Ciclo diésel

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 que luego se inyecta el combustible. Esto contrasta con encender la mezcla de combustible y aire con una bujía como en el motor de ciclo Otto (cuatro tiempos/gasolina). Los motores diésel se utilizan en aviones, automóviles, generación de energía, locomotoras diésel-eléctricas y barcos de superficie y submarinos.

Se supone que el ciclo Diesel tiene una presión constante durante la parte inicial de la fase de combustión (${displaystyle V_{2}$ a ${displaystyle V_{3}$ en el diagrama, abajo). Este es un modelo matemático idealizado: los diesel físicos reales tienen un aumento de presión durante este período, pero es menos pronunciado que en el ciclo de Otto. En cambio, el ciclo otom idealizado de un motor de gasolina aproxima un proceso de volumen constante durante esa fase.

Ciclo diésel ideal

p-V Diagrama para el ideal Ciclo diésel. El ciclo sigue los números 1-4 en la dirección del reloj.

La imagen muestra un diagrama p-V para el ciclo diesel ideal; donde ${displaystyle p}$ es presión y V el volumen o ${displaystyle v}$ el volumen específico si el proceso se coloca sobre una base de masa unitaria. El idealizada El ciclo diesel asume un gas ideal e ignora los procedimientos de combustión química, agotamiento y recarga y simplemente sigue cuatro procesos distintos:

• 1→2: compresión istrópica del fluido (azul)
• 2→3: calefacción de presión constante (rojo)
• 3→4: expansión istrópica (amarillo)
• 4→1: refrigeración constante de volumen (verde)

El motor Diesel es un motor de calor: convierte el calor en trabajo. Durante los procesos isentrópicos inferiores (azul), la energía se transfiere al sistema en forma de trabajo ${displaystyle ¿Qué?$, pero por definición (isentropic) ninguna energía se transfiere dentro o fuera del sistema en forma de calor. Durante el proceso de presión constante (rojo, isobarico), la energía entra en el sistema como calor ${displaystyle Q_{in}$. Durante los procesos isentrópicos superiores (amarillo), la energía se transfiere fuera del sistema en forma de ${displaystyle W_{out}$, pero por definición (isentropic) ninguna energía se transfiere dentro o fuera del sistema en forma de calor. Durante el proceso de volumen constante (verde, isocópico), parte de la energía fluye fuera del sistema como calor a través del proceso de depresurización adecuado ${displaystyle Q_{out}$. El trabajo que deja el sistema es igual al trabajo que entra en el sistema más la diferencia entre el calor añadido al sistema y el calor que deja el sistema; en otras palabras, la ganancia neta de trabajo es igual a la diferencia entre el calor añadido al sistema y el calor que deja el sistema.

• Trabajo en (${displaystyle ¿Qué?$) se hace por el pistón comprime el aire (sistema)
• Caliente en (${displaystyle Q_{in}$) se hace por la combustión del combustible
• Trabajar (${displaystyle W_{out}$) se hace por el fluido de trabajo expandiendo y empujando un pistón (esto produce trabajo utilizable)
• Calmate.${displaystyle Q_{out}$) se hace al ventilar el aire
• Trabajo neto producido = ${displaystyle Q_{in}$ - ${displaystyle Q_{out}$

El trabajo neto producido también está representado por el área encerrada por el ciclo en el diagrama P-V. El trabajo neto se produce por ciclo y también se llama el trabajo útil, ya que se puede girar a otros tipos útiles de energía y propulsar un vehículo (energía cinética) o producir energía eléctrica. La suma de muchos de estos ciclos por unidad de tiempo se llama el poder desarrollado. El ${displaystyle W_{out}$ también se llama trabajo bruto, algunos de los cuales se utiliza en el próximo ciclo del motor para comprimir la siguiente carga de aire.

Máxima eficiencia térmica

La eficiencia térmica máxima de un ciclo diésel depende de la relación de compresión y la relación de corte. Tiene la siguiente fórmula bajo análisis estándar de aire frío:

${displaystyle eta ################################################################################################################################################################################################################################################################ - ¿Qué? - Sí.$

dónde

${displaystyle eta _{th}}$ es eficiencia térmica

${displaystyle alpha }$ es la relación de corte-off ${fnMicroc} {V_{3} {V_{2}}}$ (ratio entre el volumen final y el volumen inicial para la fase de combustión)

r es la relación de compresión ${fnMicroc} {V_{1} {V_{2}}}$

${displaystyle gamma }$ es ratio de calores específicos (C_p/C_v)

La relación de corte se puede expresar en términos de temperatura como se muestra a continuación:

${displaystyle {frac {fnh} {fnh}}={m} {fnh} {fnfn} {fn}} {fnfnh}}}}}} {fnfnK}} {fnK}}}}}} {fnKf}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}} {f}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {mf}}} {fn\\\\\\\\fnmfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnh}fnfn {V_{1} {V_{2}}derecha)}{gamma -1}=r^{gamma -1}$

${displaystyle displaystyle {T_{2}={T_{1}r^{gamma} -1}$

${fnMicroc} {fnK}} {fnMicroc}} {fnMicroc}}} {fnK}}} {fn}}} {fn}}} {fnMicroc}}}}}} {fnf}}}}}} {fnf}}} {fnKf}}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}} {f}} {f}}}}} {f} {f} {f}} {f}fnf}}}}}}}}}}}}}}f}}}}}}} {f}f}}}}}f}}} {fnfnf}f}f}}}}}}}}}}}}fnf}fnf}}}fnf}}}}fn {T_{3} {T_{2}}}$

${displaystyle alpha =left({frac {T_{3}{T_{1}}right)left({frac {1}{r^{gamma -1}}right)} {i}}}} {i}}}}}}}}i}}}i)}$

${displaystyle T_{3}$ se puede aproximar a la temperatura de la llama del combustible utilizado. La temperatura de la llama se puede aproximar a la temperatura de la llama adiabática del combustible con la relación de aire a combustible correspondiente y la presión de compresión, ${displaystyle P_{3}$. ${displaystyle T_{1}$ se puede aproximar a la temperatura del aire de la entrada.

Esta fórmula solo brinda la eficiencia térmica ideal. La eficiencia térmica real será significativamente menor debido a las pérdidas por calor y fricción. La fórmula es más compleja que la relación ciclo Otto (motor gasolina/gasolina) que tiene la siguiente fórmula:

${displaystyle eta _{otto,th}=1-{frac {1}{gamma - Sí.$

La complejidad adicional de la fórmula diésel surge porque la adición de calor se realiza a presión constante y el rechazo de calor se realiza a volumen constante. El ciclo Otto, en comparación, tiene tanto la adición como el rechazo de calor a volumen constante.

Comparando la eficiencia con el ciclo Otto

Comparando las dos fórmulas se puede ver que para una relación de compresión dada (r), el ciclo Otto ideal será más eficiente. Sin embargo, un motor diésel real será más eficiente en general, ya que tendrá la capacidad de operar con relaciones de compresión más altas. Si un motor de gasolina tuviera la misma relación de compresión, entonces se produciría un golpeteo (autoencendido) y esto reduciría severamente la eficiencia, mientras que en un motor diesel, el autoencendido es el comportamiento deseado. Además, ambos ciclos son solo idealizaciones, y el comportamiento real no se divide de manera tan clara o nítida. Además, la fórmula ideal del ciclo Otto indicada anteriormente no incluye las pérdidas por estrangulamiento, que no se aplican a los motores diésel.

Aplicaciones

Motores diésel

Los motores diésel tienen el consumo de combustible específico más bajo de cualquier motor de combustión interna grande que emplee un solo ciclo, 0,26 lb/hp·h (0,16 kg/kWh) para motores marinos muy grandes (las plantas de energía de ciclo combinado son más eficientes, pero emplean dos motores en lugar de uno). Los motores diésel de dos tiempos con inducción forzada de alta presión, en particular turboalimentación, constituyen un gran porcentaje de los motores diésel más grandes.

En América del Norte, los motores diésel se usan principalmente en camiones grandes, donde el ciclo de bajo estrés y alta eficiencia conduce a una vida útil del motor mucho más prolongada y costos operativos más bajos. Estas ventajas también hacen que el motor diésel sea ideal para su uso en entornos de movimiento de tierras y ferrocarriles de transporte pesado.

Otros motores de combustión interna sin bujías

Muchas maquetas de aviones utilizan un "brillo" y "diésel" motores Los motores incandescentes usan bujías incandescentes. "Diésel" Los motores de aeromodelismo tienen relaciones de compresión variables. Ambos tipos dependen de combustibles especiales.

Algunos motores experimentales del siglo XIX o anteriores usaban llamas externas, expuestas por válvulas, para el encendido, pero esto se vuelve menos atractivo a medida que aumenta la compresión. (Fue la investigación de Nicolas Léonard Sadi Carnot la que estableció el valor termodinámico de la compresión). Una implicación histórica de esto es que el motor diesel podría haberse inventado sin la ayuda de la electricidad.
Vea el desarrollo del motor de bulbo caliente y la inyección indirecta para conocer su importancia histórica.