¿Qué ocurre en un segundo dentro de un motor de cuatro tiempos?
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En un motor de cuatro tiempos, un segundo es una intensa secuencia mecánica en la que el pistón realiza decenas de carreras completas de ida y vuelta entre los puntos muertos superior e inferior, las válvulas se abren y cierran con una sincronización perfecta, y solo una vez cada dos vueltas del cigüeñal se produce una combustión que genera trabajo. Admisión, compresión, explosión y escape: cada uno de estos cuatro tiempos corresponde a 180 grados exactos del cigüeñal, y cuanto más altas son las revoluciones a las que funciona el motor, más se comprime un tiempo en una fracción de segundo tan pequeña.
Aspectos destacados
- Un ciclo completo 720°, es decir, dura dos vueltas del cigüeñal; cada tiempo 180° ocupa.
- La potencia solo se genera en uno de los cuatro tiempos: hay un tiempo de explosión cada 2 vueltas .
- La bujía normalmente inicia la chispa aproximadamente 20° de ángulo de cigüeñal antes del punto muerto superior.
- El motor de combustión interna convierte en trabajo mecánico, en promedio, solo el 40-45% de la energía suministrada.
- En motores industriales, la velocidad media del pistón se limita a unos 10 m/s .
Cómo funciona el motor de cuatro tiempos: los cuatro pasos dentro del cilindro
Todo comienza con la definición de "carrera": una carrera es el recorrido completo del pistón a lo largo del cilindro en cualquier dirección. Cuando el pistón está en su posición más alta se dice que está en el punto muerto superior (PMS), y cuando está en su posición más baja, en el punto muerto inferior (PMI). El ciclo de cuatro tiempos se extiende entre estos dos puntos a lo largo de cuatro carreras y dos vueltas completas del cigüeñal. El movimiento lineal del pistón hace girar el cigüeñal mediante la biela; durante los cuatro tiempos completos, el cigüeñal gira 720 grados.
El papel de las válvulas en este ciclo es fundamental. Las válvulas de admisión y escape son accionadas por un árbol de levas que gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal. Esta relación de velocidad mitad no es casualidad, sino una necesidad: dado que los eventos de las válvulas deben estar sincronizados con el ángulo del cigüeñal, el árbol de levas sigue cada ciclo a la mitad de vuelta del cigüeñal.
1. Admisión: aspirar aire con vacío parcial
Cuando el pistón comienza a descender desde el punto muerto superior, la válvula de admisión está abierta. El descenso del pistón aumenta el volumen del cilindro y crea en su interior un vacío parcial, es decir, una presión negativa. Esta diferencia de presión atrae la mezcla aire-combustible hacia el cilindro. El tiempo de admisión es el descenso completo del pistón desde el PMS hasta el PMI y cubre los primeros 180 grados del ciclo.
2. Compresión: concentrar la energía
En el punto muerto inferior se cierra la válvula de admisión y comienza la compresión. Ahora ambas válvulas están cerradas; el pistón sube y comprime la mezcla aire-combustible en el reducido volumen de la cámara de combustión. La compresión tiene dos funciones: favorecer la evaporación adicional del combustible y liberar más energía en la ignición. La energía gastada en comprimir es solo aproximadamente una cuarta parte de la energía producida en la combustión; es decir, la inversión es rentable.
Medir la relación de compresión es una de las formas más rápidas de comprender el carácter de un motor. En los motores de gasolina, el rango habitual está entre 6:1 y 10:1 ; a medida que aumenta la relación, mejora la eficiencia, pero también se incrementa el riesgo de autoencendido de la gasolina, es decir, el picado de bielas. Por eso, el octanaje de la gasolina mide la resistencia al autoencendido: un octanaje más alto permite una relación de compresión más alta.
3. Carrera de potencia: el único tiempo del ciclo que produce trabajo
Al final de la carrera de compresión, aproximadamente 20 grados de ángulo de cigüeñal antes del punto muerto superior, la bujía genera la chispa. ¿Por qué no justo en el punto más alto? Porque el frente de llama necesita tiempo para avanzar a lo largo de la cámara de combustión; la chispa salta antes de tiempo mientras que el pico de presión se produce cuando el pistón está exactamente arriba, de modo que proporcione el empuje. La mezcla en combustión empuja el pistón hacia el PMI, produciendo el trabajo mecánico que hace girar el cigüeñal. Durante todo el ciclo, solo este tiempo produce trabajo; sea cual sea el número de cilindros, cada motor de cuatro tiempos obtiene una carrera de potencia cada 720 grados. El secreto del funcionamiento suave de los motores multicilindro es la fusión de estas carreras de potencia en el cigüeñal.
4. Escape: vaciar la cámara de combustión
Cuando el pistón alcanza el punto muerto inferior, la válvula de escape se abre y en los últimos 180 grados del ciclo el pistón sube y expulsa los gases de escape por el puerto de escape. Al llegar al punto muerto superior, el cilindro queda limpio, la válvula de admisión está lista para abrirse de nuevo y el ciclo comienza desde el principio. Cada llenado del cilindro significa el restablecimiento del ciclo de dos revoluciones.
¿Cuánto dura un tiempo a medida que aumentan las revoluciones?
La respuesta a la pregunta se encuentra con aritmética pura. Dado que un ciclo de funcionamiento dura dos revoluciones del cigüeñal, el régimen del motor determina directamente la duración de un tiempo. Por ejemplo, a 1.000 rpm el motor realiza aproximadamente 16,7 revoluciones por segundo; un ciclo completo dura alrededor de 60 milisegundos, es decir, un tiempo dura 15 milisegundos. A 6.000 rpm hay 100 revoluciones por segundo y cada tiempo, incluida la carrera de potencia, baja a unos 2,5 milisegundos. La combustión, el movimiento de las válvulas y el flujo de gases deben organizarse a estas escalas.
También la física determina el límite de revoluciones. La velocidad media del pistón es una función de la carrera y del régimen; en motores industriales esta velocidad se limita a unos 10 m/s para no comprometer la lubricación de la pared del cilindro. A altas revoluciones intervienen dos problemas típicos: si los muelles de las válvulas no siguen el ritmo, se produce la "flotación de válvulas" y el contacto pistón-válvula puede dañar gravemente el motor. Además, la vibración de los segmentos puede provocar pérdida de presión en el cilindro y de potencia. En resumen, el límite de cuán pequeña fracción de un segundo puede llegar a comprimirse un tiempo se traza con la resistencia de los materiales y la lubricación.
¿Gasolina o diésel: el mismo ciclo, distinta ignición?
Los pasos del ciclo de cuatro tiempos son iguales en ambos motores; la diferencia está en el método de ignición que inicia la carrera de potencia. El motor de gasolina es de encendido por chispa: la bujía enciende la mezcla comprimida. El diésel es de encendido por compresión; el alto calor generado por la compresión hace que el gasóleo, capaz de inflamarse bajo las presiones dentro del motor, se autoencienda, sin necesidad de bujía. La tendencia a la inflamación del diésel se define con el índice de cetano; funciona con una lógica exactamente inversa al índice de octano de la gasolina. Debido a la baja volatilidad del diésel, el método más común de arranque en frío es el uso de bujías de precalentamiento.
| Característica | Motor de gasolina | Motor diésel |
|---|---|---|
| Encendido | Encendido por chispa (bujías) | Encendido por compresión (calor de compresión) |
| Ciclo | Ciclo Otto | Ciclo Diésel |
| Medida de resistencia del combustible | Octanaje | Índice de cetano |
| Relación de compresión | Típicamente 6:1 - 10:1 | El calor de compresión es favorable para el encendido, alto |
| Carácter de régimen | Funciona a regímenes más altos | Funciona a regímenes más bajos; el combustible se quema más lentamente |
El hecho de que el combustible diésel se queme más lentamente que la gasolina explica por qué los motores diésel funcionan a regímenes más bajos; el bajo régimen reduce el desgaste del motor. Por eso, la diferencia de carácter entre ambos motores no surge del ciclo en sí, sino de la velocidad de combustión del combustible.
¿Cómo Mejoran las Tecnologías Modernos Estos 720 Grados?
El ciclo básico no ha cambiado desde 1876; lo que ha cambiado es cuán eficientemente se aprovecha cada segmento de 180 grados. Destacan tres aportes modernos.
Distribución variable de válvulas (VVT)
Un árbol de levas fijo optimiza los eventos de las válvulas en una sola banda de régimen. La distribución variable de válvulas, en cambio, ajusta en tiempo real el momento del evento de apertura de la válvula según el régimen del motor, proporcionando una distribución óptima de potencia y una aceleración más fluida. Una mejor gestión de la mezcla aire-combustible mejora la eficiencia de la combustión; en condiciones de carga parcial se ha medido hasta un 5% de mejora en la economía de combustible.
Inyección directa (GDI)
En la inyección directa utilizada en muchos motores de gasolina de cuatro tiempos actuales, la boquilla del inyector se extiende hasta la cámara de combustión y la gasolina se pulveriza en el cilindro a presión muy alta, durante el tiempo de compresión con el pistón en el punto muerto superior. Es decir, el combustible ya no se entrega durante el tiempo de admisión, sino en el segmento más crítico del ciclo, con precisión milimétrica.
Turboalimentación: robar potencia al tiempo de escape
El turboalimentador es un conjunto de turbina de dos partes y alto régimen situado en la salida de escape: un lado se alimenta del flujo de escape y el otro comprime el aire de admisión. El tiempo de escape transporta energía que en su mayoría se desperdicia; como el turbo trabaja con esa presión, funciona de manera más eficiente y, forzando más aire al cilindro, permite obtener más potencia en cada tiempo de potencia. En un estudio con turboalimentación variable, la potencia de salida se mejoró en un 165% en comparación con un modelo de aspiración natural. La limitación conocida de este diseño es el retraso del turbo: la potencia no llega al instante, se requiere un aumento de régimen y presión; en ralentí y a velocidades bajas-medias, el motor funciona casi como de aspiración natural.
El Techo de la Eficiencia y una Breve Historia
Un motor de combustión interna solo puede convertir en trabajo mecánico un promedio del 40-45% de la energía suministrada; los motores de ciclo Otto más eficientes funcionan con aproximadamente un 30% de eficiencia térmica y el calor restante se pierde por fricción y en los accesorios. Además, los motores pueden construirse deliberadamente un poco menos eficientes para controles de emisiones como el catalizador. El ciclo Atkinson, por su parte, logra eficiencia a expensas de la densidad de potencia y se utiliza en aplicaciones híbridas modernas; muchos motores modernos realizan esta economía con una distribución de válvulas no convencional para producir el efecto de compresión corta y tiempo de potencia largo.
La historia también es didáctica: Otto, en 1861, al probar el motor de Lenoir, notó el efecto de la compresión sobre la eficiencia; en 1876, Otto y Langen crearon el primer motor de combustión interna exitoso que comprimía la mezcla de combustible antes de la combustión. En 1883, Daimler y Maybach produjeron el primer motor Otto de alta velocidad, y en 1885, Daimler creó el Reitwagen, el primer vehículo del mundo con motor de combustión interna; en 1886, Karl Benz desarrolló su vehículo con motor de cuatro tiempos, considerado el primer automóvil. El motor diésel es una refinación técnica del ciclo Otto de 1876: Rudolf Diesel creó su motor exitoso en 1893. Hoy en día, el diseño de cuatro tiempos es la arquitectura de motor de combustión interna más común de los vehículos de carretera, en un abanico que va desde automóviles hasta camiones, desde trenes diésel hasta aviones ligeros y motocicletas.
Conclusión: Cuatro Tiempos de 180 Grados
Toda la física del motor de cuatro tiempos puede reducirse a cuatro porciones divididas en una vuelta de 720 grados del cigüeñal: llenado por vacío, compresión en volumen cerrado, combustión que genera trabajo una sola vez y limpieza. Tecnologías como la distribución de válvulas, la inyección y el turbo sirven todas al mismo objetivo: extraer más rendimiento de cada milisegundo de estas porciones. Cuando este fundamento queda claro, el resto de la tecnología del motor, desde la relación de compresión hasta el retardo del turbo, se vuelve mucho más legible.