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• Henry Rosales Garay

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INTRODUCCION: Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de autoignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla. Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla). Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diésel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente: Admisión, modelándose como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior), obteniéndose de por si una recta horizontal proveniente de la gráfica “P vs V”; compresión, dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático, se modela como una curva adiabática reversible pero se entiende que esto es solo de manera ideal; combustión, este paso se modela como una adición de calor a presión constante; Expansión, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible; escape, en esta fase el sistema está expuesto al exterior, por ello se tendrán en consideración 2 fases más, la primera se da cuando el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos obteniéndose una gráfica isocora, la segunda sucede cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior manteniéndose constante la presión (se genera una gráfica isobárica) cerrándose aquí el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina.

Objetivo: El estudio se centra en la modelización y simulación del ciclo teórico Diésel ya dejándose para futuros estudios el desarrollo del diagrama indicado y su correspondiente simulación. Por otra parte se toman los resultados de la simulación como ciertos y se pretende que en los futuros estudios se corroboren los resultados con hechos experimentales.

Conceptos previos 

El motor térmico

Un motor térmico o máquina térmica es un artefacto que convierte energía térmica en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una “fuente” caliente y un “sumidero” frío. El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o un líquido.



Motores de combustión interna

El motor de gasolina, empleado en automóviles y muchos otros tipos de maquinaria, es un ejemplo común de máquina térmica. Examinemos su eficiencia térmica. La figura muestra el funcionamiento de un tipo de motor de gasolina. Primero, una mezcla de aire y gasolina fluye al interior de un cilindro por una válvula de admisión abierta mientras el pistón desciende, aumentando el volumen del cilindro desde un mínimo de V (cuando el pistón está hasta arriba) hasta un máximo de rV (cuando está hasta abajo). La cantidad r se llama razón de compresión; en los motores de automóviles modernos, r suele estar entre 8 y 10. Al final de esta carrera de admisión, la válvula de admisión se cierra y la mezcla se comprime, de forma aproximadamente adiabática, a un volumen V durante la carrera de compresión. Luego, la bujía enciende la mezcla y el gas caliente se expande, de forma aproximadamente adiabática, otra vez al volumen rV, empujando el pistón y efectuando trabajo; ésta es la carrera de potencia. Por último, se abre la válvula de escape y se expulsan los productos de combustión (carrera de escape) dejando el cilindro listo para la siguiente carrera de admisión.

Ciclo de un motor de combustión interna de cuatro tiempos



Ciclos termodinámicos

Se llama ciclo termodinámico, o transformación termodinámica cíclica, cada transformación termodinámica que, a través de una serie de estadios intermedios distintos, vuelve a la misma condición inicial. Representado en un diagrama P-V, un ciclo termodinámico adopta la forma de una curva cerrada. En este diagrama el volumen de un sistema es representado en abscisas y la presión en ordenadas de forma que el trabajo por cambio de volumen es igual al área descrita entre la línea que representa el proceso y el eje de abscisas. ∫ El sentido de avance de la curva, indicado por las puntas de flecha, nos indica si el incremento de volumen es positivo (hacia la derecha) o negativo (hacia la izquierda) y, como consecuencia, si el trabajo es positivo o negativo, respectivamente. Por lo tanto, se puede concluir que el área encerrada por la curva que representa un ciclo termodinámico en este diagrama, indica el trabajo total realizado (en un ciclo completo) por el sistema, si este avanza en sentido horario o, por el contrario, el trabajo total ejercido sobre el sistema si lo hace en sentido anti horario. Ciclo teórico: El ciclo teórico (o ideal) está compuesto por una serie de transformaciones reversibles, efectuadas por un fluido ideal (gas perfecto) que tiene propiedades físicas y masa constante. Las principales hipótesis adoptadas son:    

La introducción del calor es instantánea. La sustracción del calor es instantánea. No hay intercambios de calor con el exterior (las transformaciones son adiabáticas). No hay fricción ni otras causas de perdida (las transformaciones son reversibles).

Con estas hipótesis el trabajo útil resulta muy superior al que se obtiene realmente. El ciclo ideal representa por lo tanto el límite máximo que un motor puede teóricamente alcanzar en cuanto a prestaciones. La representación gráfica de un ciclo (dib. 1) se efectúa indicando en las abscisas (horizontal) los volúmenes descritos por el pistón (V) y en las ordenadas (vertical) los

respectivos valores de las presiones (P). el área del ciclo representa el trabajo útil realizado por el fluido. De hecho trazando un rectángulo ABCD, cuya área es igual a la del ciclo, la altura del rectángulo representa la presión media (p.m) del ciclo considerado. Multiplicando el valor de la presión media por el área del pistón se obtiene la fuerza que, multiplicada por el desplazamiento del pistón, nos da el trabajo realizado.

En los motores endotérmicos el fluido, después de realizar el trabajo, se descarga en el exterior y se sustituye con más fluido, para empezar de nuevo el ciclo.

Ciclo real: El ciclo termodinámico real de un motor es distinto de un ciclo teórico por una serie de circunstancias: El fluido activo no es un gas perfecto por lo tanto tiene propiedades físicas y eventualmente composición química variables. La introducción y sustracción del calor no son instantáneas, sino que requieren cierto tiempo. Durante el ciclo hay un intercambio de calor por rozamiento, por lo que las transformaciones no son adiabáticas ni reversibles. Ciclo límite: El examen cuantitativo de todos los fenómenos unidos al ciclo real es de extrema complejidad y, a veces, se simplifica el estudio utilizando el ciclo límite donde las transformaciones no tienes pérdidas y las realiza un fluido real.

Ciclo diésel Se llama ciclo termodinámico diésel por su inventor el alemán R. Diésel, que por primera vez lo realizo en 1892. La operación del motor a Diésel es similar a la del motor de gasolina. La diferencia más importante es que no hay combustible en el cilindro al principio de la carrera de compresión. Un poco antes de iniciar la carrera de potencia, los inyectores comienzan a inyectar combustible directamente al cilindro, con la rapidez justa para mantener la presión casi constante durante la primera parte de la carrera de potencia. A causa de la elevada temperatura desarrollada durante la compresión adiabática, el combustible se enciende espontáneamente al inyectarse; no se requieren bujías. El principio teórico del ciclo diésel es el siguiente: Se suministra calor a presión constante. El ciclo diésel teórico (representado en el Dib. 17 A con línea discontinua) está formado por:    

Compresión adiabática (sin intercambio de calor) de A a B. Suministro de calor isobárico (a presión constante) de B a C. Expansión adiabática de C a D. Sustracción de calor isocora (volumen constante) de D a A.

El ciclo diésel, por su ciclo particular, puede adoptarse solo en motores muy lentos como los grandes motores navales o en los motores de instalaciones fijas. En los motores de

tracción, el tiempo a disposición para terminar la combustión es menor al aumentar el régimen de rotación del motor, por lo que hay que anticipar la combustión inyectando combustible antes del Punto Muerto Superior (PMS). En vez del ciclo diésel, se adopta el ciclo diésel mixto – Sabathé (Dib. 17 B), que prevé una fase e combustión dividida en dos partes:  

Combustión isocora (volumen constante) de F a G. Combustión isobárica (presión constante) de G a H.

La sucesión de las fases en ciclo diésel real (representado en Dib. 17 A con línea continua) es la siguiente:     

Compresión del aire presente en el cilindro de A a B´ con transmisión de calor por parte de las paredes (pistón del PMI al PMS). Inyección de combustible cerca del PMS con inicio en I, con consiguiente combustión y suministro de calor de B´ a C´. Expansión del fluido de C´ a D´, con cesión de calor a las paredes (pistón del PMS al PMI). Apertura del escape en D´, anticipada con respecto al PMI. Expulsión de los gases quemados de D´ a E y admisión de aire nuevo de E a A.

Las diferencia de forma entre el ciclo teórico y real corresponden a las descritas en el ciclo Otto (perdidas de calor a través de las paredes, avance apertura de la válvula de escape y admisión) exceptuando la combustión.

También los motores de ciclo diésel, como los del ciclo Otto, se pueden subdividir en motores de cuatro y dos tiempos.

Ciclo diésel de cuatro tiempos: El ciclo de cuatro tiempos de un motor diésel, incluye las siguientes seis fases:      

Admisión de aire en el cilindro motor. Compresión del aire del cilindro. Inyección del combustible que, al entrar en contacto con el aire a elevada temperatura, produce la combustión. Expansión de los gases quemados en el interior del cilindro. Descarga espontanea de los gases quemados en el cilindro por la apertura de la válvula de escape. Expulsión de los gases quemados.

Admisión: Durante la carrera de bajada del pistón (Dib. 18), del PMS al PMI, se abre la válvula de admisión y en el cilindro entra aire filtrado. La válvula de escape, en este caso, permanece totalmente cerrada.

Compresión: Se ciérrala válvula de admisión y el pistón sube (del PMI al PMS); el aire, introducido en el cilindro durante la primera fase, se comprime en la cámara de combustión. Durante esta fase el aire aumenta notablemente su temperatura, hasta alcanzar aproximadamente los 700 ºC u 800 ºC; este aumento se produce principalmente por la elevada presión del aire y, también en menor parte, por el hecho de que las paredes del cilindro, con la temperatura media del ciclo, ceden calor al aire en esta fase.

Inyección y combustión: Antes de que el pistón llegue al PMS, el inyector se abre y entra combustible pulverizado en el cilindro. El encendido del combustible se produce espontáneamente, al entrar en contacto con el aire comprimido que tiene una temperatura superior a la del encendido del combustible. El incremento de temperatura debido a la combustión, junto con la fuerte turbulencia, facilita la combustión del resto del carburante que, llegando a través del inyector, se quema al entrar en contacto con el aire. La presión se mantiene casi constante durante toda la combustión.

Expansión: Los gases a presión generados por la combustión se expanden y empujan al pistón hacia abajo (del PMS al PMI), con producción de trabajo, esta es la fase activa del ciclo.

Escape espontaneo: Antes de que el pistón llegue al PMI, se abre la válvula de escape y los gases quemados, con presión mayor que la exterior, salen rápidamente del cilindro hasta alcanzar una presión semejante a la presión atmosférica.

Expulsión: En la carrera siguiente de subida (del PMI al PMS) el pistón expulsa los gases quemados del cilindro, a través de la válvula de escape (Dib. 21). Al finalizar la carrera de subida, cuando el pistón está cerca del PMS, se abre de nuevo la válvula de admisión, se cierra la de escape y vuelve a comenzar el ciclo de funcionamiento del todo idéntico al que hemos descrito.

Ciclo diésel en un motor:

Análisis termodinámico: Compresión adiabática (1Q2=0):

Calor suministrado: Por análisis de primera ley:

∫

( )

( )

Expansión adiabática (3Q4=0):

Proceso isométrico (rechazo de calor, 4W1=0):

( )

( )

Eficiencia del ciclo diésel: |

|

( )

Para el proceso isométrico de 4-1:

{

{

( )

Para el proceso isobárico 2-3:

(

)

( )

(

)

( )

DIAGRAMA ANGULAR A una determinada posición del pistón en el interior del cilindro, corresponde siempre una bien definida posición de la manivela del cigüeñal; se puede de esta forma reflejar todas las fases de funcionamiento del motor en un diagrama angular que mide los ángulos de la manivela.

A.

Avance inicio admisión.

B.

Retraso final admisión.

C.

Avance inyección combustible.

D.

Avance inicio escape.

E.

Retraso final escape.

La siguiente tabla refleja los valores del diagrama de distribución de algunos motores de producción FIAT y LANCIA .

ADMISIÓN

ESCAPE

MOTOR

Avance

Retraso

Avance

Retraso

1301

7°

41°

41°

7°

1697

4°

32°

32°

4°

1929TURBO

6°

26°

26°

6°

2499TURBO

8°

37°

48°

8°

CICLO DIESEL DE DOS TIEMPOS El ciclo Diésel de dos tiempos se diferencia del correspondiente del ciclo Otto, por el hecho de que el lavado se efectúa exclusivamente con aire, al inyectar directamente en el cilindro el combustible, al final de la fase de compresión, como para los motores Diésel de cuatro tiempos. Por este motivo el motor Diésel de dos tiempos no pierde combustible en el escape y permite un lavado más completo del cilindro, con una notable mejora del rendimiento con respecto al motor de dos tiempos del ciclo Otto. Al obtenerse potencias mayores y rendimientos parecidos, respecto a los motores Diésel de cuatro tiempos de igual cilindrada, los Diésel de dos tiempos se utilizan para grandes motores navales y para instalaciones fijas. Para estos grandes motores de hecho, pequeños aumentos de rendimiento se traducen en grandes cantidades de combustible ahorrado; además la sencillez de construcción del motor de dos tiempos, sin el sistema de distribución, permite reducir, en unas toneladas, el peso. Los grandes motores están dotados de ciertos elementos, que permiten aumentar el rendimiento como: -Una bomba separada, de varios cuerpos y doble efecto, para comprimir el aire de lavado. -Válvula de admisión automática o rotativa en el escape para desfasar la apertura y permitir la carga forzada, es decir la posterior introducción de aire después de la fase de lavado. O que permiten llevar a cabo ciertas funciones, como: -Válvulas de seguridad, que se abren en caso de presión elevada. -Válvulas de arranque, que envían aire comprimido al cilindro. -Dispositivos para invertir la marcha de los motores navales, conectados directamente a las hélices.

Motor de ciclo Diésel de dos tiempos

COMPARACION ENTRE MOTORES OTTO Y DIESEL: Pertenecen a la categoría de motores de ciclo Otto la mayor parte de los motores de los vehículos, una parte de los motores para vehículos industriales ligeros y todos los motores de las motocicletas.

CICLO OTTO:

Son motores de ciclo Diésel los grandes motores lentos para instalaciones fijas o navales y los motores de los trenes. En el campo de la tracción estos motores se utilizan en vehículos comerciales, en casi todos los vehículos industriales medios y pesados y en los vehículos agrícolas. Las diferencias fundamentales entre estos motores se refieren a:    

Introducción del combustible. Relación de compresión. Encendido. Peso.

ESTRUCTURA DE UN MOTOR DIESEL:

La cabeza

Cámara de Combustión

Inyector

Bielas

Bloque de Cilindros

Toberas de Inyección

Válvulas

Cigueñal

Árbol de Levas

Bomba de Inyección

Pistón

Polea

a. INTRODUCCIÓN DEL COMBUSTIBLE: En el motor Otto el aire y el combustible se introducen en la cámara de combustión, a través de los conductos y la válvula de admisión, ya bajo forma de mezcla gaseosa. Si la mezcla se forma en el carburador, la cantidad de mezcla se regula mediante una válvula de mariposa. Si el motor en cambio está dotado con una instalación de inyección, la regulación del aire aspirado se efectúa mediante la válvula de mariposa y la del combustible mediante una centralita electrónica. En el motor Diésel el aire se introduce en el cilindro a través del conducto y la válvula de admisión, mientras que el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión, mediante un pulverizador. Sólo se regula la cantidad de combustible inyectado, por lo tanto no existe la válvula de mariposa y el motor funciona con un exceso de aire. b. RELACIÓN DE COMPRESIÓN: La relación de compresión en los motores Otto varía de 7 a 11, salvo raras excepciones, mientras que en los motores Diésel tiene valores mucho más elevados, variando de 16 a 24. En los motores Otto el límite superior está determinado esencialmente por la calidad antidetonante del combustible utilizado y, en gran medida, por la forma de la cámara de combustión. En los motores Diésel la relación de compresión depende de varios parámetros:  La forma de la cámara de combustión.  La presencia de una eventual precámara con elevada turbulencia.  Las características de la distribución.

c. ENCENDIDO: El motor de ciclo Otto necesita de un sistema de encendido para empezar la combustión, que se produce gracias a una chispa eléctrica que salta entre los electrodos de una bujía antes de que finalice la fase de compresión. La chispa provoca la combustión de las partículas de la mezcla cercanas a la bujía y después la llama se extiende rápidamente a las partículas cercanas y a toda la mezcla del cilindro. En el motor de ciclo Diésel en cambio no hay ningún sistema de encendido; la elevada temperatura del aire de la camisa cilindro, debida a la fuerte compresión, es la que provoca el encendido espontáneo de las partículas de combustible inyectado cuando estas entran en contacto con el aire. a. PESO: El motor de ciclo Diésel funciona con valores de presión más elevados que un motor de ciclo Otto, por lo que, al tener que soportar mayores presiones, necesita una estructura más resistente y por lo tanto más pesada.

DIFERENCIAS ENTRE EL CICLO DIESEL REAL Y EL TEÓRICO •

En la práctica la presión varía durante la combustión, mientras que en el ciclo teórico se mantiene constante.

•

En realidad, una parte de la combustión se lleva a cabo a volumen constante, y otra parte, a presión constante.

•

Tan solo los motores muy lentos desarrollan aproximadamente el proceso teórico.

Ciclo Otto

Ciclo Diésel

Llamado también ciclo de encendido por chispa, este el proceso se realiza a volumen constante.

Se le conoce como ciclo de encendido por compresión y se realiza a presión constante.

La eficiencia es mayor, cuanto más elevado sea la relación de compresión.

La eficiencia es siempre menor a la de un ciclo Otto para la misma relación de compresión, si este es mayor que la unidad.

Ciclo Otto

Ciclo Diésel En la Admisión

Se succiona una mezcla de aire combustible en la cámara de combustión.

Solamente se succiona aire puro.

En la Compresión El pistón comprime la mezcla aire -combustible.

El pistón comprime el aire para aumentar la presión y temperatura.

En la Combustión La bujía eléctrica enciende la mezcla comprimida.

El combustible al mezclarse con el aire caliente se enciende debido al calor generado a alta presión.

En el Escape No hay diferencia, en ambos casos el pistón fuerza a los gases de escape a salir del cilindro por la válvula de escape.

DIFERENCIA ENTRE MOTORES A GASOLINA Y MOTORES DIESEL: Motores a Gasolina

Motores Diésel

Aprovechan del 22 al 24% de la energía

Son más eficientes, el aprovechamiento de energía puede superar el 35%.

No requieren gran cantidad de aire.

Requieren mayor cantidad de aire, pues la combustión es mejor cuanto mayor es el exceso de aire carburante.

El combustible usado es la gasolina , el cual es muy contaminante.

El combustible requerido es el gasóleo, el cual es menos contaminante.

Consumen más combustible.

Consumen menos combustible (aprox. 30% menos)

Motores a Gasolina

Motores Diésel

Son mejores en trayectos cortos.

Son mejores en trayectos largos.

El arranque es rápido

Demoran al arrancar, pues necesitan calentarse.

No son muy ruidosos.

Son más ruidosos y con mayores vibraciones.

Ofrecen una conducción más deportiva.

Ofrecen una conducción fácil y suave, a pesar de las vibraciones en el volante y pedales, y el ruido.

Suelen alcanzar velocidades máximas más elevadas y mejores aceleraciones.

No ofrecen aceleraciones de escándalo ni sensaciones de fuerza y potencia. Pero facilitan los adelantamientos.

Su equipamiento es más ligero y sencillo.

Su equipamiento es más pesado y más complejo.

Su mantenimiento es más caro debido a que necesitan más aceite.

Su mantenimiento es más barato, pero las reparaciones son más caros.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MOTORES DIESEL:

APLICACIONES:

PROBLEMA 01: Un motor diésel opera en el ciclo reversible abcda, con 9,0 moles de un gas ideal. Los procesos ab y cd son adiabáticos. Las temperaturas de los puntos a, b, c y d del ciclo son 250 K, 375 K, 540 K, 432 K, respectivamente. La constante adiabática del gas es 1,50.

a) b) c) d) e)

Calcule el calor absorbido durante la expansión isobárica. Calcule el calor rechazado en el proceso de isocórico. Calcule el cambio de energía interna del gas, en la compresión adiabática. Calcule el trabajo realizado por el motor, en la expansión adiabática. Calcule la eficiencia térmica del motor, en porcentaje.

SOLUCION: a) Calculo previo de las capacidades caloríficas.

⁄ ⁄ El calor absorbido (Q1) durante la expansión isobárica

b) El calor rechazado (Q2) en el proceso de isocórico.

c) El cambio de energía del gas, en la compresión adiabática

d) El trabajo realizado por el motor, en la expansión adiabática es igual al negativo del cambio de energía interna en el proceso.

e) La eficiencia térmica de motor.

La eficiencia es el 27 por ciento.

PROBLEMA 02: 10 moles de un gas diatómico (Cv=5R/2) se encuentra inicialmente a una presión de PA=5x105 Pa y ocupando un volumen de VA= 249x10-3 m3. Se expande adiabáticamente (proceso AB) hasta ocupar un volumen VB=479x10-3 m3. A continuación el gas experimenta un transformación isoterma (proceso BC) hasta una presión pC=1x105 Pa. Posteriormente se comprime isobáricamente (proceso CD) hasta un volumen VD = VA = 249x10-3 m3. Por último, experimenta una transformación a volumen constante (proceso DA) que le devuelve al estado inicial. a) Representar gráficamente este ciclo en un diagrama p-V. b) Calcular el valor de las variables termodinámicas desconocidas en los vértices A, B, C y D. c) Hallar el calor, el trabajo, la variación de energía interna, en Joule, de forma directa y/o empleando el Primer Principio, en cada etapa del ciclo. d) Calcular el rendimiento. R = 0,082 atm litro/mol K = 8,314 J/mol K; 1 cal = 4,186 J; 1 atm = 1,013x105 Pa SOLUCION: a) Representar gráficamente este ciclo en un diagrama p-V.

b) Calcular el valor de las variables termodinámicas desconocidas en los vértices A, B, C y D.

Vértice A:

Vértice B: { Vértice D:

c) Hallar el calor, el trabajo, la variación de energía interna, en Joule, de forma directa y/o empleando el Primer Principio, en cada etapa del ciclo. Proceso

(adiabático); (

∫

)

∫

Comprobación, Proceso

(Isotermico)

(No hay cambio de temperatura) ∫

∫

Proceso

(Isobarico)

(

(

)

)

Comprobación, Proceso

(Isocorico)

(No hay cambio de volumen)

(

)

En el ciclo completo:

{

Podemos ver que:

-71666,7 0 -177337,6 249004,3 0

0 66438,1 -248272,7 249004,3

71750 66458,1 -70930 0 67278,1

d) Calcular el rendimiento.