Diferencias entre ciclo práctico y teórico de un 4T

Cuando se habla del funcionamiento de un motor de cuatro tiempos, se suele aclarar si se está describiendo su ciclo teórico o su ciclo práctico. Una diferencia que se debe tener en cuenta porque, mientras el teórico es una simplificación para explicar su funcionamiento, el práctico añade muchos más factores físicos que se dan en la realidad.

Si configurásemos la distribución de un motor con el ciclo teórico, lo más probable es que no pudiese funcionar. En el caso de hacerlo, además de tener dificultades en el arranque, su rendimiento sería muy pobre y su comportamiento muy inestable.

Ciclo práctico del motor de 4 tiempos

Es por ello que el ciclo práctico tiene en cuenta varios factores y modifica el momento en el que actúan los componentes del motor. Estos factores que lo diferencian del ciclo teórico se pueden sintetizar en los siguientes puntos:

• Las válvulas no se abren y cierran por completo de forma inmediata, sino que tardan un tiempo determinado
• La combustión de la mezcla tampoco es inmediata, sino que tarda en producirse una milésimas de segundo cruciales para el funcionamiento del motor
• Los gases tienen inercia, así que tardan en empezar a moverse y continúan moviéndose cierto tiempo después de actuar sobre ellos

Por esto, el momento en el que se abren y cierran las válvulas o el momento de la combustión no es el que indica el ciclo teórico. Vamos a ver cómo es en realidad en las diferentes fases del motor de cuatro tiempos:

Fase de admisión en la práctica

Al contrario que en el ciclo teórico, las válvulas de admisión no se abren cuando el pistón está en el Punto Muerto Superior (PMS). Como hemos dicho antes, las válvulas tardan en abrirse, así que, para que estén completamente abiertas cuando el pistón empieza a bajar, se comienzan a abrir cuando el pistón todavía está subiendo. Si no se hiciese así, no entraría todo el aire posible en la fase de admisión y el motor perdería capacidades.

Después de esto, el pistón baja hasta el Punto Muerto Inferior (PMI), momento en el que el ciclo teórico dice que se cierran las válvulas de admisión, pero esto no es verdad en la práctica. No se cierran todavía porque el aire lleva inercia y sigue entrando aun cuando el pistón empieza a subir.

Es más, cuando el motor gira a muchas revoluciones, el aire lleva tanta velocidad que entra más cantidad cuando el pistón ya sube, que cuando estaba bajando para succionarlo.

Fase de compresión en la práctica

Las válvulas de admisión se cierran en el momento óptimo en el que ya no entra más aire (en algún momento del ascenso del pistón). A partir de ahí, la fase de compresión propiamente dicha comienza, y el pistón sigue subiendo para comprimir el aire.

Este es el momento en el que entra en juego la inyección en los motores de inyección directa. Pulverizan el combustible en el cilindro para que se mezcle con el aire. Por eso, a partir de aquí ya no decimos aire, si no mezcla, que sigue comprimiéndose por parte del pistón.

En los motores de inyección indirecta el aire que entra por la admisión ya lleva el combustible, que se ha inyectado previamente en el colector de admisión.

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Inyección indirecta e inyección directa

Fase de combustión en la práctica

La combustión de la mezcla se produce cuando el pistón todavía está subiendo. Es decir, antes de que suba hasta el Punto Muerto Superior (PMS). Esto es así, porque la mezcla tarda en arder y, por lo tanto, tarda en producir una explosión completamente aprovechable. Si se prendiese la mezcla en el PMS, el pistón ya bajaría cuando los gases se expandiesen. Por lo tanto, no se aprovecharían bien para empujar el pistón hacia abajo.

Esto se llama avance de encendido y, cuanto más rápido gira el motor, más hay que anticipar la combustión de la mezcla. De lo contrario, la explosión llegaría cada vez más tarde a empujar el pistón hacia abajo, lo que produciría una enorme pérdida de eficacia. De esto se encarga el sistema de inyección electrónico de los coches actuales. Los antiguos tenían sistemas de avance de encendido mecánicos que funcionaban por vacío, por por fuerza centrífuga.

Fase de escape en la práctica

Las válvulas de escape se abren cuando el pistón todavía está bajando. En concreto cuando la explosión ya se ha aprovechado adecuadamente y ya no se va a perder energía cinética abriendo las válvulas. De esta forma, cuando el pistón pasa el PMI y empieza a subir, las válvulas están completamente abiertas para dejar salir los gases de escape.

El pistón sigue subiendo hasta el PMS para empujar los gases fuera, pero se vuelve a tener en cuenta la inercia de los gases. Por eso, las válvulas de escape no se cierran en ese momento, sino que se quedan abiertas un poco más mientras el pistón ya baja.

Aquí hay un detalle importante que conviene señalar: en este momento la fase de escape y la fase admisión conviven. Si te fijas en la primera fase (Fase de admisión en la práctica), la apertura de las válvulas de admisión se anticipa a cuando el pistón está todavía subiendo (Fase de escape en la práctica). Así que hay un momento en el que las válvulas de admisión y de escape están abiertas a la vez, momento que se llama cruce de válvulas.

Si no salen los gases de escape por las válvulas de admisión es porque llevan inercia para salir por las de escape. Es más, el aire o mezcla que entra ayuda a salir a los humos de la combustión ocupando su espacio.

Los grados de avance del ciclo práctico

Como ves, el ciclo práctico está lleno de avances en la apertura de las válvulas o del encendido. Incluso, también tiene retraso en el cierre para aprovechar la veta de los gases con inercia para que sigan entrando (o saliendo).

Todos estos avances se miden y se regulan en los grados de giro que hace el cigüeñal. Todo depende del motor, pero hay un rango de grados habitual para cada componente del motor. Estos son:

• El Avance de Apertura de Admisión (AAA): la apertura de las válvulas de admisión se suele hacer entre los 10º y 25º antes del PMS.
• El Retraso de Cierre de Admisión (RCA): se cierran entre los 20º y los 45º después del PMI, para dejar entrar todo el aire posible que sigue pasando por inercia.
• El Avance de Apertura de Escape (AAE): más exagerado es el avance de apertura de las válvulas de escape que se abren entre los 30º y 60º antes del PMI.
• El Retraso de Cierre de Escape (RCE): se cierran entre los 10º y los 20º después del PMS para aprovechar su inercia de salida y que los terminen de empujar el aire o mezcla de la admisión.
• La inyección de combustible se hace entre los 7º a 26º antes del PMS (en los motores de inyección directa). Lo que no es un avance en sí, pero lo mencionamos porque está calibrado según el avance de encendido.
• El Avance de Encendido (AE): lógicamente el avance de encendido es algo después de la inyección de combustible. En los gasolina se trata de adelantar la chispa de la bujía. Una forma de conseguir un efecto parecido en los motores diésel es con el aumento de relación de compresión. Como el gasóleo se inflama por la presión y el calor de la cámara de combustión, aumentar la compresión adelanta el encendido de la mezcla.

El ciclo práctico en los motores de admisión variable

Los motores de distribución variable son capaces de modificar ampliamente el momento de apertura y cierre de las válvulas. Así pueden adaptarse mejor a las necesidades que imponen las revoluciones del motor y las condiciones atmosféricas.

Cuando el motor gira a 1.000 rpm no necesita la misma apertura de válvulas de admisión que 6.000 rpm. Por eso, cuando suben las revoluciones pueden modificar la distribución del motor para que se mantengan abiertas más.

Verás que en muchos sitios se explica esto diciendo que “mantiene abiertas las válvulas más tiempo”, sin embargo, es fácil entender esto mal. El motor gira a mucha más velocidad, así que el tiempo que se abren las válvulas puede ser incluso menor aunque se modifique la distribución. En realidad una forma más exacta de expresarlo es que las válvulas se mantienen abiertas más grados de giro del cigüeñal. Lo que no es lo mismo que mantenerse abiertas más tiempo.

Si quieres saber más sobre este tipo de motores te recomendamos el artículo Distribución variable: qué es y cuál es su función.

El ciclo teórico de los motores de cuatro tiempos

Vamos a recordar brevemente cómo es el ciclo teórico de estos motores, para que se vea clara la diferencia con el ciclo práctico. Recordemos que es una simplificación teórica que trata de explicar el funcionamiento del motor. Así que solo se suele usar con fines didácticos que sienten una base, para luego entender bien el ciclo práctico. Las fases del ciclo teórico resumidas son:

• Admisión: el Pistón está en el PMS, se abren las válvulas y el pistón baja hasta el PMI
• Compresión: las válvulas de admisión se cierran, el pistón sube desde el PMI al PMS para comprimir el aire, se inyecta el combustible en el proceso.
• Expansión: cuando el pistón está en el PMS se detona la mezcla con la bujía y la explosión empuja el pistón otra vez el PMI
• Escape: se abren las válvulas de escape y el pistón sube del PMI al PMS para sacar los gases de escape por ellas. Cuando llega arriba, se cierran las válvulas.

Como ves, quedan fuera todos los avances y retrasos de las válvulas y del encendido, por lo que nada tiene que ver con lo que necesita un motor para funcionar el la práctica.

En lo que sí notamos las diferencias, es en los tiempos que permanecen abiertas las diferentes válvulas del sistema.

Estas velocidades son modificadas por la mezcla carburada y la cantidad de gas quemado, generalmente muy bajas, que en el ciclo teórico solamente se contemplan “situaciones ideales” (algo muy parecido a la Física elemental)

Estas velocidades, en cambio, son proporcionales al régimen de giro, algo que con la evolución de la tecnología y en búsqueda de lograr potencias lo más superiores posibles ha quedado completamente obsoleto.

Otro de los detalles que debemos tener en cuenta, es que un gas al desplazarse a alta velocidad interactúa con diversas resistencias o fuerzas de rozamiento que generan una lentitud ante un cambio de velocidad, generando una pérdida de presión y otra serie de fenómenos que en el ciclo teórico no son tenidos en cuenta.

De esta manera, y en función de la cantidad de mezcla carburada, se obtiene la potencia del motor, generando una mayor cantidad de gas aspirado, más masa reaccionaria y mayor trabajo.