Comencé esta entrada con la intención de hablar sobre el camino que sigue el aire hasta llegar al interior del cilindro y de cómo afecta éste al rendimiento del motor. Según avanzaba en el texto me dí cuenta de que llevaba una hora escribiendo, haciendo únicamente las aclaraciones necesarias para llegar al tema del que realmente quería escribir.
En esta entrada trataré de explicar qué sucede dentro del cilindro y cómo el motor aspira la mezcla de aire y combustible y expulsa los gases de escape.
Lo primero que necesitamos saber es que para conseguir la explosión de la gasolina en un cilindro necesitamos sólo cuatro cosas: oxígeno, gasolina, compresión y chispa.
Veamos entonces qué hace que el aire entre en los cilindros, porque bien podría quedarse tranquilamente en la atmósfera. En la fase de admisión, la situación en el cilindro tiene esta pinta… ¡Espera! ¿Qué es eso de la fase de admisión?
De nuevo estaba presuponiendo cosas sin haberlas explicado. No volverá a suceder, lo prometo.
Un motor de cuatro tiempos (ciclo Otto, en honor a su inventor) tiene cuatro fases en cada ciclo de funcionamiento. Durante estas fases el pistón se mueve entre el punto más alto (punto muerto superior o PMS), y el punto más bajo (punto muerto inferior o PMI). Las fases son las siguientes:
- Admisión: El pistón desciende, generando vacío en la cámara de combustión. La válvula de admisión se abre permitiendo el acceso de aire y combustible, mientras que la válvula de escape permanece cerrada.
- Compresión: El pistón asciende, comprimiendo la mezcla de aire y combustible que llenó el cilindro en la fase anterior. Tanto la válvula de admisión como la de escape permanecen cerradas.
- Explosión: Cuando el pistón llega al PMS en el final de la fase anterior, la mezcla ha alcanzado la presión máxima. En este momento se genera una chispa en la bujía, que inicia la explosión de la mezcla, expandiéndose los gases contenidos en la cámara de combustión y empujando éstos al pistón hacia abajo. Ambas válvulas permanecen cerradas. Esta es la única fase del funcionamiento del motor en la que se obtiene trabajo.
- Escape: El pistón, en su movimiento ascendente fuerza a los gases que llenan el cilindro a salir a través de la válvula de escape, que está abierta. La válvula de admisión permanece cerrada. Al llegar al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el proceso.
Si ya hemos entendido las fases en un ciclo Otto, nos habremos dado cuenta de que en la fase de admisión se genera una presión negativa que hace que el aire acceda al cilindro. Cuanto mayor sea la depresión conseguida, más eficientemente conseguiremos llenar el cilindro.
El funcionamiento se complica ligeramente, porque las válvulas de admisión y escape no se abren ni se cierran justo al inicio o final de cada una de sus respectivas fases.
Cuanto antes se evacuen los gases de escape, más tiempo tendremos para llenar el cilindro con aire y gasolina. Por ello la válvula de escape se abre durante la fase de explosión, antes de que el pistón haya llegado al PMI, de este modo parte de los gases abandonarán el cilindro incluso antes de que comience la fase de escape. La válvula de escape también permanece abierta después de que el pistón llegue al PMS, pues la estela de baja presión que dejan los gases tras de sí en el conducto sigue ayudando en el llenado del cilindro.
La válvula de admisión se abre durante la fase de escape para aprovechar la estela de baja presión que dejan los gases de escape tras de sí. Además la expulsión de gases de escape es más eficiente porque se alivia el vacío que va quedando en el cilindro, ya que el volumen que ocupaban los gases de escape se llena ahora con mezcla de aire y combustible. Esta válvula permanece también abierta más allá del PMI en la fase de admisión, para aprovechar la inercia de los gases de admisión, consiguiendo así llenar aún más el cilindro aunque el pistón ya se encuentre en su fase ascendente.
Al periodo de tiempo que permanecen ambas válvulas abiertas simultáneamente se denomina cruce de válvulas. Y la cantidad de tiempo que la válvula de admisión está abierta durante la fase de escape se denomina avance.
Cuanto mayor sea la alzada y el diámetro de la válvula, mayor será el volumen de mezcla que acceda por unidad de tiempo, aunque las propiedades geométricas del cilindro limitan estos factores.
El cierre y apertura de las válvulas se controla con el árbol de levas, que es un eje en el que se dispone un lóbulo (leva) por cada una de las válvulas que controla. Las levas fuerzan a que las válvulas se abran debido a la presión en la misma a medida que éstas giran. Si las válvulas no son empujadas por la leva, los muelles de válvula las mantienen perfectamente cerradas.
El árbol de levas gira de forma solidaria al cigüeñal, pero a la mitad de velocidad, es decir, el árbol de levas da una vuelta completa cada dos vueltas de cigüeñal. Esto significa que por cada ciclo de 4 tiempos completo (2 vueltas de cigüeñal) el árbol de levas dará una sola vuelta.
La posición de las válvulas en cada instante dependerá de la forma de las levas. Cuanto mayor sea la altura de la leva, más alzada tendrá la válvula; mayor anchura del lóbulo implica que la válvula estará abierta durante más tiempo y cuanto más pronunciada sea la pendiente en la forma de la leva, más rápido se abrirá o cerrará la válvula.
Creo que con estas aclaraciones será mucho más sencillo entender cómo afecta la geometría de la cámara de combustión, de las válvulas y de los conductos de admisión y escape al rendimiento del motor, pero eso lo dejaremos para próximos artículos.
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