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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL FÍSICOQUÍMICO

Integrantes:

Grupo: 2

Arboleda Guerrero Álvaro Stalyn Pastuña Sánchez Lenin Andrés Villacís Loor John Lucas

Tema: Ciclo de Otto

Objetivo Conocer el funcionamiento, aplicación y etapas del ciclo de Otto en motores de combustión interna tanto en los motores de dos como de cuatro tiempos y determinar la eficiencia en el funcionamiento de dichos motores.

Marco Teórico Concepto: El ciclo de Otto se refiere al ciclo termodinámico (serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial) que se implementa a motores de combustión interna tanto de 2 como de 4 tiempos. Gráfico de Presión frente a volumen del ciclo de Otto:

Una característica en el ciclo de Otto es el término “encendido provocado” que se refiere al salto de la chispa eléctrica que está controlada por los electrodos de una bujía y esta se propaga al resto de la mezcla en la cámara de combustión, además Nicolaus Otto dice que siempre todo el calor producido aporta a volumen constante. Existen dos tipos de motores a los que se les aplica el ciclo de Otto los cuales son: los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos; ya que este tipo de motores permiten una mezcla de combustión y aire, que es comprimida para que este pueda reaccionar con eficacia a la acción del calor, dando como resultado que la energía química de la mezcla se pueda transformar en energía térmica y mediante la expansión de los productos de dicha combustión se produzca movimiento. Las máquinas de dos tiempos son generalmente menos eficientes que las de cuatro tiempos debido a la expulsión incompleta de los gases de escape. La eficiencia térmica del ciclo de Otto ideal, aumenta tanto con la relación de compresión como con la relación de calores específicos, esto se relaciona para las máquinas de combustión interna de encendido por chispa.

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Las fases de operación del motor de combustión interna son las siguientes:

 La Admisión En donde 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.

 La 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.

 La 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 (también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante) en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

 La 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.  El 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. 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.

EJERCICIOS Ejercicio 1: 1) Un ciclo Otto ideal con aire tomado de la atmósfera como fluido de trabajo, tiene una relación de compresión de 8. Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 310 K y 1600 K. Determine:

a) La cantidad de calor transferido al aire durante el proceso de adición de calor. b) La eficiencia térmica. c) La presión media efectiva y la cilindrada.

Ejercicio 2: Suponga un motor de gasolina de cuatro tiempos, de 1400 cm³ de cilindrada que se puede modelar mediante un ciclo Otto ideal con una relación de compresión de

8. Al inicio de la fase de compresión, el aire está a 100 kPa y 17°C. En la combustión se añaden 800 kJ/kg de calor. Determine: a) La temperatura y la presión máximas que se producen en el ciclo b) La salida de trabajo neto c) El rendimiento de este motor.

Solución:

Trabajo y calor:

Rendimiento:

APLICACIONES DEL CICLO DE OTTO EN LA INGENIERÍA Las aplicaciones industriales del ciclo otto tienen gran similitud que las del ciclo diesel teniendo en cuenta que el ciclo otto es utilizado en mayor parte en la industria automotriz para vehículos de bajo peso, ya que normalmente para los de alto peso se utiliza motores diesel.   

Utilizados en aplicaciones autónomas empleándose en los motores de 4 tiempos: automóviles, motos y demás vehículos terrestres. Motores de 2 tiempos: usada en motores de poca cilindrada (ciclomotores, desbrozadoras, motosierras, etc.) En aplicaciones estacionarias, se emplean en grupos generadores de energía eléctrica, normalmente de emergencia, entrando en funcionamiento cuando falla el suministro eléctrico, y para el accionamiento de máquinas diversas generalmente cuando no se dispone de alimentación eléctrica.

IMPACTOS DE LA MÁQUINA EN EL AMBIENTE: Como es de nuestro conocimiento que el ciclo de Otto se implementa a los motores de combustión interna, la misma que genera impactos ambientales tales como:    

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Agotamiento de materias primas no renovables, consumidas durante el funcionamiento de los motores de combustión interna (MCI). Consumo de oxígeno que tiene el aire atmosférico. Emisión y contaminación de la atmósfera con gases tóxicos (CO2) que perjudican al hombre a la flora y a la fauna. Emisión de sustancias (CO2 y óxidos nitrosos) que provocan el llamado “efecto invernadero” contribuyendo a la elevación de la temperatura de nuestro planeta. Consumo de agua potable y emisión de altos niveles de ruido a la atmósfera.

Conclusiones:  El ciclo de Otto es un ciclo en el cual se presentan dos tipos de procesos: dos adiabáticos y dos isométricos, esto se puede conocer mediante la gráfica de presión vs volumen.  Se puede decir que la principal aplicación del ciclo de Otto es a los motores de combustión interna (MCI), los mismos que operan en cuatro tiempos que son: admisión, comprensión-combustión, expansión y escape.  Con el paso del tiempo se ha mejorado los motores de combustión interna, y es por ello que surgen motores cada vez más económicos y eficientes que los anteriores, un ejemplo: es el motor de cuatro tiempos que sustituye en mejorías al de dos tiempos ya que han aplicado mejores y nuevas técnicas para hacerlos más eficientes.

Bibliografía:  H. N. Michael J. Moran,Ciclo de Otto, Fundamentos de Termodinámica Técnica (pág. 1692). Segunda edición, Editorial Reverté.  Rolle, K. C. (2000). Ciclo de Otto, Termodinámica (pág. 772). México: Sexta Edición, Pearson Prentice Hall.  Wylen, V. (Abril 2002). Ciclos de Otto, Fundamentos de Termodinámica

(pág. 815). Segunda Edición....