Asignaturas:
- Comparación del proceso laboral teórico y real.
- Diagrama de indicadores
- Progresión de presión durante el proceso de cuatro tiempos de un motor de gasolina
- Progresión de presión durante el proceso de cuatro tiempos de un motor diésel
- Variación de presión durante diferentes condiciones de funcionamiento.
- Pérdida de flujo
- Influencia del tiempo de encendido en el diagrama de indicadores.
- Desarrollo de presión en el diagrama p-α
- Presión máxima de gas
- Presión media del gas
Comparación del proceso laboral teórico y real:
En el proceso de funcionamiento de un motor de gasolina o diésel nos encontramos ante un diagrama PV (P = presión, V = volumen) que indica la relación entre la presión y el volumen en el proceso de cuatro tiempos. Más información sobre esto se puede encontrar en la página: Proceso de Seiliger.
El proceso del ciclo teórico se lleva a cabo en un motor ideal, en el que no existen gases residuales ni pérdidas. En realidad, el proceso laboral teórico difiere del proceso laboral real debido a las siguientes desviaciones:
- el cilindro contiene no sólo carga nueva, sino también gas residual del ciclo de trabajo anterior;
- combustión incompleta del combustible;
- la combustión no se produce exactamente a igual volumen o presión;
- intercambio de calor entre el gas y la pared del cilindro;
- se producen pérdidas de flujo durante el cambio de trabajo;
- siempre hay (mínima) fuga de gas a lo largo de los segmentos del pistón;
- El calor específico cambia con la presión y la temperatura, lo que afecta la combustión.
El desarrollo del proceso de trabajo real se registra con el diagrama de indicadores.
Diagrama de indicadores:
El diagrama del indicador muestra la presión del gas en el cilindro (sobre el pistón) durante dos revoluciones del cigüeñal. El diagrama se determinó durante una medición de presión que tuvo lugar en el cilindro.
El diagrama de indicadores que se muestra es de un motor de gasolina. La línea roja indica la variación de presión con respecto a la carrera del pistón. Durante una medición real, se obtiene un valor en p Max. Hablaremos de esto más adelante. Debajo del diagrama hay un cilindro con un pistón en su interior. Las letras Vs y Vc indican el volumen sistólico y el volumen de compresión.
A continuación se muestra una lista de abreviaturas utilizadas en la figura:
- p0: presión del aire atmosférico;
- pmáx: presión máxima en el cilindro;
- S: carrera del pistón;
- Vs: volumen sistólico;
- Vc: volumen de compresión;
- W: mano de obra (+ positivo y – negativo);
- Ign: momento de ignición;
- Io: se abre la válvula de entrada;
- Nosotros: la válvula de escape se cierra;
- Es: la válvula de entrada se cierra;
- Uo: se abre la válvula de escape
Progresión de presión durante el proceso de cuatro tiempos de un motor de gasolina:
Podemos visualizar el diagrama de indicadores en cuatro situaciones diferentes:
- Carrera de admisión: el pistón se mueve de PMS a PMS y aspira aire. El volumen aumenta porque aumenta el espacio sobre el pistón.
La presión permanece constante*. La línea roja en el diagrama del indicador va desde a naar b; - Carrera de compresión: el pistón sube y comprime el aire. El volumen de aire disminuye mientras la presión aumenta. La línea roja muestra esto entre los puntos. b en c. El encendido se produce al final de la carrera de compresión;
- Golpe de potencia: después de que la bujía produce chispas, la mezcla tarda un tiempo en quemarse por completo. Vemos este proceso entre los puntos. c en d. La fuerza liberada por el encendido empuja el pistón hacia abajo. El volumen aumenta y la presión disminuye. Vemos esto entre las letras. d en e;
- Carrera de escape: la válvula de escape se abre y el pistón expulsa los gases de escape. El volumen disminuye, la presión permanece constante (e naar a).
Los fabricantes de vehículos híbridos lo están adaptando cada vez más hoy en día. Principio de Atkinson-Miller para reducir la resistencia mecánica durante la carrera de compresión. Esto se refleja en la línea ascendente de la carrera de compresión en el diagrama del indicador.
*En la explicación hablamos de presión igual durante la carrera de admisión. Esto es en parte correcto. Durante la carrera de admisión, la aceleración del pistón es máxima aproximadamente 60 grados después del PMS. El aire entrante no puede seguir al pistón. En ese momento se crea la presión negativa máxima de aproximadamente -0,2 bar. La presión del cilindro vuelve a aumentar. La inercia de masa del aire entrante garantiza que el aire siga entrando en el cilindro mientras el pistón vuelve a subir. La magnitud de la depresión depende de la posición de la válvula de mariposa y de la velocidad. Otra válvula de mariposa cerrada proporciona un mayor vacío a un régimen constante del motor. Hemos ignorado el aumento de la depresión durante la aceleración máxima del pistón en el texto y las imágenes de arriba.
Progresión de presión durante el proceso de cuatro tiempos de un motor diésel:
Aquí vemos un diagrama de indicadores de un motor diésel.
- carrera de admisión: el pistón se mueve de PMS a PMS y aspira aire (si el motor está sobrealimentado);
- Carrera de compresión: el pistón se mueve hacia el ODP. El aire se comprime y la temperatura sube a más de 100 grados centígrados debido al aumento de presión. Al final de la carrera de compresión se inyecta el combustible diesel. La inyección de combustible comienza entre 5 y 10 grados antes del PMS y finaliza entre 10 y 15 grados después del PMS;
- Carrera de potencia: debido a que el combustible diesel se inyecta al final de la carrera de compresión, comienza a arder mientras la presión permanece constante. La presión en la parte (casi) horizontal permanece constante, mientras que el volumen aumenta.
En el golpe de potencia vemos la disipación de calor isobárica del proceso del ciclo teórico.
Al igual que en el motor de gasolina, vemos que la válvula de escape se abre antes de que el pistón llegue al PMS. La superposición de válvulas también ocurre porque la válvula de entrada se abre antes de que se cierre la válvula de escape.
Variación de presión durante diferentes condiciones de funcionamiento:
Además de las propiedades del motor que determinan el diagrama de indicadores, también influyen las condiciones de funcionamiento (léase: carga del motor). La alta presión sobre el pistón no siempre está presente o es necesaria.
Los tres diagramas de indicadores siguientes muestran la variación de presión en relación con los grados del cigüeñal. Los diagramas se registraron bajo las siguientes condiciones:
- carga parcial: 3/4 de carga a n = 4200 rpm;
- carga completa: a n = 2500 rpm;
- Frenado motor: a n = 6000 rpm con la válvula de mariposa cerrada.
Vemos diferencias en la presión máxima de gas en el cilindro entre carga parcial y carga completa. Cuando se “frena el motor”, la válvula de mariposa está cerrada y hay un alto vacío en el tracto de admisión y en el cilindro. Debido a esta depresión, la presión de compresión no supera los 3 o 4 bar.
Pérdida de flujo:
Durante la carrera de admisión se crea un vacío en el cilindro. Aspirar aire cuesta energía. También vemos esto en el diagrama de indicadores. Entre los puntos a y b, la línea roja cae por debajo de p0 (la presión atmosférica del aire exterior). Hay un vacío debajo de esta línea de puntos (área -W). A estas las llamamos pérdidas de flujo o pérdidas por lavado.
El trabajo negativo (-W) cuesta energía y, por tanto, no es deseable. El enjuague requiere mano de obra. La presión de salida es mayor que la presión de entrada. El circuito de lavado es en sentido antihorario en los motores autocebantes.
Los fabricantes aplican técnicas para limitar las pérdidas de flujo:
- sincronización variable de válvulas;
- apertura de válvula grande y rápida;
- dimensionamiento óptimo de los canales de entrada;
- curso suave de los canales en el tracto de entrada (evitando transiciones bruscas);
- sobrealimentación (mediante turbo y/o compresor mecánico).
Los motores equipados con sobrealimentación tienen una tendencia negativa menor o nula en el diagrama de indicadores. El bucle de la bobina corre en el sentido de las agujas del reloj y ahora produce trabajo. La presión de sobrealimentación ayuda a empujar el pistón hacia abajo (del PMS al ODP) durante la carrera de admisión. El trabajo necesario del compresor se extrae de los gases de escape, ya que la rueda del compresor del turbo es accionada por la rueda de la turbina. Esto significa que los motores sobrealimentados son mucho más eficientes en las mismas condiciones que los motores autoaspirantes.
Influencia del tiempo de encendido en el diagrama de indicadores:
Para lograr el menor consumo de combustible posible y una alta eficiencia, es importante lograr lo siguiente:
- un tiempo de combustión corto, por lo que una alta velocidad de combustión. Esto tiene que ver con la composición de la mezcla;
- correcta fase de la combustión en relación con el movimiento del pistón. Esto se relaciona directamente con el tiempo de encendido. El centro de gravedad de combustión debe estar aproximadamente entre 5 y 10 grados del cigüeñal después del PMS. El centro de gravedad es la liberación de calor que se produce durante la combustión.
Tanto un momento de encendido demasiado temprano como demasiado tardío provocan una mayor liberación de calor a través de la pared del cilindro y, por tanto, una reducción de la calidad.
- Encendido demasiado temprano: la presión aumenta demasiado pronto porque la combustión comienza temprano durante la carrera de compresión. El pistón es frenado fuertemente antes del PMS por la presión de combustión. Un encendido demasiado temprano provoca presiones máximas elevadas, lo que provoca una reducción de la eficiencia mecánica y el riesgo de defectos en el motor.
- Encendido demasiado bajo: la combustión se inicia demasiado tarde. El pistón ya se está moviendo hacia el ODP, lo que hace que la presión en el espacio en expansión sea insuficientemente alta. Los gases aún ardiendo también pasaban por las válvulas de escape. Como resultado, la temperatura sube demasiado. Una mezcla pobre da el mismo resultado: el gas se quema demasiado lentamente. Si la mezcla es demasiado pobre, el gas seguirá ardiendo al comienzo de la carrera de admisión. Por esta razón, puede producirse un efecto contraproducente en los motores con carburador.
Un moderno sistema de gestión del motor determina el momento correcto de encendido a partir de sus parámetros: en cualquier circunstancia, el momento del encendido debe estar lo más cerca posible del límite de detonación.
Desarrollo de presión en el diagrama p-α:
El diagrama del indicador se puede convertir al diagrama de fuerza tangencial. Esto muestra la fuerza tangencial en función del ángulo del cigüeñal (alfa). Transformamos el diagrama del indicador en un diagrama en el que la presión (p) se representa en función del ángulo (α): el diagrama p-α.
En la siguiente imagen vemos el perfil de presión en el cilindro a plena carga.
Los puntos azules indican, como en el apartado “diagrama de indicadores”, en qué momento se abren y cierran las válvulas:
- Apertura (Io) y cierre (Is) de válvulas de entrada.
- Las válvulas de escape se abren (Uo) y se cierran (Us).
Además, podemos ver en los grados del cigüeñal en qué carrera está trabajando el motor:
- 0 grados: TDC (fin de la carrera de escape, inicio de la carrera de admisión)
- 180 grados: ODP (fin de la carrera de admisión, comienzo de la carrera de compresión)
- 360 grados: TDC (fin de la carrera de compresión, inicio de la carrera de potencia)
- 540 grados: ODP (fin de la carrera de potencia, comienzo de la carrera de escape)
Presión máxima de gas:
La presión máxima del gas es mayor durante la carrera de potencia. El nivel de presión depende de la carga del motor: cuando el motor entrega mucha potencia, la presión de combustión será mayor que a carga parcial.
Las cuatro imágenes siguientes muestran esto: la apertura del acelerador TP (posición del acelerador) da una indicación de hasta qué punto está cargado el motor en relación con la rotación del cigüeñal CA (ángulo del cigüeñal). En un motor de gasolina medio se crea una presión media de 4000 kPa durante la combustión a carga parcial y, en este caso, de unos 5000 kPa a plena carga. En motores con inyección por capas, ajuste del árbol de levas y elevación variable de válvulas, la presión puede superar los 6000 kPa.
Presión media de gas:
Durante el proceso de trabajo la presión en el cilindro varía enormemente. Durante la carrera de admisión hay un vacío (si un turbo de gases de escape proporciona una mayor presión del aire de admisión) y después de la carrera de compresión hay un pico de presión. Cuanto mayor sea la presión máxima del gas, más potente será la combustión.
Para determinar la presión promedio del proceso de combustión, podemos dividir el diagrama indicador en pequeños rectángulos de igual ancho. La siguiente imagen muestra rectángulos azules y verdes. Calculando el área de los rectángulos azules podemos calcular la presión positiva. Luego a esto le restamos el área de los triángulos verdes. Entonces nos queda la presión promedio del pistón.
Con la presión media del pistón podemos determinar, entre otras cosas, la potencia indicada y efectiva del motor. Visita la página: activos, pérdidas y rendimientos para leer más sobre esto.
En la imagen vemos que la línea roja cae fuera de los rectángulos azules: si redujéramos el ancho de cada rectángulo y pudiéramos por tanto colocar más rectángulos uno al lado del otro, obtendríamos cada vez menos desviación. Podemos aplicar esto ad infinitum. Por supuesto, en realidad no vamos a hacer eso. Aplicando funciones matemáticas podemos determinar matemáticamente la superficie. Hacemos esto con integrar.
