El ciclo Sabathé es un ciclo termodinámico aplicado a motores de combustión interna en el que la combustión ocurre en dos fases: una a presión constante y otra a volumen constante. Debido a esta combinación, también se conoce como ciclo mixto, ciclo de combustión dual o ciclo de presión limitada. Aquest model reflecteix millor les condicions reals de treball dels motors diésel en comparació amb els cicles Otto i Diesel ideals.
El ciclo de Sabathé, también llamado ciclo mixto de Sabathé, recibe diferentes nombres según su enfoque y características. Se conoce como ciclo de combustión dual porque combina dos procesos de combustión: uno a volumen constante y otro a presión constante. También se denomina ciclo de presión limitada, ya que en la segunda fase de combustión la presión no sigue aumentando indefinidamente. Los nombres ciclo Trinkler y ciclo Seiliger provienen de los ingenieros que estudiaron y describieron sus principios.
Diferencias con los ciclos Otto y Diesel
En la práctica, los motores diésel no funcionan exactamente bajo el ciclo Diesel ideal, ya que la combustión no ocurre completamente a presión constante. En la mayoría de los motores, especialmente los de velocidad media y rápida, la combustión se asemeja a una combinación de los ciclos Otto y Diesel, lo que da lugar al ciclo Sabathé.
A igualdad de relación de compresión:
-
Si la mayor parte del calor se introduce a volumen constante, el rendimiento se acerca al del ciclo Otto.
-
Si el calor se introduce mayormente a presión constante, el rendimiento se asemeja al del ciclo Diesel.
Descripción y cálculo del ciclo mixto de Sabathé
El ciclo consta de las siguientes fases:
- Compresión adiabática (1-2): El aire se comprime sin intercambio de calor.
- Combustión a volumen constante (2-3): Se introduce parte del calor (Q1’), elevando la presión sin modificar el volumen.
- Combustión a presión constante (3-4): Se introduce el resto del calor (Q1’’), elevando el volumen sin modificar la presión.
- Expansión adiabática (4-5): El gas se expande sin intercambio de calor, realizando trabajo mecánico.
- Extracción de calor a volumen constante (5-1): Se extrae el calor residual (Q2), reduciendo la presión y temperatura.
En este ciclo, después de la fase de compresión adiabática 1-2, sobreviene una fase de combustión a volumen constante 2-3. Durante esta fase de combustión se introduce la cantidad de calor Q1’ y luego, como en el ciclo Diesel, una fase de 3-4 de combustión a presión constante, en cuyo decurso se introduce la cantidad de calor Q1’’.
Siguen después dos fases sucesivas, a saber: una, de expansión adiabática 4-5, y otra, de sustracción, a volumen constante 5-1, de la cantidad de calor Q2.
Por tanto, la cantidad total de calor introducida vale:
Q1=Q1’+Q1’’
Recordando lo expuesto, a propósito de los ciclos Otto y Diesel, podemos escribir:
Q1’=Cv (T3-T2)
Q1’’= Cp (T4-T3)
Q2= Cv (T5-T1)
De este modo, el rendimiento térmico ideal del ciclo Sabathé teórico vale:
he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
Para la transformación 2-3 de combustión a volumen constante tenemos:
Y para la transformación 3-4 de combustión a presión contante:
Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 4-5 de expansión emplearemos, respectivamente, las fórmulas
de las cuales obtenemos:
y siendo V3=V2 ; V5=V1
se puede escribir:
Sustituyendo estas expresiones en las del rendimiento térmico ideal, resulta:
Inicio con la relación entre la presión P3 al final y la presión P2 al principio de la fase de combustión a volumen constante –a la cual llamaremos “relación de combustión a volumen constante”-, y recordando que:
se obtiene la expresión final de rendimiento térmico ideal del ciclo teórico Sabathé:
Conclusiones del rendimiento del ciclo de Sabathé
A igualdad de relación de compresión r, el rendimiento del ciclo mixto resulta intermedio entre el del ciclo Otto y el del ciclo Diesel. Si se aumenta el calor suministrado a volumen constante, es decir, entre los puntos 2 y 3, y se reduce el suministrado a presión constante entre los puntos 3 y 4, el rendimiento térmico se aproxima al del ciclo Otto. Si, por el contrario, se reduce el calor suministrado a volumen constante y se aumenta el correspondiente a presión constante, el rendimiento del ciclo mixto se aproxima al del ciclo Diesel.