Ciclo diésel

Proceso de combustión del motor

El ciclo diésel es un proceso de combustión de un motor de combustión interna alternativo . En él, el combustible se enciende por el calor generado durante la compresión del aire en la cámara de combustión, en la que luego se inyecta el combustible. Esto contrasta con la ignición de la mezcla de combustible y aire con una bujía como en el ciclo Otto ( motor de cuatro tiempos /gasolina). Los motores diésel se utilizan en aviones , automóviles , generación de energía , locomotoras diésel-eléctricas y tanto en barcos de superficie como en submarinos .

Se supone que el ciclo diésel tiene una presión constante durante la parte inicial de la fase de combustión ( en el diagrama que aparece a continuación). Este es un modelo matemático idealizado: los motores diésel físicos reales sí tienen un aumento de presión durante este período, pero es menos pronunciado que en el ciclo Otto. Por el contrario, el ciclo Otto idealizado de un motor de gasolina se aproxima a un proceso de volumen constante durante esa fase. ${\displaystyle V_{2}}$ ${\displaystyle V_{3}}$

Ciclo diésel idealizado

Diagrama p–V del ciclo diésel ideal . El ciclo sigue los números del 1 al 4 en el sentido de las agujas del reloj.

La imagen muestra un diagrama p–V para el ciclo diésel ideal, donde la presión y V el volumen o el volumen específico si el proceso se expresa en unidades de masa. El ciclo diésel idealizado supone un gas ideal e ignora la química de la combustión y los procedimientos de escape y recarga, y simplemente sigue cuatro procesos distintos: ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle v}$

• 1→2: compresión isentrópica del fluido (azul)
• 2→3: calentamiento a presión constante (rojo)
• 3→4: expansión isentrópica (amarillo)
• 4→1: enfriamiento de volumen constante (verde) ^[1]

El motor diésel es un motor térmico: convierte calor en trabajo . Durante los procesos isentrópicos inferiores (azul), la energía se transfiere al sistema en forma de trabajo , pero por definición (isentrópico) no se transfiere energía dentro o fuera del sistema en forma de calor. Durante el proceso de presión constante (rojo, isobárico ), la energía entra al sistema como calor . Durante los procesos isentrópicos superiores (amarillo), la energía se transfiere fuera del sistema en forma de , pero por definición (isentrópico) no se transfiere energía dentro o fuera del sistema en forma de calor. Durante el proceso de volumen constante (verde, isocórico ), parte de la energía fluye fuera del sistema como calor a través del proceso de despresurización derecho . El trabajo que sale del sistema es igual al trabajo que entra en el sistema más la diferencia entre el calor añadido al sistema y el calor que sale del sistema; en otras palabras, la ganancia neta de trabajo es igual a la diferencia entre el calor añadido al sistema y el calor que sale del sistema. ${\displaystyle W_{in}}$ ${\displaystyle Q_{in}}$ ${\displaystyle W_{out}}$ ${\displaystyle Q_{out}}$

• El trabajo en ( ) lo realiza el pistón al comprimir el aire (sistema). ${\displaystyle W_{in}}$
• El calor en ( ) se realiza mediante la combustión del combustible. ${\displaystyle Q_{in}}$
• El trabajo ( ) se realiza cuando el fluido de trabajo se expande y empuja un pistón (esto produce trabajo utilizable) ${\displaystyle W_{out}}$
• La salida de calor ( ) se realiza ventilando el aire. ${\displaystyle Q_{out}}$
• Trabajo neto producido = - ${\displaystyle Q_{in}}$ ${\displaystyle Q_{out}}$

El trabajo neto producido también se representa por el área encerrada por el ciclo en el diagrama p–V. El trabajo neto se produce por ciclo y también se denomina trabajo útil, ya que se puede convertir en otros tipos de energía útiles y propulsar un vehículo ( energía cinética ) o producir energía eléctrica. La suma de muchos de estos ciclos por unidad de tiempo se denomina potencia desarrollada. También se denomina trabajo bruto, parte del cual se utiliza en el siguiente ciclo del motor para comprimir la siguiente carga de aire. ${\displaystyle W_{out}}$

Máxima eficiencia térmica

La máxima eficiencia térmica de un ciclo diésel depende de la relación de compresión y de la relación de corte. Su fórmula es la siguiente, según el análisis estándar de aire frío :

${\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\left({\frac {\alpha ^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}}\right)}$

dónde

${\displaystyle \eta _{th}}$¿Es la eficiencia térmica?

${\displaystyle \alpha }$es la relación de corte (relación entre el volumen final y el volumen inicial de la fase de combustión) ${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}}$

r es la relación de compresión ${\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}}$

${\displaystyle \gamma }$es la relación de calores específicos (C _p /C _v ) ^[2]

La relación de corte se puede expresar en términos de temperatura como se muestra a continuación:

${\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle \displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}}$

${\displaystyle \alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)}$

${\displaystyle T_{3}}$puede aproximarse a la temperatura de llama del combustible utilizado. La temperatura de llama puede aproximarse a la temperatura de llama adiabática del combustible con la relación aire-combustible y la presión de compresión correspondientes. puede aproximarse a la temperatura del aire de entrada. ${\displaystyle p_{3}}$ ${\displaystyle T_{1}}$

Esta fórmula solo proporciona la eficiencia térmica ideal. La eficiencia térmica real será significativamente menor debido a las pérdidas de calor y fricción. La fórmula es más compleja que la relación del ciclo Otto (motor de gasolina) que tiene la siguiente fórmula:

${\displaystyle \eta _{otto,th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}$

La complejidad adicional de la fórmula Diesel surge porque la adición de calor se produce a presión constante y la eliminación de calor se produce a volumen constante. En comparación, el ciclo Otto tiene tanto la adición como la eliminación de calor a volumen constante.

Comparando la eficiencia con el ciclo Otto

Comparando las dos fórmulas se puede ver que para una relación de compresión dada ( r ), el ciclo Otto ideal será más eficiente. Sin embargo, un motor diésel real será más eficiente en general, ya que tendrá la capacidad de operar a relaciones de compresión más altas. Si un motor de gasolina tuviera la misma relación de compresión, se produciría detonación (autoignición) y esto reduciría gravemente la eficiencia, mientras que en un motor diésel, la autoignición es el comportamiento deseado. Además, ambos ciclos son solo idealizaciones, y el comportamiento real no se divide tan clara o nítidamente. Además, la fórmula del ciclo Otto ideal indicada anteriormente no incluye pérdidas por estrangulamiento, que no se aplican a los motores diésel.

Aplicaciones

Motores diésel

Los motores diésel tienen el menor consumo específico de combustible de todos los motores de combustión interna de gran tamaño que emplean un solo ciclo: 0,26 lb/hp·h (0,16 kg/kWh) para motores marinos de gran tamaño (las centrales eléctricas de ciclo combinado son más eficientes, pero emplean dos motores en lugar de uno). Los motores diésel de dos tiempos con inducción forzada a alta presión, en particular con turbocompresor , constituyen un gran porcentaje de los motores diésel de mayor tamaño.

En América del Norte , los motores diésel se utilizan principalmente en camiones grandes, donde el ciclo de bajo estrés y alta eficiencia permite una vida útil mucho más prolongada del motor y menores costos operativos. Estas ventajas también hacen que el motor diésel sea ideal para su uso en entornos de transporte de carga pesada por ferrocarril y movimiento de tierras.

Otros motores de combustión interna sin bujías

Muchos modelos de aviones utilizan motores "incandescentes" y "diésel" muy simples. Los motores incandescentes utilizan bujías incandescentes . Los motores de aviones "diésel" tienen relaciones de compresión variables. Ambos tipos dependen de combustibles especiales.

Algunos motores experimentales del siglo XIX o anteriores utilizaban llamas externas, expuestas por válvulas, para el encendido, pero esto se vuelve menos atractivo a medida que aumenta la compresión. (Fue la investigación de Nicolas Léonard Sadi Carnot la que estableció el valor termodinámico de la compresión). Una implicación histórica de esto es que el motor diésel podría haberse inventado sin la ayuda de la electricidad.
Véase el desarrollo del motor de bulbo caliente y la inyección indirecta para conocer su importancia histórica.

Referencias

1. Eastop y McConkey 1993, Termodinámica aplicada para tecnólogos de ingeniería , Pearson Education Limited, quinta edición, pág. 137
2. "El motor diésel".

Véase también

• Motor diésel
• Motor de bulbo caliente
• Ciclo mixto/dual
• Combustión parcialmente premezclada