Otto and Diesel engine models with cyclic variability

J. A. Rocha-Martínez¹, T. D. Navarrete-González¹, C. G. Pavía-Miller†^1,2 R. Páez-Hernández¹, F. Angulo-Brown³

¹ Área de Física de Procesos Irreversibles, Depto. de Ciencias Básicas, Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco. Av. San Pablo 180, Col. Reynosa, 02200, México D. F, México.

² ESFM-IPN.

³ Depto. de Física, Escuela Superior de Física y Matemáticas, Instituto Politécnico Nacional. edificio 9, U. P. Zacatenco, 07738, México D. F., México.

Abstract

Typically, in an internal combustion engine, thousands of cycles are performed in a minute. In this sequence of cycles many physical and chemical quantities change from cycle to cycle. For example, the combustion heat changes due to residual gases, imperfect combustion and other reasons. In this work, we present two finite-time thermodynamics models for both an Otto and a Diesel cycle, in which the cyclic variability is studied as occurring in the heat capacities of the working fluid. The fluctuations considered are of the uncorrelated type (uniform and gaussian) and one correlated case (logistic map distribution). We find that in the correlated fluctuations case, the power output and the efficiency of both cycles reach bigger fluctuations than in the uncorrelated cases. This result can provide insights over the performance of internal combustion engines.

Keywords: internal combustion engine; cyclic variability; fluctuations.

Resumen

En máquinas de combustión interna, típicamente, miles de ciclos son realizados en un minuto. En esta secuencia de ciclos algunas cantidades físicas y químicas cambian de ciclo a ciclo. Por ejemplo, el calor de combustión cambia debido a gases residuales, a combustión imperfecta y a otras razones. En este trabajo presentamos dos modelos a tiempo finito para los ciclos Otto y Diesel, en los cuales se estudia la variabilidad cíclica como si estuviera ocurriendo en las capacidades caloríficas de la sustancia de trabajo. Consideramos tanto fluctuaciones descorrelacionadas (uniforme y gaussiana) como correlacionadas (distribución tipo mapa logístico). Encontramos que en el caso de las fluctuaciones correlacionadas, la potencia y la eficiencia de ambos ciclos alcanzan mayores fluctuaciones que en los casos descorrelacionados. Este resultado puede ayudar a comprender mejor el funcionamiento de máquinas de combustión interna.

Palabras clave: máquinas de combustión interna, variabilidad cíclica, fluctuaciones.

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