Il motore a Ciclo Atkinson, l’efficienza nell’era ibrida

Nel panorama automobilistico odierno, la ricerca di soluzioni per ridurre i consumi di carburante e le emissioni è in costante evoluzione. Tra le diverse tecnologie emerse, il motore a ciclo Atkinson, un’invenzione risalente al XIX secolo, ha guadagnato una rinnovata attenzione grazie alla sua capacità di migliorare significativamente l’efficienza nei consumi.

James Atkinson e la Genesi del Ciclo Atkinson

Nel 1882, James Atkinson, un ingegnere inglese, concepì un motore a combustione interna che si discostava dal tradizionale ciclo Otto, il principio di funzionamento alla base della maggior parte dei motori a benzina dell’epoca. L’obiettivo di Atkinson era quello di creare un motore in grado di estrarre più energia dalla combustione del carburante, migliorandone l’efficienza.

La sua soluzione consisteva nel modificare il movimento dell’albero motore, introducendo un sistema di bielle e manovelle complesso che alterava il rapporto tra la corsa di compressione e la corsa di espansione del pistone. Mentre nel ciclo Otto queste due fasi hanno la stessa durata, nel ciclo Atkinson la corsa di espansione è significativamente più lunga della corsa di compressione.

Come funziona il Ciclo Atkinson?

Per comprendere appieno il funzionamento del ciclo Atkinson, è necessario analizzare le sue quattro fasi operative:

1. Aspirazione. Come nel ciclo Otto, la fase di aspirazione inizia con il pistone al Punto Morto Superiore (PMS). La valvola di aspirazione si apre e il pistone si muove verso il Punto Morto Inferiore (PMI), aspirando aria fresca nel cilindro.
2. Compressione. Qui inizia la differenza fondamentale tra il ciclo Atkinson e il ciclo Otto. Nel ciclo Atkinson, la valvola di aspirazione rimane aperta per una parte della corsa di compressione. Questa apertura prolungata permette ad una parte dell’aria aspirata di ritornare nel collettore di aspirazione, riducendo il rapporto di compressione effettivo. La valvola di aspirazione si chiude solo quando il pistone ha già percorso una parte significativa della sua corsa verso il PMS, iniziando la compressione vera e propria.
3. Combustione ed Espansione. Con la valvola di aspirazione chiusa e il pistone in prossimità del PMS, la candela di accensione innesca la combustione della miscela aria-carburante. I gas in espansione spingono il pistone verso il PMI. Grazie al particolare sistema di bielle e manovelle del ciclo Atkinson, la corsa di espansione è più lunga della corsa di compressione, consentendo ai gas di espandersi più completamente e di rilasciare più energia.
4. Scarico. Con il pistone al PMI, si apre la valvola di scarico e i gas combusti vengono espulsi dal cilindro durante la corsa di ritorno del pistone verso il PMS.

Vantaggi e Svantaggi del Ciclo Atkinson

La maggiore efficienza del ciclo Atkinson deriva dalla sua capacità di estrarre più lavoro meccanico dalla combustione del carburante. La corsa di espansione prolungata permette ai gas di espandersi a pressioni più basse, riducendo le perdite di calore allo scarico e aumentando il rendimento termico del motore. Questo si traduce in una riduzione significativa dei consumi di carburante e delle emissioni.

Tuttavia, il ciclo Atkinson presenta anche un inconveniente significativo: la potenza erogata è inferiore rispetto ad un motore a ciclo Otto di pari cilindrata. Questo è dovuto alla ridotta quantità di aria e carburante che viene compressa durante la fase di compressione, limitando l’energia prodotta dalla combustione.

Il Rinascimento del Ciclo Atkinson nei Veicoli Ibridi

Nonostante il suo svantaggio in termini di potenza, il ciclo Atkinson ha trovato un’applicazione ideale nei veicoli ibridi. In questi sistemi di propulsione, un motore elettrico compensa la minore potenza del motore a ciclo Atkinson, fornendo la spinta aggiuntiva necessaria durante l’accelerazione e garantendo una guida fluida.

Quando il veicolo viaggia a velocità di crociera, il motore a ciclo Atkinson può funzionare nella sua gamma di massima efficienza, riducendo al minimo i consumi di carburante. L’integrazione di un motore elettrico permette di sfruttare appieno i vantaggi del ciclo Atkinson, mitigandone l’unico punto debole.

Toyota e Lexus sono stati i pionieri nell’utilizzo del ciclo Atkinson nei loro veicoli ibridi, dimostrando la sua efficacia nel mondo reale. La Toyota Prius, ad esempio, utilizza un motore a ciclo Atkinson che contribuisce in modo significativo alla sua eccezionale economia di carburante. Anche altri produttori, come Honda e Ford, hanno adottato una variante del ciclo Atkinson chiamata ciclo Miller, che ottiene un effetto simile modificando i tempi delle valvole di aspirazione.

Il motore a ciclo Atkinson, un’invenzione ingegneristica risalente al XIX secolo, ha trovato nuova linfa vitale nell’era dei veicoli ibridi. La sua capacità di migliorare significativamente l’efficienza del carburante, pur presentando una minore potenza, lo rende una soluzione ideale per i moderni sistemi di propulsione ibrida. Con l’industria automobilistica che si muove verso l’elettrificazione, è probabile che il ciclo Atkinson continui a svolgere un ruolo chiave nello sviluppo di veicoli più efficienti e sostenibili.