Tema 10 .- CICLOS TERICOS Y REALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIN

INTERNA

10.1.- Definiciones

Punto muerto superior (P. M. S.) - Posicin del pistn ms cercana a la cabeza del cilindro.

Punto muerto inferior (P. M. I.) - Posicin del pistn ms lejana de la cabeza del cilindro.

Dimetro o calibre (D). Dimetro interior del cilindro. Medido generalmente en mm.

Carrera (s). Distancia entre el P.M.S. y el P.M.I., igual, salvo en raras ocasiones, al doble del radio de manivela

del cigeal.

Volumen total del cilindro (V1): Volumen comprendido entre la cabeza o culata y el pistn cuando este est en el

P.M.I., medido generalmente en cm3 o en litros.

Volumen de la cmara de combustin o volumen de espacio libre (V2): Volumen comprendido entre la cabeza y

el pistn cuando este est en el P.M.S. medido generalmente en cm3 o en litros

Volumen desplazado por el pistn o cilindrada unitaria (V1 V2): Volumen generado por el pistn en movimiento desde el P.M.S. al P.M.I. medido generalmente en cm

3 o en litros

Relacin volumtrica de compresin (): relacin entre el volumen total del cilindro V1 y el volumen de la cmara de combustin V2,. Generalmente se la llama simplemente relacin de compresin:

2

1

V

V zS

DVVVc

4

2

21

z= Nmero de cilindros

10.2. Ciclo operativo de 4 tiempos

Por ciclo operativo entendemos la sucesin de operaciones, o fases, que el fluido activo cumple en el cilindro y

repite peridicamente.

Los motores alternativos son de 4 tiempos cuando el ciclo se cumple con 4 carreras del pistn y de 2 tiempos

cuando el ciclo se cumple slo con dos carreras del pistn. Esto significa que los motores de 4 tiempos completan

un ciclo cada dos revoluciones del cigeal y los de 2 tiempos uno cada revolucin. Las 4 fases del ciclo de 4

tiempos son:

a) Admisin de la carga al cilindro.

b) Compresin de la carga.

c) Combustin y expansin.

d) Expulsin o escape de los productos de la combustin.

Cada fase corresponde aproximadamente a una carrera del pistn.

Fig. 10.1. Fases de un motor de 4 tiempos.

a) Admisin. - El pistn en la carrera hacia el P.M.I. crea una aspiracin del fluido hacia el cilindro. En la cmara

de combustin se abre en el momento oportuno la vlvula de aspiracin para permitir la entrada del aire o de la

mezcla gaseosa combustible. La vlvula comienza a abrirse antes del inicio de la carrera y se cierra despus que la

carrera se ha completado.

b) Compresin - Cerrada la vlvula de admisin, durante la carrera de regreso del pistn la carga es comprimida

en la cmara de combustin hasta un valor mximo que se alcanza en el P.M.S. En ese momento el volumen de la

carga se ha reducido a una fraccin del volumen que tena al comienzo de la carrera; esta fraccin es el valor

inverso de la relacin volumtrica de comprensin.

c) Combustin y expansin. - Poco antes del fin de la carrera de compresin se produce el encendido de la mezcla

por medio de una chispa elctrica, o bien el encendido espontneo del combustible inyectado en la cmara de

combustin, con el consiguiente repentino aumento de temperatura y de presin causado por el calor de la

combustin. El valor alcanzado por la presin despus del encendido es unas 2 a 4 veces superior al que se tena

inicialmente, por lo que el pistn es empujado hacia el P.M.I. Antes que la carrera de trabajo se haya completado

comienza a abrirse la vlvula de escape y los gases quemados. que aun estn a una cierta presin, comienzan a salir

del cilindro.

d) Escape. - Durante su carrera de regreso hacia el P.M.S. el pistn expulsa los gases quemados a travs de la

vlvula de escape. Al final de la carrera, o poco despus, se vuelve a cerrar la vlvula de escape; mientras tanto se

ha abierto nuevamente la de admisin y comienza un nuevo ciclo para continuar repitindose regularmente.

10.3. Ciclo operativo de 2 tiempos

En los motores de 2 tiempos el ciclo operativo se completa en dos carreras, por lo que la introduccin del fluido de

trabajo en el cilindro tiene lugar durante una fraccin de la carrera de trabajo. Para que esto se produzca es

necesario que el fluido se comprima previamente, de modo que pueda entrar en el cilindro mientras la descarga de

los gases quemados se efecta por su propia presin. En el ejemplo de la figura la compresin previa del fluido

que entra por la abertura B se produce en la cmara del cigeal (crter) por obra del pistn que funciona como

bomba por el lado inferior. La figura muestra cmo la distribucin del fluido de trabajo puede hacerse, sin

necesidad de vlvulas, mediante el mismo pistn que abre y cierra, durante sus carreras, unas lumbreras de

admisin y de escape. Muchos motores de 2 tiempos estn en cambio provistos de una vlvula de admisin

automtica interpuesta entre el carburador y la base.

a) El primer tiempo corresponde a la carrera de trabajo. Esta comienza con el encendido y la combustin y

prosigue con la expansin hasta cuando el pistn abre la lumbrera de escape.

Fig. 10.2. Fases de un motor de 2 tiempos.

Los gases quemados comienzan en este punto a salir por A a causa de su an elevada presin, creando en la masa

fluida una corriente dirigida hacia la salida: inmediatamente despus se abre tambin la lumbrera de admisin C y

el fluido de trabajo, empujado por la presin que adquiri en la cmara del cigeal, y adems aspirado por la

corriente de gases quemados que sale por A, entra en el cilindro. Se inicia as la fase de barrido y admisin, que

ocupa el resto de la carrera.

b) El segundo tiempo corresponde a la carrera de retorno del pistn al P.M.S. Durante el primer tramo de la

carrera, es decir, hasta cuando se cierra el paso C se completa la fase de barrido y admisin, durante el segundo se

realiza la fase de compresin.

Antes de completar la carrera, el borde inferior del pistn deja libre la lumbrera B de entrada del fluido en la cmara

del cigeal (crter); el fluido entra en ella a causa de la depresin que se crea por efecto del desplazamiento del

pistn, y es despus comprimido durante la carrera siguiente.

La figura representa esquemticamente las fases de un motor de 2 tiempos provisto de vlvula para el escape. A su

debido tiempo de hablar de las caractersticas funcionales de este sistema. El ciclo de dos tiempos ha sido

concebido para simplificar el sistema de distribucin, puesto que se eliminan las vlvulas o se reduce su nmero, y

para obtener una mayor potencia a igualdad de dimensiones del motor.

En efecto, se tiene una carrera til por cada giro del cigeal, por lo tanto la frecuencia de las carreras tiles es el

doble y en consecuencia la potencia producida resulta tericamente el doble de la de un motor de 4 tiempos de igual

cilindrada. El aumento de la frecuencia de las carreras tiles presenta sin embargo problemas de carcter trmico

derivados de la mayor temperatura media de las piezas del motor. Puede citarse como ejemplo la posibilidad de

rotura de la pelcula de aceite lubricante con dao a los pistones y los cilindros. La velocidad del motor de 2

tiempos tiene que ser por esto, en general, inferior a la que sera necesaria para obtener una potencia el doble que la

de un motor de 4 tiempos de igual cilindrada terica.

10.4. Las principales diferencias entre los motores ECh (Otto) y EC (Diesel).

No existen diferencias sustanciales desde el punto de vista mecnico entre los dos tipos de motores; esencialmente

se diferencian por sus ciclos tericos, ya que el motor ECh funciona segn el ciclo Otto y el motor EC segn el

ciclo Diesel.

1) Introduccin del combustible. - En la mayor parte de los motores ECh el aire y el combustible son introducidos

en la cmara de combustin bajo forma de mezcla gaseosa a travs de los conductos y las vlvulas de admisin. La

regulacin de la cantidad introducida en el motor se consigue mediante una vlvula de mariposa. Cuando el motor

es a inyeccin, la regulacin se hace sobre el aire y sobre el combustible separadamente.

En los motores EC el aire es introducido en la cmara de combustin a travs de los conductos y las vlvulas de

admisin, mientras el combustible es inyectado directamente en el cilindro mediante un inyector. El mezclado del

aire con el combustible se lleva a efecto en la cmara de combustin; generalmente no hay regulacin de la

cantidad de aire, sino de la cantidad de combustible introducido.

2) Encendido. - El motor ECh requiere de un sistema de encendido de la mezcla para iniciar la combustin. El

encendido se produce por medio de una chispa generada en la cmara de combustin entre los electrodos de una o

ms bujas. En el motor EC la alta temperatura obtenida por la compresin del aire en el cilindro es tal que provoca

el encendido del combustible apenas es inyectado, por lo que no es necesario ningn dispositivo para el encendido,

3) Relacin de compresin. - El valor de la relacin volumtrica de compresin en los motores ECh vara entre 8 y

11, salvo excepciones, mientras que en los motores EC vara desde 14 hasta 22. En los motores ECh el lmite

superior de la relacin de compresin est determinado esencialmente por las caractersticas antidetonantes de los

combustibles disponibles comercialmente, pero tambin por la forma y las caractersticas trmicas de la cmara de

combustin. En los motores EC depende de parmetros que tienen relacin con la forma de la cmara de

combustin y con las caractersticas de la inyeccin.

4) Peso. - El motor EC es generalmente ms pesado que un motor ECh de igual cilindrada, porque funciona a

presiones considerablemente mayores.

10.5. Ciclos tericos y reales.

Durante el paso por el motor el fluido de trabajo est sometido a una serie de transformaciones qumicas y fsicas

(compresin, expansin, combustin, transferencia de calor a travs de las paredes, rozamientos en el interior del

fluido y con las paredes, etc.) que constituyen el ciclo del motor. El examen cuantitativo de estos fenmenos,

teniendo en cuenta todas las numerosas variables, representa un problema muy complicado; por esto generalmente

se simplifica recurriendo a sucesivas aproximaciones tericas, cada una de las cuales estn basadas en diferentes

supuestos simplificativos, de una aproximacin gradualmente creciente.

Para los ciclos tericos, las aproximaciones normalmente empleadas, en orden de similitud con las condiciones

reales, son tres, y son llamadas: ciclo ideal, ciclo de aire, ciclo de aire-combustible. Estos ciclos tericos han de

confrontarse en la prctica con los ciclos reales, obtenidos experimentalmente mediante aparatos llamados

indicadores. Por esto al ciclo real se le llama tambin ciclo indicado.

En el ciclo ideal se supone que el fluido de trabajo est constituido por aire y que se comporta como un gas

perfecto. En consecuencia los valores de los calores especficos se consideran constantes e iguales a los del aire en

las condiciones normales de 288 K (15 C) de temperatura y 1,013 bar (1 atmsfera) de presin:

cp = 1 KJ/kg "K

cv = 0,72 KJ/kg "K

y por tanto

41.1v

p

c

c

Se supone adems que las fases de introduccin y de extraccin de calor tienen una duracin bien determinada, que

depende del tipo de ciclo (Otto, Diesel, Sabath) y que en las dems fases del ciclo no se producen prdidas de

calor. Est claro que, con estas hiptesis, los valores mximos de temperatura y de presin, y por lo tanto el trabajo

y el rendimiento trmico calculados para el ciclo ideal, son mayores que los de los otros tipos de ciclos.

El ciclo ideal representa por lo tanto el lmite mximo que el motor puede tericamente alcanzar en lo concerniente

a prestaciones y permite un estudio matemtico sencillo basado en las leyes de los gases perfectos. A este nos

referiremos en lo que sigue, cuando digamos ciclo terico.

El ciclo real es, como hemos dicho, determinado experimentalmente mediante alguno de los numerosos aparatos

indicadores capaces de registrar el diagrama de las presiones en funcin de los volmenes en el cilindro. El

diagrama indicado refleja las condiciones reales del ciclo y por lo tanto tiene en cuenta tambin las prdidas de

calor, la duracin de la combustin, las prdidas debidas al rozamiento en el fluido, a la duracin del tiempo de

apertura de las vlvulas, al tiempo de encendido, al tiempo de inyeccin, y las prdidas en el escape.

10.6. El ciclo Otto terico

El ciclo Otto terico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa (ECh), y est representado grficamente en

la figura 10.3 en coordenadas p-v. Los procesos termodinmicos que tienen lugar durante el ciclo son:

1-2. Adiabtico o isentrpico (sin transferencia de calor con el exterior): compresin del fluido de

trabajo, correspondiente al trabajo W1 realizado por el pistn.

2-3. A volumen constante: introduccin instantnea del calor aportado Q1.

3-4. Adiabtico: expansin, correspondiente al trabajo W2 realizado por el fluido de trabajo.

4-1. A volumen constante: extraccin instantnea del calor Q2

En realidad en los motores de 4 tiempos la extraccin del calor se produce durante la carrera de escape 1 - 0 y el

fluido es introducido en el motor en la carrera de admisin 0 - 1.

Slo valen los puntos del espacio p,V,T que cumplen con la ecuacin de los gases perfectos.

RTM

mnRTpV

a

a

Grado de explosin

2

3

p

p ;

Transformacin 3-4: Transformacin

Rendimiento trmico terico:

Rendimiento trmico terico:

1

11

21 11

Q

W

Q

QQt

t

Grado de explosin

2

3

p

p

Transformacin 1-2:

pVVpVp 2211

12 pp

Transformacin 2-3:

)( 231 TTcnHmQ vic

2

3

2

3

p

p

T

T

Transformacin 3-4:

pVVpVp 4433

Transformacin 4-1:

1

4

1

4

p

p

T

T

)( 412 TTcnQ v

Fig. 10.3. Ciclo Otto terico

10.7. Ciclo Diesel terico

Es el ciclo terico de los motores de encendido por compresin. La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y

Diesel est en la fase de aportacin del calor. En el ciclo Otto el calor es introducido a volumen constante, mientras

en el ciclo Diesel es introducido a presin constante.

Rendimiento trmico terico

)1(

111

1

11

21

Q

W

Q

QQt

t

Relacin de combustin

2

3

V

V ;

Transformacin 1-2:

pVVpVp 2211

12 pp

Transformacin 2-3:

)( 231 TTcnHmQ pic

2

3

2

3

T

T

V

V

Transformacin 3-4:

pVVpVp 4433

Transformacin 4-1:

)( 412 TTcnQ v

1

4

1

4

T

T

p

p

Fig.10.4 Ciclo Diesel terico

10.8. Ciclos reales.

El ciclo real refleja las condiciones reales de funcionamiento de un motor y se identifica con el diagrama de las

presiones medidas en el cilindro, correspondientes a las diferentes posiciones del pistn. Este diagrama se llama

diagrama indicado y el aparato que sirve para trazarlo, indicador.

Fig 10.5. Ciclos reales Otto y Diesel

Diferencias entre los ciclos Otto y Diesel reales y tericos.

Las diferencias de forma del ciclo indicado con respecto al terico consisten en un diferente recorrido seguido por

las curvas de expansin y de compresin, en la sustitucin de los tramos rectilneos y en la sustitucin de los

ngulos por curvas de enlace. Las causas de estas diferencias han de buscarse en las siguientes razones:

a) Prdidas de calor.

En el ciclo terico son nulas, en el ciclo real son en cambio apreciables. Puesto que el cilindro y la culata estn

refrigerados, una parte del calor es transmitida por el fluido a las paredes. Las lneas de compresin y expansin no

son por lo tanto adiabticas, sino politrpicas con exponente n diferente de . Como el fluido sufre prdidas de

calor, para la expansin se tendr n > y para la compresin n < . Se verifica por lo tanto una prdida de trabajo til correspondiente a las reas A.

b) Combustin no instantnea.

En el ciclo Otto terico se supone que la combustin se realiza a volumen constante, es decir, que es instantnea, en

el ciclo real, en cambio, se requiere un cierto espacio de tiempo. Si el encendido tuviera lugar coincidiendo con el

P.M.S., la combustin tendra lugar mientras el pistn se va alejando de l, y el valor de la presin sera inferior al

previsto con la consiguiente prdida de trabajo til.

Por ello conviene anticipar el encendido de modo que la combustin pueda llevarse a cabo en su mayor parte

cuando el pistn se encuentra en las cercanas del P.M.S. Esto produce un redondeamiento de la lnea terica de

aportacin de calor, y por lo tanto una prdida de trabajo til representada por las reas B, pero esta prdida resulta

de magnitud mucho menor que la que se tendra sin adelanto del encendido.

En los motores Diesel la combustin se realiza en condiciones tales que la presin vara durante el proceso,

mientras que en el ciclo terico habamos supuesto que se mantiene constante. En realidad la combustin se realiza

Wi Trabajo Indicado Wi Trabajo Indicado

en parte a volumen constante y en parte a presin constante, casi como en el ciclo Otto real. Slo en el caso de

motores muy lentos la combustin se aproxima un poco al proceso terico.

c) Tiempo de apertura de la vlvula de escape.

En el ciclo terico se ha supuesto que tambin la extraccin de calor se lleva a cabo instantneamente coincidiendo

con la posicin del pistn en el P.M.I, En el ciclo real la extraccin de calor se produce durante un tiempo

relativamente largo. La vlvula de escape debe abrirse anticipadamente para dar tiempo a una parte de los gases

quemados para salir del cilindro antes que el pistn alcance el P.M.I., de modo que la presin descienda

aproximadamente hasta el valor de la presin exterior al comienzo de la carrera de escape. Este hecho produce una

prdida que sin embargo es menor que la que se tendra sin el avance de la apertura de la vlvula de escape.

d) Aumento de los calores especficos del fluido con la temperatura.

Tanto el calor especfico a presin constante cp como el a volumen constante cv, de un gas real aumentan con la

temperatura, pero de modo que su diferencia permanece constante, es decir, cp-cv= R, en consecuencia al aumentar

la temperatura disminuye el valor de . De lo anterior se deduce que los valores de la presin y de la temperatura mxima resultan siempre inferiores a los obtenibles en el caso de que los calores especficos fueran constantes para

las variaciones de temperatura.

e) Prdidas en la renovacin de la carga.

El ciclo real presenta otra diferencia importante en comparacin con el ciclo terico. Durante la carrera de admisin

la presin en el cilindro es inferior a la que se tiene durante la carrera de escape. Salvo casos particulares, durante la

admisin la presin es inferior a la atmosfrica y durante el escape es superior. Se crea por lo tanto en el diagrama

indicado un rea negativa D que corresponde a trabajo perdido. Este trabajo, realizado por el motor para llevar a

cabo la admisin y el escape, se llama trabajo de bombeo y generalmente se evala como trabajo perdido por

rozamiento.

Fig 10.6 Ciclo real y diagrama circular de un motor

EA Escape abierto EC Escape cerrado AA Admis. abierta AC Admis. cerrada IE inst. encendido

10.9. Rendimientos, par motor y potencia.

Coeficiente de calidad

tic

i

t

ii

t

ig

Hm

W

Q

W

QQ

W

W

W

ricoTrabajoTe

icadoTrabajoInd

121

Rendimiento Indicado gtic

iii

Hm

W

Q

W

1

Perdidas Termodinmicas ipt WQW 1

Trabajo efectivo pmie WWW Wpm (Trabajo debido a las prdidas mecnicas)

Rendimiento mecnico

i

em

W

W

Rendimiento efectivo o econmico mimgtic

eee

Hm

W

Q

W

1

Par motor rFtM Trabajo

4

0

4

0

4MdMrdFtW

Potencia )(100060

2

1000602kW

nMnWN

10.10. Bibliografa

Giacosa, D. 1988. Motores Endotrmicos. Ediciones Omega S.A. Captulos I-IV.

Ft

1

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2