Motores de gasolina con ciclo Atkinson

En este post os vamos a  comentar el funcionamiento de los motores de gasolina que funcionan según el ciclo Atkinson, empleados principalmente en los vehículos híbridos de la marca Toyota y Lexus.

  

Los ensayos realizados sobre los motores de ciclo Atkinson demuestran que su rendimiento es aproximadamente un 13% superior a los motores convencionales que funcionan según el ciclo Otto.

Sin embargo, si su rendimiento es superior, ¿por qué este tipo de motores no se ha extendido a una gama de vehículos más amplia?

Para dar respuesta a esta pregunta, es necesario conocer cómo funcionan, así como sus ventajas e inconvenientes frente a un motor convencional.

Funcionamiento de un motor de ciclo Atkinson

Originalmente y a diferencia del funcionamiento actual, el motor de ciclo Atkinson realizaba los cuatro tiempos (admisión, compresión, expansión y escape) en una vuelta de cigüeñal. Los motores de ciclo Otto necesitan dos vueltas de cigüeñal para realizar los mismos tiempos.

Actualmente, este concepto se ha modificado y la principal diferencia entre un motor de ciclo Otto y uno de ciclo Atkinson, es que durante una parte de la carrera de compresión (aproximadamente la mitad), las válvulas de admisión permaneces abiertas. Esto se consigue mediante la modificación de las levas de admisión del árbol de levas, ofreciendo la ventaja de que las pérdidas producidas en el motor debidas a la compresión de la mezcla se reducen drásticamente.

 Árbol de levas de admisión: las crestas de las                   Árbol de levas de escape: la forma de 

levas están más prolongadas de lo habitual para                sus levas es convencional.

que las válvulas permanezcan más tiempo abiertas

Con esta modificación, durante la carrera de compresión (momento en que se comprime la mezcla de aire y combustible aspirada previamente) y debido a que las válvulas de admisión permanecen abiertas, parte de la mezcla es devuelta al colector de admisión.

La relación de compresión de un motor es el volumen de aire de la carrera de compresión más el volumen de aire de la cámara de combustión dividido por el volumen de aire de la cámara de combustión.

 RC = Vol. aire carrera compresión + Vol. aire cámara combustión

Vol. aire cámara combustión 

 Durante la carrera de compresión, esta relación se sitúa en 8:1 pues empieza a contar en el momento en que cierra la válvula de admisión mientras que en la carrera de expansión es de 13:1, que corresponde al recorrido del pistón hacia abajo con las válvulas cerradas (única carrera en que se realiza trabajo).

Debido a esta asimetría, cuando finaliza el ciclo de trabajo  y las válvulas de escape se disponen a abrir, la presión interna del cilindro es aproximadamente la presión atmosférica mientras que en un motor de gasolina convencional es ligeramente superior, es decir que no se ha aprovechado toda la fuerza que empujaba el pistón hacia abajo.

A su vez, el recorrido del pistón en su carrera ascendente llena el colector de admisión (recordamos que las válvulas de admisión permanecen abiertas hasta aproximadamente la mitad del recorrido) dando como resultado un aumento de la presión en su interior (pues esta siempre es inferior a la atmosférica) que favorece al  llenado de los otros cilindros y minimiza las pérdidas producidas por el reflujo de los gases.

El esfuerzo mecánico de los motores de ciclo Atkinson es inferior a los motores de ciclo Otto debido a que su relación de compresión es inferior, lo que proporciona una mayor duración de la mecánica.

A su vez, su coste de producción es similar al de un motor de gasolina convencional. También su peso, ruido y emisión de gases contaminantes, quedando alejado del elevado coste, peso y ruido de los motores diesel. 

  

Por el momento sólo se han destacado los puntos fuertes de estos motores. Es hora de explicar por qué estos motores no se montan en modelos que no sean híbridos.

La principal desventaja, es que al comprimir menos cantidad de mezcla, la fuerza de empuje sobre la cabeza del pistón en el momento de saltar la chispa es inferior a la de un motor convencional, dando pié a motores menos potentes. Un ejemplo es el motor 1.800cm³ del Toyota Prius de tercera generación que sólo desarrolla una potencia de 100Cv.

Debido a la configuración de los tiempos, las revoluciones máximas de giro de estos motores, se ve limitada a 5.000r.p.m aproximadamente y la potencia específica (potencia obtenida a partir de la cilindrada) es baja lo que implica que estos motores entreguen la misma potencia que un motor de cilindrada inferior proporcionando la sensación al conductor de que su coche no tiene potencia.

Sin embargo, en un vehículo híbrido, esta sensación no se produce pues la sensación de potencia proviene del motor eléctrico y una caja de cambios del tipo CVT (Transmisión por Variador Continuo) que se ocupa de mantener el motor a sus revoluciones óptimas.

Para entendernos, la función de un motor de combustión en un vehículo híbrido solo es mantener su inercia una vez a dejado de acelerar, del resto, se ocupa el motor eléctrico.