Ciclo Otto | Tipos, fases y como funciona

Los motores de combustión interna que encienden por la ignición de un combustible provocada por una chispa eléctrica suelen trabajar fundamentados en el ciclo Otto. Se trata de un ciclo termodinámico donde, teóricamente, el calor se aporta a un volumen constante.

El motor que funciona basándose en este principio se caracteriza porque, para su funcionamiento, aspira una mezcla de aire/combustible (por lo general gasolina). Se trata de un motor alternativo donde trabaja un sistema de pistón/cilindro con la presencia de válvulas de admisión y de escape.

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Origen del motor de combustión interna y el ciclo Otto

Nikolaus August Otto fue un alemán que construyó en 1866 un motor que operaba en cuatro tiempos y requería gas para funcionar. Desarrolló esta máquina junto a Eugen Langen y lo hicieron en dos versiones: De cuatro y de dos tiempos.

Aunque el primer inventor del motor fue Alphonse Veau de Rochas y hubo pleito entre ambos inventores por la patente, de Rochas obtuvo un pago en dinero pero fue Otto quien se quedó con la fama. Hasta el día de hoy el ciclo termodinámico con el que trabajan los motores de combustión interna de cuatro y dos tiempos se conoce como ciclo Otto.

Elementos del motor que intervienen en el ciclo Otto

El cilindro del motor de combustión interna se moverá hacia arriba y hacia abajo a través de la biela y transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular. De esta forma, el cigüeñal termina haciendo un movimiento giratorio. Para que el movimiento pueda producirse se requiere de una fuerza impulsora, es en este aspecto donde el ciclo Otto entra en acción.

El cilindro debe poseer por lo menos dos válvulas, una de entrada y otra de salida. Las válvulas estarán abiertas o cerradas dependiendo de la fase en que se encuentre el motor. La apertura y cierre de válvulas está regulado por el sistema de distribución del vehículo. Por otro lado, la bujía es una pieza que se conecta al sistema eléctrico y que puede producir una chispa que induce la explosión de la mezcla de aire/combustible.

Fases teóricas del ciclo Otto

Las fases que posee el ciclo Otto se conocen como: Admisión, compresión, explosión y escape. Estas son las que definen todo el proceso que se lleva a cabo en el cilindro y que resulta en movimiento del motor. Se dice que son fases teóricas porque, como se podrá constatar a medida que se desarrolla el ciclo, lo normal es que las fases ocurran traslapadas y no de manera lineal. Antes de que una fase termine, ya ha comenzado la siguiente.

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Los motores que se rigen por el principio del ciclo Otto pueden ser de dos o de cuatro tiempos. Este último es, además del motor diésel, el más empleado en los coches y diversos vehículos automotores. Principalmente porque su rendimiento es mejor y genera menos contaminación que el motor de dos tiempos.

Ciclo Otto en motores de cuatro tiempos

El ciclo Otto en motores de cuatro tiempos está conformado por seis procesos, de los cuales dos de ellos no participan como tal en el ciclo termodinámico del fluido que opera. Sin embargo, son esenciales para renovar la carga del mismo. Estos procesos corresponden a la admisión y al vaciado a presión constante de la cámara de combustión.

  1. Admisión: La válvula de entrada o admisión está abierta y la de escape se encuentra cerrada. La fase de admisión se desarrolla desde el momento en que el pistón se ubica en la parte superior (Punto Muerto Superior – PMS) hasta que baja al punto inferior (Punto Muerto Inferior – PMI). A medida que el pistón va descendiendo, se produce un efecto de succión que hace entrar la mezcla en la cámara de combustión.
  2. Compresión: Al momento que el pistón se ubica en el PMI, la válvula de admisión cierra y la de escape también se mantiene cerrada. En esta fase el pistón asciende y la cámara de combustión disminuye claramente su volumen, comprimiendo la mezcla. La relación que hay entre el volumen máximo existente antes de que el pistón baje al PMI y el volumen mínimo que tiene cuando el pistón está en el PMS se conoce como relación de compresión del motor.
  3. Explosión: Cuando la mezcla se encuentra totalmente comprimida y las válvulas están cerradas, una chispa se produce en la bujía y hace que la mezcla arda. Esta explosión generada por la combustión es lo que empuja al pistón hacia la parte de abajo. Esta es la fase efectiva de todo el ciclo y es la que define la potencia de un motor.
  4. Escape: Al volver el pistón al PMI, la válvula de escape se abre para que el pistón ascienda y libera fuera del cilindro los gases que resultan de la explosión. Esto permite que haya nuevamente aire limpio para comenzar el ciclo en la fase de admisión.

Ciclo Otto de dos tiempos

En el caso de los motores que trabajan a dos tiempos, el cambio de los gases es dirigido por el pistón y no por las válvulas. El pistón a medida que se mueve, varía las condiciones de compresión en el cárter y el cilindro para completar el ciclo.

  1. Compresión y Aspiración: Un pistón ascendente comprime la mezcla de aire/combustible y aceite que está en el cilindro. De forma simultánea se crea vacío en el cárter y al finalizar la carrera del pistón queda libre una lumbrera de aspiración que llenará el cárter con la mezcla carburante.
  2. Explosión y Escape de gases: Por medio de una chispa ocasionada por la bujía se prende la mezcla comprimida y se crea una explosión que empuja el pistón con fuerza hacia abajo. Dentro del cárter, la mezcla carburante se pre comprime por acción del pistón descendente. En un momento específico, el pistón libera la lumbrera o el canal de escape en el cilindro y deja salir los gases resultantes del cilindro, después de la lumbrera de carga (la que conecta cárter con cilindro). De esta manera, la mezcla pre comprimida pasa a llenar el cilindro y libera los restos de gases, quedando todo listo para un ciclo nuevo. Este tipo de motor se usa principalmente en motores con poca cilindrada, porque es más económico y fácil de construir.

Eficiencia de motores con ciclo Otto

El rendimiento térmico o eficiencia de un motor con ciclo Otto va a depender de la relación de compresión que este posea. Como ya se mencionó, esta viene determinada por la proporción existente entre el volumen máximo y el mínimo contenido en la cámara de combustión. La proporción puede ser entre 8 a 1 e incluso 10 a 1 en casi todos los motores modernos Otto.

El rendimiento promedio de un motor con ciclo Otto de cuatro tiempos está entre 25 y 30%, menor al que alcanza un motor diésel que puede obtener hasta un 45% de rendimiento. Precisamente esto ocurre porque tiene una relación de compresión mayor.

Proporción de aire y combustible en motor con ciclo Otto

La proporción entre aire y combustible en un motor con ciclo Otto debe ser lo más pareja posible, dentro de unos márgenes de variación bastante estrechos. La proporción se conoce como factor lambda y va desde 14-15 partes de aire por cada parte de gasolina, ambas en peso. La mezcla estequiométrica quedaría en 14,7:1.

Control del par motor

El par motor en un motor con ciclo Otto se logra al controlar la cantidad de mezcla carburada que pasa al motor, por medio del acelerador. De esta forma el conductor ajusta el par motor a la carga del mismo.

El rendimiento o eficiencia en los motores Otto actuales se limita por distintos factores. Entre ellos, la pérdida de llenado en la fase de renovación de carga energética por fricción y por refrigeración.