Descripción de los motores de ciclo Atkinson y los híbridos

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Vista exterior de un motor Toyota - VVT-iE (Variable Valve Timming-inteligent Electric) de ciclo Atkinson.

Es un ciclo de funcionamiento, para motores de combustión interna, patentado por R. Miller, tomando la idea precedente de J. Atkinson. 
Basicamente este ciclo, estaba destinado a los grandes motores Diesel. En un motor normal de cuatro tiempos, la energía desarrollada de la combustión es transformada en potencia durante la carrera de expansión de los gases en el cilindro.
Cuanto mayor es la “relación de expansión”, mayor es la potencia que puede ser desarrollada. En los motores, la relación de compresión es en verdad igual a la “relación de expansión”, por lo tanto para aumentar esta última es necesario aumentar en la misma medida la relación de compresión. Es sabido que dicha relación, solo puede ser aumentada hasta un cierto límite, debido a que las presiones y las temperaturas podrían alcanzar valores peligrosos, y favorecer la generación del fenómeno anormal de la combustión, es decir del efecto de la “detonación” en los motores de nafta/gasolina. En el ciclo Miller-Atkinson, el problema se resuelve adelantando el cierre de la válvula de admisión, durante la carrera de admisión (RCA.: Retardo Cierre Admisión antes), o también retardándola, durante la carrera de compresión. (RCA. Retardo Cierre Admisión después).

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Motor Mazda Xados 9-2-3 i/V6 Miller Atkinson sorealimentado con compresor volumétrico.

El motor puesto a punto, a fines de la década del ‘90 por la firma japonesa Mazda, fue un V6 de 2.3 litros sobrealimentado. La relación de compresión es menor, respecto a la “relación de expansión” (8 a 1 contra 10 a 1), debido al hecho que una parte de la carrera ascendente del pistón en la fase de compresión, la válvula de admisión permanece abierta.

Es un ciclo de alto rendimiento térmico, pero de baja potencia específica (se calcula la 2/3 partes de un motor de igual cilindrada de ciclo Otto). Esto es debido a que al reducir el volúmen del aire de admisión (carrera de aspiración), se reduce también la cantidad de nafta/gasolina a combustionar en cada ciclo.

Por esta razón, se utiliza la sobrealimentación. Otro de los motores experimentales, en el que se trabajó para la puesta a punto, es un 4 cilindros de menos de 2.0 litros, destinado al modelo híbrido “Prius” de Toyota.

El Motor Atkinson de Toyota
Estos motores evolucionados, no solo son desarrollados para ser usados con motores eléctricos, accionando modelos híbridos, sino que la casa japonesa está fabricando nuevas familias de motores a nafta/gasolina de pequeña cilindrada.

Toyota utiliza sus motores de ciclo Atkiinson en varios de sus modelos, por otra parte, son usados por Lexus, Hyundai y Kia, no solo para sus modelos “híbridos”. Esto se debe, a que estos motores de nafta/gasolina son más eficientes que los tradicionales propulsores de ciclo Otto. Sin embargo suministran valores de potencia y par motor menores o inferiores, en especial en regímenes de baja e intermedia velocidad.

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Motor de ciclo Atkinson: cámara de combustión y turbulencia del flujo.

En 2015 Toyota va a presentar una nueva familia de propulsores de ciclo Atkinson (serán numerosas variantes que cubrirán el mercado mundial)
Entre estas variantes se ecuentran:
• Un motor de 3 cilindros de 1.000 cm3.
• Un motor de 4 cilindros de 1.300 cm3.

Estos motores son capaces de combinar una excelente eficiencia, con el suministro de un par motor más elevado. Los mismos, también están destinados a ser montados sobre modelos no híbridos, con la finalidad de asegurar una importante reducción del consuo, respecto a los modelos que usan ciclo Otto.

La casa japonesa promete una máxima eficiencia, de casi un 40 por ciento para el motor 1.300, con una relación geométrica de compresión de 13,5 a 1., y con una compresión efectiva menor, debido a que las válvulas de admisión permanece “algo abiertas”, también cuando el pistón se encuentra en la carrera ascendente de compresión.
 
Para el motor de 3 cilindros de 1.0 litros, se anuncia un rendimiento de más del 35 por ciento, con una relación geométrica de compresión de 11,5 a 1.

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(1) Ciclo Miller-Atkinson denominado de 5 tiempos, con sobrealimentación.
(2) Motor y detalle de la sobrealimentación. Motor Nissan y compresor volumétrico Lysholm.

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Vista exterior de ciclo Miller-Atkinson del Toyota Yaris.

Para la obtención de estos resultados, Toyota recurrió a diferentes soluciones mecánicas. Utilizó un nuevo variador de fase de nueva generación (VVT-iE) es decir; Distribución variable de las válvulas, de tipo “inteligente”, donde la E significa Eléctrico. Este sistema gestiona la apertura y cierre de la válvula de admisión, con el fin de lograr un fuerte movimiento turbulento del aire a la salida de los conductos de admisión, siendo el eje del vértice, perpendicular al eje del cilindro. Sin duda, la turbulencia sirve para aumentar la velocidad de combustión de la nafta/gasolina.

En lo que respecta al EGR. (Recirculación de los Gases de Escape), este sistema posee un potente sistema de enfriamiento por agua, de los gases ya combustionados a introducir dentro de los cilindros, para reducir las emisiones de NOx, y limitar los riesgos de “detonación”.

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Motor de 4 cilindros de ciclo Miller-Atkinson producido por Hyundai.

Se dedicó mucha atención, a la parte final del ciclo, de manera tal que los gases residuales, sean totalmente expulsados de la cámara de combustión por medio de un fuerte “barrido” interior con aire fresco. El mismo, puede obtenerse inclusive sin la utilización de un compresor, por medio del conocido efecto “scavenging”. Por último un recurso típico de la firma Atkinson, que es el descentrado del cigüeñal respecto al centro de los cilindros, de forma tal de reducir el empuje, la reación de los pistones respecto a los cilindros, incluyendo el tratamiento superficial para reducir el desgaste de la falda del pistón, de los cojinetes, y de la cadena de distribución.

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Motor de ciclo Atkinson, desarrollado por Toyota para su modelo Prius híbrido, con generador eléctrico. 1- Dispositivo de potencia. 2- Motor eléctrico. 3- Generador/Arranque. 4- Motor de combustión interna de 4 cilindros.

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