Cómo funciona un motor de cuatro tiempos

Qué muestra el modelo

Un motor de coche a 3000 rpm hace explotar la mezcla en cada cilindro 25 veces por segundo, demasiado rápido para verlo. Este modelo ralentiza el motor hasta que puedes seguir cada tiempo, y luego te deja cambiarlo: más cilindros, diésel en lugar de gasolina, otra distribución, menos acelerador.

El cilindro 1 está dibujado con todo detalle y cortado por la mitad para que se vea el interior. Las superficies rojas son las caras del corte del bloque, la culata y el cárter. Todo lo que se mueve aparece entero: el pistón y sus segmentos, la biela, el cigüeñal con sus contrapesos, las dos válvulas con sus muelles, los dos árboles de levas, la correa de distribución y el volante de inercia. Alrededor están las piezas que mantienen vivo un motor: la camisa de agua, la junta de culata, los cojinetes de bancada, la bomba de aceite, la mariposa del acelerador, el inyector y el catalizador. En total, 24 piezas con nombre en la lista de Piezas.

Las medidas son las de un cilindro de un motor corriente de dos litros y cuatro cilindros: 86 mm de diámetro, 86 mm de carrera y una relación de compresión de 10 a 1. Un cilindro barre 499,6 centímetros cúbicos, y cuatro suman 1998 cc. El panel de datos de la esquina muestra el ángulo del cigüeñal, el tiempo en que está el cilindro 1, el volumen de gas sobre el pistón y una presión en el cilindro calculada por el modelo, y debajo el ciclo presión-volumen y una gráfica del par.

Por qué un ciclo necesita dos vueltas del cigüeñal

Un motor de cuatro tiempos necesita cuatro carreras del pistón, y por tanto dos vueltas completas del cigüeñal, para completar un ciclo. Por convención el ciclo se mide en grados de cigüeñal de 0° a 720°, empezando con el pistón en lo más alto de su recorrido, lo que se llama punto muerto superior.

1. Admisión (0° a 180°). La válvula de admisión está abierta y el pistón baja. El espacio sobre él crece, la presión cae un poco por debajo de la del aire exterior y la mezcla de aire y combustible entra por el conducto de admisión. En el modelo es el chorro de puntos azules.
2. Compresión (180° a 360°). Las dos válvulas están cerradas. El pistón sube y aprieta la mezcla hasta una décima parte del volumen que ocupaba abajo. Al comprimirla se calienta y sube su presión, lo que hace mucho más eficaz la combustión que viene. Los puntos se vuelven violeta al apretarse.
3. Explosión (360° a 540°). Justo antes del punto alto salta la chispa de la bujía. El frente de llama se extiende desde la bujía en unas pocas milésimas de segundo, la presión se multiplica varias veces y empuja el pistón hacia abajo. Es el único tiempo en el que el gas hace trabajo sobre el pistón. Mira cómo crece la semiesfera naranja desde la bujía.
4. Escape (540° a 720°). La válvula de escape se abre cerca del punto bajo, la presión que queda sale de golpe y el pistón, al subir, empuja el resto de los gases quemados hacia el conducto de escape. Los puntos grises salen por la derecha.

Después la válvula de admisión vuelve a abrirse y el ciclo se repite. Un cilindro da una explosión por cada dos vueltas: a 3000 rpm son 25 explosiones por segundo, cada una de solo 10 milisegundos.

Qué hace cada pieza

Pistón y segmentos. El pistón es una copa ligera de aluminio que se desliza en el cilindro con una holgura de unas pocas centésimas de milímetro. Tres segmentos en ranuras cerca de la parte alta hacen el sellado: los dos de arriba aguantan la presión del gas y el de abajo rasca el aceite de la pared del cilindro. Un bulón de acero de 21 mm lo une a la biela.

Biela y cigüeñal. La biela une el bulón del pistón a una muñequilla situada a 43 mm del eje del cigüeñal. Al girar el cigüeñal, la muñequilla describe un círculo y el pistón recorre 86 mm, el doble del radio de manivela. Las masas gruesas frente a la muñequilla son contrapesos que equilibran la masa que gira. El cigüeñal gira en cojinetes de bancada: casquillos finos forrados de metal blando. Con el motor en marcha, el muñón flota sobre una película de aceite y nunca los toca.

Volante de inercia. Tres de cada cuatro tiempos consumen energía en vez de darla. El volante es un disco pesado que guarda energía durante la explosión y la devuelve en los demás tiempos, para que el cigüeñal siga girando.

Válvulas, muelles y árboles de levas. Cada válvula es una pieza de acero con forma de seta que un muelle mantiene cerrada. Una leva del árbol de levas la empuja para abrirla a través de un empujador en forma de vaso, llamado taqué de cubeta. La forma de la leva decide cuándo se abre la válvula, cuánto y durante cuánto tiempo. En este modelo cada válvula sube 9,2 mm, y las levas se dibujaron con la misma curva de alzada que mueve las válvulas.

Correa de distribución. El cigüeñal mueve los árboles de levas mediante una correa dentada. El piñón del cigüeñal tiene 21 dientes y cada polea de levas 42, así que los árboles de levas dan exactamente una vuelta por cada dos del cigüeñal. Cada válvula se abre una vez por ciclo, y un ciclo dura dos vueltas del cigüeñal, así que la relación no podría ser otra.

Refrigeración y lubricación. Activa «Refrigerante y aceite». El refrigerante (azul) sube por la camisa de agua junto al cilindro, pasa sobre la cámara de combustión y se lleva el calor al radiador. La junta de culata, una lámina fina de acero en capas, mantiene separados el gas, el refrigerante y el aceite donde la culata se une al bloque. La bomba de aceite aspira el aceite (ámbar) del cárter a través de un filtro y lo envía a los cojinetes de bancada; después vuelve a caer.

Acelerador e inyector. En un motor de gasolina, el acelerador es una válvula de mariposa en la admisión. Al cerrarla baja la presión del aire que entra, y así es como el conductor pide menos potencia. El inyector de conducto pulveriza combustible contra la parte trasera de la válvula de admisión cerrada, y puedes ver el breve chorro justo antes de que se abra la admisión.

Un cilindro u ocho

Mueve el control «Cilindros». Los cilindros extra aparecen como fantasmas sobre el mismo cigüeñal, y de verdad siguen sus propias manivelas y su orden de encendido.

Un solo cilindro da un empujón cada dos vueltas, así que el par en el cigüeñal oscila con fuerza: muy positivo en la explosión, algo negativo mientras el pistón comprime la carga siguiente. La gráfica del par del panel de datos traza el par total del gas en dos vueltas, con una línea discontinua en el promedio. El número de arriba a la derecha es la oscilación: la diferencia entre el par más alto y el más bajo dividida entre el promedio.

La oscilación se calcula con la curva de presión del modelo y solo con las fuerzas del gas. Deja fuera la inercia de los pistones, que pesa mucho a alto régimen y es la razón por la que a los ingenieros les importa el equilibrado además de los intervalos de encendido. Un cuatro en línea, por ejemplo, enciende de forma regular, pero aun así vibra arriba y abajo dos veces por vuelta, porque sus pistones no se mueven como una onda senoidal perfecta. Por eso muchos motores de cuatro cilindros grandes llevan ejes de equilibrado.

El panel de Controles tiene un gráfico de barras con la oscilación de cada configuración. Toca una barra para saltar a esa configuración.

Gasolina o diésel

Activa «Diésel». En el modelo cambian tres cosas.

Primero, la cabeza del pistón sube 4,5 mm, con lo que el espacio sobre el pistón en el punto alto se reduce de 55,5 cc a 29,4 cc. La relación de compresión pasa de 10:1 a 18:1. Segundo, no hay bujía. El aire solo se comprime con tanta fuerza que alcanza varios cientos de grados, lo bastante para encender el gasóleo en cuanto se pulveriza. Tercero, el inyector se coloca en el centro de la culata y pulveriza directamente en el cilindro unos 10° antes del punto alto. El combustible arde a medida que entra, así que la combustión empieza de forma más suave que con la chispa de la gasolina y dura más.

Un diésel no tiene mariposa en el sentido habitual. Siempre aspira un cilindro lleno de aire y regula la potencia inyectando más o menos combustible. En el modelo, el control del acelerador cambia la cantidad de combustible en modo diésel y la presión de admisión en modo gasolina. Esa diferencia es una de las razones por las que los diésel desperdician menos energía a carga parcial: un motor de gasolina que va suave tiene que aspirar su carga a través de una mariposa casi cerrada, y bombear aire a través de ese estrechamiento cuesta trabajo.

¿Hasta qué punto puede ser eficiente?

El ciclo ideal de un motor de gasolina es el ciclo Otto: compresión y expansión sin pérdidas de calor, y todo el calor aportado de una vez en el punto alto. Su rendimiento depende solo de la relación de compresión r y del coeficiente de dilatación adiabática del gas γ:

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

Con aire (γ = 1,4) y r = 10 da un 60,2 %. A 14:1, la relación de los motores de gasolina SKYACTIV-G de Mazda fuera de Estados Unidos, sube al 65,2 %. El ciclo diésel ideal aporta el calor a lo largo de un tramo de la carrera en lugar de todo de una vez; con r = 18 y una relación de corte de 2 da un 63,2 %. La compresión más alta es la principal ventaja del diésel. Un motor de gasolina no puede pasar mucho de 10 a 14:1, porque la mezcla caliente explotaría sola antes de la chispa, lo que se llama picado.

La línea «Rendimiento ideal» del panel de datos usa estas fórmulas. El laboratorio del panel de Controles muestra además un rendimiento del modelo: el trabajo del ciclo de presión del modelo dividido entre el calor liberado en él. Con los ajustes iniciales es de un 48 % en gasolina y un 51 % en diésel, y baja al 36 % en gasolina con un cuarto de acelerador mientras el diésel se mantiene cerca del 50 %. Los motores reales pierden más: el calor se va a las paredes, la combustión no es instantánea, y la fricción y las bombas de aceite y de agua se llevan su parte. En la conducción normal, el Departamento de Energía de Estados Unidos estima que solo entre un 12 y un 30 % de la energía del combustible de un coche convencional acaba moviéndolo por la carretera, según el tipo de conducción.

Una distribución que puedes arrastrar

Si las válvulas se abrieran y cerraran justo en los puntos muertos superior e inferior, el motor respiraría mal a alto régimen, porque el gas tiene masa y tarda en empezar a moverse y en pararse. Los motores reales abren las válvulas antes y las cierran después. Este modelo empieza con cifras típicas:

Cerrar tarde la admisión deja que la columna de aire en movimiento siga empujando dentro del cilindro cuando el pistón ya ha empezado a subir. Abrir pronto el escape deja que la alta presión salga antes de que el pistón tenga que empujar contra ella. Alrededor del punto muerto superior, al final del escape, las dos válvulas están un poco abiertas a la vez durante 20°; este cruce de válvulas deja que el escape que sale ayude a aspirar la carga fresca.

El círculo del panel de Controles es un diagrama de distribución. El punto muerto superior está arriba y una vuelta del círculo es una vuelta del cigüeñal. El arco azul es el tiempo que la admisión está abierta y el gris, el del escape. Arrastra cualquiera de los dos alrededor del círculo o usa los botones de debajo. Eso es lo que hace un variador de fase en un motor real: gira el árbol de levas unos grados respecto a su polea, de modo que la válvula se abre y se cierra antes o después mientras el tiempo de apertura sigue igual. Los árboles de levas del modelo 3D giran con tu ajuste.

Al arrastrar cambian tres números. El cruce es la cuña sombreada de arriba. La relación de compresión efectiva es el volumen cuando se cierra la admisión dividido entre el volumen mínimo, así que cerrar más tarde la admisión la reduce. Los motores pensados para el ciclo Atkinson o Miller lo hacen a propósito, para tener una relación de expansión alta sin picado. El rendimiento del modelo sigue al ciclo de presión: abrir antes el escape tira presión que aún podría empujar el pistón, y el rendimiento baja.

Acelerador, régimen, par y potencia

La segunda gráfica del laboratorio traza el par y la potencia frente al régimen del motor. La línea negra es el par con el acelerador que hayas puesto y la naranja, la potencia correspondiente. Los trazos grises muestran el acelerador a fondo. La línea punteada es una carga parecida a la de la carretera que crece con la velocidad, y el punto rojo está donde se cruzan el par del motor y la carga. Ese es el régimen en el que se estabilizaría el motor. Cierra el acelerador y el punto baja hacia un régimen menor, que es como el conductor controla el coche.

El par sale del trabajo del ciclo del modelo: un cilindro que hace 625 julios de trabajo del gas por ciclo da 625 / 4π ≈ 50 newton metro de media en dos vueltas. La respiración cambia con el régimen (es mejor cerca de un régimen medio que se desplaza con la distribución) y la fricción crece con el régimen, así que el par alcanza su máximo en la zona media y la potencia sigue subiendo hasta cerca del tope. La potencia es el par por la velocidad angular: P = T × 2πN / 60. Todas estas curvas son valores del modelo pensados para mostrar formas, no una hoja de banco de potencia.

Dos tiempos en vez de cuatro

Activa «Comparar con dos tiempos». En el escenario aparece el dibujo de un cilindro de dos tiempos sobre el mismo cigüeñal. No tiene válvulas. El propio pistón destapa una lumbrera de escape y una de transferencia en la pared del cilindro cerca del final de su recorrido. La mezcla fresca, ya algo comprimida en el cárter bajo el pistón, entra de golpe por la lumbrera de transferencia y empuja los gases quemados fuera por el escape. Así, cada bajada es un tiempo de explosión y el motor enciende una vez por vuelta.

La línea naranja de la gráfica del par es el par del dos tiempos. Enciende el doble de veces, pero en el modelo cada ciclo hace menos trabajo (más o menos la mitad), porque las lumbreras están abiertas durante buena parte de la carrera y algo de mezcla fresca se escapa directamente por el escape. Ese combustible perdido es la razón de que los motores pequeños de dos tiempos sean ligeros y sencillos pero sucios, y de que casi todos los vehículos de carretera pasaran a cuatro tiempos. Los grandes diésel lentos de dos tiempos de los barcos resuelven el problema con soplantes y válvulas de escape, y están entre los motores más eficientes que se han construido.

Motores reales

El catálogo de motores ajusta la configuración, el combustible y el tamaño del cilindro a los de un motor real. Los cilindros se dibujan al tamaño correcto, salvo los mayores, que se reducen y se indican. La relación de compresión y las presiones siguen siendo valores del modelo.

Las potencias solo se dan cuando se ha confirmado una única cifra para la versión indicada. Varios de estos motores se vendieron con más de una potencia.

Los números, calculados

Cómo leer el ciclo presión-volumen

La pequeña gráfica del panel de datos traza la presión en el cilindro frente al volumen mientras gira el cigüeñal. Su eje vertical es logarítmico para que quepan en la misma gráfica la baja presión de admisión y el alto pico de la combustión. El área que encierra el ciclo es proporcional al trabajo que hace el gas sobre el pistón en un ciclo. Cierra el acelerador y mira cómo se encoge el ciclo y la línea de abajo cae por debajo de la presión atmosférica: el pequeño ciclo invertido de abajo es el trabajo de bombeo.

La presión de aquí es un modelo simplificado, no una medida. La compresión y la expansión siguen la relación politrópica pVⁿ = constante con n = 1,32, y la liberación de calor sigue una curva de combustión suave en forma de S que empieza con la chispa y dura 55 grados de cigüeñal, lo que da un pico de unos 51 bar a 20° después del punto muerto superior con el acelerador a fondo.

Limpiar el escape

Quemar gasolina en aire deja tres contaminantes principales: monóxido de carbono, hidrocarburos sin quemar y óxidos de nitrógeno. El catalizador del tubo de escape es un panal cerámico recubierto de platino, paladio y rodio. En un coche de gasolina es un catalizador de tres vías: oxida el monóxido de carbono y los hidrocarburos a dióxido de carbono y agua, y reduce los óxidos de nitrógeno a nitrógeno. Solo consigue las tres cosas a la vez si el motor funciona muy cerca de la mezcla químicamente exacta, y por eso los motores de gasolina llevan una sonda de oxígeno en el escape. Los diésel funcionan con aire de sobra, así que usan un catalizador de oxidación, un filtro de partículas para el hollín y un sistema aparte para los óxidos de nitrógeno.

De dónde salió el motor de cuatro tiempos

En la década de 1860 ya se habían construido motores de combustión interna que aspiraban una mezcla y la encendían sin comprimirla antes, pero eran poco eficientes. En 1876 Nicolaus Otto construyó en Alemania el primer motor práctico que comprimía su carga antes de encenderla, con el ciclo de cuatro tiempos que se ve aquí. Por eso el ciclo ideal de gasolina de cuatro tiempos se sigue llamando ciclo Otto. En la década de 1890 Rudolf Diesel desarrolló el motor que enciende su combustible solo por compresión.

De trabajo del gas a kilovatios: un ejemplo calculado

El modelo da a cada cilindro unos 625 julios de trabajo del gas por ciclo a plena carga. Todo lo que sigue sale de ese único número, y los mismos pasos sirven para cualquier motor cuya ficha técnica se pueda leer.

1. Trabajo por ciclo de cuatro cilindros. 4 × 625 J = 2500 J.
2. Par medio. Un ciclo son dos vueltas, es decir 4π radianes, así que T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m. Es el promedio del ciclo. La gráfica de par del panel oscila por encima y por debajo.
3. Potencia a 3000 rpm. P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62,5 kW. El atajo da lo mismo: 2500 J por ciclo × 25 ciclos por segundo = 62 500 W.
4. Presión media efectiva. Se divide el trabajo por ciclo entre el volumen barrido: 2500 J ÷ 1,998 litros = 1,25 megapascales, unos 12,5 bar. Es la presión constante que, actuando sobre el pistón durante toda la carrera de potencia, haría el mismo trabajo. Permite comparar motores de distinto tamaño porque no depende de la cilindrada.
5. Potencia por litro. 62,5 kW ÷ 1,998 L ≈ 31 kW por litro.

Aquí el modelo mantiene el par constante por sencillez. En un motor real el par cambia con el régimen, así que la potencia a 6000 rpm no es exactamente el doble. Lo que enseña el ejemplo es la cadena de unidades: los julios por ciclo se convierten en newton-metros, y los newton-metros por radianes por segundo, en vatios.

El catálogo de motores muestra cuánto puede variar la potencia por litro. Con las potencias nominales de la tabla de arriba, el diésel Toyota 1GD-FTV da 130 kW con 2755 cc, unos 47 kW por litro. El Volkswagen EA888 2.0 TSI da 162 kW con 1984 cc, unos 82 kW por litro, y el Honda K20C1 ofrece 228 kW con 1996 cc, unos 114 kW por litro. Son valores nominales a un régimen para una versión concreta, y los motores turbo los alcanzan metiendo más aire en los mismos cilindros, no con un diámetro mayor o una carrera más larga.

Relación de compresión, detonación y combustible

La fórmula del rendimiento η = 1 − 1/r^(γ−1) premia una relación de compresión mayor, pero con rendimientos decrecientes. Con γ = 1,4:

De 8 a 10 se ganan 3,7 puntos porcentuales. De 12 a 14 solo 2,2. La curva se aplana y cada unidad más de compresión aporta menos.

Los motores reales quedan además muy por debajo de estas cifras. El gas del motor no es aire con γ = 1,4: la mezcla quemada tiene un cociente de capacidades caloríficas menor, y con γ = 1,3 la misma fórmula da solo 49,9 % a 10:1. El valor del modelo con los ajustes por defecto, cerca del 48 %, está en el mismo orden. Las pérdidas de calor por las paredes y el rozamiento bajan aún más el valor real, a entre el 30 y el 40 % como mucho en motores de serie.

Lo que impide que los motores de gasolina suban sin más la relación es la detonación. El octanaje mide la capacidad de un combustible de resistir la detonación, en la que parte de la mezcla comprimida se enciende antes de que llegue la llama. Una relación mayor deja el gas final más caliente y denso, así que hace falta un combustible que resista la autoinflamación. Por eso el manual indica qué octanaje echar: el motor se diseñó para él. Los motores recientes pueden retrasar el encendido cuando detectan detonación, lo que los protege pero cuesta potencia y consumo. El diésel del modelo evita el problema comprimiendo solo aire e inyectando el combustible después.

Malentendidos frecuentes

«El motor explota en cada carrera.» Solo una carrera de cada cuatro hace trabajo sobre el pistón. En un monocilíndrico, las otras tres toman energía del volante de inercia. Suba el control «Cilindros» y observe el orden de encendido: con ocho cilindros las carreras de potencia se suceden cada 90°, y por eso parece continuo.

«Par y potencia son lo mismo.» El par es la fuerza de giro en el cigüeñal. La potencia es el par multiplicado por la rapidez de giro. Un motor puede dar su par máximo a un régimen medio y su potencia máxima a otro mucho más alto, que es lo que muestran las dos curvas de la gráfica de régimen.

«Más cilindros siempre significan más potencia.» La potencia depende del aire que el motor puede quemar por segundo: la cilindrada, el régimen y cuánto aire se mete en cada cilindro. Un pequeño tricilíndrico turbo de la lista puede superar a un motor mayor sin turbo. Más cilindros sirven sobre todo para suavizar el par y permitir cilindros más pequeños, como muestra la columna de oscilación.

«Cerrar el acelerador hace el mismo trabajo con menos combustible.» Entra menos aire en el cilindro y el combustible se dosifica en consecuencia. El coste es el trabajo de bombeo: el pistón tiene que aspirar el aire por una válvula casi cerrada. El pequeño bucle invertido del gráfico presión-volumen es esa pérdida.

«Mayor octanaje significa más potencia.» El octanaje describe la resistencia a la detonación, no la energía que contiene el combustible. Un motor que no detona con el grado más bajo no gana nada con el más alto, y lo que vale es la recomendación del fabricante.

Pruébelo en la pantalla

• Compruebe el ejemplo. Elija cuatro cilindros y gasolina a plena carga. La línea de trazos de la gráfica de par es el par medio, y la gráfica de régimen del laboratorio dibuja la potencia correspondiente. Compare sus formas con los pasos de arriba.
• Compare los bucles. Active y desactive «Diésel» y compare el bucle presión-volumen, la relación de compresión y la línea «Rendimiento ideal». La relación pasa de 10:1 a 18:1.
• Observe la compresión efectiva. En el círculo de distribución, arrastre el arco de admisión más tarde y lea «Compresión efectiva» y el rendimiento del modelo mientras cambian.
• Vea la pérdida por bombeo. Baje el acelerador en gasolina y fíjese en el pequeño bucle invertido al pie del gráfico presión-volumen y en el rendimiento del modelo, que cae hasta cerca del 36 % con un cuarto de acelerador.
• Compare motores de distinto tamaño. Elija dos entradas del catálogo de motores, por ejemplo el Honda GX160 y el GM LS3, y compare los dibujos de los cilindros y los cc por cilindro de la nota bajo la lista.

Treinta motores, de 1876 al portacontenedores

El catálogo de la pestaña «Controles» contiene ahora treinta motores. Puede buscar por nombre o filtrar por anteriores a 1950, coches, motocicletas, motores pequeños, camiones, competición y barcos, y por encendido por chispa o diésel. Al elegir se ajustan la configuración, el combustible y el tamaño del cilindro: el dibujo crece desde un cortacésped hasta un barco.

Dos necesitan una aclaración. El modelo dibuja un V6 a 60°, pero el de Fórmula 1 es un V6 a 90°: la configuración se aproxima, pero no es exacta. Los cilindros del barco tienen 960 mm de diámetro, más de once veces el del modelo. Por eso se dibujan al doble del tamaño del modelo y se indica; los números conservan las dimensiones reales. El documento de Wärtsilä no expresa el rendimiento en porcentaje. Se obtiene del consumo: 171 gramos por kilovatio-hora, con 42,7 MJ por kilogramo de combustible, dan 3.600 ÷ (0,171 × 42.700) = 49,3 %. Es un motor de dos tiempos, así que elegirlo abre también esa comparación.

Un cilindro mayor no puede girar igual de rápido. Lo limita la velocidad de los pistones, por lo que el modelo conserva su velocidad media al ampliar el cilindro. A tamaño del modelo, 7.000 rpm con 86 mm de carrera equivalen a 20,1 m/s. Al ampliar 15 veces, como para el barco, la misma velocidad de pistón solo permite unas 300 rpm. El motor naval real gira a 102 rpm porque su carrera es 2,6 veces el diámetro: su velocidad media es 8,5 m/s, el valor de la tabla Wärtsilä.

Régimen real y después cámara lenta

«Girar a 3.000 rpm» muestra lo que el modelo suele ocultar. A 3.000 rpm el cigüeñal gira 50 veces por segundo, cada cilindro enciende 25 veces y un tiempo dura 10 milésimas de segundo. En una pantalla de 60 Hz eso supone 300 grados de cigüeñal entre imágenes: las piezas parecen dar saltos o girar hacia atrás. Es el efecto estroboscópico que hace girar al revés las ruedas en las películas. Después de tres segundos, el modelo tarda 3,5 segundos en bajar a 6 rpm, donde se puede seguir cada tiempo. El rótulo nombra el tiempo del cilindro 1. Con «Sonido» activado, los golpes se funden en un zumbido a pleno régimen y vuelven a separarse al frenar.

Compresión, detonación y cierre tardío de admisión

El deslizador cambia la relación de gasolina de 6:1 a 15:1. Una relación mayor aumenta el rendimiento del modelo (47,6 % a 10:1), pues los gases se expanden más tras arder. También comprime más la mezcla sin quemar. Si su extremo se calienta y densifica lo suficiente, se enciende antes de que llegue la llama de la bujía, y las dos ondas de presión chocan. Eso es detonación: un tintineo metálico, elevada presión máxima y, en un motor real, daños en los pistones.

Depende del combustible, temperatura, forma de la cámara y avance de encendido. El modelo usa una regla sencilla y la indica: aparece cuando la presión al final de la compresión supera 20,5 bar. Con la distribución inicial, el límite está cerca de 11:1 (20,2 bar, sin detonación); 12:1 llega a 22,7 bar y detona.

Hay una solución. Si la admisión cierra más tarde, parte de la mezcla vuelve al conducto antes del cierre, y el pistón comprime menos de lo que sugiere la relación geométrica. Con la admisión 40° más tarde, una relación de 13,5:1 acaba en 17,9 bar, bajo el límite, y el rendimiento alcanza 50,9 %. La expansión sigue aprovechando los 13,5:1 completos. Esta es la idea de los ciclos Atkinson y Miller: compresión corta y expansión larga. El Toyota 2ZR-FXE del Prius la usa, y Mazda y Toyota anuncian relaciones de 13 y 14 a 1 para sus motores de gasolina más recientes.

El turbo y por qué vuelve la detonación

Al montarlo, el turbo aparece junto al escape. Los gases hacen girar la turbina; el compresor del mismo eje empuja aire hacia la admisión. Más aire permite quemar más combustible y obtener más potencia de la misma cilindrada. El Departamento de Energía de Estados Unidos describe los turbos como compresores que fuerzan aire adicional en los cilindros y permiten inyectar más combustible; señala hasta un 8 % de ahorro al combinarlos con un motor más pequeño.

El deslizador añade presión sobre la exterior. En el monocilíndrico del modelo, 0,9 bar eleva la potencia máxima de 19,1 a 29,4 kW. El coste es la detonación: aumenta la presión final de compresión, de modo que 0,6 bar a 10:1 ya alcanza 29,1 bar. Los motores de gasolina turbo reales recurren a menor relación de compresión, cierre tardío de admisión, refrigeración del aire e inyección directa. En el modelo, 0,9 bar funciona sin detonación a 8:1 con cierre 40° más tarde (18,1 bar). El diésel no tiene este límite porque inyecta el combustible justo cuando debe arder.

Retos en la escena

La lista «Retos» de «Controles», accesible también desde la insignia en la escena, comprueba lo que hace en el modelo. Son once: ganar al menos un 5 % de potencia máxima con la distribución (el mejor ajuste comprobado, admisión 15° antes y escape 30° después, da un 10,7 %), alcanzar 13:1 sin detonación, indicar el orden del V8, ver al diésel ganar a carga parcial (50,7 % frente a 43,6 % a medio acelerador), encontrar la configuración más suave, girar al régimen real, comparar dos y cuatro tiempos, encontrar el motor más eficiente y el más antiguo, llegar a 0,8 bar sin detonación y abrir todos los primeros planos. Los resueltos siguen marcados al volver.

«Instantáneo» y «promedio» en la lectura

La lectura combina dos tipos de cifras, cada uno con su etiqueta. El par de los gases «instantáneo» es el giro que los gases transmiten al cigüeñal en ese ángulo. Oscila desde valores negativos durante la compresión hasta varios cientos de newton-metros justo tras la chispa: multiplicarlo por el régimen no daría una potencia útil. El par, régimen y potencia marcados «promedio» van juntos: son la media de un ciclo completo después de fricción e intercambio de gases, al régimen de equilibrio con la carga. Multiplique ese par por la velocidad en radianes por segundo para obtener la potencia de la misma línea.

Primeros planos

Los botones acercan la cámara a una pieza y detienen el cigüeñal donde importa: muñequilla a 90°, leva de admisión a máxima alzada, ambas válvulas abiertas cerca del punto muerto superior, pistón en compresión, chispa justo antes de arriba, inyector diésel al comenzar la inyección y turbo. «Desmontar» separa las fundiciones de las piezas móviles para ver funcionar solos el pistón, la biela y el cigüeñal.