ciclo de rudolph diesel

5/14/2018 Ciclo de Rudolph Diesel - slidepdf.com

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TERMODINÁMICA

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CICLO DE DIESEL

El ciclo de Diesel, concebido por Rudolph Diesel en 1892 es similar al motor de igniciónpor chispa excepto que requiere una relación de compresión mayor y sólo acepta aire durante el

proceso de admisión. Debido a esta alta relación de compresión, el aire admitido durante laadmisión alcanza presión y temperatura altas durante la compresión, a tal punto que elcombustible, al ser inyectado en el cilindro, espontáneamente sufre combustión sin necesidad dela chispa suministrada por la bujía. Al principio, Diesel propuso controlar la inyección decombustible de tal manera que la combustión se realizara a temperatura constante. Después setuvo más éxito con un proceso de combustión a presión constante. El ciclo puede realizarse enmotores de 2 y 4 tiempos. Al analizar el primero, se observa que sólo recibe aire el cilindrodurante el proceso de admisión, mientras el pistón desde su punto muerto superior “PMS” hasta

su punto muerto inferior “PMI ”, para luego comprimirse mientras el pistón se desplaza haciaarriba. Cuando el pistón se encuentra próximo a alcanzar su punto muerto superior, se inyecta

combustible al cilindro en forma de pequeñas partículas de aceite finamente atomizado,lográndose así una combustión en esencia isobárica. Los productos de combustión resultantes seexpanden mientras el pistón se desplaza hacia su punto muerto inferior, para terminar el ciclo conel proceso de escape en que el pistón se mueve hasta su punto muerto inferior.

Debe decirse que el proceso de barrido en el motor de dos tiempos se realiza sólo con aire.Los diagramas de (presión-temperatura) y (temperatura-entropía) de un ciclo Dieselestándar aparecen en la figura 01 y en la figura 02. Si se supone que el medio de trabajo nocambia su composición química y se comporta como un gas ideal con calores específicosconstantes, entonces. [1]

Fig. 01.- Diagrama P-v.



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Fig. 02.- Diagrama T-s.

El motor Diesel puede funcionar según los ciclos de cuatro o de dos tiempos. El de cuatrotiempos es el más empleado en motores pequeños, mientras que el de dos tiempos se emplea enmotores lentos y grandes, como los utilizados en la marina. [2]

TÉRMINOS BÁSICOS DEL MOTOR

Para poder entender cómo opera un motor de combustión interna, es necesariofamiliarizarse con cierto número de términos que describen sus características mecánicas,operacionales y de potencia.

Punto muerto superior (PMS). Es el punto más bajo del viaje ascendente del pistón en elcilindro.

Punto muerto inferior (PMI). Es el punto más bajo del viaje descendente del pistón en el cilindro.

Carrera. Es la distancia en pulgadas recorrida por el cilindro en su movimiento desde PMS hastael PMI . El pistón tiene una carrera mientras viaja haca abajo y otra carrera mientras viaja haciaarriba. La carrera hacia abajo, más la carrera hacia arriba del pistón equivalen a una vuelta orevolución del cigüeñal.



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Diámetro del cilindro. Es el diámetro interior del cilindro. Medida generalmente tomada enpulgadas.

Giro. Es la distancia en pulgadas desde el centro del cojinete principal del cigüeñal al centro del

pasador del cigüeñal o cojinete de biela. La medida de un giro es igual a la mitad de la carrera.Volumen de combustión (VC ). Par un cilindro, es el volumen de la cámara de combustión situadasobre el pistón, cuando éste se encuentra en PMS.

Desplazamiento del pistón (DP). Esto es para un cilindro, significa el volumen que el pistóndesplaza mientras viaja de PMS hasta el PMI , y se mide en pulgadas o centímetros cúbicos. Paracalcular el desplazamiento del pistón de un cilindro, se usa la siguiente fórmula: ;donde r es igual a la mitad del diámetro inferior, y r es la carrera.

Para saber el desplazamiento total de un motor, multiplique el DP por el número de cilindros.

Volumen total (VT). El volumen total del cilindro es el volumen sobre el pistón cuando el pistónestá en PMI y es igual a VC+DP.

Relación de compresión (RC). Es la relación entre el volumen total del cilindro y VC , y se calculadividiendo el volumen total entre VC y se expresa como una relación (es decir, 10 a 1).

Eficiencia volumétrica (EV). Es la relación que hay entre la cantidad de mezcla de aire-combustible que entra al cilindro en la carrera de admisión y la cantidad requerida para llenar elcilindro a presión atmosférica. Esto se expresa en porcentajes.

Válvulas. Se usan para abrir o cerrar un agujero. Las válvulas de motor están localizadas en losorificios de escape y admisión. [2]

Relación de compresión. Es igual al cociente del volumen del cilindro más la cámara deexplosión dividida por el volumen de la cámara de explosión. [2]

Cilindrada. A la suma de los volúmenes de todos los cilindros se le llama cilindrada. [3]



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MOTOR DE DIESEL DE 4 TIEMPOS

PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN

La válvula de admisión está abierta completamente cuando el émbolo pasa por el PMS ymientras baja hasta el PMI crea un vacío en el interior del cilindro y aspira solo aire. Cuandollega al PM I, el cilindro está lleno de aire a la presión de casi una atmósfera ( ⁄ aproximadamente) y a la temperatura ambiente. La válvula de escape continúa durante todo esetiempo.

SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN (PRINCIPIO DE INYECCIÓN)

En el PMI se cierra la válvula de admisión, y el émbolo al descender, va comprimiendo el

aire que hay en el interior del cilindro, hasta reducir su volumen al de la cámara de combustión.La válvula de escape continúa cerrada. Al final de la compresión, el volumen de aire se hareducido (de a veces según el tipo de motor), su temperatura se ha elevado (a más de ) y su presión ha aumentado (alcanzando de a bar).

Si solamente se redujese el volumen de aire, la presión que alcanzaría sería del mismo orden queesa reducción, de unos a bar. Pero como el aire se ha calentado además de comprimirse,esto hace que su presión final sea bastante mayor y se alcancen los valores citados.

Cerca del final de la compresión se inyecta en la cámara de combustión una pequeña cantidad decombustible, medida exactamente. La inyección dura, a plena carga, de

a

grados de giro

del cigüeñal. El momento que empieza la inyección de esa cantidad de combustible y la exactitudde su dosificación son dos factores muy importantes para el buen funcionamiento y rendimientodel motor.

Casi inmediatamente después de empezar la inyección se produce el encendido espontáneo delcombustible y comienza la combustión, que se prolonga hasta poco después del PMS.

TERCER TIEMPO: COMBUSTIÓN Y EXPANSIÓN

Después de alcanzado el PMS, el émbolo desciende hacia el PMI y las dos válvulas

permanecen cerradas. La máxima presión en la cámara se alcanza poco después del PMS. Losgases se expanden y empujan el árbol de la biela, transmitiéndole una fuerza que actúa sobre elcigüeñal a través de la biela, dándole un nuevo impulso de rotación. Ésta es la carrera útil delmotor.

CUARTO TIEMPO: ESCAPE

Después del PMI , el émbolo se dirige de nuevo hacia el PMS expulsando los gasesquemados a través de la abertura de la válvula de escape, que se ha abierto poco antes de terminar



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la carrera de expansión. La válvula de admisión permanece cerrada. Al llegar el émbolo o pistónal PMS se inicia un nuevo ciclo. [3]

EFECTOS DEL AUMENTO DE LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN

En motores de gasolina la relación de compresión generalmente es del orden de 10 y en losmotores de Diesel de 20; si este valor se incrementa puede producir baja eficiencia del motor ycascabeleo o detonación. Experimentalmente se ha observado que con valores mayores de 13 laeficiencia disminuye y además se requiere mejorar la calidad del combustible. [3]

ANÁLISIS Y DEMOSTRACIÓN DEL CICLO DE DIESEL

Partiendo de la ecuación general para la eficiencia térmica

donde es calor de entrada y es calor de salida y vienen dado por, el calor de entrada se

sustituirá por y el calor de salida por respectivamente

Sustituyendo en la ecuación “” se obtiene

dado que



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Por la Ley de los Gases Ideales,

por relación de temperaturas

donde la es la relación de compresión y viene dado por

Obteniendo la entropía

En el estado de 2-3

integrando ambos lados de la igualdad



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como y son constantes “salen” fuera la integral

por tabla, la integral de ∫ , en este caso la constante de integración no se toma en

cuenta

De manera similar para el estado de 4-1

como se hace referencia a la misma masa

recordando que

es

la relación de carga térmica viene dada por



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donde muchas bibliografías o autores le llaman a la como relación isoentrópica debido al

cociente de temperatura de ⁄ .

Entonces la eficiencia térmica del ciclo de Diesel es

[

(

)] [4]

En otras bibliografías a la también le llaman , y a la relación de compresión le llaman , , esperemos que el estudiante de termodinámica de la UPV no se quiebre la cabeza tratando deaveriguar qué significa y . Como se ve claramente es la misma expresión para la eficienciatérmica en el ciclo de Diesel.

Ejemplo 01.- Considere un ciclo Diesel donde las condiciones, al iniciarse el proceso decompresión, son de y . Si la compresión y temperaturas máximas en el ciclo selimitan a y , el valor del índice politrópico es de 1.4, calcule:

a) La relación de compresión.b) El calor suministrado al ciclo.c) La eficiencia térmica del ciclo.d) El trabajo realizado por el ciclo.e) El calor disipado.f) La fracción del calor disipado que es energía disponible.

SOLUCIÓN:

a) Puesto que la relación de compresión está dador por

haciendo la sustitución pertinente de los valores previamente otorgados



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b) Para calcular la temperatura al finalizar el proceso de compresión,

Por consiguiente,

c) La eficiencia térmica puede calcularse mediante la ecuación de la relación de compresión,donde ⁄

Se multiplica por 100% para saber su eficiencia térmica,

d)

e) Mediante un balance de energía,

f)



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Ejemplo 02.- Considere un motor Diesel de cuatro tiempos y cuatro cilindros, de dedesplazamiento, que tiene una relación de compresión de y gira a . El combustible

empleado disipa durante la combustión. Al iniciarse la compresión, el aire se encuentra

a una presión de y una temperatura de . La relación ⁄ ( ⁄ ) es iguala . Suponiendo un ciclo Diesel donde laspropiedades del medio de trabajo son iguales a las del aire, calcule

a) Las presiones y temperaturas a los largo de todo el ciclo.b) La eficiencia térmica del ciclo Diesel.c) El flujo de calor equivalente suministrado al ciclo durante el proceso de combustión

isobárica.d) La potencia desarrollada por la máquina.

SOLUCIÓN:

a) Con el objeto de determinar los volúmenes y de un solo cilindro se pueden usarlas siguientes relaciones

Por tanto,

Asimismo,



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Para calcular la temperatura en el Estado 3,

pero

Mediante un balance de energía,

En consecuencia,



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b) Sustituyendo valores en la ecuación de la relación de compresión, donde

,

Se multiplica por 100% para saber su eficiencia térmica,

c) ̇ ⁄ ( ⁄ ) ⁄ ( ⁄ )

̇

d) ̇



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BIBLIOGRAFÍA

[1] Termodinámica. Manrique Baladez, José Angel. OXFORD UNIVERSITY PRESS.ALFAOMEGA.

[2] Fundamentos de mecánica automotriz. Nash, Frederick C. Editorial DIANA MÉXICO. 32ªimpresión, febrero de 1991. ISBN 968-13-0865-4.

[3] El motor del automóvil. Romero López, Alejandro. Aconcagua Ediciones y publicaciones,S.A. de C.V. 1995. ISBN 968-6000-39-9.

[4] Curso de termodinámica. Aguilar Peris, J. Alhambra Universidad.

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