NOMBRE DEPARTAMENTO FÍSICA APLICADA

Ciclo de Otto - Funcionamiento del Motor de un Coche

Introducción

¿Cómo funciona el motor de un coche? ¿De qué depende que consuma más o menos gasolina? ¿Es mejor para el consumo ir deprisa o ir despacio? El experimento virtual que se presenta a continuación pretende aclarar cuestiones como las anteriores y mostrar algunas de las muchas aplicaciones prácticas que presenta la termodinámica y que nos hacen la vida más fácil todos los días.

Descripción del experimento virtual

En el experimento virtual se muestra el comportamiento de un coche que funciona con un motor cuyo fluido de trabajo (aire mezclado con una pequeña cantidad de gasolina) sigue un ciclo de Otto. Por un lado, en los dos paneles superiores, se pretende el estudio del ciclo seguido por el motor. Así, el panel de la derecha es una gráfica que muestra el estado de presión y volumen en el que se encuentra el fluido en cada momento. El de la izquierda constituye una animación del motor en la que se pueden apreciar las sucesivas expansiones y compresiones que tienen lugar en el ciclo que se sigue.
Por otra parte, en el panel inferior, se muestra de forma esquemática un coche que recorre la distancia que le permita la cantidad de gasolina que alimenta al motor, a una velocidad que se puede elegir como dato de entrada.

Descripción del Ciclo de Otto

El ciclo de Otto consta de cuatro fases de operación:

  • 1 Admisión y compresión

Entra el aire mezclado con combustible en el motor (que se encuentra a presión atmosférica al estar el ciclo abierto al exterior en esta fase). Se comprime el gas adiabáticamente. Las dos fases tratadas en esta etapa pueden ser abordadas de forma independiente, pero para la realización del experimento virtual se supone que el aire entra de forma instantánea y comienza a comprimirse.

  • 2 Combustión

En el punto en el que se alcanza el volumen mínimo salta una chispa que provoca la combustión de la gasolina, lo que calienta bruscamente el aire.

  • 3 Expansión

La alta temperatura que se alcanza en la fase anterior provoca que se dé una expansión adiabática

  • 4 Enfriamiento y escape

El aire experimenta un enfriamiento a volumen constante y es expulsado del motor, para que vuelva a entrar aire nuevo mezclado con combustible en la fase de admisión. De igual forma que en la primera fase, se podría tratar el enfriamiento y el escape como independientes, no obstante, se consideran en la misma etapa para la realización del experimento virtual.
Para más información puede consultar el sitio web http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto.

Aproximaciones del modelo

Para la resolución del problema, se ha supuesto un modelo con algunas aproximaciones para estudiar su comportamiento de la forma más sencilla y, al mismo tiempo, realista posible. Así, se supone que el motor está aislado térmicamente del exterior, por lo que no se consideran las pérdidas de calor a través de sus paredes; se toma un ciclo de Otto ideal; se considera que la quema de la gasolina produce una energía constante en cada ciclo (que puede ser elegida por el usuario); se toma el aire como un gas monoatómico con coeficiente de dilatación adiabática de 1.4; se supone que el rozamiento que experimenta el coche (con el suelo y con el aire) es constante para todo el recorrido que lleve a cabo el mismo; no se considera la energía asociada al cambio de marchas, el aire acondicionado, …; la velocidad del coche es constante y empieza su movimiento desde esa misma velocidad sin aceleración inicial; se toma la carretera recorrida como plana y sin curvas y se considera que la presión atmosférica es constante e igual a una atmósfera durante todo el recorrido. Además, para el tratamiento del rozamiento por el aire, se han tomado los parámetros aerodinámicos de un Audi A3, según http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_aerodin%C3%A1mica.

¿Cómo funciona el experimento virtual?

La caracterización de la situación física viene dada en función de una serie de parámetros de entrada:

  • Va: es el volumen de aire que entra en el motor en cada nuevo ciclo. Se corresponde con el volumen máximo que alcanza el fluido que realiza el ciclo. Viene expresado en litros.
  • R: es la razón de compresión. Se define como el cociente entre el volumen máximo y el volumen mínimo que ocupa el fluido a lo largo del ciclo. Es adimensional.
  • mg: es la masa de gasolina que se introduce en el depósito. Viene dada en kg.
  • Velocidad: es la velocidad en metros por segundo a la que se desplaza el vehículo.
  • Qc: Es el calor en Julios que se cede a cada kilogramo de aire al combustionar la gasolina. Es una medida de la eficiencia de la reacción química que tiene lugar.

Los datos de salida correspondientes a los datos de entrada anteriores son:

  • Wc: es el trabajo que realiza el motor en cada ciclo. Se expresa en Julios.
  • Ciclos: es el número de ciclos que pueden llevarse a cabo con la gasolina que tenga el depósito.
  • V: es el volumen del aire que realiza el ciclo en cada instante de tiempo. Se expresa en litros.
  • P: es la presión en cada instante de tiempo del aire que realiza el ciclo. Se expresa en atmósferas.
  • Eta: Es el rendimiento del ciclo. Es una magnitud adimensional.
  • Tmax: Es la temperatura máxima que se alcanza en el interior del motor (la que alcanza el aire que lleva a cabo el ciclo). Viene dada en Kelvin.
  • F: Es la fuerza de rozamiento que produce el contacto del vehículo con el suelo (las ruedas) y con el aire (la parte frontal del mismo al avanzar). Se expresa en Newtons.
  • Dist: es la distancia en km recorrida por el coche.

Recomendaciones

Se sugieren algunos parámetros de entrada para la simulación con objeto de poder visualizar un ejemplo de cada caso:

  • Va = 8 L, R = 7, mg = 1 kg, Velocidad = 160 km/h, Qc = 500 kg/J.
  • Va = 5 L, R = 7, mg = 1 kg, Velocidad = 160 km/h, Qc = 500 kg/J.
  • Va = 8 L, R = 7, mg = 1 kg, Velocidad = 70 km/h, Qc = 500 kg/J.
  • Va = 5 L, R = 7, mg = 1 kg, Velocidad = 70 km/h, Qc = 500 kg/J.

Applet

 

Cuestiones

A partir de los valores de entrada 1 y 2 de las recomendaciones, ¿qué influencia tiene el tamaño del motor en el trabajo que se obtiene del ciclo? ¿Qué diferencias se esperan en la distancia recorrida del coche?

¿Qué ocurre con la fuerza de rozamiento al aumentar la velocidad?

¿Cómo es posible que el coche recorra distancias tan grandes para las cantidades de gasolina que se permiten en el experimento (que son las aproximadas en un repostaje cotidiano)?

En el ciclo de Otto, se limita la razón de compresión. ¿A qué se debe?