Ciclo de Diesel El ciclo de diesel es un ciclo idealizado a partir de las máquinas de encendido por compresión (ECOM). El motor ECOM, propuesto por Rudolph Diesel en 1!", a pesar de tene tenerr #ran #rande dess simi simili litu tude dess con con el moto motorr de ence encend ndid ido o por por chis chispa pa (EC$ (EC$), ), di%i di%ier eree enormemente en el m&todo de inicio de la com'ustión. En los motores EC$, o de #asolina, la mezc mezcla la #as #asco com' m'us usti ti'l 'lee se com comprim primee sin sin lle# lle#ar ar a alca alcanz nzar ar la temp temper erat atur uraa de autoenc autoencendi endido do del com'us com'usti' ti'le, le, o'li#a o'li#ando ndo la i#nici i#nición ón la chispa chispa de una 'u*a. 'u*a. En los moto motore ress ECOM ECOM,, o moto motore ress Dies Diesel el,, el aire aire limp limpio io,, sin sin mezcl mezclar ar con com' com'us usti ti'l 'le, e, se comprime hasta alcanzar una temperatura superior a la de autoencendido del com'usti'le, en este punto se in+ecta com'usti'le c om'usti'le al aire caliente e inicia la com'ustión. En los motores de #asolina, una mezcla de aire + com'usti'le se comprime durante la carrera de compresión, mientras que las relaciones de compresión están limitadas por el comienzo del autoencendido o el #olpeteo del motor. En los diesel, solamente el aire se comprime durante la carrera de compresión, eliminando la posi'ilidad de autoencendido. or lo tant tanto, o, los los moto motore ress dies diesel el puede pueden n ser ser dise dise-ad -ados os para para opera operarr a rela relaci cion ones es de compresión mucho más altas, #eneralmente entre 1 + / (a di%erencia de los motores EC$, cu+a relación oscila entre 0 + 1). o tener el pro'lema del autoencendido conlle2a otro 'ene%icio3 muchos de los e4i#entes requerimientos impuestos a la #asolina pueden ser elimin eliminado ados, s, de manera manera que los com'usti' com'usti'les les menos re%ina re%inados dos (+ por lo tanto tanto menos menos costosos) pueden utilizarse en los motores diesel. ara ara el estu estudi dio o de este este tipo tipo de motor otores es,, es nece necesa sari rio o cono conoce cerr una una term termin inol olo# o#*a *a uni2ersalmente usada para esta'lecer al#unos 2alores e indicar dimensiones3
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unto unto muerto muerto superi superior or (M5)3 (M5)3 osici osición ón del pistón pistón cuando cuando alcanz alcanzaa la má4ima má4ima
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compresión. unto muerto in%erior (M6)3 osición del pistón con la menor compresión. Carrera3 Distancia entre el M5 + el M6.
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7olumen total del cilindro (
V 1 ¿
3 7olumen total del cilindro cuando el pistón se
halla en el M6. V 2
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7olumen cámara de 6#nición (
)3 7ol 7olumen umen total del cilindro cuando el pistón se
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halla en el M5. Relación Relación de compresión (8)3 (8)3 5e entiende por la relación relación que ha+ entre el 2olumen 2olumen total del cilindro + el 2olumen de la cámara de i#nición9 se e4presa como .
ρ=
V 1 V 2
Fases del Ciclo en un motor Diesel: •
:dmisión3 5e a're la 2ál2ula de admisión, permitiendo la entrada de aire limpio al
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cilindro. Compresión3 roceso de compresión adia'ático, el que en el pistón, estando en el
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punto muerto in%erior (M6), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello ele2a el estado termodinámico del %luido, aumentando su presión, su temperatura + disminu+endo su 2olumen espec*%ico, en 2irtud del e%ecto adia'ático. 6n+ección3 ;na 2ez está cerca el pistón al M5, un in+ector in+ecta com'usti'le a la
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cámara, + estando el aire a una temperatura superior al de autoencendido del com'usti'le, enciende el com'usti'le in+ectado. E4plosión
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hasta el 2olumen espec*%ico que se ten*a al inicio de la compresión. En la realidad, la e4pansión se produce a consecuencia del ele2ado estado termodinámico de los #ases tras la com'ustión, que empuan al pistón desde el M5 hacia el M6, produciendo un tra'ao. Como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos o dos tiempos, solo en esta carrera, en la de e4pansión, se produce un tra'ao. Escape3 es un proceso isocórico (escape), es decir a 2olumen constante. Desde la presión %inal de e4pansión hasta la presión inicial de compresión, e2acuando los #ases producto de la i#nición del com'usti'le, reiniciándose en este punto el ciclo, reno2ando la car#a.
=as etapas del Ciclo ideal se pueden 2isualizar meor en el si#uiente dia#rama 73
Dia#rama 7 para el ciclo de Diesel.
5i se o'ser2a que el ciclo Diesel se eecuta en un dispositi2o de &m'olo + cilindro, que %orma un sistema cerrado, la cantidad de calor a-adida al %luido de tra'ao a presión constante + rechazada por &ste a 2olumen constante puede e4presarse como3 →
q ¿− wout =u 3−u2 ❑ q¿ =w out + ( u3−u 2) →
q ¿= P2 ( v 3 −v 2 ) + ( u3 −u2 ) ❑ q ¿=( h3−h 2) =c p ( T 3 −T 2 ) > si además3 →
−qout = u1−u4 ❑
q out =u4 −u1= c v ( T 4 −T 1 )
Entonces, la e%iciencia t&rmica de un ciclo Diesel ideal 'ao las suposiciones de aire estándar %r*o se 2uel2e3
ηt er, Diesel=
w neto q¿
=1 −
q out q¿
=1−
c v ( T 4−T 1 ) c p ( T 3 −T 2 )
:hora se de%ine una nue2a cantidad, la relación de corte de admisión rc, como la relación de los 2ol?menes del cilindro antes + despu&s del proceso de com'ustión3 rc=
v3 v2
:l usar esta de%inición + las relaciones de #as ideal isentrópicas para los procesos 1 + "/, la relación de la e%iciencia t&rmica se reduce a3
ηter, Diesel=1 −
Donde
k =
( r −1 ) k c
r
k − 1
k ( r c −1 )
c p cv .
@ao las suposiciones de aire estándar %r*o la e%iciencia de un ciclo Diesel di%iere de la de r c −1 un ciclo de Otto por la cantidad , la cual siempre es ma+or que 1. or lo tanto ηter, Diesel < ηter ,Otto
, cuando am'os ciclos operan a la misma relación de compresión.
:simismo, cuando la relación de corte de admisión disminu+e, la e%iciencia del ciclo Diesel r c =1 aumenta. ara el caso l*mite de , la cantidad entre par&ntesis se 2uel2e la unidad + las e%iciencias de los ciclos de Otto + Diesel se 2uel2en id&nticas. 5in em'ar#o, los motores diesel operan con relaciones de compresión mucho más altas, por lo que suelen ser más e%icientes que los de encendido por chispa (#asolina). =os motores diesel tam'i&n queman el com'usti'le de manera más completa, +a que usualmente operan a menores re2oluciones por minuto + la relación de masa de aire + com'usti'le es mucho ma+or que en los motores de encendido por chispa. =as e%iciencias t&rmicas de los motores Diesel 2ar*an apro4imadamente entre "A + /B por ciento. $aciendo un resumen de las 2entaas del motor Diesel con respecto a los del ciclo de Otto, se encuentra que ha+ un ma+or rendimiento t&rmico, ma+or potencia ?til + por ende un menor consumo de com'usti'le ("B menos), además de no e4istir el peli#ro de incendio al no e4istir chispa + un motor más ro'usto + apto para tra'aos duros. :s* mismo, des2entaas como ma+or ruido + peso del motor, un arranque más di%*cil + aceites de ma+or calidad para en#rasar los pistones.
