1.- Análisis Del Ciclo Otto Ideal vs Real

8/17/2019 1.- Análisis Del Ciclo Otto Ideal vs Real

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nstituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería

M

ecánica y Eléctrica

Unidad Culhuacán

otores de combustión interna

Ciclo Otto ideal y real de 4T

M. En C. Jorge

Alberto Sánchez

Ramos.


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Procesos del ciclo Otto de aire estándar.1. Con el pistón en el PMI, se comprime aire isentrópicamente de 1 a 2, alcanzando el PMS.

2. Calor es agregado a volumen constante de 2 a 3, el pistón permanece en su posición (PMS).

3. Ocurre una expansión isentrópica de 3 a 4, regresando al PMI.

4. Calor es rechazado a volumen constante de 4 a 1, el pistón permanece en su posición (PMI).

Ciclo Otto de aire estándar (ideal).


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• Los procesos de compresión y expansión se

consideran adiabáticos, es decir sin intercambio de

calor del sistema (fluido de trabajo o agente de

transformación, delimitado por las fronteras del

cilindro, el monoblock y la cabeza del pistón), con

sus alrededores.

• Los procesos de admisión (0-1) y desalojo de gases

de combustión (1-0) no se consideran porque en

realidad son procesos necesarios de trabajo delmotor, pero no son procesos termodinámicos. Y si

bien, algunas veces se les consideran, se suponen

procesos a presión constante y atmosférica.

• El proceso de suministro de calor (en el caso real

seria el proceso de combustión), se considera

instantáneo, es decir, ocurre mientras el pistón seencuentra en el punto muerto superior.

• Los eventos de la distribución (apertura y cierre de

válvulas y el momento de la chispa) ocurren siempre

en puntos muertos.

Desviaciones del Ciclo Otto de aire estándar (ideal).


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Desviaciones del Ciclo Otto de aire estándar (ideal).

Proceso. Diagrama. Válvula de

admisión.

Válvula de

escape.

Recorrido

del pistón.

Admisión. 0-1 Abierta Cerrada PMS a PMI

Compresión. 1-2 Cerrada Cerrada PMI a PMS

Suministro

de calor.

2-3 Cerrada Cerrada PMS

Expansión. 3-4 Cerrada Cerrada PMS a PMI

Escape. 4-1-0 Cerrada Abierta PMI a PMS

La apertura de la válvula de admisión ocurre en el punto 0

(PMS) y su cierre, en el punto 1 (PMI).

Ambas válvulas permanecen cerradas durante los procesos

1-2, 2-3, y 3-4.En el punto 4 (PMI) , se abre la válvula de escape y

permanece abierta durante los procesos 4-1 y 1-0.

En el punto 0 (PMS) cierra la válvula de escape y

simultáneamente abre la válvula de admisión para iniciar un

nuevo ciclo.

El instante en que la chispa salta entre los electrodos de labujía, está representado por el punto 2 (PMS).

En el ciclo termodinámico, el proceso, 4-1

representa la cesión de calor a la fuente fría o

sumidero en un proceso isócoro (a volumen

constante), en el que se abate

instantáneamente la presión hasta la

atmosférica.

Algunos de los procesos termodinámicos

coinciden con los procesos operativos del

motor, esto es, con el movimiento del pistón

del PMS al PMI y viceversa.


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¿Es posible que una vez abierta la válvula de escape

en el punto 4 (PMI), la presión caiga

instantáneamente hasta la presión atmosférica del

punto 1 (PMI), mientras el pistón permanece en

esa posición?

En el motor real las válvulas abren con una velocidad

finita, determinada por la velocidad del motor y por

el perfil de la leva correspondiente del árbol delevas, es decir, abren y cierran poco a poco.

Si la presión no cae inmediatamente y el pistón

avanza en su proceso de escape del PMI al PMS,

¿Cómo será la trayectoria que describa el conjunto

de estados del fluido en el diagrama P-v?

Al llegar el pistón al PMS se cierra la válvula de

escape. La presión de los gases remanentes

dentro del pistón que quede en la cámara de

combustión ¿Será menor, igual, o mayor a la

atmosférica?

Ciclo real (sin puesta a punto).

¿Que sucedería? si se forzara a trabajar al ciclo real con las idealizaciones del ciclo teórico.


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En el PMS se abre la válvula de admisión, si lapresión en dicho punto es mayor que la atmosférica:

¿en que momento empezará a ingresar la mezcla

fresca de aire combustible en el interior del cilindro?

¿cual será la trayectoria real del proceso deadmisión?

Al llegar el pistón al PMI se cierra la válvula de

admisión. La presión al interior del cilindro ¿será

menor, igual o mayor que la presión atmosférica?


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Si el proceso real de compresión (PMI a PMS) inicia

desde una presión menor a la atmosférica ¿Cómo

será la presión de compresión al llegar al PMS?


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Como la combustión no es instantánea (le toma

cierto tiempo producirse y desarrollar el frente de

llama al interior del cilindro) y el pistón inicia su

carrera de retroceso al PMI, ¿Qué sucede con lapresión máxima alcanzada?


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Finalmente el ciclo se cierra por medio de la carrera

de expansión que representa la carrera de trabajo.


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El trabajo de intercambio gaseoso se

define como aquel trabajo que es

necesario que realice el pistón al

interior del cilindro para admitir mezclafresca aire-combustible y para desalojar

los gases de la combustión (carreras de

admisión y de escape).


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Es necesario efectuar la puesta a punto del motor (no

confundir con la puesta a tiempo, que solo significaajustar el momento de encendido de la chispa).

Poner a punto: Reorganizar todos los sucesos de la

distribución (aperturas y cierres de las válvulas, e instante

de producción de la chispa). Con la finalidad de obtener

del ciclo el mayor trabajo y rendimiento.


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¿Qué ocurre si se anticipa la apertura

de la válvula de escape?

Ciclo real (puesta a punto).


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La presión al interior del cilindro

empieza a disminuir debido a la salida

de gases de escape. Desde luego que

habrá una pérdida del área de trabajo

con respecto al ciclo ideal, pero

buscamos reducir las pérdidas globales

de trabajo.

aae = adelanto en la apertura de laválvula de escape.

Como el desplazamiento del pistón del

PMI al PMS en su carrera de desalojo

de los gases de escape empieza desde

una presión inferior a la del ciclo ideal,

la presión final (en el PMS) deberá sersólo un poco superior que la

atmosférica, entonces…


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¿Dónde debe cerrar la válvula de

escape, debe cerrar antes de 0’’, en 0’’

o después de 0’’?


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La válvula de escape debe cerrar

después de cero (0’’- rce) ya que con

esto se va permitir, debido a la inercia

que ya llevan los gases de salida, queestos sigan fluyendo hacia el exterior

(múltiple de escape) y con ello

conseguiremos que quede en el interior

una menor cantidad de gases de

remanentes de la combustión anterior

rce = retraso en el cierre de la válvulade escape

De este modo habrá mas espacio para

la mezcla fresca de aire-combustible,

con la ganancia de trabajo útil asociada,

una mejor «aspiración» del motor(un

mejor llenado del cilindro de mezclafresca.

¿En que punto debe abrirse la válvula

de admisión?

¿Debe abrirse en 0’’, antes de 0’’ o

después de 0’’?


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La válvula de admisión debe ser abierta

unos cuantos grados antes de que el

pistón llegue al PMS en su carera deescape (punto aaa)

aaa = adelanto en la apertura de la

válvula de admisión

Esto permitirá que la mezcla fresca que

empieza a ingresar, coadyuve al

desalojo de los gases quemados y queal final de la admisión, se tenga una

mayor cantidad de mezcla fresca dentro

del cilindro.


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Generalmente la anticipación de la

apertura de la válvula de admisión es

de sólo unos cuantos grados, ya que de

ser mayor, podría provocar flujo de

salida de gases de escape por el

múltiple de admisión.

¿Que puede hacerse con el inicio de la

ignición para reducir las pérdidas de

área de trabajo y conseguir que P3’’ sea

lo más cercana a P3?

¿Es conveniente adelantar el instante

en que se produzca la chispa de

ignición?


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Si, dado que la presión empieza

aumentar por efecto de la combustión

y la formación de gases de escape, pero

el pistón aún se encuentra en su carrera

de compresión del PMI al PMS, por esto

el proceso se inclina a la izquierda, y de

este modo se incrementa la presión

final P3.

La forma redondeada del ciclo real sedebe a que el pistón llega al PMS y de

manera inmediata retorna al PMI.

rca = retraso en el cierre de la válvula

de admisión.

ach = adelanto de la chispa.

El adelanto de la chispa está regulado

por las especificaciones del fabricante.


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Si el adelanto de la chispa fuera

demasiado pequeño, nos acercaríamos

al límite en el que la chispa ocurra en el

PMS (como en el ciclo real sin puesta a

punto). Disminuyendo la presión final

de combustión y la potencia del motor.

Si el adelanto fuese demasiado,

ocurriría que la fuerza producida por la

expansión de los gases de combustiónse opondría al desplazamiento del

pistón hacia el PMS.

Estas dos fuerzas actuando en

direcciones opuestas producirán una

presión al interior del cilindro, mucho

mayor incluso que la del ciclo ideal.

Habría incremento excesivo de la

temperatura, desgaste extremo del

motor, fenómenos indeseables de la

combustión, baja de potencia y posible

daño severo a las partes móviles del

motor.


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Ciclo Otto de

aire estándar

(ideal).

Ciclo real (sin

puesta a punto).

Ciclo real (puesta

a punto).


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