Ciclo Otto y Diesel: Funcionamiento y Diferencias

Sistema Biela Manivela

Transformación de Movimiento

El movimiento alternativo rectilíneo del pistón se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante el sistema biela-manivela. El pie de la biela, por su unión con el pistón, está sometido a un movimiento rectilíneo alternativo, y la cabeza de la biela es obligada a describir un movimiento circular en su función con la manivela (cigüeñal).

Motor Alternativo de 4 Tiempos

Se dice que un motor alternativo es de 4 tiempos cuando completa el ciclo en 4 carreras del pistón o dos vueltas del cigüeñal.

Motores Encendidos con Chispas o Motores Otto (Nafta)

Admisión

El pistón, en su carrera desde el punto muerto superior (PMS) al inferior (PMI), crea una aspiración de la mezcla aire-combustible en el cilindro. En la cámara de combustión se abre a su debido tiempo la válvula de admisión para permitir la entrada de la mezcla. La válvula comienza a abrirse antes de iniciarse la carrera y se cierra después de finalizada esta.

Compresión

Cerrada la válvula de admisión, durante la carrera de retorno del pistón hacia el PMS, la carga es comprimida en la cámara de combustión hasta un valor máximo que se alcanza al final de dicha carrera. En ese instante, el volumen de la carga queda reducido a una fracción del volumen que tenía al principio de la carrera.

Combustión y Expansión

Poco antes del final de la carrera de compresión se produce el encendido de la mezcla por medio del salto de una chispa eléctrica proveniente de la bujía. Con el aumento de presión y temperatura, la presión alcanzada es de 2 a 4 veces la inicial. Debido a la fuerza producida por esta, el pistón es empujado hacia el PMI. Antes de que finalice la carrera de trabajo, comienza la apertura de la válvula de escape y los gases de la combustión, que están todavía bajo cierta presión, comienzan a salir.

Escape

Durante la siguiente carrera de retorno hacia el PMS, el pistón expulsa los gases de la combustión a través de la válvula de escape. Al final de la carrera, o poco después de esta, se cierra la válvula de escape. Entretanto, permanece abierta la válvula de admisión y comienza un nuevo ciclo que se repite con regularidad.

Diferencias entre el Ciclo Otto Real y Teórico

Pérdidas de Calor

En el ciclo teórico considerábamos que las pérdidas eran nulas. Por el contrario, en el ciclo real, como el cilindro está refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistón, una cierta parte del calor del fluido se transmite a las paredes del cilindro y, por lo tanto, las líneas de compresión y expansión no son adiabáticas, sino politrópicas con n≠K. Para la expansión n>Km y para la compresión n<K.

Combustión No Instantánea

En el ciclo teórico se supone que la combustión (aporte de calor) se realiza a volumen constante, es por lo tanto instantánea. En el ciclo real, por el contrario, la combustión dura un cierto tiempo. Si el encendido tuviese lugar justamente en el PMS, la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja de dicho punto y el valor de la presión sería inferior al previsto por la correspondiente pérdida de trabajo útil. Por ello es necesario anticipar el encendido de forma que la combustión pueda tener lugar en su mayor parte cuando el pistón se encuentra en las proximidades del PMS. Esto produce un redondeo de la línea 2-3 de aporte de calor y, por lo tanto, una pérdida de trabajo útil.

Apertura de la Válvula de Escape

En el ciclo teórico habíamos supuesto que la cesión de calor se realizaba instantáneamente en el PMI. En el ciclo real, esta cesión de calor tiene lugar en un tiempo relativamente largo. La válvula de escape tiene que abrirse con anticipación para dar tiempo a que parte de los gases salgan del cilindro antes de que el pistón alcance el PMI, de manera que la presión descienda cerca del valor de la presión exterior. Este hecho produce una pérdida de trabajo útil, sin embargo, es menor que la que se tendría sin adelanto de la apertura de la válvula de escape.

Pérdidas por Admisión y Escape

Durante la carrera de admisión, la presión en el cilindro es inferior a la que se tiene en la carrera de escape. Se crea, por lo tanto, en el diagrama indicado una superficie negativa que corresponde al trabajo perdido. El esfuerzo realizado por el motor para efectuar la admisión y el escape se llama trabajo de bombeo.

Diferencia en los Valores de Presión y Temperatura Máximas

En los casos reales, por ejemplo, con los productos de la combustión, los calores específicos son mayores que en el aire y, por lo tanto, los valores de la presión y temperatura máximas son en el ciclo real inferiores a los correspondientes al ciclo teórico. Por lo tanto, los valores del trabajo y el rendimiento son menores.

Disociación en la Combustión

Las reacciones químicas que se producen en la disociación en los gases de combustión absorben calor y, por lo tanto, las temperaturas máximas alcanzadas son menores. Por el mismo motivo, se pierde una parte del trabajo útil.

Diagrama Circular del Ciclo Otto

AAA: El tiempo que dura la apertura de la válvula es relativamente largo, a fin de que la válvula esté totalmente abierta en el momento conveniente para obtener un máximo de llenado, es necesario que la misma comience a abrirse antes del PMS.
RCA: Sirve principalmente para aprovechar la inercia del fluido en el conducto de admisión y, por lo tanto, se mejora el llenado del cilindro.
AAE: Tiene por objeto bajar la presión de los gases antes de que comience la carrera de escape a un valor próximo al de la presión exterior, mejorando así la extracción de los gases quemados en el cilindro.
RCE: Tiene por objeto aprovechar la inercia de los gases en el conducto de escape y de esta manera favorecer la salida de los mismos.
AE: El anticipo tiene por objeto que la combustión se realice en las proximidades del PMS y no cuando el pistón se aleja del mismo, lo que produciría una disminución del trabajo útil.

Diagrama de Presiones en Función del Desplazamiento Angular

Admisión

Al comienzo de la carrera de admisión, el cilindro se encuentra a presión ligeramente superior a la atmosférica por no haber terminado todavía la fase de escape. Cuando el pistón se encuentra en su carrera hacia el PMI, aspira cierta cantidad de mezcla a través de la válvula de admisión. Durante casi toda esta fase, la presión se mantiene inferior a la atmosférica a causa de la resistencia que encuentra la mezcla en los conductos, que es mayor cuanto mayor es la velocidad del fluido. Cuando el pistón inicia su carrera de retorno, el ambiente del cilindro todavía se encuentra en depresión. Por este motivo, y a pesar del movimiento contrario del pistón, continúa el ingreso de mezcla hasta el punto en donde se igualan la presión interna y externa. En ese punto debe cerrarse la válvula de admisión (si el conducto de admisión es lo suficientemente largo, puede utilizarse el efecto de inercia de la columna para continuar la admisión después). Cerrada la válvula de admisión, comienza la fase de compresión.

Compresión

La compresión de la carga se produce como consecuencia del movimiento del pistón. Teniendo en cuenta que la combustión requiere un cierto tiempo, a fin de conseguir el mejor desarrollo de la fase útil, se efectúa el encendido antes del PMS.

Explosión-Expansión

Con el encendido, un poco antes de terminar la fase de compresión, se inicia la combustión, la cual origina una repentina elevación de la temperatura y presión que alcanza su valor máximo. La combustión finaliza cuando el pistón ha recorrido una parte de la carrera de trabajo. Terminada la combustión, sobreviene la expansión, el volumen aumenta y la presión experimenta un rápido descenso. Esta fase debería prolongarse hasta el PMI, pero en la práctica, para facilitar la salida de los gases, se interrumpe esta con la apertura anticipada, respecto al PMI, de la válvula de escape.

Escape

Los gases que, en el momento de la apertura de la válvula de escape, se encuentran a presión superior a la atmosférica se descargan con violencia al exterior. Este primer período de la fase de escape transcurre casi a volumen constante, la presión desciende con rapidez y, cuando se inicia la carrera de escape, es un poco superior a la atmosférica. Puede ocurrir que, si los conductos de escape son lo suficientemente largos, por efecto de la inercia de la columna de gases se produzca una intensa depresión. El pistón expulsa los gases que todavía ocupan el cilindro. Este período ocurre con presión ligeramente superior a la atmosférica por la resistencia que han de vencer los gases al atravesar las válvulas y el conducto de escape. El pistón no puede, sin embargo, expulsar todos los gases porque una parte de ellos ocupa la cámara de combustión. Al final de la carrera de escape, la presión tiene todavía un valor ligeramente superior a la atmosférica. Por tal motivo, se prolonga la fase; mientras tanto, ha comenzado la apertura de la válvula de admisión de tal suerte que se encuentre totalmente abierta al inicio del nuevo ciclo.

Motores de Encendido por Compresión o Motores Diesel de 4 Tiempos

Los motores diesel de 4 tiempos, al igual que los motores Otto, completan un ciclo en 4 carreras de pistón o dos vueltas del cigüeñal. Las carreras, al igual que en el ciclo Otto, son de admisión, compresión, combustión-expansión y escape.

Diferencias entre el Motor Diesel y el Motor Otto

• En el motor diesel se comprime solo aire, a diferencia del motor Otto, en el cual se comprime una mezcla de aire y combustible.
• El encendido, a diferencia del motor Otto, no se produce por el salto de una chispa eléctrica, sino producto del combustible finamente dividido o pulverizado que entra en contacto con el aire a elevada temperatura al final de la compresión.
• En los motores diesel, la relación de compresión es mayor que en los motores Otto.
• El consumo de gasoil suministra mayor densidad de energía que el combustible utilizado en los motores Otto, además de tener mayor eficacia que en los que trabajan con el ciclo Otto.
• Mayor durabilidad y menor mantenimiento que los motores Otto.
• El nivel de ruido en los motores diesel es mayor al de los motores Otto.

Diferencias entre el Ciclo Diesel Teórico y el Real

Pérdidas de Calor

Habíamos considerado en el ciclo teórico que no existían, ya que tanto la compresión como la expansión se realizaban en forma adiabática. En el ciclo real, al estar el cilindro refrigerado, parte del calor se transfiere de las paredes al fluido. Por lo tanto, las líneas de compresión y expansión dejan de ser adiabáticas y pasan a ser politrópicas con n≠K. En el caso de la expansión n>K, en la compresión n<K.

Combustión No Instantánea

En el ciclo teórico se supone que el aporte de calor se realiza en forma instantánea a presión constante. En el ciclo real, la combustión dura un cierto tiempo. Si el encendido tuviese lugar en el PMS, la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja de dicho punto con la correspondiente pérdida de trabajo útil. Por lo tanto, es necesario anticipar la inyección de manera que la combustión tenga lugar en las proximidades de dicho punto. Esto produce un redondeamiento de la línea 2-3 que lleva a la disminución del trabajo útil.

Tiempo de Apertura de la Válvula de Escape

Al igual que en el ciclo Otto, la cesión de calor no se realiza en forma instantánea debido a que es necesario anticipar la apertura de la válvula de escape respecto del PMI, ya que la apertura de esta requiere de un cierto tiempo. Esto produce un redondeamiento de la línea 4-1 de cesión de calor con la consiguiente pérdida de trabajo útil.