Στη πραγματικότητα η εφεύρεση των Otto και Langen δεν ήταν η πρώτη τετράχρονη μηχανή που έβλεπε το φως της δημοσιότητας. Προηγήθηκαν κι άλλοι μηχανικοί και εφευρέτες που όμως απέτυχαν είτε να κατασκευάσουν τη μηχανή τους, είτε να κατορθώσουν να τη θέσουν σε λειτουργία ή έστω να τη θέσουν σε λειτουργία υπό αποδεκτές συνθήκες κατανάλωσης και αξιοπιστίας.
Ο θερμοδυναμικός κύκλος με τον οποίο εργάζεται το μέσο (καύσιμο μίγμα) για τη παραγωγή ισχύος στην τετράχρονη βενζινοκίνητη μηχανή εσωτερικής καύσης, πήρε το όνομά του από τον εφευρέτη της. Έτσι, ακόμη και σήμερα ο κύκλος αυτός ονομάζεται "κύκλος Otto".
Με τον όρο θερμοδυναμικό κύκλο εννοούμε σε γενικές γραμμές τη διεργασία κατά την οποία το εργαζόμενο μέσο (καύσιμο μίγμα) διέρχεται μέσα από μια σειρά μεταβολών των ιδιοτήτων του (πίεση, όγκο, θερμοκρασία, εσωτερική ενέργεια), ανταλλάσοντας ενέργειες με το περιβάλλον, για να επιστρέψει τελικά στη αρχική του κατάσταση, κλείνοντας έτσι το κύκλο.
Κατά τη διάρκεια του κύκλου, το εργαζόμενο μέσο μετατρέπει τη θερμική ενέργεια της καύσης (προερχόμενη από τη χημική ενέργειας του καυσίμου) σε μηχανικό έργο στο έμβολο και έτσι έχουμε παραγωγή ισχύος στη στροφαλοφόρο άτρακτο. Στη περίπτωση της τετράχρονης βενζινοκίνητης μηχανής, ο κύκλος Otto αποτελείται από τέσσερις χρόνους, κάθε ένας από τους οποίους χρόνους αντιπροσωπεύει μια κίνηση του εμβόλου. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ένας τυπικός κύκλος Otto.
Διάγραμμα 1: Διάγραμμα P-V ενός τυπικού κύκλου Otto
Το διάγραμμα παρουσιάζει τη μεταβολή της πιέσεως του καυσίμου μίγματος (κάθετος άξονας) σε σχέση με τον όγκο του κυλίνδρου (οριζόντιος άξονας) και είναι πιο γνωστό ως "διάγραμμα P-V". Στη διάρκεια αυτού του κύκλου το καύσιμο μίγμα διέρχεται μέσα από μια σειρά μεταβολών των ιδιοτήτων του, οι οποίες σε σχέση και με τη κίνηση του εμβόλου μπορούν να αναλυθούν ως εξής:ΕΙΣΑΓΩΓΗ (0-1) :
Η φάση της εισαγωγής αποτελεί το πρώτο χρόνο του κύκλου Otto. Σε αυτή τη φάση το έμβολο κινείται προς τα κάτω "ρουφώντας" καύσιμο μίγμα στο εσωτερικό του κυλίνδρου μέσω της βαλβίδας εισαγωγής, όπως ακριβώς συμβαίνει όταν τραβώντας το έμβολο μιας σύριγγας προς τα πίσω εισέρχεται υγρό στο εσωτερικό της. Η διεργασία αυτή ονομάζεται ισοβαρής γιατί όπως φαίνεται από το διάγραμμα P-V δεν έχουμε μεταβολή της πιέσεως του καυσίμου μίγματος. Το έμβολο σε αυτή τη φάση κινείται από το ’νω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) στο οποίο βρίσκεται κατά την αρχή της εισαγωγής μέχρι το Κάτω Νεκρό Σημείο (ΚΝΣ) στο τέλος της φάσης εισαγωγής, χρονική στιγμή κατά την οποία ο κύλινδρος έχει πληρωθεί ολόκληρος με καύσιμο μίγμα. Να σημειωθεί εδώ ότι η μη μεταβολή της πιέσεως αφορά στη φάση της εισαγωγής από το ΑΝΣ έως το ΚΝΣ και δεν αφορά στη μεταβολή της πιέσεως από το σύστημα εισαγωγής (φιλτροκούτι, χοάνη, σκούπα) έως τη βαλβίδα εισαγωγής, όπου η πίεση του εισαγόμενου αέρα από ατμοσφαιρική μειώνεται μέχρι κάποια τιμή που υπαγορεύεται από τη σχεδίαση του συστήματος εισαγωγής (στη συγκεκριμένη περίπτωση δεχθήκαμε ότι δεν υπάρχουν ούτε αυτές οι απώλειες, καθώς η αρχική πίεση του προβλήματος είναι η ατμοσφαιρική)ΣΥΜΠΙΕΣΗ (1-2) :
Στη δεύτερη φάση του κύκλου Otto έχουμε κίνηση του εμβόλου από το ΚΝΣ στο ΑΝΣ. Η διεργασία αυτή ονομάζεται ισεντροπική γιατί θεωρούμε την εντροπία του συστήματος σταθερή. Σε αυτή τη φάση οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι κλειστές και το καύσιμο μίγμα συμπιέζεται στο χώρο του κυλίνδρου, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας και της πιέσεώς του. Η ικανότητα συμπίεσης του κινητήρα ή διαφορετικά του κυλίνδρου είναι καθοριστική για τη τιμή της πίεσης και συνεπαγόμενα της θερμοκρασίας που θα έχει το καύσιμο μίγμα στο τέλος αυτής της φάσης. Η ικανότητα αυτή του κυλίνδρου εκφράζεται από το λόγο συμπίεσης που θα δούμε και παρακάτω και απλώς αναφέρουμε εδώ ότι είναι ο λόγος του μέγιστου όγκου του κυλίνδρου προς τον ελάχιστο. Όσο μεγαλύτερος είναι αυτός ο λόγος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα του κυλίνδρου - εμβόλου να συμπιέσει το καύσιμο μίγμα και τόσο μεγαλύτερη θα είναι η τιμή της πιέσεως και της θερμοκρασίας στο τέλος αυτής της φάσης.ΚΑΥΣΗ (2-3) ΚΑΙ ΕΚΤΟΝΩΣΗ (3-4) :
Η φάση αυτή ξεκινά θεωρητικά ακριβώς στο ΑΝΣ, όπου και έχουμε τη δημιουργία σπινθήρα από το σύστημα ανάφλεξης (μπουζί). Πρακτικά, ο σπινθήρας εμφανίζεται κάποιες μοίρες στροφάλου λίγο πριν το ΑΝΣ (προπορεία έναυσης). Η διεργασία της καύσης ονομάζεται ισόχωρη γιατι όπως φαίνεται και από το διάγραμμα P-V γίνεται υπό σταθερό όγκο. Πιο συγκεκριμένα, προσδίδουμε θερμική ενέργεια στο μίγμα, υπό τη μορφή θερμότητας Qin, μέσω του σπινθήρα, υπό σταθερό όγκο. Αυτό σημαίνει πρακτικά ότι η διεργασία αυτή είναι ταχύτατη και γι αυτό το λόγο δεν έχουμε μεταβολή του όγκου. Το μίγμα απορροφά τη προσδιδόμενη θερμική ενέργεια αυξάνοντας τη πίεση και τη θερμοκρασία του. Σε αυτό το σημείο που είναι και το τέλος της καύσης, εμφανίζεται η μέγιστη πίεση και θερμοκρασία του κύκλου που είναι καθοριστικά μεγέθη όχι μόνο για την απόδοση (ισχύ) του κινητήρα, αλλά κυρίως για την υγεία και αξιοπιστία του. Είναι προφανές ότι όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση και η θερμοκρασία στην αρχή της καύσης, τόσο μεγαλύτερες θα είναι οι τιμές αυτών των μεγεθών στο τέλος της με δεδομένο το προσδιδόμενο ποσό θερμότητας. ’ρα τελικά και με βάση τα όσο είπαμε στη προηγούμενη φάση, η τιμή του λόγου συμπίεσης επηρεάζει έμμεσα τη τιμή της μέγιστης πίεσης και θερμοκρασίας, άρα και την απόδοση, αξιοπιστία και υγεία του κινητήρα. Η εκτόνωση είναι μια ισεντροπική διεργασία και είναι περισσότερο γνωστή στην Αγγλική βιβλιογραφία ως "power stroke", αφού σε αυτή τη φάση έχουμε απόδοση έργου από το καύσιμο μίγμα. Όπως θα δούμε αναλυτικότερα παρακάτω, το έργο που αποδίδεται σε αυτή τη φάση εξαρτάται τόσο από τη μέγιστη πίεση που επιτεύχθηκε στο τέλος της καύσης όσο και από τη σχέση συμπίεσης του κινητήρα.ΕΞΑΓΩΓΗ (4-1 και 1-0) :
Μετά το τέλος της εκτόνωσης ακολουθεί μια ισόχωρη διεργασία προκειμένου το σύστημα να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση (πίεσης και όγκου). Αυτό επιτυγχάνεται με το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής έτσι ώστε να έχουμε εξίσωση της πιέσεως με την αρχική κατάσταση και τελικά ψύξη του χώρου του κυλίνδρου. Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα P-V ένα ποσό θερμότητας Qout αποδίδεται από το κύκλο. Ακολούθως, το έμβολο κινούμενο από το ΚΝΣ προς το ΑΝΣ με μια ισοβαρή διεργασία (σταθερή πίεση), εξωθεί τα καυσαέρια έξω από το κύλινδρο, μέσω της βαλβίδας εξαγωγής και ο κύκλος συνεχίζεται με τη φάση της εισαγωγής με το έμβολο να βρίσκεται στο ΑΝΣΑν και τα θερμοδυναμικά φαινόμενα μέσα στο κύλινδρο είναι πιο πολύπλοκα από το τρόπο με τον οποίο περιγράφονται μέσω ενός κύκλου Otto, η χρήση των κύκλων πέρα από την εισαγωγική - μαθησιακή τους αξία, προσομοιάζει πολύ καλά τα πραγματικά φαινόμενα αν όχι ποσοτικά στο βαθμό που απαιτεί η τεχνολογία σήμερα, τουλάχιστον ποιοτικά. Σήμερα, με τη χρήση υπολογιστικών μοντέλων αλλά και εργαλείων υψηλής τεχνολογίας, οι κατασκευαστές έχουν τη δυνατότητα να καταγράφουν, να μελετούν και να "μεταφράζουν" κάθε φορά τα φυσικά φαινόμενα και τα μεγέθη του ενδιαφέροντος, έτσι ώστε να εμπλουτίζουν με νέα, πιο λεπτομερή στοιχεία τις υπάρχουσες δομές δεδομένων
Μια τέτοια απλοποιητική εξέλιξη του κύκλου Otto είναι ο λεγόμενος μικτός κύκλος στον οποίο η φάση της καύσης προσομοιάζετε με δύο διεργασίες, μια ισόχωρη και μια ισοβαρής, σε αντίθεση με το κύκλο του Otto, όπου όπως είδαμε η καύση προσομοιάζετε μόνο με μια ισόχωρη διεργασία. Αυτή η θεώρηση, αναπαριστά ακριβέστερα τη πραγματική κατάσταση μέσα στο κύλινδρο κατά τη διάρκεια της καύσης. Δηλαδή, το πρώτο μέτωπο της φλόγας εξαπλώνεται ακαριαία στον όγκο που καταλαμβάνει το μίγμα (ισόχωρη) αυξάνοντας τη πίεσή του, ενώ στη συνέχεια το μίγμα διατηρεί τη πίεσή του (ισοβαρής) αυξάνοντας τον όγκο λίγο πριν το έμβολο αρχίσει να κινείται "αποφασιστικά" προς το ΚΝΣ. Αυτός ο κύκλος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:
Διάγραμμα 2: Διάγραμμα P-V ενός τυπικού μικτού κύκλου
