El motor Diesel
La rápida compresión de un medio origina un aumento de su energía interna y de su temperatura. En 1892 el alemán Diesel propuso la compresión del aire solo hasta alcanzar una temperatura suficientemente elevada para llegar al encendido del combustible al inyectar éste el final de la carrera de compresión. Propuso coordinar el caudal en masa inyectado con el movimiento del pistón para que el calor de combustión se liberase a una temperatura máxima constante. Así, el proceso original se diseñó para que se aproximara al ciclo motor de Carnot tanto como fuera posible. Sin embargo por limitaciones económica y de otra índole, se ha llegado a un proceso de combustión aproximadamente a presión constante para los grandes motores Diesel de baja velocidad. El motor moderno Diesel del alta velocidad tiene un proceso de combustión comprendido entre el del motor de Otto y el motor diesel de baja velocidad. El proceso puede suponerse como una combustión a volumen constante hasta que llega a una presión límite, y luego como una combustión a presión constante hasta el final del proceso (este motor se conoce como motor Dual o Diesel de presión limitada).
Las principales diferencias entre los motores de Otto y de Diesel son:
a- El combustible se mezcla con aire al final de la compresión en el Diesel y durante la admisión en el motor de Otto.
b- En el Diesel se emplea una mayor compresión que en el motor de Otto.
c- El motor de Otto necesita una fuente de encendido; el motor Diesel, no.
Análisis del ciclo normal de aire
El análisis preciso de los procesos de los motores de combustión es un problema muy complejo, razón por la cual se han introducido hipótesis simplificativas, que conducen al análisis del ciclo normal de aire. Este análisis implica que el medio es aire y que durante el ciclo no tienen lugar reacciones químicas. El calor se transfiere desde el aire a un medio más frío, durante el ciclo. Se supone además que las pérdidas debidas a la transferencia de calor desde el aparato hacia la atmósfera son nulas.
Ciclos de Motores de Pistón
Ciclo de Otto
El aire se comprime adiabática y reversiblemente de A a B. Durante el proceso de calentamiento a volumen constante de B a C se añade calor al aire. La expansión adiabática reversible tiene lugar de C a D, y el aire se enfría de D a A, retornando a sus condiciones iniciales.
Figura 1
El ciclo de Brayton
El motor de Brayton requiere dos cilindros, uno para la compresión y otro para la expansión. El aire o la mezcla combustible se introduce en el compresor de E a A, se comprime adiabáticamente y reversiblemente de A a B y se descarga de B a F. El aire o la mezcla combustible comprimidos se introducen en el cilindro de expansión y tiene lugar la combustión a presión constante aumentando el volumen de Vb a Vc. La expansión adiabática reversible completa de C a D se realiza en el mismo cilindro, y los productos se expulsan de D a E. En el análisis del ciclo normal de aire se considera únicamente el ciclo ABCDA, es decir se utiliza un solo cilindro, añadiendo y extrayendo calor del aire al cilindro.
Figura 2
Ciclo Diesel
Combustión a presión constante
El aire se comprime adiabáticamente de A a B en el ciclo Diesel normal de aire. El calor se añade a presión constante de B a C. De C a D tiene lugar la expansión adiabática y reversible, se extrae parte del calor de D a A, con lo que el aire queda en las condiciones iniciales. El rendimiento del ciclo Diesel normal de aire depende de la relación de compresión, que determina TB para una TA, y el calor añadido, que determina Tc y TD. Esto aumenta la relación de expansión efectiva y el rendimiento. El calor añadido en la parte final del proceso a presión constante, de B a C, se añade a las temperaturas más altas. No obstante, disminuye de B a C, ya que la relación de expansión efectiva es mínima en el punto C.
Figura 3
Ciclo Diesel a presión limitada o Ciclo Dual
En este ciclo el aire se comprime adiabática y reversiblemente de A a B. Parte del calor se comunica a volumen constante de B a C, y el resto a presión constante de C a D. La expansión adiabática reversible tiene lugar de D a E, y el calor se extrae a volumen constante de E a A, con lo que el aire queda en las condiciones iniciales.
El calor añadido en el proceso a volumen constante, BC es
Q en = nCv (Tc-TB)
El calor añadido a lo largo del proceso a presión constaste CD es
Q en = nCp (TD-TB)
Total Q en = n (Cv(TC-TB)+Cp(TD-Tc))
El calor extraído a lo largo del proceso a volumen constante de E a A, es Q sal = n Cv(TE-TA)
Rendimiento térmico = (Q en - Q sal) / Q en
Figura 4
Procesos de combustión, disociación e ionización
Reacción Química
Las reacciones químicas se producen entre varias sustancias y tienen como resultado la liberación o absorción de energía. La reacción más corriente para la liberación de energía es la de un combustible con el oxígeno del aire y se denomina proceso de combustión u oxidación. La energía liberada se debe al cambio en la estructura electrónica de las moléculas del combustible y del oxígeno. La mayor parte del los combustibles y oxidantes o agentes de reacción no suelen mezclarse antes de entrar en la cámara de combustión o reacción debido al peligro que originaría un encendido accidental o espontáneo.
Aire
El análisis volumétrico del aire seco da oxígeno y nitrógeno y pequeñas cantidades de otros siete gases. De estos siete gases el argón y el dióxido de carbono son los más importantes. La atmósfera contiene siempre vapor de agua y el contenido de este constituyente puede determinarse mediante temperaturas húmeda y seca del psicrómetro. La cantidad de vapor de agua en el aire puede incluirse en un análisis de combustión sumándola a ambos lados de la reacción. El método puede emplearse para cualquier presión barométrica.
Si todas las sustancias de una reacción están a la misma presión y temperatura y son gases ideales, los moles representan los volúmenes relativos. La suma de las masas de los constituyentes de la mezcla siempre es igual a la suma de las masa de los productos de combustión, mientras que los moles y volúmenes de la mezcla y los productos son normalmente diferentes. Pueden producirse reacciones con más oxígeno o aire que el necesario para completar la combustión. En este caso el exceso de O2 o aire se incluye en ambos miembros de la reacción. Las reacciones con menos oxígeno o aire del necesario para completar la combustión producen CO, H2 y CH4, además de los productos de combustión completa. Los productos para tales reacciones pueden determinarse aplicando los principios de equilibrio químico. Temperaturas de combustión completa. La temperatura máxima en el proceso de combustión se alcanzará con un proceso de combustión completa, adiabático y a volumen constante, suponiendo que no hay otra energía que la de reacción. Toda la energía química de la reacción y la energía interna de la mezcla aparece como energía interna de los productos de combustión, que indica la temperatura final y máxima del proceso. Si se suministra trabajo a los medios o se suma otra forma de energía durante el proceso de combustión, se incrementará la energía de los productos en una cuantía igual. El proceso de combustión a presión constante cede trabajo durante la reacción y se traduce en una temperatura final más baja que la obtenida en el proceso a volumen constante.
Equilibrio químico
Las temperaturas máximas alcanzadas en los procesos de combustión son apreciablemente más bajas que las basadas en la combustión completa, debido a las pérdidas de calor y a la disociación de los productos de combustión. Una disociación importante ocurre a temperaturas elevadas, y está acompañada una absorción de energía interna, que se trasforma en energía química. Por lo tanto los productos tendrán energía química asociada con ellos, y la energía química neta liberada aparece como energía interna o entalpía de los productos u como pérdidas de calor u otros efectos de energía. Los combustibles hidrocarburos producen al quemarse CO2 y H2O que aparecen en los productos, junto con el N2 y otros gases se usa aire como agente oxidante. La disociación lleva consigo la formación de importantes cantidades de CO, H2 y O2, de acuerdo con las reacciones reversibles siguientes:
Otros agentes como N, O, H, OH, NO, y C pueden formarse por disociación posterior y combinación de distintos constituyentes. La combinación de los distintos constituyentes en los productos de combustión y la disociación de los productos se supone que ocurren simultáneamente en distintas partes de la mezcla en condiciones de equilibrio químico, pero el resultado neto de los procesos de combinación es exactamente equivalente a los procesos de disociación si la temperatura permanece constante.
Análisis de los procesos de los motores de combustión
Motores de pistón o alternativos
Análisis Ideal
El análisis del aire normal está basado en hipótesis idealizadas, alejadas de la realidad. Los procesos reales en los motores de combustión están relacionados con el combustible, aire u oxígeno, u otros reactivos y con los productos de combustión o reacción. La reacción química tiene lugar en la cámara de combustión del pistón, resultando como productos de la combustión principalmente CO2, H2O y N2. El valor variable del calor específico y el equilibrio químico impiden que se alcancen las altas temperaturas y presiones indicadas en el análisis del ciclo de aire normal. Los productos de combustión son expulsados del motor en condiciones considerablemente diferentes a las del aire y del combustible a la entrada.
La temperatura y presión de los productos que salen del motor alcanzan en seguida las del aire ambiente. Puesto que los productos no pueden ser transformados en aire y combustible en el motor o un aparato auxiliar, el proceso del motor de combustión no puede ser considerado como un ciclo, independientemente del aparato empleado, es decir, el mecanismo puede recorrer un ciclo, pero el medio de trabajo no. En todo análisis teórico se supone que no hay intercambio de calor con el medio, ni pérdida en el fluido por fricción. Las válvulas de un motor de pistón se supone que se abren y cierran en el punto muerto. El análisis, en el supuesto de la no transferencia de calor, ni de la fricción del fluido, da un rendimiento máximo alcanzable, y sirve de base de comparación para los rendimientos de los motores reales, los cuales pueden aproximarse, pero nunca alcanzar el caso ideal establecido por este análisis.
Proceso del Motor Diesel con combustión a presión limitada
Los motores de encendido por compresión de gran velocidad tienen un proceso de combustión que se aproxima al del volumen constante usado en el análisis del motor de Otto. A causa de la elevada relación de compresión para los motores de encendido por compresión, la máxima presión con combustión a volumen constante sería demasiado alta. Por lo tanto para los motores de alta velocidad, el proceso de combustión a presión limitada es el ideal, estando la máxima presión limitada por un proceso de combustión a volumen constante hasta que se alcanza la presión límite, y manteniéndola luego constante hasta el final del proceso. El motor diesel comprime el aire y los gases el espacio muerto, inyectando entonces combustible líquido en dichos gases comprimidos. La combustión se inicia por la elevada temperatura de los gases y se supone en el proceso ideal que el combustible se quema a presión constante.
Combustión a volumen constante
Se supone que la combustión tiene lugar a volumen constante al final de la compresión ideal. Al principio de la combustión la mezcla tiene la energía química del combustible y del oxígeno y la energía interna del aire, del combustible y de los gases del espacio muerto. Al final del proceso, los productos disociados indican energía química y todos los productos tienen energía interna.
Combustión a presión limitada
En este proceso se supone que la combustión al principio se efectúa a volumen constante hasta que se alcanza la presión límite y después a presión constante hasta el final de la combustión. La primera parte se realiza con un apreciable exceso de aire y la temperatura alcanzada no es suficiente para producir disociación en un caso ideal suponiendo la mezcla homogénea. No obstante, el final del proceso de combustión a presión constante, aún con apreciable exceso de aire, habrá disociación y puede hallarse la solución del estado final mediante el uso del diagrama de combustión correspondiente. El rendimiento del proceso Diesel a presión limitada o motor Dual es mayor que el del proceso Diesel de combustión a presión constante, debido a la parte del proceso de combustión a volumen constante.
Figura 5
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