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Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

Un motor de cuatro tiempos es un motor de pistón con una carrera por dos revoluciones del cigüeñal. Con un motor diesel de cuatro tiempos, el aire se comprime durante la carrera de compresión, calentándolo. Al final de la carrera de compresión, el combustible se inyecta a través de un inyector y se produce una combustión espontánea. Los gases de combustión en expansión empujan el pistón hacia abajo durante la carrera de trabajo, que impulsa el motor.

Los motores de 4 tiempos pueden ser de ciclo Otto o de ciclo Diésel. Sin embargo a efectos de rendimiento los analizamos conjuntamente.

Los motores de explosión aprovechan la energía química del combustible (gasolina, gasoil, etc.). En el momento de la explosión esta energía se convierta en energía térmica. Gracias a los diferentes elementos del motor, esta energía térmica se convierte en energía mecánica (en este caso energía cinética) al hacer girar un eje.

El rendimiento es la relación de energía que se aprovecha en estas transformaciones. Según las leyes de la termodinámica nunca podrá ser superior a 1 en un model teórico. En un ciclo real, a la práctica tampoco podrá llegar nunca a 1.

Según ña segunda ley de la termodinámica, ningún motor real o ideal puede convertir en trabajo mecánico todo el calor introducido. Por tanto, sólo una fracción del calor suministrado por la combustión será transformada en trabajo; esta fracción representa el rendimiento térmico del motor.

Entonces definimos, rendimiento térmico ideal a la relación entre la cantidad de calor transformada en trabajo útil y la cantidad de calor suministrada al fluido.

Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

Como el trabajo útil equivale a la diferencia entre el calor suministrado Q1 y el calor sustraído Q2tenemos:

Cualquiera puede formarse una idea más completa del concepto de rendimiento térmico y adquirir familiaridad con la interpretación de los diagramas examinando la sucesión de transformaciones en coordenadas P-V y T-S para un ciclo ideal.

Rendimiento térmico en la fase de compresión

La zona amarilla (L2) representa el trabajo realizado por el pistón. El pistón se mueve desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior.

Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

Rendimiento térmico en la fase de combustión de un motor de 4 tiempos

Se introduce de forma instantánea el calor producido por la combustión, puesto que el ciclo es a volumen constante. La zona azul QI representa el calor suministrado.

Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

Rendimiento térmico en la fase de expansión de un motor térmico

El pistón se mueve, por defecto, de la presión del fluido, desde el punto muerto superior al punto muerto inferior. El trabajo LI producido por el fluido activo durante la expansión está representado en coordenadas P-V, por la zona rayada comprendida entre la línea de expansión adiabática superior y el eje de las abscisas.

Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

Rendimiento térmico en la fase de escape de los gases

En este instante sobreviene el escape a volumen constante y durante esta fase del ciclo se sustrae el calor Q2 mientras la presión desciende. En la parte derecha, el calor Q está representado, en coordenadas T-S, por la superficie azul oscuro. En violeta se representa el trabajo útil i en azul claro el calor utilizado.

Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

Como el trabajo útil, evidentemente, igual al calor utilizado, podemos escribir:

Rendimiento térmico de un motor de 4 tiempos

de este modo podemos simplificar el cálculo del trabajo útil y del rendimiento térmico de ciclo usando los valores Q1 y Q2 en lugar de L1 y L2.

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Fecha publicación: 29 de agosto de 2012
Última revisión: 18 de febrero de 2020