Ciclo Miller

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Video resumen Ciclo Miller

La energía (par) que genera el motor térmico (gasolina/diésel) del automóvil es proporcional al llenado de la mezcla aire – combustible que entra en los cilindros.

Al quemarse esta mezcla se produce la energía (par) del motor.

Desde los inicios del motor térmico se buscan formas de mejorar el llenado del motor y en consecuencia sus prestaciones.

Más tarde con la masiva difusión del automóvil para todos los usos y las subidas y bajadas de las situaciones económicas se ampliaron los objetivos, entre los que se encuentran estos dos adicionales relacionados con su rendimiento; reducir el consumo de combustible y también la contaminación.

Hay formas de conjugar las prestaciones, consumo y contaminación, las tecnologías más utilizadas son; la distribución de fase variable, colector de admisión de geometría variable, desconexión de cilindros y la sobrealimentación.

También hay otros ciclos complementarios utilizando el de cuatro tiempos como base, los dos más conocidos son el ciclo Atkinson (o de cinco tiempos) y el ciclo Miller que es el tema de este artículo.

Los cuatro tiempos del motor

Antes de entrar en materia proponemos recordar el funcionamiento del motor de cuatro tiempos de gasolina con la animación siguiente, en la que vemos el motor de frente con el pistón, biela, cigüeñal, cilindro, bujía, válvulas de admisión y escape, árboles de levas (distribución DOHC), correa/cadena de arrastre, los colectores de escape y admisión y en este la mariposa de gases y el inyector de gasolina (inyección indirecta):

Admisión; el pistón desciende con la válvula de admisión abierta succionando el aire y gasolina del colector de admisión
Compresión; el pistón sube y se cierra la válvula de admisión comprimiendo la mezcla de aire y gasolina, lo que supone un esfuerzo opuesto al giro del motor
Explosión; al llegar arriba el pistón con la máxima compresión de la mezcla salta la chispa en la bujía iniciando la explosión que hace descender el pistón, es cuando se generar la energía (par) del motor
Escape; al llegar el pistón al punto inferior de su recorrido se abre la válvula de escape y el nuevo ascenso del pistón expulsa los gases quemados por el colector de escape

En realidad las válvulas no se abren o cierran en los puntos teóricos, pues es tal la inercia de los gases en los colectores que se adelantan y retrasan las secuencias de apertura y cierre para aprovecharlas en lo posible y mejorar el llenado de gases de admisión y vaciado de los de escape, a continuación explicamos uno de estos momentos.

El cruce de válvulas y ……. ¿llenado a presión?

A continuación se representa esta animación que nos va preparando para llegar al ciclo Miller:

Imagen de la izquierda:

La válvula de escape se abre después de la explosión antes de que el pistón llegue al final de su recorrido descendente, se aprovecha así la presión remanente para iniciar el escape
Cuando el pistón sube con la válvula de escape abierta la salida de los gases quemados es extremadamente rápida, generando un vertiginoso flujo de salida
Si en estos instantes se abre la válvula de admisión, aunque esté el pistón subiendo, el flujo de escape “tira” de los gases de admisión comenzando el llenado del cilindro
Este tiempo o ángulo en que están abiertas las válvulas de admisión y escape es el cruce de válvulas
Se ha de evitar que parte de la mezcla salga por escape sin quemar lo que dañaría a los sistemas anticontaminación

Imagen de la derecha:

Cuando se cierra escape el pistón ya comienza a descender aspirando la mezcla de aire y gasolina
La válvula de admisión se cierra un poco después de que el pistón inicie de nuevo su subida para aprovechar la inercia de la masa de admisión y se cerraría cuando se iba a producir el reflujo de admisión hacia su colector
¿Sería posible seguir llenado el cilindro con la válvula de admisión abierta?, si pero haría falta que la masa de admisión entrase a presión para compensar el empuje por la subida del pistón
¿Cómo lograr esta presión de admisión?
Se observa en la imagen de la derecha que se propone, además de la inyección indirecta que se ha utilizado hasta ahora en las imágenes, la inyección directa
Con esta última se puede aumentar el cruce de válvulas sin que salga gasolina sin quemar por el colector de escape

El compresor volumétrico aporta la presión de admisión; es el ciclo Miller

La solución para obtener la presión de admisión la va a aportar el compresor volumétrico como vemos en esta animación:

El compresor volumétrico que vamos a explicar consiste en una carcasa en cuyo interior hay dos lóbulos contra rotantes
El giro se obtiene mediante dos poleas y una correa de arrastre desde el cigüeñal
Al girar los lóbulos en sentidos contrarios aspiran aire y lo comprimen hacia el motor la reducir su volumen
El efecto de la sobre presión aportada por el compresor volumétrico permite mantener abierta la válvula de admisión buena parte del recorrido ascendente de compresión aumentando el llenado, es el ciclo Miller
Se basa el ciclo Miller en que la energía necesaria del motor para mover el compresor volumétrico es menor que la producida por el motor gracias al llenado adicional, además se reduce el esfuerzo del motor para comprimir la mezcla

Comparando el ciclo Miller con el Atkinson (del que facilitamos antes el enlace al final) se aprecian estas diferencias; en el ciclo Atkinson, sin compresor se mantiene abierta la válvula de admisión parte del recorrido de compresión, lo que implica un reflujo de admisión, es el quinto tiempo del motor.

Se compensa con mayor relación de compresión.

En el ciclo Miller, como hemos visto, se mantiene el llenado del cilindro con el pistón subiendo en compresión por la presión del compresor volumétrico.

Aplicaciones en el automóvil del ciclo Miller

Seguidamente comentamos dos aplicaciones en automóviles de gasolina del motor de gasolina con ciclo Miller en estas animaciones:

Nissan Micra 1.2 DIG – S ciclo Miller (presentado en 2.011); en un motor de 3 cilindros en línea en posición transversal delantera con inyección directa