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Ciclo Otto Definitivo
Ciclo Otto Definitivo
Ciclo Otto Definitivo
Motor Encendido
por Chispa (MECH)
Septiembre 30 de 2023
Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un
tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía
química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Su
nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la propia
máquina.
• Tipos principales:
• Alternativos: El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre
proviene del técnico alemán que lo desarrolló, Nikolaus August
Otto, es el motor convencional de gasolina, aunque también se
lo conoce como motor de ciclo Beau de Rochas debido al
inventor francés que lo patentó en 1862. El motor diésel,
llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia
Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele
consumir gasóleo. La turbina de gas. El motor rotatorio. El Ciclo
Atkinson
Clasificación de los alternativos según el ciclo: De dos tiempos (2T):
efectúan una carrera útil de trabajo en cada giro. De cuatro tiempos (4T):
efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros. Existen los diésel y
gasolina, tanto en 2T como en 4T.
Figura ciclo teórico Otto
ADMISIÓN
Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión
permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia
dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa).
COMPRESIÓN
Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve
hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al
final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla
EXPLOSIÓN
Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que
provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce
la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía
mecánica trasmitida al pistón. Él la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal,
de donde se toma para su utilización
ESCAPE
En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS,
expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para
empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga)
Figura motores a 4 tiempos
Ciclo termodinámico Otto
La proporción entre aire y combustible en un motor con ciclo Otto debe ser lo más
pareja posible, dentro de unos márgenes de variación bastante estrechos. La proporción
se conoce como factor lambda y va desde 14-15 partes de aire por cada parte de
gasolina, ambas en peso. La mezcla estequiométrica quedaría en 14,7:1.
El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire +
combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al
estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior).
Para que este proceso de admisión (aire – combustible) se realice, requieren del
componente llamado cámara de admisión donde están las válvulas de admisión y
escape.
Relación de compresión
La relación de compresión es uno de los factores que infieren en el funcionamiento de
un motor de combustión interna, que a su vez actúa sobre el rendimiento térmico de
este motor. El rendimiento térmico, para decirlo de forma sencilla, es la forma en que
ese motor aprovecha de la mejor manera posible la energía proveniente de la
combustión de la mezcla aire-combustible.
Esta relación de compresión es de 10:1 o 12:1 dependiendo del diseño de la cámara de
pistón (cilindro).
CICLO OTTO DOS TIEMPOS.
Un giro de un cigüeñal realiza un ciclo, funciona con un ciclo durante el cual el pistón
efectúa dos carreras y el cigüeñal da sólo una vuelta o giro de 360
(Expansión - Escape). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS, se enciende una
chispa de la bujía. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se
descubre la lumbrera de escape. Los gases quemados salen por ese orificio.
Figura
CICLO OTTO REAL
Proceso de combustión:
- Hay pérdidas de calor hacia el fluido refrigerante
- La combustión es incompleta debido a las imperfecciones en la formación de la
mezcla.
- La velocidad media del pistón y la del frente de llama son del mismo orden, esto
impide que la combustión ocurra instantáneamente en el PMS
Proceso de expansión:
Entre el ciclo Otto real y el Otto teórico correspondiente existen diferencias sustanciales. Algunas de estas
La diferencia de forma del diagrama entre un ciclo Otto real y un ciclo Otto teórico 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
u por trazos curvos y el redondeamiento de los ángulos agudo. Las causas de tales diferencias se fundan en la
siguientes razones: Pérdidas de calor, Combustión no instantánea y Tiempo de abertura de la válvula de escape.
Pérdidas de calor
al comienzo de
En el ciclo teórico las pérdida de calor se consideran nulas. Por otro lado, en el ciclo Otto real, las pérdidas de calor
son bastante sensibles. Una de las características del motor térmico es que el cilindro está refrigerado para asegurar
un buen funcionamiento del pistón. El inconveniente de mantener el cilindro refrigerado es que una cierta parte de
calor del fluido se transmite a las paredes. Las líneas de compresión y expansión no son, por consiguiente
En el ciclo teórico, se supone que la combustión se realiza a volumen constante; es, por tanto, instantánea. En el
ciclo Otto 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 seria inferior al previsto,
con la correspondiente perdida de trabajo útil. Por ello es necesario anticipar el encendido de la gasolina 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 de energía térmica (calor). Este redondeo de la curva
implica una perdida de trabajo útil representada por el área B. Pero esta perdida de trabajo resulta de cuantía bastante
menor de la que se tendría sin adelantar el encendido
En el ciclo Otto teórico también se supone que la sustracción de calor ocurría instantáneamente en el P.M.I En el ciclo
Otto 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 perdida de trabajo útil representada por el área C, pérdida que es, sin
embargo, menor que la que se tendría sin el adelanto de la abertura de la válvula de escape.
Sistemas del motor de combustión:
Mecánico
Sistema de alimentación
Sistema de Distribución
Encendido
Refrigeración
Lubricación
Sistema de arranque
Sistema mecánico:
Formado por dos tipos de parte: las fijas , que no tienen movimiento y que contienen a las
móviles que se mueven dentro de las primeras. Ejemplos de partes fijas: monoblock, culata,
cárter, empaquetaduras, múltiples de admisión y escape y otras. Ejemplos de pares móviles:
pistón, biela, válvulas, eje cigüeñal, eje de levas, resortes de válvulas y otros
El sistema de alimentación de combustible de un motor Otto consta de un depósito, una
bomba de combustible y un dispositivo dosificador de combustible que vaporiza o atomiza el
combustible desde el estado líquido, en las proporciones correctas para poder ser quemado.
Se llama carburador al dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los
motores Otto. Ahora los sistemas de inyección de combustible lo han sustituido por completo
por motivos medioambientales. Su mayor precisión en la dosificación de combustible
inyectado reduce las emisiones de CO2, y asegura una mezcla más estable.
Para mezclar el aire con el combustible en las porciones necesarias se utilizan dos sistemas
distintos:
El fin del carburador es de pulverizar el combustible y de llegar a mezclarlo con el aire con
una proporción de 14,7 Kg aire por cada 1 Kg de gasolina, o lo que es lo mismo 10000 litros
de aire por cada 1 litro de gasolina, para tener una buena relación estequiométrica en la
reacción de combustión y optimizar el funcionamiento del motor.
La inyección de gasolina es un sistema muy reciente, donde antes de los años 90’ solo se
utilizaban estos sistemas en motores de grandes prestaciones y en motores de competición,
aunque ha ido avanzando mucho día a día.
Los sistemas utilizados son dos: la inyección monopunto y la inyección multipunto:
Funcionamiento de la distribución:
Primeramente, el motor acciona el árbol de levas (con relación a dos vueltas del motor, una vuelta
el eje de levas) mediante una correa o una cadena engranada entre ellos, en este eje van
situadas las levas de admisión y escape. Estas levas en el momento que su saliente choca con la
válvula, la acciona, y éstas son las que dejaran pasar los gases frescos (en caso de las de
admisión), y evacuarán los gases quemados (en caso de las de escape).
En el caso de que el árbol de levas esté situado en el bloque, las levas accionan primeramente
unos empujadores verticales, estos últimos accionarán unos balancines, y éstos finalmente
accionarán las válvulas de admisión y escape.
1. Accionamiento de las válvulas en un sistema de
distribución con el árbol de levas en la culata
Como ya hemos dicho antes, para encender el carburante en el motor de gasolina, se necesita
hacer saltar una chispa entre los dos electrodos de la bujía para producir la temperatura
necesaria para que la mezcla se encienda.
Para que esa chispa salte en la bujía, debido a su material de construcción y las altas presiones
en el cilindro, se necesitan tensiones muy altas.
Para eliminar los inconvenientes que producía que el ruptor fuese el encargado de cortar la
corriente en el primario de la bobina y que por el pasasen grandes tensiones se recurrió a un
sistema electrónico donde ahora ya no es el encargado de cortar esa tensión, simplemente se
encarga de dar la señal en el momento que hay que entregar una chispa a la bujía para que un
componente electrónico (transistor) la corte. Ver siguiente figura.
Sistema de refrigeración:
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de
sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones, y los
motores fueraborda, se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema
cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro
del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se
encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular
mediante una bomba.
Funcionamiento de un circuito de refrigeración:
En el momento que ha de empezar a circular el líquido, la bomba de agua coge el agua fría
existente en el radiador, esta bomba la impulsa hacia los cilindros y todos los componentes a
refrigerar, una vez refrigerados el agua está caliente, entonces pasa por un termómetro que mide
la temperatura del líquido (normalmente alrededor de 90ºC).
Este termómetro está conectado a un termostato que varia su apertura en función de la
temperatura del líquido para así variar el caudal de agua para refrigerar más o menos. En ese
momento el líquido caliente se encuentra con dos caminos a seguir, uno que conlleva al radiador
de calefacción para que el agua lo caliente y haga su función, y otro conlleva al radiador principal
para que éste, mediante el ventilador consiga enfriar el líquido. En el paso al radiador, nos
encontramos un conducto que lleva al vaso o depósito de expansión, donde éste será el
encargado de regular en buen funcionamiento del circuito eliminando las burbujas existentes.
Ver siguiente figura.
El sistema de refrigeración por agua se compone básicamente de las siguientes partes: Bomba
de agua, Radiador, Mangueras de conexión, Camisas de cilindros, Ventilador, Termostato, Vaso
de expansión, Líquido de refrigeración
Sistema de lubricación: Son los distintos métodos de distribuir el aceite por las piezas del motor.
Consiste en hacer llegar una película de aceite lubricante a cada una de las superficies de las
piezas que están en moviendo entre si, para evitar fundamentalmente desgaste excesivos y
prematuros disminuyendo así la vida útil del motor de combustión interna.
El aceite está ubicado en el colector de aceite, es decir, en el cárter en el caso de ser un sistema
de cárter húmedo o en un depósito independiente en el caso de un sistema de cárter seco. La
bomba de aceite recoge el aceite y la válvula de alivio o regulador de presión discrimina el exceso
de aceite si lo hay. Seguidamente la bomba de aceite envía el aceite al filtro de aceite, donde ahí
libraremos al aceite de impurezas. En el caso de que el filtro este obstruido, el aceite pasará por
la válvula de derivación para poder seguir el ciclo. Por último el aceite va al motor para lubricar
todas sus partes y de ahí el aceite vólvera al colector de aceite.
• Bomba de aceite
• Regulador de presión
• Filtro de aceite
• Válvula de derivación
• Cárter de aceite
• Enfriador de aceite
• Aceite
Sistema de arranque:
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no
producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo que implica que debe provocarse el
movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan
un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático
que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se
arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla
alrededor del volante del cigüeñal.
García San José, Ricardo – Teoría de la Combustión - Universidad Nacional Autónoma de México -
2011. 2.
Leiva Illanes, Roberto – Termodinámica y Máquinas Térmicas – Universidad Técnica Federico Santa
María – 2011. 3.
Leiva Illanes, Roberto – Motores de Combustión Interna – Universidad Técnica Federico Santa
María – 2011.
Martínez Villegas, Albert - Motores de Combustión Interna – IES Baix Montseny. Sant Celoni.