CICLO REAL DE FUNCIONAMIENTO
Ciclo real es el que refleja las condiciones efectivas de funcionamiento de un motor y, cuando se representa en un diagrama P-V, se denomina diagrama indicado.
Las diferencias que surgen entre el ciclo indicado y el ciclo teórico, tanto en los motores de ciclo Otto, como en los de ciclo Diesel, estan causadas por:
• Pérdidas de calor, las cuales son bastante importantes en el ciclo real, ya que al estar el cilindro refrigerado, para asegurar el buen funcionamiento del pistón, una cierta parte de calor del fluido se transmite a las paredes, y las líneas de compresión y expansión no son adiabáticas sino politrópicas, con exponente n, diferente de γ.
• Tiempo de apertura y cierre de la válvula de admisión y de escape, aunque en el ciclo teórico se supuso que la apertura y cierre de válvulas ocurría instantáneamente, al ser físicamente imposible, esta acción tiene lugar en un tiempo relativamente largo, por lo que, para mejorar el llenado y vaciado del cilindro, las válvulas de admisión y de escape se abren con anticipación lo que provoca una pérdida de trabajo útil.
• Combustión no instantánea, ya que aunque en el ciclo teórico se supone que la combustión se realiza según una transformación isócora instantánea, en el ciclo real la combustión dura un cierto tiempo. Por ello, si el encendido o la inyección tuviese lugar justamente en el P.M.S., la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja de dicho punto, con la correspondiente pérdida de trabajo.
Para evitarlo se recurre a anticipar el encendido de forma que la combustión tenga lugar, en su mayor parte, cuando el pistón se encuentra en la proximidad del P.M.S, lo que en el ciclo se representa por un redondeamiento de la isocora de introducción del calor, y por tanto, una pérdida de trabajo útil. Evidentemente esta pérdida resulta bastante menor que la que se tendría sin adelantar el encendido.
• Pérdidas por bombeo, las cuales aunque en el ciclo teórico se supone que tanto la admisión como el escape se realizan a presión constante, considerando que el fluido activo circula por los conductos de admisión y escape sin rozamiento, en el ciclo aparece una pérdida de carga debida al rozamiento, que causa una notable pérdida energética.
Para cuantificar la relación entre el ciclo teórico y el ciclo indicado, se calcula el cociente entre las superficies correspondientes, y dividiendo la superficie del ciclo indicado por la respectiva del ciclo teórico, se obtiene el denominado rendimiento indicado.
De cuantas razones han sido expuestas, se puede asegurar que el rendimiento indicado es debido principalmente al tiempo que tarda la mezcla en quemarse y a la deficiencia en el llenado y evacuado de los gases residuales, lo que hace que disminuya la cantidad de mezcla fresca que entra en el cilindro.
Para conseguir que el ciclo indicado se acerque lo más posible al teórico, se actúa sobre la distribución adelantando y retrasando el instante de comienzo y de finalización de la entrada y salida de fluido operante del cilindro, con el propósito de conseguir un mejor llenado y evacuación de los gases y además se realiza un adelanto del encendido o de la inyección para compensar el tiempo necesario para la combustión.
Estas variaciones en la apertura y cierre de válvulas y en el adelanto del encendido o de la inyección, conocidas como cotas de reglaje en la distribución, son las siguientes:
• Adelanto en la apertura de la admisión (AAA), consigue que al hacer que la válvula se abra antes de que el pistón llegue al P.M.S. en su carrera de escape, al iniciarse la aspiración de la mezcla, la válvula esté muy abierta, evitando la estrangulación a la entrada de los gases.
• Retraso en el cierre de la admisión (RCA), consigue que al hacer que la válvula se cierre un poco después de que el pistón llegue a su P.M.I., debido a la inercia de los gases al final de la admisión éstos siguen entrando en el cilindro, aunque el pistón comience a desplazarse hacia el P.M.S.
• Adelanto del encendido (AE) o de la inyección (AI), consigue compensar el tiempo necesario para que, al final de la combustión, el movimiento del pistón en su fase de trabajo sea mínimo. Se puede cifrar en unos 30º.
• Adelanto en la apertura de escape (AAE), consigue que la presión interna baje antes, y que cuando se inicie el escape la válvula, esté completamente abierta, evitando el estrangulamiento a la salida y la pérdida de energía necesaria para realizar el barrido de gases.
• Retraso en el cierre del escape (RCE), consigue una mejor evacuación de los gases quemados debido a la succión provocada por la alta velocidad de los gases de escape, evitándose así que los gases residuales que pueden quedar en el interior del cilindro impidan la entrada de gases frescos.
• Cruce de válvulas, es el período en el que las válvulas de admisión y escape están simultáneamente abiertas. Durante el mismo, debido a la velocidad de los gases de escape, crean una succión que facilita la entrada de la nueva mezcla y barre los gases residuales. Cuando los gases frescos llegan a la válvula de escape ésta ya está cerrada sin que se pierdan en la atmósfera.
El cruce de las válvulas beneficia notablemente el rendimiento del motor, ya que elimina mejor los residuos de gases quemados y hace que la mezcla contenida en el cilindro para realizar el nuevo ciclo sea lo más pura posible, con lo cual el aprovechamiento de la cilindrada y energía del combustible es mayor.
Gracias a las cotas de reglaje de la distribución el diagrama obtenido en el ciclo real tiene una superficie mucho mayor, y el rendimiento indicado llega a ser del 80%.
Las cotas de reglaje son prefijadas por el constructor, y se fijan, en principio, por comparación con otros tipos de motores con características análogas, y posteriormente se corrigen durante los ensayos en el banco, hasta conseguir los datos óptimos de máximo rendimiento.
Estas cotas de reglaje en la distribución, que suelen estar comprendidas dentro de los valores indicados a continuación, son, una vez fijadas, invariables, excepto en algunos motores que llevan sistemas dinámicos de variación.
Un inadecuado instante de encendido en los motores causa una serie de deformaciones en el ciclo, que hacen que disminuya su rendimiento, tal como se puede observar en el siguiente diagrama P-V.
Para comprender el ciclo de un motor alternativo, estudiar la variación de la presión en el interior del cilindro en función del ángulo girado por el cigüeñal, representando en unos ejes cartesianos en abscisas el giro del cigúeñal contado desde el comienzo de la admisión, y en ordenadas las presiones en el interior del cilindro durante el desarrollo de un ciclo completo permite, además de dejar claros los principios de funcionamiento de los motores alternativos, mejorar su rendimiento y calcular las cargas sobre los cojinetes del motor.
• Para ello se debe considerar que al comienzo de la admisión, el interior del cilindro se encuentra a una presión ligeramente superior a la atmosférica por no haber terminado todavía la fase de escape. Cuando el pistón se desplaza hacia el P.M.I., aspira cierta cantidad de aire o mezcla gaseosa a través de la válvula de aspiración, abierta oportunamente. Durante toda esta fase, en primer lugar la presión se hace igual a la atmosférica, punto 2, y en el resto de la carrera en el interior del cilindro existe una presión menor, a causa de la resistencia que encuentra el gas en los conductos. Ello origina la llamada depresión en la aspiración, la cual resulta tanto más intensa cuanto mayor es la velocidad del gas, debido a de la mayor resistencia que este fluido ha de vencer a su paso por dichos conductos. Como es evidente, esta fase representa trabajo negativo.
• La compresión de la carga se produce como consecuencia del movimiento del pistón hacia el PMS. A partir del punto 4 el fluido operante, a la presión atmosférica, es comprimido por el pistón, con lo que la presión aumentaría hasta el punto 6, si no se produjese, como es necesario, el AE o el AI, lo cual se da en el punto 5.
• La combustión comienza con el encendido o inyección del combustible en el punto 5 lo que origina una repentina elevación de temperatura y de presión que alcanza su valor máximo en el punto 7. La combustión debe finalizar cuando el pistón ha recorrido una parte reducida de la carrera hacia el P.M.I.
Terminada la combustión, debido al aumento de presión el pistón experimenta un rápido descenso hacia el PMI, lo cual debería prolongarse, para aprovechar al máximo la fase útil, hasta la proximidad del P.M.I., pero, para facilitar la expulsión de los gases, se interrumpe ésta con la apertura anticipada respecto al punto muerto inferior de la válvula de escape en el punto 8.
• El escape, que se inicia en el momento de comienzo de la apertura de la válvula correspondiente, como los gases se encuentran a presión superior a la atmosférica, se descargan en estampida al exterior, de forma tan rápida que la transformación discurre casi a volumen constante, la presión desciende con rapidez, y es en el punto 9, cuando realmente se inicia la carrera de escape.
Debido a la inercia de los gases en los conductos de escape, la presión puede alcanzar un valor con presión inferior a la atmosférica, según se representa en el punto 10.
En 11 se inicia el segundo periodo del escape. En él el pistón expulsa los gases que ocupan el cilindro, con lo que la presión se hace ligeramente superior a la atmosférica debido a la resistencia de los gases a circular atravesando la válvula y los conductos de escape. Como el pistón no puede expulsar todos los gases, porque una parte de ellos ocupa la cámara de combustión, al final de la carrera de escape, la presión tiene todavía un valor ligeramente superior a la atmosférica.
RELACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA Y RELACIÓN DE MEZCLA
La energía del combustible se libera bajo forma de calor cuando se quema al reaccionar con el oxígeno del aire. Como se ha dicho, en los motores de encendido por chispa, la mezcla de aire y combustible se prepara en el carburador y, en los motores de encendido por compresión, se realiza directamente en el cilindro, inyectando, después de haber introducido y comprimido el aire, el combustible.
Tras la combustión la mezcla se transforma, en vapor de agua (H2O), anhídrido carbónico (CO2) y nitrógeno (N2).
Es importante señalar que el nitrógeno, gas inerte contenido en el aire, no interviene en la combustión y que el vapor de agua producido en la combustión se comporta como gas.
Con poco error se puede considerar que el aire atmosférico seco se compone de 77 partes en peso de nitrógeno y 23 partes de oxígeno, y que el peso de 1 m3 de aire a presión atmosférica ordinaria y a la temperatura de 0 ºC es de 1'293 Kg.
La combustión del combustible, considerado como nonano, de fórmula química C9H20 se puede expresar por la ecuación:
La proporción real entre aire y combustible, que se llama relación de mezcla, es distinta de la relación estequiométrica, y según resulte deficiente o excesiva la cantidad de aire que intervenga en el proceso, la mezcla se calificará de rica o pobre respectivamente.
• En los motores de ciclo Otto la relación de mezcla varía de 11 a 17 y, según las condiciones de trabajo, el aire y el combustible deben mezclarse en la proporción adecuada de manera que la relación de mezcla sea la requerida por las condiciones de funcionamiento del motor.
La relación aire-combustible requerida por el motor varía con el régimen de giro del motor, de forma que a bajo régimen la mezcla ha de ser enriquecida, ya que la mariposa del carburador está prácticamente cerrada y la presión en el conducto de aspiración es más baja que la atmosférica, por lo que se origina un paso de los gases quemados al conducto de admisión, de forma que cuando empieza la carrera de admisión, estos gases quemados entran de nuevo en el cilindro, mezclándose con la mezcla fresca y haciendo difícil el contacto del combustible con las partículas de oxígeno, por lo que se hace necesario enriquecer la mezcla para que aumente la probabilidad de contacto entre el aire y la gasolina.
A medida que aumenta el régimen de giro la depresión en los conductos de admisión disminuye con lo que se reduce la dilución de la mezcla nueva con los gases quemados, por lo cual la relación de mezcla necesaria puede ser menos rica.
En régimen de crucero es fundamental obtener la máxima economía de combustible, por ello, es menester que el carburador sirva la mezcla en la relación más económica.
En alto régimen de giro, los motores necesitan una mezcla rica, pues es necesario disipar mayor cantidad de calor de los elementos del motor más solicitadas térmicamente, como es la válvula de escape .
• En los motores de ciclo Diesel, el intervalo que va desde que el combustible es inyectado en la cámara de combustión hasta que alcanza la temperatura necesaria para su encendido, requieren una pulverización a muy alta presión para conseguir que la pulverización se haga con gotas muy pequeñas que entren en contacto con el oxígeno del aire y rápidamente alcancen la temperatura necesaria para arder.
Además, para evitar que el combustible salga del motor sin quemarse, es necesario introducir en la cámara de combustión una cantidad de aire mucho mayor que la correspondiente a la relación estequiométrica, con objeto de aumentar la probabilidad de que se oxide todo el combustible inyectado.
Es importante destacar que en este tipo de motores la cantidad de aire que entra en el cilindro es prácticamente constante para cada régimen de giro, por lo que es variando la cantidad de combustible inyectado como cambia la energía introducida en cada ciclo. Ocurre que a medida que la relación aire/combustible se aproxima a la relación estequiométrica, el motor comienza a producir humo en el escape, debido a que parte de las partículas de carbono y oxígeno no reaccionan durante el tiempo disponible para la combustión. El humo, que es inaceptable legalmente, es síntoma claro de una combustión incompleta, por lo que es necesario conseguir una relación de mezcla más pobre que la relación estequiométrica.
La cantidad de aire adicional se llama exceso de aire, y absorbe parte de la energía producida en la combustión.
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
De cuanto se ha expuesto se hace evidente que la cantidad de combustible y la cantidad de aire que se introducen en el cilindro deben tener una relación estricta, y que la energía ofrecida por el motor depende principalmente de la cantidad de aire y combustible utilizados.
Cuanto mayor sea el volumen de aire introducido en el cilindro, tanto mayor resulta la cantidad de combustible que puede quemarse, y en consecuencia, tanto mayor es la energía que produce el motor.
El rendimiento volumétrico indica el mayor o menor grado de llenado del cilindro. Se define como la relación entre el peso efectivo del aire introducido en el cilindro durante la unidad de tiempo y el peso del volumen de aire que teóricamente debería introducirse en el mismo tiempo, calculado a base de la cilindrada unitaria y de las condiciones de temperatura y presión en el cilindro.
Su valor, que oscila entre 0'75 y 0'85, define la calidad del sistema de introducción de fluido operante en el motor.
El rendimiento volumétrico varía con:
• La densidad de la carga y la dilución originada en la misma por los gases residuales, en ello incide la temperatura de las paredes de los conductos de aspiración y la temperatura del cilindro, pues ceden calor a la carga fresca, elevan su temperatura y la densidad del fluido operante disminuye, con lo que se tiene una reducción del rendimiento volumétrico.
Los gases residuales presentes en el cilindro después del escape también contribuyen a reducir la densidad del fluido operante pues, además de cederle calor, disminuyen el volumen que debiera ser ocupado por la carga de gases frescos.
• El diseño de los conductos de aspiración y de escape tiene mucha importancia, ya que, además de oponer la mínima resistencia al paso de los gases, deben evitar su calentamiento.
La experiencia demuestra que los mayores valores del rendimiento volumétrico se alcanzan en los motores para una velocidad del aire de 40- 60 m/seg, en régimen normal de funcionamiento. En régimen de máxima potencia, la velocidad media del fluido alcanza de 65-75 m/seg.
• Los tiempos de apertura y cierre de las válvulas tienen una estrecha relación con el llenado del cilindro de acuerdo con la velocidad de rotación del motor, pues influyen en las ondas de presión que se originan en los conductos de aspiración y de escape como consecuencia de las rápidas variaciones de velocidad que experimenta la masa gaseosa en movimiento. Esto se consigue escogiendo oportunamente la longitud de los conductos.
Los motores modernos para aumentar la cantidad de energía que se produce en el interior del cilindro utilizan la denominada sobrealimentación. Consiste en el llenado de los cilindros comprimiendo el fluido operante al introducirlo en ellos. Si además la compresión se acompaña de un buen enfriamiento de los gases entre el compresor y el cilindro, aún es más eficaz el llenado.
Para ello es necesario acoplar un compresor que introduzca a presión aire en los cilindros y un intercambiador de calor que enfríe el fluido entrante.
Antiguamente se usaban compresores de lóbulos movidos con una transmisión mecánica por el propio motor, que hacían entrar aire dentro del cilindro a 1'5-2 atmósferas. Este sistema tenía el inconveniente de que al necesitar absorber una parte de potencia del motor para mover el compresor, disminuía el rendimiento y es por lo que en la actualidad es poco empleado.
Es por lo que en los motores Diesel se consiguen mayores ventajas, ya que además de ofrecer una mayor energía en cada ciclo, lo que significa mayor potencia para una misma cilindrada, consiguen un menor consumo específico de combustible, debido a que se realiza una combustión más perfecta al no existir gases residuales de la combustión anterior, y una mayor duración y vida útil del motor debido a que se consigue una expansión más suave, una refrigeración más eficaz en la cabeza del pistón, en las válvulas y en sus guías y en sus asientos.
Como al comprimir el fluido operante aumenta su temperatura, para reducirla y conseguir que una mayor cantidad entre en el cilindro se coloca un intercambiador de calor que enfría el fluido opertante mediante la emisión de su energía a la atmósfera gracias a un radiador de láminas.
En los vehículos es frecuente encontrar indicativos como “turbo” e “intercooler”, que no señalan otra cosa que su motor está provisto tanto de sistema de sobrealimentación, como de refrigeración del fluido antes de entrar en los cilindros.
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