Ciclo di Miller - Miller cycle

Termodinamica
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Proprietà di sistema Nota: coniugare le variabili in corsivo Diagrammi delle proprietà Proprietà intense ed estese Funzioni di processo Lavoro Calore Funzioni di stato Temperatura  / Entropia  ( introduzione ) Pressione  / volume Potenziale chimico  / numero di particelle Qualità del vapore Proprietà ridotte
Proprietà dei materiali Database delle proprietà Capacità termica specifica   ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Comprimibilità   ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Dilatazione termica   ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
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In ingegneria , il ciclo Miller è un ciclo termodinamico utilizzato in un tipo di motore a combustione interna . Il ciclo Miller è stato brevettato da Ralph Miller , un ingegnere americano , brevetto statunitense 2817322 datato 24 dicembre 1957. Il motore può essere a due o quattro tempi e può essere alimentato a gasolio , gas o doppia alimentazione.

Questo tipo di motore è stato utilizzato per la prima volta nelle navi e negli impianti di generazione di energia fissi, ed è ora utilizzato per alcune locomotive ferroviarie come la GE PowerHaul . È stato adattato da Mazda per il loro KJ-ZEM V6 , utilizzato nella berlina Millenia e nelle auto di lusso Eunos 800 berlina (Australia). Più di recente, Subaru ha combinato un flat-4 con ciclo Miller con una trasmissione ibrida per la sua concept car "Turbo Parallel Hybrid", nota come Subaru B5-TPH , e Nissan ha introdotto un piccolo motore a tre cilindri con fasatura variabile della valvola di aspirazione che afferma di azionare un ciclo Atkinson a basso carico (quindi la densità di potenza inferiore non è un handicap), o un ciclo Miller quando è sotto leggera spinta nella variante sovralimentata a bassa pressione, tornando alla normalità (e con aspirazione o sovralimentazione più forte ), funzionamento a ciclo Otto ad alta densità di potenza con carichi più elevati. In quest'ultimo esempio, la particolare natura del ciclo Miller consente alla versione sovralimentata non solo di essere moderatamente più potente, ma anche di rivendicare un risparmio di carburante migliore, quasi simile al diesel, con emissioni inferiori rispetto a quello di aspirazione (più semplice, più economico) - in contrasto con la solita situazione di sovralimentazione che causa un aumento significativo del consumo di carburante.

Panoramica

Un tradizionale motore alternativo a combustione interna utilizza quattro tempi, di cui due possono essere considerati ad alta potenza: la corsa di compressione (flusso di alta potenza dall'albero motore alla carica ) e la corsa di potenza (flusso di alta potenza dai gas di combustione all'albero motore).

Nel ciclo Miller, la valvola di aspirazione viene lasciata aperta più a lungo di quanto sarebbe in un motore a ciclo Otto. In effetti, la corsa di compressione è di due cicli discreti: la parte iniziale quando la valvola di aspirazione è aperta e la parte finale quando la valvola di aspirazione è chiusa. Questa corsa di aspirazione a due stadi crea la cosiddetta "quinta" corsa introdotta dal ciclo Miller. Quando il pistone si sposta inizialmente verso l'alto in quella che è tradizionalmente la corsa di compressione, la carica viene parzialmente espulsa attraverso la valvola di aspirazione ancora aperta. Tipicamente, questa perdita di aria di sovralimentazione provocherebbe una perdita di potenza. Tuttavia, nel ciclo Miller, ciò viene compensato dall'uso di un compressore . Il compressore in genere dovrà essere del tipo a cilindrata positiva ( radici o vite) a causa della sua capacità di produrre spinta a regimi del motore relativamente bassi. In caso contrario, la potenza a bassi regimi ne risentirà. In alternativa, un turbocompressore può essere utilizzato per una maggiore efficienza, se non è richiesto il funzionamento a basso numero di giri, o integrato con motori elettrici.

Nel motore a ciclo Miller, il pistone inizia a comprimere la miscela aria-carburante solo dopo la chiusura della valvola di aspirazione; e la valvola di aspirazione si chiude dopo che il pistone ha percorso una certa distanza al di sopra della sua posizione più bassa: circa dal 20 al 30% della corsa totale del pistone di questa corsa verso l'alto. Quindi, nel motore a ciclo Miller, il pistone comprime effettivamente la miscela aria-carburante solo durante quest'ultimo dal 70% all'80% della corsa di compressione. Durante la parte iniziale della corsa di compressione, il pistone spinge parte della miscela aria-carburante attraverso la valvola di aspirazione ancora aperta e di nuovo nel collettore di aspirazione.

Temperatura di carica

L'aria di sovralimentazione viene compressa tramite un compressore (e raffreddata da un intercooler ) ad una pressione superiore a quella necessaria per il ciclo motore, ma il riempimento dei cilindri è ridotto da una opportuna fasatura della valvola di aspirazione. Così l'espansione dell'aria e il conseguente raffreddamento avvengono nei cilindri e parzialmente in ingresso. La riduzione della temperatura della carica aria / carburante consente di aumentare la potenza di un dato motore senza apportare modifiche importanti come l'aumento del rapporto di compressione cilindro / pistone. Quando la temperatura è più bassa all'inizio del ciclo, la densità dell'aria viene aumentata senza una variazione di pressione (il limite meccanico del motore viene spostato su una potenza maggiore). Allo stesso tempo, il limite del carico termico si sposta a causa delle temperature medie inferiori del ciclo.

Ciò consente di anticipare la fasatura dell'accensione oltre quanto normalmente consentito prima dell'inizio della detonazione, aumentando ulteriormente l'efficienza complessiva. Un ulteriore vantaggio della temperatura di carica finale inferiore è che l'emissione di NOx nei motori diesel è ridotta, che è un parametro di progettazione importante nei grandi motori diesel a bordo di navi e centrali elettriche.

Rapporto di compressione

L'efficienza è aumentata avendo lo stesso rapporto di compressione effettivo e un rapporto di espansione maggiore. Ciò consente di estrarre più lavoro dai gas in espansione quando vengono espansi fino a raggiungere la pressione quasi atmosferica. In un normale motore ad accensione comandata alla fine della corsa di espansione di un ciclo a farfalla completamente aperto, i gas si trovano a circa cinque atmosfere quando la valvola di scarico si apre. Poiché la corsa è limitata a quella della compressione, si potrebbe comunque estrarre del lavoro dal gas. Ritardare la chiusura della valvola di aspirazione nel ciclo Miller riduce in effetti la corsa di compressione rispetto alla corsa di espansione. Ciò consente di espandere i gas alla pressione atmosferica, aumentando l'efficienza del ciclo.

Perdite del compressore

I vantaggi dell'utilizzo di compressori a spostamento positivo hanno un costo dovuto al carico parassita . Di solito è necessario circa il 15-20% della potenza generata da un motore sovralimentato per svolgere il lavoro di guida del compressore, che comprime la carica di aspirazione (noto anche come boost).

Grande vantaggio / svantaggio

Il principale vantaggio del ciclo è che il rapporto di espansione è maggiore del rapporto di compressione. Intercooler dopo la sovralimentazione esterna, esiste un'opportunità per ridurre le emissioni di NOx per il diesel o bussare per i motori ad accensione comandata. Tuttavia, è necessario bilanciare diversi compromessi sull'aumento dell'efficienza e dell'attrito del sistema (a causa della cilindrata maggiore) per ogni applicazione.

Riepilogo del brevetto

La panoramica fornita sopra può descrivere una versione moderna del ciclo Miller, ma differisce per alcuni aspetti dal brevetto del 1957. Il brevetto descrive "un metodo nuovo e migliorato per far funzionare un motore sovralimentato con intercooler". Il motore può essere a due o quattro tempi e il carburante può essere diesel, dual fuel o gas. È chiaro dal contesto che "gas" significa carburante gassoso e non benzina . Il caricatore di pressione mostrato negli schemi è un turbocompressore , non un compressore volumetrico. Il motore (sia a quattro tempi che a due tempi) ha una valvola convenzionale o un layout di luci, ma una "valvola di controllo della compressione" (CCV) aggiuntiva è nella testata. Il servomeccanismo, azionato dalla pressione del collettore di ingresso, controlla l'alzata del CCV durante una parte della corsa di compressione e rilascia aria dal cilindro al collettore di scarico. Il CCV avrebbe il sollevamento massimo a pieno carico e il sollevamento minimo a vuoto. L'effetto è quello di produrre un motore con un rapporto di compressione variabile . All'aumentare della pressione del collettore di aspirazione (a causa dell'azione del turbocompressore) il rapporto di compressione effettivo nel cilindro diminuisce (a causa della maggiore alzata del CCV) e viceversa. Questo "assicurerà un corretto avviamento e accensione del carburante a carichi leggeri".

Motore a ciclo Atkinson

Un simile metodo di chiusura della valvola ritardata viene utilizzato in alcune versioni moderne dei motori a ciclo Atkinson , ma senza la sovralimentazione. Questi motori si trovano generalmente sui veicoli elettrici ibridi , dove l'obiettivo è l'efficienza, e la potenza persa rispetto al ciclo Miller è compensata dall'utilizzo di motori elettrici.

Riferimenti