1. Características del Motor Otto

El motor Otto pertenece al grupo de motores térmicos de combustión interna y sus características principales son:

  • Consume una mezcla de aire y combustible previamente preparada.
  • Dispone de un sistema de encendido eléctrico.
  • Los procesos de admisión de la mezcla y la expulsión de gases quemados están controlados por válvulas que se abren y se cierran.

2. Duración del Ciclo Otto

El ciclo Otto se realiza en dos vueltas del cigüeñal, lo que equivale a 720 grados. Cada carrera del pistón representa media vuelta del cigüeñal (180 grados).

3. Combustible

El motor Otto utiliza gasolina como combustible, un derivado del petróleo con las siguientes características:

  • Densidad: 0.71 a 0.76 kg/L
  • Alto poder calorífico
  • Alta volatilidad y fácil gasificación
  • Índice de octano: temperatura que puede alcanzar cuando se comprime sin autoencenderse

La relación de compresión del motor está en función de la resistencia antidetonante (índice de octano) del combustible utilizado.

4. Encendido

El encendido de la mezcla aire-combustible se produce por una chispa eléctrica generada en la bujía. Este proceso ocurre al final de la fase de compresión, antes de que el pistón llegue al Punto Muerto Superior (PMS). A este efecto se le conoce como avance del encendido y es necesario para que la llama tenga tiempo suficiente para expandirse y generar la presión deseada.

5. Regulación de la Carga

La cantidad de mezcla aire-combustible que ingresa al cilindro (carga) se regula mediante mariposas de gases ubicadas en el colector de admisión. Estas mariposas son controladas por el pedal del acelerador.

6. Constitución del Motor Otto

El motor Otto está formado por un pistón y un sistema de biela-cigüeñal. El pistón se desplaza dentro del cilindro y la estanqueidad se asegura mediante anillos elásticos llamados segmentos. En la parte superior del cilindro se encuentra la cámara de combustión, donde se alojan las válvulas de admisión y escape, así como la bujía.

7. Funcionamiento del Motor Térmico

Un motor térmico es una máquina que transforma la energía térmica en energía mecánica mediante un proceso de intercambio de calor.

8. Ciclo Teórico del Motor Otto

El ciclo teórico del motor Otto se compone de cuatro tiempos:

8.1. Tiempo 1: Admisión

Con el pistón en el PMS, se abre la válvula de admisión y el pistón desciende. El aumento de volumen en el cilindro provoca la entrada de la mezcla aire-combustible a gran velocidad. Cuando el pistón llega al Punto Muerto Inferior (PMI), la válvula de admisión se cierra y el cilindro queda lleno.

8.2. Tiempo 2: Compresión

Con las válvulas de admisión y escape cerradas, el pistón asciende comprimiendo la mezcla. El volante de inercia proporciona la energía cinética necesaria para la compresión. Al llegar al PMS, la mezcla se encuentra comprimida en la cámara de combustión.

8.3. Tiempo 3: Expansión

En el PMS, la bujía genera una chispa que provoca la combustión de la mezcla. La alta temperatura generada aumenta la presión en la cabeza del pistón, provocando su descenso hasta el PMI. Durante este proceso, la energía térmica se convierte en energía mecánica.

8.4. Tiempo 4: Escape

Con el pistón en el PMI, se abre la válvula de escape permitiendo la salida de los gases quemados. Aunque la mayor parte de la presión se ha liberado durante la expansión, aún queda una presión residual y una temperatura considerable en el cilindro. La apertura de la válvula de escape permite igualar la presión y la temperatura del interior del cilindro con la del exterior.

9. Transformaciones Termodinámicas

Durante el ciclo Otto se producen diferentes transformaciones termodinámicas:

  • Transformación isocora: volumen constante.
  • Transformación isóbara: presión constante.
  • Transformación adiabática: sin intercambio de calor con el exterior.
  • Transformación isotérmica: temperatura constante.

10. Diagrama del Ciclo Real

El ciclo real del motor Otto presenta diferencias con respecto al ciclo teórico debido a las pérdidas que se producen en la práctica. A continuación, se describen las etapas del ciclo real:

10.1. Admisión (1-2)

La válvula de admisión se abre y el pistón desciende. El llenado del cilindro se realiza a una presión ligeramente inferior a la atmosférica debido a las pérdidas de carga en el conducto de admisión.

10.2. Compresión (2-3)

Con ambas válvulas cerradas, el pistón asciende comprimiendo la mezcla. La compresión no es perfectamente adiabática, ya que parte del calor generado se transfiere al sistema de refrigeración, reduciendo la presión final.

10.3. Combustión (3-4)

La chispa de la bujía inicia la combustión de la mezcla, la cual se propaga rápidamente pero no de forma instantánea. La combustión no se produce a volumen constante, ya que el pistón continúa su recorrido durante un corto periodo tras el PMS.

10.4. Expansión (4-5)

El pistón desciende impulsado por la expansión de los gases. Esta expansión no es adiabática, ya que se producen pérdidas de calor. Además, la presión del combustible no se aprovecha al máximo. Estas pérdidas provocan que el trabajo obtenido sea menor al del ciclo teórico.

10.5. Principio de Escape (5-6)

La válvula de escape se abre antes de que el pistón llegue al PMI (avance a la apertura de escape). Esto se realiza para facilitar la salida de los gases y reducir la contrapresión durante la fase de expulsión.

10.6. Expulsión de los Gases (6-1)

Con el pistón en el PMI, la presión en el cilindro es baja. El pistón asciende empujando los gases quemados hacia el exterior a través de la válvula de escape.

11. Pérdidas en el Funcionamiento del Motor

Las principales pérdidas que se producen durante el funcionamiento del motor Otto son:

  • Pérdidas por bombeo: energía utilizada para la admisión y expulsión de los gases.
  • Pérdidas de carga del cilindro: la presión de compresión real es menor a la teórica debido a las fugas y resistencias al flujo.
  • Pérdidas de calor: parte del calor generado durante la combustión se transfiere al sistema de refrigeración.
  • Pérdida del tiempo de combustión: la combustión no es instantánea, lo que reduce la presión máxima alcanzada.
  • Pérdidas por avance a la apertura del escape: parte del trabajo útil se pierde al abrir la válvula de escape antes del PMI.

12. Compresión y Combustión

El rendimiento del motor Otto depende en gran medida de la relación de compresión. Cuanto mayor sea esta relación, mejor se aprovecha la energía térmica del combustible. En motores de gasolina con inyección indirecta, la relación de compresión suele estar entre 8:1 y 10:1, mientras que en motores con inyección directa puede llegar hasta 14:1.

13. Combustión

Durante la combustión se produce la transformación de la energía química del combustible en energía térmica, la cual se convierte posteriormente en trabajo mecánico.

14. Diagrama de Distribución

El diagrama de distribución define los instantes de apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape en relación con la posición del pistón. Los parámetros principales del diagrama de distribución son:

  • Avance a la Apertura del Escape (AAE): la válvula de escape se abre antes del PMI.
  • Retraso al Cierre del Escape (RCE): la válvula de escape se cierra después del PMS.
  • Avance a la Apertura de Admisión (AAA): la válvula de admisión se abre antes del PMS.
  • Retraso al Cierre de Admisión (RCA): la válvula de admisión se cierra después del PMI.

15. Tipos de Motores Otto de 4 Tiempos

Existen diferentes tipos de motores Otto de 4 tiempos, entre los que destacan:

15.1. Motor de Inyección Directa

La inyección de combustible se realiza directamente en el interior del cilindro a una presión que oscila entre 30 y 120 bares. Permite diferentes estrategias de mezcla, como el modo pobre estratificado, el modo pobre homogéneo y el modo homogéneo.

15.2. Motor de Inyección Indirecta

La inyección de combustible se realiza en el colector de admisión a una presión entre 3 y 3.5 bares.

15.3. Motor Bifuel

Motores capaces de funcionar con dos tipos de combustible, generalmente gasolina y un combustible alternativo como el Gas Licuado del Petróleo (GLP) o el Gas Natural Comprimido (GNC).

  • GLP: se almacena a una presión de 10 bares.
  • GNC: se almacena a una presión máxima de 200 bares.