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 de
40 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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