Ciclo di Atkinson e Miller: La Potenza Sacrificata per l'Efficienza

Il ciclo Atkinson, mantenendo la corsa di espansione più lunga della corsa di compressione, converte una maggiore quantità di energia termica del carburante in lavoro meccanico; il ciclo Miller è la versione della stessa tecnica combinata con il supporto di un turbocompressore o di un compressore volumetrico. Entrambi rinunciano a una parte della potenza in cambio di efficienza - ed è proprio per questo che acquistano significato insieme ai sistemi ibridi e ai moderni benzina turbo. In questo articolo spiego la logica comune dei due cicli, la distinzione tra rapporto di compressione e rapporto di espansione e perché funzionano in quali veicoli.

Cosa sono il ciclo Atkinson e il ciclo Miller e quanto differiscono dal ciclo Otto?

Il ciclo a quattro tempi sviluppato da Nicolaus Otto nel 1876 - aspirazione, compressione, combustione e scarico - è oggi lo standard di fatto dei motori a benzina. Nel ciclo Otto il pistone inizia a comprimere la miscela aria-carburante aspirata durante la fase di aspirazione non appena si chiude la valvola di scarico. Le corse di compressione ed espansione sono geometricamente uguali e il motore ricava gran parte della sua efficienza dall'aumento del rapporto di compressione fino al limite consentito dalla battito d'asto.

L'idea di James Atkinson nel 1882 era quella di rompere deliberatamente questa simmetria. Se la corsa di espansione è più lunga della corsa di compressione, i gas della combustione non sfuggono dalla valvola di scarico prima di aver ceduto la loro energia al pistone. Atkinson inizialmente risolveva questa idea con complicati meccanismi a biella; cycle engine il suo progetto denominato realizzava i quattro tempi in un solo giro dell'albero motore con un sistema di collegamenti. Era efficiente ma difficile da bilanciare ad alto regime, meccanicamente ingombrante e non si diffuse commercialmente.

La soluzione moderna è molto più elegante: ottenere lo stesso effetto senza toccare alcun meccanismo dell'albero motore, ritardando semplicemente la chiusura della valvola di aspirazione. È esattamente questa la base dell'approccio brevettato da Ralph Miller nel 1956 e applicato oggi sia nei motori aspirati sia in quelli sovralimentati con turbo.

La fonte dell'efficienza: non il rapporto di compressione, ma il rapporto di espansione

Questa catena logica spiega tutta la differenza tra i due cicli. Se la valvola di aspirazione si chiude più tardi del normale (nella letteratura LIVC), il pistone continua ad aspirare per un certo tempo anche dopo aver iniziato la corsa di compressione e spinge indietro parte della miscela nel collettore. Risultato: la quantità effettiva di aria che entra nel cilindro diminuisce e il rapporto di compressione effettivo si riduce. Ma poiché la discesa del pistone - cioè la corsa di espansione - non cambia geometricamente, il rapporto di espansione resta invariato. Così il rapporto di compressione risulta inferiore al rapporto di espansione.

Perché questa differenza porta un guadagno di efficienza? Perché l'energia spesa per il lavoro di compressione diminuisce, mentre si allunga il tempo in cui l'energia della combustione si trasforma in lavoro meccanico durante l'espansione. L'obiettivo è avvicinare il più possibile alla pressione atmosferica la pressione del gas nel cilindro alla fine del tempo di espansione; quando la valvola di scarico si apre, se c'è ancora gas ad alta pressione, quella energia è andata sprecata. In un motore convenzionale i gas di scarico 3-7 bar di pressione e 1000 °C di temperatura vengono espulsi - tra un terzo e la metà dell'energia della combustione finisce nel tubo di scarico senza produrre alcun lavoro utile.

La chiusura ritardata non è l'unica opzione. Anche la chiusura anticipata della valvola di aspirazione (EIVC) dà lo stesso risultato: la valvola si chiude all'inizio della corsa e, mentre il piston scende, si crea una leggero vuoto nel cilindro, la miscela viene praticamente aspirata espandendosi da sola. Tra le due strategie esistono differenze in termini di gestione termica e perdite di pompaggio; studi condotti su motori marini dimostrano anche che chiudere la valvola troppo anticipatamente può aumentare il consumo di carburante.

I cicli Otto, Atkinson e Miller a confronto

Perché nei veicoli ibridi si usa il ciclo Atkinson?

Il prezzo del ciclo Atkinson è chiaro: la chiusura ritardata della valvola di aspirazione fa sì che lo stesso volume del cilindro aspiri meno aria. La densità di potenza diminuisce; la coppia massima e la pressione efficace media per cilindro si riducono. Si ottiene un motore che produce meno potenza rispetto a un motore Otto della stessa dimensione, con una coppia debole soprattutto ai bassi regimi. Da solo, per un veicolo a benzina, questo è uno svantaggio che il guidatore percepisce ogni volta che preme l'acceleratore.

Il sistema ibrido compensa esattamente questo svantaggio. Il motore elettrico produce coppia istantaneamente da zero; subentra nella fascia di funzionamento più debole del motore - i bassi regimi e la zona di pieno carico. Così il motore a benzina può funzionare quasi sempre sulla linea più efficiente della mappa di carico e regime. Questa combinazione è entrata in produzione per la prima volta alla fine del 1997 con la prima generazione della Toyota Prius e da quel giorno è la formula standard delle transmissioni ibride.

Gli esempi di applicazione sono numerosi: il 1NZ-FXE delle prime Prius, la famiglia di motori Toyota Dynamic Force , gli ibridi Ford C-Max e Fusion e i modelli ibridi di Lexus condividono questa logica. Dall'invenzione della tecnologia al suo ingresso nella linea di produzione sono trascorsi ben 100 anni - senza il motore elettrico, il deficit di potenza di questo ciclo non sarebbe stato vendibile a nessuno.

Cosa offre il ciclo Miller ai benzina turbo?

Il secondo modo per colmare il deficit di potenza di Atkinson è comprimere più aria nel cilindro. È esattamente questo il ciclo Miller: il rapporto di compressione effettivo, ridotto dalla chiusura ritardata della valvola di aspirazione, viene compensato dall'aria extra fornita dal turbo o dal compressore volumetrico. La miscela entra nel cilindro a una pressione superiore a quella atmosferica; il motore beneficia sia dell'efficienza della temporizzazione Miller sia produce la potenza attesa.

Questo approccio ha un valore aggiunto nei benzina turbo: il controllo della detonazione. La detonazione è l'autoaccensione della miscela compressa senza attendere la scintilla della candela, e alti rapporti di compressione e alte pressioni di riempimento ne aumentano il rischio. La soluzione tradizionale è abbassare il rapporto di compressione geometrico - il che porta via anche il guadagno in economia di carburante. Il ciclo Miller risolve il dilemma: il rapporto geometrico può essere mantenuto alto, ma il rapporto effettivo al momento della compressione è limitato grazie alla valvola che si chiude in ritardo. Nei motori turbo ridimensionati questa è una strategia comune di riduzione della detonazione.

Il guadagno numerico è pure di livello misurabile. Il ciclo Miller, con la riduzione delle perdite di pompaggio a carico parziale, il miglioramento dell'efficienza e la diminuzione delle emissioni di NOx, garantisce un risparmio di carburante significativo rispetto ai motori tradizionali confrontabili; nelle prime applicazioni di produzione %10-15 di riduzione dei consumi è tra le cifre citate. Combinato con un alto livello di sovralimentazione, è stato dimostrato che porta potenziali miglioramenti contemporanei nell'economia di carburante e nella resistenza alla detonazione.

Una lezione dalla storia: Mazda Millenia

La prima applicazione di produzione del ciclo Miller nella storia dell'automobile, 1994 fu il Mazda KJ-ZEM V6 - alimentato da un compressore volumetrico di tipo Lysholm, questo motore, a causa dei costi di produzione e della complessità, non riuscì a garantire il successo commerciale della berlina chiamata Millenia. Ma l'idea non era da buttare: il fatto che i moderni benzina turbo usino la temporizzazione Miller proprio per risolvere i problemi di detonazione e consumi è la strada che quel motore ha aperto.

"Atkinson" o "Miller"? La discussione terminologica

Facciamo una nota di onestà tecnica. Quella che Toyota e alcuni costruttori chiamano "ciclo Atkinson" è in realtà una specifica fasatura delle valvole: la chiusura ritardata della valvola di aspirazione. In letteratura questa pratica è chiamata anche "temporizzazione Miller". Alcune fonti di ingegneria stabiliscono la distinzione così: i motori aspirati con IVC ritardata sono chiamati "Atkinson", quelli con alimentazione forzata "Miller". Secondo un altro punto di vista, invece, la denominazione è del tutto arbitraria; ciò che conta è l'applicazione del ciclo over-expanded mediante la fasatura dell'IVC, e l'uso o meno dell'aspirazione forzata non cambia questa classificazione.

Anche la discussione sulla precedenza storica è interessante. Che Körting nel 1891 realizzasse un motore a gas con compressione breve ed espansione lunga, che Charon ottenesse un brevetto francese nel 1888 per un ciclo simile senza sovralimentazione e che 1927 nei rapporti datati si sa che persino controllare la compressione efficace tramite la fasatura delle valvole per limitare il battito in carburanti a basso numero di ottano era un'opzione sul tavolo. Quindi il nome "Atkinson" assomiglia meno al meccanismo originale di Atkinson che all'applicazione odierna; ma l'idea che merita il premio - separare l'espansione dalla compressione - è sua.

Perché non ogni motore a benzina funziona con il ciclo Atkinson o Miller?

La risposta è nascosta nell'asse principale dell'articolo: questi cicli sacrificano potenza in cambio di efficienza. In una comune benzina senza motore elettrico né turbo, il ciclo Atkinson significa meno potenza dallo stesso volume e una coppia debole soprattutto ai bassi regimi. Il guidatore lo sente a ogni partenza e a ogni sorpasso; per il produttore invece occorre rendere il motore più grande per offrire le stesse prestazioni - il che annulla in parte il guadagno di efficienza. Il ciclo Miller colma questo divario con il turbo, ma aggiunge costi e complessità, come hanno mostrato le prime applicazioni con compressore volumetrico.

La catena logica in sintesi è questa: il ciclo Atkinson da solo rinuncia alla potenza in cambio di efficienza; il sistema ibrido riporta la potenza con il motore elettrico. Il ciclo Miller unisce la stessa logica di efficienza al turbo e riporta la potenza. In entrambe le vie l'equazione che si presenta è la stessa - mantenere l'espansione più lunga della compressione per convertire in lavoro l'energia che sfuggirebbe dallo scarico - e le versioni più efficienti dei motori ibridi e turbo a benzina del 2026 funzionano ancora con le forme ingegneristicamente mature di quell'idea del XIX secolo.

Fonti

• Ciclo Atkinson
• Ciclo Miller
• Atkinson, Miller o Otto: i cicli a combustione interna spiegati
• Che cos'è il ciclo di combustione Atkinson e quali sono i suoi vantaggi?
• Motori con ciclo Miller
• Perché Toyota utilizza motori con ciclo Atkinson?
• Confronto tra le prestazioni dei cicli Atkinson e Otto standard ad aria
• Progettazione e ottimizzazione di un motore con ciclo Atkinson
• Studio sperimentale sugli effetti del ciclo Miller
• Questa oscura berlina Mazda