Dibujo de patente del "motor diferencial" de Atkinson, 1882- Animación del motor diferencial Atkinson, 1882
El motor de ciclo Atkinson es un tipo de motor de combustión interna inventado por James Atkinson en 1882. El ciclo Atkinson está diseñado para proporcionar eficiencia a expensas de la densidad de potencia .
En algunos motores de automóviles modernos se utiliza una variación de este enfoque. Si bien originalmente se veían exclusivamente en aplicaciones eléctricas híbridas como el Toyota Prius de la generación anterior , los híbridos posteriores y algunos vehículos no híbridos ahora cuentan con motores con sincronización variable de válvulas , que pueden funcionar en el ciclo Atkinson como un régimen operativo de tiempo parcial, brindando una buena economía mientras se ejecuta en el ciclo Atkinson y densidad de potencia convencional cuando se ejecuta como un motor convencional de ciclo Otto .
Atkinson produjo tres diseños diferentes que tenían una carrera de compresión corta y una carrera de expansión más larga. El primer motor de ciclo Atkinson, el motor diferencial , utilizaba pistones opuestos. El segundo y más conocido diseño fue el motor de ciclo , que utilizaba un brazo sobre el centro para crear cuatro carreras de pistón en una revolución del cigüeñal. El motor alternativo tenía las carreras de admisión, compresión, potencia y escape del ciclo de cuatro tiempos en una sola vuelta del cigüeñal , y fue diseñado para evitar infringir ciertas patentes que cubren los motores de ciclo Otto . [1] El tercer y último motor de Atkinson, el motor utilitario , funcionaba de forma muy parecida a cualquier motor de dos tiempos.
El hilo común en todos los diseños de Atkinson es que los motores tienen una carrera de expansión que es más larga que la carrera de compresión y, con este método, el motor logra una mayor eficiencia térmica que un motor de pistón tradicional. Los motores de Atkinson fueron producidos por la British Gas Engine Company y también con licencia a otros fabricantes extranjeros.
Muchos motores modernos ahora utilizan sincronización de válvulas no convencional para producir el efecto de una carrera de compresión más corta/una carrera de potencia más larga. Miller aplicó esta técnica al motor de cuatro tiempos, por lo que a veces se lo denomina ciclo Atkinson/Miller , patente estadounidense 2817322 del 24 de diciembre de 1957. [2] En 1888, Charon presentó una patente francesa y exhibió un motor en la exposición de París. Exposición de 1889. El motor de gas Charon (cuatro tiempos) utilizaba un ciclo similar al de Miller, pero sin sobrealimentador. Se le conoce como el "ciclo de Caronte". [3]
Hugo Güldner argumentó en su libro de 1914 que Körting fue la primera empresa en construir un motor de gas con una carrera de compresión corta y una fase de expansión más larga en 1891, basándose en un diseño propuesto por primera vez por Otto Köhler en 1887. Este motor también tenía un motor- Tren de válvulas dependiente de la carga que aumentó la carrera de admisión y compresión al aumentar la carga del motor. Por otro lado, la compresión disminuía con cargas bajas y medias, lo que finalmente reducía la eficiencia. [4]
Roy Fedden en Bristol probó una disposición en el motor Bristol Jupiter IV en 1928, con sincronización de retardo variable que permitía que parte de la carga regresara al colector de admisión, para tener presiones de operación reducidas de manera sostenible durante el despegue. [ cita necesaria ]
Los diseñadores de motores modernos se están dando cuenta de las posibles mejoras en la eficiencia del combustible que puede proporcionar el ciclo tipo Atkinson. [5]
La primera implementación del ciclo de Atkinson fue en 1882; a diferencia de las versiones posteriores, estaba dispuesto como un motor de pistones opuestos , el motor diferencial Atkinson. [6] [7] En esto, un solo cigüeñal estaba conectado a dos pistones opuestos a través de un varillaje de articulación articulada que no tenía linealidad; durante media revolución, un pistón permaneció casi estacionario mientras el otro se acercaba y regresaba, y luego durante la siguiente media revolución, el segundo pistón mencionado estaba casi estacionario mientras el primero se acercaba y regresaba.
Así, en cada revolución, un pistón proporcionaba una carrera de compresión y una carrera de potencia, y luego el otro pistón proporcionaba una carrera de escape y una carrera de carga. Como el pistón de potencia permanecía retirado durante el escape y la carga, era práctico proporcionar escape y carga usando válvulas detrás de un puerto que estaba cubierto durante la carrera de compresión y la carrera de potencia, por lo que las válvulas no necesitaban resistir alta presión y podían ser del tipo más simple utilizado en muchas máquinas de vapor, o incluso en válvulas de láminas .
El siguiente motor diseñado por Atkinson en 1887 se denominó "motor de ciclo". Este motor utilizaba válvulas de asiento, una leva y un brazo centrado para producir cuatro carreras de pistón por cada revolución del cigüeñal. Las carreras de admisión y compresión fueron significativamente más cortas que las carreras de expansión y escape.
Los motores "Cycle" fueron producidos y vendidos durante varios años por la British Engine Company. Atkinson también otorgó licencias de producción a otros fabricantes. Los tamaños variaban desde unos pocos hasta 100 caballos de fuerza.
El tercer diseño de Atkinson se denominó "Utilite Engine". [8] El motor "Cycle" de Atkinson era eficiente; sin embargo, su vinculación era difícil de equilibrar para el funcionamiento a alta velocidad. Atkinson se dio cuenta de que era necesaria una mejora para que su ciclo fuera más aplicable como motor de mayor velocidad.
Con este nuevo diseño, Atkinson pudo eliminar los varillajes y crear un motor más convencional y bien equilibrado, capaz de operar a velocidades de hasta 600 rpm y capaz de producir potencia en cada revolución, pero conservó toda la eficiencia de su "motor de ciclo". " teniendo una carrera de compresión proporcionalmente corta y una carrera de expansión más larga. El Utilite funciona de manera muy similar a un motor de dos tiempos estándar, excepto que el puerto de escape está ubicado aproximadamente en la mitad del recorrido.
Durante la carrera de expansión/potencia, una válvula operada por leva (que permanece cerrada hasta que el pistón se acerca al final de la carrera) evita que la presión se escape cuando el pistón pasa por el puerto de escape. La válvula de escape se abre cerca del final de la carrera; permanece abierto mientras el pistón regresa hacia la compresión, permitiendo que el aire fresco cargue el cilindro y escape el escape hasta que el puerto cubra el puerto.
Una vez cubierto el puerto de escape, el pistón comienza a comprimir el aire restante en el cilindro. Una pequeña bomba de combustible de pistón inyecta líquido durante la compresión. La fuente de ignición probablemente fue un tubo caliente como en los otros motores de Atkinson. Este diseño dio como resultado un motor de dos tiempos con una compresión corta y una carrera de expansión más larga.
El motor Utilite resultó ser incluso más eficiente que los diseños anteriores de "ciclo" y "diferencial" de Atkinson. Se produjeron muy pocos y no se sabe que ninguno sobreviva. La patente británica es de 1892, #2492. No se conoce ninguna patente estadounidense para el Utilite Engine.
El ciclo de Atkinson ideal consta de:
A finales del siglo XX, el término "ciclo Atkinson" comenzó a utilizarse para describir un motor de ciclo Otto modificado , en el que la válvula de admisión se mantiene abierta más tiempo de lo normal, lo que permite un flujo inverso de aire de admisión hacia el colector de admisión. Este ciclo Atkinson "simulado" se utiliza sobre todo en el motor Toyota 1NZ-FXE de los primeros motores Prius y Toyota Dynamic Force .
La relación de compresión efectiva se reduce (durante el tiempo en que el aire escapa libremente del cilindro en lugar de comprimirse), pero la relación de expansión no cambia (es decir, la relación de compresión es menor que la relación de expansión). El objetivo del ciclo Atkinson moderno es hacer que la presión en la cámara de combustión al final de la carrera de potencia sea igual a la presión atmosférica. Cuando esto ocurre, toda la energía disponible se ha obtenido del proceso de combustión. Para cualquier porción determinada de aire, la mayor relación de expansión convierte más energía del calor en energía mecánica útil, lo que significa que el motor es más eficiente.
La desventaja del motor de ciclo Atkinson de cuatro tiempos frente al motor de ciclo Otto más común es la densidad de potencia reducida. Debido a que una porción más pequeña de la carrera de compresión se dedica a comprimir el aire de admisión, un motor de ciclo Atkinson no absorbe tanto aire como lo haría un motor de ciclo Otto de tamaño y diseño similar. Los motores de cuatro tiempos de este tipo que utilizan el mismo tipo de movimiento de la válvula de admisión pero utilizan inducción forzada para compensar la pérdida de densidad de potencia se conocen como motores de ciclo Miller .
El ciclo Atkinson se puede utilizar en un motor rotativo . En esta configuración, se puede lograr un aumento tanto en potencia como en eficiencia en comparación con el ciclo Otto. Este tipo de motor conserva una fase de potencia por revolución, junto con los diferentes volúmenes de compresión y expansión del ciclo Atkinson original.
Los gases de escape se expulsan del motor mediante barrido con aire comprimido. Esta modificación del ciclo Atkinson permite el uso de combustibles alternativos como el diésel y el hidrógeno.
Las desventajas de este diseño incluyen el requisito de que las puntas del rotor sellen muy herméticamente en la pared exterior de la carcasa y las pérdidas mecánicas sufridas por la fricción entre piezas de forma irregular que oscilan rápidamente. Consulte los enlaces externos a continuación para obtener más información.
El motor Sachs KC-27 Wankel de la motocicleta Hercules W-2000 utilizaba el ciclo Atkinson. Una cápsula de depresión abre un camino secundario para la carga entrante. [ cita necesaria ]
Si bien un motor de pistón de ciclo Otto modificado que utiliza el ciclo Atkinson proporciona una buena eficiencia de combustible , lo hace a expensas de una menor potencia por desplazamiento en comparación con un motor tradicional de cuatro tiempos. [9] Si la demanda de más potencia es intermitente, la potencia del motor puede complementarse con un motor eléctrico en los momentos en que se necesita más potencia. Esto forma la base de una transmisión eléctrica híbrida basada en un ciclo Atkinson . Estos motores eléctricos se pueden utilizar independientemente del motor de ciclo Atkinson o en combinación con él, para proporcionar el medio más eficiente de producir la energía deseada. Este tren motriz entró en producción por primera vez a finales de 1997 en la primera generación del Toyota Prius .
En julio de 2018 [update], muchas transmisiones de vehículos híbridos de producción utilizan conceptos de ciclo Atkinson, por ejemplo, en:
La patente de 1887 (US 367496) describe los enlaces mecánicos necesarios para obtener los cuatro tiempos del ciclo de cuatro tiempos para un motor de gasolina dentro de una revolución del cigüeñal. [1] También hay una referencia a una patente de Atkinson de 1886 (US 336505), que describe un motor de gasolina de pistones opuestos . [7] La patente británica del "Utilite" es de 1892 (#2492).