Termodinámica de Motores: Funcionamiento del Ciclo Otto y Ciclos Reales

Ciclo Otto a Volumen Constante

El rendimiento térmico de este ciclo depende fundamentalmente de la relación de compresión y del coeficiente adiabático (γ). Se deben considerar los siguientes factores:

• Mayor relación de compresión: Implica un mayor rendimiento, aunque se encuentra limitada por la aparición de la combustión detonante.
• Mayor γ: Proporciona un mayor rendimiento.
• Mezclas pobres: Aquellas con mayor proporción de aire y menos combustible mejoran el rendimiento debido a que mantienen un γ más elevado.

Ciclo Ideal con Aporte de Calor a Volumen Constante y Presión Limitada

En este tipo de ciclos, el comportamiento de la eficiencia se rige por las siguientes variables:

• Parámetros α y β: Un mayor α (y un menor β) se traduce en un mayor rendimiento.
• Presión máxima: Una mayor presión máxima incrementa el rendimiento, pero está condicionada por la resistencia mecánica del motor y el nivel de ruido generado.
• Relación de compresión: A mayor relación, mayor rendimiento.

Si el calor se aporta a presión constante, se obtiene el ciclo homónimo, utilizado habitualmente para el estudio de motores diésel lentos, tales como los empleados en barcos y centrales eléctricas.

Definición del Índice de Calidad del Ciclo

Rendimiento Indicado

El rendimiento indicado se define como la relación entre el trabajo real indicado (Wi), que es el área encerrada en el ciclo cerrado real, y el calor aportado al ciclo (Qa = mf * Hf).

Coeficiente de Calidad

A la relación existente entre el rendimiento indicado y el rendimiento termodinámico teórico se le denomina coeficiente de calidad del ciclo.

Comparación entre el Ciclo Ideal y el Ciclo Real

A diferencia del modelo teórico, el ciclo real presenta características de sistema abierto y diversas irreversibilidades:

• Intercambio de masa: El ciclo real es abierto, realizando procesos de admisión y escape con el exterior.
• Propiedades del fluido: El fluido cambia sus propiedades físico-químicas al producirse la combustión.
• Compresión: No es puramente adiabática; existen pequeñas fugas de gas e intercambio de calor con las paredes.
• Combustión: Presenta pérdidas de calor, no es instantánea y, en ocasiones, es incompleta.
• Expansión: Se ve afectada por pérdidas térmicas, fugas y la apertura anticipada de la válvula de escape, lo que reduce el aprovechamiento energético.

Principales Causas de Pérdida de Eficiencia

1. Pérdidas de calor: Dado que la compresión y la expansión no son adiabáticas, parte del calor se transmite a las paredes del cilindro.
2. Pérdidas de tiempo: La combustión requiere un tiempo finito. Se busca que ocurra cerca del Punto Muerto Superior (PMS) para optimizar el rendimiento.
3. Pérdidas de escape: La apertura y el cierre de las válvulas no son instantáneos. El Avance de Apertura del Escape (AAE) es necesario, pero provoca una pérdida de energía útil.

Diagrama Presión-Ángulo del Cigüeñal: Ideal vs. Real