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CAPITULO 2 CICLOS REALES DE LOS MOTORES DE AUTOMÓVIL
2.1 GENERALIDADES Los motores de automóvil en condiciones de explotación trabajan en una amplia zona de variación del régimen de velocidad. La frecuencia de rotación del cigüeñal en el régimen de funcionamiento depende del tipo de motor. Por ejemplo, para un Diesel de un camión dico par!metro fluct"a entre #$$%&$$$ rpm. ' m!s( para el Diesel de un automóvil ligero, asta )*$$%*$$$ rpm. ' para un motor de encendido por cispa #$$%+$$$ rpm. Para las frecuencias de rotación indicadas en los motores de cuatro tiempos cada ciclo se efect"a en $,*%$,$- s ' en los motores de dos tiempos dura - veces menos. n este intervalo de tiempo deber!n efectuarse los siguientes procesos/ el suministro del combustible ' aire al cilindro, la compresión la evaporación del combustible ' su mezcla con el aire, la ignición de la mezcla aire0combustible ' su combustión 1ue conduce a elevar la temperatura ' presión de los gases, la expansión 2carrera de trab trabajo ajo33 ' la expu expulsi lsión ón de los los gases gases 1uem 1uemad ados os.. Para Para todo todoss esto estoss proc proceso esoss es caracter4stico caracter4stico 1ue los par!metros par!metros térmicos ' gasodin!micos gasodin!micos var4en en el curso de su realización. l tiempo asignado para efectuar cada uno de los procesos mencionados no es el mismo. La ma'or ma'or parte del tiempo, especialmente especialmente en los motores motores de cuatro tiempos, se concede a los procesos de admisión ' escape de los gases 1uemados, la
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menor al proceso de combustión. Para asegurar alta efectividad del ciclo se debe prestar especial atención a los procesos de formación de la mezcla aire0combustible ' a su combustión. n los motores de encendido por cispa el proceso de formación de la mezcla aire0 combustible comienza anticipadamente en el proceso de admisión. n caso de emplear combustible l41uido 2gasolina3 al flujo de aire en movimiento se introducen gotas de combustible 1ue an aparecido como consecuencia de la desintegración del corro 1ue sale del surtidor. La calidad de pulverización depende de la relación entre las velocidades de movimiento del aire ' del combustible, as4 como de la turbulencia 1ue surge al pasar la mezcla aire0combustible por el m"ltiple de admisión, por el conducto de admisión en la culata del motor ' a través de la v!lvula. n el motor de carburador cuanto ma'or sea la velocidad de movimiento del aire en el difusor del carburador tanto mejor ser! la pulverización. La disminución de las gotas, es decir, una pulverización m!s fina tiene gran importancia en los motores con formación externa de la mezcla, 'a 1ue acelera el proceso de vaporización del combustible. 5l mismo tiempo disminu'e la cantidad de combustible 1ue se sedimenta sobre las paredes del sistema de admisión, formando una pel4cula 1ue se desplaza ' se evapora con menor intensidad. l proceso de combustión transcurre sólo en la fase gaseosa. Por lo tanto, para realizarlo es menester 1ue el combustible se evapore previamente. La vaporización del combustible en los motores con formación externa de la mezcla transcurre en un lapso de tiempo relativamente largo en el proceso de admisión ' compresión ' fina0
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liza en el instante en 1ue aparece la cispa eléctrica 2cuando el pistón est! cerca del P.6.7.3. s evidente 1ue cuanto menor sea el di!metro de las gotas tanto ma'or ser! su superficie total ' sustancialmente ma'or ser! la velocidad de vaporización. l calor necesario para evaporar el combustible en el conducto de admisión se transmite de la carga de aire. Para una vaporización m!s completa del combustible en el sistema de admisión se calienta la tuber4a de admisión con agua caliente 1ue circula en el motor o con los gases de escape. Debido a estas condiciones ' al movimiento acelerado del aire la velocidad de vaporización aumenta. Para garantizar el proceso oportuno de combustión en el motor con formación externa de la mezcla es preciso 1ue al final de la compresión en todo el volumen de la c!mara de combustión se forme una mezcla aire0combustible omogénea. n los motores a gas el proceso de mezclado del combustible con el aire es m!s sencillo. 8ncluso, empleando gas licuado, después de salir del intercambiador0 evaporador, el gas pasa al estado gaseoso ' uniéndose con el aire en el mezclador forma una mezcla omogénea 'a en el proceso de admisión. l mezclado m!s r!pido del combustible gaseoso con el aire se explica también por el eco de 1ue la relación entre los vapores de gas ' del aire para el gas natural, siendo la composición de la mezcla este1uiométrica, es aproximadamente . / 9 2para la mezcla de vapores de gasolina con el aire esta relación es aproximadamente igual a / *$3. n el motor Diesel la mezcla aire0combustible se forma en corto tiempo. La duración de este proceso es -$%&$ veces menor 1ue en el motor de carburador. l combustible se in'ecta a la c!mara de combustión al final de la compresión cuando
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la posición del pistón est! aproximadamente a -$ : -*; del P.6.7. ' un poco antes de la inflamación de la mezcla aire0combustible ' de su combustión. La duración total de la in'ección alcanza -$0&*; del !ngulo de rotación del cigüeñal. n el periodo de retraso de la inflamación 2véase m!s adelante3 se produce el calentamiento, vaporización de parte del combustible in'ectado ' recalentamiento de los vapores del combustible asta la temperatura, a la cual se inflama.
2.2. CICLO DE CUATRO TIEMPOS
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n el motor Diesel de cuatro tiempos 2fig. -3 cuando est! abierta la v!lvula de admisión 2punto 13 al cilindro no entra nada m!s 1ue aire. Lo mismo 1ue en el motor de carburador,. después de cerrarse la v!lvula de admisión 2punto 23 , ' mientras el émbolo se desplaza acia el P.6.7., en el cilindro tiene lugar la compresión, existiendo intercambio de calor entre el aire admitido ' las paredes del cilindro. 5 diferencia del motor de carburador, en este caso se comprime solamente el aire ' los gases residuales. l punto 3 del diagrama indicado corresponde al instante en 1ue empieza a in'ectarse el combustible a la c!mara de combustión. n este instante la temperatura del aire comprimido es superior a a1uella en 1ue el combustible puede inflamarse sin necesidad de fuente de encendido extraña. Después de un cierto per4odo, en el curso del cual el combustible in'ectado se prepara para la inflamación 2per4odo de retardo del encendido3, se produce la ignición ' luego el combustible arde intensamente. La combustión va acompañada al principio de un aumento brusco de la presión 2tramo cz’ 3 , ' después, durante un per4odo de tiempo no mu' grande, en el tramo z’z transcurre casi a presión. constante. La expansión termina en el instante en 1ue se abre la v!lvula de escape 2punto 43. l escape de los gases 1uemados en el motor Diesel se efect"a de la misma manera 1ue en el motor de carburador.
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2.3. CICLO DE DOS TIEMPOS =eamos el ciclo en un motor Diesel de dos tiempos con barrido por lumbreras. l diagrama indicado 1ue caracteriza el ciclo en este motor Diesel se muestra en la fig. &. La in'ección del combustible, su pulverización, la mezcla con el aire, el encendido ' la combustión se realizan de la misma manera 1ue en el motor Diesel de cuatro tiempos. 5l finalizar la expansión, aproximadamente a )* : *$; del P.6.8. 2punto 13 , cuando la presión en el cilindro es $,&%$,*, 6Pa el pistón abre las lumbreras de escape ' comienza
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la salida de los gases 1uemados. >omo resultado de esto la presión en el cilindro desciende ' en el punto 3 se ace inferior a la presión pk , creada por el compresor. n este instante el émbolo abre las lumbreras de admisión ' a través de ellas empieza a penetrar el aire a presión pk 1ue empuja los productos de la combustión a través de las lumbreras de escape. >uando el pistón se desplaza acia el P.6.7. cierra al principio las lumbreras de barrido, interrumpiendo el ingreso de aire desde el compresor al cilindro. 6ientras tanto, a través de las lumbreras de escape contin"a la salida de los gases 1uemados, termin!ndose en el punto 2, cuando el pistón en su movimiento acia el P.6.7. cierra las lumbreras de escape. Desde este instante comienza el proceso de compresión. Del an!lisis del ciclo de funcionamiento del motor de dos tiempo se deduce 1ue el intercambio de gases 2admisión de carga fresca ' escape de los gases 1uemados3 se efect"a solamente cuando el pistón se
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mueve en las proximidades del P.6.8. Los gases 1uemados se barren del cilindro durante un corto espacio de tiempo en 1ue el volumen var4a en la magnitud V p . Para el barrido del cilindro se utiliza aire 1ue ingresa al cilindro desde el compresor. Parte del aire, durante el barrido, se expulsa junto con los gases 1uemados a través de las lumbreras de escape. n los motores de carburador de dos tiempos el barrido del cilindro se efect"a por la mezcla aire0combustible ' conjuntamente con el aire se expulsa del cilindro combustible sin 1uemar. n los motores de dos tiempos se emplean diversos es1uemas de intercambio gaseoso. n la fig. ), a se representa el es1uema del barrido transversal, en bucles, con lumbreras de admisión ' escape dispuestas en paralelo, utilizado en los motores para motocicletas,. donde la c!mara de manivelas 2c!rter3 sirve de compresor. n el barrido transversal, en bucles o ? invertida, 2fig. ), b3 con disposición excéntrica de las lumbreras de admisión, el aire del compresor entra por las lumbreras situadas a ambos lados de las de escape. La inclinación de los ejes de las lumbreras de admisión origina un movimiento orientado del aire, con el cual se mejora la limpieza del cilindro de los productos de combustión. ste es1uema se emplea en algunos motores de automóvil. n el caso de barrido uniflujo con lumbreras ' v!lvulas 2fig. ), c3 , como por ejemplo en el motor @a6A0-$), los gases 1uemados salen a través de las v!lvulas mientras 1ue el soplado se efect"a por las lumbreras. n la fig. ), d se representa el es1uema de barrido uniflujo en un motor con pistones 1ue realizan carreras opuestas 2uno rige las lumbreras de admisión ' el otro las de
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escape3, este es1uema asegura alta calidad de barrido de los gases 1uemados del cilindro ' su llenado con carga fresca.
2.4 PROCESOS DEL CICLO REAL Del an!lisis realizado se deduce 1ue los ciclos reales en los motores a pistón constan de los siguientes procesos/ el intercambio de gases, 1ue inclu'e el escape de los gases 1uemados, el barrido de la c!mara de combustión ' la admisión de la carga fresca 2aire en el motor Diesel o mezcla de aire0combustible en los motores de encendido por cispa3( la compresión, 1ue va acompañada con elevación de la energ4a interna del fluido operante( la combustión, acompañada de desprendimiento de calor ' la expansión 2carrera de trabajo3. l car!cter con 1ue transcurren los procesos de compresión, combustión ' expansión no depende del n"mero de tiempos del motor, sino 1ue se define solamente del modo de organización del proceso de formación de la mezcla ' del encendido de la misma. l proceso de intercambio de gases depende del n"mero de tiempos del motor. n el de cuatro tiempos su duración abarca m!s de dos carreras del pistón( en el de dos tiempos, sólo parte de una carrera del pistón. n los diagramas indicados, el punto - corresponde a la finalización del proceso de admisión ' al comienzo de la compresión real. Para evaluar los par!metros al final de la compresión, tomando en consideración el comienzo real de este proceso, as4 como la relación de compresión geométrica, referida al volumen total, ε =
V h
+ V c
V c
2)#3
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se emplea la relación de compresión real C
ε =
V C h +V c V c
,
2)93
donde = h es el volumen de trabajo, para la posición del pistón en el instante de comenzar el proceso de compresión.
