Ciclo OTTO
TERMODINAMICA
Il ciclo Otto è utilizzato per rappresentare i processi ciclici nei motori a benzina; combina processi a volume costante, rappresentati da curve isocore ed adiabatici con curve isoentropiche. È adottato principalmente nell’autotrazione privata ed in molteplici applicazioni pratiche.
Il processo evolve in un cilindro nel quale scorre senza attriti, un pistone che a sua volta agisce su un albero a manovella.
Nel cilindro è contenuto un gas perfetto che assorbendo calore da una sorgente calda e cedendolo poi ad una sorgente fredda, compiendo un ciclo termodinamico, produce lavoro meccanico.
I diagrammi, puramente teorici, sono il riferimento per i motori a benzina a carburatore ad accensione comandata;
Il diagramma T-S mostra l’evoluzione della temperatura rispetto all’entropia nelle fasi del ciclo. Il ciclo Otto segue idealmente quattro processi: due isentropici (compressione e espansione, dove l’entropia rimane costante) e due isocori (riscaldamento e raffreddamento a volume costante). Sul diagramma T-S, questi processi appaiono come cambiamenti di temperatura e si possono osservare le variazioni di entropia durante queste fasi
DIAGRAMMI CARATTERISTICI DEL CICLO OTTO
\Trasformazioni in dettaglio:
1-2: Compressione adiabatica (isoentropica), ove il punto 1 è lo stato nella posizione iniziale, ovvero il punto morto inferiore. Il pistone sale, comprime il fluido adiabaticamnete sino al punto 2 ovvero il punto morto superiore; il volume diminuisce, la temperatura sale.
2→3: Riscaldamento isocoro (volume costante), viene immesso calore Qi istantaneamente nel sistema; rappresentata dall'area 23AB del diagramma T-s.
3→4: Espansione adiabatica (isoentropica), inizia la corsa discendente del pistone che si sposta dal punto morto superiore a quello inferiore, si compie lavoro L, rappresentato dall’area 34 CD sul piano P-V. Il lavoro utile si ottiene in questa fase ed è rappresentato dall’area circoscritta dalla figura (1234 del grafico P-V).
4→1: Raffreddamento isocoro, il calore Qe è ceduto, (area 14AB del diagramma T-s):
L’area racchiusa nel piano T-S rappresenta Q netto (Qi - Qe), mentre l’area racchiusa nel piano P-V rappresenta il lavoro
La trasformazione avviene spendendo il lavoro L, di compressione (area 12CD sul
diagramma P-V);
il volume generato dallo stantuffo è la cilindrata:
Il rapporto fra il volume massimo V1 e il volume minimo V2 racchiuso nel cilindro è il rapporto di compressione:
Rendimento termico ideale del ciclo OTTO
Il rendimento del ciclo Otto è indipendente dai valori assoluti della pressione e della temperatura e funzione del solo rapporto di compressione ed aumenta all'aumentare di tale parametro.
Ciclo limite
E’ un sistema aperto in cui avvengono l’ingresso dell’aria, la combustione e lo scarico dei gas combusti, assumendo ideali tutti i processi.
1) P = Pressione,
2) V = Volume,
3) 0-1 aspirazione miscela combustibile, valvola di aspirazione aperta,
4) 1-2 compressione; valvola di aspirazione chiusa in “1”,
5) 2-3 combustione,
6) Qi calore di ingresso,
7) 3-4 espansione, valvole chiuse, lavoro,
8) 4-1 scarico spntaneo, valvola d scarico apre in “4”,
9) Qe calore exaust,
10) 1-0 scarico forzato.
Descrizione del processo del ciclo OTTO con il diagramma indicato
· Fase di aspirazione (0-1): quando il pistone è nel punto morto superiore (“0”),, si apre istantaneamente la valvola di aspirazione ed il pistone si sposta al punto morto inferiore; si crea così la depressione all’interno del cilindro che aspira la miscela esplosiva, a pressione atmosferica.
· Fase di compressione adiabatica (1-2): In “1” la valvola di aspirazione si chiude immediatamente, consentendo la compressione della miscela con il salire del pistone (per evitare autoaccensione della miscela è raccomandato un rapporto di compressione non superiore a 12).
· Fase di combustione isocora (2-3): al punto “2” a valvole chiuse, scocca la scintilla che accende la miscela che genera energia sotto forma di calore. Il processo è istantaneo ed avviene a volume costante. I gas combusti potrebbero avere unge pressioni attorno aii 35/45 bar (ata) e temperatura circa 2300 °C.
· Fase di espansione adiabatica (3-4): La pressione del gas spinge il pistone sino al punto morto inferiore “4”; òa pressione diminuisce, il volume aumenta (PV = cost.) ed il calore genera Lavoro che si trasforma in energia meccanica.
· Fase di scarico isocora (4-1): in “4” si apre istantaneamente la valvola di scarico ed inizia l’espulsione dei gas in modo spontaneo essendo la pressione a circa 4/5 bar (ata) e 1000*C.
· Fase Scarico forzato (1-0): il pistone si muove dal punto morto inferiore a quello superiore (“0”); lo scarico avè a pressione atmosferica.
· Fase 0-1 , il ciclo si ripete.
Il diagramma indicato non è più di tipo termodinamico ma di lavoro, la sua area misura il lavoro meccanico che il cilindro produce in un ciclo.
Il ciclo si dice a quattro tempi, perché quattro sono le corse che effettua il pistone.
Il ciclo reale differisce alquanto dal ciclo limite, perché le trasformazioni si evolvono non esattamente come ipotizzato.
Il diagramma vero si può ottenere utilizzando un un registratore analogico su cilindro di carta o su rilevatore digitale.
