El ciclo diésel estándar de aire: una tecnología esencial para los motores diésel. Si alguna vez te has preguntado cómo funcionan los motores diésel, estás en el lugar correcto. En este artículo, exploraremos el ciclo diésel estándar de aire, una técnica fundamental utilizada en estos motores que ha demostrado ser altamente eficiente y confiable a lo largo de los años. Descubre cómo este ciclo transforma la energía del combustible diésel en potencia, y conoce algunos datos curiosos sobre su historia y aplicaciones actuales. ¡Prepárate para sumergirte en el fascinante mundo del ciclo diésel estándar de aire y las maravillas que ha logrado en la industria automotriz y más allá!

¿Qué ciclo se utiliza en el motor diesel? Ciclo del motor diésel: diagramas PV y TS

El motor de combustión interna diésel se diferencia del motor de gasolina propulsado por gasolina porque utiliza una mayor compresión del combustible para encenderlo en lugar de utilizar una bujía (“encendido por compresión” en lugar de “encendido por chispa”).

El ciclo diésel es un proceso de combustión de un motor de combustión interna alternativo. El combustible se enciende por el calor generado cuando el aire se comprime en la cámara de combustión y luego se inyecta en la cámara de combustión. Esto contrasta con el encendido de la mezcla de combustible y aire con una bujía como en el motor de gasolina (motor de cuatro tiempos/gasolina). Los motores diésel se utilizan en aviones, automóviles, generación de energía, locomotoras diésel-eléctricas y barcos de superficie y submarinos.

En los motores diésel, el aire se comprime adiabáticamente con una relación de compresión normalmente entre 15 y 20. Esta compresión eleva la temperatura a la temperatura de ignición de la mezcla de combustible, que se crea inyectando combustible una vez que se comprime el aire.

El ciclo estándar de aire ideal se modela como una compresión adiabática reversible, seguida de un proceso de combustión a presión constante, luego una expansión adiabática como ciclo de potencia y un escape isovolumétrico. Al final del escape se aspira una nueva carga de aire, como lo indican los procesos aea en el diagrama.

Se supone que el ciclo diésel tiene una presión constante al inicio de la fase de combustión. Este es un modelo matemático idealizado: en los motores diésel físicos reales hay un aumento de presión durante este período, pero es menos pronunciado que en el ciclo Otto. Por el contrario, el ciclo Otto idealizado de un motor de gasolina se aproxima a un proceso de volumen constante durante esta fase.

Procesos en el ciclo diésel:

El ciclo diésel consta de cuatro procesos. Ellos son:

Proceso 1-2: compresión isentrópica (adiabática reversible)
Proceso 2-3: Suministro de calor a presión constante (isobárico).
Proceso 3-4: expansión isentrópica
Proceso 4-1: Rechazo de calor a volumen constante (isocórico).

Proceso 1-2: compresión isentrópica

El pistón se mueve desde el punto muerto inferior (BDC) hasta el punto muerto superior (TDC). El aire en el cilindro está comprimido isentrópicamente. La presión del aire aumenta de p1 a p2, la temperatura aumenta de T1 a T2 y el volumen disminuye de V1 a V2. La entropía permanece constante (es decir, s1 = s2). Esto implica trabajar en el sistema (marcado Win en los diagramas anteriores).

Proceso 2-3: Adición de calor a presión constante

En este proceso, el calor se suministra desde una fuente de calor externa a presión constante. El volumen aumenta de V2 a V3, la temperatura aumenta de T2 a T3 y la entropía aumenta de s2 a s3.

El calor agregado en el proceso 2-3 viene dado por

Qin = mCp(T3 − T2) kJ

Dónde,

m → masa de aire en kg

Cp → Calor específico a presión constante en kJ/kgK

T2 → temperatura en el punto 2 en K

T3 → temperatura en el punto 3 en K

Proceso 3-4: expansión isentrópica

El aire comprimido y calentado en el cilindro se expande isentrópicamente. El pistón es empujado desde el PMS al PMI en el cilindro. La presión del aire disminuye de p3 a p4, la temperatura disminuye de T3 a T4 y el volumen aumenta de V3 a V4. La entropía permanece constante (es decir, s3 = s4). En este proceso, el sistema realiza el trabajo (indicado por Wout en los diagramas pV y Ts anteriores).

Proceso 4-1: Eliminación de calor a volumen constante

El calor se libera con un volumen constante (V4 = V1). La presión disminuye de P4 a P1, la temperatura de T4 a T1 y la entropía de s4 a s1.

El calor liberado en el proceso 4-1 viene dado por

MCV QSALIDA = (T4 – T1) kJ

Dónde,

m → masa de aire en kg

Cv → Calor específico a volumen constante en kJ/kgK

T2 → temperatura en el punto 2 en K

T3 → temperatura en el punto 3 en K

Este ciclo puede funcionar con una relación de compresión más alta que el ciclo Otto porque solo se comprime aire y no hay riesgo de combustión espontánea del combustible. Aunque el ciclo Otto tiene una mayor eficiencia en una relación de compresión determinada porque el motor diésel puede funcionar a una relación de compresión más alta, el motor en realidad puede tener una eficiencia más alta que un ciclo Otto cuando ambos funcionan en relaciones de compresión que en la práctica podrían lograrse.

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Ciclo estándar del motor diésel: utilizado en los motores diésel

El motor de combustión interna diésel difiere del ciclo Otto de gasolina al usar una mayor compresión del combustible para encenderlo en lugar de usar una bujía de encendido («encendido por compresión» en lugar de «encendido por chispa»).

El ciclo diésel es un proceso de combustión de un motor de combustión interna alternativo. En él, el combustible se enciende por el calor generado durante la compresión del aire en la cámara de combustión, en la cual se inyecta el combustible. Esto contrasta con el encendido de la mezcla de combustible y aire con una bujía de encendido en el ciclo Otto (motor de cuatro tiempos / gasolina). Los motores diésel se utilizan en aviones, automóviles, generación de energía, locomotoras diésel-eléctricas y tanto en barcos de superficie como en submarinos.

En el motor diésel, el aire se comprime adiabáticamente con una relación de compresión típicamente entre 15 y 20. Esta compresión eleva la temperatura hasta la temperatura de encendido de la mezcla de combustible, que se forma al inyectar el combustible una vez que el aire está comprimido.

El ciclo ideal estándar de aire se modela como una compresión adiabática reversible seguida de un proceso de combustión a presión constante, luego una expansión adiabática como una carrera de potencia y un escape isovolumétrico. Se toma una nueva carga de aire al final del escape, como indican los procesos a-e-a en el diagrama.

Diagrama PV TS para motores diésel

Se asume que el ciclo diésel tiene una presión constante durante la parte inicial de la fase de combustión. Este es un modelo matemático idealizado: los diésel físicos reales tienen un aumento de presión durante este período, pero es menos pronunciado que en el ciclo Otto. En contraste, el ciclo Otto idealizado de un motor de gasolina se aproxima a un proceso de volumen constante durante esa fase.

Procesos en el ciclo diésel:

El ciclo diésel consta de cuatro procesos. Ellos son:

Proceso 1-2: Compresión isotérmica (adiabática reversible)

Proceso 2-3: Adición de calor a presión constante (isobárica)

Proceso 3-4: Expansión isotérmica

Proceso 4-1: Rechazo de calor a volumen constante (isocórico)

Proceso 1-2: Compresión isotérmica

En este proceso, el pistón se mueve desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS). El aire se comprime isotérmicamente dentro del cilindro. La presión del aire aumenta de p1 a p2, la temperatura aumenta de T1 a T2 y el volumen disminuye de V1 a V2. La entropía permanece constante (es decir, s1 = s2). Se realiza trabajo en el sistema en este proceso (denotado por Win en los diagramas).

Proceso 2-3: Adición de calor a presión constante

En este proceso, se agrega calor a presión constante desde una fuente de calor externa. El volumen aumenta de V2 a V3, la temperatura aumenta de T2 a T3 y la entropía aumenta de s2 a s3.

El calor agregado en el proceso 2-3 se calcula mediante la fórmula:
Qin = mCp(T3 – T2) kJ

donde:
m → Masa del aire en kg
Cp → Calor específico a presión constante en kJ/kgK
T2 → Temperatura en el punto 2 en K
T3 → Temperatura en el punto 3 en K

Proceso 3-4: Expansión isotérmica

En este proceso, el aire comprimido y calentado se expande isotérmicamente dentro del cilindro. El pistón se mueve desde el PMS hasta el PMI en el cilindro. La presión del aire disminuye de p3 a p4, la temperatura disminuye de T3 a T4 y el volumen aumenta de V3 a V4. La entropía permanece constante (es decir, s3 = s4). Se realiza trabajo por parte del sistema en este proceso (denotado como Wout en los diagramas PV y TS).

Proceso 4-1: Rechazo de calor a volumen constante

En este proceso, se rechaza calor a volumen constante (V4 = V1). La presión disminuye de P4 a P1, la temperatura disminuye de T4 a T1 y la entropía disminuye de s4 a s1.

La cantidad de calor rechazado en el proceso 4-1 se calcula mediante la fórmula:
MCV QOUT = (T4 – T1) kJ

donde:
m → Masa del aire en kg
Cv → Calor específico a volumen constante en kJ/kgK
T2 → Temperatura en el punto 2 en K
T3 → Temperatura en el punto 3 en K

Este ciclo puede funcionar con una relación de compresión mayor que el ciclo Otto porque solo se comprime aire y no hay riesgo de autoignición del combustible. Aunque para una relación de compresión dada el ciclo Otto tiene una mayor eficiencia, porque el motor diésel puede funcionar a una relación de compresión mayor, el motor puede tener en realidad una mayor eficiencia que un ciclo Otto cuando ambos funcionan a relaciones de compresión que se pueden lograr en la práctica.