El Rendimiento Térmico en Motores Diésel es objeto de estudio desde la invención del propio motor. En este artículo analizaremos el ciclo Diésel desde un punto de vista termodinámico con un punto específico dedicado a la teoría de la turbocompresión.


Motor de Encendido por Combustión. Rendimiento Térmico en Motores Diésel

En un MEC (Motor Encendido por Compresión) [Ciclo Diésel], a diferencia de un MEP (Motor Encendido Provocado) [Ciclo Otto], la combustión no se produce gracias a la chispa ocasionada por una bujía. En este caso, se aprovecha el calentamiento del aire en la cámara de combustión (cilindro) durante la carrera de compresión para inyectar gasóleo (o similares), dando como resultado el fenómeno de autoignición de éste (en torno a los 260ºC).

Para saber más: Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA)

Si lo que buscas es un buen libro donde ampliar conocimientos, el autor recomienda «TERMODINAMICA» del autor Yunus Cengel.

 

Analizaremos «termodinámicamente» los 4 ciclos que tienen lugar en este motor.

    1. Compresión

El pistón, estando en su PMI (Punto Muerto Inferior) comienza a ascender comprimiendo el aire del interior del cilindro, elevando con ello, el estado termodinámico (↑Temperatura → ↑Entalpía) del sistema de acuerdo a la Ley de Charles.

Ley de Charles

Ley de Charles

Es un aporte de trabajo del sistema hacia el fluido. Consideraremos, dada la velocidad con la que sucede, un proceso adiabático (sin intercambio de calor con el exterior) e internamente reversible, por tanto, isentrópico. En condiciones reales existirán irreversibilidades, por ejemplo, la fricción. Se denota en las siguientes líneas como el proceso 1 a 2

    1. Combustión

El proceso 2 a 3 es el aporte de calor a presión constante (isóbaro) a diferencia de los motores Otto, en cuyo caso es a volumen constante (isócoro) debido a la rapidez con la que concluye este proceso en relación a los Diésel. Se inyecta el combustible cuando el pistón se encuentra en su PMS (Punto Muerto Superior) hasta unos instantes después de que éste haya comenzado su carrera de descenso.

                Consideraciones a tener en cuenta:

La modelización de este ciclo, y en especial de este tiempo, conlleva una serie de suposiciones que podrían denotar una comprensión lectora equívoca por parte del lector.

Realmente, la inyección se produce algunos instantes antes de que el pistón alcance su PMS (debemos de tener en cuenta que el combustible no es más que un fluido con una viscosidad y una inercia térmica que podrían retrasar la combustión).

    1. Expansión

Denotada por el proceso 3 a 4 en las líneas que siguen, de nuevo se asemeja, dada su alta velocidad, a un proceso isentrópico, concluyendo con la misma idea que en las líneas escritas anteriormente.

El pistón baja hasta su PMI. Se genera potencia.

    1. Escape – Admisión

No hay consideraciones termodinámicas importantes en este tiempo. Decir únicamente que, en este caso, supondremos un enfriamiento del aire saliente para ‘reutilizarlo’ nuevamente en el tiempo de admisión (cesión de calor) debido a que es la misma masa de aire saliente la que vuelve a entrar. En este tiempo, se suceden la apertura y cierre de la válvula de escape así como la de admisión.

Procesos Ciclo Diessel

Procesos Ciclo Diessel


Análisis Termodinámico del Rendimiento Térmico en Motores Diésel

La expresión del rendimiento para una máquina térmica viene dada por:

Formula de Rendimiento de una máquina térmica

 

 

Siendo  Q los calores, ‘in’ entrante o suministrado y ‘out’ el saliente o cedido.

Dicha expresión, en función de los calores específicos y temperaturas, sabiendo que

Fórmula del Calor en Calores Específicos Constantes

Siendo h las entalpías entre los estados final e inicial, Cp,v el calor específico del aire a presión o volumen constante (suministro o cesión de calor) y  la T temperatura, nuevamente entre los estados final e inicial.

Sustituyendo la ecuación 2 en 1:

Formula de Rendimiento de una máquina térmica (Calores esp. const.)

Reorganizando:

Formula de Rendimiento de una máquina térmica (Calores esp. const.) Reorganizada

Analizando cada tiempo, se obtiene que:

Para la Compresión Adiabática 1 a 2:

Formula para la compresión adiabática

Para la Expansión Adiabática 3 a 4:

Formula para la expansión adiabatica

Por tanto, y de forma análoga a la expresión de la ecuación 4:

Para el proceso de renovación 4 a 1, los volúmenes permanecen constantes y que se obtiene que:

Y, sustituyendo en la ecuación 4:

Rendimiento maquina térmica diesel

Para simplificar, definiremos  Relación de Combustión denotando rc como la relación de combustión a presión constante.

De forma análoga, definiremos Relación de Compresión como la relación de compresión, a veces denotada como simplemente ‘r’.

 

Por tanto, obtenemos la siguiente expresión que relaciona la eficiencia térmica de un motor diésel (de forma teórica).

Rendimiento térmico de un ciclo Diesel


Diagráma P-V Ciclo Diesel Teórico

Diagráma P-V Ciclo Diesel Teórico


Teoría de la Turbocompresión. 

Una vez definido el comportamiento termodinámico (a grandes rasgos) del motor, vamos a ver cómo podemos optimizar su eficiencia; vital en los tiempos que actualmente corren.

Hemos visto que el rendimiento térmico en motores Diésel, es directamente proporcional a la relación de presiones. Dicho de otro modo, cuanta mayor sea la diferencia entre las presiones en las que opere el ciclo, mejor aprovechamiento del combustible tendremos: generaremos mayor potencia con el mismo gasto de combustible o, por el contrario, generaremos la misma potencia con un consumo menor.

Entran en juego los dispositivos de sobre/turboalimentación.

Puesto que estamos en el sector naval y queremos que toda la potencia (o al menos la mayor parte de ésta), se centre en hacer girar una hélice (o similares), obviaremos los dispositivos supercargadores y nos centraremos en los turbocompresores.

La idea de turbocompresor, simplemente llamado ‘turbo’, viene del aprovechamiento de los inútiles gases de escape, que, aun con energía, se vierten a la atmósfera. La idea es simple: una turbina ‘capta’ el trabajo de estos gases de escape para accionar un compresor centrífugo. El compresor aumenta la presión del aire de entrada (menor volumen, misma masa) para enviarla a los cilindros.

Sin embargo, durante el proceso de compresión, y siguiendo las leyes Termodinámicas, ocurre  un aumento de la temperatura del mismo. Cabe pensar que esto sería óptimo para el correcto desempeño del funcionamiento del motor, sin embargo, no es más que una idea muy equívoca.

Como ya sabemos, al aumentar la temperatura por el fenómeno de compresión sin cesión de calor al entorno, la densidad del aire disminuye. Esto implica un decremento en la cantidad de masa de aire (digamos oxígeno) por unidad de volumen, por lo que estaríamos disminuyendo la eficiencia volumétrica del motor y, por tanto, la potencia que éste es capaz de suministrar.

Se procede entonces a intercalar entre el compresor y la admisión un intercambiador de calor, generalmente aire-aire, aunque también aire-agua, permitiendo enfriar isobáricamente el aire comprimido hasta una temperatura cercana a la de ambiente. Este intercambiador es denominado ‘Aftercooler’.

Sin embargo, el ratio de compresión permitido, está restringido a la capacidad de expansión que tenga la turbina; dicho de otro modo, al salto entálpico existente entre la entrada y la salida de ésta. Recordemos que, al comprimir un gas, se varía su volumen específico, necesitando un trabajo para tal fin. Cabe preguntarse cómo es posible incrementar más la capacidad de compresión que tenga el circuito de admisión de un motor. Dicho de otro modo, qué proceso consume menos energía.

Procesos de Compresión

Para ello vamos a representar en un diagrama P-V cuatro procesos distintos para comprimir un gas, explicando cómo se suceden cada uno.

Diarama P-V de diferentes procesos de compresión

Proceso Isotermo «a»

La curva 1-2a, hace referencia a un proceso isotermo; es decir, una curva en la que el gas (aire) no cambia su temperatura (permanece constante) modificando su volumen y su presión. En la vida real, esto es un proceso físicamente imposible: se necesitaría un sistema de refrigeración perfecto, es decir, un sistema que fuera capaz de extraer todo el calor generado durante el proceso de compresión a la velocidad a la que esto ocurre

Proceso Adiabático «b»

La curva 1-2b, se refiere a una compresión adiabática. El término adiabático, proviene del griego “adiabatos”, que significa impasable. Se refiere por tanto a un sistema en el cual no hay transferencia de calor con el entorno, nuevamente, condición imposible puesto que, incluso el material más aislante, permite cierta transferencia de calor con el entorno para un intervalo de tiempo lo suficientemente grande.

Proceso Politrópico «c»

La curva 1-2c, hace referencia a un proceso politrópico, que sigue la relación , pudiendo n tomar los valores, relacionándose con los procesos ideales:

  • n=0, proceso isobárico.
  • n=1, proceso isotermo
  • n= γ, con , siendo el exponente adiabático, por tanto, un proceso isentrópico
  • n=∞, proceso isocórico (volumen constante)
  • Cualquier valor de n entre 0 y ∞

Es, por tanto, un proceso en el que existirá un intercambio de energía entre el interior y el exterior del sistema, siendo el proceso que engloba a los anteriores descritos, de ahí su nombre.

Volviendo a nuestro motor, como habíamos dicho anteriormente, es deseable que el proceso de compresión, requiera del menor trabajo posible. Gráficamente, el trabajo se representa como el área existente entre el eje P (presión) y la curva correspondiente.

compresión politropica

Vamos a centrarnos en un proceso de compresión politrópico en el que exista un enfriamiento intermedio hasta temperatura ambiente. Observamos una reducción significativa del área (trabajo) en relación a una compresión sin enfriamiento para el mismo intervalo de presiones. Generalmente, el valor al que se hace el interenfriamiento viene computado dada la optimización de la potencia de compresión entre los estados 1 a 2:

Matemáticamente, de hacer un balance de materia y energía, obtenemos la siguiente expresión para flujo estable y estacionario (por unidad de masa):

balance de materia y energía del proceso politrópico

Generalizando:

Entonces, para conseguir relaciones de compresión más altas garantizando un menor trabajo, se procede a una compresión multietapa con enfriamiento intermedio, es decir, ‘dividir’ el circuito de admisión, de forma que procedemos a una primera compresión, en un compresor de baja, seguido de un enfriamiento a presión constante en un intercooler (interenfriador) para posteriormente, comprimirla hasta el valor final deseado. Nuevamente, se procede a un enfriamiento (aftercooler) para evitar el fenómeno explicado anteriormente.


Circuito de Alimentación de Aire en un Motor Man 18VP185. Caso Práctico

Observamos el circuito de alimentación de aire de un motor MAN 18VP185 de la siguiente imagen, situémonos en el filtro.

circuito de alimentación de aire en un motor

  1. El aire es filtrado en los correspondientes filtros de aire (x4)
  2. Se comprime en un compresor de baja presión (x4), accionado por una turbina de baja presión (x4) alimentada por los gases de escape de la turbina de alta presión (x2).
  3. Se refrigera en el intercooler (x2).
  4. Vuelve a comprimirse en un compresor, esta vez de alta presión (x2), accionado por la turbina de alta presión (x2)
  5. Vuelve a refrigerarse. En el aftercooler.
  6. Se completa el ciclo Diésel.
  7. Los gases de escape de An y Bn accionan las turbinas de alta presión.
  8. Una vez abandonadas dichas turbinas, la entalpía residual, se utiliza para generar potencia en las turbinas de baja para accionar los compresores de baja.
  9. A escapes.

Bibliografía

  • Figura 1, cortesía de dieselengineregistry.wordpress.com
  • Figura 2, © 2017mechanicalbooster.com
  • Figura 3, textoscientificos.com
  • Figura 4, chegg.com
  • Circuito de Alimentación http://www.paxmanhistory.org.uk
  • CAMPUS TECNOLÓGICO DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA. tecnun.es
  • Departamento de Física Aplicada III, Universidad de Sevilla, http://laplace.us.es
  • Departamento de Ingeniería Térmica Universidad de Cádiz, Campus de Algeciras
  • Conocimientos propios de Rendimiento Térmico en Motores Diésel

Autor: Adrián Lara Gonzalez

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Análisis y Rendimiento Térmico en Motores Diésel. Teoría de la Turbocompresión
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