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Motores térmicos

Ciclo diésel teórico

Ciclo diésel teórico

El ciclo diésel teórico es un proceso termodinámico que describe el funcionamiento de los motores diésel, que son comunes en vehículos de transporte, generadores de energía y maquinaria industrial. 

El ciclo teórico de un motor térmico es una aproximación teórica de su funcionamiento para calcular su rendimiento y 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.

Etapas del ciclo diésel

Este ciclo se compone de cuatro etapas principales: admisión, compresión, combustión y escape. Aquí tienes una explicación detallada de cada una de estas etapas:

Admisión

En esta primera etapa, el pistón se encuentra en la parte superior de su recorrido y el cilindro del motor se llena de aire a presión atmosférica. Las válvulas de admisión se abren, permitiendo que el aire entre en el cilindro.

En los motores diésel, el aire es el único fluido que se introduce en esta etapa, a diferencia de los motores de gasolina, donde se mezcla aire y combustible desde el principio.

Compresión

Una vez que el cilindro está lleno de aire, el pistón comienza a descender y comprime el aire. Durante esta etapa, la temperatura y la presión del aire aumentan significativamente debido a la compresión.

La presión elevada hace que el aire alcance temperaturas muy altas en preparación para la combustión de acuerdo con la ley de los gases.

Combustión

En la tercera etapa, cuando el pistón se encuentra en la parte superior de su recorrido de compresión, se inyecta combustible diésel en el cilindro. El aire caliente y comprimido hace que el combustible se encienda espontáneamente debido a la alta temperatura, sin necesidad de una chispa como en los motores de gasolina. 

Esta combustión súbita crea una explosión que empuja el pistón hacia abajo con fuerza. Es esta expansión de gases la que genera la energía mecánica utilizada para impulsar el vehículo o realizar un trabajo útil, como generar electricidad en un generador.

Escape

Finalmente, después de la combustión, el pistón se eleva nuevamente, empujando los gases de escape resultantes fuera del cilindro a través de las válvulas de escape. Estos gases salen al ambiente o son dirigidos a través de un sistema de escape para reducir las emisiones y el ruido.

Diagrama del ciclo teórico del motor diésel

Ciclo diésel teórico: etapas, diagrama y rendimiento del motorEl ciclo teórico del motor diésel se representa comúnmente en un diagrama llamado "Diagrama de Presión-Volumen" o "Diagrama P-V". Este diagrama muestra cómo varían la presión y el volumen dentro del cilindro del motor durante las cuatro etapas del ciclo diésel.

Como se ve en Com podemos observar en la figura, el ciclo diésel ideal está formado por cuatro líneas térmicas que representa:

Compresión adiabática (1-2)

La etapa de compresión se realiza sin intercambio de calor, el pistón se eleva, reduciendo el volumen en el cilindro. Durante este proceso, la presión y la temperatura del aire aumentan significativamente. Esto se muestra en el diagrama como una línea curva que va del punto 1 al punto 2, que representa la compresión adiabática.

Admisión a presión constante (2-3)

El pistón se encuentra en la parte superior de su recorrido (punto 2). Durante la admisión, las válvulas de admisión están abiertas y el pistón desciende, lo que aumenta el volumen en el cilindro y permite que entre aire a presión atmosférica. Esto se representa en el diagrama como una línea horizontal que va del punto 2 al punto 3 que representa la entrada de aire a presión constante (isobárica) mientras el volumen aumenta.

Expansión adiabática en la combustión (3-4)

En esta etapa se realiza sin intercambio de calor; en ella se inyecta el combustible diésel en el cilindro y se enciende debido a la alta temperatura y presión del aire comprimido. Durante esta etapa, la presión aumenta dramáticamente a medida que el combustible se quema y los gases se expanden. En el diagrama, esto se representa como una línea descendente desde el punto 3 hasta el punto 4.

Expulsión del calor a volumen constante (4-1)

La última etapa es el escape, en la que los gases de combustión se expulsan del cilindro cuando el pistón se mueve nuevamente hacia arriba. Esto se muestra como una línea horizontal que representa la eliminación de los gases de escape mientras el volumen aumenta de nuevo (desde el punto 4 hasta el punto 1).

Rendimiento teórico del ciclo 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 teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama 

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

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama

y la entalpía h del fluido está dada por la expresión

La ecuación se transforma en

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama

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

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama  

Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor:

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama  

Hay que 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 teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama 
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 teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama

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

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama

de donde: 

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

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama 

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

Ciclo teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama

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 teórico del motor diésel, rendimiento y diagrama

 

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.

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Fecha de publicación: 10 de diciembre de 2009
Última revisión: 1 de octubre de 2023