Ciclos termodinamicos ideales en motores de combustion interna diesel gasolina y gas.

1. Facultad de Ingeniería
Departamento de Mecánica y Producción
Termodinámica II
Versión: 2020-1
Ciclos térmicos: Análisis termodinámico en motores de
combustión interna
Por
Carlos Andres Soto A.
Juan Camilo Lopez M.
Facultad de Ingenieria: Ingenieria mecanica
Departamento de mecánica y producción
Manizales, Colombia
2020
a ​
carlos.sotoa@autonoma.edu.co
b ​
juan.lopezme@autonoma.edu.co

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Introducción
El estudio de máquinas que emplean energía para la producción de un trabajo, requiere
fundamentos muy amplios en el campo termodinámico, y conocimientos básicos sobre el
comportamiento de dichos procesos termodinámicos en el campo real, los conocidos ciclos
termodinámicos ideales, son un caso particular aplicado a máquinas reales.Para el caso particular
de estudio, se emplearon pricipios de 3 ciclos ideales a un motor de combustión interna: ​Ciclo
Otto, comúnmente denominado ciclo de gasolina o de ignición por chispa, ​ciclo Diesel​, también
conocido como ciclo de ignición por compresión, ​Ciclo de gas​, para motores de combustión
interna a gas natural vehicular (G.N.V).
En este documento se realizó un estudio termodinámico en motores de combustión interna para
un motor de vehiculo automotor marca ​Chevrolet​™, segmento B, propiedad de ​General Motors​™
denominado ​Corsa sedan ​o ​Chevrolet Classic (Argentina y Brasil) ​y ​Chevrolet Chevy (Mexico) el cual
se introdujo al mercado en 1992, y fue producido hasta el año 2010. Para el caso particular, el
vehículo ​Chevrolet Corsa Sedan (GM 4200) 1.6 i 16V (102 Hp) del año 2008 sin turbo, con registro
de motor VIN ​9BGSB19N08B152067​, y en referencia ​Taxi Power​, como referencia local en
colombia para este vehículo como vehículo de transporte público, cuyo combustible es ​gasgasol​, y
se emplearán en el mismo motor 3 configuraciones para los 3 combustibles antes mencionados,
de forma teórica.
Así pues se recurrirá a aplicar los conocimientos de ciclos termodinámicos (Otto,Diesel, G.N.V) a
un motor de combustión interna, entre nuestros objetivos específicos tenemos el de comparar y
concluir cuál de los ciclos mencionados es más eficiente, y que tipo de combustible proporciona
mejor eficiencia con respecto a su precio en el mercado nacional.

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Materiales
En base a los requerimientos y rubrica del proyecto, se realizó un estudio detallado del motor,
iniciando en la descripción dada por el registro ante la autoridad de tránsito, pasando por la
revisión practica del motor y su ficha tecnica como se ve en las figuras (1), (2) y (3).
Fig. 1: ​Tarjeta de propiedad del vehículo
Fig. 2: ​Motor GM 4200
𝅺
Fig. 3: ​Ficha técnica del motor

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El estudio de estos ciclos es ideal y aplicada a motores de combustión interna, en los que se
tendrán en cuenta las siguientes consideraciones:
❖ La temperatura ambiente del estudio será un promedio de la temperatura en Manizales al
año siendo: .7ºC 90KT1 = 1 = 2
❖ La interpolación en tablas termodinámicas y las ecuaciones son sacadas del texto guia
Termodinamica​. [1]
❖ La presión estándar en manizales a la altura de`​2153 msnm,​ será: .8 kPap1 = 7
❖ El factor ​lambda estándar para gasolina y gas será de .4,1 7 : 1
❖ Para número de cilindros .N = 4
❖ P​ara cilindrada real, .da 598 cmC = 1 3
❖ Para el ​ ciclo diesel ​ aplicará el doble de la relación de compresión usada en el ​ciclo otto.
❖ La relación de corte de admisión (​ciclo diesel​) será .rc = 2
❖ La corrección de , y para manizales será , yk cv cp , 99k = 1 3 , 17cv = 0 7 , 046cp = 1 0
● Ciclo otto o de ignición por chispa:
El ciclo ideal otto, o ciclo de gasolina, es la base de funcionamiento de gran parte de los
automóviles, en el caso particular a estudiar en motores de 4 tiempos, el cual idealmente emplea
1, 2 o 4 válvulas para la admisión, compresión, combustión y escape de el combustible atomizado
mediante una chispa en el periodo de compresión. El proceso de admisión (1) y escape (4), al igual
que el de compresión (2) y combustión (3), se consideran procesos isentrópicos ideales (Entropías
iguales en (1) y (4), y en (2) y (3) ), como se ve en la figura (4)
Fig. 4:​ P vs S ​y ​T vs S en el ciclo otto
Las condiciones iniciales de subíndice (1), serán: ​, para temperatura ambiente,90KT1 = 2
, ​para presión de entrada, , para relacion de compresion,8 kPap1 = 7 .8r = 9
, para poder calorífico de la gasolina colombiana.4672PCSGasolina = 4 kJ
Kg
El factor lambda se corrige para la altura local usando la relación entre la presión de 1 atm y la
presión atmosférica local así: ; que será el nuevo factor lambda dex14, 1, 178 kPa
101,325kPa
7 = 1 3
en partes de aire por cada parte de combustible.1, 11 3 : 1
Con lo anterior se tendrá entonces los datos suficientes para iniciar el análisis:
por definición, se tendrá que sí yr = V 2
V 1
S1 = S4 S2 = S3

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, y por isentropia con como volumen reducido.r = V 2
V 1
= V 3
V 4
r = √2
√1
= √3
√4
√
Se hallará pues por interpolación de tablas termodinámicas en condiciones de y√1 T1 p1
76,√1 = 6 1
Usando se halla por interpolación de tablas termodinámicas la energía interna en√1 u1
condiciones y :T1 p1 06, 1u1 = 2 9 kJ
Kg
Para completar el estado (1) de admisión se calculó conociendo la cilindrada total del motor yV 1
el número de cilindros , y se obtuvo:V 1 = N
Cda
99, cmV 1 = 3 5 3
Así pues, se inició el análisis del estado de compresión desde las ecuaciones de la relación de
compresión, se tendrá y : y√2 = r
√1
V 2 = r
V 1
8, 9√2 = 6 9 0, 65 cmV 2 = 4 7 3
Mediante interpolación en tablas termodinámicas usando se puede calcular y ,√2 u2 T2
obteniendo: 14, 9u2 = 5 5 kJ
Kg 02, 6KT2 = 7 8
Empleando la ecuación de gases , se obtiene:p2 = p1 [T1
T2
] r[ ] 852, 4 kPap2 = 1 6
Para el estado de combustión o estado (3), se partió de las ecuaciones de balance de energía
donde , tomando como base el poder calorífico del combustible colombiano, unasqin = u3 − u2
pérdidas energéticas del 77% y el factor lambda se obtiene el calor de entrada real
, obteniendo de esa manera a para despejar, 3qin = PCSGasolina × 0 2 × 1
12,31 qin u3
34, 5qin = 8 6 kJ
Kg 349, 4u3 = 1 2 kJ
Kg
Usando de nuevo la interpolación en tablas termodinámicas, se obtuvo bajo condiciones de ,u3
y :T3 √3 y654, 1KT3 = 1 9 , 05√3 = 5 2
Empleando la fórmula de gas por analogía matemática y sabiendo que se obtuvoV 2 = V 3
,p3 = p2 [T2
T3
] 1[ ] 360, 9 kPap3 = 4 7
Para el estado (4), partiendo de la ecuación de relación de compresión se obtiene que √4 = r × √3
1, 09√4 = 5 0
Al interpolar en tablas termodinámicas se obtiene y : yu4 T4 78, 87u4 = 5 9 kJ
Kg 83, 4KT4 = 7 5
Por analogía matemática: ,p4 = p3 [T3
T4
][V 4
V 3
] 10, 4 kPap4 = 2 7
Para el cálculo de la eficiencia térmica del motor se tendrá la fórmula ,nT,G = 1 00%[ − qin
qout
× 1 ]
donde , dicha eficiencia se comprueba mediante la eficiencia realqout = u4 − u1
00%nR,G = 1[ − [ 1
rk−1 ]] × 1
72, 77qout = 3 0 kJ
Kg 5, 2%nT,G = 5 4 9, 7%nR,G = 5 7
● Ciclo diesel o de ignición por compresión:
Este ciclo emplea el combustible más comúnmente conocido como diesel o gasoil, en un motor de
4 tiempos, al igual que el ​ciclo otto​ se denominan 4 estados termodinámicos, a diferencia del ciclo
de gasolina, el diesel emplea la compresión del combustible para su auto ignición, creando la
ausencia de la chispa, además de emplear un estado ​isobárico ​durante la compresión y la
combustión. [2]
Para el caso particular de estudio en el mismo motor ​GM 4200 ​ se emplearán las consideraciones
iniciales de la metodología.

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Fig. 4:​ P vs V ​y ​T vs S en el ciclo diesel
Para el estado (1) o de admisión se tendrá: , ,90KT1 = 2 8 kPap1 = 7 9.6r = 1
Con lo anterior y conociendo que para diesel se obtuvo que:V 1 = N
Cda
99.5 cmV 1 = 3 3
En el estado termodinámico (2) partiendo de ,​ se obtiener = V 2
V 1
0, 83 cmV 2 = 2 3 3
Usando la ecuación de gases ideales ,T2 = T1[V 2
V 1
]
k−1
50, 16KT2 = 9 6
Al aplicar , se obtienep2 = p1[V 2
V 1
]
k
011, kPap2 = 5 3
Para el estado (3) se tendrá que , por tantorc = V 2
V 3
0, 66 cmV 3 = 4 7 3
Si , usando , al interpolar tablas termodinámicas en basep2 = p3 [v3
T3
] = [T2
V 2
] 901, 32KT3 = 1 2
a ,T3 583, 83u1 = 1 7 kJ
Kg
Si el proceso es isentrópico en (1) y (4) se tiene que , mediante , seV 1 = V 4 T4 = T3[V 4
V 3
]
k−1
tiene que 64, 8KT4 = 7 7
Para completar el estado (4) se emplea ,p4 = p3[V 4
V 3
]
k
05, kPap4 = 2 7
Para el cálculo de la eficiencia térmica del motor se tendrá la fórmula ,nT,D = 1 00%[ − qin
qout
× 1 ]
donde y :qout = cv (T )4 − T1 qin = cp (T )3 − T2
40,qout = 3 7 kJ
Kg 54, 88qin = 9 4 kJ
Kg 4, 2%nT,G = 6 3
dicha eficiencia se comprueba mediante la eficiencia real: 00%nR,G = 1[ − [ 1
rk−1 ][ r −1k
c
k(r −1)c
]]× 1
4, 9%nR,D = 6 2
● Ciclo otto en variación a gas:
La transformación de un motor naftero a G.N.V consta de la instalación de cilindros y una bomba
de reducción de presión, que reduce la presión del gas aproximadamente a las atmosférica, para
su distribución en la cámara de combustión como si fuera gasolina, de esta manera no se requiere
cambiar ningun parametro.[3]
Al cambiar el combustible de gasolina a G.N.V, se mantendrá la configuración de un motor como
ciclo​ ​otto ​y solo se cambiará el a un , por lo que el estado (1) yPCSGasolina 1610PCSG.N.V = 5 kJ
Kg
(2) no cambiarán en absoluto, siendo el mismo motor. [4]

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Por lo anterior se tendrá en el estado de admisión: , ,​ ,90KT1 = 2 8 kPap1 = 7 .8r = 9
, y .76,√1 = 6 1 06, 1u1 = 2 9 kJ
Kg 99, cmV 1 = 3 5 3
En el estado de compresión se tendrá entonces: , , ,8, 9√2 = 6 9 0, 65 cmV 2 = 4 7 3 14, 9u2 = 5 5 kJ
Kg
, .02, 6KT2 = 7 8 852, 4 kPap2 = 1 6
En el estado (3) aparece el cambio de combustible en el ​al cambiarlo por ,CSP PCSG.N.V
obteniendo así el por la misma metodología del ​ciclo ottoqin
, para despejar :, 3qin = PCSGNV × 0 2 × 1
12,31 u3 61, 99qin = 9 4 kJ
Kg 168, 063u3 = 1 4 kJ
Kg
Usando de nuevo la interpolación en tablas termodinámicas, se obtuvo bajo condiciones de ,u3
y :T3 √3 y460 KT3 = 1 , 01√3 = 7 8
Empleando la fórmula de gas por analogía matemática y sabiendo que se obtuvoV 2 = V 3
,p3 = p2 [T2
T3
] 1[ ] 848, 5 kPap3 = 3 3
Para el estado (4), partiendo de la ecuación de relación de compresión se obtiene que √4 = r × √3
6, 498√4 = 7 4
Al interpolar en tablas termodinámicas se obtiene y : yu4 T4 94, 348u4 = 4 2 kJ
Kg 76, 7KT4 = 6 9
Por analogía matemática: ,p4 = p3 [T3
T4
][V 4
V 3
] 82, 7 kPap4 = 1 0
Para el cálculo de la eficiencia térmica del motor se tendrá la fórmula nT,GNV = 1 00%[ − qin
qout
× 1 ]
donde: 87, 248qout = 2 3 kJ
Kg 0, %nT,G = 7 1
Resultados
El trabajo deja ver mediante un comparativo del mismo motor a 3 diferentes combustibles y las
relación de éste con su precio en el mercado nacional obteniendo:
Combustible Diesel Gasolina G.N.V
Eficiencia
(%)
64.29 55,42 70,1
Eficiencia
(%)*(pesos/galon)
6112.26 5371.30 3535.84
Tabla 1:​ Relación eficiencia costo
Además es evidente en análisis de diseño, que el cálculo de factores de combustión se facilita con
el uso de el combustible diesel en términos de la extracción de datos inmediatos.
Por lo anterior, y en base a los resultados del estudio, se puede considerar como el más adecuado
en términos de rendimiento del motor y costo el uso de gasolina en el motor ​GM 4200,​para las
condiciones de presión y temperatura a la altura de Manizales​.

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Discusión
● En base a los resultados del estudio idealizado, y aplicando como concepto de importancia
en diseño el rendimiento y costo que garantiza el uso de los combustibles estudiados en el
planteamiento del proyecto, se puede tomar el principio de eficiencia precio como factor
de selección. Además, y comparando los parámetros de temperaturas y presiones, se
evidencia que es posible mejorar el rendimiento del motor sin cambiar el combustible,
controlando de forma electronica o mecanica la temperatura, la presión, y como el cambio
en la eficiencia es dependiente de la geometría y volumen de la cámara de combustión. [5]
● Diferentes artículos evidencian que el GNV es mucho más recomendado en términos de
eficiencia-costo que sus homólogos combustibles. “​Los vehículos impulsados por
GNV(GNC) ofrecen ventajas sustanciales en comparación con los vehículos de gasolina.
Tradicionalmente, el GNV tiene un costo significativamente menor al del galón de gasolina
o diésel”. “La diferencia entre el precio de la gasolina, el diésel y el gas natural ha hecho
que muchos usuarios de transporte público y privado esten recurriendo al GNV por sus
beneficios económicos, ofreciendo ahorros superiores al 45% con relación a la gasolina y al
30% frente al diésel”. ​[6]
El bajo margen de error con los resultados obtenidos al comparar la eficiencia del diesel y
gasolina se evidencia teóricamente en estudios externos donde se menciona: “​La
eficiencia máxima de un motor teórico perfecto de gasolina con relación de compresión 8
es de un 56,5%., en el caso del ciclo diésel, que difiere ligeramente del gasolina y permite
relaciones de compresión mayores, en este cálculo realizado sobre el modelo teórico de
este ciclo, se puede ver que su rendimiento perfecto para una relación de compresión de 18
sería de un 63,2%”. ​[7]
● Este estudio brinda una perspectiva de cómo un ingeniero mecánico puede aplicar un
modelo de comportamiento teórico termodinámico, a un motor de combustión interna
real, para obtener una relacion teorica-practica. Además de las múltiples aplicaciones, ya
que se pueden obtener resultados reales de las máquinas, que se vean afectadas por
cambios medioambientales o inducidos dentro de la máquina.
● En conclusión al estudio realizado bajo las mismas condiciones ambientales y el mismo
motor con 3 diferentes combustibles, se deduce que el motor cuya eficiencia permite
definirlo como el más eficaz es el ​ciclo otto con variación a G.N.V​, además de responder la
duda sistematizada creada en el entorno laboral donde siempre se escogen motores diesel
por su precio y eficiencia, demostrando que el motor ​otto brinda una mejor opción ante el
diésel​ en términos de costo y eficiencia.

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Referencias
[1]Çengel Y., Boles M. Termodinámica, Octava edición. Mc Graw Hill, 2014.
[2]Nestor Gooding Garavito. Termodinámica Básica, Segunda edición, 2009
[3]Cruz Rodríguez M.,García Gil F. metodología para el montaje y mantenimiento de equipos para
conversión a gas natural en motores de inyección electrónica de gasolina obdii. Facultad de
ingeniería, Universidad Tecnologica de Bolivar. 2005
[4]Arrieta, A., López López, D., & Forero, C. investigación e innovación en combustión avanzada de
uso industrial. Incombustion, Universidad Nacional, Universidad del Valle y Universidad de
Antioquia, 2015.
[5]G.Artés, D. Los límites de la eficiencia térmica en motores gasolina y diésel. 2012
[6]López Suárez, A. El gas le recorta terreno a la gasolina y el diésel, 2019
[7]Kenneth Wark Jr. & Donald E. Richards. Termodinámica, Sexta edición, 2001