Tema 10 .- CICLOS TEÓRICOS Y REALES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
10.1.- Definiciones Punto muerto superior (P. M. S.) - Posición del pistón más cercana a la cabeza del cilindro. Punto muerto inferior (P. M. I.) - Posición del pistón más lejana de la cabeza del cilindro. Diámetro o calibre (D). Diámetro 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 cigüeñal. Volumen total del cilindro (V1): Volumen comprendido entre la cabeza o culata y el pistón cuando este está en el P.M.I., medido generalmente en cm3 o en litros. Volumen de la cámara de combustión o volumen de espacio libre (V2): Volumen comprendido entre la cabeza y el pistón cuando este está en el P.M.S. medido generalmente en cm3 o en litros Volumen desplazado por el pistón o cilindrada unitaria (V1 – V2): Volumen generado por el pistón en movimiento desde el P.M.S. al P.M.I. medido generalmente en cm3 o en litros Relación volumétrica de compresión (): relación entre el volumen total del cilindro V1 y el volumen de la cámara de combustión V2,. Generalmente se la llama simplemente relación de compresión:
V1 V2
Vc V1 V2
D 2 4
Sz
z= Número de cilindros
10.2. Ciclo operativo de 4 tiempos Por ciclo operativo entendemos la sucesión de operaciones, o fases, que el fluido activo cumple en el cilindro y repite periódicamente. Los motores alternativos son de 4 tiempos cuando el ciclo se cumple con 4 carreras del pistón y de 2 tiempos cuando el ciclo se cumple sólo con dos carreras del pistón. Esto significa que los motores de 4 tiempos completan un ciclo cada dos revoluciones del cigüeñal y los de 2 tiempos uno cada revolución. Las 4 fases del ciclo de 4 tiempos son: a) Admisión de la carga al cilindro. b) Compresión de la carga. c) Combustión y expansión. d) Expulsión o escape de los productos de la combustión. Cada fase corresponde aproximadamente a una carrera del pistón.
Fig. 10.1. Fases de un motor de 4 tiempos.
a) Admisión. - El pistón en la carrera hacia el P.M.I. crea una aspiración del fluido hacia el cilindro. En la cámara de combustión se abre en el momento oportuno la válvula de aspiración para permitir la entrada del aire o de la mezcla gaseosa combustible. La válvula comienza a abrirse antes del inicio de la carrera y se cierra después que la carrera se ha completado. b) Compresión - Cerrada la válvula de admisión, durante la carrera de regreso del pistón la carga es comprimida en la cámara de combustión hasta un valor máximo que se alcanza en el P.M.S. En ese momento el volumen de la carga se ha reducido a una fracción del volumen que tenía al comienzo de la carrera; esta fracción es el valor inverso de la relación volumétrica de comprensión. c) Combustión y expansión. - Poco antes del fin de la carrera de compresión se produce el encendido de la mezcla por medio de una chispa eléctrica, o bien el encendido espontáneo del combustible inyectado en la cámara de combustión, con el consiguiente repentino aumento de temperatura y de presión causado por el calor de la combustión. El valor alcanzado por la presión después del encendido es unas 2 a 4 veces superior al que se tenía inicialmente, por lo que el pistón es empujado hacia el P.M.I. Antes que la carrera de trabajo se haya completado comienza a abrirse la válvula de escape y los gases quemados. que aun están a una cierta presión, comienzan a salir del cilindro. d) Escape. - Durante su carrera de regreso hacia el P.M.S. el pistón expulsa los gases quemados a través de la válvula de escape. Al final de la carrera, o poco después, se vuelve a cerrar la válvula de escape; mientras tanto se ha abierto nuevamente la de admisión y comienza un nuevo ciclo para continuar repitiéndose 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 introducción del fluido de trabajo en el cilindro tiene lugar durante una fracción 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 efectúa por su propia presión. En el ejemplo de la figura la compresión previa del fluido que entra por la abertura B se produce en la cámara del cigüeñal (cárter) por obra del pistón que funciona como bomba por el lado inferior. La figura muestra cómo la distribución del fluido de trabajo puede hacerse, sin necesidad de válvulas, mediante el mismo pistón que abre y cierra, durante sus carreras, unas lumbreras de admisión y de escape. Muchos motores de 2 tiempos están en cambio provistos de una válvula de admisión automática interpuesta entre el carburador y la base. a) El primer tiempo corresponde a la carrera de trabajo. Esta comienza con el encendido y la combustión y prosigue con la expansión hasta cuando el pistón 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 aún elevada presión, creando en la masa fluida una corriente dirigida hacia la salida: inmediatamente después se abre también la lumbrera de admisión C y el fluido de trabajo, empujado por la presión que adquirió en la cámara del cigüeñal, y además aspirado por la corriente de gases quemados que sale por A, entra en el cilindro. Se inicia así la fase de barrido y admisión, que ocupa el resto de la carrera. b) El segundo tiempo corresponde a la carrera de retorno del pistón 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 admisión, durante el segundo se realiza la fase de compresión. Antes de completar la carrera, el borde inferior del pistón deja libre la lumbrera B de entrada del fluido en la cámara del cigüeñal (cárter); el fluido entra en ella a causa de la depresión que se crea por efecto del desplazamiento del pistón, y es después comprimido durante la carrera siguiente. La figura representa esquemáticamente las fases de un motor de 2 tiempos provisto de válvula para el escape. A su debido tiempo de hablar de las características funcionales de este sistema. El ciclo de dos tiempos ha sido concebido para simplificar el sistema de distribución, puesto que se eliminan las válvulas o se reduce su número, y para obtener una mayor potencia a igualdad de dimensiones del motor. En efecto, se tiene una carrera útil por cada giro del cigüeñal, por lo tanto la frecuencia de las carreras útiles es el doble y en consecuencia la potencia producida resulta teóricamente el doble de la de un motor de 4 tiempos de igual cilindrada. El aumento de la frecuencia de las carreras útiles presenta sin embargo problemas de carácter térmico derivados de la mayor temperatura media de las piezas del motor. Puede citarse como ejemplo la posibilidad de rotura de la película de aceite lubricante con daño a los pistones y los cilindros. La velocidad del motor de 2 tiempos tiene que ser por esto, en general, inferior a la que sería necesaria para obtener una potencia el doble que la de un motor de 4 tiempos de igual cilindrada teórica.
10.4. Las principales diferencias entre los motores ECh (Otto) y EC (Diesel). No existen diferencias sustanciales desde el punto de vista mecánico entre los dos tipos de motores; esencialmente se diferencian por sus ciclos teóricos, ya que el motor ECh funciona según el ciclo Otto y el motor EC según el ciclo Diesel. 1) Introducción del combustible. - En la mayor parte de los motores ECh el aire y el combustible son introducidos en la cámara de combustión bajo forma de mezcla gaseosa a través de los conductos y las válvulas de admisión. La regulación de la cantidad introducida en el motor se consigue mediante una válvula de mariposa. Cuando el motor es a inyección, la regulación se hace sobre el aire y sobre el combustible separadamente. En los motores EC el aire es introducido en la cámara de combustión a través de los conductos y las válvulas de admisión, 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 cámara de combustión; generalmente no hay regulación 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 combustión. El encendido se produce por medio de una chispa generada en la cámara de combustión entre los electrodos de una o más bujías. En el motor EC la alta temperatura obtenida por la compresión del aire en el cilindro es tal que provoca el encendido del combustible apenas es inyectado, por lo que no es necesario ningún dispositivo para el encendido, 3) Relación de compresión. - El valor de la relación volumétrica de compresión en los motores ECh varía entre 8 y 11, salvo excepciones, mientras que en los motores EC varía desde 14 hasta 22. En los motores ECh el límite superior de la relación de compresión está determinado esencialmente por las características antidetonantes de los combustibles disponibles comercialmente, pero también por la forma y las características térmicas de la cámara de combustión. En los motores EC depende de parámetros que tienen relación con la forma de la cámara de combustión y con las características de la inyección. 4) Peso. - El motor EC es generalmente más pesado que un motor ECh de igual cilindrada, porque funciona a presiones considerablemente mayores.
10.5. Ciclos teóricos y reales. Durante el paso por el motor el fluido de trabajo está sometido a una serie de transformaciones químicas y físicas (compresión, expansión, combustión, transferencia de calor a través 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 fenómenos, teniendo en cuenta todas las numerosas variables, representa un problema muy complicado; por esto generalmente se simplifica recurriendo a sucesivas aproximaciones teóricas, cada una de las cuales están basadas en diferentes supuestos simplificativos, de una aproximación gradualmente creciente. Para los ciclos teóricos, 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 teóricos han de confrontarse en la práctica con los ciclos reales, obtenidos experimentalmente mediante aparatos llamados indicadores. Por esto al ciclo real se le llama también ciclo indicado. En el ciclo ideal se supone que el fluido de trabajo está constituido por aire y que se comporta como un gas perfecto. En consecuencia los valores de los calores específicos 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 atmósfera) de presión: cp = 1 KJ/kg "K cv = 0,72 KJ/kg "K y por tanto
cp cv
1.41
Se supone además que las fases de introducción y de extracción de calor tienen una duración bien determinada, que depende del tipo de ciclo (Otto, Diesel, Sabathé) y que en las demás fases del ciclo no se producen pérdidas de calor. Está claro que, con estas hipótesis, los valores máximos de temperatura y de presión, y por lo tanto el trabajo y el rendimiento térmico calculados para el ciclo ideal, son mayores que los de los otros tipos de ciclos. El ciclo ideal representa por lo tanto el límite máximo que el motor puede teóricamente alcanzar en lo concerniente a prestaciones y permite un estudio matemático sencillo basado en las leyes de los gases perfectos. A este nos referiremos en lo que sigue, cuando digamos ciclo teórico. 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 función de los volúmenes en el cilindro. El diagrama indicado refleja las condiciones reales del ciclo y por lo tanto tiene en cuenta también las pérdidas de calor, la duración de la combustión, las pérdidas debidas al rozamiento en el fluido, a la duración del tiempo de apertura de las válvulas, al tiempo de encendido, al tiempo de inyección, y las pérdidas en el escape. 10.6. El ciclo Otto teórico El ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa (ECh), y está representado gráficamente en la figura 10.3 en coordenadas p-v. Los procesos termodinámicos que tienen lugar durante el ciclo son: 1-2. Adiabático o isentrópico (sin transferencia de calor con el exterior): compresión del fluido de trabajo, correspondiente al trabajo W1 realizado por el pistón. 2-3. A volumen constante: introducción instantánea del calor aportado Q1. 3-4. Adiabático: expansión, correspondiente al trabajo W2 realizado por el fluido de trabajo. 4-1. A volumen constante: extracción instantánea del calor Q2 En realidad en los motores de 4 tiempos la extracción del calor se produce durante la carrera de escape 1 - 0 y el fluido es introducido en el motor en la carrera de admisión 0 - 1. Sólo valen los puntos del espacio p,V,T que cumplen con la ecuación de los gases perfectos.
pV nRT
ma RT Ma
Grado de explosión
p3 Grado de explosión ; p2 Transformación 3-4: Transformación Rendimiento térmico teórico:
p3 p2
Transformación 1-2:
p1V1 p 2V2 pV p 2 p1 Transformación 2-3:
Q1 mc H i n cv (T3 T2 )
T3 p3 T2 p2
Fig. 10.3. Ciclo Otto teórico
Transformación 3-4:
p3V3 p4V4 pV Transformación 4-1:
T4 p4 T1 p1 Q2 n cv (T1 T4 )
Rendimiento térmico teórico:
t
Q1 Q2 Q1
Wt 1 1 1 Q1
10.7. Ciclo Diesel teórico Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión. La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel está en la fase de aportación del calor. En el ciclo Otto el calor es introducido a volumen constante, mientras en el ciclo Diesel es introducido a presión constante. Relación de combustión
V3 ; V2
Transformación 1-2:
p1V1 p 2V2 pV p 2 p1 Transformación 2-3:
Q1 mc H i n c p (T3 T2 )
V3 T3 V2 T2 Transformación 3-4:
Fig.10.4 Ciclo Diesel teórico
p3V3 p 4V4 pV Transformación 4-1:
Q2 n cv (T1 T4 )
p4 T4 p1 T1 Rendimiento térmico teórico
t
Q1 Q2 Q1
1 W 1 t 1 1 Q1 ( 1)
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 pistón. Este diagrama se llama diagrama indicado y el aparato que sirve para trazarlo, indicador.
Wi Trabajo Indicado
Wi Trabajo Indicado
Fig 10.5. Ciclos reales Otto y Diesel Diferencias entre los ciclos Otto y Diesel reales y teóricos. Las diferencias de forma del ciclo indicado con respecto al teórico consisten en un diferente recorrido seguido por las curvas de expansión y de compresión, en la sustitución de los tramos rectilíneos y en la sustitución de los ángulos por curvas de enlace. Las causas de estas diferencias han de buscarse en las siguientes razones: a) Pérdidas de calor. En el ciclo teórico son nulas, en el ciclo real son en cambio apreciables. Puesto que el cilindro y la culata están refrigerados, una parte del calor es transmitida por el fluido a las paredes. Las líneas de compresión y expansión no son por lo tanto adiabáticas, sino politrópicas con exponente n diferente de . Como el fluido sufre pérdidas de calor, para la expansión se tendrá n > y para la compresión n < . Se verifica por lo tanto una pérdida de trabajo útil correspondiente a las áreas A. b) Combustión no instantánea. En el ciclo Otto teórico se supone que la combustión se realiza a volumen constante, es decir, que es instantánea, 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 combustión tendría lugar mientras el pistón se va alejando de él, y el valor de la presión sería inferior al previsto con la consiguiente pérdida de trabajo útil. Por ello conviene anticipar el encendido de modo que la combustión pueda llevarse a cabo en su mayor parte cuando el pistón se encuentra en las cercanías del P.M.S. Esto produce un redondeamiento de la línea teórica de aportación de calor, y por lo tanto una pérdida de trabajo útil representada por las áreas B, pero esta pérdida resulta de magnitud mucho menor que la que se tendría sin adelanto del encendido. En los motores Diesel la combustión se realiza en condiciones tales que la presión varía durante el proceso, mientras que en el ciclo teórico habíamos supuesto que se mantiene constante. En realidad la combustión se realiza
en parte a volumen constante y en parte a presión constante, casi como en el ciclo Otto real. Sólo en el caso de motores muy lentos la combustión se aproxima un poco al proceso teórico.
c) Tiempo de apertura de la válvula de escape. En el ciclo teórico se ha supuesto que también la extracción de calor se lleva a cabo instantáneamente coincidiendo con la posición del pistón en el P.M.I, En el ciclo real la extracción de calor se produce durante un tiempo relativamente largo. La válvula de escape debe abrirse anticipadamente para dar tiempo a una parte de los gases quemados para salir del cilindro antes que el pistón alcance el P.M.I., de modo que la presión descienda aproximadamente hasta el valor de la presión exterior al comienzo de la carrera de escape. Este hecho produce una pérdida que sin embargo es menor que la que se tendría sin el avance de la apertura de la válvula de escape. d) Aumento de los calores específicos del fluido con la temperatura. Tanto el calor específico a presión 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 presión y de la temperatura máxima resultan siempre inferiores a los obtenibles en el caso de que los calores específicos fueran constantes para las variaciones de temperatura. e) Pérdidas en la renovación de la carga. El ciclo real presenta otra diferencia importante en comparación con el ciclo teórico. Durante la carrera de admisión la presión en el cilindro es inferior a la que se tiene durante la carrera de escape. Salvo casos particulares, durante la admisión la presión es inferior a la atmosférica y durante el escape es superior. Se crea por lo tanto en el diagrama indicado un área negativa D que corresponde a trabajo perdido. Este trabajo, realizado por el motor para llevar a cabo la admisión y el escape, se llama trabajo de bombeo y generalmente se evalúa 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 g
Wi Wi Wi TrabajoIndicado Wi TrabajoTeórico Wt Q1 Q2 Q1 t mc H i t
Wi Wi t g Q1 mc H i Perdidas Termodinámicas W pt Q1 Wi Rendimiento Indicado i
Trabajo efectivo
We Wi W pm
Rendimiento mecánico m
We Wi
Rendimiento efectivo o económico e
Par motor
M Ft r
Wpm (Trabajo debido a las pérdidas mecánicas)
Trabajo
We We t g m i m Q1 mc H i 4
4
0
0
W Ft rd M d M 4
1 r
Ft 2
Ft
Potencia
N
W n M 2n (kW ) 2 60 1000 60 1000
10.10. Bibliografía Giacosa, D. 1988. Motores Endotérmicos. Ediciones Omega S.A. Capítulos I-IV.
