En la presente sección nos disponemos a realizar una comparativa entre los tres ciclos teóricos de los motores térmicos. Compararemos en ciclo Otto, con el ciclo Diesel y con el ciclo mixto de Sabathé.
Para comparar los ciclos mencionados es necesario tomar como referencia algunos de los factores de cuyo valor dependen la forma y superficie del motor, como son: la relación de compresión, la presión máxima, la cantidad de calor suministrado, la de calor sustraído y el trabajo útil.
En la figura siguiente se han trazado las curvas de las variaciones de rendimiento térmico ideal al variar la relación de compresión para los tres ciclos: Otto, Diesel y Sabathé. Para los ciclos Diesel y Sabathé se ha elegido una relación de combustión a presión constante igual a 2.
Como se ve en la figura, los rendimientos térmicos de los ciclos teóricos crecen al aumentar la relación de compresión. Para una determinada relación de este tipo, el ciclo Otto da mayor rendimiento, mientras el ciclo Diesel resulta de rendimiento menor. Hay que considerar, sin embargo, que para los motores Diesel, la relación de compresión varía entre 14 y 22. Por otro lado, para los motores de encendido por chispa la relacion de compresion generalmente no rebasa el valor de 10, con objeto de evitar la detonación.
Por tanto, el motor diésel tiene un rendimiento térmico superior al motor Otto.
Comparación igualndo la relación de compresión y el calor suministrado
En la segunda figura se comparan en coordenadas P-V (presión -volumen) y T-S (temperatura - entropía) los tres ciclos teóricos. En esta estudio se iguala la relación de compresión y la cantidad de calor suministrado. Todos los ciclos comienzan en la misma condición 1 y tiene la misma compresión adiabática de 1 a 2.
Con objeto de que la cantidad de calor suministrada sea la misma en los tres casos, las superficies en coordenadas T-S, 2’’ 3’’ 5’’ 6 2 2’’, 2 3’ 5’ 6 2 y 2 3 5 6 2 deben ser iguales.
Teniendo en cuenta que el calor se sustrae al mismo volumen específico, según la línea de transformación entre los estados 4 y 1, la cantidad de calor sustraído está representada, para cada ciclo, por la propia superficie debajo de la línea 4-1 en el diagrama T-S. Como el calor suministrado es el mismo para cada ciclo, resulta que el ciclo teórico de mayor rendimiento térmico es aquel en el cual se sustrae menor cantidad de calor. En este caso, es el ciclo Otto, para el cual la superficie que representa la cantidad de calor sustraído está definida en coordenadas T-S por los puntos 4 5 6 1 4.
Hay que observar que la presión y temperatura máximas en el ciclo Otto son bastante más elevadas que en los otros dos ciclos. Aunque esta comparación es puramente teórica, sirve para demostrar que el ciclo que proporciona la mayor expansión del fluido después de la fase de introducción del calor es el de rendimiento más alto.
Indicaremos para los diversos ciclos con rE la relación entre los volúmenes al final de la carrera de expansión y al final de la fase de introducción del calor.
Para el ciclo Otto resulta:
mientras que para el ciclo Diesel tenemos:
Conclusiones de la comparativa de los ters ciclos teóricos
Podemos, por tanto, admitir la relación de expansión así definida como el índice del rendimiento de los ciclos.
En la figura de la izquierda, la comparación entre los ciclos teóricos Otto, Diesel está hecha a igualdad de presión máxima y de cantidad de calor suministrado. En estas condiciones las superficies 2 3 5 6 2 y 2’ 3’ 5’ 6’ 2’ deben ser iguales.
El ciclo Diesel es aquel en el cual se sustrae la menor cantidad de calor, y como la superficie que representa el calor sustraído es 4 5 6 1 4, resulta, por ello, que en estas condiciones el ciclo Diesel es el de mayor rendimiento.
También en este caso es evidente que el ciclo que permite la mayor expansión del fluido después de la combustión es el que tiene el rendimiento térmico más elevado.