Ciclo Diesel
Che cos'è il ciclo Diesel?
Il ciclo Diesel differisce dal ciclo Otto solo nella fase di somministrazione di calore al fluido contenuto nel cilindro.
Si consideri un cilindro nel quale scorre senza attrito uno stantuffo collegato a un meccanismo di biella e manovella; si supponga inoltre che nel cilindro sia contenuta l'unità di massa di un gas perfetto.
Il ciclo è costituito da quattro trasformazioni rappresentate nei diagrammi p-v e T-s da due adiabatiche, una isobara e una isometrica.
Diagramma p-v (a sinistra) e diagramma T-s (a destra) di un ciclo Diesel.
Le quattro trasformazioni sono:
1→2 compressione adiabatica: partendo dallo stato fisico iniziale 1 (p1, v1, T1), detto punto morto inferiore, il gas viene compresso adiabaticamente durante la corsa ascendente dello stantuffo fino allo stato fisico 2 (p2, v2, T2), detto punto morto superiore: il volume diminuisce, la pressione e la temperatura aumentano. Questa trasformazione avviene spendendo il lavoro L2 di compressione (area 1265 nel diagramma p-v);
2→3 trasformazione isobara: viene introdotto il calore mentre il pistone ha iniziato la corsa di discesa nel cilindro;
3→4 espansione adiabatica: in 3 lo stantuffo continua la corsa discendente fino al punto morto inferiore, con diminuzione di pressione e temperatura. Lungo questa trasformazione viene compiuto il lavoro L1 (area 23456 nel diagramma p- v): è la fase attiva del ciclo in quanto permette di ricavare il lavoro utile L (area 1234) nel diagramma p-v compensando il lavoro speso L2.
4→1 trasformazione isometrica nella quale viene ceduto il calore Q2 (area 1456 nel diagramma T-s): durante la trasformazione diminuiscono la pressione e la temperatura, in modo da ricostruire lo stato fisico iniziale.
Il rapporto di compressione è dato dalla seguente formula:
ϱ = v1/v2
mentre viene definito rapporto di combustione il valore
r = v3/v2
Rendimento del ciclo Diesel
Come si ha anche per gli altri cicli (ciclo Rankine, ciclo di Carnot, ecc.) il rendimento è dato dalla seguente formula generale:
Dalla relazione precedente è possibile dimostrare tramite passaggi che non vengono riportati che il rendimento del ciclo Diesel può essere calcolato con la seguente espressione:
in cui:
- k = cp/cv;
- ϱ = v1/v2;
- r = v3/v2.
Tale espressione del rendimento per il ciclo Diesel differisce da quello del ciclo Otto per la presenza del termine
sempre maggiore di uno. A prima vista si potrebbe affermare che il rendimento del ciclo Otto è sempre maggiore di quello del ciclo Diesel: tuttavia non si è tenuto conto che il confronto è stato effettuato a parità di rapporto di compressione, fatto che non avviene mai in pratica in quanto i rapporti di compressione adottati nel ciclo Diesel sono notevolmente superiori (ϱ= 15÷21) a quelli adottati per il ciclo Otto.
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