Motor de cuatro tiempos
Un motor de gasolina por dentro: gíralo, cambia las revoluciones y mira cómo se mueven pistones y válvulas mientras el ciclo Otto se dibuja en el diagrama p-V.
Motor monocilíndrico de cuatro tiempos
Cilindro 1: AdmisiónDiagrama p-V · cilindro 1
ciclo Otto idealEl área sombreada es el trabajo que da el gas en cada ciclo: lo que empuja en la explosión menos lo que cuesta comprimir.
Pistón y válvulas · cilindro 1
Altura del pistón (arriba, punto muerto superior), apertura de admisión y de escape. Un ciclo son dos vueltas del cigüeñal.
Motor
Cilindro
Admisión. La válvula de admisión está abierta y el pistón baja: aspira la mezcla de aire y gasolina.
Con r = 10 el ciclo Otto ideal aprovecha como mucho el 60 % del calor: η = 1 − 1/r^(γ−1). Comprimir más mejora el rendimiento, pero la mezcla puede detonar sola antes de la chispa; por eso los motores de gasolina se quedan entre 9 y 13.
Qué es y cómo se usa
Un motor de cuatro tiempos convierte en movimiento la energía de la gasolina en un ciclo de cuatro pasos. En la admisión el pistón baja y aspira la mezcla de aire y combustible; en la compresión sube con las válvulas cerradas y la aprieta; en la explosión salta la chispa, la mezcla arde y empuja el pistón hacia abajo; y en el escape el pistón sube y expulsa los gases quemados. Cada tiempo es media vuelta del cigüeñal, así que un ciclo completo son dos vueltas.
El pistón está unido al cigüeñal por la biela: es un mecanismo biela-manivela que convierte el subir y bajar en giro. Solo la explosión da trabajo; el volante de inercia guarda energía para pasar los otros tres tiempos. Por eso los motores con más cilindros, como un V8, giran más suaves: con el orden de encendido 1-8-4-3-6-5-7-2 explota un cilindro cada 90°.
El diagrama p-V muestra el ciclo Otto ideal: compresión y expansión adiabáticas (p·V^γ constante) y la combustión como un salto de presión a volumen constante. El área encerrada es el trabajo de cada ciclo. Para calcular la potencia se supone que la combustión triplica la presión; un motor real da bastante menos por el rozamiento, las pérdidas de calor y porque las válvulas no abren y cierran de golpe.
Ejemplo resuelto
Un motor de 4 cilindros tiene 86 mm de diámetro, 86 mm de carrera y una relación de compresión de 10:1. Calcula su cilindrada y su rendimiento ideal.
- Volumen barrido por un cilindro: V = π/4 · D² · s = π/4 · 8,6² · 8,6 ≈ 499,6 cm³.
- Cilindrada total: 4 · 499,6 ≈ 1998 cm³, es decir, un motor de 2 litros.
- Rendimiento del ciclo Otto ideal: η = 1 − 1/r^(γ−1) = 1 − 1/10^0,4 ≈ 1 − 0,398 = 0,602.
Cilindrada ≈ 1998 cm³ y η ideal ≈ 60 %
Preguntas frecuentes
¿Qué son el punto muerto superior y el inferior?
Son las dos posiciones en las que el pistón se para un instante y cambia de sentido: arriba del todo (PMS) y abajo del todo (PMI). La distancia entre ellos es la carrera, y el volumen que barre el pistón entre los dos es la cilindrada de ese cilindro.
¿Qué es la relación de compresión?
Es el volumen del cilindro con el pistón abajo dividido entre el que queda con el pistón arriba: r = (V barrido + V cámara)/V cámara. En gasolina suele estar entre 9 y 13; en diésel, entre 15 y 22, porque allí la mezcla se enciende sola por la temperatura de la compresión.
¿Por qué el rendimiento real es mucho menor que el ideal?
El ciclo Otto ideal no tiene rozamiento ni pérdidas de calor por las paredes, y supone que la combustión es instantánea. Un motor de gasolina real aprovecha entre el 25 % y el 40 % de la energía del combustible.
¿En qué se diferencia de un motor de dos tiempos?
En el de dos tiempos hay una explosión en cada vuelta del cigüeñal en lugar de cada dos, porque la admisión y el escape se hacen a la vez que la compresión y la expansión a través de lumbreras en el cilindro. Da más potencia para su tamaño, pero gasta y contamina más.