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  • CICLO OTTO: ¿Cómo funciona un motor de combustión interna?

¿Sabes qué es el Ciclo Otto? ¿Lo habías oído antes? Estamos rodeados de motores: en los coches y motos, en los barcos y, por supuesto, en los aviones. Pero, ¿cómo funcionan? Y, en el caso de nuestros aviones, ¿cómo funciona un motor de combustión?

Aquí es donde entra el Ciclo Otto, el proceso por el que funcionan la mayor parte de los motores de combustión interna. Pero, antes de adentrarnos de lleno en el tema, aquí te dejamos un vídeo resumen muy visual y educativo. ¡Que lo disfrutes!

¿Qué es el Ciclo Otto?

Ciclo Otto es el proceso termodinámico que se emplea en los motores de combustión interna de encendido por chispa eléctrica.

El motivo de este nombre está en que toda la energía generada por el motor tiene su origen en la cámara interna destinada para ello.

Este ciclo fue inventado por el ingeniero alemán Nikolaus Otto y se lleva usando desde 1876, algo más de 145 años.

Dentro del ciclo Otto, podemos encontrar dos tipos de motores: los motores de 4 tiempos y los de 2 tiempos. Esta diferencia se basa en el número de vueltas que da el cigüeñal; pero no te preocupes, en las siguientes líneas, te lo explicamos en detalle.

Diagrama del Ciclo Otto en motor de 4 tiempos

El diagrama del ciclo Otto está basado en cuatro etapas, que se corresponden con los cuatro procesos que lleva a cabo para generar la potencia. Son los siguientes:

Admisión

En esta fase, el movimiento hacia abajo del pistón dentro del cilindro, permite que entre la mezcla de combustible y oxígeno. La válvula de admisión se encuentra abierta y la de escape cerrada.

Además, el combustible no entra al cilindro en estado líquido, sino que lo hace en estado gaseoso. Esto mejora, notablemente, sus propiedades de combustión.

Compresión

Una vez el pistón llega a la parte más baja del cilindro, ambas válvulas se cierran, y empieza su carrera en sentido ascendente.

Cuanto mayor sea la relación de compresión generada por un motor, mayor será la potencia generada.

Expansión

Al llegar al punto superior del cilindro, se alcanza la presión máxima. En esta fase, ambas válvulas se encuentran cerradas, es la única fase en la que se produce trabajo.

En los motores de Ciclo Otto, la chispa es generada por la bujía; mientras que, en los motores diésel, la mezcla se inflama debido a la alta temperatura y presión que se genera en la compresión.

Una vez la mezcla se ha combustionado, el pistón inicia su carrera en sentido descendente a alta velocidad.

Escape

Es el proceso final del ciclo Otto. El cilindro viaja de nuevo en sentido ascendente y, esta vez, la válvula de escape se encuentra abierta, expulsando los gases generados en la combustión.

Una vez el pistón alcanza la parte superior del cilindro, la válvula de escape se cierra, dando comienzo, de nuevo, a la fase de admisión.

Ciclo de Otto en 2 tiempos VS 4 tiempos

Como ya te adelantamos, también están los motores de ciclo Otto de 2 tiempos. Veamos en qué se diferencian de los de 4 tiempos.

Lo primero que tenemos que tener en cuenta es que, cada vez que el pistón viaja dentro del cilindro, el cigüeñal se mueve 180º.

En los motores de 4 tiempos, el pistón hace cuatro recorridos completos, por lo que el cigüeñal dará dos vueltas completas.

Sin embargo, en el motor de 2 tiempos, el proceso cambia significativamente; y es que el proceso se reduce a dos fases, en vez de cuatro.

En este tipo de motores, los procesos de admisión y compresión se hacen juntos; y los de combustión y escape, también. Esto hace que el número de recorridos del pistón dentro del cilindro se reduzca a la mitad, y que el cigüeñal dé solo una vuelta, en lugar de dos.

Los motores de dos tiempos, son los utilizados en pequeñas motos o motores de fuera borda.

Eficiencia del Ciclo de Otto

Ya sabes que, el ciclo Otto, es el proceso por el que funcionan los motores de combustión interna; esto se debe a que producen gran potencia con una buena eficiencia.

Para que un motor de Ciclo Otto funcione a pleno rendimiento, es necesario que haya una relación equilibrada entre el aire y el combustible que le entra al motor.

Esta relación recibe el nombre de factor lambda y, su proporción estequiométrica, la que se considera más precisa, es de 14.7 partes de aire por 1 de combustible.

Este es el motivo por el que, a medida que ascendemos en nuestro avión, debemos ir recortando la mezcla.

Fórmula de la potencia en el Ciclo de Otto

La fórmula que explica el funcionamiento de los motores de ciclo Otto, es la que te presentamos a continuación:

𝞢 Trabajo = T 1-2 + T 3-4 = (U2-U1) + (U4-U3) = +4 -5 =-1

Es importante tener en cuenta que, el único proceso en el que se genera trabajo, es en el de explosión; los otros pasos restan energía. Esto se constata en la fórmula del trabajo generado, en la que cada signo menos, nos indica una pérdida de energía.

Otro factor a tener en cuenta es que, cuanto mayor es la compresión de un motor, mayor es la potencia generada. La relación de compresión es la reducción del volumen dentro del cilindro, desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior.

Y sí, sabemos lo que estás pensando. Es un poco confuso. Pero comparemos con algo más sencillo:

Imagina que coges una jeringa y la llenas de aire hasta la marca número 10. Si le cierras la entrada y aplicas fuerza en el émbolo hasta llegar a la marca número 1, habrás conseguido una relación de compresión de 10. Más sencillo así, ¿verdad?

Ciclo de Atkinson VS Otto

El ciclo Atkinson se está haciendo muy popular en la construcción de vehículos híbridos, ya que ofrece una alta eficiencia y un bajo consumo de combustible.

Las diferencias principales entre el ciclo Otto y el Atkinson son que, en el Atkinson, la válvula de admisión se cierra más tarde, reduciendo la compresión.

Además, una vez se ha completado el ciclo en el interior del cilindro, la presión es igual a la presión atmosférica; mientras que, en los motores de ciclo Otto, esta presión es muy superior.

En general, podemos decir que los motores Atkinson tienen un menor gasto de combustible, a la vez que una vida útil más larga, debido a su menor compresión. Eso sí, generan bastante menos potencia que uno de ciclo Otto.

Nicolaus Otto, el inventor del motor de combustión interna

Nicolaus Otto nació en Colonia, el 10 de junio de 1832. Este alemán ha pasado a la historia por ser uno de los ingenieros más importantes para el desarrollo de la humanidad, y es que, en 1872, materializó por primera vez un motor de cuatro tiempos.

Pese a no tener unos sólidos estudios, Otto empezó a destacar en 1864 cuando, junto a Eugen Langen, fundó la primera fábrica de motores del mundo, la NA Otto & Cie.

En cuanto al plano personal, Nicolaus Otto fue el padre de Gustav Otto, cofundador de la firma BMW, junto con Karl Rapp, en 1917.

El papel de Alphonse Beau de Rochas

Como suele pasar con los grandes avances, a veces, hay discrepancias acerca de la autoría y, como no podía ser de otra forma, con los motores de Ciclo Otto pasa lo mismo. Y es que, a veces, no es tan fácil definir al autor en una sola persona; a veces, un avance es el resultado de varios hitos de personas diferentes.

El motor de Ciclo Otto fue diseñado en papel por el inventor francés Alphonse Beau de Rochas, en 1862, aunque no se construyó un motor de estas características hasta 4 años después.

El responsable de construirlo fue el alemán Nikolaus August Otto, quien en 1866, construyó el primer motor de combustión interna sin tener conocimiento de la invención de Beau de Rochas.

Tras una serie de juicios, Otto tuvo que indemnizar económicamente al francés por plagio y, aunque Beau de Rochas obtuvo un cuantioso beneficio económico, no cabe duda de quién se quedó la fama.

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