CICLO ATKINSON. Pérez Chapeta Kerly Zarith a, Peralta Beltran Claudia Alejandra b a,b
Pamplona University, Km 1 Via B/manga, Pamplona, Colombia
Resumen El motor que funciona con ciclo Atkinson, ideado por el ingeniero inglés James Atkinson, es ligeramente diferente del habitual con ciclo Otto de cuatro tiempos. En cualquier motor de combustión interna, el rendimiento termodinámico se ve favorecido por una relación de compresión alta. Esta relación de compresión está limitada por la tendencia que tiene la gasolina a producir detonación. El motor de ciclo Atkinson trata de aprovechar las ventajas que supone una alta relación de compresión, reduciendo la duración efectiva de la carrera de compresión con respecto a la de expansión. Lo hace retrasando el cierre de la válvula de admisión, lo que provoca un cierto reflujo de gases hacia el colector de admisión mientras el pistón asciende. Este ciclo ha sido en ocasiones denominado como «de cinco tiempos»: admisión, reflujo de gases, compresión, expansión y escape. Los motores de ciclo Atkinson se utilizan actualmente en algunos automóviles híbridos, como el Toyota Prius o el Mercedes-Benz S 400 HYBRID. Palabras clave: Atkinson, otto, compresión.
Abstract The Atkinson cycle engine, devised by English engineer James Atkinson, is slightly different from the usual four-stroke Otto cycle. In any internal combustion engine, thermodynamic performance is favoured by a high compression co mpression ratio. This compression c ompression ratio is limited by the tendency that gasoline has to produce detonation. deton ation. The Atkinson cycle engine tries to take advantage of the advantages of a high compression ratio, reducing the actual duration of the compression stroke with respect to the expansion. It does so by delaying the closure of the inlet valve, which causes a certain reflux of gases into the intake manifold while the piston ascends. This cycle has sometimes been referred to as "five-stroke": admission, gas reflux, compression, expansion and exhaust. Atkinson cycle engines are currently used in some hybrid cars, such as the Toyota Prius or the Mercedes-Benz S 400 hybrid. Keywords: Atkinson, Otto, compression.
1
1. Introducción. Los motores de ciclo Atkinsón son motores de combustión interna con ciclos de cuatro tiempos prácticamente iguales a los de ciclo Otto, aunque tienen como desventaja la consecución de una potencia inferior. En el aspecto positivo aprovechan mejor el combustible, pudiendo con ello obtener mejores cifras de consumo. En un motor de ciclo Atkinson se dispone igualmente de los cuatro tiempos de un motor de gasolina, con la admisión, compresión, explosión y escape, no obstante en este tipo de motores se cierra tarde la válvula de admisión durante el proceso de compresión, con lo que disminuye entonces la compresión real, pues la compresión real no comienza de manera efectiva hasta que la válvula de admisión se haya cerrado, provocando con ello que la relación de compresión pueda ser de incluso la mitad que si la válvula se cerrara antes, tal y como ocurre en un ciclo Otto de cuatro tiempos tradicional. Un motor de ciclo Atkinson funciona, en general, igual que un motor de ciclo Otto de cuatro tiempos salvo en la fase de compresión. (PASIÓN, 2018)
Figura 1. vista completa de motor.
El motor de ciclo Atkinson es un tipo de motor de combustión interna diseñado para ofrecer mayor eficiencia a expensas de la potencia.
Gráfico 1. Gráfico P-V
Este es el diagrama presión-volumen del ciclo Atkinson. Se produce un mayor aporte de calor a volumen constante en Q p y otro en Q p‘, mientras que el calor residual cedido por los gases de escape se descompone en Qo y Qo. (PASIÓN, 2018)
2.1 Ciclo termodinámico ideal. El ciclo ideal Atkinson se compone de las siguientes operaciones: 1-2 isentrópico o compresión adiabática reversible. 2-3 calefacción isócoro Calentamiento isobárico 3-4 Expansión isentrópica 4-5 5-6 enfriamiento isócoro 6-1 enfriamiento isobárico •
2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.
• • • • •
✓
Admisión: con la válvula de admisión abierta el pistón desciende desde el PMS aspirando hacia el interior del cilindro la mezcla de aire – gasolina, con la mariposa de gases más abierta lo que reduce la resistencia al descenso del pistón
2
✓
✓
Reflujo de admisión: al llegar el pistón a su PMI se mantiene abierta la válvula de admisión y comienza el pistón a subir expulsando hacia el colector de admisión parte de la mezcla admitida, reduciendo resistencia al ascenso del pistón Compresión: En cierto momento de la carrera de ascenso del pistón se cierra la válvula de admisión comenzando la compresión de la mezcla
✓
Explosión; cuando el pistón llega PMS salta la chispa en la bujía iniciando la explosión que genera la fuerza que hace descender el pistón
✓
Escape: cuando llega el pistón al punto al PMI se abre la válvula de escape y el ascenso de pistón expulsa los gases quemados por el sistema de escape. En este punto se cierra la válvula de escape abre la de admisión y comienza un nuevo ciclo.
Figura 3. Detalles de válvulas.
3. FUNCIONAMIENTO.
En un motor de combustión interna alternativo convencional las válvulas de admisión, que llevan la mezcla de aire y combustible, se cierran cuando el pistón comienza la compresión. En el ciclo Atkinson se retrasa el cierre de las válvulas de admisión, volviendo así, parte de la mezcla al conducto de admisión. Con este procedimiento se consigue un considerable ahorro de combustible, una menor temperatura y presión en el cilindro restando vibraciones al motor y aumentando la eficiencia global del ciclo teórico de Otto. (GUEVARA, 2018) 4. APLICACIÓN.
Figura 2. Detalle de cabeza de pistón. Figura 4. Motor Toyota - VVT-iE (Variable Valve Timming-inteligent Electric) de ciclo Atkinson.
Como los Atkinson gastan menos y dan menos potencia, son motores idóneos para
3
aplicaciones híbridas. El motor eléctrico aporta la potencia que falta, y así combinan una entrega de potencia buena con un consumo realmente bajo. La aplicación del ciclo Atkinson no se reserva al HSD de Toyota, sino que también la hallamos en otros propulsores híbridos como los que equipan a los híbridos de Ford (que se incluyen en el Escape, Mercury Mariner y Mazda Tribute), y los híbridos de Mercedes-Benz, por ejemplo. De una manera más detallada podemos ver el uso de este ciclo en las siguientes marcas de vehículos: •
• •
• •
•
•
2009 Ford Escape Hybrid: 2.5 153 CV, 7,84 l/100 km (autovía), relación de compresión 12,3:1 Mercedes-Benz S 400 HYBRID Lexus el el CT 200h y NX 300h, 1.8 litros 136 Cv y 2.5 litros 197 CV respectivamente. Kia Forte sedan, 2.0 litros 147 HP. Honda CR-V Hybrid consta de un motor de propulsión eléctrico, un motor de gasolina de ciclo Atkinson i-VTEC de cuatro cilindros y 2.0 litros y un motorgenerador eléctrico independiente. Toyota Prius II: 1.5 78 CV, potencia combinada híbrida 115 CV, 4,3 l/100 km, relación de compresión 13:1 Toyota Prius III: 1.8 98 CV, potencia combinada híbrida 134 CV, consumo inferior a 4,3 l/100 km
Los híbridos procuran que el motor Atkinson gire a su régimen más eficiente, y el exceso de potencia generada se almacena en las baterías. Esto supone un menor consumo que si se utilizase el motor Atkinson en regímenes en los que no
consigue la misma eficiencia termodinámica. (PASIÓN, 2018)
5. Diseño:
Figura 5. motor atkinson
El motor de ciclo Atkinson original, está basado en el de ciclo Otto.
6. Características: •
•
•
Se usa en conjunto con motores eléctricos. Disminuye las perdidas en el escape. Particularmente son rotativos.
Ventajas: La relación de expansión difiere del de compresión, eso provoca que pueda alcanzar mayor eficiencia que un motor de ciclo Otto. ✓
Desventajas: La desventaja de un motor con ciclo Atkinson sobre el tradicional de ciclo Otto es que ofrece menos potencia. (GUEVARA, 2018). ✓
7. CONCLUSIONES.
Como los Atkinson gastan menos y dan menos potencia, son motores idóneos para aplicaciones híbridas. El motor eléctrico aporta la potencia que falta, y así
4
combinan una entrega de potencia buena con un consumo realmente bajo. El Ciclo Atkinson es muy similar al Ciclo Otto explicado anteriormente, la única diferencia la encontramos en la fase de compresión. Aquí, en los motores con Ciclo Atkinson la válvula de admisión permanece abierta durante más tiempo en el recorrido del pistón hacia el PMS.
8. Referencias GUEVARA, S. (2018). MOTORES DE QUITO: COMBUSTIÓN. ESCUELA POLITECNICA NACIONAL. PASIÓN, M. (8 de JUNIO de 2018). MOTOR PASIÓN . Obtenido de MOTOR PASIÓN: https://www.motorpasion.com/tec nologia/motor-de-ciclo-atkinson tecnologia, a. c. (8 de junio de 2018). aprende ciencia y tecnologia. Obtenido de aprende ciencia y tecnologia: https://aprendecienciaytecnologia. com/2018/01/31/diferencias-entrelos-motores-de-ciclo-otto-cicloatkinson-y-ciclo-miller/
5
