Ciclos Otto

Ciclo Otto

La primera etapa es la etapa de compresión, el émbolo se mueve hacia arriba y comprime la mezcla de aire y combustible. Un poco antes de que el émbolo alcance su posición más alta (PMS), la bujía produce una chispa y la mezcla se enciende, con lo cual au¬menta la presión y la temperatura del sistema. Los gases de alta presión impul¬san al émbolo hacia abajo, el cual a su vez obliga a rotar al cigüeñal, lo que produce una salida de trabajo útil durante la correrá de expansión o carrera de potencia. Al final de esta carrera, el émbolo se encuentra en su posición más baja (la terminación del primer ciclo mecánico) y el cilindro se llena con los productos de la combustión. Después el émbolo se mueve hacia arriba una vez más y evacúa los gases de escape por la válvula de escape (carrera de escape), para descender por segunda vez extrayendo una mezcla fresca de aire y com¬bustible a través de la válvula de admisión (carrera de admisión). Observe que la presión en el cilindro está un poco arriba del valor atmosférico durante la carrera de escape y un poco abajo durante la carrera de admisión.

En las máquinas de dos tiempos, las cuatro funciones descritas anterior¬mente se ejecutan sólo en dos tiempos: el de potencia y el de compresión. En estas máquinas el cárter se sella y el movimiento hacia fuera del émbolo se emplea para pre cursar ligeramente la mezcla de aire y combustible en el cár¬ter. Además, las válvulas de admisión y de escape se sustituyen por aberturas en la porción inferior de la pared del cilin¬dro. Durante la última parte de la carrera de potencia, el émbolo descubre pri¬mero el puerto de escape permitiendo que los gases de escape sean parcial¬mente expelidos, entonces se abre el puerto de admisión permitiendo que la mezcla fresca de aire y combustible se precipite en el interior e impulse la mayor parte de los gases de escape restantes hacia fuera del cilindro. Esta mezcla es entonces comprimida cuando el émbolo se mueve hacia arriba durante la carrera de compresión y se enciende subsecuentemente mediante una bujía.

Las máquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que sus contrapartes de cuatro tiempos, debido a la expulsión incompleta de los gases de escape y la expulsión parcial de la mezcla fresca de aire y combustible con los gases de escape. Sin embargo, son más sencillas y económicas y tienen altas relaciones entre potencia y peso así como de entre potencia y volumen, lo cual las hace más adecuadas en aplicaciones que requieren tamaño y peso pequeños como motocicletas, sierras de cadena y podadoras de pasto.

Los avances en varias tecnologías —como la inyección directa de combus¬tible, la combustión de carga estratificada y los controles electrónicos— han renovado el interés en las máquinas de dos tiempos porque ofrecen un alto rendimiento y mayor economía de combustible, al mismo tiempo que pue¬den satisfacer los futuros y más estrictos requerimientos sobre emisiones contaminantes. Para determinados peso y desplazamiento, un motor de dos tiempos bien diseñado puede brindar significativamente más potencia que su contraparte de cuatro tiempos porque producen potencia en cada revolución de la máquina en lugar de producirla en una sí y en otra no. En los nuevos motores de dos tiempos, el rocío de combustible altamente atomizado que se inyecta dentro de la cámara de combustión al final de la carrera de compre¬sión permite que el combustible se queme de manera mucho más completa. Este combustible se rocía después de que la válvula de escape se cierra, lo que evita que el combustible no quemado sea emitido a la atmósfera. Con la combustión estratificada, la flama que se inicia al encender una pequeña cantidad de una rica mezcla de combustible y aire cerca de la bujía, se pro¬paga por la cámara de combustión llena con una mezcla escasa de combusti¬ble, lo cual origina una combustión mucho más limpia. Asimismo, el avance en la electrónica hace posible asegurar la operación óptima bajo condiciones variables de carga y velocidad del motor. Las principales compañías de auto¬móviles realizan programas de investigación para motores de dos tiempos que se espera que vuelvan a aparecer en el futuro cercano.

El análisis termodinámico de los ciclos reales de cuatro y dos tiempos antes descritos no es una tarea simple. Sin embargo, el análisis puede simplificarse de manera significativa si se Utilizan las suposiciones de aire estándar, ya que el ci¬clo que resulta y que es parecido a las condiciones de operación reales es el ciclo de Otto ideal, el cual se compone de cuatro procesos reversibles internamente:

1-2 Compresión isoentrópica

2-3 Adición de calor a volumen constante

3-4 Expansión isoentrópica

4-1 Rechazo de calor a volumen constante

Una gráfica de la eficiencia térmica contra la relación de compresión se presenta en la figura 9-17 para k = 1.4, el cual es el valor de la relación de calores específicos del aire a temperatura ambiente. Para una relación de com¬presión dada. La eficiencia térmica de una máquina real de encendido por chis¬pa será menor que la de un ciclo de Otto ideal debido a irreversibilidades co¬mo la fricción y a otros factores, como la combustión incompleta.

En la figura 9-17 es posible ver que la curva de la eficiencia térmica está más inclinada a relaciones de compresión bajas, pero se nivela a partir de un valor de relación de compresión aproximadamente de 8. Por consiguiente, el aumento en la eficiencia térmica con la relación de compresión no es tan pronunciado en re¬laciones de compresión elevadas. Asimismo, cuando se emplean altas relaciones de compresión, la temperatura de la mezcla de aire y combustible se eleva por encima de la temperatura de auto encendido del combustible (temperatura a la que el combustible se enciende sin la ayuda de una chispa) durante el proceso de combustión, con lo que causa un temprano y rápido quemado del combustible en algún punto o puntos delanteros de la trente de la llama, seguido por una combustión casi instantánea del gas remanente. Este encendido prematuro del combustible, denominado auto encendido produce un ruido audible que recibe el nombre de golpeteo del motor o cascabeleo. El autoencendido en las máqui¬nas de encendido por chispa no puede tolerarse debido a que perjudica el de¬sempeño y puede dañar la máquina. El requerimiento de que el autoencendido no deba permitirse impone un límite superior en las relaciones de compresión que pueden usarse en las máquinas de combustión interna de encendido por chispa.

Las mejoras en la eficiencia térmica de máquinas de gasolina mediante el uso de relaciones de compresión

...