parmetros trmicos y gasodinmicos varen en el curso de su realizacin. El tiempo asignado para efectuar cada uno de los procesos mencionados no es el mismo. La mayor parte del tiempo, especialmente en los motores de cuatro tiempos, se concede a los procesos de admisin y escape de los gases quemados, la

menor al proceso de combustin.

Para asegurar alta efectividad del ciclo se debe prestar especial atencin a los procesos de formacin de la mezcla aire-combustible y a su combustin.

En los motores de encendido por chispa el proceso de formacin de la mezcla aire-combustible comienza anticipadamente en el proceso de admisin. En caso de emplear combustible lquido (gasolina) al flujo de aire en movimiento se introducen gotas de combustible que han aparecido como consecuencia de la desintegracin del chorro que sale del surtidor. La calidad de pulverizacin depende de la relacin entre las velocidades de movimiento del aire y del combustible, as como de la turbulencia que surge al pasar la mezcla aire-combustible por el mltiple de admisin, por el conducto de admisin en la culata del motor y a travs de la vlvula.

En el motor de carburador cuanto mayor sea la velocidad de movimiento del aire en el difusor del carburador tanto mejor ser la pulverizacin. La disminucin de las gotas, es decir, una pulverizacin ms fina tiene gran importancia en los motores con formacin externa de la mezcla, ya que acelera el proceso de vaporizacin del combustible. Al mismo tiempo disminuye la cantidad de combustible que se sedimenta sobre las paredes del sistema de admisin, formando una pelcula que se desplaza y se evapora con menor intensidad.

El proceso de combustin transcurre slo en la fase gaseosa. Por lo tanto, para realizarlo es menester que el combustible se evapore previamente. La vaporizacin del combustible en los motores con formacin externa de la mezcla transcurre en un lapso de tiempo relativamente largo en el proceso de admisin y compresin y fina-liza en el instante en que aparece la chispa elctrica (cuando el pistn est cerca del P.M.S.). Es evidente que cuanto menor sea el dimetro de las gotas tanto mayor ser su superficie total y sustancialmente mayor ser la velocidad de vaporizacin. El calor necesario para evaporar el combustible en el conducto de admisin se transmite de la carga de aire. Para una vaporizacin ms completa del combustible en el sistema de admisin se calienta la tubera de admisin con agua caliente que circula en el motor o con los gases de escape. Debido a estas condiciones y al movimiento acelerado del aire la velocidad de vaporizacin aumenta.

Para garantizar el proceso oportuno de combustin en el motor con formacin externa de la mezcla es preciso que al final de la compresin en todo el volumen de la cmara de combustin se forme una mezcla aire-combustible homognea.

En los motores a gas el proceso de mezclado del combustible con el aire es ms sencillo. Incluso, empleando gas licuado, despus de salir del intercambiador-evaporador, el gas pasa al estado gaseoso y unindose con el aire en el mezclador forma una mezcla homognea ya en el proceso de admisin. El mezclado ms rpido del combustible gaseoso con el aire se explica tambin por el hecho de que la relacin entre los vapores de gas y del aire para el gas natural, siendo la composicin de la mezcla estequiomtrica, es aproximadamente 1. : 9 (para la mezcla de vapores de gasolina con el aire esta relacin es aproximadamente igual a 1 : 50).

En el motor Diesel la mezcla aire-combustible se forma en corto tiempo. La duracin de este proceso es 2030 veces menor que en el motor de carburador. El combustible se inyecta a la cmara de combustin al final de la compresin cuando la posicin del pistn est aproximadamente a 20 25 del P.M.S. y un poco antes de la inflamacin de la mezcla aire-combustible y de su combustin. La duracin total de la inyeccin alcanza 20-35 del ngulo de rotacin del cigeal. En el periodo de retraso de la inflamacin (vase ms adelante) se produce el calentamiento, vaporizacin de parte del combustible inyectado y recalentamiento de los vapores del combustible hasta la temperatura, a la cual se inflama.

2.2. CICLO DE CUATRO TIEMPOS

Fig. 2. Diagramas indicados de un motor Diesel de cuatro tiempos sin sobrealimentacin, en coordenadas p a del ciclo; b del proceso de intercambio de gases

En el motor Diesel de cuatro tiempos (fig. 2) cuando est abierta la vlvula de admisin (punto 1) al cilindro no entra nada ms que aire. Lo mismo que en el motor de carburador,. despus de cerrarse la vlvula de admisin (punto 2), y mientras el mbolo se desplaza hacia el P.M.S., en el cilindro tiene lugar la compresin, existiendo intercambio de calor entre el aire admitido y las paredes del cilindro. A diferencia del motor de carburador, en este caso se comprime solamente el aire y los gases residuales.

El punto 3 del diagrama indicado corresponde al instante en que empieza a inyectarse el combustible a la cmara de combustin. En este instante la temperatura del aire comprimido es superior a aquella en que el combustible puede inflamarse sin necesidad de fuente de encendido extraa.

Despus de un cierto perodo, en el curso del cual el combustible inyectado se prepara para la inflamacin (perodo de retardo del encendido), se produce la ignicin y luego el combustible arde intensamente. La combustin va acompaada al principio de un aumento brusco de la presin (tramo cz ) , y despus, durante un perodo de tiempo no muy grande, en el tramo zz transcurre casi a presin. constante. La expansin termina en el instante en que se abre la vlvula de escape (punto 4).

El escape de los gases quemados en el motor Diesel se efecta de la misma manera que en el motor de carburador.

2.3. CICLO DE DOS TIEMPOS

Veamos el ciclo en un motor Diesel de dos tiempos con barrido por lumbreras. El diagrama indicado que caracteriza el ciclo en este motor Diesel se muestra en la fig. 3. La inyeccin del combustible, su pulverizacin, la mezcla con el aire, el encendido y la combustin se realizan de la misma manera que en el motor Diesel de cuatro tiempos. Al finalizar la expansin, aproximadamente a 45 50 del P.M.I. (punto 1), cuando la presin en el cilindro es 0,30,5, MPa el pistn abre las lumbreras de escape y comienza

Fig. 3. Diagramas indicados de un motor Diesel de dos tiempos:

a del ciclo; b del proceso de intercambio de gases; St carrera de trabajo del pistn; Sp parte de la carrera del pistn que se utiliza para el Intercambio de gases.

la salida de los gases quemados. Como resultado de esto la presin en el cilindro desciende y en el punto 3 se hace inferior a la presin pk, creada por el compresor. En este instante el mbolo abre las lumbreras de admisin y a travs de ellas empieza a penetrar el aire a presin pk que empuja los productos de la combustin a travs de las lumbreras de escape. Cuando el pistn se desplaza hacia el P.M.S. cierra al principio las lumbreras de barrido, interrumpiendo el ingreso de aire desde el compresor al cilindro. Mientras tanto, a travs de las lumbreras de escape contina la salida de los gases quemados, terminndose en el punto 2, cuando el pistn en su movimiento hacia el P.M.S. cierra las lumbreras de escape. Desde este instante comienza el proceso de compresin. Del anlisis del ciclo de funcionamiento del motor de dos tiempo se deduce que el intercambio de gases (admisin de carga fresca y escape de los gases quemados) se efecta solamente cuando el pistn se

Fig.4 Esquemas del proceso de intercambio de gases, empleados en los motores de 2 tiempos: 1lumbreras de barrido; 2lumbreras de escape; 3inyector; 4vlvula de escape.

mueve en las proximidades del P.M.I. Los gases quemados se barren del cilindro durante un corto espacio de tiempo en que el volumen vara en la magnitud Vp . Para el barrido del cilindro se utiliza aire que ingresa al cilindro desde el compresor. Parte del aire, durante el barrido, se expulsa junto con los gases quemados a travs de las lumbreras de escape. En los motores de carburador de dos tiempos el barrido del cilindro se efecta por la mezcla aire-combustible y conjuntamente con el aire se expulsa del cilindro combustible sin quemar.

En los motores de dos tiempos se emplean diversos esquemas de intercambio gaseoso. En la fig. 4, a se representa el esquema del barrido transversal, en bucles, con lumbreras de admisin y escape dispuestas en paralelo, utilizado en los motores para motocicletas,. donde la cmara de manivelas (crter) sirve de compresor.

En el barrido transversal, en bucles o U invertida, (fig. 4, b) con disposicin excntrica de las lumbreras de admisin, el aire del compresor entra por las lumbreras situadas a ambos lados de las de escape. La inclinacin de los ejes de las lumbreras de admisin origina un movimiento orientado del aire, con el cual se mejora la limpieza del cilindro de los productos de combustin. Este esquema se emplea en algunos motores de automvil.

En el caso de barrido uniflujo con lumbreras y vlvulas (fig. 4, c) , como por ejemplo en el motor YaMZ-204, los gases quemados salen a travs de las vlvulas mientras que el soplado se efecta por las lumbreras.

En la fig. 4, d se representa el esquema de barrido uniflujo en un motor con pistones que realizan carreras opuestas (uno rige las lumbreras de admisin y el otro las de escape), este esquema asegura alta calidad de barrido de los gases quemados del cilindro y su llenado con carga fresca.

2.4 PROCESOS DEL CICLO REAL

Del anlisis realizado se deduce que los ciclos reales en los motores a pistn constan de los siguientes procesos: el intercambio de gases, que incluye el escape de los gases quemados, el barrido de la cmara de combustin y la admisin de la carga fresca (aire en el motor Diesel o mezcla de aire-combustible en los motores de encendido por chispa); la compresin, que va acompaada con elevacin de la energa interna del fluido operante; la combustin, acompaada de desprendimiento de calor y la expansin (carrera de trabajo).

El carcter con que transcurren los procesos de compresin, combustin y expansin no depende del nmero de tiempos del motor, sino que se define solamente del modo de organizacin del proceso de formacin de la mezcla y del encendido de la misma. El proceso de intercambio de gases depende del nmero de tiempos del motor. En el de cuatro tiempos su duracin abarca ms de dos carreras del pistn; en el de dos tiempos, slo parte de una carrera del pistn.

En los diagramas indicados, el punto 2 corresponde a la finalizacin del proceso de admisin y al comienzo de la compresin real. Para evaluar los parmetros al final de la compresin, tomando en consideracin el comienzo real de este proceso, as como la relacin de compresin geomtrica, referida al volumen total,

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se emplea la relacin de compresin real

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donde Vh es el volumen de trabajo, para la posicin del pistn en el instante de comenzar el proceso de compresin.

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