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Ciclo diésel teórico

Ciclo diésel teórico

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 diésel teórico

Ciclo diésel teóricoComo 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).

Rendimiento térmico ideal del ciclo teórico 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:

    Ciclo diésel teórico 

    Por consiguiente, la ecuación de la energía sin flujo se convierte en

    Ciclo diésel teórico

    y la entalpía h del fluido está dada por la expresión

    La ecuación se transforma en

    Ciclo diésel teórico

    Por ser el fluido un gas perfecto, podemos emplear, para su variación de entalpía a presión constante, la expresión

    Ciclo diésel teórico  

    Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor:

    Ciclo diésel teórico  

    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

    Ciclo diésel teórico 
    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:

    Ciclo diésel teórico  

    Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 3-4 de expansión se tiene, respectivamente:

    Ciclo diésel teórico

     

      Ciclo diésel teórico

    de donde: 

    y como son V4=V1  y T3/T2=V3/V2  , se puede escribir:

    Ciclo diésel teórico 

    Sustituyendo esta expresión en la del rendimiento térmico ideal, resulta:

    Ciclo diésel teórico

    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

    Ciclo diésel teórico

      

    obtenemos, finalmente, la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo teórico diésel:

    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.

    Autor:

    Fecha publicación: 10 de diciembre de 2009
    Última revisión: 14 de abril de 2018