Funcionamiento del Motor de Ciclo Otto: Etapas y Mejoras de Rendimiento
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La principal característica del motor de ciclo Otto es que el combustible, en estado gaseoso o líquido, se mezcla con el aire necesario y se produce la combustión. Este ciclo se compone de cuatro tiempos:
1. Admisión
El pistón se desplaza del Punto Muerto Superior (PMS) al Punto Muerto Inferior (PMI). La válvula de admisión se abre y la mezcla de aire y combustible se introduce al interior del cilindro debido a la depresión generada.
2. Compresión
El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Con las válvulas cerradas, el pistón comprime la mezcla en la cámara de combustión.
3. Combustión/Expansión (Trabajo)
Este tiempo se divide en tres etapas:
- Etapa 1: El pistón llega al PMS, salta una chispa y se produce la explosión.
- Etapa 2: La chispa provoca el encendido y la rápida combustión de la mezcla.
- Etapa 3: El aumento casi instantáneo de la presión genera la expansión, empujando el pistón hacia abajo.
4. Escape
Cuando el pistón termina su carrera de trabajo alcanzando el PMI, la válvula de escape se abre y los gases quemados salen. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS, expulsando los gases restantes.
Mejoras en el Rendimiento del Motor de Ciclo Otto
Si las válvulas se abrieran y cerraran exactamente cuando el pistón alcanza el PMS y el PMI, el rendimiento del motor sería muy bajo. Para optimizarlo, se realizan avances y retrasos en la apertura y cierre de las válvulas, así como en el encendido:
- AAA (Avance de Apertura de Admisión): Para mejorar el llenado del cilindro, la válvula de admisión comienza a abrirse antes de que el pistón llegue al PMS.
- RCA (Retraso de Cierre de Admisión): La válvula de admisión se cierra después de que el pistón haya pasado el PMI, aprovechando la inercia de los gases que siguen entrando al cilindro. Esto mejora el llenado y aumenta el rendimiento.
- AE (Avance de Encendido): La chispa salta entre los electrodos de la bujía antes de que el pistón llegue al PMS. Esto provoca el encendido y la rápida combustión de la mezcla, maximizando la presión cuando el pistón alcanza el PMS.
- AAE (Avance de Apertura de Escape): Antes de que termine la carrera de trabajo, la válvula de escape se abre para que los gases quemados comiencen a salir.
- RCE (Retraso de Cierre de Escape): Para que los gases se expulsen completamente, la válvula de escape se cierra después de que el pistón haya pasado el PMS.
- Cruce de Válvulas: Se produce cuando las válvulas de escape y admisión están abiertas simultáneamente durante un breve periodo.
Diferencias entre el Ciclo Teórico y el Ciclo Real
El trabajo es el producto de la fuerza aplicada en un punto por la longitud que se ha desplazado dicho punto en el sentido y dirección de la fuerza.
Ciclo Teórico
- Admisión (E-A): Cilindro lleno de mezcla, ocupando todo el volumen, a presión atmosférica.
- Compresión (A-B): La mezcla se comprime en el interior del cilindro sin pérdida de calor (transformación adiabática).
- Explosión (B-C): En el punto B, salta una chispa produciendo la combustión de la mezcla, con un aporte de calor a volumen constante.
- Expansión (C-D): Se produce el desplazamiento del pistón por la presión interna generada.
- Escape Espontáneo (D-A): Se abre la válvula de escape y los gases residuales salen al exterior.
- Escape (A-E): El pistón barre los gases residuales.
Ciclo Real
- Admisión (E-A): No se produce a presión constante y el llenado del cilindro no es total.
- Compresión de la mezcla aire y combustible (A-B'): Se inicia a una presión inferior a la teórica, y la presión final es menor.
- Combustión (B'-C'): La chispa salta y necesita tiempo para quemarse, por lo que la presión es inferior a la teórica.
- Expansión del fluido (C'-D'): El trabajo útil es menor debido a la cesión de calor a las paredes del cilindro.
- Apertura del escape anticipado al PMI: La presión no baja de forma instantánea, ya que los gases necesitan tiempo para salir.
- Expulsión de los gases (A-E): Se produce a presión constante.
Diferencias en el trabajo: Pérdida de calor, necesidad de anticipar el encendido con respecto al PMS, avance de apertura del escape y pérdidas de trabajo de bombeo.
La cantidad de trabajo depende de la presión interna, la potencia de la chispa y la relación aire-combustible.