Non è un caso che il motore a ciclo Atkinson (o meglio, Miller e vedremo subito il perché) sia offerto su auto ibride, full hybrid o plug-in hybrid. Sono le sue caratteristiche di funzionamento, i suoi pregi e difetti a suggerirne l’impiego in abbinamento a uno o più motori elettrici.
Il funzionamento del ciclo Atkinson – che in realtà è un ciclo Miller nelle applicazioni sui modelli oggi su strada – è diverso nel ciclo di combustione da un motore a ciclo Otto per il volume d’aria compressa nella risalita del pistone.
IL MOTORE A CICLO ATKINSON
- Riduce i consumi comprimendo un volume d’aria inferiore
- Sacrifica un po’ di potenza rispetto a un motore a Ciclo Otto
- Il vero ciclo Atkinson è un complesso schema di manovellismi sull’albero motore
- L’Atkinson applicato sulle auto è un ciclo Miller, operante sulle valvole di aspirazione
- Il supporto del motore elettrico, sulle auto ibride, compensa la minore potenza
COME FUNZIONA LA COMBUSTIONE IN UN MOTORE
Il funzionamento del motore a ciclo Atkinson è sempre un ciclo 4 tempi, composto dalla fase di aspirazione dell’aria (discesa del pistone dal punto morto superiore al punto morto inferiore), compressione (risalita del pistone), espansione (successivamente alla combustione, produzione della potenza) e scarico.
Il ciclo inventato a fine 1800 è profondamente diverso per il complesso schema di manovelle sull’albero motore. Permettono di ridurre la fase di compressione dell’aria all’interno di un ciclo 4 tempi.
All’atto pratico un propulsore a ciclo Atkinson si distingue per il sacrificio di parte della potenza raggiungibile – in virtù di una diminuzione del rapporto di compressione – in nome dell’efficienza. 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.
COME CAMBIA LA FASE DI COMPRESSIONE
Nel ciclo di combustione Atkinson, rispetto al ciclo Otto, cambia il volume d’aria compressa nella fase di risalita del pistone dal punto morto inferiore. Il motore a ciclo Otto prevede una fase di aspirazione che dura per l’intera corsa del pistone, verso il basso, fino al punto morto inferiore. Una fase nella quale le valvole di aspirazione sono aperte e consentono l’ingresso dell’aria.
La fase di compressione verso l’alto crea una resistenza, aumentano le pressioni e può tradursi come un “lavoro” del motore che richiede un dispendio di energia, semplificando all’estremo. Con il pistone in risalita fino al punto morto superiore avviene l’accensione della miscela tra aria compressa e benzina (1 parte di benzina per 14 di aria). L’espansione successivamente alla combustione aria-benzina spinge il pistone verso il PMI. Il ciclo si ripete.
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Il funzionamento del ciclo Atkinson è diverso poiché è il volume d’aria compressa a essere inferiore. Questo permette di ridurre il consumo di carburante, sia in ragione del minore volume d’aria e iniezione di benzina, sia per le minori pressioni opposte nella fase di risalita del pistone. Il motore opera a un rapporto di compressione più basso. Ma come avviene quest’operazione di maggiore efficienza?
L’ATKINSON VENDUTO È UN CICLO MILLER
In due modi. Uno è il vero ciclo Atkinson, molto complesso poiché prevede numerosi manovellismi sull’albero motore e non è oggi proposto su modelli di serie in Europa. Il secondo, di più semplice gestione, è un ciclo Atkinson che opera secondo il ciclo Miller. Le valvole di aspirazione restano aperte per una certa porzione di tempo nella fase di risalita del pistone dal punto morto inferiore, il più basso raggiungibile dal pistone, successivamente all’espansione.
Questa apertura prolungata delle valvole di aspirazione fa sì che una porzione dell’aria aspirata, nella risalita del pistone trovi le valvole di aspirazione ancora aperte, riducendo così l’energia e le pressioni necessarie alla risalita del pistone. Ergo, minore lavoro prodotto dal motore. In ragione delle valvole di aspirazione ancora parzialmente aperte – anziché chiuse come vorrebbe un funzionamento a ciclo Otto nella fase dal punto morto inferiore al punto morto superiore – il volume d’aria effettivamente compresso è minore, minore è il carburante iniettato per la combustione e, di conseguenza, si ottiene un’efficienza superiore.
I VANTAGGI DEL MOTORE A CICLO ATKINSON
Il propulsore a ciclo Atkinson si caratterizza per un più 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
Tuttavia, le minori pressioni sviluppate in camera di combustione si traducono, anche, in minore potenza espressa dal motore termico. E’ un difetto dei cicli Atkinson e Miller. Come superarlo? Qui subentra il motore elettrico e la ragione stessa della scelta del ciclo Atkinson (Miller) sulle auto ibride. I motori elettrici compensano la perdita di potenza prodotta dall’unità termica che, in un sistema ibrido, dà il proprio apporto con la riduzione dei consumi e un rendimento termico superiore. L’unità elettrica compensa la minore potenza e, soprattutto, la minore coppia erogata dal 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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