Trong kỹ thuật, chu trình Miller là một chu trình nhiệt động được sử dụng trong một loại động cơ đốt trong. Chu trình Miller được cấp bằng sáng chế bởi Ralph Miller, một kỹ sư người Mỹ, bằng sáng chế Hoa Kỳ số 2.817.322 ngày 24 tháng 12 năm 1957. Động cơ có thể là loại hai hoặc bốn kỳ và có thể chạy bằng nhiên liệu diesel, xăng hoặc nhiên liệu kép. Nó sử dụng bộ siêu nạp để bù đắp sự mất hiệu suất của chu trình Atkinson.
Loại động cơ này lần đầu tiên được sử dụng trong tàu thủy và các nhà máy phát điện cố định, và hiện được sử dụng cho một số đầu máy xe lửa như GE PowerHaul. Nó được Mazda điều chỉnh cho khối động cơ KJ-ZEM V6, được sử dụng trong chiếc sedan Millenia và trong những chiếc xe sang trọng Eunos 800 sedan (Úc) của họ. Subaru đã kết hợp động cơ phẳng 4 xilanh chu trình Miller với hệ dẫn động hybrid cho mẫu xe ý tưởng “Turbo Parallel Hybrid”, được gọi là Subaru B5-TPH. Nissan đã giới thiệu một động cơ ba xi-lanh nhỏ với thời gian van nạp thay đổi tuyên bố sẽ vận hành chu trình Atkinson ở mức tải thấp (do đó mật độ công suất thấp hơn không phải là một khuyết điểm) và chu trình Miller khi tăng áp nhẹ.
Tổng quan chu trình Miller
Động cơ đốt trong kiểu pittông truyền thống sử dụng bốn kỳ, trong đó hai kỳ có thể được coi là công suất cao: kỳ nén (dòng công suất cao từ trục khuỷu đến khí nạp) và kỳ công suất (dòng công suất cao từ khí đốt đến trục khuỷu).
Trong chu trình Miller, van nạp được mở lâu hơn so với động cơ chu trình Otto. Trong thực tế, hành trình nén là hai chu kỳ riêng biệt: phần đầu khi van nạp mở và phần cuối cùng khi van nạp đóng. Hành trình nén hai giai đoạn này tạo ra cái gọi là hành trình “thứ năm” mà chu trình Miller đưa ra. Khi pít-tông ban đầu di chuyển lên trên trong hành trình nén truyền thống, khí nạp sẽ bị đẩy ra ngoài một phần qua van nạp vẫn mở. Thông thường, việc mất khí nạp này sẽ dẫn đến mất công suất. Tuy nhiên, trong chu trình Miller, điều này được bù đắp bằng việc sử dụng bộ tăng áp. Bộ siêu tăng áp thường phải là loại chuyển vị dương (Roots hoặc trục vít) do khả năng tạo ra lực tăng áp ở tốc độ động cơ tương đối thấp. Nếu không, năng lượng ở tốc độ thấp sẽ bị ảnh hưởng. Ngoài ra, có thể sử dụng turbo tăng áp để đạt hiệu quả cao hơn nếu không cần vận hành ở tốc độ thấp hoặc bổ sung động cơ điện.
Trong động cơ chu trình Miller, piston chỉ bắt đầu nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí sau khi van nạp đóng lại; và van nạp đóng lại sau khi pít-tông đã di chuyển một khoảng cách nhất định so với vị trí dưới cùng của nó: khoảng 20 đến 30% tổng hành trình của pít-tông của hành trình đi lên này. Vì vậy, trong động cơ chu trình Miller, pít-tông thực sự chỉ nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong khoảng 70% đến 80% hành trình nén sau. Trong phần đầu của hành trình nén, piston đẩy một phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí qua van nạp vẫn mở và quay trở lại đường ống nạp.
Nhiệt độ nạp
Khí nạp được nén bằng bộ tăng áp (và được làm mát bằng bộ làm mát liên động) đến áp suất cao hơn mức cần thiết cho chu trình động cơ, nhưng việc nạp đầy xi lanh sẽ giảm do thời gian thích hợp của van đầu vào. Do đó, sự giãn nở của không khí và do đó làm mát diễn ra trong xi lanh và một phần ở cửa vào. Việc giảm nhiệt độ nạp không khí/nhiên liệu cho phép tăng công suất của động cơ nhất định mà không thực hiện bất kỳ thay đổi lớn nào chẳng hạn như tăng mối quan hệ nén xi lanh/piston. Khi nhiệt độ thấp hơn vào đầu chu kỳ, mật độ không khí tăng lên mà không thay đổi áp suất (giới hạn cơ học của động cơ được chuyển sang công suất cao hơn). Đồng thời, giới hạn tải nhiệt thay đổi do nhiệt độ trung bình của chu trình thấp hơn.
Điều này cho phép thời điểm đánh lửa được nâng cao hơn mức thường được cho phép trước khi bắt đầu phát nổ, do đó vẫn tăng hiệu suất tổng thể hơn nữa. Một ưu điểm nữa của nhiệt độ nạp cuối cùng thấp hơn là lượng phát thải NOx trong động cơ diesel giảm, đây là thông số thiết kế quan trọng trong động cơ diesel lớn trên tàu và nhà máy điện.
Tỷ số nén
Hiệu quả được tăng lên nhờ có cùng tỷ số nén hiệu quả và tỷ số giãn nở lớn hơn. Điều này cho phép tạo ra nhiều công hơn từ các khí giãn nở khi chúng giãn nở gần đến áp suất khí quyển. Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức thông thường ở cuối kỳ giãn nở của chu kỳ bướm ga mở rộng, khí ở khoảng 5 atm khi van xả mở ra. Bởi vì hành trình bị giới hạn ở hành trình nén nên vẫn có thể tạo ra một số công từ khí. Việc trì hoãn việc đóng van nạp trong chu trình Miller có tác dụng rút ngắn hành trình nén so với hành trình giãn nở. Điều này cho phép các khí được mở rộng đến áp suất khí quyển, tăng hiệu quả của chu trình.
Tổn thất tăng áp
Lợi ích của việc sử dụng bộ tăng áp chuyển vị dương đi kèm với tổn thất năng lượng do tải trọng ký sinh. Khoảng 15 đến 20% công suất do động cơ tăng áp tạo ra thường được dùng để thực hiện công dẫn động bộ tăng áp, giúp nén lượng khí nạp.
Ưu điểm/nhược điểm chính
Ưu điểm chính của chu trình là tỷ lệ giãn nở lớn hơn tỷ lệ nén. Bằng cách làm mát trung gian sau khi tăng áp bên ngoài, có cơ hội giảm lượng khí thải NOx cho động cơ diesel hoặc kích nổ cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. nhiều sự đánh đổi trong việc tăng cường hiệu quả và ma sát của hệ thống (do độ dịch chuyển lớn hơn) cần được cân bằng cho mọi ứng dụng.
