Ciclo Otto e ciclo Atkinson Miller. Quali differenze?
Si sente sempre più parlare di motori endotermici che utilizzano il ciclo Atkinson Miller, specie ora che si sta generalizzando l’ibridizzazione del powertrain dei veicoli di ultima generazione per rispettare le sempre più restrittive norme sulle emissioni.
Veicoli mild-hybrid, full hybrid o plug-in hybrid dotati di motori elettrici ausiliari che operano in parallelo al motore endotermico possono tutti beneficiare dei vantaggi offerti dal ciclo Atkinson Miller.
Di seguito illustreremo, con l’ausilio di qualche immagine, quali sono le differenze rispetto al classico ciclo Otto, il rendimento, i vantaggi e gli svantaggi del ciclo Atkinson Miller nasce come variante del classico ciclo Otto.
Ciclo Otto
Riferendoci alla Fig.1, che riporta su un piano cartesiano pressione/volume il ciclo Otto per i motori ad accensione comandata alimentati a benzina, descriviamo le varie fasi.
Premessa: dal punto di vista geometrico, i motori a ciclo Otto (e anche quelli a ciclo Diesel) hanno il rapporto di compressione e quello di espansione identici. 
Con questi termini si intende infatti la variazione di volume che il pistone genera nella corsa ascendente (compressione) e in quella discendente (espansione), muovendosi tra il PMI (Punto Morto Inferiore) e il PMS (Punto Morto Superiore) e viceversa.
Si suppone poi che il motore abbia un rapporto di compressione di 10:1, ovvero che nel tratto dal PMI al PMS il pistone diminuisca di 10 volte il volume iniziale del cilindro. Il rapporto di espansione sarà quindi 1:10.
Fase 0-1 aspirazione. A valvola di aspirazione aperta il pistone passa dal PMS al PMI (corsa del pistone) riempiendo il volume del cilindro con miscela fresca. In pratica, per effetto delle resistenze al passaggio del fluido attraverso le valvole, la pressione nel cilindro può essere inferiore a quella atmosferica, generando una depressione nel cilindro;
Fase 1-2 compressione. A valvole chiuse il pistone si muove dal PMI al PMS sottraendo energia cinetica al sistema (in pratica quella accumulata dall’inerzia delle masse rotanti) e riduce il volume del cilindro di un valore pari al rapporto di compressione (nel caso di un motore con rapporto di compressione 10:1 di 10 volte);
Fase 2-3 combustione a volume costante. A valvole chiuse e pistone fermo al PMS scocca la scintilla e la pressione subisce un forte incremento istantaneo; la miscela esplode e si genera una forte energia termica.
Fase 3-4 espansione. E’ questa l’unica fase attiva del ciclo Otto. A valvole chiuse il pistone si muove dal PMS al PMI per effetto dell’espansione del gas compresso e carico di energia, producendo lavoro meccanico. Il rapporto di espansione geometrico è in questo caso uguale a quello di compressione per cui il volume aumenta di 10 volte)
Fase 4-5 prima parte dello scarico. Si apre la valvola di scarico col pistone al PMI e la pressione residua avvia l’uscita spontanea dei gas dal cilindro.
Fase 5-6 seconda parte dello scarico. A valvola di scarico aperta il pistone passa dal PMI al PMS spingendo verso l’esterno i gas combusti. Anche in questo caso, come nell’aspirazione, la fase non è proprio a pressione costante poiché per effetto delle resistenze al passaggio attraverso la valvola di scarico si genera una certa sovrappressione.
Ciclo Atkinson
Come abbiamo più sopra spiegato, nel motore a ciclo Otto si alternano fasi attive, sostanzialmente quella di combustione ed espansione, nella quale l’energia termica viene trasformata in lavoro meccanico dal manovellismo, e fasi passive, ovvero quella di compressione, nella quale parte dell’energia generata dalla combustione viene resa dalle inerzie del manovellismo, e quella di scarico, in cui, sempre sfruttando le inerzie del manovellismo, il pistone spinge verso l’esterno i gas combusti.
Nel 1882, pochi anni dopo l’affermazione del ciclo Otto, James Atkinson pensò a un motore con la corsa di espansione differenziata rispetto a quella di compressione, in modo da poter recuperare il massimo dell’energia generata dalla combustione sottraendo invece una minore porzione di energia dal sistema per effettuare la compressione. Per fare questo brevettò un motore con un cinematismo piuttosto complicato in grado di svolgere questa funzione, che può essere riassunta in una differenziazione del rapporto di compressione rispetto a quello di espansione. Una soluzione tecnicamente complessa che solo in tempi recenti ha trovato un’applicazione reale.
Ciclo Aktinson Miller
Nel 1957 Ralph Miller ebbe l’intuizione di realizzare il ciclo Atkinson in modo virtuale, rendendo così molto più accessibile la sua applicazione pratica. Utilizzò un motore con l’imbiellaggio convenzionale e modificò la fasatura della distribuzione, in particolare quella di aspirazione. Il risultato, qualitativamente, è rappresentato nella Fig.2, che illustra il ciclo Atkinson Miller sul piano cartesiano p/v:
Fase 0-1 aspirazione. Questa fase non cambia rispetto al ciclo Otto.
Fase 1-1’-2 compressione. E’ in questa fase che c’è la differenziazione. Viene mantenuta aperta la valvola di aspirazione per un primo tratto della corsa ascendente del pistone (attorno al 20% della corsa totale per una riduzione del rapporto di compressione, nel nostro esempio, da 10:1 a 8:1). Questa fase corrisponde al tratto 1-1’ dove avviene una variazione di volume a pressione praticamente costante. In questa fase una parte dell’aria aspirata nella fase 0-1 e spinta nel condotto di aspirazione attraverso la valvola aperta.
Di conseguenza la carica fresca diminuisce rispetto a quella del ciclo Otto, ma diminuisce l’energia necessaria a comprimere l’aria aspirata, poiché il pistone nella prima fase ascendente incontra una resistenza trascurabile. Essendo questa una fase passiva, il vantaggio è utilizzare una minor quantità di energia cinetica immagazzinata dall’albero motore nella fase attiva, ovvero nell’espansione.
Fase 2-3 combustione. Nulla cambia, salvo che l’energia che si genera nella combustione, per via della minor carica di gas fresco e il minor rapporto di compressione, è inferiore.
Fase 3-4 espansione. Mentre il rapporto compressione reale è diminuito rispetto a quello geometrico per effetto del ritardo di chiusura della valvola di aspirazione, il rapporto di espansione resta quello geometrico, nel nostro caso 1:10.
Per effetto di questa differenza tra rapporto di compressione e rapporto di espansione, il rendimento termodinamico è migliore: innanzitutto perché nella corsa di espansione, raggiunto il PMI, la pressione residua nel cilindro è inferiore e quindi all’apertura della valvola di scarico ci sarà una minor quantità di gas in pressione (e quindi ancora in grado di generare lavoro) che andrà perso nel tubo di scarico, e poi perché nell’espansione la temperatura del fluido sarà più bassa e quindi si riduce il calore disperso allo scarico, fattore importante nel computo del rendimento.
C’è da dire che nel caso del ciclo Otto quell’energia persa allo scarico può essere recuperata per azionare la turbina di un turbocompressore.
Nel ciclo Atkinson, essendo l’energia residua inferiore, la sovralimentazione con turbocompressore sarà meno efficace, per cui sarà più consigliabile l’uso di compressori volumetrici azionati meccanicamente (con la conseguente sottrazione di una parte d potenza dal motore per il suo azionamento).
Fase 4-5 prima parte dello scarico. Il pistone passa dal PMI al PMS per espellere i gas combusti. Differenze, vantaggi e svantaggi sono stati appena descritti.
Fase 5-6 seconda parte dello scarico. Come per il ciclo Otto, a valvola di scarico aperta il pistone passa dal PMI al PMS spingendo verso l’esterno i gas combusti.
Miglior rendimento ma meno potenza
Nel calcolo del rendimento termico (inteso come rapporto tra la quantità di calore trasformata in lavoro utile – ovvero la differenza tra calore fornito e calore sottratto al fluido – e la quantità di calore fornita) il ciclo Atkinson può superare il ciclo Otto, e questo si riflette positivamente sui consumi, specialmente ai carichi parziali.
Per contro, come abbiamo visto, efficienza a parte, potenza e coppia erogati sono inferiori: questo è il motivo per cui il ciclo Atkinson Miller non ha trovato fino a pochi anni fa nessuna applicazione pratica.
Come detto in apertura, lo scenario ora è cambiato con l’avvento dell’ibridizzazione, specialmente grazie a Toyota che, pioniera nell’ibrido, ha applicato il ciclo Atkinson Miller ai suoi motori endotermici accoppiandoli a un motore elettrico in grado di compensare la minor potenza – e coppia motrice – persi quando serve, mantenendo un’eccellente fluidità di funzionamento e riducendo i consumi di oltre il 5%. Oggi molte Case adottano il ciclo Atkinson Miller: l’ultima in ordine di tempo è la Suzuki con la sua nuova Across ibrida plu-in.
