Ciclo Miller

O ciclo Miller é unha variación do ciclo Otto na que se utiliza un cilindro máis grande do habitual, auméntase a relación de compresión mediante un compresor mecánico e cámbianse os momentos de apertura e peche das válvulas de escape. Outra modificación é a utilización dun intercooler na admisión. Trátase dun proceso de combustión usado en motores de catro tempos de combustión interna. Foi patentado polo enxeñeiro norteamericano Ralph Miller, na década dos anos 1940.

Este tipo de motor foi usado por primeira vez en embarcacións e en plantas de enerxía, pero foi adaptado por Mazda para o seu motor KJ-ZEM V6, usado no sedan Millenia. Recentemente, Subaru combinou o ciclo Miller nunha disposición horizontal de catro cilindros para un motor híbrido "Turbo Parallel Hybrid", para o seu automóbil B5-TPH.

Tradicionalmente o motor de ciclo Otto usa catro tempos (admisión, compresión, explosión e escape), dos que existen dous con alta potencia: alto consumo de potencia na compresión, e alta produción de potencia na explosión. Gran parte da perda interna de potencia nun motor débese á enerxía requirida para efectuar a compresión da mestura de combustible no tempo de compresión, polo que sistemas que poidan reducir este consumo de enerxía poden outorgar unha maior eficiencia.

Diferenzas co ciclo Otto

No ciclo Miller, a válvula de admisión mantense máis tempo aberta que nun motor de ciclo Otto. O tempo de compresión está dividido en dúas etapas:

1ª PARTE: Cando a válvula de admisión continúa aberta mentres o pistón xa está subindo debido a un Retraso ao Peche de Admisión maior que no ciclo Otto convencional.

2ª PARTE: Cando a válvula de admisión se cerra con aproximadamente un terzo da carreira ascendente do pistón xa recorrida e prodúcese a compresión efectiva. Esta compresión dividida crea un chamado quinto tempo, que é o refluxo de parte da mestura do cilindro ao colector de admisión.

Esta perda de carga de aire podería provocar unha perda de potencia. Non obstante, no ciclo Miller, o cilindro é sobrealimentado por unha carga de aire proveniente dun compresor volumétrico tipo parafuso ou Roots, polo que se devolve aire ao colector de admisión. O compresor tradicionalmente utilizaríase para producir pulo a velocidades relativamente baixas do motor; mais diminúe o par dispoñible a baixas revolucións do motor posto que lle rouba potencia mecánica ao veo de manivelas para ser arrastrado.

Un aspecto clave do ciclo Miller é que o tempo de compresión comeza só despois de que o pistón eliminou a súa carga "extra" e a válvula de admisión se cerra. A apertura dura aproximadamente o 20% ou 30% do transcurso inicial do tempo de compresión. Desta forma, a compresión real sucede aproximadamente nun 70% a 80% do tempo total de compresión, despois da apertura. O pistón consegue os mesmos niveis de compresión dun motor de ciclo Otto pero con menos traballo, xa que unha parte da compresión total logrouse mediante o compresor volumétrico.

Equilibrio na eficiencia

O ciclo Miller aumenta a súa potencia na medida en que o compresor volumétrico poida comprimir a mestura empregando menos enerxía que a requirida polo pistón para facer o mesmo traballo.

Da compresión total da mestura na culata cando o pistón está en punto morto superior, o compresor volumétrico é máis eficiente xerando baixa compresión da mestura no colector de admisión (algo parecido á precompresión no cárter xerada nun motor de dous tempos). O pistón é usado para xerar os niveis máis altos de compresión, onde resulta máis efectivo que o compresor volumétrico.

Así, no ciclo Miller a compresión total resulta da PREcompresión efectuada polo compresor volumétrico para a masa de aire que entra ao cilindro, sumada á segunda compresión que efectúa o pistón no interior do cilindro, logrando así que a forza que o pistón debe exercer para lograr a compresión total da mestura na culata sexa menor que nun motor de ciclo Otto que traballe á mesma presión. O equilibrio na eficiencia depende da cantidade de enerxía que consuma o compresor volumétrico e do aumento do rendemento termodinámico logrado no interior do cilindro. En total o arrastre do compresor reduce a potencia útil do motor entre un 10% e un 15%. Para optimizar este ciclo termodinámico, a produción exitosa de motores requiriu do uso de colectores de admisión variables, sistemas mixtos de precompresión, (turbo - compresor volumétrico) distribucións adaptativas para poder regular o Retraso ao Peche de Admisión en función das necesidades de potencia e rendemento en cada momento (variable valve timing), o cal encareceu considerablemente a produción masiva de motores que utilicen este ciclo. Sae máis rendible por un lado o ciclo Atkinson se trata do mesmo ciclo termodinámico pero sen precompresión no colector de admisión, onde prima o rendemento a réximes medios sobre a potencia do motor; e por outro lado os motores Otto con inxección directa de gasolina, xa sexa estratificada ou homoxénea, (Sistemas GDI de Mitsubishi motors, HPI de PSA Peugeot-Citröen, FSI e TSI de VAG Volkswagen-Audi).

Eficiencia total do ciclo de acendido

Intercooler na admisión.

Sobre un motor típico de acendido por chispa, (Ciclo Otto) o ciclo Miller proporciona un beneficio adicional. O aire de admisión primeiro é comprimido polo compresor volumétrico, e logo arrefriado por un intercooler. Esta temperatura de entrada de aire no interior do cilindro máis baixa, xunto coa maior densidade do aire debida á PREcompresión no colector de admisión, fai que a temperatura que alcanza a mestura ao final da carreira de compresión sexa considerablemente máis baixa. Isto dá marxe ao punto de acendido para que salte a chispa sen que chegue a detonar a mestura ou a autoacenderse antes de tempo, incrementando a eficiencia total do ciclo termodinámico Miller.

A eficiencia é incrementada ao elevar a compresión do motor. Nun motor de gasolina común, a relación de compresión varía entre 6.5:1 a 10:1 en automóbiles, e limítase a estas cifras xa que altos niveis producirían autoacendido da mestura que se comprime por efecto do incremento da temperatura do gas cando é comprimido, o cal en motores de alta compresión se evita usando gasolina de alta octanaxe. O tempo de compresión reducido do ciclo Miller permite que sexa posible unha compresión total máis elevada, obtendo máis rendemento sen chegar ao emprego de gasolinas especiais.

Non obstante, os beneficios da utilización de compresores volumétricos ten o seu custo. Entre un 15% e un 20% da enerxía xerada por un motor sobrealimentado mecanicamente é usualmente requirida para facer traballar o propio compresor volumétrico.

En consecuencia, a eficiencia total do motor resulta dun delicado equilibrio, no que a enerxía mecánica consumida polo compresor volumétrico para funcionar non sexa maior que o aumento de rendemento dentro do motor.