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CUATRO TIEMPOS - Definición - Significado

El ciclo ideado por Beau de Rochas • De las primeras máquinas térmicas al motor de ciclo de Otto • Intentos de Diesel y modificaciones ulteriores • El rendimiento, los sistemas de distribución y características de construcción • Proyectos modernos: el motor rotativo

La expresión «cuatro tiempos», referida al ciclo de funcionamiento de un motor de combustión interna de tipo volumétrico, indica principalmente el número de las variaciones de volumen que la máquina debe realizar para obtener un trabajo del fluido y volver a las condiciones iniciales, en disposición de efectuar otro ciclo.

El ciclo de Otto y el de Diesel describen exclusivamente el proceso termodinámico, es decir, la serie de transformaciones necesarias para obtener un trabajo mecánico a partir de la energía térmica desarrollada por el combustible, pero no precisan nada sobre el tipo de máquina que ha de realizarlas ni sobre su funcionamiento.

El ciclo de cuatro tiempos, ideado y descrito por Beau de Rochas en 1860, prevé 2 carreras del pistón (compresión y expansión), durante las cuales se cumple el ciclo termodinámico, y otras 2 (escape y admisión) de bombeo, en las que la máquina efectúa un barrido casi completo. Por consiguiente, son necesarias cuatro variaciones de volumen para volver a poner la máquina en las condiciones iniciales; todo esto es válido para cualquier construcción mecánica alternativa o no.

Los cuatro tiempos o fases

El primer tiempo, o admisión, corresponde a un aumento de volumen, durante el cual se crea en el interior de la cámara la depresión necesaria para aspirar la carga; la masa de fluido aspirada puede estar compuesta tanto por aire puro como por aire carburado; en este segundo caso el fluido aspirado es ya la mezcla explosiva obtenida al juntarse el combustible con el aire. Durante el segundo tiempo, la contracción del volumen disponible comprime el gas hasta hacerle ocupar un espacio relativamente reducido, el de la cámara de combustión; en este momento se produce el encendido de la mezcla del aire y combustible de manera diferente según el tipo de combustible, el ciclo efectuado y los dispositivos de encendido utilizados.

Al final de la combustión el fluido, consistente en los productos de la combustión, ha aumentado enormemente su energía interna (se encuentra a presión y temperatura elevadas) y puede realizar trabajo; esto ocurre durante la tercera variación de volumen: la expansión. Esta es la única fase activa de todo el ciclo, es decir, es el único de los cuatro tiempos durante el cual la máquina suministra energía mecánica y el trabajo realizado por el fluido es proporcional a su presión y a la variación de volumen. Al final de la expansión, la máquina se encuentra en su primera posición de máxima capacidad de volumen, totalmente ocupado por los gases quemados; durante el cuarto tiempo, o escape, la segunda reducción de volumen del ciclo provoca la expulsión del fluido que ya no es utilizable. Después de esta fase la máquina ha vuelto a su posición inicial (volumen mínimo) y el aumento posterior de volumen produce la admisión de una nueva dosis de carga, que debe ser trabajada en el ciclo sucesivo. Los cuatro tiempos, es decir, las cuatro variaciones de volumen, corresponden a una cierta rotación del cigüeñal; dicha rotación es variable y depende del tipo de máquina volumétrica utilizada: en el caso de una máquina alternativa de pistón, es decir, en un motor de tipo convencional, los desplazamientos axiles del pistón provienen de un mecanismo biela-manivela, y las cuatro carreras durante las cuales desarrolla el ciclo corresponden a 2 vueltas completas del cigüeñal.

Por el contrario, en el caso de una máquina rotativa de tipo Wankel, el ciclo de cuatro tiempos, realizado por cada uno de los 3 lóbulos del rotor, es desarrollado durante una vuelta completa del propio rotor, al que corresponden 3 vueltas del cigüeñal. Por consiguiente, por cada pistón rotativo se producen 3 ciclos completos en 3 vueltas del cigüeñal. Las normas de comparación de la cilindrada de un motor de tipo Wankel con la de un motor de pistones de cuatro tiempos han sido establecidas, teniendo en cuenta el número de fases activas por cada vuelta con los 2 esquemas diferentes de funcionamiento; es decir, se entiende por cilindrada la variación activa de volumen (que consiste en la suma de expansiones) que las 2 máquinas diferentes realizan durante rotaciones iguales del cigüeñal. Como consecuencia, dado que a la expansión activa realizada durante 2 vueltas del cigüeñal en un motor de pistones (que es la cilindrada) corresponden 2 expansiones en el rotor Wankel, se considera como cilindrada de este último la suma de los volúmenes de 2 cámaras por cada rotor.

Primeras tentativas

Antes del planteamiento del ciclo Beau de Rochas e incluso durante varios años después de la descripción del mismo, se construyeron diversas máquinas volumétricas de pistón que aprovechaban la energía térmica de un gas (generalmente el aire) calentado mediante combustión interna de gases, aceites, carbón e incluso pólvora. Todos estos motores funcionaban según el ciclo de tres tiempos y estaban alimentados por una mezcla de aire y gas que era encendida con una chispa eléctrica producida por pilas.

Se trataba de máquinas volumétricas de dos tiempos; el pistón aspiraba el gas durante la primera mitad de la carrera y éste, al ser encendido, se expansionaba durante la segunda mitad de la carrera; en el retorno al punto muerto superior, el pistón expulsaba los productos de la combustión. El rendimiento de dichos motores era muy bajo, puesto que la combustión a la presión atmosférica no permitía alcanzar temperaturas y presiones suficientemente elevadas.

William Barnett y Christian Reithmann trataron de realizar el verdadero ciclo de cuatro tiempos, aunque mediante 2 cilindros independientes: empleaban máquinas complejas (con perjuicio siempre del rendimiento mecánico) que en la práctica desarrollaban un ciclo de dos tiempos con barrido forzado.

El primer motor de cuatro tiempos que funcionó regularmente se debió al ingeniero Niko-laus August Otto, quien construyó y patentó en 1877 la primera máquina volumétrica que funcionó según el ciclo de Beau de Rochas. Se trataba de un motor monocilíndrico alimentado por gas, en el cual, por vez primera, se realizaba la compresión de la mezcla de aire y combustible, antes del encendido, en el mismo cilindro del motor.

Anteriormente Otto, junto con Eugen Lange, había trabajado en el desarrollo de un motor atmosférico, poniéndolo a nivel de competencia con respecto al entonces difundido motor de Lenoir. Con el motor de Otto, un solo pistón realizaba en cuatro tiempos el ciclo de Beau de Rochas con un rendimiento aceptable y de cualquier modo con capacidad de competencia en relación con las complicadas instalaciones de vapor; el éxito y la difusión de dicho motor fueron tales, que desde entonces el motor encendido por chispa tomó el nombre de motor de ciclo de Otto. A partir de este momento se abrieron perspectivas más amplias para la utilización de los motores de combustión interna y el trabajo de los técnicos se dirigió a la mejora de los rendimientos, tanto con el empleo de combustibles distintos como con la tentativa de construir ciclos termodinámicos más convenientes.

El ciclo de Diesel y su evolución

Primero Benz y más tarde Bernardi construyeron carburadores eficientes con la ventaja de poder emplear combustibles líquidos, dotados de mayor poder calorífico; al mismo tiempo Rudolf Diesel, partiendo de estudios teóricos, trató de realizar una máquina capaz de cumplir en la práctica el ciclo de Carnot. Abandonado dicho proyecto por la imposibilidad de realizar en la práctica una transformación isotérmica, Diesel ideó la que el mismo llamó «máquina racional»; se trataba de una máquina bastante compleja, mediante la cual, después de una compresión en dos tiempos, debería realizarse una expansión a presión constante, obtenida quemando de manera gradual un combustible, en el caso concreto polvo de carbón, inyectado directamente en la cámara de combustión.

El ciclo completo debería desarrollarse en 3 cilindros diferentes (uno de baja presión y dos de alta presión), en los cuales, en siete tiempos, se producirían las fases siguientes:

- admisión del aire;

- precompresión;

- admisión en cilindro de alta presión;

- compresión en cilindro de alta presión;

- inyección y encendido espontáneo del combustible con primera expansión a presión constante;

- cambio de cilindro y segunda expansión en el cilindro de baja presión;

- escape.

Los 2 cilindros de alta presión realizaban el ciclo en cuatro tiempos, mientras que el cilindro de baja presión realizaba simultáneamente con la expansión y el escape, la admisión y la precompresión.

La «máquina racional» no fue nunca realizada; sin embargo, a partir de la idea Diesel tuvo origen la gran familia de los motores de combustión interna con encendido espontáneo, que pueden desarrollar un ciclo de dos tiempos o de cuatro.

Los modernos propulsores Diesel de cuatro tiempos para autotracción, los llamados Diesel rápidos, se apartan bastante de la idea original del motor de encendido espontáneo: la combustión es anticipada relativamente respecto al punto muerto superior, puesto que, dada la necesidad de alcanzar velocidades de rotación elevadas, la inyección del combustible se produce con un avance determinado. El ciclo efectivo se aproxima mucho al ciclo de Sabathé, en el cual la combustión se produce en parte a volumen constante y en parte a presión constante. Únicamente en los grandes motores lentos, casi todos de dos tiempos, es posible y conveniente aproximarse al ciclo de Diesel teórico, incluso por la posibilidad de utilizar aceites pesados de poca calidad y de bajo coste; algunas construcciones alimentadas con dichos combustibles, en las cuales no son necesarios rendimientos elevados, funcionan según el ciclo llamado de seis tiempos. En estos motores se hacen seguir, al ciclo normal de cuatro tiempos, 2 fases de barrido, o sea, una admisión y un escape complementarios de aire puro (sin compresión ni inyección) con el fin de liberar la cámara de combustión de los pequeños residuos del ciclo anterior, característicos de los aceites pesados, y favorecer de este modo el rendimiento del ciclo sucesivo. Por consiguiente, el funcionamiento de dichos motores posee, una fase útil de cada seis, es decir, una carrera de potencia del pistón por cada 3 vueltas del cigüeñal; como consecuencia de esto se obtiene una potencia baja respecto a la cilindrada del motor o sea un buen rendimiento en relación al combustible consumido.

Potencia, distribución y características de construcción

La potencia producida por un motor de combustión interna puede calcularse substrayendo al trabajo realizado durante la fase activa, el trabajo que absorbe durante las demás fases y el necesario para mantener las partes en movimiento (rozamientos mecánicos). Dado que en un motor de cuatro tiempos la fase activa dura media vuelta de cada 2 del cigüeñal (o de cada 3 en el caso de un motor de seis tiempos), es evidente la función del volante; éste es capaz de almacenar trabajo en forma de energía cinética durante la expansión y devolver el necesario en las fases pasivas del ciclo de funcionamiento.

Conviene destacar que el motor de dos tiempos desarrolla en la práctica el ciclo de Beau de Rochas, haciendo trabajar al mismo tiempo tanto la cara inferior como la superior del pistón. Las fases, es decir, las variaciones del volumen ocupado por el fluido, son siempre cuatro, únicamente que en este caso son completadas en 2 carreras del pistón, o bien, en una vuelta del cigüeñal. En conjunto, en un motor de cuatro tiempos el trabajo gastado para el bombeo (admisión y escape) es mayor que el de un motor de dos tiempos, y también es mayor el trabajo de compresión (sobre todo en los motores Diesel), mientras que el número de expansiones activas es la mitad; sin embargo, la potencia producida es por lo general igual o superior a la de un motor de dos tiempos de igual cilindrada y esto a causa de un rendimiento volumétrico mucho mayor y de una presión media eficaz, aproximadamente doble de la de un motor de dos tiempos de características similares. La ventaja de poder realizar, con el funcionamiento a cuatro tiempos, un barrido casi completo, un llenado óptimo por las reducidas pérdidas de carga y una elevada compresión ha contribuido generalmente a la elección de este tipo de motores, por ser más ventajosa, a pesar de su mayor complejidad mecánica.

La característica estructural principal que caracteriza a un motor'de pistones que funcione según el ciclo de cuatro tiempos (en los motores rotativos pueden conseguirse soluciones muy diversas) es la distribución, o sea el conjunto de mecanismos que permiten abrir y cerrar en el momento oportuno los conductos de admisión y de escape. Los sistemas adoptados son diversos y pueden clasificarse en 2 grupos: distribución por válvulas, es decir, la convencional de mando alternativo, y distribución sin válvulas, expresión que define ciertos sistemas bastante distintos para realizar la apertura y el cierre de los conductos.

Entre estos últimos deben recordarse: la distribución por correderas (tipo Knight), la de distribuidor rotativo (tipo Aspin) o con válvulas de camisa (motores de vapor). Todos estos sistemas han sido experimentados con resultado muy variado, pero ninguno de ellos ha demostrado ventajas evidentes en comparación con la distribución de válvulas. El mecanismo cinemático de mando de la distribución de un motor de cuatro tiempos está esencialmente compuesto por: un árbol rotatorio con excéntricas (levas) en número igual al de las válvulas que deben accionarse y cuya excentricidad está sincronizada con las fases del motor; un sistema de varillas y balancines, u otro equivalente, que transmite el movimiento al vastago de cada una de las válvulas; un muelle que se encarga de mantener la válvula cerrada y hacerla funcionar, manteniendo el mando en contacto con el perfil de la excéntrica, y un sistema de regulación (empujadores) para poder regular los juegos.

De este sistema se destaca la distribución desmodrómica, en la cual el cierre de las válvulas se efectúa mediante excéntricas. En las primeras construcciones de motores el árbol de levas, colocado en el bloque del motor, accionaba directamente las válvulas laterales, actuando sobre el propio vastago o sobre un empuja-dor; este sistema, simple y práctico desde el punto de vista mecánico, tenía el defecto de imponer la construcción de cámaras de combustión de configuración poco racional y dificultaba la obtención de elevadas relaciones de compresión.

El perfeccionamiento en el diseño de los motores de cuatro tiempos llevó a la adopción de las válvulas en cabeza, solución óptima para la compacidad de la cámara de combustión, la reducción de los espacios muertos y la propagación más rápida del frente de llama. Sin embargo, se presentan ciertos inconvenientes debidos a la complejidad de la distribución y, como consecuencia, a las elevadas fuerzas de inercia, factores que se oponen a la consecución de elevados regímenes de rotación.

La solución adoptada bien pronto, que posteriormente ha encontrado una aplicación cada vez más amplia en la producción automovilística, ha sido la de situar el árbol de levas en la culata (con la designación común de árbol de levas en cabeza); con este sistema el mando de las válvulas sólo se efectúa a través de los balancines y se obtiene una limitación óptima de las masas en movimiento alternativo (en el límite, únicamente las válvulas y los empujadores de leva), con la posibilidad de funcionar con regularidad incluso a velocidades de rotación muy elevadas. También pueden comprobarse ciertas características especiales en el mecanismo biela-manivela de los motores de cuatro tiempos; en efecto, las diferentes formas de funcionamiento y, sobre todo, las notables irregularidades, someten todos los órganos a solicitaciones mucho mayores que en un motor de dos tiempos.

La biela, que en el motor de dos tiempos está menos solicitada por compresión, en un motor de cuatro tiempos está sometida a esfuerzos alternativos, de tracción y de compresión, por lo que sus dimensiones deben estar acondicionadas por el enorme esfuerzo mecánico que ha de resistir; por este motivo, las bielas de los motores de cuatro tiempos son más robustas y más pesadas, sobre todo en la zona de la cabeza. Por efecto de las solicitaciones alternativas, los acoplamientos (bulón, muñequilla de bancada y muñequilla de biela) deben ser especialmente robustos y sobre todo precisos; los pequeños juegos, que son holgadamente soportados en un motor de dos tiempos, en uno de cuatro producen rápidamente roturas, por la mayor fatiga a la que son sometidos los órganos del mecanismo biela-manivela. Por este motivo es muy rara la aplicación de rodamientos en las bielas y en los soportes de bancada: en general se adoptan cojinetes de fricción (semicojinetes), cuya eficacia está garantizada por la óptima lubricación (circuito de circulación forzada) posible en los motores de cuatro tiempos.

La evolución del proyecto de los motores de pistones se ha dirigido constantemente hacia la obtención de modelos de potencia específica elevada de dimensiones reducidas; solamente a partir de los años setenta se ha producido un esfuerzo notable hacia la limitación del consumo y de la contaminación. En cuanto a su cons trucción no se han producido variaciones importantes, fuera de las dictadas por la evolución de la tecnología y por la difusión del empleo de los metales ligeros.

El mecanismo biela-manivela, después de haber sido abandonado el sistema con cruceta de empuje, que se conserva sólo en los motores grandes, ha experimentado modificaciones paralelas al aumento del régimen de rotación: bielas más pequeñas y resistentes, carreras cada vez más cortas, aumento del número de los apoyos de bancada y, sobre todo, un equilibrado cada vez más preciso. La distribución y, sobre todo, el diseño de las culatas, han tenido una evolución notable.

En todos los motores de combustión interna la presión media eficaz y, por consiguiente, la potencia producida, es proporcional al rendimiento volumétrico, es decir, a la posibilidad de hacer intervenir mayor cantidad de fluido en el motor. Este problema tiene limitaciones notables en los motores de dos tiempos, por la casi imposibilidad de efectuar un barrido completo y por las considerables pérdidas de carga que se producen en los conductos (admisión, transvase, escape).

Soluciones y proyectos

En un motor de cuatro tiempos se pueden efectuar las modificaciones oportunas, tanto con el fin de mejorar el barrido a través del cruce de las válvulas, como para reducir en cuanto sea posible las pérdidas de carga en los colectores. Los avances en este sentido han conducido, en primer lugar, a un diseño especial de los conductos, más cortos y lo más rectilíneos posible; en segundo lugar, a un estudio de los fenómenos de inercia que se producen en los gases, tanto en la admisión como en el escape, adoptando colectores adecuados.

A partir de los años sesenta, comenzando con los motores de competición, se construyeron culatas con 3 ó 4 válvulas por cilindro; esta solución presenta numerosas ventajas que, a pesar de los problemas de complejidad y de coste, la hacen imprescindible al pensar en proyectar motopropulsores de elevadas prestaciones:

- aumento de las secciones de paso y, como consecuencia, menores pérdidas de carga;

- menos peso de la válvula y posibilidad de emplear muelles más blandos sin peligro de rebote de válvulas;

- menor elevación de las válvulas a igualdad de superficie de paso, con menores problemas de interferencia con el pistón;

- posibilidad de distribuir mejor las válvulas y los dispositivos de encendido; todo en favor de la configuración de la cámara de combustión.

De todas las máquinas que no llevan pistones clásicos, proyectados para funcionar según el ciclo de cuatro tiempos, sólo el motor rotativo Wankel ha conseguido un cierto desarrollo; su aparición y sus primeras construcciones prometían mucho y se pensó incluso que se había encontrado una máquina más moderna, capaz de substituir el antiguo motor alternativo de pistones; sin embargo, la puesta a punto de este pistón rotativo era más larga y más difícil de lo que inicialmente se había previsto, y su menor complejidad de construcción no fue suficiente para compensar las menores prestaciones obtenidas con dicho tipo de motor.

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