Comparación entre motores diésel y Otto

El parámetro más común para comparar diversos motores es la eficiencia termodinámica. Primero usaremos la definición normal de eficiencia termodinámica:

nr=W kciclo

Qagr

X 100

Para un ciclo diésel con gas perfecto que tenga calores específicos constantes

Qagr=mC p(T3−T2)

W k ciclo=Qagr+Qcont=mC p ( T3−T 2 )+m C v(T 1−T 4)

Se puede escribir para la eficiencia

nT=mC p (T3−T2 )+m C v (T1−T 4)

m Cp (T 3−T 2)X 100

nT=(1+C v

C p

T1−T4

T 3−T 2)X 100=(1−1

k

T 4−T 1

T 3−T 2)X 100

Esto se puede poner en función de otras variables con algo más de manipulación y se obtiene

nT=¿

Una comparación entre los ciclos diésel y Otto da como resultado que, a determinada relación de compresión, el motor Otto es teóricamente más eficiente que el diésel. Esto se ve más en los ciclos Otto y Diésel superpuestos, como se ve en la figura, el área sombreada representa trabajo realizado por el motor Otto y no por el Diésel. La razón principal para usar el motor diésel, ha sido la mayor relación de compresión que se alcanza. El combustible en un motor Otto tiene preignicion a relaciones de compresión elevadas; pero en el motor diésel es justamente esta preignicion que hace quemarse al combustible. Entonces, las relaciones de compresión se pueden aumentar hasta valores que solo están limi8tados por la resistencia de los materiales y la dinámica del cilindro-pistón. La mayor parte de los motores Diésel tienen eficiencias termodinámicas mayores que las de los motores Otto, por la mayor compresión.

1Diagrama p-v para comparar los ciclos Otto y Diésel (relación de compresión)

Diferencias de funcionamiento

Motor Diésel

Admisión de la máxima cantidad de aire Alto grado de compresión, alcanza presiones de unos 40 bares Elevada temperatura al final de la compresión (de 500 a 600°C). Inyección de combustible en cantidad dosificada, a una presión entre 250 y 2000

bares en los Diésel rápidos de inyección directa. Autoflamación del combustible al ser inyectado. La combustión es relativamente lenta, entre 20° y 40° de giro de cigüeñal. Presión máxima de combustión entre 70 y 90 bares.

Motor Otto

Preparación de la mezcla en determinada proporción. En la admisión se regula la cantidad de mezcla admitida Gado de compresión relativamente bajo, para evitar la detonación (presión entre 13

y 15 bares).

El encendido de la mezcla se logra mediante una chispa eléctrica. La combustión es rápida y se realiza a volumen casi constante. Presión máxima de combustión de 30 a 40 bares.

Ventajas e inconvenientes del motor Diésel respecto al motor Otto

Ventajas

Mayor rendimiento térmico debido a que trabaja a temperaturas más elevadas. Menor consumo, puesto que se aprovecha mejor la energía del combustible. Menos contaminante, al ser la combustión más completa, los gases de escape son

menos tóxicos. Mayor duración con menor coste de mantenimiento.

Inconvenientes

Mayor peso, más ruidoso y de funcionamiento más brusco. Más caro, por la mejor calidad y ajustes de fabricación. Se adapta pero a los rápidos cambios de régimen que el motor Otto. El arranque en frio presenta más dificultades.

2Motor Diésel en admisión

Ciclo dual

El ciclo diésel simple no representa bien el funcionamiento del motor de combustión interna e ignición por compresión. Un método para modelar mejor el motor Diésel real es con el ciclo dual, que tiene una adición de calor a volumen constante más una adición de calo a presión constante. El porcentaje de calor agregado durante cada uno de estos dos

procesos es la única propiedad del ciclo dual que le permite acomodarse mejor al motor Diésel real.

Si todo 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 agregado a presión constante (isobárico), el ciclo dual equivale al ciclo Diésel. Con frecuencia, el motor Diésel funciona en un ciclo dual en el que la fracción de calor agregado a volumen constante va de 40 a 60% del total agregado.

3Diagrama de propiedades para el motor con ciclo dual ideal

Ciclo practico del motor Diésel de cuatro tiempos

El ciclo práctico del motor diésel describe el proceso real de funcionamiento del motor.

Diagrama del ciclo real

Admision1-2: cuando el pistón pasa por el PMS la válvula de admisión ya está abierta debido al avance de la apertura de admisión. El pistón desciende hasta el PMI manteniendo una presión por debajo de la atmosférica en el interior del cilindro, debido a las pérdidas de carga. Cuando comienza a subir, la válvula de admisión aún permanece abierta un ínstate con el fin de aprovechar la velocidad de entrada que ha adquirido el aire. Superando el PMI la válvula se cierra y comienza la compresión.

Compresión 2-3: las válvulas están cerradas, el pistón asciende comprimiendo el aire que se encuentra dentro del cilindro hasta la presión P1. La compresión no es adiabática, existe intercambio de calor a través de las paredes del cilindro.

Inyección y combustión 3-4: la inyección comienza en el punto 3, cuando el pistón sube. El incremento de presión no es instantáneo, se necesita tiempo para que se inicie la combustión y se libere el calor. Este tiempo se compensa adelantando el momento de la inyección (AI). En una primera fase se produce una subida muy alta de la presión pero no se realiza a volumen constante ya que el pistón efectúa un pequeño recorrido desde el punto 3 hasta el PMS. En la segunda fase el pistón comienza a descender, la combustión continua hasta el punto 4, en este recorrido la presión no se mantiene constante.

Expansión 4-5: El pistón desciende en la carrera de trabajo, esta carrera no es adiabática ya que parte del calor es evacuada al sistema de refrigeración a través de las paredes del cilindro. La carrera de expansión termina en el punto 5, cuando se abre la válvula de escape, antes de que el pistón llegue al PMI.

Principio de escape 5-6: en el punto 5 el interior del cilindro se encuentra a la presión de P3, para evacuar esta presión residual se hace necesario un avance en la apertura de escape (AAE). Durante este tiempo el pistón hace el recorrido (5-6). La caída de la presión y por lo tanto la sustracción de calor no se realiza a volumen constante (no isócora).

Expulsión de los gases 6-1: la presión ya ha descendido en el interior del cilindro y el pistón comienza a subir desde el PMI; los gases quemados son expulsados al exterior mientras se mantiene una presión ligeramente superior a la atmosférica. La válvula de escape se cierra después ligeramente superior a la atmosférica. La válvula de escape se cierra después de que el pistón haya pasado PMS, con el fin de aprovechar la velocidad de salida de los gases y mejorar su evacuación.

Las pérdidas durante el trabajo

El ciclo práctico tiene un rendimiento menor que el teórico debido a las pérdidas que se producen en el funcionamiento real del motor.

Pérdidas por bombeo (D) debidas al trabajo negativo que supone la carga y evacuación de los gases en el cilindro.

Pérdidas causadas por el desplazamiento del pistón durante la combustión (A). Pérdidas por la evacuación de calor al sistema de refrigeración (B). Pérdidas por evacuación por el tiempo empleado en la evacuación de calor en la

apertura del escape (C). Pérdidas de presión por el llenado defectuoso en admisión (E).

El ciclo Diésel teórico

Es el ciclo teórico de los motores de encendido por compresión (MEC). El calor es introducido a presión constante, el valor de la relación de compresión varia de 14 a 22.

El ciclo Diésel está formado por cuatro evoluciones: la compresión isentrópica (1-2); la introducción de calor a presión constante (2-3); la expansión isentrópica (3-4); la cesión de calor a volumen constante (4-1). Durante el proceso 2-3 de introducción del calor Qt a presión constante, el pistón se desplaza y por lo tanto el fluido realiza el trabajo.

W 2−3=∫2

3

ρdv=ρ3 v3−ρ2 v2

4Ciclo Diésel teórico en coordenadas p-v y t-s

La ecuación de la energía sin flujo

Qt=U 3−U 2+( ρ3 v3−ρ2 v2 )

La entalpía h está dada por

h=U +ρv

Qt=h3−h2

Siendo el fluido un gas perfecto, para su variación de entalpía a presión constante

h3−h2=C p ( T3−T2 )

Diferencias entre el ciclo diesel real y el teorico

Entre el ciclo real y el teorico hay diferencias de forma y diferencias de valores de las presiones y temperaturas: debidas a la variación de los calores específicos, a las perdidas de calor, al tiempo de apertura de la valvula de escape y en el caso del ciclo real la combustión no se reliza a presion constante.

A- Combustión a presion constante: La combustión se realiza en condiciones tales que la presion varia durante el proceso, mientras que el ciclo teorico se había supuesto que se mantiene constante. En realidad la combustión se realiza en parte a volumen constante y en parte a presion constante.

5Comparación entre el ciclo Diésel teórico e indicado

B- Disociacion de los productos de la combustión: En los motores encendido por compresion la disociación no tiene efecto tan importante, por que el exceso de aire y el mezcaldo de los productos de la combustión son tales que reducen la tempertura máxima y por esto también la disociación de los productos de la combustion.

C- Perdidas por bombeo: En los motores de encendido por compresion no existe, en efecto, la valvula de mariposa. Por lo tanto el área D negativa del ciclo Diesel real es menor que la del ciclo Otto (en los motores de cuatro tiempos).

6Diferencia entre los ciclos de un motor Diésel lento y uno rápido

Bibliografía:

Santiago Sanz, “Motores”, editorial EDITEX. Kurt C. Rolle, “Termodinámica”, editorial PEARSON Ismael Prieto, Manuela Alonso, “Fundamentos de Máquinas Térmicas”, editorial

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