CICLOS MOTORES ENDOTRMICOSEl fluido que evoluciona en este tipo de motores sufre transformaciones fsico- qumicas de compresin, combustin y expansin mientras intercambia calor con las paredes de los conductos de admisin, la cmara de combustin y escape. Estas evoluciones en la prctica se denominan ciclos cuyas numerosas variables intervinientes son muy complejas.Los ciclos tericos y sus parmetros se pueden ir acercando a los valores reales de la prctica recordando las expresiones termodinmicas comenzando por el ciclo ideal pasando por el de aire culminando con el de aire combustible para rematar en los ciclos puramente reales que se obtienen en los bancos de ensayo mediante indicadores que los grafica.Los ciclos caractersticos de las mquinas alternativas permiten compararlas para poder tomar decisiones tcnicas y se basan en la ecuacin de continuidad abreviada ya que son flujos intermitentes.Ciclo ideal:El fluido es aire y es un gas perfecto a 15c y 1Bar y los Calores Especficos son constantesCp = 0,241 Kcal/KgC Cv = 0,172 Kcal/KgC y k= Cp/Cv = 1,4 y adems al ser las temperaturas consideradas las mximas admisibles por el motor al igual que las presiones se obtendrn en este caso los mximos rendimientos siendo entonces este el ciclo terico al que se le aplican las leyes de los gases perfectos.Ciclo de aire:Al igual que el anterior no se consideran prdidas de calor a lo largo de las evoluciones pero los calores especficos varan con las temperaturas lo que en los clculos incide en los valores de las temperaturas y presiones mximas alcanzadas las que sern menores que en el ciclo de aire bajando as el trabajo obtenido y por ende el rendimiento.Ciclo aire combustible:Es el que ms se acerca a la realidad ya que en la admisin por ejemplo en el caso del Otto el fluido es una mezcla de vapores de combustible, aire y gases residuales y luego de la combustin se dan los productos de la misma (Nox, H, H2O ,CO ) de cal esp medio ms alto que el aire y la disociacin de las molculas por las altas temperaturas. La disociacin al ser endotrmica hace bajar la presin del fluido por lo que la presin mxima del ciclo disminuir respecto al terico de aire.Admitimos tambin al igual que en los otros ciclos que el calor se aporta y se sustrae de manera instantnea y que no hay prdidas del mismo.CICLO REAL:Los indicadores registran diagramas en funcin de los volmenes de un cilindro de un motor en funcionamiento dando el Diagrama Indicado siendo entonces un diagrama real al contemplar todas las prdidas como ser: prdidas de calor, rozamiento, duracin de la combustin, duracin de de los tiempos de apertura y cierre de las vlvulas, intercambio de gases, etc.RENDIMIENTO TRMICO: Los motores endotrmicos slo transforman en trabajo mecnico una parte de la energa producida por el combustible. Luego:= Q1-Q2 /Q1 siendo el numerador la diferencia entre el calor aportado por el combustible y el calor sustrado del ciclo o sea la cantidad de calor transformada en trabajo y se visualiza en los siguientes diagramas para un motor Otto.

CICLO OTTOEst representado por los siguientes diagramas siendo las transformaciones las siguientes:1-2 Isentrpica compresin del fluido trabajo negativo L2 realizado por el pistn.2-3 A volumen ctte combustin. Suministro instantneo del calor del combustible. Q13-4 Isentrpica de expansin. Produce el trabajo L1.4-1 A volumen constante. Sustraccin instantnea de calor Q2.En la prctica la eliminacin de este calor se produce en el tiempo de escape 1-0.Q1 es introducido a V=ctte por lo que el trabajo es cero entonces:Q1= U3-U2 (diferencia de energa interna) y por ser un gas perfecto: Q1= U3-U2= Cv (T3-T2)Diagrama Otto terico

Analizando Q2 se cumple lo mismo, Q2=U4-U1= Cv (T4-T1) Recordando que el rendimiento trmico est dado por:

Recordando las isentrpicas aplicando en compresin y expansin:

y siendo v1=v4 y v2=v3 tenemos:

Reemplazando en la ecuacin del las anteriores se obtiene:

y llamando con a la relacin entre v2 y v1 que es la relacin volumtrica de compresin llegamos a la expresin final del rendimiento trmico del ciclo Otto en funcin del exponente k y .

CICLO DIESEL

En este ciclo se introduce calor a presin ctte siendo una de las diferencias fundamentales con el Otto que es a volumen ctte. Otra diferencia es la relacin de compresin que es del orden de 7 y 11 para Otto y de 12 a 24 para Diesel.

Diagrama Diesel terico

1-2 Compresin isentrpica (consumo de trabajo) 2-3 Introduccin de calor Q1 a p= ctte (combustin) 3-4 Expansin isentrpica (entrega de trabajo) 4-1 Expulsin de calor Q2 a v= ctteDurante la evolucin 2-3 a p=ctte (combustin) con el aporte de Q1 caloras al fludo activo el pistn produce un trabajo dado por:

y siendo:

Al ser un gas perfecto evolucionando a p=ctte tenemos:

Es importante destacar que en esta evolucin a p=ctte vara la entalpa del fluido mientras que en el ciclo Otto a v=ctte vara la energa interna U.La evacuacin de calor Q2 es a v=ctte como en el Otto, tenemos entonces:

Ser entonces el rendimiento la relacin entre el calor aportado menos el calor sustrado dividido el calor aportado-

Siendo: la relacin de compresin y llamando a la relacin entre los volmenes v3 y v2 en la etapa de combustin a p=ctte siendo la RELACIN DE COMBUSTIN A p =ctte.Por lo expuesto el rendimiento del ciclo Diesel ser:

Por lo visto el rendimiento en el Diesel depende de la relacin de compresin, de la relacin de calores especficos k y de la relacin de combustin a p=ctte.El trmino entre corchetes siempre mayor que 1 diferencia a los ciclos Otto y Diesel.Conclusin: A IGUALDAD de relacin de compresin el rendimiento del ciclo Otto supera al DieselEn la prctica se da que como el Otto suele alcanzar relaciones de compresin cercanas a 12 (depende de la calidad del combustible, es decir su octanaje) y el Diesel supera 20 es obvio que el rendimiento trmico del ciclo Diesel supera al Otto.

CICLO MIXTO DE SABATH

Es el ciclo que mas representa en la prctica a las evoluciones tanto del Otto como del Diesel es el llamado mixto.Los grandes motores Diesel de centrales de generacin y de barcos que suelen operar a rpm inferiores a 100 con dimetros de pistn cercanos a 1000 mm y potencias en el orden de lo 40.000Hp son los que ms se acercan al ciclo de p=ctte en la prctica.Los diagramas reales tanto del Otto como del Diesel demuestran que ambos son una combinacin de una evolucin a v=ctte y a p=ctte lo que se aprecia a continuacin.

Luego de la compresin isentrpica 1-2 se da una fase de combustin a v=ctte 2-3 introducindose Q1 y luego como en el Diesel de combustin a v=ctte 3-4 con una introduccin de calor Q1, el resto de las evoluciones son iguales a los ciclos anteriores, es decir expansin isentrpica 4-5 y la 5-1 a v=ctte de sustraccin de calor Q2.Realizando consideraciones termodinmicas similares a las de los ciclos anteriores se arriba finalmente a la siguiente expresin de rendimiento del ciclo terico de Sabath:

Siendo la relacin de compresin y = v4/v2 = v4/v3El rendimiento ser para la misma relacin de presiones intermedio entre el Otto y Diesel dependiendo de la cantidad de calor que se suministre a v=ctte y a p=ctte respectivamente ser ms Otto o Diesel.Comparaciones entre ciclosLos diagramas ya vistos encierran una superficie que depende de las presiones mximas alcanzadas durante el aporte de calor, las relaciones de compresin, el trabajo til obtenido, el calor perdido y el aportado.

Con el aumento de la relacin de compresin aumenta el rendimiento. El ciclo Otto est limitado en la compresin por el fenmeno de detonacin y en la prctica el Diesel supera al Otto.

COMPARACIN DE LOS DIAGRAMAS TERICOS1- A igualdad de calor introducido y relacin de compresin.

Todos tienen la misma compresin isentrpica 1-2 (pv) y todos el mismo calor aportado (TS) cumplindose que las superficies 23562 = 2356 2 2 = 2 3 5 6 2.

La sustraccin de calor se realiza en todos los ciclos representados, al mismo volumen especfico a lo largo de la evolucin 4-1 en el TS.

Partiendo de la premisa en la que el calor suministrado Q1 en los 3 casos es el mismo y sabiendo que el ciclo cuya superficie debajo de la lnea 41 sea la menor ser el de mayor rendimiento, el Otto en este caso con 14561Se visualiza en la anterior que las presiones y las temperaturas del Otto son bastante ms elevadas que en los otros dos ciclos por lo que la teora nos induce a pensar que es el de ms alta eficiencia.2- A igualdad de calor introducido y presin final mxima del cicloAplicando el mismo criterio anterior, se visualiza en el diagrama que sigue coordenadas TS que el rea de menor eyeccin de calor Q2 4 5 6 1 4 corresponde al ciclo Diesel por lo que para las condiciones estipuladas es el de mayor rendimiento.

PRESIN MEDIA EFECTIVAEn toda evolucin de expansin la presin vara permanentemente respondiendo su clculo a expresiones extremadamente complejas impracticables.Si se consigue reemplazar dicho valor por uno promedio y aplicarlo en las expresiones correspondientes se pueden simplificar los clculos. La siguiente grfica lo define.

Sabemos que en coordenadas p-v la superficie rayada del diagrama representa el trabajo til L realizado por el fluido en su evolucin.Para obtener la presin media efectiva se traza un rectngulo ABCD sobre la base del diagrama cuya superficie sea igual a la del ciclo. Cumpliendo esto, la altura CD representar la presin media efectiva del ciclo.Ciclo terico de aire motor OTTOBasndonos en lo visto, al ser aire y terico hacemos las siguientes consideraciones a la vez que fijamos datos para realizar unos clculos para definir parmetros.1- Motor ideal.2- Compresin y expansin isentrpicas con exponente k= 1,4 a calores esp. ctte.Cv= 0,17 Kcal/Kg K. ( gas perfecto)3- Relacin de compresin = 8 y Cp/Cv= 1,44- Fluido: 1 Kg aire atmosfrico ingresando al motor sin restricciones.5- El calor es suministrado al aire por la mezcla con una relacin de mezcla de 1/15,5 ( 1 Kg de combustible en 15,5 de mezcla) con un PC del combustible de 10.400Kcal/Kg (nafta aviacin).

Calculando tenemos:

Por 5 definimos que un Kg de mezcla le entregar al ciclo 10.400/15,5 = 671 Kcal. durante el proceso de combustin a V=ctte. entre 2y 3.

La mezcla (aire en este caso) entra al cilindro en el punto 0 del diagrama y se mezcla con gases residuales calientes del ciclo anterior por lo que podemos fijar : T1= 70C+ 273 = 343K Luego: T2 = T1 = 788K p2 = p1 = 18 Kg/cm2

Para obtener T3 partimos de: Q= m Cv ( T3-T2) siendo ( T3-T2) = T = Q/m Cv=671/1x 0,17 = 3947 K. Luego: T3= 788 + 3947 = 4735K que es la mxima temperatura terica alcanzada en el ciclo.

Siendo la evolucin 2-3 a v=ctte obtenemos p3= p2 T3/T2= 18 x 4735/788 = 108 Kg/cm2

Considerando las evoluciones isentrpicas podemos determinar T4 y p4P4 = p3/= 6 Kg/cm2 y T4= T3/ = 2067K

Aplicando la expresin del rendimiento Otto terico

Reemplazando tendremos: = 0,57 o sea 57%.

DIFERENCIA ENTRE LOS CICLOS OTTO TERICO Y REALLas diferencias entre ambos son: 1-La forma ya que las curvas de compresin y expansin se asemejan aunque con un perfil distinto, y se pone de manifiesto el redondeado de las evoluciones de sustraccin y aporte de calor y de los ngulos. 2- Las presiones reales son menores al igual que las temperaturas.Los motivos son:1-La combustin requiere un tiempo aunque breve para completarse por lo que no es instantnea (suponindose en el Otto realizada en su totalidad a v=ctte)2-Adelanto del encendido en Otto e inyeccin en Diesel para asegurar que los valores mximos de presin se alcancen cuando el pistn comienza su carrera de descenso logrndose as los mejores aprovechamientos de energa de expansin. Redondeo superior de la curva. Ver Per1 y Per2 en el diagrama. Si esto no se hiciera las prdidas seran mayores.3- Adelantamiento de la apertura de la vlvula de escape antes que el pistn alcance el PMI lo que en la prctica ayuda a la evacuacin de los gases (que no es entonces una evolucin recta a v=ctte) lo que genera una prdida Per3.

4-Influencia de los calores especficos que aumentan con la temperatura en los fluidos reales. Entonces la relacin k=Cp/Cv hace que los valores tericos de p y T se vean disminuidos lo que hace que tanto las superficies de los diagramas y el trmico de los ciclos reales sean inferiores a los tericos.5-Influencia de la disociacin. Este fenmeno hace que los productos de la combustin ya formados (CO2 y H2O) absorban calor mientras transcurre la misma formndose CO, H2, etc.) lo que trae como consecuencia una disminucin de la temperatura tericamente obtenible al igual que la presin perdindose algo de trabajo ya que al disminuir la temperatura se puede volver a dar una re-asociacin parcial con liberacin de calor pero que nunca alcanza los valores tericos perdindose trabajo. 6-Influencia del trabajo de bombeo. Durante la admisin y el escape el pistn realiza un bombeo en aspiracin (presin de admisin debajo de la atmosfrica) y durante el escape un barrido de gases residuales a presiones superiores a la atmosfrica lo que nos d un trabajo negativo representado con Per4. 6-Prdidas de calor. El ciclo real responde a las condiciones reales de funcionamiento por lo que la camisa del cilindro se encuentra refrigerada para evitar el agarrotamiento del pistn. Al haber una gran diferencia de temperatura entre los gases y el agua sumado a la turbulencia de los gases se transfiere mucho calor al agua. Se reafirma la evolucin politrpica con exponente menor que k. La prdida de trabajo se visualiza mediante Per5.

DIAGRAMA DE PRESIONES (4T)El siguiente diagrama permite conocer las presiones en funcin del ngulo de rotacin del cigeal a lo largo de todo el ciclo notndose la mxima presin en el punto 7.Destacamos que los ciclos se ven desplazados con respecto a los PM (puntos muertos) ya que como lo explicamos el ciclo indicado o real desarrolla as su mximo trabajo y por ende mximo rendimiento.Admisin: 1-2 comienza con ligera sobrepresin por la presencia de gases de escape del ciclo anterior, a partir de 2 el pistn que se encuentra en descenso comienza la succin de mezcla (Otto) o aire (Diesel) y la baja presin depender del estado de las prdidas de carga del mltiple de admisin (mariposa carburador, estado del filtro de aire, velocidad de la masa de fluido) hasta 3 donde el pistn llega al PMI pero contina el ingreso de fluido hasta 4 por la baja presin reinante en el interior del cilindro. Es trabajo de bombeo y es negativo.Compresin: en 4 se iguala la presin atmosfrica y la del cilindro comenzando la verdadera compresin que se extiende hasta 6. De no darse la ignicin en 5 la presin de la carga seguira la lnea de trazos hasta 6(presin mxima de compresin) y luego expansionara tambin segn la lnea de trazos.

Combustin Expansin: con la ignicin (avance de encendido) comienza la combustin produciendo un gran aumento de temperatura y de presin la que alcanza un mximo en el punto 7 luego de que el pistn pas por el PMS. Este valor de presin mxima es el tenido en cuenta para dimensionar como ejemplo los cojinetes entre otros. De 7 a 8 se va produciendo la expansin de los gases generando el trabajo til transformando energa trmica en mecnica disminuyendo la presin y la temperatura ya que tambin las paredes del cilindro ayudan con el enfriamiento de la masa de gases que evoluciona al estar refrigeradas.Escape: En 8 se abre la vlvula de escape para aprovechar la presin final de la expansin facilitando as la evacuacin de los gases antes de que el pistn llegue al PMI descargndose violentamente en el mltiple de escape el que dependiendo de su diseo puede la columna de gases producir en el interior del cilindro un vaco que ayuda a su evacuacin .Ver punto 10. Luego el pist se encarga de barrer los gases en su carrera ascendente hacia el PMS puntos 11 y 12 impulsando con cierta sobrepresin a los gases, gastando el trabajo indicado por la superficie rayada para luego recomenzar el ciclo en 1.