Ciclo diesel

O ciclo Diesel é um processo de combustão de um motor de combustão interna alternativo. Nele, o combustível é inflamado pelo calor gerado durante a compressão do ar na câmara de combustão, na qual o combustível é então injetado. Isso contrasta com a ignição da mistura ar-combustível com uma vela de ignição, como no motor de ciclo Otto (quatro tempos/gasolina). Os motores a diesel são usados em aeronaves, automóveis, geração de energia, locomotivas diesel-elétricas e navios de superfície e submarinos.

Presume-se que o ciclo diesel tenha pressão constante durante a parte inicial da fase de combustão (V2{displaystyle V_{2}} para V3Não. V_{3}} no diagrama, abaixo). Este é um modelo matemático idealizado: os diesel físicos reais têm um aumento na pressão durante este período, mas é menos pronunciado do que no ciclo Otto. Em contraste, o ciclo idealizado de Otto de um motor a gasolina aproxima um processo de volume constante durante essa fase.

Ciclo Diesel Idealizado

P-V Diagrama para o ideal Ciclo diesel. O ciclo segue os números 1-4 na direção no sentido horário.

A imagem mostra um diagrama p-V para o ciclo diesel ideal; onde pNão. é pressão e V o volume ou vNão. o volume específico se o processo for colocado em uma base de massa unitária. O idealizado O ciclo diesel assume um gás ideal e ignora a química da combustão, os procedimentos de exaustão e recarga e simplesmente segue quatro processos distintos:

• 1→2: compressão isentropic do fluido (azul)
• 2→3: aquecimento de pressão constante (vermelho)
• 3→4: expansão isentropic (amarelo)
• 4→1: refrigeração de volume constante (verde)

O motor Diesel é um motor de calor: converte o calor no trabalho. Durante os processos isentropic inferior (azul), a energia é transferida para o sistema na forma de trabalho WEu...nNão. W_{in}}, mas por definição (isentropic) nenhuma energia é transferida para ou fora do sistema na forma de calor. Durante o processo de pressão constante (vermelho, isobárico), a energia entra no sistema como calor QEu...n{displaystyle Q_{in}}. Durante os processos isentropic superiores (amarelo), a energia é transferida para fora do sistema na forma de Wou){displaystyle W_{out}}, mas por definição (isentropic) nenhuma energia é transferida para ou fora do sistema na forma de calor. Durante o processo de volume constante (verde, isocórico), parte da energia flui para fora do sistema como calor através do processo depressurização direita Qou){displaystyle Q_{out}}. O trabalho que deixa o sistema é igual ao trabalho que entra no sistema mais a diferença entre o calor adicionado ao sistema e o calor que deixa o sistema; em outras palavras, o ganho líquido do trabalho é igual à diferença entre o calor adicionado ao sistema e o calor que deixa o sistema.

• Trabalho em (WEu...nNão. W_{in}}) é feito pelo pistão comprimindo o ar (sistema)
• Aqueça em (QEu...n{displaystyle Q_{in}}) é feito pela combustão do combustível
• Trabalho (Wou){displaystyle W_{out}}) é feito pelo fluido de trabalho expandindo e empurrando um pistão (isso produz trabalho útil)
• Calor para fora (Qou){displaystyle Q_{out}}) é feito através da ventilação do ar
• Trabalho líquido produzido = QEu...n{displaystyle Q_{in}} - Não. Qou){displaystyle Q_{out}}

O trabalho líquido produzido também é representado pela área fechada pelo ciclo no diagrama P-V. O trabalho líquido é produzido por ciclo e também é chamado de trabalho útil, pois pode ser transformado em outros tipos úteis de energia e impulsionar um veículo (energia cinética) ou produzir energia elétrica. A soma de muitos tais ciclos por unidade de tempo chama-se o poder desenvolvido. O Wou){displaystyle W_{out}} é também chamado de trabalho bruto, alguns dos quais é usado no próximo ciclo do motor para comprimir a próxima carga de ar.

Eficiência térmica máxima

A eficiência térmica máxima de um ciclo Diesel depende da taxa de compressão e da taxa de corte. Tem a seguinte fórmula sob análise padrão de ar frio:

? ? )h= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =1- Sim. - Sim. 1Rγ γ - Sim. - Sim. 1(α α γ γ - Sim. - Sim. 1γ γ (α α - Sim. - Sim. 1)){displaystyle eta} _{th}=1-{frac {1}{r^{gamma -1}}left({frac) }-1}{gamma (alpha -1)}}right)}

onde

? ? )h{displaystyle eta _{th}} é a eficiência térmica

α α - Sim. é a razão de corte V3V2Não. {V_{3}}{V_{2}}}} (ratio entre o fim e o volume de arranque para a fase de combustão)

R é a razão de compressão V1V2Não. {V_{1}}{V_{2}}}}

γ γ - Sim. é a razão de calores específicos (C_p/C_v)

A taxa de corte pode ser expressa em termos de temperatura, conforme mostrado abaixo:

T2T1= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(V1V2)γ γ - Sim. - Sim. 1= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Rγ γ - Sim. - Sim. 1{displaystyle {frac {T_{2}}{T_{1}}}={left({frac {V_{1}}{V_{2}}}right)^{gamma -1}}=r^{gamma -1

T2= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =T1Rγ γ - Sim. - Sim. 1Não. {T_{2}}={T_{1}}r^{gamma -1

V3V2= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =T3T2Não. {V_{3}}{V_{2}}}={frac {T_{3}}{T_{2}}}}

α α = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(T3T1)(1Rγ γ - Sim. - Sim. 1){displaystyle alpha =left({frac {T_{3}}{T_{1}}}right)left({frac {1}{r^{gamma -1}}}right)}

T3Não. T_{3}} pode ser aproximado à temperatura de chama do combustível usado. A temperatura da chama pode ser aproximada à temperatura da chama adiabática do combustível com a razão de ar-a-combustível correspondente e pressão de compressão, p3Não. p_{3}}. T1Não. T_{1}} pode ser aproximado à temperatura do ar da entrada.

Esta fórmula fornece apenas a eficiência térmica ideal. A eficiência térmica real será significativamente menor devido às perdas de calor e fricção. A fórmula é mais complexa que a relação ciclo Otto (motor a gasolina/gasolina) que tem a seguinte fórmula:

? ? o))o,)h= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =1- Sim. - Sim. 1Rγ γ - Sim. - Sim. 1{displaystyle eta _{otto,th}=1-{frac {1}{r^{gamma -1}}

A complexidade adicional para a fórmula do Diesel vem desde que a adição de calor está em pressão constante e a rejeição de calor está em volume constante. O ciclo Otto, em comparação, tem adição e rejeição de calor a volume constante.

Comparando a eficiência com o ciclo Otto

Comparando as duas fórmulas percebe-se que para uma determinada taxa de compressão (r), o ciclo Otto ideal será mais eficiente. No entanto, um motor a diesel real será mais eficiente em geral, pois terá a capacidade de operar em taxas de compressão mais altas. Se um motor a gasolina tivesse a mesma taxa de compressão, ocorreria detonação (auto-ignição) e isso reduziria severamente a eficiência, enquanto em um motor a diesel, a auto-ignição é o comportamento desejado. Além disso, esses dois ciclos são apenas idealizações e o comportamento real não se divide de forma tão clara ou nítida. Além disso, a fórmula ideal do ciclo Otto indicada acima não inclui as perdas por estrangulamento, que não se aplicam aos motores a diesel.

Aplicativos

Motores a diesel

Os motores a diesel têm o menor consumo específico de combustível de qualquer grande motor de combustão interna que emprega um único ciclo, 0,26 lb/hp·h (0,16 kg/kWh) para motores marítimos muito grandes (usinas de ciclo combinado são mais eficientes, mas empregam dois motores em vez de um). Os motores a diesel de dois tempos com indução forçada de alta pressão, particularmente turbocompressores, representam uma grande porcentagem dos maiores motores a diesel.

Na América do Norte, os motores a diesel são usados principalmente em caminhões grandes, onde o ciclo de baixa tensão e alta eficiência leva a uma vida útil do motor muito mais longa e custos operacionais mais baixos. Essas vantagens também tornam o motor a diesel ideal para uso em ferrovias de transporte pesado e ambientes de terraplenagem.

Outros motores de combustão interna sem velas de ignição

Muitos aeromodelos usam "brilho" e "diesel" motores. Os motores Glow usam velas incandescentes. "Diesel" motores de aeromodelos têm taxas de compressão variáveis. Ambos os tipos dependem de combustíveis especiais.

Alguns motores experimentais do século 19 ou anteriores usavam chamas externas, expostas por válvulas, para ignição, mas isso se torna menos atraente com o aumento da compressão. (Foi a pesquisa de Nicolas Léonard Sadi Carnot que estabeleceu o valor termodinâmico da compressão.) Uma implicação histórica disso é que o motor a diesel poderia ter sido inventado sem a ajuda da eletricidade.
Veja o desenvolvimento do motor de bulbo quente e injeção indireta para significado histórico.