Ciclo Otto

Ciclo Otto a quattro tempi

Il ciclo Otto, detto anche ciclo Beau de Rochas, è un ciclo impiegato nei motori alternativi a combustione interna, e in particolare nei motori a benzina, il quale viene alimentato da un impianto d'alimentazione e scarica i prodotti esauriti (gas di scarico) tramite un impianto di scarico. Rimane ancora oggi il principio di funzionamento della quasi totalità dei motori a benzina del mondo.

Storia

Il nome di Ciclo Otto deriva dall'ingegnere tedesco Nikolaus August Otto. Egli depositò il brevetto del primo motore a quattro tempi nel 1886, ma occorre aggiungere che gli stessi studi erano stati compiuti e pubblicati, nel 1862, dall'inventore francese Alphonse Beau de Rochas, il quale aveva aggiunto la fase di compressione al motore di Barsanti e Matteucci.

Il ciclo ideale

Nel piano (p-V), che mette in relazione p (pressione) e V (volume), il ciclo Otto ideale si può rappresentare con:

1. una aspirazione a pressione ambiente dal P.M.S. (Punto morto superiore) al P.M.I. (Punto morto inferiore) (0-1);
2. una compressione adiabatica da P.M.I. a P.M.S. (1-2);
3. una combustione istantanea a volume costante (2-3) mentre il pistone è fermo al P.M.S.;
4. una espansione adiabatica da P.M.S. a P.M.I. (3-4);
5. uno scarico libero iniziale a volume costante (4-1);
6. uno scarico forzato a pressione costante che riporta il ciclo alla posizione di partenza (1-0).

Termodinamica del ciclo

Facendo riferimento alla figura del ciclo, supponiamo di lavorare con un gas perfetto allora il lavoro fatto è solo quello:

$L = Q_{ass} - Q_{ced} = c_v (T_3 - T_2) - c_v (T_4 - T_1)$

dove $c_v$ è il calore molare a volume costante. Quindi il rendimento del ciclo:

$\eta = \frac{L}{Q_{ass}} = 1 - \frac{T_4 - T_1}{T_3 - T_2}$

Ma dalle due trasformazioni adiabatiche reversibili, si ha:

$T_3 V_{b}^{\gamma - 1} = T_4 V_{a}^{\gamma - 1}$

$T_2 V_{b}^{\gamma - 1} = T_1 V_{a}^{\gamma - 1}$

dove $\gamma = \frac{c_p}{c_v}$. Dividendo membro a membro:

$\frac{T_2}{T_3} = \frac{T_1}{T_4}$

così che il rendimento può essere espresso in termini di sole temperature o volumi:

$\eta = 1 - \frac{T_4}{T_3} \left( \frac{1 - \frac{T_1}{T_4}}{1 - \frac{T_2}{T_3}} \right)= 1 -\frac{T_4}{T_3} = 1 - \left( \frac{V_b}{V_a} \right)^{\gamma - 1}$

Indicando con r il rapporto di Va/Vb, detto rapporto volumetrico di compressione, si ha infine:

$\eta = 1 - \frac{1}{r^{\gamma - 1}}$

In un motore a benzina reale, r non può essere inferiore a circa 1/10 (sui motori in genere i valori sono 14:1, se il rendimento volumetrico è inferiore a uno, che riduce la compressione effettiva del gas, dal momento che se r è più piccolo, l'aumento di temperatura dovuto alla compressione della miscela di vapori di benzina e aria è tale da provocare la combustione prima dello scoccare della scintilla (preaccensione). Tutti gli effetti di disturbo presenti in un motore a benzina reale, come le accelerazioni, gli attriti, i moti turbolenti, abbassano il rendimento molto al di sotto di quello di un ciclo Otto a gas ideale, portandolo a circa 0,3 (30%).

Ciclo Otto indicato (o reale)

Ciclo termico di un motore 4T
1=PMS
2=PMI
A: Aspirazione
B: Compressione
C: Espansione
D: Scarico

Ciclo otto reale di un motore a due tempi a flussi tangenziali (sinistra) e di un motore a quattro tempi (destra)

Il ciclo Otto reale è sempre caratterizzato da sei fasi, che però comportano delle cause di perdita di lavoro e quindi di rendimento:

1. perdita di pressione in aspirazione e scarico (nel grafico Pressioni-Volumi caratterizzato da un'area definita come "lavoro di pompaggio" che viene ceduto);
2. non adiabaticità della compressione e dell'espansione;
3. intempestività e incompletezza della combustione;
4. intempestività dello scarico.

Le sei fasi che caratterizzano il ciclo Otto indicato sono:

1. la fase di aspirazione (non isobara);
2. una compressione non adiabatica;
3. la combustione, che avviene anticipatamente, in modo incompleto e non isocoro;
4. una fase di espansione non adiabatica;
5. una prima fase di scarico anticipato e non tempestivo;
6. un'ultima fase di scarico lento.

Voci correlate

• Trasformazione isocora
• Trasformazione isobara
• Trasformazione adiabatica
• Motore a due tempi
• Motore a quattro tempi
• Motore a sei tempi
• Pop-off
• Ciclo Miller
• Ciclo Atkinson
• Controlled Auto-Ignition

Collegamenti esterni

progetto ciclo otto del 1876

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