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.
Cabe
destacar que en los motores Diesel las pérdidas por bombeo son
inferiores a las que se producen en los de ciclo Otto, pues no hay
estrangulamiento al paso del aire durante la admisión ya que estos
motores no utilizan carburador.
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.
El
adelanto del encendido o de la inyección, dado que debe ser variable en
función de la velocidad de régimen del motor se efectúa
automáticamente.
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.
VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN EL CILINDRO EN FUNCIÓN DEL GIRO DEL CIGÜEÑAL
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.
Cuando
en el punto 3 el pistón inicia su carrera hacia el PMS el cilindro se
encuentra todavía en depresión, por este motivo, y a pesar del
movimiento del pistón continúa la introducción del fluido hasta 4, punto
en el que se igualan la presión interna y la atmosférica. En este punto
se debe cerrar la válvula de aspiración. Si el conducto de admisión es
largo, se puede utilizar el efecto de inercia de la columna gaseosa,
para continuar la admisión después del punto 4 retardando, para ello, el
cierre de la válvula. En el punto 4 se inicia realmente la compresión.
•
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:
Es
decir, el peso de aire necesario para la combustión completa de 1 Kg de
nonano son 15'2 Kg. Esta proporción se denomina relación
estequiométrica y representa la dosificación teórica ideal para
conseguir la combustión total de combustible.
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.
Hoy
la sobrealimentación se hace por turbocompresor el cual consiste en una
turbina acoplada a la salida de los gases de escape, la cual mueve un
compresor que hace entrar el aire a presión en el interior del
cilindro. Este sistema, como la energía que necesita se obtiene de los
gases de escape, aprovecha ésta en vez de dejarla perderse en la
atmósfera.
Una
de las ventajas de la sobrealimentación de los motores Diesel es que
durante el cruce de válvulas, el aire fresco que entra a presión
facilita el barrido de gases residuales, refrigerando al mismo tiempo la
válvula de escape y la cabeza del pistón. Cuando se cierra la válvula
de escape el cilindro se llena de aire a presión.
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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FUENTES:
