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Ciclo de Otto: cómo funciona, pasos y diferentes tipos de motores

Ciclo de Otto

El ciclo de Otto describe cómo los motores de calor convierten la gasolina en movimiento. Al igual que otros ciclos termodinámicos, este ciclo convierte la energía química en energía térmica y luego en movimiento. El ciclo Otto describe cómo funcionan los motores de combustión interna (que usan gasolina), como los automóviles y las cortadoras de césped.

El Ciclo Otto proporciona la energía para la mayoría de los transportes y fue esencial para el mundo moderno. La gran mayoría de los automóviles que se ven hoy en la carretera usan el Ciclo Otto para convertir la gasolina en movimiento.

Cualquier máquina que usa gasolina se dividirá en dos categorías de motores:

  • motor de dos tiempos
  • motor de cuatro tiempos

Pasos del ciclo de Otto

Los cambios en la presión y el volumen del fluido de trabajo (gasolina y aire combustible) cambian debido a la combustión de hidrocarburos que alimenta el movimientos de un pistón, creando calor, para proporcionar movimiento a un vehículo.

Hay movimientos de pistón de expansión (cámara de volumen incrementado), causados ​​cuando la energía térmica se libera de la combustión, lo que induce el trabajo realizado por el gas y sobre el pistón. En contraste, cuando el pistón funciona en el gas, la cámara del motor se está comprimiendo (disminuyendo en volumen).

Ciclo de Otto
Ciclo de Otto

El trabajo realizado por el motor se puede calcular resolviendo el área del ciclo cerrado.

A continuación se describe lo que ocurre durante cada paso en el diagrama de presión-volumen, en el que la combustión del fluido de trabajo, la gasolina y el aire (oxígeno), cambia el movimiento en el pistón.

En la fase de admisión, el pistón se arrastra hacia abajo para permitir que el volumen en la cámara aumente para que pueda “ingerir” una mezcla de aire y combustible. En términos de termodinámica, esto se conoce como un proceso isobárico.

Proceso 1 a 2

Durante esta fase, el pistón se levantará, por lo que puede comprimir la mezcla de aire y combustible que entró en la cámara. La compresión hace que la mezcla aumente ligeramente en presión y temperatura; sin embargo, no se intercambia calor.

En términos de termodinámica, esto se conoce como un proceso adiabático. Cuando el ciclo alcanza el punto 2, es cuando la bujía se encuentra con el combustible que debe encenderse.

Proceso 2 a 3

Aquí es donde se produce la combustión debido a la ignición del combustible por la bujía. La combustión del gas se completa en el punto 3, lo que resulta en una cámara altamente presurizada que tiene mucho calor (energía térmica). En términos de termodinámica, esto se conoce como un proceso isocórico.

Ciclo de Otto
Pasos del Ciclo de Otto

Proceso 3 a 4

La energía térmica de la cámara como resultado de la combustión se utiliza para realizar el trabajo en el pistón, que empuja el pistón hacia abajo, lo que aumenta el volumen de la cámara. Esto también se conoce como alimentación de energía porque es cuando la energía térmica se convierte en movimiento para impulsar la máquina o el vehículo.

Proceso 4 a 1

Todo el calor residual se expulsa de la cámara del motor. A medida que el calor sale del gas, las moléculas pierden energía cinética causando la disminución de la presión. Luego, la fase de escape ocurre cuando la mezcla restante en la cámara es comprimida por el pistón para ser “agotada”, sin cambiar la presión.

Motor de dos tiempos

Como su nombre lo indica, el motor de dos tiempos solo requiere dos movimientos de pistón (un ciclo) para generar potencia. El motor puede producir energía después de un ciclo porque el escape y la admisión del gas ocurren simultáneamente.

Hay una válvula para la carrera de admisión que se abre y se cierra debido al cambio de presión. Además, debido a su contacto frecuente con los componentes en movimiento, el combustible se mezcla con aceite para agregar lubricación, lo que permite movimientos más suaves.

En general, un motor de dos tiempos contiene dos procesos:

  • Carrera de compresión: el puerto de entrada se abre, la mezcla de aire y combustible ingresa a la cámara y el pistón se mueve hacia arriba, comprimiendo esta mezcla. Una bujía enciende el combustible comprimido y comienza el golpe de potencia.
  • Carrera de potencia: el gas calentado ejerce una alta presión sobre el pistón, el pistón se mueve hacia abajo (expansión), el calor residual se agota.
Motor de dos tiempos
Motor de dos tiempos

La eficiencia térmica de estos motores de gasolina variará según el modelo y el diseño del vehículo. Sin embargo, en general, los motores de gasolina convierten el 20% de la energía del combustible (química) en energía mecánica, en la que solo se utilizará el 15% para mover las ruedas (el resto se pierde por fricción y otros elementos mecánicos).

En comparación con los motores de cuatro tiempos, dos son más ligeros, más eficientes, tienen la capacidad de usar combustible de menor grado y son más económicos. Por lo tanto, los motores más ligeros dan como resultado una mayor relación potencia / peso (más potencia por menos peso).

Sin embargo, carecen de la maniobrabilidad posible en los motores de cuatro tiempos y requieren más lubricación. Esto hace motores de dos tiempos ideal para barcos (necesidad de llevar una gran cantidad de carga), motocicletas y cortadoras de césped-mientras que una de cuatro tiempos sería ideal para automóviles como coches y camiones.

Motor de cuatro tiempos

El motor de cuatro tiempos es el tipo más común de motores de combustión interna y se usa en varios automóviles (que usan específicamente gasolina como combustible ) como camiones y algunas motocicletas.

Un motor de cuatro tiempos ofrece una carrera de potencia por cada dos ciclos del pistón (o cuatro movimientos del pistón):

  • Carrera de admisión: el pistón se mueve hacia abajo hasta el fondo, esto aumenta el volumen para permitir que una mezcla de aire y combustible ingrese a la cámara.
  • Carrera de compresión: la válvula de admisión está cerrada y el pistón se mueve hacia arriba desde la cámara. Esto comprime la mezcla aire-combustible. Al final de esta carrera, una bujía proporciona al combustible comprimido la energía de activación requerida para comenzar la combustión.
  • Carrera de potencia: a medida que el combustible llega al final de su combustión, el calor liberado por la combustión de los hidrocarburos aumenta la presión, lo que hace que el gas empuje hacia abajo el pistón y genere la salida de potencia.
  • Carrera de escape: Cuando el pistón llega al fondo, la válvula de escape se abre. El gas de escape restante es expulsado por el pistón mientras se mueve hacia arriba.
Motor de cuatro tiempos
Motor de cuatro tiempos

Una forma en que la eficiencia termodinámica puede mejorar en los motores es a través de una mayor relación de compresión. Esta relación es la diferencia entre el volumen mínimo y máximo en la cámara del motor. Una relación más alta permitirá que entre una mayor mezcla de aire y combustible, lo que causará una presión más alta, lo que llevará a una cámara más caliente, lo que aumenta la eficiencia térmica.