Cycle de Miller

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Le cycle de Miller est utilisé dans un moteur à combustion interne. Son objet est de permettre une détente plus importante, permettant de récupérer plus d'énergie. Il a été breveté par Ralph Miller, un ingénieur américain, dans les années 1940.

Description[modifier | modifier le code]

Un moteur classique utilise un cycle de Beau de Rochas (ou cycle Otto) à quatre temps, où la course de compression est égale à la course de détente.

Dans le cycle de Miller, la soupape d'admission est fermée très tôt durant la descente du piston, ce qui fait qu'une fois au point mort bas la pression dans la chambre de combustion est plus faible que la pression dans le conduit d'admission. Dans le cycle Beau de Rochas (que l'on considèrera ici "de référence"), ces deux pressions sont sensiblement équivalentes.

En conséquence dans le cycle Miller, il y a moins d'air admis à cylindrée égale, comparativement au cycle de référence. En utilisation sur un moteur à allumage commandé, la quantité d'énergie introduite par cycle étant directement proportionnelle à la charge (la charge étant la masse d'air admise dans la chambre lors de la fermeture des soupapes d'admission) et à rendement équivalent, le quantité de travail produite lors du cycle de Miller est donc inférieure à celle produite dans le cycle de référence.

La motivation principale pour laquelle on pratique le cycle Miller en moteur à allumage commandé est la recherche d'un rendement thermodynamique plus élevé. L'augmentation du rendement vient avant tout de la diminution de la surface de la boucle de vidange du moteur, qui produit un travail (en général) négatif, la pression d'échappement étant supérieure à la pression d'admission.

Cependant il existe également une autre motivation pour l'utilisation de ce cycle:

Thermodynamiquement parlant, le taux de compression est le premier déterminant du rendement d'un moteur. Plus il est élevé, plus le rendement est élevé.

L'emploi de taux de compression élevés dans les moteurs à allumage commandé est rendu délicat en raison du phénomène bien connu du cliquetis. Plus le taux est élevé, plus la tendance au cliquetis est importante. Le choix du taux est donc issu d'un compromis. Sa limite supérieure est dictée par le niveau de cliquetis supportable à pleine charge du moteur, particulièrement à bas régime. Plus encore si le moteur est suralimenté (par compresseur ou turbo-compresseur), la tendance au cliquetis sera renforcée et le taux devra encore être réduit. Puisque dans un moteur "classique", le taux ne peut être changé dans le plan Moment/Vitesse, le cycle de référence fonctionne aux charge intermédiaire (où le cliquetis n'est pas à prendre en compte) avec un taux de compression géométrique trop bas et le rendement en pâti. C'est tout l'intérêt des moteurs à taux de compression géométriques variables que de pouvoir fonctionner à taux optimal dans tout le champ Moment/Vitesse, mais au prix d'une complication technique qui les rend difficiles à produire à coûts maîtrisés en grande série.

Par la variation des temps de fermeture des soupapes d'admission pendant l'utilisation du moteur, on peut choisir le volume à partir duquel la compression commence. Conséquemment le taux de compression thermodynamique varie entre sa valeur maximale, à savoir le taux de compression géométrique et la valeur minimale dictée par le dimensionnement du système de variation des temps de fermeture. On réalise dans une certaine mesure le moteur à taux de compression thermodynamique variable.

Si on décide la conception d'un moteur à cycle Miller, alors le taux de compression géométrique est choisi de construction très haut (par exemple plus de 14) pour pouvoir maximiser le rendement à faible charge, où le moteur à allumage commandé est classiquement en défaut. Évidemment, il n'est pas possible d'utiliser ce taux aux pleines charges avec un cycle de Beau de Rochas.

Par ailleurs, à cylindrée égale, le moteur utilisant un cycle de Miller produira moins de travail par cycle. Pour remédier à cela, on peut soit augmenter la cylindrée, soit la pression dans le conduit d'admission à l'aide d'une turbine ou bien d'un compresseur volumétrique (de type Roots, par exemple), de sorte qu'au point mort bas et malgré la fermeture prématurée des soupapes d'admission, la pression dans la chambre soit la même que dans le cycle de référence employé sur un moteur à aspiration naturelle.

Si l'on veut atteindre la même pression de fin de compression que dans le cycle de référence (sur moteur à aspiration naturelle), il faut nécessairement utiliser un taux de compression géométrique plus important puisque la pression en début de compression est plus faible. A cette pression de fin de compression, la température de la charge sera cependant plus importante dans le cycle Miller que dans le cycle de référence, le produit pv étant constant et la masse d'air étant inférieure. La tendance au cliquetis est donc relevée mais l'énergie libérée par cycle étant inférieure, le niveau de cliquetis sera éventuellement inférieur.

Le cycle Miller ne doit pas être confondu avec le cycle d'Atkinson qui, lui, présuppose une fermeture très largement retardée des soupapes d'admission. Ici aussi, la boucle de vidange voit sa surface diminuée mais à un niveau de pression plus élevé que dans le cas du cycle Miller. Une part de l'air admis lors de la descente du piston est refoulée dans le conduit d'admission lors de la remontée et ce jusqu'à la fermeture des soupapes. Là seulement débute la compression. La charge est de ce fait diminuée par rapport au cycle de référence et le taux de compression thermodynamique peut également être varié pour peu que le moteur soit équipé d'un dispositif de variation des temps d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission.

Ces moteurs sont ainsi utilisés dans les voitures hybrides, afin d'améliorer le rendement.

Application[modifier | modifier le code]

Ce type de moteur a d'abord été utilisé sur des bateaux et des groupes électrogènes fixes. Il a été adapté par Mazda pour une utilisation automobile en production de série avec le moteur V6 2.3 litres KJ-ZEM utilisé dans la berline Eunos 800/Millenia/Xedos 9. Plus récemment, Subaru a présenté un prototype de voiture hybride utilisant un moteur à cycle de Miller, la Subaru B5-TPH. En septembre 2011, Nissan commercialise un moteur 3 cylindres 1,2l DIG-S utilisant le cycle de Miller sur la Micra, citadine de 98ch. Le moteur essence 1.5 TSI du groupe Volkswagen s’appuierait également sur le cycle de Miller et adopterait la désactivation de cylindres (code "evo EA211", disponible fin 2017 en versions 130 et 150 ch notamment pour le modèle Golf et la Skoda Octavia).