ciclos otto y diésel
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análisis termodinámico de los ciclos Otto y DiéselTRANSCRIPT
CICLO DIÉSEL Y OTTO
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
PROFESOR:
Ricardo Chegwin
PRESENTADO POR:
JEYSON CASTILLO
ANDRES ALDANA
GRUPO:
AD
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARIBE
FACULTAD DE INGENIERÍA
BARRANQUILLA-ATLÁNTICO
2015
Contenido
Introducción.....................................................................................................................................3
Ciclo Otto.........................................................................................................................................4
Explicación del ciclo Otto...........................................................................................................4
Análisis termodinámico del ciclo de aire estándar Otto..............................................................8
Eficiencia térmica del ciclo Otto...............................................................................................10
Motor Diésel..................................................................................................................................13
Ciclos de Funcionamiento.........................................................................................................14
Demostraciones termodinámicas del ciclo diésel......................................................................17
Conclusiones..................................................................................................................................21
Referencias....................................................................................................................................23
Introducción
Un motor de combustión interna es aquel que convierte la energía química de un combustible
a energía mecánica. Estos motores constan por lo general de cuatro tiempos, es decir cuatro
carreras que son por lo general las de admisión, compresión, combustión o chispa y escape. Los
dos motores que manejan estos tiempos son los de ciclo Diésel y Otto. Los cuales se presentaran
en el siguiente trabajo, haciendo énfasis en cómo funciona cada proceso del ciclo y realizando
una análisis termodinámico de cada uno, además de mostrar las eficiencias térmicas en función
de la relación de compresión y cómo afecta a la eficiencia térmica en ambos ciclos.
Ciclo Otto
El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por chispa.
Recibe ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto, quien en 1876, en Alemania, construyó una
exitosa máquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por el francés Beau de Rochas
en 1862 (Cengel, 2012).
Explicación del ciclo Otto
Figura 1. Diagrama P-v para el ciclo Otto
Willard W. Pulkrabek; engine cycles; engineering fundamentals of the internal combustion engine, editorial: Prentice Hall; page 74.
Proceso 6→1: La carrera de admisión del ciclo Otto comienza con el pistón en el TDC (top-
dead-center) y es un proceso de presión constante a una presión de entrada de una atmósfera
(Figura 1). Esta es una buena aproximación para el proceso de entrada de un motor real, que en
realidad será a una presión ligeramente menor que la atmosférica debido a las pérdidas de
presión en el flujo de aire de entrada. La temperatura en el punto 1 será generalmente del orden
de 25 ° a 35 ° C más caliente que la temperatura del aire circundante debido a que pasa a través
del colector de admisión caliente (Pulkrabek).
Proceso 1→2: La segunda carrera del ciclo es la carrera de compresión, que en el ciclo Otto
es una compresión isoentrópica del BDC (bottom-dead-center) al TDC. Esta es una buena
aproximación a la compresión en un motor real, excepto para el principio y el final de la carrera.
En un motor real, el principio de la carrera se ve afectada por la válvula de admisión que no está
totalmente cerrada hasta que esté ligeramente después de BDC. El final de la compresión se ve
afectada por el disparo de la bujía antes del TDC. No sólo hay un aumento de presión durante la
carrera de compresión, la temperatura dentro del cilindro se incrementa sustancialmente debido a
la compresión (Pulkrabek).
Proceso 2→3: La carrera de compresión es seguida por un proceso de entrada de calor a
volumen constante 2-3 en el TDC. Esto reemplaza el proceso de combustión del ciclo del motor
real, que se produce cerca de condiciones de volumen constante. En un motor de combustión
verdadero se inicia poco antes del TDC, alcanza su velocidad máxima cerca del TDC, y se
termina un poco de una TDC. Durante la combustión o la entrada de calor, se añade una gran
cantidad de energía al aire dentro del cilindro. Esta energía eleva la temperatura del aire a valores
muy altos, dando la temperatura del ciclo en el punto 3. Este aumento de temperatura durante un
proceso a volumen constante resulta en un aumento de presión grande también. De este modo,
también se alcanza la presión de ciclo máximo en el punto 3 (Pulkrabek).
Proceso 3→4: Los valores de presión y entalpía muy altos dentro del sistema de TDC
generan la carrera de trabajo (o carrera de expansión) que sigue a la combustión. La alta presión
sobre la cara del pistón lo fuerza de nuevo hacia BDC y produce la salida de trabajo y potencia
del motor. La carrera de trabajo del ciclo del motor real, se aproxima con un proceso isentrópico
en el ciclo de Otto. Esta es una buena aproximación, con sujeción a los mismos argumentos que
la carrera de compresión se da sin fricción y es adiabática. En un motor real, el comienzo de la
carrera de potencia se ve afectado por la última parte del proceso de combustión. El final de la
carrera de potencia se ve afectado por la válvula de escape se abre antes del BDC. Durante la
carrera de potencia, los valores de la temperatura y la presión dentro del cilindro disminuyen
conforme el volumen aumenta de TDC a BDC (Pulkrabek).
Proceso 4→5: Cerca del final de la carrera de potencia de un ciclo de motor real, se abre la
válvula de escape y el cilindro experimenta purga de escape. Una gran cantidad de gas de escape
es expulsado del cilindro, reduciendo la presión a la del colector de escape. La válvula de escape
se abre por BDC para permitir el tiempo finito de purga que se produzca. Es deseable que la
purga sea completa por BDC de modo que no hay alta presión en el cilindro para resistir el pistón
en la siguiente carrera de escape. La purga en un motor real es casi, pero no del todo, de volumen
constante. Una gran cantidad de entalpía se lleva a distancia con los gases de escape, lo que
limita la eficiencia térmica del motor. El ciclo Otto reemplaza el proceso de sistema abierto de
purga de escape del ciclo real con una reducción de la presión a volumen constante, a un sistema
cerrado en el proceso de 4-5. La pérdida de entalpía durante este proceso se sustituye con el
rechazo de calor en el análisis del motor. La presión dentro del cilindro al final de la purga de
escape se ha reducido a aproximadamente a una atmósfera, y la temperatura se ha reducido
sustancialmente por enfriamiento de expansión (Pulkrabek).
Proceso 5→6: La última carrera del ciclo de cuatro tiempos ahora se produce cuando el
pistón se desplaza del BDC al TDC. Es la carrera de escape que se produce a una presión
constante de una atmósfera debido a la válvula de escape abierta. Esta es una buena
aproximación a la carrera de escape real, que se produce a una presión ligeramente superior a la
presión circundante debido a la pequeña caída de presión a través de la válvula de escape y en el
sistema de escape (Pulkrabek).
Al final de la carrera de escape, el motor ha experimentado dos revoluciones, el pistón está de
nuevo en TDC, la válvula de escape se cierra, la válvula de admisión se abre, y comienza un
nuevo ciclo (Pulkrabek).
No es raro encontrar el ciclo Otto muestra con procesos de 6-1 y 5-6 a la izquierda de la
figura. El razonamiento para justificar esto es que estos dos procesos se anulan entre sí
termodinámicamente y no son necesarios en el análisis del ciclo (Pulkrabek).
Análisis termodinámico del ciclo de aire estándar Otto
Proceso 6→1: presión constante en la entrada a P0; válvula de entrada abierta y válvula de
escape cerrada.
P1=P6=P0 [1]
w6−1=P0(v1−v6) [2]
Proceso 1→2: carrera de compresión isoentrópica; válvulas de entrada y escape cerradas.
T 2=T1( v1
v2)k−1
=T 1(V 1
V 2)k−1
=T1 (rc )k−1 [3]
P2=P1( v1
v2)k
=P1(V 1
V 2)k
=P1 (rc )k [4]
q1−2=0 [5]
w1−2=(P2 v2−P1 v1)/(1−k )=R(T 2−T 1) /(1−k )
¿ (u1−u2 )=c v(T 1−T 2) [6]
Proceso 2→3: volumen constante; entrada de calor (combustión); válvulas cerradas.
v2=v3=vTDC [7]
w2−3=0 [8]
Q2−3=Q¿=mf QHV ηc=mmcv (T 3−T 2)
¿(ma+mf )cv(T3−T 2) [9]
QHV ηc=(AF+1)cv (T 3−T 2) [10]
q2−3=q¿=cv (T 3−T 2 )=(u3−u2 ) [11]
T 3=T máx [12]
P3=Pmáx [13]
Proceso 3→4: potencia isentrópica o carrera de expansión; válvulas cerradas.
q3−4=0 [14]
T 4=T 3( v3
v 4)k−1
=T 3(V 3
V 4)k−1
=T 3 (rc )k−1 [15]
P4=P3( v3
v4)k
=P3(V 3
V 4)k
=P3 (rc )k [16]
w3−4=(P4 v4−P3 v3)/(1−k )=R(T 4−T 3)/(1−k )
¿ (u3−u4 )=cv (T 3−T 4) [17]
Procese 4→5: volumen constante; expulsión de calor (purga de escape); válvula de escape
abierta y válvula de entrada cerrada.
v5=v 4=v1=v BDC [18]
w4−5=0 [19]
Q4−5=Qout=mmcv (T 5−T 4)=mmcv (T 1−T 4) [20]
q4−5=qout=cv (T 5−T 4 )=(u5−u4 )=cv (T 1−T 4) [21]
Proceso 5→6: presión constante en la carrera de escape; válvula de escape abierta y válvula
de entrada cerrada
P5=P6=P0 [22]
w5−6=P0 (v6−v5 )=P0 (v6−v1 ) [23]
Eficiencia térmica del ciclo Otto
(η t )OTTO=|wnet|/|q¿|=1−(|qout|/|q¿|)
¿1−[cv (T 4−T 1)/c v(T 3−T 2)]
¿1−[(T 4−T 1)/(T 3−T 2)] [24]
Solo se necesita conocer las temperaturas del ciclo para determinar la eficiencia térmica. Esto
puede ser simplificado aplicando la relación de gases ideales para compresión isentrópica y
carreras de expansión, además recordando que v4=v1 y v2=v3.
T 2/T 1=(v1/v2 )k−1=(v4 /v3 )k−1=T 4/T 3 [25]
Reordenando los términos de temperatura da:
T 4/T 1=T3 /T 2 [26]
La ecuación 24 puede ser reordenada a:
(η t )OTTO=1−(T 2/T 1){[(T 4/T 1)−1] /[(T 3/T2)−1]} [27]
Usando la ecuación 26 da:
(η t )OTTO=1−(T 2/T 1) [28]
Combinando con la ecuación 3:
(η t )OTTO=1−[1/ (v1/v2 )k−1] [29]
Como v1/v2=rc la relación de compresión:
(η t )OTTO=1−¿
Solo la relación de compresión es necesaria para determinar la eficiencia térmica del ciclo
Otto. Como la relación de compresión aumenta, la eficiencia térmica aumenta como se muestre
en la figura 2. Esta eficiencia es la eficiencia térmica indicada, como los valores de transferencia
de calor son aquellos hacia y desde el aire dentro de la cámara de combustión (Pulkrabek).
Figura 2. Eficiencia térmica vs relación de compresión
Willard W. Pulkrabek; engine cycles; engineering fundamentals of the internal combustion engine, editorial: Prentice Hall; page 77.
Motor Diésel
El motor Diésel, llamado también motor de ignición por compresión recibe su nombre por el
doctor Rudolf Diésel quien patento un motor del tipo de ignición por compresión en Alemania en
1893. Es un motor de combustión interna, es decir, la combustión tiene lugar dentro del motor.
En sus aspectos básicos es similar en diseño y construcción a un motor de gasolina, que también
es de combustión interna. Sin embargo, en el motor Diésel hay diferencias en el método de hacer
llegar el combustible a los cilindros del motor y en la forma en que ocurre la combustión
Figura 3. Esquema interno del motor
Blog de Internet: Aficionados a la mecánica; fecha de consulta: 16 de agosto de 2015; tomado de: http://www.aficionadosalamecanica.net/motor-distribucion.htm
Un motor diésel funciona mediante la ignición de la mezcla aire-gas sin chispa. La
temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el
segundo tiempo motor, compresión. El combustible diésel se inyecta en la parte superior de la
cámara de compresión a gran presión, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta
temperatura y presión. Como resultado, la mezcla se quema muy rápidamente. Esta combustión
ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. La
biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento
lineal del pistón en un movimiento de rotación.
Para que se produzca la autoinflamación es necesario emplear combustibles más pesados que
los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo
comprendida entre los 220 y 350°C, que recibe la denominación de gasóleo.
La principal ventaja de los motores diésel comparados con los motores a gasolina estriba en su
menor consumo de combustible, el cual es, además, más barato.
En automoción, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio, costos de
mantenimiento y prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras como la inyección
electrónica y el turbocompresor. No obstante, la adopción de la precámara para los motores de
automoción, con la que se consiguen prestaciones semejantes a los motores de gasolina, presenta
el inconveniente de incrementar el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores
prácticamente desaparece (Payares, s.f.).
Ciclos de Funcionamiento
EL motor Diésel de cuatro tiempos funciona con cuatro carreras de los pistones: admisión de
aire, compresión, potencia y escape, Las válvulas de admisión y de escape abren y cierran
en momentos exactos en relación con el pistón. El árbol de levas, impulsado desde el cigüeñal
abre y cierra las válvulas.
Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire
combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por
compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta.
En el primer tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se
encuentra abierta y su carrera es descendente
Segundo tiempo o compresión: Al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión
se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º
tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran
cerradas y su carrera es ascendente
Tercer tiempo o explosión: Al no poder llegar al final de carrera superior el gas ha
alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado, salta la chispa en la
bujía provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta con
jeringa el combustible que se auto inflama por la presión y temperatura existentes en el interior
del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente
incrementando la temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el
pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal da 170º
mientras que el árbol de levas da 240º, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es
descendente
Cuarto tiempo o escape: En esta fase el pistón empuja cuidadosamente, en su movimiento
ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece
abierta. Al llegar al final de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de
admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º y
su carrera es ascendente (Gustavito, 2011).
Figura 4. Ciclo de funcionamiento diésel
Página de Internet: Taringa; Motores, Mecanica automotriz completisimo..!! Fecha de consulta: 16 de agosto de 2015; tomado de: http://www.taringa.net/post/autos-motos/10418242/Motores-Mecanica-automotriz-completisimo.html
Demostraciones termodinámicas del ciclo diésel
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
Siendo r = VA / VB la razón de compresión y rc = VC / VB la relación de combustión.
Figura 5. Diagrama P-v ciclo Diésel
Blog de Internet: Laplace; ciclo Diésel; fecha de consulta; 16 de agosto de 2015; tomado de: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Diésel
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 auto ignición de la mezcla). La relación de
compresión de un motor diésel puede oscilar entre 18 y 24.
Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diésel de seis pasos,
dos de los cuales se anulan mutuamente:
Admisión E→A: El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad
de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la
válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta
horizontal.
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 Diésel 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 (departamento de
física aplicada III, 2013).
Presión media equivalente
Se define como la presión constante que durante una carrera produce un trabajo igual al
indicado del ciclo.
Pmi=WiV d
Si el motor es de dos tiempos, no existe lazo de renovación de la carga y el área del diagrama
indicado corresponde al trabajo indicado.
Potencia indicada (N i)
La potencia indicada o potencia interna de un motor será:
N i=Pmi∗z∗V d∗n∗i=Pmi∗V f∗n∗i
Donde i es el número de ciclos por vuelta
i{¿1/2(4 tiempos)¿1(2tiempos) }
Potencia efectiva (N e)
La potencia efectiva en un cigüeñal será menor que la potencia indicada debido a la potencia
absorbida por pérdidas mecánicas (N pm):
N e=N i−N pm
La potencia absorbida por las pérdidas mecánicas incluye las perdidas por fricción mecánica
(pistones, segmentos, cojinetes), las pérdida de bombeo y la potencia necesaria para el
accionamiento de los elementos auxiliares.
Conclusiones
En la mayor parte de los motores de encendido por chispa (ciclo Otto), el aire y el
combustible son introducidos en la cámara de combustión bajo forma de mezcla gaseosa.
La mezcla se efectúa en el carburador, y la regulación de la cantidad de mezcla
introducida se obtiene por medio de una válvula de mariposa.
En los motores de encendido por compresión (ciclo diésel), el aire se introduce en la
cámara de combustión a través de conductos que van a la válvula de aspiración, mientras
el combustible se introduce directamente por medio de un inyector. La mezcla aire-
combustible se realiza en la cámara de combustión; no hay regulación de la cantidad de
aire, sino tan sólo una regulación de la cantidad de combustible introducido
El motor de encendido por chispa (ciclo Otto) requiere un sistema de encendido para
generar en la cámara de combustión una chispa entre los electrodos de una bujía, al
objeto de que la combustión pueda iniciarse.
El motor de encendido por compresión (ciclo Diésel) utiliza la alta temperatura y
presión obtenidas al comprimir el aire en el cilindro para dar comienzo a la combustión
cuando el combustible es inyectado.
El valor de la relación de compresión en los motores de encendido por chispa (ciclo
Otto) varía de 6 a 10, salvo casos excepcionales, mientras que en los motores de
encendido por compresión (ciclo diésel) oscila entre 14 y 22.
En los motores de encendido por chispa (ciclo Otto), el límite superior de la relación
de compresión está determinado esencialmente por la calidad antidetonante del
combustible en el mercado; para los motores de encendido por compresión (ciclo diésel)
está determinado, sobre todo, por el peso de la estructura del motor, que aumenta al
aumentar la relación de compresión, de un modo especial con grandes cilindradas.
El motor de encendido por compresión (ciclo diésel) es, por lo general, más pesado
que un motor de encendido por chispa (ciclo Otto) de igual cilindrada, porque funciona a
presión considerablemente mayor.
Referencias
Cengel, Y. A. (2012). Termodinámica (Septima ed.). México: Mc. Graw Hill.
Recuperado el 11 de Agosto de 2015
departamento de física aplicada III, u. d. (1 de Marzo de 2013). Laplace. Recuperado el
16 de Agosto de 2015, de http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Diesel
Gustavito. (1 de mayo de 2011). Taringa. Recuperado el 16 de Agosto de 2015, de
http://www.taringa.net/post/autos-motos/10418242/Motores-Mecanica-automotriz-
completisimo.html
Payares, L. E. (s.f.). Aprendiendo Mecánica Diésel. Recuperado el 2015 de Agosto de 16,
de https://sites.google.com/a/misena.edu.co/aprendiendo-mecanica-diesel/siclo-de-
funcionamiento
Pulkrabek, W. W. (s.f.). Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine.
New Jersey: Prentice Hall. Recuperado el 13 de Agosto de 2015