Ciclos Otto y Diesel. Análisis termodinámico

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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:

   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:

                                rendimiento_otto
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:

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:

rendimiento diesel

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.

Bibliografía:

Apuntes de Motores y Máquinas Térmicas

http://www.tecmovia.com

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6 comentarios sobre “Ciclos Otto y Diesel. Análisis termodinámico

    nataliamunozrujas escribió:
    27 octubre, 2014 en 22:49

    Felicidades, hacéis que sea fácil de entender. Sólo decir que actualmente la mayoría de los motores de gasolina (Otto, Atkins…) por no decir todos, también emplean la inyección directa de combustible. Un saludo.

      Felipe Martín-Serrano respondido:
      29 octubre, 2014 en 16:49

      Muchas gracias Natalia. Tendré en cuenta el tema de los motores de gasolina de inyección directa para un posible post. Un saludo

    kevin alexander escribió:
    14 abril, 2015 en 05:30

    Comparaciones de un motor otto al diesel

    David escribió:
    1 julio, 2015 en 11:03

    Muy buenas. Hoy me ha surgido una duda. En los ciclos Otto y Diesel, ¿sería posible saber que rendimiento es el mayor de ambos, sabiendo que la relación de compresión es la misma para los dos y desconociendo el grado de combustión a presión constante?

      Felipe Martín-Serrano respondido:
      1 julio, 2015 en 12:09

      Hola David. Buena pregunta. En el caso de relaciones de compresión idénticas, el rendimiento del ciclo Otto siempre será mayor. Si te fijas en la ecuación del ciclo diésel, la parte que contiene el grado de combustión multiplicado por el 1/gamma es siempre mayor que uno, que al multiplicar a lo demás (la parte de la ecuación que coincide con la del ciclo Otto) aumentará su valor. Por lo tanto el rendimiento será menor ya que el resultado final de la ecuación es uno menos lo obtenido anteriormente. Es fácil de deducir si te fijas en ambas ecuaciones de rendimiento. Espero haber resuelto tu duda. ¡Un saludo!

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