Cuatro tiempos: admisión, compresión, explosión, escape

En la mayoría de los coches, el pistón repite el mismo ciclo de cuatro tiempos una y otra vez. El nombre proviene de las cuatro carreras del pistón que lo componen:

1. Admisión. La válvula de admisión se abre y el pistón se mueve hacia abajo, aspirando aire fresco. En un motor de gasolina con inyección en el colector, el combustible se inyecta en el aire entrante; en un motor de inyección directa, se inyecta directamente en el cilindro.
2. Compresión. Ambas válvulas están cerradas. El pistón se mueve hacia arriba y comprime el gas en un espacio mucho menor. La compresión lo calienta y lo prepara para la combustión.
3. Explosión. Cerca de la parte superior de la carrera de compresión, la bujía enciende. La mezcla arde, el gas caliente se expande y empuja el pistón hacia abajo. Este es el único tiempo que transmite energía al cigüeñal. Ambas válvulas siguen cerradas.
4. Escape. La válvula de escape se abre y el pistón se mueve hacia arriba, expulsando el gas quemado. Entonces, el ciclo comienza de nuevo.

Cuenta las vueltas del cigüeñal: cada carrera es media vuelta (180°), por lo que un ciclo completo es 4 × 180° = 720°, es decir, dos vueltas completas del cigüeñal. El árbol de levas, que abre las válvulas, solo necesita abrir cada válvula una vez por ciclo, por lo que gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal, una vuelta por ciclo. En un motor, se acciona mediante una correa o cadena con una relación de transmisión de 2 : 1.

Esto también significa que un cilindro recibe una carrera de potencia cada dos vueltas, no una por cada vuelta. A 3 000 rpm, el cigüeñal da 50 vueltas por segundo, por lo que un cilindro se enciende 25 veces por segundo.

¿De dónde viene la energía para las otras tres carreras? Del volante de inercia y, en un motor multicilíndrico, de los otros cilindros, que están en su propia carrera de potencia. Las carreras de admisión, compresión y escape requieren un poco de trabajo para mover el gas y comprimirlo.

Si graficas la presión del gas frente al volumen del cilindro a lo largo del ciclo, obtienes una bucle, el diagrama P–V. El área dentro del bucle es el trabajo neto por ciclo. El mundo de Motores Térmicos del Particle Lab dibuja ese diagrama para el ciclo Otto y deriva su eficiencia; aquí solo observamos cómo se traza el bucle mientras se mueve el pistón.

Algunos motores pequeños (cortacéspedes, motosierras, scooters pequeños) son de dos tiempos: se encienden en cada vuelta al combinar las carreras, lo que los hace ligeros y simples, pero más difíciles de mantener limpios. Los coches casi siempre usan el ciclo de cuatro tiempos porque controla mejor el intercambio de gases.