MOTEUR - CYCLE MILLER

une nouvelle page, pour répondre à une demande de Charles Morin et Timothée Gaignault.

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- Un peu d'histoire (trop peu...)

Premiers brevets de Ralph Miller dans les années 40.

Moteur prototype expérimental Mazda "Premium Supercharged Engine" au salon de Tokyo 1989
moteur V6 dérivé du 3 litres à quatre arbres en tête et 24 soupapes.
Calage variable de l'échappement, entraînement variable du compresseur Lysholm par poulies centrifuges et courroie.

Moteur Mazda "M Miller Cycle" en 1991
V6 à 90° de 1 800 cm3, suralimenté par un compresseur Lysholm.
Début des essais de fiabilité sur banc d'essai et sur véhicules.

Mazda Xedos 9 Miller au salon de Francfort, en septembre 1995

premier moteur commercialisé à cycle Miller (meilleur rendement)
V6 24 soupapes en alliage de 2255 cm3
215 ch à 5 300 tr/mn
29.5 mdaN à 3 700 tr/mn, plus de 25 mdaN entre 1 700 et 5 700 tr/mn
compresseur Lysholm
boîte auto à 4 rapports
230 km/h

- Quelques liens intéressants

The Inside Story on the Miller-Cycle engine
Mazda Australie
document Mitsubishi

M-Miller cycle engine - Xedos 9 à cycle Miller

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M-Miller cycle engine
(Auto Terchnique et Pratique, 7.1993)

Mazda a mis au point un moteur à compresseur pour concilier la faible consommation autorisée par un petit moteur, avec les performances d'une grosse cylindrée.

Un petit moteur équipé d'un compresseur haute pression a des performances aussi bonnes qu'un groupe atmosphérique de plus grosse cylindrée, avec le même nombre de cylindres. Enfin, ses pertes par friction sont moins importantes.
Dans le développement des moteurs, on recherche toujours une moindre consommation et un rendement supérieur. Les premiers moteurs affichaient des puissances au litre plus faibles que les groupes actuels et leur fiabilité était aussi nettement inférieure.
Un moteur alternatif à essence comprend 4 cycles de fonctionnement. Le rendement du cycle dépend du rapport volumétrique, si nous ne tenons pas compte des pertes mécaniques et des autres facteurs. C'est seulement durant un quart de ce cycle que l'énergie de la combustion se trouve transformée en énergie cinétique. Plus grande sera la différence entre le taux de détente des gaz et celui de ceux-ci après la combustion, plus grand sera le degré de conversion du moteur.
Avec des moteurs essence atmosphériques actuels, le rapport volumétrique maxi est de 10:1, afin d'éviter un allumage par compression avant le point d'allumage correct. La détonation se traduit par une force qui s'oppose au mouvement et finit par détruire le moteur.
Dans les moteurs à compresseur, la suralimentation augmente la pression et la température des gaz avant leur admission, ce qui favorise la détonation si l'on ne prend pas des mesures appropriées. La première solution consiste à réduire le rapport volumétrique, si important par ailleurs pour obtenir un bon rendement. De fait, le rendement du moteur se trouve abaissé. Le rapport volumétrique maximal est le point à partir duquel la détonation se produit et de ce fait, il faut considérer les taux de compression et de détente actuels comme deux facteurs séparés.


Les phases du cycle Miller en fonction de la position du piston.

C'est à cet instant qu'intervient la théorie du cycle Miller dans les moteurs Diesel. Dans ce cycle, la soupape d'admission est fermée avant la fin du cycle d'admission. De cette manière, la température des gaz décroît du fait de la détente adiabatique, les gaz augmentant en volume au fur et à mesure que le piston descend jusqu'au point mort bas. Cette diminution de la température évite un pré-allumage durant le cycle de compression, et permet donc un rapport volumétrique élevé. En fermant la soupape d'admission plus tôt, on pourra donc réduire le taux de compression effectif, ce qui signifie que l'on peut ainsi réduire la compression finale et la température, en utilisant un rapport volumétrique élevé pour un meilleur rendement.
Certains moteurs Diesel à cycle Miller sont utilisés sur des bateaux et dans l'industrie.
Mazda a donc appliqué ce cycle à des moteurs à essence dans son moteur M (pour Mazda) Miller.


Process of M-MiIler Cycle Engine

Ce cycle Miller permet aussi une chose qui paraissait jusqu'alors impossible, un abaissement de la température par la fermeture de la soupape d'admission après le début de la phase de compression, en permettant à des gaz de changer de direction et de s'échapper du cylindre vers le conduit d'admission. Ce moteur est suralimenté par un compresseur Lysholm sous une pression de 700 mmHg.
Cette pression élevée permet d'introduire suffisamment &air pour assurer la combustion, même si un peu de gaz introduit dans le cylindre s'est échappé durant la première partie de la course de compression.
Si deux gaz similaires sont soumis à la même pression, le gaz à la plus faible température aura moins de molécules. Ainsi, ce gaz se combinera avec plus de carburant.
En appliquant ceci aux moteurs, on vérifie que le moteur M Miller en ayant une plus basse température de combustion avec la même pression, développe un couple plus élevé. En comparaison avec des moteurs de même cylindrée, le Moteur Mazda à cycle Miller a plus de couple et de puissance qu'un moteur suralimenté classique.
30 ou 40 % de la puissance disponible sont absorbés pour garder simplement le mouvement du moteur. Un plus petit moteur a moins de pertes qu'une grosse cylindrée. Le moteur M Miller représente une voie très intéressante pour la réalisation de moteurs compacts et performants.
Mazda poursuit en outre son développement en la combinant avec celle de la combustion de mélange pauvre.



XEDOS 9 à Cycle Miller
(Roger Guyot, Auto Concept, 12.1996)



Toujours à la pointe des techniques nouvelles, Mazda, par la commercialisation de la Xedos 9 cycle Miller, reste fidèle à sa tradition dans la recherche continuelle du progrès technique. C'est sa philosophie.

Mazda est depuis de nombreuses années un constructeur original. Il est le seul constructeur au monde à avoir été aussi loin dans l'application série du moteur rotatif et également le seul à produire une voiture équipée d'un moteur Diesel suralimenté par un Comprex.
Aujourd'hui, la marque nippone illustre sa passion des techniques nouvelles par la Xedos 9 équipée d'un moteur V6 fonctionnant selon le cycle Miller.
La présentation de la Xedos 9, de ligne beaucoup plus classique que la "6", remonte à 1993 et déjà à cette époque on parlait de moteur à cycle Miller chez Mazda. La Xedos 9 a d'ailleurs été équipée d'un tel moteur pratiquement dès son lancement au Japon et aux Etats Unis. Elle est désormais disponible en France. Plus de 19 000 voitures ont été construites.
A mesure que l'on avance dans le temps et que les normes antipollution deviennent de plus en plus sévères, les constructeurs doivent trouver le moyen de satisfaire aux nouvelles normes. Consommer moins est l'un des tous premiers objectifs.

Le cycle Miller...

Depuis qu'il existe, le moteur à combustion interne a connu bien des propositions pour améliorer son rendement.
Dans un moteur classique à quatre temps, les phases engendrées par les montées et les descentes du piston déterminent les quatre temps successifs de son fonctionnement : admission - compression - détente - échappement, toutes ces phases se déroulant suivant une même course. Certains mécanismes ont bien tenté de réaliser une course de détente plus longue que celle d'admission sans succès. Le rendement de ce cycle dépend du rapport de compression ou rapport volumétrique si l'on néglige les pertes par résistance mécanique.
L'énergie de la combustion est transformée en énergie cinétique pendant la détente du mélange enflammé dans le cylindre. Plus le rapport de détente est grand entre les gaz avant et après combustion, plus la transformation de l'énergie est puissante. Pour augmenter ce rapport de détente, il faut augmenter le taux de compression et s'il est trop élevé la température des gaz devient critique avec un pré-allumage indésirable.
Dans le principe proposé par l'ingénieur danois Miller, la course de détente plus longue que celle de l'admission est obtenue d'une manière relativement simple. Soit en fermant la soupape d'admission bien avant le P.M.B. pendant le temps d'admission, soit en la fermant bien après le P.M.B.. Mais dans l'un et l'autre cas, la phase de compression ne commencera que lorsque le piston aura déjà parcouru une partie importante de sa remontée. Mais il est nécessaire de bien remplir... Il faut donc suralimenter. c'est la solution Mazda.


Les phases du cycle Miller en fonction de la position du piston.


Comparaison du cycle "normal" avec le cycle "Miller".
La différence se situe dans la phase de remontée du piston, après l'admission.
En effet pendant une certaine course du piston lors de la remontée,
les soupapes d'admission restent ouvertes (70) après le P.M.B.)
d'où la nécessité de suralimentation.

Courbe de fonctionnement du moteur à cycle Miller.

... by Mazda

Dès le début des années 80, le centre des recherches de Mazda avait commencé des études sur le cycle Miller. Après avoir travaillé sur des Diesel, comme Ralph Miller, le constructeur nippon s'est tourné vers les versions à essence. Le premier essai portait sur un moteur expérimental 4 cylindres en ligne 1,6 litre équipé d'un compresseur du type Roots. Au milieu des années 80, Mazda décide d'adopter le principe de la fermeture tardive des soupapes d'admission associé au compresseur volumétrique Lysholm. En 1989, au salon de Tokyo, un moteur prototype expérimental "Premium Supercharged Engine" fut présenté. Il s'agissait d'un moteur V6 dérivé du 3 litres à quatre arbres en tête et 24 soupapes. Il possédait un calage variable de l'échappement ainsi qu'un entraînement variable du compresseur Lysholm par poulies centrifuges et courroie. Trop complexe, sa production en série ne sera pas envisagée.
En 1991, le centre technique de Mazda présente un autre moteur de conception avancée "M Miller Cycle" (M pour Mazda), un V6 à 90° de 1 800 cm3, suralimenté par un compresseur Lysholm. Cette quatrième phase marque le début de la des essais de fiabilité sur banc d'essai et sur véhicules. La cinquième étape commence au tout début des années 1990 avec la conception et le développement du moteur V6 à cycle Miller qui équipera la Xedos 9.


Coupe transversale du moteur V6 à 60° de la Xedos 9.
Le compresseur Lysholm entraîné par le vilebrequin est placé au centre du V
formé par les deux rangées de cylindres.

Mais revenons à l'application du principe Miller par Mazda qui a donc adopté la fermeture tardive des soupapes d'admission c'est à dire bien après le passage au P.M.B. du piston. On peut dire qu'il s'agit d'un moteur à 5 temps qui sont : admission - refoulement compression (ces deux temps ont lieu dans la même course montante du piston) - détente - échappement.
En fait toute la différence réside dans ce que le temps de compression ne débute que lorsque l'admission se ferme, ce qui détermine obligatoirement une course de compression réduite. Et du fait de cette course réduite de compression, la course de détente lui est bien supérieure. En version atmosphérique et par rapport à un moteur classique la puissance spécifique est plus faible parce que la charge réellement admise est moindre que celle aspirée à cause du refoulement après le P.M.B.. C'est pourquoi ce type de moteur n'est vraiment intéressant que s'il est suralimenté, et comme en fin de détente les gaz d'échappement ont peu d'énergie, il est préférable d'assurer la suralimentation non pas par un turbocompresseur mais par un compresseur entraîné mécaniquement.
Le moteur à cycle Miller Mazda présente une température de combustion réduite pour une pression de combustion inchangée. Le couple développé est plus important de même que la puissance.


Crevé du moteur V6 cycle Miller.
Chaque culasse comporte deux arbres à cames en tête et chaque cylindre quatre arbres à cames.
Le compresseur Lysholm, au centre, découvre ses deux arbres hélicoïdaux.

D'une cylindrée de 2 255 cm3, le moteur V6 KJ développe 210 ch à 5300 tr/mn avec un couple maxi de 29,5 daNm à 3 700 tr/mn. La valeur du couple équivaut à celle d'un moteur conventionnel de plus de 3 litres de cylindrée. Particulièrement plate, la courbe de couple n'est jamais inférieure à 25 daNm de 1 700 tr mn jusqu'à 5 500 tr mn.
Entièrement en aluminium coulé sous pression, le moteur six cylindres en V à 60° KJ reçoit des chemises sèches spécifiques. Il possède un carter chapeau inférieur en aluminium boulonné au bloc cylindres comprenant quatre chapeaux de palier de vilebrequin en fonte.
Il est coiffé par deux culasses double arbre à cames en tête. Les arbres à cames d'échappement entraînés par une courroie crantée entraînent à leur tour ceux d'admission par des engrenages synchronisés à denture droite. Les pignons menants se composent de deux pignons accouplés dont l'un, à friction, est doté d'un cran engrenant dans le pignon d'entraînement éliminant le jeu et le possible bruit. Les arbres à cames en fonte sont creux, ils commandent les soupapes par des poussoirs avec cales de réglage.
Une injection multipoint à gestion électronique digitale et séquentielle équipe ce moteur. Elle est assurée depuis deux rampes à injecteurs double jet intégrés et alimentés en partie latérale. L'allumage statique s'effectue par une bougie bobine par cylindre.

Circuit d'air d'admission

Le moteur de la Xedos 9 cycle Miller est suralimenté par un compresseur. L'air comprimé sortant du compresseur est refroidi par deux échangeurs air-air, un pour chaque rangée de trois cylindres. Les échangeurs sont montés directement sur le moteur afin de réduire la longueur des conduits entre compresseur et collecteurs.


Le circuit d'admission d'air du moteur Mazda cycle Miller.
Aspiré par le compresseur, l'air comprimé, chaud, est refroidi
par les échangeurs air/air avant leur admission dans le moteur.

Le système d'admission utilise une soupape de fermeture et une soupape de dérivation commandées par l'unité électronique de gestion moteur qui règle la pression et la température de l'air d'admission. La soupape de dérivation ne fonctionne pas comme dans un moteur turbocompressé ou son rôle est de délester la pression excessive. Ici, elle est soumise à une dépression produite par une pompe à vide (qui assure aussi la recirculation des gaz d'échappement et l'assistance freinage). En fonction de la charge moteur et du régime elles sont ouvertes ou fermées afin de garantir le meilleur rendement du moteur, sur l'ensemble de sa plage de fonctionnement.

Le compresseur

Monté entre les rangées de cylindres en V, le compresseur Lysholm développé par Mazda et IHI est entraîné par une courroie crantée depuis le vilebrequin. Il comporte, comme le Roots, deux rotors parallèles mais ceux-ci comportent des lobes en forme de rampe hélicoïdale s'emboîtant les uns dans les autres selon une cinématique assez complexe. Le rotor convexe "mâle" est doté de trois pales et sa vitesse maxi est de 35 000 tr/mn alors que le rotor concave "femelle" à cinq pales tourne à 21 000 tr/mn.
Des pignons hélicoïdaux assurent leur synchronisation. Aspiré à une extrémité, l'air est comprimé par les lobes qui le font circuler axialement jusqu'à sa sortie vers les échangeurs. Le choix de ce type de compresseur a été guidé par sa pression de suralimentation sensiblement supérieure à celle d'une soufflante Roots d'autant plus nécessaire qu'il lui faut vaincre le flux des gaz en phase de remontée du piston l'admission étant ouverte. Par ailleurs, en raison de ses faibles pulsions, les émissions de bruit du compresseur Lysholm sont inférieures à celles d'un Roots.


Dessin crevé et vue en coupe du compresseur Lysholm
utilisé par Mazda pour suralimenter son moteur V6 cycle Miller.

Signée Mazda

Fidèle à son image, le constructeur japonais à travers cette Xedos 9 cycle Miller marque à nouveau de la marque l'innovation technologique automobile. La Xedos 9 représente le haut de gamme de la marque nippone en France.
Apparue en 1993. cette voiture grande routière se positionne comme une alternative aux Citroën XM ou autres Peugeot 605 et Renault Safrane pour ne citer que les "françaises". Commercialisée depuis l'été, cette version cycle Miller reçoit un intérieur cuir de série et nombre d'équipements qui font son raffinement.
Etonnamment silencieux et onctueux, le velouté du moteur six cylindres couvre le bruit du compresseur que l'on entend à peine et le couple disponible procure en douceur des accélérations vives et puissantes dans un feutré de fonctionnement des plus agréables. Si le gain en consommation ne parait pas spectaculairement sensible, par contre l'agrément moteur est remarquable et ses performances au rendez-vous.
L'originalité Mazda signe ici d'intéressantes prestations. A suivre.