Eficiencia térmica para ciclo diésel
Dado que el principio de Carnot establece que ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura, el motor Diesel debe tener una eficiencia menor que la eficiencia de Carnot. Un motor automotriz diesel típico opera con alrededor del 30% al 35% de eficiencia térmica. Aproximadamente 65-70% se rechaza como calor residual sin convertirse en trabajo útil, es decir, trabajo entregado a las ruedas. En general, los motores que usan el ciclo Diesel suelen ser más eficientes que los motores que usan el ciclo Otto. El motor diesel tiene la mayor eficiencia térmica de cualquier motor de combustión práctico. Motores diesel de baja velocidad(como se usa en los barcos) puede tener una eficiencia térmica que excede el 50% . El motor diésel más grande del mundo alcanza el 51,7%.
En general, la eficiencia térmica , η º , de cualquier motor de calor se define como la relación de la obra lo hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q H .
La eficiencia térmica , η th , representa la fracción de calor , Q H , que se convierte en trabajo . Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámica y la energía no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:
El calor absorbido ocurre durante la combustión de la mezcla de combustible y aire, cuando se produce la chispa, aproximadamente a un volumen constante. Dado que durante un proceso isocrórico no hay trabajo realizado por o sobre el sistema, la primera ley de la termodinámica dicta ∆U = ∆Q. Por lo tanto, el calor agregado y rechazado están dados por:
Q add = mc p (T 3 – T 2 )
Q out = mc v (T 4 – T 1 )
Sustituyendo estas expresiones por el calor agregado y rechazado en la expresión por rendimientos de eficiencia térmica:
Esta ecuación se puede reorganizar a la forma con la relación de compresión y la relación de corte. Eficiencia térmica para ciclo diésel:
dónde
- η Diesel es la máxima eficiencia térmica de un ciclo Diesel
- α es la relación de corte V 3 / V 2 (es decir, la relación de volúmenes al final y al inicio de la fase de combustión)
- CR es la relación de compresión
- κ = c p / c v = 1.4
Es una conclusión muy útil, porque es deseable lograr una alta relación de compresión para extraer más energía mecánica de una masa dada del combustible. Como hemos concluido en la sección anterior, la eficiencia térmica del ciclo Otto estándar de aire también es una función de la relación de compresión y κ.
Cuando los comparamos con las fórmulas, se puede ver que para una relación de compresión (CR) dada, el ciclo Otto será más eficiente que el ciclo Diesel. Pero los motores diésel suelen ser más eficientes, ya que pueden funcionar a relaciones de compresión más altas.
En los motores Otto comunes, la relación de compresión tiene sus límites. La relación de compresión en un motor de gasolina generalmente no será mucho mayor que 10: 1. Las relaciones de compresión más altas harán que los motores de gasolina estén sujetos a golpes de motor, causados por la autoignición de una mezcla no quemada, si se usa combustible con menor octanaje. En los motores diesel hay un riesgo mínimo de autoignición del combustible, porque los motores diesel son motores de encendido por compresión y no hay combustible en el cilindro al comienzo de la carrera de compresión.
Ver también: Ciclo diésel: problema con la solución
Ver también: relación de compresión
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