Ciclo Miller - Miller cycle

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
Ramas Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
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Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensas Funciones de proceso Trabajo Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad de vapor Propiedades reducidas
Propiedades materiales Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica   ${\ Displaystyle c =}$ ${\ Displaystyle T}$ ${\ Displaystyle \ parcial S}$ ${\ Displaystyle N}$ ${\ Displaystyle \ parcial T}$ Compresibilidad   ${\ Displaystyle \ beta = -}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ V parcial}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ parcial p}$ Expansión térmica   ${\ Displaystyle \ alpha =}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ V parcial}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ parcial T}$
Ecuaciones Teorema de carnot Teorema de clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Onsager relaciones recíprocas Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
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En ingeniería , el ciclo de Miller es un ciclo termodinámico utilizado en un tipo de motor de combustión interna . El ciclo Miller fue patentado por Ralph Miller , una americana ingeniero, la patente US 2.817.322 de fecha 24 de Dic, 1957. El motor puede ser de dos o de cuatro tiempos y se puede ejecutar en el combustible diesel , gases o de combustible dual.

Este tipo de motor se utilizó por primera vez en barcos y plantas generadoras de energía estacionarias, y ahora se utiliza para algunas locomotoras de ferrocarril como la GE PowerHaul . Mazda lo adaptó para su KJ-ZEM V6 , usado en el sedán Millenia , y en sus autos de lujo Eunos 800 sedán (Australia). Más recientemente, Subaru ha combinado un motor de cuatro cilindros plano de ciclo Miller con una transmisión híbrida para su concepto de automóvil "Turbo Parallel Hybrid", conocido como Subaru B5-TPH , y Nissan ha introducido un pequeño motor de tres cilindros con sincronización variable de válvulas de admisión. que afirma operar un ciclo Atkinson a baja carga (por lo tanto, la densidad de potencia más baja no es una desventaja), o un ciclo Miller cuando está bajo un ligero impulso en la variante de baja presión, sobrealimentado, volviendo a normal (y succión o más fuertemente sobrealimentado ), operación de ciclo Otto con mayor densidad de potencia a cargas más altas. En el último ejemplo, la naturaleza particular del ciclo Miller permite que la versión sobrealimentada no solo sea moderadamente más potente, sino que también reclame una mejor economía de combustible, casi parecida al diésel, con emisiones más bajas que la versión (más simple, más barata) de succión-admisión en contraste con la situación habitual de sobrealimentación que provoca un aumento significativo del consumo de combustible.

Visión general

Un motor alternativo tradicional de combustión interna utiliza cuatro tiempos, de los cuales dos pueden considerarse de alta potencia: el de compresión (flujo de alta potencia desde el cigüeñal a la carga ) y el de potencia (flujo de alta potencia desde los gases de combustión al cigüeñal).

En el ciclo Miller, la válvula de admisión se deja abierta más tiempo de lo que estaría en un motor de ciclo Otto. En efecto, la carrera de compresión es de dos ciclos discretos: la porción inicial cuando la válvula de admisión está abierta y la porción final cuando la válvula de admisión está cerrada. Esta carrera de admisión de dos etapas crea la llamada "quinta" carrera que introduce el ciclo Miller. A medida que el pistón se mueve inicialmente hacia arriba en lo que tradicionalmente es la carrera de compresión, la carga se expulsa parcialmente a través de la válvula de admisión aún abierta. Normalmente, esta pérdida de aire de carga daría lugar a una pérdida de potencia. Sin embargo, en el ciclo de Miller, esto se compensa con el uso de un sobrealimentador . Normalmente, el sobrealimentador deberá ser del tipo de desplazamiento positivo ( raíces o tornillo) debido a su capacidad para producir impulso a velocidades relativamente bajas del motor. De lo contrario, la potencia a bajas rpm se verá afectada. Alternativamente, se puede usar un turbocompresor para una mayor eficiencia, si no se requiere un funcionamiento a bajas rpm, o se puede complementar con motores eléctricos.

En el motor de ciclo Miller, el pistón comienza a comprimir la mezcla de aire y combustible solo después de que se cierra la válvula de admisión; y la válvula de admisión se cierra después de que el pistón ha recorrido una cierta distancia por encima de su posición más inferior: alrededor del 20 al 30% del recorrido total del pistón de esta carrera ascendente. Entonces, en el motor de ciclo Miller, el pistón comprime la mezcla de aire y combustible solo durante el último 70% a 80% de la carrera de compresión. Durante la parte inicial de la carrera de compresión, el pistón empuja parte de la mezcla de aire y combustible a través de la válvula de admisión aún abierta y de regreso al colector de admisión.

Temperatura de carga

El aire de carga se comprime mediante un sobrealimentador (y se enfría mediante un intercooler ) a una presión superior a la necesaria para el ciclo del motor, pero el llenado de los cilindros se reduce mediante la sincronización adecuada de la válvula de entrada. Así, la expansión del aire y el consiguiente enfriamiento tienen lugar en los cilindros y parcialmente en la entrada. La reducción de la temperatura de la carga de aire / combustible permite aumentar la potencia de un motor determinado sin realizar cambios importantes, como aumentar la relación de compresión cilindro / pistón. Cuando la temperatura es más baja al comienzo del ciclo, la densidad del aire aumenta sin un cambio de presión (el límite mecánico del motor se cambia a una potencia más alta). Al mismo tiempo, el límite de carga térmica cambia debido a las temperaturas medias más bajas del ciclo.

Esto permite que el tiempo de encendido avance más allá de lo que normalmente se permite antes del inicio de la detonación, aumentando así la eficiencia general aún más. Una ventaja adicional de la menor temperatura de carga final es que se reduce la emisión de NOx en los motores diesel, que es un parámetro de diseño importante en los grandes motores diesel a bordo de barcos y centrales eléctricas.

Índice de compresión

La eficiencia aumenta al tener la misma relación de compresión efectiva y una relación de expansión mayor. Esto permite extraer más trabajo de los gases en expansión a medida que se expanden hasta casi la presión atmosférica. En un motor ordinario de encendido por chispa al final de la carrera de expansión de un ciclo de aceleración completamente abierta, los gases se encuentran en alrededor de cinco atmósferas cuando se abre la válvula de escape. Debido a que la carrera se limita a la de la compresión, aún se podría extraer algo de trabajo del gas. Retrasar el cierre de la válvula de admisión en el ciclo Miller acorta de hecho la carrera de compresión en comparación con la carrera de expansión. Esto permite que los gases se expandan a la presión atmosférica, aumentando la eficiencia del ciclo.

Pérdidas del supercargador

Los beneficios de usar sobrealimentadores de desplazamiento positivo tienen un costo debido a la carga parásita . Aproximadamente del 15 al 20% de la potencia generada por un motor sobrealimentado generalmente se requiere para hacer el trabajo de conducir el sobrealimentador, que comprime la carga de admisión (también conocida como impulso).

Gran ventaja / desventaja

La principal ventaja del ciclo es que la relación de expansión es mayor que la relación de compresión. Mediante el enfriamiento intermedio después de la sobrealimentación externa, existe la oportunidad de reducir las emisiones de NOx para los motores diésel o de detonación para los motores de encendido por chispa. Sin embargo, para cada aplicación es necesario equilibrar múltiples compensaciones para aumentar la eficiencia y la fricción del sistema (debido al mayor desplazamiento).

Resumen de la patente

La descripción general dada anteriormente puede describir una versión moderna del ciclo Miller, pero difiere en algunos aspectos de la patente de 1957. La patente describe "un método nuevo y mejorado de operar un motor intercooler sobrealimentado". El motor puede ser de dos o cuatro ciclos y el combustible puede ser diesel, combustible dual o gas. Del contexto se desprende claramente que "gas" significa combustible gaseoso y no gasolina . El cargador de presión que se muestra en los diagramas es un turbocompresor , no un sobrealimentador de desplazamiento positivo. El motor (ya sea de cuatro tiempos o de dos tiempos) tiene una válvula convencional o un diseño de puerto, pero una "válvula de control de compresión" (CCV) adicional está en la culata. El servo mecanismo, operado por la presión del colector de admisión, controla la elevación de la CCV durante parte de la carrera de compresión y libera aire del cilindro al colector de escape. La CCV tendría una elevación máxima a plena carga y una elevación mínima sin carga. El efecto es producir un motor con una relación de compresión variable . A medida que aumenta la presión del colector de admisión (debido a la acción del turbocompresor), la relación de compresión efectiva en el cilindro disminuye (debido al aumento de elevación de la CCV) y viceversa. Esto "asegurará un arranque y encendido adecuados del combustible con cargas ligeras".

Motor de ciclo Atkinson

En algunas versiones modernas de los motores de ciclo Atkinson se utiliza un método similar de cierre de válvula retardado , pero sin sobrealimentación. Estos motores se encuentran generalmente en vehículos eléctricos híbridos , donde la eficiencia es el objetivo y la potencia perdida en comparación con el ciclo Miller se compensa mediante el uso de motores eléctricos.

Referencias