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 .
Una variación de este enfoque se utiliza en algunos motores de automóviles modernos. Si bien originalmente se veía 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 de funcionamiento a tiempo parcial, lo que brinda una buena economía mientras funcionan en el ciclo Atkinson y una densidad de potencia convencional cuando funcionan como un motor de ciclo Otto convencional.
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 , usaba pistones opuestos. El segundo y más conocido diseño fue el motor de ciclo , que usaba 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 cubrían los motores de ciclo Otto . [1] El tercer y último motor de Atkinson, el motor utilitario , funcionaba de manera muy similar a cualquier motor de dos tiempos.
El denominador común de todos los diseños de Atkinson es que los motores tienen una carrera de expansión más larga que la 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 se cedieron bajo licencia a otros fabricantes extranjeros.
Muchos motores modernos utilizan ahora una sincronización de válvulas no convencional para producir el efecto de una carrera de compresión más corta/carrera de potencia más larga. Miller aplicó esta técnica al motor de cuatro tiempos, por lo que a veces se lo conoce como ciclo Atkinson/Miller , patente estadounidense 2817322 con fecha del 24 de diciembre de 1957. [2] En 1888, Charon presentó una patente francesa y exhibió un motor en la Exposición de París de 1889. El motor de gas Charon (de cuatro tiempos) utilizaba un ciclo similar al de Miller, pero sin sobrealimentador. Se lo conoce como el "ciclo Charon". [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 tren de válvulas dependiente de la carga del motor que aumentaba 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 en última instancia reducía la eficiencia. [4]
En 1928, Roy Fedden , en Bristol , probó un sistema en el motor Bristol Jupiter IV con sincronización de retardo variable que permitía que parte de la carga fuera devuelta al colector de admisión, para tener presiones de operación reducidas sostenibles durante el despegue. [ cita requerida ]
Los diseñadores de motores modernos se están dando cuenta de las posibles mejoras en la eficiencia de combustible que puede proporcionar el ciclo tipo Atkinson. [5]
La primera implementación del ciclo Atkinson fue en 1882; a diferencia de versiones posteriores, fue dispuesto como un motor de pistones opuestos , el motor diferencial Atkinson. [6] [7] En este, un solo cigüeñal estaba conectado a dos pistones opuestos a través de un varillaje articulado que tenía una no linealidad; durante media revolución, un pistón permanecía casi estacionario mientras el otro se acercaba a él y regresaba, y luego, durante la siguiente media revolución, el segundo pistón mencionado estaba casi estacionario mientras el primero se acercaba y regresaba.
De esta manera, 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 retraído durante el escape y la carga, era práctico proporcionar escape y carga utilizando válvulas detrás de un puerto que estaba cubierto durante la carrera de compresión y la carrera de potencia, y así las válvulas no necesitaban resistir alta presión y podían ser del tipo más simple utilizado en muchas máquinas de vapor, o incluso válvulas de lengüeta .
El siguiente motor diseñado por Atkinson en 1887 se denominó "motor de ciclo". Este motor utilizaba válvulas de asiento, una leva y un brazo central para producir cuatro carreras de pistón por cada revolución del cigüeñal. Las carreras de admisión y compresión eran significativamente más cortas que las 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 potencia.
El tercer diseño de Atkinson se denominó "motor utilitario". [8] El motor "cíclico" de Atkinson era eficiente; sin embargo, su articulación 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 enlaces y crear un motor más convencional y bien equilibrado, capaz de funcionar a velocidades de hasta 600 rpm y capaz de producir potencia en cada revolución, pero conservando toda la eficiencia de su "motor de ciclo", con 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 de la carrera.
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 escape a medida que el pistón se mueve más allá del puerto de escape. La válvula de escape se abre cerca del final de la carrera; permanece abierta mientras el pistón se dirige hacia atrás en dirección a la compresión, lo que permite que el aire fresco cargue el cilindro y que el escape escape hasta que el pistón cubre el puerto.
Una vez que se cubre el orificio 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 era un tubo caliente como en otros motores de Atkinson. Este diseño dio como resultado un motor de dos tiempos con una carrera de compresión corta y una carrera de expansión más larga.
El motor Utilite resultó ser incluso más eficiente que los diseños "diferenciales" y "cíclicos" anteriores de Atkinson. Se fabricaron muy pocos y no se sabe que ninguno haya sobrevivido. La patente británica es de 1892, n.° 2492. No se conoce ninguna patente estadounidense para el motor Utilite.
El ciclo ideal de Atkinson consta de:
A finales del siglo XX, se empezó a utilizar el término "ciclo Atkinson" para describir un motor de ciclo Otto modificado , en el que la válvula de admisión se mantiene abierta durante 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 Prius y en los motores Toyota Dynamic Force .
La relación de compresión efectiva se reduce (durante el tiempo en que el aire escapa libremente del cilindro en lugar de estar comprimido), 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, se ha obtenido toda la energía disponible del proceso de combustión. Para cualquier porción de aire dada, 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 cuatro tiempos de ciclo Atkinson frente al más común motor de ciclo Otto es la menor densidad de potencia. Debido a que una porción menor de la carrera de compresión se dedica a comprimir el aire de admisión, un motor de ciclo Atkinson no absorbe tanto aire como un motor de ciclo Otto de tamaño y diseño similares. Los motores de cuatro tiempos de este tipo que utilizan el mismo tipo de movimiento de la válvula de admisión pero también 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 conseguir un aumento tanto de potencia como de eficiencia en comparación con el ciclo Otto. Este tipo de motor conserva la única 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 un sistema de 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 se sellen muy herméticamente en la pared exterior de la carcasa y las pérdidas mecánicas que se producen por la fricción entre piezas de forma irregular que oscilan rápidamente. Consulte los enlaces externos a continuación para obtener más información.
El motor Wankel Sachs KC-27 de la motocicleta Hercules W-2000 utilizaba el ciclo Atkinson. Una cápsula de depresión abre una vía secundaria para la carga entrante. [ cita requerida ]
Si bien un motor de pistón de ciclo Otto modificado que utiliza el ciclo Atkinson proporciona una buena eficiencia de combustible , es a expensas de una menor potencia por desplazamiento en comparación con un motor de cuatro tiempos tradicional. [9] Si la demanda de más potencia es intermitente, la potencia del motor se puede complementar con un motor eléctrico durante los momentos en que se necesita más potencia. Esto forma la base de un tren motriz eléctrico híbrido basado en el ciclo Atkinson . Estos motores eléctricos se pueden utilizar de forma independiente o en combinación con el motor de ciclo Atkinson, para proporcionar los medios más eficientes de producir la potencia deseada. Este tren motriz entró en producción por primera vez a fines de 1997 en el Toyota Prius de primera generación .
A partir de julio de 2018 [update], muchos sistemas de transmisión de vehículos híbridos de producción utilizan conceptos de ciclo Atkinson, por ejemplo, en:
La patente de 1887 (US 367496) describe los vínculos mecánicos necesarios para obtener los cuatro tiempos del ciclo de cuatro tiempos para un motor de gas 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 gas de pistones opuestos . [7] La patente británica para el "Utilite" es de 1892 (#2492).