06/08/2020
El ciclo Otto es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de la mayoría de los motores de gasolina de combustión interna. Su comprensión es fundamental para entender la mecánica de estos motores y su eficiencia. Este artículo profundiza en las fases del ciclo, sus diferencias con otros ciclos, cómo calcular su eficiencia y sus limitaciones prácticas.
Las cuatro fases del ciclo Otto (4 tiempos):
Un motor de cuatro tiempos completa el ciclo Otto en dos vueltas del cigüeñal. Cada vuelta implica dos tiempos:
Admisión:
Con el pistón en el punto muerto superior (PMS), la válvula de admisión se abre. El pistón desciende, aspirando una mezcla de aire y combustible (en motores de encendido por chispa) o solo aire (en motores diésel) a presión constante. Esta fase se representa en una gráfica P-V como una línea horizontal, que indica presión constante.
Compresión:
El pistón asciende, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Las válvulas de admisión y escape permanecen cerradas. Este proceso es adiabático (sin intercambio de calor con el entorno), aproximándose a una compresión isentrópica. En la gráfica P-V , esto se representa como una curva ascendente que indica un aumento tanto en la presión como en la temperatura.
Combustión (o Explosión/Expansión):
En el PMS, la mezcla se enciende mediante una chispa (en motores Otto) o por autoignición debido a la alta temperatura y presión (en motores diésel). La rápida combustión genera una expansión de los gases a volumen constante, empujando el pistón hacia abajo. En la gráfica P-V , esto aparece como una línea vertical, indicando un aumento significativo de la presión a volumen constante. Esta fase es la que proporciona el trabajo útil al motor.
Escape:
El pistón asciende, la válvula de escape se abre, y los gases de combustión son expulsados. La válvula de admisión permanece cerrada. En la gráfica P-V , la fase de escape inicia con una caída de presión que luego se mantiene constante hasta llegar al PMS.
Ciclo Otto de dos tiempos:
Los motores de dos tiempos combinan las fases de admisión y compresión en una sola carrera del pistón, y la combustión y el escape en la otra. La eficiencia es generalmente menor que en los motores de cuatro tiempos.
Diferencias entre el ciclo Otto y el ciclo Diesel:
| Característica | Ciclo Otto | Ciclo Diesel |
|---|---|---|
| Ignición | Por chispa | Por compresión |
| Combustible | Gasolina | Gasóleo |
| Eficiencia | Generalmente menor | Generalmente mayor |
| Combustión | A volumen constante | A presión constante |
La principal diferencia radica en el método de ignición: el ciclo Otto utiliza una chispa, mientras que el ciclo Diesel se basa en la autoignición del combustible debido a la alta temperatura y presión generadas por la compresión.
Ciclo Otto vs. Ciclo Atkinson:
El ciclo Atkinson, a diferencia del Otto, optimiza la eficiencia a costa de la potencia. Utiliza una expansión más prolongada, aumentando el rendimiento pero reduciendo la potencia por cada revolución. Suele requerir un motor eléctrico de apoyo.
Cálculo del ciclo Otto:
El cálculo del rendimiento del ciclo Otto ideal se basa en la relación de compresión (r) y las temperaturas en los diferentes puntos del ciclo. La eficiencia térmica se define como:
η = 1 - (1/r γ-1 )
donde γ es el índice adiabático del aire.
En un ciclo Otto real, la eficiencia es menor debido a las pérdidas por fricción, transferencia de calor, etc. La razón de compresión es un factor limitante, ya que una compresión excesiva puede provocar autoignición.
Gráfica T-S del ciclo Otto:
La representación del ciclo Otto en un diagrama Temperatura-Entropía (T-S) muestra los procesos isocóricos como curvas y los adiabáticos como líneas verticales. Esta representación ayuda a visualizar el intercambio de calor y entropía en cada fase.
Limitaciones del ciclo Otto:
El ciclo Otto ideal es una simplificación. En la realidad, las pérdidas por fricción, transferencia de calor a las paredes del cilindro y otros factores reducen la eficiencia considerablemente. La autoignición limita la razón de compresión, y por lo tanto, el rendimiento.
Consultas habituales sobre el ciclo Otto:
- ¿Qué es la relación de compresión? La relación entre el volumen máximo y mínimo del cilindro durante el ciclo.
- ¿Qué es un motor de cuatro tiempos? Un motor que completa el ciclo Otto en cuatro carreras del pistón.
- ¿Cuál es la diferencia entre el ciclo Otto y el Diesel? El método de ignición (chispa vs. compresión).
- ¿Cómo se mejora la eficiencia del ciclo Otto? Optimizando la relación de compresión (dentro de los límites de la autoignición) y reduciendo las pérdidas de energía.
El ciclo Otto es un concepto fundamental en la ingeniería automotriz. La comprensión de sus principios, sus limitaciones y sus variantes permite el diseño y la optimización de motores de combustión interna más eficientes y sostenibles.