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La differenza segreta tra il ciclo Miller e il ciclo Atkinson: perché viene convertita più del 20% della potenza in uscita?
Nel campo dell'ingegneria dei motori a combustione interna, il ciclo Miller è un ciclo termodinamico proposto e brevettato dall'ingegnere americano Ralph Miller nel 1957, che ha segnato un cambiamento radicale nella tecnologia dei motori a combustione interna. Questa tecnologia non solo migliora l'efficienza operativa dei motori a combustione interna, ma getta anche le basi per sistemi energetici rispettosi dell'ambiente.
Il ciclo Miller è progettato per consentire al motore di funzionare in modo da compensare le perdite di prestazioni del ciclo Atkinson.
Principi fondamentali del ciclo di Miller
I motori a combustione interna a pistoni convenzionali funzionano generalmente utilizzando quattro tempi, due dei quali sono considerati tempi ad alta potenza: la fase di compressione e la fase di potenza. Nel ciclo Miller, il tempo di apertura della valvola di aspirazione viene prolungato in modo che parte del gas miscelato possa essere espulso all'inizio della fase di compressione, formando la cosiddetta "quinta fase". Sebbene questa progettazione contribuisca a migliorare l'efficienza di conversione dell'energia, crea anche delle difficoltà perché parte del gas viene reimmesso nel collettore di aspirazione.
Nel ciclo Miller, questa perdita viene compensata dall'uso di un compressore, che migliora l'efficienza complessiva del motore.
Temperatura di carica e rapporto di compressione
Nel ciclo Miller, le basse temperature aumentano la densità dell'aria, incrementando così la potenza del motore senza aumentare il rapporto di compressione del cilindro e del pistone. Abbassando la temperatura di carica, la miscela di carburante brucia con una forza maggiore, contribuendo a ridurre le emissioni di ossido di azoto (NOx), soprattutto nei motori diesel per impieghi pesanti.
Inoltre, il rapporto di espansione superiore del ciclo Miller rispetto al rapporto di compressione consente di estrarre più potenza durante il processo di combustione, aumentando l'efficienza complessiva del motore. Ciò dimostra che le potenziali applicazioni di questa tecnologia nell'aviazione e nel trasporto industriale sono molto ampie.
Aumentando il rapporto di compressione effettivo e il rapporto di espansione, il ciclo Miller raggiunge l'obiettivo di migliorare l'efficienza energetica.
Vantaggi e sfide dei compressori e dei turbocompressori
Nel ciclo Miller, il compressore solitamente provoca una perdita di potenza di circa il 15%-20% per azionare il compressore per caricare, il che rappresenta lo svantaggio. In confronto, però, i turbocompressori riescono a utilizzare i gas di scarico in modo più efficiente, riducendo la dipendenza dalla potenza e la perdita di pressione, soprattutto quando non è richiesto il funzionamento a bassa velocità.
Sebbene i turbocompressori presentino dei ritardi nelle prestazioni, il loro potenziale di applicazione nei motori commerciali non può essere sottovalutato man mano che la tecnologia avanza.
Vantaggi e applicazioni del ciclo Miller
Il vantaggio principale del ciclo Miller è che il suo rapporto di espansione è maggiore del rapporto di compressione, il che consente di ridurre più efficacemente le emissioni durante il funzionamento e di migliorare ulteriormente le prestazioni del motore. Questa tecnologia è particolarmente adatta ai motori diesel utilizzati nelle navi e nelle grandi centrali elettriche.
Sebbene il ciclo Miller abbia una potenza in uscita migliore rispetto al ciclo Atkinson, nelle applicazioni pratiche è comunque necessario bilanciare il rapporto tra efficienza e costo strutturale in modo da apportare modifiche in base alle effettive esigenze.Nel contesto del perseguimento di uno sviluppo sostenibile, il modo in cui integrare efficacemente queste tecnologie avanzate sarà la chiave per promuovere il progresso della tecnologia dei motori a combustione interna.
Con la crescente domanda di viaggi ecosostenibili, la tecnologia dei motori a combustione interna si trova ad affrontare sfide e opportunità importanti. L'ulteriore sviluppo e applicazione del ciclo di Miller potrebbero dare nuovo impulso ai trasporti del futuro. Con il progredire della tecnologia, quale tipo di propulsore pensi che diventerà il più diffuso nel prossimo mercato?
