Intercambio de calor producido en el ciclo

De los cuatro procesos que constituyen el ciclo cerrado, solamente se intercambia calor en las dos transformaciones isócoras. B-C y D-A.

En la combustión de la mezcla B-C, una cierta cantidad de calor Q_c (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen constante, el calor coincide con el aumento de la energía interna, calculándose:

En la expulsión de los gases D-A, el aire escapa a una temperatura mayor que la que tiene a la entrada, liberando posteriormente un calor Q_f al ambiente, su signo es negativo porqué es expulsado desde el sistema hacia el ambiente. Su valor, como en el caso anterior, es:

 

Trabajo realizado en el ciclo 

Solo se realiza trabajo en las dos transformaciones adiabáticas.

Durante la compresión de la mezcla A-B, se realiza un trabajo positivo sobre la mezcla, como es un proceso adiabático, todo este trabajo se emplea en elevar la energía interna, incrementándose la temperatura:

Durante la expansión C-D es el fluido quien realiza trabajo sobre el pistón, que tiene signo negativo, por ser el sistema el que lo realiza. Este trabajo equivale a la variación de la energía interna.

  Por lo que el trabajo útil que produce el motor, será igual al generado por el motor menos el que necesita para poder funionar:

Como estamos hablando de un ciclo termodinámico, el incremento de energía interna tiene que ser nulo, por lo que el calor neto que se introduce en el ciclo tiene que se igual al trabajo útil realizado, es decir:

Rendimiento del ciclo

 

El rendimiento o eficiencia de una máquina térmica se define, como el cociente entre el trabajo neto útil (W) y el calor total producido en la combustión (Qc). Es decir:

El rendimiento se suele expresar en función de la temperatura, responde a la siguiente expresión:

Por lo tanto, el rendimiento o eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de compresión, y no de la temperatura tras la combustión, o de la cantidad de calor que introduce ésta.
Igualmente el rendimiento se suele expresar en función de la relación de compresión, con lo que su expresión será:

Donde r es la relación de compresión es decir el cociente entre el volumen del cilindro cuando el pistón se encuentra en el PMI y el volumen cuando el pistón se encuentra en el PMS.

El rendimiento en un motor de ciclo Otto, depende además del diseño mecánico del motor, de:

• La compresión, cuanto mayor sea la compresión mayor será el rendimiento térmico del motor y tanto más se aprovechará su combustible; aunque la compresión está limitada por el límite de detonación, que implica una combustión irregular de la mezcla inflamada, incluso una autocombustión, sin necesidad de chispa lo que provoca sobrecargas y posibles daños en el motor.

• Desarrollo y calidad de la combustión, depende de que el combustible y el aire se mezclen íntimamente, al objeto de que durante el tiempo que dure la combustión, el combustible se queme del modo más completo posible, para lo que también es importante que el frente de la llama avance uniformemente, tanto en el espacio como en el tiempo, hasta que se haya quemado todo el combustible.

• Mezcla de aire y combustible, El consumo de combustible depende de la proporción de la mezcla, produciéndose el consumo mínimo para una proporción denominada estequiométrica de 14,7:1, lo que quiere decir que por cada kg de combustible debemos utilizar 14,7 kg de aire, es decir por cada litro de combustible se necesitan unos 10000 litros de aire.

Ya que los automóviles funcionan la mayor parte del tiempo en un régimen de carga parcial, se diseñan para que el consumo sea mínimo en ese régimen. En los demás regímenes de servicio (relentí, plena carga), resulta más favorable una mezcla más rica en combustible.