Motor Cinco tiempos Ilmor: Ciclo Atkinson

Los ciclos térmicos usados para los propulsores automotrices que mas uso tienen en la industria automotriz son el Otto y el Diesel. Aunque existen otros ciclos aplicables a distintas maquinas térmicas como el ciclo Brayton usado en la aviación y el ciclo Rankine aplicado a las turbinas de vapor usadas para generación eléctrica, en si todos los ciclos buscan una eficiencia máxima, sin perdidas, todos tratan de acercarse al ciclo ideal de Carnot.

El motor presentado por Ilmor originalmente es un tres cilindros de 700 centímetros cúbicos, sobrealimentado, que a pesar de su bajo cilindraje, logra una asombrosa potencia de 130 caballos, superando a otros propulsores de similares características de cuatro tiempos e incluso supera a los motores rotativos, como el del RX-8 y sus 231 caballos del 1,3 litros bi-rotor (177 caballos/litro). El 0,7 también ha resultado favorecido en las mediciones de par motor, logrando unos buenos 165 N.m

El ciclo Atkinson

Es un ciclo más eficiente que el de cuatro tiempos, consigue relaciones de compresión más altas. La gasolina cuando se comprime tiende a detonar antes, pero contribuye a que sea mejor. Con una relación de compresión más alta el rendimiento termodinámico es excelente.

Para entender un poco más el funcionamiento del ciclo de Atkinson, vale la pena dar un repaso por el ciclo de cuatro tiempos conocido como ciclo Otto.

Ciclo Otto

El movimiento en el motor se genera por una reacción química entre la gasolina que ingresa a las cámaras de combustión. El aire que pasa por ventilación natural o sobre alimentada hacia el filtro de aire pasando por el cuerpo de aceleración y a través de la válvula de admisión en el tiempo llamado admisión y con el frente de llama generado por la bujía la compresión del pistón; esto genera la expansión o fuerza que mueve el pistón llevándolo hasta el punto muerto inferior y los gases quemados salen por la válvula de escape en  el tiempo denominado escape.

Los tiempos del ciclo Otto que aplica para los motores de gasolina son:

  1. Admisión: el pistón se encuentra en el punto muerto superior, la válvula de admisión se abre dejando ingresar la mezcla aire combustible, la cual es aspirada por el pistón que va en movimiento descendente hasta punto muerto inferior.
  2. Compresión: el pistón asciende desde el pmi hasta el pms, comprimiendo la mezcla; las válvulas permanecen cerradas. En el punto muerto superior, salta la chispa de la bujía, iniciando la mezcla aire combustible a un volumen constante.
  3. Expansión: el aumento de la presión genera un aumento de la temperatura que empuja el pistón hacia abajo transmitiéndose de la biela al cigüeñal una gran fuerza que se emplea para realizar los otros tres tiempos, las dos válvulas se encuentran cerradas.
  4. Escape: en el tiempo de escape, el pistón se encuentra en punto muerto inferior, se abre la válvula de escape y el pistón al subir deja salir los gases quemados al exterior por la tubería de escape, comenzando nuevamente el ciclo.

Motor Ilmor de ciclo Atkinson

Respecto al motor, hablamos de que posee tres cilindros, pero los tres no tienen la misma capacidad, sino que los externos son gemelos pero el central es mayor. Los cilindros exteriores operan en un ciclo convencional de cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape) pero sus gases de escape pasan al cilindro central, dentro del cual se realiza un quinto tiempo que es el que consigue más fuerza.

Este tercer cilindro tiene válvulas que se abren para recibir los gases de su vecino y otras que permiten su expulsión final. El eje de levas que mueve estas válvulas camina con la misma cantidad de revoluciones que el cigüeñal, mientras que los ejes de los pistones normales funcionan a la mitad de giros, como pasa en todos los motores.

Debido al uso de un cilindro central más grande desde Ilmor se afirma que su suavidad será similar a un motor 4 cilindros, solucionando así problemas de descompensación y ruidos molestos característicos de los motores de cuyos 3 cilindros son de igual tamaño.

Los tiempos del ciclo Atkinson que aplica para los motores de gasolina son:

  1. Admisión: con la válvula de admisión abierta el pistón desciende desde el PMS aspirando hacia el interior del cilindro la mezcla de aire – gasolina, con la mariposa de gases más abierta lo que reduce la resistencia al descenso del pistón
  2. Reflujo de admisión: al llegar el pistón a su PMI se mantiene abierta la válvula de admisión y comienza el pistón a subir expulsando hacia el colector de admisión parte de la mezcla admitida, reduciendo resistencia al ascenso del pistón
  3. Compresión: en cierto momento de la carrera de ascenso del pistón se cierra la válvula de admisión comenzando la compresión de la mezcla
  4. Explosión: cuando el pistón llega PMS salta la chispa en la bujía iniciando la explosión que genera la fuerza que hace descender el pistón
  5. Escape: cuando llega el pistón al punto al PMI se abre la válvula de escape y el ascenso de pistón expulsa los gases quemados por el sistema de escape. En este punto se cierra la válvula de escape abre la de admisión y comienza un nuevo ciclo

Diagrama P-V

diagrama P-V

Para los ingenieros o quienes quieren ir más allá este es el diagrama presión-volumen del ciclo Atkinson. Se produce un mayor aporte de calor a volumen constante en Qp y otro en Qp‘, mientras que el calor residual cedido por los gases de escape se descompone en Qo y Qo‘.

Aplicación del motor de 5 tiempos

Por ahora es un prototipo, ya ha sido probado en diferentes marcas, Ilmor es fabricante para Mercedes Benz, para los que quieren tener una certeza de donde sale esta idea, ya se habla de marcas como Toyota en su Hibrido Prius, que combina un motor eléctrico con uno de gasolina.

Toda la energía se produce en el motor de gasolina de ciclo Atkinson, que carga las baterías y el generador eléctrico y recupera la energía cinética de las desaceleraciones.

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