(News.oto-hui.com) – Động cơ chu trình Miller là được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Ralph Miller những năm 1940. Đây là bản biến thể của chu trình Otto, chu trình này là sự kết hợp hoàn hảo tăng áp và van biến thiên. Hãng xe Mazda cũng đã từng sử dụng loại động cơ chu trình Miller trong một số dòng xe hơi như Millenia trong quá khứ.
1. Chu trình Miller là gì?
Động cơ chu trình Miller rất giống với động cơ chu trình Otto, sử dụng pít-tông, van, bugi, v.v. Chu trình Miller này khá giống với chu trình Atkinson, một chu trình cũng đóng van nạp muộn nhưng không có tăng áp.
Như đã biết, động cơ chu trình Atkinson hành trình giãn nở ở kỳ nạp (Expansion Stroke) dài hơn hành trình nén (Compressor Stroke), để có thể thu lại được năng lượng còn sót lại, bị mất trong quá trình thải khí ở kỳ xả. Do đó, nó sẽ có hiệu quả nhiên liệu cao hơn so với động cơ chu trình Otto thông thường.
Để giải quyết vấn đề này, chu trình Miller (phiên bản biến thể của chu trình Otto) đã ra đời. Chu trình Miller đã bổ sung một bộ tăng áp (khác với chu trình Atkinson không có bộ tăng áp) để tăng áp suất không khí nhằm khôi phục 100% công suất có ích. Trong cả hai chu trình Miller và Atkinson, động cơ đều để các van nạp mở trong thời gian bắt đầu kỳ nén. Điều này đẩy một phần khí thải trở lại.
Tất nhiên, việc tận dụng này để đem lại hiệu suất nhiên liệu cao hơn nhưng bộ tăng áp cần phải làm việc hiệu quả hơn, tiêu hao ít năng lượng hơn so với mức tiết kiệm đạt được theo chu trình Miller. Do đó, nó phải được thiết kế đặc biệt hơn.
2. Điều gì làm nên sự khác biệt cho chu trình Miller?
Trong chu trình Miller, van nạp được mở lâu hơn so với ở động cơ chu trình Otto. Thông thường một động cơ đốt trong truyền thống sẽ có 4 hành trình: nạp, nén, nổ, xả. Nhưng với chu trình đặc biệt này sẽ có đến 5 hành trình. Thực tế, ở hành trình nén của chu trình Miller gồm hai giai đoạn khác nhau: Một là khi xupap nạp mở và Hai là khi xupap nạp đóng.
Khi piston ban đầu di chuyển lên trên theo kiểu truyền thống là hành trình nén, một phần của hỗn hợp nhiên liệu và khí sẽ bị đẩy ra ngoài thông qua xupap nạp (vẫn mở ở 20% hành trình nén). Thông thường, sự mất mát không khí này sẽ dẫn đến sự mất mát các phân tử khí (hay nói dễ hiểu hơn là mật độ khí).
Tuy nhiên, trong chu trình Miller, điều này sẽ được bù đắp bằng việc sử dụng bộ siêu nạp. Bộ tăng áp (Supercharger) sẽ cần sử dụng phải là loại Positive Displacement Supercharger – PDS (Siêu nạp dịch chuyển tích cực) kiểu Root và Screw, đáp ứng khả năng tăng tốc tốt ở vòng tua tốc độ thấp. Nếu không, công suất ở vòng tua thấp sẽ bị ảnh hưởng. Ngoài ra, việc sử dụng bộ tăng áp để đạt hiệu quả cao hơn, nếu không yêu cầu vận hành tốt ở vòng tua máy thấp sẽ được bổ sung thêm một động cơ điện (khi ấy sẽ trở thành Turbo Hybrid).
Xem thêm về: Siêu tăng áp – Supercharger
Trong động cơ chu trình Miller, piston chỉ bắt đầu nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí sau khi xupap nạp đóng lại. Và khi xupap nạp đóng lại sau khi piston đã đi được một khoảng nhất định so với vị trí dưới cùng của nó: khoảng 20 đến 30% tổng hành trình piston của hành trình nén (đi lên).
Việc đóng xupap nạp sớm hoặc muộn là để giảm nhiệt độ ở cuối hành trình nén. Ở chu trình Miller, các xupap nạp khi ấy vẫn mở ở đầu kỳ nén, do đó có một phần không khí thoát ra và quay trở lại đường ống nạp mà không nén. Không khí còn lại sẽ ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng với mật độ phân tử khí cao, do đó sẽ lại hiệu quả cháy cao hơn.
Bên cạnh đó, sự trì hoãn ở thời điểm đóng xupap nạp trong chu trình Miller có tác dụng rút ngắn hành trình nén so với hành trình giãn nở. Điều này làm tăng áp suất khí, tăng hiệu quả của chu trình.
Tại sao phải giảm nhiệt độ hỗn hợp không khí/nhiên liệu?
Việc giảm nhiệt độ của không khí / nhiên liệu nạp cho phép tăng công suất của động cơ mà không thực hiện bất kỳ thay đổi lớn nào ảnh hưởng quá trình nén xylanh/piston. Khi nhiệt độ thấp hơn ở đầu chu kỳ nén, mật độ không khí bắt đầu tăng lên, áp suất lúc này không thay đổi. Đồng thời, giới hạn tải nhiệt thay đổi do nhiệt độ trung bình thấp hơn của chu trình.
Điều này cho phép nâng cao thời gian đánh lửa vượt quá mức cho phép thông thường trước khi bắt đầu xảy ra hiện tượng kích nổ. Do đó nó sẽ tăng hiệu suất động cơ hơn. Một lợi thế nữa của nhiệt độ hỗn hợp không khí nhiên liệu ở thời điểm nạp (cuối kỳ nạp nhưng ở qua đầu kỳ nén khoảng 20%, đã đề cập ở trên) thấp hơn sẽ giảm phát thải NOx trong động cơ diesel.
Đây là thông số thiết kế quan trọng đối với động cơ diesel lớn trên tàu thuỷ hoặc nhà máy phát điện (tĩnh).
- Bù lại, piston thực sự chỉ nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong khoảng 70% đến 80% sau của một hành trình nén.
Trong giai đoạn 1 của hành trình nén, piston sẽ đẩy một phần hỗn hợp nhiên liệu-không khí qua van nạp vẫn đang mở và quay trở lại đường ống nạp.
Tóm tắt điểm đặc biệt:
- Động cơ có chu trình Miller phụ thuộc vào một hệ thống ”siêu tăng áp”.
- Ở kỳ nén, van nạp vẫn mở trong một thời gian khoảng cỡ 1/4 thời gian nén.
Quá trình nén thực tế diễn ra ở mức 80% còn lại của kỳ nén, và công suất thực tế chỉ đạt được 80%. Đồng nghĩa với tỷ số nén sẽ giảm từ 10:1 xuống dưới 8:1.
- Nói cách khác, động cơ đang nén với áp suất của bộ siêu nạp tăng áp thay vì áp suất của thành xi lanh.
- Hành trình nén thực tế < Hành trình cháy giãn nở.
Để làm được điều này là nhờ kết hợp hoàn hảo giữa bộ tăng áp và van biến thiên.
3. Lợi ích của việc sử dụng chu trình Miller:
Ưu điểm ở động cơ sử dụng chu trình Miller:
- Tăng tỷ số giãn nở (~1.15), giảm tỷ số nén. Việc giảm được tỷ số nén cho động cơ xăng có thể tránh được hiện tượng kích nổ.
- Tối ưu hỗn hợp nhiên liệu và không khí.
- Tiết kiệm nhiên liệu đến 10 – 15% so với động cơ 4 kỳ truyền thống do giảm được hành trình nén.
- Tối ưu điểm mạnh đồng thời cũng khắc phục được hạn chế của chu trình Atkinson.
- Giảm lượng NOx sinh ra
Nhược điểm
Tuy nhiên với thời điểm những năm đầu thế kỷ XX, chi phí sản xuất động cơ trang bị bộ tăng áp, phun xăng và bộ van biến thiên quá cao; độ hao mòn lớn (do sinh công trong quãng thời gian ngắn -> Ma sát lớn -> Ảnh hưởng đến động cơ, piston, xy lanh,…);…
Nên nó cũng dần đi vào quên lãng, ít người biết. Nhưng với công nghệ phát triển hiện nay, hy vọng các hãng xe sẽ chú ý đến chu trình Miller hơn.
Loại động cơ chu trình Miller ban đầu được sử dụng trong một số loại tàu thủy và các nhà máy phát điện, và hay một số đầu máy đường sắt như GE PowerHaul. Động cơ này này cũng được Mazda tuỳ chỉnh thành động cơ KJ-ZEM V6, sử dụng trong mẫu sedan Mazda Millenia.
Gần đây nhất, Subaru đã sử dụng chu trình Miller với động cơ Boxer nằm ngang (Flat-4 Engine) của họ cùng với một hệ thống truyền động Turbo Hybrid “Turbo Parallel Hybrid”, được gọi là Subaru B5-TPH.
*Tài liệu chuyên ngành về nghiên cứu động cơ chu trình Miller: Tại đây
Bài viết liên quan:
