EL CICLO MILLER

Una evolución reciente del ciclo Otto en la línea de aumentar el rendimiento es el llamado ciclo Miller. La eficiencia del ciclo Otto depende de manera fundamental de la relación de compresión. Esto se debe a que un aumento de la relación de compresión geométrica implica un aumento de la presión máxima y de la presión media efectiva, lo cual supone un mayor rendimiento del proceso.

Sin embargo, el ciclo real es más complicado que el ciclo ideal de aire, haciendo que el rendimiento sea dependiente de muchos otros parámetros. Así los mismos efectos beneficiosos conseguidos con un aumento de la relación de compresión geométrica se pueden conseguir con otros medios.

En concreto, la aplicación del ciclo Miller en los motores industriales se obtiene combinando la sobrealimentación y el juego con el cierre de la válvula de admisión. El ciclo Miller se aplica tanto a motores Otto como Diesel, pero por motivos diferentes. Para comprender el fundamento y los principios en que se basa la mejora de rendimiento debida al ciclo Miller conviene estudiar lo que pasa en los motores diesel.

El ciclo Miller fue introducido en los motores diesel en primer lugar para reducir la emisiones de NOx, que como se sabe es una de sus principales desventajas. La idea es bajar la temperatura de combustión. El avance en el diseño de turbocompresores con mayores relaciones de compresión cada vez, permitió disminuir el trabajo de compresión mecánico para la misma presión final, de esta manera aumentando la capacidad de refrigeración después del turbocompresor, se puede mantener la temperatura de inicio de la compresión en los mismos valores, y por lo tanto la temperatura final de compresión disminuye.

Este funcionamiento queda reflejado en la figura adjunta.

 

En el gráfico p-V situado a la izquierda de la figura se puede observar el incremento en la presión de admisión gracias a la utilización de un turbocompresor con mayor relación de compresión. Sin embargo, la presión de al final de la carrera de compresión se mantiene constante (debido a una reducción de la relación de compresión geométrica), quedando constante también la presión después de la combustión. A su vez, el gráfico T-S situado a la derecha de la figura 3.8 muestra que si se refrigera el fluido antes de entrar al cilindro para que no aumente la temperatura de inicio de la compresión geométrica, se obtiene también una menor temperatura al final de la compresión y, por tanto, una temperatura de combustión menor.

El efecto en las máquinas diesel es que permite una menor producción de NOx de origen térmico, con la misma relación de compresión total. Ahora bien esa reducción de la relación de compresión geométrica implica también reducir la relación de expansión. Esto    supondrá que no se pueden expandir los gases lo suficiente, lo cual supone una importante pérdida de trabajo cuando se abre la válvula de escape y se expulsan gases a alta presión por la insuficiente expansión dentro del cilindro.

Aquí es donde entra la segunda característica que utiliza el ciclo Miller, que es jugar con el decalaje de las válvulas para que la reducción en la relación de compresión no implique una reducción de la expansión. Esto se lleva a cerrando la válvula de admisión cuando el volumen de la cámara es inferior al volumen máximo, de forma que la relación de compresión efectiva (relación entre el volumen de gas cuando se cierra la válvula de admisión y el volumen mínimo) es menor que la relación de expansión (relación entre el volumen de gas cuando se abre la válvula de escape y el volumen mínimo), como se esquematiza en la figura adjunta

Esto conduce a un rendimiento ligeramente menor, que puede ser compensado subiendo un poco la presión final.  Los motores de ciclo Otto y mezcla pobre tienen ya bajas emisiones de NOx de por si. En este caso el ciclo Miller permite subir la relación de compresión total y por tanto subir el rendimiento sin aumentar el riesgo de detonación.

 

El ciclo Miller no solo tiene ventajas. Cuando se trabaja a carga parcial, como el trabajo en isla, se produce por debajo de cierta carga una bajada muy grande de la presión de carga y el llenado de aire del cilindro se hace insuficiente, con la consiguiente mala combustión. Esto puede solucionarse cambiando los retardos de cierre de válvulas hasta condiciones de ciclo normal por debajo de cierta carga (variable valve timing, VVT).

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