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 Q_s: 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 Q_s 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.