วัฏจักรมิลเลอร์

ในทางวิศวกรรมศาสตร์ วัฏจักรมิลเลอร์ () เป็นวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ที่ใช้ในเครื่องยนต์สันดาปภายในประเภทหนึ่ง จดสิทธิบัตรโดย ราล์ฟ มิลเลอร์ วิศวกรชาวอเมริกัน โดยมีเลขที่สิทธิบัตรสหรัฐ  ลงวันที่ 24 ธันวาคม ค.ศ. 1957 เครื่องยนต์สามารถเป็นได้ทั้งสองจังหวะหรือสี่จังหวะและสามารถใช้เชื้อเพลิงดีเซล แก๊ส หรือเชื้อเพลิงสองชนิดได้ วัฏจักรนี้ใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์หรือเทอร์โบชาร์จเจอร์เพื่อชดเชยการสูญเสียสมรรถนะของวัฏจักรแอตคินสัน

เครื่องยนต์ประเภทนี้ถูกนำไปใช้ครั้งแรกในเรือและโรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ ปัจจุบันมีการนำไปใช้กับรถจักรบางรุ่น เช่น จีอี เพาเวอร์ฮอล มาสด้านำวัฏจักรนี้มาปรับใช้กับเครื่องยนต์ KJ-ZEM V6 ที่ใช้ในรถเก๋งรุ่นมิลเลเนีย และในรถยนต์หรูรุ่นยูโนส 800 ซีดาน (ออสเตรเลีย) ซูบารุผสานเครื่องยนต์ 4 สูบนอนยันที่ใช้วัฏจักรมิลเลอร์เข้ากับขบวนส่งกำลังไฮบริดสำหรับรถยนต์ต้นแบบ "เทอร์โบขนานไฮบริด" ที่รู้จักในชื่อซูบารุ B5-TPH นิสสันนำเสนอเครื่องยนต์สามสูบขนาดเล็กที่มีระบบตั้งจังหวะเปิดปิดลิ้นไอดีแปรผันที่อ้างว่าทำงานด้วยวัฏจักรแอตคินสันเมื่อมีภาระต่ำ (ดังนั้นความหนาแน่นกำลังที่ต่ำกว่าจึงไม่ใช่ข้อด้อย) และทำงานด้วยวัฏจักรมิลเลอร์เมื่ออยู่ภายใต้การอัดอากาศเบา

 ภาพรวม 
เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบดั้งเดิมใช้สี่จังหวะ สองจังหวะถือว่ามีกำลังสูง ได้แก่ จังหวะอัด (การไหลของกำลังสูงจากเพลาข้อเหวี่ยงไปยังประจุ) และจังหวะกำลัง (การไหลของกำลังสูงจากแก๊สจากการเผาไหม้ไปยังเพลาข้อเหวี่ยง)

ในวัฏจักรมิลเลอร์ ลิ้นไอดีจะเปิดทิ้งไว้นานกว่าในเครื่องยนต์วัฏจักรออตโต ผลของมันคือจังหวะอัดจะแบ่งออกเป็นสองวัฏจักรแยกจากกัน ส่วนแรกเมื่อลิ้นไอดีเปิดอยู่ และส่วนสุดท้ายเมื่อลิ้นไอดีปิด นี่คือจังหวะอัดสองขั้นที่สร้างสิ่งที่เรียกว่า "จังหวะที่ห้า" ที่วัฏจักรมิลเลอร์นำเสนอ ขณะที่ลูกสูบเริ่มเคลื่อนที่ขึ้นในช่วงที่ตามปกติคือจังหวะอัด ประจุจะถูกขับออกบางส่วนกลับไปยังลิ้นไอดีที่ยังคงเปิดอยู่ การสูญเสียประจุอากาศนี้โดยทั่วไปจะส่งผลให้กำลังลดลง อย่างไรก็ดี ในวัฏจักรมิลเลอร์ สิ่งนี้จะถูกชดเชยด้วยการใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ โดยทั่วไปซูเปอร์ชาร์จเจอร์จะต้องเป็นแบบปริมาตรแทนที่เชิงบวก (รูตส์หรือสกรู) เนื่องจากความสามารถในการสร้างบูสต์ (ความดันเสริมในท่อร่วมไอดี) ที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์ค่อนข้างต่ำ ไม่เช่นนั้นกำลังที่ความเร็วต่ำจะลดลง อีกทางเลือกหนึ่งคือสามารถใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์เพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้น หากไม่จำเป็นต้องใช้งานที่ความเร็วรอบต่ำ หรืออาจเสริมด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า

อุณหภูมิประจุ
ประจุอากาศจะถูกอัดโดยใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ (และทำให้เย็นลงโดยอินเตอร์คูลเลอร์) ให้มีความดันสูงกว่าที่จำเป็นสำหรับวัฏจักรเครื่องยนต์ แต่การเติมกระบอกสูบจะถูกลดลงโดยการตั้งจังหวะของลิ้นไอดีที่เหมาะสม ดังนั้นการขยายตัวของอากาศและการเย็นตัวที่ตามมาจะเกิดขึ้นในกระบอกสูบและบางส่วนในช่องไอดี การลดอุณหภูมิประจุอากาศ/เชื้อเพลิงช่วยให้สามารถ เพิ่มกำลังเครื่องยนต์ที่กำหนดได้โดยไม่ต้องทำการเปลี่ยนแปลงสำคัญ เช่น การเพิ่มอัตราส่วนการอัดของกระบอกสูบ/ลูกสูบ เมื่ออุณหภูมิต่ำลงในตอนเริ่มต้นวัฏจักร ความหนาแน่นอากาศจะเพิ่มขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงความดัน (ขีดจำกัดทางกลของเครื่องยนต์จะถูกเลื่อนไปยังกำลังที่สูงขึ้น) ในขณะเดียวกัน ขีดจำกัดภาระความร้อนก็จะเปลี่ยนไปเนื่องจากอุณหภูมิเฉลี่ยของวัฏจักรที่ต่ำลง Doug Woodyard "Pounder's Marine Diesel Engines and Gas Turbines" (Ninth Edition), 2009 

สิ่งนี้ช่วยให้สามารถเร่งการตั้งไฟจุดระเบิดให้เร็วขึ้นกว่าที่ปกติจะได้รับอนุญาตก่อนที่จะเกิดการระเบิดรุนแรง เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมให้สูงขึ้นไปอีก ข้อดีเพิ่มเติมของอุณหภูมิประจุสุดท้ายที่ต่ำกว่าคือ การปล่อย NOx ในเครื่องยนต์ดีเซลลดลง ซึ่งเป็นตัวแปรการออกแบบสำคัญในเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่บนเรือและโรงไฟฟ้า

อัตราส่วนการอัด
ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นโดยการมีอัตราส่วนการอัดยังผลเท่าเดิมและอัตราส่วนการขยายตัวใหญ่ขึ้น สิ่งนี้ช่วยให้สามารถสกัดงานได้มากขึ้นจากแก๊สที่กำลังขยายตัวเนื่องจากแก๊สเหล่านั้นถูกขยายเกือบถึงความดันบรรยากาศ ในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟทั่วไป เมื่อสิ้นสุดจังหวะขยายตัวของวัฏจักรที่ลิ้นปีกผีเสื้อเปิดกว้าง แก๊สจะอยู่ที่ประมาณห้าบรรยากาศเมื่อลิ้นไอเสียเปิด เนื่องจากระยะชักถูกจำกัดอยู่ที่ระยะชักของการอัด จึงยังมีงานบางส่วนที่สามารถสกัดออกมาจากแก๊สได้ การหน่วงเวลาการปิดลิ้นไอดีในวัฏจักรมิลเลอร์มีผลทำให้จังหวะอัดสั้นลงเมื่อเทียบกับจังหวะขยายตัว ช่วยให้แก๊สสามารถขยายตัวจนถึงความดันบรรยากาศ เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของวัฏจักร

การสูญเสียจากซูเปอร์ชาร์จเจอร์หรืออาการหน่วงของเทอร์โบชาร์จเจอร์
ประโยชน์ของการใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบปริมาตรแทนที่เชิงบวกมาพร้อมกับต้นทุนเนื่องจากภาระปรสิต โดยปกติแล้วจะต้องใช้กำลังประมาณ 15 ถึง 20% ของกำลังที่เครื่องยนต์อัดอากาศสร้างขึ้นเพื่อขับซูเปอร์ชาร์จเจอร์ซึ่งทำหน้าที่อัดประจุไอดี (เรียกว่าบูสต์) กลับกัน แม้เทอร์โบชาร์จเจอร์จะไม่มีภาระปรสิตสูงเท่า แต่การหมุนของกังหันจากไอเสียจะส่งผลให้เครื่องยนต์ติดอยู่ในวัฏจักรแอตคินสันที่รอบต่ำ (RPM) ความไม่สอดคล้องนี้สามารถแก้ไขได้ตามหลักการด้วยเทคนิคอย่าง MGU-H ที่ใช้ในฟอร์มูลาวันแต่ไม่เคยมีการนำไปใช้ในเครื่องยนต์เชิงพาณิชย์และยิ่งกว่านั้นคือการนำไปใช้กับเครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสันโดยเฉพาะ

ข้อดี/ข้อเสียสำคัญ
ข้อได้เปรียบสำคัญของวัฏจักรนี้คืออัตราส่วนการขยายตัวมากกว่าอัตราส่วนการอัดโดยการอินเตอร์คูลลิงหลังจากการอัดอากาศภายนอก ทำให้มีโอกาสลดการปล่อย NOx สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล หรือลดการน็อกสำหรับเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ อย่างไรก็ดี ต้องมีการปรับสมดุลระหว่างการแลกเปลี่ยนหลายประการเกี่ยวกับประสิทธิภาพของระบบบูสต์และแรงเสียดทาน (เนื่องจากความจุเครื่องยนต์ที่ใหญ่ขึ้น) สำหรับแต่ละการใช้งาน

สรุปสิทธิบัตร
ภาพรวมที่กล่าวมาข้างต้นอาจอธิบายถึงวัฏจักรมิลเลอร์ในรูปแบบสมัยใหม่ แต่มีบางส่วนที่แตกต่างจากสิทธิบัตร ค.ศ. 1957 สิทธิบัตรดังกล่าวอธิบายถึง "วิธีการใหม่และปรับปรุงสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ที่ใช้ตัวอัดบรรจุอากาศและอินเตอร์คูลเลอร์" เครื่องยนต์นี้สามารถเป็นสองจังหวะหรือสี่จังหวะและเชื้อเพลิงอาจเป็นดีเซล เชื้อเพลิงสองชนิด หรือแก๊ว (จากบริบทเห็นได้ชัดว่า "แก๊ส" หมายถึงเชื้อเพลิงที่เป็นแก๊ส ไม่ใช่แกโซลีน) เครื่องอัดประจุความดัน (pressure-charger) ที่แสดงในแผนภาพคือเทอร์โบชาร์จเจอร์ ไม่ใช่ซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบปริมาตรแทนที่เชิงบวก เครื่องยนต์ (ไม่ว่าจะเป็นสี่จังหวะหรือสองจังหวะ) มีการจัดเรียงลิ้นหรือช่องตามแบบ แต่มี "ลิ้นควบคุมการอัด" (Compression Control Valve - CCV) เพิ่มเติมอยู่ในฝาสูบ กลไกเซอร์โวซึ่งทำงานโดยความดันท่อร่วมไอดี จะควบคุมระยะยกของลิ้น CCV ในช่วงหนึ่งของจังหวะอัดและจะปล่อยอากาศออกจากกระบอกสูบไปยังท่อร่วมไอเสีย ลิ้น CCV จะมีระยะยกสูงสุดเมื่อมีภาระเต็มที่และมีระยะยกต่ำสุดเมื่อไม่มีภาระ ผลคือการสร้างเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดแปรผัน เมื่อความดันท่อร่วมไอดีสูงขึ้น (เนื่องจากการทำงานของเทอร์โบชาร์จเจอร์) อัตราส่วนการอัดยังผลในกระบอกสูบจะลดลง (เนื่องจากระยะยกของลิ้น CCV เพิ่มขึ้น) และในทางกลับกัน สิ่งนี้ "จะช่วยให้แน่ใจว่าการสตาร์ตและการจุดระเบิดของเชื้อเพลิงเป็นไปอย่างเหมาะสมที่ภาระเบา"

เครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสัน
มีการใช้วิธีการปิดลิ้นล่าช้าที่คล้ายกันในเครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสันรุ่นใหม่บางรุ่น แต่ ไม่มีการอัดบรรจุอากาศ เครื่องยนต์เหล่านี้มักพบในรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด ซึ่งเป้าหมายคือประสิทธิภาพ และกำลังที่สูญเสียไปเมื่อเทียบกับวัฏจักรมิลเลอร์จะถูกชดเชยด้วยการใช้มอเตอร์ไฟฟ้า

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์