Ciclos termodinámicos y funcionamiento de motores de cuatro y dos tiempos

Termodinámica y ciclos de motores

Las temperaturas se expresan en grados Kelvin. El rendimiento del ciclo de Carnot depende únicamente de las temperaturas del foco frío y del foco caliente. Su eficiencia se puede expresar como η = 1 - Tc/Th, donde Tc y Th son las temperaturas del foco frío y del foco caliente, respectivamente, expresadas en Kelvin.

Ciclo de cuatro tiempos

Primer tiempo: Admisión. El pistón, al descender desde el PMS, crea un cierto vacío en el cilindro que hace que éste aspire el aire o la mezcla gaseosa combustible (según sea motor de inyección o no) a través de la válvula de admisión, que permanece abierta.

Segundo tiempo: Compresión. La válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al PMI, momento en que comienza a subir comprimiendo la mezcla hasta llegar al PMS. 15

Tercer tiempo: Expansión. Instantes antes de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación del combustible, con aumento de la presión y la temperatura. El pistón es proyectado de nuevo hacia abajo, produciéndose el trabajo.

Cuarto tiempo: Escape. Cuando el pistón llega al PMI se abre la válvula de escape; el pistón asciende y salen los gases de la combustión. Cuando ha llegado al PMS, la válvula de escape se cierra y se abre la de admisión. A continuación se inicia el primer tiempo.

De los cuatro tiempos, solo en el tercero se realiza trabajo, que es almacenado en forma de energía mecánica mediante un volante, del cual se toma la necesaria para realizar los otros tres tiempos. En la práctica, las válvulas de admisión y de escape pueden llevar un solape de unos 40º en que ambas están abiertas.

Resumen de los cuatro tiempos

1. Admisión: descenso del pistón y entrada de mezcla o aire.
2. Compresión: subida del pistón y compresión de la mezcla.
3. Expansión (explosión): combustión, aumento de presión y trabajo útil.
4. Escape: expulsión de los gases de combustión.

Ciclo de dos tiempos

Se realizan dos carreras de pistón. Son motores más sencillos que no poseen válvulas de distribución. Se emplean en motocicletas. La entrada y salida de gases se realiza por unas lumbreras (orificios) que son abiertos y cerrados por el pistón en su recorrido. El cárter está herméticamente cerrado. 16

Primer tiempo: Expansión y barrido. Cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación; los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de escape, evacuándose el gas. A medida que el pistón baja, comprime la mezcla del cárter y se abre la comunicación cilindro-cárter. Este fluido entra en el cilindro y termina de barrer los gases de combustión hasta la lumbrera de escape.

Segundo tiempo: Compresión y admisión al cárter. El pistón comienza a subir desde el PMI, completando la fase de barrido y admisión hasta que cierra las lumbreras de admisión y de escape. En este momento empieza la compresión hasta llegar al PMS. Al mismo tiempo, la lumbrera de admisión queda abierta y entra fluido en el cárter.

Resumen de los dos tiempos

1. Primer tiempo: combustión, expansión, apertura de la lumbrera de escape y barrido del cilindro; llenado desde el cárter.
2. Segundo tiempo: subida del pistón, cierre de lumbreras y compresión de la mezcla en el cilindro; entrada de fluido al cárter.

Observaciones finales

Los motores de dos tiempos son más sencillos y ligeros, por lo que resultan adecuados para aplicaciones como motocicletas y algunas herramientas portátiles, aunque suelen tener mayores emisiones y menor eficiencia específica que los motores de cuatro tiempos. Por su parte, el ciclo de Carnot establece un límite teórico de eficiencia para cualquier máquina térmica que trabaje entre dos focos térmicos definidos.