Ciclo Otto
Il ciclo Otto è il ciclo teorico dei motori a combustione interna a carburazione; esso è costituito da quattro trasformazioni: due adiabatiche e due isocore, può essere rappresentato sul piano PV nel seguente modo:
1 → 2 : compressione adiabatica del gas con aumento di pressione e temperatura, diminuzione del volume con spesa del lavoro di compressione L12 (negativo).
2 → 3 : isocora con somministrazione della quantità di calore Qs: aumentano temperatura e pressione.
3 → 4 : adiabatica di espansione con diminuzione di pressione e temperatura ed aumento del volume dove si ottiene il lavoro L34 (positivo).
4 → 1 : trasformazione isocora con sottrazione della quantità di calore Qs con diminuzione di pressione e temperatura.
Quello disegnato, è un ciclo Otto motore, perchè il senso di percorrenza è orario, il suo rendimento è
con 
rapporto di compressione
Come si vede le quantità di calore, sono scambiate a volume costante.
poi
per
le adiabatiche si ha 
e 
(ved.pag. dei gas) ma osservando sul piano PV si nota V1=V4 e V3=V2. Quindi se nelle equazioni precedenti sono uguali i secondi membri, devono essere uguali i primi membri.
per
questo il rendimento diventa
avendo visto che è 
si
ha : 
Il rendimento del ciclo Otto è funzione del rapporto di compressione: esso aumenta all'aumentare del rapporto di compressione.
L'implementazione concreta del ciclo Otto avviene secondo le seguenti
modalità.
Nella fase di aspirazione 0-1 il pistone si sposta dal punto morto
superiore al punto morto inferiore, creando all interno del cilindro
una depressione che consente l'entrata della miscela benzina-aria; in
questa fase si apre istantaneamente la valvola di aspirazione quando
il pistone è al punto morto superiore e tale valvola resta aperta fino
a quando il pistone raggiunge il punto morto inferiore. La valvola di
aspirazione si richiude istantaneamente quando il pistone ha raggiunto
il punto morto inferiore.
Nel ciclo ideale, si ipotizza che la fase di aspirazione avvenga a pressione
costante e in particolare la pressione atmosferica.
La seconda fase 1-2 è quella di compressione; il pistone si sposta
dal punto morto inferiore al punto morto superiore a valvole chiuse
e si suppone che la trasformazione avvenga senza scambi di calore tra
il gas contenuto nel cilindro e l'esterno, ovvero che la trasformazione
sia adiabatica.
Quando il pistone ha raggiunto il punto morto superiore la miscela è
compressa nella camera di combustione. Per evitare che durante la compressione
si abbiano temperature elevate tali da provocare l'autoaccensione della
miscela, il rapporto di compressione ρ deve avere valori non superiori
a 12.
A questo punto scoppia la scintilla ad opera della candela, la miscela
si infiamma e avviene la combustione. Si suppone che la combustione
avvenga istantaneamente e che la trasformazione 2-3 sia a volume costante.
Alla fine della combustione il gas raggiunge pressioni assolute di 35/45
bar e temperatura attorno ai 2300 °C.
La pressione elevata all'interno spinge il pistone dal punto morto superiore
al punto morto inferiore secondo la trasformazione 3-4 supposta adiabatica.
Il gas combusto espande e si sfrutta l'energia termica che esso possiede;
infatti l'energia termica del gas è trasformata in energia meccanica
sul albero motore è la fase utile del ciclo.
I prodotti della combustione alla fine dell'espansione (punto 4)si trovano
intorno ai 1000° C e a pressione assoluta di 4/5 bar. A questo punto
si apre istantaneamente la valvola di scarico e avviene la fase di scarico
spontaneo 4-1 in cui il gas combusto fuoriesce dal cilindro per la differenza
di pressione con l'esterno. Si ipotizza che la trasformazione 4-1 sia
istantanea ossia avvenga a volume costante.
La fase 1-0 è la fase di scarico forzato; attraverso la valvola di scarico
i gas combusti vengono espulsi dal pistone che si muove dal punto morto
inferiore al punto morto superiore.
Si suppone che la trasformazione 1-0 di scarico forzato avvenga a pressione
atmosferica costante. Si torna in tal modo nelle condizioni iniziali
avendo il pistone compiuto 4 corse; il ciclo
è stato ottenuto in 4 tempi e si nota come vi sia un ciclo utile ogni
due giri di manovella. Ricomincia poi, un nuovo ciclo con l'aspirazione
di miscela fresca.
Nella
realtà le trasformazioni che si ottengono sono diverse da quelle ipotizzate
perché l'aspirazione 0-1 avviene in depressione a causa delle perdite
che si generano nel condotto di aspirazione.
La trasformazione 1-2 non è adiabatica ma è una politropica in quanto
il cilindro scambia calore con l'esterno.
La fase di combustione non è istantanea perché la miscela ha bisogno
di un certo tempo per bruciare: quindi la fase 2-3 non è a volume costante
perché durante il tempo impiegato dalla miscela per bruciare il pistone
si è mosso.
L'espansione 3-4 non avviene secondo una trasformazione adiabatica ma
secondo una politropica in quanto si verifica scambio di calore tra
il cilindro e l'esterno.
La fase di scarico spontaneo 4-1 non avviene a volume costante perché
la valvola di scarico viene aperta prima che il pistone sia giunto al
punto morto inferiore; nel tempo impiegato dalla valvola per aprirsi
completamente il pistone si è mosso; la trasformazione di scarico forzato
no avviene a pressione costante ma si verifica a pressione maggiore
di quella atmosferica. Per questi motivi il ciclo reale dei motori a
carburazione differisce sensibilmente dal ciclo teorico.
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