El motor de gasolina es un motor alternativo, de combustión interna, con encendido por chispa, de cuatro tiempos, que convierte la energía química que contiene el combustible en energía cinética.
El proceso se inicia con la mezcla homogénea de gasolina y aire fuera de la cámara de combustión en un elemento llamado carburador. La mezcla obtenida se hace llegar a dicha cámara, donde es comprimida. La combustión se inicia por un sistema de encendido externo al motor (bujía) de control temporizado. En el interior del cilindro se inflama y quema la mezcla de aire y gasolina. El calor generado por la combustión provoca un incremento en la presión de los gases, previamente comprimidos originando un trabajo mecánico a través del pistón, la biela y el cigüeñal. Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape y son sustituidos por una nueva porción de mezcla tras cada carrera de combustión, todo ello se produce según el principio de los cuatro tiempos.
Un ciclo Otto es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de encendido por bujía o de explosión. Se representa en un diagrama p-V como en la figura adjunta. Siendo sus fases las siguientes:
- Admisión (1). El pistón desciende con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire y combustible) en la cámara. (Expansión a presión constante puesto que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). E-A.
- Compresión (2). El pistón asciende comprimiendo la mezcla, ambas válvulas permanecen cerradas (Comprensión adiabática). A-B.
- Combustión. Con el pistón en el punto muerto superior, salta la chispa de la bujía, que inicia la combustión de la mezcla a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). B-C.
- Expansión (3). Debido a la combustión se produce un ascenso brusco de temperatura que empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él, las válvulas continúan cerradas. (Expansión adiabática). C-D.
- Escape (4). Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, desde el punto de vista del balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, el volumen permanece aproximadamente constante D-A.
- Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, A-E, cerrando el ciclo.
Para que se produzca un ciclo ha debido haber dos subidas y dos bajadas del pistón, por lo que recibe el nombre de motor de cuatro tiempos y el cigüeñal ha necesitado dar dos vueltas para completar un ciclo.
Observando el ciclo Otto ideal, podemos considerar despreciables los procesos de admisión y de escape a presión constante A-E y E-A, puesto que son idénticos en la gráfica y de sentido opuesto, por lo que el calor y el trabajo intercambiados entre ellos se anulan mutuamente.
Intercambio de calor producido en el ciclo
De los cuatro procesos que constituyen el ciclo cerrado, solamente se intercambia calor en las dos transformaciones isócoras. B-C y D-A.
En la combustión de la mezcla B-C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen constante, el calor coincide con el aumento de la energía interna, calculándose:
En la expulsión de los gases D-A, el aire escapa a una temperatura mayor que la que tiene a la entrada, liberando posteriormente un calor Qf al ambiente, su signo es negativo porqué es expulsado desde el sistema hacia el ambiente. Su valor, como en el caso anterior, es:
Trabajo realizado en el ciclo
Solo se realiza trabajo en las dos transformaciones adiabáticas.
Durante la compresión de la mezcla A-B, se realiza un trabajo positivo sobre la mezcla, como es un proceso adiabático, todo este trabajo se emplea en elevar la energía interna, incrementándose la temperatura:
Durante la expansión C-D es el fluido quien realiza trabajo sobre el pistón, que tiene signo negativo, por ser el sistema el que lo realiza. Este trabajo equivale a la variación de la energía interna.
Por lo que el trabajo útil que produce el motor, será igual al generado por el motor menos el que necesita para poder funionar:
Como estamos hablando de un ciclo termodinámico, el incremento de energía interna tiene que ser nulo, por lo que el calor neto que se introduce en el ciclo tiene que se igual al trabajo útil realizado, es decir:
Rendimiento del ciclo
El rendimiento o eficiencia de una máquina térmica se define, como el cociente entre el trabajo neto útil 
y el calor total producido en la combustión (Qc). Es decir:
El rendimiento se suele expresar en función de la temperatura, responde a la siguiente expresión:
Por lo tanto, el rendimiento o eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de compresión, y no de la temperatura tras la combustión, o de la cantidad de calor que introduce ésta.
Igualmente el rendimiento se suele expresar en función de la relación de compresión, con lo que su expresión será:
Donde r es la relación de compresión es decir el cociente entre el volumen del cilindro cuando el pistón se encuentra en el PMI y el volumen cuando el pistón se encuentra en el PMS.
El rendimiento en un motor de ciclo Otto, depende además del diseño mecánico del motor, de:
- La compresión, cuanto mayor sea la compresión mayor será el rendimiento térmico del motor y tanto más se aprovechará su combustible; aunque la compresión está limitada por el límite de detonación, que implica una combustión irregular de la mezcla inflamada, incluso una autocombustión, sin necesidad de chispa lo que provoca sobrecargas y posibles daños en el motor.
- Desarrollo y calidad de la combustión, depende de que el combustible y el aire se mezclen íntimamente, al objeto de que durante el tiempo que dure la combustión, el combustible se queme del modo más completo posible, para lo que también es importante que el frente de la llama avance uniformemente, tanto en el espacio como en el tiempo, hasta que se haya quemado todo el combustible.
- Mezcla de aire y combustible, El consumo de combustible depende de la proporción de la mezcla, produciéndose el consumo mínimo para una proporción denominada estequiométrica de 14,7:1, lo que quiere decir que por cada kg de combustible debemos utilizar 14,7 kg de aire, es decir por cada litro de combustible se necesitan unos 10000 litros de aire.
Ya que los automóviles funcionan la mayor parte del tiempo en un régimen de carga parcial, se diseñan para que el consumo sea mínimo en ese régimen. En los demás regímenes de servicio (relentí, plena carga), resulta más favorable una mezcla más rica en combustible.
Hasta este momento hemos estudiado el funcionamiento teórico de un motor ideal que funcionara según un ciclo Otto. Lo cierto es que el ciclo real de un motor de encendido por chispa difiere ligeramente del ideal por los siguientes motivos:
- La válvula de admisión permanece abierta un cierto tiempo hasta después de que el pistón comience a descender, para conseguir que entre algo más de aire. Es el llamado Retraso al Cierre de la Admisión (RCA).
- La válvula de escape también se adelanta en la Apertura del Escape (AAE) para que los gases de la combustión salgan un poco antes de que el pistón llegue al PMI, para que salga la mayor cantidad posible de gases quemados.
- El proceso de ignición del combustible no es instantáneo, y la chispa salta antes de que el pistón alcance el PMS para optimizar el proceso de combustión.
Esto provoca que el diagrama real difiera ligeramente del diagrama ideal, siendo el trabajo producido, llamado trabajo indicado (WI) algo inferior al teórico (WT).
Como además siempre existen pérdidas en los mecanismos de transmisión, el trabajo que realmente se dispone en el eje es una parte del trabajo indicado del ciclo real, llamándose rendimiento mecánico a la relación que existe entre ambos, es decir:
En un automóvil se considera que el par (también llamado torque o momento) es la fuerza de giro que el motor proporciona en el cigüeñal, el valor del par nos dirá con cuánta fuerza es capaz de hacerlo girar el motor, cuánta fuerza se puede extraer del cigüeñal a esa velocidad que gira.
La unidad de par en el Sistema Internacional es el Newton metro (Nm).
Mientras que la potencia, es la capacidad para realizar un trabajo durante un cierto tiempo, su expresión es el resultado de dividir trabajo por tiempo. Cuanta mayor potencia desarrolle un motor, menos tiempo necesitará para realizar un trabajo determinado.
El objetivo del automóvil es que el movimiento generado en el motor llege al suelo, acelerando al coche o arrastrando una carga. Esta capacidad está directamente relacionanda las magnitudes potencia, par y velocidad.
En un automóvil, a la salida del motor hay una caja de cambios, que convierte una velocidad y un par a la entrada, en otra velocidad y par diferentes en la salida, pero manteniendo la potencia constante.
Cuando un coche no puede subir una cuesta en 5ª, reducimos a 4ª. Esto provoca que el coche transmita más fuerza al suelo, aunque se reduzca la velocidad que llevábamos. A cualquier régimen de velocidad del motor, digamos 3.500 r.p.m., en 4ª transmitimos más fuerza que en 5ª, pero a menos velocidad. Siendo por lo tanto la clave de todo el proceso la expresión:
Donde:
- P es la potencia expresada en watios.
- M es el par expresado en Newton x metro.
- ω es la velocidad de giro expresada en radianes/segundo.
Por lo tanto en la caja de cambios se transforma la velocidad del movimiento, pero también la fuerza de giro, de forma que el producto de ambas magnitudes se mantiene constante. Por eso cuando vamos cambiando hacia marchas superiores, la velocidad va aumentando, pero el par disminuye en la misma proporción que la velocidad aumenta.
Por este motivo un automóvil en 5ª acelera muchísimo menos que en 1ª, pero corre mucho más.
El par y la potencia son dos indicadores del funcionamiento del motor, dándonos información de cuanta fuerza puede generar y con qué rapidez puede trabajar un motor.
El par máximo es la máxima fuerza de giro que puede desarrollar el motor a una determinada velocidad de giro.
El fabricante de automóviles suele dar las cifras de potencia y par máximos del motor, y a que velocidad de régimen se producen, aunque lo que realmente interesa es su curva característica. En esta curva, se relacionan el par y la potencia que consigue el motor en función del régimen de velocidad de giro.
Si analizas la gráfica del ejemplo observarás que la respuesta del motor no es la misma en todos los regímenes.
Así el motor del ejemplo da un par máximo de 440 Nm a 5.300 r.p.m. significa que es capaz de generar una fuerza de giro (par) de hasta 440 Newton metro, cuando está acelerado al máximo y mientras gira a 25.300 r.p.m.
Respecto a la potencia máxima obtenemos un valor de 310 kW a una velocidad de régimen de casi 8.000 r.p.m.
El rendimiento térmico del motor indica la eficacia del motor, se expresa como la relación entre el trabajo mecánico que obtenemos del motor y la cantidad de calor producida en la combustión.
Los motores Diesel alcanzan un rendimiento que en ningún caso supera el 45% en condiciones de trabajo óptimas, mientras que los de gasolina tienen un rendimiento aún más pobre, no alcanzando valores del 35%.
Las condiciones óptimas de funcionamiento suelen ser, un poco por debajo del régimen de par máximo y con una carga algo menor que la máxima, el rendimiento del motor desciende en cualquier otro régimen, siendo prácticamente nulo cuando está al ralentí.
En los automóviles de ciclo Otto antiguos, la mezcla de aire y gasolina se producía en el carburador, aunque en la actualidad, un inyector colocado inmediatamente antes de la válvula de admisión es el encargado de suministrar la mezcla antes de que la válvula se abra.
El motor de un autobús consume 20 l/h, cuando circula a una velocidad media de 90 Km/h, el rendimiento total del motor es del 20%, el poder calorífico del combustible es Pc=11000 Kcal/Kg y su densidad ρ= 0,8 Kg/l. Calcula:
a) Potencia útil en las ruedas.
b) Par motor en las ruedas si el diámetro de éstas es de 80 cm.
Un piloto conduce una motocicleta ascendiendo por una pendiente con 10º de inclinación. El conjunto de la moto y el conductor tienen una masa de 150Kg, la potencia que entrega el motor es de 20C.V.
a) De esa potencia se transmite a las ruedas el 80%, el efecto del rozamiento del suelo y del aire es equivalente a una fuerza de 150 N y las ruedas tienen un diámetro de 60 cm. Calcular la velocidad con que asciende la motocicleta.
b) Si el rendimiento térmico del motor es del 20% y el poder calorífico del combustible es de 10000 Kcal/Kg. Calcular el consumo de combustible cuando se desarrolla la potencia máxima, considerar la densidad del combustible 1g/c.c.
creditos
recuperdo de:
http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4932/html/2_motor_de_cuatro_tiempos_ciclo_de_otto.html
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