دورة ميللر

الديناميكا الحرارية
محرك كارنو الحراري الكلاسيكي
الفروع كلاسيكي إحصائية كيميائي الديناميكا الحرارية الكمومية التوازن  / عدم التوازن
القوانين صفر أولاً ثانية ثالث
الأنظمة نظام مغلق نظام مفتوح نظام معزول ولاية معادلة الحالة الغاز المثالي الغاز الحقيقي حالة المادة الطور (المادة) التوازن التحكم في مستوى الصوت الآلات الموسيقية العمليات متساوي الضغط متساوي الأضلاع متحاور أدياباتيك إيزنتروبيا إيزنثالبيك شبه ثابت متعدد الخواص التوسعة المجانية قابلية الانعكاس عدم الرجوع قابلية الرجوع إلى الوراء الدورات محركات حرارية مضخات الحرارة الكفاءة الحرارية
خصائص النظام Note: Conjugate variables in italics Property diagrams Intensive and extensive properties Process functions Work Heat Functions of state Temperature / Entropy (introduction) Pressure / Volume Chemical potential / Particle number Vapor quality Reduced properties
Material properties Property databases Specific heat capacity  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compressibility  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Thermal expansion  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Equations Carnot's theorem Clausius theorem Fundamental relation Ideal gas law Maxwell relations Onsager reciprocal relations Bridgman's equations Table of thermodynamic equations
Potentials Free energy Free entropy Internal energy ${\displaystyle U(S,V)}$ Enthalpy ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholtz free energy ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibbs free energy ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
History Culture History General Entropy Gas laws "Perpetual motion" machines Philosophy Entropy and time Entropy and life Brownian ratchet Maxwell's demon Heat death paradox Loschmidt's paradox Synergetics Theories Caloric theory Vis viva ("living force") Mechanical equivalent of heat Motive power Key publications An Inquiry Concerning the Source ... Friction On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Reflections on the Motive Power of Fire Timelines Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Scientists Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Other Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder
Category
v t e

في الهندسة ، دورة ميلر هي دورة ترموديناميكية تستخدم في نوع من محركات الاحتراق الداخلي . تم تسجيل براءة اختراع دورة ميلر من قبل رالف ميلر ، وهو مهندس أمريكي ، براءة اختراع أمريكية رقم 2,817,322 بتاريخ 24 ديسمبر 1957. قد يكون المحرك ثنائي أو رباعي الأشواط وقد يعمل بوقود الديزل أو الغازات أو الوقود المزدوج. ^[1] يستخدم شاحنًا فائقًا أو شاحنًا توربينيًا للتعويض عن فقدان الأداء لدورة أتكينسون .

استُخدم هذا النوع من المحركات لأول مرة في السفن ومحطات توليد الطاقة الثابتة، ويُستخدم الآن في بعض قاطرات السكك الحديدية مثل GE PowerHaul . وقد تكيفت معه شركة Mazda لمحركها KJ-ZEM V6 ، المستخدم في سيارة Millenia سيدان، وفي سياراتها الفاخرة Eunos 800 سيدان (أستراليا). كما جمعت شركة Subaru بين محرك Miller-cycle flat-4 مع مجموعة نقل حركة هجينة لسيارة "Turbo Parallel Hybrid" النموذجية، والمعروفة باسم Subaru B5-TPH . كما قدمت شركة Nissan محركًا صغيرًا بثلاث أسطوانات مع توقيت صمام سحب متغير يدعي تشغيل دورة أتكينسون عند الحمل المنخفض (وبالتالي فإن كثافة الطاقة المنخفضة ليست عائقًا) ودورة ميلر عند التعزيز الخفيف.

يستخدم محرك الاحتراق الداخلي الترددي التقليدي أربع أشواط، يمكن اعتبار اثنتين منها ذات قدرة عالية: شوط الانضغاط (تدفق عالي القدرة من العمود المرفقي إلى الشحنة ) وشوط القدرة (تدفق عالي القدرة من غازات الاحتراق إلى العمود المرفقي).

في دورة ميللر، يُترك صمام السحب مفتوحًا لفترة أطول مما هو عليه في محرك دورة أوتو . في الواقع، تتكون شوط الانضغاط من دورتين منفصلتين: الجزء الأولي عندما يكون صمام السحب مفتوحًا والجزء النهائي عندما يكون صمام السحب مغلقًا. تخلق شوط الانضغاط المكون من مرحلتين ما يسمى بالشوط "الخامس" الذي تقدمه دورة ميللر. عندما يتحرك المكبس في البداية لأعلى في ما يسمى تقليديًا بشوط الانضغاط، يتم طرد الشحنة جزئيًا للخارج من خلال صمام السحب المفتوح. عادةً، يؤدي فقدان هواء الشحنة هذا إلى فقدان الطاقة. ومع ذلك، في دورة ميللر، يتم تعويض ذلك باستخدام شاحن فائق . عادةً ما يحتاج الشاحن الفائق إلى أن يكون من النوع ذي الإزاحة الإيجابية ( الجذور أو اللولب) نظرًا لقدرته على إنتاج دفعة عند سرعات محرك منخفضة نسبيًا. وإلا، ستعاني الطاقة منخفضة السرعة. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام شاحن توربيني لتحقيق كفاءة أكبر، إذا لم تكن هناك حاجة إلى التشغيل بسرعة منخفضة، أو استكماله بمحركات كهربائية.

في محرك دورة ميلر، يبدأ المكبس في ضغط خليط الوقود والهواء فقط بعد إغلاق صمام السحب؛ ويغلق صمام السحب بعد أن يقطع المكبس مسافة معينة فوق موضعه الأدنى: حوالي 20 إلى 30% من إجمالي حركة المكبس في هذه الشوط الصاعد. لذا في محرك دورة ميلر، يضغط المكبس في الواقع خليط الوقود والهواء فقط خلال 70% إلى 80% الأخيرة من شوط الانضغاط. أثناء الجزء الأولي من شوط الانضغاط، يدفع المكبس جزءًا من خليط الوقود والهواء عبر صمام السحب المفتوح، ثم يعود إلى مشعب السحب.

يتم ضغط هواء الشحن باستخدام شاحن فائق (وتبريده بواسطة مبرد داخلي ) إلى ضغط أعلى من الضغط المطلوب لدورة المحرك، ولكن يتم تقليل ملء الأسطوانات من خلال التوقيت المناسب لصمام المدخل. وبالتالي فإن تمدد الهواء والتبريد الناتج عنه يحدث في الأسطوانات وجزئيًا في المدخل. يسمح خفض درجة حرارة شحنة الهواء / الوقود بزيادة قوة محرك معين دون إجراء أي تغييرات كبيرة مثل زيادة علاقة ضغط الأسطوانة / المكبس. عندما تكون درجة الحرارة أقل في بداية الدورة، تزداد كثافة الهواء دون تغيير في الضغط (يتم تحويل الحد الميكانيكي للمحرك إلى طاقة أعلى). في نفس الوقت، يتحول حد الحمل الحراري بسبب انخفاض درجات الحرارة المتوسطة للدورة. ^[2]

يسمح هذا بتقدم توقيت الاشتعال إلى ما هو أبعد مما هو مسموح به عادة قبل بدء التفجير، وبالتالي زيادة الكفاءة الإجمالية بشكل أكبر. ميزة إضافية لدرجة حرارة الشحنة النهائية المنخفضة هي أن انبعاث أكاسيد النيتروجين في محركات الديزل ينخفض، وهو معلمة تصميم مهمة في محركات الديزل الكبيرة على متن السفن ومحطات الطاقة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تزداد الكفاءة من خلال الحصول على نفس نسبة الضغط الفعالة ونسبة التمدد الأكبر. وهذا يسمح باستخراج المزيد من العمل من الغازات المتمددة حيث تتمدد تقريبًا إلى الضغط الجوي. في محرك الإشعال بالشرارة العادي في نهاية شوط التمدد لدورة الخانق المفتوحة على مصراعيها، تكون الغازات عند حوالي خمسة أجواء عندما يفتح صمام العادم. ولأن الشوط يقتصر على شوط الضغط، فلا يزال من الممكن استخراج بعض العمل من الغاز. يؤدي تأخير إغلاق صمام السحب في دورة ميلر في الواقع إلى تقصير شوط الانضغاط مقارنة بشوط التمدد. وهذا يسمح بتمدد الغازات إلى الضغط الجوي، مما يزيد من كفاءة الدورة.

إن فوائد استخدام الشواحن التوربينية ذات الإزاحة الإيجابية تأتي مع تكلفة بسبب الحمل الطفيلي . عادةً ما تكون هناك حاجة إلى حوالي 15 إلى 20% من الطاقة المولدة بواسطة محرك فائق الشحن للقيام بعمل تشغيل الشاحن الفائق، والذي يضغط على شحنة السحب (المعروفة أيضًا باسم التعزيز). من ناحية أخرى، في حين أن الشواحن التوربينية ليست عالية من حيث كونها حملًا طفيليًا، فإن لف التوربين من غازات العادم من شأنه أن يؤدي إلى تعطل المحرك في دورة أتكينسون عند دورات في الدقيقة أقل. يمكن معالجة هذا التناقض من حيث المبدأ بتقنيات مثل MGU-H التي تم استخدامها في الفورمولا 1 ولكن لم يتم تنفيذ ذلك مطلقًا على المحركات التجارية وأقل تحديدًا على محركات دورة أتكينسون.

الميزة الرئيسية لهذه الدورة هي أن نسبة التمدد أكبر من نسبة الانضغاط. ومن خلال التبريد الداخلي بعد الشحن الفائق الخارجي، توجد فرصة لتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين للديزل، أو الطرق لمحركات الاشتعال بالشرارة. ومع ذلك، هناك حاجة إلى موازنة العديد من التنازلات المتعلقة بزيادة كفاءة النظام والاحتكاك (بسبب الإزاحة الأكبر) لكل تطبيق.

قد تصف النظرة العامة المذكورة أعلاه نسخة حديثة من دورة ميللر، لكنها تختلف في بعض النواحي عن براءة الاختراع لعام 1957. تصف براءة الاختراع "طريقة جديدة ومحسنة لتشغيل محرك مبرد داخلي فائق الشحن". قد يكون المحرك ثنائي الدورة أو رباعي الدورة وقد يكون الوقود ديزل أو وقود مزدوج أو غاز. من الواضح من السياق أن "الغاز" يعني الوقود الغازي وليس البنزين . شاحن الضغط الموضح في المخططات هو شاحن توربيني ، وليس شاحن فائق الإزاحة موجب. يحتوي المحرك (سواء كان رباعي الأشواط أو ثنائي الأشواط) على تصميم صمام أو منفذ تقليدي، ولكن يوجد "صمام تحكم في الضغط" (CCV) إضافي في رأس الأسطوانة. تتحكم آلية المؤازرة، التي تعمل بضغط مشعب السحب، في رفع CCV أثناء جزء من شوط الانضغاط وتطلق الهواء من الأسطوانة إلى مشعب العادم. سيكون لصمام CCV أقصى رفع عند التحميل الكامل وأدنى رفع عند عدم التحميل. التأثير هو إنتاج محرك بنسبة ضغط متغيرة . مع ارتفاع ضغط مشعب السحب (بسبب عمل الشاحن التوربيني)، تنخفض نسبة الضغط الفعّالة في الأسطوانة (بسبب زيادة رفع صمام التحكم في المحرك) والعكس صحيح. وهذا "سيضمن التشغيل السليم وإشعال الوقود عند الأحمال الخفيفة". ^[1]

تُستخدم طريقة مماثلة لإغلاق الصمامات المتأخرة في بعض الإصدارات الحديثة من محركات دورة أتكينسون ، ولكن بدون الشحن الفائق. توجد هذه المحركات عمومًا في المركبات الكهربائية الهجينة ، حيث تكون الكفاءة هي الهدف، ويتم تعويض الطاقة المفقودة مقارنة بدورة ميللر من خلال استخدام المحركات الكهربائية. ^[3]