El cicle dièsel teòric és un procés termodinàmic que descriu el funcionament dels motors dièsel, que són comuns a vehicles de transport, generadors d'energia i maquinària industrial.
El cicle teòric d'un motor tèrmic és una aproximació teòrica del seu funcionament per calcular-ne el rendiment i es constitueix mitjançant les transformacions físiques i químiques que pateix el combustible durant el pas per dins del motor.
L'estudi d'un cicle real tenint en compte totes les nombroses variables representa un problema molt complex. Per això, correntment se simplifica recorrent a aproximacions teòriques, basades en diferents suposicions simplificades.
Etapes del cicle dièsel
Aquest cicle es compon de quatre etapes principals: admissió, compressió, combustió i fuita. Aquí teniu una explicació detallada de cadascuna d'aquestes etapes:
Admissió
En aquesta primera etapa, el pistó es troba a la part superior del recorregut i el cilindre del motor s'omple d'aire a pressió atmosfèrica. Les vàlvules d'admissió s'obren, permetent que l'aire entri al cilindre.
Als motors dièsel, l'aire és l'únic fluid que s'introdueix en aquesta etapa, a diferència dels motors de benzina, on es barreja aire i combustible des del principi.
Compressió
Quan el cilindre és ple d'aire, el pistó comença a baixar i comprimeix l'aire. Durant aquesta etapa, la temperatura i la pressió de l'aire augmenten significativament degut a la compressió.
La pressió elevada fa que l'aire arribi a temperatures molt altes en preparació per a la combustió d'acord amb la llei dels gasos.
Combustió
A la tercera etapa, quan el pistó es troba a la part superior del seu recorregut de compressió, s'injecta combustible dièsel al cilindre. L'aire calent i comprimit fa que el combustible s'encengui espontàniament a causa de l'alta temperatura, sense necessitat d'una espurna com als motors de benzina.
Aquesta combustió sobtada crea una explosió que empeny el pistó cap avall amb força. És aquesta expansió de gasos la que genera l'energia mecànica utilitzada per impulsar el vehicle o fer una feina útil, com ara generar electricitat en un generador.
Escape
Finalment, després de la combustió, el pistó s'enlaira novament, empenyent els gasos d'escapament resultants fora del cilindre a través de les vàlvules d'escapament. Aquests gasos surten a l'ambient o són dirigits a través d'un sistema de fuita per reduir les emissions i el soroll.
Diagrama del cicle teòric del motor dièsel
El cicle teòric del motor dièsel es representa comunament en un diagrama anomenat "Diagrama de Pressió-Volum" o "Diagrama PV". Aquest diagrama mostra com varien la pressió i el volum dins del cilindre del motor durant les quatre etapes del cicle dièsel.
Com es veu a Com podem observar a la figura, el cicle dièsel ideal està format per quatre línies tèrmiques que representa:
Compressió adiabàtica (1-2)
L'etapa de compressió es realitza sense intercanvi de calor, el pistó s'eleva, reduint el volum al cilindre. Durant aquest procés, la pressió i la temperatura de lʻaire augmenten significativament. Això es mostra al diagrama com una línia corba que va del punt 1 al punt 2, que representa la compressió adiabàtica.
Admissió a pressió constant (2-3)
El pistó es troba a la part superior del recorregut (punt 2). Durant l'admissió, les vàlvules d'admissió estan obertes i el pistó baixa, cosa que augmenta el volum al cilindre i permet que entri aire a pressió atmosfèrica. Això es representa al diagrama com una línia horitzontal que va del punt 2 al punt 3 que representa l'entrada d'aire a pressió constant (isobàrica) mentre el volum augmenta.
Expansió adiabàtica a la combustió (3-4)
En aquesta etapa es fa sense intercanvi de calor; s'hi injecta el combustible dièsel al cilindre i s'encén a causa de l'alta temperatura i pressió de l'aire comprimit. Durant aquesta etapa, la pressió augmenta dramàticament a mesura que el combustible es crema i els gasos s'expandeixen. Al diagrama, això es representa com una línia descendent des del punt 3 fins al punt 4.
Expulsió de la calor a volum constant (4-1)
L'última etapa és la fuita, en què els gasos de combustió s'expulsen del cilindre quan el pistó es mou novament cap amunt. Això es mostra com una línia horitzontal que representa l'eliminació dels gasos d'escapament mentre el volum torna a augmentar (des del punt 4 fins al punt 1).
Rendiment teòric del cicle dièsel
Durant la transformació 2-3 d'introducció de la calor Q1 a pressió constant, el pistó entra en funcionament, i per tant, el fluid produeix la feina:
Per tant, l'equació de l'energia sense flux es converteix en
i l'entalpia h del fluid està donada per l'expressió
L'equació es transforma en
Per ser el fluid un gas perfecte, podem fer servir, per a la seva variació d'entalpia a pressió constant, l'expressió
Després, la calor introduïda tindrà el valor següent:
Cal ressaltar que en una transformació amb introducció de calor a pressió constant varia el valor de l'entalpia del fluid actiu, mentre que en el cas de la transformació a volum constant varia el de l'energia interna del fluid. Com que la sostracció de la calor Q2 es realitza com al cicle Otto, podem escriure:
Q 2 =U 4 -U 1
i com que el fluid és un gas perfecte i el cicle és ideal:
Q 2 =C v (T 4 -T 1 ).
Per tant, el rendiment tèrmic ideal del cicle dièsel teòric val:
h e = (calor subministrada – calor sostreta)/ calor subministrada
expressió del tot anàloga a la trobada per al rendiment ideal del cicle teòric Otto.
Per a la transformació 2-3 de combustió a pressió constant tenim:
Per a les transformacions adiabàtiques 1-2 de compressió i 3-4 d'expansió es té, respectivament:
d'on:
i com que són V 4 =V 1 i T 3 /T 2 =V 3 /V 2 , es pot escriure:
Substituint aquesta expressió en la del rendiment tèrmic ideal, resulta:
indicant amb t' la relació entre els volums V3 i V2 al final i al començament, respectivament, de la fase de combustió a pressió constant, a la qual donarem el nom de “relació de combustió a pressió constant”, i recordant que
obtenim, finalment, l'expressió del rendiment tèrmic ideal del cicle teòric dièsel :
En aquesta expressió veiem que he estat, per al cicle dièsel, funció de la relació de compressió, de la relació de combustió a pressió constant i la relació k entre les calors específiques.
Les expressions dels rendiments tèrmics dels cicles Otto i dièsel difereixen només pel terme entre parèntesis, que sempre és més gran que 1, i, per això, apareix clar que a igualtat de relació de compressió he és més gran per al cicle Otto que per a el cicle dièsel. Reduint t', és a dir, la calor introduïda a pressió constant, el rendiment he del cicle dièsel s'aproxima al del cicle Otto, amb el qual coincideix per a t'=1.