Ciclo Atkinson: cos'è e come funzionano questi motori

James Atkinson, nel 1882, progettò un motore basato sul motore a benzina o a ciclo Otto. L'obiettivo iniziale era quello di poter produrre motori a benzina a quattro tempi senza dover pagare il brevetto, poiché si basavano su ciò che è noto come Ciclo di Atkinson. Anche se non ha avuto molta rilevanza nel settore automobilistico ed è rimasto fino ad oggi quasi un aneddoto storico...

Con l'avvento dei motori ibridi e l'importanza di efficienza del motore di combustione, il ciclo di Atkinson è tornato ad essere protagonista dopo tanti anni in secondo piano. Ed è che questi motori sono più efficienti del ciclo Otto convenzionale, poiché raggiungono rapporti di compressione più elevati. Questo lo rende migliore prestazioni termodinamiche, anche se la benzina è altamente compressa ed esplode prima (qualcosa di negativo).

Come funziona un motore Atkinson Cycle?

I Motori a ciclo Atkinson Funzionano con lo stesso carburante del ciclo Otto, ovvero i motori a benzina convenzionali. Inoltre sono anche motori a combustione interna, e sono disponibili in più tempi, come quelli normali, e anche in alcuni più "esotici" come il motore a ciclo Atkinson a cinque tempi. Quest'ultimo è fondamentalmente un motore a 3 cilindri in cui 2 funzionano in 4 tempi e il terzo funziona con i gas di scarico.

La differenza nei motori a ciclo Atkinson è questa sono più efficienti, poiché utilizzano meglio il carburante, il che consente loro di offrire valori di consumo migliori (a costo di offrire meno potenza rispetto all'Otto). Per quanto riguarda il ciclo stesso, la differenza sta nella fase di compressione, circa a metà di esso.

In quella fase le valvole di aspirazione rimangono aperte da un apposito albero a camme che sfrutta le perdite causate dalla compressione della miscela all'interno del cilindro del motore.

Cioè, le quattro fasi di Motore a 4 tempi sarebbero gli stessi: aspirazione, compressione, espansione e scarico, ma in compressione la chiusura della valvola di aspirazione è ritardata. Il vantaggio è che riduce l'energia necessaria per comprimere la miscela aria-carburante all'interno del cilindro e cambia il rapporto di compressione di circa il 50% rispetto a un motore a ciclo Otto.

Nella fase di compressione del motore a ciclo Atkinson, ci sono rapporti di compressione di circa 8:1. Questo è perché calcoli per questa relazione preso in considerazione dal momento della chiusura della valvola di aspirazione, mentre il rapporto di espansione è 13:1. Questa asimmetria favorisce, da un lato, il riempimento delle bombole e, dall'altro, riduce le perdite prodotte dai riflussi di gas.

Come ho detto prima, la potenza di un motore a ciclo Atkinson è inferiore a quella di un motore a benzina convenzionale. Tuttavia, la sua efficienza permette che combinato con un motore elettrico, come nel veicoli ibridi, sì, compensa i motori a ciclo Atkinson.

Marchi che hanno utilizzato il ciclo Atkinson

I motori a ciclo Atkinson stanno diventando sempre più popolari con i marchi che includono motori a benzina combinati con motori elettrici nei loro veicoli ibridi. Alcuni marchi riconosciuti che utilizzano questo tipo di architettura sono:

Honda

L'azienda giapponese Honda, è uno dei grandi produttori che ha adottato i motori a ciclo Atkinson per alcuni dei suoi modelli ibridi. Ad esempio, un modello che attualmente lo sta utilizzando è l'Hond CR-V. Altri modelli sulla lista sarebbero l'ibrido Accord o il Fit.

guado

La famosa casa automobilistica americana, e gli ideologi del lavoro a catena, hanno utilizzato anche i motori a ciclo Atkinson per gli ibridi, come nel caso della Ford C Max, Ford Escape, Fusion o Maverick.

Mazda

L'altra azienda in Giappone che ha anche intrapreso il passo per implementare motori ibridi con parte elettrica e parte con benzina a ciclo Atkinson è Mazda. Il marchio è già noto per aver rischiato con i suoi motori, adottando, ad esempio, design esotici come il motore Wankel in alcuni modelli. E lo ha fatto anche con questi altri in alcune versioni della sua Mazda6.

Hyundai

La Hyundai Motor Company è un'altra delle case automobilistiche sudcoreane che utilizza anche motori in molti dei suoi modelli ibridi più noti, come Sonata, Elantra, Grandeur, Ioniq o Palisade.

Lexus

Toyota è uno dei marchi giapponesi che fin dall'inizio si è maggiormente impegnato nei confronti degli ibridi e dei motori a ciclo Atkinson, e questo è evidente anche nel suo marchio di fascia alta: Lexus. Tra i modelli che lo utilizzano ci sono la serie CT 200h, ES 300h, GS 450h, RC F, GS F, HS 250h, IS 200t, NX, RX 450h, o l'ibrida LC.

Toyota

Toyota li utilizza anche nei suoi veicoli, come complemento ai suoi motori ibridi. Alcuni esempi di questo marchio giapponese si trovano negli ibridi Camry, Avalon, Highlander, Prius, Yaris, Auris, Tacoma, RAV4, Sienna, Venza e C-HR.

Altro

Ci sono anche altri marchi che hanno utilizzato motori a ciclo Atkinson in alcuni dei loro modelli, come KIA, Mercedes, Subaru, Renault, Nissan, Mitsubishi, Infinity, Chevrolet e Chrysler...

Vantaggi e svantaggi del ciclo di Atkinson

Naturalmente, i motori a ciclo Atkinson non sono affatto una panacea, hanno anche i loro svantaggi. qui puoi vedere i vantaggi e gli svantaggi di questi motori:

• Vantaggi:
  • Richiedono meno stress meccanico, che può ridurre i problemi di affidabilità e prolungare la vita dei componenti.
  • L'efficienza è maggiore. Secondo Toyota, un'efficienza compresa tra il 12 e il 14% è stata raggiunta su un motore con le stesse caratteristiche che funziona con il ciclo Otto.
  • Il consumo di carburante è ridotto.
  • Anche i costi di produzione sono bassi, simili a quelli di un motore a benzina convenzionale e più economici rispetto alla produzione di un motore diesel.
  • Poiché sono ancora motori a benzina, sono più silenziosi, più leggeri e con emissioni inferiori rispetto al diesel.
• Svantaggi:
  • Hanno meno potenza, perché comprimono meno la miscela aria-carburante. Vale a dire, la forza di spinta sulla testa del pistone al momento di far saltare la scintilla è inferiore a quella dei motori convenzionali.
  • Hanno un limite di giri massimo inferiore, segnato a 5000 RPM, date le loro impostazioni di temporizzazione.
  • Ha bisogno di una tecnologia più complessa in termini di valvole e albero a camme.
  • La potenza specifica, che si ottiene dalla cilindrata totale del motore, è piuttosto bassa. Puoi trovare motori a ciclo Atkinson da 1.8 cc con potenze di 98 CV o vicine a 100 CV.

Tuttavia, in un veicolo con motore ibrido questi aspetti negativi non contano, dal momento che la potenza proviene principalmente dal motore elettrico. E, a proposito, gli ibridi con questo tipo di configurazioni utilizzano solitamente una trasmissione a variazione continua (CVT) che mantiene il motore a un regime di giri ottimale in ogni momento e collabora con il motore elettrico.

I motori Atkinson sono affidabili?

Quando si parla di una tecnologia apparentemente nuova come il motore Atkinson Cycle, nonostante sia stato creato secoli fa, molti diffidare dell'affidabilità e della vita utile che questi motori possono avere. Tuttavia, i produttori possono ottenere ottime qualità, poiché possono praticamente basarsi su modelli di benzina convenzionali.

Inoltre, per una maggiore tranquillità per le persone che acquisteranno un ibrido con un motore a benzina a ciclo Atkison, dì che Di solito sono motori molto affidabili., poiché il minor stress meccanico significa che i componenti del motore sono soggetti a meno stress e durano più a lungo. Quindi sì, sono affidabili.

Ciclo di Atkinson contro Ciclo di Otto

Per quanto riguarda il confronto Tra i motori a ciclo Otto e i motori a ciclo Atkinson, la verità è che è già stato detto abbastanza, poiché le descrizioni precedenti sono state fatte sulla base delle differenze con il motore a Otto. Pertanto, se si confrontano entrambi i paradigmi:

• Vantaggi del motore a ciclo Atkinson:
  • Richiedono meno stress meccanico, il che aumenta la durata.
  • L'efficienza è maggiore.
  • Il consumo di carburante è inferiore.
• Vantaggi del motore a ciclo Otto:
  • Hanno più potenza a parità di cilindrata.
  • I limiti di giri non sono così limitati. .
  • Il sistema di valvole e camme è più semplice.
  • Non necessitano di un motore elettrico come complemento, possono essere implementati da soli.

Ciclo di Atkinson contro ciclo di Miller

D'altra parte c'è il ciclo del mugnaio, un'altra variante del ciclo Otto come l'Atkinson. Ma in questo caso viene utilizzato un cilindro più grande del normale e il rapporto di compressione viene migliorato utilizzando un compressore meccanico e modificando i tempi di apertura e chiusura delle valvole di scarico. Avendo un compressore, utilizza anche un intercooler nell'aspirazione per raffreddare l'aria e impedirne l'espansione e ridurre il lavoro del compressore. I vantaggi di questi motori hanno portato anche al loro utilizzo in alcune centrali elettriche, barche e persino automobili come la Subaru B5-TPH o la Mazda KJ-ZEM V6.

La comparativo in questo caso con il ciclo Atkinson lascia i seguenti dati:

• Vantaggi del motore a ciclo Atkinson:
  • Efficienza e consumi ridotti, poiché nel Miller, quando l'aria aspirata è compressa, c'è più spazio per il carburante e brucia di più a parità di cilindrata.
  • Meno sforzo per la compressione.
• Vantaggi del motore a ciclo Miller:
  • Maggiore potenza grazie alla sovralimentazione/turbo, rispetto al motore aspirato di tipo Atkinson.
  • Buona efficienza grazie alla riduzione della compressione e dei consumi accettabili, ancor di più rispetto all'Otto.
  • Può essere utilizzato anche in combinazione con motori elettrici, per auto ibride, per compensare la coppia inferiore.

Formule del ciclo di Atkinson

Infine, per quanto riguarda il formule per il ciclo di Atkinson, hai un efficienza termica, è anche definito come il rapporto tra lavoro (W) e apporto termico (QH):

L'immagine mostra come calcolare il efficienza termica con simbolo η. Y rappresenta la quantità di calore in ingresso che finisce per essere trasformata in lavoro, secondo il Primo Principio della Termodinamica.

E come lui calore residuo (Qc) nell'ambiente e somma del lavoro (W) dovrebbe essere uguale al calore in entrata, la formula può essere riassunta come mostrato nell'immagine sopra.

Inoltre, poiché il calore assorbito durante la combustione della miscela aria-carburante con la candela viene prodotto a volume pressoché costante, allora non vi è alcun lavoro svolto dal o sul motore in quel momento, che I legge della termodinamica dicta  ∆U = ∆Q. Pertanto, i calori di ingresso e di uscita del motore potrebbero essere calcolati con:

Q _iscrizione =mc _v (T ₃ - T ₂ )

Q _salida =mc _p (T ₄ - T ₁ )

Inoltre, secondo il rapporto di:

• Compressione –> V ₁ /V ₂
• Espansione –> V ₄ /V ₃

Ne consegue che la costante k è:

k = c _p / vs _v