INGENIERÍA AUTOTRÓNICA 1. Ciclo Otto
El ciclo Otto es el modelo ideal que se emplea para describir los motores de combustión interna en los cuales la combustión se inicia por una chispa. Esto ocurre en los motores de cuatro tiempos de los vehículos de gasolina y en los de dos tiempos de ciclomotores. En el modelo matemático de este ciclo se supone que la compresión y la expansión son tan rápidas que a la mezcla no le da tiempo a intercambiar calor con el ambiente y por tanto son procesos adiabáticos. La explosión se modela como un calentamiento a volumen constante, ya que al estar el pistón en su punto más alto, su velocidad se anula justo en ese instante y el volumen cambia poco durante la explosión. En conclusión un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión y está formado por seis pasos, según indica la figura. fig ura.
Descripción del ciclo:
Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fase de operación de este motor son las siguientes: Admisión (1): Esto se modela como una expansión a presión constante. En el diagrama PV aparece
como la línea recta E →A. Compresión (2): Se modela como la curva adiabática reversible A→B. Combustión: El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su
temperatura a volumen prácticamente constante. Esto se representa por una recta B →C.
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INGENIERÍA AUTOTRÓNICA Expansión (3): De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática
reversible C→D. Escape (4): Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente
constante y tenemos la recta D →A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la recta A→E, cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos .
El rendimiento de este ciclo es igual a:
Donde: γ = c p / cv = 1.4 y r = V max / V min la relación de compresión . Para un motor de automóvil
típico, esta relación de compresión puede valer 8, lo que da un rendimiento del 56.5%.
2. Ciclo Diesel
Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del combustible, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de autoignición del combustible y esté es inyectado a presión en ese aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.
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Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un motor de gasolina. La relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de gasolina puede rondar un valor de 8. Al tener una relación de compresión mayor, los motores diésel deben soportar presiones mucho mayores que los de gasolina (basados en el ciclo Otto). Por ello, son más pesados y robustos, lo que los encarece y limita su aplicabilidad a su uso en automóviles (aunque hoy día ya son de uso común). Por ello, tradicionalmente los motores diésel se han usado en sistemas donde su mayor peso no es determinante. En el sector del transporte se usan en barcos y trenes, y en la generación de energía se emplean en centrales de turbina de gas. Un motor diésel de un barco o central, puede ser gigantesco. En el modelo de un ciclo Diesel ideal, la única diferencia con el ciclo Otto ideal es que el calentamiento por la combustión no se produce a volumen constante, sino a presión constante. La razón es que en ese momento la cámara está abierta, puesto que se está inyectando el combustible, aunque su presión es por supuesto muy superior a la atmosférica. Un motor diésel puede modelarse con el ciclo ideal formado por seis pasos reversibles, según se indica en la figura.
Descripción del ciclo Admisión (1): El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en
la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula
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abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal E→A. Compresión (2): El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que
el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. El punto inicial de esta curva es aquél en el que el pistón se halla lo más bajo posible. A este punto se le conoce como PMI ( punto muerto inferior ). El punto final corresponde a que el pistón esté en el punto más alto. Este es el PMS ( punto muerto superior ). Combustión (3): Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un
poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara/ B→C. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto. Expansión (4): La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre
él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D. Escape (5): Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una
temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior/D→A y A→E. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la recta D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la recta A→E, cerrando el ciclo. En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina. El rendimiento de un ciclo Diesel ideal es
donde r = V A / V B la relación de compresión y r c = V C / V B la relación de combustión y γ = c p / cv = 1.4
3. Comparación de los ciclos Otto y Diesel
Según indicamos, el ciclo Diesel ideal se distingue del Otto ideal en la fase de combustión, que en el ciclo Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a presión constante. Por ello el rendimiento es diferente.
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Si escribimos el rendimiento de un ciclo Diesel en la forma:
vemos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia de la de un ciclo Otto por el factor entre paréntesis. Este factor siempre es mayor que la unidad, por ello, para iguales razones de compresión r
Por ejemplo, supongamos una relación de compresión r = 8 para ambos ciclos y una relación de combustión r c = 2 para el Diesel. En este caso, los rendimientos respectivos valen
pero si aumentamos la relación de compresión para el ciclo Diesel a 12 obtenemos el rendimiento
Bibliografía
Apuntes de Máquinas Térmicas del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Sevilla. http://laplace.us.es/wiki/index.php/M%C3%A1quinas_t%C3%A9rmicas_(GIE)
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