Las fases del motor de combustión interna describen la secuencia mediante la cual el cilindro recibe aire o mezcla, comprime la carga, libera energía mediante la combustión y expulsa los gases quemados. En un motor alternativo, estas operaciones se producen gracias al desplazamiento del pistón entre dos posiciones extremas denominadas punto muerto superior y punto muerto inferior.
Aunque en el lenguaje cotidiano se habla de “ciclo de combustión” para referirse a toda la secuencia, conviene distinguir dos conceptos. El ciclo mecánico describe los movimientos del pistón y la apertura de las válvulas, mientras que el ciclo termodinámico representa idealmente los cambios de presión, volumen y temperatura que experimentan los gases. Por ello, un motor de cuatro tiempos puede funcionar mecánicamente en cuatro carreras y aproximarse termodinámicamente al ciclo Otto, Diesel, dual, Atkinson o Miller.
PMS y PMI
El punto muerto superior, abreviado como PMS, es la posición más alta que alcanza el pistón dentro del cilindro. En ese punto, el volumen situado entre la cabeza del pistón y la culata es mínimo. Este espacio restante recibe el nombre de volumen de la cámara de combustión o volumen de holgura.
El punto muerto inferior, abreviado como PMI, corresponde a la posición más baja del pistón. En ese momento, el volumen interior del cilindro alcanza su valor máximo.
Se denominan puntos muertos porque, durante un instante, el pistón deja de desplazarse linealmente antes de cambiar de dirección. El cigüeñal continúa girando, pero la geometría formada por la biela y la manivela hace que la velocidad lineal del pistón sea momentáneamente igual a cero.
La distancia recorrida por el pistón entre el PMS y el PMI se denomina carrera. El diámetro interior del cilindro recibe el nombre de diámetro o calibre. Ambos valores determinan la cilindrada unitaria del motor.
En un motor de cuatro tiempos, el pistón alcanza el PMS dos veces durante cada ciclo completo. Una ocurre al terminar la compresión, poco antes o durante el inicio de la combustión, y la otra al terminar el escape. Por esta razón, indicar únicamente que un pistón está en PMS no permite saber qué fase está realizando; también debe conocerse la posición del árbol de levas o de las válvulas.
La relación entre el volumen máximo con el pistón en PMI y el volumen mínimo con el pistón en PMS determina la relación de compresión. Una relación mayor permite, dentro de ciertos límites, aprovechar mejor la expansión de los gases, aunque también incrementa las exigencias térmicas, mecánicas y de control de la combustión.
Motor de cuatro tiempos
El motor de cuatro tiempos completa su ciclo mediante cuatro carreras del pistón: admisión, compresión, expansión y escape. Para completar estas fases, el cigüeñal gira dos vueltas, equivalentes a 720 grados. El árbol de levas gira normalmente una vuelta durante ese mismo periodo, por lo que trabaja a la mitad de la velocidad del cigüeñal.
Admisión
La fase de admisión comienza aproximadamente cuando el pistón se encuentra cerca del PMS. La válvula de admisión se abre y el pistón desciende hacia el PMI, aumentando el volumen del cilindro.
En un motor de gasolina con inyección indirecta puede ingresar una mezcla de aire y combustible. En un motor de inyección directa suele entrar principalmente aire, mientras que el combustible se introduce posteriormente dentro del cilindro. En un motor diésel convencional, durante esta fase entra aire sin combustible.
La presión dentro del cilindro disminuye respecto de la existente en el conducto de admisión, permitiendo que la carga ingrese. En motores turboalimentados o sobrealimentados, el aire puede entrar a una presión superior a la atmosférica.
Compresión
Durante la compresión, el pistón asciende desde el PMI hacia el PMS con las válvulas de admisión y escape cerradas. El volumen disminuye y la presión y temperatura de la carga aumentan.
En un motor de encendido provocado, la bujía genera la chispa normalmente antes de que el pistón alcance exactamente el PMS. Este adelanto es necesario porque la combustión requiere un tiempo para desarrollarse y el frente de llama no consume toda la mezcla de forma instantánea.
En un motor diésel, el aire se comprime hasta alcanzar una temperatura elevada. El combustible es inyectado cerca del final de la compresión y comienza a inflamarse después de un breve retraso físico y químico.
La combustión real no debe interpretarse como una explosión instantánea exactamente en el PMS. La presión comienza a elevarse antes o alrededor de ese punto y normalmente alcanza su valor máximo algunos grados después, cuando el pistón ya ha iniciado el descenso.
Expansión
La fase de expansión, también llamada carrera de trabajo, potencia o combustión-expansión, es la etapa en la que los gases calientes ejercen presión sobre el pistón y lo empujan desde el PMS hacia el PMI.
El desplazamiento del pistón transmite fuerza a la biela, que hace girar el cigüeñal. Esta es la única de las cuatro carreras que entrega directamente una cantidad importante de trabajo mecánico. Las demás requieren energía, que es aportada por la inercia del volante, los otros cilindros y la energía almacenada en el sistema rotativo.
A medida que los gases se expanden, su presión y temperatura disminuyen. Antes de que el pistón alcance completamente el PMI, la válvula de escape puede comenzar a abrirse para aprovechar la presión remanente y facilitar la evacuación.
Escape
Durante el escape, el pistón asciende desde el PMI hacia el PMS mientras la válvula de escape permanece abierta. El movimiento del pistón empuja hacia el colector los productos resultantes de la combustión.
Al final de esta carrera queda cierta cantidad de gas residual dentro de la cámara. Su proporción depende del diseño, el régimen de giro, la presión de escape y la sincronización de válvulas.
Cuando el pistón vuelve a aproximarse al PMS comienza una nueva fase de admisión. Así se completa un ciclo mecánico de cuatro carreras y dos vueltas del cigüeñal.
Cruce de válvulas
En una explicación básica suele afirmarse que cada válvula abre y cierra exactamente en el PMS o PMI. En un motor real, los eventos se adelantan o retrasan para aprovechar la inercia de los gases y mejorar el llenado y vaciado del cilindro.
La válvula de admisión puede abrirse antes de que termine completamente el escape y cerrar después de que el pistón haya comenzado la compresión. La válvula de escape, por su parte, puede abrir antes del PMI de expansión y cerrar después del PMS de escape.
El intervalo en el que las válvulas de admisión y escape permanecen abiertas simultáneamente se denomina cruce de válvulas. A altas revoluciones puede favorecer el barrido de gases y el llenado del cilindro, mientras que un cruce excesivo a baja velocidad puede provocar inestabilidad, reflujo o pérdida de par.
Los sistemas de distribución variable modifican estos eventos según la carga y el régimen del motor. Por este motivo, las fases reales no son idénticas en todas las condiciones de funcionamiento.
Motor de dos tiempos
El motor de dos tiempos completa la secuencia en dos carreras del pistón y una vuelta del cigüeñal, equivalente a 360 grados. Esto significa que puede producir una carrera de trabajo por cada revolución en cada cilindro.
Durante el ascenso desde el PMI hacia el PMS se completa el cierre de las lumbreras o válvulas y se comprime la carga. Cerca del PMS se produce el encendido por chispa o la inyección y autoignición, según el tipo de motor.
Durante el descenso ocurre la expansión. Cerca del PMI comienzan el escape y el ingreso de una nueva carga. Ambos procesos se superponen durante un intervalo denominado barrido, en el que los gases frescos desplazan a los gases quemados.
En pequeños motores de gasolina de dos tiempos, el pistón suele controlar lumbreras mecanizadas en el cilindro y el cárter puede utilizarse para precomprimir la mezcla. Los grandes motores diésel marinos emplean sistemas de barrido independientes y pueden incorporar válvulas de escape en la culata.
La mayor frecuencia de las carreras de trabajo favorece una elevada relación entre potencia y tamaño. Sin embargo, la superposición entre admisión y escape hace que el control del barrido, la lubricación y las emisiones sea más complejo.
Ciclo Otto
El ciclo Otto es el modelo termodinámico ideal asociado principalmente con los motores de encendido provocado. En su representación teórica, la compresión y expansión son procesos sin transferencia de calor y el aporte de energía se considera realizado a volumen constante.
La expresión “a volumen constante” no significa que en un motor real toda la mezcla se queme con el pistón completamente inmóvil. Es una simplificación utilizada para analizar el funcionamiento. En la práctica, el cigüeñal continúa girando y la combustión ocupa varios grados de rotación.
El ciclo Otto se relaciona normalmente con motores de gasolina, gas licuado, gas natural, etanol e hidrógeno con encendido por chispa, aunque el tipo de combustible no define por sí solo el ciclo.
Ciclo Diesel
El ciclo Diesel representa idealmente un motor de encendido por compresión. El aire se comprime primero y el combustible se introduce cerca del PMS. El calor de la compresión permite que el combustible se inflame sin necesidad de una bujía convencional.
En el modelo ideal, el aporte de calor se representa a presión constante mientras el volumen aumenta. En un motor real, la inyección y la combustión se desarrollan durante un intervalo y la presión no permanece perfectamente constante.
El nombre del ciclo se refiere al principio de encendido y al modelo termodinámico, no simplemente al combustible utilizado. Existen motores que pueden quemar distintos combustibles utilizando encendido por compresión, inyección piloto o sistemas duales.
Ciclo dual
El ciclo dual, también llamado ciclo mixto, combina una primera parte del aporte de calor a volumen constante con una segunda parte a presión constante. Es una representación intermedia entre el ciclo Otto y el Diesel.
Este modelo puede aproximarse mejor a ciertos motores reales porque la combustión no ocurre de forma puramente instantánea ni a presión completamente constante. Una parte de la energía se libera cerca del PMS y otra mientras el pistón ya comienza la expansión.
Ciclos Atkinson y Miller
Los ciclos Atkinson y Miller buscan conseguir que la expansión efectiva sea mayor que la compresión efectiva. De este modo, los gases pueden expandirse durante más tiempo y entregar una mayor proporción de su energía antes de abrir el escape.
El ciclo Atkinson original utilizaba un mecanismo especial para obtener recorridos efectivos diferentes. En motores automotrices modernos, el efecto suele conseguirse mediante un cierre tardío de la válvula de admisión. Durante el inicio del ascenso del pistón, parte del aire retorna al colector y la compresión efectiva comienza después.
El ciclo Miller utiliza también estrategias de cierre temprano o tardío de la admisión y suele asociarse con sobrealimentación para recuperar parte de la carga que se perdería. No obstante, las denominaciones Atkinson y Miller se utilizan de forma variable entre fabricantes y publicaciones técnicas.
Estas estrategias reducen las pérdidas de bombeo y permiten combinar una relación de expansión elevada con una compresión efectiva más moderada. Por ello son frecuentes en motores híbridos, donde el motor eléctrico puede compensar la menor potencia específica del motor térmico.
Fases reales y fases teóricas
Las cuatro fases de admisión, compresión, expansión y escape permiten comprender el movimiento general del motor, pero el funcionamiento real es más complejo. Las válvulas no actúan exactamente en los puntos muertos, la combustión no es instantánea, la presión varía continuamente y existen pérdidas térmicas, mecánicas y de bombeo.
El PMS y el PMI sirven como referencias para expresar la posición del cigüeñal. Por ejemplo, una chispa puede producirse determinados grados antes del PMS, una inyección puede prolongarse después del PMS y una válvula puede cerrar varios grados después del PMI.
Comprender estas referencias permite interpretar diagramas de distribución, sincronización del motor, adelanto de encendido, tiempos de inyección y funcionamiento de los sistemas VVT. Las fases no son solamente una secuencia de movimientos: representan la coordinación precisa entre pistones, válvulas, combustible, aire y combustión que permite transformar energía térmica en movimiento útil.
Referencias
- Internal Combustion Engine – Otto Cycle – NASA Glenn Research Center https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/internal-combustion-engine-otto-cycle/
- Otto Cycle Thermodynamic Analysis – NASA Glenn Research Center https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/ottoa.html
- Engine Mechanical Operation – Combustion Process – NASA Glenn Research Center https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/engburn.html
- Internal Combustion Engine Basics – U.S. Department of Energy https://www.energy.gov/cmei/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics
- Otto and Diesel Cycles – Purdue University https://www.purdue.edu/freeform/me200/wp-content/uploads/sites/29/2023/04/ME-200-Chapter-9.pdf
- Notes on Thermodynamics, Fluid Mechanics, and Gas Dynamics: Otto, Diesel and Dual Cycles – Purdue University https://engineering.purdue.edu/~wassgren/teaching/ME20000/NotesAndReading/Lec37_Reading_Wassgren.pdf
- Study of Unconventional Cycles (Atkinson and Miller) as a Means of Fuel Economy Improvement – L. Miklanek, SAE International https://saemobilus.sae.org/articles/study-unconventional-cycles-atkinson-miller-mixture-heating-a-means-fuel-economy-improvement-a-throttled-si-engine-part-load-2012-01-1678
- VCR-VVA-High Expansion Ratio, a Very Effective Way to Miller-Atkinson Cycle – C. Constensou, SAE International https://saemobilus.sae.org/papers/vcr-vva-high-expansion-ratio-a-effective-way-miller-atkinson-cycle-2016-01-0681
