EFICIENCIA DEL CICLO OTTO
El ciclo de Otto se ejecuta en un sistema cerrado, y sin tomar en cuenta los cambios en las energías cinética y potencial, el balance de energía para cualquiera de los procesos se expresa, por unidad de masa, como
No hay trabajo involucrado involucrado durante los dos dos procesos de transferencia transferencia de calor porque ambos toman toman lugar a volumen constante. or lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo puede expresarse como
Entonces, la eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal supuesto para el aire est!ndar frío es
"ustituyendo estas ecuaciones en la relaci#n de la eficiencia térmica y simplificando, se obtiene
$ue es la relación de compresión, y k es la relaci#n de calores específicos c p%c . En la ecuaci#n &'( se muestra que bajo las suposiciones de aire est!ndar frío, la eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal depende de la relaci#n de compresi#n de la m!quina y de la relaci#n de calores específicos del fluido de trabajo. )a eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal aumenta tanto con la relaci#n de com co mpre resi si# #n co com mo co con n la rel elaaci ci#n #n de cal alo ore ress específicos. Esto también es cierto para las m!quinas de combusti#n interna reales de encendido por chispa. *na gr!fica de la eficiencia térmica contra la relaci#n de compresi#n se presenta en la figura &'+ para k _ +.-, +. -, el cu cual al es el va valo lorr de la re rela laci ci#n #n de ca calo lores res específicos del aire a temperatura ambiente. ara una relaci#n de compresi#n dada, la eficiencia térmica de una m!quina real de encendido por chispa ser! menor que la de un ciclo de Otto ideal debido a irreversibilidades como la fricci#n y a otros factores, como la combusti#n incompleta. En la figura &'+ es posible ver que la curva de la eficiencia térmica est! m!s inclinada a relaciones de compresi#n bajas, pero se nivela a partir de un valor de relaci#n de compresi#n
aproximadamente de (. or consiguiente, el aumento en la eficiencia térmica con la relaci#n de compresi#n no es tan pronunciado en relaciones de compresi#n elevadas. simismo, cuando se emplean altas relaciones de compresi#n, la temperatura de la me/cla de aire y combustible se eleva por encima de la temperatura de autoencendido del combustible 0temperatura a la que el combustible se enciende sin la ayuda de una chispa1 durante el proceso de combusti#n, con lo que causa un temprano y r!pido quemado del combustible en alg2n punto o puntos delanteros de la frente de la flama, seguido por una combusti#n casi instant!nea del gas remanente. Este encendido prematuro del combustible , denominado autoencendido, produce un ruido audible que recibe el nombre de golpeteo del motor o cascabeleo. El autoencendido en las m!quinas de encendido por chispa no puede tolerarse debido a que perjudica el desempe3o y puede da3ar la m!quina. El requerimiento de que el autoencendido no deba permitirse impone un límite superior en las relaciones de compresi#n que pueden usarse en las m!quinas de combusti#n interna de encendido por chispa. )as mejoras en la eficiencia térmica de m!quinas de gasolina mediante el uso de relaciones de compresi#n m!s altas 0hasta aproximadamente +41 sin que se enfrenten problemas de autoencendido, ha sido posible usando me/clas de gasolina que tienen buenas características de antidetonante, como la gasolina me/clada con tetra etilo de plomo. El tetra etilo de plomo se ha agregado a la gasolina desde +&45 debido a que es el método m!s econ#mico para elevar el índice de octano u octanaje, que es una medida de la resistencia de un combustible al golpeteo del motor. "in embargo, la gasolina con plomo tiene un efecto colateral muy indeseable6 forma compuestos durante el proceso de combusti#n que contaminan el ambiente y son muy peligrosos para la salud. En un esfuerzo por combatir la contaminaci#n del aire, a mediados de la década de los setenta, el gobierno de Estados *nidos adopt# una política que origin# la discontinuaci#n eventual de la gasolina con plomo. 7mposibilitados de emplear plomo, las refinadoras desarrollaron técnicas m!s elaboradas para mejorar las características antidetonantes de la gasolina. )a mayor parte de los autom#viles fabricados a partir de +&8 se han dise3ado para usar gasolina sin plomo, y las relaciones de compresi#n se han reducido para evitar el golpeteo del motor. )a disponibilidad de combustibles de alto octano hi/o posible elevar nuevamente las proporciones de compresi#n en los a3os recientes. 9ambién, gracias a mejoras en otras !reas 0reducci#n en el peso total del autom#vil, dise3o aerodin!mico mejorado, etc.1 los autom#viles actuales ofrecen una mejor economía de combustible y en consecuencia permiten recorrer m!s :il#metros por litro de combustible. Esto es un ejemplo de c#mo las decisiones de ingeniería implican compromisos, y la eficiencia es 2nicamente una de las consideraciones en el dise3o final. El segundo par!metro que afecta la eficiencia térmica de un ciclo de Otto ideal es la relaci#n de calores específicos k . ara una relaci#n de compresi#n dada, un ciclo de Otto ideal que emplea un gas monoat#mico 0como arg#n o helio, k _ +.;;1 como fluido de trabajo tendr! la eficiencia térmica m!s alta.
