Цикл Миллера - Miller cycle

В инженерное дело, то Цикл Миллера термодинамический цикл, используемый в типе двигатель внутреннего сгорания. Цикл Миллера был запатентован Ральф Миллер, Американец инженер, патент США 2817322 от 24 декабря 1957 г. Двигатель может быть два- или же четырехтактный и может работать на дизельное топливо, газы или двойное топливо.^[1]

Этот тип двигателя сначала использовался на кораблях и стационарных электростанциях, а теперь используется в некоторых железнодорожных локомотивах, таких как GE PowerHaul. Он был адаптирован Mazda для них KJ-ZEM V6, используемый в Миллениум седан, и в их автомобилях класса люкс Eunos 800 sedan (Австралия). В последнее время, Subaru объединил цикл Миллера квартира-4 с гибридный трансмиссии для их концептуального автомобиля "Turbo Parallel Hybrid", известного как Subaru B5-TPH, а Nissan представил небольшой трехцилиндровый двигатель с регулируемыми фазами газораспределения впускных клапанов, который, как утверждается, работает по циклу Аткинсона при низкой нагрузке (таким образом, более низкая удельная мощность не является помехой) или по циклу Миллера при небольшом наддуве при низкой нагрузке. давление, вариант с наддувом, возврат к обычному режиму (либо всасывание, либо с более сильным наддувом), более плотный цикл Отто при более высоких нагрузках. В последнем примере особая природа цикла Миллера позволяет версии с наддувом не только быть умеренно более мощной, но и требовать большей, почти дизельной экономии топлива с меньшими выбросами, чем (более простой, дешевый) всасывающий-всасывающий - в отличие от обычной ситуации, когда наддув приводит к значительному увеличению расхода топлива.

Обзор

Традиционный поршневой двигатель внутреннего сгорания использует четыре хода, два из которых можно считать мощными: такт сжатия (поток большой мощности от коленчатый вал к обвинять ) и рабочий ход (большой поток от продуктов сгорания к коленчатому валу).

В цикле Миллера впускной клапан остается открытым дольше, чем в двигателе с циклом Отто. Фактически, такт сжатия представляет собой два дискретных цикла: начальную часть, когда впускной клапан открыт, и заключительную часть, когда впускной клапан закрыт. Этот двухступенчатый такт впуска создает так называемый «пятый» ход, который вводит цикл Миллера. Поскольку поршень первоначально движется вверх в том, что традиционно является тактом сжатия, заряд частично выталкивается обратно через все еще открытый впускной клапан. Как правило, эта потеря наддувочного воздуха приводит к потере мощности. Однако в цикле Миллера это компенсируется использованием нагнетатель. Нагнетатель обычно должен быть объемного (Корни или винтовой) типа из-за его способности создавать наддув при относительно низких оборотах двигателя. В противном случае пострадает мощность на низких оборотах. В качестве альтернативы можно использовать турбокомпрессор для большей эффективности, если работа на низких оборотах не требуется, или дополнить его электродвигателями.

В двигателе с циклом Миллера поршень начинает сжимать топливно-воздушную смесь только после закрытия впускного клапана; и впускной клапан закрывается после того, как поршень прошел определенное расстояние выше своего самого нижнего положения: примерно от 20 до 30% от общего хода поршня за этот ход вверх. Таким образом, в двигателе с циклом Миллера поршень фактически сжимает топливно-воздушную смесь только на последних 70-80% такта сжатия. Во время начальной части такта сжатия поршень проталкивает часть топливно-воздушной смеси через все еще открытый впускной клапан и обратно во впускной коллектор.

Температура заряда

Наддувочный воздух сжимается с помощью нагнетателя (и охлаждается интеркулер ) до давления выше, чем необходимо для цикла двигателя, но наполнение цилиндров уменьшается за счет подходящего времени впускного клапана. Таким образом, расширение воздуха и последующее охлаждение происходит в цилиндрах и частично на входе. Снижение температуры нагнетаемого воздуха / топлива позволяет увеличить мощность данного двигателя без каких-либо серьезных изменений, таких как увеличение степени сжатия цилиндра / поршня. Когда в начале цикла температура ниже, плотность воздуха увеличивается без изменения давления (механический предел двигателя смещается в сторону большей мощности). В то же время предел тепловой нагрузки смещается из-за более низких средних температур цикла. ^[2]

Это позволяет увеличить время зажигания сверх того, что обычно допускается до начала детонации, тем самым еще больше повышая общую эффективность. Дополнительным преимуществом более низкой конечной температуры заряда является уменьшение выбросов NOx в дизельных двигателях, что является важным параметром конструкции в больших дизельных двигателях на борту судов и на электростанциях.^{[нужна цитата ]}

Коэффициент сжатия

Эффективность повышается за счет такой же эффективной степени сжатия и большей степени расширения. Это позволяет извлекать больше работы из расширяющихся газов, поскольку они расширяются почти до атмосферного давления. В обычном двигателе с искровым зажиганием в конце такта расширения цикла широко открытой дроссельной заслонки газы составляют около пяти атмосфер, когда открывается выпускной клапан. Поскольку ход ограничен ходом сжатия, из газа все же можно извлечь некоторую работу. Задержка закрытия впускного клапана в цикле Миллера, по сути, укорачивает такт сжатия по сравнению с тактом расширения. Это позволяет газам расширяться до атмосферного давления, повышая эффективность цикла.

Потери нагнетателя

Преимущества использования нагнетателей прямого вытеснения связаны с затратами. паразитарная нагрузка. Около 15-20% мощности, вырабатываемой двигателем с наддувом, обычно требуется для работы наддува, который сжимает всасываемый заряд (также известный как наддув).

Главное преимущество / недостаток

Основным преимуществом цикла является то, что степень расширения больше, чем степень сжатия. За счет промежуточного охлаждения после внешнего наддува существует возможность снизить выбросы NOx для дизельного топлива или детонацию для двигателей с искровым зажиганием. Тем не менее, для каждого применения необходимо найти компромисс между повышением эффективности системы и трением (из-за большего смещения).

Краткое содержание патента

Приведенный выше обзор может описывать современную версию цикла Миллера, но он в некоторых отношениях отличается от патента 1957 года. В патенте описывается «новый и улучшенный метод работы двигателя с наддувом и промежуточным охлаждением». Двигатель может быть двухтактным или четырехтактным, а топливо может быть дизельным, двухтопливным или газовым. Из контекста ясно, что «газ» означает газообразное топливо, а не бензин. Нагнетатель, показанный на схемах, представляет собой турбокомпрессор, а не нагнетатель прямого вытеснения. Двигатель (четырехтактный или двухтактный) имеет обычную схему расположения клапанов или каналов, но дополнительный «клапан контроля сжатия» (CCV) находится в головке блока цилиндров. Сервомеханизм, управляемый давлением во впускном коллекторе, управляет подъемом CCV на части такта сжатия и выпускает воздух из цилиндра в выпускной коллектор. CCV будет иметь максимальный подъем при полной нагрузке и минимальный подъем без нагрузки. В результате получается двигатель с переменная степень сжатия. При повышении давления во впускном коллекторе (из-за действия турбонагнетателя) эффективная коэффициент сжатия в цилиндре опускается (из-за увеличения подъемной силы ККТ) и наоборот. Это «обеспечит правильный запуск и зажигание топлива при малых нагрузках».^[1]

Двигатель цикла Аткинсона

Подобный метод закрытия клапана с задержкой используется в некоторых современных версиях Цикл Аткинсона двигатели, но без наддува. Эти двигатели обычно встречаются на гибридный электрический транспортных средств, целью которых является эффективность, а потери мощности по сравнению с циклом Миллера возмещаются за счет использования электродвигателей.^[3]