Ciclo otto y diesel

Introducción

En la siguiente información conoceremos como trabaja el ciclo de Otto que es utilizado en motores que usan gasolina, y el ciclo diesel que es utilizado en motores que usan diesel.

También conoceremos las formulas matemáticas para saber el rendimiento de cada uno de ellos.

Sabremos en que se distinguen cada uno por ejemplo que el ciclo de Otto enciende por medio de chispazo y el de diesel por compresión.

Y son temas muy interesantes ya que día a día los utilizamos y no sabemos como funcionan.

Ciclo de Otto

Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

[pic 1]

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.

Proceso termodinámico

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:

Admisión (1)

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.

Compresión (2)

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.

Expansión (3)

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.

Escape (4)[pic 2]

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.

Aplicación

Motores de encendido provocado por chispa (Otto, Gasolina)

Los motores de encendido provocado por chispa de dos tiempos realizan toda las operaciones con dos recorridos del pistón. Generalmente, en vez de llevar válvulas, posee tres lumbreras (conductos): una de escape, otra de admisión y otra de transferencia, que quedan abiertas o cerradas, según la posición del pistón. Estos motores son típicos en:[pic 3]

• Las motocicletas
• Maquinaria agrícola ligera
• Grupos electrógenos  
• Motobombas

Ciclo diesel

Un motor diésel puede modelarse con el ciclo ideal formado por seis pasos reversibles. El rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

[pic 4]

siendo r = VA / VB la razón de compresión y rc = VC / VB la relación de combustión.

Proceso termodinámico

Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:

Admisión E→A

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire 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 una recta horizontal.

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