TERMODINÁMICA CICLO DE DIESEL
CICLO DE DIESEL El ciclo de Diesel, concebido por Rudolph Diesel en 1892 es similar al motor de ignición por chispa excepto que requiere una relación de compresión mayor y sólo acepta aire durante el proceso de admisión. Debido a esta alta relación de compresión, el aire admitido durante la admisión alcanza presión y temperatura altas durante la compresión, a tal punto que el combustible, al ser inyectado en el cilindro, espontáneamente sufre combustión sin necesidad de la chispa suministrada por la bujía. Al principio, Diesel propuso controlar la inyección de combustible de tal manera que la combustión se realizara a temperatura constante. Después se tuvo más éxito con un proceso de combustión a presión constante. El ciclo puede realizarse en motores de 2 y 4 tiempos. Al analizar el primero, se observa que sólo recibe aire el cilindro durante el proceso de admisión, mientras el pistón desde su punto muerto superior “ PMS” hasta su punto muerto inferior “PMI ”, para luego comprimirse mientras el pistón se desplaza hacia
arriba. Cuando el pistón se encuentra próximo a alcanzar su punto muerto superior, se inyecta combustible al cilindro en forma de pequeñas partículas de aceite finamente atomizado, lográndose así una combustión en esencia isobárica. Los productos de combustión resultantes se expanden mientras el pistón se desplaza hacia su punto muerto inferior, para terminar el ciclo con el proceso de escape en que el pistón se mueve hasta su punto muerto inferior. Debe decirse que el proceso de barrido en el motor de dos tiempos se realiza sólo con aire. Los diagramas de (presión-temperatura) y (temperatura-entropía) de un ciclo Diesel estándar aparecen en la figura 01 y en la figura 02. Si se supone que el medio de trabajo no cambia su composición química y se comporta como un gas ideal con calores específicos constantes, entonces. [1]
Diagrama P-v. Fig. 01.- Diagrama Página 1
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Fig. 02.- Diagrama T-s.
El motor Diesel puede funcionar según los ciclos de cuatro o de dos tiempos. El de cuatro tiempos es el más empleado en motores pequeños, mientras que el de dos tiempos se emplea en motores lentos y grandes, como los utilizados en la marina. [2]
TÉRMINOS BÁSICOS DEL MOTOR Para poder entender cómo opera un motor de combustión interna, es necesario familiarizarse con cierto número de términos que describen sus características mecánicas, operacionales y de potencia. Punto muerto superior (PMS).
Es el punto más bajo del viaje ascendente del pistón en el
cilindro. Punto muerto inferior (PMI). Es el punto más bajo del viaje descendente del pistón en el cilindro. Carrera. Es la distancia en pulgadas recorrida por el cilindro en su movimiento desde PMS hasta el PMI . El pistón tiene una carrera mientras viaja haca abajo y otra carrera mientras viaja hacia
arriba. La carrera hacia abajo, más la carrera hacia arriba del pistón equivalen a una vuelta o revolución del cigüeñal. Página 2
TERMODINÁMICA CICLO DE DIESEL Diámetro del cilindro.
Es el diámetro interior del cilindro. Medida generalmente tomada en
pulgadas. Giro.
Es la distancia en pulgadas desde el centro del cojinete principal del cigüeñal al centro del pasador del cigüeñal o cojinete de biela. La medida de un giro es igual a la mitad de la carrera. Volumen de combustión (VC ).
Par un cilindro, es el volumen de la cámara de combustión situada sobre el pistón, cuando éste se encuentra en PMS. Desplazamiento del pistón (DP). Esto es para un cilindro, significa el volumen que el pistón desplaza mientras viaja de PMS hasta el PMI , y se mide en pulgadas o centímetros cúbicos. Para
calcular el desplazamiento del pistón de un cilindro, se usa la siguiente fórmula: donde r es igual a la mitad del diámetro inferior, y r es la carrera.
;
Para saber el desplazamiento total de un motor, multiplique el DP por el número de cilindros. Volumen total (VT). El volumen total está en PMI y es igual a VC+DP.
del cilindro es el volumen sobre el pistón cuando el pistón
Relación de compresión (RC). Es la relación entre el volumen total del cilindro y VC , y se calcula dividiendo el volumen total entre VC y se expresa como una relación (es decir, 10 a 1). Eficiencia volumétrica (EV).
Es la relación que hay entre la cantidad de mezcla de airecombustible que entra al cilindro en la carrera de admisión y la cantidad requerida para llenar el cilindro a presión atmosférica. Esto se expresa en porcentajes. Válvulas.
Se usan para abrir o cerrar un agujero. Las válvulas de motor están localizadas en los orificios de escape y admisión. [2] Relación de compresión.
Es igual al cociente del volumen del cilindro más la cámara de explosión dividida por el volumen de la cámara de explosión. [2]
Cilindrada. A la suma de los volúmenes de todos los cilindros se le llama cilindrada.
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[3]
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MOTOR DE DIESEL DE 4 TIEMPOS PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN La válvula de admisión está abierta completamente cuando el émbolo pasa por el PMS y mientras baja hasta el PMI crea un vacío en el interior del cilindro y aspira solo aire. Cuando llega al PM I, el cilindro está lleno de aire a la presión de casi una atmósfera ( aproximadamente) y a la temperatura ambiente. La válvula de escape continúa durante todo ese tiempo.
⁄
SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN (PRINCIPIO DE INYECCIÓN) En el PMI se cierra la válvula de admisión, y el émbolo al descender, va comprimiendo el aire que hay en el interior del cilindro, hasta reducir su volumen al de la cámara de combustión. La válvula de escape continúa cerrada. Al final de la compresión, el volumen de aire se ha reducido (de a veces según el tipo de motor), su temperatura se ha elevado (a más de ) y su presión ha aumentado (alcanzando de a bar).
Si solamente se redujese el volumen de aire, la presión que alcanzaría sería del mismo orden que esa reducción, de unos a bar. Pero como el aire se ha calentado además de comprimirse, esto hace que su presión final sea bastante mayor y se alcancen los valores citados.
Cerca del final de la compresión se inyecta en la cámara de combustión una pequeña cantidad de combustible, medida exactamente. La inyección dura, a plena carga, de a grados de giro del cigüeñal. El momento que empieza la inyección de esa cantidad de combustible y la exactitud de su dosificación son dos factores muy importantes para el buen funcionamiento y rendimiento del motor.
Casi inmediatamente después de empezar la inyección se produce el encendido espontáneo del combustible y comienza la combustión, que se prolonga hasta poco después del PMS.
TERCER TIEMPO: COMBUSTIÓN Y EXPANSIÓN Después de alcanzado el PMS, el émbolo desciende hacia el PMI y las dos válvulas permanecen cerradas. La máxima presión en la cámara se alcanza poco después del PMS. Los gases se expanden y empujan el árbol de la biela, transmitiéndole una fuerza que actúa sobre el cigüeñal a través de la biela, dándole un nuevo impulso de rotación. Ésta es la carrera útil del motor.
CUARTO TIEMPO: ESCAPE Después del PMI , el émbolo se dirige de nuevo hacia el PMS expulsando los gases quemados a través de la abertura de la válvula de escape, que se ha abierto poco antes de terminar Página 4
TERMODINÁMICA CICLO DE DIESEL la carrera de expansión. La válvula de admisión permanece cerrada. Al llegar el émbolo o pistón al PMS se inicia un nuevo ciclo. [3]
EFECTOS DEL AUMENTO DE LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN En motores de gasolina la relación de compresión generalmente es del orden de 10 y en los motores de Diesel de 20; si este valor se incrementa puede producir baja eficiencia del motor y cascabeleo o detonación. Experimentalmente se ha observado que con valores mayores de 13 la eficiencia disminuye y además se requiere mejorar la calidad del combustible. [3]
ANÁLISIS Y DEMOSTRACIÓN DEL CICLO DE DIESEL Partiendo de la ecuación general para la eficiencia térmica
donde es calor de entrada y es calor de salida y vienen dado por, el calor de entrada se sustituirá por y el calor de salida por respectivamente Sustituyendo en la ecuación “ ” se obtiene dado que
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Por la Ley de los Gases Ideales,
por relación de temperaturas
donde la
es la relación de compresión y viene dado por
Obteniendo la entropía
En el estado de 2-3
integrando ambos lados de la igualdad
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como
y son constantes “salen” fuera la integral
por tabla, la integral de cuenta
∫ , en este caso la constante de integración no se toma en
De manera similar para el estado de 4-1
como se hace referencia a la misma masa
recordando que es
la relación de carga térmica viene dada por
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donde muchas bibliografías o autores le llaman a la cociente de temperatura de .
⁄
como relación isoentrópica debido al
Entonces la eficiencia térmica del ciclo de Diesel es
[()] En otras bibliografías a la también le llaman , y a la relación de compresión le llaman , , esperemos que el estudiante de termodinámica de la UPV no se quiebre la cabeza tratando de averiguar qué significa y . Como se ve claramente es la misma expresión para la eficiencia [4]
térmica en el ciclo de Diesel.
Ejemplo 01.- Considere un ciclo Diesel donde las condiciones, al iniciarse el proceso de compresión, son de y . Si la compresión y temperaturas máximas en el ciclo se limitan a y , el valor del índice politrópico es de 1.4, calcule:
a) b) c) d) e) f)
La relación de compresión. El calor suministrado al ciclo. La eficiencia térmica del ciclo. El trabajo realizado por el ciclo. El calor disipado. La fracción del calor disipado que es energía disponible.
SOLUCIÓN: a) Puesto que la relación de compresión está dador por
haciendo la sustitución pertinente de los valores previamente otorgados
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b) Para calcular la temperatura al finalizar el proceso de compresión,
Por consiguiente,
c) La eficiencia térmica puede calcularse mediante la ecuación de la relación de compresión, donde
⁄ Se multiplica por 100% para saber su eficiencia térmica, d) e) Mediante un balance de energía,
f)
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de Ejemplo 02.- Considere un motor Diesel de cuatro tiempos y cuatro cilindros, de desplazamiento, que tiene una relación de compresión de y gira a . El combustible durante la combustión. Al iniciarse la compresión, el aire se encuentra empleado disipa
a una presión de y una temperatura de . La relación ⁄ ( ⁄ ) es iguala . Suponiendo un ciclo Diesel donde las propiedades del medio de trabajo son iguales a las del aire, calcule
a) Las presiones y temperaturas a los largo de todo el ciclo. b) La eficiencia térmica del ciclo Diesel. c) El flujo de calor equivalente suministrado al ciclo durante el proceso de combustión isobárica. d) La potencia desarrollada por la máquina.
SOLUCIÓN: a) Con el objeto de determinar los volúmenes las siguientes relaciones
y de un solo cilindro se pueden usar
Por tanto,
Asimismo,
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Para calcular la temperatura en el Estado 3,
pero
Mediante un balance de energía,
En consecuencia,
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b) Sustituyendo valores en la ecuación de la relación de compresión, donde ,
Se multiplica por 100% para saber su eficiencia térmica,
c) ̇ ⁄ ( ⁄) ⁄( ⁄) ̇ d) ̇
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BIBLIOGRAFÍA [1] Termodinámica. Manrique Baladez, José Angel. OXFORD UNIVERSITY PRESS. ALFAOMEGA. [2] Fundamentos de mecánica automotriz. Nash, Frederick C. Editorial DIANA MÉXICO. 32ª impresión, febrero de 1991. ISBN 968-13-0865-4. [3] El motor del automóvil. Romero López, Alejandro. Aconcagua Ediciones y publicaciones, S.A. de C.V. 1995. ISBN 968-6000-39-9. [4] Curso de termodinámica. Aguilar Peris, J. Alhambra Universidad.
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