TAREA DEL CICLO OTTO

CILCO OTTO

El ciclo de Otto es un conjunto de procesos utilizados por los motores de combustión interna de encendido por chispa (ciclos de 2 o 4 tiempos). Estos motores a) aspiran una mezcla de aire-combustible, b) lo comprimen, c) provocan su reacción, logrando así eficazmente la adición de calor a través de convertir energía química en energía térmica, d) expanden los productos de la combustión, y a continuación e) expulsan los productos de combustión y lo reemplazan con una nueva mezcla de aire-combustible

Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes:

Admisión

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión

El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabáticareversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

Combustión

Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

Expansión

La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.

Escape

Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo

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En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos.

En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.

CICLO DIÉSEL

Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un Motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de auto ignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.

Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla). La relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de gasolina puede rondar un valor de 8.

Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diésel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:

Admisión E→A

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.

Compresión A→B

El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

Combustión B→C

Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.

Expansión C→D

La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.

Escape D→A y A→E

Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina.

EL MOTOR WANKEL

El motor Wankel pertenece a los motores de combustión interna y funciona según el ciclo de cuatro tiempos. El movimiento de rotación se obtiene directamente en el pistón (también llamado rotor) que tiene forma triangular y gira impulsado por la combustión que se produce sucesivamente en sus tres cámaras radiales.

Los procesos de admisión y escape se realizan mediante lumbreras (como los motores de dos tiempos) que son controladas por el giro del motor (no se necesita por tanto distribución).

El rotor de forma triangular gira sobre una excéntrica situada en el árbol motriz. Durante su rotación, los tres vértices del rotor están en permanente contacto con la superficie interna de la camisa. El dentado interno del motor engrana con un piñón describiendo órbitas alrededor de él. El giro del rotor es trasmitido al árbol motriz a través de la excéntrica, de manera que por cada revolución del rotor del árbol motriz gira tres vueltas (el dentado interno describe tres órbitas alrededor del piñón estacionario) o dicho de otro modo cuando el rotor avanza 120º, el árbol motriz o eje de salida a girado 360º. Por ejemplo, cuando el motor alcanza un régimen de 3000 rpm el rotor gira solamente a 1000 rpm. (Par motor más uniforme y más tiempo para realizar el intercambio de los gases.)

En cada una de las tres cámaras que se forman entre el rotor y la carcasa se llevan a cabo un ciclo de cuatro tiempos en una vuelta del rotor, es decir, tres ciclos completos por revolución, esto significa que le rotor recibe un impulso cada 120º (360º en el árbol motriz).

En el motor rotativo el árbol motriz gira 1080º (tres vueltas) para completar un ciclo en cada una de las tres cámaras, en este tiempo el rotor gira 360º (una vuelta). En cambio, en el motor de pistón alternativo un ciclo completo se realiza cada 720º (dos vueltas) de rotación del cigüeñal.

1º Admisión: La admisión de la mezcla aire-combustible comienza cuando el vértice A descubre la lumbrera de admisión, el desplazamiento del rotor aumenta progresivamente el volumen de la cámara que va llenándose de aires frescos, hasta que el vértice C cierra a la lumbrera.

2º Compresión: La mezcla admitida queda encerrada en la cámara de lado AC, que ahora disminuye su volumen produciéndose la compresión de los gases, Antes de llegar a la máxima compresión, con un cierto avance, se produce el encendido mediante el salto de la chispa en la o las bujías, iniciándose la combustión.

3º Explosión: El aumento de presión que produce la combustión, impulsa al rotor mientras se realiza la expansión de los gases, que se prolonga hasta que el vértice A abre la lumbrera de escape.

4º Escape: Una vez descubierta la lumbrera de escape, los gases quemados son expulsados a gran velocidad debido a la presión residual de la expansión. El giro del rotor va disminuyendo el volumen de la cámara hasta completar el proceso cuando el vértice C rebasa la lumbrera de escape. La eficacia del intercambio de gases depende de la posición de las lumbreras.

MEZCLA ESTEQUIOMETRIA

En condiciones normales, la combustión total de 1 gramo de gasolina se consigue con 14.8 gramos de aire. Sin embargo, los motores de pistón no son capaces de crear las condiciones de homogeneidad entre aire y gasolina para quemarla el ciento por ciento. Para contrarrestar esta deficiencia los sistemas de alimentación están diseñados de manera que la mezcla contenga un 10 por ciento más de aire por gramo de gasolina. Esta proporción se denomina "mezcla económica" y se forma con 16 partes de aire por cada parte de combustible. 

Relación de Máxima Potencia

Esta se obtiene con una mezcla que presenta 20% menos de aire que la proporción económica, es decir, 1 gramo de gasolina por cada 12,5 gramos de aire.

Rendimiento de Motor

El desempeño de un motor varía de acuerdo a la relación de mezcla que utiliza. Si un motor funciona a velocidad constante y variamos la proporción de aire combustible que lo alimenta su potencia varía de acuerdo al gráfico siguiente.

A medida que se mejora el rendimiento volumétrico de un motor, mayor cantidad de mezcla alcanza los cilindros y por consiguiente su potencia aumenta. Otras mejoras se obtienen si se ajusta apropiadamente lo siguiente:

• Atomización de la gasolina.
• Uniformidad de alimentación a cada cilindro.
• Aumento de relación de compresión.
• Punto de encendido eléctrico.

Si el armado o los ajustes de un motor no son realizados correctamente su potencia máxima es imposible de conseguir y su consumo de combustible disminuye.
Como resultado de la combustión de la gasolina se obtiene calor, dióxido de carbono y agua. Por cada litro de bencina que se quema el motor arroja a través de su sistema de escape 1 litro de agua. 

HP Y CV

el caballo de vapor, que se indica con el símbolo CV o HP (del inglés “horse”, caballo y “power”,  potencia) es la unidad práctica de medida de potencia. Fue empleada por primera vez en el año 1782, para medir la potencia de una bomba de vapor construida por el físico inglés James Watt.

El caballo de vapor corresponde a la potencia de 75 kilográmetros por segundo: o sea que un motor tiene la potencia de un CV o HP cuando puede levantar 75 Kg. a una altura de un metro en un segundo.

Naturalmente, los motores de los vehículos y máquinas suelen realizar otros trabajos. Un ejemplo práctico: el motor del automóvil “Fiat 600 D” desarrolla alrededor de 32 caballos. Esto significa que si ese motor- fuera engranado a una polea, podría levantar (si no hubiera roces) uno:; 2.400 kilogramos a un metro de altura en un segundo.

EXPLICACIÓN FÍSICA: La física define como TRABAJO el desplazamiento (movimiento) de un cuerpo por efecto de una fuerza. El trabajo se mide en términos numéricos, multiplicando la fuerza ejercida por la distancia recorrida. Es decir, si movemos un cuerpo con la fuerza de un kilogramo para que recorra 1 metro, estamos efectuando un trabajo de1 kg x metro, es decir, hacemos un trabajo de kilográmetro. A mayor fuerza ejercida mayor trabajo efectuado.

El otro concepto físico que se llama POTENCIA se expresa con un número que cuantifica el trabajo efectuado durante un lapso de tiempo. Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor. La medida original de potencia se expresa en caballos de fuerza (HP)

Por ejemplo, la potencia de los automóviles se indica a menudo en caballos de fuerza (HP). La palabra “caballo de fuerza” puede proporcionarle una idea intuitiva de que la potencia define qué cantidad de “músculo” tiene un motor.

Un caballo de fuerza es una unidad de medida inventada por James Watt  en el año 1782. Esta unidad de medida corresponde a una unidad de potencia, que en el sistema métrico corresponde al equivalente de la fuerza que se necesita para levantar 1 libra a 550 pies de altura en 1 segundo. (en nuestro sistema es: 0,453 Kg. a 167.64 m. en 1 seg.). Podemos expresar lo anterior, pero por minuto, es decir 60 veces mas, y ahora seria levantar 1 libra a 33.000 pies de altura por minuto.

Otra unidad parecida para medir potencia es el “caballo vapor” (CV) y la relación entre ambas es la siguiente: 1HP=1.0139 CV

La unidad de potencia eléctrica usada normalmente es el Watt (W) y745.72218 W=1HP

Cuenta la historia que Watt trabajaba en minas de carbón y que una de sus características era la de poseer una imaginación bastante fuera de lo común. Lo anterior le permitió realizarse la pregunta acerca de cuánta fuerza debía realizar un caballo para movilizar una determinada cantidad de carbón, y lo pensó en términos de rendimiento.

POTENCIA

La potencia es la cantidad trabajo que se realiza por unidad de tiempo. Puede asociarse a la velocidad de un cambio de energía dentro de un sistema, o al tiempo que demora la concreción de un trabajo. Por lo tanto, es posible afirmar que la potencia resulta igual a la energía total dividida por el tiempo.

TORQUE

torque o momento de una fuerza a la capacidad de dicha fuerza para producir un giro o rotación alrededor de un punto. 

En el caso específico de una fuerza que produce un giro o una rotación, muchos prefieren usar el nombre torque y no momento, porque este último lo emplean para referirse al momento lineal de una fuerza.

Para explicar gráficamente el concepto de torque, cuando se gira algo, tal como una puerta, se está aplicando una fuerza rotacional. Esa fuerza rotacional es la que se denomina torque o momento.

Cuando empujas una puerta, ésta gira alrededor de las bisagras. Pero en el giro de la puerta vemos que intervienen tanto la intensidad de la fuerza como su distancia de aplicación respecto a la línea de las bisagras. 

Entonces, considerando estos dos elementos, intensidad de la fuerza y distancia de aplicación desde su eje, el momento de una fuerza es, matemáticamente, igual al producto de la intensidad de la fuerza (módulo) por la distancia desde el punto de aplicación de la fuerza hasta el eje de giro

CURVA DE POTENCIA

En la siguiente gráfica se representa de nuevo la curva conjunta de potencia (P) y par motor (T), en función de la velocidad de giro (n) en r.p.m. para un motor tipo.

Figura 3. Curva de potencia y par motor

Como se puede observar de la anterior figura, la potencia que puede ofrecer un motor de combustión interna tipo aumenta conforme sube de régimen de giro, hasta un máximo (representado por P3) que se alcanza cuando gira a n3 (r.p.m.).

En estas condiciones, aunque se acelere más la velocidad del motor, éste no es capaz de entregar más potencia dado que la curva entra en su tramo descendente. El límite máximo de revoluciones a la que puede girar el motor lo marca n4, establecido por las propias limitaciones de los elementos mecánicos que lo constituyen.

Lo primero que se puede comprobar es que la máxima potencia no corresponde con el régimen del máximo par motor (punto de revoluciones n1). En la mayoría de los casos, el punto de par máximo se encuentra en torno al 70% del régimen nominal, es decir, de aquel al que se produce la máxima potencia.

Esto es así porque según se vio en al apartado 2.1 anterior, la potencia es el producto del par motor por el número de vueltas, y aunque se alcance el punto donde se comienza ligeramente a disminuir el par que ofrece el motor, este efecto se compensa por el aumento, que proporcionalmente es mayor, del régimen de giro del motor, y por ello su producto, que proporciona la potencia, sigue aumentando.

En otro orden de cosas, el rango de velocidades que produce un funcionamiento estable del motor, según la gráfica de la figura 3 anterior, sería el comprendido entre el régimen de velocidades n1 y n2, valores que por otro lado no se corresponde con el punto de máxima potencia.

En efecto, si el motor se encuentra funcionando a un régimen de velocidades entre n1 y n2, cualquier situación cambiante que se produzca durante la conducción y que suponga un aumento del par resistente, por ejemplo, al subir una carretera en pendiente, el motor se adapta automáticamente disminuyendo su régimen de giro porque esto supone que aumentará el par motor. Y análogamente, si de nuevo baja el momento resistente, por ejemplo, al volver a un tramo sin pendiente en la carretera, las necesidades del par motor son menores que se consigue automáticamente aumentando la velocidad del motor.

En los motores diesel la curva de par es prácticamente horizontal para un amplio rango de revoluciones del motor, como ya se vio en el apartado anterior, mientras que la curva de potencia se aproxima a una recta que pasa por el origen, como se comprueba en la figura 4 adjunta.

Figura 4. Curva de par y potencia en un motor diésel

El disponer en los motores diésel de una curva de potencia tan pronunciada y ascendente, indica que en este tipo de motores a más revoluciones se obtiene mayor potencia. Este hecho unido a que el par permanece prácticamente constante, cualquier disminución en el par resistente con la que se encuentre el vehículo, por ejemplo, en una carretera llana o ligeramente descendente, ocasionaría un aumento brusco de las revoluciones del motor.

Por ello, y para evitar que el motor se embale se incluye en los motores diesel un elemento regulador que a partir de cierta velocidad de giro reduce la cantidad de combustible inyectado, reduciendo de este modo el par y la potencia que ofrece el motor (situación indicada con los puntos P´3 y T´3, de la figura 4). De este modo a la máxima velocidad de funcionamiento sólo podrá funcionar el motor en vacío, evitando así que el motor se revolucione de manera descontrolada.

La cilindrada de un motor 

un cilindro es el volumen que queda comprendido entre el PMS y el PMI del recorrido del pistón (ver post de ciclo de cuatro tiempos). Por lo tanto, para motores de más de un cilindro, el total será el de uno de ellos multiplicado por el número total de cilindros, ya que todos son de las mismas dimensiones. Las unidades que nos vamos a encontrar son:

Cilindrada: litros o centímetros cúbicos (cc)

Carrera del pistón: milímetros (mm)

Calibre o diámetro del cilindro: milímetros (mm)

Según las dimensiones de la carrera y el calibre:

Carrera igual al calibre: motor “cuadrado”

Carrera inferior al calibre: motor “supercuadrado”

Carrera superior al calibre: motor “alargado”

Actualmente se tiende a la fabricación de motores con mayor calibre que carrera. Si damos mucha carrera al cilindro, la velocidad hacia arriba y abajo del pistón será más variable, aumentando la fuerza de inercia y el rozamiento. Si disminuimos la carrera en exceso, para obtener una buena cilindrada debemos aumentar el calibre,aumentando el tamaño del pistón, y por tanto, su masa. Por lo tanto, hay que tener en cuenta estas consideraciones a la hora de diseñar. Aunque también tenemos que considerar que los continuos avances en materiales permiten fabricar piezas cada vez más ligeras y resistentes.

Dicho esto, para calcular la cilindrada emplearemos las siguientes ecuaciones:

Donde:

Vu= Cilindrada unitaria (mm³)
Vt= Cilindrada total (mm³)
D= Calibre (mm)
C=Carrera (mm)
N= número de cilindros