MOTORES DE CICLO OTTO (4 TIEMPOS)

MOTORES DE CICLO OTTO (4 TIEMPOS)

Resumen:

El propósito del presente artículo radica en comprender el funcionamiento y las diversas aplicaciones que existen en este tipo de motores. Asimismo saber la importancia que tiene su uso en nuestra sociedad, siendo este parte importante de muchos autos o máquinas, que son utilizados para nuestro desarrollo. En líneas generales este artículo aborda un tema que compete a todo estudiante de ingeniería mecánica.

Palabras claves: Motor de ciclo Otto, punto muerto inferior (PMI), punto muerto superior (PMS), octanaje o número de octanos.

Abstract:

The purpose of this article is to understand the functioning and the different applications that exist on this kind of motors. Also to know the importance of their use in our society, being this a very important part of many cars and machines which are used for our development. In conclusion, this article is about an issue that every mechanical engineering student need to know.

Keywords: Otto cycle engine, bottom dead center, top dead center; octane number.

Los motores de ciclo Otto son motores de combustión interna que se caracterizan por aspirar una mezcla de aire-combustible (normalmente gasolina dispersa en aire). El motor de ciclo Otto es un motor alternativo, esto quiere decir que se trata de un sistema pistón-cilíndrico con válvulas de admisión y escape para controlar el flujo que entra y sale del cilindro.

Los motores de ciclo Otto se basan básicamente en la existencia de cuatro movimientos en el funcionamiento del motor que son el movimiento o tiempo de admisión, compresión, explosión y escape; ideado para combustibles ligeros, capaces de vaporizarse.

En estos motores el ciclo de trabajo se completa en dos vueltas de cigüeñal o, lo que es lo mismo, en cuatro carreras del émbolo. De esto último proviene la denominación de motores de 4 tiempos.

Para su perfecto funcionamiento y para que el motor tenga una combinación perfecta es preciso dosificar exactamente la cantidad de aire y combustible que entra y coordina todos los procesos y los movimientos de las piezas, lo que entraña una notable complejidad mecánica.

También depende de la existencia de una bujía cuya chispa desencadena el proceso en el instante oportuno. Por lo que también se les conoces con el nombre de motores de encendido por chispa.

El primer tiempo de los motores de ciclo Otto es el tiempo de admisión, se produce cuando el embolo o pistón desciende, la válvula de admisión se encuentra abierta y la válvula de escape cerrada, de esta manera es introducida una mezcla de aire-combustible, una delas mejoras que se han realizado es abrir la válvula de admisión antes que el pistón llegue al PUNTO MUERTO SUPERIOR (PMS) y así facilitar el ingreso dela mezcla al cilindro. Durante el descenso del pistón desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior la mezcla en el sistema de admisión adquiere energía cinética, es decir, se crea una turbulencia, por lo tanto es necesario atrasar el cierre de la válvula de admisión para permitir que se siga llenando el cilindro después de que el pistón llego a PMI.

El segundo tiempo es de compresión, se realiza cuando el pistón empieza a ascender encontrándose cerradas las válvulas de admisión y de escape, este proceso se realiza de forma isotrópica. Justo antes de que el pistón llegue a PMS se produce la chispa de encendido lo cual provocará que se inflame la mezcla. Al iniciar la combustión antes de llegar al PMS se logra que el momento en que el pistón pasa por el punto muerto superior la combustión se está desarrollando a máxima velocidad, el proceso de la quema de la mezcla de aire-combustible se desarrolla a volumen constante y produce un calentamiento. Al terminar esta etapa el pistón ha completado dos movimientos, uno hacia abajo y el otro hacia arriba y el cigüeñal un círculo completo o sea 360°.

El tercer tiempo es el de la explosión, cuando el pistón ha llegado al punto muerto superior (PMS) la mezcla combustible que entró al cilindro durante la admisión a quedado comprimida. En este momento del ciclo dicha carga combustible se inflama por medio de una chispa producida por la bujía y se verifica la combustión. Debido al calor producido por la combustión (aproximadamente 4000 a 4500°C), se expanden los gases y se produce una alta presión en el interior del cilindro. Esta presión actúan en forma “de empuje” contra la cabeza del pistón, obligándolo a bajar, lo que constituye la transmisión de la energía al cigüeñal en forma de fuerza de torsión o rotatoria. Durante esta transmisión la presión aumenta a volumen constante.

El cuarto tiempo es el de escape o descargar que se da cuando el pistón se acerca al punto muerto inferior (PMI). Al llegar el pistón a punto muerto inferior luego de terminar la carrera de expansión se abre la válvula de escape, permitiendo así la salida de los gases ya quemados hacia el medio ambiente, una de las mejoras al sistema de escape ha sido adelantar el momento de apertura de la válvula de escape, es decir, iniciar la abertura antes que el pistón llegue a punto muerto inferior y así lograr que la presión de los gases dentro del cilindro se encuentre en valores muy bajos cuando el pistón pase por el punto muerto inferior (PMI).

En la mayoría de los motores la válvula de escape se cierra poco después de alcanzado el punto muerto superior, antes de que el pistón llegue a la parte superior en la admisión empieza a abrirse la válvula de admisión, esta permite que esté abierta totalmente cuando el pistón baja de nuevo para iniciar la admisión siguiente.

Al finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar.

Figura 1 figura 2 figura 3 figura 4

Figura 1: tiempo de admisión; figura 2: tiempo de compresión; figura 3: tiempo de explosión; figura 4: tiempo de escape o descarga.

Lógicamente, el movimiento de pistones y válvulas en un motor debe estar precisamente sincronizado, de forma que los cuatro tiempos se sucedan uno tras otro en todos los cilindros del motor. El mecanismo que se encarga de producir tal sincronización entre el movimiento de los pistones y la apertura de las válvulas se denomina distribución. La distribución se realiza uniendo mecánicamente el piñón del cigüeñal con un eje que produce la apertura de las válvulas al girar, denominado árbol de levas.

Como en el motor de cuatro tiempos la renovación de gases en el cilindro es cada dos vueltas de cigüeñal, y el árbol de levas abre cada válvula una vez por vuelta, el árbol de levas debe girar a la mitad de velocidad que el cigüeñal, es decir, el piñón del árbol de levas debe tener el doble de diámetro que el piñón del cigüeñal.

En un motor real, la apertura y cierre de válvulas no coincide exactamente con lo descrito anteriormente, sino que existen unos ángulos de desfase entre las aperturas y cierres y los pasos del pistón por el PMS y el PMI. “El valor óptimo de estos ángulos depende claramente tanto de las condiciones de operación del motor, sobre todo del régimen de giro, como de las características constructivas del motor como el número de cilindros, la disposición y dimensiones de los colectores de admisión” (Motores de combustión interna alternativos, Barcelona – Bogotá - Buenos Aires - Caracas- México, 2011, pág. 29)

De este modo, la válvula de admisión se abre unos grados antes de que el pistón alcance el PMS (avance a la apertura de admisión. AAA), con el fin de que comience a entrar aire antes y se consiga un mejor llenado del cilindro. Cuando el pistón alcanza el PMI, la válvula de admisión no se cierra, sino que permanece abierta unos grados más de giro de cigüeñal (retraso al cierre de admisión. RCA) para permitir una mayor entrada de aire. Por su parte, la válvula de escape se abre unos grados antes de que el pistón alcance el PMI en su carrera motriz (explosión). Este ángulo que se adelanta a la apertura de la válvula de escape se denomina avance a la apertura de escape (AAE).

Tampoco la válvula de escape se cierra cuando el pistón alcanza el PMS, sino que permanece abierta unos grados más. Este ángulo de desfase se designa como retraso al cierre de escape (RCE). La finalidad de estos dos ángulos es conseguir una mejor limpieza del cilindro. Todos estos ángulos, llamados cotas de distribución, son característicos para cada motor. La unión entre cigüeñal y árbol de levas se puede realizar mediante engranajes, correa dentada o cadena, siendo las dos últimas, especialmente la correa dentada las más usadas hoy en día. La correa dentada presenta como ventaja, frente a la cadena, el bajo ruido que origina; la ventaja de la cadena reside en el bajo mantenimiento que necesita.

Durante el funcionamiento del motor se produce una gran cantidad de calor que es necesario evacuar, con el fin de no comprometer la resistencia mecánica de las piezas, evitar la combustión del aceite de engrase del cilindro y fenómenos de detonación o autoencendido de la mezcla. Por ello, se hace necesaria la refrigeración forzada de elementos tales como la culata, las paredes de los cilindros y las válvulas. Dicha refrigeración puede obtenerse por aire directamente, o mediante un elemento refrigerante intermedio entre las piezas y el aire. La refrigeración por aire consiste en dirigir el flujo de aire generado por la marcha del vehículo y por un ventilador hacia el motor, mediante canalizaciones. Hoy en día se halla prácticamente en desuso. La refrigeración

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