Motore. Differenze tra i cicli di Otto e Atkinson

Da qualche tempo, il termine "motore a ciclo economico Atkinson" è diventato sempre più comune. Cos'è questo ciclo e perché riduce il consumo di carburante?

I più comuni motori a benzina a quattro tempi oggi operano sul cosiddetto ciclo Otto, sviluppato alla fine del XIX secolo dall'inventore tedesco Nikolaus Otto, il progettista di uno dei primi motori a combustione interna alternativi di successo. L'essenza di questo ciclo consiste in quattro tempi eseguiti in due giri dell'albero motore: la corsa di aspirazione, la corsa di compressione, la corsa di lavoro e la corsa di scarico.

All'inizio della corsa di aspirazione si apre la valvola di aspirazione, attraverso la quale la miscela aria-carburante viene aspirata dal collettore di aspirazione ritraendo il pistone. Prima dell'inizio della corsa di compressione, la valvola di aspirazione si chiude e il pistone di ritorno alla testata comprime la miscela. Quando il pistone raggiunge la sua posizione di picco, la miscela viene accesa da una scintilla elettrica. I gas di scarico caldi risultanti si espandono e spingono il pistone, trasferendogli la sua energia, e quando il pistone è il più lontano possibile dalla testa, la valvola di scarico si apre. La corsa di scarico inizia con il pistone di ritorno che spinge i gas di scarico fuori dal cilindro e nel collettore di scarico.

Sfortunatamente, non tutta l'energia dei gas di scarico viene utilizzata durante la corsa di potenza per spingere il pistone (e, attraverso la biella, per far ruotare l'albero motore). Sono ancora sotto alta pressione quando la valvola di espirazione si apre all'inizio della corsa di espirazione. Possiamo scoprirlo quando sentiamo il rumore prodotto da un'auto con una marmitta rotta: è causato dal rilascio di energia nell'aria. Questo è il motivo per cui i motori a benzina tradizionali hanno un'efficienza solo del 35% circa. Se fosse possibile aumentare la corsa del pistone nella corsa di lavoro e utilizzare questa energia ...

Questa idea è venuta all'inventore inglese James Atkinson. Nel 1882 progettò un motore in cui, grazie a un complesso sistema di spintori che collegavano i pistoni all'albero motore, la corsa di potenza era più lunga della corsa di compressione. Di conseguenza, all'inizio della corsa di scarico, la pressione dei gas di scarico era quasi uguale alla pressione atmosferica e la loro energia veniva completamente utilizzata.

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Allora perché l'idea di Atkinson non è stata utilizzata più ampiamente e perché i motori a combustione interna utilizzano il ciclo Otto meno efficiente da più di un secolo? Ci sono due ragioni: una è la complessità del motore Atkinson e l'altra - e soprattutto - la minore potenza che riceve da un'unità di cilindrata.

Tuttavia, poiché sempre più attenzione è stata prestata ai consumi di carburante e all'impatto della motorizzazione sull'ambiente, è stata ricordata l'elevata efficienza del motore Atkinson, soprattutto ai regimi medi. Il suo concept si è rivelato un'ottima soluzione, soprattutto nei veicoli ibridi, in cui il motore elettrico compensa la mancanza di potenza, necessaria soprattutto in partenza e in accelerazione.

Ecco perché il motore a ciclo Atkinson modificato è stato utilizzato nella prima auto ibrida prodotta in serie, la Toyota Prius, e poi in tutte le altre ibride Toyota e Lexus.

Che cos'è un ciclo di Atkinson modificato? Questa soluzione intelligente ha fatto sì che il motore Toyota conservasse il design classico e semplice dei tradizionali motori a quattro tempi, e il pistone percorre la stessa distanza ad ogni corsa, la corsa effettiva è più lunga della corsa di compressione.

In realtà, va detto diversamente: il ciclo effettivo di compressione è più breve del ciclo di lavoro. Ciò si ottiene ritardando la chiusura della valvola di aspirazione, che si chiude poco dopo l'inizio della corsa di compressione. Pertanto, parte della miscela aria-carburante viene restituita al collettore di aspirazione. Ciò ha due conseguenze: la quantità di gas di scarico prodotta quando viene bruciata è minore ed è in grado di espandersi completamente prima dell'inizio della corsa di scarico, trasferendo tutta l'energia al pistone, e serve meno energia per comprimere meno miscela, che riduce le perdite interne del motore. Utilizzando questa e altre soluzioni, il propulsore Toyota Prius di quarta generazione è stato in grado di raggiungere un'efficienza termica fino al 41%, precedentemente disponibile solo dai motori diesel.

Il bello della soluzione è che il ritardo nella chiusura delle valvole di aspirazione non richiede grandi modifiche strutturali: è sufficiente utilizzare un meccanismo a controllo elettronico per modificare la fasatura delle valvole.

E se sì, è possibile e viceversa? Beh, certo; naturalmente! Da tempo vengono prodotti motori a ciclo di lavoro variabile. Quando la richiesta di potenza è bassa, come quando si guida su strade tranquille, il motore funziona con il ciclo Atkinson per un basso consumo di carburante. E quando sono richieste le migliori prestazioni - dai fari ai sorpassi - si passa al ciclo Otto, sfruttando tutta la dinamica disponibile. Questo motore turbo a iniezione diretta da 1,2 litri è utilizzato, ad esempio, nella Toyota Auris e nel nuovo SUV urbano Toyota C-HR. Lo stesso motore da due litri è utilizzato su Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t e RC 200t.