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