Come funziona il motore a ciclo Atkinson?
Nella ricerca della massima efficienza dai motori a combustione interna, il ciclo Atkinson - inventato a fine 1800 - è tornato sulla scena abbinato alle auto ibride. I vantaggi e i punti deboli del particolare ciclo di combustione
In questo articolo
Quanto incide il ciclo di combustione sull’efficienza di un motore? Parecchio, potendo privilegiare con determinate soluzioni un contenimento dei consumi sull’altare della potenza e coppia sviluppata. E’ il caso del motore a ciclo Atkinson, variante del più comune ciclo Otto.
Simile per funzionamento al ciclo Atkinson è il motore a ciclo Miller. Sono innovazioni che appartengono alla tecnica di fine 1800, negli ultimi anni tornate sul mercato perché adottate da diversi costruttori. C’è Toyota a impiegare il ciclo Atkinson sulle proprie auto full hybrid, così come avviene in casa Renault (leggi il test della Clio ibrida) e altri costruttori. Perché è una via quasi obbligata, scelta dai costruttori, nell’abbinamento ai sistemi ibridi? Poiché i vantaggi di ridotti consumi ed emissioni si abbinano al supporto della parte elettrica.
IL MOTORE A CICLO ATKINSON
Il funzionamento del motore a ciclo Atkinson non si allontana molto da quello di un comune propulsore a ciclo Otto. Opera sempre in un ciclo 4 tempi, le tradizionali fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico. Ciò che, all’atto pratico, distingue un propulsore a ciclo Atkinson è il sacrificio della potenza massima raggiungibile in nome dell’efficienza.
COME CAMBIA LA FASE DI COMPRESSIONE
In un motore a ciclo Otto il rapporto di compressione è identico a quello di espansione. L’elemento di sostanziale differenza della combustione a ciclo Atkinson sta nella variazione del volume d’aria – quindi la successiva miscela aria-benzina – compresso nella fase di risalita del pistone dal punto morto inferiore.
Il motore a ciclo Otto prevede, ordinariamente, una fase di aspirazione della durata corrispondente al raggiungimento del pistone del punto morto inferiore. La fase di compressione è di uguale durata, con il pistone in risalita fino al punto morto superiore, dove avviene l’accensione della miscela aria-benzina e la successiva espansione, il ritorno del pistone verso il PMI.
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Il funzionamento del ciclo Atkinson fa sì che la massa d’aria compressa risulti inferiore, producendo un consumo di carburante inferiore in ragione di tale, minore, volume d’aria e iniezione di benzina. Opera a un rapporto di compressione più basso. Come avviene quest’operazione?
E’ possibile intervenire mediante manovellismi sull’albero motore, oppure, in modo molto più pratico, variando la fase di apertura delle valvole di aspirazione. Le valvole restano aperte per una certa porzione di tempo nella fase di risalita del pistone dal PMI. Così facendo, parte dell’aria aspirata viene compressa nella fase di risalita del pistone ma, in ragione delle valvole di aspirazione ancora parzialmente aperte – anziché chiuse come vorrebbe un funzionamento a ciclo Otto – parte dell’aria aspirata risale nei condotti di aspirazione. Le strategie di chiusura delle valvole di aspirazione avviano l’effettiva compressione di una massa d’aria evidentemente inferiore a una compressione ordinaria. Quindi, di risalita del pistone dal PMI al PMS, con aspirazione chiusa sin dal PMI.
I VANTAGGI DEL MOTORE A CICLO ATKINSON
Il propulsore a ciclo Atkinson si caratterizza per un alto rendimento termodinamico (la quantità, minore, di energia impiegata per spingere il pistone dal PMS al PMI), in virtù delle soluzioni tecniche adottate. Ma ha una bassa potenza specifica rispetto a un motore a ciclo Otto di pari cilindrata (circa 2/3).
La minore potenza generata si traduce in un minore consumo di carburante. Riducendo il volume d’aria aspirata, infatti, diminuisce anche la quantità di combustibile immessa per la combustione.
Rricordiamo come vi sia un preciso rapporto, definito stechiometrico, da rispettare nella combustione di un motore termico benzina, di 14 parti d’aria per 1 di benzina. Il motore a ciclo Atkinson è concepito per essere più ecologico e parco nei consumi.
I PUNTI DEBOLI E IL SUPPORTO DELL’IBRIDO
Per questa ragione, il motore a ciclo Atkinson è utilizzato da diverse auto ibride. Come già anticipato, l’unità elettrica compensa la minore potenza. Allo stesso modo, la coppia erogata dal motore elettrico supplisce a quella inferiore del motore termico.
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In sintesi, il motore a ciclo Atkinson ottimizza la fase di compressione della miscela aria-benzina in modo da avere una maggiore efficienza e quindi minori consumi, rispetto al tradizionale “ciclo Otto.
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