Цикл Миллера (Miller Cycle) был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером, как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Дизеля или Отто.
Цикл был разработан для снижения (reduce) температуры и давления свежего заряда воздуха (charge air temperature) перед сжатием (compression) в цилиндре. В результате температура горения в цилиндре снижается за счет адиабатического расширения (adiabatic expansion) свежего заряда воздуха при поступлении в цилиндр.
В понятие цикла Миллера входят два варианта (two variants):
а) выбор преждевременного времени закрытия (advanced closure timing) впускного клапана (intake valve) или опережение закрытия - перед нижней мертвой точкой (bottom dead centre);
б) выбор запоздалого времени закрытия впускного клапана – после нижней мертвой точкой (BDC).
| Рис. 5. Цикл Миллера в Р-V диаграмме для двигателя Niigata |
Первоначально цикл Миллера использовался (initially used) для увеличения удельной мощности некоторых дизельных двигателей (some engines). Снижение температуры свежего заряда воздуха (Reducing the temperature of the charge) в цилиндре двигателя приводило к увеличению мощности без каких-либо существенных изменений (major changes) блока цилиндров (cylinder unit). Это объяснялось тем, что снижение температуры в начале теоретического цикла (at the beginning of the cycle) увеличивает плотность воздушного заряда (air density) без изменения давления (change in pressure) в цилиндре. В то время как предел механической прочности двигателя (mechanical limit of the engine) смещается к более высокой мощности (higher power), предел тепловой нагрузки (thermal load limit) смещается к более низким средним температурам (lower mean temperatures) цикла.
В дальнейшем цикл Миллера вызвал заинтересованность с точки зрения снижения эмиссии NОх. Интенсивное выделение вредных выбросов NОх начинается при превышении температуры в цилиндре двигателя выше 1500 °С - в этом состоянии атомы азота становятся химически активными в результате потери одного или нескольких атомов. А при использовании цикла Миллера при снижении температуры цикла (reduce the cycle temperatures) без изменения мощности (constant power) было достигнуто 10 % снижение эмиссии NОх на полной нагрузке и на 1 % (per cent) уменьшение расхода топлива. Главным образом (mainly) это объясняется уменьшением тепловых потерь (heat losses) при прежнем давлении в цилиндре (cylinder pressure level).
Однако значительно более высокое давление наддува (significantly higher boost pressure) при той же мощности и отношении воздуха к топливу (air/fuel ratio) затруднило широкое распространение цикла Миллера. Если максимально достижимое давление газотурбонагнетателя (maximum achievable boost pressure) будет слишком низким относительно желаемого значения среднего эффективного давления (desired mean effective pressure), то это приведет к существенному ограничению рабочих характеристик (significant derating). Даже в случае достаточно высокого давления наддува возможность снижения расхода топлива будет частично нейтрализована (partially neutralized) из-за слишком быстрого (too rapidly) снижения КПД компрессора и турбины (compressor and turbine) газотурбонагнетателя при высоких степенях сжатия (high compression ratios). Таким образом, практическое использование цикла Миллера потребовало применение газотурбонагнетателя с очень высокой степенью сжатия давления (very high compressor pressure ratios) и высоким КПД при высоких степенях сжатия (excellent efficiency at high pressure ratios).
| Рис. 6. Система двухступенчатого турбонаддува (Two-stage turbocharging system) |
Так в высокооборотных двигателях 32FX компании «Niigata Engineering » максимальное давление сгорания Pmax и температура в камере сгорания (combustion chamber) поддерживаются на сниженном нормальном уровне (normal level). Но при этом одновременно увеличено среднее эффективное давление (brake mean effective pressure) и снижен уровень вредных выбросов NОх (reduce NOx emissions).
В дизельном двигателе 6L32FX компании Niigata выбран первый вариант цикла Миллера: преждевременное время закрытия впускного клапана за 10 градусов до НМТ (BDC), вместо 35 градусов после НМТ (after BDC) как у двигателя 6L32CX. Так как время наполнения уменьшается, при нормальном давлении наддува (normal boost pressure) в цилиндр поступает меньший объем свежего заряда воздуха (air volume is reduced). Соответственно ухудшается протекание процесса сгорания топлива в цилиндре и как следствие снижается выходная мощность и повышается температура выпускных газов (exhaust temperature rises).
Для получения прежней заданной мощности на выходе (targeted output) необходимо увеличить объем воздуха при сниженном времени его поступления в цилиндр. Для этого увеличивают давление наддува (increase the boost pressure).
В тоже время, одноступенчатая система газотурбонаддува (single-stage turbocharging) не может обеспечить более высокого давления наддува (higher boost pressure).
Поэтому получила развитие двухступенчатая система (two-stage system) газотурбонаддува, в которой турбокомпрессора низкого и высокого давления (low pressure and high pressure turbochargers) расположены последовательно (connected in series) один за другим. После каждого турбокомпрессора установлены два промежуточных охладителя воздуха (intervening air coolers).
Внедрение цикла Миллера совместно с двухступенчатой системой газотурбонаддува позволило увеличить коэффициент мощности до 38,2 (среднее эффективное давление - 3,09 МПа, средняя скорость поршня - 12,4 м/с) при 110 % нагрузки (maximum load-claimed). Это является наилучшим достигнутым результатом для двигателей с диаметром поршня 32 см.
Кроме этого, параллельно было достигнуто снижение на 20 % уровня эмиссии NОх (NOx emission level) до 5,8 г/кВт·ч при норме требований ИМО 11,2 г/кВт·ч. Расход топлива (Fuel consumption) был несколько увеличен при работе на низких нагрузках (low loads) работы. Однако при средних и высоких нагрузках (higher loads) расход топлива уменьшился на 75 %.
Таким образом, КПД двигателя Аткинсона увеличено за счет механического уменьшения по времени (поршень движется вверх быстрее, чем вниз) такта сжатия по отношению к рабочему ходу (такт расширения). В цикле Миллера такт сжатия по отношению к рабочему ходу сокращен или увеличен за счет процесса впуска. При этом скорость движение поршня вверх и вниз сохранена одинаковой (как в классическом двигателе Отто - Дизеля).
При одинаковом давлении наддува зарядка цилиндра свежим воздухом снижается вследствие уменьшения времени (reduced by suitable timing) открытия впускного клапана (inlet valve). Поэтому свежий заряд воздуха (charge air) в турбокомпрессоре сжимается (compressed) до большего давления наддува, чем необходимо для цикла двигателя (engine cycle). Таким образом, за счет увеличения величины давления наддува при уменьшенном времени открытия впускного клапана в цилиндр поступает такая же порция свежего воздуха. При этом свежий заряд воздуха, проходя через относительно узкое входное проходное сечение, расширяется (эффект дросселя) в цилиндрах (cylinders) и соответственно охлаждается (consequent cooling).
Выводы: