Four-stroke cycle diesel engine

THEORETICAL HEAT CYCLE
In the original patent by Rudolf Diesel the diesel engine operated on the diesel cycle in which the heat was added at constant pressure. This was achieved by the blast injection principle. Today the term is universally used to describe any reciprocating engine in which the heat induced by compressing air in the cylinders ignites a finely atomized spray of fuel. This means that the theoretical cycle on which the modern diesel engine works is better represented by the dual or mixed cycle, diagrammatically illustrated in the figure below. The area of the diagram, to a suitable scale, represents the work done on the piston during one cycle.
Starting from point C, the air is compressed adiabatically to a point D. Fuel injection begins at D, and heat is added to the cycle partly at constant volume as shown by vertical line DP, and partly at constant pressure, as shown by horizontal line PE. At the point E expansion begins. This proceeds adiabatically to point F when the heat is rejected to exhaust at constant volume as shown by vertical line FC.
The ideal efficiency of this cycle (i.e. of the hypothetical indicator diagram) is about 55–60 per cent: that is to say, about 40–45 per cent of the heat supplied is lost to the exhaust. Since the compression and expansion strokes are assumed to be adiabatic, and friction is disregarded, there is no loss to coolant or ambient. For a four-stroke engine the exhaust and suction strokes are shown by the horizontal line at C, and this has no effect on the cycle.

PRACTICAL CYCLES
While the theoretical cycle facilitates simple calculation, it does not exactly represent the true state of affairs. This is because:
1. The manner in which, and the rate at which, heat is added to the compressed air (the heat release rate) is a complex function of the hydraulics of the fuel injection equipment and the characteristic of its operating mechanism; of the way the spray is atomized and distributed in the combustion space; of the air movement at and after top dead centre (TDC); and to a degree also of the qualities of the fuel.
2. The compression and expansion strokes are not truly adiabatic .
Heat is lost to the cylinder walls to an extent which is influenced by the coolant temperature and by the design of the heat paths to the coolant.
3. The exhaust and suction strokes on a four-stroke engine (and the appropriate phases of a two-stroke cycle) do create pressure differences which the crankshaft feels as ‘pumping work’. It is the designer’s objective to minimize all these losses without prejudicing first cost or reliability, and also to minimise the cycle loss: that is, the heat rejected to exhaust .

Fig. : Theoretical heat cycle of true diesel engine - Ciclo de calor teórico del motor diesel real. Ciclo de calor teórico
En la patente original de Rudolf Diesel el motor diesel operado con en ciclo diesel, el calor era agregado a presión constante. Esto se llevaba a cabo por el principio de inyección directa . Hoy el término es usado universalmente para describir cualquier motor rotativo en el cual el calor inducido por el aire comprimido en los cilindros produce la ignición de una lluvia de combustible finamente atomizado. Esto significa que el ciclo teórico sobre el cual el moderno motor diesel funciona está mejor representado por el ciclo dual o mixto, cuyo diagrama se ilustra arriba . El área del diagrama, a una escala adecuada, representa el trabajo hecho sobre el pistón durante un ciclo.
Comenzando por el punto C, el aire es comprimido adiabáticamente a un punto D. La inyección de combustible comienza en D, y se agrega calor al ciclo en parte a volumen constante como se muestra en la línea vertical DP, y en parte a presión constante , como se muestra en la línea horizontal PE. En el punto E la expansión comienza . Esto prosigue adiabáticamente hasta el punto F cuando el calor es rechazado al escape a volumen constante como se muestra en la línea vertical FC.
La eficiencia ideal de este ciclo ( o sea, el diagrama indicador hipotético ) es del 55-60 por ciento, es decir , 40-45 por ciento del calor suministrado es perdido en el escape . Dado que los ciclos de compresión y expansión se suponen adiabáticos, y se descarta la fricción, no hay pérdida hacia el refrigerante o al medio ambiente. Para un motor de cuatro tiempos, los tiempos de expansión y succión son mostrados por la línea horizontal en C, y esto no tiene efecto en el ciclo . Ciclos prácticos
Mientras que el ciclo teórico facilita el cálculo simple, el mismo no representa exactamente en verdadero estado de los hechos. Esto es debido a :
1- La manera en que, y el régimen en que, el calor es agregado al aire comprimido ( el régimen de liberación de calor ) es una función compleja de la hidráulica del equipo de inyección y la características de su mecanismo operativo; de la manera que la pulverización es atomizada y distribuida en el espacio de combustión; del movimiento de aire en el punto muerto superior ( TDC) y posterior al mismo; y en cierto grado de la calidad del combustible.
2- Los tiempos de compresión y expansión no son completamente adiabáticos. Se pierde calor en las paredes del cilindro en una cantidad que es influenciada por la temperatura del refrigerante y por el diseño del traspaso del calor hacia el refrigerante.
3- Las carreras de escape y admisión en un motor de cuatro tiempos ( y las fases apropiadas de uno de dos tiempos ) crean diferencias de presión en las cuales el cigüeñal siente como un “trabajo de bombeo”.
Es el objetivo del diseñador minimizar todas estas pérdidas sin perjudicar primero los costos o la confiabilidad, y luego minimizar las pérdidas del ciclo: o sea, el calor que es rechazado al escape.

Four-stroke cycle diesel engine