Motor. Diferencias entre los ciclos de Otto y Atkinson

Desde hace algún tiempo, el término "motor de ciclo económico Atkinson" se ha vuelto cada vez más común. ¿Qué es este ciclo y por qué reduce el consumo de combustible?

Los motores de gasolina de cuatro tiempos más comunes en la actualidad funcionan con el llamado ciclo Otto, desarrollado a fines del siglo XIX por el inventor alemán Nikolaus Otto, el diseñador de uno de los primeros motores de combustión interna alternativos exitosos. La esencia de este ciclo consiste en cuatro carreras realizadas en dos revoluciones del cigüeñal: la carrera de admisión, la carrera de compresión, la carrera de trabajo y la carrera de escape.

Al comienzo de la carrera de admisión, se abre la válvula de admisión, a través de la cual se aspira la mezcla de aire y combustible desde el colector de admisión al retraer el pistón. Antes del inicio de la carrera de compresión, la válvula de admisión se cierra y el pistón que regresa a la cabeza comprime la mezcla. Cuando el pistón alcanza su posición máxima, la mezcla se enciende con una chispa eléctrica. Los gases de escape calientes resultantes se expanden y empujan el pistón, transfiriéndole su energía, y cuando el pistón está lo más lejos posible de la cabeza, la válvula de escape se abre. La carrera de escape comienza cuando el pistón de retorno empuja los gases de escape fuera del cilindro y hacia el colector de escape.

Desafortunadamente, no toda la energía de los gases de escape se utiliza durante la carrera de potencia para empujar el pistón (y, a través de la biela, para girar el cigüeñal). Todavía están bajo alta presión cuando la válvula de exhalación se abre al comienzo de la carrera de exhalación. Podemos aprender sobre esto cuando escuchamos el ruido que hace un automóvil con un silenciador roto: es causado por la liberación de energía en el aire. Esta es la razón por la cual los motores de gasolina tradicionales tienen solo un 35 por ciento de eficiencia. Si fuera posible aumentar la carrera del pistón en la carrera de trabajo y aprovechar esta energía...

Esta idea se le ocurrió al inventor inglés James Atkinson. En 1882, diseñó un motor en el que, gracias a un complejo sistema de empujadores que conectaban los pistones al cigüeñal, la carrera de potencia era más larga que la carrera de compresión. Como resultado, al comienzo de la carrera de escape, la presión de los gases de escape era casi igual a la presión atmosférica y su energía se utilizó por completo.

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Entonces, ¿por qué la idea de Atkinson no se ha utilizado más ampliamente y por qué los motores de combustión interna han estado utilizando el ciclo Otto menos eficiente durante más de un siglo? Hay dos razones: una es la complejidad del motor Atkinson, y la otra, y más importante, la menor potencia que recibe de una unidad de desplazamiento.

Sin embargo, a medida que se prestaba cada vez más atención al consumo de combustible y al impacto de la motorización en el medio ambiente, se recordaba la alta eficiencia del motor Atkinson, especialmente a velocidades medias. Su concepto demostró ser una excelente solución, especialmente en vehículos híbridos, en los que el motor eléctrico compensa la falta de potencia, especialmente necesaria al arrancar y acelerar.

Es por eso que el motor de ciclo Atkinson modificado se usó en el primer automóvil híbrido producido en masa, el Toyota Prius, y luego en todos los demás híbridos Toyota y Lexus.

¿Qué es un ciclo de Atkinson modificado? Esta ingeniosa solución hizo que el motor Toyota conservara el diseño clásico y simple de los motores convencionales de cuatro tiempos, y el pistón recorre la misma distancia en cada carrera, siendo la carrera efectiva más larga que la carrera de compresión.

De hecho, debería decirse de otra manera: el ciclo de compresión efectivo es más corto que el ciclo de trabajo. Esto se logra retrasando el cierre de la válvula de admisión, que se cierra poco después del inicio de la carrera de compresión. Por lo tanto, parte de la mezcla de aire y combustible se devuelve al colector de admisión. Esto tiene dos consecuencias: la cantidad de gases de escape producidos cuando se quema es menor y es capaz de expandirse completamente antes del inicio de la carrera de escape, transfiriendo toda la energía al pistón, y se requiere menos energía para comprimir menos mezcla, lo que reduce las pérdidas internas del motor. Con esta y otras soluciones, el motor del tren motriz del Toyota Prius de cuarta generación pudo lograr una eficiencia térmica de hasta un 41 por ciento, que anteriormente solo estaba disponible en motores diésel.

La belleza de la solución es que el retraso en el cierre de las válvulas de admisión no requiere grandes cambios estructurales, basta con utilizar un mecanismo controlado electrónicamente para cambiar la sincronización de las válvulas.

Y si es así, ¿por qué no al revés? Bueno, por supuesto; ¡naturalmente! Los motores de ciclo de trabajo variable se han producido durante algún tiempo. Cuando la demanda de potencia es baja, como cuando se conduce por caminos tranquilos, el motor funciona con el ciclo Atkinson para reducir el consumo de combustible. Y cuando se requiere el mejor rendimiento, desde faros o adelantamientos, cambia al ciclo Otto, utilizando toda la dinámica disponible. Este motor turboalimentado de inyección directa de 1,2 litros se utiliza, por ejemplo, en el Toyota Auris y en el nuevo SUV urbano Toyota C-HR. El mismo motor de dos litros se usa en los Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t y RC 200t.