CICLO OTTO
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Inventado por Nicolaus Otto en 1876. Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.
Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está formado por seis pasos.Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión


Eficiencia en función del calor
Descripción del ciclo
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 adiabáticareversible 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)
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.
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.
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:
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.

Eficiencia en función de las temperaturas
Sustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema, | Qc | , y el que sale de él, | Qf | , obtenemos la expresión del rendimiento

Eficiencia en función de la razón de compresión
Aplicando de nuevo la relación de Poisson

podemos expresar el rendimiento como

CICLO DIÉSEL
El ciclo del motor diésel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga, y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores. No hay que olvidar que los grandes motores marinos y de tracción ferroviaria son del ciclo de 2 tiempos diesel.

FASES:
1.- Compresión: proceso 1-2, es un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica), es decir sin intercambio de calor con el exterior.
2.- Combustión: proceso 2-3, en esta idealización, el aporte de calor Qp se simplifica por un proceso isóbaro (a presión constante).
3.- Explosión/Expansión: proceso 3-4, se simplifica por una expansión isentrópica (adiabática) del fluido termodinámico, hasta el volumen especifico que se tenia al principio.
4.- Última etapa: proceso 4-1, esta etapa es un proceso isocórico (escape) es decir a un volumen constante.

Rendimiento en función de las temperaturas
Un ciclo diésel contiene dos proceso adiabáticos, A→B y C→D, en los que no se intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presión constante B→C, el gas recibe una cantidad de calor | Qc | del exterior igual a

Un ciclo diésel contiene dos proceso adiabáticos, A→B y C→D, en los que no se intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presión constante B→C, el gas recibe una cantidad de calor | Qc | del exterior igual a

Rendimiento en función de los volúmenes
La expresión anterior requiere conocer las cuatro temperaturas de los vértices del ciclo. Puede simplificarse teniendo en cuenta las características de cada uno de los procesos que lo componen.
Así tenemos, para la compresión adiabática A→B

La expresión anterior requiere conocer las cuatro temperaturas de los vértices del ciclo. Puede simplificarse teniendo en cuenta las características de cada uno de los procesos que lo componen.
Así tenemos, para la compresión adiabática A→B

Representación en un diagrama T-S
El ciclo Otto, además de en un diagrama pV, puede reprensentarse en uno T-S, en el que el eje de abscisas corresponde a la entropía del sistema y el de ordenadas a su temperatura.
En este diagrama, los dos procesos adiabáticos corresponden a sendos segmentos verticales, pues la entropía permanece constante en un proceso adiabático reversible.
Para los procesos a volumen constante recurrimos a la expresión para la entropía de un gas ideal

siendo T0 y V0 la temperatura y el volumen de un cierto estado de referencia. Despejando de aquí la temperatura

que nos dice que cuando V es constante, la temperatura varía exponencialmente con la entropía.
El ciclo Otto corresponderá por tanto a dos curvas exponenciales conectados por dos segmentos rectilíneos.
El ciclo Otto, además de en un diagrama pV, puede reprensentarse en uno T-S, en el que el eje de abscisas corresponde a la entropía del sistema y el de ordenadas a su temperatura.
En este diagrama, los dos procesos adiabáticos corresponden a sendos segmentos verticales, pues la entropía permanece constante en un proceso adiabático reversible.
Para los procesos a volumen constante recurrimos a la expresión para la entropía de un gas ideal

siendo T0 y V0 la temperatura y el volumen de un cierto estado de referencia. Despejando de aquí la temperatura

que nos dice que cuando V es constante, la temperatura varía exponencialmente con la entropía.
El ciclo Otto corresponderá por tanto a dos curvas exponenciales conectados por dos segmentos rectilíneos.
Comparación con el ciclo Otto
Según indicamos en la introducción, el ciclo Diesel ideal se distingue del Otto ideal en la fase de combustión, que en el ciclo Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a presión constante. Por ello el rendimiento es diferente.
Si escribimos el rendimiento de un ciclo Diesel en la forma

vemos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia de la de un ciclo Otto por el factor entre paréntesis. Este factor siempre mayor que la unidad, por ello, para iguales razones de compresión r

Según indicamos en la introducción, el ciclo Diesel ideal se distingue del Otto ideal en la fase de combustión, que en el ciclo Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a presión constante. Por ello el rendimiento es diferente.
Si escribimos el rendimiento de un ciclo Diesel en la forma

vemos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia de la de un ciclo Otto por el factor entre paréntesis. Este factor siempre mayor que la unidad, por ello, para iguales razones de compresión r

MOTOR WANKEL
El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos.
Un motor rotativo o Wankel es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente a los motores alternativos.
En un motor alternativo de 4 tiempos pero en zonas distintas del estátor o bloque, con el pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro. Más concretamente, la envolvente es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo-lobular que realiza un giro de centro variable (rotor excéntrico). Este pistón transmite su movimiento rotatorio a un eje cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único.
CICLO STIRLING
El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot.
A diferencia de la máquina de Carnot, esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isócoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dos focos térmicos de los que normalmente consta una máquina.
Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling.
PROCESOS DEL CICLO STIRLING
El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:
- 1-2. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.
- 2-3. Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor
y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.
- 3-4. Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente.
- 4-1. Cesión de una cantidad de calor
al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.

TORQUE
El torque puede entenderse como el momento de fuerza o momento dinámico. Se trata de una magnitud vectorial que se obtiene a partir del punto de aplicación de la fuerza. La misma está constituida por el producto vectorial (el vector ortogonal que surge tras una operación binaria entre un par de vectores de un espacio euclídeo de tres dimensiones).
En este sentido, el torque hace que se produzca un giro sobre el cuerpo que lo recibe. La magnitud resulta propia de aquellos elementos donde se aplica torsión o flexión, como una viga o el eje de una máquina. El momento de fuerza puede expresarse a través de la unidad newton metro.
El concepto también permite nombrar al par motor, que es el momento dinámico que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia. La potencia del par motor será proporcional a la velocidad angular del mencionado eje.
La torsión en general, por otra parte, puede recibir el nombre de torque. El concepto, en este caso, está relacionado con la medición de una curva.
Dicho todo esto, cabe aclarar que recibe el nombre de torque máximo, la mayor fuerza que puede hacer el motor en un giro, la cual se desarrolla a una determinada cantidad de revoluciones establecidas de antemano. Por ejemplo, si se dice que un vehículo con un torque máximo de 125 Nm @ 2500 rpm, el mismo es capaz de producir una fuerza de giro de hasta 125 newton metro, girando a 2500 revoluciones por minuto.
MEZCLA ESTEQUIOMÉTRICA
MEZCLA IDEAL
La proporción ideal de aire y combustible en un motor de gasolina es de 14,7 kg de aire por 1 kg de combustible. Esta relación ideal se denomina "mezcla estequiométrica". L cantidad de aire introducida en la combustión se corresponde exactamente con la necesidad teórica de aire.
La proporción ideal de aire y combustible se designa con la letra griega lambda (λ). Sólo con esta proporción está garantizada la combustión completa y puede el catalizador convertir prácticamente la totalidad de los gases de escape nocivos en gases inocuos para el medio ambiente. El valor Lambda es 1.
En la actualidad casi todos los motores de gasolina de ciclo Otto funcionan con esta mezcla. Con otros tipos de combustible, la relación aire-combustible es diferente.

Un motor rotativo o Wankel es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente a los motores alternativos.
En un motor alternativo de 4 tiempos pero en zonas distintas del estátor o bloque, con el pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro. Más concretamente, la envolvente es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo-lobular que realiza un giro de centro variable (rotor excéntrico). Este pistón transmite su movimiento rotatorio a un eje cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único.
CICLO STIRLING
El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot.
A diferencia de la máquina de Carnot, esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isócoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dos focos térmicos de los que normalmente consta una máquina.
Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling.
PROCESOS DEL CICLO STIRLING
El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:
- 1-2. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.
- 2-3. Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor
y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.
- 3-4. Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente.
- 4-1. Cesión de una cantidad de calor
al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.


TORQUE

El torque puede entenderse como el momento de fuerza o momento dinámico. Se trata de una magnitud vectorial que se obtiene a partir del punto de aplicación de la fuerza. La misma está constituida por el producto vectorial (el vector ortogonal que surge tras una operación binaria entre un par de vectores de un espacio euclídeo de tres dimensiones).
En este sentido, el torque hace que se produzca un giro sobre el cuerpo que lo recibe. La magnitud resulta propia de aquellos elementos donde se aplica torsión o flexión, como una viga o el eje de una máquina. El momento de fuerza puede expresarse a través de la unidad newton metro.
El concepto también permite nombrar al par motor, que es el momento dinámico que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia. La potencia del par motor será proporcional a la velocidad angular del mencionado eje.
La torsión en general, por otra parte, puede recibir el nombre de torque. El concepto, en este caso, está relacionado con la medición de una curva.
Dicho todo esto, cabe aclarar que recibe el nombre de torque máximo, la mayor fuerza que puede hacer el motor en un giro, la cual se desarrolla a una determinada cantidad de revoluciones establecidas de antemano. Por ejemplo, si se dice que un vehículo con un torque máximo de 125 Nm @ 2500 rpm, el mismo es capaz de producir una fuerza de giro de hasta 125 newton metro, girando a 2500 revoluciones por minuto.
MEZCLA ESTEQUIOMÉTRICA
MEZCLA IDEAL
La proporción ideal de aire y combustible en un motor de gasolina es de 14,7 kg de aire por 1 kg de combustible. Esta relación ideal se denomina "mezcla estequiométrica". L cantidad de aire introducida en la combustión se corresponde exactamente con la necesidad teórica de aire.
La proporción ideal de aire y combustible se designa con la letra griega lambda (λ). Sólo con esta proporción está garantizada la combustión completa y puede el catalizador convertir prácticamente la totalidad de los gases de escape nocivos en gases inocuos para el medio ambiente. El valor Lambda es 1.
En la actualidad casi todos los motores de gasolina de ciclo Otto funcionan con esta mezcla. Con otros tipos de combustible, la relación aire-combustible es diferente.

Mezclas para Motor
La relación entre aire y combustible varía constantemente en un motor de pistones. Esta proporción se cálcula de acuerdo al peso.
Proporción de Mezcla = aire atmosférico en gramos
consumo de gasolina en gramos
La relación entre aire y combustible varía constantemente en un motor de pistones. Esta proporción se cálcula de acuerdo al peso.
Proporción de Mezcla = | aire atmosférico en gramos consumo de gasolina en gramos |
Mezcla Estequiométrica
En condiciones normales, la combustión total de 1 gramo de gasolina se consigue con 14.8 gramos de aire. Sin embargo, los motores de pistón no son capaces de crear las condiciones de homogeneidad entre aire y gasolina para quemarla el ciento por ciento. Para contrarrestar esta deficiencia los sistemas de alimentación están diseñados de manera que la mezcla contenga un 10 por ciento más de aire por gramo de gasolina. Esta proporción se denomina "mezcla económica" y se forma con 16 partes de aire por cada parte de combustible.
En condiciones normales, la combustión total de 1 gramo de gasolina se consigue con 14.8 gramos de aire. Sin embargo, los motores de pistón no son capaces de crear las condiciones de homogeneidad entre aire y gasolina para quemarla el ciento por ciento. Para contrarrestar esta deficiencia los sistemas de alimentación están diseñados de manera que la mezcla contenga un 10 por ciento más de aire por gramo de gasolina. Esta proporción se denomina "mezcla económica" y se forma con 16 partes de aire por cada parte de combustible.
Relación de Máxima Potencia
Esta se obtiene con una mezcla que presenta 20% menos de aire que la proporción económica, es decir, 1 gramo de gasolina por cada 12,5 gramos de aire.
Esta se obtiene con una mezcla que presenta 20% menos de aire que la proporción económica, es decir, 1 gramo de gasolina por cada 12,5 gramos de aire.
Rendimiento de Motor
El desempeño de un motor varía de acuerdo a la relación de mezcla que utiliza. Si un motor funciona a velocidad constante y variamos la proporción de aire combustible que lo alimenta su potencia varía de acuerdo al gráfico siguiente.

A medida que se mejora el rendimiento volumétrico de un motor, mayor cantidad de mezcla alcanza los cilindros y por consiguiente su potencia aumenta. Otras mejoras se obtienen si se ajusta apropiadamente lo siguiente:
• Atomización de la gasolina.
• Uniformidad de alimentación a cada cilindro.
• Aumento de relación de compresión.
• Punto de encendido eléctrico.
Si el armado o los ajustes de un motor no son realizados correctamente su potencia máxima es imposible de conseguir y su consumo de combustible disminuye.
Como resultado de la combustión de la gasolina se obtiene calor, dióxido de carbono y agua.
Por cada litro de bencina que se quema el motor arroja a través de su sistema de escape 1 litro de agua.
RPM
Una revolución por minuto es una unidad de frecuencia que se usa también para expresar velocidad angular. En este contexto, se indica el número de rotaciones completadas cada minuto por un cuerpo que gira alrededor de un eje.
A veces se utiliza el término régimen de giro para referirse a la velocidad de giro expresada en revoluciones por minuto y no confundirse con la velocidad angular expresada en radianes por segundo.
RELACIÓN DE COMPRESIÓN
La relación de compresión volumétrica en un motor de combustión interna es el número que permite medir la proporción en volumen, que se ha comprimido la mezcla de aire-combustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diésel) dentro de la cámara de combustión de un cilindro. Es decir el volumen máximo o total (volumen desplazado más el de la cámara de combustión) entre el volumen mínimo (volumen de la cámara de combustión) Para calcular su valor teórico se utiliza la siguiente ecuación:

donde:
- d = diámetro del cilindro.
- s = carrera del pistón desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior
- Vc = volumen de la cámara de combustión.
- RC = es la relación de compresión y es adimensional.
El desempeño de un motor varía de acuerdo a la relación de mezcla que utiliza. Si un motor funciona a velocidad constante y variamos la proporción de aire combustible que lo alimenta su potencia varía de acuerdo al gráfico siguiente.
A medida que se mejora el rendimiento volumétrico de un motor, mayor cantidad de mezcla alcanza los cilindros y por consiguiente su potencia aumenta. Otras mejoras se obtienen si se ajusta apropiadamente lo siguiente:
• Atomización de la gasolina.
• Uniformidad de alimentación a cada cilindro.
• Aumento de relación de compresión.
• Punto de encendido eléctrico.
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• Uniformidad de alimentación a cada cilindro.
• Aumento de relación de compresión.
• Punto de encendido eléctrico.
Si el armado o los ajustes de un motor no son realizados correctamente su potencia máxima es imposible de conseguir y su consumo de combustible disminuye.
Como resultado de la combustión de la gasolina se obtiene calor, dióxido de carbono y agua.
Por cada litro de bencina que se quema el motor arroja a través de su sistema de escape 1 litro de agua.
RPM
Una revolución por minuto es una unidad de frecuencia que se usa también para expresar velocidad angular. En este contexto, se indica el número de rotaciones completadas cada minuto por un cuerpo que gira alrededor de un eje.
A veces se utiliza el término régimen de giro para referirse a la velocidad de giro expresada en revoluciones por minuto y no confundirse con la velocidad angular expresada en radianes por segundo.

RELACIÓN DE COMPRESIÓN
La relación de compresión volumétrica en un motor de combustión interna es el número que permite medir la proporción en volumen, que se ha comprimido la mezcla de aire-combustible (Motor Otto) o el aire (Motor Diésel) dentro de la cámara de combustión de un cilindro. Es decir el volumen máximo o total (volumen desplazado más el de la cámara de combustión) entre el volumen mínimo (volumen de la cámara de combustión) Para calcular su valor teórico se utiliza la siguiente ecuación:
donde:
- d = diámetro del cilindro.
- s = carrera del pistón desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior
- Vc = volumen de la cámara de combustión.
- RC = es la relación de compresión y es adimensional.
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