Cómo funciona un motor de ciclo Atkinson

El Toyota Prius C híbrido 2012 se presenta durante una vista previa para la prensa en el North American International Auto Show en el COBO Center el 10 de enero de 2012 en Detroit, Michigan. Bill Pugliano / Getty Images

Durante más de cien años, los motores se hicieron más grandes, más rápidos y más malos, con más caballos de fuerza y ​​par. El escape eructaba por los tubos de escape como un dragón que se despierta de su letargo para rugir a los posibles ladrones de su tesoro. Al menos, eso es lo que el tipo de los neumáticos anchos y el trabajo de las llamas con aerógrafo quiere que pienses.

Luego vino el siglo XX, cuando nos dimos cuenta de que los motores que escupen fuego estaban matando a más que a los oponentes de las carreras de semáforo en rojo. Resulta que todos esos eructos estaban cambiando el clima y creando una contaminación desagradable. 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 hábitos devoradores 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 en el Reino Unido y Europa un par de años antes). Pero las carreras desiguales del pistón en su motor de combustión a gasolina se ajustan perfectamente a nuestros modernos sistemas híbridos..

El motor de ciclo Atkinson que se utiliza en tantos híbridos en la actualidad 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 debemos saber dónde hemos estado. Configura tu máquina del tiempo para 1887!

Contenido

1. El motor de ciclo Atkinson original
2. El motor de ciclo Atkinson moderno
3. El ciclo Atkinson y los coches híbridos
4. Nota del autor

La patente estadounidense de Atkinson (número 367,496, para los nerds que adoran las patentes) es bastante sencilla: alrededor de 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 hacia el cilindro

Carrera de compresión: Aplasta la mezcla para que cuando se apague la chispa, 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 los desagradables restos 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 enlaces para que los cuatro tiempos pudieran completarse con una sola rotación del cigüeñal..

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

Imagine, si lo desea, el cilindro y el pistón. En la carrera de admisión, el pistón no se mueve completamente hacia abajo del cilindro. La válvula de admisión, donde el aire y el combustible ingresan al cilindro, no permite que entre tanta mezcla en el 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 el último bit de 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, lector inteligente que es, probablemente se haya 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 en un motor con mayor compresión y una mezcla de gas más rica..

El otro desafío con este motor es que requiere muchas piezas adicionales, lo que lo hace difícil de ensamblar, por no mencionar costoso. El pobre Atkinson tuvo que lograr toda esta eficiencia con resortes y eslabones vibrantes y un tubo de encendido al rojo vivo, que suena como un nombre excelente para una banda. Los ingenieros modernos lo tienen mucho más fácil.

Ford presentó su automóvil híbrido Fusion de 700 millas por ciudad por tanque en el Auto Show de Los Ángeles el 19 de noviembre de 2008 en Los Ángeles, California. David McNew / Getty Images

Los puristas se burlarán del motor de ciclo Atkinson de hoy, sin un 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 [Prius] que no esté en el motor normal", 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 conocer las últimas y mejores novedades en los concesionarios. Lo siento).

Lo que Atkinson tenía que lograr con la colocación del cigüeñal, ahora podemos hacerlo con sincronización variable de válvulas, una solución mucho más barata y sencilla. Recuerde que en el original de Atkinson, las válvulas de admisión se cerraban temprano para mantener fuera 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 términos de ingenieros, el método moderno se conoce como "livic": cierre tardío de la válvula de admisión. Luego, la bujía hace lo suyo, chispeando, y el pistón aprovecha la combustión con una carrera de máxima potencia hacia abajo del 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. Los 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, hace que sea aún más fácil controlar el proceso..

Y nuevamente, lector inteligente, probablemente haya notado 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 carece de potencia, especialmente de la variedad de torque, el tipo de potencia que el auto de arrastre que escupe fuego tiene en abundancia. Pero, si eres un ingeniero de sistemas de propulsión híbridos, también tienes un motor eléctrico que tiene todo el par todo el tiempo, desde 0 rpm. El problema con el motor eléctrico es que no soporta muy bien una velocidad alta, no tan bien como lo hace un motor de gasolina, con su mayor potencia. Qué hacer, ingeniero de propulsión híbrida?

Bueno, si usted es Gilbert Portalatin, quien resulta ser un ingeniero de sistemas de propulsión híbridos con Ford, o cualquier otro ingeniero en casi cualquier otra compañía automotriz que construye híbridos completos, reúne estos dos sistemas como chocolate y mantequilla de maní. A bajas velocidades, los motores eléctricos se activan con su par y hacen que el automóvil avance. A menos que seas uno de esos hipermileros súper cuidadosos que presionan el acelerador con tanta suavidad como si un gatito se escondiera debajo de él, el motor de gasolina se activará con bastante rapidez, aunque el motor eléctrico está funcionando bastante. 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 combinación, puede diseñar el motor de ciclo Atkinson para que encaje con precisión con el motor eléctrico para una eficiencia óptima. Si insiste en enfrentarse al respirador de incendios en el siguiente carril, no se quedará completamente en el polvo. "Aprieta el pedal y obtendrás lo que estás pidiendo: todos los dos motores", dijo Lee en Toyota..

Esta nivelación de la carga es la razón por la que un híbrido completo como el Toyota Prius o el Ford Escape obtiene un mejor kilometraje en la ciudad que en la carretera, exactamente lo contrario de, como, cualquier otro vehículo en la carretera. Los que no respiran fuego entre nosotros conducen muy lentamente por la ciudad. Arrancamos y paramos mucho, y no llegamos a las 75 mph, por lo que el motor eléctrico se lleva mucha 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 autos ni siquiera tenían techos permanentes en ese entonces..

Para ser perfectamente 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 qué están hablando, así que les hago repetir de seis maneras hasta el domingo para asegurarme de que lo tengo bien antes de escribir algo..

Esta vez, obtuve un bono extra-geek: ¡un libro para colorear nerd! De acuerdo, no era realmente un libro para colorear, pero si busca la patente de Atkinson usando la búsqueda de patentes de Google (número 367,496, recuerde), incluye los diagramas originales de Atkinson. Usé los ocho resaltadores y varios Sharpies de colores para realizar un seguimiento de qué válvulas hacían qué, y por dónde entraba el aire y salía el escape. Luego codifiqué por colores el texto de la patente, que también había impreso, para que cuando estuviera leyendo, pudiera hacer coincidir el enlace vibrante H 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 con la mayor frecuencia posible. Mi niño de ocho años interior está muy feliz.

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Fuentes

• Aguilar, Mike. "El motor de ciclo de Atkinson". Bright Hub. 25 de noviembre de 2011 (8 de febrero de 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Motores animados. "Motor Atkinson". (8 de febrero de 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. "Patente de motor de gasolina 367,496". Oficina de Patentes de EE. UU. 2 de agosto de 1887. (8 de febrero de 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Administrador de educación de productos, Universidad de Toyota. Entrevista telefónica realizada el 7 de febrero de 2012.
• Octavio Navarro. Relaciones públicas, Ford Motor Company. Entrevista por teleconferencia realizada el 10 de febrero de 2012.
• Portalatin, Gilbert. Ingeniero de sistemas híbridos, Ford Motor Company. Entrevista por teleconferencia realizada el 10 de febrero de 2012.
• Stephen Russ. Ingeniero de motores de 2.0L AC, Ford Motor Company. Entrevista por teleconferencia realizada el 10 de febrero de 2012.