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Ciclo Otto

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by

Sebastián Pérez

on 19 January 2015

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Transcript of Ciclo Otto

Ciclo Otto
Integrantes:
David Medina
Julián Guascal
Sebastián Pérez

Objetivos
General

-Dar a conocer las generalidades del ciclo Otto.

Específicos

-Dar a conocer las principales características del ciclo Otto.
-Identificar y analizar las principales aplicaciones del ciclo Otto.
-Conocer, identificar y analizar las gráficas en función del volumen y presión generada por el ciclo Otto.

Marco teórico
-Historia
-Nació el 10 de junio de 1832
-Ingeniero alemán
-Diseñó el motor de combustión interna junto con Etienne Lenoir.
-Primero en convertirlo en algo práctico.
-Otto fabrica su primera máquina en 1867.




-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.
-Accionamiento de vehículos, trenes, barcos y aviones.
-En 1884, la patente de Otto se hizo pública.
-Muere el 26 de enero de 1891



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.
Enunciado
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. 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.

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 intercambia 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 ser 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.
Aplicando la ley de Poisson
Con r = VA / VB 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

Ciclo Otto real
• 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.

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 suministra.


Biografía
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).

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.


Bibliografia
• http://www.buenastareas.com/ensayos/Ejercicios-Ciclos-Otto-y-Diesel/5279481.html
• http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4932/html/2_motor_de_cuatro_tiempos_ciclo_de_otto.html
• http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/otto.html
• http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php
• http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2017279/pdf/und_5/cap5mci_termomagistral_II2011_agomez.pdf
• http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/otto.html
• http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto#Enunciado
• http://iesmonre.educa.aragon.es/dep/tecno/recursos/4tiempos.swf
• http://www.as.com/misc/graficos/flash/reglaas1.swf
• http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/13966/Motor%20de%20explosion%20de%204%20tiempos.swf?sequence=2
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