Ciclo Miller - Miller cycle

Termodinâmica
O motor térmico clássico de Carnot
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Propriedades do sistema Nota: Variáveis ​​conjugadas em itálico Diagramas de propriedade Propriedades intensivas e extensas Funções de processo Trabalhos Calor Funções de estado Temperatura  / Entropia  ( introdução ) Pressão  / Volume Potencial químico  / número de partículas Qualidade do vapor Propriedades reduzidas
Propriedades do material Bancos de dados de propriedades Capacidade de calor específica   ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ parcial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$ Compressibilidade   ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial p}$ Expansão térmica   ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$
Equações Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relação fundamental Lei do gás ideal Relações de Maxwell Relações recíprocas do Onsager Equações de Bridgman Tabela de equações termodinâmicas
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Na engenharia , o ciclo de Miller é um ciclo termodinâmico usado em um tipo de motor de combustão interna . O ciclo Miller foi patenteado por Ralph Miller , um engenheiro americano , patente US 2817322 datada de 24 de dezembro de 1957. O motor pode ser de dois ou quatro tempos e pode funcionar com óleo diesel , gases ou bicombustível.

Este tipo de motor foi usado pela primeira vez em navios e usinas de geração de energia estacionárias e agora é usado para algumas locomotivas ferroviárias, como a GE PowerHaul . Foi adaptado pela Mazda para seu KJ-ZEM V6 , usado no sedã Millenia , e em seus carros de luxo Eunos 800 sedan (Austrália). Mais recentemente, a Subaru combinou um Miller-cycle flat-4 com um sistema de transmissão híbrido para seu carro conceito "Turbo Parallel Hybrid", conhecido como Subaru B5-TPH , e a Nissan introduziu um pequeno motor de três cilindros com válvula de admissão variável que afirma operar um ciclo Atkinson em baixa carga (portanto, a densidade de potência mais baixa não é uma desvantagem), ou um ciclo Miller quando sob impulso de luz na variante supercharged de baixa pressão, voltando ao normal (e sucção ou mais fortemente supercharged ), operação de ciclo Otto com maior potência em cargas mais altas. No último exemplo, a natureza particular do ciclo Miller permite que a versão superalimentada não apenas seja moderadamente mais potente, mas também reivindique uma economia de combustível quase semelhante ao diesel com emissões mais baixas do que a (mais simples, mais barata) sucção-admissão - em contraste com a situação normal de sobrealimentação causando um consumo de combustível significativamente maior.

Visão geral

Um motor de combustão interna alternativo tradicional usa quatro tempos, dos quais dois podem ser considerados de alta potência: o curso de compressão (fluxo de alta potência do virabrequim para a carga ) e o curso de potência (fluxo de alta potência dos gases de combustão para o virabrequim).

No ciclo Miller, a válvula de admissão fica aberta por mais tempo do que ficaria em um motor do ciclo Otto. Com efeito, o curso de compressão é de dois ciclos discretos: a porção inicial quando a válvula de admissão está aberta e a porção final quando a válvula de admissão é fechada. Este curso de admissão de dois estágios cria o chamado "quinto" golpe que o ciclo de Miller apresenta. Conforme o pistão inicialmente se move para cima no que é tradicionalmente o curso de compressão, a carga é parcialmente expelida de volta através da válvula de admissão ainda aberta. Normalmente, essa perda de carga de ar resultaria em perda de energia. No entanto, no ciclo de Miller, isso é compensado pelo uso de um superalimentador . O supercompressor normalmente precisará ser do tipo de deslocamento positivo ( raízes ou parafuso) devido à sua capacidade de produzir impulso em velocidades do motor relativamente baixas. Caso contrário, a potência em baixa rotação será prejudicada. Alternativamente, um turbocompressor pode ser usado para maior eficiência, se a operação em baixa rotação não for necessária, ou complementado com motores elétricos.

No motor do ciclo Miller, o pistão começa a comprimir a mistura ar-combustível somente após o fechamento da válvula de admissão; e a válvula de admissão fecha depois que o pistão percorreu uma certa distância acima de sua posição mais inferior: cerca de 20 a 30% do curso total do pistão neste curso para cima. Portanto, no motor de ciclo Miller, o pistão realmente comprime a mistura ar-combustível apenas durante os últimos 70% a 80% do curso de compressão. Durante a parte inicial do curso de compressão, o pistão empurra parte da mistura ar-combustível através da válvula de admissão ainda aberta e de volta para o coletor de admissão.

Temperatura de carga

O ar de admissão é comprimido usando um superalimentador (e resfriado por um intercooler ) a uma pressão mais alta do que a necessária para o ciclo do motor, mas o enchimento dos cilindros é reduzido pelo tempo adequado da válvula de admissão. Assim, a expansão do ar e o conseqüente resfriamento ocorrem nos cilindros e parcialmente na entrada. A redução da temperatura da carga de ar / combustível permite que a potência de um determinado motor seja aumentada sem fazer grandes mudanças, como aumentar a relação de compressão cilindro / pistão. Quando a temperatura é mais baixa no início do ciclo, a densidade do ar é aumentada sem uma mudança na pressão (o limite mecânico do motor é deslocado para uma potência mais alta). Ao mesmo tempo, o limite de carga térmica muda devido às temperaturas médias mais baixas do ciclo.

Isso permite que o tempo de ignição seja avançado além do que é normalmente permitido antes do início da detonação, aumentando ainda mais a eficiência geral. Uma vantagem adicional da temperatura de carga final mais baixa é que a emissão de NOx em motores a diesel é reduzida, o que é um parâmetro de projeto importante em grandes motores a diesel a bordo de navios e usinas de energia.

Taxa de compressão

A eficiência é aumentada por ter a mesma taxa de compressão efetiva e uma taxa de expansão maior. Isso permite que mais trabalho seja extraído dos gases em expansão à medida que eles são expandidos até quase a pressão atmosférica. Em um motor de ignição por centelha comum, no final do curso de expansão de um ciclo de aceleração totalmente aberto, os gases estão em cerca de cinco atmosferas quando a válvula de escape abre. Como o curso é limitado ao da compressão, ainda assim algum trabalho pode ser extraído do gás. Atrasar o fechamento da válvula de admissão no ciclo de Miller na verdade encurta o curso de compressão em comparação com o curso de expansão. Isso permite que os gases sejam expandidos à pressão atmosférica, aumentando a eficiência do ciclo.

Perdas do Supercharger

Os benefícios de usar superalimentadores de deslocamento positivo têm um custo devido à carga parasita . Em geral, cerca de 15 a 20% da potência gerada por um motor supercharger é necessária para fazer o trabalho de acionamento do supercompressor, que comprime a carga de admissão (também conhecido como boost).

Principal vantagem / desvantagem

A principal vantagem do ciclo é que a taxa de expansão é maior do que a taxa de compressão. Ao intercooler após a superalimentação externa, existe uma oportunidade para reduzir as emissões de NOx para diesel ou detonação para motores de ignição por centelha. No entanto, várias compensações no aumento da eficiência e atrito do sistema (devido ao deslocamento maior) precisam ser equilibradas para cada aplicação.

Resumo da patente

A visão geral fornecida acima pode descrever uma versão moderna do ciclo de Miller, mas difere em alguns aspectos da patente de 1957. A patente descreve "um método novo e aprimorado de operar um motor supercharged intercooled". O motor pode ser de dois ou quatro tempos e o combustível pode ser diesel, bicombustível ou gás. É claro a partir do contexto que "gás" significa combustível gasoso e não gasolina . O carregador de pressão mostrado nos diagramas é um turbocompressor , não um turbocompressor de deslocamento positivo. O motor (seja quatro tempos ou dois tempos) tem uma válvula convencional ou layout de porta, mas uma "válvula de controle de compressão" adicional (CCV) está na cabeça do cilindro. O servomecanismo, operado pela pressão do coletor de admissão, controla a elevação do CCV durante parte do curso de compressão e libera o ar do cilindro para o coletor de escape. O CCV teria elevação máxima com carga total e elevação mínima sem carga. O efeito é produzir um motor com uma taxa de compressão variável . Conforme a pressão do coletor de admissão aumenta (por causa da ação do turbocompressor), a taxa de compressão efetiva no cilindro diminui (por causa do aumento da elevação do CCV) e vice-versa. Isso "garantirá partida e ignição adequadas do combustível com cargas leves".

Motor de ciclo Atkinson

Um método semelhante de fechamento retardado da válvula é usado em algumas versões modernas dos motores de ciclo Atkinson , mas sem a sobrealimentação. Esses motores são geralmente encontrados em veículos elétricos híbridos , onde a eficiência é o objetivo, e a potência perdida em relação ao ciclo de Miller é compensada com o uso de motores elétricos.

Referências