Motor. Diferenças entre os ciclos de Otto e Atkinson

Há algum tempo, o termo "motor de ciclo econômico Atkinson" tornou-se cada vez mais comum. O que é esse ciclo e por que ele reduz o consumo de combustível?

Os motores a gasolina de quatro tempos mais comuns hoje operam no chamado ciclo Otto, desenvolvido no final do século XNUMX pelo inventor alemão Nikolaus Otto, o projetista de um dos primeiros motores alternativos de combustão interna bem-sucedidos. A essência deste ciclo consiste em quatro tempos executados em duas voltas do virabrequim: o curso de admissão, o curso de compressão, o curso de trabalho e o curso de escape.

No início do curso de admissão, a válvula de admissão se abre, através da qual a mistura ar-combustível é aspirada do coletor de admissão, retraindo o pistão. Antes do início do curso de compressão, a válvula de admissão se fecha e o pistão retornando ao cabeçote comprime a mistura. Quando o pistão atinge sua posição de pico, a mistura é inflamada por uma faísca elétrica. Os gases de escape quentes resultantes se expandem e empurram o pistão, transferindo sua energia para ele, e quando o pistão está o mais longe possível da cabeça, a válvula de escape se abre. O curso de escape começa com o pistão de retorno empurrando os gases de escape para fora do cilindro e para dentro do coletor de escape.

Infelizmente, nem toda a energia dos gases de escapamento é usada durante o curso de força para empurrar o pistão (e, por meio da biela, para girar o virabrequim). Eles ainda estão sob alta pressão quando a válvula de exalação se abre no início do curso de exalação. Podemos aprender sobre isso quando ouvimos o barulho de um carro com o silenciador quebrado - é causado pela liberação de energia no ar. É por isso que os motores a gasolina tradicionais têm apenas cerca de 35% de eficiência. Se fosse possível aumentar o curso do pistão no curso de trabalho e usar essa energia...

Essa ideia veio do inventor inglês James Atkinson. Em 1882, ele projetou um motor no qual, graças a um complexo sistema de empurradores que conectam os pistões ao virabrequim, o curso de força era maior que o curso de compressão. Como resultado, no início do curso de exaustão, a pressão dos gases de exaustão era quase igual à pressão atmosférica e sua energia era totalmente utilizada.

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Então, por que a ideia de Atkinson não foi usada mais amplamente e por que os motores de combustão interna usam o ciclo Otto menos eficiente há mais de um século? Existem duas razões: uma é a complexidade do motor Atkinson e a outra - e mais importante - a menor potência que recebe de uma unidade de deslocamento.

No entanto, à medida que se prestava cada vez mais atenção ao consumo de combustível e ao impacto da motorização no meio ambiente, a alta eficiência do motor Atkinson foi lembrada, principalmente em velocidades médias. Seu conceito provou ser uma excelente solução, principalmente em veículos híbridos, em que o motor elétrico compensa a falta de potência, necessária principalmente na partida e na aceleração.

É por isso que o motor de ciclo Atkinson modificado foi usado no primeiro carro híbrido produzido em massa, o Toyota Prius, e depois em todos os outros híbridos Toyota e Lexus.

O que é um ciclo de Atkinson modificado? Esta solução inteligente fez com que o motor Toyota mantivesse o design clássico e simples dos motores convencionais de quatro tempos, e o pistão percorre a mesma distância em cada curso, sendo o curso efetivo mais longo que o curso de compressão.

Na verdade, deve ser dito de outra forma: o ciclo de compressão efetivo é mais curto que o ciclo de trabalho. Isto é conseguido atrasando o fechamento da válvula de admissão, que fecha logo após o início do curso de compressão. Assim, parte da mistura ar-combustível é devolvida ao coletor de admissão. Isso tem duas consequências: a quantidade de gases de escape produzidos quando é queimado é menor e consegue se expandir totalmente antes do início do curso de escape, transferindo toda a energia para o pistão, e menos energia é necessária para comprimir menos mistura, o que reduz as perdas internas do motor. Usando esta e outras soluções, o motor do trem de força Toyota Prius de quarta geração foi capaz de atingir uma eficiência térmica de até 41%, anteriormente disponível apenas em motores a diesel.

A beleza da solução é que o atraso no fechamento das válvulas de admissão não requer grandes mudanças estruturais - basta usar um mecanismo controlado eletronicamente para alterar o sincronismo das válvulas.

E se sim, é possível e vice-versa? Bem, claro; naturalmente! Os motores de ciclo de trabalho variável são produzidos há algum tempo. Quando a demanda de energia é baixa, como ao dirigir em estradas de lazer, o motor funciona no ciclo Atkinson para baixo consumo de combustível. E quando é necessário o melhor desempenho - desde faróis ou ultrapassagens - passa para o ciclo Otto, utilizando toda a dinâmica disponível. Este motor de injeção direta turbo de 1,2 litros é usado no Toyota Auris e no novo SUV urbano Toyota C-HR, por exemplo. O mesmo motor de dois litros é usado no Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t e RC 200t.