Der Miller-Zyklus ist ein Motorkonzept, bei dem das effektive Verdichtungsverhältnis kleiner ist als das effektive Expansionsverhältnis. Dies wird durch eine frühe (Early Intake Valve Closing - EIVC) oder späte (Late Intake Valve Closing - LIVC) Schließung des Einlassventils erreicht. Diese Motorkonfiguration wird auch als überexpandierender Zyklus bezeichnet und findet sowohl in Diesel- als auch in Benzinmotoren Anwendung.
Ursprünglich wurde der Miller-Zyklus in Dieselmotoren vor allem zur Reduzierung von Stickoxidemissionen (NOx) bei hoher Motorlast eingesetzt. Ralph Miller, nach dem der Zyklus benannt ist, konzentrierte sich auf die Verwendung der Einlassventilsteuerzeiten zur Begrenzung der Temperaturen am Ende des Verdichtungshubs. In seinen Patenten beschrieb er variable Einlassventilsteuerungsmechanismen, die die Einlassventilöffnung (IVC) je nach Motorlast variieren konnten, um die Zylindertemperatur zu kontrollieren. Sein Ziel war es, die Leistungsdichte zu erhöhen. Insbesondere in seinen Patenten von 1954 beschrieb er, wie die Temperatur am Ende der Verdichtung mit steigender Last sinken sollte, damit der Motor bei Volllast mehr Kraftstoff verbrennen kann, ohne die Materialgrenzen zu überschreiten. Dies war speziell für aufgeladene Motoren mit Ladeluftkühlung konzipiert.
Miller bevorzugte dabei das frühe Schließen des Einlassventils, während sich das Zylindervolumen noch vergrößerte. Dies ermöglichte eine zusätzliche Expansion nach dem Schließen des Einlassventils, was zu einer weiteren Kühlung des Ansaugkanals führte. Er bezeichnete dies als "interne Kühlung".
Motoren mit später Einlassventilöffnung werden gelegentlich als Atkinson-Motoren bezeichnet. Während James Atkinson für die Erkenntnis der Vorteile unterschiedlicher Verdichtungs- und Expansionsverhältnisse anerkannt werden sollte, ist Ralph Miller die Entwicklung einer Methode zur Erreichung dieser Ziele zuzuschreiben, die auch für moderne Verbrennungsmotoren relevant ist. Daher ist es gerechtfertigt, überexpandierende Zyklen, die auf variablen Einlassventilsteuerzeiten basieren, als Miller-Zyklus-Motoren zu bezeichnen, unabhängig davon, ob sie überaufladen oder ob sie Fremdzündung oder Selbstzündung verwenden.
Das Interesse an den Ideen von Ralph Miller nahm in den 1980er Jahren zu, und in den 1990er Jahren gab es mehrere kommerzielle Anwendungen. Ein frühes Beispiel war der 2,3-Liter-KJ-ZEM-Motor von Mazda, der 1993 in einer Benzinversion für Pkw eingeführt wurde. Auch Niigata Power produzierte ab Ende der 1990er Jahre einen mittelschnelllaufenden Dieselmotor, den 32FX. Große stationäre Gasmotoren waren eine weitere Anwendung, die zu dieser Zeit Beachtung fand. Viele dieser frühen Anwendungen waren durch das Potenzial für erhöhte Leistungsdichte und Effizienz motiviert.
Die Anwendung des Miller-Zyklus zur Reduzierung von NOx-Emissionen bei Dieselmotoren begann in den 1990er Jahren für einige Schiffsmotoren gemäß IMO Tier 1. Einige dieser Motoren konnten einen relativ milden "Miller-Effekt" nutzen und somit mit festen Ventilsteuerzeiten auskommen. Für weitere NOx-Reduzierungen war ein stärkerer Miller-Effekt und damit eine variable Einlassventilsteuerzeit erforderlich, um Herausforderungen bei niedriger Last und beim Motorstart zu bewältigen. Zu den ersten Motoren, die dies umsetzten, gehörten die Caterpillar-Motoren C11, C13 und C15 für den Straßenverkehr aus dem Jahr 2004.
In Benzinmotoren für Pkw waren die Effizienzvorteile von LIVC-Strategien für Hybridfahrzeuge attraktiv. Toyotas erste Generation des Prius setzte dies ab 1997 ein, und nachfolgende Generationen nutzten diese Technologie weiterhin. Im Jahr 2007 brachte Mazda eine Saugmotorversion des MZR 1.3 L für den japanischen Markt mit festem LIVC und für Nicht-Hybridfahrzeuge auf den Markt. Ab etwa 2012 führte der Druck zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu einer breiteren Anwendung von LIVC in Benzinmotoren für leichte Nutzfahrzeuge, die nicht als Hybridfahrzeuge konzipiert waren. Für diese Anwendungen, bei denen oft bereits Nockenwellenversteller vorhanden waren, war die Implementierung des Miller-Zyklus eine relativ kostengünstige Maßnahme.
Leichte Dieselmotoren haben die Ideen von Miller langsamer übernommen, möglicherweise aufgrund der zusätzlichen Kosten.
Der Nissan HR-Motor und der Miller-Zyklus
Die Nissan HR-Motorenfamilie, die von Nissan (Aichi Kikai), Renault und MDC Power GmbH (für Mercedes-Benz) entwickelt wurde, umfasst Reihen-3- und Reihen-4-Zylinder-Automobilmotoren mit kontinuierlicher variabler Ventilsteuerung. Diese Motoren sind bekannt für ihre Effizienz und Leistung, und einige Varianten nutzen den Miller-Zyklus.
Ein bemerkenswertes Beispiel ist der 1.2-Liter DIG-S-Motor, der im Nissan Note zum Einsatz kommt. Dieser Motor kombiniert einen Turbolader mit dem Miller-Zyklus, um eine hohe Effizienz und Leistung zu erzielen. Die DIG-S-Modelle sind mit einem 1,2-Liter-Dreizylinder-Motor ausgestattet, der 98 PS (72 kW) leistet und ein Drehmoment von 147 Nm liefert. Die Integration des Miller-Zyklus reduziert den ineffizienten Leistungsverlust im Motoren betriebssystem. In Kombination mit anderen technischen Innovationen macht dies den 1,2-Liter-DIG-S zu einem der effizientesten und flexibelsten Motoren in seinem Segment.
Der Miller-Zyklus wird in diesem Motor durch eine frühe Schließung des Einlassventils realisiert, was zu einem überexpandierenden Zyklus führt. Dies ermöglicht eine Entkopplung des Verdichtungs- und Expansionsverhältnisses, wodurch das effektive Verdichtungsverhältnis deutlich unter dem geometrischen Verdichtungsverhältnis liegt. Der HR12DDR-Motor verbessert die Effizienz, indem er den Energieverlust durch Reibung reduziert und eine verbesserte thermische Effizienz durch den Miller-Zyklus und die Direkteinspritzung erreicht.
Der Motor nutzt einen 1,2-Liter-Kompressor, um eine Leistung zu erzielen, die mit einem 1,5-Liter-Klasse-Motor vergleichbar ist. Um die Effizienz weiter zu steigern und den Kraftstoffverbrauch zu optimieren, wird der Miller-Zyklus angewendet. Dies führt zu einem überexpandierenden Zyklus, bei dem das effektive Verdichtungsverhältnis kleiner ist als das effektive Expansionsverhältnis.
Für den Nissan Note werden drei Motoroptionen angeboten. Die Benzinmotoren mit 1.198 ccm Hubraum sind leichte, kompakte und hocheffiziente Dreizylinder-Einheiten mit 12 Ventilen. Die Ungleichgewichte, die oft bei Dreizylindermotoren auftreten, wurden durch technische Innovationen wie ein versetztes Gegengewicht an der Kurbelwellenriemenscheibe, das die vertikalen Vibrationen ausgleicht, überwunden. Dies führt zu einem ruhigen Lauf, der mit einem Vierzylinder-Aggregat vergleichbar ist.
Das Einstiegsmodell mit 1,2 Liter Hubraum leistet 80 PS (59 kW) bei 6.000 U/min und liefert ein Drehmoment von 110 Nm bei 4.000 U/min. Das innovative 1,2-Liter-DIG-S-Aggregat leistet 98 PS (72 kW) bei 5.600 U/min und liefert 147 Nm Drehmoment bei 4.400 U/min. Dieses fortschrittliche Aggregat bietet die Wirtschaftlichkeit eines herkömmlichen Dieselmotors, aber ein Fahrerlebnis, das normalerweise mit einem mittelgroßen Vierzylinder-Benzinmotor verbunden ist.
Trotz seiner starken Leistung liegen die CO2-Emissionen bei nur 99 g/km mit Schaltgetriebe (119 g/km mit CVT-Getriebe). Die Motorpalette des Note wird durch einen Vierzylinder-1,5-Liter-dCi-Turbodiesel ergänzt. Diese 90 PS (66 kW) starke Einheit aus der Renault-Nissan Allianz emittiert nur 92 g/km CO2 und bietet einen kombinierten Kraftstoffverbrauch von 3,6 l/100 km.
Der HR12DDR-Motor, ein Direkteinspritzungs-Miller-Zyklus-Motor mit einem hocheffizienten Kompressor, liefert sowohl agiles Fahren als auch eine branchenführende Kraftstoffeffizienz (25,2 km/L im JC08-Modus) unter den Fahrzeugen mit Benzinmotoren. Durch die Reduzierung des Emissionsvolumens und die Steigerung der allgemeinen Motoreffizienz erzielt der HR12DDR-Motor einen verbesserten Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Benzinmotoren.
Die Anwendung des Miller-Zyklus im Nissan Note zielt darauf ab, die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Leistung zu optimieren, was ihn zu einer attraktiven Option für umweltbewusste Fahrer macht, die keine Kompromisse bei der Fahrleistung eingehen möchten.