Valdivia Ingeniera en Automatización y Control Industrial Termodinámica
CICLO OTTO
Alumnos:
Docente: Fecha:
Wladimir Barrera Juan Pablo Flores Cristian Rodas Eduardo Monje 20/10/16
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INDICE Introducción Objetivos Marco teórico Trabajo realizado en el ciclo Rendimiento del ciclo Comportamiento en un motor de cuatro tiempos Ejercicio de ejemplo Conclusiones Webgrafia
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INTRODUCCION El contenido de este informe comprende información teórica de carácter general para el ciclo Otto. El ciclo Otto es el ciclo termodinámico (Se denomina ciclo termodinámico a cualquier series de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir , que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.) que se aplica en los motores de combustión interna (Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe, a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor) de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Los temas desarrollados, están en leguaje sencillo, y guardan relación estrecha unos con otros, para permitir una asimilación con facilidad, a la vez que, con las figuras se logre relevar detalles principales del tema a tratar.
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OBJETIVOS
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MARCO TEÓRICO El ciclo Otto es el ciclo ideal para el motor de cuatro tiempos con ignición o encendido por chispa. Un diagrama representativo de este motor con válvula de mariposa o estrangulada totalmente abierto se muestra en la Figura 1. La serie de eventos incluye el tiempo de la admisión ab, el tiempo de compresión bc, el tiempo de expansión o de trabajo cd y finalmente el tiempo de escape da. Los tiempos de admisión y escape se efectúan esencialmente a presión atmosférica. Las líneas de los procesos ab y da no coinciden. Normalmente, el punto de ignición se localiza en el tiempo de compresión antes de la posición del PMS (punto muerto superior), porque la propagación de la llama en la cámara de combustión requiere un tiempo definido. En un motor de combustión interna, el punto de ignición puede alterarse hasta que se encuentre la posición para una producción máxima de trabajo. Se puede observar que también la válvula de escape se abre antes que el pistón llegue al PMI (punto muerto inferior). Esto permite que la presión de los gases de escape casi alcance la presión atmosférica antes que comience el tiempo de escape.
Fig 1.1. Ciclo real en motores de encendido por chispa El análisis termodinámico del ciclo de cuatro tiempos real descrito, no es una tarea sencilla. Sin embargo, el análisis puede simplificarse de manera significativa si se utilizan las suposiciones de aire normal. El ciclo que resulta y que se asemeja mucho a las condiciones de operación reales es el ciclo ideal de Otto. Este se compone de cuatro procesos reversibles mostrado en la Figura 1.2.
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Fig 1.2. Diagrama Pv (Presión/Volumen) y Ts (Temperatura/entropía) de un ciclo Otto ideal. Siendo los puntos:
1-2 Compresión isoentrópica. 2-3 Adición de calor a volumen constante. 3-4 Expansión isoentrópica. 4-5 Rechazo de calor a volumen constante.
De los cuatro procesos que constituyen el ciclo cerrado, solamente se intercambia calor en las dos transformaciones isócoras. 2-3 y 4-1. En la combustión de la mezcla 2-3, 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 4-1, 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.
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Durante la compresión de la mezcla 1-2, 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 se 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:
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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.
Comportamiento en un motor de cuatro tiempos. 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 mostrado en las figuras. La grafica muestra la relación de Presión y Volumen
0-1 Admisión: la válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada en el cilind ro de la mezcla de aire y gasolina. Al finalizar esta primera etapa, la válvula de admisión se cierra. El pistón se desplaza hasta el denominado PMI (punto muerto inferior). 8
1-2 Compresión adiabática: la mezcla de aire y gasolina se comprime sin intercambiar calor con el exterior. La transformación es por tanto isentrópica. La posición que alcanza el pistón se denomina PMS (punto muerto superior). El trabajo realizado por la mezcla en esta etapa es negativo, ya que ésta se comprime.
2-3 Explosión: la bujía se activa, salta una chispa y la mezcla se enciende. Durante esta transformación la presión aumenta a volumen constante.
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3-4 Expansión adiabática: la mezcla se expande adiabáticamente. Durante este proceso, la energía química liberada durante la combustión se transforma en energía mecánica, ya que el trabajo durante esta transformación es positivo.
4-1 Enfriamiento isócoro: durante esta etapa la presión disminuye y la mezcla se enfría liberándose calor al exterior.
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1-0 Escape: la válvula de escape se abre, expulsando al exterior los productos de la combustión. Al finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar.
El trabajo total realizado durante el ciclo es positivo (ya que éste se recorre en sentido horario). Como se observa en la parte izquierda de la figura, el trabajo realizado por el sistema durante las etapas 01 y 10 es igual en valor absoluto pero de signo contrario, por lo que no contribuyen al trabajo total.
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Ejercicio propuesto 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). Dibuja el diagrama p-V del ciclo y calcula: • • • •
La temperatura máxima. Presión máximas producidas en el ciclo. Rendimiento del motor. Trabajo neto producido durante el ciclo.
Solución.
Temperatura máxima:
Será debida a la transformación de compresión y al proceso de ignición. El debido a la compresión será:
Y el segundo incremento de temperatura será debido al proceso de combustión, y para calcularlo:
Donde Pm=28,97 g/mol, es el peso molecular del aire. Por lo que despejando, se obtiene:
Se observa que la temperatura se incrementa muchísimo más durante la ignición que durante la compresión.
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Presión máxima:
La presión también se incrementa en dos fases, durante la compresión y durante la ignición, pero para calcular la presión máxima basta con calcular la presión en el punto C, lo que podemos hacer aplicando la ley de los gases ideales:
El volumen es igual en C y en B, y además se puede calcular a partir del volumen de A y de la relación de transmisión de compresión (r).
Aplicando de nuevo la ley de los gases perfectos, para conocer VA
Obtenemos finalmente.
Rendimiento del motor:
El rendimiento de un ciclo Otto ideal con una razón de compresión r=8, y γ=1,4 es:
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Por lo que el rendimiento será del 56,5%.
Trabajo neto:
El trabajo neto (por unidad de masa) se puede obtener a partir de el calor que entra y el rendimiento del ciclo.
También podemos calcular el trabajo necesario (por unidad de masa) para comprimir el fluido:
El trabajo producido durante la expansión del fluido será:
Por lo que tendremos que calcular TD, teniendo en cuenta que la transformación C-D es adiabática, tendremos:
Por lo que el trabajo producido en la expansión resulta ser:
Por lo que el trabajo neto encerrado dentro del ciclo de Otto será:
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CONCLUSIONES
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WEBGRAFIA
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