阿特金森循环是什么?为什么在混合动力发动机中受到青睐?

阿特金森循环是一个牺牲功率来换取燃油经济性的发动机的故事;其短板则由混动系统中的电动机来弥补.
阿特金森循环是一个牺牲功率来换取燃油经济性的发动机的故事;其短板则由混动系统中的电动机来弥补.

分享此页面

阿特金森循环是一种内燃机工作原理,通过有意让压缩比小于膨胀比来更充分地利用燃烧能量,代价则是牺牲低转速下的功率. 混合动力汽车青睐它的原因很简单: 由于电动机会弥补效率损失带来的功率缺口,发动机在任何工况下都能运行在最经济的区间.

亮点

  • 该循环由英国工程师James Atkinson于1882年获得专利.
  • 在现代应用中,进气门会保持开启,直到压缩行程完成20%-30%.
  • 首款量产的阿特金森循环混合动力传动系统于1997年随Toyota Prius问世.
  • 丰田在2014年公布的一款汽油发动机达到了38%的最高热效率.
  • 这种与强制进气相结合的气门技术被称为米勒循环.

阿特金森循环是如何工作的?

Atkinson çevrimi, sıkıştırma ve genleşme oranlarını birbirinden ayırarak yanmış gazın enerjisini son damlasına kadar işe çevirir.

奥托发动机四冲程循环的逻辑很清晰: 活塞上行时压缩混合气,混合气被点燃,活塞下行时产生动力. 关键在于: 压缩比与膨胀比彼此相等,因为同一个气缸容积既用于压缩也用于膨胀. 阿特金森循环打破了这种均等. 其目的是让做功冲程结束时燃烧室内的气体压力尽可能接近大气压; 也就是说,在将燃烧产物送入排气之前,把其中的压力能量转化为机械能.

James Atkinson在19世纪80年代用机械方式解决了这个问题. 他的首台发动机differential engine是一种对置活塞设计. 1887年的Cycle Engine设计则采用过中心连杆机构,使四个冲程在曲轴旋转一圈内完成; 这一方案同时也是为避免侵犯奥托专利而开发的. 他的第三款设计Utilite Engine (1892年英国专利)具有较短的压缩行程和更长的膨胀行程. 这些发动机并未取得商业成功; 但该循环的热力学原理至今仍在延续,尤其是在混合动力汽车中.

现代发动机通过气门正时实现模拟

如今你在路上看到的阿特金森循环发动机,没有一台使用Atkinson的连杆机构. 现代方法精妙得多: 进气门会一直保持开启,直到活塞完成压缩冲程约20%-30%的行程. 当活塞开始上行时,气缸中的部分新鲜混合气被推回进气歧管. 结果是: 气缸永远不会完全充满,有效压缩比因此降低. 相比之下,膨胀冲程在几何上保持完整的长度. 这一方案随第一代Toyota Prius的1NZ-FXE发动机投入量产,如今已被包括丰田Dynamic Force系列在内的众多发动机采用. 也可以通过将曲轴轴线相对气缸轴线偏移(半行程设计)来获得同样的效果,而不是依靠气门正时.

膨胀比大于压缩比的这种情况在文献中被称为过度膨胀(over-expansion). 学术模型研究表明,在相同工况下,阿特金森循环能够比奥托循环产生更高的热效率; 代价则是进入气缸的空气更少,即功率密度较低.

混合动力发动机为什么偏好阿特金森循环?

这里的工程逻辑建立在一个权衡之上. 阿特金森循环效率更高但动力更弱: 由于进气量达不到同等尺寸奥托发动机的水平,它在低转速时会损失扭矩和功率. 在普通车辆上,这种损失会被驾驶员立刻察觉,因而无法接受. 但在混合动力传动系统中,你身边随时都有一个可以介入工作的电动机. 起步、爬坡或加速请求所需的额外扭矩由电动机即时提供; 而汽油发动机则在此期间继续在自己的最高效区间运转. 当阿特金森循环的功率缺口被电动机的扭矩填补时,两种技术的优点便结合在了一起.

此外,混合动力的使用工况中功率需求本来就是间歇性的: 定速巡航时发动机只需产生维持动力,加速时则由电动机介入. 这使得阿特金森循环的弱点在实践中很少显现出来. 按照这一逻辑打造的首款量产混合动力传动系统于1997年底随Toyota Prius问世; 自那以后,该循环不仅用于Prius系列,还应用于Ford Fusion Hybrid、Ford C-Max Hybrid以及众多Lexus车型. 作为两种技术契合度的一个具体例证: 丰田宣布其2014年发布的新一代汽油发动机达到了38%的最大热效率; 这在当时是量产发动机所记录到的最高数值之一.

那么非混合动力车辆呢?

得益于可变气门正时,这种循环也可以作为半时模式应用于传统发动机: 阿特金森模式下追求经济性,奥托模式下则呈现传统动力特性. 不过,完全 dedicated于阿特金森循环的发动机由于单位功率排量较低,通常只见于混合动力车型; 要达到同等性能需要更大的排量,这使得它对每辆车来说都不划算.

奥托、阿特金森和米勒循环之间的区别是什么?

这三种循环经常被紧密地混为一谈,但其实它们的区别是明确的. 我们把比较汇总到一张表中:

特性奥托阿特金森米勒
压缩/膨胀比彼此相等压缩行程小,膨胀行程完整与阿特金森一样分离
实现方式传统气门正时长时间保持开启的进气门或机械连杆机构相同的气门技术加上强制进气
涡轮增压器/机械增压器非必需通常没有关键部件
低转速功率高低通过增压补偿
典型应用大多数汽油发动机混合动力车型机械增压的高效取向发动机

拉尔夫·米勒(Ralph Miller)在1957年为其循环申请专利时,瞄准了阿特金森方案最大的弱点,即低转速下的功率损失. 他的解决方案是一台提供增压中冷进气(intercooled)的机械增压器或涡轮增压器: 增压充气弥补了因有效压缩行程缩短而损失的容积. 米勒设计中还预留了一个泄放多余进气压力的压缩控制阀. 这一循环最著名的量产应用是1994年上市的马自达Millenia. 实践中的公式可以这样概括: 采用强制进气的阿特金森发动机,按定义就是一台米勒发动机. 还有一个与阿特金森本人构想非常接近的早期例子,即不带机械增压版本的沙隆(Charon)循环; 法国工程师沙隆于1888年为其申请专利,并在1889年巴黎博览会上展出.

为什么不是每辆车都使用阿特金森循环?

答案在于功率密度. 阿特金森循环发动机泵入的空气量少于同排量的奥托循环发动机,因此产生的功率也更低. 在没有电力辅助的车辆上,这一缺陷必须通过更大的发动机或更高的转速来弥补; 而这两者都会削弱燃油经济性的意义. 由于绝大多数汽车的驱动任务完全由内燃机承担,制造商更倾向于通过气门正时、压缩比和强制进气等手段,在奥托循环一侧实现效率与性能的平衡. 只有当电动机作为备用动力源加入时,阿特金森循环才能真正发挥出全部优势.

效率提升到底有多少?

很难给出一个确切的单一数字,因为提升幅度取决于发动机架构、压缩比和运行工况. 现有数据可以让您对提升幅度有个大致概念: 一项学术实验研究显示,调校至阿特金森循环的发动机热效率提升了12.8%,而2024年的一项优化研究则报告燃油经济性最高改善达7.67%. 而在米勒循环一侧,由于强制进气减少了压缩空气的损失,因此有可能实现比阿特金森循环更高的效率. 这些数字的共同点是: 收益是真实的,但取决于具体条件,而且没有电动机的扭矩辅助,任何一项都无法在不动摇驾驶特性的前提下推广到整个车型阵容.

结论: 效率与功率之间的刻意取舍

阿特金森循环代表了工程学中最古老、最精妙的理念之一: 如果无法用尽全部功率,就把手中剩余的能量完整地利用起来. 通过让进气门多开启几度来缩短压缩行程,保持膨胀行程完整,并将流向排气的压力能量降至最低. 仅凭这一点并不足够,因为辛辛苦苦换来的效率会以低转速功率的形式被偿还回去. 由于混合动力传动系统用电动扭矩偿还了这笔"债务",等式才得以闭合; 从1997年的第一代Prius到如今丰富的混合动力产品线,这对组合成功的背后正是这一热力学逻辑.

参考资料