Motores de Explosión Otto de Cuatro Tiempos PDF

4 u n i d a d Motor de explosión otto de cuatro tiempos SUMARIO  Ciclo otto de cuatro tiempos  Ciclo teórico de funcionamiento  Ciclo práctico  Diagrama de distribución y de trabajo  Rendimiento  Modo de encendido OBJETIVOS ·· Conocer el funcion...

4 u n i d a d Motor de explosión otto de cuatro tiempos SUMARIO  Ciclo otto de cuatro tiempos  Ciclo teórico de funcionamiento  Ciclo práctico  Diagrama de distribución y de trabajo  Rendimiento  Modo de encendido OBJETIVOS ·· Conocer el funcionamiento del motor y sus ciclos de trabajo. ·· Analizar el comportamiento interno de los motores otto durante su ciclo de trabajo. ·· Utilizar los conceptos físicos para entender los diferentes ciclos y diagramas. ·· Interpretar las diferentes gráficas, así como los diagramas del motor. Unidad 4 - Motor de explosión otto de cuatro tiempos 63 1 >> Ciclo otto de cuatro tiempos La principal característica del motor de ciclo otto es que el combus- tible, ya esté en estado gaseoso o en estado líquido, se mezcla con la cantidad de aire necesaria para que se produzca la combustión. La mezcla de aire y combustible es admitida en el cilindro por el movi- miento descendente del pistón. El encendido de la mezcla se produce en el instante en el que salta la chispa eléctrica. Actualmente, los motores otto de cuatro tiempos son conocidos como motores de encendido por chispa o motores de encendido controlado. Los motores otto más comunes son motores de cuatro tiempos, porque el ciclo se cumple en cuatro carreras del pistón, o lo que es lo mismo, cada dos revoluciones del cigüeñal. Por lo tanto, es el pistón el que se encarga de expulsar los gases quemados del cilindro. Al finalizar la fase de expan- sión, los gases quemados son sustituidos por una nueva mezcla de aire y combustible, necesaria para llevar a cabo el siguiente ciclo. El ciclo de cuatro tiempos de un motor que funciona según el ciclo otto incluye las siguientes fases: – Admisión de la mezcla de aire y combustible necesaria para llevar a cabo el ciclo de funcionamiento en el cilindro. – Compresión de la mezcla. – Combustión de la mezcla al saltar la chispa entre los electrodos de la bujía. – Expansión de los gases quemados en el interior del cilindro. – Expulsión de los gases quemados a través de los conductos de escape. 1.1 > Ciclo teórico de funcionamiento El orden en el que se producen los cuatro tiempos en los motores otto es el siguiente: Admisión – Compresión – Trabajo – Escape Vocabulario Combustión: reacción química entre Admisión un combustible y un comburente con El pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto desprendimiento de calor. muerto inferior (PMI). La válvula de admisión se abre y la mezcla PMS: punto muerto superior. Posición gaseosa de aire y combustible es aspirada en el interior del cilin- del émbolo más cercana a la culata. dro a causa de la depresión producida por el pistón (figura 4.1). PMI: punto muerto inferior. Posición del embolo más alejada de la culata Compresión Carrera: distancia que recorre el pis- En el tiempo de compresión, el pistón se desplaza desde el PMI tón desde el PMS al PMI. al PMS. Las válvulas de admisión y de escape están cerradas, y el pistón comprime la mezcla de aire y combustible en la cámara Depresión o vacío: fuerza que se genera en el colector de admisión al de combustión (figura 4.2). encontrarse este a una presión inferior a El valor máximo de presión se alcanza cuando el pistón está al final de la la atmosférica. carrera, precisamente en el PMS. En este instante, el volumen ocupado por la mezcla es el correspondiente al de la cámara de compresión. 64 Durante esta fase, la mezcla aumenta considerablemente su temperatura debido, principalmente, a la compresión que sufre la mezcla. Por otro lado, también influye el hecho de que las paredes del cilindro, al estar a la temperatura media del ciclo, ceden calor a la mezcla. Este aumento de temperatura nunca debe provocar el encendido espontáneo de la mezcla. 4.1. Admisión. 4.2. Compresión. Trabajo Este tiempo lo podemos dividir en tres etapas: – Primera: cuando el pistón llega al PMS, la mezcla de aire y combusti- ble está comprimida en la cámara de combustión a una temperatura bastante elevada. En ese preciso momento, salta una chispa entre los electrodos de la bujía produciéndose la explosión. – Segunda: la chispa provoca el encendido y la rápida combustión de la mezcla con el consiguiente aumento de temperatura y presión, provo- cado por el calor desarrollado durante esta etapa. – Tercera: el aumento casi instantáneo de la presión genera la expan- sión de los gases producidos en la combustión empujando al pistón desde el PMS al PMI. Las válvulas permanecen cerradas durante toda la fase de trabajo. Esta es la fase activa del ciclo; de hecho la presión de los gases quemados, en expansión, provoca la carrera del pistón y aporta la correspondiente ener- gía (figura 4.3). Unidad 4 - Motor de explosión otto de cuatro tiempos 65 Escape Cuando el pistón termina su carrera de trabajo alcanzando el PMI, la válvula de escape se abre y los gases quemados, a mayor presión que la exterior, salen rápidamente. Seguidamente, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS y expulsa los restantes gases quemados a través de la válvula de escape (figura 4.4). 4.3. Trabajo. 4.4. Escape. Al terminar esta carrera, es decir, cuando el pistón llega al PMS, se vuel- ve a abrir la válvula de admisión, y empieza otro ciclo de funcionamien- to idéntico al anteriormente descrito. Cada dos revoluciones del cigüeñal se efectúa un ciclo completo. El traba- jo útil se produce solamente durante uno de los cuatro tiempos de un ciclo, precisamente durante la carrera que corresponde al final de la fase de combustión y a la fase de expansión. Esta carrera se define como carre- ra útil, en contraposición con las otras tres que se llaman carreras pasi- vas, ya que necesitan de energía para realizarse. Por esta razón, en un motor endotérmico alterno siempre debe existir energía suficiente para llevar a cabo estas tres carreras pasivas. Dicha ener- gía la suministra el volante del motor, que almacena, bajo forma de ener- gía cinética, una parte de la energía motriz producida durante la carrera activa del ciclo de funcionamiento y la utiliza en las tres carreras pasivas, para que el suministro de potencia del motor sea lo más uniforme posible. 66 1.2 > Ciclo práctico: diagrama de la distribución Teóricamente las válvulas se abren y cierran cuando el pistón alcanza los puntos muertos superior e inferior. Si realmente se produjera así, el ren- dimiento del motor sería bajo, ya que las válvulas necesitan un tiempo para abrirse y cerrarse, al igual que la mezcla para arder y desplazarse por los conductos. Para paliar este problema, la apertura y cierre de las válvu- las se realiza con ciertos avances y retrasos, al igual que el salto de la chis- pa en la bujía que se produce con un determinado avance, conocidos como cotas de la distribución y que son las siguientes: Avance a la apertura de admisión (AAA) Para que se llene mejor el cilindro, la válvula de admisión empieza a PMS abrirse con un ligero anticipo con respecto al PMS, de esta forma se con- AAA sigue que cuando el pistón alcance el PMS la válvula se encuentre total- mente abierta y los gases puedan entrar con cierta facilidad al cilindro (figura 4.5). Retraso al cierre de admisión (RCA) La válvula de admisión se cierra con un cierto retraso respecto al PMI para aprovechar la inercia de los gases que siguen entrando en el cilindro, a pesar de que el pistón haya comenzado la siguiente carrera. De esta mane- ra, se consigue un mejor llenado y, por tanto, un mayor rendimiento volumétrico (figura 4.5). RCA Avance al encendido (AE) PMI 4.5. Diagrama de admisión. Unos grados antes de que el pistón llegue al PMS salta una chispa entre los electrodos de la bujía. Dicha chispa provoca el encendido y la rápida combustión de la mezcla. De esta forma se consigue la presión máxima cuando el pistón se encuentre en las proximidades del PMS. Avance a la apertura de escape (AAE) Antes de que el pistón termine su carrera de trabajo y se alcance el PMI, la válvula de escape se abre, y los gases quemados, que tienen una presión mayor de la exterior, salen rápidamente; la presión en el interior del cilin- dro desciende y de esta forma se facilita el desplazamiento del pistón hacia el PMS (figura 4.6). Retraso al cierre de escape (RCE) Tiempo de explosión Para que los gases sean expulsados completamente al exterior es necesa- El tiempo de encendido es muy peque- rio que la válvula termine de cerrarse poco después del PMS, consiguien- ño, por ejemplo en un motor que gire a do además un efecto de aspiración ejercido sobre los gases frescos, que 4 000 rpm se producirán 2 000 encendi- hace que el rendimiento mejore (figura 4.6). dos por minuto y cilindro. A una determinada posición del pistón en el interior del cilindro, le corres- ponde siempre una misma posición de la manivela del cigüeñal. De esta forma, se pueden reflejar todas las fases de funcionamiento del motor, con sus correspondientes avances y retrasos, en un diagrama angular que mide los ángulos de la manivela (figura 4.7). Unidad 4 - Motor de explosión otto de cuatro tiempos 67 Cruce de válvulas Compresión El tiempo de escape termina unos grados después del PMS, y el tiempo de Admisión admisión empieza unos grados antes. De esta forma, hay un tiempo durante Trabajo el cual las dos válvulas están abiertas, llamado cruce de válvulas (figura 4.8). Escape PMS PMS PMS AE RCE AAA RCE Cruce de válvulas AAE RCA AAE PMI PMI PMI 4.6. Diagrama de escape. 4.7. Diagrama completo de la distribución. 4.8. Cruce de válvulas. Aunque cabe esperar que durante el tiempo de cruce de válvulas, los gases frescos salgan por el escape, no ocurre así, ya que, debido a la velo- cidad que llevan los gases de escape, crean una succión que facilita la entrada de la mezcla, barriendo esta los gases residuales. Con esta disposición se eliminan mejor los gases quemados, mejorando de esta forma el rendimiento del motor. Casos prácticos Cálculo de los diferentes grados que corresponden a cada tiempo ·· Un motor de cuatro tiempos tiene las siguientes cotas de distribución: PMS 30° AAA: 9° RCA: 61° AAE: 49° RCE: 21° 9° 21° Calcula los grados que corresponden a los tiempos de admisión, escape y el cruce de válvulas. Cruce de válvulas Solución ·· En la figura 4.9 se muestran las cotas necesarias. Los grados definitivos en cada tiempo será el resultado de sumar a los 180º del ciclo teórico, el avance y el retraso correspondiente: 49° – Admisión: 180° + 9° + 61° = 250° 61 – Escape: 180° + 49° + 21° = 250° ° El cruce de válvulas será igual a sumar los grados en los que las 2 válvu- PMI las se mantienen abiertas: 4.9. Grados que corresponden a cada tiempo. Cruce = 9° + 21° = 30° 68 2 >> Diagramas de trabajo El trabajo es el producto de la fuerza aplicada en un punto por Vocabulario la longitud que se ha desplazado dicho punto en el sentido y dirección de la fuerza. Trabajo: forma de energía directa- mente proporcional a la potencia. Su La fórmula correspondiente al trabajo es: unidad de medida en el Sistema Inter- nacional es el Julio. T=F·e F Teniendo en cuenta que P = S , se puede concluir que F = P · S. Sustituyendo la fuerza en la fórmula de la presión se obtiene que: T=P·S·e Finalmente, como V = S · e, queda: T=P·V Así, el trabajo realizado por un motor, se puede representar en un gráfi- co con el volumen en el eje de abscisas y la presión a la que se llega a lo largo del ciclo en el eje de ordenadas. De esta manera se mide el trabajo aprovechado y el trabajo perdido. 2.1 > Diagrama teórico de trabajo El ciclo otto teórico (figura 4.10) consta de las siguientes fases: – Admisión (E-A). El cilindro se llena de mezcla, ocupando teóricamente todo el volumen. Se produce a presión atmosférica, por tanto es una transformación isobara. – Compresión (A-B). La mezcla se comprime en el interior del cilindro. Este tiempo se produce sin pérdida de calor, tratándose en este caso de una transformación adiabática. – Explosión (B-C). En el punto B salta la chispa produciéndose la combus- tión de la mezcla, con aporte de calor a volumen constante (transfor- mación isócora). – Expansión (C-D). Se produce el desplazamiento del pistón por la pre- 4.10. Diagrama teórico de trabajo. sión interna generada, que va descendiendo progresivamente al aumentar el volumen (transformación adiabática). – Escape espontáneo (D-A). Cuando se abre la válvula de escape, los Transformaciones gases residuales salen al exterior debido a la diferencia de presiones, hasta que estas se igualan (transformación isócora). Es toda evolución – Escape (A-E). El pistón realiza el barrido de los gases residuales. Teóricamen- que se realiza sin te esta carrera se produce a la presión atmosférica (transformación isobara). Adiabática pérdida ni aporte de calor El trabajo efectivo o aprovechado se puede observar en la figura 4.10 median- te la superficie representada de color rojo por dentro de los vértices A-B-C-D. Es toda evolución Isobara que se realiza a presión constante 2.2 > Diagrama real de trabajo Es toda evolución En el ciclo otto real (figura 4.11), la sucesión de las fases es la siguiente: Isócora que se realiza a – Admisión (E-A). En realidad no se produce a presión constante, debido volumen constante a que el llenado del cilindro no es total. Unidad 4 - Motor de explosión otto de cuatro tiempos 69 – Compresión de la mezcla de aire y combustible (A-B’). Se parte de una presión inferior a la teórica, con lo cual la presión final que se con- sigue es menor; aunque esta se compensa con el avance al encendido (AE). Existe una transmisión de calor por parte de las paredes, y un des- plazamiento del pistón del punto muerto inferior (PMI) al punto muer- to superior (PMS). – Combustión (B’-C’). Al saltar la chispa, la combustión no se realiza de forma instantánea pues la mezcla necesita un tiempo para quemarse. La presión final conseguida es inferior a la teórica, debido al aumento de volumen. – Expansión del fluido (C’-D’). En este caso, se produce un trabajo útil menor, ya que se parte de una presión más pequeña y esto hace que la fuerza de empuje sobre el pistón sea inferior a la teórica. Además, hay una cesión de calor a las paredes del cilindro. – Apertura del escape en D’, anticipado con respecto al PMI. En este caso la presión no baja de forma instantánea, pues los gases necesitan un tiempo para salir al exterior. – Expulsión de los gases quemados (A-E). Este tiempo no se produce a pre- sión constante, ya que las válvulas necesitan un cierto tiempo para actuar. 2.3 > Rendimiento Comparando el diagrama resultante del ciclo otto real con el teórico, puede comprobarse que el rendimiento es inferior al esperado, resultando un tra- bajo útil menor, determinado por la superficie representada en la figura 4.12. Las diferencias de trabajo entre el ciclo teórico y el real se deben, esencial- mente, a las siguientes causas: – Pérdidas de calor a través de las paredes, debido a la necesidad de refri- gerar los órganos del motor (superficie I). – Necesidad de anticipar el encendido con respecto al PMS, ya que la combus- tión no es instantánea y necesita de un determinado tiempo (superficie II). – Avance de apertura del escape, ligado a la inercia de las válvulas y de las masas de los gases (superficie III). – Pérdidas de trabajo de bombeo durante la carrera de escape y de admi- sión (superficie IV). 4.12. Diferencias entre el diagrama real y el 4.11. Diagrama real de trabajo. teórico. 70 3 >> Modo de encendido En los motores de gasolina, el encendido se produce haciendo saltar una chispa eléctrica en el interior de los cilindros, para producir la combus- tión de la mezcla aire-gasolina. La chispa se produce al generar una des- carga eléctrica a través de los electrodos de la bujía (figura 4.13). La presión en el interior del cilindro al final de la compresión es muy ele- vada, con lo cual la resistencia entre los electrodos para producir la chis- pa es importante. Para que la chispa atraviese la masa de aire en condi- ciones normales de funcionamiento se necesitan tensiones muy altas en la bujía. Esto se consigue mediante el sistema de encendido. La combustión de la mezcla va produciéndose por capas, es decir, de una forma progresiva. Se puede observar en la figura 4.14 cómo va variando la presión, en los tiempos de compresión y trabajo. Frente de llama Unos grados antes de que el pistón alcance el PMS se produce el salto de El diseño en «V» en la bujía ayuda a chispa y comienza la combustión; el volumen sigue disminuyendo, por lo mejorar la eficiencia de la combustión. que la presión aumenta. Cuando el pistón llega al PMS, el volumen Se obtiene así un frente de llama adi- comienza a aumentar de nuevo, pero como la combustión sigue, aumen- cional a los dos laterales, produciendo ta la temperatura, con lo cual la presión sigue subiendo hasta unos gra- una combustión mucho más agresiva y de mayor magnitud. dos después de iniciar la carrera de trabajo, alcanzando la presión máxi- ma en este punto. En el avance al encendido, es necesario que la chispa salte unos grados antes del PMS. Este avance es diferente para cada régimen de revolucio- nes, pues cuanto mayor sea la velocidad de giro del cigüeñal, menor es el tiempo que se dispone para quemar la mezcla. De esta forma, el avance será mayor cuando aumenten las revoluciones. Durante este tiempo, se transforma la energía calorífica del combustible en el trabajo necesario para hacer girar el eje del cigüeñal. La cantidad de trabajo obtenido dependerá de tres factores: – De la presión interna. – De la potencia de la chispa en la bujía. – De la cantidad de aire con relación al combustible. P 40 Presión máxima Temperatura de combustión 30 Durante el tiempo de combustión se COMPRESIÓN TRABAJO alcanzan temperaturas muy altas den- 20 tro del cilindro. 10 Avance al PMS encendido 4.13. Salto de la chispa en bujía. 4.14. Variación de la presión de combustión.