Ciclo Otto

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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. Rimane ancora oggi il principio di funzionamento della quasi totalità dei motori a benzina del mondo.

Il ciclo Otto ideale si compone di sei fasi:

espansione isobara: aspirazione della miscela aria-benzina a pressione atmosferica;
compressione adiabatica: drastica riduzione del volume;
combustione istantanea isocora: combustione della miscela;
espansione adiabatica rapida;
isocora di scarico istantaneo;
isobara di scarico.

Il nome di Ciclo Otto deriva dall'ingegnere tedesco Nikolaus August Otto, il quale circa dieci anni dopo l'invenzione del motore (avvenuta nel 1850 da parte di Eugenio Barsanti e Felice Matteucci) riprodusse fedelmente in varie copie il modello dei due predecessori (adottando anche gli stessi accorgimenti estetici, ritenendo probabilmente che potessero essere utili al funzionamento della macchina).

[modifica] Termodinamica del ciclo

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

L = Q a s s - Q c a d = c v (T 4 - T 3) - c v (T 5 - T 2)

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

$\eta = \frac{L}{Q_{ass}} = 1 - \frac{T_5 - T_2}{T_4 - T_3}$

Ma dalle due trasformazioni adiabatiche reversibili, si ha:

$T_4 V_{b}^{\gamma - 1} = T_5 V_{a}^{\gamma - 1}$

$T_3 V_{b}^{\gamma - 1} = T_2 V_{a}^{\gamma - 1}$

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

$\frac{T_3}{T_4} = \frac{T_2}{T_5}$

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

$\eta = 1 - \frac{T_5}{T_4} \left( \frac{1 - \frac{T_2}{T_5}}{1 - \frac{T_3}{T_4}} \right)= 1 -\frac{T_5}{T_4} = 1 - \left( \frac{V_b}{V_a} \right)^{\gamma - 1}$

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

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

In un motore a benzina reale, r non può essere superiore a circa 10, dal momento che se r è più grande, l'aumento di temperatura dovuto alla compressione della miscela di vapori di benzina e aria è tale da provocare lo scoppio prima dello scoccare della scinitlla. Questo fenomeno si chiama preaccensione. Prendendo per r il valore 10 e per gamma il valore 7/5, caratteristico di un gas biatomico, si ottiene

$\eta = 1 - \frac{1}{10^{2/5}}=0.60=60%$

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.

[modifica] Ciclo Otto indicato (o reale)

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

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

Le sei fasi che caratterizzano il ciclo Otto indicato sono:

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

[modifica] Voci correlate

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