阿特金森循环和米勒循环:为效率而做出的动力牺牲
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阿特金森循环通过让膨胀冲程长于压缩冲程,将燃油的热能更多地转化为机械功;米勒循环则是同一技术与涡轮增压或机械增压相结合的形式.两者都以牺牲部分功率来换取效率提升——也正因如此,它们与混合动力系统和现代涡轮增压汽油机相得益彰.本文将阐述这两种循环的共同原理、压缩比与膨胀比的区别,以及它们为何在哪些车辆上发挥作用.
要点
- 阿特金森循环 1882年由 James Atkinson 获得专利,比奥托循环晚了 6年 .
- 效率的来源不是压缩而是膨胀:有效压缩比被降低,膨胀比得以保留.
- 进气门在压缩冲程完成 20%–30% 之前持续保持开启.
- 在传统发动机中,燃烧能量的 33%–40% 随废气一起流失.
- 首款量产混合动力阿特金森发动机于 1997年在丰田 Prius 上投入使用.
什么是阿特金森循环和米勒循环?它们与奥托循环有多大不同?
尼古拉斯·奥托于1876年开发的四冲程循环——进气、压缩、燃烧和排气——是当今汽油发动机事实上的标准.在奥托循环中,活塞在进气冲程吸入空气-燃油混合气后,排气门一关闭便立即开始压缩.压缩冲程与膨胀冲程在几何上是相等的,发动机的效率很大程度上取决于将这一压缩比提升到爆震极限所允许的程度.
James Atkinson 在1882年提出的构想,就是有意识地打破这种对称性.如果膨胀冲程长于压缩冲程,燃烧气体就不会在能量转化为动力之前从排气门逃逸.Atkinson 最初用复杂的连杆机构来实现这一构想;他名为 cycle engine 的设计通过一套连杆机构在一次曲轴旋转中完成四个冲程.它的效率很高,但高转速下难以平衡,机械结构笨重,因此未能在商业上普及.
现代的解决方案则优雅得多:完全不改动曲轴机构,仅通过延迟进气门的关闭来获得同样的效果.Ralph Miller 于 1956年获得专利、如今在自然吸气和涡轮增压发动机上均有应用的方案,其基础正在于此.
效率的来源:不是压缩比,而是膨胀比
这里的逻辑链条解释了两种循环的全部区别.如果进气门关闭得比正常晚得多(文献中称为 LIVC),活塞在开始压缩冲程后仍会继续进气一小段时间,将一部分混合气推回进气歧管.结果:进入气缸的有效空气量减少, 有效压缩比降低.但由于活塞的下行——即膨胀冲程——在几何上并未改变, 膨胀比保持不变.这样,压缩比就小于膨胀比.
为什么这种差异能带来效率提升?因为压缩功消耗的能量减少了,而燃烧能量在膨胀过程中转化为机械功的时间却延长了.目标是在做功冲程结束时,尽可能让缸内气体压力接近大气压;如果排气阀开启时仍有高压气体存在,那这些能量就被白白浪费了.在传统发动机中,排气以 3–7 bar 的压力和 1000 °C的高温被排出——燃烧能量的三分之一到一半在尚未做任何有用功之前就进入了排气管.
延迟关闭并非唯一选择.进气阀提前关闭(EIVC)也能达到同样效果:阀门在冲程开始时关闭,活塞下行时缸内形成轻微真空,混合气几乎是靠自身膨胀被吸入的.两种策略在热管理和泵气损失方面各有差异;对船用发动机的研究也表明,过早关闭阀门反而可能增加油耗.
奥托、阿特金森与米勒循环对比
| 特性 | 奥托 | 阿特金森 | 米勒 |
|---|---|---|---|
| 压缩/膨胀比 | 相等 | 压缩 < 膨胀 | 压缩 < 膨胀 |
| 进气阀正时 | 正常关闭 | 延迟关闭(LIVC) | 延迟或提前关闭 |
| 空气充量 | 完全 | 部分,减少 | 由涡轮/机械增压补足 |
| 功率密度 | 高 | 低 | 可保持较高 |
| 典型应用 | 传统汽油发动机 | 混合动力汽车 | 涡轮增压汽油车 |
| 核心优势 | 功率 | 热效率 | 效率 + 抗爆震性 |
为什么混合动力汽车使用阿特金森循环?
阿特金森循环的代价很明显:进气阀延迟关闭导致相同气缸容积吸入的空气更少.功率密度下降,峰值扭矩和每缸平均有效压力也随之降低.与同尺寸的奥托发动机相比,你得到的是功率更小、尤其在低转速时扭矩疲弱的发动机.对于纯燃油车来说,这是驾驶者每次踩下油门都能感受到的短板.
混合动力系统恰好弥补了这一短板.电动机从零转速起即可瞬间输出扭矩,接手发动机最薄弱的工作区间——低转速和全负荷区域.这样,汽油发动机几乎总能工作在负荷和转速图上最高效的区间.这一组合首次于 1997 年末在第一代 Toyota Prius上投入生产线,从那时起便成为混合动力传动系统的标准方案.
应用实例颇多:早期Prius上的 1NZ-FXE、 Toyota Dynamic Force 发动机系列、福特的 C-Max 和 Fusion 混合动力车型以及雷克萨斯的混合动力车型都采用了这一理念.从技术发明到投产则整整用了 100年 ——因为没有电动机,这一循环的功率缺陷根本无法让任何人为之买单.
米勒循环能为涡轮增压汽油车带来什么?
弥补Atkinson功率缺口的第二种方法是向气缸内压入更多空气.Miller循环正是这样做的:通过延迟进气门关闭而降低的有效压缩比,由涡轮增压器或机械增压器所加载的额外空气来补偿.混合气以高于大气压的压力进入气缸;发动机既受益于Miller正时的效率,又能输出预期的功率.
这一方法在涡轮增压汽油机上还有一项额外的价值:爆震控制.爆震是指被压缩的混合气不等火花塞点火而自行燃烧,高压缩比和高充气压力会加大这一风险.传统解决方案是降低几何压缩比——但这也会连带损失燃油经济性的收益.Miller循环解决了这一两难:几何压缩比可以保持较高,但压缩时刻的有效压缩比则通过延迟关闭的气门受到限制.在小排量涡轮增压发动机中,这是一种常用的降低爆震的策略.
数值上的收益也是可测量的.Miller循环在部分负荷下减少泵气损失、提升效率并降低NOx排放,与可比的传统发动机相比可带来明显的燃油节省;在早期量产应用中, 10%–15% 的油耗降低是所引用的数字范围.结合高增压时,则已被证明有潜力同时改善燃油经济性和抗爆震性.
历史的一课: Mazda Millenia
Miller循环在汽车史上的首次量产应用, 1994年是 Mazda KJ-ZEM V6发动机——这台由Lysholm式机械增压器供气的发动机,由于制造成本和复杂性,未能让名为 Millenia 的轿车取得商业成功.但这个想法并非废物:现代涡轮增压汽油机之所以使用Miller正时,正是为了解决爆震和油耗问题,这正是那台发动机所开创的道路.
"Atkinson"还是"Miller"?术语之争
让我们加一条技术诚实的注脚.丰田及一些制造商所称的"Atkinson循环",实际上是一种特定的气门正时:延迟进气门关闭.在文献中,这种做法也被称为"Miller正时".一些工程资料这样区分:自然吸气且延迟IVC的发动机称为"Atkinson",采用强制进气的则称为"Miller".另一种观点认为,命名完全是随意的;关键在于过膨胀循环通过IVC正时来实现,是否使用强制进气并不改变这一分类.
历史优先权之争也很有意思.Körting于 1891年制造了一台短压缩、长膨胀的燃气发动机,Charon于 1888年为一个类似的无增压循环获得了法国专利,而 1927 历史报告中已知,为了限制低辛烷值燃料的爆震,通过气门正时控制有效压缩比也曾是摆在桌面上的选项.也就是说,"阿特金森"这个名字与当今的应用相比,更像阿特金森本人的机构要少;但值得这一荣誉的想法——将膨胀与压缩分离——属于他.
为什么不是每台汽油发动机都采用阿特金森或米勒循环运行?
答案就藏在文章的主线中:这些循环以牺牲动力来换取效率.对于没有电动机也没有涡轮增压的普通汽油发动机来说,阿特金森循环意味着同样排量下功率更低,尤其在低转速时扭矩较弱.驾驶者在每次起步和每次换挡时都能感受到这一点;而对制造商来说,必须把发动机做得更大才能提供同样的性能——这又在一定程度上抵消了效率收益.米勒循环虽然通过涡轮增压弥补了这个短板,但正如早期机械增压应用所显示的那样,它增加了成本和复杂性.
概括的逻辑链条是:阿特金森循环单独使用时舍弃动力换取效率;混动系统借助电动机把动力补回来.米勒循环将同样的效率理念与涡轮增压相结合,把动力补回来.两条路上你遇到的等式是相同的—— 通过让膨胀行程长于压缩行程,把本来会从排气中逃逸的能量转化为有用功 ——而2026年最省油的混动和涡轮增压汽油发动机,仍然在以这个19世纪构思的工程成熟形态运转.