martes, 2 de noviembre de 2010

Ciclo Otto 2 y 4 tiempos

Motores ciclo Otto

Es el más antiguo (inventado por el alemán Augusto N. Otto en 1864) y uno de los más populares motores térmicos, también conocido por motor a encendido por chispa o “naftero” por ser la nafta el combustible que emplean más frecuentemente.
Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

Mecánicamente, la estructura básica de estos motores -del tipo alternativo, a pistón- consta de tres grupos constructivos:

  1. el conjunto del cigüeñal: mecanismo biela-manivela que comprende: cigüeñal, bielas, pistones y volante de inercia
  2. el bloque motor (“block”) que incluye los cilindros, apoyos para el cigüeñal (“bancadas”), árbol de levas, etc. y la culata (tapa de cilindros), conductos de admisión y escape (múltiples”), etc.
  3. los mecanismos de la distribución: árbol de levas, botadores, varillajes, balancines, válvulas, etc.

A ellos hay que sumarle:
§         sistema eléctrico de encendido, que por medios electromagnético-mecánico o electrónico es el encargado de inflamar la mezcla aire-combustible en el interior de los cilindros.
§         sistema de refrigeración apropiado para asegurar el funcionamiento del motor dentro de rangos de temperatura adecuados a los materiales, aceite lubricante, etc.
§         sistema de lubricación para todas las partes móviles.
§         sistema de alimentación compuesto por filtros de aire, bomba de combustible, carburador o dispositivo de inyección.

Motor Otto a 4 tiempos
§         Desde el punto 0 al 1: 1ra. carrera del pistón (desde el PMS al PMI) aspiración o admisión  del gas que evoluciona, transformación a presión constante (válvula de admisión abierta).

§         Desde el punto 1al 2: 2da. carrera,  compresión del gas realizada sin intercambio de calor con el exterior (medio), transformación adiabática. (ambas válvulas cerradas)

§         Desde el punto 2 al 3: el ciclo recibe una cantidad de calor Q1 a volumen constante.
§         Desde el punto 3 al 4: expansión adiabática del gas. (continuan cerradas ambas válvulas).
§         Desde el punto 4 al 1: descenso de la presión del gas por la apertura de la válvula de escape (a volumen constante) y entrega de una cantidad de calor Q2 al medio.
§         Desde el punto 1 al 0, fin del ciclo: Barrido o escape del gas hacia el exterior a través de la válvula de escape abierta, a presión constante.

  1. Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (Esto no significa que entre de forma Gaseosa).
  2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.
  3. Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.
  4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.

Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante turbocompresores (turbos o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento positivo).
En algunos motores el cilindro es constituido por una "camisa" que nada más es que un tubo cilíndrico colocado en el bloque del motor y que posibilita la circulación de agua en su vuelta, así como una fácil sustitución en caso de desgaste.
En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos. Una relación de compresión baja requiere combustible con bajo número de octanos para hacer que el combustible alcance su punto de ignición. De la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de detonación del combustible, es decir, que se produzca una autoignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía.

Ver video ciclo otto.

Motores Otto 2 tiempos
Una configuración mecánica diferente permite cumplir el ciclo completo en dos carreras del pistón, en lugar de cuatro como requiere el anterior, son los llamados “motores 2 tiempos” (en realidad debieran llamarse “2 carreras” por cuanto  los cuatro tiempos del ciclo se cumplen, aunque en una sola vuelta del cigüeñal)
Este motor no posee válvulas. El ingreso y salida  de los gases es controlado por el mismo pistón que tapa y descubre unos orificios (“lumbreras”) ubicados en las paredes del cilindro. En el proceso de admisión y pre-compresión tiene activa participación el carter, que en este caso es hermético y seco.
En el motor  "2 tiempos" el pistón que asciende desde el PMI cierra la  lumbrera de transferencia provocando una depresión en el carter. Al continuar en su ascenso descubre la lumbrera de admisión posibilitando el ingreso de la mezcla aire-combustible procedente del carburador. La parte superior del pistón comprime la mezcla existente en el cilindro (ingresada en el ciclo anterior). Luego del salto de chispa en la bujía se produce la combustión y expansión provocando la carrera descendente activa del pistón que se desplaza hacia el PMI. En el descenso el pistón descubre la lumbrera de escape permitiendo la salida de los gases quemados, al mismo tiempo que cierra la lumbrera de admisión, con lo que la mezcla recientemente ingresada queda encerrada en el espacio delimitado por el pistón y el carter. Al continuar el pistón en su descenso abre la lumbrera de transferencia (o barrido) por lo que la mezcla contenida en el carter y a una presión superior a la atmosférica  asciende por el conducto de transferencia completando el barrido de los gases quemados remanentes en el cilindro, llenándolo con mezcla , iniciándose el ciclo..
La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo.
En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.

Ver video ciclo 2 tiempos.

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