James Atkinson, en 1882, diseñó un motor tomando como base al motor de gasolina o de ciclo Otto. El objetivo inicial era poder fabricar motores de gasolina de cuatro tiempos sin tener que pagar la patente, ya que se basaban en el conocido como Ciclo Atkinson. Aunque no tuvo demasiada relevancia en el sector del automóvil y quedó casi como una anécdota histórica hasta ahora…
Con la llegada de los motores híbridos y la importancia de la eficiencia del motor de combustión, el ciclo Atkinson ha vuelto a ser protagonista tras muchos años en un segundo plano. Y es que estos motores resultan más eficientes que los de ciclo Otto convencional, ya que consiguen relaciones de compresión más altas. Eso hace que se mejora el rendimiento termodinámico, aunque la gasolina esté muy comprimida y detone antes (algo negativo).
Cómo funciona un motor de Ciclo Atkinson
Los motores de ciclo Atkinson funcionan con el mismo combustible con el que lo hacen los de ciclo Otto, es decir, los motores de gasolina convencionales. Además, también son motores de combustión interna, y se presentan en varios tiempos, como los normales, e incluso algunos algo más «exóticos» como el motor de ciclo Atkinson de cinco tiempos. Éste último básicamente es un motor de 3 cilindros en los que 2 trabajan en 4 tiempos y el tercero trabaja con los gases de escape.
La diferencia en los motores de ciclo Atkinson es que son más eficientes, ya que aprovechan mejor el combustible, lo que permite ofrecer mejores cifras de consumo (a costa de ofrecer menos potencia en comparación con el Otto). En cuanto al propio ciclo en sí, la diferencia está en la fase de compresión, en torno a la mitad de ésta.
En esa fase, las válvulas de admisión permanecen abiertas por un árbol de levas especial que aprovecha las pérdidas producidas por la compresión de la mezcla dentro del cilindro del motor.
Es decir, las cuatro fases del motor de 4 tiempo serían iguales: admisión, compresión, expansión y escape, pero en la compresión se retrasa el cierre de la válvula de admisión. La ventaja es que reduce la energía necesaria para comprimir la mezcla de aire-combustible dentro del cilindro y se modifica la relación de compresión en torno al 50% comparado con un motor de ciclo Otto.
En la fase de compresión del motor con ciclo Atkinson, se dan relaciones de compresión de 8:1 aproximadamente. Esto es debido a que los cálculos para esta relación tienen en cuenta desde el momento en el que se cierra la válvula de admisión, mientras que la relación para la expansión es 13:1. Esta asimetría favorece por un lado el llenado de los cilindros y por otro reduce las pérdidas producidas por los reflujos de gases.
Como he comentado antes, la potencia de un motor de ciclo Atkinson es inferior a un motor de gasolina convencional. Sin embargo, su eficiencia permite que combinados con un motor eléctrico, como en los vehículos híbridos, sí que compense tener motores de ciclo Atkinson.
Marcas que han usado el Ciclo Atkinson
Los motores de ciclo Atkinson son cada vez más populares entre las marcas que incluyen motores de gasolina combinados con motores eléctricos en sus vehículos híbridos. Algunas marcas reconocidas que usan este tipo de arquitecturas son:
Honda
La compañía nipona Honda, es uno de los grandes fabricantes que ha abrazado los motores de ciclo Atkinson para algunos de sus modelos híbridos. Por ejemplo, un modelo que lo está usando actualmente es el Hond CR-V. Otros modelos de la lista serían el Accord híbrido, o el Fit.
Ford
El popular fabricante americano de coches, y los ideólogos del trabajo en cadena, también han usado motores de ciclo Atkinson para los híbridos, como es el caso del Ford C-Max, Ford Escape, Fusion, o el Maverick.
Mazda
La otra firma de Japón que también ha dado el paso a implementar motores híbridos con parte eléctrica y parte de gasolina de ciclo Atkinson es Mazda. La marca es ya conocida por arriesgarse en sus motorizaciones adoptando, por ejemplo, el diseños tan exóticos como el motor Wankel en algunos modelos. Y también lo ha hecho con estos otros en algunas versiones de su Mazda6.
Hyundai
La Hyndai Motor Company es otra de las compañías automovilísticas de Corea del Sur que también emplea motores en varios de sus modelos híbridos más conocidos, como el Sonata, Elantra, Grandeur, Ioniq, o el Palisade.
Lexus
Toyota es una de las marcas niponas que más fuerte apostó por los híbridos y por los motores de ciclo Atkinson desde el principio, y eso también se nota en su marca de alta gama: Lexus. Entre los modelos que lo usan están la serie CT 200h, ES 300h, GS 450h, RC F, GS F, HS 250h, IS 200t, NX, RX 450h, o el LC híbridos.
Toyota
Toyota también los usa en sus vehículos, como complemento a sus motores híbridos. Algunos ejemplos de esta marca nipona los tienes en el Camry, Avalon, Highlander, Prius, Yaris, Auris, Tacoma, RAV4, Sienna, Venza y C-HR híbridos.
Otros
También existen otras marcas que han usado motores de ciclo Atkinson en algunos de sus modelos, como el caso de KIA, Mercedes, Subaru, Renault, Nissan, Mitsubishi, Infinity, Chevrolet y Chrysler…
Ventajas y desventajas del ciclo Atkinson
Por supuesto, los motores de ciclo Atkinson no son la panacea ni mucho menos, tienen sus desventajas también. Aquí puedes ver las ventajas y desventajas de estos motores:
- Ventajas:
- Necesitan menos esfuerzo mecánico, lo que puede reducir los problemas de fiabilidad y alargar la vida útil de los componentes.
- La eficiencia es más alta. Según Toyota, se han conseguido entre un 12 y un 14% de eficiencia por encima de un motor de las mismas características funcionando con ciclo Otto.
- El consumo de combustible es reducido.
- Los costes de producción también son bajos, similares a los de un motor de gasolina convencional, y más barato que producir un motor diésel.
- Como no dejan de ser motores de gasolina, son más silenciosos, ligeros y con emisiones inferiores a los de gasoil.
- Desventajas:
- Tienen menos potencia, porque comprimen menos la mezcla aire-combustible. Es decir, la fuerza de empuje sobre la cabeza del pistón en el momento de saltar la chispa es inferior a los motores convencionales.
- Tienen un límite de revoluciones máximas más bajo, marcado en las 5000 RPM, dado la configuración de sus tiempos.
- Necesita de una tecnología más compleja en cuanto a sus válvulas y árbol de levas.
- La potencia específica, la que se consigue a partir de la cilindrada total del motor, es bastante baja. Se pueden encontrar motores de ciclo Atkinson de 1.8 cc con potencias de 98CV o próximas a 100CV.
Sin embargo, en un vehículo con motor híbrido esas desventajas no importan, ya que la potencia proviene principalmente del motor eléctrico. Y, por cierto, los híbridos con este tipo de configuraciones suelen usar una transmisión por variador contínuo (CVT) que mantiene el motor en un régimen óptimo de las RPM en todo momento y coopera con el motor eléctrico.
¿Son fiables los motores Atkinson?
Cuando se habla de una tecnología aparentemente novedosa como el motor de Ciclo Atkinson, pese a que fue creado hace siglos, muchos desconfían de la fiabilidad y de la vida útil que puedan tener estos motores. Sin embargo, los fabricantes pueden conseguir calidades muy buenas, ya que prácticamente se pueden basar en los diseños de gasolina convencionales.
Además, para mayor tranquilidad de las personas que van a adquirir un híbrido con motor de gasolina con ciclo Atkison, decir que suelen ser motores muy fiables, ya que el menor esfuerzo mecánico hace que los componentes del motor estén sometidos a menor estrés y duren más. Por tanto, sí, sí que son fiables.
Ciclo Atkinson Vs. Ciclo Otto
En cuanto a la comparativa entre los motores de ciclo Otto y los motores de ciclo Atkinson, lo cierto es que ya se ha comentado bastante, ya que las descripciones anteriores se han realizado en base a las diferencias con el motor Otto. Por tanto, si se comparan ambos paradigmas:
- Ventajas del motor de ciclo Atkinson:
- Necesitan menos esfuerzo mecánico, lo que aumenta la durabilidad.
- La eficiencia es más alta.
- El consumo de combustible es menor.
- Ventajas del motor de ciclo Otto:
- Tienen más potencia en igualdad de cilindrada.
- Los límites de revoluciones no están tan limitados. .
- Las válvulas y sistema de levas es más simple.
- No necesitan de un motor eléctrico como complemento, se pueden implementar solos.
Ciclo Atkinson Vs. Ciclo Miller
Por otro lado se encuentra el ciclo Miller, otra variante del ciclo Otto como el Atkinson. Pero, en este caso, se emplea un cilindro más grande de lo normal, y se mejora la relación de compresión usando un compresor mecánico y cambiando los tiempos de apertura y cierre de las válvulas de escape. Al tener compresor, también usa Intercooler en la admisión para enfriar el aire y que no se expanda y reste el trabajo del compresor. Las ventajas de estos motores también han hecho que se empleen en algunas plantas de energía, embarcaciones, e incluso coches como el Subaru B5-TPH, o el Mazda KJ-ZEM V6.
La comparativa en este caso con el ciclo Atkinson deja los siguientes datos:
- Ventajas del motor de ciclo Atkinson:
- Eficiencia y menor consumo, ya que en el Miller, al comprimirse el aire de admisión, queda más espacio para el combustible y se quema más a igualdad de cilindrada.
- Menor esfuerzo para la compresión.
- Ventajas del motor de ciclo Miller:
- Mayor potencia debido a la sobrealimentación/turbo, frente al motor atmosférico tipo Atkinson.
- Buena eficiencia por la reducción de la compresión y consumo aceptable, más aún si se compara con los Otto.
- También se puede usar junto con motores eléctricos, para los coches híbridos, y así compensar el menor par motor.
Fórmulas del Ciclo Atkinson
Por último, en cuanto a las fórmulas para el Ciclo Atkinson, se tiene una eficiencia térmica, se define también como la relación del trabajo (W) para el calor de entrada (QH):
En la imagen se aprecia cómo calcular la eficiencia térmica con símbolo η. Y representa la cantidad de calor de entrada que se termina transformando en trabajo, de acuerdo con la I Ley de la Termodinámica.
Y como el calor residual (Qc) en el ambiente y la suma del trabajo (W) deberían ser igual al calor entrante, la fórmula se puede resumir como se aprecia en la imagen anterior.
Además, como el calor absorbido durante la combustión de la mezcla de combustible y aire con la chispa de la bujía se produce a un volumen casi constante, entonces no hay trabajo realiazado por o sobre el motor en ese momento, lo que la I ley de la termodinámica dicta ∆U = ∆Q. Por tanto, los calores de entrada y salida del motor se podrían calcular con:
Q entrada = mc v (T 3 – T 2 )
Q salida = mc p (T 4 – T 1 )
Además, según la relación de:
- De compresión –> V 1 / V 2
- De expansión –> V 4 / V 3
Se deduce que la constante k es:
κ = c p / c v