EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
(Actualizado al 16 de Junio de 1998)

ASPECTOS GENERALES:

En los próximos párrafos abordaremos el estudio del motor de combustión interna. En primer lugar se hará un enfoque general sobre este tipo de motor y como del análisis general se derivan los diferentes ciclos que se usan hoy en día.

Luego veremos los ciclos teóricos asociados a cada tipo de motor tanto en diagrama p-V como en diagrama T-S.

En páginas separadas abordaremos el estudio detallado de cada uno de estos tipos de motores. En ellas podremos ver más detalles acerca del Motor Otto, como también del Motor Diesel y la Turbina a gas.

CICLOS GENÉRICOS:

Una característica clave de los motores de combustión interna es que en cada ciclo se aspira aire fresco, luego se adiciona el combustible y se quema en el interior del motor. Luego los gases quemados son expulsados del sistema y se debe aspirar nueva mezcla o aire. Por lo tanto se trata de un ciclo abierto.
En la Figura 1 vemos un ciclo genérico de un motor de combustión interna. 
Este consta de las siguientes partes generales: Existe una presión mínima en el sistema equivalente a pa. Desde 1 hasta 2 se realiza una compresión, en teoría adiabática sin roce. Entre 2 y 3 se realiza la combustión, con un aporte de calor Qabs. Entre 3 y 4 se realiza la expansión de los gases calientes. Normalmente es en esta etapa donde se entrega la mayor parte del trabajo. Esta expansión es también, en teoría, adiabática y sin roce. En 4 se botan los gases quemados a la atmósfera. El ciclo es realmente abierto, pero (para efectos de análisis) se supone que se cierra entre 4 y 1, volviéndose el estado inicial. Se introduce, por lo tanto, el concepto de Ciclo de aire equivalente. Esto significa que suponemos que el ciclo lo describe solo aire, al cual lo hacemos pasar por una sucesión de estados tal que se reproduce el ciclo real. Esto implica las siguientes suposiciones y simplificaciones: 
  • Las propiedades del aire se suponen constantes para todo el ciclo (no varían ni Cp ni Cv, aunque en el caso real sí lo hacen por variación de temperatura y porque en parte del ciclo se trabaja con gases quemados). 
  • Se supone un sistema cerrado. Es decir, el aire está cerrado dentro del sistema y se somete a las evoluciones equivalentes. 
  • Entre 2 y 3 se supone que se aporta calor externamente para lograr la evolución equivalente. 
  • En forma análoga, entre 4 y 1 se supone que se enfría el aire en forma equivalente. 
 
Una evolución clave en este ciclo genérico es la compresión de base 1-2. En efecto, ella es característica de cada ciclo y es (relativamente) constante. En cambio en la operación real, la cantidad de calor Qabs puede variar en forma importante, por lo tanto también varía la evolución 3-4. Pero la compresión de base es relativamente estable.

Se puede demostrar facilmente que el rendimiento de la compresión de base queda expresado por:

Por lo tanto, para aumentar el rendimiento del ciclo conviene, en lo posible, aumentar lo más que se pueda la compresión de base. Los límites a esta compresión pueden venir de dos fuentes:

Condiciones para maximizar el rendimiento del Ciclo:

En este ciclo genérico tenemos varias cosas que se pueden hacer para maximizar el trabajo obtenido. Enumerémoslas:
 
Estas tres situaciones las vemos ilustradas en las figuras 2 a 4. En ellas vemos que siempre se trata de maximizar el área encerrada por el ciclo de trabajo. En el caso de prolongar la expansión hasta pa, es obvia la ganancia de área. Así que en lo posible conviene hacerlo. Sin embargo esto no es posible en los motores alternativos (cilindro-pistón), siendo solo posible en el caso de las turbinas. Esto por cuanto se trata de agregar más etapas a la turbina hasta alcanzar la presión ambiente. 
En el caso de presión máxima fija (Figura 3), se trata de maximizar p2 de forma de maximizar el rendimiento. Esto porque así se tiene la máxima compresión de base posible. Sin embargo solo podemos hacer esto en caso de que se comprima aire. 

En efecto, si se comprime una mezcla aire-combustible, existirá una razón de compresión máxima, más allá de la cual la mezcla tiende a autoinflamarse. Por lo tanto se maximizará p2 de forma de llegar al límite tecnológico. En este caso conviene que la combustión se realice a presión constante. (ver figura 3). Es obvio que no conviene que la presión disminuya durante la combustión (disminuye el área de trabajo útil), pero tampoco puede aumentar la presión durante la combustión (si aumentase, se excedería la presión máxima, lo cual lleva a problemas tecnológicos). 

Finalmente tenemos el caso de que la compresión máxima esté fija. Esto ocurre cuando se comprime una mezcla aire-combustible

En este caso no se debe exceder una razón de compresión máxima, pues si se hace la mezcla tiende a autoinflamarse. En este caso conviene que la combustión se realice a volumen constante de forma de maximizar el área de trabajo (el caso se ilustra en la figura 4). 

Claro que se debe tener presente de que, de partida, se usó una razón de compresión más baja, por lo cual se ha pagado una penalización de rendimiento desde la partida. 

Este caso se da en el Ciclo Otto. 
 

En los próximos párrafos presentaremos los diferentes ciclos teóricos de motores de combustión interna.


CICLO OTTO TEÓRICO:

En estas páginas se detalla el ciclo Otto teórico, su rendimiento teórico y aspectos del ciclo que influyen en el rendimiento del motor. Además de ella parten enlaces al estudio de los ciclos reales.

CICLO DIESEL TEÓRICO:

La misma situación anterior, pero orientada al estudio del ciclo Diesel. Se destacan algunas diferencias importantes entre el ciclo Diesel y el Otto.

CICLO JOULE O BRAYTON TEÓRICO:

Este es el ciclo de la turbina a gas. Además de presentar el ciclo y su rendimiento, se enfatizan algunos aspectos importantes que son diferentes con respecto a los motores Otto y Diesel.


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