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Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. Este ciclo está formado por seis pasos, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión:

Siendo r = VA / VB la razón de compresión igual al cociente entre el volumen al inicio del ciclo de compresión y al final de él. Para ello, halle el rendimiento a partir del calor que entra en el sistema y el que sale de él; exprese el resultado en términos de las temperaturas en los vértices del ciclo y, con ayuda de la ley de Poisson, relacione este resultado con los volúmenes VA y VB.

Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes:

Admisión:

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión:

El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabáticareversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

Combustión:

Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócora B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible.

Ciclo Otto

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Expansión:

La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D.

Escape:

Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que se le llama motor de cuatro tiempos.

En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.

- Ciclo Real de Otto

Hasta este momento hemos estudiado el funcionamiento teórico de un motor ideal que funcionara según un ciclo Otto. Lo cierto es que el ciclo real de un motor de encendido por chispa difiere ligeramente del ideal por los siguientes motivos:

La válvula de admisión permanece abierta un cierto tiempo hasta después de que el pistón comience a descender, para conseguir que entre algo más de aire. Es el llamado Retraso al Cierre de la Admisión (RCA).

La válvula de escape también se adelanta en la Apertura del Escape (AAE) para que los gases de la combustión salgan un poco antes de que el pistón llegue al PMI, para que salga la mayor cantidad posible de gases quemados.

El proceso de ignición del combustible no es instantáneo, y la chispa salta antes de que el pistón alcance el PMS para optimizar el proceso de combustión.

Esto provoca que el diagrama real difiera ligeramente del diagrama ideal, siendo el trabajo producido, llamado trabajo indicado (WI) algo inferior al teórico (WT).

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La relación entre ambos es el llamado rendimiento del diagrama:

Como además siempre existen pérdidas en los mecanismos de transmisión, el trabajo que realmente se dispone en el eje es una parte del trabajo indicado del ciclo real, llamándose rendimiento mecánico a la relación que existe entre ambos, es decir:

- Ciclo de Aire

Una máquina de ciclo de aire (ACM) es la unidad de refrigeración del sistema de control ambiental (ECS) que se utiliza en los aviones con motor de turbina de gas a presión. Normalmente una aeronave tiene dos o tres de estos ACM. Cada ACM y sus componentes se refieren a menudo como una bolsa de aire acondicionado. El proceso de enfriamiento de ciclo de aire utiliza aire en lugar de un material de cambio de fase tal como freón en el ciclo de gas. Sin condensación o evaporación de un refrigerante está involucrado, y la salida de aire frío desde el proceso se utilice directamente para la ventilación de la cabina o para la refrigeración de equipos electrónicos.

La compresión de costumbre, el enfriamiento y la expansión observada en cualquier ciclo de refrigeración se lleva a cabo en el ACM por un compresor centrífugo, dos intercambiadores de calor aire-aire y una turbina de expansión.

Purgar el aire de los motores, una unidad de potencia auxiliar, o una fuente de tierra, que puede ser en exceso de 150 ° C y a una presión de 32 psi quizá (220 kPa), [1] se dirige a un intercambiador de calor primario. El aire exterior a temperatura ambiente y la presión se utiliza como el refrigerante en este intercambiador de calor aire-aire. Una vez que el aire caliente se ha enfriado, se comprime por el compresor centrífugo. Esta compresión calienta el aire (la temperatura máxima del aire en este punto es de aproximadamente 250 ° C) y se envía al intercambiador de calor secundario, que a su vez utiliza el aire exterior como refrigerante. El pre-enfriamiento a través del primer intercambiador de calor aumenta la eficiencia de la ACM, ya que reduce la temperatura del aire que entra en el compresor, de modo que se requiere menos trabajo para comprimir una masa de aire dada (la energía requerida para comprimir un gas por un dado relación aumenta a medida que la temperatura de los aumentos de gas entrante).

En este punto, la temperatura del aire comprimido enfriado es algo mayor que la temperatura ambiente del aire exterior. El comprimido, se enfrió a continuación, el aire viaja a través de la turbina de expansión que extrae trabajo desde el aire a medida que se expande, enfriándolo por debajo de la temperatura ambiente (por debajo de -20 ° C o –

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30 ° C). Es posible que el ACM para producir aire se enfría a menos de 0 ° C, incluso cuando la temperatura del aire exterior es alta.

El trabajo extraído por la expansión turbina se transmite por un eje gire compresor centrífugo de la manada y un ventilador de entrada que dibuja en el aire externo para los intercambiadores de calor durante el funcionamiento de tierra; aire dinámico se utiliza en vuelo. La potencia para el paquete de aire acondicionado proviene de la reducción de la presión del aire de sangrado entrante con respecto a la del aire enfriado que sale del sistema; diferenciales típicos son de aproximadamente 30 psi o 210 kPa a aproximadamente 11 psi o 76 kPa.

El siguiente paso es para deshumidificar el aire. Enfriar el aire ha causado cualquier vapor de agua que contiene a condensarse en la niebla, que se puede eliminar usando un separador ciclónico. Históricamente, el agua extraída por el separador se vierten simplemente por la borda, pero nuevas ACMs en lugar de pulverización en las tomas de aire exterior para cada intercambiador de calor, lo que da el refrigerante una mayor capacidad de calor y mejora la eficiencia. (También significa que la ejecución de la ACM en un avión estacionado en la pista no deja un charco.)

El aire ahora se puede combinar en una cámara de mezclado con una pequeña cantidad de aire no acondicionado sangrado del motor. Esto calienta el aire a la temperatura deseada, y luego el aire se ventila a la cabina o a los equipos electrónicos.