Cómo funciona un motor de ciclo Atkinson

Durante más de cien años, los motores se hicieron más grandes, más rápidos y más potentes, con más caballos de fuerza y ​​torque . El escape eructaba de los tubos de escape como un dragón despertado de su sueño para rugir a los posibles ladrones de su tesoro. Al menos, eso es lo que el tipo con los neumáticos anchos y el trabajo de la llama con aerógrafo quiere que pienses.

Luego llegó el siglo XX, cuando nos dimos cuenta de que los motores que escupen fuego estaban matando más que los oponentes de las carreras de velocidad con semáforo en rojo. Resulta que todos esos eructos estaban cambiando el clima y creando un desagradable smog. Demasiados dragones estaban haciendo que el planeta se pareciera más a Mordor que a la Comarca.

¿Quién puede salvarnos de estos dragones que eructan gases de escape? ¿Quién puede domar sus formas devoradoras de gasolina con su espada de ciencia e ingeniería? ¿Quién lleva el verdadero anillo de eficiencia de combustible ? Un hombre: James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Inglaterra. También de 1887.

Así es: lo último en tecnología de motores ecológicos proviene de los albores de la era automotriz. El motor de ciclo Atkinson fue patentado en los Estados Unidos en 1887 (Atkinson solicitó patentes del Reino Unido y Europa un par de años antes). Pero las carreras desiguales del pistón en su motor de combustión impulsado por gasolina se adaptan perfectamente a nuestros sistemas híbridos modernos.

El motor de ciclo Atkinson que se usa en tantos híbridos en estos días funciona con el mismo principio que el original, con la ventaja obvia de un siglo de avances tecnológicos. Pero para entender dónde estamos hoy, primero tenemos que saber dónde hemos estado. ¡Configura tu máquina del tiempo para 1887!

1. El motor de ciclo Atkinson original
2. El moderno motor de ciclo Atkinson
3. El ciclo de Atkinson y los coches híbridos

La patente estadounidense de Atkinson (número 367.496, para nosotros, los nerds amantes de las patentes) es bastante sencilla: unas mil palabras de texto y algunos diagramas útiles. O simplemente puede leer esta explicación, que es mucho más ingeniosa que cualquier patente .

El motor de combustión más común en estos días es un motor de ciclo Otto de cuatro tiempos , donde un pistón sube y baja dentro de un cilindro y una chispa enciende una mezcla de gas y aire. Lo mismo ocurre con un motor de ciclo Atkinson, así que aquí hay un repaso rápido del proceso:

Carrera de admisión: aspira aire y combustible en el cilindro

Golpe de compresión: aplasta la mezcla para que cuando la chispa se apague, explote, a lo grande

Carrera de potencia o expansión: utiliza la fuerza creada por la explosión para mover el pistón hacia abajo del cilindro

Carrera de escape: Empuja las desagradables sobras del proceso de combustión fuera del cilindro

En un motor de ciclo Otto, esto se hace en dos rotaciones del cigüeñal: admisión/encendido, luego potencia/escape. En el motor Atkinson original, el inventor agregó un par de conexiones para que las cuatro carreras pudieran completarse con una sola rotación del cigüeñal.

Eso en sí mismo mejoraría la eficiencia, pero Atkinson se dio cuenta de otra cosa: si se redujera la compresión en el cilindro y la carrera de potencia fuera más larga que la carrera de admisión, el motor funcionaría de manera más eficiente. Se necesitaría menos combustible para encender el motor, que hace girar las ruedas y hace que el automóvil funcione.

Imagine, si quiere, el cilindro y el pistón. En la carrera de admisión, el pistón no se mueve completamente hacia abajo en el cilindro. La válvula de admisión, donde el aire y el combustible ingresan al cilindro, no permite que entre tanta mezcla al cilindro. Menos mezcla requiere menos compresión. El pistón se mueve hacia arriba para la carrera de compresión, y en la parte superior se enciende la mezcla. ¡Auge! La fuerza envía el pistón hacia abajo por el eje del cilindro en la carrera de potencia, esta vez hacia abajo para aprovechar hasta la última fuerza generada por la combustión. Luego, el pistón se mueve hacia arriba para sacar la basura para la carrera de escape. Ta da! ¡Cuatro tiempos, menos combustible!

Por supuesto, como lector inteligente que eres, probablemente te hayas dado cuenta de que menos combustible y menos compresión significan menos potencia. Estás en lo correcto. Aunque se permite que el pistón se desplace más hacia abajo en la carrera de potencia que en la carrera de admisión, no generará tanta potencia como lo hace en un motor con mayor compresión y una mezcla de gases más rica.

El otro desafío con este motor es que requiere muchas piezas adicionales, lo que hace que sea difícil de ensamblar, además de costoso. El pobre Atkinson tuvo que lograr toda esta eficiencia con resortes y eslabones vibrantes y un tubo de encendido al rojo vivo, lo que suena como un excelente nombre para una banda. Los ingenieros modernos lo tienen mucho más fácil.

Los puristas despreciarán el motor de ciclo Atkinson de hoy, sin ningún eslabón vibrante a la vista. De hecho, si coloca un motor de ciclo Atkinson moderno junto a un motor de ciclo Otto moderno , no podrá ver ninguna diferencia. "No hay nada en el motor [del Prius] que no esté en el motor regular", según David Lee de la Universidad de Toyota. (No es una universidad a la que pueda asistir a menos que sea un empleado de Toyota que necesite saber sobre el último y mejor lanzamiento en los concesionarios. Lo siento).

Lo que Atkinson tenía que lograr con la colocación del cigüeñal ahora lo podemos hacer con la sincronización variable de válvulas , una solución mucho más económica y sencilla. Recuerde que en el original de Atkinson, las válvulas de admisión se cerrarían temprano para evitar que entre parte de la mezcla de aire y combustible. Hoy en día, la válvula de admisión se mantiene abierta demasiado tiempo, de modo que cuando el pistón se mueve hacia arriba para la carrera de compresión, puede escapar un poco de la mezcla de gas y aire. Cada método tiene el mismo fin: la relación de compresión es menor. En la jerga de los ingenieros, el método moderno se conoce como "livic": cierre tardío de la válvula de admisión. Luego, la bujía hace lo suyo, genera chispas, y el pistón aprovecha la combustión con una carrera de máxima potencia en el cilindro. Y luego la carrera de escape hace su trabajo de limpieza.

Más que eso ha cambiado en más de 120 años. En la búsqueda de una mayor eficiencia, se han desarrollado nuevos materiales. Pistones, anillos y resortes de válvulas más livianos, por ejemplo, reducen la fricción y el peso total del automóvil. Transportar menos peso requiere menos energía. El uso de un motor de doble árbol de levas , como lo hace Ford en su Fusion y otros híbridos, facilita aún más el control del proceso.

Y nuevamente, lector inteligente, probablemente notó que la versión moderna de este motor produce menos potencia, al igual que su predecesor. Demasiado cierto. Como señaló Lee, "este motor tendría problemas en un automóvil normal".

¿Pero sabes dónde no lucha? En una transmisión híbrida .

Entonces, tienes un motor que es realmente eficiente, pero le falta potencia, especialmente en la variedad de torque, el tipo de potencia que el auto de arrastre que escupe fuego tiene a montones. Pero, si eres un ingeniero de tren motriz híbrido , también tienes un motor eléctrico que tiene todo el torque todo el tiempo, desde 0 rpm. El problema con el motor eléctrico es que no soporta muy bien una alta velocidad, no tan bien como lo hace un motor de gasolina, con su mayor potencia . ¿Qué hacer, ingeniero de propulsión híbrida?

Bueno, si eres Gilbert Portalatin, que resulta ser un ingeniero de tren motriz híbrido en Ford, o cualquier otro ingeniero en casi cualquier otra compañía de automóviles que construye híbridos completos, unes estos dos sistemas como el chocolate y la mantequilla de maní. A bajas velocidades, los motores eléctricos se activan con su par y mueven el automóvil hacia adelante. A menos que seas uno de esos hipermilers súper cuidadosos que presionan el acelerador tan suavemente como si un gatito se escondiera debajo de él, el motor de gasolina se encenderá bastante rápido, aunque el motor eléctrico está haciendo bastante trabajo. Aproximadamente a 40 mph, el motor de ciclo Atkinson se hará cargo casi por completo, con un poco de ayuda del motor eléctrico.

Siempre que tenga este tipo de combo, puede diseñar el motor de ciclo Atkinson para que encaje con precisión con el motor eléctrico para lograr una eficiencia óptima. Si insiste en tomar el tragafuegos en el carril de al lado, no se quedará completamente atrás. "Aprieta el pedal y obtendrás lo que estás pidiendo: ambos motores", dijo Lee en Toyota.

Esta nivelación de la carga es la razón por la cual un híbrido completo como el Toyota Prius o el Ford Escape obtienen un mejor millaje en la ciudad que en la carretera, exactamente lo contrario que cualquier otro vehículo en la carretera. Los que no respiran fuego entre nosotros conducen muy despacio por la ciudad. Arrancamos y paramos mucho, y no alcanzamos las 75 mph, por lo que el motor eléctrico soporta gran parte de la carga. Sin embargo, en la carretera, el motor de gasolina funciona prácticamente solo.

Casi nadie en 1887 podría haber predicho el feliz matrimonio de mantequilla de maní y chocolate entre el motor de Atkinson y los motores eléctricos: los automóviles ni siquiera tenían techos permanentes en ese momento.

Publicado originalmente: 1 de marzo de 2012

¿Qué es el motor de ciclo Atkinson?

¿Qué tiene de diferente la sincronización de válvulas del ciclo Atkinson?

¿Cómo es eficiente el ciclo de Atkinson?

¿De qué es una variación el motor de ciclo Atkinson?

¿Cuál es la diferencia entre el ciclo Otto y el ciclo Atkinson?

Nota del autor: Cómo funciona un motor de ciclo Atkinson

Para ser completamente honesto, me encanta escribir estos artículos súper tecnológicos. Me encanta llamar a los ingenieros y hacer que me expliquen cosas que nunca he estudiado. Me cuesta incluso imaginarme de lo que están hablando, así que hago que se repitan de seis maneras hasta el domingo para asegurarme de que lo tengo bien antes de escribir algo.

Esta vez, obtuve una bonificación extra-geeky: ¡un libro para colorear nerd! De acuerdo, en realidad no era un libro para colorear, pero si buscas la patente de Atkinson usando la búsqueda de patentes de Google (número 367,496, recuerda) incluye los diagramas originales de Atkinson. Usé mis ocho resaltadores y varios Sharpies de colores para realizar un seguimiento de qué válvulas hacían qué, y dónde entraba el aire y salía el escape. Luego codifiqué con colores el texto de la patente, que también había impreso, para que cuando estuviera leyendo pudiera hacer coincidir el enlace H vibrante en la descripción con su lugar en el motor.

No puedo recomendar lo suficiente el método del libro para colorear de aprendizaje tecnológico. Planeo usarlo tan a menudo como sea posible. Mi niño interior de ocho años está muy feliz.

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