Ciclos teóricos y ciclos reales

El fluido operante, durante su paso por el motor, es sometido a una serie de transformaciones químicas y físicas (compresión, expansión, combustión, transmisión de calor con las paredes, rozamientos en la masa del fluido y con las paredes, etc.) que constituyen el ciclo del motor. El examen cuantitativo de estos fenómenos, efectuando teniendo en cuenta todas las numerosas variables, representa un problema muy complejo. Por ello, corrientemente se simplifica recurriendo a sucesivas aproximaciones teóricas, cada una de las cuales está basada en diferentes suposiciones simplificativas, que tienen una aproximación gradualmente creciente.

Para los ciclos teóricos, las aproximaciones comúnmente empleadas en orden de aproximación a la condiciones reales son tres:

• ciclo real
• ciclo de aire
• ciclo aire-combustible.

A estos ciclos teóricos se comparan en la práctica los ciclos reales, que se obtienen experimentalmente por medio de los indicadores; por esta razón, el ciclo real se llama también ciclo indicado.

Aunque los ciclos teóricos no corresponden a los ciclos reales, constituyen una útil referencia para el estudio termodinámico de los motores, particularmente para comprender cuanto influyen sobre su utilización las condiciones de funcionamiento y para comparar entre sí diversos tipos de motores.

En los ciclos ideales se supone que el fluido operante está constituido por aire y que éste se comporta como un gas perfecto. Por ello, los valores de los calores específicos se consideran constantes e iguales al del aire a las condiciones tipo 15º de temperatura y 1 atmósfera de presión:

Cp = 0.241 Ca/kg ºC ;
Cv = 0.172 Ca/kg ºC ;

Donde resulta:

Suponemos, además, que las fases de introducción y sustracción de calor tienen una duración bien determinada, dependiente del tipo de ciclo (Otto, Diesel, Sabathé), y que en las otras fases no hay pérdidas de calor.

Es natural, que, con estas hipótesis, los valores máximos de temperatura y presión, así como, en consecuencia, el trabajo y el rendimiento térmico calculados para el ciclo ideal, sean más elevados que los correspondientes a los otros tipos de ciclos.

El ciclo ideal representa, por tanto, el límite máximo que teóricamente puede alcanzar el motor y permite un fácil estudio matemático basado en las leyes de los gases perfectos. A él nos referimos al emplear a lo largo de este tratado, la expresión “ciclo teórico”.

En el ciclo de aire, el fluido operante es también aire, pero se supone que los calores específicos son variables a lo largo de la gama de temperaturas en que se opera.

Las condiciones de introducción y sustracción del calor son iguales a las del ciclo ideal y tampoco hay pérdidas de calor. Como el cálculo de los calores específicos medios es complicado, se usan tablas que dan directamente los valores del calor y el trabajo, en términos de energía interna y entalpía para los diversos puntos de las transformaciones isentrópicas del aire. Teniendo en cuenta la variaciones de los calores específicos, se obtienen, para la temperaturas y presiones máximas, valores inferiores a los calculados para el ciclo ideal; por consiguiente, el trabajo y el rendimiento térmico asimismo más bajos, pero, así y todo, son aún mayores que los correspondientes a un ciclo real.

El ciclo aire-combustible es, entre todos los que por lo general se calculan, el más próximo al ciclo real. En el motor de encendido por chispa, el fluido está compuesto, durante la fase de aspiración, por la mezcla y los gases residuales de la combustión anterior; en el motor de encendido por compresión está formado por aire y los gases residuales. Después de la combustión, el fluido está constituido por productos de la misma, esto es, una mezcla de CO₂, CO, H₂O,N₂. Estos gases tienen un calor específico medio todavía más alto que el del aire; pero además, se cuenta con un incremento posterior de los calores específicos, a causa de la disociación o descomposición química de las moléculas más ligeras sometidas a la acción de altas temperaturas. El aumento de los calores específicos, así como la disociación que, por ser reacción endotérmica, absorbe una parte del calor de la combustión, producen un posterior descenso de la temperatura y la presión máxima en comparación con las calculadas para el ciclo de aire.

Para el cálculo del ciclo aire-combustible se recurre a tablas que contienen datos obtenidos experimentalmente. Incluso para este ciclo se admite no sólo que el calor es introducido y sustraído de manera instantánea, como en el ciclo ideal, sino que no se producen pérdidas de calor.

El ciclo real se obtiene experimentalmente, como ya hemos indicado, por medio de diversos aparatos indicadores, capaces de registrar el diagrama de presiones en función de los volúmenes, en un cilindro motor en funcionamiento. El diagrama indicada refleja las condiciones reales del ciclo y, por tanto, tiene en cuenta también –además de las variaciones ya enunciadas para el ciclo aire y para el de aire-combustible en la comparación de ciclos ideales- las pérdidas de calor, la duración de combustión, las pérdidas causadas por el rozamiento del fluido, la duración del tiempo de abertura de las válvulas, el tiempo de encendido, así como de inyección y las pérdidas del escape.