Principio de Funcionamiento de Motores de Gas

1.1.1 El ciclo Otto desde el punto de vista funcional 

A pesar de que el motor de explosión de 4 tiempos es extraordinariamente conocido, demos un pequeño repaso al esquema de funcionamiento.

El ciclo Otto se basa en el movimiento alternativo (de subida y bajada) del pistón en el interior del cilindro. El ciclo es abierto, pues la mezcla combustible gas-aire se renueva en cada tiempo o fase de admisión. El ciclo completo consta de 4 tiempos, dos de subida del pistón y dos de bajada, como se vio  anteriormente.

Fases en un motor alternativo de cuatro tiempos

Tiempo 1: Admisión.

El pistón se encuentra en el PMS (punto muerto superior). La válvula de admisión se abre y entra una mezcla de gas y aire en el cilindro. Esta mezcla puede estar a presión atmosférica y ser aspirada por la depresión creada en el movimiento de bajada, o como en los actuales motores industriales, puede haber sido comprimida en un turbocompresor y ser inyectada en el cilindro a presión. Cuando el pistón llega al PMI (punto muerto inferior) la válvula de admisión se cierra. El cigüeñal ha dado media vuelta. 

Tiempo 2: Compresión.

El pistón, en su subida desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior comprime la mezcla. Las válvulas de admisión y escape están cerradas. Un poco antes de llegar a la parte más alta se produce el encendido de la bujía, y la mezcla deflagra. El cigüeñal ha dado ya una vuelta completa. Estas dos etapas o tiempos son consumidoras de energía, pues hasta ahora no se ha generado ningún trabajo. 

Tiempo 3: Expansión.

Los gases producidos en la explosión se expansionan, lanzando el pistón hacia abajo y produciendo el movimiento del cigüeñal. Las válvulas de admisión y escape siguen cerradas. De los cuatro tiempos, este es el único en el que se desarrolla trabajo. Los otros tres son consumidores de energía mecánica. El cigüeñal ha dado una tercera media vuelta. El pistón llega finalmente al PMI. 

Tiempo 4: Al alcanzar el PMI.

La válvula de escape se abre y libera los gases quemados producidos en la combustión. Al llegar al PMS esta válvula se cierra y se abre nuevamente la de admisión, comenzando un nuevo ciclo. El cigüeñal ha dado dos vueltas completas. 

De los cuatro tiempos, sólo en uno se genera energía mecánica. La inercia y los otros cilindros, cuyos tiempos están decalados, aseguran que el movimiento sea continuo, aunque hay naturalmente esfuerzos variables. 

1.1.2 El ciclo Otto desde el punto de vista termodinámico 

Este ciclo representado en la figura siguiente, es el característico de los motores de gasolina o de gas y se llama también de explosión. En él tiene lugar la aportación de calor mediante la combustión del gas a volumen constante.

Ciclo Otto. Diagramas P-V y T-S

El ciclo se compone de la compresión isentrópica 1 – 2, en la que se consume trabajo, la explosión isocora 2-3 en la que se verifica la aportación de calor , la expansión isentrópica 3-4, durante la cual se produce el trabajo útil, y por último, la isocora de escape 4-1, durante la cual se produce la cesión de calor . El rendimiento del ciclo, siguiendo un razonamiento parecido al del ciclo Bryton, será:

Siendo , la relación de compresión. Puede verse claramente como el rendimiento depende fundamentalmente de la relación de compresión. Esta relación no puede aumentarse a voluntad del diseñador pues aparece un problema: al aumentar la relación de compresión aumenta el riesgo de detonación.

1.1.3 Recuperación de energía térmica en el motor alternativo

Existen cuatro fuentes de energía térmica que puede ser recuperada en el motor alternativo de gas:

  • Gases de escape
  • Agua de refrigeración de camisas
  • Agua de refrigeración del aceite de lubricación
  • Agua de refrigeración del aire comprimido por el turbocompresor

Los gases de escape contienen aproximadamente un tercio de la energía del combustible, que puede ser usado para producir vapor (normalmente por debajo de 25 barg), agua sobrecalentada y/o agua caliente. Algunas aplicaciones industriales usan directamente los gases de escape para procesos de secado, sin pasar esa energía a un fluido caloportador como es el vapor o el agua sobrecalentada. En otras el fluido que se utiliza como vehículo para transportar el calor es aceite térmico. Se emplean cuando se requieren altas temperaturas (200-250ºC) para el proceso.

Para el mejor aprovechamiento térmico del agua del motor, las fuentes de calor del mismo (refrigeración de camisas y culatas, refrigeración del aceite y refrigeración del aire a la salida del turbocompresor) se separan en dos corrientes. Una es el circuito de alta temperatura, integrado por la refrigeración de camisas y culatas y la primera etapa de refrigeración del aire. Esta agua típicamente sale del motor a 90 ºC. La segunda corriente es el agua de baja temperatura, que integra la segunda etapa de refrigeración del aire de admisión y la refrigeración del aceite. La temperatura de salida de esta agua es del orden de40 a 50ºC

El agua de refrigeración de camisas puede producir agua caliente para diversos usos. También puede producir aire caliente, si se hace pasar el agua de refrigeración a través de un intercambiador aire-agua. En este caso, el agua se hace circular por el circuito con la ayuda de una bomba, se calienta a su paso por el bloque motor y el calor absorbido lo cede en el intercambiador, que no es más que un serpentín por donde circula el agua y un gran ventilador que fuerza al aire a pasar a través del serpentín, calentándose.

El agua de refrigeración del aceite y de refrigeración del aire de admisión después de atravesar el turbocompresor suelen estar unidos y raramente se aprovechan, por su baja temperatura (30-40ºC). En ocasiones, este calor se utiliza como precalentamiento del agua del circuito anterior. Normalmente se desecha y se vierte a la atmósfera con la ayuda de una torre de refrigeración o de un aerorefrigerador.

Las disponibilidades de energía de un motor de gas son las siguientes:

  • Gases de escape a unos 400-500ºC que suelen contener aproximadamente un 22% de energía recuperable y un 7% de energía no recuperable que se pierde por chimenea. 
  • Agua caliente a alta temperatura, del orden del 15% de energía recuperable 
  • Agua caliente de baja temperatura, del orden del 10% de la energía que no suele ser recuperable 
  • Pérdidas del alternador y las del propio motor por conducción convección (fig. 2.31).

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