Ciclo Atkinson: una alternativa para mejorar la eficiencia en
motores de combustión interna
Atkinson cycle: a way to improve efficiency in internal combustion
engines
Édison
Henao-Castañeda1a, Carlos Romero-Piedrahíta 2, Mauricio
Monroy-Jaramillo 1b
1Manufactura y diseño de máquinas, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia. Orcid: a 0000-0001-9722-1448, b 0000-0002-5279-0505.
Correos electrónicos: a edisonhenao@utp.edu.co , b mauriciomonroy@utp.edu.co 2 Tecnología Mecánica, Facultad de Tecnologías, Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia. Orcid: 0000-0001-5647-1918.Correo electrónico: cromero@utp.edu.co
Resumen
Los ciclos expandidos, como el desarrollado por Atkinson en motores de combustión interna (MCI), se utilizan para aprovechar mejor el combustible y aumentar la eficiencia térmica. En el presente artículo se presentan, desde el punto de vista de la mecánica de maquinaria y la teoría de grafos, las estructuras cinemáticas de Watt y Stephenson, que, mediante arreglos multieslabón, permiten recrear el mecanismo presentado por James Atkinson. A través de un análisis cinemático, se evidencian los problemas relacionados con las velocidades y aceleraciones del pistón que presentan estas estructuras cinemáticas y que comprometen su producción masiva. No obstante, se retoma el ciclo de Atkinson como posibilidad constructiva actualmente, cuando se dispone de avanzadas herramientas de hardware electrónico y de control.
Palabras clave: ciclo Atkinson; ciclo expandido; estructura cinemática; mecanismo multieslabón.
Abstract
Expanded cycles, like
the one developed by Atkinson for internal combustion engines (ICM), are used
to make better use of fuel and increase thermal efficiency. In this paper, the
Watt’s and Stephenson’s kinematic structures is presented from the point of
view of the mechanics of machinery and graphs theory, which by means of
multi-link arrangements, allow recreating the mechanism presented by James Atkinson.
By applying a kinematical analysis to these kinematic structures, the problems
related to the piston speeds and accelerations that prevent the massive
introduction of the
“classical Atkinson
cycle” in automotive engines are revealed. Despite this fact, the Atkinson
cycle is highlighted in this work as a real promising constructive technology,
given the advances in electronic hardware and control technologies.
Keywords: expanded cycle; kinematic structure;
multi-link mechanism; Atkinson cycle.
Desde su invención, el motor de combustión
interna ha sido objeto de desarrollo, en el afán de mejorar sus prestaciones e
incrementar su eficiencia. Es así como se han sugerido modificaciones a los ciclos
Otto y Diesel que buscan no solo aprovechar más
eficientemente la energía suministrada por el combustible, sino también la
reducción de las emisiones contaminantes. Dentro de las modificaciones, merecen
mención los ciclos de expansión prolongada (ciclos de Miller y Atkinson; refiriéndose a los inventores Ralph Miller y
James Atkinson), en los cuales la relación de
compresión efectiva es menor que la relación de expansión efectiva. Otras
medidas se relacionan con el uso de combustibles alternativos, como el
hidrógeno y los biocombustibles, como lo han descrito en sus trabajos Díaz et
al. [1] y García et al. [2]. En el ciclo propuesto por Atkinson, mediante la adición de eslabones a la cadena
cinemática básica de un motor (mecanismo multieslabón),
la carrera de expansión se prolonga hasta la presión barométrica, con el fin de
extraer todo el potencial de trabajo disponible en los gases de trabajo del
cilindro, a la vez que las carreras de admisión y compresión permanecen
similares a las de un ciclo Otto. Posteriormente, y en la actualidad, el ciclo Atkinson se implementa manipulando las fases y tiempos
valvulares de admisión y escape, y se retarda (LIVC) o se hace avanzar (EIVC)
el tiempo de cierre de las válvulas de admisión en los ciclos Otto y Diesel. La reducción del tamaño de los MCI, esto
es, la disminución simultánea del volumen desplazado y el aumento de la presión
media indicada (IMEP) mediante turboalimentación, se
reconoce como un método adecuado para mejorar la eficiencia indicada de
conversión de combustible y la reducción de las emisiones de CO2 y NOx. Gheorghiu [3] describe la
tendencia actual relacionada con la ultrareducción de
tamaño en los motores, y expresa que es posible implementarla mediante ciclos Atkinson reales utilizando mecanismos de manivela asimétricos,
combinados con turboalimentación de alta presión
mediante varias etapas y un interenfriamiento
eficiente, entre otras tecnologías. Actualmente, la implementación del ciclo de
Atkinson en los motores se facilita por la
utilización de dispositivos para sincronización de válvulas variables (VVT).
Con estos dispositivos VVT se puede retrasar el cierre de la válvula de
admisión (LIVC) [4] [5] para reducir la relación de compresión efectiva (ECR),
y de este modo evitar las detonaciones plausibles por una mayor relación de
compresión geométrica (GCR). De esta forma, en un motor de ciclo Atkinson moderno se puede lograr una mayor relación de
expansión y mejorar la eficiencia térmica. En su trabajo, Hou
[6] ha realizado comparaciones de los rendimientos de los ciclos atmosféricos Atkinson y Otto considerando la transferencia de calor. A
su vez, ha examinado la influencia de parámetros como la transferencia de calor
y las constantes de combustión, la relación de compresión y la temperatura del
aire de admisión sobre la salida neta de trabajo, frente a características de
eficiencia, trabajo máximo y la eficiencia correspondiente para el trabajo
máximo. Este artículo comprende inicialmente una
descripción de los ciclos Otto y Atkinson;
posteriormente, se presenta desde el punto de vista de la mecánica de
maquinaria el esquema cinemático de mecanismos que permiten desligar las
carreras de admisión y compresión de las de expansión y escape. Finalmente, se
relacionan formas actuales para lograr ciclos con expansión extendidas, y se
analiza el eslabonamiento propuesto por James Atkinson.
El uso de motores de combustión interna
operando bajo el ciclo Otto se mantiene en el mundo y cada vez se implementan
nuevas e innovadoras formas para mejorar su eficiencia. La expansión extendida
se presenta en la actualidad como una alternativa que permite aprovechar de un
modo más eficiente la energía suministrada por el combustible [7] [8]. En la figura 1 se presenta el ciclo teórico
Otto, y en la figura 2 la eficiencia térmica (respecto a la relación de
compresión y a la relación de calores específicos) asumiendo gas ideal (aire)
como fluido de trabajo para todos los procesos del ciclo, esto es, compresión
adiabática (proceso 1-2), aumento de presión a volumen constante (proceso 2-3),
expansión adiabática (proceso 34conv) y reducción de volumen a presión
constante. Para el caso de la expansión extendida (área sombreada), la presión
alcanza valores cercanos al atmosférico, aprovechando mejor la energía del
combustible. Por tanto, para la misma relación de compresión, el ciclo de Atkinson es más eficiente que el ciclo de Otto, debido a la
expansión más completa del fluido de trabajo. Puede observarse en la gráfica anterior que
la eficiencia aumenta al incrementar la relación de compresión, o al
incrementar la razón de calores específicos o ambas. Ahora bien, al incrementar
la relación de compresión, se aumenta la capacidad de expansión de los gases
después de la combustión. A continuación, considerando el trabajo
realizado por Hoeltgebaum [10], se describe
brevemente la estructura y la cinemática de mecanismos que permiten mejorar la
eficiencia a partir de la ejecución del ciclo de Atkinson.
Las modificaciones planteadas por James Atkinson al mecanismo manivela-deslizador tradicional se
resumen así: • Aumento
del número de eslabones: Desde el punto de vista de la mecánica de
maquinaria, el esquema cinemático para el ciclo de Atkinson
es obtenido rompiendo el par cinemático que une el cigüeñal con la biela (junta
B) e insertando en dicho punto una nueva cadena cinemática compuesta por los
eslabones 3 y 4 (figura 3). Por lo anterior, se pasa de tener una cadena cinemática
de cuatro eslabones a otra con seis, denominada multieslabón.
En general, este tipo de cadenas cinemáticas aplicadas a los motores de
combustión interna poseen dos eslabones terciarios, uno de ellos es el bastidor
y cuatro eslabones binarios. En la figura 4 se ilustra la estructura
cinemática y el grafo convencional de mecanismos conformados por seis eslabones
aplicables a mecanismos de relación de compresión variable (RCV). En estas, al
asignarle al bastidor uno de los eslabones terciarios y hacer que el pistón sea
binario y que entre en par cinemático con el bastidor, se obtienen tres
estructuras cinemáticas, de las cuales, una de ellas corresponde al mecanismo
para el ciclo Atkinson (véase figura 4). Con el fin de tener uniformidad en el
estudio, los eslabones serán nombrados del siguiente modo: el bastidor tomará
el número 1, el cigüeñal o manivela el número 2, el eslabón cuya junta es móvil
y entra en par cinemático con el bastidor es nombrado eslabón de control y
tomará el número 4, a la biela le corresponderá el número 5 y al pistón el 6.
El número 3 se reserva para aquel eslabón encargado de cerrar los diferentes
lazos, y se llama eslabón auxiliar. La figura 5 muestra las posibles
configuraciones de mecanismos que se obtienen con 6 eslabones, donde la primera
de ellas se corresponde con eslabonamientos de Watt, y las otras dos, con
eslabonamientos de Stephenson. Además, son
representadas las respectivas estructuras cinemáticas no isomórficas.
Se descarta la tercera configuración, debido a que la biela es un eslabón
terciario, hecho que aumentaría la inercia y las fuerzas de fricción entre el
pistón y el cilindro. Las otras dos configuraciones permiten implementar el
ciclo de Atkinson. • Desligamiento de la razón de compresión y
la razón de expansión: A pesar que en su concepción inicial el
motor de ciclo Atkinson presentaba problemas
asociados al aumento de tamaño, al incremento en el peso, al incremento en las
vibraciones del bloque del motor causadas por el empeoramiento de la curva de
aceleración y al aumento en la fricción asociada al incremento de eslabones,
este fue el inicio para tecnologías híbridas aplicadas hoy en día, y por esta
razón se dedica este espacio al estudio cinemático, con el fin de resaltar la
importancia de separar las razones de comprensión y expansión. En la figura 6 se observa el desplazamiento
del pistón para una revolución del cigüeñal, y son notables las siguientes
características: -
El ciclo Otto requiere dos revoluciones para lograr las
cuatro carreras, y cada una de ellas posee el mismo desplazamiento. -
El ciclo Atkinson realiza las
cuatro carreras en una revolución, y son mayores las carreras y tiempos de
expansión y escape que las carreras y tiempos de admisión y compresión. -
En el ciclo Atkinson permite
separar las carreas de admisión y de expansión a partir del cambio posicional
del par cinemático E. Actualmente, los ciclos con expansión
prolongada se implementan con cierre de válvula de admisión temprana (EIVC) o
tardía (LIVC). El efecto primario de EIVC y LIVC es una reducción de la
temperatura al final de la carrera de compresión. La temperatura más baja
permite el uso de relaciones de compresión geométrica más altas que producen
una relación de expansión más larga y un aumento de eficiencia. Las válvulas de
admisión se cierran después de que el pistón haya pasado el punto muerto
inferior. Una parte del aire de carga es entonces eventualmente devuelta al
colector de admisión, lo que da como resultado una carrera de compresión más
corta que la carrera de expansión. Una desventaja de este esquema es que la
mezcla que ingresa al cilindro es estrangulada, y, debido al cierre temprano o
tardío de la válvula de entrada, se presentan pérdidas de bombeo. Durante la última década, diversas
estrategias para mejorar la eficiencia del combustible han sido investigadas
por fabricantes de automóviles, como Toyota, Mazda, Nissan y Ford. Los ciclos
con expansión prolongada son actualmente interesantes para aplicaciones
híbridas, en las que la menor densidad de potencia se compensa adicionando
motores eléctricos. Actualmente, modelos de automóviles como el Toyota Prius y la familia Skyactive-G de
Mazda utilizan LIVC para mejorar la eficiencia de combustible. Volvo Car Corporation
(VCC) también realiza investigaciones con el ciclo de Atkinson,
como una estrategia para futuras mejoras en la eficiencia de combustible. Los motores de combustión interna de
encendido por chispa de tipo Atkinson no lograron un
impacto comercial significativo, debido, aparentemente, a una combinación de
complejidad mecánica, particularmente cuando se empleó una relación de
expansión sustancialmente extendida, una potencia máxima reducida en
comparación con los motores convencionales de tamaño similar [4]. 3.1 Cinemática del mecanismo propuesto por
James En la figura 7 se presentan las velocidades
y aceleraciones para los ciclos Otto y Atkinson. Para
este último, se observa un aumento considerable en la magnitud de la velocidad,
además de un alejamiento de la característica sinusoidal deseada. Para el caso
de la aceleración, es aún más crítico el aumento de su magnitud y sus cambios
repentinos para todo el régimen de movimiento. Lo anterior limita la operación
del motor a velocidades de rotación elevadas, puesto que la sobreaceleración
(Yerk) podría presentar valores elevados. En las figuras 8 y 9 se presentan las
velocidades y aceleraciones con respecto al desplazamiento del pistón para los
ciclos Otto y Atkinson. En primera figura 8 de la parte superior
(ciclo Otto), se observa cómo la velocidad mantiene valores simétricos para
cada posición del pistón, lo que indica que no se presentan cambios bruscos que
impidan llegar a altas velocidades de rotación del motor, mientras que, en la
segunda figura, correspondiente al ciclo Atkinson, no
solo se presentan valores más elevados en las velocidades, sino que entre estas
se presentan cambios más severos para puntos consecutivos de desplazamiento del
pistón. La figura 9 inicialmente muestra el
comportamiento uniforme de la aceleración respecto al desplazamiento para el
ciclo Otto, luego, para el ciclo Atkinson se observa
la fuerte variación en la magnitud y la dirección de la aceleración. Los ciclos expandidos se utilizan para
aprovechar de un mejor modo el combustible utilizado, y como resultado mejorar
la eficiencia en los motores de combustión interna. En este sentido, el ciclo
de Atkinson, a pesar de que
en su concepción inicial, a partir de mecanismos multieslabón,
presentó problemas estructurales y cinemáticos, hoy en día, en conjunto con
nuevas tecnologías electrónicas y de control, se erige como prospecto para
cumplir con normativas medioambientales en vehículos híbridos en los cuales
actúa como fuente de energía principal en rangos de operación que abarcan
cargas medias y bajas, punto en el cual operan la mayor parte del tiempo.
En el artículo se describe el
comportamiento del mecanismo multieslabón de Atkinson, y se compara gráficamente con el del mecanismo
tradicional maniveladeslizador, y se encuentran
incrementos significativos en las velocidades y aceleraciones del
pistón. [1]
Á. Díaz, J. González, O. González, “Análisis de un generador
de HHO de celda seca para su aplicación en motores de combustión interna”, Rev.
UIS Ing., vol. 17, no. 1, pp. 143-154, 2018. doi:
10.18273/revuin.v17n12018013 [2]
G. García, J. Chacón, A. Chaves, A. Lopez,
“Estudio analítico y experimental del desempeño de motores diésel alimentados
con bio-oil hidrotratado”, Rev.
UIS Ing., vol. 17, no. 2, pp. 115-126, 2018. doi:
10.18273/revuin.v17n2-2018011
[3] V. Gheorghiu,
“Atkinson cycle and very highpressure turbocharging:
increasing internal combustion engine efficiency and power while reducing
emissions”, Hamburg University of Applied Sciences, Berliner Tor 21,
Hamburg Germany, 2016. [4] K. Nobuki, N. Kiyoshi
y K. Toshihiro, “Development of new 1.8-L engine for hybrid vehicles”, en SAE Technical Paper, 2009. doi: 10.4271/2009-01-1061. [5] S. Shiga, Y. Hirooka
y S. Yagi, “Effects of overexpansion cycle in a spark-ignition engine using lateclosing of intake valve and its thermodynamic
consideration of the mechanism”, Int J Auto
Tech-Korea, vol. 2, no. 1, pp. 1-7, 2001. [6] S.-S. Hou,
“Comparison of performance of air standard Atkinson and Otto cycles with heat
transfer considerations”, Energy Conversion and Management, vol. 48, pp.
1683-1690, 2007. [7] O. Bumbock, E. Schutting y H. Eichlseder, [8] J. Kentfield, "Extended, and variable,
stroke reciprocating internal combustion engines", en
SAE Technical Paper, 2002. doi: 10.4271/2002-01-1941. [9] J. B. Heywood, Internal Combustion Engine
Fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988. [10] T. Hoeltgebaum, R. Simoni
and D. Martins, "Reconfigurability of engines: A
kinematic approach to variable compression ratio engines", Mechanism
and Machine Theory, pp. 308-322, 2016.
Introducción
Implementación
del ciclo Atkinson
1.1. Ciclo Atkinson planteado por James
Atkinson
1.2. Implementación del ciclo Atkinson
actualmente
Análisis
relacionado con el ciclo de Atkinson
Atkinson
Conclusión
Referencias