INFORME TEMA:
Ciclo Otto
OBJETIVO GENERAL :
Dar a conocer las generalidades del ciclo Otto.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS :
Dar a conocer las principales características del ciclo Otto.
Identificar y analizar las principales a aplicaciones del ciclo Otto.
Conocer, identificar y analizar las gráficas en función del volumen y presión generada por el ciclo Otto.
MARCO TEORICO Historia
Nicolaus August Otto (Colonia, 10 de junio de 1832 - 26 de enero de 1891) fue un ingeniero alemán, que diseñó el motor de combustión interna junto con Etienne Lenoir, justo 8 años después de Alphonse Beau de Rochas. Otto fue el primero en convertirlo en algo práctico. Se fue a Italia, donde se interesó por las máquinas de gas del ingeniero e inventor belga Etienne Lenoir. Inició su carrera profesional como comerciante, aunque pronto la abandonó para irse a la fabricación de máquinas motrices de combustión. A pesar de no tener una información técnica sólida, Otto fabrica su primera máquina en 1867. En 1869 fundó una empresa junto con el industrial alemán Eugen Langen. Siete años más tarde, Otto abrió otra fábrica en Deutz, cerca de Colonia. Realizó notables estudios sobre el motor de gas y en 1872 llevó a la práctica la construcción del motor de combustión interna de cuatro tiempos. De este modo creó una máquina motriz estática a partir de la cual desarrollaría el motor Otto. Éste se hizo famoso en todo el mundo como máquina para el accionamiento de vehículos, trenes, barcos y aviones. Este motor sirvió de base para la invención del motor diésel. En los 15 años siguientes se vendieron más de 50.000 motores, muchos de los cuales se emplearon en fábricas de maquinaria. En 1884, la patente de Otto se hizo pública.
Enunciado
Muchas de las máquinas térmicas que se construyen en la actualidad (motores de camiones, coches, maquinaria, etc.) están provistas de un motor denominado motor de cuatro tiempos. El ciclo que describe el fluido de trabajo de dichas máquinas se denomina ciclo de Otto. En el ciclo de Otto, el fluido de trabajo es una mezcla de aire y gasolina que experimenta una serie de transformaciones (seis etapas, aunque el trabajo realizado en dos de ellas se cancela) en el interior de un cilindro provisto de un pistón.
Descripción del ciclo
Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes: 1) Admisión
El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E →A.
2) Compresión
El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla 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.
Combustión
Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B →C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.
3) Expansión
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.
4) Escape
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. 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 isócora D →A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara 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 . En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.
Análisis termodinámico Suposiciones:
Inicialmente se realiza el análisis por la primera ley de la termodinámica para cada etapa del ciclo. Se considera un sistema cerrado en estado estacionario. Los cambios en las energías cinética y potencial del fluido se consideran despreciables. Las pérdidas de presión en la entrada, combustión y escape de los gases se consideran despreciables. No se consideran pérdidas por fricción entre el pistón y el cilindro.
Eficiencia en función del calor
Al analizar el ciclo Otto ideal, podemos despreciar en el balance los procesos de admisión y de escape a presión constante A→E y E→A, ya que al ser idénticos y reversibles, en sentido opuesto, todo el calor y el trabajo que se intercambien en uno de ellos, se cancela con un término opuesto en el otro. Intercambio de calor
De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabáticos A→B y C→D, por definición. Sí se intercamb ia en los dos procesos isócoros(isométrico), B →C y D→A. En la combustión de la mezcla B-C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen constante, el calor coincide con el aumento de la energía interna, calculándose:
En la expulsión de los gases D-A, el aire escapa a una temperatura mayor que la que tiene a la entrada, liberando posteriormente un calor Qf al ambiente, su signo es negativo porqué es expulsado desde el sistema hacia el ambiente. Su valor, como en el caso anterior, es:
Trabajo realizado en el ciclo
Solo se realiza trabajo en las dos transformaciones adiabáticas. Durante la compresión de la mezcla A-B, se realiza un trabajo positivo sobre la mezcla, como es un proceso adiabático, todo este trabajo se emplea en elevar la energía interna, incrementándose la temperatura:
Durante la expansión C-D es el fluido quien realiza trabajo sobre el pistón, que tiene signo negativo, por ser el sistema el que lo realiza. Este trabajo equivale a la variación de la energía interna.
Por lo que el trabajo útil que produce el motor, será igual al generado por el motor menos el que necesita para poder funcionar:
Como estamos hablando de un ciclo termodinámico, el incremento de energía interna tiene que ser nulo, por lo que el calor neto que se introduce en el ciclo tiene que se igual al trabajo útil realizado, es decir:
Rendimiento del ciclo
El rendimiento o eficiencia de una máquina térmica se define, como el cociente entre el trabajo neto útil (W) y el calor total producido en la combustión (Qc). Es decir:
El rendimiento se suele expresar en función de la temperatura, responde a la siguiente expresión:
Por lo tanto, el rendimiento o eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de compresión, y no de la temperatura tras la combustión, o de la cantidad de calor que introduce ésta. Igualmente el rendimiento se suele expresar en función de la relación de compresión, con lo que su expresión será:
Donde r es la relación de compresión es decir el cociente entre el volumen del cilindro cuando el pistón se encuentra en el PMI y el volumen cuando el pistón se encuentra en el PMS.
Rendimiento en función de la razón de compresión: Aplicando la ley de Poisson:
Con r = V A / V B la razón de compresión entre el volumen inicial y el final.
El rendimiento en un motor de ciclo Otto, depende además del diseño mecánico del motor, de:
La compresión, cuanto mayor sea la compresión mayor será el rendimiento térmico del motor y tanto más se aprovechará su combustible; aunque la compresión está limitada por el límite de detonación, que implica una combustión irregular de la mezcla inflamada, incluso una auto combustión, sin necesidad de chispa lo que provoca sobrecargas y posibles daños en el motor. Desarrollo y calidad de la combustión, depende de que el combustible y el aire se mezclen íntimamente, al objeto de que durante el tiempo que dure la combustión, el combustible se queme del modo más completo posible, para lo que también es importante que el frente de la llama avance uniformemente, tanto en el espacio como en el tiempo, hasta que se haya quemado todo el combustible. Mezcla de aire y combustible, El consumo de combustible depende de la proporción de la mezcla, produciéndose el consumo mínimo para una proporción denominada estequiométrica de 14,7:1, lo que quiere decir que por cada kg de combustible debemos utilizar 14,7 kg de aire, es decir por cada litro de combustible se necesitan unos 10000 litros de aire.
Ciclo Otto real
Lo cierto es que el ciclo real de un motor de encendido por chispa difiere ligeramente del ideal por los siguientes motivos:
La válvula de admisión permanece abierta un cierto tiempo hasta después de que el pistón comience a descender, para conseguir que entre algo más de aire. Es el llamado Retraso al Cierre de la Admisión (RCA). La válvula de escape también se adelanta en la Apertura del Escape (AAE) para que los gases de la combustión salgan un poco antes de que el pistón llegue al PMI, para que salga la mayor cantidad posible de gases quemados. El proceso de ignición del combustible no es instantáneo, y la chispa salta antes de que el pistón alcance el PMS para optimizar el proceso de combustión.
Esto provoca que el diagrama real difiera ligeramente del diagrama ideal, siendo el trabajo producido, llamado trabajo indicado (WI) algo inferior al teórico (WT).
La relación entre ambos es el llamado rendimiento del diagrama:
Como además siempre existen pérdidas en los mecanismos de transmisión, el trabajo que realmente se dispone en el eje es una parte del trabajo indicado del ciclo real, llamándose rendimiento mecánico a la relación que existe entre ambos, es decir:
EJERCICIOS 1) Un motor funciona según un ciclo Otto ideal con una relación de compresión r=8. Al comenzar la compresión, el aire se encuentra a 100 kPa y 17°C (290K). Durante la combustión se añaden 800 kJ/kg de calor. (Coeficiente adiabático del aire γ=1,4).
Dibujar el diagrama p-V del ciclo y calcular
La temperatura máxima. Presión máximas producidas en el ciclo. Rendimiento del motor.
Solución: Temperatura máxima, será debida a la transformación de compresión y al proceso de ignición.
Y el segundo incremento de temperatura será debido al proceso de combustión, y para calcularlo:
Donde Pm=28,97 g/mol, es el peso molecular del aire. Por lo que despejando, se obtiene:
Presión máxima La presión también se incrementa en dos fases, durante la compresión y durante la ignición, pero para calcular la presión máxima basta con calcular la presión en el punto C, lo que podemos hacer aplicando la ley de los gases ideales:
Rendimiento: El rendimiento de un ciclo Otto ideal con una razón de compresión r=8, y γ=1,4 es:
2) Un motor de gasolina consume 8 l/h de gasolina, cuya densidad es de 0,75 Kg/l y cuyo poder calorífico es de 9.900 Kcal/Kg. Si el rendimiento global del motor es del 35% y gira a 3.800 r.p.m., determinar el par motor que su ministra.
En la combustión tenemos que:
En el motor:
Obtendremos el par a partir de la expresión:
Donde: P: potencia expresada en watts; M: momento N.m; w: velocidad de giro rad/s.
3)
Un motor con un rendimiento del 45,30% consume 9 litros de combustible a la hora. Considerando que la densidad del combustible es de 0,72 g/cm3 y su poder calorífico Pc = 10000 kcal/kg. Determinar: a) Potencia absorbida por el motor (la potencia se expresará en CV). b) Potencia al freno (la potencia se expresará en CV).
Solución: Nota: revisar equivalencia de potencia en cv en anexos
CONCLUSIONES
Se puede decir que las características principales del ciclo Otto son que este es un ciclo en el cual se presentan dos tipos de procesos dos adiabáticos y dos isométricos. En un motor este se caracteriza por aspirar una mezcla de aire-combustible.
La principal aplicación del ciclo Otto es a los motores de combustión interna (MCI), los mismo que operan en 4 tiempos, que son: Admisión, compresión-combustión, expansión y escape.
Mediante la gráfica presión volumen generada por el ciclo Otto su pudo reconocer que en los ciclos de expansión y compresión se dan procesos adiabáticos, mientas que en las etapas de admisión y escape se presentan procesos isométricos.
ANEXOS Ciclos de motor a 4 tiempos
Equivalencias de unidades de potencia
Bibliografía
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