motores endotermicos
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Índice Introducción…………………………………………………………………….. 2 Motores de combustión Interna ………………………………………… 3 Ciclos Genéricos………………………………………………………………. 9 Motor de 4 Tiempos……………………………………………………………15 Motor de 2 Tiempos……………………………………………………………16 Ciclo de Carnot …………………………………………………………………19 Ciclo a Presión Constante………………………………………………….23 Retraso de la Ignición………………………………………………………..25 Ciclo mixto de Sabathe……………………………………………………….26 Economía de Combustible……………………………………………………29 Relación Consumo-Combustible-Carga………………………………...30 Características Termodinámicas del Ciclo Diesel………………..31 Compresión Adiabática………………………………………………………..32 Presión en la Carrera de Compresión…………………………………34 Temperatura de Compresión………………………………………………..34 Condiciones de Puesta en Marcha del Motor………………………35 Rendimiento Térmico del Ciclo a Presión Constante……………36 Ciclo Carnot………………………………………………………………………38 Ciclo Diesel………………………………………………………………………..42 Ciclo Otto………………………………………………………………………….48 Conclusión…………………………………………………………………………52 Bibliografía………………………………………………………………………..53 INTRODUCCION Desde que se dieron los primeros indicios de la aplicación de motores de combustión interna, a la época actual, vemos que el desarrollo se ha venido centrando en el perfeccionamiento de las factorías para producir más y mejores motores, e igualmente se ha venido desarrollando paralelamente materiales, lubricantes, procesos de fabricación e igualmente modificaciones al funcionamiento, que si bien lo son, hasta ahora nunca ha tocado la forma como transcurre el ciclo de funcionamiento. El diseño propuesto hace mas de 115 años por el Señor FEDERICO AUGUSTO OTTO se ha depurado a tal punto que se ha llegado al limite de los rendimientos mecánico y cualitativo (calidad); todo esto producto de ingeniosos destellos creativos y muchísimas horas de labor. Aun así el rendimiento orgánico del conjunto apenas si alcanza un incipiente cuarenta por ciento. Claro que recordando el quince por ciento de rendimiento de la majestuosa maquina a vapor, notamos un gran avance. Así, hoy día, los automóviles se vean ''absolutamente modernos'' en su interior no dejan de llevar un motor en el que su ciclo de funcionamiento fue diseñado en el siglo antepasado (la creación del motor con ciclo de funcionamiento de cuatro carreras entró en práctica real en parís en 1883.) y hasta ahora nadie inexplicablemente ha mejorado (me refiero a motores de combustión interna). Es por todo lo anterior, que me he entusiasmado en tratar de aportarle a todo este proceso de lograr obtener mejores performances a los motores que fueron inventados en el siglo antepasado; en la parte que se ha mantenido inmutable desde su creación... LA FORMA EN QUE TRANSCURRE EL CICLO DE FUNCIONAMIENTO. Motor de combustión interna Tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan motores de combustión interna de cuatro tipos: el motor cíclico Otto, el motor diesel, el motor rotatorio y la turbina de combustión. El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. El motor diesel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Christian Karl Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo(diesel). Se emplea en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y algunos automóviles. Tanto los motores Otto como los diesel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos. Partes constitutivas de un motor encendido por chispa. Carburador. Bomba de aceite. Balancines. Empujadores. Taques. Culata. Cárter. Cadena de tiempo. Válvulas de admisión y escape Árbol de levas. Bloque o motor donde están alojados los cilindros. Pistones. Bielas. Cojinetes de bancada. Cojinetes de biela. Eje cigüeñal. Volante de Inercia Dámper A continuación se presentan Partes y detalles del motor: Las partes componentes del motor de combustión se construyen de diferentes materiales, se explicaran brevemente las funciones que realizan. Conjunto de los cilindros: Los cilindros se mantienen en posición fija mediante el bloque de cilindros g el cual, en los motores pequeños, forma una sola pieza con el carter k para obtener mayor rigidez. Esta estructura se hace generalmente de hierro fundido aun cuando en algunos casos se forma mediante placas de acero soldadas. Los ductos j pueden ser hechos (Fig. 1) mediante corazones en el bloque al fundirlo y sirve para distribuir la lubricación hasta los cojinetes principales y. Para vehículos de placer o de bajo costo, los cilindros se taladran y asientan (rectifican) directamente en el bloque (Fig. 2) Para motores de trabajo pesado se instalan forros que pueden reemplazarse cuando se desgastan. Dichos forros pueden ser húmedos w (Fig. 1) o secos. Los forros secos son menos susceptibles a las fallas que los forros húmedos, los cuales deben independizar las camisas de agua de enfriamiento v (Fig. 1) Del deposito de aceite z. Por otra parte, el pequeñísimo espacio entre el forro seco y las paredes del bloque obliga a tener una alta resistencia a la transmisión de calor, lo cual puede reducirse un tanto, cobrizando la parte exterior del forro. Tanto para los forros, como para los cilindros, el material usual es la fundición gris por su buena resistencia al desgaste (que puede mejorarse mediante la adición de pequeñas cantidades de níquel, cromo y molibdeno) Aparentemente, esta resistencia al desgaste se alcanza por la habilidad del hierro fundido para formar una superficie tersa, durísima, cuando es sometida a fricción por deslizamiento. Así, cuando el motor es armado por primera vez, se sugiere correrlo a bajas velocidades y con cargas ligeras, para facilitar la de esa capa protectora. La duración de este periodo de asentamiento aumenta cuando las superficies en contacto son ásperas, pues con superficies ásperas sobreviene la soldadura superficial del metal (ralladura) Para evitar las ralladuras y facilitar el periodo de asentamiento, se les da a los cilindros, levanta válvulas, émbolos y anillos para embolo, un tratamiento químico y se recubren superficialmente con estaño, cadmio o cromo. El cigüeñal m es, generalmente, una pieza de acero forjado, sin embargo, el advenimiento de cigüeñales largos y rígidos en motores multicilindricos con esfuerzos relativamente bajos, permiten emplear el hierro fundido como sustituto, con objeto de reducir costos. El cigüeñal se apoya en los cojinetes principales y; en los motores de servicio pesado, él numero de cojinetes principales es igual al numero de cilindros mas uno. Después de la parte concéntrica del cigüeñal sigue el muñón l que conecta el cojinete x de la biela. Los cojinetes de las bielas y los principales son suplementos reemplazables con la parte posterior de acero o de bronce y con babbitt, cobre-plomo o aleaciones de cadmio usadas frecuentemente como materiales antifricción. Un deposito de aceite z de acero estampado sella el conjunto de bloque y sirve como colector de aceite o recipiente para el aceite lubricante. Una varilla medidora s resulta un buen recurso para comprobar el nivel del aceite. Conjunto de los émbolos y bielas: Él embolo e se construye de aluminio, acero fundido o hierro siendo su función principal la de transmitir a la biela h la fuerza originada en el proceso de combustión. Al realizar esto, las posiciones angulares de la biela permiten que se ejerzan un esfuerzo considerable en un lado de las paredes del cilindro y este empuje es creado por el faldón del embolo, esto es, es la sección debajo de los anillos. No deja de ser común en los motores para altas velocidades cortar el faldón por debajo del pasador del embolo obteniendo un embolo de patín (Fig. 1) Él embolo se provee de cuando menos tres anillos. Los anillos superiores se llaman anillos de compresión porque su función es la de detener los gases a alta presión dentro del cilindro y evitar en esa forma el escape de ellos hacia el interior del cárter en las carreras de compresión y de potencia. El anillo inferior generalmente el controlador del aceite. El objeto de este anillo es el de quitar el aceite sobrante de la pared del cilindro y transferirlo a través de ranuras en el anillo hasta los agujeros de drenaje en él embolo que permitan al aceite regresar al deposito. Cuando el vehículo esta en movimiento, la corriente de aire que se desliza por el tubo aspirante (figura 2) induce un vacío y así crea un flujo de aire desde la cámara de las válvulas y el carter. El aire fresco es admitido por el respiradero o tubo para surtir aceite (Fig. 1) En esta forma se ventila el carter eliminando los gases y el vapor de agua que invariablemente se colectan en esta región. La biela h de acero forjado, con sección de viga en I, une él embolo y al cigüeñal. Puede tener un taladro o todo lo largo (Fig. 1) para conducir el aceite lubricante desde el cojinete x de la biela hasta el perno f del embolo o puede tener un pequeño agujero colocado como se muestra en la figura 1 para atomizar aceite en el pasador del embolo igualmente que el árbol de levas u y a las paredes del cilindro. En los motores de servicio pesado la practica común es conducir el aceite a través del taladro de la biela y luego atomizarlo contra el lado interior de la cabeza del embolo. En esta forma se reduce grandemente la temperatura de los anillos y se obtiene una lubricación mejor. Mecanismo de las válvulas: Las válvulas mostradas en la Fig. 1 y 2 son válvulas de vástago, pero algunos motores se construyen con válvulas deslizantes o válvulas rotatorias. El mecanismo completo consta de un árbol de levas u que es movido por el cigüeñal mediante engranes o con una cadena de tiempo. Cada válvula en el motor es accionada mediante una leva t por separado. La leva levanta a la puntería r ( que es un miembro importante introducido para absorber el empuje impuesto por la leva) y en los motores con cabeza en L (Fig. 1) la puntería queda en contacto directamente con la válvula. La válvula es obligada a seguir el movimiento de la leva mediante el resorte de válvulas n (siendo común emplear dos resortes) En los motores de cabeza en I se requieren otros eslabones adicionales (Fig. 1) como son un levanta válvulas tubular p y un balancín. Se mantiene un pequeño juego en el conjunto de la válvula mediante un ajuste en la puntería (Fig. 2) o en el balancín (Fig. 1). La válvula de admisión se hace de una aleación de acero al cromo- níquel, en tanto que la válvula de escape que es menor y que trabaja a temperaturas mas elevadas se hace de una aleación de cromo silicio. La válvula de escape realiza un trabajo particularmente severo porque se abre cuando los gases de la combustión están arriba de 1650 °C y esta corriente de gases calientes pasa por su cara. Lubricación: Los motores modernos son lubricados ya sea mediante un sistema de circulación alimentado a presión o mediante una combinación de alimentación a presión y salpicadura. En un sistema completamente a presión, el aceite se pasa por un filtro antes de pasar a la bomba del aceite que es movida por el árbol de levas. El aceite proveniente de la bomba se divide en dos o más flujos; uno de ellos entra al filtro y regresa al deposito de aceite, un segundo flujo va hasta los cojinetes principales y mediante conductos taladros a graves de los brazos del cigüeñal hacia los cojinetes de las balas, un tercer flujo continua hasta los cojinetes del cigüeñal; puede llegar un cuarto flujo a una flecha hueca que soporta a los balancines y él levanta válvulas. El aceite que escurre por él levanta válvulas lubrica las punterías y las levas. Las paredes del cilindro reciben suficiente aceite de los sobrantes por exceso provenientes de los cojinetes de las bielas. Por esto, un cojinete de biela flojo puede sobrecargar a los anillos que controlan el aceite, como para que surja una falla en la bujía. En vista de que es costoso el barrenado del cigüeñal y de las bielas, se pueden colocar debajo de cada biela, artesas que se mantendrán llenas de aceite proveniente de la bomba. Una saliente en el extremo de la biela, se sumerge en la artesana y forma un rocío de aceite para lubricar el cojinete de la biela, las paredes del cilindro y el pasador del embolo. Encendido: El sistema de encendido cuenta de un acumulador, una bobina de encendido, un distribuidor con levas y platinos y una bujía para cada cilindro. En el motor de cuatro tiempos se requiere una revolución completa del cigüeñal por cada ciclo. Por esta razón deberá haber un chispazo en cada cilindro a intervalos de 720 grados de giro del cigüeñal. Para garantizar esta secuencia, el distribuidor se mueve mediante el árbol de levas a la misma velocidad obteniéndose una revolución del distribuidor por cada dos revoluciones del cigüeñal. Ciclos Genéricos Una característica clave de los motores de combustión interna es que en cada ciclo se aspira aire fresco, luego se adiciona el combustible y se quema en el interior del motor. Luego los gases quemados son expulsados del sistema y se debe aspirar nueva mezcla o aire. Por lo tanto se trata de un ciclo abierto. En la Figura 1 vemos un ciclo genérico de un motor de combustión interna. Este consta de las siguientes partes generales: Existe una presión mínima en el sistema equivalente a pa. Desde 1 hasta 2 se realiza una compresión, en teoría adiabática sin roce. Entre 2 y 3 se realiza la combustión, con un aporte de calor Qabs. Entre 3 y 4 se realiza la expansión de los gases calientes. Normalmente es en esta etapa donde se entrega la mayor parte del trabajo. Esta expansión es también, en teoría, adiabática y sin roce. En 4 se botan los gases quemados a la atmósfera. El ciclo es realmente abierto, pero (para efectos de análisis) se supone que se cierra entre 4 y 1, volviéndose el estado inicial. Se introduce, por lo tanto, el concepto de Ciclo de aire equivalente. Esto significa que suponemos que el ciclo lo describe solo aire, al cual lo hacemos pasar por una sucesión de estados tal que se reproduce el ciclo real. Esto implica las siguientes suposiciones y simplificaciones: Las propiedades del aire se suponen constantes para todo el ciclo (no varían ni Cp ni Cv, aunque en el caso real sí lo hacen por variación de temperatura y porque en parte del ciclo se trabaja con gases quemados). Se supone un sistema cerrado. Es decir, el aire está cerrado dentro del sistema y se somete a las evoluciones equivalentes. Entre 2 y 3 se supone que se aporta calor externamente para lograr la evolución equivalente. En forma análoga, entre 4 y 1 se supone que se enfría el aire en forma equivalente. Una evolución clave en este ciclo genérico es la compresión de base 1-2. En efecto, ella es característica de cada ciclo y es (relativamente) constante. En cambio en la operación real, la cantidad de calor Q abs puede variar en forma importante, por lo tanto también varía la evolución 3-4. Pero la compresión de base es relativamente estable. Se puede demostrar fácilmente que el rendimiento de la compresión de base queda expresado por: Por lo tanto, para aumentar el rendimiento del ciclo conviene, en lo posible, aumentar lo más que se pueda la compresión de base. Los límites a esta compresión pueden venir de dos fuentes: En el caso de que solo se comprima aire (motores Diesel, turbina a gas), la compresión máxima queda fijada solo por razones tecnológicas. En el caso que se comprima una mezcla aire-combustible (motor Otto), la compresión máxima queda fijada por los límites de detonación o autoinflamación. Condiciones para maximizar el rendimiento del Ciclo: En este ciclo genérico tenemos varias cosas que se pueden hacer para maximizar el trabajo obtenido. Enumerémoslas: De ser posible, siempre conviene prolongar la expansión 3-4 hasta la presión ambiente. Con ello se gana un área de trabajo adicional "sin costo". Claro que en motores alternativos (cilindro-pistón), esto no es posible, pues el volumen máximo está definido. En el caso de que la presión máxima esté fija, conviene que la combustión se realice a presión constante. En efecto, cuando uno comprime solo aire, conviene que esta compresión sea la máxima posible para maximizar el rendimiento. En el caso de que la compresión máxima esté fija (caso motor Otto en que se comprime aire-combustible), conviene que la combustión se realice a volumen constante. En los próximos párrafos presentaremos los diferentes ciclos teóricos de motores de combustión interna. CICLO OTTO TEÓRICO: En estas páginas se detalla el ciclo Otto teórico, su rendimiento teórico y aspectos del ciclo que influyen en el rendimiento del motor. Además de ella parten enlaces al estudio de los ciclos reales. CICLO DIESEL TEÓRICO: La misma situación anterior, pero orientada al estudio del ciclo Diesel. Se destacan algunas diferencias importantes entre el ciclo Diesel y el Otto. CICLO JOULE O BRAYTON TEÓRICO: Este es el ciclo de la turbina a gas. Además de presentar el ciclo y su rendimiento, se enfatizan algunos aspectos importantes que son diferentes con respecto a los motores Otto y Diesel. DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO: En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de qué se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape. En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son: Este punto es un punto clave en el comportamiento real del ciclo, lo cual lo veremos más adelante. Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior. Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape. Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero. Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos. RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO: Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo. El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades: Evoluciones: La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan. La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas como evoluciones isócoras (a volumen constante). La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen adiabáticas sin roce. Es decir Q12 = 0 y Q34 =0. Rendimiento: Con los signos explícitos: de donde: Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base: Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce: Dividiendo (2)/(1): Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que: de donde: Llamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que: Motor de 4 tiempos Un motor de combustión interna convierte una parte del calor producido por la combustión de gasolina o de gasoil en trabajo. Hay varias formas de éstos motores. Las más conocidas son las de gasolina, un invento del ingeniero y comerciante alemán Nikolaus August Otto 1876 y el motor diesel. El funcionamiento del motor Otto de cuatro tiempos: Cada cilindro tiene dos válvulas, la válvula de admisión A y la de escape E . Un mecanismo que se llama árbol de llevas las abre y las cierra en los momentos adecuados. El movimiento de vaivén del émbolo se transforma en otro de rotación por una biela y una manivela. El funcionamiento se explica con cuatro fases que se llaman tiempos: 1. tiempo (aspiración): El pistón baja y hace entrar la mezcla de aire y gasolina preparada por el carburador en la cámara de combustión. 2. tiempo (compresión): El émbolo comprime la mezcla inflamable. Aumenta la temperatura. 3. tiempo (carrera de trabajo): Una chispa de la bujía inicia la explosión del gas, la presión aumenta y empuja el pistón hacia abajo. Así el gas caliente realiza un trabajo. 4. tiempo (carrera de escape): El pistón empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape. El árbol de manivela convierte el movimiento de vaivén del pistón en otro de rotación. Durante dos revoluciones sólo hay un acto de trabajo, lo que provoca vibraciones fuertes. Para reducir éstas, un motor normalmente tiene varios cilindros, con las carreras de trabajo bien repartidas. En coches corrientes hay motores de 4 cilindros, en los de lujo 6, 8, 12 o aún más. Motor de 2 tiempos Consiste en un motor alternativo de combustión interna, en el cual el ciclo completo de trabajo se realiza en 2 carreras del pistón, es decir, en una sola vuelta del cigüeñal, se define como motor de dos tiempos. Ésta es precisamente la característica esencial que lo distingue del motor de cuatro tiempos, el cual realiza 4 carreras del pistón para completar el cielo de trabajo, correspondiendo a cada carrera las 4 fases de: admisión, compresión, explosión y escape. Sin embargo, la distinción entre los 2 motores. Es puramente convencional puesto que, mientras en el motor de cuatro tiempos las fases del cielo se realizan todas en el cilindro, en el motor de dos tiempos interviene un sistema de bombeo independiente para la realización de la fase de admisión. La definición, aceptada universalmente de esta forma, es válida también cuando se utiliza para la fase de admisión el efecto de bombeo producido por el movimiento del pistón en el cárter. La ausencia de las válvulas, para el control de la admisión y del escape de los gases del cilindro, no puede considerarse una característica especial del motor de dos tiempos, en contraposición a una opinión bastante difundida. Efectivamente, en los primeros treinta años de este siglo eran muchos los motores de dos tiempos que poseían válvulas automáticas o accionadas, utilizadas por lo general para la introducción de la carga fresca en el cilindro, sobre todo en los grandes motores Diesel marinos. Las dificultades de conseguir una perfecta realización de cada una de las fases del cielo de trabajo, en el motor de dos tiempos, derivan esencialmente del hecho de que el escape de los gases residuales de la combustión y la admisión de la carga de gases frescos en el cilindro se efectúan al mismo tiempo y también de la duración limitada de estas mismas fases. Por otra parte, la falta de una carrera del pistón destinada a la evacuación de los gases residuales de la combustión determina una situación donde los mismos gases frescos, al penetrar en el cilindro con una sobrepresión apropiada, deben efectuar una acción de barrido, a muy influida por el régimen de presión que se produce en el colector de escape, el cual durante dicho barrido se encuentra en comunicación con el cilindro. Hace tiempo se propusieron y, en algunos casos, se llevaron a cabo numerosas soluciones con el fin de crear una separación más neta entre los fluidos en esta fase, para mejorar la eficacia y evitar los peligros de mezclado; pero la complejidad de los sistemas propuestos anulaba las ventajas fundamentales del motor de dos tiempos, la sencillez de construcción y la consiguiente economía de ésta, sin que por otra parte fuese resuelto completamente el problema. En su concepción definitiva, el motor de dos tiempos casi nunca utiliza válvulas para el control de la admisión y del escape de los gases del cilindro; la distribución la realiza el propio pistón que, al final de su carrera descendente, destapa 2 o más lumbreras que posee el cilindro, a través de las cuales pasan los gases. La admisión y la precompresión necesaria de la mezcla fresca para el barrido se realizan en el cárter del motor, que es hermético, donde la cara inferior del pistón en movimiento crea la variación de volumen necesaria. En los motores grandes, sobre todo en los pluricilíndricos y en los de cielo de Diesel, el barrido lo efectúa Con frecuencia un compresor especial, exterior al motor. En su realización práctica, el motor de dos tiempos posee una historia bastante incierta. Después de la concepción teórica del cielo, atribuida al británico Clerk en 1879, Karl Benz, trabajando independientemente, intentó alrededor de 1880 la construcción de un motor de gas con la fase de compresión en el cárter. Con probabilidad, fue éste el primer motor de dos tiempos de la historia, pero su funcionamiento inseguro hizo abandonar los estudios. El bajo régimen de rotación que caracterizaba a los motores hasta el año 1900, representaba una indudable ventaja para los motores de dos tiempos, pero su desarrollo tardó varios años en llevarse a la práctica. Luego las tentativas se multiplicaron, sobre todo en los motores de pequeña cilindrada empleados en las motocicletas. Efectivamente, ya en 1902 aparecieron los primeros modelos equipados con motores de dos tiempos. Sin embargo, en automovilismo fue necesario esperar hasta los años veinte, con las realizaciones de Cozette. Ciclo de Carnot Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura. La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabática Tramo C-D isoterma a la temperatura T2 Tramo D-A adiabática En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales: La presión, volumen de cada uno de los vértices. El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos. El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo. Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla. Variables A B Presión p (atm) pA Volumen v (l) vA vB Temperatura T (K) T1 T1 Las etapas del ciclo C T2 D T2 Transformación A->B (isoterma) La presión pB se calcula a partir de la ecuación del gas ideal Variación de energía interna Trabajo Calor Transformación B->C (adiabática) La ecuación de estado adiabática es o bien, . Se despeja vc de la ecuación de la adiabática . Conocido vc y T2 se obtiene pc, a partir de la ecuación del gas ideal. . Calor Variación de energía interna Trabajo Transformación C->D (isoterma) Variación de energía interna Trabajo Calor Transformación D-> A (adiabática) Se despeja vD de la ecuación de la adiabática . Conocido vD y T2 se obtiene pD, a partir de la ecuación del gas ideal. . Calor Variación de energía interna Trabajo El ciclo completo Variación de energía interna En un proceso cíclico reversible la variación de energía interna es cero Trabajo Los trabajos en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos. A partir de las ecuaciones de las dos adiabáticas la relación entre los volúmenes de los vértices es , lo que nos conduce a la expresión final para el trabajo. Calor En la isoterma T1 se absorbe calor Q>0 ya que vB>vA de modo que En la isoterma T2 se cede calor Q<0 ya que vD<vC Rendimiento del ciclo Se define rendimiento como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido Ciclo a Presión Constante Rudolf Diesel inventó el ciclo a presión constante, y lo definió en 1893 en su obra Teoría y construcción de un motor térmico racional. Hizo explotar la patente en Alemania bajo su dirección, y los ataques de que fue objeto cesaron en 1897 al salir el primer modelo, que presentaba un rendimiento térmico superior al del ciclo de Carnot. No obstante, este resultado sólo era posible en motores de grandes dimensiones y girando a un régimen relativamente bajo, tal como los que se encuentran en la industria y en las aplicaciones marinas. En honor a su inventor, al ciclo a presión constante también se le llama Ciclo Diesel. Se trata del ciclo de un motor de combustión interna, en el cual el calor que produce la compresión se encarga de encender el combustible. La secuencia de sus procesos es: a) Admisión: en la carrera de admisión de un motor diesel penetra una carga completa de aire a cada cilindro. Su relación de compresión está entre 12 y 20. b) Compresión: durante la carrera de compresión, se eleva la temperatura del aire a causa de la alta relación de compresión. El combustible es atomizado en la cámara de combustión poco antes de llegar al punto muerto superior en la carrera de compresión. c) Adición de calor: se obtiene a partir de la quemada del combustible producida casi en el mismo instante en el que se introduce, debido a la alta temperatura del aire. d) Expansión: se expanden los productos de la combustión para producir potencia. e) Escape: salen los productos de la combustión después de expandirse para concluir el ciclo. Los motores diesel y semi diesel pertenecen al grupo de los motores a presión constante. En éstos, se quema el combustible, generalmente petróleo, al entrar sucesivamente al cilindro donde esta con una atmósfera de aire caliente a una temperatura de 550ð a 600ð C, superior a la de inflamación del petróleo se mantiene la presión de los gases en el cilindro de la máquina, mientras el émbolo se desplaza, aumentando el volumen de los gases, pero manteniéndolos a presión constante. Por esta razón a estos motores se les conoce con el nombre de "motores de presión constante o a combustión gradual". Existen también motores puramente mecánicos que utilizan la energía mecánica potencial elástica de un muelle y la energía debida a la gravedad. Según el movimiento del órgano principal, el motor puede ser giratorio o alternativo. Los motores giratorios, si se consideran tales también las antiguas ruedas hidráulicas para la elevación del agua y para la molienda, son los más antiguos como concepción y realización. El motor alternativo tiene la ventaja de ser robusto y de poder funcionar con altas presiones. Retraso de la ignición Ciclo mixto de Sabathé Las condiciones reales de funcionamiento de los motores Diesel difieren notablemente de las que se hallan representadas en los ciclos ideales Otto y Diesel. Para los motores Diesel, el proceso de combustión se aproxima a una transformación a presión constante sólo en el caso de motores excepcionalmente grandes y lentos. El diagrama real muestra que, en condiciones normales, la combustión se lleva a cabo, en los motores Diesel, según un proceso que se aproxima a la combustión de una transformación a volumen constante y otra a presión constante. Se puede afirmar que, en la práctica, los ciclos Otto y Diesel se aproximan mucho en la forma, hasta el punto de poderlos considerar como un caso particular del ciclo mixto, en el cual, parte de la combustión se verifica a volumen constante, y parte, a presión constante. Este ciclo teórico está representado en la figura 28 y se conoce con el nombre de ciclo mixto de Sabathé. En este ciclo, después de la fase de compresión adiabática 1-2, sobreviene, como en el ciclo Otto, una fase de combustión a volumen constante 2-3, durante la cual se introduce la cantidad de calor Q1' y luego, como en el ciclo Diesel, una fase de 34 de combustión a presión constante, en cuyo decurso se introduce la cantidad de calor Q1''. Siguen después dos fases sucesivas, a saber: una, de expansión adiabática 4-5, y otra, de sustracción, a volumen constante 5-1, de la cantidad de calor Q2. Por tanto, la cantidad total de calor introducida vale: Q1=Q1'+Q1'' Recordando lo expuesto, a propósito de los ciclos Otto y Diesel, podemos escribir: Q1'=Cv (T3-T2) Q1''= Cp (T4-T3) Q2= Cv (T5-T1) De este modo, el rendimiento térmico ideal del ciclo Sabathé teórico vale: he= (calor suministrado - calor sustraído)/ calor suministrado Para la transformación 2-3 de combustión a volumen constante tenemos: Y para la transformación 3-4 de combustión a presión constante: Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 4-5 de expansión emplearemos, respectivamente, las fórmulas de las cuales obtenemos: y siendo V3=V2 ; V5=V1 se puede escribir: Sustituyendo estas expresiones en las del rendimiento térmico ideal, resulta: Inicio con la relación entre la presión P3 al final y la presión P2 al principio de la fase de combustión a volumen constante -a la cual llamaremos “relación de combustión a volumen constante”-, y recordando que: Se obtiene la expresión final de rendimiento térmico ideal del ciclo teórico Sabathé: A igualdad de relación de compresión r, el rendimiento del ciclo mixto resulta intermedio entre el del ciclo Otto y el del ciclo Diesel. Si se aumenta el calor suministrado a volumen constante, es decir, entre los puntos 2 y 3, y se reduce el suministrado a presión constante entre los puntos 3 y 4, el rendimiento térmico se aproxima al del ciclo Otto. Si, por el contrario, se reduce el calor suministrado a volumen constante y se aumenta el correspondiente a presión constante, el rendimiento del ciclo mixto se aproxima al del ciclo Diesel. Economía de combustible Rudolf Diesel luego de familiarizarse con el ciclo Carnot, tuvo la idea de construir un motor en el que se obtuviera la óptima utilización de la energía contenida en el combustible. Con el paso del tiempo llegó a la conclusión de que no era factible llevar a la práctica el ciclo de Carnot; sin embargo tuvo éxito al concebir el motor de autoencendido. El 23 de febrero de 1893 obtuvo la famosa patente DRP 67207 sobre este tipo de motor. Después de algunas dificultades para el financiamiento del proyecto, construyó un motor que explotó al producirse la primera inyección de combustible. Diesel se salvó milagrosamente de la muerte. Cuatro años de experimentos transcurrieron antes de que fabricara un motor que se considerara listo para ser lanzado al mercado. Diesel desapareció inexplicablemente en 1913 del barco en que viajaba al cruzar el Canal de la Mancha, durante una tormenta. Ventajas: Para la comunidad técnica a nivel mundial, el surgimiento de los motores Diesel reviste una gran importancia, ya que las aplicaciones actuales de este tipo de motores están sumamente diversificadas en todo el mundo. La principal característica del motor Diesel, por la cual ha sido escogido como fuente de potencia en aplicaciones muy diversas, es su rendimiento de combustible, que resulta muy atractivo comparado con el de otras fuentes de potencia. Los competidores del motor Diesel, en el rango de las bajas potencias, son los motores de gasolina, mientras que en el rango de las potencias elevadas son las turbinas de gas y de vapor. La economía de combustible del motor Diesel representa ventajas fundamentales, sin embargo, el hecho de que millones de motores se encuentren en servicio hoy en día, se debe en gran medida a las investigaciones realizadas por ingenieros experimentados en muy diversos campos, quienes durante los cien años que han pasado desde que la primera máquina Diesel funcionó, han realizado mejoras sustanciales al motor, de tal forma que en la actualidad su evolución es reconocida no sólo en lo que respecta a la economía de combustible, sino también en cuanto a la potencia, la confiabilidad, la durabilidad, la emisión de contaminantes, la emisión de ruido, el peso y el costo. Además, este tipo de motor ha demostrado ser capaz de funcionar con una gran variedad de combustibles, haciéndolo sumamente versátil. Características de la relación consumo-combustible-carga Entre mas peso transportemos, mayor será el consumo. Al cargar el auto la relación peso/potencia aumenta, se requiere acelerar mas el motor y crecer el gasto. En vehículos de transporte se debe repartir adecuadamente el peso para evitar frenados y aceleraciones innecesarias que aumentan el consumo. El consumo de combustible depende mucho de las condiciones a las cuáles esta sometido el vehículo, como si va cargado o descargado (4 personas o una), arrastre de remolque, zona montañosa o plana, etc., pero la más importante es la manera de conducción del chofer. Lo anterior también es aplicable a elementos como los neumáticos, pastillas / zapatas de freno, disco de embrague, etc. Mejorar el consumo de combustible es muy fácil y además contribuirá a que su vehículo dure más tiempo y contaminará menos el medioambiente. No lleve pesos innecesarios en su vehículo. El exceso de peso pone una carga más pesada sobre el motor, causando mayor consumo de combustible. Características termodinámicas del ciclo diesel Este se le conoce como ciclo de encendido por compresión y se realiza a presión constante. El método utilizado aquí es en elevar la temperatura de la mezcla de combustible y aire por encima de su temperatura de ignición utilizando relaciones de compresión en el intervalo 14:1 a 24:1 y presiones de compresión de 400 a 700 lb/in2. El ciclo que describe el comportamiento de este proceso es el ciclo Diesel, como el ciclo teórico es limitado solo se describirán sus características básicas. Este ciclo se compone de 4 procesos internamente reversibles, este solo difiere del ciclo de Otto en la fase de combustión (2-3), prevista a presión constante. Mediante un ciclo de aire estándar basado en capacidades térmicas específicas constantes se puede hacer un análisis útil del ciclo Diesel. En esas condiciones, los calores de entrada y salida del ciclo están dados por q.ent = cp(t3 - t2) y q.sal = cv(t4 - t1) en consecuencia .Diesel = cp(t3 - t2) - cv(t4 - t1)/ cp(t3 - t2) = 1 - t4 - t1/k(t3 - t2) El ciclo Diesel teórico es fundamentalmente función de la relación de compresión r, la relación de combustión rc y la relación de capacidades térmicas específicas k. La eficiencia de este es siempre menor a la de un ciclo Otto para la misma relación de compresión, si rc es mayor que la unidad. En caso de tener que considerar las capacidades térmicas específicas variables, la ecuación de la eficiencia se convierte en .Diesel = 1- u4-u1/h3-h2 Donde u y h se evalúan de tablas, las temperaturas de los estados 2 y 4 se calculan mediante las relaciones isentrópicas vr2 = vr1* V2/V1 =vr1/r y vr4 = vr3*V4/V3 = r*vr3/rc Compresión adiabática Es el tipo de compresión en la cual no hay intercambio de calor. Hay dos tipos, con roce y sin roce. Compresión Adiabática con Roce Una compresión adiabática (ðQ = 0) con roce, puede graficarse de la forma que se ilustra en la figura: En una compresión es necesario ejercer trabajo sobre el sistema para aumentar la presión, por lo tanto, el trabajo debe ser negativo. A mayor roce, mayor trabajo necesita el sistema y la curva se va haciendo más "parada". En general, el trabajo se puede calcular a partir del 1er Principio: ðH = ðQ - ðWTec Como la compresión es adiabática, ðQ = 0, luego queda: ðH = - ðWTec 1er Caso: Sin trasvasije ðU = ðQ - ðW ðW = - ðU ðW = - CvðT 2do Caso: Con trasvasije ð H = ðQ - ðWTec ðWTec = -ðH = - CpðT Cuando hay roce, el fluido sale más caliente y la evolución se va corriendo a la derecha, partiendo desde la expansión adiabática. Analicemos un poco más detenidamente las dos expresiones obtenidas para el trabajo. Dado que en una compresión siempre hay que ejercer trabajo sobre el sistema, interesa que este trabajo de compresión sea lo más pequeño posible. Esto ocurre cuando T → CTE, luego el sistema es mejor, desde el punto de vista que necesita menos trabajo, mientras la evolución se asemeje más a una isoterma. Esto no es trivial de conseguir, y lo que los compresores hacen en la práctica es un proceso de varias etapas, en cada una de las cuales el gas se comprime y se enfría. De esta manera, la evolución resultante se va pareciendo más a una isoterma, como se muestra en la siguiente figura: Valor de la presión en la carrera de compresión Esta es la carrera en la cual la mezcla de aire-combustible es comprimida. Ambas válvulas, de admisión y escape, están cerradas. Como el pistón se eleva desde BDC (punto muerto inferior) a TDC (punto muerto superior), la mezcla airecombustible es comprimida. Como resultado, ambas, la presión y la temperatura se incrementan para facilitar la combustión. El cigüeñal ha hecho una revolución completa cuando se alcanza el TDC. Temperatura de compresión El incremento de energía cinética en cada choque se redistribuye entre todas las moléculas del gas. La energía media ganada por partícula es 2mvxve/N, y este incremento de energía se refleja en un incremento de temperatura donde la velocidad de desplazamiento del émbolo es ve=-ðL/ðt, el desplazamiento ðL del émbolo que ocurre entre dos choques sucesivos ðt. Introducimos el valor de ðt (tiempo medio entre dos colisiones) calculado en el apartado anterior. Como hemos visto en la página anterior, las velocidades a lo largo del eje X no estarán relacionadas con las velocidades a lo largo del eje Y o Z, por tanto, < v2>=3< v2x>. Como el término mv2 es el doble de la energía cinética media, expresándolo en función de la temperatura T, queda la relación Finalmente, la relación entre las magnitudes macroscópicas volumen y temperatura es, Integrando obtenemos la relación entre el volumen y la temperatura del gas ideal o bien, la relación entre la presión y el volumen Para un gas monoatómico, los calores específicos son: cv=3R/2 y cp=cv+R=5R/2. De modo que γ =cp/cv=5/3 La ecuación para una transformación adiabática es por tanto, Condiciones de puesta en marcha del motor El arranque inicial del motor de un automóvil impone un esfuerzo enorme a los componentes del sistema de ignición. El esfuerzo se multiplica con el frío y la humedad, hasta el punto que un coche que en tiempo normal arranca, bien puede quedar <<muerto>> en una helada. Lo más probable es que se deba todo a fallos menores o a una batería algo gastada que a baja temperatura no reacciona. El aceite de un motor de combustión interna sirve a varios propósitos, además de lubricar las partes móviles y evitar los contactos metal con metal. También ayuda a evitar el escape de los gases a presión y asiste al proceso de dispersión del calor por todo el motor. Para ejecutar eficazmente todas esas tareas, el aceite ha de ser de la viscosidad apropiada. La viscosidad de una aceite varia según la temperatura, menos viscoso se hace el aceite. Un aceite de viscosidad excesivamente alta provocara un arrastre en el interior del motor al intentar arrancarlo en frío Esto incrementa la fricción entre las partes móviles y puede impedir que el motor gire con la rapidez suficiente para permitirle que encienda, y el uso prolongado del arranque puede descargar totalmente la batería. Aunque no hace mucho tiempo los conductores acostumbraban a cambiar el tipo de aceite en verano e invierno, eso en la actualidad es prácticamente innecesario. Los aceites multigrados mantienen su viscosidad a altas temperaturas y son relativamente ligeros a bajas temperaturas. Todavía existen en el mercado aceites que no son multigrados y algunos automovilistas siguen utilizándolos. El aceite no es del grado correcto, deberá calentar el motor, drenar el aceite quitando el tapón del cárter y recogiendo en un recipiente el aceite viejo, y rellenar el motor con aceite apropiado. Rendimiento térmico del ciclo de presión constante Se define rendimiento como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido Sólo una fracción del calor suministrado por la combustión será transformada en trabajo; esta fracción representa el rendimiento térmico del motor. Entonces definimos, Rendimiento térmico ideal Relación entre la cantidad de calor transformada en trabajo útil y la cantidad de calor suministrada al fluido. Como el trabajo útil equivale a la diferencia entre el calor suministrado Q1 y el calor sustraído Q2 tenemos: Cualquiera puede formarse una idea más completa del concepto de rendimiento térmico y adquirir familiaridad con la interpretación de los diagramas examinando la sucesión de transformaciones en coordenadas P-V y T-S para un ciclo ideal. Como el trabajo útil, evidentemente, igual al calor utilizado, podemos escribir: de este modo podemos simplificar el cálculo del trabajo útil y del rendimiento térmico de ciclo usando los valores Q1 y Q2 en lugar de L1 y L2. Todas las máquinas que funcionan reversiblemente entre los mismos focos tienen el mismo rendimiento térmico, cuya fórmula hemos obtenido en el estudio del ciclo de Carnot y que como hemos visto, depende únicamente del cociente entre las temperaturas del foco frío T2 y del foco caliente T1. En la figura, se demuestra que no puede existir un motor cuyo rendimiento sea mayor que el de Carnot operando entre las mismas temperaturas. Dicho motor hipotético absorbe un calor Q'1 del foco caliente, realiza un trabajo W' y cede un calor Q2 al foco frío. Parte de dicho trabajo W se emplea en accionar un frigorífico que absorbe un calor Q2 del foco frío y cede un calor Q1 al foco caliente. Como podemos apreciar en la figura la combinación del motor hipotético de mayor rendimiento que el de Carnot con un frigorífico da lugar a la imposibilidad enunciada por Kelvin-Planck Ciclo Carnot Como, de acuerdo con lord Kelvin es imposible transformar en trabajo el calor que se toma de una única fuente a temperatura uniforme mediante una transformación que no produzca ningún otro cambio en los sistemas que intervienen en ella, para realizarla necesitamos por lo menos dos fuentes a dos temperaturas distintas, t1 y t2. Si contamos con dichas fuentes, podemos transformar el calor en trabajo por medio del proceso siguiente, denominado ciclo de Carnot. Consideremos un fluido cuyo estado pueda representarse sobre un diagrama (V,p),(volumen, presión) y estudiemos dos transformaciones adiabáticas (se dice que una transformación de un sistema termodinámico es adiabática si es reversible y si el sistema esta térmicamente aislado de tal modo que no pueda haber intercambio de calor entre el y el medio circundante mientras se realiza la transformación) y dos transformaciones isotermas, correspondientes a las temperaturas t1 y t2(es la transformación durante la cual la temperatura del sistema permanece constante). Estas cuatro curvas se interceptan en los puntos A, B, C y D, como se muestra en la siguiente figura, Sean AB y CD las isotermas de temperaturas t2 y t1 respectivamente. AC Y BD son las adiabáticas. La transformación cíclica reversible ABDCA, es lo que llamamos un ciclo de Carnot(se dice que una transformación es reversible cuando los sucesivos estados de la transformación difieren de los estados de equilibrio en cantidades infinitesimales, una transformación reversible se realiza en la practica variando muy lentamente las condiciones externas para así permitir que el sistema se ajuste gradualmente a las nuevas condiciones .Por ejemplo, podemos producir una expansión reversible en un gas encerrándolo dentro de un cilindro con un embolo móvil y desplazando este hacia afuera muy lentamente. Si lo desplazamos bruscamente se formarían corrientes en la masa gaseosa en expansión y los estados intermedios dejarían de ser estados de equilibrio). El siguiente ejemplo ilustra como se puede realizar en la práctica un ciclo de Carnot. Encerramos nuestro fluido en un recipiente cilíndrico de paredes laterales no conductoras y provisto de un embolo no conductor en un extremo, de manera que el calor solo pueda salir o entrar en el cilindro a través del otro extremo (la base) que tomamos como conductora del calor. Sean t1 y t2 dos Fuentes de calor suficientemente extensas de modo que su temperatura no sufra una alteración sensible si les agregamos o quitamos cualquier cantidad finita de calor. Sea t2 mayor que t1; suponemos que el volumen y la presión del fluido en el cilindro son inicialmente VA y pA respectivamente, correspondiendo en el diagrama (V,p) al punto A.Como este punto esta sobre la isoterma correspondiente a la temperatura t2, la temperatura del fluido es inicialmente igual a t2 .Por lo tanto, si colocamos el cilindro sobre la fuente t2 ,no se producirá transferencia de calor, punto A. Manteniendo el recipiente sobre la fuente t2 ,levantamos el pistón muy lentamente incrementado así el volumen en forma reversible hasta que hallamos alcanzado el valor VB ,punto B .Esta parte de la transformación esta representada por el segmento AB de la isoterma t2 ,el estado de nuestro sistema esta representado ahora por el punto B . Colocamos ahora el cilindro sobre un aislador térmico e incrementamos el volumen muy lentamente hasta que alcanza el valor VD, punto D como durante el proceso el sistema esta térmicamente aislado, se representa con el segmento de adiabática BD durante esta expansión adiabática, la temperatura del fluido decrece de t2 a t1, y el estado del sistema esta dado ahora por el punto D. Poniendo el cilindro sobre la fuente t1, comprimimos ahora el fluido muy lentamente a lo largo de la isoterma DC, hasta que el volumen disminuye a VC, punto C por ultimo colocamos nuevamente el cilindro sobre un aislador térmico y comprimimos muy lentamente el fluido en forma adiabática a lo largo del segmento CA hasta que su temperatura se eleva a t2 .El sistema habrá vuelto a su estado inicial, que esta dado por el punto A. Mientras se efectúa la expansión isotérmica representada por le segmento AB, el sistema absorbe una cantidad de calor Q2 de la fuente t2.Durante la compresión isotérmica representada por el segmento DC, el sistema absorbe una cantidad de calor -Q1 de la fuente t1,es decir entrega a la fuente t1 una cantidad de calor Q1.La cantidad de calor absorbido por el sistema durante el ciclo es Q2-Q1. Sea L el trabajo realizado por le sistema durante la transformación. Esta trabajo es igual al área limitada por el ciclo en el diagrama (V,p) ;la primera ley de la termodinámica para un ciclo es, L=Q2-Q1 Esta ecuación expresa que solo parte del calor que absorbe el sistema de la fuente de mayor temperatura se transforma en trabajo mediante el ciclo de Carnot; el resto de calor, Q1, en vez de ser transformado en trabajo, es entregado a la fuente que se halla a menor temperatura. Definimos la eficiencia del ciclo de Carnot a la relación ð = L/Q2 = (Q2-Q1)/Q2 Entre el trabajo realizado por el ciclo y el calor absorbido de la fuente a mayor temperatura. Ciclo Diesel Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión. La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel se encuentra en la fase de introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante, mientras que en el ciclo Diesel se efectúa a presión constante. Otra diferencia entre ambos ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12 a 22 para los motores Diesel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para los motores Otto. Como se ve en la figura, el ciclo Diesel ideal está formado por cuatro líneas térmicas que representa: la compresión adiabática (1-2); la introducción del calor a presión constante (2-3); la expansión adiabática (3-4); la expulsión del calor a volumen constante (4-1). Durante la transformación 2-3 de introducción del calor Q1 a presión constante, el pistón entra en funcionamiento, y por tanto, el fluido produce el trabajo: Por consiguiente, la ecuación de la energía sin flujo se convierte en y la entalpía h del fluido está dada por la expresión la ecuación se transforma en Por ser el fluido un gas perfecto, podemos emplear, para su variación de entalpía a presión constante, la expresión Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor: Hay que hacer resaltar que en una transformación con introducción de calor a presión constante varía el valor de la entalpía del fluido activo, mientras que en caso de la transformación a volumen constante varía el de la energía interna del fluido. Como la sustracción del calor Q2 se realiza como en el ciclo Otto, podemos escribir: Q2= U4-U1 Y como el fluido es un gas perfecto y el ciclo es ideal: Q2= Cv (T4-T1). Por tanto, el rendimiento térmico ideal del ciclo Diesel teórico vale: he = (calor suministrado - calor sustraído)/ calor suministrado Expresión del todo análoga a la encontrada para el rendimiento ideal del ciclo teórico Otto. Para la transformación 2-3 de combustión a presión constante tenemos: Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 3-4 de expansión se tiene, respectivamente: de donde: y como son V4= V1 y T3/T2= V3 /V2, se puede escribir: Sustituyendo esta expresión en la del rendimiento térmico ideal, resulta: Indicando con t' la relación entre los volúmenes V3 y V2 al final y al comienzo, respectivamente, de la fase de combustión a presión constante, a la cual daremos el nombre de “relación de combustión a presión constante”, y recordando que obtenemos, finalmente, la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo teórico Diesel: En esta expresión vemos que he es, para el ciclo Diesel, función de la relación de compresión, de la relación de combustión a presión constante y la relación k entre los calores específicos. Las expresiones de los rendimientos térmicos de los ciclos Otto y Diesel difieren solamente por el término entre paréntesis, que siempre es mayor que 1, y, por ello, aparece claro que a igualdad de relación de compresión he es mayor para el ciclo Otto que para el ciclo Diesel. Reduciendo t', es decir, el calor introducido a presión constante, el rendimiento he del ciclo Diesel se aproxima al del ciclo Otto, con el cual coincide para t'=1. Rudolf Diesel desarrolló la idea del motor diesel y obtuvo la patente alemana en 1892. Su logro era crear un motor con alta eficiencia. Los motores a gasolina fueron inventados en 1876 y, específicamente en esa época, no eran muy eficientes. Las diferencias principales entre el motor a gasolina y el Diesel eran: ð Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido. EL calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente. ð Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras un motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1. La alta compresión se traduce en mejor eficiencia. Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en la que el combustible es inyectado a la válvula de succión (fuera del cilindro). Note que el motor diesel no tiene bujía, se toma el aire y lo comprime, y después inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión (inyección directa). Es el calor del aire comprimido lo que enciende el combustible en un motor diesel. En esta animación simplificada, el aparato verde pegado al lado izquierdo del cilindro es un inyector de combustible. De cualquier forma, el inyector en un motor diesel es el componente más complejo y ha sido objeto de gran experimentación en cualquier motor particular debe ser colocado en variedad de lugares-. El inyector debe ser capaz de resistir la temperatura y la presión dentro del cilindro y colocar el combustible en un fino rocío. Mantener el rocío circulando en el cilindro mucho tiempo, es también un problema, así que muchos motores diesel de alta eficiencia utilizan válvulas de inducción especiales, cámaras de pre-combustión u otros dispositivos para mezclar el aire en la cámara de combustión y para que por otra parte mejore el proceso de encendido y combustión. Una gran diferencia entre un motor diesel y un motor a gasolina está en el proceso de inyección. La mayoría de los motores de autos utilizan inyección de puerto o un carburador en lugar de inyección directa. En el motor de un auto, por consiguiente, todo el combustible es guardado en el cilindro durante el choque de succión, y se quema todo instantáneamente cuando la bujía dispara. Un motor diesel siempre inyecta su combustible directamente al cilindro, y es inyectado mediante una parte del choque de poder. Esta técnica mejora la eficiencia del motor diesel. La mayoría de motores diesel un tapón de luz de algún tipo que no se muestra en la figura. Cuando el motor diesel está frío, el proceso de compresión no debe elevar el aire a una temperatura suficientemente alta para encender el combustible. El tapón de luz es un alambre calentado eléctricamente (recuerde los cables calientes que hay en una tostadora) que ayuda a encender el combustible cuando el motor está frío. Ciclo Otto DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO: En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape. En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son: Este punto es un punto clave en el comportamiento real del ciclo, lo cual lo veremos más adelante. Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior. Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo se abre la válvula de escape. cual el trabajo requerido es cero. Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos. A continuación hay un enlace que muestra una animación del ciclo de un motor de cuatro tiempos. Motor Otto RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO: Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo. El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades: Evoluciones: La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan. La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas como evoluciones isócoras (a volumen constante). La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen adiabáticas sin roce. Es decir ðQ12 = 0 y ðQ34 =0. Rendimiento: con los signos explícitos: de donde: Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base: Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce: Dividiendo (2)/(1): Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que: de donde: llamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que: Conclusion La combustión es un proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. Los procesos de combustión liberan energía, casi siempre en forma de calor. La forma más común de aprovechar esta energía es el motor de combustión interna que es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. En la historia existieron dos teorías de combustión importantes. Teoría del flogistio: Basada en la existencia de un "principio de la combustibilidad" que denominado "flogisto" por Ernest Stalh. De acuerdo con sus ideas, los metales estaban formados por flogisto y la cal correspondiente, de modo que, cuando se calcinaban, el flogisto se desprendía y dejaba libre la cal. Teoría de combustión por Lavoisier: Lavoisier demostró que la combustión es un proceso en el cual el oxigeno se combina con otra sustancia en la que sucede un aumento de calor. bibliografia MUÑOZ, PAYRI. Motores de combustión interna alternativos. UPV, 1983 GIACOSA. Motores endotérmicos. Ed. Dossat, 1980 Internet -2- Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo. Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo. Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3. Estas tres situaciones las vemos ilustradas en las figuras 2 a 4. En ellas vemos que siempre se trata de maximizar el área encerrada por el ciclo de trabajo. En el caso de prolongar la expansión hasta pa, es obvia la ganancia de área. Así que en lo posible conviene hacerlo. Sin embargo esto no es posible en los motores alternativos (cilindro-pistón), siendo solo posible en el caso de las turbinas. Esto por cuanto se trata de agregar más etapas a la turbina hasta alcanzar la presión ambiente. En el caso de presión máxima fija (Figura 3), se trata de maximizar p2 de forma de maximizar el rendimiento. Esto porque así se tiene la máxima compresión de base posible. Sin embargo solo podemos hacer esto en caso de que se comprima aire. En efecto, si se comprime una mezcla aire-combustible, existirá una razón de compresión máxima, más allá de la cual la mezcla tiende a autoinflamarse. Por lo tanto se maximizará p2 de forma de llegar al límite tecnológico. En este caso conviene que la combustión se realice a presión constante. (ver figura 3). Es obvio que no conviene que la presión disminuya durante la combustión (disminuye el área de trabajo útil), pero tampoco puede aumentar la presión durante la combustión (si aumentase, se excedería la presión máxima, lo cual lleva a problemas tecnológicos). Finalmente tenemos el caso de que la compresión máxima esté fija. Esto ocurre cuando se comprime una mezcla airecombustible. En este caso no se debe exceder una razón de compresión máxima, pues si se hace la mezcla tiende a autoinflamarse. En este caso conviene que la combustión se realice a volumen constante de forma de maximizar el área de trabajo (el caso se ilustra en la figura 4). Claro que se debe tener presente de que, de partida, se usó una razón de compresión más baja, por lo cual se ha pagado una penalización de rendimiento desde la partida. Este caso se da en el Ciclo Otto. Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo. Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo. Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.