MECANICA: CICLO OTTO Y DIÉSEL TEORICO
CICLO OTTO
Este motor,
también conocido como motor Otto, es el
más empleado en la actualidad, y realiza la transformación de energía
calorífica en mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases, durante las
cuales un pistón que se desplaza en el interior de un cilindro efectúa cuatro
desplazamientos o carreras alternativas y, gracias a un sistema biela-manivela,
transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación del árbol
cigüeñal, realizando este dos vueltas completas en cada ciclo de funcionamiento.
Como se ha
dicho la entrada y salida de gases en el cilindro es controlada por dos
válvulas situadas en la cámara de combustión, las cuales su apertura y cierre
la realizan por el denominado sistema de distribución, sincronizado con el
movimiento de giro del árbol.
El
funcionamiento teórico de este tipo de motor, durante sus cuatro fases o
tiempos de trabajo, es el siguiente:
PRIMER TIEMPO:
ADMICION
Durante este tiempo el
pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto
muerto inferior (PMI) y
efectúa su primera carrera o desplazamiento lineal. Durante este desplazamiento el
cigüeñal realiza un giro de 180º.
Cuando comienza esta fase
se supone que instantáneamente se abre la válvula de admisión y mientras se
realiza este recorrido, la válvula de admisión permanece abierta y, debido a la
depresión o vacío interno que crea el pistón en su desplazamiento, se aspira
una mezcla de aire y combustible, que pasa a través del espacio libre que deja
la válvula de aspiración para llenar, en teoría, la totalidad del cilindro.
El recorrido C que efectúa el pistón entre el PMS y el PMI definido como carrera, multiplicada por la superficie S del pistón determina el volumen
o cilindrada unitaria
del motor V1 -
V2 y corresponde al volume de mezcla
teórica aspirada durante la admisión.
Total girado por el cigüeñal 180º.
SEGUNDO TIEMPO: COMPRESION
En este tiempo el pistón efectúa su segunda carrera y se desplaza desde
el punto muerto inferior PMI al
punto muerto superior PMS. Durante este recorrido la muñequilla del
cigüeñal efectúa otro giro de 180º.
Total girado por el cigüeñal 360º.
Durante esta fase las
válvulas permanecen cerradas. El pistón comprime la mezcla, la cual queda
alojada en el volumen de la cámara de
combustión, también llamada de compresión, situada por encima del PMS, ocupando un volumen V2.
TERCER TIEMPO: TRABAJO (EXPLOSION - FUERZA)
Cuando el
pistón llega al final de la compresión,
entre los electrodos de una bujía, salta una chispa eléctrica en el interior de
la cámara de combustión que produce la ignición de la mezcla, con lo cual se
origina la inflamación y combustión de la misma. Durante este proceso se libera
la energía calorífica del combustible, lo que produce una elevada temperatura
en el interior del cilindro, con lo que la energía cinética de las moléculas
aumenta considerablemente y, al chocar
éstas contra la cabeza del pistón, generan la fuerza de empuje que hace que el
pistón se desplace hacia el P.M.I.
Durante esta
carrera, que es la única que realiza trabajo, se produce la buscada
transformación de energía. La presión baja rápidamente por efecto del aumento
de volumen y disminuye la temperatura interna debido a la expansión.
Al llegar el
pistón al PMI se supone que
instantáneamente se abre la válvula de escape.
Total girado por el cigüeñal 540º.
CUARTO TIEMPO: ESCAPE
En este tiempo
el pistón realiza su cuarta carrera o desplazamiento desde el PMI al PMS, y el cigüeñal gira otros 180.
Durante este
recorrido del pistón, la válvula de escape permanece abierta. A través de ella,
los gases quemados procedentes de la combustión salen a la atmósfera, al
principio en "estampida" por estar a elevada presión en el interior
del cilindro, y el resto empujado por el pistón en su desplazamiento hacia el PMS.
Cuando el
pistón llega al PMS se supone que
instantáneamente se cierra la válvula de escape y simultáneamente se abre la
válvula de admisión.
Total girado por el cigüeñal 720º.
CICLO DIESEL
El motor
Diesel de cuatro tiempos tiene una estructura semejante a los motores de
explosión, salvo ciertas características particulares. El pistón desarrolla
cuatro carreras alternativas mientras el cigüeñal gira 720º. Como el motor de
ciclo Otto realiza el llenado y evacuación de gases a través de dos válvulas
situadas en la culata, cuyo movimiento de apertura y cierre está sincronizado
con el cigüeñal a través del sistema de distribución por el árbol de levas.
El funcionamiento de este motor durante su ciclo es el
siguiente:
PRIMER TIEMPO:
ADMICION
En este primer tiempo el
pistón efectúa su primera carrera o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando sólo aire de la atmósfera, debidamente purificado a
través del filtro. El aire pasa por el colector y la válvula de admisión, que
se supone se abre instantáneamente y que permanece abierta, con objeto de
llenar todo el volumen del cilindro. Durante este tiempo, la muñequilla del
cigüeñal gira 180º.
Al llegar al PMI se supone que la válvula de
admisión se cierra instantáneamente.
SEGUNDO TIEMPO: COMPRESION
En este
segundo tiempo y con las dos válvulas completamente cerradas el pistón comprime
el aire a gran presión, quedando sólo
aire alojado en la cámara de combustión. La muñequilla del cigüeñal gira otros
180º y completa la primera vuelta del árbol
motor.
La presión
alcanzada en el interior de la cámara de
combustión mantiene la temperatura del
aire por encima de los 600 ºC, superior
al punto de inflamación del combustible, para lo cual la relación de
compresión tiene que ser del orden de 22.
TERCER TIEMPO: TRABAJO (EXPLOSION- FUERZA)
Al final de la compresión con el pistón en el PMS se inyecta el combustible en el
interior del cilindro, en una cantidad que es regulada por la bomba de inyección.
Como la presión en el interior del cilindro es muy elevada, para que el
combustible pueda entrar la inyección debe realizarse a una presión muy
superior, entre 150 y 300 atmósferas.
El
combustible, que debido a la alta presión de inyección sale finalmente
pulverizado, se inflama en contacto con el aire caliente, produciéndose la
combustión del mismo. Se eleva entonces la temperatura interna, la presión
mientras dura la inyección o aportación de calor se supone constante y, a continuación,
se realiza la expansión y desplazamiento del pistón hacia el PMI. Durante este tiempo, o carrera de
trabajo, el pistón efectúa su tercer recorrido y la muñequilla del cigüeñal
gira otros 180º.
CUARTO TIEMPO: ESCAPE
Durante este cuarto tiempo se supone que la válvula de
escape se abre instantáneamente permanece abierta. El pistón, durante su
recorrido ascendente, expulsa a la atmósfera los gases remanentes que no han
salido, efectuando el barrido de gases quemados lanzándolos al exterior.
La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180º,
completando las dos vueltas del árbol motor que corresponde al ciclo completo
de trabajo
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