Miller-Kreisprozess

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 Benzin verbrauch 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

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

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.
Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote. MTZ 06/2016, S. 50–55, ISSN 0024-8525 10814.
Konrad Reif (Hrsg.): Ottomotor-Management im Überblick. Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt Zylinderfüllung. ISBN 978-3-658-09523-9.

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[Basshuysen-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.

[2] 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.

[3] Der neue 2,0-l-R4-TFSI-Motor von Audi. MTZ 05/2016, S. 16–23. ISSN 0024-8525 10814.

[4] 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.

[5] Neuer Dreizylinder-Benzinmotor für den Nissan Micra. In: micrafanpage.de. 3. August 2010, abgerufen am 20. September 2010.

[6] Audis neuer 2.0 TFSI – Dank neuartigem Brennverfahren noch sparsamer. In: automobil-produktion.de. 7. Mai 2015, abgerufen am 19. Februar 2017.

[MTZ0616-7] Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote. MTZ 06/2016, S. 50–55, ISSN 0024-8525 10814.

[Reif-8] Konrad Reif (Hrsg.): Ottomotor-Management im Überblick. Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt Zylinderfüllung. ISBN 978-3-658-09523-9.