밀러 사이클

공학에서 밀러 사이클은 내연 기관의 한 종류에 사용되는 열역학 사이클이다. 밀러 사이클은 1957년 12월 24일자 미국 특허 랄프 밀러(Ralph Miller)가 특허를 냈다. 엔진은 2행정 또는 4행정이고 디젤 연료, 가스 또는 이중 연료로 구동될 수 있다.^[1]

이런 종류의 엔진은 처음에는 선박과 고정된 발전소에서 사용되었고, 현재는 GE 파워홀과 같은 일부 철도 기관차에 사용되고 있다. 마즈다는 밀레니아 세단에 사용되는 KJ-ZEM V6와 은오스 800 세단(호주) 고급 승용차로 개조했다. 보다 최근에는 스바루가 밀러 사이클 플랫4와 하이브리드 드라이브라인을 하이브리드 드라이브라인에 결합해 스바루 B5-TPH로 알려진 콘셉트 '터보 병렬 하이브리드' 자동차를 선보였고, 닛산은 낮은 부하에서 앳킨슨 사이클을 작동한다고 주장하는 가변 흡기밸브 타이밍의 소형 3기통 엔진을 선보였다(그러므로 낮은 출력은 핸디캡이 아니다). 또는 Miller 사이클은 저압, 슈퍼차지 변종에서 가벼운 부스트 상태에서 정상으로 복귀(그리고 흡인 또는 보다 강한 슈퍼차지), 더 높은 부하에서 더 많은 전력 감량 오토 사이클 작동을 할 때 작동한다. 후자의 예에서, 밀러 사이클의 특성은 슈퍼차지 버전이 적당히 더 강력할 뿐만 아니라, (심플러, 저렴한) 흡입제 1보다 배출량이 더 낮은 거의 디젤과 비슷한 연비를 주장할 수 있게 한다. 이는 슈퍼차징이 현저하게 증가하는 일반적인 상황과 대조적이다.소비량을 늘리다

개요

전통적인 왕복 내연기관에서는 4번의 스트로크를 사용하며, 이 중 2개는 압축 스트로크(크랭크샤프트에서 충전으로 가는 높은 출력 흐름)와 파워 스트로크(연소가스에서 크랭크샤프트로 가는 높은 출력 흐름)로 간주할 수 있다.

밀러 사이클에서 흡기 밸브는 오토 사이클 엔진보다 더 오래 개방된 상태로 유지된다. 실제로 압축 행정은 두 개의 이산 사이클로, 즉 흡기 밸브가 개방되었을 때의 초기 부분과 흡기 밸브가 닫혔을 때의 최종 부분이다. 이 2단계의 섭취 스트로크는 밀러 사이클이 도입하는 이른바 "5단" 스트로크를 만들어낸다. 피스톤이 원래 압축 행정인 위쪽으로 이동함에 따라 전하가 부분적으로 열린 흡기 밸브를 통해 다시 배출된다. 일반적으로, 이러한 충전 공기 손실은 전력 손실을 초래할 것이다. 그러나 밀러 사이클에서는 슈퍼차저를 사용하여 이를 보상한다. 과급기는 비교적 낮은 엔진 속도에서 부스트를 생성할 수 있기 때문에 일반적으로 포지티브 변위(루트 또는 나사) 유형이어야 한다. 그렇지 않으면 저rpm의 전력이 피해를 볼 것이다. 또는 낮은 rpm 작동이 필요하지 않을 경우 더 높은 효율을 위해 터보차저를 사용하거나 전기 모터로 보충할 수 있다.

밀러 사이클 엔진에서 피스톤은 흡기 밸브가 닫힌 후에만 연료 공기 혼합물을 압축하기 시작하고, 흡기 밸브는 피스톤이 가장 아래쪽 위치 위로 일정한 거리를 이동한 후에 닫힌다. 즉, 이 상향 행정의 전체 피스톤 이동의 약 20~30%이다. 그래서 밀러 사이클 엔진에서 피스톤은 압축 행정의 70%에서 80%의 후반에만 연료-공기 혼합물을 압축한다. 압축 행정의 초기 부분에서 피스톤은 연료 공기 혼합물의 일부를 스틸 오픈 흡기 밸브를 통해 다시 흡기 매니폴드로 밀어 넣는다.

충전 온도

차지 에어는 슈퍼차저(그리고 인터쿨러에 의해 냉각됨)를 사용하여 엔진 사이클에 필요한 압력보다 높은 압력으로 압축되지만, 실린더 충전은 흡기 밸브의 적절한 타이밍에 의해 감소한다. 따라서 공기의 팽창과 그에 따른 냉각은 실린더와 흡입구에서 부분적으로 이루어진다. 공기/연료 충전 온도를 낮추면 실린더/피스톤 압축 관계를 증가시키는 등의 큰 변화 없이 주어진 엔진의 출력을 증가시킬 수 있다. 사이클이 시작될 때 온도가 낮아지면 압력 변화 없이 공기 밀도가 증가한다(엔진의 기계적 한계는 더 높은 출력으로 이동). 동시에, 열 부하 한계는 사이클의 낮은 평균 온도로 인해 이동한다. ^[2]

이것은 점화 타이밍이 폭발이 일어나기 전에 일반적으로 허용되는 것 이상으로 진전될 수 있게 해주므로 전체적인 효율은 여전히 더 높아진다. 최종 충전 온도가 낮아지면 디젤 엔진의 NOx 배출량이 줄어든다는 점도 선박과 발전소의 대형 디젤 엔진에서 중요한 설계 변수다.^{[citation needed]}

압축비

효율성은 유효 압축비율이 같고 확장비율이 커진다. 이것은 팽창하는 기체들이 거의 대기압으로 확장될 때 더 많은 작업들이 추출될 수 있게 해준다. 개방 스로틀 사이클의 팽창 스트로크 끝에 있는 일반적인 스파크 점화 엔진에서 가스는 배기 밸브가 열릴 때 약 5기압에 있다. 스트로크는 압축의 스트로크로 제한되기 때문에, 여전히 어떤 작업은 기체로부터 추출될 수 있다. 밀러 사이클에서 흡기 밸브의 폐쇄를 지연시키면 실제로 팽창 스트로크에 비해 압축 스트로크가 짧아진다. 이것은 기체를 대기압으로 확장시켜 사이클의 효율성을 증가시킨다.

슈퍼차저 손실

양변위 슈퍼차저를 사용할 때의 이점은 기생충 부하로 인해 비용이 수반된다. 슈퍼차지 엔진에서 발생하는 약 15~20%의 출력은 흡입구 충전(부스트라고도 함)을 압축하는 슈퍼차저를 구동하는 작업을 하기 위해 보통 필요하다.

주요 이점/취소

사이클의 가장 큰 장점은 팽창비가 압축비보다 크다는 것이다. 외부 슈퍼차징 후 인터쿨링을 통해 디젤의 NOx 배출량을 줄이거나 스파크 점화엔진을 노크할 수 있는 기회가 존재한다. 단, 시스템 효율성과 마찰력 증대에 대한 다중 트레이드오프는 (변위량이 더 크기 때문에) 적용 시마다 균형을 맞출 필요가 있다.

특허 요약

위에 제시된 개요는 현대판 밀러 사이클을 설명할 수 있지만, 1957년 특허와는 어떤 면에서는 다르다. 특허에는 "초충전된 중간 냉각 엔진을 작동하는 새롭고 개선된 방법"이 기술되어 있다. 엔진은 2 사이클 또는 4 사이클이고 연료는 디젤, 이중 연료 또는 가스일 수 있다. "가스"는 휘발유가 아닌 가스 연료를 의미한다는 것은 맥락에서 분명하다. 다이어그램에 표시된 압력 차저는 터보차저로, 포지티브 변위 슈퍼차저가 아니다. 엔진(4행정 또는 2행정)은 기존의 밸브 또는 포트 레이아웃을 갖지만, 실린더 헤드에는 추가 "압축 제어 밸브"(CCV)가 있다. 흡기 매니폴드 압력에 의해 작동되는 서보 메커니즘은 압축 행정의 일부 동안 CCV의 리프트를 제어하고 실린더에서 배기 매니폴드로 공기를 방출한다. CCV는 최대 부하에서 최대 리프트를 가질 수 있고 무부하에서는 최소 리프트를 가질 수 있다. 그 효과는 가변 압축비를 가진 엔진을 생산하는 것이다. 흡기 매니폴드 압력이 상승할 때(터보차저 작동으로 인해) 실린더의 유효 압축비가 하강하거나(CCV의 상승으로 인해) 그 반대의 경우도 마찬가지다. 이를 통해 "경량 부하에서 연료의 적절한 시동 및 점화"가 보장된다.^[1]

앳킨슨 사이클 엔진

유사한 지연 밸브 폐쇄 방법이 앳킨슨 사이클 엔진의 일부 현대 버전에서 사용되지만 슈퍼차징은 없다. 이러한 엔진은 일반적으로 효율이 목표인 하이브리드 전기자동차에서 발견되며, 밀러 사이클에 비해 손실된 동력은 전기모터를 이용하여 구성된다.^[3]

참조