27 de diciembre de 2018 (*) actualizado a las 13:43

Motores de gasolina de ciclo Atkinson: cultura general para el S.XXI

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Muchos habréis oído y leído que los diferentes Toyota y Lexus híbridos, y más recientemente otros modelos de diferentes marcas, incorporan motores de gasolina de ciclo Atkinson. Según Toyota, su eficiencia se sitúa entre un 12% y un 14% por encima del mismo motor funcionando con ciclo Otto (convencional). A pesar de esa mayor eficiencia, su uso no se ha extendido a modelos no hibridados.

Es una de esas cosas que merece la pena saber para movernos con soltura en el mundo de los híbridos

Para entender cómo funcionan y por qué su uso está circunscrito a vehículos híbridos, tan solo hay que conocer lo que significa este ciclo, así como sus ventajas e inconvenientes frente a los motores de gasolina convencionales. Como la diferencia entre ambos es tan sólo un pequeño detalle y las implicaciones son muchas, es una de esas cosas que merece la pena saber para movernos con soltura en el mundo de los híbridos.

Principios de funcionamiento de un motor de ciclo Atkinson

Toyota Prius

La definición original de ciclo Atkinson hacía referencia a un tipo de motor en el que los 4 tiempos tenían lugar en una sola rotación para cada pistón. Esta definición primigenia poco tiene que ver, sin embargo, con lo que sucede actualmente bajo el capó de un Prius, por lo que vamos a dejarla a un lado como una pura referencia histórica.

Durante una parte del ciclo de compresión, las válvulas de admisión permanecen abiertas

La denominación de ciclo Atkinson, a día de hoy, hace referencia al simple hecho de que durante una parte del ciclo de compresión, las válvulas de admisión permanecen abiertas. Sencillo ¿no?

Para clarificarlo un poco más, podemos añadir que el ciclo de compresión es el momento en el que el pistón comprime la mezcla de aire y combustible, justo antes de quemarla. El hecho de que la válvula de admisión permanezca abierta, significa que al comienzo de la trayectoria ascendente del pistón, parte de la mezcla «se escapa» hacia atrás por los conductos de admisión y sólo se aprovecha una parte de la capacidad de compresión geométrica del motor.

Toyota Prius

Así las cosas, la relación de compresión se sitúa alrededor de 8:1 mientras que la relación de expansión, que sí aprovecha toda la carrera del pistón hacia abajo, se va hasta unos 13:1. La razón de que ambas sean diferentes siendo el recorrido del pistón idéntico al subir y al bajar es que la relación de compresión «empieza a contar» desde que se cierran las válvulas de admisión y la mezcla ya no tiene escapatoria, comenzando a comprimirse, mientras que la expansión se realiza con las válvulas cerradas hasta el final de la carrera.

Toda la presión ha sido transformada en movimiento y la expansión del gas ya no puede empujar más

La consecuencia de esta asimetría es que, al final de un ciclo de expansión en un motor Atkinson, la presión dentro del cilindro es aproximadamente igual a la presión atmosférica, es decir, toda la presión ha sido transformada en movimiento y la expansión del gas ya no puede empujar más. En un gasolina convencional, en el que la relación de compresión y expansión son iguales, «sobra» presión en el ciclo de expansión, pues la mezcla quemada permanece por encima de la presión atmosférica incluso al final de la carrera. Por eso un Atkinson es más eficiente pero menos potente.

Como conclusión de todo lo anterior, la sobrepresión que normalmente se pierde por el tubo de escape en un ciclo Otto, intenta eliminarse comprimiendo menos mezcla en un ciclo Atkinson y ese es el secreto de su elevada eficiencia.

Ventajas e inconvenientes de un motor de ciclo Atkinson

Toyota Prius

Empezando por las ventajas, Toyota habla de un incremento de eficiencia de entre un 12% y un 14% con respecto al mismo motor funcionando en ciclo Otto. Por otra parte, puesto que la compresión está rebajada y los regímenes de trabajo son menores (más sobre esto luego) se puede decir que el motor realiza un menor esfuerzo mecánico para entregar una misma potencia, con lo que sería de esperar una mayor longevidad en este tipo de mecánicas.

Cabe suponer también en su favor que sus costes de producción deberían ser totalmente asimilables a un motor de gasolina común y corriente, manteniéndose alejados del elevado coste y el inevitable peso de un motor diésel. A efectos de emisiones y sonoridad no dejan de ser también motores de gasolina, por tanto silenciosos y con una emisión de partículas muy baja también con respecto a un diésel.

En el lado negativo, como era de esperar, hay varios factores que explican por qué este tipo de mecánicas no se han generalizado fuera del ámbito de la hibridación.

Por un lado, el régimen máximo de giro se ve sensiblemente reducido, prácticamente al nivel de un diésel, con techos que rondan poco más de 5.000 rpm. Esto implica una limitación práctica de uso, eliminando una de las principales ventajas de un gasolina frente a un diésel a cambio de una economía que no llega a igualarse con éstos (hibridación aparte).

Toyota Prius

Además de esto, la potencia específica, entendida como potencia obtenida a partir de la cilindrara total del motor, es bastante baja, precisamente porque sólo se aprovecha una parte de la cilindrada total en la fase de compresión. El actual Prius obtiene tan sólo 98 CV de sus 1,8 litros de cilindrada, una potencia que se obtenía de en motores atmosféricos de menores cilindraras hace más de 40 años en coches de serie consumiendo, eso sí, el triple de combustible. A efectos de potencia, vendría a funcionar como un motor bastante más pequeño.

A efectos de potencia, vendría a funcionar como un motor bastante más pequeño

Finalmente, puesto que el los híbridos (no sólo de Toyota) utilizan habitualmente una transmisión por variador continuo (CVT) que mantiene al motor en el régimen óptimo de revoluciones en todo momento, y añade el apoyo de un potente motor eléctrico cuando más se necesita, logran mitigar estas importantes desventajas al tiempo que aprovechan al máximo la eficiencia de estas peculiares cotas de reglaje de la distribución.

Estas soluciones, casi imprescindibles para dar practicidad real a un motor de ciclo Atkinson, explican también por qué los modelos convencionales no hibridados no han evolucionado masivamente hacia este tipo de mecánicas, pues se convertirían en una experiencia de conducción un tanto anémica en relación a la cilindrada que desplazan.

Fuente: Toyota | Autobloggreen
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Comentarios...

  1. Luis Miguel Ortego

    Interesante. Personalmente desconocía esta variante del motor de explosión, y además con tu explicación se entiende muy bien la diferencia. Sólo me queda una duda: ¿La reducción en el par motor respecto a un motor de ciclo Otto es proporcional a la de la potencia? Da la impresión de que, al ser la carrera «operativa» (aquella en la que el pistón comprime de verdad) bastante menor, el resultado del motor sería no sólo una menor potencia, sino también una curva de potencia y una curva de par muy diferente a la de un motor convencional… En fin, gracias por tus apuntes de cultura general 😉

    1. Anónimo

      Hola Luis Miguel,Antes de nada, aclarar que no resulta fácil encontrar las curvas de potencia y par del motor Atkinson de un Prius/Auris porque su comportamiento en un banco de rodillos tiene una difícil, si no imposible, traducción al «idioma» que hablan los demás motores.
      La intervención del motor eléctrico, junto con el sistema de variador contínuo en la transmisión impiden sacar curvas características del motor de gasolina aislado una vez instalado en el coche, con lo que sólo Toyota podría facilitarlas fácilmente.
      Dicho esto, tanto potencia como par son menores para cada régimen, en realidad una cosa implica la otra fijado un régimen de giro. Simplemente, el motor tiene menos fuerza en cada vuelta y menos capacidad de trabajo en total porque la presión en las cámaras es menor de lo que podría ser.
      Saludos.

  2. Jose GG

    Pregunta para Daniel:
    Hay vehiculos que han realizado una coversion del los pruis a GLP. Seria posible conseguir mejores rendiminetos cuando utilizan este combustible cambiando el cierre de valvulas al PMI cuando funcionen con este combustible a traves de la ECU para asi conseguir aprobechar toda la potencia del GLP que es de mas de 110 octanos.
    Los motores dedicados en exclusiva a GLP utilizan compresiones de 13:1 , con lo que este motor podria funcionar a distintas compresiones dependiendo del combustible a utilizar. y tener menores consumos a GLP que a gasolina, solo con un cambio de software de de centralita que haga variar el cierre de las valvulas.

    Saludos

  3. juan peres

    El verdadero ciclo Atkinson entrega trabajo una vez por cada revolucion del cigueñal, a diferencia del Otto que lo hace una vez por cada dos. Esto es simplemente un motor Otto con ciertas modificaciones en la distribucion para «emular» el ciclo antes mencionado. http://www.animatedengines.com

  4. Felix

    Gracias por la información. Estaba buscando información porque Nissan en el motor HR16DE de Juke funciona con ese ciclo. Efectivamente es muy fácil de entender con la explicación que haces y se comprende la importancia que cada día más adquieren las transmisiones CVT.
    Saludos

  5. oswaldo

    hola a todos
    tengo una pregunta: el motor vvti con que ciclo de trabajo funciona?
    gracias

  6. Rodrigo Jorquera Vergara

    Estimados una consulta respecto del ciclo Atkinson
    Cuando se habla de que aumenta el rendimiento, a qué rendimiento hace alusión, al de combustible, al rendimiento mecánico, al térmico no podría ser, puesto que al disminuir la relación de compresión, disminuye la eficiencia térmica… Si fuese el de combustible, y considerando sistemas donde la presión de combustible es constante, el volumen de combustible inyectado solo puede variar modificando el tiempo de inyección, entonces y considerando que el Módulo de Control del Motor calcula el tiempo de acuerdo a la información del MAP ¿Inyecta menos combustible?, y si llega a inyectar menos combustible, como la presión absoluta del múltiple de admisión no varía (considerando solo régimen de ralentí y a nivel del mar), el motor trabajará con mezclas levemente pobres?, esa sería la razón de menores emisiones en términos de CO y Hc?… Ahora bien, si estoy entendiendo correctamente, en el ciclo Atkinson, al disminuir la relación de compresión (debido al retraso en el cierre de la válvula de admisión), disminuye también la temperatura y presión al término de la carrera de compresión, por lo que existirían menos posibilidades de autoencendido y detonación o picado de bielas, pudiendo eventualmente utilizar una gasolina de menor octanaje, favoreciendo la economía?… por último, si las temperaturas en la cámara de combustión son menores, puesto que la temperatura del frente de llama depende del calor aportado por el combustible y de la temperatura al término de compresión o inicio de fase de combustión, existe una producción menor de NO y NO2 (óxidos de nitrógeno)?

    Desde ya agradezco la posibilidad de intercambiar ideas en éste tipo de foros, para mi resulta muy provechoso, gracias

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