Los motores solían hacer mucho ruido. Se hicieron más grandes, más rápidos y más malos con cada década que pasaba, eructando gases de escape como un dragón enojado que guarda su tesoro. Al menos, esa es la imagen que vende el tipo de las llantas anchas y las llamas retocadas. Pero en algún momento del siglo XX, nos dimos cuenta de que esas máquinas que escupían fuego estaban matando a algo más que a los oponentes de las carreras de resistencia. El smog asfixiaba las ciudades. El clima estaba cambiando. Estábamos convirtiendo la Comarca en Mordor.
Entonces, ¿quién vino a salvarnos? ¿Quién empuñó la espada de la ciencia para domar a estos consumidores de gasolina? No fue un genio moderno de Silicon Valley. Era James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Inglaterra. En 1887.
Sí, la base de la tecnología moderna de motores ecológicos proviene de los albores de la era del automóvil. El motor de ciclo Atkinson fue patentado en los Estados Unidos en 1887, tras presentaciones anteriores en el Reino Unido y Europa. Parece absurdo que las carreras desiguales de los pistones de un motor de gasolina de la época victoriana encajen perfectamente en los sistemas híbridos actuales. Pero para entender por qué el motor de ciclo Atkinson está ahora en todas partes en los híbridos, tenemos que volver a la fuente.
La mecánica de la eficiencia
La patente estadounidense de Atkinson, número 367.496, es una lectura seca. Se trata de mil palabras de texto legalista y algunos diagramas útiles. Puedes leerlo o simplemente entender la mecánica, que es mucho menos tediosa.
La mayoría de los automóviles actuales funcionan según el ciclo Otto. Es un proceso de cuatro tiempos en el que un pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo en un cilindro, encendido por una bujía. Aquí está el repaso rápido:
- Carrera de admisión: El pistón se mueve hacia abajo, aspirando aire y combustible.
- Carrera de compresión: El pistón se mueve hacia arriba, aplastando la mezcla. Esto hace que la explosión sea más fuerte cuando se dispara la chispa.
- Golpe de potencia: La explosión fuerza el pistón hacia abajo. Esto hace girar el cigüeñal.
- Carrera de escape: El pistón vuelve a subir, expulsando los restos quemados.
En un motor Otto estándar, esto requiere dos rotaciones completas del cigüeñal. El diseño original de Atkinson agregó enlaces para completar los cuatro golpes en una sola rotación. Sólo eso aumenta la eficiencia.
Pero Atkinson tuvo una idea más inteligente. ¿Qué pasa si comprimes menos la mezcla de combustible y aire, pero dejas que la carrera de potencia se expanda más? Menos compresión significa que utiliza menos combustible para lograr el mismo trabajo. El motor se vuelve más eficiente.
Así es como funciona físicamente en el cilindro:
- La válvula de admisión se cierra antes de tiempo. El pistón no baja del todo.
- Obtienes una menor carga de aire y combustible en el interior.
- El pistón sube, comprimiendo esa carga más pequeña.
- Las bujías lo encienden.
- La explosión resultante empuja el pistón hacia abajo hasta el final hasta el fondo del cilindro.
Debido a que la carrera de expansión es más larga que la carrera de compresión, se extrae más energía de esa pequeña cantidad de combustible. Cuatro golpes. Menos combustible. Ta da.
La pena de poder
Probablemente estés pensando: si usas menos combustible y comprimes menos, obtienes menos potencia. Tienes razón.
Aunque el pistón viaja más durante la carrera de potencia, la carga inicial es tan pequeña que la fuerza total generada es menor que en un motor Otto de alta compresión. Es una compensación. Se gana eficiencia térmica, pero se pierde potencia máxima.
Luego está el hardware. El motor Atkinson original requería un montón de resortes, eslabones vibratorios y un tubo de encendido al rojo vivo. Era caro de construir y una pesadilla de montar. Los ingenieros modernos lo tienen más fácil. Pero el principio central permaneció: sacrificar algo de potencia máxima para ganar una eficiencia masiva.
El motor de ciclo Atkinson moderno
Un avance rápido hasta la década de 1990. Toyota está luchando por hacer viable su primer híbrido, el Prius. El motor debe funcionar de manera eficiente a bajas velocidades, donde los motores Otto tradicionales desperdician combustible. El ciclo Atkinson, con su alta eficiencia térmica, fue la respuesta.
Pero no se puede simplemente construir un motor estilo 1887 con un millón de palancas y resortes. Necesitas algo más simple.
Ingrese al ciclo de Miller.
El ciclo Miller es esencialmente un motor de ciclo Atkinson construido con válvulas modernas. En lugar de complejas conexiones mecánicas, utiliza el cierre temprano de la válvula de admisión. La válvula permanece abierta mientras el pistón todavía se mueve hacia arriba, expulsando parte del aire. Esto logra el mismo efecto: una carrera de compresión efectiva más corta y una carrera de expansión más larga.
Está más limpio. Es más barato. Y encaja perfectamente en el ecosistema híbrido.
¿Por qué esto es importante para ti? Porque el motor de ciclo Atkinson es el socio silencioso en su ahorro de combustible. No grita ante los semáforos en rojo. No necesita un turbocompresor para compensar su falta de potencia. Simplemente funciona. En silencio. Eficientemente.
El problema es que los motores Atkinson odian las cargas elevadas. Son terribles para acelerar con fuerza o remolcar. Por eso los híbridos los utilizan. El motor eléctrico se encarga de las cosas que consumen mucha energía: aceleración, pendientes, adelantamientos. El motor Atkinson se encarga del crucero. Funciona en su punto óptimo y quema menos combustible que cualquier motor Otto.
Entonces, cuando vea un híbrido que afirma tener un MPG increíble, recuerde el fantasma de 130 años en la máquina. James Atkinson no se limitó a inventar un motor. Inventó una manera de hacer más con menos. Y en un mundo que se está quedando sin petróleo y sin paciencia, esa es la única métrica que realmente importa.
Pero hay un problema. El ciclo de Atkinson no es perfecto. Tiene problemas a altas RPM. Necesita ayuda. Y ahí es donde entra en juego el motor eléctrico. El híbrido no sólo combina dos sistemas de propulsión; crea uno nuevo. Uno que imite la eficiencia del pasado mientras utiliza la tecnología del futuro.
La pregunta no es si el ciclo de Atkinson reemplazará al ciclo de Otto. Se trata de si podemos hacerlo aún mejor. Y eso nos lleva a la siguiente evolución. La relación de compresión variable. La sincronización adaptativa de válvulas. El futuro todavía está escribiendo el guión. Pero el primer capítulo fue escrito en Hampstead, en 1887. Y todavía se lee, un eficiente golpe de pistón a la vez.
现代阿特金森循环发动机看起来与标准奥托循环发动机相同. 您不会发现外壳或外部组件有什么不同。 丰田大学的戴维·李证实了这一事实。 他指出,普锐斯发动机中没有任何东西是普通汽油发动机中所没有的. 请注意，丰田大学不向公众开放。 在新技术进入经销商之前，它对员工进行培训。
机械变化是内部的。 早期的阿特金森设计使用复杂的连杆来调整曲轴的位置。 如今，可变气门正时可以完成这项工作。 它更便宜。 工程设计更容易。 目标与 1887 年相同。
Cómo funciona el cierre tardío de la válvula de admisión
El motor Atkinson original cerró la válvula de admisión antes de tiempo. Esto evita que parte de la mezcla entre en el cilindro. Los motores modernos funcionan justo al revés. La válvula de admisión ha estado abierta durante demasiado tiempo. A medida que el pistón se mueve hacia arriba con la carrera de compresión, parte de la mezcla se escapa. Los ingenieros llaman a esto cierre retardado de la válvula de admisión o LIVC.
Como resultado, la relación de compresión es baja. La bujía enciende el combustible restante. El pistón realiza una carrera de potencia completa. La carrera de escape vacía la cámara. Es una solución simple y elegante a un problema de 120 años.
Ciencia de los materiales y aumento de la eficiencia
Las mejoras de eficiencia se extienden más allá de la sincronización de válvulas. Los ingenieros han desarrollado materiales más ligeros. Pistones, aros y muelles de válvula pesan ahora menos. Un peso más ligero significa menos fricción. Esto también significa que se necesita menos energía para mover el coche.
Ford utiliza un motor DOHC en el Fusion Hybrid. Este diseño permite un control preciso del proceso de la válvula. Los componentes livianos y un árbol de levas avanzado trabajan juntos para exprimir más millas por cada galón de gasolina.
功率权衡
有一个问题。 现代阿特金森循环发动机产生的功率较少。 它的前身也遭受了同样的命运。 大卫·李承认，该发动机在传统汽车中会遇到困难。 它缺乏高速性能所需的强力。
但混合动力并不困难。 他们茁壮成长。
El matrimonio del sistema de propulsión híbrido
El motor Atkinson carece de par. No diseñado para carreras de resistencia. Sin embargo, los motores eléctricos pueden proporcionar un par instantáneo desde cero rpm. La contrapartida es la velocidad máxima. Los motores eléctricos no pueden mantener muy bien altas velocidades. Los motores de gasolina son excelentes para circular por carretera.
Los ingenieros híbridos combinan estas ventajas. Piense en ello como chocolate y mantequilla de maní. A bajas velocidades, el motor eléctrico impulsa el vehículo. Se encargan del trabajo pesado de la aceleración y el tráfico con paradas y arranques. El motor de gasolina arranca rápidamente cuando presiona el pedal del acelerador. El motor eléctrico ayuda.
El motor Atkinson arranca a unas 40 millas por hora. Funciona casi en su totalidad con una pequeña asistencia eléctrica. Esto permite a los ingenieros ajustar el motor para lograr una eficiencia óptima. Cuando presionas el pedal, obtiene energía de dos fuentes. Lee señala que el sistema hace exactamente lo que pide el usuario.
Equilibrio de carga y MPG real
Esta sinergia equilibra la carga. Los coches totalmente híbridos como el Toyota Prius y el Ford Escape tienen una mayor autonomía en ciudad que en carretera. Esto invierte el estándar para la mayoría de los vehículos. Conducir en ciudad requiere velocidades bajas. Inicio y apagado repetidos. La velocidad máxima es baja. El motor eléctrico soporta la mayor parte de la carga.
En la carretera las condiciones cambian. Mantienes velocidades más altas. Los motores de gasolina funcionan de forma independiente. Le cuesta igualar el MPG de la ciudad. Pero en entornos urbanos, el ciclo Atkinson brilla.
Preguntas frecuentes: motores de ciclo Atkinson
¿Qué es un motor de ciclo Atkinson?
El pistón se mueve dentro del cilindro. La chispa enciende la mezcla. El diseño original utilizaba una biela adicional para los cuatro tiempos de una revolución del cigüeñal. Las versiones modernas utilizan sincronización variable de válvulas para lograr resultados similares.
¿En qué se diferencia el ciclo de Atkinson del ciclo de Otto?
El ciclo de admisión completa la admisión, la compresión, la potencia y la admisión de gases de escape dentro de dos revoluciones del cigüeñal. El motor Atkinson original utilizaba un complejo sistema de biela para comprimir aire y combustible de manera más eficiente. Los motores Atkinson modernos ahora utilizan el cierre retardado de la válvula de admisión (LIVC) para simular este efecto.
¿Por qué funciona el ciclo de Atkinson?
La válvula de aspiración permanece abierta más tiempo. Parte de la mezcla se elimina durante la carrera de compresión. Esto reduce la relación de compresión. El siguiente golpe de potencia aprovecha mejor la combustión. La carrera de escape vacía el cilindro.
¿Es el ciclo de Atkinson una variante del ciclo de Otto?
Sí. Se trata de una modificación que tiene como objetivo mejorar la eficiencia térmica. Con las implementaciones modernas, esto se logra mediante una sincronización precisa de las válvulas en lugar de un varillaje mecánico.
¿Dónde se utiliza esta tecnología?
Utilizado principalmente en coches híbridos. Toyota, Ford y otros fabricantes lo utilizan para maximizar la economía de combustible de sus motores de gasolina y eléctricos.
