詳細(xì)解讀“阿特金森”循環(huán)

隨著混動車型數(shù)量的日趨增長，“阿特金森循環(huán)”這個(gè)名詞也頻繁地出現(xiàn)在大家的眼前，這個(gè)阿特金森循環(huán)究竟是何方神圣？今天我們就來講講關(guān)于阿特金森循環(huán)的故事。

1奧托循環(huán)

現(xiàn)在大多數(shù)汽油機(jī)都使用奧托循環(huán)（柴油機(jī)則使用迪塞爾循環(huán)，也就是柴油機(jī)的發(fā)明者），這是由德國工程師尼古拉斯·奧托最先于1876年實(shí)現(xiàn)工程化（不過最先提出這個(gè)理論的是法國人），發(fā)明了基于此循環(huán)技術(shù)的內(nèi)燃機(jī)，并且申請了專利。

2壓縮比與膨脹比

在這里我們要了解兩個(gè)詞，分別是壓縮比和膨脹比。壓縮比是指活塞在下止點(diǎn)時(shí)氣缸的容積與活塞在上止點(diǎn)時(shí)氣缸的容積之間的比值。形象的比喻就是好比一塊海綿的體積是10立方厘米，然后你把它放手里一捏他變成了1立方厘米，10除以1就是這塊海綿這次的的壓縮比。理解了壓縮比后其實(shí)就很容易理解膨脹比，形象的比喻就是一枚干海參很小，但是經(jīng)過泡制后變得以前體積數(shù)倍，這就是膨脹比。

初期的汽油機(jī)輸出功率實(shí)在是有限，所以很多工程師都想辦法提升發(fā)動機(jī)的動力，他們想到的一種途徑就是提升壓縮比，但是限于當(dāng)時(shí)的基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)，壓縮比依然有限（即便是現(xiàn)在，由于汽油抗爆性的原因，壓縮比也不能過大），他們就想著把膨脹比做大——如同同樣用一種手槍子彈的手槍和沖鋒槍，后者射程遠(yuǎn)一樣，只是因?yàn)闆_鋒槍槍管長，火藥氣體做功的距離長而已。

為了提升動力性與經(jīng)濟(jì)性，提高壓縮比是一個(gè)有效的手段。奧托循環(huán)的原理決定了采用奧托循環(huán)的發(fā)動機(jī)壓縮比一定等于膨脹比。為了提高發(fā)動機(jī)性能，工程師們想盡一切辦法努力通過增加壓縮比來實(shí)現(xiàn)更大的功，但是一門心思提高壓縮比會使汽油機(jī)產(chǎn)生爆震，因此壓縮比不能無限提升。不過聰慧的人類經(jīng)常會另辟蹊徑，既然壓縮比無法無限制提高，那就改行提高“膨脹比”。

3歷史上的阿特金森循環(huán)

由于奧托之前將凸輪軸、正時(shí)帶等機(jī)件都注冊了專利，等到英國工程師詹姆斯·阿特金森要研發(fā)一種新發(fā)動機(jī)時(shí)，就不能沿用奧托的結(jié)構(gòu)了。不過這位英國人還挺執(zhí)著，1882年，采用全新曲柄連桿結(jié)構(gòu)的阿特金森發(fā)動機(jī)誕生了，而這種循環(huán)方式也就被稱為阿特金森循環(huán)（Atkinson cycle）。阿特金森發(fā)動機(jī)使用較為復(fù)雜連桿作為動力從活塞到曲軸輸出而活塞實(shí)際行程如圖所示。

活塞行程分別用藍(lán)、黃、紅、綠、四種顏色進(jìn)行表示，依次為：吸氣、壓縮、做功、排氣。

這種設(shè)計(jì)巧妙地利用不同的連桿機(jī)制協(xié)同工作，使得各個(gè)行程幅度不同，可以有效地改良了進(jìn)排氣情況。膨脹比大于壓縮比也是阿特金森發(fā)動機(jī)最大的優(yōu)勢所在。較長的膨脹行程可以更有效的利用做功后的廢氣，因此燃油效率也高于奧托循環(huán)。

原始結(jié)構(gòu)的阿特金森發(fā)動機(jī)的最典型結(jié)構(gòu)特征就是這個(gè)略有些奇怪的曲軸（當(dāng)然結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致制造和維護(hù)都很麻煩，這也是它推廣不力的主要原因）復(fù)雜的連桿在體積上和故障情況都不如奧托發(fā)動機(jī)，所以在汽車上未能普及，不過船用、發(fā)電用等大型柴油機(jī)在很大程度上借鑒了阿特金森發(fā)動機(jī)這種特性，可謂失之東隅收之桑榆。

從理論上來看，當(dāng)引擎在點(diǎn)火之后，油氣被點(diǎn)燃、溫度迅速升高、氣缸內(nèi)壓力劇增，活塞由上止點(diǎn)快速下推至下止點(diǎn)，假如膨脹行程作用的時(shí)間與壓縮時(shí)相較越長、行程距離越遠(yuǎn)，氣體膨脹越多倍，可取出的能量就越多，則代表引擎作“正功”的時(shí)間越長、熱效率越好，而排氣溫度越低。為達(dá)到上述目的，阿特金森循環(huán)引擎在運(yùn)作流程上，雖然一樣有進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣等行程，但阿特金森循環(huán)引擎利用連桿與曲軸設(shè)計(jì)的變化，增加更復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，令活塞相鄰兩次往返至上、下止點(diǎn)的行程距離一長一短，形成膨脹比大于壓縮比的運(yùn)作過程，達(dá)到比一般奧托循環(huán)的四行程引擎更高的熱效率。

4米勒循環(huán)

1940年美國人miller（米勒）在對阿特金森發(fā)動機(jī)充分研究后，提出了另外一種壓縮比小于膨脹比的概念，但是這次所用的方法并不是通過單純的壓縮行程與膨脹行程不對等而實(shí)現(xiàn)的壓縮比小于膨脹比。雖然他們達(dá)到的效果是相同的，但是從結(jié)構(gòu)上來說他們有著本質(zhì)的區(qū)別。miller舍棄了復(fù)雜的連桿結(jié)構(gòu)，而是采用配氣時(shí)機(jī)來制造這種效果。其解決方式為：在吸氣沖程結(jié)束時(shí)，推遲氣門的關(guān)閉，這就將吸入的混合氣又“吐”出去一部分，再關(guān)閉氣門，開始壓縮沖程。

上圖為常規(guī)奧拓循環(huán)發(fā)動機(jī)配氣相位，下圖為米勒循環(huán)配氣相位

有了可變進(jìn)氣正時(shí)技術(shù)，這種技術(shù)是非常容易實(shí)現(xiàn)的，但為什么這種技術(shù)未能廣泛普及呢？其原因如下：

1、低速扭矩性較差

在低速時(shí)，本來就稀薄的混合氣在“反流”之后變得更少，使得該發(fā)動機(jī)低速扭矩性相當(dāng)糟糕。

2、長活塞行程不利于高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)

較長的活塞行程確實(shí)可以充分提升動力與經(jīng)濟(jì)性，但也因此限制了轉(zhuǎn)速的升高，加速性能也變差，并且會降低“升功率”這一重要性能指標(biāo)。而追求性能，尤其是追求高速性能的賽車發(fā)動機(jī)，往往行程與活塞直徑的比值會很低。在民用車上，為了平衡，通常行程與缸徑兩個(gè)數(shù)據(jù)是接近的。

因此阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)，通常只在轉(zhuǎn)速的中間階段才能有效發(fā)揮動力，這對于每天在路況復(fù)雜的城市交通中形式的汽車非常不利，所以民用汽車往往不會優(yōu)先使用這種技術(shù)。

5現(xiàn)代阿特金森循環(huán)

現(xiàn)代的阿特金森循環(huán)使用電控制裝置改變發(fā)動機(jī)正時(shí)，通過推遲進(jìn)氣門關(guān)閉的辦法，在壓縮沖程從進(jìn)氣門排出部分燃?xì)?，減少進(jìn)氣量，所以壓縮比沒有那么高（也就沒有了爆震的影響），從而實(shí)現(xiàn)膨脹比大于壓縮比的目的。實(shí)際上這一過程是利用了米勒循環(huán)的原理。

由于馬自達(dá)公司在1993年，將“米勒循環(huán)”注冊專利，其他廠商如果在說是米勒循環(huán)就會產(chǎn)生侵權(quán)。其實(shí)際效果由于與阿特金森循環(huán)接近所以從豐田帶頭開始就叫阿特金森循環(huán)了。