解讀發(fā)動(dòng)機(jī)（五）阿特金森和米勒循環(huán)

該類發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)形式

如何有效利用燃油產(chǎn)生的能量是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的關(guān)鍵。自從發(fā)動(dòng)機(jī)誕生以來，這個(gè)話題就一直在進(jìn)行。從19世紀(jì)（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）末的阿特金森循環(huán)到20世紀(jì)（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）40年代的米勒循環(huán)，一種“替代”的運(yùn)行機(jī)制打破了原來的壓縮比恒定值。

話題又一次談到了“壓縮比”的問題。如果想提升動(dòng)力，提高壓縮比是一種手段。為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，提高壓縮比也是一種手段。但壓縮比不可能無限提高，而在發(fā)動(dòng)機(jī)史上的“古代”，這個(gè)問題就更難解決了。然而，人類的智慧往往會(huì)找到另一種方式。由于壓縮比不能提高，所以應(yīng)該增加“膨脹率”。

●阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

1882年，詹姆斯·阿特金森發(fā)明了一種發(fā)動(dòng)機(jī)。與當(dāng)時(shí)的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞排量在壓縮沖程和動(dòng)力沖程之間是不同的。阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)使用復(fù)雜的連桿作為活塞到曲軸的動(dòng)力輸出，活塞的實(shí)際行程如下圖所示。

活塞沖程由藍(lán)、黃、紅、綠四個(gè)色塊表示，分別是吸氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)沖程

這個(gè)設(shè)計(jì)很巧妙。不同的連桿機(jī)構(gòu)共同作用，使每個(gè)行程范圍不同，不僅有效改善了進(jìn)排氣條件，而且阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)最大的特點(diǎn)就是膨脹比大于壓縮比。更長的膨脹沖程可以更有效地利用燃燒后廢氣中仍然存在的高壓，因此燃油效率高于奧托循環(huán)。

連桿的引入不僅影響活塞行程，還會(huì)改變作用在曲軸上的扭矩。

但是復(fù)雜的連桿在體積和故障情況上都不如奧托發(fā)動(dòng)機(jī)，所以還沒有在汽車上普及。但船用、發(fā)電等大型柴油機(jī)很大程度上借鑒了阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)的這一特點(diǎn)，可以說是忍無可忍。至于阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)存在進(jìn)氣門晚關(guān)是否意味著壓縮比小于膨脹比的問題，目前尚無考證，但真正采用這一技術(shù)的卻是后面的發(fā)動(dòng)機(jī)。

●米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

1940年，米勒重新獲得了這種不等膨脹/壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)，但放棄了復(fù)雜的連桿結(jié)構(gòu)，使用氣門正時(shí)來創(chuàng)造這種效果。解決方法是:在吸氣沖程結(jié)束時(shí)，延遲關(guān)閉閥門，這將“吐出”一部分吸入的混合物，然后關(guān)閉閥門，開始?jí)嚎s沖程。

上圖為常規(guī)Alto循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門正時(shí)，下圖為Miller循環(huán)的氣門正時(shí)”

“與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，米勒循環(huán)的進(jìn)氣門關(guān)閉較晚，部分吸入氣體反向排出，排氣門開啟較晚，使工作時(shí)間更長。”

簡單地控制閥門的開啟和關(guān)閉時(shí)間會(huì)產(chǎn)生膨脹比大于壓縮比的效果。與傳統(tǒng)的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可以利用廢氣中包含的能量。

1-2-3-4是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的PV圖，6-2-3-5是阿特金森/米勒循環(huán)的PV圖。陰影部分可以理解為阿特金森/米勒額外活塞行程及其能量利用。

該類發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用

●這種發(fā)動(dòng)機(jī)的缺陷

很多讀者會(huì)意識(shí)到，有了可變進(jìn)氣正時(shí)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)非常容易實(shí)現(xiàn)，但為什么這項(xiàng)技術(shù)沒有在發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛應(yīng)用呢？原因如下:

◆ 1.獨(dú)特的進(jìn)氣模式使低速扭矩非常差。低速時(shí)，本已稀薄的空燃混合氣“逆流”后變少，使得這類發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩性能非常差。顯然，沒有足夠的動(dòng)力讓車輛啟動(dòng)。沒有人希望自己的車輸在起跑線上，廠家也不想讓自己的產(chǎn)品落后于人。

◆ 2.長活塞行程不利于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。長活塞行程確實(shí)能充分利用燃油能量，提高經(jīng)濟(jì)性，但也限制了速度的提升，加速性能變差，“功率提升”的性能指標(biāo)會(huì)很低。然而，對(duì)于追求性能，尤其是高速性能的賽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說，沖程與活塞直徑的比率通常非常低。在民用車輛上，為了平衡，行程和缸徑這兩個(gè)數(shù)據(jù)通常比較接近。

這使得阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)處于非常尷尬的境地，只能在速度中間階段有效發(fā)揮動(dòng)力，對(duì)于每天路況復(fù)雜的城市交通形式的汽車非常不利，所以普通汽車不會(huì)使用這項(xiàng)技術(shù)。但是有很多特別的車。

●現(xiàn)代阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

現(xiàn)實(shí)中，目前市場上的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)很少。豐田普銳斯（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）雖然號(hào)稱使用阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)，但從實(shí)際結(jié)構(gòu)來看，本質(zhì)上還是米勒循環(huán)的方式。這是因?yàn)樵?993年，馬自達(dá)重新獲得了米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)并裝備了量產(chǎn)車。為了避免更多的麻煩，豐田只能說是阿特金森循環(huán)。

然而，這兩家公司采取了兩種不同的想法。馬自達(dá)用米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過這種方式來降低爆震和提升動(dòng)力，所以配備了增壓器來進(jìn)一步提升動(dòng)力。豐田普銳斯以節(jié)油為目的，充分發(fā)揮阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)性優(yōu)勢(shì)。

使用了機(jī)械增壓米勒循環(huán)馬自達(dá)2（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）.3S發(fā)動(dòng)機(jī)”

“這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)搭載在馬自達(dá)Millenia上”

阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)因其充分利用能源而受到各種節(jié)油混合動(dòng)力汽車的青睞。他們不在乎低速“停運(yùn)”和高速“停運(yùn)”，因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)期都有電機(jī)為車輪提供動(dòng)力，而且大部分時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)都在發(fā)電，所以發(fā)動(dòng)機(jī)可以以油耗最好的速度運(yùn)行。電機(jī)的大扭矩彌補(bǔ)了動(dòng)力上的缺陷，互補(bǔ)的動(dòng)力總成使混合動(dòng)力汽車在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性上有著突出的表現(xiàn)。

然而，通過阿特金森/米勒循環(huán)制造大功率發(fā)動(dòng)機(jī)可能并不合適。馬自達(dá)的發(fā)動(dòng)機(jī)即使量產(chǎn)了也沒有開發(fā)出來，動(dòng)力的提升基本上是增壓的效果，而不是循環(huán)的初衷。因此，阿特金森/米勒循環(huán)更多地用于混合動(dòng)力汽車，節(jié)約燃料是它的職責(zé)。

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