ESTUDIO DEL CICLO DE CUATRO TIEMPOS EN EL DIAGRAMA INDICADOR

El análisis del ciclo de funcionamiento de los motores de combustión interna en el diagrama p-V(Presión-Volumen), permite conocer las variaciones de la presión y la temperatura dentro del cilindro cuando el pistón se desplaza dentro de él en sus movimiento alternativos ascendente y descendente.

Este análisis se hace en forma paralela para un motor de explosión y un motor diesel de iguales dimensiones (especialmente lo que hace referencia a la carrera del pistón), y los diagramas están construidos a la misma escala.

Fig. 19A y B. Esquema de trabajo de un motor de combustión interna de cuatro tiempos. I – Admisión: II – Compresión: III – Expansión: IV – Escape: ADiagrama indicador para motor de explosión: B Diagrama indicador para motor Diesel

Los valores medios de las presiones y las correspondientes temperaturas en los puntos críticos del diagrama A (para un motor de carburador) y del diagrama B (para un motor diesel) se dan en la tabla adjunta. También se presenta el diagrama de mando o diagrama de las fases de distribución. Este diagrama representa la prolongación en la apertura de las válvulas, expresada en grados de giro del cigüeñal.

ESTUDIO DEL CICLO REAL DE CUATRO TIEMPOS

I Carrera De Admisión

Durante este tiempo la mezcla combustible entra al cilindro a través de la válvula de admisión, en los motores de cuatro tiempos. El tiempo de admisión, comienza con el desplazamiento del pistón desde el punto muerto superior al punto muerto inferior. La carrera de admisión teórica se efectúa al girar el cigüeñal de 0º a 180º grados (Fig.19 A, posición 1). Con el motor en funcionamiento, al comienzo de la admisión, el volumen de la cámara de compresión Vc, está lleno de residuos de gases quemados los cuales se encuentran a una presión aproximada entre (1.05 y 1,2) Kg/cm² (Punto r en los diagramas indicadores A y B).

A medida que se aleja el pistón del punto muerto superior se aumenta el espacio por encima de éste, se disminuye la presión en el cilindro, luego se iguala a la presión atmosférica p0 y finalmente se hace inferior a esta última.

Debido a que al comienzo del movimiento descendente del pistón se abre la válvula de admisión con ayuda del mecanismo de distribución, entonces a consecuencia de la caída de presión (p0-pa), la mezcla combustible (en los motores de explosión) o aire puro (en los motores diesel) se precipita al interior del cilindro, llenando de esta manera el espacio comprendido entre la cabeza del pistón y la culata o tapa de cilindros.

En los diagramas A y B de la figura 19, el proceso teórico de admisión está representado por la línea “r-a”. la presión media pa al final de la admisión esta dentro del intervalo (0.7 a 0.95) Kg/cm².

Esta presión depende de los siguientes factores: La resistencia en la tubería y en los demás elementos que conforman el sistema de

admisión Del valor que tenga el área del orificio de entrada en la válvula Del número de revoluciones del árbol cigüeñal Del grado de calentamiento de la mezcla fresca De los movimientos de inercia y ondulatorios de los gases en la tubería, etc.

Debido a que en los cilindros del motor diesel se introduce aire atmosférico, las perdidas por fricción que se presentan en el carburador del motor de explosión no se presentan para el motor diesel, razón por la cual el valor de Pa se obtiene un poco mayor para los segundos.

La mezcla fresca introducida al cilindro entra en contacto con las paredes calientes este, con la cabeza del pistón y, además se mezcla con los residuos de gases quemados, los cuales tienen una temperatura aproximada de 100º K (punto r del diagrama) y, como consecuencia de esto es que la temperatura en el cilindro al final de la carrera del pistón está dentro del intervalo (330 a 380)ºK (punto “a” del diagrama). El llenado del cilindro se mide por el coeficiente de llenado (rendimiento volumétrico) v, que es igual a la relación

que existe entre el peso real de la mezcla que entra al cilindro y el peso de la mezcla cuando la presión y la temperatura son iguales en el cilindro y en el medio circundante. Sin embargo debido a las perdidas hidráulicas en el tubo de admisión, el valor de este coeficiente siempre es menor que la unidad. Para los motores de explosión modernos que trabajan con el régimen nominal, dicho coeficiente oscila entre 0.75 y 0.85.

Para los motores diesel, como consecuencia de una menor resistencia en el múltiple de admisión, este coeficiente alcanza un valor de 0.90. Si se tiene en cuenta que la potencia del motor depende del llenado, en peso, de los cilindros se han tomado algunas medidas para mejorarlo. Estas medidas consisten en aprovechar algunos fenómenos que se presentan durante el desplazamiento del pistón para compensar las pérdidas enunciadas al comienzo del análisis.

Una primera media que se tomó fue la de generar un adelanto en la apertura de la válvula de admisión con un adelanto que va de 5 a 20 grados de giro del cigüeñal. Esta operación permite aprovechar en una mejor forma la sección variable del orificio de admisión teniendo en cuenta que la apertura de la válvula no es instantánea. Este avance implica que la válvula de admisión se abre antes de que el pistón llegue al punto muerto superior terminando la carrera de escape del ciclo inmediatamente anterior, es decir cuando aun no se ha cerrado la válvula de escape. El flujo de gases quemados que está saliendo a gran velocidad por el orificio de escape, el pasar sobre l orificio de la válvula de admisión y, si esta abierta, se produce una succión sobre este que permite comenzar el proceso de admisión de mezcla al cilindro.

Además, si se tiene en cuenta que al finalizar la carrera de admisión la presión dentro del cilindro es menor que la atmosférica, la mezcla seguirá entrando hasta tanto no se igualen las presiones. Esto permite que se deje abierta la válvula de admisión aun después de que el pistón ha pasado el punto muerto inferior y comienza la carrera siguiente de compresión (Fig. 19 esquema II). Este retardo de cierre de la admisión, en los diferentes motores esta dentro del intervalo (40 y 70) º de giro del cigüeñal. Esto significa que en el ciclo real el tiempo de admisión no dura solamente los 180º de giro del cigüeñal como se dice teóricamente, sino que dura más de 200º de giro del cigüeñal (Fig. 19 esquema I). en los diagramas indicadores A y B, este retardo lo representa el punto 1.

II Carrera De Compresión

Teóricamente, la carrera de compresión se lleva a cabo cuando el pistón se desplaza desde el punto muerto inferior al punto muerto superior gracias al giro del cigüeñal en un giro de 180 a 360 grados (Fig. 19 esquema II). En el comienzo de la carrera de compresión, como se dijo anteriormente, se lleva a cabo la disminución del volumen de la mezcla, aumentándose al mismo tiempo el contenido en

peso de la misma, ya que la mezcla continua aun entrando al cilindro hasta tanto no se

igualen las presiones en el cilindro y el medio exterior (pa=p0), indicado este momento en punto 1 de los diagramas A y B. Si el retardo al cierre de la admisión es mayor del estipulado a un régimen de velocidad dado, los cilindros del motor pueden recargarse y es posible que parte de la mezcla fresca sea expulsada del cilindro.

Fig. 20. Relación de compresión

Desde el momento en que se cierra la válvula de admisión (diagrama de apertura de válvulas, Fig. 19) se realiza la compresión de la mezcla dentro del cilindro hasta que el pistón alcance el punto muerto superior. El volumen del cilindro, en ese momento, se ha reducido al volumen de la cámara de compresión, como se puede observar en la figura 20, volúmenes A y B respectivamente. Esto es lo se había definido como la relación de compresión.

En los diagramas de la figura 19, A y B, el proceso de compresión está representado por la línea “a-c”. El estado de la mezcla combustible al final de esta carrera se determina por el

grado de compresión (Epsilon), la presión inicial pa, calidad de la hermeticidad del cilindro, etc.

En los motores de explosión al final de la compresión, presión pc, alcanza valores entre 12 y 17 Kg/cm² y, para los motores diesel, este valor alcanza entre 30 y 40 Kg/cm². La temperatura para los motores de explosión alcanza un valor que oscila entre los 600 y 700 grados Kelvin y para los motores diesel este valor está dentro del intervalo 800 y 900 grados Kelvin.

Sin embargo, dadas las condiciones en el cilindro para la inflamación de la mezcla combustible se necesita algún tiempo. La experiencia demuestra que el combustible arde con mayor efectividad, si se toman medidas antes de que el pistón llegue al punto muerto superior. Así, durante el trabajo del motor, en su régimen nominal de potencia, dentro del cilindro se hace saltar la chispa eléctrica de alta tensión para los motores de explosión, o se inyecta el combustible a elevadas presiones para el motor diesel, con un avance que va de 5 a 20 grados de giro del cigüeñal. En los diagramas A y B de la figura 19, este momento está representado por el punto 2. Sin embargo, la inflamación del combustible (aparición de la llama) se realiza un poco mas tarde, después del proceso de oxidación, al cual se le llama “periodo de inducción”. La llama se considera formada cuando se tiene el mayor crecimiento de la presión dentro del cilindro, comparado con la presión caracterizada por la línea “a-c”, correspondiente al proceso de compresión teniendo en cuenta el solo desplazamiento del pistón entre el punto muerto inferior y el punto muerto superior (en los diagramas A y B de la figura 19, línea discontinua cerca del punto “c”).

La elevación bastante notoria de la presión sobre el pistón, un poco antes de que este llegue al punto muerto superior, comienza a actuar antes de tiempo sobre el mecanismo biela-manivela del motor, siendo esto indispensable para aumentar la efectividad de la combustión. Un encendido retardado (directamente sobre el punto muerto superior) como también un encendido demasiado adelantado, impide el desarrollo normal de los procesos sucesivos que forman el ciclo de trabajo del motor, disminuyendo de esta manera los índices económicos y de potencia del motor. Estos índices disminuyen si la chispa o la

inyección se suministran demasiado tarde, como consecuencia de la disminución de la presión pz, la cual aparece en el proceso de combustión y, por un retardo perjudicial de este proceso, que provoca una contrapresión sobre el pistón al acercarse este al punto muerto superior.

En los motores de explosión el suministro muy temprano de la chispa eléctrica es una de las causas por las cuales aparece el fenómeno de la detonación en el proceso de combustión.

III CARRERA DE EXPANSIÓN O DE TRABAJO

La expansión en los motores de cuatro tiempos comienza cuando las dos válvulas están cerradas como continuación de la combustión que se comenzó en el al final del tiempo de compresión. La intensidad a la que lleva a cabo el proceso de combustión y el desprendimiento de una gran cantidad de calor, genera una elevación brusca de la temperatura y, por consiguiente de la presión, dentro de la cámara de combustión.

Bajo la acción de la presión producida por los gases de expansión el pistón se desplaza desde el punto muerto superior al punto muerto inferior haciendo girar el cigüeñal por medio de la biela en un ángulo de 360 a 540 grados, realizando el trabajo útil (Fig. 19, esquema III). La carrera del pistón, correspondiente al tiempo de expansión y relacionada con el desprendimiento de calor y la transformación de parte de ese calor en trabajo mecánico se le llama carrera de trabajo. En los diagramas indicados A y B de la figura 19 el proceso de expansión esta representado por la línea “z-b”.

La intensidad del proceso de combustión en el diagrama indicador se aprecia en la vertical “c-z”, es decir la línea que indica la elevación de la presión dentro del cilindro. En la realidad la línea de la elevación de la presión en estos diagramas se inclina un poco hacia la derecha debido a que el pistón en ese momento ya se aleja del punto muerto superior.

La experiencia demuestra que el trabajo de los gases de expansión se emplea en mejor forma cuando la presión máxima en el cilindro pz aparece antes de que el pistón llegue al punto muerto superior (carrera de compresión), es decir con un adelanto de 5 a 10 grados de giro del cigüeñal con relación a dicha posición del pistón dentro del cilindro. En este caso sin importar un pequeño aumento del volumen sobre la cabeza del pistón la presión máxima dentro del cilindro en un motor de explosión esta aproximadamente dentro del intervalo (40 a 55) Kg/cm² y en un motor diesel de automóvil esta dentro del intervalo (55 a 80) Kg/cm². Para motores diesel de mayor potencia, los cuales generalmente trabajan con turboalimentador, esta presión es de 100 y mas Kg/cm². En lo referente a la temperatura para el motor de explosión, esta alcanza valores que están dentro del intervalo (2500 a 2800) grados Kelvin y para el motor diesel están dentro del intervalo (1900 a 2200) grados Kelvin.

Debido a que en los motores diesel el suministro de combustible termina después de que el pistón ha llegado al punto muerto superior, la presión dentro del cilindro se mantiene prácticamente constante. En el diagrama indicador B, esta parte de la carrera de expansión representada por la línea “z-z’”, caracteriza el grado de expansión prematura, el cual es necesario tener en cuenta en el cálculo de un motor diesel.

A medida que el pistón se aleja del punto muerto superior en el proceso de expansión, la presión y la temperatura dentro del cilindro disminuyen. Al final de la carrera de expansión (punto b en el diagrama indicador), la presión en el cilindro es aproximadamente de 3 a 5 Kg/cm² y la temperatura esta dentro del intervalo (1100 a 1800) grados Kelvin. Estos valores son validos para ambos tipo de motores. Para los motores que tienen un alto grado de compresión, debido a una mayor expansión, esto valores son menores.

Para dar una mejor limpieza al cilindro de los productos de la combustión, la válvula de escape 2, se abre mucho antes de que el pistón llegue al punto muerto inferior. Este avance en la apertura de la válvula de escape, generalmente se encuentra dentro del intervalo (40 a 60) grados de giro del cigüeñal. En el diagrama indicador y en el de apertura de válvulas de la figura 19, el momento de apertura de esta válvula está designado con el punto3. en el momento de abrirse la válvula, dentro del cilindro aun se conserva un presión mucho mayor que la atmosférica, debido a lo cual la salida de los gases quemados, producto de la combustión hacia la atmósfera, se realiza bajo la acción de una gran caída de presión, a la velocidad critica del sonido, lo cual produce el ruido característico del escape.

4 CARRERA DE ESCAPE

Se comienza este tiempo (con la válvula de escape ya parcialmente abierta) con el movimiento del pistón desde el punto muerto inferior hacia el punto muerto superior, bajo la acción del cigüeñal que gira de 540 a 720 grados. (Fig. 19, esquema IV).

Durante el tiempo de escape, el pistón empuja los gases quemados desde el cilindro hacia el sistema de escape y de allí salir hacia la atmósfera, cumpliéndose la segunda etapa de limpieza del cilindro. En los diagramas A y b de la figura 19, el proceso de expulsión de los gases esta representado por la línea “b-r”. Como consecuencia de la resistencia que ofrece el orificio de la válvula y el colector o múltiple de escape, la presión dentro del cilindro al final de la carrera del pistón es superior a la atmosférica y oscila entre 1.05 y 1.2 Kg/cm². La temperatura de los gases al final del escape desciende, pero de todas maneras oscila entre 800 y 1200 grados Kelvin.

Si se compara la duración real del proceso de escape con la teórica, expresada en grados de giro del cigüeñal (diagrama de apertura de válvulas), se puede observar muy fácilmente que la válvula se mantiene abierta casi 1.5 veces mas grados que en los que se lleva a cabo la carrera del pistón durante el escape. El pistón realiza la carera de escape en 180 grados de giro del cigüeñal, mientras que el tiempo de escape real dura más de 200 grados de giro del cigüeñal. No obstante que se ha tomado esta medida, el cilindro no puede ser limpiado totalmente de los gases obtenidos de la combustión, quedando dentro del cilindro ocupando la cámara de combustión un “residuo de gases quemados”.

Para llevar al mínimo este residuo de gases quemados y aprovechando que la presión dentro del cilindro es aun mayor que en el exterior, la válvula de escape en el motor real, se cierra con un retardo que alcanza 40 y mas grados de giro del cigüeñal, lo cual implica que la válvula se encuentra aun abierta cuando el pistón ya ha iniciado la carrera de admisión para el siguiente ciclo. De esta manera, entre dos ciclos de trabajo consecutivos hay un momento

en que ambas válvulas se encuentran abiertas. A esta posición de las válvulas se les llama “traslape” o “Solape”. También es conocido técnicamente con el nombre de “Empalme valvular”.

En los motores modernos este empalme valvular alcanza hasta 40 y mas grados de grados de giro del cigüeñal. Sin embargo, salida de carga fresca no se observa ya que el tiempo que dura el traslape es demasiado corto. El escape es el cuarto y último tiempo de trabajo del ciclo del motor, a partir del cual se comienza un nuevo ciclo, repitiéndose en el mismo orden descrito.

Es importante anotar que las válvulas de admisión y de escape se abren una sola vez cada ciclo, lo cual indica que el eje del mecanismo de distribución (eje de levas) que es el encargado de abrir y cerrar las válvulas a su debido tiempo gire a una velocidad igual a la mitad del árbol cigüeñal.

Y así, en los motores que trabajan con el ciclo de cuatro tiempos, el trabajo efectivo se realiza solamente durante la carrera de expansión, por la presión obtenida al quemarse la mezcla combustible

Los otros tres tiempos son preparatorios, ocupando vuelta y media de grados de giro del cigüeñal. Esto se puede realizar gracias a la acción del volante y de los demás cilindros. Las relación que hay entre las cuatro carreras del pistón, es la causa de la irregularidad de la marcha del motor, por la irregularidad del giro del cigüeñal. Sin embargo, una de las carreras del pistón (compresión) es indispensable para elevar el rendimiento térmico del motor. En las otras dos carreras preparatorias (admisión y escape) el motor trabaja como una bomba de presiones bajas dentro del cilindro. Esto quiere decir que los motores de cuatro tiempos, solo la mitad del tiempo trabajan como motores térmicos.

ESTUDIO DEL CICLO DE DOS TIEMPOS EN EL DIAGRAMA INDICADOR

En la figura 21 se presenta un esquema de un motor de dos tiempos y los diagramas indicadores de intercambio de gases para el motor de explosión y el motor diesel.

Fig. 21. Esquema de trabajo de un motor de dos tiempos

PRIMER TIEMPO

El primer tiempo corresponde al desplazamiento del pistón desde el punto muerto inferior al punto muerto superior, gracias a la acción del cigüeñal. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto inferior las lumbreras de barrido 3 y las de escape 7 están abiertas, como se ve en la figura 21, esquema I. la mezcla combustible o el aire, si se trata de un motor diesel se introduce en el cilindro a una presión pequeña, que oscila entre 1.1 y 1.4 Kg/cm² a través de las lumbreras de barrido (admisión) y gracias al movimiento dirigido de la corriente, va llenando el espacio sobre la cabeza del pistón y al mismo tiempo expulsa del cilindro los productos de la combustión que han quedado del ciclo anterior.

La realización de los procesos de barrido y expulsión de los gases quemados continua hasta tanto el pistón en su carrera ascendente no cierre la lumbrera de admisión 3. en los diagramas indicadores A y B, estos procesos están representados por la línea “1-a”. Sin embargo, el proceso de compresión comienza un poco mas tarde, cuando la lumbrera de escape 7 es cerrada por el pistón. Esto se debe a que la lumbrera de escape es de diámetro mayor que la de admisión (ver figura 21). En los diagramas indicadores el cierre de la lumbrera de escape está indicado con el punto “a”. En este momento el cigüeñal ha girado en un ángulo de 60 grados, aproximadamente.

Durante el resto de la carrera del pistón hacia el punto muerto superior se lleva a cabo el proceso general de compresión, como en el motor de cuatro tiempos y que está representada en la figura 21 por la línea “a-c”. Cerca del punto muerto superior después que ha saltado la chispa eléctrica entre los electrodos de la bujía en los motores de explosión o, ha comenzado la inyección del combustible en los motores diesel (punto 2 del diagrama), se comienza el proceso de combustión. Los procesos de compresión y de

combustión, análogamente son iguales que en los motores de cuatro tiempos. Si se compara la presión y la temperatura en los motores de cuatro y de dos tiempos, con la misma relación de compresión, se observará que son similares. De esta manera durante la carrera del piston analizada, se realizan el proceso de admisión, el de compresión, el inicio del proceso de combustión.

SEGUNDO TIEMPO

El segundo tiempo corresponde al desplazamiento del pistón desde el punto muerto superior al punto muerto inferior. Este segundo tiempo comprende la finalización de la combustión que empezó al final de la compresión cuando el pistón todavía está cerca del punto muerto superior.

El desprendimiento intenso de calor al quemarse el combustible, trae consigo una elevación brusca de la temperatura y, por consiguiente de la presión dentro del cilindro del motor. Bajo la acción de la presión de los gases en expansión el pistón se desplaza hacia el punto muerto inferior y por medio de la biela hace girar el cigüeñal en 180 grados, realizando de esta manera trabajo útil. En los diagramas indicadores de la figura 21, los proceso de expansión y parte de la combustión están representados por la línea “z-b”, siendo análoga la realización de este proceso al de los motores de cuatro tiempos.

A medida que el pistón se aleja del punto muerto superior la temperatura y la presión dentro del cilindro disminuyen rápidamente, y en el momento en que el pistón descubre la lumbrera de escape 7 (Figura 21, esquema II), los productos de la combustión, los cuales se encuentran bajo la acción de una elevada presión comienzan a salir a través del múltiple de escape hacia la atmósfera, con la velocidad critica del sonido y el ruido característico del escape (punto “b” en el diagrama de la figura 21). En su desplazamiento, el pistón abre la lumbrera de admisión 3 (punto 3´ en el diagrama indicador) y, como consecuencia del decrecimiento de la presión sobre el pistón, de 4 a 6 Kg/cm², casi hasta la presión de barrido, comienza a entrar al cilindro la mezcla combustible o aire desde la bomba 4. Este segundo periodo de vaciado del cilindro, se realiza por medio de la acción del aire o mezcla fresca que entra a presión. En los diagramas indicados de la figura 21, estos procesos están representados por la línea “3´-1”. La duración de estos procesos se expresa en grados de giro del cigüeñal (aproximadamente 50 grados).

Del punto muerto inferior el pistón va de nuevo al punto muerto superior y, mientras las lumbreras de admisión quedan abiertas, al cilindro continúa entrando carga fresca que ayuda a la expulsión de los gases quemados, es decir se realizan al tiempo el barrido y el llenado del cilindro.

La realización al mismo tiempo de dos procesos auxiliares (admisión y escape) se llama barrido del cilindro. El tiempo que dura el barrido es igual al tiempo que dura abierta la lumbrera de admisión 3. Este valor expresado en grados de giro del cigüeñal es aproximadamente de 100 grados. En los diagramas A y B, el barrido está representado por la línea “3´-1-a´”.

La duración total del escape es igual al tiempo que permanece abierta la lumbrera de escape 7 y, que aproximadamente dura unos 120 grados de giro del cigüeñal. En los diagramas está representado por la línea “b-3´-1-a´-a”.

A partir del punto “a” de nuevo se comienza el proceso de compresión y se repite el ciclo de trabajo en el orden explicado anteriormente, repitiéndose cada 360 grados de giro del cigüeñal.