Ciclo Diesel

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CICLO DIESEL
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). La relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de gasolina puede rondar un valor de 8.
Un motor diésel puede modelarse con el ciclo ideal formado por seis pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión
1. Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:
Compresión A→B
El pistón sube comprimiendo el aire. 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 la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.
Combustión B→C
Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.
Expansión C→D
La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible. 
Escape D→A y A→E
Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isocora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando 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.
2. Rendimiento en función de las temperaturas:
Un ciclo diésel contiene dos proceso adiabáticos, A→B y C→D, en los que no se intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presión constante B→C, el gas recibe una cantidad de calor | Qc | del exterior igual a
En el enfriamiento a volumen constante D→A el sistema cede una cantidad de calor al ambiente
El rendimiento del ciclo será entonces:
Con γ = cp / cV la proporción entre las capacidades caloríficas.
3. Rendimiento en función de los volúmenes:
La expresión anterior requiere conocer las cuatro temperaturas de los vértices del ciclo. Puede simplificarse teniendo en cuenta las características de cada uno de los procesos que lo componen.
Así tenemos, para la compresión adiabática A→B
que, teniendo en cuenta la relación de compresión, podemos reescribir como
Para la expansión a presión constante, aplicando la ecuación de estado de los gases ideales
Introduciendo ahora la relación rc = VC / VB obtenemos
Por último, para la temperatura en D aplicamos de nuevo la ley de Poisson y el que el enfriamiento es a volumen constante:
Multiplicando y dividiendo por VB y aplicando el valor de la temperatura en C
Combinado estos resultados nos queda
Sustituyendo esto en la expresión del rendimiento obtenemos finalmente
4. Caso práctico:
Vamos a considerar un ciclo Diesel en la que el aire a la entrada está a una presión de 1 atm y una temperatura de 17°C; la razón de compresión es 18 y la de combustión vale 2. El volumen máximo de la cámara es de 1900 cm³. Vamos a determinar los volúmenes, presiones y temperaturas de cada vértice del ciclo, así como su rendimiento y el calor y el trabajo intercambiados por el motor.
4.1Estado inicial:
Como punto de partida del ciclo de cuatro pasos tenemos que el gas a temperatura y presión ambientes llena el cilindro
El número de moles contenidos en el cilindro es
4.2 Compresión adiabática:
Tras la compresión, el volumen del cilindro se reduce según la razón de compresión
La temperatura al final la compresión la obtenemos de la ley de Poisson
y la presión en este punto la hallamos mediante la ley de los gases ideales
4.3 Expansión isóbara:
En el proceso de calentamiento, la presión se mantiene constante, por lo que
mientras que el volumen lo da la relación de combustión
y la temperatura la ley de los gases ideales (o la ley de Charles, en este caso)
4.4 Expansión adiabática:
Durante la bajada del pistón el gas se enfría adiabáticamente. La temperatura al final del proceso la da la ley de Poisson, combinada con el que sabemos que el volumen al final es el mismo que antes de empezar la compresión
La presión en este estado es
4.5 Enfriamiento a V constante:
En un motor diésel real el aire quemado y caliente es expulsado por el tubo de escape, liberando calor al ambiente y siendo sustituido por nuevo aire frío. En el ciclo Diesel ideal nos imaginamos que el aire recircula, volviendo al estado A, intercambiando sólo el calor con el ambiente.
4.6 Balance energético:
4.6.1 Calor absorbido
El calor procedente del foco caliente es absorbido en la expansión a presión constante y es igual a
donde hemos usado que
que para γ = 1.4 da el resultado conocido cp = 3.5R.
Un resultado más exacto para un proceso a presión constante, sin hacer uso de la hipótesis de gas ideal, consistiría en igualar el calor a la variación en la entalpía
y aplicar valores tabulados de la entalpía del aire para las presiones y temperaturas de los estados B y C.
4.6.2 Calor cedido
El calor que se intercambia con el foco frío se cede en el enfriamiento a volumen constante
donde, como antes, hemos empleado la relación
que para γ = 1.4 da cV = 2.5R.
Si se quisiera hacer exactamente, habría que aplicar que para un proceso a volumen constante el calor equivale a la variación en la energía interna
4.6.3 Trabajo realizado
El trabajo realizado por el sistema durante un ciclo es la diferencia entre el calor absorbido y el cedido (en valores absolutos)
4.6.4 Rendimiento
El rendimiento de este ciclo Diesel lo podemos hallar como el trabajo realizado dividido por el calor absorbido
Vemos que el rendimiento es mucho mayor que para un ciclo Otto que, para valores típicos de motores de explosión, rondaba el 50%. La causa principal de la diferencia es la mucho mayor relación de compresión en el motor diésel.
El rendimiento de este ciclo Diesel es, por supuesto, inferior al de un ciclo de Carnot que operara entre las temperaturas TA y TC:
5. Diferencia entre el Ciclo Diesel Real y el Teórico:
En la práctica la presión varía durante la combustión, mientras que 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.
6. Diferencias entre ciclo Diesel y Otto:
Según indicamos en la introducción, el ciclo Diesel idealse distingue del Otto ideal en la fase de combustión, que en el ciclo Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a presión constante. Por ello el rendimiento es diferente.
Si escribimos el rendimiento de un ciclo Diesel en la forma
vemos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia de la de un ciclo Otto por el factor entre paréntesis. Este factor siempre mayor que la unidad, por ello, para iguales razones de compresión r.
7. Ciclo Dual:
Con frecuencia el ciclo DIESEL SIMPLE no representa bien el funcionamiento del motor de combustión interna e ignición por compresión, o diesel. Un método para modelar mejor el motor diesel real es con el ciclo dual que tiene una adición de calor a volumen constante (como ciclo Otto) mas una adición de calor a presión constante. 
El porcentaje de calor agregado durante cada uno de esos dos procesos es la única propiedad del ciclo dual que le permite acomodarse mejor Diesel real, Definiremos el ciclo dual conformado por los procesos siguientes:
 
1-2 Compresión adiabática reversible
2.3 Adición de calor isométrica reversible
3-4 Adición de calor isobárica reversible
4-5 Expansión adiabática reversible
5-1 Rechazo de calor isométrica reversible
Muestra el diagrama P-V de un ciclo dual, y además muestra que hay cinco procesos distintos. Sito el calor se agrega a volumen constante (isométrico), el ciclo dual no es más que el mismo ciclo Otto ideal, y si todo el calor se agrega a presión constante (isobárico), el ciclo dual equivale al ciclo diesel. Con frecuencia, el motor diesel funciona en ciclo diesel dual en el que la fracción de calor agregado a volumen constante va de 40 a 60% del total agregado. 
8. Ciclo Diesel de un camión: 
8.1 constitución
El motor diésel de 4T está formado básicamente de las mismas piezas que un motor de gasolina, algunas de las cuales son:
Aro de pistón
Bloque
Culata
Cigüeñal
Volante
Pistón
Árbol de levas
Válvulas
 
Mientras que las siguientes son características del motor Diesel:
Bomba inyectora
Ductos
Inyectores
Bomba de transferencia
Toberas
Bujías de Precalentamiento
8.2 Sistema de alimentación en los motores Diesel:
Es el encargado de suministrar el combustible necesario para el funcionamiento del motor, pudiéndose diferenciar dos apartados fundamentales:
a) Circuito de alta presión, encargado de impulsar el combustible a una presión determinada para ser introducido en las cámaras de combustión.
b) Circuito de baja presión, encargado de enviar el combustible desde el depósito en que se encuentra almacenado a la bomba de inyección.
El circuito quedaría formado así:
· Depósito de combustible.
· Bomba de alimentación.
· Filtro.
· Bomba de inyección 
· Inyectores.
8.3 El filtrado de combustible:
El petróleo bruto contiene una gran cantidad de impurezas que no se eliminan por completo en el proceso de destilación. Dichas impurezas suelen estar constituidas principalmente por azufre, asfaltos y silicatos.
Por otra parte, y debido al uso y al paso del tiempo, el depósito de combustible puede almacenar polvo, arenas o partículas metálicas.
Por ello es esencial eliminar dichas suciedades
He aquí la necesidad de una escrupulosa limpieza del combustible hasta conseguir separar todas las impurezas que lleva consigo, al menos las que sean superiores a una milésima de milímetro.
Los encargados de cumplir esta misión son los filtros de combustible, que se emplazan entre la bomba de alimentación y la de inyección. 
El elemento filtrante suele estar constituido por una especie de cartucho de papel poroso de celulosa especial.
8.4 Sistema de Inyección:
Para realizar la combustión es necesario inyectar una determinada cantidad de combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión, en la cual se encuentra el aire comprimido y caliente. Dicha misión está encomendada a los inyectores, que reciben el combustible de la bomba de inyección.
El combustible debe ser inyectado en la cámara de combustión en forma bien definida, pues el correcto funcionamiento de un motor Diesel depende en gran parte de una inyección correcta. Las condiciones esenciales son:
-Iniciar la inyección en el momento preciso, de forma que la combustión se realice de forma correcta y por completo, variando el punto de inyección a medida que el régimen de giro del motor y las condiciones de carga varían
Pulverizar el combustible, de forma que se reparta en minúsculas gotas para facilitar su inflamación.
Dar a esas gotas la suficiente capacidad de penetración en la cámara donde se encuentra el aire comprimido.
8.5 Tipos de motores Diesel:
Existen motores diesel tanto de 4 tiempos (los más usuales en vehículos terrestres por carretera) como de 2 tiempos (grandes motores marinos y de tracción ferroviaria
8.6 Inconvenientes:
· Mayor peso del motor.
· Necesitan soportes más fuertes.
· Elementos de suspensión de mayor capacidad.
· Costo más elevado del motor.
· Menor régimen de revoluciones.
· Motor más ruidoso y con mayores vibraciones.
· Reparaciones más costosas.
· Arranque más difícil.
· Requieren mayor calidad en los aceites de engrase.
Cómo calcular la potencia de un motor
Los diseñadores de los diferentes tipos de motores de combustión interna se enfocan en las expresiones de fuerza y velocidad que mejor logren la potencia del motor para su propio contexto de uso. Los diseñadores de autos de carreras se concentran en producir un máximo de caballos de fuerza (hp) a extremadamente altas RPM (revoluciones por minuto). Los fabricantes de motores diésel para camión buscan un torque (T) que cumpla con la carga y se produzca a bajas RPM. Lo que complica el asunto de la potencia de los motores de combustión interna es que ese torque máximo y los caballos de fuerza máximos no se producen regularmente a las mismas RPM, como con los motores eléctricos. Esto puede hacer que la comparación directa de los motores sea confusa.
Define la aplicación del motor de alto torque. Por ejemplo, el motor diesel en un camión de cemento de 40 t puede producir 1800 libras pie (2440,47 Nm) de torque a 1200 RPM, haciéndolo extremadamente útil para mover el camión hacia arriba en las pendientes. Produce su máximo de 480 hp a 2000 RPM. Puedes calcular las expresiones de torque y de caballos de fuerza a ambas velocidades.
Calcula el torque de salida a 2000 RPM cuando se produce el máximo de caballos de fuerza. De acuerdo con las fórmulas de motor, T = hp x 5252/RPM. Introduciendo los valores conocidos T = 480 hp x 5252/2000 = 1260 libras pie (1708,33 Nm) de torque.
Los transportes largos requieren caballos de fuerza y torque
Calcula la salida de caballos de fuerza a 1200 RPM cuando se produce el máximo torque. De acuerdo con las fórmulas de motor, hp = T x RPM/5252. Sustituyendo, hp = 1800 libras pie (2440,47 Nm) x 1200 RPM/5252 = 411 hp.
Compara los resultados de salida de potencia. A 1200 RPM, el motor pesado diésel produce 1800 libras pie (2440,47 Nm) de torque para lidiar con las cargas pesadas, y sólo 411 hp, mientras que a 2000 RPM, el motor sólo produce 1260 libras pie (1708,33 Nm) de torque mientras que desarrolla 480 hp. Para subir pendientes, el conductor usará las velocidades más bajas para mantener el motor a 1200 RPM para que jale mejor, y en la carretera tratará de mantener el motor cerca de las 2000 RPM para ganar velocidad