Ciclo molinero

En ingeniería, el ciclo Miller es un ciclo termodinámico utilizado en un tipo de motor de combustión interna. El ciclo Miller fue patentado por Ralph Miller, un ingeniero estadounidense, U.S. Patente 2.817.322 fechada el 24 de diciembre de 1957. El motor puede ser de dos o cuatro tiempos y puede funcionar con combustible diesel, gases o combustible dual.

Este tipo de motor se usó por primera vez en barcos y plantas generadoras de energía estacionarias, y ahora se usa en algunas locomotoras ferroviarias como la GE PowerHaul. Mazda lo adaptó para su KJ-ZEM V6, utilizado en el sedán Millenia, y en sus autos de lujo Eunos 800 sedán (Australia). Más recientemente, Subaru ha combinado un 4 cilindros planos de ciclo Miller con una línea motriz híbrida para su concepto '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 pretende operar un ciclo Atkinson a baja carga (por lo tanto, la menor densidad de potencia no es una desventaja), o un Miller ciclo cuando está bajo un impulso ligero en la variante sobrealimentada de baja presión, volviendo a la operación de ciclo Otto normal (y de succión o más fuertemente sobrealimentada), más densa en 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 similar a la del diesel, con menores emisiones que la (más simple, más barata) de admisión de succión: en contraste con la situación habitual de sobrealimentación que provoca un consumo de combustible significativamente mayor.

Resumen

Un motor alternativo de combustión interna tradicional utiliza cuatro tiempos, de los cuales dos se pueden considerar de alta potencia: el tiempo de compresión (flujo de alta potencia desde el cigüeñal a la carga) y el tiempo 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 que en un motor de ciclo Otto. En efecto, la carrera de compresión es de dos ciclos discretos: la parte inicial cuando la válvula de admisión está abierta y la parte final cuando la válvula de admisión está cerrada. Esta carrera de compresión de dos etapas crea el llamado "quinto" accidente cerebrovascular que introduce el ciclo de 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. Por lo general, esta pérdida de aire de carga daría como resultado una pérdida de potencia. Sin embargo, en el ciclo Miller, esto se compensa con el uso de un sobrealimentador. Por lo general, el sobrealimentador deberá ser del tipo de desplazamiento positivo (Roots o tornillo) debido a su capacidad para producir impulso a velocidades del motor relativamente bajas. De lo contrario, la potencia de baja velocidad se verá afectada. Alternativamente, se puede usar un turbocompresor para una mayor eficiencia, si no se requiere una operación a baja velocidad, o se puede complementar con motores eléctricos.

En el motor de ciclo Miller, el pistón comienza a comprimir la mezcla de combustible y aire solo después de que se cierra la válvula de admisión; y la válvula de admisión se cierra después de que el pistón haya recorrido una cierta distancia por encima de su posición más baja: alrededor del 20 al 30% del recorrido total del pistón de esta carrera ascendente. Entonces, en el motor de ciclo Miller, el pistón en realidad comprime la mezcla de combustible y aire 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 vuelta 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 que cambie la presión (el límite mecánico del motor se desplaza a una potencia superior). Al mismo tiempo, el límite de carga térmica se desplaza debido a las temperaturas medias más bajas del ciclo.

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

Relación de compresión

La eficiencia aumenta al tener la misma relación de compresión efectiva y una mayor relación de expansión. Esto permite extraer más trabajo de los gases en expansión a medida que se expanden casi a la presión atmosférica. En un motor ordinario de encendido por chispa al final de la carrera de expansión de un ciclo de aceleración completamente abierto, los gases están alrededor de cinco atmósferas cuando se abre la válvula de escape. Debido a que la carrera está limitada a la de la compresión, todavía se podría extraer algo de trabajo del gas. De hecho, retrasar el cierre de la válvula de admisión en el ciclo Miller acorta 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 supercargadores de desplazamiento positivo tienen un costo debido a la carga parásita. Por lo general, se requiere entre el 15 y el 20 % de la potencia generada por un motor sobrealimentado para hacer el trabajo de impulsar el sobrealimentador, que comprime la carga de admisión (también conocida como impulso).

Gran ventaja/inconveniente

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

Resumen de la patente

La descripción general proporcionada anteriormente puede describir una versión moderna del ciclo de Miller, pero difiere en algunos aspectos de la patente de 1957. La patente describe "un método nuevo y mejorado para operar un motor intercooler sobrealimentado". El motor puede ser de dos tiempos o de cuatro tiempos y el combustible puede ser diésel, combustible dual o gas. Está claro por el contexto que "gas" significa combustible gaseoso y no gasolina. El cargador a presión que se muestra en los diagramas es un turbocompresor, no un supercargador de desplazamiento positivo. El motor (ya sea de cuatro tiempos o de dos tiempos) tiene un diseño de válvula o lumbrera convencional, pero una "válvula de control de compresión" (CCV) está en la culata. El servomecanismo, 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. El 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 múltiple de admisión (debido a la acción del turbocargador), 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 retardado de válvulas, pero sin la 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.