Цикл Миллера

Содержание:
Цикл Миллера — термодинамический цикл используемый в четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания. Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто. Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).





Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у двигателистов носит условное название «укороченного впуска», а второй — «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).

Рассмотрим более подробно второй подход Миллера — поскольку он несколько более выгоден с точки зрения потерь на сжатие, и поэтому именно он практически реализован в серийных автомобильных моторах Mazda «Miller Cycle» (такой мотор V6 объемом 2.3 литра с механическим нагнетателем довольно давно устанавливается на автомобиль Mazda Xedos-9, а недавно новейший «атмосферный» мотор I4 такого типа объемом 1.3 литра получила модель Mazda-2).

Условные индикаторные диаграммы для циклов Миллера и Отто

В таком моторе впускной клапан не закрывается с окончанием такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя на такте впуска топливо-воздушной смесью был заполнен весь объем цилиндра, часть смеси вытесняется обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень двигается вверх на такте сжатия. Сжатие смеси фактически начинается позже, когда впускной клапан наконец закрывается, и смесь оказывается запертой в цилиндре.





Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обусловленных детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее. 

Разумеется, обратное вытеснение заряда означает падение мощностных показателей двигателя, и для атмосферных двигателей работа по такому циклу имеет смысл только в относительно узком режиме частичных нагрузок. В случае постоянных фаз газораспределения компенсировать это во всем динамическом диапазоне позволяет только применение наддува. На гибридных моделях недостаток тяги в неблагоприятных режимах компенсируется тягой электродвигателя.

Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся вместе с размерами двигателя механические потери (трение, вибрации и т. д.).

Именно поэтому инженеры Mazda построили свой первый серийный мотор с циклом Миллера не атмосферным. Когда они присоединили к двигателю нагнетатель типа Lysholm, им удалось восстановить высокую удельную мощность, почти не теряя эффективности, обеспечиваемой циклом Миллера. Именно это решение обусловило привлекательность мотора Mazda V6 «Miller Cycle», устанавливаемого на Mazda Xedos-9 (Millenia или Eunos-800). Ведь при рабочем объеме 2.3 л он выдает мощность 213 л.с. и крутящий момент 290 Нм, что равноценно характеристикам обычных 3-литровых атмосферных моторов, и в то же время расход топлива для такого мощного мотора на большой машине очень низкий — на трассе 6.3 л/100 км, в городе — 11.8 л/100 км, что соответствует показателям гораздо менее мощных 1.8-литровых двигателей.



Дальнейшее развитие технологий позволило инженерам Mazda построить двигатель Miller Cycle с приемлемыми характеристиками удельной мощности уже без использования нагнетателей — новая система последовательного изменения времени открытия клапанов Sequential Valve Timing System, динамически управляя фазами впуска и выпуска, позволяет частично компенсировать свойственное циклу Миллера падение максимальной мощности.

Новый мотор будет выпускаться рядным 4-цилиндровым, объемом 1.3 литра, в двух вариантах: мощностью 74 лошадиные силы (118 Нм крутящего момента) и 83 лошадиные силы (121 Нм). При этом расход топлива у этих двигателей снизился по сравнению с обычным мотором такой же мощности на 20 процентов — до четырех с небольшим литров на сто километров пробега. Кроме того, токсичность мотора с «циклом Миллера» на 75 процентов ниже современных экологических требований. 

Реализация

В классических двигателях Toyota 90-х годов с фиксированными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается в 35-45° после НМТ (по углу поворота коленчатого вала), степень сжатия составляет 9.5-10.0. В более современных двигателях с VVT возможный диапазон закрытия впускного клапана расширился до 5-70° после НМТ, степень сжатия выросла до 10.0-11.0.

В двигателях гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускного клапана приходится на 80-120° ... 60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия - 13.0-13.5.

К середине 2010-х появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном цикле, так и по циклу Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускного клапана составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12.5-12.7, у турбоверсий - соответственно, 10-100° и 10.0.



Цикл ОТТО, АТКИНСОНА и МИЛЛЕРА. Что это? В чем разница - видео



2.0 TSI ("Цикл Миллера") + DSG DQ 381, брать или бежать? - видео