La gran mayoría de máquinas térmicas que existen hoy en día cuentan con un motor de 4 tiempos y algunos de más antigüedad con motores de 2 tiempos, los cuales trabajan mediante una serie de procesos a los que se les denomina ciclo de Otto.
El ciclo Otto fue creado en el año 1876 por el ingeniero Nicolaus Otto y en la teoría, es constante el calor aportado para que se produzca el movimiento en el motor. La finalidad del mismo es explicar teóricamente cómo funciona un motor de explosión, como por ejemplo el de gasolina que logra convertir la energía de química a cinética.
Un motor Otto se clasifica como “alternativo” debido a la existencia de un sistema que incluye un pistón y un cilindro en conjunto con dos válvulas (de admisión y escape). Además, se caracterizan por el uso de la mezcla aire-combustible y la manera artificial de provocar el encendido.
Etapas del ciclo Otto
El ciclo de Otto se divide en dos tipos: 2 tiempos y 4 tiempos. Ambos aunque están implementados de manera similar, se diferencian en las etapas que llevan a cabo los procesos que permiten lograr el funcionamiento del motor. A continuación veremos las etapas de cada uno de ellos.
Ciclo Otto 4 tiempos
El ciclo de cuatro tiempos es el más utilizado en la actualidad en la industria automovilística, ya que el mismo tiene mejor rendimiento y es menos contaminante que el de dos tiempos. Este puede ser usado tanto con el ciclo de Otto, como el de diesel, pero en este caso nos referimos al primero.
A pesar de que intervienen seis procesos en este ciclo, dos de ellos no forman parte del denominado ciclo termodinámico. No obstante, ambos son indispensables para reiniciar el proceso.
Las etapas que intervienen en el ciclo son: admisión, combustión, explosión y escape. Los otros dos procesos que no están incluidos se refieren a la recarga del combustible, aceptándolo al inicio y vaciándose al final. Además, el motor de cuatro tiempos funciona con dos vueltas del cigüeñal.
Admisión (primer tiempo)
En esta fase el pistón desciende, la válvula de admisión está abierta y la de escape cerrada. De esta manera se aspira la mezcla aire-combustible exitosamente al interior del cilindro o cámara de combustión.
Combustión (segundo tiempo)
El segundo tiempo el pistón vuelve a desplazarse y se cierra la válvula de admisión (la de escape permanece cerrada). Además, el pistón se encarga de comprimir la mezcla obtenida en la anterior fase
Explosión (tercer tiempo)
Una vez el gas alcanza la máxima presión, la bujía se encarga de generar una chispa para encender la mezcla comprimida. Una vez se enciende, la temperatura y presión aumenta lo suficiente para que a través del cilindro de expandan los gases que se encargan de empujar el pistón nuevamente.
Escape (cuarto tiempo)
En la última etapa o fase del ciclo el pistón vuelve a su punto inferior y empuja los gases producidos por la válvula de escape, la cual se estará abierta durante este proceso. Al finalizar el vaciado, se cierra esta válvula y se abre de la admisión.
Ciclo de 2 tiempos
El motor de dos tiempos se caracteriza por producir las mismas fases del ciclo anterior pero en dos movimientos del pistón. También se le conoce como “motor de ciclos” y el pistón se encarga de modificar el volumen tanto del cárter, como del cilindro de la siguiente manera:
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Cuando el pistón asciende, se disminuye el volumen del cilindro y aumenta el del cárter.
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Al descender, aumenta el volumen del cilindro y disminuye el del cárter.
A diferencia del motor de 4 tiempos, este requiere de un sola vuelta del cigüeñal y no almacena el aceite lubricante en un cárter, ya que este se coloca junto con el combustible. En este caso veremos cómo funciona el ciclo Otto 2 tiempos a través de sus dos etapas.
Compresión y aspiración (primer tiempo)
En esta fase las lumbreras están cerradas, el pistón asciende y comprime los gases frescos en el cilindro (combustible, aire y aceite). Este movimiento crea un vacío en el cárter y cunado el pistón finaliza su desplazamiento, la lumbrera de aspiración llena el cárter con gasolina.
Explosión y escape de gases (segundo tiempo)
Luego en esta etapa antes de que el pistón llegue al Punto Muerto Superior (PMS), la bujía se encarga de crear una chispa para encender la mezcla y hacer que la explosión haga descender fuertemente al pistón al Punto Muerto Inferior.
El pistón descendente comprime la mezcla ubicada en el cárter y se libera el canal de escape en el cilindro para que se vacíen los gases de escape. A su vez, la lumbrera de carga conectada con el cilindro también se libera, hace pasar la mezcla al cilindro y así se expulsa el resto de gases para reiniciar el ciclo.
Características del ciclo
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La eficiencia de un motor Otto es dependiente de la relación de compresión existente en la cámara de combustión; mientras mayor es la relación, es necesario un combustible con más octanos para evitar una detonación.
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El rendimiento por ejemplo de un motor Otto 4 tiempos se establece entre el 25% y 30%, algo menor al motor de diésel que cuentan con mayor relación de compresión.
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La proporción existente entre el combustible y aire debe ser uniforme, ubicándose entre el rango de 14-15 partes de aire por cada parte de gasolina.
Importancia del ciclo Otto
La importancia radica en su eficiencia y rendimiento, razón por la que desde hace algunos años y hasta la actualidad es utilizado por la mayoría de motores termodinámicos.
No obstante, hoy en día gracias a los avances tecnológicos, en la industria automotriz (por ejemplo) se planea sustituir los motores que hacen uso de este ciclo por motores eléctricos; marcando así una nueva etapa.
Diferencias entre el motor Otto y Diesel
Los motores termodinámicos de dos y cuatro tiempos pueden funcionar tanto con el ciclo de Otto como con el ciclo Diesel, ya que ambos se encargar de convertir la energía química en trabajo mecánico. No obstante, ambos se diferencian en varios aspectos.
La principal diferencia entre estos ciclos es la del encendido del combustible. En el de Otto realiza la combustión artificialmente por medio de una chispa; mientras que el de diésel utiliza el encendido por compresión. Por esa razón el motor Otto se conoce como “motor de encendido por chispa” y el de Diésel “motor de encendido por compresión”.
Entre otras diferencias podemos encontrar la entrada de combustible y la relación de compresión, las cuales son:
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Entrada de combustible: en el motor de gasolina (Otto) la mezcla de aire-combustible tiene lugar en el carburador; mientras que la regulación de la misma está encargada por la válvula de mariposa. En el motor de diésel la mezcla se añade en la cámara de combustión no hay un proceso de regulación, sino que el inyector genera la presión necesaria para que el combustible entre.
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Relación de compresión: la relación de compresión de la mezcla de aire y combustible (Otto) es de 6 a 10; mientras que la de aire (diésel) se ubica entre 14 y 22.
Ciclo de Otto PDF
La Universidad de Castilla pone a disposición de todos los interesados un documento acerca de los ciclos teóricos de funcionamiento, en el que se puede apreciar más información relacionada al ciclo Otto en PDF.
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