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MAQUINAS ALTERNATIVAS Y TURBOMAQUINAS
EL MOTOR DE EMBOLO RECIPROCANTE
UN POCO DE HISTORIA
La primera máquina térmica de utilización práctica aparece en Inglaterra en el año 1698,
la máquina de vapor, inventada por el ingeniero Thomas Savery y usada para el desagote de la
minas de carbón en reemplazo de la fuerza animal.
A Savery le siguieron gran cantidad de ingenieros e ingeniosos inventores que fueron
perfeccionando diversos sistemas para obtener trabajo a partir del calor.
Pero recién alrededor de 1820 aparece Carnot y la máquina térmica comienza su verdadero
desarrollo.
EL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
Hacia 1862 en Francia, Beau de Rochas expone los principios fundamentales en que se
basa el funcionamiento óptimo del motor de combustión interna de émbolo reciprocante tal
como lo conocemos en la actualidad.
En su trabajo enumeró las condiciones con que se obtiene el rendimiento máximo.
1) La menor relación Superficie /Volumen para el cilindro.
2) El más rápido proceso de expansión posible.
3) La máxima expansión posible.
4) La máxima presión posible al comienzo del proceso de expansión.
Las dos primeras condiciones están destinadas a reducir al mínimo las pérdidas de calor,
manteniendo así la energía disponible de los productos de la combustión.
La tercera trata de aprovechar la expansión de los gases para obtener el máximo trabajo.
La cuarta apunta a obtener la máxima presión media que como veremos más adelante es la
variable que define la potencia desarrollada por el motor.
Es importante destacar la vigencia de este conjunto de recomendaciones que tienen tanta
validez hoy como la tuvieron en aquel entonces.
Hoy diríamos en idioma coloquial ¡Beau de Rochas la tenía reclara!.
CICLOS REALES
El ciclo real refleja las condiciones efectivas de funcionamiento de un motor y se
identifica por lo tanto con el diagrama de presiones medidas en el cilindro en correspondencia
con las diversas posiciones del pistón.
El gráfico representativo de este ciclo se llama diagrama indicado y el aparato que sirve para
obtenerlo recibe el nombre de indicador de diagrama.
La figura siguiente representa dos ciclos típicos reales de motores Otto y Diesel de igual
cilindrada unitaria.
El eje de presiones del ciclo Diesel resulta desplazado con respecto al ciclo Otto como
consecuencia de la diferencia de volumen de la cámara de combustión.
En efecto, a igualdad de cilindrada unitaria “Vp” como es más elevada la relación de
compresión de un motor Diesel resulta menor el volumen “Vc” de la cámara de combustión.
La sup. 1 2 6 1`1 representa el trabajo negativo debido al bombeo en las fases de aspiración y
escape.
La supercie 2-3-4-5-6-2 representa el trabajo positivo, su diferencia es el trabajo útil.
Dividiendo el área correspondiente al trabajo útil efectuado por el fluido entre la longitud de la
carrera o entre la cilindrada del motor según sea la escala utilizada se obtiene el valor de la
presión media indicada (pmi).
PRESION MEDIA INDICADA
El esquema siguiente muestra la evolución típica de las presiones dentro del cilindro de
un motor de ciclo de Otto de 4T a plena carga. En el se observa que la misma cambia de valores
entre límites muy amplios durante el desarrollo del ciclo.
Tengamos presente además que durante las fases de aspiración, compresión y barrido, la
presión interna genera fuerzas que se oponen al movimiento del pistón, consumiendo trabajo,
siendo únicamente las fuerzas generadas en la fase de expansión las que aportan trabajo útil.
Este trabajo en general sobrecompensa a las anteriores demandas, dejando un excedente como
trabajo efectivo desarrollado por la máquina.
Se define como presión media indicada (pmi) al valor de presión constante que desarrolla el
mismo trabajo útil que la presión variable a lo largo del ciclo en estudio.
La pmi se corresponde con la altura del rectángulo que tiene un área igual al área neta del
diagrama indicado y podemos considerarla como una presión constante que actúa durante la
carrera de expansión, determinando el mismo trabajo neto por ciclo.
Podemos calcular su valor mediante:
4
0
pdV
pmi
Vcil
=
Donde la integral nos proporciona un valor proporcional al área neta encerrada por el
diagrama y el “Vcil” es la base del rectángulo mencionado en el párrafo anterior.
La presión media indicada es un parámetro característico del motor, íntimamente relacionado
con el par motor y la potencia, pero no siempre mostrado junto a ellas en las denominadas
curvas características de un motor.
Ahora bien, el diagrama de presiones de un motor es distinto para cada condición de
funcionamiento del mismo, dependiendo ello, de lo bien que esté respirando y de cómo se estén
desarrollando las fases del ciclo motor, particularmente el proceso de combustión dentro del
mismo.
Esta situación se cuantifica a través de una figura de mérito del motor denominada rendimiento
cualitativo (de calidad)
El rendimiento cualitativo es la relación entre el trabajo desarrollado en un ciclo real y el
correspondiente al ciclo límite.
Naturalmente, la presión media indicada tendrá valores distintos para las distintas condiciones
de funcionamiento del motor.
DIFERENCIA ENTRE CICLO OTTO REAL Y TEORICO
En el esquema siguiente se muestran superpuestos los diagramas correspondientes al
ciclo límite y al indicado de un motor de ciclo de Otto.
En el mismo se han rayado algunas zonas para facilitar el análisis de las diferencias que
existen entre ambos diagramas.
Si calculamos la relación entre la superficie neta del ciclo real y la correspondiente del ciclo
límite obtenemos el denominado rendimiento cualitativo del motor.
Existen diferencias sustanciales tanto en la forma del diagrama (diferencia cualitativa) como en
los valores de presiones y temperaturas alcanzadas (diferencia cuantitativa).
DIFERENCIA CUALITATIVA
Las diferencias de forma que se observan tanto en el perfil de las curvas de compresión y
de expansión como la sustitución de trazos rectilíneos de introducción y sustracción de calor por
trazos curvos y durante las carreras de admisión y barrido se fundamentan en las siguientes
razones:
• PERDIDAS DE CALOR.
En el ciclo teórico son nulas, pero como el cilindro esta refrigerado, para asegurar un buen
funcionamiento parte del calor del fluido pasa a la pared del cilindro y por consiguiente las
líneas de compresión y expansión no son adiabáticas sino politrópicas con exponente “m”
distinto de “k”.
Como el fluido experimenta una pérdida de calor se tiene (m < k) para la compresión y (m > k)
para la expansión.
Se verifica por lo tanto una pérdida de trabajo útil representada por el área rallada en forma
vertical e indicada con la letra A en el esquema anterior.
• COMBUSTION NO INSTANTANEA.
En el ciclo teórico suponemos que el aporte de calor se realiza desde una fuente externa en una
transformación a volumen constante.
En un motor real, la fuente de calor es la combustión de la mezcla carburada.
Para que el proceso tenga lugar a volumen constante es necesario que la combustión se
desarrolle en forma instantánea, o bien que el pistón se detenga en el PMS mientras dura este
proceso.
Puesto que en la realidad ninguna de estas cosas sucede, resulta necesario anticipar el encendido
de forma que la combustión se desarrolle en su mayor parte con el pistón en la proximidad del
PMS esto produce un redondeamiento de la línea teórica de introducción de calor y por tanto
una pérdida de trabajo útil representada por el área rallada horizontal e indicada con la letra B
en el esquema anterior.
Es importante indicar que esta pérdida es bastante menor que la que se obtendría sin adelantar el
encendido, más aún diremos que existe un valor de avance del encendido que minimiza esta
pérdida.
Si el encendido tuviera lugar en el PMS, la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja de
dicho punto y el valor de la presión seria inferior al previsto con la correspondiente pérdida de
trabajo útil.
• TIEMPO DE APERTURA DE VALVULA DE ESCAPE.
En el ciclo teórico la sustracción de calor ocurre a volumen constante en el PMI, pero en el
motor real tal situación no es posible y el proceso tiene lugar en un tiempo relativamente largo.
Para que el proceso tenga lugar a volumen constante es necesario que la válvula de escape se
abra en forma instantánea, o bien que el pistón se detenga en el PMI mientras dura este proceso.
Puesto que en la realidad ninguna de estas cosas sucede, la válvula de escape tiene que abrirse
con anticipación para dar lugar o tiempo a que una parte de los gases salgan del cilindro antes
de que el pistón alcance el PMI de manera que la presión en el cilindro descienda hasta cerca
del valor de la presión exterior al comienzo de la carrera de barrido.
Este hecho también provoca una pérdida de trabajo útil representado por el área rallada
horizontal e indicada con la letra C en las proximidades del PMI.
Es preciso indicar que estas pérdidas son menores que las que se obtendrían sin el adelanto
correspondiente de la apertura de la válvula de escape (AAE).
• PERDIDAS POR BOMBEO.
El ciclo real de 4 tiempos presenta otra diferencia importante al compararlo con el teórico y es
que durante la carrera de aspiración la presión en el cilindro es inferior a la atmosférica,
mientras que la de escape es superior.
Aun con el estrangulador completamente abierto, las pérdidas de carga se ponen de manifiesto,
generando en el diagrama indicado un nuevo ciclo que se desarrolla en sentido antihorario y por
lo tanto la superficie encerrada por dichas transformaciones corresponde al trabajo perdido por
bombeo.
Este nuevo ciclo encierra un área rallada en forma oblicua e indicado con la letra D en el
diagrama comparativo.
DIFERENCIA CUANTITATIVA
Las causas de las diferencias en los valores de las presiones y temperaturas máximas
alcanzadas son:
• AUMENTO DE LOS CALORES ESPECIFICOS CON LA “T”.
En el caso de los fluidos reales se verifica un aumento de los calores específicos del fluido con
la temperatura
En efecto, sabemos que tanto el Cp como el Cv de un gas crecen con la temperatura pero de tal
forma que su diferencia permanece constante.
R Cp Cv=−
Razón por lo cual al aumentar la temperatura disminuye el valor de la relación.
/k Cp Cv=
Por tal motivo los valores de la presión y temperatura máxima resultan siempre inferiores a las
que se alcanzarían en el caso de que los calores específicos permanecieran constantes.
Otro elemento a tener en cuenta es que en el ciclo real los productos de la combustión tienen
calores específicos mayores que el aire y esto suma su efecto a lo anteriormente indicado con lo
cual el área del diagrama indicado (proporcional al trabajo desarrollado) resulta disminuida
respecto al ciclo teórico.
Esto produce la pérdida de trabajo útil equivalente a la superficie rayada en forma diagonal en
el esquema anterior.
• DISOCIACION EN LA COMBUSTION.
En el ciclo teórico, se considera que la combustión es completa y con la cantidad de aire
estequiométrica, siendo los productos de la combustión CO
2
y H
2
O.
En el desarrollo del ciclo real se presenta el fenómeno de disociación, cuanto más alta es la
temperatura alcanzada, tanto mayor será la disociación de estos compuestos generando la
presencia de productos de reducción como ser el CO, H
2
, O
2
y el HO.
La disociación de estos productos es una reacción que se lleva a cabo con absorción de calor,
por lo cual la temperatura máxima alcanzada es menor y se pierde una cierta cantidad de trabajo
útil.
Pero como la temperatura desciende durante la expansión se produce un retroceso en la reacción
de disociación, en consecuencia sobreviene en esta fase una parcial reasociación con desarrollo
de calor.
Desciende el valor del exponente de la politrópica de expansión que debería ser mayor que “k”
(por las pérdidas de calor en las paredes del cilindro) y se aproxima al de la politrópica de
compresión y se consigue una recuperación del trabajo anteriormente perdido.
LAS PERDIDAS POR BOMBEO SEGUN EL TIPO DE CICLO
En el caso de los motores de 4T, las pérdidas por bombeo de un motor de ciclo Diesel son
inferiores a las que se generan en el ciclo Otto ya que no hay estrangulación, debido a que en
estos motores no existe la válvula de mariposa propia de los motores de encendido por chispa
provisto de carburador o de sistema de inyección.
Debido a ello en el ciclo Diesel la superficie negativa del ciclo de bombeo es menor que en el
ciclo Otto.
En los motores de 2 tiempos, sobre todo en el de ciclo Diesel resultan importantes las pérdidas
de bombeo y la producida por la interrupción de la expansión antes de PMI para dar lugar al
Escape.
Se debe considerar también el trabajo necesario para realizar el barrido del cilindro, operación
que normalmente se realiza con un compresor, bomba de barrido o sobrealimentador en los
grandes motores o empleando el carter motor como bomba de barrido en los más pequeños.
DIFERENCIA ENTRE CICLO DIESEL REAL Y TEORICO
En el esquema anterior se han superpuesto los diagramas correspondientes al ciclo límite
y al indicado de un motor de ciclo Diesel.
Además se han rayado algunas zonas para facilitar el análisis de las diferencias de manera
análoga a lo realizado con el motor de encendido por chispa (ciclo de Otto).
DISOCIACION y EQUILIBRIO QUIMICO
El proceso de combustión se desarrolla inicialmente con una gran velocidad de reacción
debido a la alta concentración de reactivos por el cual se forman también con gran rapidez los
productos de la reacción.
Pero en cuanto se inicia la formación de CO
2
y H
2
O se produce un aumento de temperatura por
cuyo efecto comienzan estos compuestos a disociarse en sus componentes elementales.
La concentración de los elementos constitutivos del combustible que era máxima al iniciarse la
combustión desciende gradualmente al desarrollarse ésta, por lo cual disminuye a su vez la
velocidad de reacción que genera CO
2
y H
2
O, pero simultáneamente aumenta la concentración
de estos últimos y en consecuencia crece también la velocidad de disociación.
Es evidente que en las reacciones químicas
22
C O CO
⎯⎯→
+
⎯⎯
22
22H O H O
⎯⎯→
+
⎯⎯
Se termina alcanzando una situación de equilibrio en la cual es idéntica la velocidad de
formación y la de disociación.
Es el llamado estado de Equilibrio Químico cuya característica es variar con la temperatura para
cada reacción.
Al principio la disociación aumenta lentamente con la temperatura y luego lo hace con
velocidad mayor.
A título de ejemplo, la cantidad de CO
2
disociado en condición de equilibrio químico es de:
• 5% a 2000ºK
• 18,5% a 2500ºK
• 27,5% a 3000ºK
• 64,5% a 3200ºK
Como ya hemos indicado al disociarse los gases absorben calor originándose por consiguiente
una sensible disminución en el calor liberado en el proceso de combustión y en la temperatura
que ésta alcanza.
Las temperaturas máximas alcanzadas en los procesos reales de combustión son
apreciablemente más bajas que las obtenidas por cálculo considerando combustión completa y
transformaciones adiabáticas debido precisamente a las pérdidas de calor y a la disociación.
Una disociación importante ocurre a temperaturas elevadas y está acompañada de una absorción
de energía interna que se transforma en energía química asociada con los productos de la
disociación.
La energía química neta liberada aparece como Entalpía de los productos de la combustión.
Los hidrocarburos al quemarse producen CO
2
y H
2
O que aparecen en los productos junto con
N
2
cuando se emplea aire como agente oxidante.
La disociación lleva consigo la formación de importantes cantidades de CO, H
2
y O
2
de acuerdo
con las siguientes reacciones:
22
22CO CO O
⎯⎯→
+
⎯⎯
2 2 2
22H O H O
⎯⎯→
+
⎯⎯
Otros constituyentes tales como N, H, O, OH, NO y C pueden formarse por disociación
posterior y combinación de distintos constituyentes.
La combinación de los distintos constituyentes en los productos de la combustión y la
disociación de los productos se supone que ocurre simultáneamente en diferentes partes de la
mezcla en condiciones de equilibrio químico pero el resultado de los procesos de combustión es
equivalente a los procesos de disociación si la temperatura permanece constante.
Escribiendo la ecuación de la reacción del CO para combustión o combinación y luego
disociado hasta las condiciones de equilibrio químico resulta
2 2 2 2
2 2 2 2 (1 ) CO O CO x CO x CO x O+ → → + − +
(1)
Donde x representa la parte de CO
2
que ha sido disociado en CO y O
2
, y (2+x) son los
moles totales de los productos.
Si consideramos el caso del Hidrógenos tenemos:
2 2 2 2 2
2 2 2 2 (1 ) H O H O y H y H O y O+ → → + − +
(2)
Los productos de disociación a una temperatura dada estarán en un estado de equilibrio
químico cuando la “Entropía” total del proceso de disociación es máxima.
Analizando la expresión de la entropía de los productos de la disociación en función de la
temperatura absoluta y de la presión suponiendo comportamiento ideal podemos concluir que la
constante de equilibrio “Kp” es una combinación de las presiones parciales de los
constituyentes disociados en la reacción reversible, elevados cada uno a la misma potencia que
el número de moléculas de cada constituyente de la reacción reversible indicada, estando los
productos de reacción de disociación en el numerador y el producto de la reacción en el
denominador.
2
2
2
2
( ) ( )
()
p
PpCO PpO
K
PpCO
=
La introducción de un diluyente en la reacción aumenta el número total de moles de los
productos pero no afecta la expresión de Kp.
Si se introduce O
2
en exceso se afecta la expresión de Kp y también el número de moles totales.
Una reacción con oxigeno en defecto tendrá una importante cantidad de los productos
disociados ya que no todo el combustible puede quemarse totalmente.
CALOR TOTAL DESARROLLADO EN LA COMBUSTION
El calor que se produce en la combustión puede calcularse por sumas parciales de las
combustiones de C e H menos la cantidad de calor necesaria para dividir las moléculas de los
hidrocarburos.
El calor desarrollado en la transformación del C en CO
2
es de 8140 Cal/Kg de C consumido.
El producido en la combustión del H
2
es de 28100 Cal/Kg, por ejemplo refiriéndonos al nonano
(C
9
H
20
) y conociendo las cantidades de C e H que componen 1 Kg del mismo podemos decir:
0,8438 8140 / 6869 Kg C x Cal Kg C Cal=
0,1562 28700 / 4483 Kg H x Cal Kg H Cal=
11352 Suma de componentes Cal=
Como la disociación requiere 873 Cal por cada Kg de nonano el calor total desarrollado en la
combustión de este combustible será:
11352 877 10475 Cal Cal Cal−=
TONALIDAD TERMICA
En el estudio de los motores Otto resulta útil a menudo referirse a la cantidad de calor que
se desarrolla en la unidad de volumen de la mezcla y por tanto se define como tonalidad térmica
o potencial térmico, la cantidad de calor que se desarrolla por una unidad de volumen de mezcla
a temperatura y presión constantes.
La potencia que puede obtenerse en una máquina depende de la tonalidad térmica de la mezcla
empleada.
Es importante indicar que la tonalidad térmica varía muy poco para los combustibles líquidos
normalmente utilizados estando su valor alrededor de 850 Cal por litro.
Rendimiento del motor naftero de 4T.doc
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