El documento resume los principales ciclos termodinámicos utilizados en máquinas térmicas como motores de combustión interna. Describe los ciclos de Carnot, Rankine, Brayton y Stirling, así como los ciclos de refrigeración. También explica los ciclos termodinámicos ideales de Otto y Diesel que modelan el funcionamiento de los motores de gasolina y diésel respectivamente. Finalmente, analiza las diferencias entre los ciclos teóricos y los ciclos indicados que ocurren realmente en los motores.

2. Entenderemos por ciclo termodinámico cualquier
proceso en que un sistema partiendo de un estado
inicial, sufre una serie de transformaciones
termodinámicas tras las cuales llega a un estado
final, que es igual al inicial (ciclo reversible).

3. Ciclos
Termodinámico
s
Ciclos de
Potencia
Ciclo de Carnot
Ciclo Rankine
Ciclo Brayton
Ciclo Stirling
Ciclos de
Refrigeración
Ciclo de Carnot
Inverso
Ciclo de
refrigeración
por compresión
Ciclo por
absorción

4. Ciclo de Carnot: Es el ciclo que se considera que tiene mayor eficiencia,
está conformado por cuatro procesos, dos de ellos isotérmicos y los otros
dos, ambos procesos son internamente reversibles.

5. Ciclo Rankine. Es el ciclo ideal práctico que emplea vapor como fluido de
operación. De igual forma, es considerado una modificación del ciclo
Carnot, en donde se sustituyen los procesos isotermos de absorción o
cesión de calor por procesos isobaros (que serán también isotermos en
parte, por tratarse de un vapor).

6. Ciclo Brayton. (o Joule) Modela el comportamiento de una turbina a gas,
como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro
pasos reversibles. Las etapas del proceso son las siguientes:
 Admisión, el aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la
turbina.
 Compresor, el aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de
combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que
esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión
adiabática 1→2.
 Cámara de combustión, en la cámara, el aire es calentado por la
combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire
puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un
proceso isobaro 2→3.
 Turbina, el aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este
paso el aire se expande y se enfría rápidamente, se describe como una
expansión adiabática 3 →4.

7.  Escape, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial)
sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire
que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero
dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace
la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire
de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la
boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a
presión constante 4→1.

8. Ciclo Stirling. Es un ciclo termodinámico que busca obtener el máximo
rendimiento, por ello es semejante al ciclo de Carnot, sin embargo esta
máquina está constituida por dos isotermas, dos isocoras y un sistema de
regeneración entre las isocoras. Consta de cuatro etapas
1-2 Compresión isotérmica
2-3 Absorción de calor
3-4 Expansión a alta temperatura
4-1 Cesión de calor

9. Los motores térmicos son máquinas que transforman
la energía calorífica en energía mecánica
directamente utilizable. La energía calorífica
normalmente es obtenida de la combustión de
combustibles líquidos o gaseosos y el trabajo neto es
generado por elementos constituyentes de dichas
máquinas.

10. Motores de
combustión
Interna
Inicio la
combustión
Motores de
Ciclo Otto
Motores de
Ciclo Diesel
Número de
ciclos de
trabajo
Motores de
dos tiempos
Motores de
cuatro
tiempos
Movimiento
del Pistón
Movimiento
rotativo
Movimiento
alternativo
Disposición
del Pistón
Lineal
En V
Bóxer

11. Realiza la transformación de energía calorífica en
mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases,
durante las cuales un pistón que se desplaza en el
interior de un cilindro efectúa cuatro carreras (a
través del sistema biela-manivela). El movimiento
lineal del pistón se transforma en un movimiento
rotacional del cigüeñal, realizando éste dos vueltas
completas en cada ciclo de funcionamiento.

12.  Primer tiempo: admisión, durante este tiempo el pistón se
desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto
muerto inferior (PMI) y efectúa su primera carrera o
desplazamiento lineal. Durante este desplazamiento el
cigüeñal realiza un giro de 180°. La válvula de admisión se
abre instantáneamente, y el fluido que entra por efecto del
vacío en el interior del cilindro creado por el pistón, hace un
recorrido C (denominado carrera).

13.  Segundo tiempo: compresión, el pistón efectúa su
segunda carrera y se desplaza desde el PMI hasta el
PMS. El cigüeñal efectúa un giro de 180°, implica que ha
girado 360°. En esta fase ambas válvulas están cerradas.

14.  Tercer tiempo: trabajo, cuando el pistón llega al final de la
compresión se genera un chispa entre los electrodos de la
bujía, lo cual constituye, el punto de ignición de la mezcla y
consecutivamente la combustión de la misma. En esta
etapa se libera energía calorífica, se eleva la temperatura y
el cambio de energía cinética (en las moléculas del
combustible) produce una fuerza que empuja al pistón y lo
desplaza hasta el PMI. Al aumentar el volumen la presión
baja y, disminuye la temperatura interna producto de la
expansión. Una vez culminada esta etapa se abre de forma
instantánea la válvula de escape. El cigüeñal gira 180°,
entonces tiene un recorrido de 540°

15.  Cuarto tiempo: escape, en este tiempo el pistón realiza su
cuarta carrera desde el PMI hasta el PMS. El cigüeñal
recorre 180°. Durante este proceso la válvula de escape
permanece abierta. A través de ella, los gases quemados
procedentes de la combustión salen a la atmósfera. Una
vez que el pistón haya llegado al PMS se cierra la válvula
de escape e instantáneamente se abre la de admisión.
Total girado por el cigüeñal 720°.

17. Es el ciclo ideal para las maquinas reciprocantes
ECOM (maquinas de encendido por compresión). En
los motores ECOM (también conocidos como
motores Diesel) el aire se comprime hasta una
temperatura que es superior a la temperatura de
autoencendido del combustible, y la combustión
inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta
dentro de este aire caliente.

18.  Primer tiempo: admisión, se abre la válvula de paso y
solamente entre aire. El pistón, hace su primera carrera al
desplazarse desde el PMS hasta el PMI. En este instante,
la válvula de paso se cierra de forma instantánea y el
cigüeñal a girado 180°.
 Segundo tiempo: compresión, el pistón realiza su segunda
carrera. Éste se desplaza desde PMI hasta PMS,
aumentando la presión y llevando la temperatura del aire
por encima de los 600°C, temperatura que es superior al
punto de ignición del combustible, de allí que la relación de
compresión deba ser del orden de 22. En esta etapa, sólo
hay aire en la cámara de combustión. El cigüeñal ha girado
360°.

19.  Tercer tiempo: trabajo, el combustible es inyectado en la
cámara de combustión a través de la bomba de inyección.
Como el aire se encuentra a una presión alta, el
combustible debe entrar a 150-300 atmósferas. Debido a
estas condiciones, se genera la combustión de forma
súbita, haciendo que el pistón se desplace (en una tercera
carrera) desde el PMS hasta el PMI y produciendo trabajo
sobre las piezas mecánicas del sistema. El cigüeñal ha
girado 540°.
 Cuarto tiempo: escape, se abre instantáneamente la
válvula de escape liberándose los gases de combustión. El
pistón sube en su cuarta carrera y el cigüeñal gira 180°
más, de esta forma completa dos vuelta por cada ciclo de
trabajo efectuado.

21. Otto (Chispa) Diesel (Compresión)
Entrada de combustible Aire y combustible juntos, en
una forma gaseosa, a la
cámara de combustión.
Aire y combustible separados
en forma gaseosa.
Encendido Chispa generada por una
bujía en la cámara de
combustión.
Alta temperatura obtenida
por la compresión del aire.
Relación de compresión𝑟𝑐
(𝑟𝐶 =
𝑉1
𝑉2
)
Entre 6-10 Entre 14-22
Rendimiento El de compresión (Diesel) tiene mayor rendimiento que el de
chispa (Otto)
Peso Menor peso para el de chispa con la misma cilindrada
Consumo de combustible El de compresión consume menos combustible y más
económico**
Costo El costo del motor Diesel es mayor que el Motor Otto

22. El ciclo real es el que refleja las condiciones efectivas de funcionamiento
de un motor y, cuando se representa en un diagrama P-V, se denomina
diagrama indicado.
Las diferencias que surgen
entre el ciclo indicado y el
ciclo teórico, tanto en los
motores de ciclo Otto como en
los motores de ciclo Diesel,
están causadas por:
 Perdidas por calor.
 Tiempo de apertura y cierre
de las válvulas.
 Combustión no
instantánea.
 Pérdidas por bombeo.

23. La combustión es una reacción química durante la
cual se oxida un combustible y se libera una gran
cantidad de energía.
Los combustibles más usados en los motores de
combustión interna son los denominados
Combustibles Hidrocarburos y se denotan por la
formula CnHm.
El comburente empleado con mayor frecuencia en
los procesos de combustión es el aire, por obvias
razones (es gratuito y se consigue fácilmente).
Combustible + Comburente = Productos de combustión

24. Combustible
Contenido
energético kJ/L
Equivalencia*,
en gasolina, L/L
de gasolina
Gasolina 31 850 1
Diesel ligero 33 170 0.96
Diesel pesado 35 800 0.89
LPG (gas licuado de petróleo, principalmente
propano)
23 410 1.36
Etanol (o alcohol etílico) 29 420 1.08
Metanol (o alcohol metílico) 18 210 1.75
CNG (gas licuado comprimido, principalmente
metano, a 200 atm)
8 080 3.94
LNG (gas natural licuado, principalmente metano) 20 490 1.55
*Cantidad de combustible cuyo contenido energético es igual a la energía contenida
en un litro de gasolina.
Comparación de algunos combustibles alternativos contra los combustibles
tradicionales basados en petróleo usados en la industria el transporte.

25. La relación aire-combustible (AC) es la cantidad utilizada en el
análisis de procesos de combustión para cuantificar las
cantidades de aire y combustible. Suele expresarse en una
base de masa y se define como una relación entre la masa
del aire y la masa de combustible.
𝐴𝐶 =
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑘𝑔𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
ó
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒