Ciclo otto Ing. EDWIN PACHECO PARADA

Nikolaus Otto

CICLO OTTO Máquinas de encendido de chispa.

Generalidades: El ciclo no implica fricción. Procesos de expansión y compresión se dan en forma de cuasiequilibrio. Las tuberías aisladas (pérdida de calor despreciable).

Aire Estandar El fluido de trabajo es aire y se comporta como un gas ideal. Todos los procesos int. reversibles. La combustión se sustituye por un proceso de adición de calor externo. El proceso de escape se sustituye por un proceso de rechazo de calor.

Generalidades: r = V PMI / V PMS PME = W NETO /( V PMI / V PMS )

Antecedentes:

Fases del Ciclo Otto: Admisión. Compresión. Combustión (carrera de fuerza). Escape.

Ciclo Otto - Ciclo termodinámico 1-2 Compresión adiabática 2-3 Combustión en volumen constante 3-4 Expansión adiabática 4-1 Escape de calor en volumen constante

El funcionamiento del motor de cuatro tiempos Otto, está compuesto por cuatro tiempos. Estos son: Admisión, compresión, explosión y escape. Un ciclo del motor, está compuesto por dos vueltas del cigüeñal. Los tiempos serán explicados a continuación.

Admision:

Tiempo 1:Admisión El pistón se encuentra arriba, la válvula se abre permitiendo el ingreso de combustible y aire a través de las lumbreras. El pistón se mueve hacia abajo para permitir el ingreso de la mezcla. Se necesita una muy pequeña cantidad de combustible.

Compresion:

Tiempo 2: Compresión Cuando el pistón vuelve hacia arriba, comprime la mezcla, esta compresión hace más poderosa la explosión.

Combustion:

Tiempo 3: Explosión Cuando el pistón alcanza la parte superior la bujía emite una chispa que enciende el combustible, que se encuentra en el cilindro..

Escape:

Tiempo 4: Escape Una vez que el pistón llega al fondo, la válvula de salida se abre, se expulsan los gases de la combustión y deja que el pistón vuelva a subir. El cilindro está listo para un nuevo ciclo y carga de combustible y aire.

Analisis Termodinamico:

Finalmente, podemos ver el gráfico que nos dejan los cuatro tiempos. Esquema de un ciclo Otto de 4 tiempos en un diagrama PV. El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico, pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo E-A: admisión a presión constante A-B: compresión isotérmica B-C: Explosión o combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil C-D: fuerza, expansión adiabática. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante.

Desviaciones entre el ciclo teorico y el real optimo

Aspiracion: La válvula de admisión se abre y se aspira una carga de aire y combustible a una presión, teóricamente, igual a la atmosférica, provocando el descenso del pistón. La válvula de escape permanece cerrada. En el ciclo real la presión del gas durante la aspiración es inferior a la presión atmosférica, por lo tanto, el cierre de la válvula de admisión se produce después que el pistón llega al extremo inferior de su carrera, es decir, se prolonga el período de admisión y entra en el cilindro la máxima cantidad de mezcla de aire y combustible.

Compresion: No existe intercambio de calor entre el gas y las paredes del cilindro. La válvula de admisión y la de escape están cerradas y el pistón comienza a subir, comprimiendo la mezcla que se vaporiza. En el ciclo real, el gas cede calor al cilindro, por consiguiente el gas se enfría y adquiere menos presión.

Combustion*: Ambas válvulas permanecen cerradas. Al llegar el pistón a la parte superior de su carrera, el gas comprimido se inflama por la chispa de la bujía. La combustión de toda la masa gaseosa es instantánea, por lo tanto el volumen no variará, y la presión aumentará rápidamente. En el ciclo real la combustión no es instantánea y el volumen de la mezcla va variando mientras se propaga la inflamación.

Expansion : El gas inflamado empuja al pistón. Durante la expansión, no hay intercambio de calor, al aumentar el volumen, la presión aumenta. El aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la combustión produce, en la expansión, que los gases cedan calor al cilindro y se enfrían, dando como resultado una presión menor.

Escape: Cuando el pistón se encuentra en el extremo inferior de su recorrido, la válvula de admisión permanece cerrada y se abre la de escape, disminuyendo rápidamente la presión, sin variar el volumen interior. Luego manteniéndose la presión igual a la atmosférica, el volumen disminuye. En la realidad el escape no se hace instantáneamente, sino que en este período los gases tienen aún una presión superior a la atmosférica.

Motor de cuatro tiempos -Tiempos: 1. Admisión2. Compresión 3. Combustión4. Escape Ventaja: Desventaja: EficienteComplejo EconómicoCombustible altamente Peso medianorefinado

Motor de dos tiempos -Modificación del motor de cuatro tiempos Une dos tiempos en uno: 1. Admisión y compresión 2. Expansión y escape Ventaja: Desventaja: CensilloQuema aceite LivianoIneficiente EconómicoAlta vibración

Motor ciclo Otto Casi todos los autos utilizan lo que se llama motores de combustión de cuatro tiempos. Estos motores fueron creados por Nikolaus Otto en Estos motores utilizan como combustible

Aquí se muestra como irían todas las partes del motor puestas como para formar uno.

Partes del motor de Otto A.Válvula de admisión, resortes, B.Cubierta C.Admisión D.Cabeza E.Refrigerante F.Block del motor G.Cárter

Partes del motor de Otto H.Aceite I.Leva. J.Válvula de salida, brazo y resorte K.Bujía L.Escape M.Pistón N.Brazo de conexión (Biela) O.Codos del Cigüeñal P.Cigüeñal

A continuación, se hará una comparación entre el motor de 2 tiempos y el de 4 tiempos. Desde esa comparación, sacaremos las ventajas y desventajas del motor

Ejemplo V desplazamiento = 3L = m 3 rpm = 4000 rpm r = 9.5 P A = 1.00 x 10 5 Pa T A = 300K T C = 1623 K c V = 718 J/kg K c P = 1005 J/kg K R = 287 kPa/m 3 /kg K  = 1.4 V B = Vdesp/(6(r–1)) = x 10 –5 m 3 V A = r V B = m 3 m = P A V A /(RT A ) = 6.49 x 10 –4 kg P B = P A (V A /V B )  = 2.34 x 10 6 Pa T B = P B V B /(R m)= K P C = m R T C /V B = 5.14 x 10 6 Pa P D = P C (V B /V A )  = 2.20 x 10 5 T D = P D V A /(m R )= K c P – c V = 287 Q c = Q entra = m c V (T C – T B ) = J Q f = Q sale = m c V (T D – T A ) = J W neto = Q c – Q f = J Potencia = (6/2) (rpm/60) Wneto = W = W/740 = hp Un motor de gasolina opera con un volumen de desplazamiento de 3L a 4000 rpm y una razón de compresión de 9.5. Suponga T A = 300, R = 287 kJ/kg K, T C = 1623 K y se utilizan calores específicos no molares.

Solución con octave Datos Vdesp = 0.003; rpm = 4000; r = 9.5; PA = 1e5; TA = 300; TC = 1623; cV = 718; cP = 1005; R = 287; gamma = 1.4; Solución VB = Vdesp/(6*(r-1)) VA = r*VB m = PA*VA/R/TA PB = PA*(VA/VB)^gamma TB = PB*VB/R/m PC = m*R*TC/VB PD = PC*(VB/VA)^gamma TD = PD*VA/R/m cP-cV Qc = m*cV*(TC-TB) Qf = m*cV*(TD-TA) W = Qc-Qf Pot = 6/2*rpm/60*W Pot = Pot/740