详细解读“阿特金森”循环

随着混动车型数量的日趋增长，“阿特金森循环”这个名词也频繁地出现在大家的眼前，这个阿特金森循环究竟是何方神圣？今天我们就来讲讲关于阿特金森循环的故事。

1奥托循环

现在大多数汽油机都使用奥托循环（柴油机则使用迪塞尔循环，也就是柴油机的发明者），这是由德国工程师尼古拉斯·奥托最先于1876年实现工程化（不过最先提出这个理论的是法国人），发明了基于此循环技术的内燃机，并且申请了专利。

2压缩比与膨胀比

在这里我们要了解两个词，分别是压缩比和膨胀比。压缩比是指活塞在下止点时气缸的容积与活塞在上止点时气缸的容积之间的比值。形象的比喻就是好比一块海绵的体积是10立方厘米，然后你把它放手里一捏他变成了1立方厘米，10除以1就是这块海绵这次的的压缩比。理解了压缩比后其实就很容易理解膨胀比，形象的比喻就是一枚干海参很小，但是经过泡制后变得以前体积数倍，这就是膨胀比。

初期的汽油机输出功率实在是有限，所以很多工程师都想办法提升发动机的动力，他们想到的一种途径就是提升压缩比，但是限于当时的基础工业技术，压缩比依然有限（即便是现在，由于汽油抗爆性的原因，压缩比也不能过大），他们就想着把膨胀比做大——如同同样用一种手枪子弹的手枪和冲锋枪，后者射程远一样，只是因为冲锋枪枪管长，火药气体做功的距离长而已。

为了提升动力性与经济性，提高压缩比是一个有效的手段。奥托循环的原理决定了采用奥托循环的发动机压缩比一定等于膨胀比。为了提高发动机性能，工程师们想尽一切办法努力通过增加压缩比来实现更大的功，但是一门心思提高压缩比会使汽油机产生爆震，因此压缩比不能无限提升。不过聪慧的人类经常会另辟蹊径，既然压缩比无法无限制提高，那就改行提高“膨胀比”。

3历史上的阿特金森循环

由于奥托之前将凸轮轴、正时带等机件都注册了专利，等到英国工程师詹姆斯·阿特金森要研发一种新发动机时，就不能沿用奥托的结构了。不过这位英国人还挺执着，1882年，采用全新曲柄连杆结构的阿特金森发动机诞生了，而这种循环方式也就被称为阿特金森循环（Atkinson cycle）。阿特金森发动机使用较为复杂连杆作为动力从活塞到曲轴输出而活塞实际行程如图所示。

活塞行程分别用蓝、黄、红、绿、四种颜色进行表示，依次为：吸气、压缩、做功、排气。

这种设计巧妙地利用不同的连杆机制协同工作，使得各个行程幅度不同，可以有效地改良了进排气情况。膨胀比大于压缩比也是阿特金森发动机最大的优势所在。较长的膨胀行程可以更有效的利用做功后的废气，因此燃油效率也高于奥托循环。

原始结构的阿特金森发动机的最典型结构特征就是这个略有些奇怪的曲轴（当然结构复杂导致制造和维护都很麻烦，这也是它推广不力的主要原因）复杂的连杆在体积上和故障情况都不如奥托发动机，所以在汽车上未能普及，不过船用、发电用等大型柴油机在很大程度上借鉴了阿特金森发动机这种特性，可谓失之东隅收之桑榆。

从理论上来看，当引擎在点火之后，油气被点燃、温度迅速升高、气缸内压力剧增，活塞由上止点快速下推至下止点，假如膨胀行程作用的时间与压缩时相较越长、行程距离越远，气体膨胀越多倍，可取出的能量就越多，则代表引擎作“正功”的时间越长、热效率越好，而排气温度越低。为达到上述目的，阿特金森循环引擎在运作流程上，虽然一样有进气、压缩、膨胀、排气等行程，但阿特金森循环引擎利用连杆与曲轴设计的变化，增加更复杂的机构，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。

4米勒循环

1940年美国人miller（米勒）在对阿特金森发动机充分研究后，提出了另外一种压缩比小于膨胀比的概念，但是这次所用的方法并不是通过单纯的压缩行程与膨胀行程不对等而实现的压缩比小于膨胀比。虽然他们达到的效果是相同的，但是从结构上来说他们有着本质的区别。miller舍弃了复杂的连杆结构，而是采用配气时机来制造这种效果。其解决方式为：在吸气冲程结束时，推迟气门的关闭，这就将吸入的混合气又“吐”出去一部分，再关闭气门，开始压缩冲程。

上图为常规奥拓循环发动机配气相位，下图为米勒循环配气相位

有了可变进气正时技术，这种技术是非常容易实现的，但为什么这种技术未能广泛普及呢？其原因如下：

1、低速扭矩性较差

在低速时，本来就稀薄的混合气在“反流”之后变得更少，使得该发动机低速扭矩性相当糟糕。

2、长活塞行程不利于高转速运转

较长的活塞行程确实可以充分提升动力与经济性，但也因此限制了转速的升高，加速性能也变差，并且会降低“升功率”这一重要性能指标。而追求性能，尤其是追求高速性能的赛车发动机，往往行程与活塞直径的比值会很低。在民用车上，为了平衡，通常行程与缸径两个数据是接近的。

因此阿特金森/米勒循环发动机，通常只在转速的中间阶段才能有效发挥动力，这对于每天在路况复杂的城市交通中形式的汽车非常不利，所以民用汽车往往不会优先使用这种技术。

5现代阿特金森循环

现代的阿特金森循环使用电控制装置改变发动机正时，通过推迟进气门关闭的办法，在压缩冲程从进气门排出部分燃气，减少进气量，所以压缩比没有那么高（也就没有了爆震的影响），从而实现膨胀比大于压缩比的目的。实际上这一过程是利用了米勒循环的原理。

由于马自达公司在1993年，将“米勒循环”注册专利，其他厂商如果在说是米勒循环就会产生侵权。其实际效果由于与阿特金森循环接近所以从丰田带头开始就叫阿特金森循环了。