Miller-Kreisprozess: Unterschied zwischen den Versionen
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Der '''Miller-Kreisprozess''' ist benannt nach dem [[Erfinder]] [[Ralph Miller]], der sich 1957 einen [[Ventiltrieb]] [[patent]]ieren ließ, bei dem das Einlassventil | Der '''Miller-Kreisprozess''' (auch '''Miller-''Zyklus''''') für [[Verbrennungsmotor]]en ist benannt nach dem [[Erfinder]] [[Ralph Miller (Erfinder)|Ralph Miller]], der sich 1957 einen [[Ventiltrieb]] [[patent]]ieren ließ, bei dem das Einlassventil sehr ''früh'', noch während des Ansaugtaktes schließt.<ref name="Basshuysen" /> Die Füllung und der Verdichtungsenddruck wird dadurch verkleinert, das Verdichtungs- und damit das Expansionsverhältnis bleibt jedoch gleich. Dies bewirkt beim [[Miller-Motor]] eine Steigerung des [[Thermodynamischer Kreisprozess|thermodynamischen]] [[Wirkungsgrad]]es durch bessere Ausnutzung der [[Expansionsmaschine|Expansionsenergie]] im Arbeitstakt. Der Miller-Kreisprozess ist eine Adaption des [[Atkinson-Kreisprozess]]es für Motoren mit einfachem [[Kurbelwelle|Kurbeltrieb]]. | ||
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[[ | [[Bild:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif|mini|[[Viertaktmotor|Viertaktzyklus]] eines ideal-typisch langsam laufenden [[Ottomotor]]s: 1: „Ansaugen“ ➝ 2: „Verdichten“ ➝ 3: „Expandieren“ ➝ 4: „Ausschieben“ | ||
real schnell laufend bleibt nach Takt 1 der [[Einlassventil|Einlass]] über den [[Totpunkt|UT]] hinaus geöffnet, um mehr Zeit zum Einströmen der [[Frischladung]] zu lassen, während der [[Kolben]] bereits zum Verdichten ansetzt. ➯ Beim [[Miller-Motor]] muss man sich den Einlass-Schluss (Es) etwa bei 45–90° [[Kurbelwinkel]] ''vor'' UT vorstellen, woraus der verminderte [[Liefergrad]] resultiert.|300x300px]] | |||
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Beim Miller-Kreisprozess wird beim Ansaughub das Einlassventil deutlich vor Erreichen des unteren [[Totpunkt|Totpunktes (UT)]] geschlossen, so dass auch ohne [[Drosselklappe (Motor)|Drosselung]] nur relativ wenig [[Frischladung]] (Gemisch oder bei [[Direkteinspritzung]] Luft) in den Zylinder gelangt und der untere Totpunkt mit Unterdruck durchlaufen wird (verminderter [[Liefergrad]]). Je nach Konzept wird das geometrische [[Verdichtungsverhältnis]] beibehalten (verringerte [[Klopfen (Verbrennungsmotor)|Klopfneigung]], weniger [[Stickoxid]]bildung)<ref>Günter P. Merker; Rüdiger Teichmann (Hrsg.): ''Grundlagen Verbrennungsmotoren'', 7. Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014, Abschnitt 7.2 ''Innermotorische Schadstoffbildung und -reduktion''. ISBN 978-3-658-03194-7.</ref> oder erhöht (weitere Steigerung des [[Wirkungsgrad]]es).<ref>''Der neue 2,0-l-R4-TFSI-Motor von Audi.'' MTZ 05/2016, S. 16–23. {{ISSN|0024-8525}} 10814.</ref> | |||
=== Verdichtungsverhältnis & Effizienz === | |||
Wenn das [[Verdichtungsverhältnis]] entsprechend höher gewählt wird, herrscht durch die geringere Frischladung nach dem Verdichtungshub (im oberen Totpunkt OT) gleicher Druck, wie sonst bei vollständiger Ladung: Ohne den kritischen Verdichtungsenddruck zu verändern, wird so weniger Gemisch verbrannt und dafür dessen geometrisches Expansionsverhältnis vergrößert, so dass der Arbeitshub die [[Expansionsmaschine|Expansionsenergie]] besser ausnutzen kann: Beim Auslass wird weniger ungenutzte Energie (Restdruck) freigesetzt und die reduzierte Abgastemperatur erleichtert technisch die Anwendung eines [[Turbolader]]s, der durch [[Aufladung (Verbrennungsmotor)|Aufladung]] mit [[Ladeluftkühlung]] den Leistungsverlust der verringerten Zylinderfüllung ausgleichen kann, indem er während des Einlass-Taktes zusätzliches Drehmoment liefert, wo sonst Ansaugarbeit geleistet werden müsste. | |||
Gleiche [[Motorleistung]] erfordert aber beim [[Miller-Motor]] prinzipiell größeren Hubraum, weil die höhere Effizienz mit einer niedrigeren spezifischen [[Hubraumleistung]] verbunden ist. | |||
=== Motorsteuerung === | |||
Um für [[Fahrzeugmotor]]en eine [[Quantitätsregelung]] des Drehmoments über weite Drehzahlbereiche zu ermöglichen, wird der Miller-Kreisprozess heute meist mit [[variable Ventilsteuerung|variabler Ventilsteuerung]] realisiert, da die verlustreiche klassische Steuerung mit [[Drosselklappe (Motor)|Drosselklappe]] ohnehin dem Ziel der Effizienzsteigerung widerspricht. Bei einem [[Miller-Motor]] mit fester Ventilsteuerung nehmen (anders als beim [[Atkinson-Motor]]) mit wachsender Drehzahl der [[Liefergrad]] und das Drehmoment stark ab, was den Einsatzbereich einschränkt, aber etwa als Pumpen-Motor eine einfache Selbstregelung bewirkt. | |||
== Anwendung == | == Anwendung == | ||
* Seit 1997 nutzt [[Toyota]] im [[Toyota | * Seit 1997 nutzt ''[[Toyota]]'' den Miller-Zyklus im ''[[Toyota Prius]]''. 2014 kamen mit dem ''8AR-FTS'' im [[Lexus NX|''Lexus NX 200t'']], dem ''2UR-GSE'' im [[Lexus RC|''Lexus RC-F'']] und dem ''1NR-FKE'' im ''[[Toyota Yaris]]'' die ersten Motoren auf den Markt, die mit Toyotas [[variable Ventilsteuerung|variabler Ventilsteuerung]] ''VVT-iE'' sowohl im Miller-Zyklus als auch im normalen Otto-Zyklus arbeiten können. | ||
* 2008 bot der Hersteller [[Mazda]] im [[Mazda2]] einen 1,3-l-[[Motor]] mit [[OHC-Ventilsteuerung|zwei obenliegenden]] Nockenwellen an | * 2008 bot der Hersteller ''[[Mazda]]'' im ''[[Mazda2]]'' einen 1,3-l-[[Miller-Motor]] mit [[OHC-Ventilsteuerung|zwei obenliegenden]] Nockenwellen an. Hierbei wird jedoch kein [[Kompressor]] eingebaut, sondern ein [[stufenloses Getriebe]] ([[Continuously variable transmission|CVT]]). Der [[Motorenbenzin|Benzin]][[verbrauch]] soll sich von 5,2 Liter/100 km auf 4,4 Liter/100 km verringern ([[japan]]ischer Verbrauchszyklus, da nur dort verfügbar). | ||
* Der [[Mazda Xedos 9]] arbeitete nach dem eng verwandten [[Atkinson-Kreisprozess | |||
* | * Der ''[[Mazda Xedos 9]]'' arbeitete nach dem eng verwandten modifizierten [[Atkinson-Kreisprozess]]. | ||
* Der 2015 vorgestellte neue [[Audi A4]] nutzt im 2,0-l-TFSI-Ottomotor mit 140 kW (190 PS) | |||
* 2009 stellte ''[[Mercedes]]'' seinen S 400 [[Hybrid]] vor, der den modifizierten Atkinson-Zyklus nutzt.<ref>{{Internetquelle |url=http://media.daimler.com/dcmedia/0-921-614216-49-1205360-1-0-0-0-0-0-11702-0-0-1-0-0-0-0-0.html |werk=daimler.com |hrsg=[[Daimler AG]] |titel=S 400 HYBRID: CO2-Champion mit effizientem Hybridantrieb |datum=2009-05-11 |abruf=2019-10-27 |archiv-url=https://archive.today/20120712072207/http://media.daimler.com/dcmedia/0-921-614216-49-1205360-1-0-0-0-0-0-11702-0-0-1-0-0-0-0-0.html |archiv-datum=2012-07-12}}</ref> | |||
* 2010 stellte ''[[Nissan (Automobilhersteller)|Nissan]]'' einen 1,2-l-Dreizylinder-Motor mit der Bezeichnung ''HR12DDR'' vor, der mit ''Eaton-TVS''-Kompressor und Miller-Zyklus 72 kW (98 PS) leistet. Den Zyklus erreicht er über seine variable Ventilsteuerung; weitere Effizienz-Maßnahmen umfassen [[Direkteinspritzung]] und [[Start-Stopp-System]].<ref>[http://www.micrafanpage.de/neuer-dreizylinder-benzinmotor-fuer-den-nissan-micra#more-517 ''Neuer Dreizylinder-Benzinmotor für den Nissan Micra.''] In: ''micrafanpage.de''. 3. August 2010, abgerufen am 20. September 2010.</ref> Der Motor befand sich im Sommer 2010 noch in der Erprobungsphase. | |||
* Der 2015 vorgestellte neue ''[[Audi A4]]'' nutzt im 2,0-l-''TFSI''-Ottomotor mit 140 kW (190 PS) den Miller-Zyklus in bestimmten Betriebszuständen, vor allem bei Teillast. Der Motor wird mittlerweile auch in anderen Modellreihen des Herstellers angeboten.<ref>[https://www.automobil-produktion.de/technik-produktion/fahrzeugtechnik/audis-neuer-2-0-tfsi-dank-neuartigem-brennverfahren-noch-sparsamer-378.html ''Audis neuer 2.0 TFSI – Dank neuartigem Brennverfahren noch sparsamer.''] In: ''automobil-produktion.de''. 7. Mai 2015, abgerufen am 19. Februar 2017.</ref> | |||
== Vergleich Miller- und Atkinson-Zyklus == | == Vergleich von Miller-Zyklus und (modifiziertem) Atkinson-Zyklus == | ||
Bei modernen Motoren (Otto wie Diesel<ref name="MTZ0616"> | Bei modernen Motoren (Otto wie Diesel)<ref name="MTZ0616">''Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote.'' MTZ 06/2016, S. 50–55, {{ISSN|0024-8525}} 10814.</ref> wird unter dem ''modifizierten'' [[Atkinson-Kreisprozess|''Atkinson-Prozess'']] das sehr späte Schließen des Einlassventils verstanden, also deutlich ''nach'' dem unteren Totpunkt (UT), während beim Miller-Zyklus das Einlassventil deutlich ''vor'' UT geschlossen wird.<ref name="Reif">Konrad Reif (Hrsg.): ''Ottomotor-Management im Überblick''. Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt ''Zylinderfüllung''. ISBN 978-3-658-09523-9.</ref><ref name="Basshuysen">Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.): ''Handbuch Verbrennungsmotor''. 8. Auflage 2017, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Abschnitt 7.10.1.5 ''Variable Ventiltriebe''. ISBN 978-3-658-10901-1.</ref> | ||
Der Effekt der verminderten [[Frischladung]] ist der gleiche; anders als beim Miller-Zyklus kann man beim Atkinson-Zyklus die Gasdynamik des Ansaugvorgangs nutzen<ref name="Reif" />: Im Gegensatz zum Miller-Zyklus erhöht der Atkinson-Zyklus auch bei fester Ventilsteuerung mit wachsender Drehzahl den Liefergrad und damit das Drehmoment, so dass er sich auch ohne [[Nockenwellenverstellung]] gut einsetzen lässt. Mit etwas Mehraufwand für eine [[variable Ventilsteuerung]] ist der Miller-Zyklus jedoch effizienter.<ref name="MTZ0616" /> | |||
== Siehe auch == | == Siehe auch == | ||
* [[ | * [[Miller-Motor]] | ||
* [[Atkinson-Motor]] | |||
== Literatur == | |||
* {{Patent | |||
|Land = US | |||
|V-Nr = 2817322 | |||
|Typ = Patent | |||
|Titel = Supercharged engine | |||
|A-Datum = 1956-04-30 | |||
|V-Datum = 1957-12-24 | |||
|Erfinder = Ralph Miller | |||
|DB = Google | |||
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== Weblinks == | |||
* {{Webarchiv | url=http://www.ae-plus.com/Key%20topics/kt-Powertrain-news23.htm | wayback=20091218104626 | text=Mazda’s Miller cycle engine drops the supercharger}}, Artikel im ''Automotive Engineer,'' Juni 2007 (englisch) | |||
* {{Webarchiv | url=http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2007/200705/070531.html | wayback=20160528103805 | text=Mazda Develops New Naturally-Aspirated MZR 1.3L Miller-cycle Engine}}, Pressemitteilung von Mazda, 31. Mai 2007 (englisch) | |||
== Einzelnachweise == | == Einzelnachweise == | ||
<references /> | <references /> | ||
[[Kategorie:Thermodynamischer Kreisprozess]] | [[Kategorie:Thermodynamischer Kreisprozess]] | ||
Aktuelle Version vom 23. November 2021, 09:31 Uhr
Der Miller-Kreisprozess (auch Miller-Zyklus) für Verbrennungsmotoren ist benannt nach dem Erfinder Ralph Miller, der sich 1957 einen Ventiltrieb patentieren ließ, bei dem das Einlassventil sehr früh, noch während des Ansaugtaktes schließt.[1] Die Füllung und der Verdichtungsenddruck wird dadurch verkleinert, das Verdichtungs- und damit das Expansionsverhältnis bleibt jedoch gleich. Dies bewirkt beim Miller-Motor eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades durch bessere Ausnutzung der Expansionsenergie im Arbeitstakt. Der Miller-Kreisprozess ist eine Adaption des Atkinson-Kreisprozesses für Motoren mit einfachem Kurbeltrieb.
Grundlagen
Viertaktzyklus eines ideal-typisch langsam laufenden Ottomotors: 1: „Ansaugen“ ➝ 2: „Verdichten“ ➝ 3: „Expandieren“ ➝ 4: „Ausschieben“ real schnell laufend bleibt nach Takt 1 der Einlass über den UT hinaus geöffnet, um mehr Zeit zum Einströmen der Frischladung zu lassen, während der Kolben bereits zum Verdichten ansetzt. ➯ Beim Miller-Motor muss man sich den Einlass-Schluss (Es) etwa bei 45–90° Kurbelwinkel vor UT vorstellen, woraus der verminderte Liefergrad resultiert.
Beim Miller-Kreisprozess wird beim Ansaughub das Einlassventil deutlich vor Erreichen des unteren Totpunktes (UT) geschlossen, so dass auch ohne Drosselung nur relativ wenig Frischladung (Gemisch oder bei Direkteinspritzung Luft) in den Zylinder gelangt und der untere Totpunkt mit Unterdruck durchlaufen wird (verminderter Liefergrad). Je nach Konzept wird das geometrische Verdichtungsverhältnis beibehalten (verringerte Klopfneigung, weniger Stickoxidbildung)[2] oder erhöht (weitere Steigerung des Wirkungsgrades).[3]
Verdichtungsverhältnis & Effizienz
Wenn das Verdichtungsverhältnis entsprechend höher gewählt wird, herrscht durch die geringere Frischladung nach dem Verdichtungshub (im oberen Totpunkt OT) gleicher Druck, wie sonst bei vollständiger Ladung: Ohne den kritischen Verdichtungsenddruck zu verändern, wird so weniger Gemisch verbrannt und dafür dessen geometrisches Expansionsverhältnis vergrößert, so dass der Arbeitshub die Expansionsenergie besser ausnutzen kann: Beim Auslass wird weniger ungenutzte Energie (Restdruck) freigesetzt und die reduzierte Abgastemperatur erleichtert technisch die Anwendung eines Turboladers, der durch Aufladung mit Ladeluftkühlung den Leistungsverlust der verringerten Zylinderfüllung ausgleichen kann, indem er während des Einlass-Taktes zusätzliches Drehmoment liefert, wo sonst Ansaugarbeit geleistet werden müsste.
Gleiche Motorleistung erfordert aber beim Miller-Motor prinzipiell größeren Hubraum, weil die höhere Effizienz mit einer niedrigeren spezifischen Hubraumleistung verbunden ist.
Motorsteuerung
Um für Fahrzeugmotoren eine Quantitätsregelung des Drehmoments über weite Drehzahlbereiche zu ermöglichen, wird der Miller-Kreisprozess heute meist mit variabler Ventilsteuerung realisiert, da die verlustreiche klassische Steuerung mit Drosselklappe ohnehin dem Ziel der Effizienzsteigerung widerspricht. Bei einem Miller-Motor mit fester Ventilsteuerung nehmen (anders als beim Atkinson-Motor) mit wachsender Drehzahl der Liefergrad und das Drehmoment stark ab, was den Einsatzbereich einschränkt, aber etwa als Pumpen-Motor eine einfache Selbstregelung bewirkt.
Anwendung
- Seit 1997 nutzt Toyota den Miller-Zyklus im Toyota Prius. 2014 kamen mit dem 8AR-FTS im Lexus NX 200t, dem 2UR-GSE im Lexus RC-F und dem 1NR-FKE im Toyota Yaris die ersten Motoren auf den Markt, die mit Toyotas variabler Ventilsteuerung VVT-iE sowohl im Miller-Zyklus als auch im normalen Otto-Zyklus arbeiten können.
- 2008 bot der Hersteller Mazda im Mazda2 einen 1,3-l-Miller-Motor mit zwei obenliegenden Nockenwellen an. Hierbei wird jedoch kein Kompressor eingebaut, sondern ein stufenloses Getriebe (CVT). Der Benzinverbrauch soll sich von 5,2 Liter/100 km auf 4,4 Liter/100 km verringern (japanischer Verbrauchszyklus, da nur dort verfügbar).
- Der Mazda Xedos 9 arbeitete nach dem eng verwandten modifizierten Atkinson-Kreisprozess.
- 2009 stellte Mercedes seinen S 400 Hybrid vor, der den modifizierten Atkinson-Zyklus nutzt.[4]
- 2010 stellte Nissan einen 1,2-l-Dreizylinder-Motor mit der Bezeichnung HR12DDR vor, der mit Eaton-TVS-Kompressor und Miller-Zyklus 72 kW (98 PS) leistet. Den Zyklus erreicht er über seine variable Ventilsteuerung; weitere Effizienz-Maßnahmen umfassen Direkteinspritzung und Start-Stopp-System.[5] Der Motor befand sich im Sommer 2010 noch in der Erprobungsphase.
- Der 2015 vorgestellte neue Audi A4 nutzt im 2,0-l-TFSI-Ottomotor mit 140 kW (190 PS) den Miller-Zyklus in bestimmten Betriebszuständen, vor allem bei Teillast. Der Motor wird mittlerweile auch in anderen Modellreihen des Herstellers angeboten.[6]
Vergleich von Miller-Zyklus und (modifiziertem) Atkinson-Zyklus
Bei modernen Motoren (Otto wie Diesel)[7] wird unter dem modifizierten Atkinson-Prozess das sehr späte Schließen des Einlassventils verstanden, also deutlich nach dem unteren Totpunkt (UT), während beim Miller-Zyklus das Einlassventil deutlich vor UT geschlossen wird.[8][1] Der Effekt der verminderten Frischladung ist der gleiche; anders als beim Miller-Zyklus kann man beim Atkinson-Zyklus die Gasdynamik des Ansaugvorgangs nutzen[8]: Im Gegensatz zum Miller-Zyklus erhöht der Atkinson-Zyklus auch bei fester Ventilsteuerung mit wachsender Drehzahl den Liefergrad und damit das Drehmoment, so dass er sich auch ohne Nockenwellenverstellung gut einsetzen lässt. Mit etwas Mehraufwand für eine variable Ventilsteuerung ist der Miller-Zyklus jedoch effizienter.[7]
Siehe auch
- Miller-Motor
- Atkinson-Motor
Literatur
- Patent US2817322: Supercharged engine. Angemeldet am 30. April 1956, veröffentlicht am 24. Dezember 1957, Erfinder: Ralph Miller.
Weblinks
- Mazda’s Miller cycle engine drops the supercharger (Memento vom 18. Dezember 2009 im Internet Archive), Artikel im Automotive Engineer, Juni 2007 (englisch)
- Mazda Develops New Naturally-Aspirated MZR 1.3L Miller-cycle Engine (Memento vom 28. Mai 2016 im Internet Archive), Pressemitteilung von Mazda, 31. Mai 2007 (englisch)
Einzelnachweise
- ↑ 1,0 1,1 Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor. 8. Auflage 2017, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Abschnitt 7.10.1.5 Variable Ventiltriebe. ISBN 978-3-658-10901-1.
- ↑ Günter P. Merker; Rüdiger Teichmann (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren, 7. Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014, Abschnitt 7.2 Innermotorische Schadstoffbildung und -reduktion. ISBN 978-3-658-03194-7.
- ↑ Der neue 2,0-l-R4-TFSI-Motor von Audi. MTZ 05/2016, S. 16–23. ISSN 0024-8525 10814.
- ↑ S 400 HYBRID: CO2-Champion mit effizientem Hybridantrieb. In: daimler.com. Daimler AG, 11. Mai 2009, archiviert vom Original am 12. Juli 2012; abgerufen am 27. Oktober 2019.
- ↑ Neuer Dreizylinder-Benzinmotor für den Nissan Micra. In: micrafanpage.de. 3. August 2010, abgerufen am 20. September 2010.
- ↑ Audis neuer 2.0 TFSI – Dank neuartigem Brennverfahren noch sparsamer. In: automobil-produktion.de. 7. Mai 2015, abgerufen am 19. Februar 2017.
- ↑ 7,0 7,1 Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote. MTZ 06/2016, S. 50–55, ISSN 0024-8525 10814.
- ↑ 8,0 8,1 Konrad Reif (Hrsg.): Ottomotor-Management im Überblick. Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt Zylinderfüllung. ISBN 978-3-658-09523-9.