Ciclo Atkinson de 5 tiempos del motor de gasolina

El motor de explosión de gasolina puede funcionar con dos o cuatro tiempos. El de dos tiempos se ha desestimado en el automóvil por su excesiva contaminación.

Antes de explicar el motor de ciclo Atkinson de cinco tiempos se propone un repaso del ciclo Otto de cuatro tiempos en la siguiente animación, con la imagen de partida de un Toyota Aygo:

Ciclo Otto de cuatro tiempos (teórico)

1. Admisión; con la válvula de admisión abierta el pistón desciende desde el Punto Muerto Superior aspirando hacia el interior del cilindro la mezcla de aire – gasolina, pues es un motor de inyección indirecta. Con aperturas intermedias de la mariposa de gases (acelerador) se obstruye parcialmente el paso de admisión, lo que implica una resistencia al descenso del pistón

2. Compresión; al llegar el pistón a su Punto Muerto Inferior se cierra la válvula de admisión y comienza el pistón a subir comprimiendo la mezcla aire – gasolina. La presión creciente de la mezcla induce una resistencia al ascenso del pistón

3. Explosión; cuando el pistón llega PMS salta la chispa en la bujía iniciando la explosión que genera la fuerza (par motor) que hace descender el pistón

4. Escape; cuando llega el pistón al punto al PMI se abre la válvula de escape y el ascenso que sigue del 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.

La relación entre el volumen sobre el pistón cuando está en el PMI y el PMS es la relación de compresión.

Se ha explicado el ciclo teórico sin tener en cuenta las inercias de los gases y tiempo de explosión desde la chispa. En otro momento se explicará el funcionamiento real con el diagrama de distribución y avances de encendido (momento de chispa).

Como observación para lo que se explica a continuación, se han resaltado dos momentos en que el pistón encuentra resistencias adicionales; en admisión con aperturas parciales de la mariposa de gases y al comprimir la mezcla.

El ciclo Atkinson de cinco tiempos reduce estos efectos de resistencia como se ve seguidamente.

Ciclo Atkinson de 5 tiempos

La imagen animada comienza con la silueta de un Toyota Prius, que monta un motor de cuatro cilindros en línea de 1.8 litros con ciclo Atkinson y distribución de fase variable (vvti).

1. 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

3. Compresión; en cierto  momento de la carrera de ascenso del pistón se cierra la válvula de admisión comenzando la compresión de la mezcla

4. Explosión; cuando el pistón llega PMS salta la chispa en la bujía iniciando la explosión que genera la fuerza que hace descender el pistón

5. 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

El momento en que las válvulas de admisión cierran según el recorrido ascendente del pistón es determinado por la distribución de fase variable (vvti) en función de las condiciones de marcha y RPM.

La relación de compresión es más alta que en un motor de cuatro tiempos, pues parte de la masa de admisión refluye hacia el exterior del cilindro.

A continuación vamos a  repetir los tres primeros tiempos en la animación que sigue tomando como base la imagen del motor de ciclo Atkinson del Toyota Prius.

En admisión y compresión se reducen las resistencias al desplazamiento de los pistones, lo que mejora el rendimiento en un margen de RPM que determina el fabricante con la variación angular de fase de la distribución variable (vvti).

Este ciclo de funcionamiento es muy adecuado para automóviles como el Prius con tecnología híbrida (motor térmico y eléctrico), pues tanto el motor de gasolina como el eléctrico pueden mover independientemente o en conjunto el coche (híbrido paralelo). La colaboración de los dos motores permite que la mayor parte de las veces que funciona el motor de gasolina lo haga en el margen óptimo para el ciclo Atkinson. Al solicitar máximas prestaciones se nota que el motor trabaja a más RPM, en zonas de menor rendimiento del ciclo Atkinson.

En otra ocasión hablaremos del ciclo Miller que aporta similares beneficios.

 

Lexus CT 200h:

 

Ciclo Atkinson de Motor giga:

 

Enlace con km77; motor ciclo Atkinson del Toyota Prius:

http://www.km77.com/00/toyota/prius/2010/t04.asp

 

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6 comentarios

  1. Rodrigo Jorquera V.

    Tengo algunas dudas respecto al funcionamiento del motor de combustión interna ciclo Atkinson, por ejemplo, acá se señala que la relación de compresión aumenta, en ese sentido me parece que lo que ocurre es el fenómeno contrario, dado que al existir un reflujo, la cilindrada unitaria real disminuye y como la relación de compresión se define como la suma de la cilindrada unitaria y el volumen de la cámara de combustión dividido por el volumen de la cámara, la relación de compresión se reduce.
    A su vez, al existir reflujo, efectivamente, el trabajo que debe realizar el pistón en comprimir un menor volumen de mezcla es menor, sin embargo, como se reduce la relación de compresión, también disminuye la temperatura y presión al término de la carrera de compresión o inicio de la fase de combustión (ley de Poisson), a su vez, el rendimiento térmico del motor también se ve reducido, puesto que el rendimiento o eficiencia térmica, depende de la temperatura con la que el aire ingresa a los cilindros y de la temperatura al término de la carrera de compresión, y como ésta última disminuye,la eficiencia también lo hace (el rendimiento también se puede señalar que se reduce, porque disminuye la relación de compresión, Rendimiento térmico =1 -1/rc elevado gamma -1). Retomando el punto del trabajo, el que realiza el pistón en comprimir la mezcla se reduce, no obstante, como disminuye la temperatura al término de compresión, también disminuye la temperatura del frente de llama, dado que ésta no solo depende del calor aportado sino que también de la temperatura al término de compresión (TC=TB+QC/ncv), en otras palabras, si consideramos que tanto el trabajo realizado en carrera de compresión (WAB=ncv(TB-TA), como el trabajo en carrera de expansión (WCD)=ncv(TD-TC), dependen de las temperaturas, entonces, el trabajo neto o útil generado por el motor, también disminuye… en fin, sería interesante tener otras posiciones al respecto. Gracias

    • Tu respuesta es muy técnica, voy a tratar de comentar las ventajas que aporta el motor ciclo Atkinson para que sea interesante en algunas aplicaciones sobre el automóvil;
      – La relación de compresión geométrica, con el pistón en el PMS es más alta que en un motor de ciclo «normal».
      – La presión efectiva al final de compresión y antes de la chispa sobre el pistón es bastante menor a la correspondiente a la relación de compresión teórica, al haber habido un reflujo de la masa de admisión.
      – El objetivo es reducir la resistencia al descenso del pistón en admisión por estar abierta la mariposa (menos bombeo) y al subir en compresión por la salida de parte de la masa de admisión, reflujo o 5º tiempo.
      – Se logra así que el rendimiento del motor a determinado régimen sea mejor que en el motor de cuatro tiempos, estas RPM pueden ser más amplias si se utiliza distribución de fase variable. El rendimiento (equilibrio prestaciones consumo) en el ciclo Atkinson se decanta más por reducir consumo que mejorar prestaciones.
      – Las aplicaciones son varias, entre estas en algunos híbridos en los que el motor de combustión favorece más el par que la potencia en busca de ese mejor rendimiento decantado a reducir el consumo más que a las prestaciones. Otra aplicación, reciente en Audi, es permitir el funcionamiento en ciclo Atkinson en un amplio margen de RPM, tiene doble distribución de fase variable, pero a RPM mantenidas y con aceleraciones suaves, en otras condiciones de uso funciona en cuatro tiempos normal.
      Como habrás visto en el blog no se incluyen explicaciones técnicas complejas para que sea más fácil de entender. Seguro que tus comentarios son muy interesantes para muchos aficionados, muchas gracias.

  2. Rodrigo Jorquera V.

    Adicionalmente, quisiera comentar que también se señala por parte de algunas marcas, que aumenta la eficiencia, pero ¿A qué eficiencia se refieren?, eficiencia de combustible, eficiencia mecánica, térmica no podría ser porque se reduce… Lo que si ocurre, es que aumenta la relación geométrica entre las carreras de expansión y compresión, es decir, angularmente la carrera de compresión dura menos que la carrera de expansión, por lo que algunas marcas indican que eso permite aumentar la «eficiencia», dado que no hay sobrepresión al término de la carrera de expansión, dado que toda la presión se transformó en movimiento, y por lo tanto, la presión al interior del cilindro es cercana a la atmosférica, en cambio en el ciclo Otto, hay una sobre presión al término de expansión, lo que sería negativo. Pero tratando de entender me pregunto, «las masas de un fluido, como lo son los gases combustionados, se desplazan por gradientes de presión, desde ese punto de vista, el que exista algo de presión al interior del cilindro, no influiría negativamente en el desplazamiento ascendente del pistón en carrera de escape, tal si afectaría desde el punto de vista de oponerse al ingreso de mezcla fresca al interior del cilindro… que opinan, me parece bastante interesante que se compartan éste tipo de informaciones y que se puedan compartir diferentes puntos de vista. Gracias

    • Eficiencia entendida para lograr reducir consumos a toda costa es el objetivo de utilizar el ciclo Atkison, también el Miller que puedes encontrar en el blog. En muchos casos se necesitan más elementos para neutralizar los gases contaminantes con estos motores, además del catalizador de oxidación y reducción, pero parece que compensa por los buenos resultados en consumo, que es la eficiencia buscada.
      No vamos a entrar en comentarios técnicos sobre si es más o menos interesante este tipo de motores a los más tradicionales. Si las marcas los utilizan en determinados motores y modelos es porque aportan ventajas para los objetivos de uso previstos.
      Hay bastantes más alternativas, en breve publicaremos en el blog dos de estas;
      – Un generador – motor de arranque y de propulsión alimentado por batería específica de ión – litio en Renault este año. No confundidor con el sistema «stop & start» de PSA.
      – Ya se comercializa en Audi un motor turbodiésel con dos turbos en serie y otro eléctrico para el inicio de la marcha (el par está a 1.000 RPM), el turbo eléctrico se alimenta por una batería específica de ión – litio.
      – Ya hemos publicado en el blog el artículo sobre el motor de seis tiempos (gasolina y diésel) como una línea de investigación, ¿será interesante?
      ¿Estos sistemas son eficientes?….. es de suponer que sí por el coste de I + D + i que suponen, pero habría que tener mucha información técnica para analizarlo con detalle, y no queremos complicar demasiado los artículos. Si estas tecnologías tienen continuación y se aplican en más automóviles será que sí, ya veremos. De momento en el blog explicaremos que existen y como funcionan.

  3. Alejandro Narvaez Meneses

    bnas tardes estudio mecánica y hago un trabajo sobre este motor alguien me puede ayudar con las temperas de funcionamiento en cada ciclo o en cada tiempo lo necesito de suma urgencia en ningún sitio agradecería su respuesta seria de gran ayuda

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