Цикл Миллера - уникальный термодинамический процесс, повышающий эффективность двигателей внутреннего сгорания. Он позволяет существенно экономить топливо, снижать токсичность отработавших газов и наращивать мощностные характеристики мотора.
История создания цикла Миллера
В 1947 году американский инженер Ральф Миллер предложил новый термодинамический цикл для двигателей внутреннего сгорания. Его целью было совместить преимущества более эффективного, но конструктивно сложного двигателя Аткинсона с простотой и надежностью мотора Отто.
В классическом двигателе Аткинсона поршень движется быстрее на такте сжатия, чем на рабочем ходе. Это позволяет сократить фазу сжатия и снизить конечную температуру цикла. Однако требуется сложный механизм из рычагов, управляемый от коленвала.
Миллер предложил обойтись без этих конструктивных усложнений. Вместо механического укорочения хода сжатия он решил сократить фактическую степень сжатия рабочей смеси в цилиндре. Это достигается либо закрытием впускного клапана до окончания такта наполнения, либо открытием его на части рабочего хода. В первом случае говорят о "цикле с укороченным впуском", во втором - "укороченным сжатием".
Принцип работы цикла Миллера по сравнению с циклом Отто
Рассмотрим подробнее вариант с "укороченным сжатием", поскольку он реализован в современных двигателях Mazda SkyActiv.
На такте впуска цилиндр полностью заполняется топливовоздушной смесью, как в обычном моторе. Но затем, в начале рабочего хода, впускной клапан не закрывается. Когда поршень движется вверх, часть смеси выталкивается обратно во впускной коллектор.
Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же геометрии.
Лишь после этого впускной клапан закрывается и начинается собственно сжатие. Так как часть смеси уже вытеснена из камеры, конечная степень сжатия снижается. Это позволяет без опасности детонации увеличивать степень расширения и получать дополнительную работу.
Достоинства и недостатки цикла Миллера
Преимущества описанного процесса:
- Повышение термического КПД цикла за счет бóльшей степени расширения
- Снижение трения из-за меньшего давления на такте сжатия
- Уменьшение токсичности отработавших газов
К недостаткам можно отнести:
- Некоторую потерю мощности из-за худшего наполнения цилиндров
- Повышенные требования к системе турбонаддува
Тем не менее, правильно спроектированный двигатель Миллера способен превзойти по всем показателям обычный мотор аналогичного рабочего объема.
Практическое применение цикла Миллера
Наиболее известный серийный автомобиль с двигателем Миллера - японский представительский седан Mazda Xedos-9 1990-х годов, продававшийся в США как Mazda Millenia. Его силовым агрегатом служил 2,3-литровый V6 двигатель KJ-ZEM мощностью 210 л.с.
В этом моторе применена механическая нагнетательная установка для компенсации потери наполнения. Совмещение цикла Миллера и наддува позволило более чем в полтора раза превзойти удельную мощность обычных атмосферных двигателей того времени.
Еще один пример - концептуальный гибрид Subaru B5-TPH с 4-цилиндровым оппозитным двигателем Миллера.
Среди современных автомобилей стоит отметить моторы Mazda SkyActiv последнего поколения, использующие цикл Миллера в сочетании с непосредственным впрыском топлива. Например, 170-сильный двигатель SkyActiv-G 2.5 в кроссовере Mazda CX-5 демонстрирует выдающуюся для своего класса экономичность - всего 5,7 литра на 100 км в смешанном цикле.
| Модель двигателя | Год выпуска |
| KJ-ZEM V6 | 1995 |
| SkyActiv-G 2.5 | 2021 |
Перспективы развития технологии цикла Миллера
Несмотря на достигнутые успехи, потенциал цикла Миллера до конца не раскрыт. Дальнейшее совершенствование системы изменения фаз газораспределения позволит лучше управлять степенью сжатия в широком диапазоне нагрузок.
Это даст возможность в максимальной степени реализовать все преимущества данного термодинамического цикла. Скажем, в режиме полной нагрузки система будет стремиться к классическому процессу Отто, выжимая предельную отдачу по мощности. А при частичных нагрузках возрастет экономичность за счет "укороченного сжатия".
Рекомендации по выбору автомобиля с циклом Миллера
Описание принципов работы цикла Миллера показывает, что данная технология наиболее выгодна для двигателей, сочетающих высокие удельные показатели с низким расходом топлива.
Поэтому при выборе автомобиля следует обращать внимание в первую очередь на модели с турбированными моторами рабочим объемом 1,5-2,5 литра.
Описание работы цикла Миллера в производственном процессе
Для максимальной реализации потенциала этого цикла на конвейере необходимы:
- Высокоточные системы изменения фаз газораспределения с шаговыми электроприводами
- Современные турбокомпрессоры с электронным управлением геометрией турбины
- Непосредственный впрыск топлива под высоким давлением
Такая комплексная модернизация позволяет двигателям внутреннего сгорания с циклом Миллера по всем показателям превзойти традиционные моторы.
Ответы на частые вопросы о цикле Миллера
Рассмотрим некоторые типичные вопросы от автолюбителей об этой перспективной технологии.
В.: Можно ли применять цикл Миллера в дизельных двигателях?
О.: К сожалению, нет. Дело в том, что в дизеле используется самовоспламенение топлива от сжатия, и "укороченное сжатие" нарушит этот необходимый процесс.
Другие варианты реализации цикла Миллера
Помимо рассмотренного метода "укороченного сжатия", существует еще один подход - цикл с "укороченным впуском". В этом случае впускной клапан закрывается до окончания такта наполнения цилиндра рабочей смесью.
Хотя часть потенциального объема цилиндра остается незаполненной, степень сжатия фактически поступившей смеси также снижается. Это дает выигрыш по экономичности цикла, но ухудшает наполнение на высоких оборотах.
Сравнение с другими методами повышения эффективности
Цикл Миллера - не единственный способ улучшить термодинамические показатели двигателя внутреннего сгорания. К альтернативным технологиям относятся:
- Прямой впрыск топлива
- Изменение фаз газораспределения
- Системы охлаждения надувочного воздуха
Однако цикл Миллера действует на более глубинном уровне термодинамического процесса, что обеспечивает выигрыш даже по сравнению с перечисленными технологиями.
Перспективы применения в гибридных силовых установках
Благодаря высокой эффективности цикл Миллера особенно многообещающе смотрится в сочетании с электрической частью в гибридных автомобилях и автомобилях с подзарядкой от сети.
Экономичный двигатель внутреннего сгорания вырабатывает электроэнергию для подзарядки батарей, а на ходу задействуются электродвигатели. Такая схема реализована в упомянутом выше прототипе Subaru B5-TPH.
Перспективы применения цикла Миллера в авиации
Авиационные поршневые двигатели традиционно отличаются высокой степенью форсирования для достижения минимального веса на единицу мощности. Однако цикл Миллера позволяет получать большую отдачу без чрезмерного повышения рабочих параметров.
Это открывает путь к созданию экономичных и надежных авиадвигателей нового поколения с улучшенными взлетно-посадочными характеристиками.
