Le cycle théorique du diesel est un processus thermodynamique qui décrit le fonctionnement des moteurs diesel, courants dans les véhicules de transport, les groupes électrogènes et les machines industrielles.
Le cycle théorique d'un moteur thermique est une approximation théorique de son fonctionnement pour calculer ses performances et est constitué par les transformations physiques et chimiques que subit le carburant lors de son passage dans le moteur.
L'étude d'un cycle réel prenant en compte toutes les nombreuses variables représente un problème très complexe. Elle est donc actuellement simplifiée en recourant à des approches théoriques, basées sur différentes hypothèses simplifiées.
Étapes du cycle diesel
Ce cycle est composé de quatre étapes principales : admission, compression, combustion et échappement. Voici une explication détaillée de chacune de ces étapes :
Admission
Dans cette première étape, le piston est en haut de sa course et le cylindre du moteur est rempli d'air à pression atmosphérique. Les soupapes d'admission s'ouvrent, permettant à l'air de pénétrer dans le cylindre.
Dans les moteurs diesel, l’air est le seul fluide introduit à cette étape, contrairement aux moteurs essence, où l’air et le carburant sont mélangés dès le départ.
Compression
Une fois le cylindre rempli d’air, le piston commence à descendre et comprime l’air. Durant cette étape, la température et la pression de l’air augmentent considérablement en raison de la compression.
La pression élevée amène l’air à atteindre des températures très élevées en vue de la combustion selon la loi des gaz.
La combustion
Dans la troisième étape, lorsque le piston atteint le sommet de sa course de compression, du carburant diesel est injecté dans le cylindre. L'air comprimé chaud provoque l'inflammation spontanée du carburant en raison de la température élevée, sans qu'il soit nécessaire de produire une étincelle comme dans les moteurs à essence.
Cette combustion soudaine crée une explosion qui pousse le piston vers le bas avec force. C'est cette expansion des gaz qui génère l'énergie mécanique utilisée pour propulser le véhicule ou effectuer un travail utile, comme produire de l'électricité dans un générateur.
Échappement
Enfin, après la combustion, le piston remonte, poussant les gaz d'échappement résultants hors du cylindre à travers les soupapes d'échappement. Ces gaz s'échappent dans l'environnement ou sont dirigés vers un système d'échappement pour réduire les émissions et le bruit.
Diagramme du cycle théorique du moteur diesel
Le cycle théorique du moteur diesel est communément représenté dans un diagramme appelé « Diagramme Pression-Volume » ou « Diagramme PV ». Ce diagramme montre comment la pression et le volume dans le cylindre du moteur varient au cours des quatre étapes du cycle diesel.
Comme le montre Com on peut le voir sur la figure, le cycle diesel idéal est composé de quatre lignes thermiques qui représentent :
Compression adiabatique (1-2)
La etapa de compresión se realiza sin intercambio de calor, el pistón se eleva, reduciendo el volumen en el cilindro. Durante este proceso, la presión y la temperatura del aire aumentan significativamente. Esto se muestra en el diagrama como una línea curva que va del punto 1 al punto 2, que representa la compresión adiabática.
Admisión a presión constante (2-3)
El pistón se encuentra en la parte superior de su recorrido (punto 2). Durante la admisión, las válvulas de admisión están abiertas y el pistón desciende, lo que aumenta el volumen en el cilindro y permite que entre aire a presión atmosférica. Esto se representa en el diagrama como una línea horizontal que va del punto 2 al punto 3 que representa la entrada de aire a presión constante (isobárica) mientras el volumen aumenta.
Expansión adiabática en la combustión (3-4)
En esta etapa se realiza sin intercambio de calor; en ella se inyecta el combustible diésel en el cilindro y se enciende debido a la alta temperatura y presión del aire comprimido. Durante esta etapa, la presión aumenta dramáticamente a medida que el combustible se quema y los gases se expanden. En el diagrama, esto se representa como una línea descendente desde el punto 3 hasta el punto 4.
Expulsión del calor a volumen constante (4-1)
La última etapa es el escape, en la que los gases de combustión se expulsan del cilindro cuando el pistón se mueve nuevamente hacia arriba. Esto se muestra como una línea horizontal que representa la eliminación de los gases de escape mientras el volumen aumenta de nuevo (desde el punto 4 hasta el punto 1).
Rendimiento teórico del ciclo diésel
Durante la transformación 2-3 de introducción del calor Q1 a presión constante, el pistón entra en funcionamiento, y por tanto, el fluido produce el trabajo:
Por consiguiente, la ecuación de la energía sin flujo se convierte en
y la entalpía h del fluido está dada por la expresión
La ecuación se transforma en
Por ser el fluido un gas perfecto, podemos emplear, para su variación de entalpía a presión constante, la expresión
Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor:
Hay que resaltar que en una transformación con introducción de calor a presión constante varía el valor de la entalpía del fluido activo, mientras que en caso de la transformación a volumen constante varía el de la energía interna del fluido. Como la sustracción del calor Q2 se realiza como en el ciclo Otto, podemos escribir:
Q2=U4-U1
y como el fluido es un gas perfecto y el ciclo es ideal:
Q2=Cv(T4-T1).
Por tanto, el rendimiento térmico ideal del ciclo diésel teórico vale:
he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
expresión del todo análoga a la encontrada para el rendimiento ideal del ciclo teórico Otto.
Para la transformación 2-3 de combustión a presión constante tenemos:
Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 3-4 de expansión se tiene, respectivamente:
de donde:
y como son V4=V1 y T3/T2=V3/V2 , se puede escribir:
Sustituyendo esta expresión en la del rendimiento térmico ideal, resulta:
indicando con t’ la relación entre los volúmenes V3 y V2 al final y al comienzo, respectivamente, de la fase de combustión a presión constante, a la cual daremos el nombre de “relación de combustión a presión constante”, y recordando que
obtenemos, finalmente, la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo teórico diésel:
Dans cette expression on voit qu'il est, pour le cycle diesel, fonction du taux de compression, du taux de combustion à pression constante et du rapport k entre les chaleurs spécifiques.
Les expressions du rendement thermique des cycles Otto et diesel ne diffèrent que par le terme entre parenthèses, qui est toujours supérieur à 1, et, par conséquent, il est clair qu'avec le même taux de compression il est plus grand pour le cycle Otto que pour le cycle diesel. En réduisant t', c'est-à-dire la chaleur introduite à pression constante, le rendement he du cycle diesel se rapproche de celui du cycle Otto, avec lequel il coïncide pour t'=1.
