ciclo otto
DESCRIPTION
El ciclo de otto y sus diferentes aplicacionesTRANSCRIPT
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 1/17
I.- ENUNCIADO
Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este
ciclo está formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el
rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión:
Siendo r = VA / VB la razón de compresión igual al cociente entre el volumen al
inicio del ciclo de compresión y al final de él. Para ello, halle el rendimiento a
partir del calor que entra en el sistema y el que sale de él; exprese el resultado
en términos de las temperaturas en los vértices del ciclo y, con ayuda de la ley
de Poisson, relacione este resultado con los volúmenes VA y VB.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 2/17
I
Un ciclo Otto ideal es un
de explosión. Las fases
Admisión (1)
El pistón baja con la vá
mezcla (aire + combusti
a presión constante (ya
exterior). En el diagrama
Compresión (2)
El pistón sube compri
supone que la mezcla
ambiente, por lo que
adiabática reversible A
factores irreversibles co
Combustión
Con el pistón en su p
generado en la combus
temperatura a volumen
I.- DESCRIPCIÓN DEL CICLO
a aproximación teórica al comportamien
de operación de este motor son las sigui
lvula de admisión abierta, aumentando
le) en la cámara. Esto se modela como
que al estar la válvula abierta la presió
PV aparece como la línea recta E→A.
iendo la mezcla. Dada la velocidad
no tiene posibilidad de intercambiar
l proceso es adiabático. Se modela
B, aunque en realidad no lo es por l
o la fricción.
unto más alto, salta la chispa de la
tión calienta bruscamente el aire, que
rácticamente constante (ya que al pistó
to de un motor
entes:
la cantidad de
una expansión
n es igual a la
el proceso se
calor con el
omo la curva
presencia de
bujía. El calor
incrementa su
no le ha dado
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 3/17
tiempo a bajar). Esto
claramente irreversible,
ideal el balance es el mi
Expansión (4)
La alta temperatura del
sobre él. De nuevo, por
adiabática reversible C
Escape (5)
Se abre la válvula de es
una temperatura mayor
de mezcla fría en la sig
intercambia masa con
que sale y la que entr
suponer que es el mism
dos fases. Cuando el pi
aproximadamente const
empuja el aire hacia el
A→E, cerrando el ciclo.
En total, el ciclo se co
por la que se le llama m
En un motor real de e
forma que la expansión
otros.
e representa por una isócora B→C.
pero para el caso de un proceso isóc
mo que en uno reversible.
gas empuja al pistón hacia abajo, rea
ser un proceso muy rápido se aproxima
D.
cape y el gas sale al exterior, empujado
que la inicial, siendo sustituido por la
iente admisión. El sistema es realment
l exterior. No obstante, dado que la c
es la misma podemos, para el balan
o aire, que se ha enfriado. Este enfriami
tón está en su punto más bajo, el volum
ante y tenemos la isócora D→A. Cu
exterior, con la válvula abierta, emplea
pone de dos subidas y dos bajadas d
tor de cuatro tiempos.
xplosión varios cilindros actúan simult
de alguno de ellos realiza el trabajo de
Este paso es
oro en un gas
lizando trabajo
por una curva
por el pistón a
isma cantidad
e abierto, pues
ntidad de aire
ce energético,
iento ocurre en
en permanece
ndo el pistón
os la isobara
l pistón, razón
neamente, de
compresión de
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 4/17
III.-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.
1.- 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 intercambia en los
dos procesos isócoros.
En la ignición 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
El subíndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco
caliente.
En la expulsión de los gases D→A el aire sale a una temperatura mayor que a
la entrada, liberando posteriormente un calor | Qf | al ambiente. En el modelo
de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se
comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor | Qf |
es liberado en el proceso D→A, por enfriamiento. El valor absoluto viene de
que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su
valor, análogamente al caso anterior, es
El subíndice "f" viene de que este calor se cede a un foco frío, que es el
ambiente.
2.- TRABAJO REALIZADO
De forma opuesta a lo que ocurre con el calor, no se realiza trabajo sobre el
sistema en los dos procesos isócoros. Sí se realiza en los dos adiabáticos.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 5/17
En la compresión de la mezcla A→B, se realiza un trabajo positivo sobre el
gas. Al ser un proceso adiabático, todo este trabajo se invierte en incrementar
la energía interna, elevando su temperatura:
En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De nuevo
este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna
Este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza.
El trabajo útil realizado por el motor será el trabajo neto entregado, igual a lo
que produce (en valor absoluto) menos lo que emplea en funcionar
Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es nula al
finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema debe
ser igual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto.
Como se comprueba sustituyendo las relaciones anteriores.
3.- RENDIMIENTO
El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general
como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que
sacamos es el trabajo neto útil, | W |. Lo que nos cuesta es el calor Qc, que
introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que ese
calor se cede al ambiente y no es reutilizado. Por tanto
Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores
Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 6/17
IV.-EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LAS TEMPERATURAS
Sustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema, | Qc |, y el que
sale de él, | Qf |, obtenemos la expresión del rendimiento
Vemos que el rendimiento no depende de la cantidad de aire que haya en la
cámara, ya que n se cancela.
Podemos simplificar estas expresiones observando que B→C y D→A son
procesos isócoros, por lo que
Y que A→B y C→D son adiabáticos, por lo que cumplen la ley de Poisson
(suponiéndolos reversibles)
Con γ = 1.4 la relación entre las capacidades caloríficas a presión constante y a
volumen constante. Sustituyendo la igualdad de volúmenes
Y dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones
Restando la unidad a cada miembro
Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del
último llegamos a
Y obtenemos finalmente el rendimiento
Esto es, la 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.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 7/17
Puesto que TB < TC, siendo TC la temperatura máxima que alcanza el aire,
vemos ya que este ciclo va a tener un rendimiento menor que un ciclo de
Carnot que opere entre esas las temperaturas TA y TC.
V.- EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LA RAZÓN DE COMPRESIÓN
Aplicando de nuevo la relación de Poisson
Podemos expresar el rendimiento como
Con r = VA / VB la razón de compresión entre el volumen inicial y el final.
La eficiencia teórica de un ciclo Otto depende, por tanto, exclusivamente de la
razón de compresión. Para un valor típico de 8 esta eficiencia es del 56.5%.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 8/17
EJEMPLO PRÁCTICO
Supongamos un ciclo Otto ideal con una relación de compresión de 8. Al inicio
de la fase de compresión, el aire está a 100 kPa y 17°C. En la combustión se
añaden 800 kJ/kg de calor. Vamos a determinar la temperatura y la presión
máximas que se producen en el ciclo, la salida de trabajo neto y el rendimientode este motor.
1.- TEMPERATURA MÁXIMA
El aire contenido en el motor se calienta en dos fases: durante la compresión y
como consecuencia de la ignición.
En la compresión, obtenemos la temperatura final aplicando la ley de Poisson
Sustituyendo los valores numéricos
El segundo incremento de temperatura se produce como resultado de la
combustión de la gasolina. De acuerdo con los datos, la cesión de calor es de
800 kJ por kg de aire, esto es, es un dato relativo. Obtenemos el incremento de
temperatura como
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 9/17
Siendo
El peso molecular medio del aire. Despejando y sustituyendo
Vemos que en la combustión la temperatura crece el triple que en la
compresión.
2.- Presión máxima
La presión también se incrementa en dos fases, pero para hallar la presión
máxima no necesitamos calcular los incrementos por separado. Nos basta con
hallar la presión en el punto C y esto lo podemos hacer aplicando la ley de los
gases ideales
El volumen en C es el mismo que en B y este lo sacamos del volumen Amediante la razón de compresión
Aplicando de nuevo la ley de los gases ideales obtenemos finalmente
Tanto en el cálculo de la temperatura como en el de la presión máxima hemosusado la aproximación de que la capacidad calorífica molar del aire es la
misma a todas las temperaturas. Un cálculo preciso requiere usar las tablas
empíricas de variación de CV con T y los resultados correctos pueden diferir en
torno a un 10%.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 10/17
3.- RENDIMIENTO
El rendimiento de un ciclo Otto ideal con una razón de compresión de 8 es
Cuando se tiene en cuenta que la capacidad calorífica varía con la
temperatura, resulta un valor inferior para el rendimiento, en torno al 52%.
4.- TRABAJO NETO
El trabajo neto (por unidad de masa) lo podemos obtener conocidos el calor
que entra y el rendimiento del ciclo
No obstante, podemos desglosar el cálculo, hallando cuánto cuesta comprimir
el aire, y cuanto trabajo devuelve el gas en la expansión.
El trabajo de compresión por unidad de masa es
Y el devuelto en la expansión
La temperatura en el punto D no la conocemos, pero la podemos calcular
sabiendo que los puntos C y D están unidos por una adiabática
Y resulta un trabajo de expansión
El trabajo neto, igual al que desarrolla el gas, menos lo que cuesta comprimirlo
es
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 11/17
LÍMITES PRÁCTICOSEl cálculo anterior establ
explosión. De acuerdo c
es incrementar la razón
incrementar indefinidam
este se calienta, siendo
TB = TArγ − 1
Si esta temperatura eignición, en la cual la ga
la chispa de la bujía. E
debe ser evitado. Para
octanaje, o emplear
prohibidos.
Una segunda fuente de
aproximación al ciclo re
correspondientes ademá
lece un límite máximo para la eficiencia
on esta expresión la forma de aumentar
de compresión r. Sin embargo, esta raz
ente. Uno de los motivos es que al co
su temperatura al final de la compresión
lo suficientemente alta, puede prodsolina se quema espontáneamente ant
to tiene efectos destructivos para el m
vitar la auto ignición puede usarse gas
ditivos, como algunos derivados d
limitación lo da el que el ciclo Otto ide
l. En el ciclo real los procesos son curv
s a procesos irreversibles
e un motor de
el rendimiento
n no se puede
mprimir el gas
ucirse la auto s de que salte
tor, por lo que
olina de mayor
l plomo, hoy
al es solo una
s más suaves,
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 12/17
Entre los efectos irreversibles no considerados en el ciclo ideal destaca la
fricción del émbolo con el cilindro. Esta fricción disipa energía por
calentamiento (que en ausencia de aceite llega a gripar el motor, por fusión de
las piezas). Por todo ello, el rendimiento de un motor de explosión real puede
estar en torno al 25% o 30%.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 13/17
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
“ I LO DE OTTO”
PROFESOR :Ing. QUISPE CHIPANA, Pánfilo
ALUMNA :BAUTISTA LOPEZ, JandyORE HUAMAN, Roly
CICLO :V
AYACUCHO- PERÚ2013
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 14/17
INTRODUCCION
La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de larelación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de lacámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en lamayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporcionesmayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero estediseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos paraevitar la detonación.
Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número deoctanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión altarequiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos dela detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustibleantes de producirse la chispa en la bujía.
El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan arendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación decompresión.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 15/17
CONCLUSION
• El ciclo Otto es un ciclo cerrado, que utiliza una mezcla de aire y
gasolina o aire y gas y para su ignición tiene la ayuda de una chispa
eléctrica producida por el sistema de encendido. Este ciclo consta de 4
etapas o tiempos. Admisión, compresión, expansión, escape.
• El ciclo Otto es un 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.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 16/17
OBJETIVOS
• Analizar el ciclo estándar de aire como una base para el análisis de losmotores de combustión interna.
• Utilizar un modelo de ciclo estándar de aire de Carnot para determinar la eficiencia teórica de un ciclo.
• Analizar el Ciclo Otto como un ciclo de aire estándar de aire a volumenconstante
• Determinar la eficiencia de un ciclo Otto.
7/17/2019 Ciclo Otto
http://slidepdf.com/reader/full/ciclo-otto-568db612ee1ea 17/17
BIBLIOGRAFIA
• Yunus, Cengel, Boles. Termodinámica. Editorial Mac. Graw Hill. (LIBROVIRTUAL)
• Keith Sherwin. Introducción a la Termodinámica.
• www.monografias.com (Ingeniería Termodinámica).
• Octave Levenspiel. Fundamentos de Termodinámica. Editorial PrenticeHall
• www.wikipedia.com (Textos principales para este tema).