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. El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo: E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga) A-B: compresión compresión isoentrópi isoentrópica ca B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante A-E: Escape, Escape, vaciado vaciado de la la cámara a presión presión constante constante (renovación (renovación de de la carga) carga) Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. Eficiencia de un ciclo de Otto Eficiencia del ciclo de otto
El punto de partida es la expresión general para la eficiencia térmica de un ciclo:
La convención, previamente establecida, es que el intercambio de calor es positivo si el calor fluye hacia el sistema o la máquina, así que es negativo por obvias razones. El calor absorbido ocurre durante la combustión cuando ocurre la chispa, rigurosamente a volumen constante. El calor absorbido se puede relacionar con el cambio de temperatura desde el estado 2 hasta el estado 3como:
o bien en términos de la capacidad calorífica a volumen constante
El calor expelido está dado por (para un gas perfecto con calor específico constante)
Al sustituir la expresión para el calor absorbido y expelido en la expresión para la eficiencia térmica se obtiene
Más aún, podemos simplificar dicha expresión usando el hecho que los procesos de 1 a 2 y de 3 a 4 son procesos isentrópicos (se verá más adelante en lo relacionado con la Segunda Ley de la Termodinámica)
y
tal que
la cantidad se denomina relación de compresión. La eficiencia del ciclo Otto ideal se puede escribir entonces como
Se muestra la eficiencia del ciclo Otto ideal como función de la relación de compresión
Figure Eficiencia térmica del ciclo Otto ideal
Si la relación de compresión
aumenta, se incrementa la eficiencia
del
ciclo, por ende el incremento de . Si es demasiado grande se presenta un encendido prematuro del combustible, denominado autoencendido, el cuál produce un ruido audible, que recibe el nombre de golpeteo de la máquina. Cabe señalar que el encendido de las máquinas de chispa no debe tolerarse ya que perjudica el desempeño del ciclo y pude dañar los componentes de la máquina. Por lo anterior existe un límite superior fijado por la razón de compresión para las máquinas de combustión interna activadas por encendido de chispa debido al autoencendido. El Motor Diesel
El motor de combustión interna diesel se diferencia del motor de ciclo Otto de gasolina, por el uso de una mayor compresión del combustible para encenderlo, en vez de usar bujias de encendido ("encendido por compresión" en lugar de "encendido por chispa"). En el motor diesel, el aire se comprime adiabáticamente con una proporción de compresión típica entre 15 y 20. Esta compresión, eleva la temperatura al valor de encendido de la mezcla de combustible que se forma, inyectando gasoil una vez que el aire está comprimido. El ciclo estándar de aire ideal, se organiza como un proceso adiabático reversible, seguido de un proceso de combustión apresión constante, luego una expansión adiabática para una descarga de potencia, y
finalmente una expulsión de humos isovolumétrica. Al final de la expulsión de humos, se toma una nueva carga de aire tal como se indica en el proceso a-e-a del diagrama. Puesto que la compresión y la descarga de potencia de este ciclo idealizado son adiabáticos, se puede calcular la eficiencia a partir de los procesos a presión y a volumen constantes. Las energía de entrada y salida y la eficiencia, se pueden calcular a partir de las temperaturas y calores específicos:
Es conveniente expresar esta ef iciencia en términos de la relación de compresión rC = V1/V2 y la relación de expansión rE = V1/V3. La eficiencia se puede escribir
Eficiencia Teórica del Motor Diesel
Puesto que la compresión y la descarga de potencia de este ciclo idealizado son adiabáticos, se puede calcular la eficiencia a partir de los procesos a presión y a volumen constantes. Las energía de entrada y salida y la eficiencia, se pueden calcular a partir de las temperaturas y calores específicos:
Ciclo del motor diesel estándar de aire
Es conveniente expresar esta eficiencia en términos de la relación de compresión rC = V1/V2 y la relación de expansión rE = V1/V3.
La eficiencia se puede expresar en términos de los calores específicos y temperaturas.
Ahora, usando la ley de gas ideal PV=nRT y g= CP/CV, esto se puede escribir
Ahora, usando el hecho de que Va=Vd=V1 y Pc=Pb del diagrama
Dividiendo numerador y denominador por V1Pc
Ahora, haciendo uso de la condición adiabática PVg = constante,
la eficiencia se puede escribir