Ciclo 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.

Nikolaus August Otto:

Ingeniero alemán queperfeccionó el motor de combustión interna (Holzhausen, Nassau, 1832 - Colonia, 1891). En 1861 diseñó un primitivo motor de combustión interna, que consumía gas de alumbrado; para su comercialización se asoció con el industrial Eugen Langen y fundaron juntos una fábrica en Colonia (1864).
En 1876 perfeccionó aquel modelo aplicando el ciclo de cuatro tiempos que había patentado Alphonse Beau de Rochasseis años antes; desde entonces se llama ciclo de Otto al ciclo de cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape) que desarrollan los cilindros de estos motores durante dos vueltas completas del cigüeñal, pues fue Otto el primero en ponerlo en práctica construyendo un motor de cuatro tiempos como los que constituyen la base de los motores de los automóviles modernos.
Al hacerloproporcionó el primer motor eficaz alternativo a la máquina de vapor, abriendo una nueva era en la industria. No obstante, fue uno de sus colaboradores, Daimler, quien dio el paso definitivo -una vez abandonados los talleres de Otto- introduciendo la gasolina como combustible. A pesar del éxito económico inicial de sus motores, Otto perdió la patente en 1886, al descubrirse la anterioridad del invento deBeau de Rochas.
Descripción del ciclo

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 (1)
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 laválvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A.

Compresión (2)
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. Semodela como la curva adiabática reversible 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). Estose 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.

Expansión (3)
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 (4)
Seabre 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 elmismo 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...