CAPITULO III

Ciclos reales de los motores de automvil

1. Generalidades

Los motores de automvil en condiciones de explotacin trabajan en una amplia zona

de variacin del rgimen de velocidad. La frecuencia de rotacin del cigeal en el rgimen de funcionamiento depende del tipo de motor. Por ejemplo, para un Diesel de un camin dicho parmetro flucta entre 800 300 rpm y ms; para el Diesel de un automvil ligero, hasta 4500- 5000 rpm y para un motor de encendido por chispa 800- 6000 rpm. Para las frecuencias de rotacin indicadas en los motores de cuatro tiempos cada ciclo se efecta en 0.15-0.02 s y en los motores de dos tiempos dura 2 veces menos.

En este intervalo de tiempo debern efectuarse los siguientes procesos: el suministro del combustible y aire al cilindro, la compresin de evaporacin del combustible y su mezcla con el aire, la ignicin de la mezcla aire-combustible y su combustin que conduce al elevar la temperatura y presin de los gases, la expansin (carrera de trabajo) y la expulsin de los gases quemados. Para todos estos procesos es caracterstico que los parmetros trmicos y gasodinmicos varen en el curso de su realizacin. El tiempo asignado para efectuar cada uno de los procesos mencionados no es el mismo. La mayor parte del tiempo, especialmente en los motores de cuatro tiempos, se concede a los procesos de admisin y escape de los gases quemados, la menor al proceso de combustin.

Para asegurar alta efectividad del ciclo se debe prestar especial atencin a los procesos de formacin de la mezcla aire-combustible y a su combustin.

En los motores de encendido por chispa el proceso de formacin de la mezcla aire-combustible comienza anticipadamente en el proceso de admisin (vase el cap. XIII). En caso de emplear combustible lquido (gasolina) al flujo de aire en movimiento se introducen gotas de combustible que han aparecido como consecuencia de la desintegracin del chorro que sale del surtidor. La calidad de pulverizacin depende de la relacin entre las velocidades de movimiento del aire y del combustible por el mltiple de admisin, por el conducto de admisin en la culata del motor y a travs de la vlvula.

En el motor de carburador cuanto mayor sea la velocidad de movimiento del aire en el difusor del carburador tanto mejor ser la pulverizacin. La disminucin de las gotas, es decir, una pulverizacin ms fina tiene gran importancia en los motores con formacin eterna de la mezcla, ya que acelera el proceso de vaporizacin del combustible, al mismo tiempo disminuye la cantidad de combustible que se sedimenta sobre las paredes del sistema de admisin, formando una pelcula que se desplaza y se evapora con menor intensidad.

El proceso de combustin transcurre slo en la fase gaseosa. Por lo tanto, para realizarlo es menester que el combustible se evapore previamente. La vaporizacin del combustible en los motores con formacin externa de la mezcla transcurre en un lapso de tiempo relativamente largo en el proceso de admisin y compresin y finaliza en el instante en que aparece al chispa elctrica (cuando el pistn est cerca del P.M.S.). es evidente que cuanto menor sea el dimetro de las gotas tanto mayor ser su superficie total y sustancialmente mayor ser la velocidad de vaporizacin. El calor necesario para evaporar el combustible en el conducto de admisin se transmite de la carga de aire. Para una vaporizacin ms completa del combustible en el sistema de admisin se calienta la tubera de admisin con agua caliente que circula en el motor o con los gases de escape. Debido a estas condiciones y al movimiento acelerado del aire la velocidad de vaporizacin aumenta.

Para garantizar el proceso oportuno de combustin en el motor con formacin externa de la mezcla es preciso que al final de la compresin en todo el volumen de la cmara de combustin se forme una mezcla aire-combustible homognea.

En los motores a gas el proceso de mezclado del combustible con el aire es ms sencillo. Incluso, empleando gas licuado, despus de salir del intercambiador-evaporador, el gas pasa al estado gaseoso y unindose con el aire en el mezclador forma una mezcla homognea ya en el proceso de admisin. El mezclado ms rpido del combustible gaseoso con el aire se explica tambin por el hecho de que la relacin entre los vapores de gas y del aire para el gas natural, siendo la posicin de la mezcla estequiomtrica, es aproximadamente 1:9 (para la mezcla de vapores de gasolina con el aire esta relacin es aproximadamente igual a 1:50).

En el motor Diesel la mezcla aire-combustible se forma en corto tiempo. La duracin de este proceso es 20 30 veces menor que en el motor de carburador. El combustible se inyecta a la cmara de combustin al final de la compresin cuando la posicin del pistn est aproximadamente a 20 25 del P.M.S. y un poco antes de la inflamacin de la mezcla airecombustible y de su combustin. La duracin total de la inyeccin alcanza 20-35 del ngulo de rotacin del cigeal. En el periodo de retraso de la inflamacin se produce el calentamiento, vaporizacin de parte del combustible inyectando y recalentamiento de los vapores del combustible hasta la temperatura, a la cual se inflama.

Para evaporar rpidamente el combustible en el medio areo, que tiene al final del proceso de compresin (incluso sin haber sobrealimentacin) elevadas temperaturas (aproximadamente 750-800 K) y presin (aproximadamente 3,2-3,8 MPa), es necesario inyectar el combustible bajo elevada presin a la cmara de combustin. En funcin del tipo de cmara de combustin y del rgimen de velocidad del motor, su valor medio alcanza 20-80 MPa.

La elevada presin de inyeccin garantiza el desarrollo de la llama del combustible, conformada por una gran cantidad de diminutas gotas. El flujo de aire en movimiento no solamente mejora las condiciones de vaporizacin de las gotas sino que contribuye tambin a la extensin. De la llama del carburante por toda la cmara de combustin. Al evaporar las gotas del carburante, no se logra la distribucin uniforme de ste por todo el volumen de la cmara de combustin. En ella se forman zonas donde la composicin de la mezcla es tal, que a elevada temperatura al final de la compresin tiene lugar la inflamacin. Al mismo tiempo, en otras zonas no hay vapores de combustible ( = ) y, a la inversa, existen zonas donde falta el aire, es decir, en ellas solamente hay combustible ( =0).

En el periodo del retardo a la inflamacin en la cmara de combustin se evaporan solamente las gotitas de combustible ms pequeas que al mezclarse con el aire en la concentracin correspondiente, dan lugar a la formacin de los focos iniciales de la ignicin, en este caso comienza una rpida combustin de todo el carburante evaporado en dicho periodo, lo que conlleva a un rpido incremento de la temperatura y de la presin, aumentando la velocidad de vaporizacin, de las gotas de carburante. Para que este ltimo participe en la reaccin, es necesario desalojar de las zonas, donde sta tuvo lugar, los productos de la combustin formados y garantizar el suministro de oxgeno al carburante que se est evaporando. Para esto, en cada momento del periodo del proceso de formacin de la mezcla es necesario asegurar, de la misma manera que en sus etapas anteriores, un movimiento organizado de la carga de aire.

El encendido de la mezcla aire-combustible y el desarrollo del proceso de combustin se efectan de diferente manera, en funcin del tipo de formacin de la mezcla. En el motor con formacin externa de la mezcla, donde en la cmara de combustin la mezcla aire-combustible es prcticamente uniforme, sta se enciende por una chispa elctrica en una zona de la cmara. Al formarse la chispa, un pequeo volumen del gas que se encuentra en la zona de descarga elctrica, se calienta hasta una temperatura muy alta que sobrepasa 10000 K. En consecuencia, cerca de esta zona la mezcla se calienta hasta una temperatura bajo la cual aparece la llama, que se propaga desde el foco de ignicin con gran velocidad (30 50 m/s) por todo el volumen de la cmara de combustin. El movimiento de la mezcla en la cmara contribuye a acelerar la propagacin del frente de llama. Los experimentos y los clculos muestran que la duracin del proceso de combustin constituye unos 30 - 40 del ngulo de rotacin del cigeal. Para que en estas condiciones se utilice con ms eficacia de calor desprendido durante la combustin, el proceso deber realizarse cerca del P.M.S. Pesto que desde el instante en que se forma la chispa en la cmara de combustin hasta el desarrollo visible del proceso de la misma, durante el cual bruscamente aumentan la temperatura y presin (vase el diagrama de la fig. 21), transcurre cierto intervalo de tiempo, entonces para cumplir las condiciones indicadas anteriormente, la chispa se forma unos grados antes del P.M.S. (punto 3, fig. 21). En funcin del rgimen de velocidad este ngulo vara y crece al aumentar la frecuencia de rotacin del cigeal.

Una de las particularidades de la inflamacin y de la combustin de la mezcla aire-combustible uniforme consiste en el lmite de su posible empobrecimiento, a condicin de que la mezcla se encienda. Como ha sido mostrado (vase la fig. 18), el mayor empobrecimiento de la mezcla en funcin de la carga del motor de carburador

Fig, 21. Diagrama indicada de un motor de carburador de cuatro tiempos, en coordenadas p 1p:

1 y 2 correspondientemente apertura y cierre de la vlvula de admisin: 3 salto de la chispa: 4 y 5 apertura y cierre respectivamente de la vlvula de escape

De la mezcla en funcin de la carga del motor de carburador se logra siendo la potencia aproximadamente igual al 70 75% de la mxima, que se puede obtener con la mariposa del gas completamente abierta. Al incrementar la carga desde dicho valor, y tambin al disminuirla, la mezcla tiene que ser enriquecida, lo que aumenta considerablemente el consumo de combustible y el contenido de CO en los productos de combustin. Ms adelante se analizarn los mtodos de organizacin del proceso de combustin que se emplean en la actualidad al utilizar mezclas pobres.

El proceso de combustin en el motor Diesel, donde no se forma una mezcla homognea, difiere sustancialmente del anteriormente estudiado. En las zonas, donde la mezcla tiene una composicin tal como a altas temperaturas resulta posible su ignicin, despus de cierto tiempo desde el inicio de la inyeccin surge la autoinflamacion de la mezcla. Para garantizar el transcurso de la combustin cerca del P.M.S es necesario comenzar la inyeccin del carburante a la cmara de combustin del motor Diesel 10-20 antes del P.M.S.

Una vez formados los focos iniciales de ignicin la llama rpidamente se propaga por aquellas zonas donde ya se tiene preparada la mezcla aire- combustible para la combustin. A medida que la llama penetra en estas zonas se produce la ulterior vaporizacin y entremezcla de los vapores de combustible con el aire. Esto conduce a la ulterior combustin de todo el carburante la cual al final del proceso se realiza por medio de la difusin del oxgeno sobrante, contenido en la carga de aire, en las zonas en donde la mezcla esta enriquecida.

El transcurso de todas las etapas de mezcla y combustin en los motores con formacin externa e interna de la mezcla depende considerablemente del mtodo de introduccin del carburante a la cmara de combustin y de los parmetros del equipo de inyeccin as como del mtodo empleado para organizar el proceso de mezclado del combustible con el aire.

En los motores con formacin externa de la mezcla y encendido por chispa, al elegir el modo de introduccin del combustible- por carburador, por inyeccin de combustible, empleando el encendido por dardo y la estratificacin de la carga y su subsiguiente encendido y combustin en la actualidad se dedica especial atencin a la disminucin de la toxicidad de los productos de la combustin, junto con el mejoramiento del empleo del calor y la elevacin de la confiabilidad del motor. Adems gran importancia tiene no solamente el perfeccionamiento de los mtodos de mezclado, sino que tambin la leccin del tipo de cmara de combustin que asegure, en combinacin con el mtodo adoptado de formacin de la mezcla, las condiciones ptimas para ejecutar el ciclo de trabajo.

En los motores con mezcla interna tambin se presta gran atencin a la combinacin de los parmetros del equipo de inyeccin con el mtodo adoptado para formar la mezcla y el tipo de la cmara de combustin. Se toman medidas para lograr un buen aprovechamiento del calor con un relativamente suave acrecentamiento de la presin en el proceso de combustin del carburante. Para estos motores tambin se han elaborado en los ltimos aos medidas destinadas a disminuir los elementos txicos y los humos en los productos de combustin.

El proceso de suministro de la carga fresca al cilindro, independientemente del modo de formacin de la mezcla y de los mtodos de encendido, requiere un correspondiente gasto de trabajo. Despus de la combustin y de la carrera de trabajo debern ser desalojados los gases quemados de los cilindros, para cuya expulsion se necesita tambin gastar cierto tiempo trabajo.

La compresin en el ciclo real va acompaada de un intercambio de calor, debido a la diferencia de temperaturas entre el aire comprimido o la mezcla aire-combustible y las paredes del cilindro, como consecuencia de lo cual al final de la compresin la presin y temperatura difieren de las que resultan en caso de la compresin adiabtica. Adems, durante la compresin, especialmente en el periodo de arranque del motor o al funcionar este a baja frecuencia de rotacin, es posible la fuga de gases a travs de los anillos del piston y a travs de las vlvulas, lo que tambin influye sobre los parmetros al final del proceso.

Durante la compresin y la posterior expansin, la temperatura de los productos de combustin son considerablemente mayores que las temperaturas de las superficies de la culata, de la camisa del cilindro y del piston que estn en contacto con los gases, por lo tanto tendr lugar un intercambio de calor entre el gas y las paredes. Adems, la combustin no acabara cerca del P.M.S., sino que sigue durante la expansin, desprendindose adicionalmente cierta cantidad de calor. En el transcurso de estos procesos tambin es posible una determinada fuga de gases a travs de las partes no hermticas de los anillos del piston. En el proceso de combustin, al elevarse la temperatura hasta su ulterior crecimiento queda limitado debido a la disociacin de las molculas del vapor de agua y del anhdrido carbnico, que va acompaada por la absorcin de cierta cantidad de calor. Despus, durante la expansin la temperatura disminuye y transcurre la reaccion de formacin de los productos finales con desprendimiento de calor, pero su utilizacin es menos efectiva.

Los fenmenos mencionados, que son inherentes al ciclo real, dan lugar a prdidas adicionales en comparacin con el ciclo termodinmico. En consecuencia, el rendimiento del ciclo real siempre es menor que el rendimiento trmico. Es evidente que ms perfecto resultara aquel ciclo real, el cual teniendo iguales valores de , y cantidades de calor suministrado que el ciclo termodinmico, tenga las menores perdidas anteriormente sealadas.

Determinar analticamente el trabajo efectuado en el ciclo real es difcil, ya que para un motor dado es imposible determinar anticipadamente las prdidas al realizar cada proceso por separado. Tales clculos se efectan considerando coeficientes experimentales, obtenidos como resultado de gran cantidad de investigaciones.

ltimamente se han elaborado mtodos para calcular el ciclo real en tiempo utilizando ordenadores. Los clculos con objeto de optimizar los ndices del ciclo se pueden cumplir si existen coeficientes experimentales fiables que se introducen al clculo de ciertas etapas del ciclo.

Los datos que caracterizan el transcurso de los procesos por separado y en conjunto, as como la perfeccin del ciclo real, de un motor experimental o de uno que se encuentra en la produccin, se obtienen experimentalmente, tratando el diagrama indicado. La obtencin del diagrama indicado del motor consiste en el registro de la variacin de la presin en el cilindro y de algunas otras magnitudes caractersticas en funcin del volumen (en coordenadas p-v) o del ngulo de rotacin (tiempo) del cigeal (en coordenadas ).

En los motores rpidos modernos de automviles y tractores, para trazar el diagrama indicado se emplean aparatos registradores con pequea inercia (oscilgrafos de bucles o de rayos catdicos con sensores de piezocuarzo o de otro tipo y amplificadores de intensidad de las corrientes que aparecen al registrar las presiones en el cilindro, o bien con indicadores electroneumaticos.

Un diagrama indicado tpico de un motor de cuatro tiempos de encendido por chispa, en coordenadas , se demuestra en la fig.21. La parte de trazos del diagrama se refiere al caso cuando no se produce el proceso de combustin.

Empleando las relaciones cinemticas conocidas, el recorrido del piston se puede definir como una funcin del ngulo . El diagrama indicado obtenido en coordenadas puede ser reconstruido para el sistema de coordenadas (fig.22).

El grafico en la figura.22, b ilustra el modo de construccin del recorrido del piston en funcin del ngulo segn el mtodo de F.A. Briks. El mtodo consiste en que a un ngulo dado , la punta del radio vector se proyecta sobre el eje horizontal, situado en el dimetro de la circunferencia que corresponde a la carrera completa del piston (s= 2R). El polo del radio vector es el punto , desplazado respecto al centro O en direccin del P.M.I. en (donde L es la longitud de la biela).

El rea limitada por los contornos del diagrama indicado, representa en coordenadas , el trabajo indicado ejecutado por el motor en cada ciclo.

El grado de aprovechamiento del calor en el ciclo real se acostumbra determinar por la magnitud del rendimiento indicado, que representa la relacin entre el calor transformado en trabajo mecnico del ciclo y el calor total introducido en el motor con el combustible:

= (120)

Si el trabajo til del ciclo se refiere a 1 Kg de combustible:

=

La comparacin del ciclo real con el terico y el establecimiento de la magnitud relativa de las prdidas en el ciclo real pueden efectuarse por el rendimiento relativo

= (121)

que ser siempre menor que la unidad.

2. Ciclo de cuatro tiempos

Los diagramas de los motores de cuatro tiempos se muestran en las figs. 21-23. En la parte inferior de las figs.22 y 23 vienen representados en la escala mayor, los diagramas de los procesos de admisin y escape.

En el motor de carburador (vase fig.22) la vlvula de admisin se abre con cierto adelanto con respecto al P.M.S (punto 1) y el proceso de admisin de la mezcla combustible y aire se caracterizan por la lnea 1-5-A-2.El ingreso de la mezcla termina en el instante en el que se cierra la vlvula de admisin (punto 2). La mezcla carburante que penetra en el cilindro, se mezcla con los productos de combustin que quedan en el del ciclo anterior (gases residuales) y forman la mezcla de trabajo.

Una vez terminado el proceso de admisin la mezcla de trabajo, que se encuentra en el cilindro del motor, se comprime. El punto 3 en el diagrama indicado caracteriza el instante de aparicin de la chispa elctrica. Una vez formada la chispa comienza la combustin de la mezcla aire-combustible. La combustin contina tambin en cierto tramo del proceso de expansin.

El barrido de los gases quemados (escape) empieza en cuando se abre la vlvula de escape. En este instante la presin dentro del cilindro es considerablemente ms elevada que la atmosfrica, por lo que en la etapa inicial del proceso los gases quemados salen del cilindro a travs de la vlvula a velocidad critica. Cuando el piston se acerca al P.M.I. la presin en el cilindro cae considerablemente y a continuacin, cuando el piston se mueve desde el P.M.I. al P.M.S., los gases quemados son empujados a la atmosfera.

Si el motor trabaja sin sobrealimentacin los productos de la combustin se expulsan a una sobrepresin insignificante, en comparacin con la atmosfrica. El proceso de escape y expulsion (linea4-1-5 en la fig.22) termina en el instante en que se cierra la vlvula de escape (punto 5).

En el motor diesel de cuatro tiempos (fig.23) cuando est abierta la vlvula de admisin (punto 1) al cilindro entre nada ms que aire. Lo mismo que el motor de carburador, despus de cerrarse la vlvula de admisin (punto 2), y mientras el embolo se desplaza hacia el P.M.S., en el cilindro tiene lugar la compresin, existiendo intercambio de calor entre el aire admitido y las paredes del cilindro. A diferencia del motor de carburador, en este caso se comprime solamente el aire y los gases residuales.

El punto 3 del diagrama indicado corresponde al instante en que empieza a inyectarse el combustible a la cmara de combustin. En este instante la temperatura del aire comprimido es superior a aquella en que el combustible puede inflamarse sin necesidad de fuente de encendido extraa.

Despus de un cierto periodo, en el curso del cual el combustible inyectado se prepara para la inflamacin (periodo de retardo del encendido), se produce la ignicin y luego el combustible arde intensamente. La combustin va acompaada al principio de un aumento brusco de la presin (tramo c), y despus, durante un periodo de tiempo no muy grande, en el tramo transcurre casi a presin constante. La expansin termina en el instante en que se abre la vlvula de escape (punto4).

El escape de los gases quemados en el motor diesel se efecta de la misma manera que en el motor de carburador.

3. Ciclo de dos tiempos

Se muestra la inyeccin del combustible, su pulverizacin, la mezcla del aire el encendido y la combustin se realiza de la misma manera que en el motor de cuatro tiempos. Al finalizar la expansin, aproximadamente a 45-50del PMI. (punto1), cuando la presin en el cilindro es 0,3-0,5, Mpa El pistn abre las lumbreras de escape y comienza la salida de los gases quemados. Como resultado de esto la presin en el cilindro desciende y en el punto 3 se hace inferior a la presin PK, creada por el compresor 1 .en este instante el mbolo abre las lumbreras de admisin y a travs de ellas empieza a penetrar el aire a travs de las lumbreras de escape. Cundo el pistn se desplaza hacia el PMS cierra las lumbreras de barrido, interrumpiendo el ingreso de aire desde el compresor al cilindro. Mientras tanto, a travs de las lumbreras de escape continua la salida de los gases quemados, terminando en el punto 2, cuando el pistn en su movimiento hacia el punto PMS. Cierra las lumbreras de escape. Desde este instante comienza el proceso de comprensin

Del anlisis del ciclo de funcionamiento del motor de dos tiempos se deduce que el intercambio de gases (admisin de carga fresca y escape de los gases quemados) se efecta solo cuando el pistn se mueve en las proximidades de PMI. Los gases quemados se barren del cilindro durante un corto espacio de tiempo en que el volumen vara en la magnitud Pv. Para el barrido del cilindro se utiliza aire que ingresa al cilindro desde el compresor.

En los motores de dos tiempos se emplean diversos esquemas de intercambio gaseoso.

a). Se representa el esquema del barrido transversal, en los bucles, con lumbreras de admisin y escape dispuestas en paralelo, utilizado en los motores para motocicletas, donde la cmara de manivelas (crter)sirve de compresor.

b). Con disposicin excntrica de las lumbreras de admisin, el aire del compresor entra por las lumbreras situadas a ambos lados de las de escape. Se da en el barrido transversal en bucles o u invertida.

c). En el caso del barrido uniflujo con lumbreras y vlvulas .los gases quemados salen a travs de las vlvulas mientras que el soplado se efecta por las lumbreras

d). Se representa el esquema de barrido uniflujo en un motor con pistones que realizan carreras opuestas. Este esquema asegura alta calidad de barrido de los gases quemados del cilindro y su llenado con carga fresca.

Proceso del ciclo real

Del anlisis se deduce que los ciclos reales en los motores a pistn constante constan de los siguientes procesos: el intercambio de gases, que incluye el escape de los gases quemados, el barrido de la cmara de combustin y la admisin de la carga fresca (aire en el motor disel o mezcla de aire combustin en los motores de encendido por chispa);la comprensin, que va acompaada con elevacin elevacin de la energa interna del fluido operante ;la combustin, acompaada de desprendimiento de calor y la expansin (carrera de trabajo)

El carcter con que transcurren los procesos de comprensin, combustin y expansin no depende del nmero de tiempos del motor, sino que se define solamente del modo de organizacin del proceso de formacin de la mezcla y del encendido de la misma. El proceso de intercambio de gases depende del nmero de tiempos del motor. En el de cuatro tiempos su duracin abarca mas de la carrera del pistn; en el de dos tiempos, solo parte de una carrera del pistn.