TEMA 4 Ciclo Otto Teórico y Real FCS

Ciclo Otto Teórico

• Compresión: La mezcla de aire y combustible se comprime adiabáticamente, lo que significa que no hay transferencia de calor. La presión y la temperatura aumentan.
• Explosión: La mezcla de aire y combustible se enciende por una chispa, lo que genera una expansión rápida y adiabática de los gases. La presión y la temperatura alcanzan su punto máximo.
• Expansión: Los gases calientes se expanden adiabáticamente contra el pistón, realizando trabajo. La presión y la temperatura disminuyen.
• Escape: Los gases de escape se liberan isobáricamente, manteniéndose la presión constante. El pistón expulsa los gases quemados.
• Trabajo realizado: La superficie roja dentro de los vértices A-B-C-D representa el trabajo realizado.

Ciclo Otto Real

• Admisión: La admisión de aire es isobárica, la presión del aire permanece constante.
• Escape: El pistón realiza trabajo al expulsar los gases quemados durante la fase de escape.
• Transformación isobara: Se refiere a la fase de escape, donde la presión se mantiene constante.

Fórmula de trabajo:

• El trabajo realizado por un motor se calcula con la fórmula: Trabajo = Fuerza x Distancia
• Se puede concluir que la fuerza es directamente proporcional al trabajo.
• En un gráfico de trabajo, el eje de ordenadas representa la fuerza.

Ciclo de cuatro tiempos

• Orden de los ciclos: Admisión, Compresión, Combustión, Escape.
• Fase de Compresión: La mezcla de aire y combustible es comprimida por el pistón.
• Válvula de admisión: Permite la entrada de la mezcla de aire y combustible al cilindro.
• Combustión: La mezcla se enciende por una chispa, produciendo una rápida expansión de los gases.
• Fase de Expansión: Los gases se expanden contra el pistón, realizando trabajo.
• Punto muerto superior (PMS): Es el punto más alto alcanzado por el pistón durante la carrera de compresión o expansión.
• Fase de Escape: Los gases quemados son expulsados del cilindro.
• Relación aire-combustible: Es crucial para una combustión eficiente. La proporción correcta de aire y combustible optimiza la explosión.
• Factores que influyen en la combustión: Compresión, temperatura, relación aire-combustible, encendido. El único factor que NO influye es la velocidad del pistón.
• Efecto de la compresión: Incrementa la temperatura y la presión de la mezcla de aire y combustible.

Rendimiento del motor

• Presión final en el ciclo de combustión: Es menor que la teórica debido a factores como la cesión de calor.
• Trabajo útil producido: Es afectado por la expansión de los gases durante el ciclo de expansión.
• Optimización del ciclo de combustión: Se anticipa la apertura del escape para mejorar la eficiencia.
• Pérdidas en el ciclo real: Las pérdidas de calor, las pérdidas de trabajo de bombeo y las pérdidas por fricción hacen que el rendimiento real del motor sea inferior al teórico.
• Cesión de calor: El calor se transfiere a las paredes del cilindro, lo que reduce la eficiencia.
• Expulsión de gases quemados: Se produce un fenómeno de desprendimiento de flujo.
• Trabajo útil disponible: En el ciclo Otto, depende de la presión y el volumen de los gases durante la expansión.
• Avance de apertura del escape: Se utiliza para expulsar los gases quemados eficientemente.
• Pérdidas de trabajo: Se refieren principalmente a las pérdidas de trabajo de bombeo en un motor de cuatro tiempos.
• Compresión de la mezcla de aire y combustible: Aumenta la temperatura y la presión de la mezcla.
• Trabajo útil: Se produce durante la fase de expansión.

El motor en detalle

• Carrera pasiva: El volante almacena energía cinética para realizar las carreras pasivas del motor.
• Punto muerto inferior (PMI): El pistón alcanza el punto más bajo de la carrera.
• Carreras del motor: Hay dos carreras útiles (compresión y expansión) y dos carreras pasivas (admisión y escape) durante un ciclo de cuatro tiempos.
• Apertura instantánea de válvulas: Sería un inconveniente porque causaría pérdidas de eficiencia.
• Energía suficiente en un motor endotérmico alterno: Implica que el volante tiene suficiente energía cinética para mantener la carrera pasiva.
• Desplazamiento del pistón: Durante el desplazamiento de la PMI al PMS, la mezcla de aire y combustible se comprime.
• Cierre de la válvula de escape: Se abre la válvula de admisión para comenzar el siguiente ciclo.
• Duración de un ciclo completo: Dos revoluciones del cigüeñal.
• Válvula de admisión: Permite la entrada de la mezcla de aire y combustible al cilindro.
• Función del pistón en la fase de admisión: Se mueve hacia abajo, creando una depresión que succiona la mezcla de aire y combustible.
• Compresión: Se comprime la mezcla de aire y combustible, aumentando su temperatura y presión.

Combustión

• Fase de combustión: La mezcla se enciende por una chispa eléctrica, generando una expansión rápida y adiabática.
• Expulsión de gases: El pistón se mueve hacia arriba, expulsando los gases quemados por la válvula de escape.
• Punto muerto superior (PMS): Es el punto más alto alcanzado por el pistón durante la carrera de compresión y expansión. Es importante porque marca el inicio y final de la fase de combustión.
• Relación aire-combustible: La relación de aire y combustible influye directamente en la eficiencia de la combustión: una relación incorrecta puede resultar en mala combustión.
• Motor de cuatro tiempos: El motor realiza un ciclo completo en cuatro carreras del pistón.
• Eficiencia de la fase de expansión: Influye la relación aire-combustible, la presión de compresión y la calidad del material del cilindro.

Detalles adicionales del ciclo Otto

• Después de la combustión: Se realiza la expansión de los gases.
• Apertura y cierre instantáneo de válvulas: causaría pérdidas de eficiencia.
• Gases quemados al alcanzar el PMS: La combustión se completa, y la presión y la temperatura de los gases son máximas.
• Carreras útiles y pasivas: Las carreras útiles son la compresión y la expansión, mientras que las pasivas son la admisión y el escape.
• Energía cinética almacenada: Es esencial para mantener el movimiento continuo del motor, especialmente durante las carreras pasivas.
• Revoluciones del cigüeñal: Se requieren dos revoluciones para completar un ciclo.
• Limitación de las válvulas: No pueden abrir y cerrar instantáneamente, lo que causa pérdidas de eficiencia.
• Presión de los gases quemados: Afeta al proceso de escape, ya que se necesita una presión suficiente para expulsar los gases eficientemente.
• Rol del pistón en la fase de escape: Se mueve hacia arriba, expulsando los gases quemados a través de la válvula de escape.
• Rendimiento del motor en el ciclo Otto real: Se ve afectado por factores como las pérdidas de calor, las pérdidas de trabajo de bombeo y las pérdidas por fricción.
• Importancia de la fase de expansión: Esta fase es la responsable de la producción de trabajo útil del motor.
• Después de la carrera de escape: Se abre la válvula de admisión para iniciar la siguiente carrera.
• Presión final en el ciclo de combustión: Es más baja en el ciclo real debido a las pérdidas de calor.
• Pérdidas de calor: Se producen por la transferencia de calor a las paredes del cilindro y a los gases de escape.
• Trabajo útil producido durante la fase de expansión: Se ve afectado por la presión y el volumen de los gases, que se ven afectados por las pérdidas de calor.
• Combustión: La combustión de la mezcla de aire y combustible crea una expansión rápida, que contribuye a la producción de energía.
• Avance al encendido: Se utiliza para iniciar la combustión antes del PMS, optimizando el ciclo.
• Presión durante la fase de escape: No baja instantáneamente debido a la inercia de los gases quemados.
• Diferencias entre el ciclo teórico y el ciclo real: El ciclo real se ve afectado por pérdidas como las de calor, bombeo y fricción.
• Superficie entre el ciclo teórico y el ciclo real: Representa la energía desperdiciada en el ciclo real debido a estas pérdidas.
• Cesión de calor: Es un elemento importante de las pérdidas en el ciclo Otto, que implica la transferencia de energía térmica al medio ambiente.
• Inercia de las válvulas: Impacta en la eficiencia, ya que afecta el tiempo de apertura y cierre de las válvulas, lo que se relaciona con el flujo de gases.
• Cruce de válvulas: Se calcula con base en la diferencia de tiempo entre la apertura de la válvula de admisión y el cierre de la válvula de escape.
• Relación entre presión y trabajo: La presión de los gases juega un papel fundamental en la producción de trabajo en un motor.

Fórmulas y conclusiones:

• Trabajo: Trabajo = Fuerza x Distancia
• Relación entre trabajo y potencia: El trabajo es directamente proporcional a la potencia.
• Apertura de válvulas: Las válvulas no se abren y cierran instantáneamente, lo que afecta a la eficiencia del ciclo.

Fase de compresión

• Ciclo Otto teórico: La compresión es adiabática, lo que significa que no hay transferencia de calor. La presión y la temperatura aumentan.
• Fase de explosión: La mezcla de aire y combustible se enciende por una chispa, generando una expansión rápida y adiabática de los gases.
• Admisión en el ciclo Otto real: La admisión de aire ocurre bajo una presión constante (isobárica)
• Fase de escape espontáneo: Los gases de escape se liberan isobáricamente (presión constante).
• Superficie roja en el diagrama de trabajo: Representa el trabajo realizado durante la compresión.
• Fase de expansión: Los gases calientes se expanden adiabáticamente contra el pistón.
• Fase de escape: El pistón se mueve hacia arriba, expulsando los gases quemados.
• Transformación isobara en la fase de admisión: La presión permanece constante, mientras que el aire entra al cilindro.

Ciclos del motor de cuatro tiempos

• Ciclos del motor de cuatro tiempos: Admisión, Compresión, Combustión, Escape.
• Rendimiento del motor real: Es inferior al teórico debido a las pérdidas por calor y fricción.
• Fase de expansión: El trabajo útil producido es menor en el ciclo real debido a las pérdidas.
• Fase de admisión: La mezcla de aire y combustible ingresa al cilindro.
• Fase de escape: Los gases quemados son expulsados del cilindro.
• Combustión: La combustión de la mezcla de aire y combustible genera la expansión de los gases.
• Necesidad de anticipar la apertura del escape: Se utiliza para mejorar la eficiencia al permitir que los gases salgan más fácilmente.
• Rol del pistón en la fase de escape: El pistón se mueve hacia arriba, empujando los gases quemados fuera del cilindro.

Ciclo teórico vs. ciclo real

• Diferencias entre el ciclo teórico y el ciclo real: El ciclo real tiene en cuenta las pérdidas de calor, bombeo y fricción, que no se consideran en el ciclo teórico.
• Pérdidas de trabajo de bombeo: Reducen el trabajo útil en el ciclo real.
• Diagrama de trabajo: En el diagrama del ciclo real, la superficie encerrada es menor que en el ciclo teórico.
• Fase de compresión: La mezcla de aire y combustible se comprime, aumentando su temperatura y presión.
• Importancia del avance de apertura del escape: Se utiliza para optimizar la expulsión de los gases quemados y mejorar la eficiencia.

Este cuestionario explora las fases del ciclo Otto, tanto teórico como real. Las preguntas abarcan las transformaciones involucradas en cada fase, así como las diferencias entre el ciclo teórico y el real. Ideal para estudiantes de ingeniería automotriz que deseen profundizar en el funcionamiento de los motores de combustión interna.