Máquinas térmicas: Ciclos Otto y Diesel

Descripción de los ciclos teóricos de funcionamiento y diagramas de trabajo ideales y reales de los motores de explosión Otto de cuatro tiempos y los motores alternativos de combustión Diesel.

Motor de explosión Otto de 4 tiempos

La principal característica del motor de ciclo Otto es que el combustible, ya esté en estado gaseoso o en estado líquido, se mezcla con la cantidad de aire necesaria para que se produzca la combustión.

Ciclo teórico de funcionamiento

El orden en el que se producen los cuatro tiempos en los motores otto es el siguiente:

1. Admisión. El pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI). La válvula de admisión se abre y la mezcla gaseosa de aire y combustible es aspirada en el interior del cilindro a causa de la depresión producida por el pistón.
2. Compresión. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Las válvulas de admisión y de escape están cerradas, y el pistón comprime la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión.
   El valor máximo de presión se alcanza cuando el pistón está al final de la carrera (PMS). En este instante, el volumen ocupado por la mezcla es el correspondiente al de la cámara de compresión.
   Durante esta fase la mezcla aumenta considerablemente su temperatura, debido a la compresión que sufre y a la cesión de calor por las paredes del cilindro.
3. Trabajo. Este tiempo lo podemos dividir en tres etapas:
   • Primera: cuando el pistón llega al PMS, la mezcla de aire y combustible está comprimida en la cámara de combustión a una temperatura bastante elevada. En ese preciso momento, salta una chispa entre los electrodos de la bujía produciéndose la explosión.
   • Segunda: la chispa provoca el encendido y la rápida combustión de la mezcla con el consiguiente aumento de temperatura y presión, provocado por el calor desarrollado durante esta etapa.
   • Tercera: el aumento casi instantáneo de la presión genera la expansión de los gases producidos en la combustión empujando al pistón desde el PMS al PMI.
     
     Las válvulas permanecen cerradas durante toda la fase de trabajo. Ésta es la fase activa del ciclo; de hecho la presión de los gases quemados, en expansión, provoca la carrera del pistón y aporta la correspondiente energía.
4. Escape. Cuando el pistón termina su carrera de trabajo alcanzando el PMI, la válvula de escapa se abre y los gases quemados, a mayor presión que la exterior, salen rápidamente. Seguidamente, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS y expulsa los restantes gases quemados a través de la válvula de escape.

Al terminar esta carrera (cuando el pistón llega al PMS) se vuelve a abrir la válvula de admisión, y empieza otro ciclo de funcionamiento idéntico al anteriormente descrito.

Cada dos revoluciones del cigüeñal se efectúa un ciclo completo. El trabajo útil se produce solamente durante uno de los cuatro tiempos de un ciclo, durante la carrera que corresponde al final de la fase de combustión y a la fase de expansión (carrera activa).

Por esta razón, siempre debe existir energía suficiente para llevar a cabo esas tres carreras pasivas. Dicha energía es suministrada por el volante motor, que almacena, bajo forma de energía cinética, una parte de la energía motriz producida durante la carrera activa del ciclo de funcionamiento y la utiliza en las tres carreras pasivas, para que el suministro de potencia del motor sea lo más uniforme posible.

Diagramas de trabajo

El trabajo realizado por un motor se puede representar en un gráfico con el volumen en el eje de abscisas y la presión a la que se llega a lo largo del ciclo en el eje de ordenadas.

El diagrama teórico del ciclo otto consta de las siguientes fases:

• Admisión (E – A). El cilindro se llena de mezcla, ocupando teóricamente todo el volumen. Se produce a presión atmosférica, por tanto es una transformación isobárica.
• Compresión (A – B). La mezcla se comprime en el interior del cilindro. Este tiempo se produce sin pérdida de calor, tratándose en este caso de una transformación adiabática.
• Explosión (B – C). En el punto B salta la chispa produciéndose la combustión de la mezcla, con aporte de calor a volumen constante (transformación isocora).
• Expansión (C – D). Se produce el desplazamiento del pistón por la presión interna generada, que va descendiendo progresivamente al aumentar el volumen (transformación adiabática).
• Escape espontáneo (D – A). Cuando se abre la válvula de escape, los gases residuales salen al exterior debido a la diferencia de presiones, hasta que éstas se igualan (transformación isocora).
• Escape (A – E). El pistón realiza el barrido de los gases residuales. Teóricamente esta carrera se produce a la presión atmosférica (transformación isobárica).

El trabajo aprovechado se puede observar en la figura mediante la superficie dentro de los vértices A-B-C-D.

El diagrama real del ciclo otto consta de las siguientes fases:

• Admisión (E – A). En realidad no se produce a presión constante, ya que el llenado del cilindro no es total.
• Compresión de la mezcla de aire y combustible (A – B’). Se parte de una presión inferior a la teórica, con lo cual la presión final conseguida es menor.
• Combustión (B‘– C‘). Al saltar la chispa, la combustión no se realiza instantáneamente, pues la mezcla necesita un tiempo para quemarse. La presión final es inferior a la teórica, debido al aumento de volumen.
• Expansión del fluido (C’ – D’). Se produce un trabajo útil menor, ya que se parte de una presión más pequeña. Además, hay una cesión de calor a las paredes del cilindro.
• Apertura del escape en D’, anticipado con respecto al PMI. La presión no baja de forma instantánea, pues los gases necesitan un tiempo para salir al exterior.
• Expulsión de los gases quemados (A – E). No se produce a presión constante, ya que las válvulas necesitan un cierto tiempo para actuar.

Las diferencias de trabajo entre ambos ciclos se deben, esencialmente, a las siguientes causas:

• Pérdidas de calor a través de las paredes, debido a la necesidad de refrigerar los órganos del motor (superficie I).
• Necesidad de anticipar el encendido con respecto al PMS, ya que la combustión no es instantánea y necesita de un determinado tiempo (superficie II).
• Avance de apertura del escape, ligado a la inercia de las válvulas y de las masas de los gases (superficie III).
• Pérdidas de trabajo de bombeo durante la carrera de escape y de admisión (superficie IV).

Modo de encendido

La chispa se produce al generar una descarga eléctrica a través de los electrodos de la bujía.

La presión en el interior del cilindro al final de la compresión es muy elevada, con lo cual la resistencia entre los electrodos para producir la chispa es importante. Para que la chispa atraviese la masa de aire en condiciones normales de funcionamiento se necesitan tensiones muy altas en la bujía. Esto se consigue mediante el sistema de encendido.

La combustión de la mezcla va produciéndose por capas, de una forma progresiva.

Motor alternativo de combustión Diesel

Se caracterizan por su sistema de alimentación, por la forma de realizar la combustión y por su alto rendimiento, al conseguir trabajar a presiones muy elevadas. De esta manera, obtienen un mayor trabajo útil y un mejor aprovechamiento del combustible.

Los motores Diesel solamente comprimen aire, por lo que la relación de compresión puede ser mayor, siendo introducido el combustible a una presión muy elevada en el tiempo de trabajo, para producir la combustión. Son conocidos como motores de encendido por compresión.

Ciclo teórico de funcionamiento

El orden en el que se producen los cuatro tiempos en los motores diesel es el siguiente:

1. Admisión. El pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI). Se abre la válvula de admisión y entra en el cilindro el aire perfectamente filtrado.
2. Compresión. Se cierra la válvula de admisión y el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. El aire introducido durante la admisión se comprime en la cámara de combustión.
   Durante esta fase aumenta notablemente la temperatura del aire hasta alcanzar aproximadamente de 700 a 800 ºC, debido a la elevada presión a la que está sometido.
3. Trabajo. Este tiempo lo podemos dividir en tres etapas:
   
   • Inyección: Cuando el pistón llega al PMS, se abre dentro del inyector el conducto correspondiente y entra el combustible perfectamente pulverizado a una presión elevada.
   • Combustión: El encendido se produce espontáneamente, al entrar en contacto el combustible con el aire comprimido que tiene una temperatura superior a la del encendido del combustible. El incremento de temperatura, junto con la gran turbulencia, facilita la combustión del resto del combustible que, llegando a través del inyector, se quema al entrar en contacto con el aire. La presión se mantiene casi constante durante parte de la combustión.
   • Expansión: Los gases a presión generados por la combustión se expanden y empujan al pistón, desplazándolo desde el PMS al PMI y generando el correspondiente trabajo.
     
     Las válvulas, al igual que en el motor de explosión, permanecen cerradas durante toda la fase de trabajo. Esta es la carrera activa del ciclo; de hecho, la presión de los gases quemados, en expansión, provoca la carrera del pistón y aporta la correspondiente energía para que pueda girar el cigüeñal.
4. Escape. Cuando el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape, y los gases quemados, con una presión mayor que la exterior, salen rápidamente del cilindro hasta alcanzar una presión semejante a la atmosférica.

Al terminar esta carrera (cuando el pistón llega al PMS) se vuelve a abrir la válvula de admisión, se cierra la de escape y empieza otro ciclo de funcionamiento idéntico al anteriormente descrito.

Cada dos revoluciones del cigüeñal se efectúa un ciclo completo. El trabajo útil se produce solamente durante uno de los cuatro tiempos de un ciclo, durante la carrera que corresponde al tiempo de trabajo.

Para que se produzca el arranque en motores diesel es necesario el uso de bujías de incandescencia, o calentadores, para que calienten la cámara de combustión.

Diagramas de trabajo

El trabajo realizado por un motor se puede representar como una superficie dentro de un eje de coordenadas, con el volumen del cilindro en el eje de abscisas y la presión a la que se llega a lo largo del ciclo en el eje de ordenadas.

El diagrama teórico de un motor diesel consta de las siguientes fases:

• Admisión (F – A). El cilindro se llena de aire, teóricamente ocupando todo el volumen. Esta fase se desarrolla a presión atmosférica (transformación isobárica).
• Compresión (A – B). Se comprime el aire en el interior del cilindro alcanzando una presión muy elevada debido a al alta relación de compresión. En este tiempo la transformación es adiabática (sin pérdida de calor).
• Inyección (B – C). En el punto B, el combustible es introducido en el cilindro finamente pulverizado y a una alta presión, iniciándose la combustión de la mezcla, con aporte de calor a volumen constante, de B a C. Es una transformación isocora hasta el punto E.
• Expansión (C – E). Desde el punto C hasta el D se produce el desplazamiento del pistón a presión constante, pues aunque el volumen aumenta también lo hace la temperatura, pues la inyección no termina en el PMS, y por tanto, la presión se mantiene, desde el punto D. Después, la presión va descendiendo progresivamente al aumentar el volumen, en teoría sin pérdida de calor.
• Escape espontáneo (E – A). Los gases quemados salen al exterior en el momento que la válvula de escape comienza su apertura,  ya que la presión en el interior de la cámara es superior a la atmosférica, teóricamente a volumen constante.
• Escape (A – F). Con el desplazamiento del pistón hacia el PMS tiene lugar el barrido del resto de los gases quemados. En teoría, esta carrera se produce en su totalidad a la presión atmosférica.

El trabajo aprovechado se puede observar en la figura mediante la superficie dentro de los vértices A-B-C-D-E.

El diagrama real del ciclo diésel consta de las siguientes fases:

• Admisión (F – A). La presión durante este tiempo no es constante y la válvula correspondiente se abre y cierra de forma progresiva, con lo cual el llenado del cilindro no es total.
• Compresión del aire (A – B’). Si el llenado del cilindro no es del 100% se parte de una presión inferior a la teórica, por lo que la presión final es menor a la teórica. Parte del calor es expulsado por las paredes y cierta energía se consume con el desplazamiento del pistón del PMI al PMS.
• Inyección. El inyector comienza a inyectar la mezcla unos grados antes del PMS (AI). La combustión no se realiza de forma instantánea, pues la mezcla necesita un tiempo para quemarse; así, la combustión no se produce a volumen y presión constantes, durante un trayecto tan amplio.
• Expansión del fluido (C’ – E’). El trabajo producido es menor, ya que se parte de una presión inferior, y hay una cesión de calor a las paredes del cilindro.
• Apertura del escape en E’, anticipado con respecto al PMI. La presión no baja de forma instantánea, pues los gases necesitan un tiempo para salir al exterior.
• Expulsión de los gases quemados (A – F). No se produce a presión constante, ya que las válvulas necesitan un cierto tiempo para actuar.

Las diferencias de trabajo entre ambos ciclos se deben, esencialmente, a las siguientes causas:

• Pérdidas de calor a través de las paredes, debido a la necesidad de refrigerar los órganos del motor (superficie I).
• Necesidad de anticipar la inyección con respecto al PMS, ya que la combustión no es instantánea, por lo que el combustible necesita de un determinado tiempo para mezclarse con el aire y arder (superficie II).
• Avance de apertura del escape, ligado a la inercia de las válvulas y de las masas de los gases (superficie III).
• Pérdidas de trabajo de bombeo durante la carrera de escape y de admisión (superficie IV).

Diferencias entre motores Otto y Diesel

TIPO DE MOTOR	OTTO	DIÉSEL
ADMISIÓN	Entrada de mezcla en el cilindro.	Entrada de aire en el cilindro.
COMPRESIÓN	Relación de compresión limitada por el índice de octano del combustible.	Relación de compresión alta, al comprimirse solo aire.
ENCENDIDO	La inflamación de la mezcla se produce mediante una chispa eléctrica.	La inflamación se consigue mediante una elevada compresión del aire y una inyección de combustible a alta presión.
ELEMENTOS ESTRUCTURALES	Se utilizan materiales muy ligeros, ya que se consiguen altas revoluciones.	Los materiales utilizados son más pesados, pues están sometidos a grandes presiones.
MEZCLA DE AIRE – COMBUSTIBLE	Se produce en el colector de admisión, en la proporción adecuada.	Producida en la cámara de compresión, al introducir el combustible a presión elevada.
RENDIMIENTOS	Bajos rendimientos, tanto térmico como volumétrico.	Mejores rendimientos, trabaja a temperaturas más altas y empleo frecuente de la sobrealimentación.
CONSUMO	Alto consumo específico.	Consumo específico inferior.
DURACIÓN	Limitada, pues trabaja normalmente a revoluciones altas.	Al trabajar a regímenes inferiores soportan gran número de kilómetros.
RUIDOS	Motor muy silencioso.	Motor más ruidoso.
ARRANQUE	Fácil en todas las épocas del año.	Algunos problemas, sobre todo en zonas extremadamente frías.