Цикл Миллера
| Термодинамика |
|---|
 |
В технике цикл Миллера представляет собой термодинамический цикл, используемый в двигателе внутреннего сгорания . Цикл Миллера запатентован Ральфом Миллером , американским инженером патент США № 2817322 от 24 декабря 1957 года. Двигатель может быть двух- или четырехтактным и может работать на дизельном топливе , газах или двухтопливном топливе. [1] Он использует нагнетатель или турбонагнетатель , чтобы компенсировать потерю производительности цикла Аткинсона .
Этот тип двигателя впервые был использован на судах и стационарных электростанциях, а теперь используется в некоторых железнодорожных локомотивах, таких как GE PowerHaul . Он был адаптирован Mazda для их KJ-ZEM V6 , используемого в седане Millenia , а также в их седане Eunos 800 (Австралия) в роскошных автомобилях. Subaru двигатель с циклом Миллера объединила оппозитный четырехцилиндровый с гибридной трансмиссией для своего концептуального автомобиля «Turbo Parallel Hybrid», известного как Subaru B5-TPH . Nissan представил небольшой трехцилиндровый двигатель с регулируемыми фазами газораспределения, который, как утверждается, работает по циклу Аткинсона при низкой нагрузке (таким образом, более низкая удельная мощность не является препятствием) и по циклу Миллера при небольшом наддуве.
Обзор
[ редактировать ]Традиционный поршневой двигатель внутреннего сгорания использует четыре такта, два из которых можно считать высокомощными: такт сжатия (высокий поток мощности от коленчатого вала к заряду ) и рабочий такт (высокий поток мощности от газов 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: начальный этап, когда впускной клапан открыт, и конечный этап, когда впускной клапан закрыт. Этот двухступенчатый такт сжатия создает так называемый «пятый» такт, который вводит цикл Миллера. Когда поршень первоначально движется вверх (традиционно это такт сжатия), заряд частично выбрасывается обратно через все еще открытый впускной клапан. Обычно такая потеря наддувочного воздуха приводит к потере мощности. Однако в цикле Миллера это компенсируется применением нагнетателя . Нагнетатель обычно должен быть нагнетателем объемного типа ( Рутса или винтового) из-за его способности создавать наддув при относительно низких оборотах двигателя. В противном случае пострадает низкоскоростная мощность. Как вариант, для большей эффективности можно использовать турбокомпрессор, если не требуется работа на низких оборотах, 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 пройдет определенное расстояние выше своего крайнего нижнего положения: примерно от 20 до 30% от общего хода поршня при этом ходе вверх. Таким образом, в двигателе с циклом Миллера поршень фактически сжимает топливно-воздушную смесь только во время последних 70–80% такта сжатия. Во время начальной части такта сжатия поршень выталкивает часть топливно-воздушной смеси через еще открытый впускной клапан обратно во впускной коллектор.
Температура зарядки
[ редактировать ]Наддувочный воздух сжимается с помощью нагнетателя (и охлаждается промежуточным охладителем ) до давления, превышающего необходимое для рабочего цикла двигателя, но наполнение цилиндров снижается за счет подходящего момента открытия впускного клапана. Таким образом, расширение воздуха и последующее охлаждение происходят в цилиндрах и частично во впуске. Снижение температуры воздухо-топливного заряда позволяет увеличить мощность данного двигателя без каких-либо серьезных изменений, таких как увеличение соотношения сжатия цилиндр/поршень. При понижении температуры в начале цикла плотность воздуха увеличивается без изменения давления (механический предел работы двигателя смещается в сторону большей мощности). В то же время предел тепловой нагрузки смещается из-за более низких средних температур цикла. [2]
Это позволяет опережать угол опережения зажигания сверх того, что обычно допускается до начала детонации, тем самым еще больше повышая общий КПД. Дополнительным преимуществом более низкой конечной температуры заправки является снижение выбросов NOx в дизельных двигателях, что является важным параметром конструкции больших дизельных двигателей на борту кораблей и электростанций. [ нужна ссылка ]
Степень сжатия
[ редактировать ]Эффективность повышается за счет той же эффективной степени сжатия и большей степени расширения. Это позволяет извлечь больше работы из расширяющихся газов, поскольку они расширяются почти до атмосферного давления. В обычном двигателе с искровым зажиганием в конце такта расширения при полностью открытой дроссельной заслонке давление газов при открытии выпускного клапана составляет около пяти атмосфер. Поскольку ход ограничен ходом сжатия, из газа все же можно извлечь некоторую работу. Задержка закрытия впускного клапана в цикле Миллера фактически укорачивает такт сжатия по сравнению с тактом расширения. Это позволяет газам расширяться до атмосферного давления, повышая эффективность цикла.
Потери нагнетателя или запаздывание турбокомпрессора
[ редактировать ]Преимущества использования нагнетателей объемного действия связаны с затратами из-за паразитной нагрузки . Около 15–20% мощности, вырабатываемой двигателем с наддувом, обычно требуется для работы нагнетателя, который сжимает впускной заряд (также известный как наддув). С другой стороны, хотя турбокомпрессоры не являются такой высокой паразитной нагрузкой, раскручивание турбины из-за выхлопных газов приведет к зависанию двигателя в цикле Аткинсона на более низких оборотах. В принципе, это несоответствие можно было бы устранить с помощью таких технологий, как MGU-H , который использовался в Формуле 1, но он никогда не применялся на коммерческих двигателях, а тем более конкретно на двигателях с циклом Аткинсона.
Основное преимущество/недостаток
[ редактировать ]Основным преимуществом цикла является то, что степень расширения превышает степень сжатия. За счет промежуточного охлаждения после внешнего наддува существует возможность снизить выбросы NOx для дизельных двигателей или детонацию для двигателей с искровым зажиганием. Однако для каждого применения необходимо сбалансировать многочисленные компромиссы по повышению эффективности системы и трению (из-за большего рабочего объема).
Краткое описание патента
[ редактировать ]Приведенный выше обзор может описывать современную версию цикла Миллера, но он в некоторых отношениях отличается от патента 1957 года. Патент описывает «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 . Показанный на рисунках нагнетатель является турбонагнетателем , а не нагнетателем объемного типа. Двигатель (четырехтактный или двухтактный) имеет обычное расположение клапанов или портов, но в головке блока цилиндров находится дополнительный «клапан регулирования сжатия» (CCV). Сервомеханизм, управляемый давлением во впускном коллекторе, контролирует подъем CCV во время части такта сжатия и выпускает воздух из цилиндра в выпускной коллектор. CCV будет иметь максимальную подъемную силу при полной нагрузке и минимальную подъемную силу без нагрузки. Результатом является создание двигателя с переменной степенью сжатия . По мере повышения давления во впускном коллекторе (из-за действия турбонагнетателя) эффективное Степень сжатия в цилиндре снижается (из-за увеличения подъемной силы CCV) и наоборот. Это «обеспечит правильный запуск и воспламенение топлива при небольших нагрузках». [1]
Двигатель с циклом Аткинсона
[ редактировать ]Похожий метод замедленного закрытия клапана используется в некоторых современных версиях двигателей с циклом Аткинсона , но без наддува. Эти двигатели обычно используются в гибридных электромобилях, где целью является эффективность, а потеря мощности по сравнению с циклом Миллера компенсируется за счет использования электродвигателей. [3]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Патент США 2817322 , Ральф Миллер, «Двигатель с наддувом», выдан 24 декабря 1957 г.
- ^ Дуг Вудьярд «Морские дизельные двигатели и газовые турбины Паундера» (девятое издание), 2009 г.
- ^ Бернард С., Стивен (2009). «Исследование характеристик производительности, сгорания и выбросов дизельного двигателя с турбонаддувом и низкой теплоотдачей DI с расширенной концепцией расширения» . Серия технических документов SAE . Том. 1. Общество инженеров автомобильной промышленности. дои : 10.4271/2009-28-0006 . Проверено 13 декабря 2009 г.