Clasificación de Motores Térmicos

Los motores térmicos son el conjunto de máquinas que transforman la energía térmica en energía mecánica, sometiendo a un fluido compresible a un ciclo termodinámico.

Motores de Combustión Interna

Se aporta calor al ciclo mediante un proceso de combustión en el seno del fluido. Son ciclos abiertos, es decir, el fluido termodinámico no retorna a las condiciones iniciales.

  • Turbomáquinas
  • Motores de tipo volumétrico:
    • Movimiento rotativo
    • Movimiento alternativo (MCIA): Los componentes realizan un movimiento lineal debido a las fuerzas realizadas por los fluidos, que se convierte luego en movimiento rotativo (biela-manivela).

Tipos de MCIA por Encendido

  • Motores de Encendido Provocado (MEP): Elemento que origina la combustión → Gasolina o gas (Ciclo Otto).
  • Motores de Encendido por Compresión (MEC): La subida de presión (P) y temperatura (T) origina la combustión → Diésel (Ciclo Diésel).

Motores de Combustión Externa

Se aporta calor al fluido termodinámico a través de un proceso de intercambio de calor. Son ciclos cerrados.

Ciclo de Cuatro Tiempos (4T)

El ciclo de cuatro tiempos se completa en dos vueltas del cigüeñal y cuatro carreras del pistón.

Carrera de Admisión

El pistón se desplaza hacia el PMI (Punto Muerto Inferior) partiendo del PMS (Punto Muerto Superior). Mientras tanto, la válvula de admisión para entrada de carga nueva está abierta. Por esta válvula entra la carga nueva al cilindro. En el caso de los MEC, esta carga fresca es solo aire; en el caso de los MEP, suele ser la mezcla de aire con combustible.

Carrera de Compresión

Con las válvulas de admisión y escape cerradas, el pistón se desplaza del PMI al PMS. En este desplazamiento, se comprime la carga que hay en el interior del cilindro, subiendo la presión y temperatura de la carga. Antes de llegar el pistón al PMS, comienza la combustión.

Carrera de Expansión

Esta es la carrera que produce trabajo. Cuando se produce la combustión, la presión y temperatura se ven incrementadas de forma notoria. Esta elevada presión empuja el pistón hacia el PMI y produce trabajo. Cuando el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape y comienza la carrera de escape.

Carrera de Escape

Con la válvula de escape abierta, el pistón se desplaza hacia el PMS y el gas producto de la combustión es expulsado al exterior. Al final de la carrera, se cierra la válvula de escape y comienza el ciclo completo otra vez.

Ciclo de Dos Tiempos (2T)

Para el caso de los motores de 2T, existen las mismas fases en el ciclo: admisión, compresión, combustión, expansión y escape; pero en este caso, las fases se realizan en 2 carreras en vez de en 4 carreras. La carga fresca entra a través de lo que se conocen como lumbreras de admisión en la parte baja del cilindro, y los gases de combustión pueden salir tanto a través de lumbreras de escape como a través de válvulas de escape.

Carrera de Compresión (-180° APMS a 0° PMS)

En la fase de compresión, el pistón se dirige hacia el PMS. En esta carrera, se produce la fase de admisión y escape y la compresión de la carga, así como el comienzo de la combustión. Según el pistón se desplaza hacia el PMS, cierra primero las lumbreras de admisión, por donde ha estado entrando carga fresca. Una vez cerradas, ya no entra más carga fresca. Siguiendo su camino hacia el PMS, una vez cerradas las lumbreras de admisión, cierra las lumbreras de escape y comienza la compresión efectiva de la carga del interior del cilindro, con lo que se incrementa la P y T del interior del cilindro. Antes de llegar al PMS, se enciende la chispa en el caso de los MEP o se inyecta el combustible en el caso de los MEC, con lo que comienza la combustión.

Carrera de Expansión (0° PMS a 180° DPMS)

Con el incremento de la P y T en el interior del cilindro, se empuja al pistón hacia el PMI. En esta fase, se realiza el trabajo (W). En el desplazamiento del pistón hacia el PMI, llega un momento en el que se abren las lumbreras de escape, con lo que comienza la fase de escape. A partir de este punto, disminuye el trabajo efectivo, ya que la P baja de forma brusca. Según sigue el pistón descendiendo hacia el PMI, se abren también las lumbreras de admisión, por las que entra carga fresca. Esta empuja a los gases productos de la combustión, produciéndose el fenómeno que se denomina barrido. El ciclo termina cuando llega el pistón al PMI.

Dosado y Riqueza de la Mezcla

El dosado (F) es la relación entre la masa de combustible (mf) y la masa de aire (ma): F = mf / ma = mfcc / macc.

  • Dosado Estequiométrico (Fe): Es el dosado que debe haber en una mezcla aire-combustible para que en la reacción de combustión no sobre aire ni combustible. Para MEC es habitualmente Fe ≈ 1/14,5 y en MEP Fe ≈ 1/15,5.
  • Dosado Relativo o Riqueza de la Mezcla (Fr): Es la relación entre el dosado real y el dosado estequiométrico: Fr = F / Fe. (Fr > 1: mezcla rica, Fr < 1: mezcla pobre, Fr = 1: mezcla estequiométrica).
  • Coeficiente de Exceso de Aire (λ): Es el inverso del dosado relativo: λ = 1 / Fr.

Parámetros Característicos de los MCIA

Parámetros Geométricos

  • Relación de Compresión (r): r = (Vc + VD) / Vc, donde Vc es el volumen de la cámara de combustión y VD es el volumen desplazado por el pistón.

Parámetros Indicados

Relacionados con aspectos termodinámicos del ciclo.

  • Trabajo Indicado (Wi): Trabajo que se obtiene del ciclo durante las carreras de compresión y de expansión. El área negativa representa el trabajo para el proceso de renovación de la carga. Hay casos en los que esta área se identifica con la presión media de trabajo de bombeo.
  • Presión Media Indicada (pmi): Presión promedio que, en el desplazamiento del cilindro, da un trabajo similar al del ciclo real. Es independiente del tamaño del motor, del número de cilindros y de las revoluciones del motor. pmi = Wi / VD.
  • Potencia Indicada (Ni): Ni = Wi / (1 / i · n), donde i es el número de ciclos por vuelta del cigüeñal (i=2 para 4T, i=1 para 2T) y n es la velocidad de rotación en revoluciones por segundo.
  • Par Indicado (Ti): Ti = (i / 2π) · pmi · VD.
  • Rendimiento Indicado (ηi): Indica cuánto de la energía almacenada en el combustible se transforma en energía mecánica sobre el pistón. Indica la calidad de la transformación de la energía.

Parámetros Efectivos

Relacionados con la potencia y el trabajo disponibles en el eje del motor.

  • Potencia Efectiva (Ne): Potencia que se tiene en el eje del cigüeñal. Es de menor valor que la potencia indicada porque está disminuida por las pérdidas que tienen lugar hasta la salida de potencia por el cigüeñal.
  • Par Efectivo (Te): Te = Ne / (2πn).
  • Presión Media Efectiva (pme): Presión promedio que, en el desplazamiento del cilindro, da una potencia en el eje similar a la del motor real. pme = (2π · Te) / (VD · i).
  • Trabajo Efectivo (We): Trabajo que se obtiene en el eje del cigüeñal durante un ciclo de trabajo completo. We = Ne / (n · i).
  • Rendimiento Efectivo (ηe): Indica cuánto de la energía almacenada en el combustible se transforma en energía mecánica sobre el eje del motor. Expresa “la calidad” con que se transforma la energía liberada por el combustible en energía mecánica en el eje (cigüeñal).
  • Consumo Específico (gf): Mide (habitualmente en g/kWh) el consumo de combustible por unidad de potencia extraída. Es un parámetro relacionado con el rendimiento a través del poder calorífico del combustible (Hc). Puede ser indicado (gif) o efectivo (gef). gf = mf / N = 1 / (η · Hc). El rango de consumo específico efectivo (gef) en MEP es de 280 – 320 g/kWh. Para el caso de MEC es de 170 – 280 g/kWh.

Características de los Ciclos Reales

Los ciclos reales presentan desviaciones respecto a los ciclos ideales debido a diversos factores.

Fases del Ciclo Real

  • Compresión: Casi adiabática. La fricción fluida puede considerarse despreciable, con lo que puede considerarse mecánicamente reversible. Las fugas de gases a través de los aros de pistón (blow-by) pueden considerarse despreciables para el caso de motores nuevos.
  • Combustión: Es un proceso de duración finita. NO es un proceso adiabático. Hay fugas de calor a través de las paredes del cilindro. En MEP, la combustión no es instantánea, es progresiva. En MEC, la combustión tiene una fase inicial de combustión muy rápida y brusca de premezcla, seguida por una combustión más lenta por difusión.
  • Expansión: La fricción fluida puede considerarse despreciable, con lo que puede considerarse mecánicamente reversible. Se producen importantes pérdidas de calor a través de las paredes del cilindro. Para un motor nuevo, las fugas de gases a través de los aros de pistón (blow-by) son pequeñas, aunque superiores que para el caso de la compresión.
  • Escape y Admisión: Las válvulas de admisión y escape se han de abrir y cerrar con adelantos y retardos para compensar los fenómenos de inercia de los fluidos y facilitar tanto el llenado como el vaciado de los cilindros.

Pérdidas en Ciclos Reales

Las características arriba mencionadas causan que en los ciclos reales se produzcan pérdidas. A continuación, se indican las más importantes:

  • Pérdidas de Tiempo: En el proceso de combustión, existe un frente de llama que tiene que recorrer toda la cámara de combustión para que la combustión se complete.
  • Combustión Progresiva: Debido a que las condiciones de P y T a lo largo del periodo de combustión varían, el rendimiento del proceso también varía, dando lugar a una pérdida.
  • Pérdidas de Calor: Es necesario refrigerar la cámara de combustión, y esto provoca las pérdidas de calor. La mayor transmisión de calor se produce durante el proceso de expansión y escape, siendo muy poco lo que se produce durante la compresión. Durante el proceso de admisión, el calor se transmite de las paredes al fluido (ganancia de calor).
  • Pérdidas de Escape: La válvula de escape se abre antes del PMI intencionadamente para mejorar el proceso de renovación de la carga. Lo que se pierde en el proceso de expansión se recupera en el proceso de renovación de la carga, por lo que, en cierto modo, no se pueden considerar como pérdidas.

Ciclo Ideal de Aire para MEP (Ciclo Otto Ideal)

Hipótesis

  • Calor específico del fluido constante.
  • Sucesión de procesos similar a las del motor real.
  • La misma relación de compresión volumétrica que en el motor.
  • La misma aportación de energía por unidad de masa que en el proceso real.
  • La misma P y T al inicio de la compresión que en el proceso real.

Procesos

  1. 1-2: Compresión isentrópica de aire con relación de compresión de valor: r = V1 / V2.
  2. 2-3: Aportación de calor al ciclo a volumen constante (Q23).
  3. 3-4: Expansión isentrópica de aire: r = V4 / V3.
  4. 4-1: Liberación de calor a volumen constante (Q41).

El rendimiento (η) se calcula como: η = W / Q23 = (Q23 – Q41) / Q23 = 1 – 1 / (r^(γ-1)), donde γ es el índice adiabático.

Conclusiones Principales del Ciclo Otto Ideal

  • El rendimiento aumenta con la relación de compresión.
  • El rendimiento solo depende de la relación de compresión y del índice adiabático (γ).
  • El rendimiento aumenta con γ, la cual disminuye con el dosado.

Ciclo de Aire de Presión Limitada (MEC) (Ciclo Diésel Ideal Modificado)

Hipótesis

Las mismas que para el ciclo Otto ideal.

Procesos

  1. 1-2: Compresión isentrópica de aire con relación de compresión de valor: r = V1 / V2.
  2. 2-3: Aportación de calor al ciclo a volumen constante (Q23).
  3. 3-3A: Aportación de calor al ciclo a presión constante (Q33A).
  4. 3A-4: Expansión isentrópica de aire: r = V4 / V3A.
  5. 4-1: Liberación de calor a volumen constante (Q41).

Parámetros Adicionales

  • Grado de Combustión a Volumen Constante (α): α = P3 / P2.
  • Grado de Combustión a Presión Constante (β): β = V3A / V3.

Consideraciones Finales sobre Ciclos de Aire Equivalentes

En los ciclos reales, existen desviaciones importantes que los alejan mucho de los ciclos ideales (pérdidas, avance apertura del escape, combustión incompleta, etc.). Los ciclos teóricos no sirven para obtener información cuantitativa, sino como aproximación a los cálculos y para el análisis de posibles mejoras termodinámicas.

Aunque el ciclo de aire equivalente indique lo contrario, los MEC son más eficientes que los MEP debido a diversos factores, siendo los principales:

  1. Son capaces de emplear mayores relaciones de compresión.
  2. La potencia entregada por los MEC es controlada principalmente por la cantidad de combustible inyectada y no por el estrangulamiento por medio de la válvula de mariposa.
  3. Durante la fase de compresión en los MEC, se comprime solo aire, mientras que en los MEP se comprime mezcla de aire y combustible. El comportamiento del aire está más cerca de un fluido ideal que el comportamiento de la mezcla de aire y combustible.