詳細解讀“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)”這個名詞也頻繁地出現(xiàn)在大家的眼前，這個阿特金森循環(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)汽油機都使用奧托循環(huán)（柴油機則使用迪塞爾循環(huán)，也就是柴油機的發(fā)明者），這是由德國工程師尼古拉斯·奧托最先于1876年實現(xiàn)工程化（不過最先提出這個理論的是法國人），發(fā)明了基于此循環(huán)技術(shù)的內(nèi)燃機，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詞，分別是壓縮比和膨脹比。壓縮比是指活塞在下止點時氣缸的容積與活塞在上止點時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。

初期的汽油機輸出功率實在是有限，所以很多工程師都想辦法提升發(fā)動機的動力，他們想到的一種途徑就是提升壓縮比，但是限于當時的基礎(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，后者射程遠一樣，只是因為沖鋒槍槍管長，火藥氣體做功的距離長而已。

為了提升動力性與經(jīng)濟性，提高壓縮比是一個有效的手段。奧托循環(huán)的原理決定了采用奧托循環(huán)的發(fā)動機壓縮比一定等于膨脹比。為了提高發(fā)動機性能，工程師們想盡一切辦法努力通過增加壓縮比來實現(xiàn)更大的功，但是一門心思提高壓縮比會使汽油機產(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、正時帶等機件都注冊了專利，等到英國工程師詹姆斯·阿特金森要研發(fā)一種新發(fā)動機時，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)動機使用較為復雜連桿作為動力從活塞到曲軸輸出而活塞實際行程如圖所示。

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

這種設(shè)計巧妙地利用不同的連桿機制協(xié)同工作，使得各個行程幅度不同，可以有效地改良了進排氣情況。膨脹比大于壓縮比也是阿特金森發(fā)動機最大的優(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)動機的最典型結(jié)構(gòu)特征就是這個略有些奇怪的曲軸（當然結(jié)構(gòu)復雜導致制造和維護都很麻煩，這也是它推廣不力的主要原因）復雜的連桿在體積上和故障情況都不如奧托發(fā)動機，所以在汽車上未能普及，不過船用、發(fā)電用等大型柴油機在很大程度上借鑒了阿特金森發(fā)動機這種特性，可謂失之東隅收之桑榆。

從理論上來看，當引擎在點火之后，油氣被點燃、溫度迅速升高、氣缸內(nèi)壓力劇增，活塞由上止點快速下推至下止點，假如膨脹行程作用的時間與壓縮時相較越長、行程距離越遠，氣體膨脹越多倍，可取出的能量就越多，則代表引擎作“正功”的時間越長、熱效率越好，而排氣溫度越低。為達到上述目的，阿特金森循環(huán)引擎在運作流程上，雖然一樣有進氣、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)計的變化，增加更復雜的機構(gòu)，令活塞相鄰兩次往返至上、下止點的行程距離一長一短，形成膨脹比大于壓縮比的運作過程，達到比一般奧托循環(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現(xiàn)的壓縮比小于膨脹比。雖然他們達到的效果是相同的，但是從結(jié)構(gòu)上來說他們有著本質(zhì)的區(qū)別。miller舍棄了復雜的連桿結(jié)構(gòu)，而是采用配氣時機來制造這種效果。其解決方式為：在吸氣沖程結(jié)束時，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)動機配氣相位，下圖為米勒循環(huán)配氣相位

有了可變進氣正時技術(shù)，這種技術(shù)是非常容易實現(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，本來就稀薄的混合氣在“反流”之后變得更少，使得該發(fā)動機低速扭矩性相當糟糕。

2、長活塞行程不利于高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)

較長的活塞行程確實可以充分提升動力與經(jīng)濟性，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。而追求性能，尤其是追求高速性能的賽車發(fā)動機，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數(shù)據(jù)是接近的。

因此阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機，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)動機正時，通過推遲進氣門關(guān)閉的辦法，在壓縮沖程從進氣門排出部分燃氣，減少進氣量，所以壓縮比沒有那么高（也就沒有了爆震的影響），從而實現(xiàn)膨脹比大于壓縮比的目的。實際上這一過程是利用了米勒循環(huán)的原理。

由于馬自達公司在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。