¿Puedo implementar el ciclo Atkinson moderno en un motor de gasolina con sincronización variable de válvulas?

En teoría, podría llegar a un ciclo Atkinson moderno a través de la sincronización variable de válvulas, pero depende de la precisión del sistema involucrado. También depende de si desea que el motor fluctúe de un lado a otro entre un ciclo Otto regular y el ciclo Atkinson.

Dentro del video Ingeniería explicada, Jason Fenske habla sobre una forma de lograr el ciclo de Atkinson, que consiste en purgar parte de la carga de admisión durante la carrera de compresión. Al permitir que la válvula de admisión permanezca abierta al comienzo del ciclo de compresión, permitiría que se produzca la purga a través de la reversión hacia el tracto de admisión. El motor solo utilizaría una parte de la entrada de aire/combustible. Esto se puede manejar a través de la sincronización variable de válvulas (VVT). Lo bien que se diseñe e implemente el sistema VVT determinará el grado en que se logre.

De acuerdo con Revisión y análisis de estrategias de sincronización variable de válvulas: ocho formas de enfoque publicado en Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 218(10), pág. 1179-1200, los eventos de válvula de un motor típico de encendido por chispa (SI) son:

• Apertura de la válvula de admisión (IVO) La válvula de admisión se abre y la carga de aire-combustible es succionada hacia el cilindro a medida que el pistón se mueve hacia abajo desde el punto muerto superior (TDC). Continúa hasta que el pistón alcanza su punto muerto inferior (BDC). Generalmente, la apertura de la válvula de admisión se produce alrededor de 10 grados antes del PMS durante la carrera de escape. La apertura de la válvula de admisión representa el inicio de la carrera de admisión, así como el inicio de la superposición de las válvulas de admisión y escape.

• Cierre de la válvula de escape (EVC) La válvula de escape se cierra cuando la mayoría de los gases quemados han sido expulsados ​​al colector de escape. Este es el final de la carrera de escape, así como el final de la superposición de válvulas. El cierre de la válvula de escape tiene lugar alrededor de los 10 grados después del PMS durante la carrera de admisión.

• Cierre de la válvula de admisión (IVC) El cierre de la válvula de admisión representa el final de la carrera de admisión y el comienzo de la carrera de compresión. La válvula de entrada se cierra a unos 50 grados después de BDC durante la carrera de compresión.

• Apertura de la válvula de escape (EVO) La apertura de la válvula de escape representa el final de la carrera de expansión y el inicio de la carrera de escape. La apertura de la válvula de escape se produce alrededor de los 60 grados antes del BDC.

Hay ocho estrategias diferentes que se pueden aplicar a VVT:

1. Cierre tardío de la válvula de admisión (LIVC)
2. Cierre temprano de la válvula de admisión (EIVC)
3. Apertura tardía de la válvula de admisión (LIVO)
4. Apertura anticipada de la válvula de admisión (EIVO)
5. Cierre tardío de la válvula de escape (LEVC)
6. Cierre anticipado de la válvula de escape (EEVC)
7. Apertura tardía de la válvula de escape (LEVO)
8. Apertura anticipada de la válvula de escape (EEVO)

Solo algunos de estos son particulares para efectuar un ciclo de Atkinson. Hay ventajas y desventajas para cada variación de tipo. El principal del que habla Jason es LIVC. Algunos de los pros/contras de LIVC son:

Ventajas:

• Mejora la eficiencia volumétrica (VE) a velocidades más altas del motor debido a que el impulso de flujo alto de la mezcla continúa cargando el cilindro aunque el pistón se desplace hacia arriba.
• Menos pérdidas de bombeo durante condiciones de carga parcial y menores emisiones de NOx con solo una ligera pérdida de par.

Contras:

• Reduce la VE a velocidades más bajas del motor debido a que las presiones del colector de admisión y del cilindro son iguales en BDC.
• Propensión a la detonación a velocidades más bajas del motor debido a que la mezcla es más rica y la densidad del aire y el combustible es menor. Esto disminuye la velocidad de la llama y por lo tanto mejora la detonación.
• Por lo general, requiere una mayor complejidad mecánica para implementar.

Algunas de las formas en que se puede implementar LIVC son:

• Árboles de levas adicionales o lóbulos de árboles de levas que se accionan a diferentes velocidades del motor.
• Puesta en fase del árbol de levas que cambia la sincronización de la válvula a diferentes velocidades del motor.

Según el documento, los motores LIVC exigen más avance de chispa en comparación con los motores convencionales:

... especialmente en cargas parciales, ya que se permite que la mezcla se autoinflame durante un tiempo suficiente. Avanzando la chispa es posible evitar el autoencendido. Se encontró que la presión máxima dentro del cilindro de los motores LIVC era más baja que la de los motores convencionales. Esto se debe a que la cantidad de mezcla efectiva que queda para la combustión después de la carrera de admisión es menor en los motores LIVC.

En cuanto a la válvula EGR, se puede eliminar fácilmente con suficiente superposición de válvulas. Este es uno de los métodos utilizados con los motores de rendimiento más nuevos. Se diseña fácilmente en el árbol de levas. Cuando el escape se mantiene abierto por más tiempo cuando se abre la admisión y el pistón comienza a moverse hacia abajo para la carrera de admisión, se produce una reversión y el escape vuelve a succionarse hacia el cilindro. El resultado final es el mismo que sucede cuando la EGR se abre y permite que los gases de escape vuelvan a la admisión. Mejor aún, al adoptar el enfoque LIVC para obtener un ciclo Atkinson, el NOx se reduce naturalmente debido a la caída de temperatura dentro del cilindro.

Una mejor manera de implementar este tipo de sistema puede ser utilizando Koenigsegg FreeValvetecnología. Esta tecnología utiliza un enfoque sin levas al accionar las válvulas mediante una solución neumática/hidráulica. Todo está controlado por computadora, lo que significa que las válvulas pueden abrirse y cerrarse a voluntad. Los eventos de apertura/cierre también se pueden cambiar sobre la marcha a medida que el motor está funcionando para lograr una mayor eficiencia. Con esto, el motor no está atascado con uno o posiblemente dos perfiles de levas diferentes. Puede tener tantos perfiles y cambios de sincronización de eventos como sea necesario para proporcionar un motor más eficiente. Se podría conseguir fácilmente un motor que pueda beneficiarse de un ciclo Otto regular durante las velocidades más bajas del motor y del ciclo Atkinson durante las velocidades más altas del motor. Mejor aún, permitir que la computadora aprenda lo que se necesitaría para obtener lo mejor de todo puede ser el boleto para una combinación de motores asombrosa.