Miller-Kreisprozess

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Der Miller-Kreisprozess (benannt nach dem Erfinder Ralph Miller, der sich dieses Prinzip 1947 patentieren ließ) bezeichnet eine spezielle Steuerung des Ventiltriebs, bei dem das Einlassventil im Vergleich zum Otto-Kreisprozess „zu früh“ schließt[1][2]. Das Verdichtungsverhältnis ist daher geringer als das Expansionsverhältnis. Dies bewirkt eine Wirkungsgradsteigerung bei 4-Takt-Verbrennungsmotoren. Die Minderung der Verdichtung und damit die niedrigere Brenntemperatur verringert zudem die Stickoxidproduktion. Der Miller-Zyklus ist eine Adaption des Atkinson-Zyklus für normale Kurbelwellenmotoren.

Grundlagen

Viertaktzyklus eines Ottomotors, der Takt 1 ist im Millerzyklus verlängert.

Das Einlassventil wird beim Miller-Prozess schon während des Ansaughubes geschlossen. Es befindet sich also weniger Luft oder Gemisch im Zylinder, als hineinpassen würde. Der Vorteil besteht nun darin, dass die geometrische Verdichtung vergrößert werden kann, ohne den Verdichtungsdruck zu erhöhen. Der Arbeitshub (Expansionsvolumen), bezogen auf die Kraftstoffmenge (Gemischladung), wird dadurch größer als in einem normalen Motor. Damit wird mehr Expansionsenergie genutzt und der Kraftstoff effizienter verbraucht. Zudem wird der Widerstand durch die geringere Verdichtungsarbeit reduziert. Ebenfalls reduziert wird die Verbrennungshöchsttemperatur, was einen geringeren Kühlaufwand ermöglicht. Die kühlere Abgastemperatur erleichtert die Anwendung eines Turboladers. Ein mechanischer Luftlader würde zwar wieder den Widerstand bei der Aufladung vergrößern, es bleibt mittels Ladeluftkühler aber beim insgesamt geringeren Verdichteraufwand. Die Aufladung gleicht auch den Leistungsverlust durch die unvollständige Zylinderfüllung aus.

Der Miller-Prozess wurde mit den inzwischen verfügbaren variablen Ventilsteuerungen realisiert.

Anwendung

  • 2010 stellte der Hersteller Nissan einen 1,2-l-Dreizylinder-Motor mit der Bezeichnung HR12DDR vor, der mit Eaton-TVS-Kompressor und Millerzyklus 98 PS leistet. Den Zyklus erreicht er über seine variable Ventilsteuerung, weitere Effizienzmaßnahmen umfassen Direkteinspritzung und Start-Stopp-System.[3][4] Der Motor befindet sich im Sommer 2010 noch in der Erprobungsphase.
  • 2008 bot der Hersteller Mazda im Mazda2 einen 1,3-l-DOHC-Vollaluminium-Motor an, der nach diesem Prinzip arbeitet.
Hierbei wird jedoch kein Kompressor eingebaut, sondern ein stufenloses Getriebe (CVT).
Der Benzinverbrauch verringert sich von 5,2 Liter/100 km auf 4,4 Liter/100 km (japanischer Verbrauchszyklus, da nur dort verfügbar)
  • Der Mazda Xedos 9 arbeitete nach dem eng verwandten Atkinson-Prozess.
  • Der aktuelle Toyota Prius arbeitet ebenfalls nach dem Atkinson-Prozess.
  • Auch der neue Mercedes S 400 Hybrid arbeitet nach dem Atkinson-Prinzip.[5]

Atkinson-Prozess

Der Atkinson-Prozess arbeitet mit demselben Effekt, schließt das Einlassventil aber im Gegensatz zum Otto-Prozess später. Er hat seinen Ursprung in der Umgehung der Otto-Patente.[6] 1882 entwickelte James Atkinson einen Verbrennungsmotor, der nicht von Patenten Nikolaus Ottos abhängig sein sollte. Hierzu fertigte er eine Kurbelwelle, mit der alle vier Takte innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung anstelle der im Ottomotor üblichen zwei durchgeführt werden. Da die Kurbelwelle hierzu zwei Aufwärtsbewegungen der Kolben bewirken muss, konnte er diese unterschiedlich lang gestalten.[7] Dies nutzte er zum geringeren Verdichtungs- und längeren Expansionshub. Dieser Zyklus wurde daraufhin nach ihm benannt. Erst 1947 wendete Miller dann denselben Effekt auf Motoren mit heute üblicher Kurbelwelle an. Er nutzte die Ventilsteuerung, genauer deren frühes Schließen, zur Erreichung der niedrigeren Kompression. Die heutigen Hybridmotoren nutzen also genaugenommen keinen Atkinson-, sondern den Millerzyklus.

Literatur

  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6

Siehe auch

  • Millermotor

Einzelnachweise

Weblinks