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Articulo de referencia

Ciclo diésel

El ciclo diésel es un proceso de combustión de un motor de combustión interna alternativo . En él, el combustible se enciende mediante el calor generado durante la compresión de...

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

Se supone que el ciclo Diesel tiene una presión constante durante la parte inicial de la fase de combustión (V2{\displaystyle V_{2}}aV3{\displaystyle V_{3}}(en el diagrama, abajo). Este es un modelo matemático idealizado: los motores diésel reales sí experimentan un aumento de presión durante este período, pero es menos pronunciado que en el ciclo Otto. En cambio, el ciclo Otto idealizado de un motor de gasolina se aproxima a un proceso de volumen constante durante esa fase.

Ciclo diésel idealizado

Diagrama p–V para el ciclo Diesel ideal . El ciclo sigue los números 1–4 en sentido horario.

La imagen muestra un diagrama p–V para el ciclo Diesel ideal; dondepag{\displaystyle p}es la presión y V el volumen ov{\displaystyle v}el volumen específico si el proceso se coloca sobre una base de masa unitaria. El ciclo Diesel idealizado supone un gas ideal e ignora la química de la combustión , los procedimientos de escape y recarga y simplemente sigue cuatro procesos distintos:

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

El motor diésel es un motor térmico: convierte el calor en trabajo . Durante los procesos isoentrópicos inferiores (azul), la energía se transfiere al sistema en forma de trabajo.Winorte{\displaystyle W_{in}}, pero por definición (isentrópico) no se transfiere energía hacia dentro ni hacia fuera del sistema en forma de calor. Durante el proceso a presión constante (rojo, isobárico ), la energía entra en el sistema en forma de calor.Qinorte{\displaystyle Q_{en}}. Durante los procesos isoentrópicos superiores (en amarillo), la energía se transfiere fuera del sistema en forma deWotút{\displaystyle W_{out}}, pero por definición (isentrópico) no se transfiere energía hacia dentro o hacia 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.Qotút{\displaystyle Q_{out}}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.

  • Trabajo en (Winorte{\displaystyle W_{in}}) se realiza mediante el pistón que comprime el aire (sistema)
  • Calentar en (Qinorte{\displaystyle Q_{en}}) se realiza mediante la combustión del combustible
  • Ejercicio (Wotút{\displaystyle W_{out}}) se realiza mediante la expansión del fluido de trabajo y el empuje de un pistón (esto produce trabajo útil).
  • Calor afuera (Qotút{\displaystyle Q_{out}}) se hace ventilando el aire
  • Trabajo neto producido =Qinorte{\displaystyle Q_{en}}-Qotút{\displaystyle Q_{out}}

El trabajo neto producido también está representado 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 puede transformarse en otros tipos de energía útiles e impulsar un vehículo ( energía cinética ) o producir energía eléctrica. La suma de muchos de estos ciclos por unidad de tiempo se denomina potencia desarrollada.Wotút{\displaystyle W_{out}}También se le llama trabajo bruto, parte del cual se utiliza en el siguiente ciclo del motor para comprimir la siguiente carga de aire.

Máxima eficiencia térmica

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

ηth=1−1rγ−1(αγ−1γ(α−1)){\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\left({\frac {\alpha ^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}}\right)}

dónde

ηth{\displaystyle \eta _{th}}es eficiencia térmica
α{\displaystyle \alpha }es la relación de corteV3V2{\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}}(relación entre el volumen final y el volumen inicial de la fase de combustión)
r es la relación de compresiónV1V2{\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}}
γ{\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:

T2T1=(V1V2)γ−1=rγ−1{\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}}
T2=T1rγ−1{\displaystyle \displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}}
V3V2=T3T2{\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}}
α=(T3T1)(1rγ−1){\displaystyle \alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)}

T3{\displaystyle T_{3}}puede aproximarse a la temperatura de la llama del combustible utilizado. La temperatura de la llama puede aproximarse a la temperatura de la llama adiabática del combustible con la relación aire-combustible y la presión de compresión correspondientes.pag3{\displaystyle p_{3}}. T1{\displaystyle T_{1}}puede aproximarse a la temperatura del aire de entrada.

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

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

La complejidad adicional de la fórmula Diesel radica en que la adición de calor se produce a presión constante y la cesión de calor a volumen constante. En comparación, en el ciclo Otto, tanto la adición como la cesión de calor se producen a volumen constante.

Comparación de la eficiencia con el ciclo Otto

Al comparar ambas fórmulas, se observa 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 podrá operar con relaciones de compresión más altas. Si un motor de gasolina tuviera la misma relación de compresión, se produciría detonación (autoignición), lo que reduciría drásticamente 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 diferencia de forma tan clara ni abrupta. Asimismo, la fórmula del ciclo Otto ideal mencionada anteriormente no incluye las 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 cualquier motor de combustión interna grande de ciclo único: 0,26  lb/hp·h (0,16  kg/kWh) para motores marinos muy grandes (las centrales eléctricas de ciclo combinado son más eficientes, pero emplean dos motores en lugar de uno). Los motores diésel de dos tiempos con sobrealimentación a alta presión, en particular la turbocompresión , representan un gran porcentaje de los motores diésel más grandes.

En Norteamérica , los motores diésel se utilizan principalmente en camiones de gran tamaño, donde su ciclo de baja exigencia y alta eficiencia se traduce en una vida útil mucho mayor y menores costos operativos. Estas ventajas también hacen que el motor diésel sea ideal para su uso en el transporte ferroviario pesado y en maquinaria de movimiento de tierras.

Otros motores de combustión interna sin bujías

Muchos aeromodelos utilizan motores de combustión interna y diésel muy sencillos. Los motores de combustión interna usan bujías incandescentes . Los motores diésel para aeromodelos 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 la ignición, pero este método resulta 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 comprender su relevancia histórica.

Véase también

Referencias

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