三问三解之米勒、奥托和阿特金森

  参考发动机的性能，除了功率、扭矩这些外特性外，部分车型还能找到万有特性图来进一步获取发动机的工作特性。然而，在一些车辆解析文章里，我们偶尔还能看到如米勒循环、阿特金森循环这样的词语。什么是发动机循环？有哪些发动机循环？循环方式又有何区别？

  发动机的工作循环，是周期性地将燃料燃烧所产生的热能转变为机械能的过程，具体指发动机从进气、压缩、膨胀、排气等多个有序重复过程。在这些过程中，工质（燃料、空气等）的温度、压力、成分和流动状态等时刻发生着很复杂的变化，根据不同内燃机工作过程的特点，将实际循环过程简化，建立内燃机的理论循环，并与实际循环过程作比较，可以分析研究内燃机循环效率和平均压力的主要影响因素，发动机循环可大致分为理论循环和实际循环。

  发动机的工作循环分类多种多种，有理论循环、实际循环、按冲程、按循环方式等等。理论循环有三种，分别是等容加热循环、等压加热循环、混合加热循环。

  等容加热循环加热过程在等容条件下快速完成，热效率仅与压缩比有关；等压加热循环加热过程在等压条件下完成，负荷的增加使循环热效率下降；混合加热循环加热过程在等容和等压条件下完成，热效率介于上述两者之间。

  当然理论只存在于公式之中，和理论循环相比，发动机的实际循环在压缩、燃烧、膨胀和进排气过程存在着许多不可逆损失，如泵气、摩擦、热传递等，因此实际应用中不可能达到理论循环的热效率和循环平均压力。分析理论循环，有助于提高发动机的效率，如提高压缩比、增加膨胀比、增加等熵指数k等。

  以四冲程汽油机为例，循环由吸气—压缩—膨胀做功—排气这四个冲程构成。发动机曲轴每旋转两周，经历进气、压缩、做功、排气四个冲程完成一个工作循环。

  冲程一：吸气——进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，空气进入气缸与汽油燃料混合。

  冲程二：压缩——进/排气门全部关闭，活塞向上运动压缩混合气体，直到压缩冲程顶点。

  冲程三：膨胀做功——当活塞到达压缩冲程顶点时，火花塞点燃混合气体，产生高能量推动活塞向下运动，完成做功。

  两冲程循环同样由吸气—压缩—膨胀做功—排气组成，不同点在于，两冲程发动机曲轴转动一周，经历两个冲程就可以完成一个工作循环。和四冲程发动机相比，两冲程发动机的结构差异大多数表现在配气机构上，两冲程发动机的进排气口均位于气缸壁上，且开闭由活塞的位置决定，没有独立的配气机构。以两冲程汽油机为例。

  冲程一：此时汽缸内已经充满了混合气体，活塞在曲轴带动下从下止点向上运动，将汽缸内的混合器压缩升温，活塞上行抵达上止点时，火花塞点燃。这一步的同时，活塞下方的曲轴箱也将混合气体吸入。

  冲程二：火花塞点火后，燃烧产生的压力推动活塞往下运动，活塞下行时排气口先打开，排出废气，随后打开进气口，新的混合气从曲轴箱内进入气缸，此时汽缸内再次充满混合气体准备新的循环周期。

  在相同的发动机转速和气缸容积下，二冲程发动机产生的功率是四冲程发动机的两倍，同时没有阀门的凸轮、曲轴、摇臂等装置的损耗，二冲程发动机的机械效率更加高。然而，二冲程发动机燃料消耗率也远高于四冲程发动机，注入燃料时排气口仍然开启排气，相当一部分未燃烧的燃料被浪费掉，此外还产生严重的环境污染。

  同时，实际压缩要等到当活塞向上运动至进气口、排气口完全关闭后，因此在相同的尺寸下，二冲程发动机的实际压缩比和热效率要低于四冲程发动机，对润滑油的消耗也更大，部件也更加容易发生磨损。目前国内的乘用车基本都是四冲程发动机。

  按工作原理分类可大致分为米勒循环、奥托循环、阿特金森循环等，也是常见的话术。这些循环又是怎么回事呢？

  奥托循环就是标准的四冲程循环，也是等容加热循环。整个循环过程和上面讲的四冲程循环发动机一样，包括进气冲程活塞下行吸入空气和燃料混合气—压缩冲程活塞上行压缩混合气—做功冲程火花塞点燃混合气推动活塞向下运动—排气冲程活塞上行将废气排出气缸。

  卡诺循环只存在两个热源（高温热源温度T1、低温热源温度T2），工作物质只能与两个热源交换热量，所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，即等温吸热，绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。换而言之，假设采用理想气体为工作物质，从始态出发，经历四个过程，回到始态。因此，卡诺循环是理想化的奥托循环，只存在于理论之中。但这个理论为提高发动机的效率奠定了基础，指出了提高热机效率的方向（提高T1，降低T2，减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环）。

  阿特金森循环是一种改良后的奥托循环，目的是提高发动机的燃油效率。阿特金森循环基于奥托循环，主要不同之处在于使发动机的膨胀比＞压缩比，进而提升了发动机的燃油效率。结构上，早期的阿特金森循环发动机采用一套复杂的连杆结构，使活塞的压缩行程小于膨胀行程，通过更长的膨胀行程，进一步利用燃烧后的废气能量，所以燃油效率也比奥托循环更高一些。

  到了现代，复杂的连杆结构已经被可变气门所取代，通过LIVC（late intake valve closed延迟关闭进气门），让部分新鲜空气回流至进气歧管，也实现了膨胀比＞压缩比的目的。

  米勒循环同样基于奥托循环，也是通过使发动机的膨胀比压缩比来提高发动机的效率。和奥托循环相比，不同之处在于压缩冲程这一步，通过EIVC(early intake vavle closed进气门早关)，降低了压缩比，来提升发动机的燃油效率。

  阿特金森循环和米勒循环通过不同的方式，使发动机的膨胀比压缩比，进而达到提升效率的目的，并间接减少了爆震对发动机的影响，降低了发动机的排温，还顺手减小了发动机的NOX排放，一举多得。此外，发动机的循环还有柴油循环（狄塞尔循环Diesel cycle）、布雷顿循环等等。

  题外话，早期的一些阿特金森循环都不带涡轮增压器，原因之一就是阿特金森循环的进气时会回涌一部分空气到进气歧管，这和涡轮增压器产生了明显的冲突。后来通过电控气门技术，发动机可以随意切换循环模式，因此也就不存在这样的一个问题了。

  阿特金森循环和米勒循环都是基于奥托循环而来，原理也都是通过膨胀比＞压缩比实现，加之现代发动机有更灵活的气门开闭技术，本质上这两类循环的发动机已无区别，根据工况需要，可以灵活地在不同循环方式上切换。（朋月）

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