EL CICLO DIESEL

Los motores diésel emplean un funcionamiento ligeramente diferente a aquellos que emplean la gasolina como combustible, siendo considerados además como “de mayor durabilidad” por no requerir tanto mantenimiento o recambio en sus piezas.

Pueden funcionar tanto a dos como a cuatro tiempos, pero los de dos tiempos son de mayores dimensiones por lo que son descartados generalmente en el mundo de los automóviles.

 

DESCRIPCIÓN ELEMENTAL DE LOS CUATRO TIEMPOS

El primer tiempo, como en todo motor, es el de la admisión, con la apertura de la válvula de admisión y la entrada del aire al sistema.
 
El segundo tiempo está dado por la compresión, cuando el émbolo alcanza el Punto Muerto Inferior, la váluva de admisión se cierra al igual que la del escape, y éste comienza su carrera ascendente hacia el Punto Muerto Superior.
 
El tercer tiempo es el de la combustión, que comienza cuando el émbolo alcanza el PMS y el combustible (gasóleo) se inyecta a través del inyector, comenzando su ignición por las altas temperaturas generadas en la compresión del aire.
 
Esta combustión genera que el embolo sea empujado hacia el PMI, y es allí donde se genera el trabajo que le dará el movimiento al motor.
 
El cuarto tiempo es el del escape, cuando se inicia el descenso del émbolo y la válvula de escape se abredejando salir a los gases provenientes de la combustión.
 

ESTUDIO DETALLADO DEL CICLO DIESEL

 
El ciclo del motor diésel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovado de la masa y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores.

Consta de las siguientes fases:

  • Compresión, proceso 1-2: es un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica). Viene a simbolizar el proceso de compresión de la masa fresca en el motor real, en el que en el pistón, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico del fluido, aumentando su presión, su temperatura y disminuyendo su volumen específico, en virtud del efecto adiabático. En la idealización, el proceso viene gobernado por la ecuación de la isentrópica  , con k índice de politropicidad isentrópico.
  • Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, se simplifica por un proceso isóbaro. Sin embargo, la combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del PMS (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia térmica de los fluidos), se inicia la inyección del combustible (en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente autoinflamable y poco volátil). El inyector pulveriza y perliza el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se autoinflaman y dan comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Diesel rápido, en el que se simboliza como una compresión isócora al final de la compresión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más sólo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la combustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha de interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso isóbaro reversible.
  • Expansión, proceso 3-4: se simplifica por una expansión isentrópica del fluido termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos, sólo en esta carrera, en la de expansión, se produce un trabajo.
  • Última etapa, proceso 4-1: esta etapa es un proceso isocóricodesde la presión final de expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un significado físico a esta etapa, y la asocian el renovado de la carga, pues, razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras que preceden a la compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a volumen específico constante.
Es importante notar cómo, en el ciclo Diesel, no se deben confundir nunca los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo idealiza, que sólo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y la de expansión; el proceso de renovado de la carga cae fuera de los procesos del ciclo Diesel, y ni tan siquiera es un proceso termodinámico en el sentido estricto.

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