Ciclo de motor

Motor de combustión interna

Los motores de combustión interna funcionan con un ciclo de cuatro tiempos, también conocido como ciclo del motor.

Fig. 1: Ejemplo de un motor.

Estos ciclos de cuatro tiempos incluyen cuatro carreras, que comienzan con la admisión, la compresión, la expansión de la combustión y el escape. Estas cuatro carreras se repiten continuamente para generar potencia y lograr la conversión de energía mencionada en la definición.

¿Qué es un ciclo de funcionamiento de un motor?

Cuando se trata de analizar los ciclos del motor, hay cuatro etapas. Estas incluyen la admisión, la compresión, la combustión y el escape. Cada etapa se muestra en la Fig. 2, que describe un motor diesel de cuatro tiempos o un motor de gasolina.

Cabe mencionar los principales componentes individuales de un cilindro de motor. Un cilindro es el lugar donde tiene lugar la combustión. El 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. En la parte superior del cilindro hay dos válvulas, una de admisión y otra de escape, y un inyector de combustible (o bujía) entre las dos válvulas.

Fig. 2: Ciclo de 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 lo tanto, en los motores de cuatro tiempos, el pistón realiza 4 movimientos totales hacia arriba y hacia abajo. Estos que suelen dividirse en cuatro etapas diferentes, para completar un ciclo de motor.

Carrera de admisión

La primera carrera es la de admisión.

El aire pre-mezclado y el combustible son aspirados en el cilindro, a través de las válvulas de admisión abierta. Esto aumenta el volumen dentro del cilindro. La presión en el cilindro permanece constante, aproximadamente por debajo de la presión atmosférica.

Compresión

Durante la compresión, las válvulas están cerradas. El pistón se mueve ahora hacia arriba, desde la posición vertical mínima hasta la posición máxima; esto disminuyen el volumen y aumenta la presión dentro del cilindro. La mezcla se comprime hacia una bujía. Durante la compresión se hace un trabajo sobre el aire; esta es la segunda carrera.

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

Combustión

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

Expansión

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

Escape

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

Tipos de ciclos de motor

Los tipos de ciclos de motores de combustión interna son: los motores diésel y de gasolina. Estos funcionan según diferentes ciclos teóricos del motor, el ciclo diésel y el ciclo Otto, respectivamente. ¡Veamos cómo son!

Ciclo Otto de un motor

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

Fig. 3: Ciclo ideal de Otto.

El ciclo Otto supone las siguientes condiciones:

• La admisión es isobárica (presión constante) 0-1.
• La compresión es reversible y adiabática 1-2.
• La combustión (adición de calor) es isocórica (volumen constante) 2-3.
• La expansión es reversible y adiabática 3-4.
• El escape (rechazo de calor) es isocórico 4-1.

Ciclo de un motor diesel

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. 4: Ciclo diesel.

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

Fig. 5: Comparación entre un motor diesel indicador (arriba) y un motor de gasolina indicador (abajo).

En estas figuras, se puede observar que no coinciden con las cifras de los ciclos teóricos. 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 que sí lo son en las condiciones teóricas.

Ecuaciones de los ciclos de los motores

Las figuras anteriores pueden utilizarse para comparar los ciclos ideales, pero también para determinar el trabajo realizado por el gas durante la compresión. Para hacerlo tenemos que estimar el área medida en \(\mathrm{m}^2\) bajo la curva de expansión.

Así, el trabajo neto efectuado por el aire en un ciclo viene dado por el área bajo la curva cerrada en el diagrama p-V.

Si el trabajo efectuado se divide por el tiempo de un ciclo, la potencia indicada se obtiene como se muestra en la siguiente ecuación:

\[P_i=\text{Area}\cdot n_s \cdot n_{\text{cilindros}}\]

Donde:

• \(n_s\) es el número de ciclos por segundo.
• \(n_{\text{cilindros}}\) es el número de cilindros de un motor. \
• (P_i\) es la potencia indicada desarrollada por la combustión del combustible en la cámara de combustión.

Parte de la energía química se perderá debido a la fricción, por lo que la potencia de salida del motor será menor que la potencia indicada. Por lo tanto, la potencia de salida \(P_{\text{salida}}\) es igual a la potencia indicada \(P_i\) restando la potencia de fricción \(P_f\), como se muestra a continuación:

\[P_{\text{salida}}=P_i-P_f\]

Además, la potencia de salida \(P_{\text{salida}}\) también puede calcularse utilizando el torque del eje de salida \(T\) y la velocidad angular \(\omega\):

\[P_{\text{salida}}=T\cdot \omega\]

Por lo tanto, la potencia máxima es la potencia de entrada obtenida de la energía química del combustible. Esto puede calcularse empleando la siguiente fórmula:

\[P_{\text{entrada}}= c_f\cdot m_f\]

Donde:

• \(P_{\text{entrada}}\) es la potencia de entrada generada a partir de la energía química de entrada.
• \(m_f\) es el flujo de combustible.
• \(c_f\) es el poder calorífico del combustible.

El rendimiento teórico de un ciclo ideal puede hallarse usando la ecuación siguiente:

\[\begin{aligned} \eta&=1-\dfrac{1}{r_n^{0,4}} \\

Donde:

• \(\eta\) es el rendimiento global.
• \(r_n\) es la relación de compresión.

Las eficiencias térmicas \(\eta_t\) y mecánicas \(\eta_m\) también pueden hallarse utilizando las siguientes ecuaciones. Las eficiencias varían con la carga del motor:

\eta_0&=\dfrac{P_{\text{salida}}}{P_{\text{entrada}}} \\ \eta_m&=\dfrac{P_{\text{salida}}}{P_i} \\ \eta_{t}&=\dfrac{P_i}{P_{\text{entrada}}}\end{aligned}\]

• Donde: \(r_n\) es el cociente entre el volumen máximo en la carrera inferior y el volumen mínimo en la carrera superior.

¡Veamos algunos ejemplos resueltos!