Ciclul Miller - Miller cycle

Termodinamica
Motorul termic clasic Carnot
Ramuri Clasic Statistic Chimic Termodinamica cuantică Echilibru  / Non-echilibru
Legile Zeroth Primul Al doilea Al treilea
Sisteme Stat Ecuația de stare Gaz ideal Gaz real Stare a materiei Echilibru Controlați volumul Instrumente Procese Izobaric Izocoric Izotermă Adiabatic Izentropic Isentalpic Cvasistatic Polytropic Expansiune gratuită Reversibilitate Ireversibilitate Endoreversibilitate Cicluri Motoare termice Pompe de căldură Eficiență termică
Proprietatile sistemului Notă: Conjugați variabile în cursiv Diagramele proprietății Proprietăți intensive și extinse Funcții de proces Muncă Căldură Funcțiile statului Temperatura  / Entropia  ( introducere ) Presiune  / Volum Potențial chimic  / număr de particule Calitatea vaporilor Proprietăți reduse
Proprietățile materialului Baze de date de proprietăți Capacitate termică specifică   ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Compresibilitate   ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Expansiunea termică   ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Ecuații Teorema lui Carnot Teorema lui Clausius Relația fundamentală Legea gazelor ideale Relațiile Maxwell Relații reciproce onsager Ecuațiile lui Bridgman Tabel de ecuații termodinamice
Potențiale Energie gratis Entropie liberă
Istorie Cultură Istorie General Entropie Legile gazelor Mașini de „mișcare perpetuă” Filozofie Entropie și timp Entropie și viață Clichet brownian Demonul lui Maxwell Paradoxul căldurii morții Paradoxul lui Loschmidt Sinergetice Teorii Teoria calorică Teoria căldurii Vis viva („forța vie”) Echivalentul mecanic al căldurii Puterea motivației Publicații cheie „ O anchetă experimentală referitoare la ... căldură ” „ Despre echilibrul substanțelor eterogene ” „ Reflecții asupra puterii motive a focului ” Cronologii Termodinamica Motoare termice Artă Educaţie Suprafața termodinamică a lui Maxwell Entropia ca dispersie de energie
Oamenii de știință Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Carte Categorie
v t e

În inginerie , ciclul Miller este un ciclu termodinamic utilizat într-un tip de motor cu ardere internă . Ciclul Miller a fost brevetat de Ralph Miller , un inginer american , brevetul SUA 2817322 din 24 decembrie 1957. Motorul poate fi în doi sau patru timpi și poate funcționa cu motorină , gaze sau combustibil dublu.

Acest tip de motor a fost utilizat pentru prima dată în nave și în stațiile de producere a energiei staționare și este acum utilizat pentru unele locomotive feroviare, cum ar fi GE PowerHaul . A fost adaptat de Mazda pentru KJ-ZEM V6 , folosit în sedanul Millenia și în mașinile lor de lux Eunos 800 sedan (Australia). Mai recent, Subaru a combinat un model Miller-cycle flat-4 cu o transmisie hibridă pentru conceptul lor de mașină „Turbo Parallel Hybrid”, cunoscută sub numele de Subaru B5-TPH , iar Nissan a introdus un motor mic cu trei cilindri cu sincronizare variabilă a supapei de admisie variabile care pretinde că operează un ciclu Atkinson la sarcină redusă (prin urmare, densitatea mai mică a puterii nu este un handicap) sau un ciclu Miller când se află sub creștere a luminii în varianta supraîncărcată cu presiune scăzută, revenind la regulat (și fie la aspirație, fie la supraalimentare ), funcționare mai intensă a ciclului Otto la sarcini mai mari. În acest din urmă exemplu, natura particulară a ciclului Miller permite ca versiunea supraalimentată să fie nu doar moderat mai puternică, ci și să pretindă o economie de combustibil mai bună, aproape diesel, cu emisii mai mici decât cea de aspirare (mai simplă, mai ieftină) - spre deosebire de situația obișnuită de supraalimentare care determină un consum semnificativ crescut de combustibil.

Prezentare generală

Un motor tradițional cu ardere internă alternativ folosește patru curse, dintre care două pot fi considerate de mare putere: cursa de compresie (debit mare de putere de la arborele cotit la încărcare ) și cursa de putere (flux de putere mare de la gazele de ardere la arborele cotit).

În ciclul Miller, supapa de admisie este lăsată deschisă mai mult decât ar fi într-un motor cu ciclu Otto. De fapt, cursa de compresie este de două cicluri discrete: porțiunea inițială când supapa de admisie este deschisă și porțiunea finală când supapa de admisie este închisă. Această cursă de admisie în două etape creează așa-numita „a cincea” cursă pe care o introduce ciclul Miller. Pe măsură ce pistonul se mișcă inițial în sus în ceea ce este în mod tradițional cursa de compresie, sarcina este expulzată parțial înapoi prin supapa de admisie încă deschisă. De obicei, această pierdere de aer de încărcare ar duce la o pierdere de energie. Cu toate acestea, în ciclul Miller, acest lucru este compensat prin utilizarea unui supraîncărcător . În mod obișnuit, supraîncărcătorul va trebui să fie de tip cu deplasare pozitivă ( rădăcini sau șurub) datorită capacității sale de a produce impulsuri la turații relativ mici ale motorului. În caz contrar, puterea la turații reduse va avea de suferit. Alternativ, un turbocompresor poate fi utilizat pentru o eficiență mai mare, dacă nu este necesară o funcționare cu rpm redusă sau suplimentat cu motoare electrice.

În motorul cu ciclu Miller, pistonul începe să comprime amestecul combustibil-aer numai după închiderea supapei de admisie; iar supapa de admisie se închide după ce pistonul a parcurs o anumită distanță deasupra poziției sale de jos: în jur de 20 până la 30% din cursa totală a pistonului acestei curse ascendente. Deci, în motorul cu ciclu Miller, pistonul comprimă de fapt amestecul combustibil-aer numai în ultimul 70% până la 80% din cursa de compresie. În timpul părții inițiale a cursei de compresie, pistonul împinge o parte din amestecul combustibil-aer prin supapa de admisie încă deschisă și înapoi în galeria de admisie.

Temperatura de încărcare

Aerul de încărcare este comprimat folosind un supraîncărcător (și răcit de un intercooler ) la o presiune mai mare decât cea necesară pentru ciclul motor, dar umplerea cilindrilor este redusă prin sincronizarea adecvată a supapei de admisie. Astfel, expansiunea aerului și răcirea consecutivă au loc în cilindri și parțial în orificiul de admisie. Reducerea temperaturii încărcăturii de aer / combustibil permite creșterea puterii unui anumit motor fără a face modificări majore, cum ar fi creșterea relației de compresie cilindru / piston. Când temperatura este mai scăzută la începutul ciclului, densitatea aerului crește fără o schimbare a presiunii (limita mecanică a motorului este deplasată la o putere mai mare). În același timp, limita sarcinii termice se schimbă din cauza temperaturilor medii mai scăzute ale ciclului.

Acest lucru permite sincronizarea aprinderii să fie avansată dincolo de ceea ce este permis în mod normal înainte de apariția detonării, crescând astfel și mai mult eficiența generală. Un avantaj suplimentar al temperaturii de încărcare finală mai scăzute este că emisia de NOx la motoarele diesel este redusă, ceea ce reprezintă un parametru important de proiectare la motoarele diesel mari de la bordul navelor și centralelor electrice.

Rata compresiei

Eficiența este crescută având același raport de compresie efectiv și un raport de expansiune mai mare. Acest lucru permite extragerea mai multă muncă din gazele în expansiune, deoarece acestea sunt extinse până la presiunea aproape atmosferică. Într-un motor obișnuit cu aprindere prin scânteie la sfârșitul cursei de expansiune a unui ciclu de accelerație larg deschis, gazele se află la aproximativ cinci atmosfere când se deschide supapa de evacuare. Deoarece cursa este limitată la cea de compresie, totuși s-ar putea extrage unele lucrări din gaz. Întârzierea închiderii supapei de admisie în ciclul Miller reduce efectiv cursa de compresie comparativ cu cursa de expansiune. Acest lucru permite extinderea gazelor la presiunea atmosferică, sporind eficiența ciclului.

Pierderi prin supraalimentare

Avantajele utilizării supraîncărcătoarelor cu deplasare pozitivă vin cu un cost datorat încărcării parazitare . Aproximativ 15 până la 20% din puterea generată de un motor supraalimentat este de obicei necesară pentru a efectua munca de supraalimentare, care comprimă sarcina de admisie (cunoscută și sub numele de boost).

Avantaj major / dezavantaj

Avantajul major al ciclului este că raportul de expansiune este mai mare decât raportul de compresie. Prin răcire interioară după supraalimentarea externă, există o oportunitate de a reduce emisiile de NOx la motorină sau de a bate la motoarele cu aprindere prin scânteie. Cu toate acestea, mai multe compromisuri privind creșterea eficienței și fricțiunii sistemului (datorită deplasării mai mari) trebuie echilibrate pentru fiecare aplicație.

Rezumatul brevetului

Prezentarea generală prezentată mai sus poate descrie o versiune modernă a ciclului Miller, dar diferă în unele privințe de brevetul din 1957. Brevetul descrie „o metodă nouă și îmbunătățită de operare a unui motor intercooler supraalimentat”. Motorul poate avea două cicluri sau patru cicluri, iar combustibilul poate fi diesel, combustibil dublu sau gaz. Din context este clar că „gaz” înseamnă combustibil gazos și nu benzină . Încărcătorul de presiune prezentat în diagrame este un turbocompresor , nu un supraîncărcător cu deplasare pozitivă. Motorul (indiferent dacă este în patru timpi sau în doi timpi) are o structură convențională a supapei sau orificiului, dar în chiulasă se află o „supapă de control a compresiei” (CCV) suplimentară. Mecanismul servo, acționat de presiunea galeriei de admisie, controlează ridicarea CCV în timpul unei curse de compresie și eliberează aer din cilindru în galeria de evacuare. CCV ar avea o putere maximă la sarcină maximă și o putere maximă la sarcină maximă. Efectul este de a produce un motor cu un raport de compresie variabil . Pe măsură ce presiunea colectorului de admisie crește (datorită acțiunii turbocompresorului), raportul efectiv de compresie din cilindru scade (datorită ridicării crescute a CCV) și invers. Acest lucru „va asigura pornirea și aprinderea corespunzătoare a combustibilului la sarcini ușoare”.

Motor cu ciclu Atkinson

O metodă similară de închidere a supapelor întârziate este utilizată în unele versiuni moderne ale motoarelor cu ciclu Atkinson , dar fără supraalimentare. Aceste motoare se găsesc în general pe vehiculele electrice hibride , unde eficiența este obiectivul, iar puterea pierdută în comparație cu ciclul Miller este alcătuită prin utilizarea motoarelor electrice.

Referințe