阿特金森循环.doc

　　　　　　　阿特金森循环技术
专业术语简介:
压缩比：压缩比指的是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前汽　　　　　　　　　　缸总容积与压缩后汽缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。
膨胀比：膨胀比指的是发动机混合气体膨胀的程度，用膨胀后汽缸总容　　　　　　　　积与膨胀前汽缸容积（即燃烧室容积）之比来表示。
VVT：可变气门相位系统。具体的方式有气门中止开启方式、凸轮轮廓　　　　　　　　　　改变方式、凸轮相位改变方式和多模式变换方式。

一 ．阿特金森循环的起源和发展过程
1.奥托循环：
　　　　奥托循环是奥托历时14年于1876年研发成功的，由进气、压缩、膨胀、　　　排气四个冲程循环构成的四冲程内燃机。（见人民教育出版社九年级物理第　　　16章第4节热机图16.4-3)
2．阿特金森循环:
　　　　阿特金森循环是公元1882年，由英国发明家James Atkinson发明的一　　　种热效率更好、做功行程更长的过膨胀循环，利用连杆与曲轴设计的变化，　　　增加更复杂的曲轴连杆结构，令活塞相邻两次往返至上、下止点的行程距离 一长一短，形成膨胀比大于压缩比的运作过程，达到比一般奥托循环的四行 程引擎更高的热效率。
　３.米勒循环：
　　　　米勒循环是米勒在1940年，对阿特金斯森循环进行改造得来的，舍弃　　　了其复杂的曲轴连杆结构，利用改变气门开启与关闭的时机来创造两行程容　　　积的差异，来达到膨胀比大于压缩比的目标
　　　　（目前在Hybrid混合动力车款上的汽油引擎，虽标榜采用阿特金森循　　　环，但却采用了与米勒循环相同的设计，通过气门正时ＶＶＴ改变来达到过　　　膨胀目标，原理上与米勒循环引擎一致，只是名称专利方面的因素才以阿特　　　金森为名，故本文探讨的阿特金森循环实为米勒循环。）

二. 阿特金森循环与米勒循环的简介
1. 为什么要发明阿特金森循环?
在常规奥托循环发动机的做功冲程完成后，封闭在汽缸内的气体压力仍然有3～5个大气压。但这一部分能量都被当成废气排放出去了,没有得到利用
‚要提高发动机的热效率,可以提高引擎的膨胀比,因为引擎的膨胀比越大，代表膨胀行程中活塞运动的距离更远、气体膨胀的倍数更多、做的功越多，引擎的动力输出就越大、热效率就越高。但膨胀比却不可以无限增大，因为在奥托循环中“膨胀比＝压缩比”，而在压缩的行程中，气缸内的温度会急剧上升，如果压缩比过高，则会导致缸内的油气混合器被提前点燃，从而导致引擎爆震、敲缸发生，反而降低动力输出和热效率。

为了追求高的机械效率,又要防止因压缩比过大而引发的问题,又因为奥托发明奥托循环后,注册了许多专利,就不能用像奥托那样简单的方法来传输动力了,所以阿特金森便用力一套很复杂的曲轴连杆来传输动力如图
图：阿特金森循环发动机活塞行程示意图，黄红绿四个色块依次表示：吸气、压缩、膨胀、排气四个活塞冲程。

图：复杂的连杆机构不仅影响了活塞行程，也使得作用在曲轴上的力矩发生了改变。
2. 阿特金森循环的优缺点
　优点:机械结构设计很巧妙，用不同的连杆机制协同工作，使得各个行程幅度不同，有效的改良了进排气情况。进气和压缩的行程都很短，而做功的行程很长，(膨胀比大于压缩比是阿特金森发动机最大的特点)长的膨胀行程最大的好处就在于可以更多利用燃烧后废气所留有的高压，这样一来会使燃烧效率更高。由于压缩行程较短，所以可以使用更高的压缩比也不会发生爆震，更有效地利用燃油。
缺点: 机械结构过于复杂,会增加发动机体积和故障率,其工作的稳定性和可靠性相对较低，长做功行程确实可以更好地利用燃油燃烧所释放的能量，但同时带来的问题就是低速时扭矩很差，而现代汽车却越来越强调起步的加速性能；过长的做功行程也不利于发动机本身转速的上升和实现高转速，转速上不去，升功率就无从谈起。所以这种发动机比较好的状态只有中间那一段。

为了解决阿特金森循环结构过于复杂的问题，米勒于1940年，完成对阿特金斯森循环的改造，舍弃了其复杂的曲轴连杆结构，利用改变气门开启与关闭的时机来创造两行程容积的差异，来达到膨胀比大于压缩比的目标。
不同于阿特金森引擎通过复杂的连杆设计改变活塞行程长短来达成过膨胀循环的目标，米勒循环引擎同传统的奥托循环引擎一样，在压缩和膨胀行程中活塞的位移量并没有变化，而是巧妙地利用引擎正时改变，在进气形成后延迟关闭进气气门，这样在压缩行程开始后，原本已经在汽缸内的一部分气体被排出汽缸，因此，虽然活塞的运动行程没有改变，膨胀比也没有改变123，但实际的压缩比却被降低，从而形成过膨胀循环，提高了引擎的热效率。

图：奥拓循环发动机配气相位

图：米勒循环配气相位，从图中可以看出，进气门的开启时间比一般引擎要长，为的就是 让新鲜混合气逃逸掉一点，以缩减压缩行程。

这种基于阿特金森循环理论改良而来的发动机，称为米勒循环发动机，也是目前近现代阿特金森循环发动机的基本工作原理。采用米勒循环的发动机，因摒弃了复杂的连杆机构，在工作的稳定性和可靠性方面得到了很好的保证
阿特金森/米勒循环发动机的特性主要有两点：独特的进气方式让低速扭矩很差；长活塞行程不利于高转速运转。在低速时，本来就稀薄的混合气在“反流”之后变得更少，这让该类发动机低速扭矩表现很差，用于车辆起步显然动力不够。而较长的活塞行程确实可以充分的利用燃油的能量，提升经济性，但也因此限制了转速的升高，加速性能也变差， 阿特金森/米勒循环发动机作为汽车动力系统比起一般的奥托循环的发动机没有竞争力。
在排气系统上，油电混合动力车在电动机的辅助作用下，发动机的负载变动受到抑制，因此催化剂的暖热也被抑制在低水平上。如果我们的混合动力车的设计方案为完全混合动力，意味着发动机是间歇工作的频率会相对更高些，即频繁地启动和停止。在目前排放标准日益严厉的条件下，当混合动力的发动机在冷起动时，如何抑制排放就成为关键问题。
尽管如此，在提倡环保节能的今天，这种发动机还是有它的市场，并且随着科技的进步， 阿特金森/米勒循环发动机低速扭矩差，高转上不去的问题，也已经被电动机所解决，电动机低扭大的特性恰好能弥补阿特金森/米勒循环发动机低扭差的特性。不少汽车厂商为顺应这一主题，开发出不少油电混合动力汽车。
说到油电混合动力汽车就不得不说说丰田普锐斯，丰田普锐斯是最早使用混合动力的汽车，丰田普锐斯的混合动力使用的发动机2ZR-FXE以及2ZR-FE通过改用阿特金森循环，使油耗量减少了8.5%，使用冷却废气再循环系统(Cooled-EGR)又减少了1.7%的油耗，总节省油耗高达10.2%，这是一个了不起的数据。
第三代普锐斯的发动机虽然也采用了阿特金森循环，但第三代在保持燃烧室形状与压缩比不变的情况下，把进气门关闭时间从第二代的下死点后72到105度提前到了62到102度，使得阿特金森循环率得到提高。
目前车市中使用混合动力的汽车品牌有丰田，雷克萨斯，宝马，保时捷。
阿特金森发动机目前主要在混和动力汽车上用，还有大型柴油发电机，轮船上的柴油机也采用了阿特金森循环理念。

随着持续攀升的世界油价和燃油税，市场的混合动力车的需求会变得非常迫切，我相信采用阿特金森循环的混合动力汽车作为内燃机到纯电动汽车之间的一个过渡产品，它以后一定会有一个很好的市场前景。

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