Ciclo de Atkinson

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 variante de este enfoque se utiliza en algunos motores de automóviles modernos. Si bien originalmente se veía exclusivamente en aplicaciones híbridas eléctricas, como el Toyota Prius de primera generación , los híbridos más recientes y algunos vehículos no híbridos ahora incorporan motores con distribución variable de válvulas . La distribución variable de válvulas puede funcionar en el ciclo Atkinson como un régimen de funcionamiento parcial, lo que proporciona un buen consumo de combustible en este modo y una densidad de potencia convencional en el 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 de sobrecentro para crear cuatro carreras de pistón en una revolución del cigüeñal. Este inusual 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 un motor de dos tiempos.

Además de las características implementadas para evitar las patentes de Otto, lo verdaderamente único del diseño de Atkinson es que sus motores tienen una carrera de expansión más larga que la de compresión, lo que les permite alcanzar una mayor eficiencia térmica que un motor de pistón tradicional. Los motores de Atkinson fueron fabricados por la British Gas Engine Company y también se concedieron licencias a otros fabricantes extranjeros.

Muchos motores modernos utilizan ahora un eje del cigüeñal desplazado del eje del cilindro (lo que los convierte en motores desaxe ) y/o una distribución de válvulas no convencional para producir el efecto de una carrera de compresión más corta/una carrera de potencia más larga. Ralph Miller, un ingeniero estadounidense, aplicó esta técnica al motor de cuatro tiempos, por lo que a veces se le conoce como el 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 de 1889. El motor de gas Charon (de cuatro tiempos) utilizaba un ciclo similar al de Miller, pero sin sobrealimentador. Se le 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 a medida que aumentaba la carga del motor. Por otro lado, la compresión disminuía a cargas bajas y medias, lo que en última instancia reducía la eficiencia. ^{[ 4 ]}

En Bristol , Roy Fedden probó en 1928 un sistema en el motor Bristol Jupiter IV, con un retardo de encendido variable que permitía que parte de la carga se reintrodujera en el colector de admisión, con el fin de mantener presiones de funcionamiento reducidas durante el despegue.

La primera implementación del ciclo Atkinson fue en 1882; a diferencia de versiones posteriores, estaba dispuesto como un motor de pistones opuestos , el motor diferencial Atkinson. ^{[ 5 ] [ 6 ]} En este, un solo cigüeñal estaba conectado a dos pistones opuestos a través de un mecanismo articulado que tenía una no linealidad; durante media revolución, un pistón permanecía 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 la carrera de compresión y la carrera de potencia, y luego el otro pistón proporcionaba la carrera de escape y la carrera de carga. Como el pistón de potencia permanecía retraído durante el escape y la carga, era práctico proporcionar el escape y la carga mediante válvulas situadas detrás de un orificio que quedaba cubierto durante la carrera de compresión y la carrera de potencia, por lo que las válvulas no necesitaban resistir altas presiones y podían ser del tipo más sencillo utilizado en muchas máquinas de vapor, o incluso 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 de palanca 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 fabricados y vendidos durante varios años por la British Engine Company. Atkinson también otorgó licencias de producción a otros fabricantes. La potencia variaba desde unos pocos caballos hasta 100 caballos de fuerza.

El tercer diseño de Atkinson se denominó "Motor Utilitario". ^{[ 7 ]} El motor "Ciclo" de Atkinson era eficiente; sin embargo, su mecanismo era difícil de equilibrar para operar a alta velocidad. Atkinson se dio cuenta de que era necesario mejorarlo para que su ciclo fuera más adecuado como motor de alta velocidad.

Con este nuevo diseño, Atkinson logró eliminar las articulaciones y crear un motor más convencional y equilibrado, capaz de alcanzar velocidades de hasta 600 rpm y generar potencia en cada revolución. Sin embargo, conservó toda la eficiencia de su "Motor de Ciclo", que cuenta con una carrera de compresión proporcionalmente corta y una carrera de expansión más larga. El Utilite funciona de forma muy similar a un motor de dos tiempos estándar, con la diferencia de que el puerto de escape se encuentra aproximadamente a la mitad de la carrera.

Durante la fase de expansión/potencia, una válvula accionada por leva (que permanece cerrada hasta que el pistón se acerca al final de su recorrido) impide que la presión escape a medida que el pistón pasa por el puerto de escape. La válvula de escape se abre cerca del final del recorrido y permanece abierta mientras el pistón regresa hacia la compresión, permitiendo que entre aire fresco al cilindro y que los gases de escape escapen hasta que el pistón cubra el puerto.

Una vez cubierta la lumbrera 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 los demás 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 demostró ser incluso más eficiente que los diseños anteriores de Atkinson, basados ​​en diferenciales y ciclos. Se fabricaron muy pocas unidades y no se conserva ninguna. La patente británica data de 1892, número 2492. No se conoce ninguna patente estadounidense para el motor Utilite.

El ciclo Atkinson ideal consta de:

• 1–2 Compresión adiabática isentrópica o reversible​
• 2–3 Calentamiento isocórico (Qp)
• 3–4 Calentamiento isobárico (Qp')
• 4–5 Expansión isentrópica
• 5–6 Enfriamiento isocórico (Qo)
• 6–1 Enfriamiento isobárico (Qo')

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 permanece abierta más tiempo de lo normal, permitiendo un flujo inverso de aire de admisión hacia el colector de admisión. Este ciclo Atkinson "simulado" se utiliza principalmente en el motor Toyota 1NZ-FXE de los primeros Prius y en los motores Toyota Dynamic Force .

La relación de compresión efectiva se reduce —mientras el aire escapa libremente del cilindro en lugar de comprimirse—, pero la relación de expansión permanece inalterada (es decir, la relación de compresión es menor que la de expansión). El objetivo del ciclo Atkinson moderno es igualar la presión en la cámara de combustión al final de la carrera de potencia a la presión atmosférica. Cuando esto ocurre, se ha obtenido toda la energía disponible del proceso de combustión. Para una cantidad de aire determinada, una mayor relación de expansión convierte más energía térmica 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 motor de ciclo Otto, más común, radica en su 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 aspira tanto aire como un motor de ciclo Otto de diseño y tamaño similares. Los motores de cuatro tiempos de este tipo que utilizan el mismo mecanismo de válvula de admisión, pero que además incorporan sobrealimentación para compensar la pérdida de densidad de potencia, se conocen como motores de ciclo Miller .

El ciclo Atkinson puede utilizarse en un motor rotativo . En esta configuración, se logra un aumento tanto en potencia como en eficiencia en comparación con el ciclo Otto. Este tipo de motor conserva la fase de potencia única 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 de aire comprimido. Esta modificación del ciclo Atkinson permite el uso de combustibles alternativos como el diésel y el hidrógeno.

Entre las desventajas de este diseño se incluyen la necesidad de que las puntas del rotor sellen herméticamente contra la pared exterior de la carcasa y las pérdidas mecánicas debidas a la fricción entre las piezas de forma irregular que oscilan rápidamente. Consulte los  enlaces externos a continuación para obtener más información.

Si bien un motor de pistón de ciclo Otto modificado que utiliza el ciclo Atkinson proporciona una buena eficiencia de combustible , esto se logra a expensas de una menor potencia por cilindrada en comparación con un motor de cuatro tiempos tradicional. ^{[ 8 ]} Si la demanda de mayor potencia es intermitente, la potencia del motor puede ser complementada por un motor eléctrico durante los momentos en que se necesita más potencia. Esto constituye la base de un sistema de propulsión híbrido eléctrico basado en el ciclo Atkinson . Estos motores eléctricos pueden utilizarse de forma independiente o en combinación con el motor de ciclo Atkinson, para proporcionar la forma más eficiente de producir la potencia deseada. Este sistema de propulsión entró en producción por primera vez a finales de 1997 en la primera generación del Toyota Prius .

La patente de 1887 (US 367496) describe los mecanismos necesarios para obtener los cuatro tiempos del ciclo de cuatro tiempos de un motor de gas en 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 . ^{[ 6 ]} La patente británica para el "Utilite" es de 1892 (n.º 2492).

• Historia del motor de combustión interna
• Distribución variable de válvulas
• Elevación variable de la válvula

• Comparación de motores primarios adecuados para fuentes de energía expedicionarias del Cuerpo de Marines de EE. UU. , Laboratorio Nacional de Oak Ridge
• Libralato Engines : desarrollo de un motor rotativo de ciclo Atkinson.
• Motor rotativo de ciclo Atkinson. Archivado el 19/06/2020 en Wayback Machine : proporciona detalles sobre este motor, así como comparaciones con motores convencionales y Wankel.
• Los secretos no tan secretos del Prius sobre el ahorro de combustible : cómo el Prius utiliza el ciclo Atkinson para obtener mejores resultados que un motor de ciclo Otto.
• James Atkinson en Find A Grave – detalles personales