Ciclo Real de un Motor de 4 Tiempos: Análisis y Diagrama

Para comprender el ciclo real de un motor alternativo de combustión interna, vamos a analizar la variación de presión en el interior del cilindro en función del ángulo girado por el cigüeñal.

Representando en unos ejes cartesianos en abscisas el giro del cigüeñal contado desde el inicio de la admisión (PMS), y en ordenadas las presiones en el interior del cilindro durante el desarrollo de un ciclo completo. Esto nos permite, además de dejar claros los principios de funcionamiento de los motores alternativos, mejorar su rendimiento y calcular las cargas sobre los cojinetes del motor.

PMS, comenzando en el inicio de la carrera de admisión, punto 1, el interior del cilindro se encuentra a una presión ligeramente superior a la atmosférica por no haber terminado aún la fase de escape.

Cuando el pistón se desplaza hacia el PMI, aspira cierta cantidad de mezcla o aire a través de la válvula de aspiración, abierta oportunamente. Durante toda esta carrera, en primer lugar la presión se hace igual a la atmosférica, punto 2 y se cierra la válvula de escape (RCE) comenzando la fase de admisión, en el resto de la carrera en el interior del cilindro existe una presión menor a causa de la resistencia que encuentra el fluido en los conductos.

Ello origina la llamada depresión en la aspiración, la cual resulta más intensa cuanto mayor sea la velocidad de la mezcla o aire, debido a la mayor resistencia de este fluido a vencer su paso por dichos conductos. Como es evidente esta fase representa trabajo negativo.

Cuando en el punto 3 (PMI) el pistón inicia su carrera de compresión hacia el PMS el cilindro se encuentra todavía en depresión, por este motivo y a pesar del movimiento del pistón, continúa la introducción de fluido hasta el punto 4, en el que se igualan la presión interna a la atmosférica. En ese punto se debe de cerrar la válvula de aspiración (RCA), termina la fase de admisión y se inicia realmente la fase de compresión.

La compresión de la carga se produce como consecuencia del movimiento del pistón hacia el PMS con las válvulas de admisión y escape cerradas. A partir del punto 4 el fluido operante a la presión atmosférica es comprimido por el pistón, con lo que la presión aumentaría hasta el punto 6´, final de la carrera de compresión, si no se produjese como es necesario el AE, el cual se realiza en el punto 5.

La fase combustión-expansión comienza con el encendido o inyección del combustible en el punto 5 lo que origina una repentina elevación de temperatura y de presión que alcanza su valor máximo en el punto 7, pasando por el punto 6 donde ha terminado la carrera de compresión.

Terminada la combustión, punto 7, debido al aumento de presión el pistón experimenta un rápido descenso hacia el PMI, lo cual debería prolongarse para aprovechar al máximo la fase útil hasta la proximidad del PMI, pero para facilitar la expulsión de los gases se interrumpe esta con la apertura anticipada respecto al PMI de la válvula de escape (AAE) en el punto 8, donde termina la fase de combustión-expansión.

La fase de escape se inicia en el momento que comienza la apertura de la válvula de escape, como los gases se encuentran a una presión superior a la atmosférica, se descargan al exterior de forma tan rápida que el proceso discurre casi a volumen constante hasta el punto 10, pasando por el punto 9 que es cuando se inicia la carrera de escape.

Debido a la inercia de los gases en los conductos de escape, la presión puede alcanzar un valor inferior a la atmosférica, según representa en el punto 10.

En el punto 11, se inicia el segundo periodo de escape, en el que el pistón en su carrera hacia el PMS expulsa los gases que ocupan el cilindro, con lo que la presión se hace ligeramente superior a la atmosférica debido a la resistencia de los gases a circular por la válvula y conductos de escape.

Como el pistón no puede expulsar todos los gases porque una parte de ellos ocupa la cámara de combustión al final de la carrera de escape, la presión tiene todavía un valor ligeramente superior a la atmosférica, punto 12 donde se abre la válvula de admisión (AAA), ayudando la entrada de carga fresca al desalojo de los gases de escape que quedan en el cilindro. En el punto 1, se vuelve a iniciar el ciclo.

Como hemos dicho anteriormente, el punto 6´ sería el valor de la presión en el interior del cilindro si no hubiésemos adelantado la combustión y entonces la expansión estaría representada por la línea de puntos, donde se ve claramente la pérdida de trabajo positivo que hubiésemos tenido.