Pedeorelha | Como funciona um motor de ciclo Atkinson

Paul Sparks
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O híbrido Toyota Prius C 2012 é apresentado durante uma prévia para a imprensa no North American International Auto Show no COBO Center em 10 de janeiro de 2012 em Detroit, Michigan. Bill Pugliano / Getty Images

Por mais de cem anos, os motores ficaram maiores, mais rápidos e mais fracos, com mais potência e torque. O escapamento arrotava dos canos de escape como um dragão acordado de seu sono para rugir em potenciais ladrões de seu tesouro. Pelo menos, isso é o que o cara com os pneus largos e o aerógrafo quer que você pense.

Então veio o século vinte, quando percebemos que os motores com cuspidor de fogo estavam matando mais do que oponentes de corrida de arrancada com luz vermelha. Acontece que todo aquele arroto estava mudando o clima e criando uma poluição desagradável. Muitos dragões estavam tornando o planeta mais parecido com Mordor do que com o Condado.

Quem pode nos salvar desses dragões que arrotam exaustores? Quem pode domar seus hábitos devoradores de gás com sua espada da ciência e da engenharia? Quem carrega o único anel verdadeiro de eficiência de combustível? Um homem: James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Inglaterra. Também de 1887.

É isso mesmo - o que há de mais moderno em tecnologia de motores ecológicos vem do início da era automotiva. O motor de ciclo Atkinson foi patenteado nos Estados Unidos em 1887 (Atkinson entrou com pedido de patente no Reino Unido e na Europa alguns anos antes). Mas os movimentos irregulares do pistão em seu motor de combustão a gasolina se encaixam perfeitamente em nossos sistemas híbridos modernos.

O motor de ciclo Atkinson usado em tantos híbridos hoje em dia funciona com o mesmo princípio do original - com a vantagem óbvia de um século de avanços tecnológicos. Mas para entender onde estamos hoje, primeiro temos que saber onde estivemos. Defina sua máquina do tempo para 1887!

Conteúdo

O motor de ciclo Atkinson original
O moderno motor do ciclo Atkinson
O Ciclo Atkinson e os carros híbridos
Nota do autor

A patente de Atkinson nos EUA (número 367.496, para nós nerds que adoram patentes) é bastante direta: cerca de mil palavras de texto e alguns diagramas úteis. Ou você pode simplesmente ler esta explicação, que é muito mais inteligente do que qualquer patente.

O motor de combustão mais comum hoje em dia é um motor de ciclo Otto de quatro tempos, em que um pistão sobe e desce dentro de um cilindro e uma faísca acende uma mistura de gás e ar. O mesmo vale para um motor de ciclo Atkinson, então aqui está uma rápida atualização do processo:

AVC de admissão: Suga ar e combustível para o cilindro

Curso de compressão: Esmaga a mistura para que, quando a faísca se apague, ela exploda - grande momento

Curso de força ou expansão: Usa a força criada pela explosão para mover o pistão para baixo do cilindro

Curso de exaustão: Empurra as sobras desagradáveis do processo de combustão para fora do cilindro

Em um motor de ciclo Otto, isso é feito em duas rotações do virabrequim: admissão / ignição e, em seguida, potência / escape. No motor Atkinson original, o inventor adicionou algumas ligações para que todos os quatro cursos pudessem ser concluídos com uma única rotação do virabrequim.

Isso por si só melhoraria a eficiência, mas Atkinson teve outra percepção: se a compressão no cilindro fosse reduzida e o curso de potência fosse mais longo do que o de admissão, o motor funcionaria com mais eficiência. Levaria menos combustível para girar o motor, o que gira as rodas e faz o carro andar.

Imagine, se quiser, o cilindro e o pistão. No curso de admissão, o pistão não se move totalmente para baixo no cilindro. A válvula de admissão, por onde o ar e o combustível entram no cilindro, não permite a entrada de tanta mistura no cilindro. Menos mistura requer menos compressão. O pistão se move de volta para o curso de compressão e, no topo, a mistura é inflamada. Estrondo! A força envia o pistão de volta para o eixo do cilindro no curso de força, desta vez todo o caminho para baixo para aproveitar cada gota de força gerada pela combustão. Em seguida, o pistão se move de volta para cima para tirar o lixo para o curso de escape. Ta da! Quatro cursos, menos combustível!

Claro, leitor inteligente que você é, provavelmente percebeu que menos combustível e menos compressão significam menos potência. Você está certo. Mesmo que o pistão possa viajar mais para baixo no curso de potência do que no curso de admissão, ele não vai gerar tanta potência como em um motor com compressão mais alta e uma mistura de gás mais rica.

O outro desafio desse motor é que ele requer muitas peças extras, o que o torna difícil de montar, sem falar que é caro. O pobre Atkinson teve de alcançar toda essa eficiência com molas e elos vibratórios e um tubo de ignição em brasa, o que parece um excelente nome para uma banda. Engenheiros modernos têm muito mais facilidade com isso.

A Ford revelou seu carro híbrido Fusion de 700 milhas por tanque no Salão do Automóvel de Los Angeles em 19 de novembro de 2008 em Los Angeles, Califórnia. David McNew / Getty Images

Os puristas vão desprezar o motor do ciclo Atkinson de hoje, sem nenhum elo vibratório à vista. Na verdade, se você colocar um motor de ciclo Atkinson moderno ao lado de um motor de ciclo Otto moderno, não será capaz de ver nenhuma diferença. "Não há nada no motor [do Prius] que não esteja no motor normal", de acordo com David Lee da Universidade da Toyota. (Não é uma universidade que você pode frequentar, a menos que seja um funcionário da Toyota e precise saber sobre as melhores e mais recentes novidades para as concessionárias. Desculpe.)

O que Atkinson tinha que conseguir com o posicionamento do virabrequim, agora podemos fazer com a sincronização da válvula variável, uma solução muito mais barata e fácil. Lembre-se de que no original de Atkinson, as válvulas de admissão fechavam cedo para impedir a entrada de parte da mistura ar-combustível. Hoje em dia, a válvula de admissão é mantida aberta um pouco por muito tempo, de modo que, quando o pistão se move para cima para o curso de compressão, um pouco da mistura gás-ar pode escapar. Cada método tem o mesmo fim: a taxa de compressão é menor. Na linguagem do engenheiro, o método moderno é conhecido como "vivo" - fechamento tardio da válvula de admissão. Em seguida, a vela de ignição faz seu trabalho - faiscando - e o pistão aproveita a combustão com um curso de força total no cilindro. E então o curso do escapamento faz seu trabalho de limpeza.

Mais do que isso mudou em mais de 120 anos. Na busca por maior eficiência, novos materiais foram desenvolvidos. Pistões, anéis e molas de válvulas mais leves, por exemplo, reduzem o atrito e o peso geral do carro. Transportar menos peso consome menos energia. O uso de um motor de came duplo no cabeçote, como a Ford faz em seu Fusion e outros híbridos, torna ainda mais fácil controlar o processo.

E de novo, leitor esperto, você provavelmente notou que a versão moderna deste motor produz menos potência, assim como seu antecessor. Verdade demais. Como Lee observou: "Este motor teria problemas em um carro normal."

Mas você sabe onde ele não luta? Em um sistema de transmissão híbrido.

Então, você tem um motor que é realmente eficiente, mas carece de potência, especialmente da variedade de torque, o tipo de potência que o carro de arrasto que cospe fogo tem de sobra. Mas, se você é um engenheiro de powertrain híbrido, você também tem um motor elétrico que tem todo o torque o tempo todo, a partir de 0 rpm. O problema com o motor elétrico é que ele não sustenta muito bem uma velocidade alta, não tão bem quanto um motor a gasolina, com sua potência mais alta. O que fazer, engenheiro de transmissão híbrida?

Bem, se você é Gilbert Portalatin, que por acaso é um engenheiro de transmissão híbrida da Ford, ou qualquer outro engenheiro em quase qualquer outra empresa de automóveis que constrói híbridos completos, você reúne esses dois sistemas, como chocolate e manteiga de amendoim. Em baixas velocidades, os motores elétricos entram em ação com seu torque e movem o carro para frente. A menos que você seja um daqueles hipermiladores supercuidados que pressionam o acelerador tão suavemente como se um gatinho estivesse se escondendo embaixo dele, o motor a gasolina entrará em operação muito rapidamente, embora o motor elétrico esteja funcionando bastante. A cerca de 40 mph ou mais, o motor do ciclo Atkinson assumirá quase completamente, com um pouco de ajuda do motor elétrico.

Contanto que você tenha esse tipo de combinação, pode projetar o motor de ciclo Atkinson para engrenar precisamente com o motor elétrico para obter eficiência ideal. Se você insistir em pegar o cuspidor de fogo na próxima pista, não será deixado completamente para trás. "Pise no pedal e você obterá o que está pedindo - todos os dois motores", disse Lee, da Toyota.

Esse nivelamento de carga é o motivo pelo qual um híbrido completo como o Toyota Prius ou o Ford Escape consegue melhor quilometragem pela cidade do que na rodovia - exatamente o oposto de, como, qualquer outro veículo na estrada. Os que não respiram fogo entre nós dirigem bem devagar pela cidade. Começamos e paramos muito, e não chegamos a 120 km / h, então o motor elétrico assume grande parte do fardo. Na rodovia, porém, o motor a gasolina funciona praticamente sozinho.

Quase ninguém em 1887 poderia ter previsto o feliz casamento de manteiga de amendoim e chocolate entre o motor de Atkinson e os motores elétricos - os carros nem tinham tetos permanentes naquela época.

Para ser totalmente honesto, adoro escrever esses artigos supertecnológicos. Adoro chamar engenheiros e fazer com que me expliquem coisas que nunca estudei. Tenho dificuldade em imaginar o que estão falando, então faço com que se repitam de seis maneiras até domingo para ter certeza de que entendi bem antes de escrever qualquer coisa.

Desta vez, ganhei um bônus extra-geek: livro de colorir nerd! Ok, não era realmente um livro para colorir, mas se você pesquisar a patente de Atkinson usando a pesquisa de patentes do Google (número 367.496, lembre-se), ele inclui os diagramas originais de Atkinson. Usei todos os meus oito marcadores e vários Sharpies coloridos para controlar quais válvulas faziam o quê e onde o ar entrava e o escapamento estava saindo. Em seguida, codifiquei por cores o texto da patente - que também imprimi - para que, quando estivesse lendo, pudesse comparar o link vibratório H na descrição com seu lugar no motor.

Não posso recomendar o método de livro para colorir de aprendizagem tecnológica o suficiente. Eu planejo usá-lo tão freqüentemente quanto possível. Meu filho interior de oito anos está muito feliz.

Fontes

Aguilar, Mike. "O motor do ciclo Atkinson." Bright Hub. 25 de novembro de 2011. (8 de fevereiro de 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
Motores animados. "Motor Atkinson." (8 de fevereiro de 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
Atkinson, James. "Patente de motor a gás 367.496." US Patent Office. 2 de agosto de 1887. (8 de fevereiro de 2012) http://www.google.com/patents/US367496
Lee, David. Administrador de Educação de Produto, Universidade da Toyota. Entrevista por telefone realizada em 7 de fevereiro de 2012.
Octavio Navarro. Relações públicas, Ford Motor Company. Entrevista por teleconferência realizada em 10 de fevereiro de 2012.
Portalatin, Gilbert. Engenheiro de sistema híbrido, Ford Motor Company. Entrevista por teleconferência realizada em 10 de fevereiro de 2012.
Stephen Russ. Engenheiro de motores 2.0L AC, Ford Motor Company. Entrevista por teleconferência realizada em 10 de fevereiro de 2012.

Como funciona um motor de ciclo Atkinson

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