CICLO DE OTTO

Muchas de las máquinas térmicas que se construyen en la actualidad (motores de camiones, coches, maquinaria, etc) están provistas de un motor denominado motor de cuatro tiempos. El ciclo que describe el fluido de trabajo de dichas máquinas se denomina ciclo de Otto, inventado a finales del siglo XIX por el ingeniero alemán del mismo nombre.

En el ciclo de Otto, el fluido de trabajo es una mezcla de aire y gasolina que experimenta una serie de transformaciones (seis etapas, aunque el trabajo realizado en dos de ellas se cancela) en el interior de un cilindro provisto de un pistón.

El proceso consta de seis etapas:

1 - Admisión: la válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada en el cilindro de la mezcla de aire y gasolina. Al finalizar esta primera etapa, la válvula de admisión se cierra. El pistón se desplaza hasta el denominado punto muerto inferior (PMI).

2 - Compresión adiabática: la mezcla de aire y gasolina se comprime sin intercambiar calor con el exterior. La transformación es por tanto isentrópica. La posición que alcanza el pistón se denomina punto muerto superior (PMS). El trabajo realizado por la mezcla en esta etapa es negativo, ya que ésta se comprime.

3 - Explosión: la bujía se activa, salta una chispa y la mezcla se enciende. Durante esta transformación la presión aumenta a volumen constante.

4 - Expansión adiabática: la mezcla se expande adiabáticamente. Durante este proceso, la energía química liberada durante la combustión se transforma en energía mecánica, ya que el trabajo durante esta transformación es positivo.

5 - Enfriamiento isócoro: durante esta etapa la presión disminuye y la mezcla se enfría liberándose calor al exterior.

6 - Escape: la válvula de escape se abre, expulsando al exterior los productos de la combustión. Al finalizar esta etapa el proceso vuelve a comenzar.

El trabajo total realizado durante el ciclo es positivo (ya que éste se recorre en sentido horario). Como se observa en la parte izquierda de la animación, el trabajo realizado por el sistema durante las etapas 01 y 10 es igual en valor absoluto pero de signo contrario, por lo que no contribuyen al trabajo total.

Rendimiento del ciclo de Otto ideal

El rendimiento del ciclo de Otto, como el de cualquier otra máquina térmica, viene dado por la relación entre el trabajo total realizado durante el ciclo y el calor suministrado al fluido de trabajo:

El rendimiento expresado en función de la relación de comprensión es :

Cuanto mayor sea la relación de compresión, mayor será el rendimiento del ciclo de Otto.

Ciclo de Otto real

En la práctica, ni las transformaciones adiabáticas del ciclo de Otto son adiabáticas (isentrópicas) ni las transformaciones isócoras de la animación anterior tienen lugar a volumen constante.

En la siguiente figura se ha representado un esquema del ciclo real de Otto superpuesto con el ideal analizado en las secciones anteriores.

En la figura están indicados de forma aproximada los puntos del ciclo donde tienen lugar la explosión y el escape respectivamente.

CICLO DE ATKINSON

En 1882 James Atkinson diseñó un motor basado en el de ciclo Otto, se diseñó para saltarse la patente que protegía al motor de cuatro tiempos. No pasó de ser una anécdota histórica, pero el ciclo en el que se basa se ha rescatado en los últimos años para los híbridos.

El ciclo Atkinson es más eficiente, ya que consigue relaciones más altas de compresión. La gasolina, cuando se encuentra muy comprimida tiende a detonar antes, lo cual no interesa. Pero si se logra una alta relación de compresión, el rendimiento termodinámico es superior.

Los motores con mayores relaciones de compresión necesitan gasolina con un octanaje superior. El índice RON no habla del poder detonante de la gasolina, sino al revés, su poder antidetonante. ¿Cómo consigue Atkinson que aumente la relación de compresión, pero evitando que la gasolina RON 95 detone antes de tiempo?

Es más fácil de lo que pensáis, basta con retrasar el cierre de las válvulas de admisión, permitiendo un pequeño reflujo de gases que vuelve al colector de admisión mientras asciende el pistón, permitiendo una relación de compresión superior. Estas válvulas controlan la cantidad de gases en el cilindro y la duración de la carrera de compresión. Podemos considerarlo como un cinco tiempos.

Dicho de otra manera, la carrera de compresión dura menos que la carrera de expansión. Todo esto nos sirve para aprovechar mejor la energía liberada durante la explosión de la gasolina. Como hay una menor mezcla en el cilindro, la potencia es inferior al de un motor Otto de la misma cilindrada, pero la eficiencia termodinámica del Atkinson es más alta: gastan menos.

Como los Atkinson gastan menos y dan menos potencia, son motores idóneos para aplicaciones

híbridas. El motor eléctrico aporta la potencia que falta, y así combinan una entrega de potencia

buena con un consumo realmente bajo. Ahora vamos a ver tres ejemplos de vehículos actuales

que usan este sistema:

2009 Ford Escape Hybrid: 2.5 153 CV, 7,84 l/100 km (autovía), relación de compresión 12,3:1

Toyota Prius II: 1.5 78 CV, potencia combinada híbrida 115 CV, 4,3 l/100 km, relación de

compresión 13:1

Toyota Prius III: 1.8 98 CV, potencia combinada híbrida 134 CV, consumo inferior a 4,3 l/100

km

Los híbridos procuran que el motor Atkinson gire a su régimen más eficiente, y el exceso de

potencia generada se almacena en las baterías. Esto supone un menor consumo que si se

utilizase el motor Atkinson en regímenes en los que no consigue la misma eficiencia

termodinámica.

Y para los ingenieros…

Este es el diagrama presión-volumen del ciclo Atkinson. Se produce un mayor aporte de calor a

volumen constante en Qp y otro en Qp‘, mientras que el calor residual cedido por los gases de

escape se descompone en Qo y Qo‘.

Si el ciclo Otto si se dieseliza un poco, nos da el ciclo Atkinson. Basta con ver las analogías: más

relación de compresión, mayor rendimiento termodinámico, menor potencia. ¿Por qué no utilizar

los Atkinson de manera masiva? Pues es una buena pregunta que no sabría responder.

CICLO DE BRAYTON

Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión

siendo r = pB / pA la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él. El método para obtener este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto.

Descripción del ciclo

El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:

Admisión

El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina

Compresor

El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto

que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.

Cámara de combustión

En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.

Turbina

El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.

Escape

Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A.

Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.

Rendimiento

El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil, | W | . Lo que nos cuesta es el calor Qc, que introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el enunciado de Kelvin-Planck). Por tanto

Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores

Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.

CICLO DE RANKINE

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.

La representación en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que aparece una campana, llamada de cambio de fase.

A la izquierda corresponde al estado líquido, en el que prácticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presión. Por ello las isotermas son prácticamente verticales.

A la derecha corresponde al estado vapor, aquí el fluido se comporta como un gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales.

Dentro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es así porqué dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporación.

El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

El ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente desplazable llamado corredera que dirigía el vapor a un lado u otro del pistón.

Analicemos más despacio las etapas del ciclo:

En la transformación 1-2 aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo.

En la transformación 2-3 se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo.

La transformación 3-4 es una expansión adiabática, con lo que el vapor a alta presión realiza un trabajo en la turbina.

La transformación 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama p-V.

Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el área del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo.

Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 haciéndolo pasar por la caldera y después por otra turbina de baja presión.

CICLO DE MILLER

Una evolución reciente del ciclo Otto en la línea de aumentar el rendimiento es el llamado ciclo Miller. La eficiencia del ciclo Otto depende de manera fundamental de la relación de compresión. Esto se debe a que un aumento de la relación de compresión geométrica implica un aumento de la presión máxima y de la presión media efectiva, lo cual supone un mayor rendimiento del proceso.

Sin embargo, el ciclo real es más complicado que el ciclo ideal de aire, haciendo que el rendimiento sea dependiente de muchos otros parámetros. Así los mismos efectos beneficiosos conseguidos con un aumento de la relación de compresión geométrica se pueden conseguir con otros medios.

En el gráfico p-V situado a la izquierda de la figura se puede observar el incremento en la presión de admisión gracias a la utilización de un turbocompresor con mayor relación de compresión. Sin embargo, la presión de al final de la carrera de compresión se mantiene constante (debido a una reducción de la relación de compresión geométrica), quedando constante también la presión después de la combustión. A su vez, el gráfico T-S situado a la derecha de la figura 3.8 muestra que si se refrigera el fluido antes de entrar al cilindro para que no aumente la temperatura de inicio de la compresión geométrica, se obtiene también una menor temperatura al final de la compresión y, por tanto, una temperatura de combustión menor.

Aquí es donde entra la segunda característica que utiliza el ciclo Miller, que es jugar con el decalaje de las válvulas para que la reducción en la relación de compresión no implique una reducción de la expansión. Esto se lleva a cerrando la válvula de admisión cuando el volumen de la cámara es inferior al volumen máximo, de forma que la relación de compresión efectiva (relación entre el volumen de gas cuando se cierra la válvula de admisión y el volumen mínimo) es menor que la relación de expansión (relación entre el volumen de gas cuando se abre la válvula de escape y el volumen mínimo), como se esquematiza en la figura adjunta

 

Esto conduce a un rendimiento ligeramente menor, que puede ser compensado subiendo un poco la presión final. Los motores de ciclo Otto y mezcla pobre tienen ya bajas emisiones de NOx de por si. En este caso el ciclo Miller permite subir la relación de compresión total y por tanto subir el rendimiento sin aumentar el riesgo de detonación.

El ciclo Miller no solo tiene ventajas. Cuando se trabaja a carga parcial, como el trabajo en isla, se produce por debajo de cierta carga una bajada muy grande de la presión de carga y el llenado de aire del cilindro se hace insuficiente, con la consiguiente mala combustión. Esto puede solucionarse cambiando los retardos de cierre de válvulas hasta condiciones de ciclo normal por debajo de cierta carga (variable valve timing, VVT).