Цикл Міллера

Цикл Мі́ллера (англ. Miller cycle) — термодинамічний цикл, що використовується в поршневих двигунах внутрішнього згоряння з метою підвищення їх економічних показників.

p-V — діаграма циклу Міллера для двигуна із самозайманням паливо-повітряної суміші

Цикл Міллера було запропоновано у 1947 році[1] американським інженером Ральфом Міллером (англ. Ralph Miller) та отримано низку патентів США: № 2773490[2], № 2817322[3] та № 2670595[4]. Ці патенти і визначили особливості побудови сучасного двигуна, який працює за циклом, що отримав назву за іменем автора.

Використання

Цей тип двигуна уперше було використано на суднах та стаціонарних енергогенеруючих установках, а у подальшому він, також, почав встановлюватись на деяких дизель-електричних локомотивах, наприклад, класу «GE PowerHaul». Цикл Міллера застосовувався компанією Mazda у двигунах серії K під маркою KJ-ZEM V6 на моделі автомобіля бізнес-класу «Mazda Xedos 9» також, відомої під назвами «Mazda Millenia» (США) та «Eunos 800» (Австралія). Пізніше, компанія Subaru використала двигун, що працював за цим циклом (flat-4) в концептуальних автомобілях з гібридним приводом («Turbo Parallel Hybrid»), відомих як «Subaru B5-TPH».

Загальна інформація

Робота класичного чотиритактного двигуна базується на реалізації чотирьох фаз роботи (тактів). З них два такти можна віднести до високоенергетичних — це такт стиску, що вимагає підведення механічної енергії і такт робочого ходу, в результаті якого отримується механічна енергія. Більшість втрат енергії у такому двигуні пов'язана із стисненням суміші над поршнем і з енергією вихлопу (яку характеризує тиск і температура вихлопних газів). Запровадження наддування у двигуні дозволяє зменшити перші втрати, двигун, що працює за циклом Міллера, дозволяє зменшувати другі втрати.

Цикл Міллера було запропоновано як спосіб поєднання переваг двигуна Аткінсона з простішим поршневим механізмом двигуна Отто. Замість того, щоб зробити такт стиску механічно коротшим, від такту робочого ходу (як в класичній конструкції двигуна Аткінсона, де поршень вгору рухається швидше, ніж до низу), Міллер скоротив такт стиску за рахунок зміни фаз відкривання/закривання впускних клапанів, зберігаючи рух поршня в обох напрямках однаковим (як у класичному двигуні Отто).

Для цього Міллер запропонував два різних підходи[4][5]: або закривати впускний клапан суттєво раніше, до закінчення такту впуску, або закривати його значно пізніше, після закінчення цього такту. Перший підхід у мотористів має умовну назву «вкороченого впуску», а другий — «вкороченого стиску». В кінцевому рахунку обидва цих підходи приводять до однакового наслідку: зниження фактичного ступеня стиску робочої суміші стосовно до геометричного, при збереженні незмінним ступеня розширення (тобто такт робочого ходу залишається таким же, як у двигуні Отто, а такт стиску як би скорочується, як у циклі Аткінсона, тільки скорочується не за часом, а за ступенем стиску паливо-повітряної суміші).

Таким чином, паливо-повітряна суміш у двигуні Міллера стискається у меншій мірі, ніж вона повинна була б стискатись у двигуні Отто такої ж геометрії. Це дозволяє збільшити геометричний ступінь стиску (і, відповідно, ступінь розширення) з перевищенням меж, які визначаються детонаційними властивостями пального — з приведенням фактичного стиснення до допустимих значень за рахунок згаданого вище «вкорочення циклу стиску». Іншими словами, при тому ж фактичному ступені стиску (обмеженому детонаційними характеристиками пального) двигун Міллера має значно більший ступінь розширення, ніж двигун Отто. Це дає можливість повніше використати енергію газів, що розширюються у циліндрі, що, власне, й підвищує теплову ефективність двигуна та забезпечує його вищу економічність.

Другий такт у двигуні із вкороченим стискуванням умовно поділений на дві частини. Таку схему іноді називають «п'ятитактним двигуном». В першій частині другого такту впускний клапан є відкритим і відбувається часткове витіснення заряду (повітря чи паливо-повітряної суміші) у впускний колектор, далі клапан закривається і лише тоді відбувається стиснення. Виштовхування частини заряду одночасно приводить до втрати частини потужності. Щоб цього не сталося, використовується дозарядження двигуна за допомогою компресора наддування, який збільшує тиск повітря на впуску і в результаті забезпечує потрібний ступінь стиску.

Такт «власне стискування» розпочинається після закриття впускного клапана у момент проходження поршнем близько 20…30% шляху між крайніми положеннями (близько 70° кута повороту колінчастого вала від нижньої мертвої точки поршня). Таким чином, двигун Міллера отримує стиснення яке мав би традиційний двигун при використанні 70…80% його потужності. Економія буде мати місце коли компресор потребуватиме менше енергії ніж поршень для стиснення такої ж кількості повітря. Вирішення цієї проблеми полягає у тому, щоб використати функції компресора і поршня за оптимального їх співвідношення з точки зору енергетичних затрат. Для цього двигуни Міллера оснащуютья механізмом регулювання часу відкриття клапанів, що дозволяє під час роботи навіть відмовлятись від циклу Міллера, якщо це не є доцільним виходячи з ефективності роботи.

Двигун особливо потребує додаткового нагнітання повітря при роботі на низьких обертах, тому тут використовуються компресори об'ємного стиснення (гвинтові або конструкції Рутса).

Температура нагнітання

У типовому двигуні з іскровим запалюванням, цикл Міллера дає додаткові переваги. Повітря, що надходить спочатку стискають за допомогою нагнітача, а потім охолоджують за допомогою проміжного охолоджувача (інтеркулера). Нижча температура впускного заряду, у поєднанні з нижчою компресією на такті стиску, дає нижчу кінцеву температуру заряду, ніж можна було б отримати шляхом простого збільшення ступеня стиснення поршнем. Це дозволяє змінювати випередження запалювання у ширшому діапазоні без ризику появи детонації, що сприяє підвищенню ефективності роботи двигуна. Додатковою перевагою нижчої кінцевої температури заряду є те, що утворення шкідливих сполук NOx в дизельних двигунах зменшується, що є важливим параметром конструкції для великих дизельних двигунів на борту суден і електростанцій.

Ступінь стиску

Ефективність роботи двигуна внутрішнього згоряння збільшується із підвищенням ступеня стиснення. У типовому бензиновому двигуні, ступінь стиснення обмежується появою детонації стиснутої та розігрітої паливо-повітряної суміші. При зменшеному ході стиснення у циклі двигуна Міллера, та підвищенні тиску в циліндрі за рахунок нагнітання цей двигун отримує дещо кращу ефективність.

Втрати на нагнітачі

Переваги від використання об'ємих нагнітачів з механічним урухомленням від вала двигуна супроводжуються зростанням вартості. Крім, того, від 15% до 20% потужності генерованої двигуном з наддуванням зазвичай витрачається на приведення в дію нагнітача, що стискає заряд повітря, яке усмоктується.

Відмінність від двигуна, що працює за циклом Аткінсона

Аналогічний до запатентованого Міллером[2] метод затримки закривання впускного клапана використовується в деяких сучасних версіях двигунів, що працюють за циклом Аткінсона, але це відбувається без наддування. Через це таку реалізацію циклу Аткінсона часто називають циклом Міллера-Аткінсона. Ці двигуни зазвичай використовують на транспортних засобах з гібридним проводом, де ефективність роботи є основною метою і падіння потужності у цьому циклі компенсуються увімкненням електродвигунів.

Див. також

Примітки
  1. Miller R.H. Supercharging and Internal Cooling Cycle for High Output/ Miller R.H. // ASME Transactions, Vol. 69, 1947 — p. 453–457.
  2. Patent US 2773490 Ralph Miller High expansion, spark ignited, gas burning, internal combustion engines. Priority date Sep 23, 1952. Publication date Dec 11, 1956.
  3. Patent US2817322 Ralph Miller Supercharged engine. Priority date Apr 30, 1956. Publication date Dec 24, 1957
  4. Patent US 2670595 Ralph Miller High-pressure supercharging system Priority date Oct. 16, 1949, Publication date Mar. 2, 1954.
  5. Clarke D. Simulation, implementation and analysis of the Miller cycle using an inlet control rotary valve, Variable valve actuation and power boost / Clarke D., Smith W.J. // SAE Special Publications. — 1997. — vol. 1258, SAE Paper № 970336. — p. 61-70.

Джерела

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.