Ciclos teóricos y ciclos reales
Introducción
El fluido operante, durante su paso por el motor, es sometido a una serie de
transformaciones químicas y físicas (compresión,
expansión, combustión, transmisión de calor con las
paredes, rozamientos en la masa del fluido y con las paredes, etc.) que
constituyen el ciclo del motor. El examen cuantitativo de estos
fenómenos, efectivamente teniendo en cuenta todas las numerosas variables,
representa un problema muy complejo. Por ello, corrientemente se simplifica recurriendo a sucesivas
aproximaciones teóricas, cada una de las cuales esta basada en
diferentes suposiciones simplificadas, que tienen una aproximación
gradualmente creciente.
Ciclos teóricos
Para los ciclos teóricos, las
aproximaciones comúnmente empleadas en orden de aproximación a
las condiciones reales son tres:
* ciclo real
* ciclo de aire
* ciclo aire-combustible.
A estos ciclos teóricos se comparan en la
practica los ciclos reales, que se obtienen experimentalmente por medio
de los indicadores; por esta razón, el ciclo real se llama
también ciclo indicado.
Aunque los ciclos teóricos no corresponden a los
ciclos reales, constituyen una útil referencia para el estudio
termodinamico de los motores, particularmente para comprender cuanto
influyen sobre su utilización las condiciones de funcionamiento y para
comparar entre sí diversos tipos de motores.
Suposiciones de los ciclos teóricos
En los ciclos ideales se supone que el fluido operanteesta constituido
por aire y que éste se comporta como un gas perfecto. Por ello, los
valores de los calores específicos se consideran constantes e iguales al
del aire a las condiciones tipo 15º de temperatura y 1 atmósfera de
presión:
CP = 0.241 Ca/kg ºC;
CV = 0.172 Ca/kg ºC;
Donde resulta
Suponemos, ademas, que las fases de introducción y
sustracción de calor tienen una duración bien determinada,
dependiente del tipo de ciclo (Otto, Diesel, Sabathé), y que en las
otras fases no hay pérdidas de calor.
Es natural, que, con estas hipótesis, los valores maximos de
temperatura y presión, así como, en consecuencia, el trabajo y
el rendimiento térmico calculados para el ciclo ideal, sean mas
elevados que los correspondientes a los otros tipos de ciclos.
El ciclo ideal representa, por tanto, el límite maximo que
teóricamente puede alcanzar el motor y permite un
facil estudio matematico basado en las leyes de los gases
perfectos.
Ciclo de aire
En el ciclo de aire, el fluido operante es también aire, pero se supone
que los calores específicos son variables a lo largo de la gama de temperaturas en que se opera.
Las condiciones de introducción y sustracción del calor son iguales a las del ciclo ideal y tampoco hay
pérdidas de calor. Como el calculo
de los calores específicos medios es complicado, se usan tablas que dan
directamente los valores del calor y el trabajo, en
términos de energía interna y entalpía para los diversos
puntos de las transformaciones isentrópicasdel aire. Teniendo en
cuenta la variaciones de los calores específicos, se obtienen, para la
temperaturas y presiones maximas, valores inferiores a los calculados
para el ciclo ideal; por consiguiente, el trabajo y el rendimiento
térmico asimismo mas bajos, pero, así y todo, son
aún mayores que los correspondientes a un ciclo real.
El ciclo aire-combustible es, entre todos los que por lo
general se calculan, el mas próximo al ciclo real. En el
motor de encendido por chispa, el fluido esta compuesto, durante la fase
de aspiración, por la mezcla y los gases residuales de la
combustión anterior; en el motor de encendido por compresión
esta formado por aire y los gases residuales. Después
de la combustión, el fluido esta constituido por productos de la
misma, esto es, una mezcla de CO2, CO, H2O, N2. Estos gases tienen un calor específico medio todavía mas
alto que el del
aire; pero ademas, se cuenta con un incremento posterior de los calores
específicos, a causa de la disociación o descomposición
química de las moléculas mas ligeras sometidas a la
acción de altas temperaturas. El aumento de los calores
específicos, así como la disociación que, por ser
reacción endotérmica, absorbe una parte del calor de la
combustión, producen un posterior descenso de la temperatura y la
presión maxima en comparación con las calculadas para
el ciclo de aire.
Para el calculo del ciclo aire-combustible se
recurre a tablas que contienen datos obtenidos experimentalmente. Incluso para este ciclose admite no sólo que el calor es
introducido y sustraído de manera instantanea, como en el ciclo ideal, sino que no se
producen pérdidas de calor.
Ciclo real
El ciclo real se obtiene experimentalmente, como ya hemos
indicado, por medio de diversos aparatos indicadores, capaces de registrar el
diagrama de presiones en función de los volúmenes, en un cilindro
motor en funcionamiento. El diagrama indicada refleja las condiciones reales
del ciclo y, por tanto, tiene en cuenta también –ademas de
las variaciones ya enunciadas para el ciclo aire y para el de aire-combustible
en la comparación de ciclos ideales- las pérdidas de calor, la
duración de combustión, las pérdidas causadas por el
rozamiento del fluido, la duración del tiempo de abertura de las
valvulas, el tiempo de encendido, así como de inyección y
las pérdidas del escape.
Diferencia entre los ciclos Otto real y teórico
Entre el ciclo indicado y el ciclo teórico correspondiente existen
diferencias sustanciales tanto en la forma del diagrama como en los valores de temperaturas y
presiones.
La diferencia de forma consiste en un perfil distinto
en las curvas de expansión y compresión, en la sustitución
de los trazos rectilíneos de introducción y sustracción del calor por trazos
curvos y el redondeamiento de los angulos agudo. Las causas de tales
diferencias se fundan en las siguientes razones
1. Perdidas de calor. En el ciclo teórico son nulas,
pero bastante sensibles, por el contrario, en el ciclo real. Comoel
cilindro esta refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistón, una cierta
parte de calor del
fluido se transmite a las paredes. Las líneas de compresión y
expansión no son, por consiguiente, adiabaticas, sino
politropicas, con exponente n, diferente de k. Como el fluido experimenta una
pérdida de calor se tiene evidentemente: para la expansión,
n>k, y para la compresión, n<k. Se produce, por tanto, una
pérdida de trabajo útil correspondiente a la superficie A de la
figura.
2. Combustión no instantanea. En el ciclo teórico, se
supone que la combustión se realiza a volumen constante; es, por tanto,
instantanea; en el ciclo real, por el contrario, la combustión
dura un cierto tiempo. Si el encendido tuviese lugar justamente en el P.M.S.,
la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja de
dicho punto, y el valor de la presión sería inferior al previsto,
con la correspondiente perdida 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
la proximidad del P.M.S. Esto produce un redondeamiento de la línea
teórica 2-3 de introducción del calor y, por tanto, una
pérdida de trabajo útil representada por el area B. Pero
esta perdida resulta de cuantía bastante menor de la que se
tendría sin adelantar el encendido.
3. Tiempo de abertura de la valvula de escape. En el ciclo teórico
también habíamos supuesto que la sustracción de calor
ocurríainstantaneamente en el P.M.I En el ciclo real la
sustracción de calor tiene lugar en un tiempo a que una parte de los
gases salgan del cilindro antes de que el pistón alcance el P.M.I. de manera
que su presión descienda cerca del valor de la presión exterior
al comienzo de la carrera de expulsión. Este hecho
provoca una pérdida de trabajo útil representada por el arrea C,
perdida que es, sin embargo, menor que la que se tendría sin el adelanto
de la abertura de la valvula de escape.
Las causas de las diferencias en los valores de la presión y
temperatura maxima son
1. Aumento de los calores específicos del fluido con la temperatura. Como ya
sabemos, tanto el calor especifico a presión constante CP como el
correspondiente a volumen constante CV, de un gas real, crecen con la
temperatura, pero de tal forma que su diferencia permanece constante, es decir,
cp - cv = AR; por consiguiente, al aumentar la temperatura disminuye el valor
de la relación k = CP / CV. De lo cual se infiere que los valores de la
presión y la temperatura maximas resultan siempre inferiores a
las que se alcanzarían en el caso en que los calores específicos
permanecieron constantes al variar la temperatura. Este hecho se toma en
consideración también al trazar el ciclo teórico del aire;
pero, en el caso real, los productos de la combustión tienen calores
específicos mayores que el aire, y, por tanto, los valores de la
presión y de la temperatura maxima son, en el ciclo real,
inferiores a loscorrespondientes al ciclo teórico. Por
esta razón, la superficie y el rendimiento térmico resultan
disminuidos.
2. Disociación en la combustión. Los productos de la
combustión son esencialmente CO2 y H2O, ademas de otros
compuestos, tales como
CO, H2 y O2. La
disociación de estos productos es una reacción que se lleva a
cabo con la absorción de calor, la temperatura maxima alcanzable
es menor y se pierde una cierta cantidad de trabajo. Pero dado que la
temperatura disminuye durante la expansión, se
produce un retroceso en la reacción de disociación. En consecuencia, sobreviene en esta fase una parcial
reasociación con desarrollo de calor. Desciende el valor del exponente de las politropicas de expansión -el
cual debería ser mayo que k por las pérdidas de calor a
través de las paredes del cilindro- y
se aproxima al de las politropicas de compresión; por ello, se consigue
una parcial recuperación del
trabajo antes perdido.
El ciclo real presenta, por último, otra diferencia importante al compararlo
con el ciclo teórico; durante la carrera de
aspiración, la presión en el cilindro es inferior a la que se
tiene durante la carrera de escape. Salvo casos particulares, en el decurso de
la aspiración, la presión resulta inferior a la
atmosférica, mientras que durante el escape es
superior. Se crea, por tanto, en el diagrama indicado una
superficie negativa (D, en la figura), que corresponde al trabajo perdido.
El esfuerzo realizado por el motor para efectuar la aspiración y
elescape se llama trabajo de bombeo y esta, por lo general, comprendido en el
trabajo perdido por rozamientos.
Diferencias entre el ciclo Diesel y teórico
Entre los ciclos real y teórico Diesel existen, igual que en el caso
Otto, diferencias en la forma y en los valores de las presiones y temperaturas.
Algunas de estas semejanzas corresponden a las del ciclo Otto; por ejemplo, las
debidas a la variación de los calores específicos, a la perdida
de calor y al tiempo de abertura de la valvula de escape.
Otras difieren en parte y son originadas por la
disociación y la perdida por bombeo. Por último, una es
peculiar del motor
Diesel, a saber; la referente a la combustión, la cual no se verifica a
presión constante en el caso del
ciclo real.
a) Combustión a presión constante. Como se ve en el diagrama indicado, en la
practica la combustión se realiza en tales condiciones, que la
presión varia durante el proceso, mientras que
en el ciclo teórico habíamos supuesto que se mantenía
constante. En realidad, una parte de la combustión se lleva a cabo a
volumen constante, y otra parte, a presión constante, casi como en el
ciclo Otto real. Tan solo en el caso de los motores muy lentos se desarrolla de
forma ligeramente aproximada al proceso teórico.
b) Disociación de los productos de la combustión. En el motor de
encendido por compresión, la disociación no tiene un efecto tan
importante como en el motor de encendido por chispa, por cuanto el exceso de
aire y mezcla de losproductos de la combustión son tales, que reducen la
temperatura maxima y, en consecuencia, también la
disociación de dichos productos.
c) Perdida por bombeo. Las pérdidas por bombeo son
inferiores a las que se producen en ciclo Otto, puesto que no hay
estrangulamiento en el aire de aspiración; en los motores de encendido
por compresión no existe la valvula mariposa,
característica de los motores de encendido por chispa, provistos de
carburador. Por ello, la superficie negativa del ciclo Diesel real es menor que la del ciclo Otto.
Todo cuanto llevamos explicando se refiere a los motores de 4
tiempos. En los de 2 tiempos, bastante difundidos entre los de tipo
Diesel resultan importantes la perdida por bombeo y la causada por la
interrupción de la expansión antes del
P.M.I. para dar lugar al escape. Comprendido en la pérdida por bombeo se
debe considerar también el trabajo necesario para realizar el barrido del cilindro del cilindro, que a menudo se efectúa
por un compresor.
Ciclo indicado y presión media indicada
Ciclo real es el que refleja las condiciones efectivas de funcionamiento de un motor y se identifican, por tanto, con el diagrama de
presiones medias en el cilindro en correspondencia a las diversas posiciones del pistón. El
dibujo demostrativo de este ciclo se llama diagrama
indicado, y recibe el nombre de indicador el aparato que sirve para obtenerlo.
En este aparato, un pequeño cilindro provisto
de un pistón retenido por un muelle comunica con la camara
decombustión del
cilindro motor por medio de un tubo. El vastago del pistón
actúa sobre un sistema de palancas que forman un cuadrilatero
amplificador, cuyo brazo de palanca mas largo esta provisto en su
extremidad de un estilete.
La presión de los gases se transmite a través del tubo, actúa sobre el pistón
y, venciendo la carga del
muelle, lo desplaza a una longitud proporcional al valor de la presión. El estilete traza, por tanto, en sentido vertical una línea
de longitud proporcional a la presión que actúa sobre el
pistón. Como todo el dispositivo
indicador esta fijo al pistón motor, el estilete se mueve linealmente
con él, y su posición horizontal corresponde en cada punto a la del
pistón motor.
La curva trazada por el estilete esta referida, pues, a dos ejes
coordenados, cuyas abscisas representan los espacios recorridos por el
pistón y, por tanto, los volúmenes, así como las ordenadas
representan las presiones.
Supongamos que el motor es de encendido por chispa y de 4 tiempos, y,
ademas, para mayor simplicidad, que las condiciones de funcionamiento
son aproximadamente las teóricas. Deslizando el pistón del P.M.S.
al P.M.I. y viceversa, con la valvula abierta, de suerte que no ofrezca,
en la practica, ninguna resistencia al paso del gas, la presión
en el cilindro se mantiene igual a la atmosférica, y estilete va
trazando un segmento horizontal A-A, de longitud igual a la carrera, el cual
representa el diagrama de las presiones para la fase de aspiración y de
escape.Cerrada la valvula durante la carrera de compresión, el
estilete describe la curva A-B. Al final de la carrera de compresión se
verifica la combustión y, en consecuencia, se produce un
aumento repentino de presión que hace trazar al estilete la línea casi
vertical B-C. Sucesivamente, durante la carrera de
expansión, el estilete describe la curva C-D. Poco antes de terminar la
carrera de expansión, se abre la valvula de escape, la
presión desciende a un valor muy próximo al atmosférico y,
por tanto, el estilete traza el pequeño rasgo, casi vertical, D-A.
El aparato esquematizado en la figura sirve para mostrar cómo se obtiene
un diagrama indicado, pero no es realizable en la
practica. Los indicadores son, en realidad, aparatos
mas complicados, que utilizan los técnicos especializados.
La figura siguiente representa dos ciclos reales típicos de motores Otto
y Diesel de igual cilindrada unitaria.
Para facilitar la comparación entre los
dos ciclos, los diagramas se han dibujado
superpuestos. El eje de las presiones para el ciclo Otto, como consecuencia de
la diferencia de volumen VC de la camara de combustión. En
efecto, a igualdad de cilindrada unitaria VP, siendo mas elevada la
relación de compresión del
motor Diesel que la del
motor Otto, resulta menor el volumen VC, de la camara de
combustión.
La superficie 1 2 6 1' 1 representa el trabajo negativo debido al bombeo en la
fase de aspiración y de escape; la superficie 2 3 4 5 6 2 representa el
trabajo positivo. Sudiferencia es el trabajo útil.
Dividiendo el arrea correspondiente al trabajo útil efectuado por el
fluido, por la longitud de la carrera, o por la cilindrada VP con arreglo a la
escala elegida para el eje de las abscisas, se obtiene el valor de la
presión media indicada (p.m.i.).
Si deseamos valorar la diferencia del trabajo útil entre el
ciclo teórico y el ciclo indicado, estableceremos la relación
comparativa entre las superficies correspondientes. Dividiendo la superficie del ciclo indicado por la
respectiva del
ciclo teórico de aire, se obtiene el rendimiento indicado.
En la tabla siguiente se comparan los valores de los rendimientos
térmicos de ciclos teórico de aire y de ciclos indicados,
obtenidos experimentalmente en un motor especial con
relación de compresión variable. Los datos han sido conseguidos
por el experimentador ingle sir H. Ricardo
Influencia de la relación de compresión en el rendimiento |
Relación de compresión | Rendimiento del ciclo teórico de
aire | Rendimiento experimental de Ricardo |
4 | 0.426 | 0.277 |
4.5 | 0.453 | 0.297 |
5 | 0.475 | 0.316 |
5.5 | 0.494 | 0.332 |
6 | 0.512 | 0.346 |
6.6 | 0.527 | 0.360 |
7 | 0.541 | 0.372 |
7.5 | 0.553 | 0.383 |
8 | 0.565 |
Universidad Tecnológica de Panama
Facultad de Industrial
Trabajo de Termodinamica II
“Relación de Compresión de los Motores Reales”
Profa.: Emelina Macías
Estudiante:
Julio César Sanchez Troetsch
4-748-1186
23 de septiembre de 2011
