Ciclos del motor

Análisis del ciclo del motor

Cuando se trata del análisis de los ciclos del motor, hay cuatro etapas. Éstas incluyen la admisión, la compresión, la combustión y el escape. Cada etapa se muestra en la Figura 1, que describe un motor diésel de cuatro tiempos o un motor de gasolina. Merece la pena mencionar los principales componentes individuales del cilindro de un motor. Un cilindro es el lugar donde se produce la combustión. Un pistón es un cilindro dentro del motor que está conectado a un vástago que se utiliza para mover el pistón verticalmente dentro del cilindro del motor en un ajuste hermético al gas. Hay dos válvulas en la parte superior del cilindro, una de admisión y otra de escape, y un inyector de combustible o bujía entre las dos válvulas.

Fig. 1. Ciclo del motor de cuatro tiempos

En los motores de gasolina o diésel, cada movimiento vertical del pistón hacia arriba o hacia abajo se denomina carrera. Por tanto, en los motores de cuatro tiempos, el pistón realiza en total 4 movimientos hacia arriba y hacia abajo, que suelen dividirse en cuatro etapas diferentes para completar un ciclo de motor.

Análisis de los ciclos del motor: Carrera de admisión

La primera carrera es la carrera de admisión. En una carrera de admisión, el pistón se desplaza por el cilindro desde la posición superior máxima hasta la posición inferior mínima. El aire premezclado y el combustible son aspirados al cilindro a través de las válvulas de admisión abiertas, aumentando el volumen dentro del cilindro. La presión en el cilindro permanece constante, aproximadamente por debajo de la presión atmosférica.

Análisis de los ciclos del motor: Compresión

En este punto, las válvulas están cerradas. El pistón se mueve ahora hacia arriba desde la posición vertical mínima hasta la posición máxima, disminuyendo el volumen y aumentando la presión dentro del cilindro. La mezcla se comprime hacia una bujía. Durante la compresión se realiza trabajo sobre el aire. Ésta es la segunda carrera.

Es vital que la chispa se produzca justo antes del final de la carrera para que la mezcla haya tenido tiempo suficiente para llegar al tope de su carrera, permitiendo así que actúe la máxima presión sobre el pistón que desciende. El combustible calentado acciona la turbina y luego se inyecta en la cámara de combustión, donde se quema.

Análisis de los ciclos del motor: Combustión

Debido a la alta presión cerca de la posición máxima superior hacia el final de la segunda carrera, aumenta la temperatura de la mezcla y ésta se enciende mediante una chispa de la bujía. El volumen permanece casi constante durante esta etapa. Esta es la última etapa de la segunda carrera.

Análisis de los ciclos del motor: Expansión

La elevada presión de los gases expandidos obliga al pistón a moverse hacia abajo. Los gases en expansión realizan trabajo. La válvula de escape se abre en la posición mínima, y la presión se reduce hasta casi la atmosférica. Ésta es la tercera carrera.

Análisis de los ciclos del motor: Escape

El pistón se mueve hacia arriba expulsando los gases quemados a través de la válvula de escape abierta, mientras la presión en el cilindro se mantiene justo por encima de la presión atmosférica. Ésta es la cuarta y última carrera del ciclo de un motor. A continuación se repite el ciclo.

Los ciclos térmicos o de motor básicamente añaden y rechazan energía en forma de calor durante las etapas de combustión y escape, mientras que el trabajo lo realizan las etapas de compresión y expansión.

Dos tipos de ciclos para motores de gasolina y diésel

Hay dos tipos de motores. Los motores diésel y de gasolina funcionan según diferentes ciclos teóricos del motor, el ciclo diésel y el ciclo Otto respectivamente.

El ciclo Ottoideal o teórico descrito anteriormente es el principio con el que funciona el motor de gasolina. Supone las siguientes condiciones

• La admisión es isobárica(0-1).

• La compresión es reversible y adiabática (1-2).

• La combustión (adición de calor) es isocórica (2-3).

• La expansión es reversible y adiabática (3-4).

• El escape (rechazo de calor) es isocórico (4-1).

El ciclo Otto ideal también puede describir los cuatro tiempos mediante un gráfico termodinámico de presión vs volumen. Esto se muestra en la siguiente figura, donde las cuatro carreras se describen con números del 1 al 4, que hacen referencia a las cuatro carreras secuenciales que completan un ciclo del motor. Se muestran los procesos de volumen constante y presión constante.

Fig. 2. Ciclo Otto ideal

El ciclo diésel ideal o teórico es el principio con el que funciona el motor diésel. Se puede describir asumiendo las siguientes condiciones:

• La admisión es isobárica (0-1).

• La compresión es adiabática (1-2).

• La combustión (adición de calor) es isobárica (2-3).

• La expansión es adiabática (3-4).

• El escape (rechazo de calor) es isocórico ( 4-1).

Fig. 3. Ciclo diesel ideal - StudySmarter Originals

En la siguiente figura se muestra un ciclo Otto indicativo de un motor de gasolina y un motor diésel reales, obtenido mediante un sensor de presión en el cilindro y un transductor cuya salida depende de la posición angular del cigüeñal.

Fig. 4. Izquierda: motor diésel indicador, derecha: motor de gasolina indicador

De estas cifras se desprende que no coinciden con las cifras del ciclo teórico. Esto se debe a que los procesos termodinámicos que tienen lugar en la combustión interna no son como se supone en los ciclos teóricos. Las etapas de combustión y expansión no son constantes en términos de volumen y presión como se supone. Tampoco son reversibles en la vida real como se supone en las condiciones teóricas.

Además de los ciclos Otto y Diesel, existen otros ciclos de motor, como el ciclo de Carnot, el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine. El ciclo más eficiente es el ciclo de Carnot y el menos eficiente es el ciclo del motor diesel.

Ecuaciones para los ciclos de los motores

Las cifras anteriores pueden utilizarse para compararlas con los ciclos ideales, pero también para hallar el trabajo realizado por el gas durante la compresión estimando el área bajo la curva de compresión, y el trabajo realizado por la expansión del gas estimando el área medida en^{m2 bajo} la curva de expansión.

Así, el trabajo neto realizado por el aire en un ciclo viene dado por el área bajo la curva cerrada en el diagrama p-V. Si el trabajo realizado se divide por el tiempo de un ciclo, se obtiene la potencia indicada como se muestra en la ecuación siguiente, donde _ns es el número de ciclos por segundo, _ncilindros esel número de cilindros de un motor._Pi es la potencia indicada desarrollada por la combustión del combustible en la cámara de combustión.

\[P_i[W] = Área \cdot n_s \cdot n_{cilindros}\]

Parte de la energía química se perderá debido a la fricción, por lo que la potencia de salida del motor será inferior a la potencia indicada. Por tanto, la potencia de salida _Pout es igual a la potencia indicada _Pi restando la potencia de fricción _Pf, como se muestra a continuación.

\P_{out}[W] = P_i - P_f\].

Además, la potencia de salida _Pout también puede calcularse utilizando el par del eje de salida T y la velocidad angular ω. Por tanto, la potencia máxima es la potencia de entrada obtenida a partir de la energía química del combustible.

\[P_{out} [W] = T[Nm] \cdot \omega [rad/s]\]

Se puede calcular mediante las fórmulas indicadas, donde_Pin es la potencia de entrada generada a partir de la energía química de entrada, _mf es el caudal de combustible y_cf es el poder calorífico del combustible.

\[P_{in}[MW] = c_f[MJ/kg] \cdot m_f[kg/s]\]

La eficiencia teórica de un ciclo ideal puede hallarse mediante la ecuación siguiente, donde η es la eficiencia global, _rn es la relación de compresión. Las eficiencias térmica _ηth y mecánica _ηm también pueden hallarse mediante las ecuaciones siguientes. Las eficiencias varían con la carga del motor.

\[\eta = 1 - \frac{1}{r_n^{0,4}} \quad \eta_o = \frac{P_{out}}{P_{in}} \quad \eta_m = \frac{P_{out}}{P_i} \quad \eta_{th} = \frac{P_i}{P_{in}]

donde \frac(r_n = \frac{texto{volumen máximo en la carrera inferior}{texto{volumen mínimo en la carrera superior})