Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (2022)

El ciclo Otto es un ciclo termodinámico que está conformado por dos procesos isocóricos y dos procesos adiabáticos.Este ciclo se produce sobre un fluido termodinámico compresible.Fue creado por el ingeniero alemán Nikolaus Otto a finales del siglo XIX, quien perfeccionó el motor de combustión interna, predecesor del que llevan los automóviles modernos. Más tarde su hijo Gustav Otto fundaría la famosa compañía BMW.

El ciclo Otto se aplica a motores de combustión interna que trabajan con una mezcla de aire y un combustible volátil como gasolina, gas, o alcohol, y cuya combustión se inicia con una chispa eléctrica.

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (1)

Índice del artículo

  • 1 Fases del ciclo Otto
  • 2 Aplicación
    • 2.1 -El motor de 4 tiempos
  • 3 Trabajo neto realizado en el ciclo Otto
    • 3.1 Trabajo realizado desde A hasta B
    • 3.2 Trabajo realizado desde C hasta D
  • 4 Calor neto en ciclo Otto
  • 5 Rendimiento
  • 6 Ejercicios resueltos de ciclo Otto
    • 6.1 -Ejercicio 1
    • 6.2 -Ejercicio 2
  • 7 Referencias

Fases del ciclo Otto

Los pasos del ciclo de Otto son:

  1. Compresión adiabática (sin intercambio de calor con el entorno).
  2. Absorción de energía calórica en forma isocórica (sin cambiar el volumen).
  3. Expansión adiabática (sin intercambio de calor con el entorno).
  4. Expulsión de energía calórica en forma isocórica (sin cambiar el volumen).

La figura 2, que se muestra a continuación, muestra en un diagrama P-V (presión – volumen) las distintas fases del ciclo Otto.

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (2)

Aplicación

El ciclo Otto aplica por igual a los motores de combustión interna de cuatro tiempos y a los de dos tiempos.

-El motor de 4 tiempos

Este motor consta de uno o más pistones en un cilindro, cada uno con una (o dos) válvulas de admisión y una (o dos) válvulas de escape.

Se denomina así porque su funcionamiento tiene justamente cuatro tiempos o etapas bien marcadas que son:

  1. La admisión.
  2. La compresión.
  3. La explosión.
  4. El escape.

Estas etapas o tiempos ocurren durante dos vueltas del cigüeñal, porque el pistón baja y sube en en los tiempos 1 y 2, y nuevamente baja y sube en los tiempos 3 y 4.

A continuación describimos de forma detallada lo que ocurre durante estas etapas.

Paso 1

Descenso del pistón desde el punto más alto con las válvulas de admisión abierta y la de escape cerrada, de modo que la mezcla de aire-combustible sea aspirada por el pistón durante su descenso.

La admisión ocurre durante el paso OA del diagrama del ciclo Otto a presión atmosférica PA. En esta etapa se ha incorporado la mezcla aire – combustible, que es el fluido compresible sobre los que se aplicarán las etapas AB, BC, CD y DA del ciclo Otto.

Paso 2

Un poco antes de que el pistón llegue al punto más bajo ambas válvulas se cierran. Luego comienza a subir de modo tal que comprime la mezcla aire-combustible. Este proceso de compresión ocurre tan rápido que prácticamente no cede calor al entorno. En el ciclo Otto corresponde al proceso adiabático AB.

(Video) Ciclo Otto

Paso 3

En el punto más alto del pistón, con la mezcla comprimida y las válvulas cerradas, ocurre la combustión explosiva de la mezcla iniciada por la chispa. Esta explosión es tan rápida que el pistón apenas ha descendido.

En el ciclo Otto corresponde al proceso isocórico BC donde se inyecta calor sin cambio apreciable de volumen, consecuentemente aumentando la presión de la mezcla. El calor lo aporta la reacción química de combustión del oxígeno del aire con el combustible.

Paso 4

La mezcla a alta presión se expande haciendo que el pistón descienda mientras las válvulas permanecen cerradas. Este proceso ocurre tan rápido que el intercambio de calor con el exterior es despreciable.

En este punto se hace trabajo positivo sobre el pistón, que es transmitido por la biela al cigüeñal produciendo la fuerza motriz. En el ciclo de Otto corresponde al proceso adiabático CD.

Paso 5

Durante la parte más baja del recorrido se expulsa calor a través del cilindro hacia el refrigerante, sin que el volumen cambie en forma apreciable. En el ciclo de Otto corresponde al proceso isocórico DA.

Paso 6

En la parte final del recorrido del pistón se expulsa la mezcla quemada por la válvula de escape que permanece abierta, mientras la de admisión está cerrada. El escape de los gases quemados ocurre durante el paso AO en el diagrama del ciclo Otto.

Todo el proceso se repite con el ingreso a través de la válvula de admisión de una mezcla aire-combustible nueva.

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (3)

Trabajo neto realizado en el ciclo Otto

El ciclo Otto funciona como un motor térmico y se recorre en sentido horario.

El trabajo W que realiza un gas que expande las paredes que lo contienen se calcula mediante la siguiente fórmula:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (4)

Donde Vi es el volumen inicial y Vf el volumen final.

En un ciclo termodinámico el trabajo neto corresponde al área encerrada en el ciclo del diagrama P – V.

En el caso del ciclo Otto corresponde al trabajo mecánico realizado desde A hasta B más el trabajo mecánico realizado desde C hasta D. Entre B y C el trabajo realizado es nulo puesto que no hay cambio de volumen. Similarmente entre D y A el trabajo es nulo.

Trabajo realizado desde A hasta B

Supongamos que partimos del punto A, en el que se conoce su volumen Va, su presión Pa y su temperatura Ta.

Del punto A al punto B se realiza una compresión adiabática. En condiciones cuasiestáticas los procesos adiabáticos cumplen la ley de Poisson, que establece que:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (5)
(Video) CICLO Otto (Motores de combustión interna). Ejercicio resuelto👨‍🔧

Donde γ es cociente adiabático definido como el cociente entre el calor específico a presión constante entre el calor específico a volumen constante.

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (6)

De modo que el trabajo realizado desde A hasta B se calcularía mediante la relación:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (7)

Después de tomar la integral y usar la relación de Poisson para proceso adiabático se tiene:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (8)

Donde r es la relación de compresión r=Va/Vb.

Trabajo realizado desde C hasta D

Similarmente el trabajo realizado desde C hasta D se calcularía mediante la integral:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (9)

Cuyo resultado es

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (10)

Siendo r=Vd/Vc=Va/Vb la relación de compresión.

El trabajo neto será la suma de los dos trabajos:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (11)

Calor neto en ciclo Otto

En los procesos desde A a B y desde C hasta D no se intercambia calor porque son procesos adiabáticos.

Para el proceso de B a C no se realiza trabajo y el calor cedido por la combustión aumenta la energía interna del gas y por tanto su temperatura de Tb a Tc.

(Video) Ejemplo de Ciclo de Otto

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (12)

De forma similar, en el proceso de D a A hay cesión calor que igualmente se calcula como:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (13)

El calor neto será:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (14)

Rendimiento

El rendimiento o eficiencia de un motor cíclico se calcula encontrando el cociente entre el trabajo neto realizado y el calor suministrado al sistema por cada ciclo de funcionamiento.

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (15)

Si en la expresión anterior se sustituyen los resultados anteriores y además se hace la suposición de que la mezcla de aire combustible se comporta como gas ideal, entonces se llega a la eficiencia teórica del ciclo, que solo depende de la relación de compresión:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (16)

Ejercicios resueltos de ciclo Otto

-Ejercicio 1

Un motor de gasolina de cuatro tiempos de 1500 cc de cilindrada y relación de compresión 7,5 trabaja en un ambiente con presión atmosférica de 100 kPa y 20 grados Celsius. Determine el trabajo neto realizado por ciclo. Suponga que la combustión aporta 850 Joules por cada gramo de mezcla aire – combustible.

Solución

La expresión del trabajo neto había sido calculada previamente:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (17)

Necesitamos determinar el volumen y la presión en los puntos B y C del ciclo para determinar el trabajo neto realizado.

El volumen en el punto A donde se ha llenado en cilindro con la mezcla aire – gasolina es la cilindrada 1500 cc. En el punto B el volumen es Vb = Va / r = 200 cc.

El volumen en el punto C también es 200 cc.

Cálculo de la presión en A, en B y en C

La presión del punto A es la presión atmosférica. La presión en el punto B puede calcularse usando la relación de Poisson para un proceso adiabático:

(Video) 💪CICLO DE OTTO. Ejercicio CLAVE Tipo 1. Procesos Isoentópicos con Calores Específicos Constantes

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (18)

Teniendo en cuenta que la mezcla es predominantemente aire que puede tratarse como un gas ideal diatómico, el coeficiente adiabático gamma toma el valor 1,4. Entonces la presión en el punto B será de 1837,9 kPa.

El volumen del punto C es igual que la de el punto B, es decir 200 cc.

La presión en el punto C es mayor que en el punto B debido al aumento de temperatura ocasionado por la combustión. Para calcularla necesitamos saber qué cantidad de calor ha aportado la combustión.

El calor aportado por la combustión es proporcional a la cantidad de mezcla que se quema.

Usando la ecuación de estado del gas ideal:

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (19)

Entonces el calor aportado por la combustión es 1,78 gramos x 850 Joules/gramo = 1513 Joules. Esto causa una elevación de temperatura que puede calcularse a partir de

Ciclo Otto: fases, rendimiento, aplicaciones, ejercicios resueltos (20)

Tb puede calcularse a partir de la ecuación de estado dando como resultado 718 K, entonces para nuestros datos, el valor resultante de Tc es 1902 K.

La presión en el punto C está dada por la ecuación de estado aplicada a ese punto dando como resultado 4868,6 kPa.

El trabajo neto por ciclo resulta ser entonces 838,5 Joules.

-Ejercicio 2

Determine la eficiencia o rendimiento del motor del ejercicio 1. Suponiendo que el motor trabaja a 3000 r.p.m determine la potencia.

Solución

Dividiendo el trabajo neto entre el calor suministrado se obtiene una eficiencia de 55,4%. Este resultado coincide con el obtenido por la aplicación directa de la fórmula de la eficiencia en función de la relación de compresión.

La potencia es el trabajo realizado por unidad de tiempo. 3000 r.p.m. equivale a 50 vueltas por segundo. Pero el ciclo Otto se completa por cada dos vueltas del motor debido a que se trata de un motor de cuatro tiempos, según explicamos anteriormente.

Esto significa que en un segundo el ciclo Otto se repite 25 veces por lo que el trabajo efectuado es 25 x 838,5 Joules en un segundo.

(Video) CICLO DE OTTO ejercicio resuelto

Esto corresponde a 20,9 kilovatios de potencia equivalente a 28 caballos de vapor.

Referencias

  1. Ciclos termodinámicos. Recuperado de:fis.puc.cl
  2. Martín, T. y Serrano, A. Ciclo de Otto. Recuperado de:2.montes.upm.es.
  3. Universidad de Sevilla. Wiki del Departamento de Física AplicadaCaso práctico de ciclo de Otto. Recuperado de: laplace.us.es.
  4. Wikipedia. Ciclo Otto. Recuperado de: es.wikipedia.com
  5. Wikipedia. Motor Otto. Recuperado de: es.wikipedia.com

FAQs

¿Cuál es el rendimiento del ciclo de Otto? ›

El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30 %, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45 %, debido precisamente a su mayor relación de compresión.

¿Cuáles son las 4 fases del ciclo Otto? ›

Este tipo de motor utiliza cuatro fases para completar el ciclo: admisión, compresión, explosión y escape. Para todo ello utiliza dos giros del cigüeñal.

¿Cómo se calcula la eficiencia del ciclo Otto? ›

con r = VA / VB la razón de compresión entre el volumen inicial y el final. La eficiencia teórica de un ciclo Otto depende, por tanto, exclusivamente de la razón de compresión. Para un valor típico de 8 esta eficiencia es del 56.5%.

¿Dónde se aplica el ciclo Otto? ›

El ciclo Otto se emplea en motores de combustión interna. Se trata de un tipo de ciclo termodinámico, el cual se acciona a través de una chispa eléctrica. Es el caso de los motores de gasolina.

¿Cómo se relacionan las RPM de un motor real de 4 tiempos con el número de ciclos termodinámicos? ›

En una máquina de cuatro tiempos cada ciclo ocurre en dos vueltas del eje cigüeñal, por tanto, los rpm son el doble del número de ciclos termodinámicos.

¿Qué quiere decir 4 tiempos? ›

Los motores de 4 tiempos completan un (1) ciclo termodinámico cada cuatro (4) recorridos del pistón mientras que los de 2 tiempos realizan un (1) ciclo de combustión cada dos (2) recorridos del pistón. Un ciclo termodinámico tiene cuatro (4) fases: admisión, compresión, combustión y escape.

¿Cuál es el orden de los 4 tiempos del motor? ›

Estos cuatro tiempos son: admisión, compresión, combustión o explosión o expansión y escape.

¿Cuántas vueltas da el cigüeñal de un motor de 4 tiempos para completar un ciclo de trabajo? ›

El ciclo de combustión de un motor de cuatro tiempos tiene cuatro fases y necesita dos vueltas completas del cigüeñal para que se produzca, a diferencia de un motor de dos tiempos que solo necesita una vuelta.

¿Qué relación de compresión tienen los motores Otto de 4 tiempos? ›

Tanto en los motores de ciclo Otto como en los diésel el rendimiento aumenta al aumentar la compresión, pero en el caso del ciclo Otto se logra un rendimiento aproximado del 64% con una compresión de 12:1 y, en el caso de los Diésel, es necesario una compresión de 21:1 para el mismo rendimiento.

¿Qué ciclo es más eficiente Otto o diésel? ›

Un motor de gasolina de ciclo Otto viene a tener una eficiencia de entre el 20 y el 30%, en el mejor de los casos. Un motor de gasóleo de ciclo Diésel viene a tener una eficiencia de entre el 30 y el 45%, en el mejor de los casos (para lograr ese 45% suele ser un motor diésel hibridado, o un motor diésel naval).

¿Cómo funciona un motor de ciclo Otto? ›

Este motor empleo cuatro fases para completar el ciclo. Este último se lleva a cabo en las fases de admisión, compresión, explosión y escape. En todo el proceso usa dos giros del cigüeñal. Este motor es el que más se usa a día de hoy.

¿Cómo funciona un motor Otto? ›

Ambos motores son motores térmicos, que mediante reacciones conocidas como termodinámicas convierten la energía en trabajo mecánico. La diferencia principal y por tanto la más importante, la encontramos en su ciclo teórico, el motor Otto funciona con chispa y el diésel funciona mediante el encendido por compresión.

¿Cuántas vueltas da el cigüeñal y el árbol de levas? ›

Él árbol de levas y el cigüeñal

En los vehículos de cuatro tiempos, cada dos vueltas del cigüeñal se produce una vuelta del árbol de levas.

¿Cuántos grados gira el cigüeñal en un ciclo completo? ›

De esta manera el cigüeñal gira 720 grados o dos vueltas para completar los cuatro procesos; de admisión, compresión, expansión y escape.

¿Cómo se llama la distancia que hay entre el PMS y el PMI? ›

- Carrera (C): es la distancia que hay entre el PMS y el PMI, y siempre se expresa en milímetros.

¿Qué motor es más eficiente 2 tiempos o 4 tiempos? ›

A igualdad de cilindrada, los 2T son más potentes

Pues no, haces un 4T más grande y a correr.

¿Qué es mejor un motor de 2 tiempos o de 4? ›

Los únicos pasos que realiza un ciclo de 2 tiempos son admisión -compresión y combustión- escape. Esta sencillez en el funcionamiento provoca que el motor gire mucho más rápido que uno de 4 tiempos y que su nervio proporcione mucho más rendimiento en la aceleración.

¿Por qué se llama motor de 2 tiempos? ›

El motor de 2 tiempos es, junto al motor de 4 tiempos, un motor de combustión interna con un ciclo de cuatro fases de admisión, compresión, combustión y escape, como el 4 tiempos, pero realizadas todas ellas en solo 2 tiempos, es decir, en dos movimientos del pistón.

¿Cuántas válvulas tiene un motor de 4 tiempos? ›

El motor de cuatro tiempos fue creado por Nikolaus Otto en 1867 (por ende también se lo conoce como motor Otto) y se compone de un cilindro, una biela, un cigüeñal, por lo menos dos válvulas, una bujía y otros elementos que hacen posible el trabajo coordinado del motor.

¿Qué es admisión compresión expansión y escape? ›

La primera para dejar entrar el aire o mezcla, la segunda para comprimirla, la tercera para detonarla y conseguir energía con la expansión de gases y, por último, una cuarta para expulsar los gases de escape. Los nombre de estas fases o tiempos son: admisión, compresión, expansión y escape.

¿Cómo es el funcionamiento de un motor de 4 tiempos? ›

El pistón se mueve de forma continua con movimientos ascendentes y descendentes dentro del cilindro. Es el principal protagonista del motor de 4 tiempos, ya que genera las reacciones necesarias para la combustión de la gasolina o el diésel.

¿Cómo se calcula la relación de compresión? ›

Ejemplo: un motor de cuatro cilindros en línea (4L) con 1.4 litros de desplazamiento, se divide el desplazamiento entre el número de cilindros (1 400 cc / 4 = 350 cc). A este valor se le suma el volumen de la cámara ( 350 cc + 40 cc = 390 cc y se divide por el volumen de la cámara (390 cc / 40 cc = 9.75).

¿Qué significa compresión 11 1? ›

La relación de compresión se expresa como dos números que permiten mensurar una proporción. Por ejemplo: 10 a 1, 11 a 1, 12 a 1, 14 a 1 ó el valor que sea, que solo quiere decir que la mezcla se expande 10, 11, 12 ó 14 veces una vez que ha ardido.

¿Cómo cambia la eficiencia térmica de un ciclo ideal de Otto con la relación de compresión del motor? ›

Como es de esperarse, la eficiencia térmica se incrementa con la relación de compresión, para una relación de corte dada. Si el valor de la relación de compresión no varía, el rendimiento térmico se mantiene constante cuando se incrementa la relación de presiones del motor.

¿Qué conversión de energía se produce en el motor Otto? ›

Motor Otto, características y funcionamiento de un motor de gasolina. El motor Otto es un tipo de motor térmico alternatico que funciona mediante el ciclo Otto. Se trata de un motor alternativo capaz de convertir la energía química del combustible en energía mecánica mendiante una reacción termodinámica.

¿Qué relación de compresión tienen los motores Otto de 4 tiempos? ›

Tanto en los motores de ciclo Otto como en los diésel el rendimiento aumenta al aumentar la compresión, pero en el caso del ciclo Otto se logra un rendimiento aproximado del 64% con una compresión de 12:1 y, en el caso de los Diésel, es necesario una compresión de 21:1 para el mismo rendimiento.

¿Cómo calcular el rendimiento de una máquina térmica? ›

El rendimiento térmico o eficiencia de una máquina térmica es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico).

¿Cuáles son los 4 ciclos Termodinamicos? ›

Ciclo de Stirling • Ciclo de Ericsson • Ciclo de Otto • Ciclo de Diésel. Ciclo Dual • Ciclo de Brayton • Ciclo de Rankine • Ciclos de refrigeración.

¿Qué significa que el motor de combustión tenga una eficiencia de 100%? ›

Si el trabajo realizado por el motor (generación de movimiento) fuese igual a la energía química del combustible utilizado para producirlo, la eficiencia de ese supuesto motor sería de un 100% (eficiencia perfecta).

¿Cuántas revoluciones requiere el proceso de 4 tiempos? ›

El ciclo de combustión de un motor de cuatro tiempos tiene cuatro fases y necesita dos vueltas completas del cigüeñal para que se produzca, a diferencia de un motor de dos tiempos que solo necesita una vuelta.

¿Cuántos tiempos tiene el motor? ›

Estos cuatro tiempos son: admisión, compresión, combustión o explosión o expansión y escape.

¿Cuántas vueltas da el cigüeñal en un motor de 2 tiempos? ›

En un motor 2 tiempos se produce una combustión por cada vuelta de cigüeñal mientras que en un motor 4 tiempos se produce una combustión por 2 vueltas de cigüeñal, lo que significa que a misma cilindrada se genera mucha más potencia (Entre un 30% y 50%), pero también un mayor consumo de combustible.

¿Qué ciclo es más eficiente Otto o diésel? ›

5.6.4 Rendimiento

Vemos que el rendimiento es mucho mayor que para un ciclo Otto que, para valores típicos de motores de explosión, rondaba el 50%. La causa principal de la diferencia es la mucho mayor relación de compresión en el motor diésel.

¿Cómo se calcula la relación de compresión? ›

Ejemplo: un motor de cuatro cilindros en línea (4L) con 1.4 litros de desplazamiento, se divide el desplazamiento entre el número de cilindros (1 400 cc / 4 = 350 cc). A este valor se le suma el volumen de la cámara ( 350 cc + 40 cc = 390 cc y se divide por el volumen de la cámara (390 cc / 40 cc = 9.75).

¿Qué significa compresión 11 1? ›

La relación de compresión se expresa como dos números que permiten mensurar una proporción. Por ejemplo: 10 a 1, 11 a 1, 12 a 1, 14 a 1 ó el valor que sea, que solo quiere decir que la mezcla se expande 10, 11, 12 ó 14 veces una vez que ha ardido.

Videos

1. Ciclo Otto y Diesel - Termodinámica 2020
(Termodinamica FIUNMDP)
2. 💪CICLO OTTO. CONOCE las FÓRMULAS de los 3 CASOS MÁS COMUNES en la PRÁCTICA de OTTO [ENTRA Y APRENDE]
(LaMejorAsesoríaEducativa)
3. problemas motores de combustion interna
(Julio Monjarás)
4. Ciclo de otto (ejemplo resuelto)
(Alvaro Delgado Mejía)
5. Aplicación del ciclo de Otto en TermoGraf | Termodinámica
(Limber Kama)
6. El Ciclo de Otto
(Willy Gerber)

Top Articles

Latest Posts

Article information

Author: Ray Christiansen

Last Updated: 10/27/2022

Views: 6323

Rating: 4.9 / 5 (69 voted)

Reviews: 84% of readers found this page helpful

Author information

Name: Ray Christiansen

Birthday: 1998-05-04

Address: Apt. 814 34339 Sauer Islands, Hirtheville, GA 02446-8771

Phone: +337636892828

Job: Lead Hospitality Designer

Hobby: Urban exploration, Tai chi, Lockpicking, Fashion, Gunsmithing, Pottery, Geocaching

Introduction: My name is Ray Christiansen, I am a fair, good, cute, gentle, vast, glamorous, excited person who loves writing and wants to share my knowledge and understanding with you.