El ciclo diésel teórico es el ciclo teórico de un motor diésel, también conocido como motor de encendido por compresión.
El ciclo teórico de un motor térmico es una aproximación teórica de su funcionamiento para calcular su rendimiento.
El ciclo de un motor de combustión interna se constituye mediante las transformaciones físicas y químicas que sufre el combustible durante su paso por dentro del motor.
El estudio de un ciclo real teniendo en cuenta todas las numerosas variables, representa un problema muy complejo. Por ello, corrientemente se simplifica recurriendo a aproximaciones teóricas, basadas en diferentes suposiciones simplificadas.
La diferencia fundamental entre el ciclo Otto y el ciclo diésel se encuentra en la fase de introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante, mientras que en el ciclo diésel se efectúa a presión constante. Otra diferencia entre ambos ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12 a 22 para el motor diésel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para el motor Otto o motors de gasolina.
Diagrama del ciclo teórico del motor diésel
Como se ve en la figura, el ciclo diésel ideal está formado por cuatro líneas térmicas que representa:
- Compresión adiabática. Sin intercambio de calor. (1-2);
- Introducción del calor a presión constante (2-3);
- Expansión adiabática. Sin intercambio de calor (3-4);
- Expulsión del calor a volumen constante (4-1).
¿Cuál es el rendimiento teórico del ciclo de un motor diésel?
Durante la transformación 2-3 de introducción del calor Q1 a presión constante, el pistón entra en funcionamiento, y por tanto, el fluido produce el trabajo:
Por consiguiente, la ecuación de la energía sin flujo se convierte en
y la entalpía h del fluido está dada por la expresión
La ecuación se transforma en
Por ser el fluido un gas perfecto, podemos emplear, para su variación de entalpía a presión constante, la expresión
Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor:
Hay que hacer resaltar que en una transformación con introducción de calor a presión constante varía el valor de la entalpía del fluido activo, mientras que en caso de la transformación a volumen constante varía el de la energía interna del fluido. Como la sustracción del calor Q2 se realiza como en el ciclo Otto, podemos escribir:
Q2=U4-U1
y como el fluido es un gas perfecto y el ciclo es ideal:
Q2=Cv(T4-T1).
Por tanto, el rendimiento térmico ideal del ciclo diésel teórico vale:
he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
expresión del todo análoga a la encontrada para el rendimiento ideal del ciclo teórico Otto.
Para la transformación 2-3 de combustión a presión constante tenemos:
Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 3-4 de expansión se tiene, respectivamente:
de donde:
y como son V4=V1 y T3/T2=V3/V2 , se puede escribir:
Sustituyendo esta expresión en la del rendimiento térmico ideal, resulta:
indicando con t' la relación entre los volúmenes V3 y V2 al final y al comienzo, respectivamente, de la fase de combustión a presión constante, a la cual daremos el nombre de “relación de combustión a presión constante”, y recordando que
obtenemos, finalmente, la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo teórico diésel:
En esta expresión vemos que he es, para el ciclo diésel, función de la relación de compresión, de la relación de combustión a presión constante y la relación k entre los calores específicos.
Las expresiones de los rendimientos térmicos de los ciclos Otto y diésel difieren solamente por el término entre paréntesis, que siempre es mayor que 1, y, por ello, aparece claro que a igualdad de relación de compresión he es mayor para el ciclo Otto que para el ciclo diésel. Reduciendo t', es decir, el calor introducido a presión constante, el rendimiento he del ciclo diesel se aproxima al del ciclo Otto, con el cual coincide para t'=1.
