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ciclo otto

En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape.

En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son:

Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo.
Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo.
Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.

Este punto es un punto clave en el comportamiento real del ciclo, lo cual lo veremos más adelante.
Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.
Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.
Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigueñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos.

A continuación hay un enlace que muestra una animación del ciclo de un motor de cuatro tiempos. Para ver la animación, hacer click sobre la figura.

RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO:
Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo.

El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades:

Evoluciones:
La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan.
La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas como evoluciones isócoras (a volumen constante).
La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen adiabáticas sin roce. Es decir DQ12 = 0 y DQ34 =0.

rendimiento

con los signos explícitos:

sacando el factor comun T1 T2 para referir compresion a base

considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce:

dividiendo (2)/(1):

Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que:

en donde:

lamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que:

RENDIMIENTO REAL:
El rendimiento real del ciclo Otto difiere en varios aspectos del ciclo teórico. Esto se aborda en el siguiente acápite.