CICLO OTTO

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.

NIKOLAUS AUGUST OTTO

Especialista en maquinaria y empresario alemán, crea en 1966 junto con su compatriota Eugen Langen, un motor de gas que poco después dio origen al motor de combustión interna de cuatro tiempos.

Partes que intervienen en el ciclo otto dentro del cilindro:

Válvulas Bujía Cámara de compresión Pistón Biela Cigüeñal

Este ciclo puede emplearse para aproximarse al funcionamiento de un motor de combustión interna encendido por chispa. Este ciclo se puede representar con los diagramas temperatura-entropía específica y presión-volumen.

CICLO OTTO DE 2 CARRERAS

(4T)

CICLO OTTO DE UNA CARRERA

(2T)

El ciclo consiste en 4 carreras de un pistón, y empieza con una carrera de entrada a presión prácticamente constante, durante el cual un pistón que se mueve hacia afuera acarrea una mezcla de combustible/aire dentro de un cilindro.

Durante la segunda carrera (1 - 2 -3), todas las válvulas están cerradas, y el comburente es comprimido, a lo largo de la línea 1 – 2.

La mezcla entonces se pone en ignición y ocurre la combustión tan rápidamente que el volumen permanece casi constante, mientras que la presión se eleva a lo largo de la línea 2 - 3.

Es durante la tercera carrera (3 - 4 -1) que se produce el trabajo. Los productos de la combustión, temperatura y presión elevadas se expanden, en la línea 3 – 4.

La válvula de escape se abre entonces, y la presión cae rápidamente de volumen aproximadamente constante a lo largo de la línea 4 - 1.

Eficiencia

La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión.

El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25% a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión.

Formulas para el ciclo Otto (eficiencia térmica)

Para las transformaciones adiabáticas de compresión 1-2 y de expansión 3-4 obtenemos, respectivamente:

y como es V1=V4 y V2=V3, podemos escribir:

Introduciendo esta relación en la expresión del rendimiento he(así como la que existe entre las temperaturas T1 y T2 de la fase 1-2 de compresión adiabática), resulta:

*he= (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado

Indicando con rv la relación entre los respectivos volúmenes V1 y V2 del principio y final de la carrera de compresión –a la cual llamaremos “relación volumétrica de compresión”-, se obtiene la expresión final del rendimiento térmico ideal del ciclo Otto.

Donde: nt= eficiencia térmica rv= relación de volumétrica K= 1.4

Problema

Calcula la eficiencia de un ciclo Otto de aire estándar si la relación de compresión es 7 y k=1.4. Compare esta con la de un ciclo de Carnot que opere entre los mismos limites de temperatura si la temperatura mínima del ciclo es 70°F y la temperatura máxima es 700° F, 1000° F y 3000° F

DLC

tmin=70°F

rc=7

K=1.4

tmax1=700°F

tmax1=1000°Ftmax3=3000°F

nt=?(%)

tmin= temperatura mínimatmax1=temperatura máxima 1tmax2=temperatura máxima 2tmax3=temperatura máxima 3K=constante de airerc=razón de compresibilidadnt=eficiencia térmica

Datos

Tmin- temperatura mínima = 70° F Tmax1- temperatura máxima 1 = 700° F Tmax2- temperatura máxima 2 = 1000° F Tmax3- temperatura máxima 3 = 3000° F K- constante de aire = 1.4

rv - razón de compresibilidad = 7

nt - eficiencia térmica = ? (%)

Fórmula

Donde:

nt= eficiencia térmicarv=razón de compresiónK=constante de aire

Para el ciclo de Carnnot:

Donde:nc= eficiencia de carnott2= temperatura minima °Rt4= temperatura maxima °R

Conversión de °F a °R:

°F+460=°R

70° F + 460= 530° R 700° F + 460 = 1160° R 1000° F + 460 = 1460° R 3000° F + 460 = 3460° R

ANALISIS DIMENSIONAL Y SUSTITUCION

A)

K= 1.4

𝑛𝑡=0.541 ó51.4%

B)

A 700° F

(100) RESULTADO EN PORCENTAJE

(100)= 54.3%

A 1000° F

(100)= 63.7%

A 3000° F

(100)= 84.7%

Resultado