Conceptos Fundamentales

En los motores de combustión interna, el calor necesario para realizar el trabajo se obtiene de la combustión, en su interior, de una mezcla de aire y combustible. El motor alternativo se caracteriza por un pistón que se mueve dentro de un cilindro, entre dos posiciones extremas:

1. Punto Muerto Superior (PMS): Punto más alto que alcanza el pistón en su recorrido. El volumen que queda libre en el cilindro en este punto se representa como V_pms, también llamado cámara de combustión o explosión.
2. Punto Muerto Inferior (PMI): Punto más bajo que alcanza el pistón. El volumen libre en el cilindro en este punto se representa como V_pmi.

Además, se definen los siguientes conceptos:

• Carrera (L): Distancia entre el PMS y el PMI, es decir, el recorrido del pistón. Se mide en centímetros (cm).
• Régimen de giro del motor (n): Número de revoluciones por minuto (rpm) a las que gira el motor.
• Cilindrada unitaria (V): Volumen barrido por el pistón (V = V_pmi – V_pms). En motores con múltiples cilindros, la cilindrada total se calcula como V_total = z * V, donde z es el número de cilindros.
• Relación de compresión (R_c): Razón entre el volumen en el PMI y el volumen en el PMS (R_c = V_pmi / V_pms).

Motor de Explosión (MEO) de Cuatro Tiempos o Ciclo Otto

Este motor sigue el ciclo utilizado por primera vez por Otto, que consta de cuatro etapas o tiempos: dos adiabáticos y dos isocoros. Como ciclo, es cerrado, partiendo de condiciones iniciales de presión, temperatura y volumen del gas y regresando al mismo punto. Como motor, absorbe calor Q₁ y cede calor Q₂ al exterior. La diferencia entre la energía consumida y cedida se transforma en trabajo.

Primer Tiempo: Admisión (0-1)

El pistón baja desde el PMS al PMI por la inercia del cigüeñal, con la válvula de admisión abierta, permitiendo la entrada de la mezcla de combustible (gasolina) y aire. La válvula de escape permanece cerrada. El gas sufre una expansión isobárica (a presión constante atmosférica, P_amb) a la temperatura ambiente. Al final, se cierra la válvula de admisión. El cigüeñal gira media vuelta.

Segundo Tiempo: Compresión Adiabática (1-2)

El pistón sube con ambas válvulas cerradas, comprimiendo el gas adiabáticamente (sin intercambio de calor). Esto eleva la temperatura y la presión de la mezcla. Se realiza trabajo negativo. El pistón alcanza el PMS.

Tercer Tiempo: Explosión-Expansión (2-3 y 3-4)

En el PMS, salta la chispa de la bujía, provocando la explosión de la mezcla y empujando el pistón hacia abajo. Ambas válvulas permanecen cerradas. Este tiempo consta de dos etapas:

• Isocora (2-3): Ocurre la explosión, incrementando bruscamente la presión y la temperatura a volumen constante.
• Expansión adiabática (3-4): Se realiza trabajo positivo, y la presión y la temperatura descienden. Esta etapa es la que genera trabajo.

Al llegar al PMI, se abre la válvula de escape.

Cuarto Tiempo: Escape (4-1 y 1-0)

Se abre la válvula de escape, liberando los gases de combustión. La presión y la temperatura bajan bruscamente a volumen constante (etapa isocora 4-1). Luego, el pistón sube a presión constante atmosférica (compresión isobárica 1-0). Al alcanzar el PMS, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciando el ciclo.

Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. El ciclo completo requiere dos revoluciones del motor.