En la entrada del motor de combustión interna explicamos algunas diferencias entre el ciclo Otto y Diesel en relación al funcionamiento del motor de gasolina y diesel. En esta entrada vamos a centrarnos en el análisis termodinámico de ambos ciclos.
Los motores de combustión interna, en un análisis termodinámico, se consideran máquinas térmicas generadoras de energía mecánica. Tanto el ciclo Otto como el Diesel se encuentran dentro de este conjunto, sin embargo, vamos a diferenciar entre:
Motores de encendido provocado (MEP)
Motores de encendido por compresión (MEC)
Aquellos motores en los que la compresión se realiza mediante la mezcla aire-combustible reciben el nombre de motores de encendido provocado y siguen el ciclo Otto. En este tipo de motores el encendido se ha de provocar de manera artificial (generalmente con una chispa).
Aquellos motores en los que la compresión se realiza sólo con aire se denominan motores de encendido por compresión y siguen el ciclo Diesel. En este tipo de motores, el aire pasa directamente a los cilindros donde se comprime hasta temperaturas muy elevadas. Posteriormente se inyecta el combustible que se inflama espontáneamente al superarse su temperatura de autoinflamación.
Entendido esto, podemos deducir si nuestro motor trabaja con ciclo Otto o Diesel. Si el motor dispone de bujía para producir la chispa, tenemos un motor de encendido provocado (Otto) (para entendernos, motor de gasolina), si la combustión se realiza mediante inyección del combustible, tenemos un motor de encendido por compresión (Diesel) (motor diesel).
A continuación vamos a centrarnos en el análisis termodinámico de ambos ciclos.
En un ciclo Otto, se toma calor del proceso de combustión (a volumen constante) y se cede calor a la atmósfera. Las transformaciones del ciclo son:
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| Ciclo Otto |
Ciclo Otto
1-2 Expansión adiabática: Se realiza trabajo sin intercambio de calor, disminuyendo su energía interna
2-3 Expansión isócora: Se cede calor al foco frío (Q2). No se realiza trabajo. La entropía disminuye
3-4 Compresión adiabática: Se consume trabajo sin intercambio de calor y aumenta su energía interna
4-1 Compresión isócora: Se toma calor Q1. No se realiza trabajo y aumenta la energía interna
El rendimiento del ciclo Otto será:
Donde:
ε=relación de compresión volumétrica
relacion compresion
γ=coeficiente adiabático= 1,4
El rendimiento depende del grado de compresión, cuanto mayor sea, mayor será el rendimiento.
En el ciclo Diesel la combustión se realiza teóricamente a presión constante y por superación del grado de autoinflamación del combustible. Las transformaciones del ciclo son:
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| Ciclo Diesel |
Ciclo Diesel
1-2 Expansión adiabática: Se realiza trabajo sin intercambio de calor
2-3 Expansión isócora: Se cede calor al foco frío (Q2). No se realiza trabajo
3-4 Compresión adiabática: Se necesita absorber trabajo para llegar a la T de autoinflamación
4-1 Expansión isóbara: Se absorbe calor Q1 y se realiza trabajo
El rendimiento del ciclo Diesel será:
Donde:
ρ=grado de combustión a presión constante
grado combustion
El rendimiento del ciclo Diesel dependerá de ρ y ε
Según el teorema de Carnot, “No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas“. Por lo tanto, el rendimiento de los ciclos mencionados será siempre menor al rendimiento de Carnot.
Algunos cálculos realizados por la Universidad de Sevilla, demuestran que la eficiencia máxima de un motor teórico perfecto de gasolina con relación de compresión 8:1 es de un 56,5%.
Para el ciclo Diesel, que permite relaciones de compresión mayores, su rendimiento perfecto para una relación de compresión de 18:1 sería de un 63,2%.
Estos estudios se realizaron para motores teóricamente perfectos, por lo que en la realidad no se construyen motores que se acerquen a estos valores de rendimiento, debido a rozamientos, pérdidas por bombeo, etc.
Con ello quiero decir que en el diseño de un motor térmico, el objetivo no puede ser convertir toda la energía química en movimiento, sino intentar no desperdiciar mucho más de la mitad, en el mejor de los casos.
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