RENDIMIENTO TERMICO
El ciclo Otto es el ciclo el ciclo termodinám t ermodinámico ico que se aplica en los motores los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.
El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación la renovación de la carga del mismo:
E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga) A-B: compresión i compresión isoentrópica soentrópica B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga)
Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel,, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen diésel rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.
Eficiencia
La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la detonación. Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto numero de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto numero de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diesel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión. Proporción de aire y combustible
Esta proporción ha de permanecer lo más uniforme posible, dentro de unos estrechos márgenes de variación, se denomina factor lambda y se sitúa alrededor de 14-15 partes de aire en peso por cada parte de gasolina en peso, estando la mezcla estequiométrica aire/gasolina en 14,7:1
Control del par motor
Se efectúa controlando la cantidad de aire o mezcla carburada que entra al motor, mediante el acelerador. De esta manera ajusta el conductor el par motor a la carga motor. La eficiencia o rendimiento de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de llenado en el proceso de renovación de la carga energía por la fricción y la refrigeración.
En el ciclo Otto los motores trabajan en un rango de presiones de combustion de 25 a 30 bares, partiendo de una relacion de compresion de 9 a 10, y en los que la relación de aire/combustible (factor lambda), toma valores de 0,9 a 1,1. El par motor es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia. La potencia desarrollada por el par motor es proporcional a la velocidad angular del eje de transmisión, viniendo dada por:
donde:
es la potencia (en W) es el par motor (en N·m) es la velocidad angular (en rad/s) El par motor viene determinado en los motores de combustión interna alternativos , por la presión media efectiva de la expansión de los gases sobre la cabeza del pistón. Esta presión la define la masa de mezcla que se expande, cuanto mayor sea esta masa, a igual volumen de cilindro, más par. El control sobre esta masa de mezcla la tiene el mando del acelerador, que regula la entrada de más o menos aire (motor Otto) o de más o menos combustible (motor diésel). Esto quiere decir que a un régimen de revoluciones determinado, el motor puede estar produciendo más o menos par. Imaginemos por ejemplo un vehículo que sube una cuesta a 3000 rpm, y baja la misma cuesta al mismo régimen. En un caso el par necesario para moverlo será mayor que en el otro, este par es el que obtenemos regulando con el mando de acelerador. Esto es lo que se denomina carga motor.
En los motores eléctricos, sin embargo el par motor es máximo al inicio del arranque, disminuyendo luego paulatinamente con el régimen. Por este motivo es el tipo de motor idóneo para tracción ferroviaria. Si se mantiene constante la tensión, cuando la resistencia al giro aumenta, el par deberá aumentar para mantener las revoluciones, mediante el aumento de la corriente eléctrica consumida. En los motores de vapor, hoy día en desuso, el par era máximo ya desde el inicio del movimiento. En los motores de combustión interna sin embargo, la zona del régimen de revoluciones en las que el par es aprovechable es bastante reducido. Esto viene determinado sobre todo por el tipo de combustión que es muy corta en duración, especialmente en el de ciclo Otto. En las turbinas de gas la curva que dibuja el par máximo a lo largo del régimen de revoluciones es más abrupta. Por este motivo, y por su "pereza" a la hora de cambiar de régimen, las turbinas de gas se utilizan casi siempre a régimen constante fijo. Es interesante resaltar que el máximo aprovechamiento del combustible (Consumo específico), se consigue alrededor del régimen de par máximo y con el motor casi a la máxima carga, es decir dando el par máximo. Como normalmente es deseable que el par sea lo más regular posible en todo el régimen de giro, se han ideado métodos para conseguirlo: Turbocompresor de baja carga, distribución variable, admisión variable, etc.
Par motor: Es una magnitud física que nos da una idea de cómo evoluciona la potencia de un motor. Representa la capacidad del motor para producir trabajo. Las explosiones en la cámara de combustión empujan el pistón hacia abajo, y su movimiento alternativo se convierte en giros del cigüeñal.
Ahí se puede medir la fuerza del motor como un par de torsión. Se mide en Newton/metro (o en kilopondio/metro), y teóricamente expresa la fuerza de torsión que tendríamos en el extremo de un brazo de palanca de un metro de longitud aplicado al motor. El par depende del régimen de giro, pues la fuerza de las explosiones depende del llenado de la cámara. Según el motor, existe un régimen determinado al que se obtiene el par máximo. Y con el par que rinde el motor a cada régimen se determina la llamada curva de par. Como la potencia es cantidad de trabajo por unidad de tiempo, si sabemos el par motor
de un coche y las revoluciones por minuto a las que consigue alcanzar ese par (realizar ese trabajo) sabemos la potencia que alcanzará en ese régimen de giro, ya que será capaz de realizar ese trabajo tantas veces como vueltas dé ese motor en un minuto, o en una hora o en un segundo. Carga motor
La carga motor equivale al par motor que tiene que suministrar un motor tanto eléctrico como de combustión interna, para vencer las resistencias que se oponen a su movimiento. En el caso del motor de combustión interna alternativo, a cualquier régimen motor pueden existir condiciones muy diferentes de carga. Imaginemos por ejemplo un vehículo que se desplaza cuesta arriba a 3000 rpm de motor, y luego mantiene ese régimen cuando llega a la zona llana. En los dos casos tenemos el mismo régimen, pero diferente carga motor, diferente par motor y por tanto diferente potencia. El conductor tendrá que actuar por lo tanto sobre el acelerador para mantener el mismo régimen.
Rendimientos de un motor
Los motores alternativos más empleados en el automóvil, son los que funcionan en el ciclo de cuatro tiempos, los de encendido por chispa (explosión). En los motores de explosión, el combustible puede hacerse llegar al cilindro por mediación del sistema de inyección electronica, que realiza y dosifica la mezcla de aire y combustible. RENDIMIENTO
La parte de energia suministrada al motor que no aparece en forma de trabajo mecánico, se pierde en forma de calor. Supongamos un motor que está funcionando y conservemos lo que pasa en un cilindro: Expansión : Dado que la combustión se produce en un tiempo muy corto, podemos admitir que todo el calor se emplea en elevar la temperatura y, por consiguiente, la presión de los gases. El pistón desciende empujado por esta presión permitiendo la dilatación del gas; pero durante este periodo de tiempo hay intercambio de calor entre los gases, cuya temperatura es de unos 2000 ºC,
y las paredes de los cilindros, que están aproximadamente a 100 ºC. Este intercambio es tanto más importante, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, superficie de las paredes y tiempo que dura dicho intercambio.
Escape: Antes de finalizar esta carrera, la válvula de escape se abre y los gases salen al exterior. Al comienzo de este tiempo, los gases poseen aún una temperatura bastante elevada, pues solamente han cedido calor por expansión y por perdida a través de las paredes. El resto de su energia se pierde, pues, en el transcurso de esta carrera.
Para reducir esta perdida al mínimo, se ha de procurar enfriar los gases cuantos sea posible, pero de una manera útil, puesto que la perdida es la misma si el calor es disipado por los gases a la atmósfera, o bien cedido a las paredes. La manera útil de enfriarlos es aumentar la carrera de expansión. El escape influye, además, de otra manera sobre el rendimiento, influencia que se traduce, no en una perdida de calor, sino en una disminución de la energia cinética del émbolo. Al retroceder este en su carrera, ha de vencer la contrapresión que se produce en el cilindro y en el tubo de escape, de donde se deduce que es necesario reducir dicha contrapresión. Aspiración: Durante este tiempo, al igual que en el de escape, la energia cinética del embolo disminuye, toda vez que este ha de vencer la depresión que existe en el cilindro, por cuya causa, como en el caso del escape, hay que reducir todo lo posible dicha depresión.
De otra parte, al ponerse el gas en contacto con las paredes calientes del cilindro, aumenta la temperatura, por lo cual, debe procurarse favorecer dicho calentamiento, prolongándolo cuanto sea posible. Como no cabe pensar en aumentar la carrera de aspiración y, de otra parte, no es conveniente enfriar
mucho las paredes del cilindro, como ya vimos al tratar el tiempo de expansión, será preciso calentar el gas antes de su entrada en el cilindro. Compresión : El trabajo empleado en comprimir el gas antes de la combustión, reduce indudablemente el trabajo disponible. Sin embargo, para aumentar el rendimiento, no es necesario disminuir la compresión, sino todo lo contrario.
Por una parte, el gas se calienta al ser comprimido y esta energia aparece durante el periodo útil del ciclo. De otra parte, es evidente que al final de la compresión interesa obtener una presión tan elevada como sea posible, y esta es tanto mas elevada, cuanto mayor sea la cantidad de combustible quemado en un recinto dado. Para concentrar sobre él embolo en una gran masa de gases explosivos, bastara adoptar una compresión elevada. Encendido: Finalmente, para obtener una combustión rápida (cuyo resultado es una presión final elevada), hay que emplear un encendido intenso.
En resumen, las condiciones que se requieren para obtener un rendimiento elevado son:
Mantener los cilindro a elevada temperatura Reducir en lo posible la duración de la expansión Disminuir la superficie de las paredes Aumentar la carrera de la expansión Reducir al máximo la contrapresión en el tiempo de escape. Reducir al máximo la depresión en el tiempo de aspiración Calentar el gas antes de introducirlo en el cilindro. Adoptar una compresión elevada Emplear un encendido intenso
RENDIMIENTO MECANICO
El trabajo perdido en la transmisión, desde él embola al arbol motor, se emplea ya en vencer rozamientos y en mover los órganos accesorios del motor.
Funciones accesorias: El movimiento de los mecanismos que las realizan, absorbe necesariamente una parte del trabajo producido por el motor. El generador, las bombas de agua y aceite y el ventilador, restan una potencia al motor nada despreciable. Sistema de escape: La instalación necesaria para la evaluación al exterior de los gases quemados, requiere un cuidadoso estudio en cuanto a la longitud y sección de paso se refiere, para evitar una resonancia acentuada y una perdida de potencia. La tubería de escape no debe presentar estrechamiento alguno y su sección debe ser suficiente. Rozamiento : Los rozamientos a vencer son los que más influyen sobre el rendimiento mecanico. Los segmentos, aplicándose como resortes contra las paredes del cilindro, ejercen una presión que no puede ser inferior a cierto valor, si se quieren evitar perdidas de compresión por fugas de gases hacia el cárter entre ellos y las paredes. Se reduce el rozamiento al mínimo engrasando todas lo posible ambas piezas.
El émbolo roza, asimismo, en el interior del cilindro, contra el cual ejerce una fuerte presión debido a determinadas posiciones de la biela. La oblicuidad de esta puede disminuirse en el momento más perjudicial, es decir, durante la carrera de expansión, descentrando convenientemente el motor, como ya se verá. Los cojinetes de apoyo del cigüeñal y de las propias bielas, producen un rozamiento elevado, que puede ser disminuido grandemente engrasando convenientemente estas uniones. BALANCE TERMICO
Después de lo expuesto, aparece claro que solamente una pequeña parte de la energia calorífica del combustible quemado en un motor, se transforma en energia mecanica. El resto se dispersa de diversas formas. El balance térmico de un motor de características medias, donde puede observase que del 100% del poder calorífico del combustible, se pierde un 20% en el agua de refrigeración, un 35% en el escape y un 15%en rozamientos mecánicos y resistencias pasivas. Queda, pues, un 30% de calorías útiles de las que puede disponerse para propulsar el vehículo.
