Os motores costumavam ser barulhentos. Eles ficaram maiores, mais rápidos e mais cruéis a cada década que passava, arrotando gases como um dragão furioso guardando seu tesouro. Pelo menos essa é a imagem vendida pelo cara dos pneus largos e das chamas retocadas. Mas algures no século XX, percebemos que aquelas máquinas cuspidoras de fogo estavam a matar mais do que apenas adversários de corridas de arrancada. A poluição estava sufocando as cidades. O clima estava mudando. Estávamos transformando o Condado em Mordor.
Então, quem veio nos salvar? Quem empunhou a espada da ciência para domar esses bebedores de gasolina? Não era um gênio moderno do Vale do Silício. Foi James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Inglaterra. Em 1887.
Sim, a base da moderna tecnologia de motores verdes vem do início da era automotiva. O motor de ciclo Atkinson foi patenteado nos Estados Unidos em 1887, após registros anteriores no Reino Unido e na Europa. Parece absurdo que os cursos irregulares do pistão de um motor a gasolina da era vitoriana se encaixem perfeitamente nos sistemas híbridos atuais. Mas para entender por que o motor do ciclo Atkinson está em toda parte nos híbridos agora, temos que voltar à fonte.
A Mecânica da Eficiência
A patente de Atkinson nos EUA, número 367.496, é uma leitura seca. São cerca de mil palavras de texto legalista e alguns diagramas úteis. Você pode lê-lo ou apenas entender a mecânica, que é muito menos tediosa.
A maioria dos carros hoje funciona no ciclo Otto. É um processo de quatro tempos em que um pistão se move para cima e para baixo em um cilindro, acionado por uma vela de ignição. Aqui está uma atualização rápida:
- Curso de admissão: O pistão desce, sugando ar e combustível.
- Curso de compressão: O pistão se move para cima, comprimindo a mistura. Isso torna a explosão mais difícil quando a faísca dispara.
- Curso de força: A explosão força o pistão para baixo. Isso gira o virabrequim.
- Curso de exaustão: O pistão sobe novamente, empurrando para fora as sobras queimadas.
Em um motor Otto padrão, são necessárias duas rotações completas do virabrequim. O design original de Atkinson adicionou ligações para completar todos os quatro golpes em apenas uma rotação. Isso por si só aumenta a eficiência.
Mas Atkinson teve uma ideia mais inteligente. E se você comprimir menos a mistura ar-combustível, mas deixar o curso de potência se expandir mais? Menos compressão significa que você usa menos combustível para realizar o mesmo trabalho. O motor se torna mais eficiente.
Aqui está como funciona fisicamente no cilindro:
- A válvula de admissão fecha mais cedo. O pistão não desce totalmente.
- Você obtém uma carga menor de ar e combustível no interior.
- O pistão sobe, comprimindo a carga menor.
- As velas de ignição acendem.
- A explosão resultante empurra o pistão totalmente até o fundo do cilindro.
Como o curso de expansão é mais longo que o curso de compressão, você extrai mais energia daquele pouquinho de combustível. Quatro golpes. Menos combustível. Ta sim.
A Pena de Poder
Você provavelmente está pensando: se usar menos combustível e comprimir menos, você terá menos potência. Você está correto.
Embora o pistão se desloque mais durante o curso de potência, a carga inicial é tão pequena que a força total gerada é menor do que num motor Otto de alta compressão. É uma troca. Você ganha eficiência térmica, mas perde potência máxima.
Depois, há o hardware. O motor Atkinson original exigia uma confusão de molas, elos vibratórios e um tubo de ignição em brasa. Era caro construir e um pesadelo montar. Para os engenheiros modernos é mais fácil. Mas o princípio central permaneceu: sacrificar parte da potência de pico para obter eficiência massiva.
O moderno motor do ciclo Atkinson
Avancemos para a década de 1990. A Toyota está lutando para tornar viável seu primeiro híbrido, o Prius. O motor precisa funcionar de forma eficiente em baixas velocidades, onde os motores Otto tradicionais desperdiçam combustível. O ciclo Atkinson, com a sua elevada eficiência térmica, foi a resposta.
Mas você não pode simplesmente construir um motor estilo 1887 com um milhão de alavancas e molas. Você precisa de algo mais simples.
Entre no ciclo Miller.
O ciclo Miller é essencialmente um motor do ciclo Atkinson construído com válvulas modernas. Em vez de ligações mecânicas complexas, utiliza o fecho antecipado da válvula de admissão. A válvula permanece aberta enquanto o pistão ainda está subindo, empurrando parte do ar para fora. Isto alcança o mesmo efeito: um curso de compressão efetivo mais curto e um curso de expansão mais longo.
É mais limpo. É mais barato. E se encaixa perfeitamente no ecossistema híbrido.
Por que isso é importante para você? Porque o motor de ciclo Atkinson é o parceiro silencioso na sua economia de combustível. Não grita com o sinal vermelho. Não precisa de turboalimentador para compensar a falta de potência. Simplesmente funciona. Silenciosamente. Eficientemente.
O problema é que os motores Atkinson odeiam cargas elevadas. Eles são terríveis em acelerar forte ou rebocar. É por isso que os híbridos os usam. O motor elétrico lida com as coisas que exigem muita energia – aceleração, subidas, ultrapassagens. O motor Atkinson cuida do cruzeiro. Ele funciona em seu ponto ideal, queimando menos combustível do que qualquer motor Otto poderia.
Então, quando você vir um híbrido reivindicando MPG incrível, lembre-se do fantasma de 130 anos na máquina. James Atkinson não inventou apenas um motor. Ele inventou uma maneira de fazer mais com menos. E num mundo que está a ficar sem petróleo e sem paciência, essa é a única métrica que realmente importa.
Mas há um problema. O ciclo de Atkinson não é perfeito. Ele luta em altas RPMs. Precisa de ajuda. E é aí que entra o motor elétrico. O híbrido não combina apenas dois motores; ele cria um novo. Um que imite a eficiência do passado ao mesmo tempo que utiliza a tecnologia do futuro.
A questão não é se o ciclo Atkinson substituirá o ciclo Otto. É se podemos torná-lo ainda melhor. E isso nos leva à próxima evolução. A taxa de compressão variável. O sincronismo adaptativo da válvula. O futuro ainda está escrevendo o roteiro. Mas o primeiro capítulo foi escrito em Hampstead, em 1887. E ainda está sendo lido, um movimento eficiente do pistão de cada 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。
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。
Como funciona o fechamento tardio da válvula de admissão
O motor Atkinson original fechou a válvula de admissão mais cedo. Isso evita que parte da mistura entre no cilindro. Os motores modernos funcionam exatamente ao contrário. A válvula de admissão ficou aberta por muito tempo. À medida que o pistão se move para cima com o curso de compressão, parte da mistura escapa. Os engenheiros chamam isso de fechamento retardado da válvula de admissão, ou LIVC.
Como resultado, a taxa de compressão é baixa. A vela de ignição acende o combustível restante. O pistão executa um curso de potência completo. O curso de exaustão esvazia a câmara. É uma solução simples e elegante para um problema de 120 anos.
Ciência de materiais e ganhos de eficiência
As melhorias de eficiência vão além do sincronismo das válvulas. Os engenheiros desenvolveram materiais mais leves. Pistões, anéis e molas de válvula agora pesam menos, anéis de pistão e molas de válvula. Peso mais leve significa menos atrito. Isso também significa que é necessária menos energia para mover o carro.
A Ford usa um motor DOHC no Fusion Hybrid. Este design permite o controle preciso do processo da válvula. Componentes leves e uma árvore de cames avançada trabalham em conjunto para extrair mais quilómetros de cada galão 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。 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。
O casamento do trem de força híbrido
O motor Atkinson carece de torque. Não projetado para corridas de arrancada. No entanto, os motores elétricos podem fornecer torque instantâneo a partir de zero rpm. A compensação é a velocidade máxima. Os motores elétricos não conseguem manter muito bem altas velocidades. Os motores a gasolina são excelentes para viagens em rodovias.
Os engenheiros híbridos combinam essas vantagens. Pense nisso como chocolate e manteiga de amendoim. Em baixas velocidades, o motor elétrico alimenta o veículo. Eles lidam com o trabalho pesado de aceleração e tráfego pára-e-arranca. O motor a gasolina dá partida rapidamente quando você pressiona o pedal do acelerador. O motor elétrico ajuda.
O motor Atkinson entra em ação a cerca de 64 quilômetros por hora. Funciona quase inteiramente com uma pequena assistência elétrica. Isso permite que os engenheiros ajustem o motor para obter eficiência ideal. Quando você pressiona o pedal, ele obtém energia de duas fontes. Lee ressalta que o sistema faz exatamente o que o usuário pede.
Balanceamento de carga e MPG real
Essa sinergia equilibra a carga. Carros totalmente híbridos como o Toyota Prius e o Ford Escape têm maior autonomia na cidade do que na rodovia. Isso inverte o padrão para a maioria dos veículos. Dirigir na cidade requer baixas velocidades. Inicialização e desligamento repetidos. A velocidade máxima é baixa. O motor elétrico carrega a maior parte da carga.
Na rodovia, as condições mudam. Você mantém velocidades mais altas. Os motores a gasolina funcionam de forma independente. Ele luta para se igualar ao MPG da cidade. Mas em ambientes urbanos, o ciclo Atkinson brilha.
FAQ: Motores do Ciclo Atkinson
O que é um motor de ciclo Atkinson?
O pistão se move dentro do cilindro. A faísca acende a mistura. O projeto original usava uma biela extra para todos os quatro cursos de uma revolução do virabrequim. As versões modernas usam comando de válvula variável para obter resultados semelhantes.
Como o ciclo Atkinson difere do ciclo Otto?
O ciclo de admissão completa a admissão, compressão, potência e admissão de gases de escape dentro de duas rotações do virabrequim. O motor Atkinson original usava um sistema complexo de biela para comprimir ar e combustível com mais eficiência. Os motores Atkinson modernos agora usam o fechamento retardado da válvula de admissão (LIVC) para simular esse efeito.
Por que o ciclo Atkinson funciona?
A válvula de sucção permanece aberta por mais tempo. Parte da mistura é removida durante o curso de compressão. Isso reduz a taxa de compressão. O curso de potência subsequente utiliza a combustão de forma mais eficaz. O curso de exaustão esvazia o cilindro.
O ciclo Atkinson é uma variante do ciclo Otto?
Sim. Esta é uma modificação que visa melhorar a eficiência térmica. Com implementações modernas, isto é conseguido através de um sincronismo preciso da válvula em vez de uma ligação mecânica.
Onde esta tecnologia é usada?
Usado principalmente em carros híbridos. Toyota, Ford e outros fabricantes utilizam-no para maximizar a economia de combustível dos seus motores eléctricos a gasolina.
