Ciclo Otto | Sus relaciones y fórmulas importantes

El Ciclo Otto, fundamental en los motores de gasolina, consta de cuatro tiempos: admisión, compresión, potencia y escape. Alcanza una eficiencia térmica de hasta el 25-30%. La relación de compresión, normalmente entre 8:1 y 12:1, influye directamente en la eficiencia y la producción de potencia.

Definición del ciclo Otto

“Un ciclo Otto es un ciclo termodinámico ideal que explica el funcionamiento de un motor de pistón de encendido por chispa típico y este ciclo explica específicamente qué sucede si la masa de gas se somete a cambios debido a la presión, temperatura, volumen, entrada de calor y liberación de calor."

La Motor de ciclo Otto | Diagrama de distribución de válvulas

  1. La válvula de entrada se abre en 5-100 antes del Top Dead Center. Esto es para asegurar que la entrada se abra completamente cuando el pistón alcance el TDC y la carga nueva comience a ingresar al cilindro tan pronto como sea posible después del TDC.
  2. La válvula de succión se cierra a 20-300 después del punto muerto inferior BDC para aprovechar el impulso de los gases en movimiento.
  3. La chispa tiene lugar 30 - 400 antes de TDC. Esto es para permitir un retraso de tiempo entre la chispa y la finalización de la combustión.
  4. La presión al final de la carrera de potencia está por encima de la atmosférica, lo que aumenta el trabajo para expulsar los gases de escape. Entonces la válvula de escape se abre a las 20-300 antes de BDC para que a BDC la presión se reduzca a la presión atmosférica y se pueda ahorrar trabajo útil.
  5. La válvula de escape se cierra a las 15-200 después del TDC, de modo que la inercia de los gases de escape tiende a barrer el cilindro, lo que aumentará la eficiencia volumétrica.

Eficiencia del ciclo Otto | eficiencia térmica del ciclo Otto Fórmula

La eficiencia del ciclo Otto está especificada por

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Donde r = relación de compresión.

Diagrama de ciclo Otto

Diagrama fotovoltaico del ciclo Otto | Diagrama TS del ciclo Otto

Diagrama fotovoltaico del ciclo Otto
Diagrama fotovoltaico
Diagrama TS del ciclo Otto
Diagrama TS

Otto, Diesel y ciclo dual | Comparación

Caso 1: Para una relación de compresión similar y un calor i / p similar, esta relación será

[Qin]ocho = [Qin]Diesel.

[QR]ocho<[QR]Diesel.

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

En este caso de la misma relación de compresión e igual aporte de calor, será

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Caso 2: En este caso de la misma relación de compresión y el mismo rechazo de calor, esta relación será

[Qin]ocho> [Qin]Diesel.

[QR]ocho= [QR]Diesel.

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

En este caso, la misma relación de compresión y el mismo rechazo de calor.

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Caso 3: En este caso de, misma Temperatura Máxima y mismo rechazo de calor.

[QR]ocho= [QR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]ocho

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D>\\eta_O

Para la misma temperatura máxima y el mismo rechazo de calor

\\eta_D>\\eta_{dual}>\\eta_O

Relación de compresión del ciclo Otto

La relación de compresión del ciclo Otto se define como la relación entre el volumen antes de la expansión y el volumen después de la expansión.

r=\\frac{V_s+V_c}{V_s}=\\frac{V_1}{V_2}

Donde vs = Volumen barrido del cilindro

Vc = Volumen de espacio libre del cilindro

En este ciclo, la relación de compresión es generalmente de 6 a 10. Está limitada a 10 debido a golpes en el motor.

Fórmula de presión media efectiva para el ciclo Otto

Por lo general, la presión dentro del cilindro en un motor IC cambia continuamente; La presión efectiva media es una presión imaginaria que se supone constante durante todo el proceso.

P_m=\\frac{P_1 r(r_p-1)(r^{\\gamma-1}-1)}{(\\gamma-1)(r-1)}

Donde rp = Relación de presión = P3/P2 = P4/P1

Análisis del ciclo Otto | Cálculos del ciclo Otto | Derivación de la eficiencia del ciclo Otto

 Considere un ciclo Otto estándar de aire con presión, volumen y temperatura iniciales como P1, V1, T1 respectivamente.

Diagrama fotovoltaico del ciclo Otto
Diagrama TS del ciclo Otto
Diagrama TS

Proceso 1-2: Compresión adiabática reversible.

\\frac{T_2}{T_1}=[\\frac{V_1}{V_2}]^{\\gamma-1}

Dónde,

r es la relación de compresión.

Proceso 2-3: La adición de calor a volumen constante se calcula como,

Qin = metro Cv [T3-T2].

Proceso 3-4: La expansión adiabática reversible se calcula como

\\frac{T_3}{T_4}=[\\frac{V_4}{V_3}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

Proceso 4-1: El rechazo de calor a Volumen constante será

QR = metro Cv [T4-T1]

Trabajo realizado = Qin - QR.

La eficiencia del ciclo Otto se representa como.

\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}

\\\\\\eta=1-\\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=\\frac{T_3}{T_4}\\\\\\\\ \\frac{T_4}{T_1}=\\frac{T_3}{T_2}\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Donde r = relación de compresión.

Funcionamiento del motor de dos tiempos

Los motores de dos tiempos funcionan tanto en ciclo Otto como en ciclo diésel.

Ciclo de Atkinson vs ciclo de Otto

Ciclo de AtkinsonCiclo Otto
El ciclo de Atkinson utiliza un diagrama de sincronización de válvulas ligeramente diferente. La válvula de entrada permanece abierta hasta el inicio de la carrera de compresión.La válvula de entrada se abre en 5-100 antes del Top Dead Center. Esto es para asegurar que la entrada se abra completamente cuando el pistón alcance el TDC y la carga nueva comience a ingresar al cilindro tan pronto como sea posible después del TDC.
Proporciona una mayor economía de combustible en comparación con el ciclo Otto.Proporciona una menor economía de combustible en comparación con el ciclo Atkinson.
Proporciona un pico de potencia más bajo en comparación con el ciclo Otto.Proporciona mayor potencia pico en comparación con el ciclo Atkinson.
Utilizado principalmente en vehículos híbridos donde motor eléctrico compensa la falta de potencia.Se utiliza principalmente en motores SI de 4 y 2 tiempos donde se requiere mayor potencia
dual
Ciclo dual Diagrama fotovoltaico

Ciclo de Brayton vs ciclo de Otto

Ciclo de BraytonCiclo Otto
La adición de calor a presión constante y el rechazo de calor tienen lugar en el ciclo Brayton.La adición de calor de volumen constante y el rechazo de calor tienen lugar en el ciclo Otto.
Tiene capacidad para manejar grandes volúmenes de gas a baja presión.No es capaz de manejar un gran volumen de gas a baja presión debido a la restricción en el espacio del motor alternativo.
Se experimentan altas temperaturas durante todo el proceso de flujo en estado estable.El motor experimenta altas temperaturas solo durante la carrera de potencia.
Apto para turbina de gasAdecuado para motores IC y SI.

Ventajas y desventajas del motor de ciclo Otto

Ventajas:

  • Este ciclo tiene más eficiencia térmica en comparación con el diesel y el ciclo dual para una relación de compresión idéntica y una tasa de entrada de calor igual y la misma relación de compresión y el mismo rechazo de calor.
  • Este motor de ciclo requiere menos mantenimiento y tiene un diseño simple y liviano.
  • Para una combustión completa, las emisiones contaminantes son bajas para los motores Otto.

Desventajas:

  • Tiene una relación de compresión más baja, por lo que es deficiente para mover cargas pesadas a baja velocidad.
  • No podrá soportar mayores tensiones y tensiones en comparación con el motor diésel.

Ejemplo de ciclo Otto | Problemas del ciclo Otto

Q.1] Un motor de encendido por chispa diseñado para tener una relación de compresión de 10. Funciona a baja temperatura y presión en el valor 200.0C y 200 kilopascales respectivamente. Si Work O / P es 1000 kilo-Joule / kg, calcule la máxima eficiencia posible y la presión efectiva media.

La eficiencia de este ciclo viene dada por

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Donde r = relación de compresión = 10

\\eta =1-\\frac{1}{10^{1.4-1}}=0.602=60.2\\%

Para proceso de compresión

\\frac{T_2}{T_1}=r^{\\gamma-1}

\\frac{T_2}{473}=10^{1.4-1}

T_2=1188\\;K

Para el proceso de expansión, podemos asumir que

\\frac{T_3}{T_4}=r^{\\gamma-1}

\\frac{T_3}{T_4}=10^{1.4-1}

T_3 = 2.512T_4

El trabajo neto realizado se puede calcular mediante la fórmula

W = C_v [T_3-T_2] -C_v [T_4-T_1]

\\\\1000=0.717*[473-1188+T_3-T_4]\\\\\\\\ 1000=0.717*[473-1188+2.512 T_4-T_4]\\\\\\\\ T_4=1395 K

T_3 = 2.512 * 1395 = 3505 K

Según la teoría de los gases ideales, sabemos

P1v1 = TR1

v1= (RT1)/(PAG1) = (0.287 * 473) /200=0.6788 m3/kg

mep=\\frac{W}{v_1-v_2}=\\frac{1000}{0.6788-\\frac{0.6788}{10}}=1636.87\\;kPa

P.2] ¿cuál será el efecto sobre la eficiencia de un ciclo Otto que tiene una relación de compresión 6, si Cv aumenta en un 20%. A los efectos del cálculo Suponga que Cv es 0.718 kJ / kg.K.

\\\\\\frac{\\mathrm{d} C_v}{C_v}=0.02\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma -1 }}=1-\\frac{1}{6^{1.4 -1}}=0.511\\\\\\\\ \\gamma -1=\\frac{R}{C_v}\\\\\ \\\ \\eta=1-[\\frac{1}{r}]^\\frac{R}{C_v}

Tomando registro en ambos lados

ln(1-\\eta)=\\frac{R}{C_v} ln\\frac{1}{r}

Diferenciando ambos lados

\\\\\\frac{d\\eta}{1-\\eta}=\\frac{-R}{C_v^2}*dC_v*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{1-\\eta}=\\frac{-R}{C_v}*\\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=\\frac{1-\\eta}{\\eta}*\\frac{-R}{C_v}*\\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=\\frac{1-0.511}{0.511}*\\frac{-0.287}{0.718}*0.02*ln[1/6]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=-0.0136\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}*100=-0.0136*100=-1.36\\%

Es decir, si Cv aumenta en un 2% y luego η disminuye en un 1.36%.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre el ciclo Otto y el Diesel?

En el ciclo Otto, la adición de calor tiene lugar a volumen constante, mientras que en el ciclo diesel, la adición de calor a presión constante tiene lugar y el ciclo Otto tiene una relación de compresión más baja por debajo de 12, mientras que el ciclo diesel tiene una relación de compresión más alta de hasta 22. El ciclo Otto utiliza bujías. para el encendido, mientras que el ciclo diesel no necesita asistencia para el encendido. El ciclo Otto tiene menor eficiencia en comparación con el ciclo diesel.

¿Qué combustible se utiliza en el ciclo Otto? ? | ¿Qué es el combustible de 4 tiempos?

Generalmente, en el motor Otto se utiliza gasolina o gasolina mezclada con un 3-5% de etanol. En el ciclo Otto estándar de aire, se supone que el aire es un combustible.

¿Cuál es el ciclo Otto o Diesel más eficiente?

El rango normal de relación de compresión para el ciclo diesel es 16-20 mientras que en el ciclo Otto la relación de compresión es 6-10 y debido a la relación de compresión más alta utilizada en el ciclo diesel, la eficiencia del ciclo diesel es mayor que la del ciclo Otto.

¿Cómo funciona el ciclo Otto?

  1. La válvula de entrada se abre en 5-100 antes del Top Dead Center. Esto es para asegurar que la entrada se abra completamente cuando el pistón alcance el TDC y la carga nueva comience a ingresar al cilindro tan pronto como sea posible después del TDC.
  2. La válvula de succión se cierra a 20-300 después del punto muerto inferior BDC para aprovechar el impulso de los gases en movimiento.
  3. La chispa tiene lugar 30 - 400 antes de TDC. Esto es para permitir un retraso de tiempo entre la chispa y la finalización de la combustión.
  4. La presión al final de la carrera de potencia está por encima de la atmosférica, lo que aumenta el trabajo para expulsar los gases de escape. Entonces la válvula de escape se abre a las 20-300 antes de BDC para que a BDC la presión se reduzca a la presión atmosférica y se pueda ahorrar trabajo útil.
  5. La válvula de escape se cierra a las 15-200 después del TDC de modo que la inercia de los gases de escape tiende a limpiar el cilindro, lo que aumentará la eficiencia volumétrica.

Proceso 1-2: Compresión adiabática reversible

\\frac{T_2}{T_1}=[\\frac{V_1}{V_2}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

Donde r = relación de compresión

Proceso 2-3: Adiciones de calor a volumen constante

Qin = metro Cv [T3-T2]

Proceso 3-4: Expansión adiabática reversible

\\frac{T_3}{T_4}=[\\frac{V_4}{V_3}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

Proceso 4-1: El rechazo de calor a Volumen constante será

QR = metro Cv [T4-T1]

Trabajo realizado = Qin - QR.

La eficiencia del ciclo Otto se representa como.

\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}

\\\\\\eta=1-\\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=\\frac{T_3}{T_4}\\\\\\\\ \\frac{T_4}{T_1}=\\frac{T_3}{T_2}\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Donde r = relación de compresión.

Diferencia entre ciclo Otto ciclo diesel y ciclo dual

Ciclo Otto vs ciclo dual

dvs 2

Ciclo de Otto vs ciclo de Carnot

Ciclo de CarnotCiclo de OttoSe compone de dos reversibles proceso isotérmico y dos procesos adiabáticos reversibles.El ciclo Otto estándar de aire ideal consta de dos procesos isocóricos y dos procesos adiabáticos reversibles.
 Es un ciclo hipotético y no es prácticamente posible de construir.Es un ciclo real y es la base del funcionamiento del motor de encendido Spark moderno.
Sirve como criterio para medir el rendimiento de otros ciclos del motor.No sirve como criterio para medir el rendimiento de otros ciclos del motor.
Tiene una eficiencia del 100%.Tiene una eficiencia térmica general en el rango del 50 al 70%.
Se puede invertir para obtener la refrigeración de Carnot / bomba de calor con el máximo coeficiente de rendimiento.Es un ciclo irreversible.

Ciclo de Otto vs ciclo de Atkinson

Ciclo de AtkinsonCiclo Otto
El ciclo de Atkinson utiliza un diagrama de sincronización de válvulas ligeramente diferente. La válvula de entrada permanece abierta hasta el inicio de la carrera de compresión.La válvula de entrada se abre en 5-100 antes del Top Dead Center. Esto es para asegurar que la entrada se abra completamente cuando el pistón alcance el TDC y la carga nueva comience a ingresar al cilindro tan pronto como sea posible después del TDC.
Proporciona una mayor economía de combustible en comparación con el ciclo Otto.Proporciona una menor economía de combustible en comparación con el ciclo Atkinson.
Proporciona un pico de potencia más bajo en comparación con Ottociclo.Proporciona una mayor potencia pico en comparación con el ciclo Atkinson.
Se utiliza principalmente en vehículos híbridos donde el motor eléctrico compensa la deficiencia de potencia.Se utiliza principalmente en motores SI de 4 y 2 tiempos donde se requiere mayor potencia

Fórmula del ciclo Otto

La eficiencia del ciclo Otto viene dada por la ecuación

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Donde r = relación de compresión = 10

Ejemplo de ciclo Otto con proceso politrópico

Un motor SI tiene una relación de compresión 8 mientras opera con una temperatura baja de 3000C y una baja presión de 250 kPa. Si Trabajo o / p es 1000 kilo-Joule / kg, entonces calcule la eficiencia más alta. La compresión y expansión se produce politrópicamente con índice politrópico (n = 1.33).

Solución: La eficiencia del ciclo Otto viene dada por la ecuación

\\eta =1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Aquí γ = n

\\eta =1-\\frac{1}{r^{n-1}}=1-\\frac{1}{8^{1.33-1}}=49.65\\%

¿Por qué el ciclo de Otto se conoce como ciclo de volumen constante?

Para este ciclo, la adición y el rechazo de calor ocurren en el volumen fijo y la cantidad de trabajo realizado es proporcional a la adición de calor y la tasa de rechazo de calor, por esta razón el ciclo Otto se denomina ciclo de volumen constante.

¿Cuáles son las limitaciones del ciclo Otto?

  • Tiene una relación de compresión más baja, por lo que es deficiente para mover cargas pesadas a baja velocidad.
  • No puede soportar mayores tensiones y tensiones en comparación con el motor diesel.
  • La eficiencia general del combustible es inferior a ciclo diesel.

¿Los motores de dos tiempos se consideran motores de ciclo Otto?

Los motores de dos tiempos funcionan tanto en ciclo Otto como en ciclo diésel. El funcionamiento del motor de 2 tiempos se da a continuación:

  1. El pistón desciende y se obtiene potencia útil. El movimiento hacia abajo del pistón comprime la carga fresca almacenada en el cárter.
  2. Cerca del final de la carrera de expansión, el pistón revelará el puerto de escape al principio. Entonces la presión del cilindro caerá a la presión atmosférica ya que durante ese tiempo el material de combustión saldrá del cilindro.
  3. El movimiento adicional del pistón revela el puerto de transferencia que permite que la carga ligeramente comprimida en el cárter ingrese al cilindro del motor.
  4. La proyección en el pistón evita que la carga fresca pase directamente al puerto de escape y elimine los materiales de combustión.
  5. Cuando el pistón se mueve hacia arriba desde el punto muerto inferior al punto muerto superior y el puerto de transferencia se cierra al principio, el puerto de escape se cerrará y se producirá la compresión. Al mismo tiempo, se crea vacío en el cárter y entra carga nueva en el cárter para el siguiente ciclo.

¿Por qué el ciclo de Atkinson es más eficiente a pesar de que produce una compresión y presión más bajas que el ciclo de Otto?

En el ciclo de Atkinson, para el proceso de expansión isentrópica en el ciclo de Otto se permite que continúe y se extienda a una presión de ciclo más baja para aumentar la producción de trabajo y sabemos que la eficiencia aumenta con el aumento de trabajo producido. Es por eso que el ciclo de Atkinson es más eficiente a pesar de que produce una compresión y presión más bajas que el ciclo de Otto.

¿Cuál es la relación de compresión del ciclo Otto?

La relación de compresión de este ciclo se elabora como

r=\\frac{V_s+V_c}{V_s}=\\frac{V_1}{V_2}

Dónde,

Vs = Volumen barrido del cilindro.

Vc = Volumen de holgura del cilindro.

Generalmente, en el ciclo Otto, la relación de compresión es de 6 a 10. Está limitada a 10 debido a golpes en el motor.

Ciclo Otto vs eficiencia del ciclo diesel

El rango normal de relación de compresión para el ciclo diesel es 16-20 mientras que en el ciclo Otto la relación de compresión es 6-10 y para una relación de compresión mayor utilizada en el ciclo diesel, la eficiencia del ciclo diesel es mayor que la del ciclo Otto.

Caso 1: Para la misma relación de compresión y una entrada de calor exactamente idéntica, la relación será

[Qin]ocho = [Qin]Diesel.

[QR]ocho<[QR]Diesel.

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

En este caso de la misma relación de compresión e igual aporte de calor, será

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Caso 2: En este caso de la misma relación de compresión y el mismo rechazo de calor, esta relación será

[Qin]ocho> [Qin]Diesel.

[QR]ocho= [QR]Diesel.

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

En este caso, la misma relación de compresión y el mismo rechazo de calor.

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Caso 3: En este caso de, misma Temperatura Máxima y mismo rechazo de calor.

[QR]ocho= [QR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]ocho

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D>\\eta_O

Para la misma temperatura máxima y el mismo rechazo de calor

\\eta_D>\\eta_{dual}>\\eta_O

Bajo qué condición la eficiencia del ciclo de Brayton y el ciclo de Otto serán iguales.

La eficiencia del ciclo de Otto viene dada por la ecuación

Solución: la eficiencia del ciclo de Otto viene dada por la ecuación

\\eta_o =1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

r = relación de compresión = V1/V2

La eficiencia del ciclo de Brayton viene dada por la ecuación

\\eta_B =1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

r = relación de compresión = V1/V2

Para la misma relación de compresión del ciclo Brayton y Otto, su eficiencia será igual.

Para conocer el proceso politrópico (haga clic aquí)y número de Prandtl (Haga clic aquí)

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