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Compressore e ciclo Miller: come esplode l'energia nel motore?
Nell'ingegneria moderna, il ciclo Miller è considerato un ciclo termodinamico innovativo, soprattutto nella progettazione di motori a combustione interna. Brevettata per la prima volta dall'ingegnere americano Ralph Miller nel 1957, questa tecnologia del motore combina i vantaggi di un compressore per migliorare le prestazioni del motore e ottenere una maggiore efficienza del carburante.
I motori a combustione interna tradizionali utilizzano principalmente quattro tempi, di cui due ad alta potenza: corsa di compressione e corsa di potenza. Nel ciclo Miller la valvola di aspirazione rimane aperta per lungo tempo, determinando la suddivisione della corsa di compressione in due fasi. Durante questo processo, parte della miscela di carburante che entra nel cilindro viene respinta nella luce di aspirazione, il che di solito si traduce in una perdita di potenza, ma il ciclo Miller compensa questa perdita con l'assistenza di un compressore.
Il ciclo Miller è caratterizzato dal "quinto tempo", cosa non comune nei motori tradizionali.
La progettazione del rapporto di compressione e del rapporto di espansione del motore a ciclo Miller rende la compressione della miscela di carburante più efficiente. Quando la valvola di aspirazione è chiusa, il pistone effettua una vera e propria compressione, che consente al motore di funzionare a una temperatura più bassa, migliorando così il rendimento termico complessivo.
Principio di funzionamento del ciclo Miller
Nel ciclo Miller, il funzionamento del compressore è fondamentale. Questo dispositivo può comunque produrre una spinta sufficiente a velocità relativamente basse, consentendo al motore di mantenere buone prestazioni in varie condizioni operative. Al contrario, l’efficienza operativa può essere ulteriormente migliorata attraverso la combinazione di compressore e turbocompressore, ma ciò deriva anche da sfide tecniche più elevate.
Una caratteristica notevole del ciclo Miller è che quando il pistone inizia a comprimere il carburante, la valvola di aspirazione è ancora aperta, per cui durante la parte iniziale della corsa di compressione, il pistone spinge parte della miscela di carburante nuovamente nel ciclo nuovamente il collettore di aspirazione. Questa può sembrare una perdita, ma è più che compensata dalla potenza della sovralimentazione.
Controllo della temperatura di gonfiaggio
Uno dei vantaggi del ciclo Miller è che può ridurre la temperatura del gas in ingresso. Attraverso l'effetto di raffreddamento del compressore, questa operazione non solo migliora le prestazioni di potenza del motore, ma aumenta anche la densità dell'aria riducendo la pressione. L'intento alla base di questo progetto è quello di migliorare l'efficienza della combustione e ridurre le emissioni di ossido di azoto, che è particolarmente importante nei grandi motori diesel delle navi e delle centrali elettriche.
La riduzione della temperatura di carica finale migliora costantemente l'efficienza complessiva del motore e può far avanzare ulteriormente i tempi di accensione e superare il normale limite di detonazione.
Rapporto di compressione ed efficienza energetica
Il ciclo Miller aumenta notevolmente l'efficienza energetica grazie alla sua efficace combinazione di rapporti di compressione ed espansione. Poiché durante la fase di espansione il gas può espandersi quasi fino alla pressione atmosferica, si creano buone condizioni per il recupero di energia del motore. Tuttavia, questi progetti comportano anche alcuni compromessi, come la perdita di un compressore e fluttuazioni nelle prestazioni.
Sfida del compressore
Sebbene l'utilizzo di un compressore volumetrico possa migliorare le prestazioni del motore, causerà anche un'ulteriore perdita di energia, pari a circa il 15-20% della potenza generata. Inoltre, il turbocompressore potrebbe subire un ritardo a bassi regimi, il che richiede che il motore faccia affidamento sul ciclo Miller per continuare a funzionare a regimi più bassi per compensare il divario di prestazioni.
Riepilogo
Nell'attuale progettazione automobilistica, il ciclo Miller è senza dubbio una caratteristica importante che migliora l'efficienza della combustione. Che si tratti di un'auto di largo consumo o di un'auto da corsa ad alte prestazioni, questo design del motore mostra i suoi eccellenti vantaggi e praticità. Con lo sviluppo della tecnologia, in futuro l’equilibrio tra tecnologia di sovralimentazione e ciclo motore diventerà sempre più critico. Quindi, come possono i futuri progetti di motori trovare il miglior equilibrio tra prestazioni e tutela dell’ambiente?
