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 , un ingeniero estadounidense , patente estadounidense 2.817.322 del 24 de diciembre de 1957. El motor puede ser de dos o cuatro tiempos y puede funcionar con combustible diésel , gases o combustible dual. [1] Utiliza un sobrealimentador para compensar la pérdida de rendimiento del ciclo Atkinson .
Este tipo de motor se utilizó por primera vez en barcos y plantas generadoras de energía estacionarias, y ahora se utiliza para algunas locomotoras ferroviarias como la GE PowerHaul . Fue adaptado por Mazda para su KJ-ZEM V6 , utilizado en el sedán Millenia , y en sus coches de lujo Eunos 800 sedán (Australia). Subaru combinó un motor Flat-4 de ciclo Miller con una línea motriz híbrida para su concepto de automóvil "Turbo Parallel Hybrid", conocido como Subaru B5-TPH . Nissan introdujo un pequeño motor de tres cilindros con sincronización variable de válvulas de admisión que pretende operar un ciclo Atkinson con carga baja (por lo tanto, la menor densidad de potencia no es una desventaja) y un ciclo Miller cuando está bajo un impulso ligero.
Un motor de combustión interna alternativo tradicional utiliza cuatro tiempos, de los cuales dos pueden considerarse de alta potencia: la carrera de compresión (alto flujo de potencia desde el cigüeñal a la carga ) y la carrera de potencia (alto flujo de 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 consta 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 la llamada "quinta" carrera que introduce el ciclo Miller. A medida que el pistón inicialmente se mueve hacia arriba en lo que tradicionalmente es la carrera de compresión, la carga se expulsa parcialmente hacia afuera a través de la válvula de admisión aún abierta. Normalmente, esta pérdida de aire de carga resultaría en 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 ( raíces o tornillo) debido a su capacidad para producir impulso a velocidades del motor relativamente bajas. De lo contrario, la energía de baja velocidad se verá afectada. Alternativamente, se puede utilizar un turbocompresor para una mayor eficiencia, si no se requiere un funcionamiento a baja velocidad, o complementarlo con motores eléctricos.
En el motor de ciclo Miller, el pistón comienza a comprimir la mezcla de aire y combustible sólo 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 baja: alrededor del 20 al 30% del recorrido total del pistón en esta carrera ascendente. Entonces, en el motor de ciclo Miller, el pistón en realidad 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.
El aire de carga se comprime utilizando 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 una sincronización adecuada de la válvula de entrada. Así, la expansión del aire y el consiguiente enfriamiento se producen en los cilindros y parcialmente en la entrada. Reducir 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 inicio del ciclo, la densidad del aire aumenta sin cambio de presión (el límite mecánico del motor se desplaza a una potencia mayor). Al mismo tiempo, el límite de carga térmica se desplaza debido a las temperaturas medias más bajas del ciclo. [2]
Esto permite avanzar el tiempo de encendido más allá de lo que normalmente se permite antes del inicio de la detonación, aumentando así aún más la eficiencia general. Una ventaja adicional de la temperatura de carga final más baja es que disminuye la emisión de NOx en los motores diésel, lo cual es un parámetro de diseño importante en los grandes motores diésel a bordo de barcos y centrales eléctricas. [ cita necesaria ]
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 casi hasta la presión atmosférica. En un motor de encendido por chispa normal, al final de la carrera de expansión de un ciclo de aceleración completamente abierto, los gases están a unas cinco atmósferas cuando se abre la válvula de escape. Debido a que la carrera se limita a la de compresión, aún 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 presión atmosférica, aumentando la eficiencia del ciclo.
Los beneficios de utilizar sobrealimentadores 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 realizar el trabajo de impulsar el sobrealimentador, que comprime la carga de admisión (también conocido como impulso).
La principal ventaja del ciclo es que la relación de expansión es mayor que la relación de compresión. Mediante el intercooler después de la sobrealimentación externa, existe la oportunidad de reducir las emisiones de NOx para los diésel o las detonaciones para los motores de encendido por chispa. Sin embargo, es necesario equilibrar múltiples compensaciones para aumentar la eficiencia del sistema y la fricción (debido al mayor desplazamiento) para cada aplicación.
La descripción general dada 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 sobrealimentado con intercooler". El motor puede ser de dos o cuatro tiempos y el combustible puede ser diésel, combustible dual o gasolina. 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 o dos tiempos) tiene un diseño de válvula o puerto convencional, pero hay una "válvula de control de compresión" (CCV) adicional 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 con carga completa 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 a la mayor elevación del CCV) y viceversa. Esto "asegurará un arranque y encendido adecuados del combustible con cargas ligeras". [1]
En algunas versiones modernas de motores de ciclo Atkinson se utiliza un método similar de cierre retardado de válvulas , pero sin sobrealimentación. Estos motores se encuentran generalmente en vehículos eléctricos híbridos , donde el objetivo es la eficiencia y la potencia perdida en comparación con el ciclo Miller se compensa mediante el uso de motores eléctricos. [3]