Ciclo Atkinson - Atkinson cycle

Termodinâmica
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O motor térmico clássico de Carnot
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O motor de ciclo Atkinson é um tipo de motor de combustão interna inventado por James Atkinson em 1882. O ciclo de Atkinson é projetado para fornecer eficiência em detrimento da densidade de potência .

Uma variação dessa abordagem é usada em alguns motores de automóveis modernos. Embora originalmente vistos exclusivamente em aplicações elétricas híbridas , como o Toyota Prius da geração anterior , os híbridos posteriores e alguns veículos não híbridos agora apresentam motores com temporização de válvula variável , que podem funcionar no ciclo de Atkinson como um regime de operação em tempo parcial, dando bom economia ao operar no ciclo Atkinson e densidade de potência convencional ao operar como um motor convencional do ciclo Otto .

Projeto

Atkinson produziu três designs diferentes que tinham um curso de compressão curto e um curso de expansão mais longo. O primeiro motor de ciclo Atkinson, o motor diferencial , usava pistões opostos. O segundo e mais conhecido projeto era o motor de ciclo , que usava um braço centralizado para criar quatro cursos do pistão em uma rotação do virabrequim. O motor alternativo tinha os cursos de admissão, compressão, potência e escapamento do ciclo de quatro tempos em uma única volta do virabrequim e foi projetado para evitar infringir certas patentes que cobrem os motores de ciclo Otto . O terceiro e último motor de Atkinson, o motor utilitário , funcionava como qualquer motor de dois tempos.

O ponto comum em todos os designs de Atkinson é que os motores têm um curso de expansão mais longo do que o de compressão e, por esse método, o motor atinge maior eficiência térmica do que um motor de pistão tradicional. Os motores de Atkinson foram produzidos pela British Gas Engine Company e também licenciados para outros fabricantes estrangeiros.

Muitos motores modernos agora usam um sincronismo de válvula não convencional para produzir o efeito de um curso de compressão mais curto / curso de potência mais longo. Miller aplicou esta técnica ao motor de quatro tempos, por isso às vezes é referido como o ciclo Atkinson / Miller, patente dos EUA 2817322 datada de 24 de dezembro de 1957. Em 1888, Charon entrou com um pedido de patente francesa e exibiu um motor na Exposição de Paris em 1889 O motor a gás Charon (quatro tempos) usava um ciclo semelhante ao de Miller, mas sem um compressor. É conhecido como "ciclo de Charon".

Roy Fedden em Bristol testou um arranjo no motor Bristol Jupiter IV em 1928, com tempo de retardo variável permitindo que parte da carga fosse soprada de volta para o coletor de admissão, a fim de reduzir as pressões de operação durante a decolagem.

Os projetistas de motores modernos estão percebendo as melhorias potenciais de eficiência de combustível que o ciclo do tipo Atkinson pode oferecer.

Atkinson "Motor Diferencial"

A primeira implementação do ciclo Atkinson foi em 1882; ao contrário das versões posteriores, ele foi organizado como um motor de pistão oposto , o motor diferencial Atkinson. Nesse caso, um único virabrequim era conectado a dois pistões opostos por meio de uma articulação articulada que tinha uma não linearidade; durante meia revolução, um pistão permaneceu quase estacionário enquanto o outro se aproximou e retornou, e então, na próxima meia revolução, o segundo pistão mencionado ficou quase estacionário enquanto o primeiro se aproximou e retornou.

Assim, em cada revolução, um pistão forneceu um curso de compressão e um curso de força, e então o outro pistão forneceu um curso de exaustão e um curso de carga. Como o pistão de potência permaneceu retirado durante a exaustão e carregamento, era prático fornecer exaustão e carregamento usando válvulas atrás de uma porta que foi coberta durante o curso de compressão e o curso de potência, e assim as válvulas não precisavam resistir à alta pressão e poderiam ser do tipo mais simples usado em muitas máquinas a vapor, ou mesmo em válvulas de junco .

  • Desenho da patente do "Motor Diferencial" de Atkinson, 1882

  • Animação do motor diferencial Atkinson, 1882

Atkinson "Cycle Engine"

O próximo motor projetado por Atkinson em 1887 foi chamado de "Motor de Ciclo". Esse motor usava válvulas poppet, um came e um braço centralizado para produzir quatro cursos de pistão para cada revolução do virabrequim. Os cursos de admissão e compressão foram significativamente mais curtos do que os cursos de expansão e escape.

Os motores "Cycle" foram produzidos e vendidos durante vários anos pela British Engine Company. Atkinson também licenciou a produção para outros fabricantes. Os tamanhos variaram de alguns até 100 cavalos de potência.

  • Motor a gás Atkinson conforme mostrado na Patente US 367496, 1887

  • Animação do "Cycle Engine" de Atkinson, 1887

Atkinson "Utilite Engine"

Atkinson Utilite Engine
Motor Utilite de Atkinson 1892

O terceiro projeto de Atkinson foi denominado "Motor Utilite". O motor "Cycle" de Atkinson era eficiente; no entanto, sua articulação era difícil de equilibrar para operação em alta velocidade. Atkinson percebeu que uma melhoria era necessária para tornar seu ciclo mais aplicável como um motor de alta velocidade.

Com este novo design, Atkinson foi capaz de eliminar as ligações e fazer um motor mais convencional e bem balanceado, capaz de operar em velocidades de até 600 rpm e capaz de produzir potência a cada revolução, mas preservou toda a eficiência de seu "Motor Ciclo "tendo um curso de compressão proporcionalmente curto e um curso de expansão mais longo. O Utilite opera de forma muito semelhante a um dois tempos padrão, exceto que a porta de exaustão está localizada mais ou menos no meio do curso.

Durante o curso de expansão / potência, uma válvula operada por came (que permanece fechada até que o pistão se aproxime do final do curso) evita que a pressão escape quando o pistão passa pela porta de escape. A válvula de escape é aberta perto do final do curso; ele permanece aberto enquanto o pistão retorna à compressão, permitindo que o ar fresco carregue o cilindro e escape até que a porta seja coberta pelo pistão.

Depois que a porta de exaustão é coberta, o pistão começa a comprimir o ar restante no cilindro. Uma pequena bomba de pistão de combustível injeta líquido durante a compressão. A fonte de ignição provavelmente era um tubo quente, como nos outros motores de Atkinson. Este projeto resultou em um motor de dois tempos com compressão curta e curso de expansão mais longo.

O Utilite Engine foi testado como ainda mais eficiente do que os designs anteriores de "diferencial" e "ciclo" de Atkinson. Muito poucos foram produzidos e nenhum sobreviveu. A patente britânica é de 1892, # 2492. Nenhuma patente dos EUA para o Utilite Engine é conhecida.

Ciclo termodinâmico ideal

Figura 1: Ciclo de gás Atkinson

O ciclo Atkinson ideal consiste em:

Motores modernos do ciclo Atkinson

Um pequeno motor com ligações no estilo Atkinson entre o pistão e o volante. Os motores modernos do ciclo Atkinson acabam com esse complexo caminho de energia.

No final do século 20, o termo "ciclo de Atkinson" começou a ser usado para descrever um motor de ciclo Otto modificado - no qual a válvula de admissão é mantida aberta por mais tempo do que o normal, permitindo um fluxo reverso de ar de admissão no coletor de admissão. Este ciclo Atkinson "simulado" é mais notavelmente usado no motor Toyota 1NZ-FXE do primeiro Prius .

A taxa de compressão efetiva é reduzida - durante o tempo em que o ar está escapando do cilindro livremente em vez de ser comprimido - mas a taxa de expansão permanece inalterada (ou seja, a taxa de compressão é menor do que a taxa de expansão). O objetivo do ciclo Atkinson moderno é fazer com que a pressão na câmara de combustão no final do curso de energia seja igual à pressão atmosférica. Quando isso ocorre, toda a energia disponível foi obtida no processo de combustão. Para qualquer porção de ar, a maior taxa de expansão converte mais energia do calor em energia mecânica útil - o que significa que o motor é mais eficiente.

A desvantagem do motor de quatro tempos de ciclo Atkinson em comparação com o motor de ciclo Otto mais comum é a densidade de potência reduzida. Devido a uma porção menor do curso de compressão ser dedicada à compressão do ar de admissão, um motor de ciclo Atkinson não absorve tanto ar como faria com um motor de ciclo Otto de tamanho e design semelhante. Motores de quatro tempos desse tipo, que usam o mesmo tipo de movimento da válvula de admissão, mas usam indução forçada para compensar a perda de densidade de potência, são conhecidos como motores de ciclo de Miller .

Motor giratório de ciclo Atkinson

Motor giratório de ciclo Atkinson

O ciclo Atkinson pode ser usado em um motor rotativo . Nesta configuração, um aumento na potência e na eficiência pode ser alcançado quando comparado ao ciclo de Otto. Este tipo de motor retém uma fase de potência por revolução, junto com os diferentes volumes de compressão e expansão do ciclo Atkinson original.

Os gases de escape são expelidos do motor por eliminação de ar comprimido. Essa modificação do ciclo de Atkinson permite o uso de combustíveis alternativos, como diesel e hidrogênio.

As desvantagens desse projeto incluem a exigência de que as pontas do rotor vedem com muita firmeza na parede externa do invólucro e as perdas mecânicas sofridas pelo atrito entre as peças que oscilam rapidamente de forma irregular. Veja os links externos abaixo para mais informações.

O motor Sachs KC-27 Wankel na motocicleta Hercules W-2000 usava o ciclo Atkinson. Uma cápsula de depressão abre um caminho secundário para a carga de entrada.

Veículos que usam motores do ciclo Atkinson

Hyundai Ioniq híbrido
2010 Ford Fusion Hybrid (América do Norte)

Embora um motor a pistão de ciclo Otto modificado usando o ciclo Atkinson forneça boa eficiência de combustível, isso ocorre às custas de uma menor potência por deslocamento em comparação com um motor tradicional de quatro tempos. Se a demanda por mais potência for intermitente, a potência do motor pode ser complementada por um motor elétrico durante os momentos em que mais potência é necessária. Isso forma a base de um sistema de transmissão elétrico híbrido baseado em ciclo de Atkinson . Esses motores elétricos podem ser usados ​​independentemente ou em combinação com o motor de ciclo Atkinson, para fornecer os meios mais eficientes de produzir a potência desejada. Este trem de força entrou em produção no final de 1997 na primeira geração do Toyota Prius .

Em julho de 2018, muitos sistemas de transmissão de veículos híbridos de produção usam conceitos de ciclo Atkinson, por exemplo, em:

Patentes

A patente de 1887 (US 367496) descreve as ligações mecânicas necessárias para obter todos os quatro tempos do ciclo de quatro tempos para um motor a gás dentro de uma rotação do virabrequim. Há também uma referência a uma patente Atkinson de 1886 (US 336505), que descreve um motor a gás de pistão oposto . A patente britânica para o "Utilite '" é de 1892 (# 2492).

Veja também

Referências

links externos