¿Qué es el ciclo Otto y el ciclo Diesel, y cómo se los define?
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD
Ambos constituyen los modelos teóricos que se emplean para describir los ciclos termodinámicos a gas que se llevan a cabo en los motores de cuatro tiempos de combustión interna de encendido por chispa y de autoignición respectivamente.
El ciclo Otto debe su nombre a que fue el ingeniero alemán Nikolaus Otto quien en 1876 desarrolló está máquina de cuatro tiempos de encendido por chispa, basada en el modelo propuesto en 1862 por Beau de Rochas. Este motor ejecuta cuatro procesos termodinámicos en dos ciclos mecánicos. Por su parte, el ciclo Diesel fue desarrollado entre 1890 y 1897 por Rudolft Diesel en Alemania para la empresa de transporte MAN, con la intención de fabricar motores con mayores prestaciones que los de vapor a partir de otros combustibles que ofrezcan más elevadas eficiencias. Esta creación se ha ido perfeccionando desde entonces, y por ejemplo, en 1927 la empresa BOSH sacó al mercado una bomba de inyección para Diesel que ayudaba a disminuir el consumo de combustible, el cual resulta más económico que la gasolina.
La imagen muestra un esquema con los elementos más representativos que describen un ciclo Otto
Los ciclos Diesel describen teóricamente el funcionamiento de las máquinas ECOM (máquinas de encendido por compresión). El diagrama muestra algunas características de este ciclo.
Procesos termodinámicos de los motores de combustión interna
El general, los motores reciprocantes de cuatro tiempos en la práctica, están formados por cuatro procesos: admisión, compresión, expansión y escape.
Tanto en los motores de encendido por chispa como en los motores Diesel, durante el proceso de admisión, se abre en el cilindro la válvula de admisión para permitir la entrada de aire (en los motores Diesel) y de aire y combustible (en los motores de encendido por chispa), lo cual ocurre a presión atmosférica (para ello, se requiere en el interior del cilindro una presión inferior). El ingreso de este volumen al cilindro desplaza al émbolo hacia el punto muerto inferior (PMI) hasta alcanzar el volumen máximo donde se cierra la válvula de admisión.
Durante proceso de compresión, las válvulas de admisión y escape continúan cerradas y el émbolo se desplaza hacia el punto murto superior (PMS), comprimiendo el contenido de la cámara hasta alcanzar el volumen mínimo. A diferencia de los motores de encendido por chispa, donde la relación de compresión se encuentra alrededor de 11, en los cilindros de los motores Diesel esta relación se requiere que sea superior, de aproximadamente 18. Este recorrido más largo, permite alcanzar temperaturas superiores para garantizar la autoignición del combustible en el siguiente proceso, es decir, la temperatura del aire al final del proceso de compresión, debe ser superior a la dada en el autoencendido del combustible para que este pueda inflamarse al ingresar a la cámara de combustión.
Los ciclos Diesel requieren cilindros de mayor tamaño que los motores de gasolina o gas, por lo tanto son comúnmente empleados en camiones o medios de transporte de gran tamaño como en la agroindustria.
El proceso que sigue es el de expansión o carrera de potencia, y se inicia cuando el pistón alcanza el punto muerto superior. En los motores de encendido por chispa, la combustión es prácticamente instantánea y ocurre por el encendido de una chispa generada por la bujía, la cual provoca la combustión de la mezcla de aire y combustible. En el caso de los motores ECOM, el proceso es un poco más lento, ya que se inicia cuando el pistón se encuentra en el PMS y los inyectores pulverizan el combustible dentro de la cámara. Cuando el Diesel o gasóleo entra en contacto con el aire a elevada temperatura, esta mezcla se inflama e impulsa al émbolo hacia el PMI expandiendo los gases de combustión y provocando la rotación del cigüeñal del motor.
La imagen muestra un cilindro de un motor de combustión interna. Se pueden apreciar las válvulas, y el pistón.
Por último, está la apertura de la válvula de escape para que el pistón suba y desaloje los gases de combustión y se inicie nuevamente el ciclo.
En los motores Diesel no se utilizan las bujías como en los motores a gasolina, ya que el proceso de combustión se produce gracias a las condiciones de presión y temperatura en la cámara de combustión al momento de inyectar el combustible.
En aras de simplificar los cálculos y análisis termodinámico en el interior de los cilindros de los motores de combustión interna, se realizan algunas suposiciones, como consideraciones de aire estándar y que los procesos son reversibles. Mediante estas premisas, se desarrollan los ciclos Otto y Diesel, para formar los cuatro procesos, como se muestra en la siguiente imagen:
Los cuatro procesos de los motores de combustión interna de cuatro tiempos.
1-2: compresión isentrópica
2-3: Adición de calor. En los ciclos Otto, este proceso se supone a volumen constante (isócora) y en los ciclos Diesel se aproxima a uno a presión constante (isobárico)
3-4: expansión isentrópica
4-1: rechazo de calor a volumen constante (isócora)
El diagrama de la izquierda muestra los procesos que se llevan a cabo en los motores de encendido por chispa. En la práctica, se trata de un proceso abierto que requiere una entrada de aire del exterior y una expulsión de los gases de escape al ambiente. A la derecha, se observa la simplificación de este modelo como un ciclo cerrado formado por dos procesos isentrópicos y dos isocoras.
En el ciclo Diesel, se reemplazan los procesos de admisión y escape por los de adición de calor a presión constante y rechazo de calor a volumen constante. Además, los procesos de compresión y expansión se suponen isentrópicos.
Los motores de combustión interna de cuatro tiempos, no solo se emplean en la industria del transporte. También a nivel residencial e industrial tienen ciertas aplicaciones, por ejemplo, para aplicar cogeneración, y obtener electricidad (o energía mecánica), y calor a partir de una sola fuente primaria, que sería el combustible utilizado. Sin embargo, para propósitos de cogeneración, son más comunes los ciclos Otto y las turbinas de gas.
Eficiencia de los motores de combustión interna de cuatro tiempos
Como todos los ciclos termodinámicos, los ciclos de gas ofrecen una medida de su desempeño a partir de la eficiencia térmica (ηter), la cual muestran la relación entre el trabajo neto wneto dividido entre el calor de entrada qent:
\(_{Ter = }\frac{{{w_{neto}}}}{{{q_{ent}}}} = \frac{{{q_{ent}} – {q_{sal}}}}{{{q_{ent}}}} = 1 – \frac{{{q_{sal}}}}{{{q_{ent}}}}\)
Donde:
qsal representa el calor rechazado de forma isócora.
El qsal se determina mediante el cambio de energía interna (u) entre los estados donde ocurre el proceso de rechazo de calor, es decir, los estados 4 y 1. Estas cantidades se toman de las tablas de vapor, y para ubicar los valores, se necesita conocer dos datos del estado, por ejemplo, la temperatura y la presión. Adicionalmente, se requiere aplicar la ecuación de estado (P.v = R.T), y la relación de presiones, volúmenes, o presiones/volúmenes relativos que se da entre procesos isentrópicos.
En los ciclos Otto, el proceso de adición de calor se lleva a cabo a volumen constante, por lo tanto, el calor de entrada qent se determina mediante el cambio de energía interna entre los estados 2 y 3, es decir, u3 – u2:
\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{u_3} – {u_2}}}\)
En el caso del proceso de adición de calor para los ciclos Diesel, este se supone a presión constante, y el calor de entrada qent, se calcula a partir del cambio de entalpía (h) entre los estados donde tiene lugar este proceso, esto es, entre los estados 3 y 2. Con estas consideraciones, se puede determinar la eficiencia de un ciclo Diesel mediante la expresión:
\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{h_3} – {h_2}}}\)
Este esquema muestra algunas diferencias entre el ciclo Otto y el ciclo Diesel. Si ambos motores pudieran operar a la misma relación de compresión (r), los ciclos Otto tendrían mayor eficiencia, sin embargo en la práctica, los motores Diesel poseen mayor relación de compresión.
La relación de compresión (r) y de corte de admisión (rc)
Este valor adimensional es un parámetro en los ciclos de gas, y se expresa como el vínculo que ocurre sobre los volúmenes máximo y mínimo del cilindro:
\(r = \frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}\)
Tanto en el ciclo Otto como en el Diesel, el volumen máximo se obtiene en los estados 1 o 4. El volumen mínimo en el ciclo Otto ocurre en los estados 2 y 3, pero en el Diesel solo se presenta en el estado 2.
También se define la constante adimensional de calores específicos “k”, y representa la relación identificada respecto de las variables de calor específico a presión constate (Cp) y de calor específico a volumen constante (Cv):
\(k = \frac{{{C_p}}}{{{C_v}}}\)
Adicionalmente, en los ciclos Diesel se utiliza la relación de corte o cierre de admisión, la cual se calcula dividiendo el volumen máximo entre el volumen mínimo durante el proceso de adición de calor, es decir:
\({r_c} = {\left( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right)_{adici\’o n\;de\;calor}} = \frac{{{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)
Eficiencia de los motores de combustión interna mediante suposiciones de calores específicos constantes
En un ciclo de gas, se puede suponer en ocasiones que trabaja bajo suposiciones de calores específicos que no varían con la temperatura, también llamado aire frío estándar, (sin embargo en la práctica si existe variación), y bajo esta consideración, la eficiencia térmica de cada ciclo se determina con las siguientes expresiones:
Para el ciclo Otto
\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\)
El diagrama de la izquierda muestra el rango de valores característico de la relación de compresión para los motores de encendido por chispa. A la derecha se observa la variación de la eficiencia de un ciclo Otto en función de la relación de compresión (r), para diferentes valores de k.
Para el ciclo Diesel
\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\left[ {\frac{{{r_c}^k – 1}}{{k\left( {{r_c} – 1} \right)}}} \right]\)
Donde Cv es el calor específico del aire a volumen constante (Cv = 0.718 kJ/kg.K), y Cp el calor específico a presión constante, que para el aire en condiciones ambientales es Cp = 1.005 kJ/kg.K.
El diagrama muestra el rango típico de relación de compresión (r) para los motores Diesel, así como la variación de la eficiencia térmica del ciclo para diferentes valores de relaciones de corte de admisión (rc).
Trabajo publicado en: Ene., 2023.
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