Ciclo real vs ciclo teórico en un motor de 4 tiempos

Mecánica básica de moto

Lo que nos han enseñado desde pequeños acerca de un motor de explosión de 4 tiempos no es del todo cierto. Vamos a adentrarnos un poco más en el funcionamiento de este tipo de motores que mueven el mundo, explicando el ciclo real de un motor de cuatro tiempos.

Estamos escribiendo un libro de mecánica básica de motos y hay temas que se nos quedan un poco fuera del término “básico” pero que nos parecen lo suficientemente interesantes como para traerlos aquí.

Tal es el caso del ciclo práctico o real de un motor de 4 tiempos que, como su propio nombre indica, es lo que ocurre en realidad dentro de un motor de cuatro tiempos.

Para comparar ambos ciclos, los voy a explicar por separado, para que puedas apreciar las diferencias.

Por cierto, aquí explicamos cómo funciona un motor de 2 tiempos.

Cuál es el ciclo teórico de un motor de cuatro tiempos

El ciclo teórico no es más que el que nos han enseñado toda la vida, y que creo que es por el que hay que empezar para poder entender el funcionamiento de un motor de 4 tiempos.

Al fin y al cabo es como se inventó este tipo de motores, y sólo la aparición de vehículos más y más potentes hicieron necesaria la adaptación del ciclo a lo que ocurre hoy en día dentro de nuestros motores. Por cierto, la invención de este tipo de motor se la debemos al ingeniero alemán Nicolaus Otto en 1876 que, por si fuera poco, fue el padre del fundador de BMW.

No te estoy descubriendo nada nuevo si te digo que el funcionamiento de un motor de 4 tiempos tiene 4 fases bien diferenciadas: admisión, compresión, explosión o combustión y escape. Vamos a estudiarlas una a una.

Fase 1: admisión

En esta fase, el pistón parte de su punto más elevado (se denomina Punto Muerto Superior o PMS) y va bajando dentro del cilindro. A su vez, la válvula de admisión (la puerta que abre el cilindro para que entre la mezcla de aire y gasolina) permanece abierta.

El pistón actúa como el émbolo de una jeringuilla, “chupando” la mezcla que va llenando el cilindro, a medida que el pistón baja hasta su punto más bajo (llamado Punto Muerto Inferior o PMI, como los yogures).

En esta fase, el cigüeñal ha dado la mitad de una vuelta completa, y el pistón ha avanzado una carrera (se denomina carrera a la distancia entre el PMS y el PMI, o viceversa).

Al final de la fase de admisión nos encontramos con un cilindro lleno de mezcla de aire y gasolina, con un pistón en su punto más bajo y con una válvula de admisión que comienza a cerrarse.

Fase 2: compresión

En esta fase vamos a tapar con el dedo gordo la punta de la jeringuilla (sin aguja) y vamos a apretar el émbolo todo lo que podamos para comprimir su contenido.

En otras palabras, el pistón parte de su PMI (punto más bajo) con las dos válvulas del cilindro cerradas (admisión y escape) e inicia su ascenso hasta el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y gasolina en un pequeño espacio en la parte superior del cilindro llamada cámara de combustión.

La mezcla está preparada para prenderle fuego. Esa compresión ha conseguido elevar su presión y su temperatura.

Fase 3: combustión

Es la fase más importante de todo el ciclo, ya que es la única que genera movimiento de la moto.

Cuando la mezcla está lista para explotar, aparece una chispa en la bujía que lo hace saltar todo por los aires.

La fuerza de la explosión es tal que empuja violentamente hacia abajo el pistón, mandándolo hasta su PMI.

Las dos válvulas están cerradas para que no se escape nada.

Fase 4: escape

La explosión, al igual que una hoguera, ha generado una gran energía, pero también residuos (gases y partículas) que hay que expulsar.

Para ello se abre la válvula de escape y el pistón asciende desde su punto más bajo hasta el punto más alto empujando estos residuos y sacándolos del cilindro.

¿Qué es el ciclo práctico o ciclo real en un motor de 4 tiempos?

Hasta aquí todo clarísimo, los cuatro tiempos de toda la vida pero, ¿qué ocurre cuando aumentamos la velocidad a miles de revoluciones por minuto?

Por cierto, imagino que lo sabes, pero cuando hablamos de revoluciones por minuto o rpm, nos estamos refiriendo al número de vueltas que da el cigüeñal en un minuto.

Cuando la velocidad del proceso aumenta tanto, los gases dejan de tener un comportamiento ideal. Voy a intentar ponerte un ejemplo.

Imagina que vas dentro de un carro de la compra. Si alguien va empujándote de forma gradual tendrás la sensación de que, si te sueltan, por inercia seguirás rodando hacia delante (quizá no es muy buen ejemplo porque los carritos de la compra siempre tienden a girar hacia la estantería…).

Si te empujan contra la puerta del supermercado, las puertas automáticas se abrirán y tú saldrás despedido hacia el aparcamiento, debido a esa inercia de la que hemos hablado.

Lo mismo, exactamente ocurrirá si, en lugar de empujarte, tiran del carro. En ese caso, te moverás de espaldas, pero la inercia también te afectará, y en lugar de ir contra la puerta del supermercado, te estrellarás contra las cajas.

Imagina ahora que te empujan y tiran de ti casi a la vez. A 4.000 rpm te empujarían 67 veces cada segundo, y tirarían de ti otras tantas veces. Además, tu carrito, en cada empujón o tirón, alcanzaría unos 70 km/h.

Yo no sé, tú, pero mi comportamiento en tales circunstancias, sería del todo menos ideal. Desde luego no sabría si me voy hacia la puerta, hacia la estantería o hacia las cajas.

Algo así le ocurre a los gases dentro de un cilindro.

Exactamente esto es lo que le ocurre a los gases que entran y salen del cilindro. Para ello, se dejan abiertas las válvulas de admisión y escape durante mayor tiempo que en el ciclo teórico.

Para explicar el funcionamiento del ciclo teórico, nos hemos basado en la posición del pistón dentro del cilindro, sin embargo, para explicar el ciclo real, analizaremos el estado de las válvulas, ya que el pistón sigue haciendo su recorrido de arriba a abajo y de abajo a arriba exactamente igual.

Fase 1 real: admisión

La admisión comienza cuando le abren las puertas a la mezcla, cuando la admiten dentro del cilindro. Hemos estudiado antes que esto se produce cuando el pistón se encuentra en su punto más alto (PMS), sin embargo, la realidad es que la válvula de admisión se abre antes de que esto ocurra, cuando todavía se están expulsando los gases de la combustión, en la fase de escape.

Se hace así para dar tiempo a los gases a entrar. Al haber aumentado tanto la velocidad del ciclo, es necesario dejar las puertas abiertas más tiempo para que el cilindro llegue a llenarse de mezcla.

Mientras se abre la válvula de admisión, la de escape sigue abierta. Esto ayuda a que la mezcla que entra empuje a los gases de la combustión fuera del cilindro.

Fase 2 real: compresión

A diferencia del ciclo teórico, en el que toda la fase de compresión se realiza con las válvulas cerradas, la compresión real comienza con la válvula de admisión aún abierta. La inercia que tienen los gases que entran los empuja contra el pistón mientras éste sube, por lo que, aunque la válvula esté abierta y el pistón esté subiendo, los gases siguen entrando.

Al finalizar la compresión las dos válvulas están cerradas a cal y canto.

Fase 3 real: combustión

Hemos estudiado antes que la chispa saltaba cuando el pistón se encontraba en su punto más alto (PMS). Si la cantidad de mezcla que entra es la misma, es lógico pensar que tardará el mismo tiempo en quemarse. Sin embargo, el aumento de la velocidad del pistón ha reducido ostensiblemente el tiempo que tiene para arder.

Por esta razón se adelanta el momento de la chispa a un punto en el que el pistón aún está subiendo (no ha llegado a su PMS), para darle más tiempo a la mezcla para arder. Este adelanto se denomina avance de encendido, y es regulable. Cuanto mayor sea el régimen de revoluciones, más deberemos adelantar la chispa, para que le de tiempo a la mezcla a arder.

En esta fase en la que la combustión provoca el descenso violento del pistón, no tenemos que esperar hasta que éste alcance su punto más bajo para abrir la válvula de escape, sino que se abrirá algo antes. Esto es así porque el mayor empuje del pistón se produce al inicio de la combustión, siendo luego la inercia la que lo empuja. De esta forma le daremos más tiempo a los gases a salir del cilindro.

La válvula de escape permanece abierta desde antes de alcanzar el PMI hasta el final de la fase de escape, incluso un poco más.

Fase 4 real: escape

Ya hemos visto que el escape comienza a producirse antes de que el pistón alcance su punto más bajo (aún dentro de la fase de combustión) y se sigue produciendo hasta el final de la fase de escape, cuando el pistón llega al PMS. Todavía queda algo por salir, por ello la válvula de escape sigue abierta un poco más, incluso dentro de la fase de admisión.

Como ves en el gráfico anterior, he marcado unas siglas, que se corresponden a los periodos en los que una válvula está abierta fuera de su fase teórica:

• AAA: Avance en la Apertura de la Admisión
• RCA: Retraso en el Cierre de la Admisión
• AAE: Avance en la Apertura del Escape
• RCE: Retraso en el Cierre del Escape

Para terminar, sólo nos queda hablar de un concepto que le pone nombre al tiempo en que dos válvulas están abiertas a la vez. Esto ocurre al final de la fase de escape y se prolonga hasta el principio de la fase de admisión. Se conoce como cruce de válvulas.

Este es el funcionamiento real de un motor de combustión de 4 tiempos. Comprendo que es algo más complejo que el funcionamiento teórico, y que, si has llegado hasta aquí tienes un mérito sobrenatural. No obstante, creo que es importante conocerlo para entender tareas tan comunes como el reglaje de válvulas o el calado del encendido.