La combinación de los ciclos Atkinson y Otto

En la actualidad, es un hecho dado que cualquier motor automotriz de combustión interna funciona con un ...
24/07/2019
Joaquín Ruhi

En la actualidad, es un hecho dado que cualquier motor automotriz de combustión interna funciona con un ciclo termodinámico de combustión a 4 tiempos o fases: admisión, compresión, expansión (también conocída como combustión o explosión) y escape. En términos sencillos y muy generales, en la fase de admisión entra al cilindro del motor la mezcla de aire y combustible y desciende el pistón. Acto seguido, en la segunda fase (compresión) la válvula de admisión se cierra, comprimiendo el combustible dentro de la cámara al ascender el pistón. En la tercer fase de expansión el combustible es presionado al máximo, se inflama la mezcla, aumenta  la temperatura y la presión en el interior del cilindro y la expansión de los gases empuja el pistón. En la última fase, se abre la válvula de escape sólo lo suficiente para dejar salir los gases de la combustión. Al llegar al punto máximo superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciando el ciclo de nuevo. Durante ese proceso, el cigüeñal da 2 vueltas al motor.

Pero esa es una explicación quizás demasiado generalizada y simplificada, ya que existe un buen número de diferentes ciclos de combustión a 4 tiempos o fases. Estos varían desde los sobradamente conocidos (el ciclo Diesel, que se distingue por su uso de un combustible más espeso y pesado y cuya fase de expansión no utiliza las bujías comunes en otros motores de 4 fases) a los de uso muy esporádico (el ciclo Miller utilizado por el Mazda Millenia de antaño o el actual motor Audi EA888 de 2 litros y 4 cilindros, que emplea un compresor o turbo y varía los momentos de apertura y cierre de las válvulas de escape) a los abandonados a la historia (el ciclo Stirling, cuya necesidad de elaborados intercambiadores de calor, complicadas exigencias metalúrgicas, baja potencia para su cilindrada y altos costos lo relegaron a curiosidad histórica).


Pero, hoy por hoy, aparte del diesel, cuando hablamos de ciclos de operación de motores de combustión interna, nos referimos a los ciclos Otto Atkinson.

El ciclo Otto – inventado en el 1876 por el alemán Nikolaus August Otto – se ciñe a la descripción de nuestro primer párrafo, y forma la base de la vasta mayoría de los motores de combustión interna.

Escasamente 6 años después – en el 1882 – el ingeniero británico James Atkinson creó su propia variante del ciclo Otto. Atkinson, buscando menor consumo de combustible, retrasa el cierre de las válvulas de admisión, también logrando temperaturas más bajas, disminuyendo las vibraciones al motor y aumentando la eficiencia global respecto al ciclo Otto. Pero estos beneficios vienen a un costo de menor potencia y aceleración disminuída para el ciclo Atkinson.

En tiempos modernos, vimos el ciclo Atkinson entrar en producción en el primer Toyota Prius, en el año 1997. Como resultado, vemos una especie de segregación o balcanización donde el ciclo Atkinson es provincia exclusiva de autos híbridos con motor de combustión y baterías eléctricas tales como los Hybrid de la Ford, Honda, Hyundai, Kia, Toyota, Lexus, Mercedes-Benz y Chevrolet Volt, entre otros. Los no híbridos, por su parte, persistían exclusivamente con el ciclo Otto.

Como anécdota personal, recuerdo haber asistido en mayo del 2009 al debut de prensa del malogrado Lexus HS (el primer modelo de la marca ofrecido sólo como híbrido). En la presentación técnica se hizo bastante hincapié sobre su uso del ciclo Atkinson. A la hora de las preguntas, una de las que hice fue: “Si se utilizara un motor de ciclo Atkinson sin las baterías híbridas, ¿no lograría algunos de los beneficios de menor consumo de gasolina sin el peso y costo adicional de dichas baterías? El ingeniero jefe del Lexus HS Hiro Koba explicó que la curva de par (torque curve) y puntos de cambio de la transmisión en un motor Atkinson no híbrido (sobretodo uno sin transmisión variable CVT) lo haría prácticamente imposible de conducir.

Sin embargo, en enero del 2014, al lanzar el cupé RC F, los ingenieros de la Lexus demolieron la barrera que separaba el ciclo Otto no híbrido del Atkinson híbrido con la segunda versión del V8 de 5 litros 2UR-GSE, que fué el primer motor no híbrido con la habilidad de alternar entre el ciclo Atkinson (a velocidades de crucero) y el ciclo Otto (al pisar fuerte el acelerador). De allí, la dualidad Otto/Atkinson se aplicó a varios motores Toyota y Lexus con el sufijo FKS, tales como el 4 cilindros de 2 litros que impulsa las versiones superiores del nuevo Corolla 2020, el 4 cilindros 2.5 litros del Camry y RAV4 y el V6 3.5 litros 2GR que utilizan numerosos modelos de ambas marcas.

De ahí, vimos a otros fabricantes adaptar la capacidad de alternar entre los ciclos Atkinson y Otto en motores no híbridos y de aspiración natural (sin turbos). Versiones japonesas del actual Honda Jazz/Fit ofrecen un motor 13G (1.3 litros y 4 cilindros) con función Atkinson. Más recientemente, el grupo surcoreano Hyundai/Kia lanzó, en el 2016, el motor de 4 cilindros Nu MPi 2.0L Atkinson Cycle en la 6a generación del Hyundai Elantra, pasando de ahí a los modelos Kona y Veloster, así como al nuevo Kia Forte que para el 2019 entra en su 3a generación. Para el 2020 vemos un segundo motor Hyundai/Kia recibir esta doble funcionalidad: el V6 de 3.8 litros Lambda II GDi Atkinson Cycle que debutó en los crossovers Kia Telluride y Hyundai Palisade.

Por Joaquín Ruhi.

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