Cycle de Miller

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 (création d'un vide partiel). 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. 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, cette masse est exprimée en masse/cycle) et, pour peu qu'on considère le rendement inchangé, la quantité de travail produite lors du cycle de Miller est donc inférieure à celle produite dans le cycle de référence.

L'intérêt majeur du cycle Miller utilisé sur moteur à allumage commandé est l'obtention d'un rendement thermodynamique plus élevé. L'augmentation de ce rendement vient pour une part 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. Pour une autre part, elle vient de la diminution de la tendance au cliquetis. En effet, thermodynamiquement parlant, le taux de compression est le premier déterminant du rendement d'un moteur. Plus il est élevé, plus le rendement est élevé. Cependant, l'emploi de taux de compression élevés dans les moteurs à allumage commandé induit cependant un phénomène bien connu d'auto-allumage couramment appelé "cliquetis", recherché sur les moteurs à allumage par compression mais complètement proscrit sur les moteurs à allumage commandé: les vitesses de combustion dépassent les 1000m/s (on parle de détonation) et les effets sont délétères sur les composants, essentiellement sur le piston.

A carburant donné, plus le taux de compression est élevé, plus la tendance au cliquetis est importante. Évidemment lorsque le moteur est suralimenté (par compresseur ou turbocompresseur), la tendance au cliquetis sera renforcée puisque les pressions de fin de compression peuvent être très élevées. En conséquence le taux de compression est généralement plus faible sur moteur suralimenté que sur moteur atmosphérique.

Le choix du taux est issu d'un compromis :

1/ sa limite supérieure est dictée par le niveau de cliquetis supportable à pleine charge du moteur, où la pression en fin de compression est la plus élevée. Pour la définition du niveau de cliquetis supportable, on choisit d'ailleurs plutôt un point de fonctionnement à bas régime car la détonation y a suffisamment de temps pour réaliser des dégâts importants.

2/ sa limite inférieure est liée au cahier des charges en matière de consommation de carburant.

Puisque dans un moteur à cycle de Beau de Rochas, le taux est dicté par des impératifs géométriques et est fixé par construction, il ne peut dès lors être varié dans le plan Moment/Vitesse. Le cycle de référence fonctionne alors aux charges intermédiaires avec un taux de compression géométrique éloigné du taux possible qui ne serait limité que par la tendance au cliquetis et ainsi le rendement thermodynamique est inférieur à ce qu'il pourrait être. Aux charges élevées et jusqu'à la pleine charge, la tendance au cliquetis est présente et ne peut être réduite que par une réduction de l'avance à l'allumage dont la conséquence est une drastique perte de rendement et une augmentation conséquente de la température d'échappement. Le rendement, ici aussi, n'est pas au maximum de ce qu'il pourrait être et pourrait être meilleur si le taux était réduit pour éviter cette mesure, drastique, de réduction. Tout l'intérêt des moteurs à taux de compression géométrique variable est justement de pouvoir adapter celui-ci aux conditions du moment (vitesse/charge) afin d'être le plus élevé possible pour atteindre le rendement thermodynamique maximal tout en restant en deçà de la limite de cliquetis et ainsi éviter d'agir sur l'avance à l'allumage. Le prix en est une complication technique et un surcoût conséquent qui ont défendu jusqu'à présent leur introduction en grande série et à coûts maîtrisés.

En agissant sur les temps de fermeture des soupapes d'admission, il est donc possible de varier la quantité d'air admise ainsi que le volume d'air à partir duquel la compression commence. Conséquemment, une certaine variation du taux de compression thermodynamique est possible : sa valeur oscille entre un maximum, représenté par le taux de compression géométrique, et un minimum dicté généralement par le dimensionnement du système de variation des temps de fermeture. On réalise alors dans une certaine mesure le moteur à taux de compression variable aux avantages décrits plus haut.

Si le choix du cycle Miller lors de la conception du moteur est fait, alors le taux de compression géométrique est, par construction, choisi très élevé pour pouvoir être utilisé tel quel aux points de fonctionnement où le moteur à allumage commandé n'est pas limité par le cliquetis et donc pour y maximiser son rendement. Évidemment, il n'est pas possible d'utiliser ce taux aux charges qui induisent l'existence de cliquetis, par exemple en renonçant au cycle Miller et en pratiquant le cycle de Beau de Rochas.

A cylindrée égale, le moteur à cycle Miller produira moins de travail par cycle. Pour remédier à cela, il faut soit augmenter la cylindrée géométrique, soit augmenter la pression dans le conduit d'admission. Ceci est réalisé au moyen soit d'un compresseur entraîné par une turbine (cas classique du turbo-compresseur) soit 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 atmosphérique.

Dans le cas d'un moteur atmosphérique, l'obtention d'une même pression de fin de compression que dans le cycle de référence induit d'utiliser un taux de compression géométrique plus important puisque la pression en début de compression est plus faible. Pour une telle 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 (modérément) augmentée mais l'énergie libérée par cycle étant inférieure (puisque la masse d'air par cycle est inférieure), le niveau de cliquetis sera globalement au pire égal et en règle générale 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 partie de l'air admis lors de la descente du piston est refoulée dans le conduit d'admission lors de la remontée du piston et ce jusqu'à la fermeture des soupapes d'admission. La compression débute immédiatement après cette fermeture. 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 une optique d'amélioration du rendement dans différents modèles d'automobiles qu'ils soient hybrides (voitures hybrides) ou non.

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 un moteur V6 2,3 litres KJ-ZEM (en) 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.

Volkswagen, avec ses moteurs essence 1.5 TSI de 96 kW / 130 ch ou 105 kW / 150 ch (code "evo EA211"), utilise également le cycle de Miller. Ce moteur équipe notamment depuis fin 2017 les modèles Golf et Škoda Karoq.

Suzuki dès 2015 a proposé ce type de cycle sur un moteur 3 cylindres d'une cylindrée de 1 litre, sans hybridation et à injection indirecte.

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