Para que un avión se desplace por el aire, el empuje se genera mediante algún tipo de sistema de propulsión.Hoy en día, la mayoría de los aviones de la aviación general o privada están propulsados por motores de combustión interna (CI), como el motor del automóvil familiar.En esta página estudiaremos la termodinámica de un motor de cuatro tiempos de combustión interna.
Para entender cómo funciona un sistema de propulsión, debemos estudiar la termodinámica básica de los gases.Una observación científica cuidadosa ha determinado que estas variables están relacionadas entre sí, y los valores de estas propiedades determinan el estado del gas. Un proceso termodinámico, como el calentamiento o la compresión del gas, cambia los valores de las variables de estado de una manera que se describe en las leyes de la termodinámica. El trabajo realizado por un gas y el calor transferido a un gas dependen de los estados inicial y final del gas y del proceso utilizado para cambiar el estado.Es posible realizar una serie de procesos, en los que el estado se cambia durante cada proceso, pero el gas finalmente vuelve a su estado original. Esta serie de procesos se denomina ciclo y constituye la base para entender el funcionamiento del motor.
En esta página tratamos el ciclo termodinámico Otto que se utiliza en todos los motores de combustión interna.La figura muestra un diagrama V del ciclo Otto. La figura muestra un diagrama en V del ciclo Otto. Utilizando el sistema de numeración de las etapas del motor, comenzamos en la parte inferior izquierda, siendo la etapa 1 el comienzo de la carrera de admisión del motor. La presión es casi atmosférica y el volumen de gas es mínimo.Entre la etapa 1 y la etapa 2, el pistón se extrae del cilindro con la válvula de admisión abierta.La presión permanece constante y el volumen de gas aumenta a medida que la mezcla de combustible y aire se introduce en el cilindro a través de la válvula de admisión.La etapa 2 inicia la carrera de compresión del motor con el cierre de la válvula de admisión. Entre la fase 2 y la 3, el pistón vuelve a entrar en el cilindro, el volumen de gas disminuye y la presión aumenta porque el pistón realiza un trabajo sobre el gas. La fase 3 es el comienzo de la combustión de la mezcla de combustible y aire. El calor se libera durante la combustión, lo que aumenta tanto la temperatura como la presión, de acuerdo con la ecuación de estado. La etapa 4 comienza la carrera de potencia del motor. Entre la etapa 4 y la etapa 5, el pistón es impulsado hacia el cigüeñal, el volumen aumenta y la presión disminuye porque el gas trabaja en el pistón. En la fase 5 se abre la válvula de escape y el calor residual del gas se intercambia con el entorno. El volumen se mantiene constante y la presión vuelve a ajustarse a las condiciones atmosféricas. En la etapa 6 comienza la carrera de escape del motor, durante la cual el pistón vuelve a entrar en el cilindro, el volumen disminuye y la presión se mantiene constante. Al final de la carrera de escape, las condiciones han vuelto a la etapa 1 y el proceso se repite.
Durante el ciclo, el pistón realiza trabajo sobre el gas entre las etapas 2 y 3. El gas realiza trabajo sobre el pistón entre las etapas 4 y 5. La diferencia entre el trabajo realizado por el gas y el trabajo realizado sobre el gas es el área encerrada por la curva del ciclo y es el trabajo producido por el ciclo. El trabajo multiplicado por la velocidad del ciclo (ciclos por segundo) es igual a la potencia producida por el motor.
El área encerrada por el ciclo en un diagrama p-V es proporcional al trabajo producido por el ciclo. En esta página hemos mostrado un ciclo Otto ideal en el que no entra (ni sale) calor del gas durante las carreras de compresión y potencia, no hay pérdidas por fricción y la combustión es instantánea a volumen constante. En la realidad, el ciclo ideal no se produce y hay muchas pérdidas asociadas a cada proceso. Estas pérdidas se contabilizan normalmente mediante factores de eficiencia que multiplican y modifican el resultado ideal. Para un ciclo real, la forma del diagrama p-V es similar al ideal, pero el área (trabajo) es siempre menor que el valor ideal.
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