Fundamentos y Rendimiento Termodinámico de los Ciclos Otto y Diesel en Motores de Combustión

Fundamentos Termodinámicos del Motor de Combustión Interna

El Ciclo Otto: Operación a Volumen Constante

El ciclo Otto describe el funcionamiento de los motores de encendido por chispa (gasolina) y consta de cuatro tiempos principales:

1. Admisión (Operación M-A): El émbolo, en su primer tiempo, describe la operación M-A. Se produce la admisión (aspiración) de una mezcla de combustible y aire, abriendo la válvula de admisión.
2. Compresión y Combustión (A-B y B-C):
   • Compresión Adiabática (A-B): En el segundo tiempo, con las válvulas cerradas, el émbolo se desplaza desde el punto muerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS). El fluido recibe un trabajo que permite la compresión adiabática A-B, reduciendo la mezcla al volumen de la cámara de combustión y aumentando su presión (de 14 a 20 kg/cm²).
   • Combustión (B-C): Ya en el punto B, se provoca el encendido mediante una chispa. Se efectúa la explosión B-C, donde la temperatura y la presión aumentan a volumen constante. El fluido recibe entonces Q₁ kilocalorías de la fuente caliente.
3. Expansión y Escape Inicial (C-D y D-A):
   • Expansión Adiabática (C-D): Tercer tiempo. El sistema, constituido ahora por productos de la combustión, realiza la expansión adiabática C-D hasta alcanzar el punto muerto inferior.
   • Escape Inicial (D-A): Se abre entonces la válvula de escape, produciéndose un descenso de presión D-A, seguido de un enfriamiento a volumen constante en el cual se ceden Q₂ kilocalorías a la fuente fría.
4. Escape Final (Operación A-M): Cuarto tiempo. El émbolo realiza la operación A-M de expulsión de los productos de la combustión para, al final de la misma, introducir nuevamente mezcla de aire y combustible en condiciones similares a las iniciales y reiniciar el ciclo.

Rendimiento Térmico Teórico del Ciclo Otto

La fórmula que nos expresa el valor del rendimiento térmico teórico del ciclo Otto será mayor cuanto mayor sea la relación de compresión. Dicho rendimiento depende del valor del coeficiente k y de las transformaciones adiabáticas, el cual variará según el combustible utilizado.

El Ciclo Diesel: Operación a Presión Constante

El ciclo Diesel describe el funcionamiento de los motores de encendido por compresión y también consta de cuatro tiempos:

1. Admisión: Se produce la admisión de una carga de aire solamente.
2. Compresión y Combustión (A-B y B-C):
   • Compresión Adiabática (A-B): En el segundo tiempo, con las válvulas cerradas, el aire se comprime adiabáticamente (compresión A-B), donde alcanza unos 800 °C.
   • Combustión (B-C): El émbolo se encuentra en el punto muerto superior (PMS), donde comienza la inyección del combustible líquido finamente pulverizado. La combustión B-C se produce por efecto de la elevada temperatura del aire, realizando este proceso a presión constante y absorbiendo el sistema Q₁ kilocalorías de la fuente caliente.
3. Expansión y Escape Inicial (C-D y D-A):
   • Expansión Adiabática (C-D): Se realiza la expansión adiabática C-D de los productos de la combustión. El sistema realiza trabajo a expensas de su energía interna hasta que el émbolo llega al punto muerto inferior (PMI).
   • Escape Inicial (D-A): Se abre luego la válvula de escape, produciéndose un descenso de la presión D-A y un enfriamiento a volumen constante, donde se ceden Q₂ kilocalorías a la fuente fría.
4. Escape Final (Operación A-M): Se realiza la operación A-M de expulsión o escape de los productos de la combustión, con lo cual se completa el ciclo.

Rendimiento Térmico Teórico del Ciclo Diesel

La fórmula que nos da los valores de un rendimiento teórico del ciclo Diesel demuestra que el rendimiento del ciclo aumenta cuando aumenta la relación de compresión y cuando disminuye la relación de inyección y expansión.