Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán
Ciclo Otto ideal y real de 4T
M. En C. Jorge Alberto Sánchez Ramos.
Ciclo Otto de aire estándar (ideal).
Procesos del ciclo Otto de aire estándar. 1.
Con el pistón en el PMI, se compr ompriime aire isent entrópicamente de 1 a 2, alc alcanzando el PMS.
2.
Calor alor es agre agreg gado ado a volum olumen en con onst stan antte de 2 a 3, el pis pistón perm perman anec ece e en su po posi sicción ión (PMS (PMS). ).
3.
Ocurre rre una expa xpansi nsión isen sentrópic pica de 3 a 4, regr egresan sando al PMI.
4.
Calor alor es rech rechaz aza ado a volum olumen en con onst stan antte de 4 a 1, el pis pistón tón perm perman anec ece e en su po posi sici ción ón (PMI (PMI). ).
Desviaciones del Ciclo Otto de aire estándar (ideal). •
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Los procesos de compresión y expansión se consideran adiabáticos, es decir sin intercambio de calor del sistema (fluido de trabajo o agente de transformación, delimitado por las fronteras del cilindro, el monoblock y la cabeza del pistón), con sus alrededores. Los procesos de admisión (0-1) y desalojo de gases de combustión (1-0) no se consideran porque en realidad son procesos necesarios de trabajo del motor, pero no son procesos termodinámicos. Y si bien, algunas veces se les consideran, se suponen procesos a presión constante y atmosférica. El proceso de suministro de calor (en el caso real seria el proceso de combustión), se considera instantáneo, es decir, ocurre mientras el pistón se encuentra en el punto muerto superior. Los eventos de la distribución (apertura y cierre de válvulas y el momento de la chispa) ocurren siempre en puntos muertos.
Desviaciones del Ciclo Otto de aire estándar (ideal). La apertura de la válvula de admisión ocurre en el punto 0 (PMS) y su cierre, en el punto 1 (PMI). Ambas válvulas permanecen cerradas durante los procesos 1-2, 2-3, y 3-4. En el punto 4 (PMI) , se abre la válvula de escape y permanece abierta durante los procesos 4-1 y 1-0. En el punto 0 (PMS) cierra la válvula de escape y simultáneamente abre la válvula de admisión para iniciar un nuevo ciclo. El instante en que la chispa salta entre los electrodos de la bujía, está representado por el punto 2 (PMS).
Proceso.
Diagrama.
Válvula de admisión.
Válvula de escape.
Recorrido del pistón.
Admisión.
0-1
Abierta
Cerrada
PMS a PMI
Compresión.
1-2
Cerrada
Cerrada
PMI a PMS
Suministro de calor.
2-3
Cerrada
Cerrada
PMS
Expansión.
3-4
Cerrada
Cerrada
PMS a PMI
4-1-0
Cerrada
Abierta
PMI a PMS
Escape.
En el ciclo termodinámico, el proceso, 4-1 representa la cesión de calor a la fuente fría o sumidero en un proceso isócoro (a volumen constante), en el que se abate instantáneamente la presión hasta la atmosférica.
Algunos de los procesos termodinámicos coinciden con los procesos operativos del motor, esto es, con el movimiento del pistón del PMS al PMI y viceversa.
Ciclo real (sin puesta a punto). ¿Que sucedería? si se forzara a trabajar al ciclo real con las idealizaciones del ciclo teórico. ¿Es posible que una vez abierta la válvula de escape en el punto 4 (PMI), la presión caiga instantáneamente hasta la presión atmosférica del punto 1 (PMI), mientras el pistón permanece en esa posición? En el motor real las válvulas abren con una velocidad finita, determinada por la velocidad del motor y por el perfil de la leva correspondiente del árbol de levas, es decir, abren y cierran poco a poco. Si la presión no cae inmediatamente y el pistón avanza en su proceso de escape del PMI al PMS, ¿Cómo será la trayectoria que describa el conjunto de estados del fluido en el diagrama P-v?
Al llegar el pistón al PMS se cierra la válvula de escape. La presión de los gases remanentes dentro del pistón que quede en la cámara de combustión ¿Será menor, igual, o mayor a la atmosférica?
Ciclo real (sin puesta a punto). ¿Que sucedería? si se forzara a trabajar al ciclo real con las idealizaciones del ciclo teórico.
En el PMS se abre la válvula de admisión, si la presión en dicho punto es mayor que la atmosférica: ¿en que momento empezará a ingresar la mezcla fresca de aire combustible en el interior del cilindro? ¿cual será la trayectoria real del proceso de admisión? Al llegar el pistón al PMI se cierra la válvula de admisión. La presión al interior del cilindro ¿será menor, igual o mayor que la presión atmosférica?
Ciclo real (sin puesta a punto). ¿Que sucedería? si se forzara a trabajar al ciclo real con las idealizaciones del ciclo teórico.
Si el proceso real de compresión (PMI a PMS) inicia desde una presión menor a la atmosférica ¿Cómo será la presión de compresión al llegar al PMS?
Ciclo real (sin puesta a punto). ¿Que sucedería? si se forzara a trabajar al ciclo real con las idealizaciones del ciclo teórico.
Como la combustión no es instantánea (le toma cierto tiempo producirse y desarrollar el frente de llama al interior del cilindro) y el pistón inicia su carrera de retroceso al PMI, ¿Qué sucede con la presión máxima alcanzada?
Ciclo real (sin puesta a punto). ¿Que sucedería? si se forzara a trabajar al ciclo real con las idealizaciones del ciclo teórico.
Finalmente el ciclo se cierra por medio de la carrera de expansión que representa la carrera de trabajo.
Ciclo real (sin puesta a punto).
El trabajo de intercambio gaseoso se define como aquel trabajo que es necesario que realice el pistón al interior del cilindro para admitir mezcla fresca aire-combustible y para desalojar los gases de la combustión (carreras de admisión y de escape).
Es necesario efectuar la puesta a punto del motor (no confundir con la puesta a tiempo, que solo significa ajustar el momento de encendido de la chispa). Poner a punto: Reorganizar todos los sucesos de la distribución (aperturas y cierres de las válvulas, e instante de producción de la chispa). Con la finalidad de obtener del ciclo el mayor trabajo y rendimiento.
Ciclo real (puesta a punto).
¿Qué ocurre si se anticipa la apertura de la válvula de escape?
Ciclo real (puesta a punto). La presión al interior del cilindro empieza a disminuir debido a la salida de gases de escape. Desde luego que habrá una pérdida del área de trabajo con respecto al ciclo ideal, pero buscamos reducir las pérdidas globales de trabajo. aae = adelanto en la apertura de la válvula de escape. Como el desplazamiento del pistón del PMI al PMS en su carrera de desalojo de los gases de escape empieza desde una presión inferior a la del ciclo ideal, la presión final (en el PMS) deberá ser sólo un poco superior que la atmosférica, entonces…
Ciclo real (puesta a punto).
¿Dónde debe cerrar la válvula de escape, debe cerrar antes de 0’’, en 0’’ o después de 0’’?
Ciclo real (puesta a punto). La válvula de escape debe cerrar después de cero (0’’- rce) ya que con esto se va permitir, debido a la inercia que ya llevan los gases de salida, que estos sigan fluyendo hacia el exterior (múltiple de escape) y con ello conseguiremos que quede en el interior una menor cantidad de gases de remanentes de la combustión anterior rce = retraso en el cierre de la válvula de escape De este modo habrá mas espacio para la mezcla fresca de aire-combustible, con la ganancia de trabajo útil asociada, una mejor «aspiración» del motor(un mejor llenado del cilindro de mezcla fresca. ¿En que punto debe abrirse la válvula de admisión? ¿Debe abrirse en 0’’, antes de 0’’ o después de 0’’?
Ciclo real (puesta a punto). La válvula de admisión debe ser abierta unos cuantos grados antes de que el pistón llegue al PMS en su carera de escape (punto aaa) aaa = adelanto en la apertura de la válvula de admisión Esto permitirá que la mezcla fresca que empieza a ingresar, coadyuve al desalojo de los gases quemados y que al final de la admisión, se tenga una mayor cantidad de mezcla fresca dentro del cilindro.
Ciclo real (puesta a punto).
Generalmente la anticipación de la apertura de la válvula de admisión es de sólo unos cuantos grados, ya que de ser mayor, podría provocar flujo de salida de gases de escape por el múltiple de admisión. ¿Que puede hacerse con el inicio de la ignición para reducir las pérdidas de área de trabajo y conseguir que P3’’ sea lo más cercana a P3? ¿Es conveniente adelantar el instante en que se produzca la chispa de ignición?
Ciclo real (puesta a punto). Si, dado que la presión empieza aumentar por efecto de la combustión y la formación de gases de escape, pero el pistón aún se encuentra en su carrera de compresión del PMI al PMS, por esto el proceso se inclina a la izquierda, y de este modo se incrementa la presión final P3. La forma redondeada del ciclo real se debe a que el pistón llega al PMS y de manera inmediata retorna al PMI. rca = retraso en el cierre de la válvula de admisión. ach = adelanto de la chispa. El adelanto de la chispa está regulado por las especificaciones del fabricante.
Ciclo real (puesta a punto). Si el adelanto de la chispa fuera demasiado pequeño, nos acercaríamos al límite en el que la chispa ocurra en el PMS (como en el ciclo real sin puesta a punto). Disminuyendo la presión final de combustión y la potencia del motor. Si el adelanto fuese demasiado, ocurriría que la fuerza producida por la expansión de los gases de combustión se opondría al desplazamiento del pistón hacia el PMS. Estas dos fuerzas actuando en direcciones opuestas producirán una presión al interior del cilindro, mucho mayor incluso que la del ciclo ideal. Habría incremento excesivo de la temperatura, desgaste extremo del motor, fenómenos indeseables de la combustión, baja de potencia y posible daño severo a las partes móviles del motor.
Ciclo Otto de aire estándar (ideal).
Ciclo real (sin puesta a punto).
Ciclo real (puesta a punto).
