Diferencia entre Ciclo Téorico Otto y Ciclo Real
(Actualizado al 23 Octubre 2004)

Nota: Esta es versión provisoria. Aún faltan las figuras y varios temas...

1. Introducción:

En este punto desarrollaremos más en detalle las diferencias que existen entre el ciclo Otto teórico y ciclo real. En el párrafo presentaremos varios conceptos de gran importancia como potencia de bombeo y presión media efectiva. Este análisis también comienza a relacionar aspectos técnicos de este ciclo con respecto a sus características de contaminación.

Los diferentes puntos que vamos a abordar son:

2. Puntos Claves y Terminología del Ciclo Otto Real:

Ciclo Otto Teórico:

El ciclo Otto teórico se ve en la figura 1. Típicamente el ciclo lo describe un sistema cilindro-pistón, accionado por un mecanismo biela-manivela. La descripción del ciclo Otto teórico se hizo en un punto anterior. Aquí tenemos que recordar los siguientes aspectos básicos que valen para un ciclo de cuatro tiempos:

El pistón se mueve entre dos extremos llamados Punto Muerto Superior (PMS) y Punto Muerto Inferior (PMI). Se usa el término de punto muerto pues cuando el cigueñal se mueve una cierta cantidad de grados en torno al punto muerto, el desplazamiento vertical del pistón es pequeño. En cambio cuando se mueve los mismos grados a mitad de carrera, el desplazamiento es grande.

Se llama carrera la distancia que hay entre el PMS y PMI. Una carrera, por lo tanto, corresponde a media vuelta de cigueñal.

El cilindro se conecta con el exterior por medio de un sistema de admisión y un sistema de escape. La admisión de mezcla aire/combustible se controla por medio de una válvula de admisión (VA) y la expulsión de gases quemados a la atmósfera se controla por medio de una válvula de escape (VE).

El desplazamiento es el volumen que desplaza el pistón entre su carrera desde el PMS a PMI o vice versa.

El volumen mínimo o volumen muerto es el volumen que queda adentro del cilindro cuando el pistón está justo en el PMS.

El volumen máximo es el volumen dentro del cilindro cuando el pistón está en el PMI.

La razón de compresión es el cuociente entre el volumen máximo y volumen mínimo.

Un ciclo de 4 tiempos completo se realiza en dos revoluciones completas del motor (4 carreras): carrera de admisión (VA abierta y VE cerrada, desde PMS a PMI); carrera de compresión (VA y VE cerradas, desde PMI a PMS); carrera de trabajo (VA y VE cerradas, desde PMS a PMI) y carrera de expulsión o escape (VA cerrada, VE abierta, desde PMI a PMS).

Potencia de Bombeo:

El ciclo real tiene dos áreas de trabajo. Un área positiva que corresponde a la evolución 1-2-3-4 y un área de trabajo negativo que corresponde al trabajo de aspiración 0-1 más el trabajo de expulsión 1-0. Esta área de trabajo negativo se llama trabajo de bombeo y corresponde al trabajo necesario a hacer debido al llenado y vaciado de cilindro.

La potencia de bombeo es simplemente el trabajo de bombeo que se pierde por unidad de tiempo.

En la práctica el motor Otto (a gasolina) controla el trabajo generado por ciclo aumentando la potencia de bombeo. En efecto, para el motor Otto, la razón aire/combustible debe mantenerse casi constante e igual a la estequiométrica en todo el rango de funcionamiento. Por lo tanto a baja potencia y rpm la solución que se adopta es estrangular la admisión, para que así entre menos masa de aire y, por lo tanto, también disminuya la cantidad de combustible. Por lo tanto el trabajo de succión que se debe hacer durante la admisión crece mucho (es trabajo negativo). Por otro lado en la descarga o vaciado del cilindro también hay un área negativa que tiende a ser importante.

De hecho cuando el motor está sin carga y en ralenti, el trabajo de bombeo es igual al trabajo positivo generado por el ciclo y el trabajo neto es cero.

Presión Media Efectiva:

El trabajo neto que entrega el ciclo real es la suma del trabajo positivo (evolución real 1-2-3-4) más el trabajo negativo de bombeo (0-1 más 1-0). Podemos asimilar esta área de trabajo en un diagrama p-V a un rectángulo de área equivalente que tiene como presión mínima la presión ambiente, volumen mínimo el volumen V_2 y volumen máximo el volumen V_1. La presión máxima de este ciclo teórico es la presión media efectiva.

En buenas cuentas la presión media efectiva resulta de calcular un ciclo teórico, rectangular, que tiene el volumen mínimo y máximo del ciclo, presión mínima igual a la ambiente y presión máxima tal que el área de trabajo encerrado por este ciclo equivale al trabajo neto del ciclo real.

Rendimiento Volumétrico:

Otro concepto importante en el análisis del rendimiento que tiene un ciclo real es el rendimiento volumétrico. Este simplemente expresa el cuociente entre la masa de aire real que entra al cilindro en una embolada y la masa de aire teórica.

El cilindro tiene un volumen desplazado igual a Vmax - Vmin. Si el cilindro admitiera aire (mezcla) a presión ambiente, la masa que entra sería simplemente:

$$ m = \varrho \cdot (V_{max} - V_{min}) \qquad = { p_a \over R' \cdot T_a} \times (V_{max} - V_{min}) $$

Un menor rendimiento volumétrico hace que el motor pierda potencia.

Hay varios fenómenos que hacen que la masa de aire que entra al cilindro es menor a la teórica. En particular:

3. Factores que Afectan Rendimiento de Ciclo Real:

En la figura 2 se sobreponen el ciclo Otto teórico y lo que ocurriría si la apertura y cierre de válvulas así como el encendido de mezcla ocurra justo en los puntos claves del ciclo. En la descripción que sigue se compara lo que en teoría ocurre en cada evolución del ciclo y lo que ocurriría si se sigue el ciclo teórico.

Evolución 0-1; Aspiración: la válvula de admisión (VA) se abre y la válvula de escape está cerrada. En teoría el cilindro se llena con mezcla a presión ambiente. En realidad hay pérdida de carga en el sistema de admisión (filtro de aire, múltiple de admisión, flujo por válvula de admisión), esto hace que la presión en 1, p_1 sea menor que la presión ambiente. si en ese instante se cierra la válvula de admisión, el cilindro queda lleno de mezcla a presión significativamente menor que el ambiente. Al haber menos mezcla (menos aire), esto afectará negativamente la potencia que puede desarrollar el motor.

Evolución 1-2; Compresión: esta evolución en principio es una adiabática. Como p_1 es menor que el ambiente, la presión p_2 también termina de estar bastante por debajo de lo que ocurre en teoría.

Evolución 2-3; Combustión: La combustión en teoría es a volumen constante (isócora). Esto sería así si el tiempo de combustión fuera 0. Pero en realidad el frente de llama tiene una velocidad finita (del orden de la decena de metros por segundo). Cuando los motores Otto eran muy lentos (100 a 200 rpm), en la práctica la combustión se podía considerar instantánea, pero al sobrepasar las 2.000 a 3.000 rpm, la velocidad del pistón es del mismo orden de magnitud que el frente de llama.

Además, al iniciarse la combustión, esta se propaga desde la bujía al entorno de la cámara de combustión. Como el frente de llama es pequeño en un inicio, la presión subre relativamente lento. Entonces si se enciende la chispa justo en el punto 2 (PMS), el pistón comenzará a bajar de inmediato y el volumen a aumentar y la presión crecer menos de lo que debería.

Evolución 3-4; Carrera de trabajo: Esta evolución, en teoría, es expansión adiabática sin roce. Como el punto 3 termina a menor presión y más volumen que la teoría, es pierde área de trabajo.

Evolución 4-1; apertura Válvula de Escape: en teoría, al abrir la válvula de escape (lo que debería ocurrir instantáneamente en el punto 4), la presión dentro de la cámara de combustión cae en forma instantánea de p_4 a p_a (presión ambiente). Sin embargo ocurre que la apertura de la VE no es instantánea y además los gases de escape tienen que vencer el roce de fluir en torno a la VE y del sistema de escape (múltiple de escape, catalizador, ducto de escape y silenciador). Todo esto hace que la presión no caiga instantáneamente hasta p_a, sino que más lentamente, lo cual hace que de a poco se acerque la presión a p_a.

Evolución 1'-0; carrera de escape: en teoría esta evolución es a p_a. Pero en realidad la presión va cayendo hasta p_a. Esto se hace con la válvula de escape (VE) abierta. Si justo al llegar al PMS se cierra la VE y se abre la VA, ocurrirá que quedará dentro de la cámara de combustión una cierta cantidad de gases quemados (correspondientes al volumen muerto del cilindro). Estos gases quemados disminuyen el rendimiento del próximo ciclo al quitar volumen y aire fresco para la siguiente evolución.

En resumen, si se trata de abrir y cerrar válvulas y dar la chispa justo en los puntos teóricos del ciclo Otto, el rendimiento y performance se deterioran por:

Mal llenado de cilindro: al admitir mezcla a presión inferior al ambiente, la masa aire/combustible que llena el cilindro es menos que la teórica, esto bajará la cantidad de trabajo que se puede generar, pues entra menos combustible y además el trabajo de admisión es negativo.

Combustión no isócora: al dar la chispa justo en el PMS, se pierde trabajo por aumento de volumen durante la combustión y además porque adiabática de trabajo ocurrirá a presión menor que la teórica.

Vaciado no instantáneo del cilindro: al abrir la VE justo en el PMI, el vaciado del cilindro es no instantáneo, lo cual origina trabajo negativo de vaciado.

Carrera de expulsión con presión mayor a p_a: el punto anterior también hace que el trabajo de vaciado del cilindro durante toda la fase de expulsión sea mayor de lo necesario.

Gases quemados en volumen muerto: al cerrar la VE justo en el PMS y al mismo tiempo abrir la VA, hace que queden gases quemados en el volumen muerto, lo cual deteriora el rendimiento del siguiente ciclo.

4. Mejoras que se Hacen al Ciclo Real para Acercarlo al Ciclo Teórico:

Las mejoras que se hacen para mejorar el ciclo son muy variadas. En lo principal tienen que ver con los momentos de apertura y cierre de válvulas, como también con el avance del encendido. Todas estas mejoras buscan acercar más el ciclo real al ciclo teórico. En los próximos puntos trataremos de explicar en detalle estas mejoras. En forma análoga al párrafo anterior, describiremos el ciclo paso a paso.
 
 

Evolución 0-1; Aspiración:

La válvula de admisión (VA) se abre antes de que el pistón llegue al PMS (X) y la válvula de escape está cerrada. El adelantar la apertura de la VA permite facilitar el ingreso de mezcla al cilindro. Esto reduce la caída de presión en la admisión. Durante el descenso del pistón desde el PMS al PMI la mezcla en el sistema de admisión adquiere energía cinética. Por lo tanto es indispensable atrasar el cierre de la VA más allá del PMI. Esto permite que se sigua admitiendo mezcla al cilindro y se mejora la eficiencia del llenado del mismo.
 
 

Evolución 1-2; Compresión:

Esta evolución en principio es una adiabática. Ahora p_1 es menor que el ambiente, pero más parecido a la evolución teórica, por lo tamnto la presión p_2 ce acerca más a lo que ocurre en la teoría. Aquí se aplica una medida de suma importancia, que es adelantar el encendido. Esto significa que se enciende la chispa antes de llegar al PMS. El adelanto del encendido es importante, entre 14 y 30 en función de la velocidad del motor. La discusión se completa en el siguiente punto.

Otro punto a destacar en esta parte es que en realidad se comprime una mezcla de aire y gotas de combustible micropulverizadas. Al comprimirse la mezcla las gotas se evaporan. Esto hace que la evolución de compresión sea en realidad una politrópica con n< \gamma.
 
 

Evolución 2-3; Combustión:

Al iniciar la combustión antes de llegar al PMS se logra que el momento en que el pistón pasa por el PMS, la combustión se está desarrollando a máxima velocidad, lo cual permite acercarse más al ciclo teórico de combustión a volumen constante.

Es sumamente importante darse cuenta de que la magnitud de adelanto del encendido es dinámico; es decir es función de la velocidad y la carga del motor. Cuando el motor está en ralenti, el avance del encendido puede ser de 10 a 14 según el motor. Este avance va creciendo a medida que las rpm del motor sube y para velocidades en torno a las 3.000 rpm el avance suele estar entre 25 y 30.
 
 

Evolución 3-4; Carrera de trabajo:

Esta evolución, en teoría, es expansión adiabática sin roce. Como el punto 3 se acerca más al proceso ideal, se tiene una evolución que permite recuperar más trabajo. Aquí se toma una medida de mucha importancia que es el adelanto de la apertura de la válvula de escape de X grados. La explicación detallada se ve en el próximo punto.
 
 

Evolución 4-1; apertura Válvula de Escape:

En teoría, al abrir la válvula de escape (lo que debería ocurrir instantáneamente en el punto 4), la presión dentro de la cámara de combustión cae en forma instantánea de p_4 a p_a (presión ambiente). Sin embargo ocurre que la apertura de la VE no es instantánea y además los gases de escape tienen que vencer el roce de fluir en torno a la VE y del sistema de escape (múltiple de escape, catalizador, ducto de escape y silenciador). Al adelantar la apertura de la VE antes del PMI se logra que la presión de los gases dentro del cilindro alcance valores más pequeños al pasar el pistón por el PMI y al comenzar a subir, ya está prácticamente a presión ambiente.
 
 

Evolución 1'-0; carrera de escape:

Con el adelanto de apertura en VE, se logra iniciar esta evolución a una presión mucho menor, casi a p_a. Por ello el vaciado del cilindro se hace en forma mucho más eficiente. Además aquí se incorpora una mejora muy importante:

Esta medida se conoce como cruce de válvulas. Esta mejora implica los siguientes efectos: En Resumen:

Las mejoras que permiten acercarse más al ciclo ideal son:

En los motores actuales solo el adelanto del encendido es dinámico, es decir depende de las revoluciones y condiciones de carga del motor. La apertura y cierre de válvulas queda determinado por la geometría y cinética de las levas de admisión y escape. El ciclo podría mejorar en forma significativa sí la apertura y cierre de válvulas se controlara en forma dinámica, es decir en función de la velocidad y condiciones de carga del motor. Esto se está comenzando a implementar en forma experimental y en poco tiempo más se va a ver como productos de línea.

5. Comportamiento y Control de Motor Real:
 
 

6. Control de Combustible en Motor Real:
 
 
 
 

7. Aspectos Relativos a Emisiones:
 
 

8. Motores de dos Tiempos:
 
 

9. Motor Wankel: