Objetivo

Nos fijamos en el diseño de un ciclo Otto y en cómo se puede mejorar su rendimiento cambiando su relación de compresión volumétrica. Ciclo Otto un ciclo cerrado (donde el sistema es una masa de control), comúnmente utilizado para modelar los cilindros de encendido por chispa, combustión interna, motores de automóvil, es decir, motores de gasolina.

La idea general

El ciclo Otto es muy similar al ciclo diesel en que ambos son ciclos cerrados comúnmente utilizados para modelar motores de combustión interna. La diferencia entre ellos es que el ciclo Otto es un ciclo de encendido por chispa en lugar de un ciclo de encendido por compresión como el ciclo diesel. Los ciclos de encendido por chispa están diseñados para utilizar combustibles que requieren una chispa para comenzar la combustión.

Etapas de Ciclos Otto

Los ciclos Otto tienen cuatro etapas: expansión, enfriamiento, compresión y combustión.

	Figura 1: movimiento hacia arriba durante la expansión	Expansión: En el ciclo Otto, el combustible se quema para calentar el aire comprimido y el gas caliente se expande forzando al pistón a viajar hacia arriba en el cilindro. Es en esta fase que el ciclo aporta su trabajo útil, girando el cigüeñal del automóvil. Hacemos la suposición ideal de que esta etapa en un ciclo Otto ideal es isentrópica.Pistón : se mueve del centro muerto inferior al centro muerto superior.
	Figura 2: centro muerto superior durante el enfriamiento	Refrigeración: A continuación, el aire expandido se enfría a las condiciones ambientales. En un motor de automóvil real, esto corresponde a agotar el aire del motor al medio ambiente y reemplazarlo con aire fresco. Dado que esto sucede cuando el pistón está en la posición central muerta superior del ciclo y no se mueve, decimos que este proceso es isocórico (sin cambio de volumen).Pistón : en el centro muerto superior.
	Figura 3: mover hacia abajo durante la compresión	Compresión: En preparación para agregar calor al aire, a continuación lo comprimimos moviendo el pistón hacia abajo por el cilindro. Es en esta parte del ciclo que contribuimos con el trabajo al aire. En el ciclo Otto ideal, esta compresión se considera isentrópica. Es en esta etapa que establecemos la relación de compresión volumétrica, r que es la relación entre el volumen del fluido de trabajo antes del proceso de compresión y su volumen después. Resulta que la eficiencia del ciclo Otto (suponiendo que el aire es un gas ideal) se puede describir completamente en términos de esta relación. Pistón: moviéndose del centro muerto superior al centro muerto inferior.
	Figura 4: centro muerto inferior durante la combustión	Combustión: A continuación, se agrega calor al aire mediante la combustión de combustible cuando el pistón está en la posición central muerta inferior. La combustión no se inicia hasta que se genera una chispa (de una bujía, por ejemplo) en el cilindro. Debido a que el pistón es esencialmente inmóvil durante esta parte del ciclo, decimos que la adición de calor es isocórica, como el proceso de enfriamiento.Pistón : en el centro muerto inferior.

Diagrama P-v

El diagrama P-v para un ciclo Otto se muestra a continuación.

Figura 5: Diagrama P-v de ciclo Otto

Ejemplo Diseño de ciclo Otto

Declaración de problema

A efectos de ilustración, asumiremos que queremos diseñar un ciclo Otto que tome 1 kg de aire en condiciones ambientales de 15°C y 100 kPa, lo comprime a una octava parte de su volumen original y agrega 1800kJ de calor en su proceso de combustión. Con lo que sabemos sobre Otto cycles, eso es todo lo que necesitamos para describir completamente el problema.

Implantación de un ciclomotor

A continuación se muestra un posible diseño de un ciclomotor de un ciclo Otto.

Figura 6: Ciclo Otto en CyclePad

el fluido de trabajo

El fluido de trabajo más común para un ciclo Otto es el aire, ya que es lo más barato en el que quemar gasolina. Podemos elegir el aire como nuestro fluido de trabajo como aire seleccionándolo como la sustancia en la ventana del medidor de cualquier cosa.

Descripción de las Etapas del Ciclo

Examinaremos brevemente cada punto de estado y proceso del ciclo Otto donde se deben hacer suposiciones de diseño, detallando cada suposición. Como podemos ver en las restricciones de diseño de ejemplo, se necesitan especificar muy pocos números para describir un ciclo Otto ideal. El resto de los supuestos se determinan aplicando el conocimiento de fondo sobre el ciclo. La decisión de diseño numérico principal es la relación de compresión.

Propiedades del ciclo

En el elemento de menú Ciclo, podemos abrir la ventana del medidor de propiedades del ciclo. La única suposición necesaria aquí es que el ciclo es un motor térmico (un dispositivo para convertir el calor en trabajo) para que CyclePad sepa cómo evaluar su eficiencia.

Preexpansión (S1)

Aquí no hay especificaciones necesarias, aunque es un lugar tan bueno como cualquier otro para especificar que el fluido de trabajo sea aire.

Proceso de expansión (EXP1)

Dado que estamos analizando un ciclo Otto ideal, asumimos que la expansión es isentrópica. Si supiéramos cuánta pérdida de calor se produjo en la expansión y el trabajo que produjo, podríamos ser capaces de especificar los aquí en lugar de modelar un proceso de expansión no ideal.

Escape (posterior a la expansión) (S2)

Aquí no hay especificaciones necesarias. Aquí es donde liberamos el aire usado al medio ambiente.

Proceso de enfriamiento (CLG1)

Dado que el reemplazo del aire gastado por aire fresco ocurre cuando el pistón está en su posición central muerta superior, asumimos que el proceso de enfriamiento es isocórico.

Precompresión (S3)

En este punto, tenemos aire entrando en el cilindro en condiciones ambientales, por lo que asumimos que la temperatura t es de 15% deg;C y la presión es de 100 kPa, como se especifica en la declaración del problema.

Proceso de compresión (CMP1)

Aquí asumimos que la compresión para el ciclo Otto ideal es isentrópica y que nuestra relación de compresión es 8, como se indica en la declaración del problema.

Post-compresión (S4)

No hay especificaciones necesarias aquí.

Proceso de combustión (HTG1)

Aquí asumimos que el calentamiento (que tiene lugar mientras el pistón está en el centro muerto inferior y no se mueve, similar al enfriamiento) es isocórico y también asumimos que el calor agregado (Q) es de 1800 kJ.

Eficiencia del ciclo Otto

Podemos mirar de nuevo en la ventana del medidor de Propiedades del ciclo para ver que la eficiencia térmica del ciclo Otto que hemos construido es de aproximadamente el 57,5%.

Figura 7: Propiedades del ciclo

Resulta que la eficiencia térmica del ciclo Otto se puede expresar en términos de la relación de compresión volumétrica. Que es:

h =

Qin – Qout —– Alex

= 1 – 1/(rk-1)

donde k es la relación de calor específico ( = Cp / Cv).

Para que podamos mejorar la eficiencia del ciclo aumentando la relación de compresión. La siguiente figura muestra la relación gráficamente.

Figura 8: Eficiencia de ciclo vs. Relación de compresión volumétrica

Por lo tanto, si cambiáramos el valor de r a 10, nuestra eficiencia de ciclo aumentaría a más del 60%, lo que es una mejora significativa.

Esto plantea la pregunta obvia: ¿Por qué no establecer la relación de compresión en algo muy grande para obtener la mayor eficiencia? La respuesta es doble. En primer lugar, nuestra relación de compresión está limitada por restricciones mecánicas en el sistema. Si la presión en el cilindro es demasiado alta, la posibilidad de romper el pistón, el cilindro o alguna otra parte del motor. Por ejemplo, los rodamientos son propensos a fallar en motores de automóviles que funcionan con relaciones de compresión demasiado altas. La siguiente gráfica muestra la relación entre la presión máxima del ciclo y la relación de compresión.

Figura 9: Presión de ciclo máxima vs. Relación de compresión volumétrica

Al tomar la relación de compresión de 8 a 11, por ejemplo, hemos aumentado la presión de ciclo máxima de poco menos de 9 Mpa a casi 12,5 Mpa.

Además, a medida que aumentamos la relación de compresión, el aumento de la presión y la temperatura después del proceso de compresión aumenta la probabilidad de diesel, que describe una situación en la que el combustible se enciende por sí solo, antes de que se aplique la chispa de encendido. Esto entra en conflicto con nuestra suposición de que la ignición (y por lo tanto la combustión) tiene lugar cuando el pistón está en la posición isocórica del centro muerto inferior. Además, en realidad puede provocar daños en el motor cuando la combustión tiene lugar incluso antes de que el pistón haya terminado de atravesar el proceso de compresión y fuerza el respaldo del pistón antes de que el eje de la manivela haya girado a la posición adecuada (antes de que haya pasado de la orientación mostrada en la figura 3 a la de la figura 4).

Archivos de diseño de CicloPad

Descargue el diseño de CicloPad del ciclo Otto.

Entradas relacionadas

• Ciclo diesel
• Diseño de un ciclo Rankine

Fuentes

Whalley, P. B. 1992. Termodinámica de Ingeniería Básica.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Fundamentals of Classical Thermodynamics, 4ª edición.John Wiley e Hijos. ISBN: 0-471-59395-8

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