Principios de Funcionamiento

A pesar de que el motor de explosión de 4 tiempos es extraordinariamente conocido, demos un pequeño repaso al esquema de funcionamiento del ciclo Otto.

El ciclo Otto se basa en el movimiento alternativo (de subida y bajada) del pistón en el interior del cilindro. El ciclo es abierto, pues la mezcla combustible gas-aire se renueva en cada tiempo o fase de admisión. El ciclo completo consta de 4 tiempos, dos de subida del pistón y dos de bajada, como se vio  anteriormente.

Fig 1. Fases en un motor alternativo de cuatro tiempos 

  • Tiempo 1: Admisión. El pistón se encuentra en el PMS (punto muerto superior). La válvula de admisión se abre y entra una mezcla de gas y aire en el cilindro. Esta mezcla puede estar a presión atmosférica y ser aspirada por la depresión creada en el movimiento de bajada, o como en los actuales motores industriales, puede haber sido comprimida en un turbocompresor y ser inyectada en el cilindro a presión. Cuando el pistón llega al PMI (punto muerto inferior) la válvula de admisión se cierra. El cigüeñal ha dado media vuelta.
  • Tiempo 2: Compresión. El pistón, en su subida desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior comprime la mezcla. Las válvulas de admisión y escape están cerradas. Un poco antes de llegar a la parte más alta se produce el encendido de la bujía, y la mezcla deflagra. El cigüeñal ha dado ya una vuelta completa. Estas dos etapas o tiempos son consumidoras de energía, pues hasta ahora no se ha generado ningún trabajo.
  • Tiempo 3: Expansión. Los gases producidos en la explosión se expansionan, lanzando el pistón hacia abajo y produciendo el movimiento del cigüeñal. Las válvulas de admisión y escape siguen cerradas. De los cuatro tiempos, este es el único en el que se desarrolla trabajo. Los otros tres son consumidores de energía mecánica. El cigüeñal ha dado una tercera media vuelta. El pistón llega finalmente al PMI.
  • Tiempo 4: Escape. Al alcanzar el PMI, la válvula de escape se abre y libera los gases quemados producidos en la combustión. Al llegar al PMS esta válvula se cierra y se abre nuevamente la de admisión, comenzando un nuevo ciclo. El cigüeñal ha dado dos vueltas completas. 

De los cuatro tiempos, sólo en uno se genera energía mecánica. La inercia y los otros cilindros, cuyos tiempos están decalados, aseguran que el movimiento sea continuo, aunque hay naturalmente esfuerzos variables.

Para aumentar el rendimiento del motor es frecuente recurrir a la compresión mecánica del aire o de la mezcla antes de su entrada al cilindro. De esta forma la energía producida en cada explosión es mayor, aunque también son mayores las solicitaciones mecánicas. Es posible aumentar todavía más el rendimiento refrigerando el aire o la mezcla antes de su paso al cilindro, aumentando así su densidad y por ende la cantidad de combustible y comburente en el cilindro.

A medida que aumenta el tamaño del motor se trabaja con menores revoluciones. Así los motores pequeños rápidos van a 1500 rpm (menores de 1-2 MW), los de velocidades intermedias con velocidades de 1000 a 750 rpm tienen potencias hasta unos 6 MW. Los motores de 500 rpm suelen alcanzar los 10 o incluso los 15 MW. Los motores de dos tiempos, de hasta 80 MW, van a velocidades incluso por debajo de 100 rpm.

Los motores de gas ciclo Otto mayores actuales son de unos 8 MW, y la mayoría de los fabricantes principales tienen motores en el rango que oscila entre 3 y 5 MW.

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