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Kompressor und Miller-Zyklus: Wie entweicht die Energie im Motor?
In der modernen Technik gilt der Miller-Zyklus als innovativer thermodynamischer Kreisprozess, insbesondere bei der Konstruktion von Verbrennungsmotoren. Diese Motortechnologie wurde erstmals 1957 vom amerikanischen Ingenieur Ralph Miller patentiert und kombiniert die Vorteile eines Kompressors, um die Motorleistung zu verbessern und eine höhere Kraftstoffeffizienz zu erreichen.
Herkömmliche Verbrennungsmotoren verwenden meist vier Takte, darunter zwei Hochleistungstakte: Kompressionstakt und Arbeitstakt. Beim Miller-Zyklus ist das Einlassventil lange geöffnet, wodurch der Kompressionstakt in zwei Stufen aufgeteilt wird. Dabei wird ein Teil des in den Zylinder eintretenden Kraftstoffgemisches in den Ansaugkanal zurückgedrückt, was normalerweise zu einem Leistungsverlust führt. Der Miller-Zyklus gleicht diesen Verlust jedoch mithilfe eines Kompressors aus.
Der Miller-Zyklus zeichnet sich durch seinen „fünften Takt“ aus, der bei herkömmlichen Motorkonstruktionen nicht üblich ist.
Die Gestaltung des Verdichtungsverhältnisses und des Expansionsverhältnisses des Miller-Zyklusmotors macht die Verdichtung des Kraftstoffgemisches effizienter. Wenn das Einlassventil geschlossen ist, führt der Kolben eine echte Kompression aus, wodurch der Motor bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden kann und somit die thermische Gesamteffizienz verbessert wird.
Funktionsprinzip des Miller-Zyklus
Im Miller-Zyklus ist der Betrieb des Kompressors entscheidend. Dieses Gerät kann bei relativ niedrigen Drehzahlen immer noch ausreichend Ladedruck erzeugen, sodass der Motor unter verschiedenen Betriebsbedingungen eine gute Leistung aufrechterhalten kann. Im Gegensatz dazu kann die Betriebseffizienz durch die Kombination eines Kompressors und eines Turboladers weiter verbessert werden, was jedoch auch auf höhere technische Herausforderungen zurückzuführen ist.
Ein bemerkenswertes Merkmal des Miller-Zyklus besteht darin, dass das Einlassventil noch geöffnet ist, wenn der Kolben beginnt, den Kraftstoff zu komprimieren, sodass der Kolben während des ersten Teils des Kompressionshubs einen Teil des Kraftstoffgemischs zurück in den Kolben drückt Ansaugkrümmer. Das mag wie ein Verlust erscheinen, wird aber durch die Kraft der Aufladung mehr als ausgeglichen.
Kontrolle der Inflationstemperatur
Einer der Vorteile des Miller-Zyklus besteht darin, dass er die Temperatur des Einlassgases senken kann. Durch die Kühlwirkung des Kompressors verbessert dieser Vorgang nicht nur die Leistung des Motors, sondern erhöht auch die Dichte der Luft bei gleichzeitiger Druckreduzierung. Ziel dieser Konstruktion ist es, die Verbrennungseffizienz zu verbessern und die Stickoxidemissionen zu reduzieren, was insbesondere bei großen Dieselmotoren auf Schiffen und Kraftwerken wichtig ist.
Eine Reduzierung der endgültigen Ladungstemperatur verbessert kontinuierlich den Gesamtwirkungsgrad des Motors und kann den Zündzeitpunkt weiter vorverlegen und die normale Klopfgrenze durchbrechen.
Kompressionsverhältnis und Energieeffizienz
Der Miller-Zyklus erhöht die Energieeffizienz aufgrund seiner effektiven Kombination aus Kompressions- und Expansionsverhältnissen erheblich. Da das Gas beim Expansionshub nahezu auf Atmosphärendruck entspannt werden kann, sind gute Voraussetzungen für die Energierückgewinnung des Motors gegeben. Allerdings sind diese Konstruktionen auch mit einigen Kompromissen verbunden, etwa dem Verlust eines Kompressors und Leistungsschwankungen.
Supercharger-Herausforderung
Obwohl der Einsatz eines Verdrängerkompressors die Motorleistung verbessern kann, führt er auch zu zusätzlichen Energieverlusten, die etwa 15 bis 20 % der erzeugten Leistung ausmachen. Darüber hinaus kann es bei niedrigen Drehzahlen zu einer Verzögerung des Turboladers kommen, was dazu führt, dass der Motor auf den Miller-Zyklus angewiesen ist, um bei niedrigeren Drehzahlen weiterzuarbeiten, um die Leistungslücke auszugleichen.
Zusammenfassung
Im aktuellen Automobildesign ist der Miller-Zyklus zweifellos ein wichtiges Merkmal, das die Verbrennungseffizienz verbessert. Ob es sich um ein allgemeines Verbraucherauto oder einen Hochleistungsrennwagen handelt, dieses Motordesign zeigt seine hervorragenden Vorteile und Praktikabilität. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird das Gleichgewicht zwischen Aufladetechnologie und Motorzyklus in Zukunft immer wichtiger. Wie können also künftige Motordesigns die beste Balance zwischen Leistung und Umweltschutz finden?
