Il Ciclo Miller sostituisce il Ciclo Atkinson: L’emergere di una nuova scelta

Come abbiamo scritto nel precedente articolo, il lavoro di James Atkinson si dimostrato un collegamento necessario nello sviluppo dei motori a combustione interna e può essere considerato come un’evoluzione del ciclo Otto. Tuttavia, questa non fu l’unica soluzione al problema: il ciclo di Miller, producendo risultati simili, ha finito per prevalere sulla soluzione di Atkinson, e ancora oggi possiamo riscontrarne spesso l’uso.

Nell’articolo che segue, presentiamo il ciclo di Miller in relazione ai cicli di Otto e Atkinson, e spieghiamo perché ha finito per essere l’alternativa più pratica.

Cos’è il ciclo di otto e perché potrebbe non essere abbastanza

È importante tenere presente che a ciclo termodinamico, indipendentemente dal tipo, sono associate determinate perdite. Questo vale anche per i cicli Otto e Diesel (sia a quattro che a due tempi). È impossibile costruire un motore termoelettrico che non emetta calore residuo, tuttavia, vale la pena ricordare che, ad esempio, nel caso dei motori a quattro tempi, il dispositivo funziona solo in una fase, il resto è necessario per il suo preparazione.

Cicli Otto e Diesel – i circuiti inferiori sono perdite termodinamiche (fonte: www.lezo.hu)

Con la proliferazione delle auto elettriche, si sta assistendo a un crescente enfasi nei media riguardo alla minore efficienza complessiva dei motori a benzina e diesel rispetto ai motori elettrici.

Non si tratta di un’esagerazione: la differenza è davvero notevole ed è principalmente attribuibile alle scarse prestazioni termiche. Solo i motori diesel a bassa velocità utilizzati per navi raggiungono efficienze ibride di circa il 40-50%. In molti casi, un motore a benzina aspirato non arriva nemmeno al 30%, mentre un motore elettrico può arrivare oltre il 90% di efficienza

Gli ingegneri ne erano consapevoli fin dall’inizio e hanno cercato in ogni modo possibile di ridurre al minimo le perdite.

La quantità di energia che può essere estratta da un motore a combustione interna dipende principalmente dalla differenza tra l’energia estratta durante il ciclo di funzionamento e il fabbisogno energetico per la compressione preventiva (e quindi la preparazione). Inoltre, bisogna tener conto delle perdite associate allo scambio di carica, nonché delle perdite meccaniche dovute al movimento del motore.

Dal punto di vista termico, un problema particolare consiste nel fatto che alla fine del ciclo di lavoro la pressione della miscela di gas, ancora calda, non può essere completamente sfruttata dal cilindro, e l’energia residua viene semplicemente rilasciata nell’atmosfera.

La soluzione di Atkinson

Anche James Atkinson ha cercato di risolvere questo problema. Secondo la sua idea, la fase di espansione in cui viene svolto il lavoro non deve essere della stessa lunghezza della fase di aspirazione. Nel caso di una struttura con biella fissa, questa idea non risulta pratica. Pertanto, per attuare concretamente il ciclo Atkinson teorico, è stato necessario sviluppare un nuovo meccanismo.

Atkinson costruì il suo primo motore nel 1887 e lo brevettò nel 1898.

Questa soluzione complessa aziona l’albero motore in modo tale che durante le quattro fasi del motore, ovvero durante le due corse avanti e indietro del pistone, l’albero motore ruoti una volta. Durante questo periodo, c’è un intero periodo di movimento del meccanismo di modifica della lunghezza della corsa.

Come con il principio originale, il pistone percorre una distanza più breve durante le fasi di aspirazione e compressione del motore rispetto alle fasi di potenza e scarico. Di conseguenza, l’efficienza termica del motore aumenta, rendendolo paragonabile a un normale motore Otto in termini di perdite di energia durante l’aspirazione e la compressione, mentre in termini di guadagno energetico può essere paragonato a un motore con un rapporto di compressione molto più elevato o una cilindrata maggiore .

Tuttavia, questa soluzione non ha interessato i produttori per molto tempo, perché il suo meccanismo era troppo complicato e costoso da riparare. Honda e Toyota hanno introdotto diverse famiglie di motori a ciclo Atkinson negli anni 2000, ma in seguito sono passate anche alla soluzione discussa nella sezione successiva.

Ciclo Miller

Ralph Miller ragionava in modo simile a James Atkinson, ma aveva il vantaggio di poter trarre ispirazione dal brevetto del suo predecessore, in quanto il lavoro di Miller può essere fatto risalire agli anni ’40.

Miller si è concentrato sul ciclo diesel: il suo obiettivo era ridurre la generazione di calore nei motori diesel mediante una sovralimentazione parziale. A quel tempo, questo si è rivelato difficile da controllare, con una temperatura di picco troppo elevata che surriscaldava il lubrificante, bruciava il film d’olio e riduceva drasticamente la durata del motore.

Solo successivamente si è scoperto che il ciclo Miller può essere utilizzato anche nei motori a benzina a 4 tempi.

In quest’ultimo caso, il circuito modifica il funzionamento del motore Otto lasciando la valvola di aspirazione aperta per un periodo di tempo prolungato. Ne consegue che la fase di compressione è divisa in due parti: nella prima parte la compressione inizia mentre la valvola è ancora aperta, e si chiude già nella seconda parte della corsa di compressione. A causa di questa caratteristica, è anche chiamato motore a cinque velocità.

Il vero vantaggio che alla fine ha dato al ciclo Miller un vantaggio rispetto al ciclo Atkinson è la semplicità del design: i motori a ciclo Miller sono strutturalmente quasi indistinguibili dai motori Otto a fasatura variabile delle valvole. Il funzionamento differisce in quanto la valvola di aspirazione è sempre chiusa durante la fase di compressione nel motore Otto, mentre è parzialmente aperta nel motore Miller.

Questo, ovviamente, ha anche uno svantaggio: a causa del riempimento parziale, il rapporto prestazioni/peso si deteriora. Tuttavia, la perdita di compressione viene ridotta a tal punto che l’efficienza del motore viene comunque aumentata. Anche se l’efficienza non sarà necessariamente maggiore a parità di cilindrata, si può osservare una differenza nella quantità di carburante utilizzato a favore del ciclo Miller.

Applicazioni pratiche

Poiché negli anni 2000 è stata prestata molta più attenzione alle emissioni delle auto (oltre che al consumo di carburante), le soluzioni alternative hanno gradualmente iniziato a diffondersi.

Questo tipo di motore si trova nelle Mazda Millenia, in molte Toyota, nei veicoli VW-Audi equipaggiati con il codice motore EA888, e quei produttori che stanno ancora sviluppando motori a combustione interna ne hanno quasi sicuramente almeno uno nella loro offerta.