解读发动机（五）阿特金森和米勒循环

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如何有效利用燃油产生的能量是提高发动机效率的关键。自从发动机诞生以来，这个话题就一直在进行。从19世纪（查成交价|参配|优惠政策）末的阿特金森循环到20世纪（查成交价|参配|优惠政策）40年代的米勒循环，一种“替代”的运行机制打破了原来的压缩比恒定值。

话题又一次谈到了“压缩比”的问题。如果想提升动力，提高压缩比是一种手段。为了提高燃油经济性，提高压缩比也是一种手段。但压缩比不可能无限提高，而在发动机史上的“古代”，这个问题就更难解决了。然而，人类的智慧往往会找到另一种方式。由于压缩比不能提高，所以应该增加“膨胀率”。

●阿特金森循环发动机

1882年，詹姆斯·阿特金森发明了一种发动机。与当时的奥托循环发动机不同，这种发动机的活塞排量在压缩冲程和动力冲程之间是不同的。阿特金森发动机使用复杂的连杆作为活塞到曲轴的动力输出，活塞的实际行程如下图所示。

活塞冲程由蓝、黄、红、绿四个色块表示，分别是吸气、压缩、做功和排气四个冲程

这个设计很巧妙。不同的连杆机构共同作用，使每个行程范围不同，不仅有效改善了进排气条件，而且阿特金森发动机最大的特点就是膨胀比大于压缩比。更长的膨胀冲程可以更有效地利用燃烧后废气中仍然存在的高压，因此燃油效率高于奥托循环。

连杆的引入不仅影响活塞行程，还会改变作用在曲轴上的扭矩。

但是复杂的连杆在体积和故障情况上都不如奥托发动机，所以还没有在汽车上普及。但船用、发电等大型柴油机很大程度上借鉴了阿特金森发动机的这一特点，可以说是忍无可忍。至于阿特金森发动机存在进气门晚关是否意味着压缩比小于膨胀比的问题，目前尚无考证，但真正采用这一技术的却是后面的发动机。

●米勒循环发动机

1940年，米勒重新获得了这种不等膨胀/压缩比的发动机，但放弃了复杂的连杆结构，使用气门正时来创造这种效果。解决方法是:在吸气冲程结束时，延迟关闭阀门，这将“吐出”一部分吸入的混合物，然后关闭阀门，开始压缩冲程。

上图为常规Alto循环发动机的气门正时，下图为Miller循环的气门正时”

“与常规发动机相比，米勒循环的进气门关闭较晚，部分吸入气体反向排出，排气门开启较晚，使工作时间更长。”

简单地控制阀门的开启和关闭时间会产生膨胀比大于压缩比的效果。与传统的奥托循环发动机相比，可以利用废气中包含的能量。

1-2-3-4是传统发动机的PV图，6-2-3-5是阿特金森/米勒循环的PV图。阴影部分可以理解为阿特金森/米勒额外活塞行程及其能量利用。

●这种发动机的缺陷

很多读者会意识到，有了可变进气正时技术，这项技术非常容易实现，但为什么这项技术没有在发动机中广泛应用呢？原因如下:

◆ 1.独特的进气模式使低速扭矩非常差。低速时，本已稀薄的空燃混合气“逆流”后变少，使得这类发动机的低速扭矩性能非常差。显然，没有足够的动力让车辆启动。没有人希望自己的车输在起跑线上，厂家也不想让自己的产品落后于人。

◆ 2.长活塞行程不利于高速运转。长活塞行程确实能充分利用燃油能量，提高经济性，但也限制了速度的提升，加速性能变差，“功率提升”的性能指标会很低。然而，对于追求性能，尤其是高速性能的赛车发动机来说，冲程与活塞直径的比率通常非常低。在民用车辆上，为了平衡，行程和缸径这两个数据通常比较接近。

这使得阿特金森/米勒循环发动机处于非常尴尬的境地，只能在速度中间阶段有效发挥动力，对于每天路况复杂的城市交通形式的汽车非常不利，所以普通汽车不会使用这项技术。但是有很多特别的车。

●现代阿特金森/米勒循环发动机

现实中，目前市场上的阿特金森循环发动机很少。丰田普锐斯（查成交价|参配|优惠政策）虽然号称使用阿特金森发动机，但从实际结构来看，本质上还是米勒循环的方式。这是因为在1993年，马自达重新获得了米勒循环发动机并装备了量产车。为了避免更多的麻烦，丰田只能说是阿特金森循环。

然而，这两家公司采取了两种不同的想法。马自达用米勒循环发动机通过这种方式来降低爆震和提升动力，所以配备了增压器来进一步提升动力。丰田普锐斯以节油为目的，充分发挥阿特金森/米勒循环发动机的实质性优势。

使用了机械增压米勒循环马自达2（查成交价|参配|优惠政策）.3S发动机”

“这台发动机搭载在马自达Millenia上”

阿特金森/米勒循环发动机因其充分利用能源而受到各种节油混合动力汽车的青睐。他们不在乎低速“停运”和高速“停运”，因为这两个时期都有电机为车轮提供动力，而且大部分时间发动机都在发电，所以发动机可以以油耗最好的速度运行。电机的大扭矩弥补了动力上的缺陷，互补的动力总成使混合动力汽车在动力性和经济性上有着突出的表现。

然而，通过阿特金森/米勒循环制造大功率发动机可能并不合适。马自达的发动机即使量产了也没有开发出来，动力的提升基本上是增压的效果，而不是循环的初衷。因此，阿特金森/米勒循环更多地用于混合动力汽车，节约燃料是它的职责。

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