El ciclo Atkinson | Club Foro Toyota C-HR

El ciclo Atkinson

Juan CHR

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Alguno habéis oido o leído que el motor de gasolina que lleva nuestro coche y en general, todos los híbridos de Toyota, utiliza un sistema que se denomina ciclo de Atkinson, y lo que quiero explicaros es que es eso y en que consiste.

No voy a incidir mucho en ello, pero hubo un ingeniero llamado Atkinson a finales del siglo XIX que inventó un motor de gasolina que hacía los cuatro tiempos solo en una vuelta de cigüeñal, en vez de en las dos que tienen los motores Otto que son los más usados. No tuvo mucho éxito, el sistema utilizaba dobles o triples bielas, y ahí se quedó. Pero la idea de utilizar una relación de compresión distinta a la de expansión permaneció, y se denomina ciclo de Atkinson.

Para explicar lo que es un ciclo de Atkinson, lo primero es relacionar los 4 tiempos del ciclo de un motor de explosión:

  1. Admisión. El pistón está arriba, se abren las válvulas de admisión se llena el cilindro según va bajando el pistón
  2. Compresión. Se cierran las válvulas de admisión y el cilindro en su carrera ascendente aprieta la mezcla, reduciendo el volumen
  3. Expansión. (A veces se le denomina también de Combustión, pero me quedo con el otro nombre porque a los efectos de lo que hace el pistón, me conviene más). Con la mezcla así comprimida, salta la chispa de la bujía y se produce una explosión en donde la gasolina reacciona con el oxígeno produciendo CO2 y otros gases y que de forma violenta empuja al pistón. En este tiempo es donde se produce el par motor
  4. Escape. El pistón asciende, empuja los gases, se abre la válvula de escape y esos gases se llevan al tubo de escape (o al turbo, si lo hubiera).

Los ciclos más importantes son el 2 Compresión y 3 Expansión, los otros se limitan a rellenar o expulsar la mezcla y los residuos.

Es lógico pensar en que ambos ciclos, el 2 y el 3 el recorrido que hace el pistón en el cilindro es el mismo, y como en ambos las válvulas están cerradas, la relación de compresión y expansión (diferencia entre el espacio libre que hay en el pistón cuando está más arriba y cuando está más abajo) en ambos ciclos es la misma. A eso se le llama ciclo Otto.

Pero imaginaros que hacemos una pequeña modificación. Y la hacemos en el tiempo 2 Compresión. En vez de cerrar la/s válvula/s de admisión según sube el pistón para comprimir la mezcla y dejarlo completamente cerrado para que sea más efectiva, dejo que se cierre más tarde.

Por consiguiente, al no estar el cilindro cerrado completamente, una parte de la mezcla, vuelve hacia atrás a la cámara de mezclas. Como consecuencia, hay menos mezcla que explosionar y la relación de compresión disminuye, porque se empieza a contar esa relación a partir de que se haya cerrado todas las válvulas, no desde abajo con toda la carrera. Hemos conseguido una relación de compresión distinta a la de expansión, que de paso se deja como está.

Cuando se produce la explosión y por tanto la expansión, se quema menos gasolina, y como consecuencia de la explosión, se produce una presión que ejerce una fuerza sobre la superficie del pistón, y esa fuerza se transmite a una biela y de aquí a un cigüeñal y ya tenemos el par (fuerza * diámetro cigüeñal, corregido según ángulo de incidencia de la fuerza).

Importante es saber que la presión que ejerce la explosión sobre el pistón en el motor de explosión va de más a menos según el pistón hace un recorrido descendente y disminuye porque va aumentando el volumen disponible para el gas según baja el pistón (Presión y volumen son inversamente proporcionales). En el ciclo Atkinson la presión al final del tiempo 3 Expansión es idéntica a la atmosférica, mientras que en el ciclo Otto es mayor que la atmosférica. Lo que indica que en el ciclo Atkinson hemos aprovechado al máximo la explosión y en el Otto hubiera habido más margen, si el cilindro hubiese permitido bajar más el pistón.

Así de sencillo es la diferencia, es una actuación en el árbol de levas que permite retrasar el cierre de las válvulas de admisión en el ciclo de compresión. No hay otros cambios. Menos mezcla menos gasto.

Vamos con las ventajas primero.
  • Menos gasto de combustible. Toyota calcula un 12/14 % respecto al mismo motor ciclo Otto
  • Menos temperatura del motor, al ser las explosiones de menos mezcla
  • Mecánica más duradera, al estar sometida a menos presión y temperatura
Inconvenientes
  • Menos potencia. Fijaros que un motor de 1.800 cc solo da 98CV. Motores más pequeños dan más potencia
  • Se alcanzan menos revoluciones, casi a la altura de un diesel

¿Porque no lo tienen TODOS los coches?

Obvio, porque no da la potencia para esa cilindrada. Y eso es hoy en día un argumento de ventas, sobre todo que se están poniendo de moda motores más pequeños sobre alimentados que dan mucha potencia.

¿Porque solo se encuentra en híbridos?

Sencillo. Hay un motor eléctrico que complementa las carencias del motor térmico. Hay que considerar un coche híbrido como un sistema que combina de los dos motores. El problema que tenemos es que si como consecuencia de una prolongada subida nos quedamos sin batería de fuerza es cuando notamos esa falta de potencia del motor térmico. Pero son pocas veces, y todo sea por un consumo contenido.

En el Lexus NX/ Toyota RAV4 ese problema no se da porque su motor térmico es de 190 cv, pero gasta más.

En fin, ha sido una aproximación muy por encima, y estoy a vuestra disposición para responder a alguna cuestión, así como para debatir sobre esto.
 
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Alguno habéis oido o leído que el motor de gasolina que lleva nuestro coche y en general, todos los híbridos de Toyota, utiliza un sistema que se denomina ciclo de Atkinson, y lo que quiero explicaros es que es eso y en que consiste.

No voy a incidir mucho en ello, pero hubo un ingeniero llamado Atkinson a finales del siglo XIX que inventó un motor de gasolina que hacía los cuatro tiempos solo en una vuelta de cigüeñal, en vez de en las dos que tienen los motores Otto que son los más usados. No tuvo mucho éxito, el sistema utilizaba dobles o triples bielas, y ahí se quedó. Pero la idea de utilizar una relación de compresión distinta a la de expansión ahí quedó, y se denomina ciclo de Atkinson.

Para explicar lo que es un ciclo de Atkinson, lo primero es relacionar los 4 tiempos del ciclo de un motor de explosión:

  1. Admisión. El pistón está arriba, se abren las válvulas de admisión se llena el cilindro según va bajando el pistón
  2. Compresión. Se cierran las válvulas de admisión y el cilindro en su carrera ascendente aprieta la mezcla, reduciendo el volumen
  3. Expansión. Con la mezcla así comprimida, salta la chispa de la bujía y se produce una explosión en donde la gasolina reacciona con el oxígeno produciendo CO2 y otros gases y que de forma violenta empuja al pistón. En este tiempo es donde se produce el par motor
  4. Escape. El pistón asciende, empuja los gases, se abre la válvula de escape y esos gases se llevan al tubo de escape (o al turbo, si lo hubiera).

Los ciclos más importantes son el 2 Compresión y 3 Expansión, los otros se limitan a rellenar o expulsar la mezcla y los residuos.

Es lógico pensar en que ambos ciclos, el 2 y el 3 el recorrido que hace el pistón en el cilindro es el mismo, y como en ambos las válvulas están cerradas, la relación de compresión y expansión (diferencia entre el espacio libre que hay en el pistón cuando está más arriba y cuando está más abajo) en ambos ciclos es la misma. A eso se le llama ciclo Otto.

Pero imaginaros que hacemos una pequeña modificación. Y la hacemos en el tiempo 2 Compresión. En vez de cerrar la/s válvula/s de admisión según sube el pistón para comprimir la mezcla y dejarlo completamente cerrado para que sea más efectiva, dejo que se cierre más tarde.

Por consiguiente, al no estar el cilindro cerrado completamente, una parte de la mezcla, vuelve hacia atrás a la cámara de mezclas. Como consecuencia, hay menos mezcla que explosionar y la relación de compresión disminuye, porque se empieza a contar esa relación a partir de que se haya cerrado todas las válvulas, no desde abajo con toda la carrera. Hemos conseguido una relación de compresión distinta a la de expansión, que de paso se deja como está.

Cuando se produce la explosión y por tanto la expansión, se quema menos gasolina, y como consecuencia de la explosión, se produce una presión que ejerce una fuerza sobre la superficie del pistón, y esa fuerza se transmite a una biela y de aquí a un cigüeñal y ya tenemos el par (fuerza * diámetro cigüeñal, corregido según ángulo de incidencia de la fuerza).

Importante es saber que la presión que ejerce la explosión sobre el pistón en el motor de explosión va de más a menos según el pistón hace un recorrido descendente y disminuye porque va aumentando el volumen disponible para el gas según baja el pistón (Presión y volumen son inversamente proporcionales). En el ciclo Atkinson la presión al final del tiempo 3 Expansión es idéntica a la atmosférica, mientras que en el ciclo Otto es mayor que la atmosférica. Lo que indica que en el ciclo Atkinson hemos aprovechado al máximo la explosión y en el Otto hubiera habido más margen, si el cilindro hubiese permitido bajar más el pistón.

Así de sencillo es la diferencia, es una actuación en el árbol de levas que permite retrasar el cierre de las válvulas de admisión en el ciclo de compresión. No hay otros cambios. Menos mezcla menos gasto.

Vamos con las ventajas primero.
  • Menos gasto de combustible. Toyota calcula un 12/14 % respecto al mismo motor ciclo Otto
  • Menos temperatura del motor, al ser las explosiones de menos mezcla
  • Mecánica más duradera, al estar sometida a menos presión y temperatura
Inconvenientes
  • Menos potencia. Fijaros que un motor de 1.800 cc solo da 98CV. Motores más pequeños dan más potencia
  • Se alcanzan menos revoluciones, casi a la altura de un diesel

¿Porque no lo tienen TODOS los coches?

Obvio, porque no da la potencia para esa cilindrada. Y eso es hoy en día un argumento de ventas, sobre todo que se están poniendo de moda motores más pequeños sobre alimentados que dan mucha potencia.

¿Porque solo se encuentra en híbridos?

Sencillo. Hay un motor eléctrico que complementa las carencias del motor térmico. Hay que considerar un coche híbrido como un sistema que combina de los dos motores. El problema que tenemos es que si como consecuencia de una prolongada subida nos quedamos sin batería de fuerza es cuando notamos esa falta de potencia del motor térmico. Pero son pocas veces, y todo sea por un consumo contenido.

En el Lexus NX/ Toyota RAV4 ese problema no se da porque su motor térmico es de 190 cv, pero gasta más.

En fin, ha sido una aproximación muy por encima, y estoy a vuestra disposición para responder a alguna cuestión, así como para debatir sobre esto.
Chapeau! Muy bien explicado. Realmente quedo impresionado del nivel de las aportaciones a este forum.
 

jayabusa500cb

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Estupendo y perfecto JuanCHR ,buena explicación
De ahí también deducimos el que no sea rentable usar 98 octavos en estas mecánicas
Con este ciclo suben menos de rpm y sin embargo lo tienen más fácil porque debe resistir menos fuerza para ganar dichas rpm,para mí es por tema de rendimiento-eficiencia que deben buscar lo más óptimo ya que no se busca exprimir caballeria
 

Juan CHR

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Así es, este coche está diseñado para buscar la eficiencia y no solo en frenadas. El propio motor es eficiente. El principio es muy sencillo, relleno de mezcla, corrijo la mezcla soltando un poco (lo que se hace con las jeringuillas, que sueltas un poco), y cuando se produce la combustión, haces el recorrido como si hubieras rellenado entero el cilindro, pero con una medida menor

También se produce un ahorro porque has tenido que comprimir la mezcla menos tiempo y volumen.
 
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pirri

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Aplausos. Te tengo que nominar al Oscar forero.

En pesos ¿Serian igual un motor otto y el equivalente Atkinson? Supongo que sí.
 
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Juan CHR

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Aplausos. Te tengo que nominar al Oscar forero.

En pesos ¿Serian igual un motor otto y el equivalente Atkinson?
Si es el mismo peso, sencillamente un engranaje reequilibrado de otra forma, o un ajuste en la centralita. No hay diferencia.
 

pirri

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Me gusta porque no tengo ni idea de mecánica he intento aprender.

Entonces Toyota sigue con atkinson a muerte. No he leído lo contrario, bueno algo recuerdo de un motor nuevo pero muy lejano no sé si ha cuajado.

Me has hecho leer más sobre el tema @Juan CHR (y)

He visto que el Niro usa Ciclo Miller. Que creo que es un Atkinson sobrealimentado pero sin turbo ya que no consigue suficientes rpm para un turbo.

Leo que en nuestro atkinson que tiene bajas rpm comparado con un otto, donde se siente más cómodo no es en la parte baja sino en altas revoluciones el atkinson, que son bajas de nuevo comparadas con un otto. Es decir digamos que es un motor bueno para mantener velocidades pero no para acelerar desde 0km/h, falto de potencia en bajas revoluciones. Que como bien dices es ideal combinado con un eléctrico que su fuerte es a baja velocidad puede dar todas las rpm y torque para actuar como lanzadera del coche, y arrancar el atkinson en unas rpm donde este más agusto para mantener velocidades o subir la velocidad, pero siempre lanzado.

Por eso en rampas muy acusadas el C-HR podría tener bajón, sino hacemos una conducción digamos "híbrida", notar esa bajada de potencia por agotamiento del eléctrico, falta de batería.

¿me he liado?

Me voy dando cuenta que un híbrido, en nuestro caso Toyota esta muy planificación es pura estrategia de ahorro. Mientras los convencionales es pammm un motor, turbo y a correr.
 

Juan CHR

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Es curioso @pirri cuando lees sobre estas cosas. El principio en el que están basado los motores de combustión es el de convertir la explosión de una mezcla de combustible aire en presión en un cilindro estanco en el que solo hay un elemento no fijo (el pistón),que se mueve, presión que se convierte en fuerza lineal y llevar ese movimiento lineal a convertirlo en circular. Y el reto de todos los ingenieros para sacar el máximo partido de la explosión ha conducido a inventar sistemas como éstos, inyectores, turbos,...

En el momento en el que hay un movimiento circular, ya hay un punto de apoyo y un brazo de potencia, entramos en la mecánica de las palancas, de los vectores fuerza y brazo de potencia, el concepto de torque (o par de potencia), momento de fuerza y la famosa regla de la mano derecha...Ay la LOGSE que daño ha hecho. Apasionante sin duda.

Como apasionante es la mecánica epicicloidal. Pensar que el motor térmico se relaciona con las ruedas con un mecanismo como éste. Es muy curiosa la mecánica de los engranajes, y verás como tiene sentido los distintos modos de nuestro coche.

Te animo a investigar.
 

pirri

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Es curioso @pirri cuando lees sobre estas cosas. El principio en el que están basado los motores de combustión es el de convertir la explosión de una mezcla de combustible aire en presión en un cilindro estanco en el que solo hay un elemento no fijo (el pistón),que se mueve, presión que se convierte en fuerza lineal y llevar ese movimiento lineal a convertirlo en circular. Y el reto de todos los ingenieros para sacar el máximo partido de la explosión ha conducido a inventar sistemas como éstos, inyectores, turbos,...

En el momento en el que hay un movimiento circular, ya hay un punto de apoyo y un brazo de potencia, entramos en la mecánica de las palancas, de los vectores fuerza y brazo de potencia, el concepto de torque (o par de potencia), momento de fuerza y la famosa regla de la mano derecha...Ay la LOGSE que daño ha hecho. Apasionante sin duda.

Como apasionante es la mecánica epicicloidal. Pensar que el motor térmico se relaciona con las ruedas con un mecanismo como éste. Es muy curiosa la mecánica de los engranajes, y verás como tiene sentido los distintos modos de nuestro coche.

Te animo a investigar.
me has dejado tarea (n)
 

Juan CHR

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me has dejado tarea (n)
Otra cosa para tarea.

El principio más importante de los engranajes es que la velocidad lineal en el punto de unión de dos engranajes es la misma . Lo que no se conserva es la velocidad angular, salvo que los dos engranajes tengan el mismo radio.

Ese principio de los engranajes lleva a poder llevar más vueltas desde un eje conectado a un engranaje a otro engranaje (si es más pequeño) o menos vueltas (si es más grande) (el principio de las cajas de cambio) . Y si hay 3 engranajes esa igualdad se da de dos en dos. Es posible hacer que aunque estén girando no se transmita movimiento. Los mecanismos epicicloidales permiten muchas combinaciones. Y son perfectamente explicables.
 

Juan CHR

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Me gusta porque no tengo ni idea de mecánica he intento aprender.

Entonces Toyota sigue con atkinson a muerte. No he leído lo contrario, bueno algo recuerdo de un motor nuevo pero muy lejano no sé si ha cuajado.

Me has hecho leer más sobre el tema @Juan CHR (y)

He visto que el Niro usa Ciclo Miller. Que creo que es un Atkinson sobrealimentado pero sin turbo ya que no consigue suficientes rpm para un turbo.

Leo que en nuestro atkinson que tiene bajas rpm comparado con un otto, donde se siente más cómodo no es en la parte baja sino en altas revoluciones el atkinson, que son bajas de nuevo comparadas con un otto. Es decir digamos que es un motor bueno para mantener velocidades pero no para acelerar desde 0km/h, falto de potencia en bajas revoluciones. Que como bien dices es ideal combinado con un eléctrico que su fuerte es a baja velocidad puede dar todas las rpm y torque para actuar como lanzadera del coche, y arrancar el atkinson en unas rpm donde este más agusto para mantener velocidades o subir la velocidad, pero siempre lanzado.

Por eso en rampas muy acusadas el C-HR podría tener bajón, sino hacemos una conducción digamos "híbrida", notar esa bajada de potencia por agotamiento del eléctrico, falta de batería.

¿me he liado?

Me voy dando cuenta que un híbrido, en nuestro caso Toyota esta muy planificación es pura estrategia de ahorro. Mientras los convencionales es pammm un motor, turbo y a correr.
No te has liado. El motor eléctrico tiende a cubrir el par a bajas velocidades, y se recurre al térmico cuando se necesita más par y velocidad. De hecho el motor MG1 gira al contrario que el motor térmico para frenarlo al principio y moderar la entrada de ese par, pero según se va necesitando gira a su favor para añadirle par, de modo que se pueda cubrir todas las necesidades de par sin necesitar de marchas.

En cuanto al ciclo Miller, tu descripción se acerca mucho a la realidad, pero supone añadir un nuevo elemento mecánico (compresor e intercooler) al motor, complicándolo más. Al final resulta que cada vez se complican más los motores. Verás que risa cuando lleguen los eléctricos y su sencillez mecánica.
 

pirri

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Confieso que con las física que me has puesto, me hice caquita :coffee:. Todo es aprender, gracias por la explicación.

No había caído que el compresor se calienta, necesita un radiador, ooootro mecanismo que se puede romper. Qué se lo digan a Alonso.
 

Juan CHR

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Confieso que con las física que me has puesto, me hice caquita :coffee:. Todo es aprender, gracias por la explicación.

No había caído que el compresor se calienta, necesita un radiador, ooootro mecanismo que se puede romper. Qué se lo digan a Alonso.
No es eso, se calienta como todo, es que el aire que se fuerza a meter en el cilindro se enfría previamente para un mejor control de la explosión. Ten en cuenta que las temperaturas que se dan dentro de un motor son muy altas, Luego, aunque sea muy eficiente, a esa eficiencia réstale la energía para mover un compresor y enfriar aire. Pero es normal, la mayoría de los turbos tienen intercooler o enfriador del aire. Pero si hay turbo, tarde o temprano puede haber una avería (es una de las 5/10 más caras). :cautious::cautious::cautious::whistle::whistle::whistle:
 

pirri

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No es eso, se calienta como todo, es que el aire que se fuerza a meter en el cilindro se enfría previamente para un mejor control de la explosión. Ten en cuenta que las temperaturas que se dan dentro de un motor son muy altas, Luego, aunque sea muy eficiente, a esa eficiencia réstale la energía para mover un compresor y enfriar aire. Pero es normal, la mayoría de los turbos tienen intercooler o enfriador del aire. Pero si hay turbo, tarde o temprano puede haber una avería (es una de las 5/10 más caras). :cautious::cautious::cautious::whistle::whistle::whistle:
Es verdad (n), enfría el aire, hoy me han estado hablando del tema del intercooler por una avería rara que tiene el coche de un compañero, y no consiguen encontrar el problema.
 

Alc

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Como siempre sin comentarios Juan, da gusto leer lo que escribes por lo interesante y por lo bien y sencillo que lo explicas.
 

pirri

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Este vídeo no lo entiendo. Esta sacado de How does an Atkinson cycle engine work? - Lexus


En el vídeo en el nuevo ciclo atkinson la compresión comienza a contar cuando la calcula cierta por completo. Y se ve que es a la vez que el otto ya que la cámara es mayor en el atkinson, y termina en el mismo sitio, por lo que la compresión es la misma. Luego al expandir el recorrido es mayor y dice que es más potente que el otto. con la misma cantidad de mezcla. No me queda clara la explicación.
 

Xmael

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Hay otra forma de ver que el ciclo Atkinson es más eficiente que el Otto (el convencional).


Eso es un diagrama de presión frente a volumen y otro de temperatura frente a entropía. El ciclo va en el orden ascendente de los números. La energía que se obtiene por cada ciclo completo es el área que encierran las cuatro transformaciones y como se puede ver en el caso del ciclo Atkinson tenemos esa pequeña cola en gris, convirtiéndolo en más eficiente que un Otto (que sería solamente la parte en blanco).

Si alguien quiere la explicación termodinámica completa, os dejo el enlace al blog de donde he sacado la figura
 
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