Qualcosa di migliore di un motore a combustione interna Otto

Le possibilità di sviluppare motori a combustione interna hanno interessato gli ingegneri per un secolo e ci sono state numerose innovazioni, alcune di successo e altre meno fortunate, che talvolta hanno avuto un grande impatto sull’intero mercato automobilistico.

C’erano e ci sono ancora specialisti che rifiutano il ciclo Otto e Diesel e non li trattano come sacri, ma cercano altre soluzioni. Così è nato il motore a combustione interna con ciclo Atkinson, che presentiamo nell’articolo che segue.

Il problema di base con il ciclo di Otto

In generale, si può dire che i motori a combustione a quattro tempi hanno solo uno dei quattro tempi che fa il lavoro e gli altri sono necessari per prepararlo.

L’efficienza termica del ciclo Otto è relativamente sfavorevole. L’energia cinetica che può essere estratta dal motore dipende principalmente dalla differenza tra l’energia guadagnata durante il ciclo di funzionamento e l’energia richiesta per la compressione. Le perdite sono causate dall’energia necessaria per scambiare la carica (quindi aspirazione e scarico) e perdite meccaniche.

Per quanto riguarda lo scambio di carica, la perdita di aspirazione è dovuta principalmente al fatto che la pressione della miscela che entra nel cilindro è solitamente inferiore alla pressione atmosferica a causa delle perdite di flusso, quindi il pistone deve vincere la forza causata dalla differenza di pressione durante la discesa .

Lo stesso vale per lo scarico: in questo caso la pressione del cilindro è leggermente superiore a quella atmosferica a causa delle perdite di flusso, quindi è necessaria anche una certa energia per rimuovere i prodotti della combustione.

Dal punto di vista del rendimento termico, un problema ben più grave è che al termine del ciclo di lavoro (quindi durante la terza delle quattro fasi del ciclo) la pressione dei prodotti della combustione ancora caldi non viene sfruttata appieno – alcuni di esso è sprecato.

Poiché la corsa e la cilindrata del motore sono costanti, non è possibile ottenere più potenza dal motore se non aumentando il rapporto di compressione della miscela. Tuttavia, il problema qui è che con un rapporto di compressione più elevato, la miscela si riscalda troppo, il che può portare a dannose autoignizioni (detonazioni).

In termini di sovralimentazione, l’utilizzo parziale dell’energia di scarico nel ciclo Otto può essere introdotto mediante apparecchiature aggiuntive come turbocompressore, compressore o altro, ma ciò aumenta il consumo di carburante ed è associato a un costo più elevato.

Tutto è cambiato quando James Atkinson ha avuto la sua idea innovativa.

In cosa differisce il ciclo di Atkinson?

C’è davvero solo una differenza tra un motore Atkinson e un motore Otto, ed è che la corsa di potenza è più lunga della corsa di compressione. Il fabbisogno di energia per la compressione è relativamente piccolo, mentre l’energia guadagnata nella corsa di lavoro è maggiore man mano che il pistone si sposta più in basso.

È vero che questa soluzione non è praticamente realizzabile con una biella tradizionale. Per implementarlo, era necessaria una nuova soluzione meccanica.

Applicazioni pratiche

La data sotto il disegno non è errata: il progetto risale al 1887. James Atkinson lo brevettò nel 1898.

Il primo progetto, considerato oggi primitivo, si basa sulla modifica della lunghezza della corsa mediante una soluzione meccanica, una costruzione composta da più elementi e cuscinetti collegati alla biella. Questa intricata disposizione aziona l’albero a gomiti in modo tale che durante quattro tempi del motore, cioè due giri avanti e indietro, l’albero a gomiti ruoti una volta, durante il quale il meccanismo di modifica della lunghezza della corsa ad esso collegato completa il suo intero periodo di movimento.

Simile al principio originale, il pistone viaggia meno durante le fasi di aspirazione e compressione che durante le fasi di potenza e scarico. Di conseguenza, questo aumenta l’efficienza termica del motore, 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 tradizionale con una compressione molto più elevata rapporto o un motore con una cilindrata maggiore.

Il meccanismo Atkinson originale contiene diversi elementi di accoppiamento e cuscinetti tra la biella e l’eccentrico dell’albero motore, il che è discutibile dal punto di vista del design, dato il costo aggiuntivo del numero di componenti e la possibile perdita di affidabilità dovuta alla sua complessità.

Questi svantaggi sono stati presi in considerazione da Honda, che ha creato il proprio motore a ciclo Atkinson, venduto con il marchio Exlink.

Qui l’albero motore ruota due volte in quattro tempi, come in un motore Otto. Sembra esattamente un motore a combustione interna convenzionale, ma non lo è. La divisione della lunghezza della corsa completa in due giri dell’albero motore si ottiene dimezzando i giri dell’albero motore mediante un cambio e la modulazione della corsa è fornita da un eccentrico condotto.

Il ciclo Atkinson non ha interessato i produttori per cento anni, perché lo consideravano antieconomico per le gamme di velocità in cui sono attualmente guidate le autovetture.

In confronto, l’EXlink di Honda ha raggiunto prestazioni simili a quelle del diesel, nonostante sia ancora un motore a benzina aspirato che ha debuttato nel 2013.

Inoltre, molte soluzioni basate sul principio di base del ciclo Atkinson sono state sviluppate. Ad esempio, l’essenza del progetto sviluppato da Ilmor Engineering è che tra due cilindri funzionanti secondo il ciclo Otto, un cilindro aggiuntivo di diametro maggiore lavora su un albero motore comune. Durante il ciclo di scarico, il prodotto della combustione proveniente dai cilindri a quattro tempi di diametro inferiore viene scaricato attraverso una valvola nel cilindro di diametro maggiore, seguito dallo scarico finale.

Fonte:

• https://www.caranddriver.com/news/a15345875/what-is-the-atkinson-combustion-cycle-and-what-are-its-benefits/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle
• http://www.lezo.hu/szerkezettan/hajtas/motor/elvifelepites/elvifelepites.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Atkinson_cycle