Un motor de cuatro tiempos necesita dos revoluciones completas del cigüeñal para completar el ciclo operativo de cada cilindro. Estas dos vueltas equivalen a 720 grados de rotación, durante los cuales el pistón realiza cuatro carreras diferenciadas: admisión, compresión, expansión o trabajo y escape.
Cada carrera desplaza el pistón entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior, o en sentido contrario. Como el cigüeñal gira media vuelta durante cada desplazamiento completo del pistón, una carrera corresponde a 180 grados. Al multiplicar cuatro carreras por 180 grados se obtiene el total de 720 grados, equivalente a dos vueltas completas.
La respuesta correcta a la pregunta sobre cuántas revoluciones requiere un ciclo de cuatro tiempos es, por tanto, dos revoluciones del cigüeñal. Sin embargo, para comprender completamente esta relación es necesario diferenciar el ciclo operativo mecánico del motor, el ciclo termodinámico ideal y la sincronización real de las válvulas.
Ciclo operativo
El término cuatro tiempos hace referencia a los cuatro desplazamientos lineales que realiza el pistón dentro del cilindro. Una carrera comienza en uno de los puntos muertos y termina en el punto muerto opuesto.
Durante la primera carrera, el pistón desciende y permite la entrada de una carga nueva al cilindro. Durante la segunda, asciende y comprime el contenido. En la tercera, la presión producida por la combustión impulsa el pistón hacia abajo. Finalmente, durante la cuarta carrera, el pistón vuelve a subir para expulsar los gases quemados.
El cigüeñal convierte este movimiento alternativo en rotación mediante la acción combinada de la biela y la manivela. Cada vez que el pistón recorre completamente el cilindro entre ambos puntos muertos, la muñequilla del cigüeñal gira 180 grados.
El ciclo completo requiere que el pistón baje dos veces y suba otras dos. En consecuencia, el cigüeñal efectúa cuatro medias vueltas, que corresponden a dos giros completos.
Admisión
La carrera de admisión comienza teóricamente cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior. La válvula de admisión está abierta y el pistón se desplaza hacia el punto muerto inferior, aumentando el volumen disponible dentro del cilindro.
En un motor de encendido provocado ingresa normalmente aire mezclado con combustible o aire al que se añadirá combustible mediante inyección. En un motor diésel convencional entra principalmente aire, mientras el combustible se inyecta posteriormente cerca del final de la compresión.
Durante este descenso, el cigüeñal gira 180 grados, es decir, media revolución. Al terminar la carrera de admisión, el cigüeñal ya ha completado la primera cuarta parte de los 720 grados del ciclo.
En un motor real, la válvula de admisión no necesariamente abre justo cuando el pistón alcanza el punto muerto superior ni cierra exactamente en el punto muerto inferior. La apertura puede comenzar ligeramente antes, mientras que el cierre suele producirse después del punto muerto inferior para aprovechar la inercia de los gases que ingresan.
Estas variaciones modifican la duración efectiva del intercambio gaseoso, pero no alteran el hecho fundamental de que el ciclo mecánico completo continúa requiriendo dos vueltas del cigüeñal.
Compresión
Durante la carrera de compresión, el pistón se desplaza desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior. En la representación básica, las válvulas de admisión y escape permanecen cerradas, de modo que el contenido del cilindro queda confinado en un volumen cada vez menor.
El movimiento ascendente aumenta la presión y la temperatura de la carga. En un motor de gasolina, la combustión se inicia mediante la chispa de la bujía. En un motor diésel, el combustible se inyecta dentro del aire comprimido y caliente, produciéndose su autoencendido.
La compresión representa otros 180 grados de giro. Al finalizar esta carrera, el cigüeñal ha recorrido una revolución completa desde el comienzo de la admisión, equivalente a 360 grados.
No obstante, haber completado una vuelta no significa que el ciclo haya terminado. El cilindro solo ha realizado la admisión y la compresión; todavía debe producir la expansión y expulsar los gases residuales.
Esta circunstancia es una diferencia esencial respecto de un motor de dos tiempos, donde las funciones principales se distribuyen dentro de una única revolución del cigüeñal.
Expansión
La carrera de expansión, también llamada carrera de trabajo o de potencia, comienza alrededor del punto muerto superior después de iniciarse la combustión. La elevación de presión dentro del cilindro ejerce fuerza sobre la cabeza del pistón y lo impulsa hacia el punto muerto inferior.
La fuerza transmitida por la biela genera un momento de torsión sobre el cigüeñal. Esta es la carrera en la que el cilindro aporta la mayor parte del trabajo mecánico positivo utilizado para mantener el motor girando y mover la carga conectada.
La expansión comprende otros 180 grados. Cuando el pistón alcanza nuevamente la zona del punto muerto inferior, el cigüeñal ha acumulado aproximadamente 540 grados desde el inicio del ciclo.
En términos simplificados, un cilindro de cuatro tiempos produce una carrera de trabajo cada 720 grados. Por esta razón, cada cilindro entrega un impulso útil una vez por cada dos vueltas del cigüeñal.
El cigüeñal no se detiene durante las demás carreras. La energía almacenada en el volante de inercia y los impulsos aportados por otros cilindros mantienen su rotación durante la admisión, la compresión y el escape.
Escape
Durante la carrera de escape, el pistón asciende desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior con la válvula de escape abierta. Su desplazamiento reduce el volumen del cilindro y obliga a salir a la mayor parte de los productos de la combustión.
Esta última carrera añade otros 180 grados. Al llegar nuevamente al punto muerto superior, el cigüeñal ha completado 720 grados, equivalentes a dos revoluciones.
En ese momento termina un ciclo y comienza el siguiente. La secuencia se repite continuamente mientras el motor permanece en funcionamiento.
Al igual que ocurre con la admisión, la válvula de escape real no abre y cierra exactamente en los puntos muertos. Su apertura suele comenzar antes de que termine completamente la expansión, permitiendo una descarga inicial de los gases debido a la presión residual del cilindro.
El cierre puede producirse después del punto muerto superior, cuando la válvula de admisión ya ha comenzado a abrirse. Esta coincidencia parcial se conoce como cruce o traslape de válvulas.
Grados del cigüeñal
La posición de los acontecimientos del motor se expresa frecuentemente en grados de giro del cigüeñal. Una vuelta completa corresponde a 360 grados y el ciclo de cuatro tiempos ocupa dos vueltas, por lo que se emplea una escala de 0 a 720 grados.
De manera idealizada, la admisión se extiende desde 0 hasta 180 grados, la compresión desde 180 hasta 360, la expansión desde 360 hasta 540 y el escape desde 540 hasta 720 grados.
Esta división facilita la comprensión inicial, pero los diagramas de distribución reales muestran que las válvulas abren y cierran fuera de esos límites exactos. También la chispa o la inyección se producen en posiciones cuidadosamente adelantadas o retrasadas respecto del punto muerto superior.
Cuando se indica que una válvula abre 15 grados antes del punto muerto superior, significa que el cigüeñal todavía debe girar 15 grados para que el pistón alcance dicha posición. Si se afirma que cierra 40 grados después del punto muerto inferior, la válvula permanece abierta durante parte de la carrera siguiente.
El uso de grados permite especificar estos eventos con mayor precisión que una descripción basada únicamente en el movimiento ascendente o descendente del pistón.
Árbol de levas
En la mayoría de los motores de cuatro tiempos, el árbol de levas gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal. La razón es que las válvulas deben completar una secuencia de apertura y cierre una sola vez durante cada ciclo de 720 grados.
Mientras el cigüeñal realiza dos revoluciones, el árbol de levas efectúa solo una. Esta relación de transmisión de dos a uno se consigue mediante engranajes, cadena o correa de distribución.
Una leva de admisión actúa una vez por cada vuelta del árbol de levas y, por tanto, una vez por cada dos vueltas del cigüeñal. Lo mismo ocurre con la leva de escape.
La sincronización entre ambos ejes es fundamental. Si el árbol de levas pierde su posición respecto del cigüeñal, las válvulas pueden abrir en momentos incorrectos, provocando pérdida de potencia, dificultad de arranque, combustión irregular o contacto entre válvulas y pistones en motores de interferencia.
Las marcas de distribución proporcionadas por el fabricante permiten establecer la relación angular correcta. Sin embargo, la coincidencia de las marcas no sustituye los procedimientos específicos de tensado, bloqueo y verificación establecidos para cada motor.
Frecuencia de trabajo
La relación de dos vueltas por ciclo determina la frecuencia con la que cada cilindro produce trabajo. Si el cigüeñal gira a 3.000 revoluciones por minuto, cada cilindro completa 1.500 ciclos por minuto.
Esto equivale a 25 ciclos por segundo en cada cilindro, porque las 3.000 revoluciones por minuto se dividen primero entre dos para obtener ciclos por minuto y después entre 60 para convertir el resultado en ciclos por segundo.
En un motor de cuatro cilindros, las carreras de expansión se distribuyen angularmente para producir una entrega de par más continua. En una configuración convencional de cuatro cilindros en línea, puede existir un encendido cada 180 grados del cigüeñal, aunque cada cilindro individual solo produce trabajo una vez cada 720 grados.
En un motor de seis cilindros y cuatro tiempos con encendidos uniformemente espaciados, puede existir una carrera de potencia cada 120 grados. En un motor de ocho cilindros, la separación puede ser de 90 grados.
La cantidad de cilindros no reduce las dos revoluciones necesarias para completar el ciclo de cada uno. Lo que cambia es la frecuencia total con que el conjunto recibe impulsos de combustión.
Comparación con dos tiempos
Un motor de dos tiempos completa su ciclo operativo en dos carreras del pistón, equivalentes a una revolución del cigüeñal o 360 grados. La admisión, la compresión, la expansión y el escape no se encuentran separados en cuatro carreras exclusivas, sino que varias funciones se superponen.
En términos teóricos, un cilindro de dos tiempos puede producir una carrera de potencia en cada revolución. Un cilindro de cuatro tiempos produce una carrera útil cada dos revoluciones.
Esta mayor frecuencia de trabajo puede favorecer la potencia específica de un motor de dos tiempos, pero también complica el intercambio de gases y puede aumentar las pérdidas de combustible fresco hacia el escape en determinados diseños.
El cuatro tiempos dispone de carreras separadas para admisión y escape, lo que permite un control más preciso del llenado, la combustión, la lubricación y las emisiones. Estas ventajas explican su utilización generalizada en automóviles, camiones, motocicletas y maquinaria.
Ciclo termodinámico
Es conveniente distinguir entre el ciclo mecánico de cuatro tiempos y el ciclo termodinámico ideal utilizado para analizar la transformación de energía. En lenguaje automotriz suelen relacionarse estrechamente, pero no son conceptos completamente equivalentes.
El ciclo Otto ideal está compuesto por procesos de compresión, aporte de calor, expansión y rechazo de calor. El ciclo Diésel ideal utiliza otra representación del aporte energético. Estos modelos termodinámicos no reproducen literalmente las carreras de admisión y escape de un motor real.
Por ello, afirmar que un “ciclo termodinámico de cuatro tiempos” requiere dos revoluciones es correcto dentro del contexto práctico de los motores alternativos, pero la formulación más exacta es que el ciclo operativo de un motor de cuatro tiempos ocupa 720 grados del cigüeñal.
Las carreras de admisión y escape son procesos de renovación de la carga que permiten repetir el funcionamiento. En un diagrama termodinámico ideal cerrado, a menudo se simplifican o se omiten para concentrarse en la compresión, la combustión idealizada y la expansión.
Puntos muertos
Los puntos muertos son las posiciones extremas que alcanza el pistón dentro del cilindro. En el punto muerto superior, el volumen de la cámara es mínimo. En el punto muerto inferior, el volumen alcanza su máximo valor.
El pistón cambia de dirección cuatro veces durante un ciclo completo: después de la admisión, después de la compresión, después de la expansión y después del escape. Sin embargo, solo existen dos posiciones geométricas extremas, que se repiten durante las dos vueltas.
El punto muerto superior alcanzado al terminar la compresión no debe confundirse con el punto muerto superior alcanzado al terminar el escape. Mecánicamente, el pistón ocupa la misma posición y las marcas del cigüeñal pueden coincidir, pero el estado de las válvulas y del cilindro es diferente.
Esta distinción es especialmente importante durante la puesta a punto. Un motor puede encontrarse con el pistón del primer cilindro en el punto muerto superior de escape en lugar del punto muerto superior de compresión.
Para identificar correctamente la fase se debe comprobar la posición de las válvulas, del árbol de levas o de las marcas específicas de distribución. Girar el cigüeñal una vuelta completa desde un punto muerto superior conduce al siguiente punto muerto superior del mismo pistón, pero corresponde a una fase distinta del ciclo.
Duración real
Aunque cada carrera geométrica equivale a 180 grados, los fenómenos de admisión, combustión y escape pueden extenderse más allá de una sola carrera. La inercia de los gases, la velocidad del frente de llama, la geometría de la cámara y el régimen de giro hacen necesario anticipar o retrasar ciertos eventos.
Una válvula de admisión puede permanecer abierta durante más de 180 grados de cigüeñal. La válvula de escape también puede presentar una duración superior a una carrera completa. La combustión comienza antes del punto muerto superior y continúa durante la primera parte de la expansión.
Estas duraciones no agregan una tercera revolución al ciclo. Los acontecimientos se superponen dentro de los mismos 720 grados disponibles.
Los sistemas de distribución variable pueden modificar el momento de apertura, cierre o levantamiento de las válvulas, pero la relación fundamental se mantiene: el cilindro completa admisión, compresión, expansión y escape durante dos vueltas del cigüeñal.
El valor de 720 grados constituye así una referencia esencial para comprender la distribución mecánica, el orden de encendido, la sincronización de válvulas y la interpretación de señales de sensores. Cada carrera ocupa geométricamente media vuelta, pero el ciclo completo solo queda cerrado cuando el cigüeñal ha realizado dos revoluciones y el cilindro vuelve a estar preparado para repetir la admisión.
Referencias
Internal Combustion Engine Basics – U.S. Department of Energy https://www.energy.gov/cmei/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics
Opportunities for Micropower and Fuel Cell/Gas Turbine Hybrid Systems in Industrial Applications, Volume I – U.S. Department of Energy y Arthur D. Little https://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/11/f4/micropower_opp_vol1_text.pdf
Aviation Maintenance Technician Handbook—Powerplant, Aircraft Engines – Federal Aviation Administration https://www.faa.gov/sites/faa.gov/files/03_amtp_ch1.pdf
Aviation Maintenance Technician Handbook—Powerplant Glossary – Federal Aviation Administration https://www.faa.gov/sites/faa.gov/files/14_amtp_glossary.pdf
The Physics of Energy, Lecture 11: Internal Combustion Engines – Massachusetts Institute of Technology https://ocw.mit.edu/courses/8-21-the-physics-of-energy-fall-2009/b3352e9f3737b04dc2d916a509927cc4_MIT8_21s09_lec11.pdf
