Come funziona il motore a ciclo Atkinson

I motori a ciclo Atkinson sono motori a combustione interna con cicli a quattro tempi praticamente identici a quelli del ciclo Otto, anche se presentano lo svantaggio di erogare una potenza inferiore. Dal lato positivo, sfruttano meglio il carburante, ottenendo così valori di consumo migliori.

In origine, e a differenza del funzionamento attuale, il motore a ciclo Atkinson completava i quattro tempi (aspirazione, compressione, espansione e scarico) in un solo giro di albero motore. I motori a ciclo Otto richiedono invece due giri di albero motore per completare gli stessi tempi.

Oggi questo concetto è stato modificato e la principale differenza tra un motore a ciclo Otto e uno a ciclo Atkinson è che, per una parte della corsa di compressione (circa la metà), le valvole di aspirazione restano aperte. Ciò si ottiene modificando le camme di aspirazione dell’albero a camme, con il vantaggio che le perdite del motore dovute alla compressione della miscela si riducono drasticamente.

Funzionamento di un motore a ciclo Atkinson

In un motore a ciclo Atkinson sono presenti anche i quattro tempi di un motore a benzina, con aspirazione, compressione, esplosione e scarico. Tuttavia, in questo tipo di motore la valvola di aspirazione si chiude tardi durante la fase di compressione, il che riduce la compressione effettiva, poiché la compressione reale non inizia davvero finché la valvola di aspirazione non si chiude. Questo può portare il rapporto di compressione a essere anche la metà di quello che si avrebbe se la valvola si chiudesse prima, come avviene in un tradizionale ciclo Otto a quattro tempi.

Con questa modifica, durante la corsa di compressione (quando si comprime la miscela di aria e carburante precedentemente aspirata) e poiché le valvole di aspirazione restano aperte, una parte della miscela viene restituita al collettore di aspirazione.

Il rapporto di compressione di un motore è dato dal volume d’aria della corsa di compressione più il volume d’aria della camera di combustione, diviso per il volume d’aria della camera di combustione.

Durante la corsa di compressione questo rapporto si attesta su 8:1, perché il conteggio inizia nel momento in cui si chiude la valvola di aspirazione, mentre nella corsa di espansione è di 13:1, che corrisponde alla discesa del pistone con le valvole chiuse (unica corsa in cui viene compiuto lavoro).

Per questa asimmetria, al termine del ciclo di lavoro, quando le valvole di scarico si preparano ad aprirsi, la pressione interna del cilindro è circa pari a quella atmosferica, mentre in un motore a benzina convenzionale è leggermente superiore, il che significa che non è stata sfruttata tutta la forza che spingeva il pistone verso il basso.

Inoltre, la corsa ascendente del pistone riempie il collettore di aspirazione (ricordiamo che le valvole di aspirazione restano aperte fino a circa metà corsa), con conseguente aumento della pressione al suo interno (che è sempre inferiore a quella atmosferica), il che favorisce il riempimento degli altri cilindri e riduce al minimo le perdite dovute al riflusso dei gas.

Lo sforzo meccanico dei motori a ciclo Atkinson è inferiore a quello dei motori a ciclo Otto, poiché il loro rapporto di compressione è più basso, il che assicura una maggiore durata della meccanica.

Inoltre, il loro costo di produzione è simile a quello di un motore a benzina convenzionale. Lo stesso vale per il peso, la rumorosità e le emissioni inquinanti, senza l’elevato costo, peso e rumore dei motori diesel.

Svantaggi dei motori Atkinson

Finora sono stati evidenziati solo i punti di forza di questi motori. È ora di spiegare perché questi motori non vengono montati su modelli che non siano ibridi.

Lo svantaggio principale è che, comprimendo una quantità minore di miscela, la forza spingente sulla testa del pistone nel momento della scintilla è inferiore a quella di un motore convenzionale, dando origine a motori meno potenti. Un esempio è il motore da 1.800 cm§h40Fordh41§ della Prius di terza generazione, che eroga una potenza di soli 100 CV.

A causa della configurazione dei tempi, il regime massimo di rotazione di questi motori è limitato a circa 5.000 giri/min e la potenza specifica (potenza ottenuta in rapporto alla cilindrata) è bassa, il che comporta che questi motori eroghino la stessa potenza di un motore di cilindrata inferiore, dando al conducente la sensazione che l’auto non abbia potenza.

Tuttavia, in un veicolo ibrido questa sensazione non si avverte, perché la sensazione di potenza proviene dal motore elettrico e dal cambio di tipo CVT (Transmissione a Variazione Continua), che si occupa di mantenere il motore ai regimi ottimali.

Per capirci, la funzione del motore a combustione in un veicolo ibrido è solo quella di mantenere l’inerzia una volta che ha smesso di accelerare; per il resto ci pensa il motore elettrico.

Perché il ciclo Atkinson

Il motore a ciclo Atkinson si è diffuso con l’introduzione e la commercializzazione dei veicoli ibridi, cioè quelli che funzionano con un motore a combustione interna abbinato a un motore elettrico.

Il ciclo Atkinson, basato sul ciclo Otto, è molto utilizzato nelle auto ibride, perché permette di aumentare l’efficienza complessiva e ottenere così un basso consumo di carburante. Tuttavia, con l’arrivo di tecnologie più avanzate, la temporizzazione delle valvole è stata modificata per far funzionare il meccanismo allo stesso modo di quello sviluppato da James Atkinson nel 1882.

In questo modo si ottengono rapporti di compressione più elevati, che fanno esplodere la miscela molto prima rispetto al ciclo Otto, aumentando il rendimento termodinamico. Come già accennato, ciò si ottiene ritardando la chiusura delle valvole di aspirazione, il che permette ai gas di rifluire all’interno della camera, consentendo un rapporto di compressione superiore.

Nell’elenco delle auto che oggi adottano questa configurazione di propulsione troviamo la Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX 450h, Hyundai Sonata, Chevrolet Volt, KIA Niro, Hyundai Elantra e KIA Forte, tra gli altri, modelli con cui i coreani puntano con decisione sull’adozione di questi motori in un numero sempre maggiore di veicoli della loro gamma.