Termodinámica de Motores de Combustión: Ciclos Otto y Diesel

Ciclos Termodinámicos de Motores de Combustión Interna

Ciclo Otto: Fundamentos y Rendimiento

En el estudio del Ciclo Otto, se consideran las siguientes hipótesis simplificativas para el análisis del fluido de trabajo:

• El agente de trabajo (AT) no cambia de composición en todo el ciclo y se comporta como un gas ideal (aire).
• Las etapas de compresión y expansión son adiabáticas y reversibles (isoentrópicas).
• Las etapas de aporte y eliminación de calor son isócoras (a volumen constante).

Cálculo del Rendimiento Térmico

El rendimiento del ciclo Otto se define mediante las siguientes expresiones matemáticas:

Rendimiento_OTTO = (W_exp - |W_comp|) / Q_abs = (Q_abs - |Q_ced|) / Q_abs = 1 - (|Q_ced| / Q_abs)

Rendimiento = 1 - ((T₄ - T₁) / (T₃ - T₂)) = 1 - (T₁ / T₂) = 1 - (1 / (T₂ / T₁))

Rendimiento = 1 - (1 / (V₁ / V₂)^γ-1) = 1 - (1 / ε^γ-1)

Donde:

• γ (gamma) = c_p / c_v
• ε (épsilon) = V₁ / V₂ (Relación de compresión)

Ciclo Diesel: Funcionamiento y Etapas

El Ciclo Diesel es el ciclo básico ideal de los motores diésel, caracterizados por el encendido por compresión o detonación. Se trata de un ciclo de 4 tiempos compuesto por las siguientes fases:

• 0 → 1: Carrera de aspiración. Se abre la válvula de aspiración (VA), gira el cigüeñal, el pistón se desplaza hacia el punto inferior y permite la entrada de AIRE dentro del cilindro. La VA permanece abierta y la válvula de escape (VE) cerrada.
• 1 → 2: Carrera de compresión. Se produce una compresión isoentrópica y adiabática. Se cierra la válvula de aspiración, gira el cigüeñal, el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior (PMS) y comprime el aire dentro del cilindro. En esta etapa se consume trabajo. VA y VE permanecen cerradas.
• 2 → 3: Calentamiento instantáneo a presión constante. Se inyecta el combustible (diésel) y se produce su combustión. Las válvulas se mantienen cerradas y el pistón se encuentra en el PMS dentro del cilindro. Existe un aporte de calor al sistema y la realización de una parte del trabajo. VA y VE cerradas.
• 3 → 4: Carrera de expansión. Se realiza una expansión isoentrópica y adiabática. Al producirse la combustión completa de la mezcla, se genera una transformación y liberación de la energía química contenida en la misma, lo que hace que el pistón descienda rápidamente hacia el punto muerto inferior (PMI), completando el giro del cigüeñal. En esta fase se genera trabajo. VA y VE cerradas.
• 4 → 5: Rechazo o expulsión instantánea del calor a volumen constante. Se mantiene constante el volumen, pero existe una transferencia de calor inmediata a través de las paredes desde el interior de la cámara de combustión hacia el exterior de la misma. VA y VE cerradas.
• 5 → 0: Carrera de expulsión. Se abre la válvula de escape, rechazando los gases producidos en la combustión y cediendo el calor a la atmósfera.