Что такое Цикл Миллера и как он работает?
Mark
DD — Dрифтер в DУше
- #1
Новый рабочий цикл двигателей VAG с высокой степенью сжатия и ЭБУ Bosch MG1
На момент написания этого материала новый рабочий цикл двигателей, работающих по принципу цикла Миллера, применяется на двигателях 1.5 TSI (DACA) семейства EA211 EVO и на двигателях 2.0 TSI BZ семейства EA888 gen3B. Отличительно особенностью этих двигателей, в момент знакомства с их ТТХ, является очень высокая для бензиновых турбированных двигателей степень сжатия: 12,5:1 на 1.
5 TSI и 11,65:1 на 2.0 TSI BZ.
Особенность цикла Миллера заключается в смещении момента открытия/закрытия клапанов: таким образом впускные клапаны (в зависимости от запрограммированных параметров) закрываются ещё задолго до достижения поршнем нижней мёртвой точки (НМТ), это позволяет создать процесс расширения топливо-воздушной смеси, и к тому моменту, как поршень достигает нижней мёртвой точки, закрытая смесь уже достаточно расширяется и от этого остывает. В свою очередь подобный процесс приводит к снижению конечной температуры цикла сжатия, таким образом степень сжатия самого двигателя можно повышать и не бояться самопроизвольного воспламенения смеси (детонации). Поэтому двигатели, работающие по принципу цикла Миллера, имеют столь высокую степень сжатия.
Так же на впускном валу расположен фазовращатель, который может изменять момент закрытия впускных клапанов и тем самым менять степень расширения смеси на этапе впуска. Подробнее это отображено на схеме ниже:
Таким образом можно отметить следующие преимущества цикла Миллера в сравнении с обычными рабочими циклами:
- За счёт более холодной смеси снижается конечная температура цикла сжатия, а с ней и склонность к детонации.
Степень сжатия можно повысить до 12,5:1, что приводит к увеличению термического КПД и более эффективному сгоранию топлива; - Времени на впуск в цилиндр необходимой массы воздуха стало меньше, поэтому в режиме частичной нагрузки дроссельная заслонка открывается шире, улучшая газообмен в цилиндрах;
- Увеличение рабочего объёма уменьшает работу сжатия;
- Благодаря более холодной смеси сокращается детонационное сгорание в режиме полной нагрузки, что позволяет двигателю работать со значением лямбда 1 в широком диапазоне крутящего момента / нагрузки.
Степень сжатия можно повысить до 12,5:1, что приводит к увеличению термического КПД и более эффективному сгоранию топлива; | Двигатель 1,5 TSI DACA (96 кВт, 130 л. | Двигатель 1,5 TSI DADA (110 кВт, 150 л.с.) |
|---|---|---|
Фаза открытия впускных/выпускных клапанов | 150° / 180° | 194° / 180° |
Ход впускных/выпускных клапанов | 7,2 мм / 9,0 мм | 9,0мм / 9,0мм |
Регулирование фаз газораспределения впускных клапанов | 70° поворота коленвала | 70° поворота коленвала |
Регулирование фаз газораспределения выпускных клапанов | 40° поворота коленвала | 40° поворота коленвала |
с.)Правда при всех плюсах нового цикла возникают и дополнительные требования к навесному оборудованию двигателя. Так, например, из-за раннего закрытия клапанов, короткой фазы их открытия и меньшего хода впускных клапанов (7,2 мм против 9,0 мм), у двигателя остаётся совсем мало времени на наполнение цилиндров достаточным зарядом воздуха. Чтобы компенсировать эту недостачу, нужно поднимать давление наддува и улучшать эффективность охлаждения наддувочного воздуха.
Для этого на новых двигателях применяются турбонагнетатели с повышенным избыточным давлением и более производительные интеркулеры (а на двигателе 1.5 TSI (DACA) и вовсе установлен турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG).
ex 2013 Skoda Octavia A5 ambition 1.6 MPI (BSE) 102 л.с. АКПП-6 09G
ex 2005 Skoda Fabia 6Y 1.2 HTP (BME) 64 л.с. Rally Green
2008 Volkswagen Passat B6 1.8 TSI (BZB) 160 л.с. МКПП -> 4×4 MQ350 DCC Stage
Oileater
Новичок
- #2
Спасибо за статью.
Специально зарегистрировался, что бы спросить.
Я вроде понял, что цикл миллера уменьшают объём подаваемой смеси в цилиндр, закрывая клапан до того как поршень дошёл до нижнего положения, либо закрывая после того как поршень пошёл назад. Получается при объёме двигателя в 1.5 литра, объём подаваемой смеси такой же, как давали бы двигателю 1.0 без цикла миллера. Но 1.5 с циклом миллера экономичнее, т.к. ход поршня в 1,5 раза больше, чем у литрового.
При этом на TFSI моторах установлена турбина, смысл которой — нагнать побольше смеси в мотор (больше в плане веса, при одинаковом объёме по сравнению с нетурбированным двигателем).
Получается что в двигателях TFSI с одной стороны турбина старается побольше закинуть смеси, с другой стороны клапана закрываются раньше (или позже), уменьшая итоговый вес смеси в цилиндре. Так?
Кажется, я что-то плохо понял.
Mark
DD — Dрифтер в DУше
- #3
Oileater написал(а):
Спасибо за статью.
Специально зарегистрировался, что бы спросить.Я вроде понял, что цикл миллера уменьшают объём подаваемой смеси в цилиндр, закрывая клапан до того как поршень дошёл до нижнего положения, либо закрывая после того как поршень пошёл назад. Получается при объёме двигателя в 1.5 литра, объём подаваемой смеси такой же, как давали бы двигателю 1.0 без цикла миллера. Но 1.5 с циклом миллера экономичнее, т.к. ход поршня в 1,5 раза больше, чем у литрового.
Правильно понял?При этом на TFSI моторах установлена турбина, смысл которой — нагнать побольше смеси в мотор (больше в плане веса, при одинаковом объёме по сравнению с нетурбированным двигателем).
Получается что в двигателях TFSI с одной стороны турбина старается побольше закинуть смеси, с другой стороны клапана закрываются раньше (или позже), уменьшая итоговый вес смеси в цилиндре. Так?
Кажется, я что-то плохо понял.Нажмите для раскрытия…
Приветствую, вы всё почти правильно поняли.
На моторах с циклом Миллера турбина дует столько же давления, сколько и на аналогичном двигателе без подобного цикла, но впускной клапан закрывается чуть раньше, чем поршень доходит до нижней мёртвой точки в время такта впуска. Таким образом движение поршня вниз с закрытым впускным клапаном расширяет наддутый воздух, тем самым охладив его, что крайне полезно для предотвращения детонации. После того как воздух был охлаждён путём расширения, поршень его сжимает со степенью 12.5:1 вместо 10.5:1 на аналогичном моторе без цикла Миллера, тем самым компенсируя то дополнительное расширение перед тактом сжатия. В результате более холодная смесь горит с лучшей эффективностью и меньшим расходом топлива, соответственно.
ex 2013 Skoda Octavia A5 ambition 1.6 MPI (BSE) 102 л.с. АКПП-6 09G
ex 2017 Skoda Yeti 5L style outdoor 1.8 TSI (CDAB) 152 л.с. DSG-6 0D9 4×4
ex 2005 Skoda Fabia 6Y 1.2 HTP (BME) 64 л.с. Rally Green
2008 Volkswagen Passat B6 1.8 TSI (BZB) 160 л.
с. МКПП -> 4×4 MQ350 DCC Stage
Цикл Миллера | это… Что такое Цикл Миллера?
| Термодинамические циклы |
|---|
| Статья является частью серии «Термодинамика». |
| Цикл Аткинсона |
| Цикл Брайтона/Джоуля |
| Цикл Гирна |
| Цикл Дизеля |
| Цикл Калины |
| Цикл Карно |
| Цикл Ленуара |
| Цикл Миллера |
| Цикл Отто |
| Цикл Ренкина |
| Цикл Стирлинга |
| Цикл Тринклера |
| Цикл Хамфри |
| Цикл Эрикссона |
| Разделы термодинамики |
| Начала термодинамики |
| Уравнение состояния |
| Термодинамические величины |
| Термодинамические потенциалы |
| Термодинамические циклы |
| Фазовые переходы |
| править |
См. также «Физический портал» |
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).
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, обуславливаемых 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.
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.
Двигатели с циклом МиллераДвигатели с циклом Миллера
Ханну Яаскеляйнен
Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием.
Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.
Abstract : Циклы двигателя, в которых эффективная степень сжатия меньше, чем эффективная степень расширения, называются циклами перерасширения. Цикл Миллера представляет собой чрезмерно расширенный цикл, реализуемый либо с ранним (EIVC), либо с поздним (LIVC) закрытием впускного клапана. Цикл Миллера реализован как в дизельных двигателях, так и в двигателях с искровым зажиганием. В дизелях цикл Миллера использовался в первую очередь для контроля выбросов NOx при высокой нагрузке двигателя. В двигателях с искровым зажиганием преимущества цикла Миллера включают снижение насосных потерь при частичной нагрузке и повышение эффективности, а также уменьшение детонации.
- Циклы Миллера и Аткинсона
- Коммерческие приложения
- Представление идеального цикла
- Ранний и поздний IVC
- Дизельные двигатели
- Применение в двигателях с искровым зажиганием
Циклы Миллера и Аткинсона
Циклы двигателя, в которых эффективная степень сжатия меньше, чем эффективная степень расширения (см.
обсуждение степени сжатия в разделе 9 Основы двигателя ).0031 ) можно назвать сверхрасширенными циклами. В современной практике перерасширенные циклы реализуются либо с ранним (EIVC), либо с поздним (LIVC) закрытием впускного клапана. Основным эффектом EIVC и LIVC является снижение температуры в конце такта сжатия. Более низкая температура позволяет использовать более высокие геометрические коэффициенты сжатия, которые обеспечивают более длительный коэффициент расширения и повышение эффективности.
Чрезмерно расширенные циклы обычно называют циклами Миллера или Аткинсона; имея в виду изобретателей Ральфа Миллера и Джеймса Аткинсона. Использование этих терминов в литературе непоследовательно.
Ральф Миллер придумал , а не идею использования фаз газораспределения для управления эффективной степенью сжатия. Об этом свидетельствует тот факт, что он обсуждался в отчете 1927 года как вариант ограничения детонации в авиационных двигателях при использовании низкооктановых топлив [3522] .
Миллера в первую очередь интересовало использование момента закрытия впускного клапана для ограничения температуры ВМТ. В двух своих патентах он описал механизмы изменения фаз газораспределения впускных клапанов, которые позволяли изменять IVC в зависимости от нагрузки двигателя, чтобы контролировать температуру в цилиндрах в конце такта сжатия. Он заявлял о своих идеях без наддува и с наддувом дизель и искровое зажигание [1938] [1939] . Мотивацией Миллера было увеличение удельной мощности. В патенте 1954 года температура в конце сжатия должна была снижаться по мере увеличения нагрузки, чтобы двигатель мог сжигать больше топлива при полной нагрузке, оставаясь в пределах свойств материала. Он был специально предназначен для двигателей с наддувом / промежуточным охлаждением. Патент 1956 года был предназначен специально для двигателей SI и был предназначен для предотвращения преждевременного зажигания и обеспечения более богатого соотношения топливо/воздух при полной нагрузке при сохранении высокой геометрической степени сжатия.
Патент США 2 670 595 | 2 марта 1954 г.
Хотя Миллер упоминает как раннее, так и позднее закрытие впускного клапана, он, похоже, предпочитал закрывать впускной клапан раньше, когда объем цилиндра все еще увеличивался, потому что дополнительное расширение после закрытия впускного клапана могло еще больше охладить впускной заряд. Он называл это «внутренним охлаждением» 9.0042 [3520] . Рисунок 1 иллюстрирует стратегию EIVC Миллера для форсированного дизельного двигателя из патента 1954 года. Обратите внимание, что изменение момента закрытия впускного клапана требовалось между 50-100% нагрузки. Современные подходы к проектированию двигателей, называемые использованием цикла Миллера, обычно форсированы и включают как раннее [1912] , так и позднее закрытие впускного клапана [1919] .
Иногда двигатели с поздним закрытием впускных клапанов называют двигателями цикла Аткинсона . Некоторые предпочитают ограничиваться ссылкой на двигатели, работающие по циклу Аткинсона, как на безнаддувные двигатели с поздним закрытием впускного клапана. Однако оригинальные патенты Джеймса Аткинсона относятся не к моменту закрытия клапана, а к двигателю, в котором один цикл двигателя завершается за один оборот коленчатого вала, и с механизмом коленчатого вала, который допускал более высокую степень расширения, чем степень сжатия. Управление моментом закрытия впускного клапана для достижения этого эффекта не упоминается [1915] [1916] .
В то время как Аткинсон заслуживает похвалы за то, что он, возможно, первым осознал преимущества различных степеней сжатия и расширения, Миллеру следует отдать должное за разработку рецепта достижения ряда целей, который остается актуальным даже для современных двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, было бы оправданно ссылаться на проявления чрезмерно расширенных циклов, которые зависят от переменного момента закрытия впускного клапана для их реализации в качестве двигателей с циклом Миллера — независимо от того, используют ли они принудительную индукцию или нет, и независимо от того, являются ли они воспламенением от сжатия или искровым зажиганием.
. Идеи Миллера успешно применялись в коммерческих целях, в то время как механизм Аткинсона имел очень ограниченное коммерческое применение.
Однако широко распространено игнорирование исторического контекста, и Аткинсону и Миллеру часто приписывают современную реализацию чрезмерно расширенных циклов с использованием синхронизации IVC. Называть некоторые из них двигателями с циклом Аткинсона совершенно произвольно. Примером такого произвольного подхода является терминология, используемая Агентством по охране окружающей среды США, которое считает цикл Аткинсона чрезмерно расширенным циклом, применяемым к двигателям без наддува с EIVC или LIVC, а цикл Миллера — циклом Аткинсона (т. е. EIVC). или LIVC) с турбокомпрессором или нагнетателем [3476] .
Коммерческие приложения
Интерес к применению идей Ральфа Миллера возрос в 1980-х годах, а в 1990-х годах появился ряд коммерческих приложений. Mazda KJ-ZEM объемом 2,3 л, представленная в 1993 году, была ранней бензиновой версией для легковых автомобилей [2823] .
Кроме того, с конца 1990-х компания Niigata Power производила среднеоборотные дизельные двигатели 32FX [2586] . Большие стационарные газовые двигатели были еще одним приложением, которое привлекло внимание примерно в это время.0042 [3510] . Многие из этих ранних приложений были мотивированы потенциалом увеличения удельной мощности и эффективности. Надежное оборудование для изменения фаз газораспределения еще не было доступно (или, возможно, даже не требовалось) для многих из этих приложений, и они полагались на фиксированные EIVC или LIVC.
Интерес к применению цикла Миллера для сокращения выбросов NOx в дизельных двигателях начался в 1990-х годах для некоторых судовых двигателей IMO Tier 1. Некоторые из этих двигателей могут использовать относительно мягкий «эффект Миллера» и, таким образом, могут использовать фиксированные фазы газораспределения 9.0042 [2586] . Дальнейшее сокращение NOx потребует более агрессивного эффекта Миллера и, следовательно, изменения времени закрытия впускного клапана для решения проблем с низкой нагрузкой и запуском двигателя.
Одними из первых двигателей для этого были двигатели Caterpillar 2004 года для дорожных двигателей C11, C13 и C15. Кроме того, для среднеоборотных судовых двигателей был принят аналогичный подход к предельным значениям NOx уровня 2 IMO, которые вступили в силу в 2010 году.
В бензиновых двигателях легковых автомобилей преимущества эффективности стратегий LIVC были привлекательными для двигателей гибридных автомобилей. Тойота 1 -й -го поколения Prius перенял эту технологию в 1997 году. Последующие поколения Prius продолжали использовать эту технологию. В 2007 году Mazda представила безнаддувный двигатель SI MZR 1,3 л для японского рынка с фиксированным LIVC и для негибридных автомобилей. Примерно с 2012 года необходимость дальнейшего снижения расхода топлива привела к более широкому применению LIVC к негибридным бензиновым двигателям малой грузоподъемности. Для этих приложений, многие из которых уже имели фазовращатели кулачков, включение цикла Миллера было относительно недорогой мерой.
Дизельные двигатели малой грузоподъемности медленнее внедряли идеи Миллера, возможно, из-за дополнительных затрат. Многие дизельные двигатели малой грузоподъемности не используют фазовращатели кулачков.
###
Влияние стратегий цикла Миллера на характеристики сгорания, выбросы и эффективность в дизельных двигателях большой мощности
2020-04-14
В этом исследовании экспериментально исследуется влияние циклов Миллера на процесс сгорания, выбросы и тепловой КПД в дизельных двигателях большой мощности. Эксперименты проводились при постоянных оборотах двигателя, нагрузке и выходе двигателя NO x (1160 об/мин, 1,76 МПа нетто IMEP, 4,5 г/кВтч) на одноцилиндровом исследовательском двигателе, оснащенном полностью гибким гидравлическим клапанным механизмом. система. Стратегии раннего закрытия впускного клапана (EIVC) и позднего закрытия впускного клапана (LIVC) сравнивали с обычным профилем впускного клапана.
В то время как снижение эффективной степени сжатия, связанное с использованием профилей клапана Миллера, было симметричным относительно нижней мертвой точки, снижение объемного КПД (VE) не было. Профили EIVC были более эффективны для снижения VE, чем профили LIVC. Несмотря на эту разницу, профили EIVC и LIVC с сопоставимым снижением VE привели к аналогичным изменениям в характеристиках сгорания и выбросов. Работа по циклу Миллера при постоянном давлении на впуске привела к более низким пиковым давлениям в цилиндрах, более высоким температурам выхлопных газов и более низким требованиям к рециркуляции отработавших газов по сравнению с базовым случаем, хотя и со значительным снижением расхода топлива. Повышение давления во впускном коллекторе для соответствия базовому лямбда позволило преодолеть штраф за расход топлива без ущерба для NO 9.0108 x выбросов. Поскольку было показано, что реализация цикла Миллера влияет на общую эффективность турбонагнетателя ( n TC ), выбранные профили EIVC/LIVC сравнивались с исходными условиями при трех различных значениях общей эффективности турбонагнетателя.
На базовом уровне η TC профили цикла Миллера снижают пиковое давление в цилиндрах и повышают температуру выхлопных газов с минимальными штрафами за выбросы BSFC и твердых частиц (PM). При высокой общей эффективности турбонагнетателя использование цикла Миллера обеспечивает снижение пикового давления в цилиндре и повышение температуры выхлопных газов по сравнению с обычными профилями впускных клапанов без ущерба для BSFC, NO 9.0108 x или выбросы твердых частиц.
SAE MOBILUS
Подписчики могут просматривать аннотации и загружать весь контент SAE. Учить больше »
Доступ к САЕ МОБИЛУС »
Цифровой $33,00 Распечатать $33,00
Предварительный просмотр документа Добавить в корзину
Участники экономят до 18% от прейскурантной цены.
Войдите, чтобы увидеть скидку.