Ciclos ideales Rev2.pdf

UNR-IPS - TUM 2.22.2 LABORATORIO DE MOTORES
Profesor: Ing MARCELO CARRANZA
Uso Interno-Prohibido su difusión
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1. Introducción.
Se define motor como la máquina destinada a producir movimiento a expensas
de una fuente de energía. Los mismos pueden ser clasificados dentro de dos rangos
importantes, ellos son:
o Motores de combustión externa: Son aquellos donde la fuente de energía no
actúa directamente sobre los mecanismos encargados de proporcionar el
movimiento y utilizan otro fluido para la interacción. Ej: Máquina a vapor, el
carbón o leña (fuente de energía) se utiliza para generar vapor de agua (fluido
intermediario) con el fin de que el mismo, por medio de diversos mecanismos,
genere el movimiento requerido.
o Motores de combustión interna o endotérmicos: A diferencia de los anteriores,
la energía producida por la reacción química, como así también los productos
de la misma, actúan directamente sobre el mecanismo de generación de
movimiento sin la necesidad de utilizar ningún fluido intermediario. Por lo que
los gases productos de la combustión son los fluidos motores. Ej: Motores de
automóviles, turbinas de avión, Motores de motocicletas, etc.
Los motores de combustión interna o motores endotérmicos son máquinas
destinadas para entregar energía (en forma de movimiento), directamente utilizable, la
cual proviene de la reacción química de combustión.
Queda claro entonces, que la gran diferencia está en el fluído motor; en los
motores de combustión externa los gases producto de la combustión, NO forman
parte del fluido motor, mientras que en los de combustión interna SI.
2. Balance de energía.
La energía en juego para la generación del movimiento puede ser estudiada
por medio de un balance de energías (principio de conservación de la energía), el cual
se esquematiza en la figura 1. En este capítulo no se pretende entrar en detalle sobre
los mecanismos que transforma la energía en movimiento y es por ello que se
considerara al motor como un bloque donde ingresa y egresa energía.
Figura 1: balance de energía.
Expresando matemáticamente lo graficado, tenemos que:
𝐸. 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐸. 𝑞𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 + 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒
+ 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

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𝐸. 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄 + 𝑊 + 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛
Es importante este análisis, ya que de esto se desprende el cálculo de
eficiencia o rendimiento de este tipo de motores, que veremos mas adelante.
3. Ciclo termodinámico de un motor de combustión interna.
El hablar de ciclo, tiene implícito dos aspectos a destacar: 1ro que las
condiciones de P, T y V del inicio y fin son iguales . 2do que todas las
transformaciones desarrolladas para llegar al punto final tienen una secuencia
definida. Por lo tanto cuando hablamos de definir o calcular un ciclo termodinámico,
estamos diciendo que queremos determinar o calcular la presión , la temperatura y el
volumen para cada uno de los puntos que definen las etapas del mencionado ciclo.
En el estudio de los ciclos termodinámicos comenzaremos desde lo mas sencillo
hasta llegar a la realidad siguiendo el análisis progresivo que a continuación se
detalla:
o Ciclo ideal: Estudio de un gas ideal trabajando dentro de un mecanismo
ideal o motor ideal.
o Ciclo límite aire-combustible: Parte su desarrollo se tiene en cuenta la
utilización de un gas (mezcla aire-combustible) real , funcionando
dentro de un mecanismo ideal (motor ideal).
o Ciclo real: Siendo este el fin del camino, donde se agrega a lo definido
en el paso anterior, el hecho de trabajar con un motor real.
En la figura 2 se puede observar esquemáticamente lo antes mencionado.
Cada una de las consideraciones o hipótesis, que fueron brevemente destacadas, se
ampliaran y desarrollaran en el estudio de cada ciclo.
Figura 2: camino para la determinación del ciclo real.

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4. Clasificación de los motores endotérmicos de pistones.
Para poder avanzar en esta unidad, ya a esta altura conviene hacer una
clasificación de los motores para un uso apropiado del vocabulario técnico.
 Por el tipo de ciclo termodinámico que desarrolla:
 Ciclo Otto o de volumen constante.
 Ciclo Diesel o de presión constante.
 Ciclo Sabathé.
 Ciclo Stirling.
 Ciclo Carnot.
 Ciclo Atkinson…. Etc
 Por el número de cilindros que posee:
 Monocilíndrico.
 Bicilíndrico.
 Tricilíndrico…. Etc
 Por la disposición de los cilindros cuando se trate de pluricilíndricos:
 En línea.
 En V y a continuación se expresa el ángulo de la v que forman los
cilindros, por eso se dice en V a 60º, en V a 90º, en V a 120º , etc.
 Cilindros opuestos, también denominados “Boxer”
 Cilindros contrapuestos.
 Radiales….Etc
 Por la presión de admisión:
 Aspirados (Presión de admisión = Patm)
 Sobrealimentados (Presión de admisión > Patm)

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 Por los tiempos o etapas, o carreras en que se desarrolla el ciclo.
 4 tiempos
 2 tiempos
Sobre esta última clasificación conviene hacer una pequeña explicación con la ayuda
de unos gráficos.
Un ciclo termodinámico de un motor (independientemente de tipo que se
estudie) esta compuestos por etapas o tiempos y estas son las que se toman a la
hora de clasificar a los motores. Veamos como sería un motor de 4 tiempos o 4
carreras ,o 4 etapas
o Motores de cuatro tiempos (4T) o etapas: las etapas son las siguientes.
o Motores de dos tiempos (2T) o etapas: las etapas o tiempos son las
siguientes.
 Admisión y compresión (esquema 1 y 2).
 Combustión y escape (esquema 3 y 4).
Como se ve, en realidad están presentes las cuatro
etapas pero se solapan de dos en dos.

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En base a esto lo importante es ver que en un motor de 4T completa un ciclo cada
dos vueltas del cigüeñal y en un motor de dos tiempos se completa cada ciclo con un
solo giro del cigüeñal.
5. Ciclos ideales:
El ciclo termodinámico ideal se realiza teniendo en cuenta las siguientes
hipótesis:
SOBRE EL FLUIDO MOTOR IDEAL
o El fluido de trabajo se comporta como un gas ideal diatómico (aire
ideal).
o Lo antes mencionado implica que no hay variación del Cp y del Cv del
gas con el aumento de temperatura.
o El proceso de combustión se desarrolla en equilibrio químico y puede
evolucionar en tiempo cero, o sea instantáneamente.
o El número de moles del gas antes de la combustión y después de la
misma no varía.
SOBRE EL MOTOR IDEAL
o El motor ideal no tiene rozamiento.
o No hay transferencia de calor entre el motor y el medio ambiente.
o Las válvulas se cierran y abren en tiempo cero, instantáneamente.
o No hay pérdidas de carga en el movimiento del fluido durante la
admisión y el escape.
o No hay perdidas de carga localizadas cuando los fluidos pasan por el
sector anular entre válvula y asiento de la misma.
o La combustión es instantánea.
o No hay perdidas de carga aún aumentando el Nro de RPM del motor.
A continuación se esquematizan y explican dos ciclos fundamentales, de los
cuales dos son los que se pueden observar hoy en día . Los mismos son: ciclo OTTO
y DIESEL .
5.1. Ciclo OTTO.(4 Tiempos)
Funcionamiento:
El pistón, ubicado en el PMS (punto muerto
superior), realiza la etapa de admisión
(desde el punto 5 al 1), donde el cilindro se
llena de una mezcla de aire y combustible a
presión atmosférica.

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En el punto 1 (PMI: punto muerto inferior) la válvula de admisión se cierra,
instantáneamente, y el pistón comienza la
etapa de compresión (desde el punto 1 al 2) sin que exista ninguna transferencia de
calor de la mezcla con el medio que la contiene.
Al llegar al punto 2, un aporte de energía eléctrica produce que la mezcla aire
combustible dentro del cilindro se combustione completamente de manera
instantánea, incrementando la presión a volumen contante dentro del recinto, lo que
se evidencia por la incorporación de un calor de valor Q1.
Desde el punto 3 hasta el punto 4, el pistón (debido a la alta presión en su interior)
realiza el recorrido de expansión (etapa de expansión), sin que se registre ninguna
transferencia de calor entre el fluido y el medio que lo rodea. Generalmente también
se la llama etapa de trabajo, ya que es la única etapa donde el émbolo es empujado
por el fluido.
Desde el punto 4 hasta el punto 1 tenemos la eliminación instantánea de calor de
valor Q2, la caída de presión es producto de la apertura instantánea de la válvula de
escape. La salida de los gases producidos por la combustión, se realiza desde el
punto 1 al punto 5, coincidente con el recorrido de aspiración o admisión.
Es importante destacar que: el calor eliminado (Q2) es mucho menor al calor
que inglesa al ciclo (Q1), y es esta diferencia la que permite la obtención de un trabajo
neto (área dentro del gráfico) utilizado para la generación de movimiento.
5.2. Ciclo DIESEL. (4 Tiempos)
Funcionamiento:
Con la válvula de admisión abierta
el pistón comienza su carrera de
llenado donde, a diferencia del
ciclo anterior, solo ingresa aire a
presión atmosférica. La etapa de
llenado o admisión es la que se
muestra desde el punto 5 al punto
1.
Con el pistón en la posición 1 la
válvula de admisión se cierra
instantáneamente y se da comienzo a la etapa de compresión adiabática (desde el
punto 1 al punto 2), donde en ningún punto de la misma hay intercambio de calor.
Finalizada la compresión adiabática (pistón ubicado en el PMS, punto 2 del
diagrama), se inyecta combustible que, dado las condiciones de presión y

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temperatura, combustiona en forma espontánea y durante la etapa 2-3 se va
inyectando combustible a medida que se va combustionando permitiendo a pesar que
el émbolo descienda, mantiene la presión constante. Finalizada esta etapa (punto 3) ,
finaliza la combustión y se habrá aportado una cantidad de calor Q1 a una presión
contante (etapa de combustión).
Desde el punto 3 hasta el punto 4 del diagrama (etapa de expansión) el ciclo
experimenta una expansión adiabática donde, al igual que en el ciclo anterior, debido
a las hipótesis supuestas, el fluido no experimenta ningún intercambio de calor.
Con el pistón en el punto muerto inferior (PMI) se abre la válvula de escape (de
manera instantánea) y se procede a la eliminación de los gases de la combustión, por
lo que existe una liberación de calor de magnitud Q2 a volumen constante hasta que
la presión se iguala a la atmosférica. Seguido a esto, el pistón concluye el ciclo
realizando una última carrera donde, a presión constante, expulsa los gases de
escape (etapa de escape). Una vez que el pistón llega al PMS la válvula de escape se
cierra instantáneamente y el ciclo vuelve a empezar.
El área que se encuentra encerrada, al igual que el ciclo anterior, es el trabajo
que entrega el motor. La diferencia apreciable entre los dos ciclos del trabajo es en la
etapa donde se aporta el calor Q1, uno los realiza a volumen constante (OTTO) y el
otro a presión constante (DIESEL). Existe diferencia en cuanto a la construcción y a la
ignición del combustible de ambos ciclos, las cuales se estudiaran posteriormente.
5.3. Definiciones / Parámetros / Relaciones.
Para avanzar en el estudios de los ciclos es necesario entrar en las siguientes
definiciones, definir parámetros de estudio y como se relacionan entre sí. En un paso
posterior pasaremos a calcular el ciclo, esto es, determinar la P, la T y el volumen de
cada punto que definen el ciclo.
o Volumen desplazado por el pistón (𝑉𝑑) :
𝑉𝑑 =
𝜋 ∙ ∅2
4
∙ 𝐶
Referencia:
∅ = Diámetro del cilindro.
𝐶 = Carrera del pistón.
o Relación de compresión (𝑟𝑐).
𝑟𝑐 =
𝑉𝑑 + 𝑉
𝑐𝑐
𝑉
𝑐𝑐
⇒ 𝑟𝑐 = 1 +
𝑉𝑑
𝑉
𝑐𝑐
Referencia:
𝑉𝑑 = Volumen desplazado por el pistón.
𝑉
𝑐𝑐 = Volumen de la cámara de combustión.

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o Cilindrada de un motor:
𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑍 ∙ 𝑉𝑑
Referencia:
𝑉𝑑 = Volumen desplazado por el pistón.
𝑍 = Número de cilindros del motor.
o Consumo específico (𝐶𝑒): Es la masa de combustible que consume el motor en la unidad de
tiempo por cada HP o CV de potencia entregado
𝐶𝑒 =
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
Referencia:
El consumo específico se mide en:
𝑔𝑟
𝐶𝑉∙𝐻𝑜𝑟𝑎
o
𝑔𝑟
𝐻𝑝∙𝐻𝑜𝑟𝑎
o Relación aire-combustible (𝑟𝑎𝑐):
𝑟𝑎𝑐 =
𝑚𝑎
𝑚𝑐
=
𝑚𝑎
̇
𝑚𝑐
̇
Referencia:
𝑚𝑎 = Masa de aire.
𝑚𝑎
̇ = Masa de aire en la unidad de tiempo.
𝑚𝑐 = Masa de combustible.
𝑚𝑐
̇ = Masa de combustible en la unidad de tiempo.
o Rendimiento volumétrico:
El rendimiento volumétrico (𝜂𝑉) es independiente del ciclo de estudio
(SABATHÉ, OTTO, DIESEL) y engloba todas las cuestiones de índole másicas del
ciclo. El mismo se calcula de la siguiente manera.
𝑚𝑎0
= 𝜋 ∙
𝐷2
4
∙ 𝐶 ∙ 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
𝜂𝑉 =
𝑚𝑎
𝑚𝑎0
𝑓 =
𝑚𝑓
𝑚𝑎 + 𝑚𝑐 + 𝑚𝑓
𝜂𝑉 = (1 − 𝑓)
Referencia:
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 = Densidad del aire.
𝐷 = Diámetro del cilindro.
𝐶 = Carrera del pistón.
𝑚𝑎 = Masa de aire que ingresa al cilindro.
𝑚𝑎0
= masa de aire teórica que ingresa al
cilindro.
𝑓 = Coeficiente de dilución.
𝑚𝑐 = Masa de combustible.
𝑚𝑓 = Masa de gases quemados remanentes.
o Rendimiento térmico de los ciclos.
Ciclo Otto
𝜂𝑡 = 1 −
1
𝑟𝑐
(𝛾−1)

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Ciclo Diesel
𝜂𝑡 = 1 −
(𝑟𝑖
𝛾
− 1)
𝛾 ∙ 𝑟𝑐
(𝛾−1)
∙ (𝑟𝑖 − 1)
5.4.Representaciones gráfica de los rendimiento térmicos del ciclo OTTO y DIESEL.
Observando las ecuaciones de los respectivos rendimientos térmicos de cada
ciclo, observamos que la relación de compresión se encuentra en el denominador del
segundo término, por lo tanto a medida que la relación de compresión aumenta
disminuye el segundo término restando menos al valor 1. Quiere decir entonces que a
mayor relación de compresión mejor será rendimiento térmico. Realicemos la gráfica
de los rendimientos de cada ciclo en función de la relación de compresión.
Para la realización de las gráficas de los rendimientos térmicos vs la relación
de compresión de cada ciclo se tomó un valor de 𝛾 = 1,396
.

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Como se ve , cada ciclo tiene un rango de relaciones de compresión en la que
su funcionamiento es correcto con los combustibles actuales. Los motores ciclo Otto
trabajan con relaciones de compresión de 8 hasta casi 12, los gaseros podrían
funcionar con relaciones compresión del orden de 14, sin llegar a tener combustiones
anormales que deterioren el motor.
Y finalmente los motores ciclo diesel funcionan con relaciones de 17 a 21.
También es interesante observar que en los ciclos diesel, fijada la relación de
compresión, el rendimiento térmico decae con el aumento de la relación de inyección.
Ciclo OTTO. Ciclo DIESEL.

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