Cykl Millera

W inżynierii cykl Millera jest cyklem termodynamicznym stosowanym w typie silnika spalinowego . Cykl Millera został opatentowany przez Ralpha Millera , amerykańskiego inżyniera, patent USA 2,817,322 z dnia 24 grudnia 1957 r. Silnik może być dwu- lub czterosuwowy i może być zasilany olejem napędowym , gazami lub podwójnym paliwem.

Ten typ silnika został po raz pierwszy zastosowany na statkach i stacjonarnych elektrowniach, a obecnie jest używany w niektórych lokomotywach kolejowych, takich jak GE PowerHaul . Został zaadaptowany przez Mazdę do ich KJ-ZEM V6 , używanego w sedanie Millenia oraz w luksusowych samochodach Eunos 800 sedan (Australia). Niedawno Subaru połączyło 4-cylindrowy motocykl Millera z hybrydowym układem napędowym w swoim koncepcyjnym samochodzie „Turbo Parallel Hybrid”, znanym jako Subaru B5-TPH , a Nissan wprowadził mały trzycylindrowy silnik ze zmiennymi fazami rozrządu zaworów dolotowych, który rzekomo działa w cyklu Atkinsona przy niskim obciążeniu (a więc niższa gęstość mocy nie jest przeszkodą) lub cykl Millera, gdy jest pod lekkim doładowaniem w wariancie niskociśnieniowym z doładowaniem, powracający do zwykłego (i albo ssącego, albo silniej doładowanego), bardziej gęstego Otto praca cykliczna przy wyższych obciążeniach. W tym ostatnim przykładzie szczególny charakter cyklu Millera pozwala, aby wersja z doładowaniem była nie tylko umiarkowanie mocniejsza, ale także zapewniała lepszą, prawie podobną do oleju napędowego oszczędność paliwa przy niższych emisjach niż (prostsza, tańsza) wersja ssąca - w przeciwieństwie do zwykłej sytuacji doładowania powodującego znacznie zwiększone zużycie paliwa.

Przegląd

Tradycyjny tłokowy silnik spalinowy wykorzystuje cztery suwy, z których dwa można uznać za duże: suw sprężania (przepływ dużej mocy z wału korbowego do wsadu ) i suw mocy (przepływ dużej mocy z gazów spalinowych do wału korbowego).

W cyklu Millera zawór dolotowy pozostaje otwarty dłużej niż w silniku pracującym w cyklu Otto. W efekcie suw sprężania składa się z dwóch dyskretnych cykli: części początkowej, gdy zawór wlotowy jest otwarty, i części końcowej, gdy zawór wlotowy jest zamknięty. Ten dwustopniowy suw kompresji tworzy tak zwany „piąty” suw, który wprowadza cykl Millera. Gdy tłok początkowo porusza się w górę w tradycyjnym suwie sprężania, ładunek jest częściowo usuwany z powrotem przez wciąż otwarty zawór wlotowy. Zwykle ta utrata powietrza doładowującego skutkowałaby utratą mocy. Jednak w cyklu Millera jest to kompensowane przez użycie a doładowanie . Doładowanie zwykle będzie musiało być typu wyporowego ( Roots lub śruba) ze względu na jego zdolność do wytwarzania doładowania przy stosunkowo niskich prędkościach obrotowych silnika. W przeciwnym razie ucierpi moc przy niskiej prędkości. Alternatywnie można zastosować turbosprężarkę w celu uzyskania większej wydajności, jeśli nie jest wymagana praca na niskich obrotach, lub uzupełnić ją silnikami elektrycznymi.

W silniku pracującym w cyklu Millera tłok zaczyna sprężać mieszankę paliwowo-powietrzną dopiero po zamknięciu zaworu dolotowego; a zawór wlotowy zamyka się po przebyciu przez tłok pewnej odległości powyżej jego najniższego położenia: około 20 do 30% całkowitego ruchu tłoka podczas tego suwu w górę. Tak więc w silniku pracującym w cyklu Millera tłok faktycznie spręża mieszankę paliwowo-powietrzną tylko podczas ostatnich 70% do 80% suwu sprężania. Podczas początkowej części suwu sprężania tłok przepycha część mieszanki paliwowo-powietrznej przez wciąż otwarty zawór dolotowy iz powrotem do kolektora dolotowego.

Temperatura ładowania

Powietrze doładowujące jest sprężane za pomocą sprężarki (i chłodzone przez chłodnicę powietrza doładowującego ) do ciśnienia wyższego niż to potrzebne w cyklu silnika, ale napełnianie cylindrów jest ograniczone przez odpowiednie ustawienie rozrządu zaworów wlotowych. W ten sposób rozprężanie powietrza i związane z tym chłodzenie odbywa się w cylindrach i częściowo na wlocie. Obniżenie temperatury doładowania pozwala na zwiększenie mocy danego silnika bez wprowadzania większych zmian, takich jak zwiększenie stosunku sprężania cylinder/tłok. Gdy temperatura na początku cyklu jest niższa, gęstość powietrza wzrasta bez zmiany ciśnienia (mechaniczna granica silnika zostaje przesunięta na wyższą moc). Jednocześnie granica obciążenia termicznego przesuwa się z powodu niższych średnich temperatur cyklu.

Pozwala to na przyspieszenie zapłonu poza to, co jest normalnie dozwolone przed rozpoczęciem detonacji, co jeszcze bardziej zwiększa ogólną wydajność. Dodatkową zaletą niższej temperatury ładowania końcowego jest zmniejszenie emisji NOx w silnikach Diesla, co jest ważnym parametrem konstrukcyjnym dużych silników Diesla na statkach iw elektrowniach.

Stopień sprężania

Wydajność zwiększa się dzięki temu samemu efektywnemu współczynnikowi sprężania i większemu współczynnikowi rozprężania. Pozwala to na wydobycie większej ilości pracy z rozprężających się gazów, ponieważ są one rozprężane prawie do ciśnienia atmosferycznego. W zwykłym silniku z zapłonem iskrowym pod koniec suwu rozprężania cyklu szeroko otwartej przepustnicy gazy mają ciśnienie około pięciu atmosfer, gdy otwiera się zawór wydechowy. Ponieważ skok jest ograniczony do skoku sprężania, nadal można wykonać pewną pracę z gazu. Opóźnienie zamknięcia zaworu dolotowego w cyklu Millera w efekcie skraca suw sprężania w stosunku do suwu rozprężania. Pozwala to na rozprężenie gazów do ciśnienia atmosferycznego, zwiększając wydajność cyklu.

Straty doładowania

Korzyści płynące z zastosowania sprężarek z wyporem dodatnim wiążą się z kosztami wynikającymi z obciążenia pasożytniczego . Około 15 do 20% mocy generowanej przez silnik z doładowaniem jest zwykle wymagane do napędzania sprężarki, która spręża ładunek dolotowy (znany również jako doładowanie).

Główna zaleta/wada

Główną zaletą cyklu jest to, że stopień rozprężania jest większy niż stopień sprężania. Poprzez chłodzenie międzystopniowe po zewnętrznym doładowaniu istnieje możliwość zmniejszenia emisji NOx w przypadku silników wysokoprężnych lub spalania stukowego w przypadku silników z zapłonem iskrowym. Jednak dla każdego zastosowania należy zrównoważyć wiele kompromisów w zakresie zwiększania wydajności systemu i tarcia (ze względu na większą pojemność skokową).

Streszczenie patentu

Powyższy przegląd może opisywać współczesną wersję cyklu Millera, ale różni się pod pewnymi względami od patentu z 1957 roku. Patent opisuje „nową i ulepszoną metodę obsługi silnika z doładowaniem i chłodzeniem międzystopniowym”. Silnik może być dwusuwowy lub czterosuwowy, a paliwem może być olej napędowy, dwupaliwowy lub gaz. Z kontekstu jasno wynika, że ​​„gaz” oznacza paliwo gazowe, a nie benzynę . Sprężarka pokazana na schematach to turbosprężarka , a nie doładowanie z wyporem dodatnim. Silnik (czterosuwowy lub dwusuwowy) ma konwencjonalny układ zaworów lub portów, ale dodatkowy „zawór regulacji kompresji” (CCV) znajduje się w głowicy cylindrów. Serwomechanizm, sterowany ciśnieniem w kolektorze dolotowym, kontroluje wznoszenie CCV podczas części suwu sprężania i uwalnia powietrze z cylindra do kolektora wydechowego. CCV miałby maksymalną siłę nośną przy pełnym obciążeniu i minimalną siłę nośną bez obciążenia. Efektem jest wyprodukowanie silnika o zmiennym stopniu sprężania . Wraz ze wzrostem ciśnienia w kolektorze dolotowym (z powodu działania turbosprężarki) skuteczne stopień sprężania w cylindrze spada (z powodu zwiększonego skoku CCV) i odwrotnie. To „zapewni prawidłowy rozruch i zapłon paliwa przy niewielkich obciążeniach”.

Silnik cyklu Atkinsona

Podobna metoda opóźnionego zamykania zaworów jest stosowana w niektórych nowoczesnych wersjach silników cyklu Atkinsona , ale bez doładowania. Silniki te są zwykle spotykane w hybrydowych pojazdach elektrycznych, w których celem jest wydajność, a moc utracona w porównaniu z cyklem Millera jest uzupełniana przez zastosowanie silników elektrycznych.