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最近幾年豐田和馬自達紛紛推出了高壓縮比和高熱效率的發(fā)動機，似乎對現有技術有了新的突破。而馬自達的藍天二代發(fā)動機的熱效率更是號稱達到了50%，百公里油耗達到3.3L堪比混動，這不得不讓人感嘆內燃機似乎還有很大的發(fā)展前景，還有新天地可以開辟。那為什么馬自達和豐田能做到那么高的熱效率？我們聽到最多的相關技術就是其發(fā)動機采用了阿特金森循環(huán)或者是米勒循環(huán)又或者是奧托和阿特金森雙循環(huán)。

那么什么是奧托循環(huán)、阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)呢？它們之間又有什么不同呢？我來分享下自己的認識。

奧托循環(huán)

由吸氣、壓縮、做功、排氣四個步驟組成一個循環(huán)周期，又叫四沖程發(fā)動機，由德國人尼古拉斯-奧拓根據前人理論發(fā)明并應用。礙于當時技術和知識的限制并不存在如今考慮的氣門可變性，更不會考慮注重燃油經濟性和動力提升，但放在那個年代可以說已經是開拓者的存在了，不可能對它要求太高。奧拓循環(huán)過程中壓縮行程和做功行程是一樣的，所以其最大的特點就是：壓縮比＝膨脹比，所以理論上發(fā)動機在各個階段不會出現乏力、扭矩缺失的情況。因其性能出色、穩(wěn)定性和耐用性較高，如今也是被各大車企廣泛應用起來。

要點：壓縮比＝膨脹比

阿特金森循環(huán)

阿特金森循環(huán)是在奧托循環(huán)基礎上致力于提高熱效率而研發(fā)出來了。雖然阿特金森結構可以從機械端使發(fā)動機的膨脹比大于壓縮比，但是由于其結構復雜、穩(wěn)定性差、動力傳遞損失大導致其成本高、可維修性低，量產后的性價比不如當時的奧托循環(huán)。所以阿特金森循環(huán)特殊的連桿、曲軸結構一直沒有被廣泛使用，但是對于阿特金森的這種循環(huán)理念一些車企也沒放棄過對其的研發(fā)。

要點：膨脹比大于壓縮比

結構特點：特殊結構的曲軸通過擺桿連接活塞連桿，從機械結構上改變壓縮和膨脹行程從而實現膨脹比大于壓縮比。

米勒循環(huán)

米勒循環(huán)的目的和阿特金森循環(huán)是一樣的，讓發(fā)動機的膨脹比大于壓縮比。但不同之處就是米勒循環(huán)舍棄了阿特金森復雜的機械結構而是通過改變氣門的運行狀態(tài)來“模擬”阿特金森循環(huán)的效果。意思就是通過進氣門晚關的設計來把一部分已經吸進氣缸的混合氣體再壓回進氣歧管然后再關閉氣門壓縮，而燃燒做功后活塞會運行的下止點，這樣發(fā)動機的實際壓縮比是小于膨脹比的從而達到阿特金森循環(huán)的效果。

要點：膨脹比大于壓縮比

結構特點：舍棄阿特金森復雜的機械結構通過氣門的開關控制來“模擬”達到阿特金森循環(huán)的效果。

雙循環(huán)

理論上通過改變氣門的開關和時間控制就可以讓發(fā)動機達到“米勒循環(huán)”效果，那么針對氣門正時系統(tǒng)的設計就可以讓發(fā)動機在不同工況采用不同的循環(huán)方式驅動。我們看看豐田如何實現的：它利用了其最新的“智能廣角可變氣門正時系統(tǒng)”簡稱VVT-IW，改油壓為電控，提高正時正時角度可變范圍等通過精準控制和寬范圍調節(jié)可以讓發(fā)動機在不同工況運行。

特點：奧托循環(huán)和阿特金森循環(huán)自由切換，既能保證動力還經濟省油。

總結：看了以上你會發(fā)現阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)的目的是一樣的只不過解決辦法不同，從結構上看米勒循環(huán)更切實際。而我們現在說的阿特金森循環(huán)其實并不是真正意義上的阿特金森循環(huán)，它和米勒循環(huán)的原理大差不差，可以把它看做是米勒循環(huán)的兩個名字。豐田之所以稱自己是阿特金森循環(huán)完全是避免利用馬自達的米勒循環(huán)名字，因為阿特金森循環(huán)專利早已過期，而馬自達重拾米勒循環(huán)后為其注冊了很多相關專利。從原理上看可以最簡單的理解為：現在阿特金森循環(huán)≈米勒循環(huán)，只是叫法不同。

當然從技術上講，豐田的阿特金森和馬自達的米勒循環(huán)還是有差異的，最大的差異就是馬自達有機械增壓器。

“奧托循環(huán)”又叫四沖程循環(huán)，由吸氣、壓縮、膨脹、排氣四個過程組成，這也是內燃機的鼻祖模型了，世界上第一個內燃發(fā)動機就是基于這套原理實現的，1876年實現首次應用到發(fā)動機�！皧W托循環(huán)”發(fā)動機的膨脹比和壓縮比相同，畢竟是第一代發(fā)動機技術，能動就不錯了。

“阿特金森循環(huán)”是奧托循環(huán)改良版，別看這名字最近在日系車上當作很大的噱頭來吹噓，最著名的馬自達創(chuàng)馳藍天發(fā)動機，好像很高大上，實際上這套技術最早實現于1882年，也算是老技術了。阿特金森循環(huán)發(fā)動機主要的改進就是提高了效率，但降低了功率密度，其缺點是在低轉速時效率低、扭力較差�！鞍⑻亟鹕�循環(huán)”發(fā)動機的膨脹比大于壓縮比，提高了熱效率，相比“奧托循環(huán)”先進了不少。

“米勒循環(huán)”也是奧托循環(huán)改良版，最早在1947年提出，主要區(qū)別在于：

1、米勒循環(huán)發(fā)動機依賴于機械增壓器。

2、米勒循環(huán)發(fā)動機在壓縮沖程期間，進氣門保持打開狀態(tài)，因此發(fā)動機將壓縮機械增壓器的壓力，而不會壓縮氣缸壁的壓力。 由此將使效率提高約15%。

核心原理是通過改變進氣門關閉角度控制發(fā)動機負荷，從而減少了部分負荷下發(fā)動機的泵氣損失，發(fā)動機的膨脹比大于壓縮比，在膨脹行程中可最大限度的將熱能轉化為機械能，解決了采用節(jié)氣門負荷控制的奧拓循環(huán)時發(fā)動機泵氣損失大、油耗高、污染物排放大等一系列問題�！懊桌昭�環(huán)”發(fā)動機的膨脹比也大于壓縮比，同時是為了提高了熱效率。

總結：

“奧托循環(huán)”發(fā)動機膨脹比和壓縮比相同。

“阿特金森循環(huán)”和“米勒循環(huán)”作為“奧托循環(huán)”的改良版，其膨脹比都大于壓縮比，提高了熱效率，只是實現方式不同而已。

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「循環(huán)方式」指燃油汽車發(fā)動機的不同氣門管理系統(tǒng)·三種類型有兩個特點

• 內容概述：奧托循環(huán)與基礎知識，米勒循環(huán)與阿特金森的優(yōu)缺點。

【循環(huán)】在混合動力汽車大熱的過渡階段成為熱門技術話題，什么是循環(huán)呢？汽車裝備的Engine·引擎（發(fā)動機）類型為「四沖程·往復循環(huán)內燃式熱機」，這種機器的運行步驟分為四步。

1. 進氣噴油
2. 壓縮蒸發(fā)
3. 燃燒做功
4. 排出廢氣

四步驟也叫做“四沖程”，機械動作的往復循環(huán)是維持怠速與車輛正常行駛的基礎；因為每次循環(huán)都會以燃燒燃油產生熱能為基礎而轉化出動力（機械能），不過這里討論“奧托·米勒·阿特金森”循環(huán)并不是指四沖程，而是指【進氣門】在不同沖程中的開啟·開度·關閉的變化。

基礎知識·奧托循環(huán)

1：燃油液態(tài)狀態(tài)的燃燒速度是不夠高效的，但四沖程的動作時間非常非常的短暫；想要在做功沖程中瞬間通過燃燒（化學反應）轉化出足夠大的活塞推動力，唯一的方式就是讓燃油變成能夠高效燃燒的【氣態(tài)】。

空氣被壓縮是可以產生極高溫度的，因為壓縮過程中會讓各類分子碰撞摩擦，任何物體的摩擦都會產生熱能。2-壓縮沖程就是通過空氣運動的高溫蒸發(fā)燃油，記住這點-此為分析循環(huán)的基礎。

2：能量守恒定律是不變的法則，簡而言之為某種能源轉化為氣態(tài)形態(tài)的能量，基數是100則轉化后還是100；區(qū)別只是可以轉化為多種能量形態(tài)，比如內燃機產生的熱能只有≤40%可以轉化為機械能，剩余的60%會因為冷卻、運動磨損而轉化為其他形態(tài)的能量。

也就是說參與做功的燃油為100則能轉化出40個的單位的能量，參與數量為80則只有32個單位的能量；燃燒的燃油（混合油氣）越少汽車動力越弱，這是解析米勒循環(huán)的基礎。

【奧托循環(huán)】的關鍵詞為：1:1！假設噴油基數為100，概念如下。

• 1沖程進入100
• 2沖程蒸發(fā)100
• 3沖程轉化100（利用≤40%）
• 4沖程完全排放

重點：二沖程壓縮的是所有燃油，三沖程燃燒的是所有燃油，所以兩者的比例是「1：1」。鑒于內燃機的熱效率（能量轉化比例）非常低，所以這種循環(huán)系統(tǒng)是最高效率轉化動能的結構，說白了就是會讓汽車的性能最強，然而卻不見得是最能節(jié)油。

特殊循環(huán)

思考：汽車的動力與整備質量的匹配是有理想比例的，可理解為中小排量匹配小微型汽車動力充足且有冗余，中大排量匹配B/C級汽車也是相同的標準。那么在用戶不需要如此強勁性能的前提下，是不是可以降低噴油量以控制油耗呢？

答案顯然是肯定的，但是空燃燃料比又是固定的14.7:1；「ECU-行車電腦」計算噴油量必須按照這一標準，否則很有可能造成長時間的空燃比失調而影響正常運行。所以想要降低噴油量就只能從氣門的循環(huán)方式著手，方式有三種。

1：米勒循環(huán)-壓縮沖程氣門延時關閉！壓縮沖程是活塞上行的階段，功能正是第一節(jié)的描述：壓縮空氣產生高溫，利用高溫蒸發(fā)燃油；奧托循環(huán)在該沖程中的進排氣門都是關閉的，可以把壓縮的過程想象成“完全壓縮”。

然而米勒循環(huán)的氣門特殊設計，可以實現的是壓縮沖程氣門“延時關閉”（晚關一會）；那么在上行過程中則會將部分混合油氣擠壓回進氣歧管，真正關閉后才會開始壓縮蒸發(fā)。（參考下圖）

米勒循環(huán)實際參與第三沖程（做功）的混合油氣總量減少了，但是這少量的油氣要完成的是“把活塞從上止點推回下止點”，這就是所謂的膨脹沖程與膨脹比。

重點：奧托循環(huán)與米勒循環(huán)的「壓縮沖程-距離相同」，而且“壓縮行程＝膨脹行程”；但是米勒循環(huán)實際為“先推·后壓縮”，或者理解為實際行程為100，兩個沖程的狀態(tài)如下。

• 推20
• 壓80
• 膨脹100

「80:100」自然能夠實現節(jié)油，因為奧托循環(huán)消耗100個基數的燃油也是“推100”，那么只需要80基數同樣推100而達到相同的目的，油耗是不是降低的20個點呢？這就是米勒循環(huán)節(jié)油的基礎，也就是【壓縮比＜膨脹比】。

2：阿特金森循環(huán)實現的結果與米勒循環(huán)相同，區(qū)別利用的更加復雜的連桿結構實現“壓縮比＜膨脹比”。然而這種機器實際為最差的選擇，原因在在于結構的復雜性，不過本質還是“擠走的部分燃油”的損失。

雖然這兩種循環(huán)方式都能實現「充分利用少量燃油·完成標準膨脹做功」，但事實減少的部分混合油氣也決定了產生的熱能總量低于【壓縮比＝膨脹比】的奧托循環(huán)。那么想要兼顧節(jié)油與性能，唯一的方式就是采用渦輪增壓技術，然而阿特金森發(fā)動機的結構很難承受這種高壓增氧技術。

知識點1：絕大多數阿特金森循環(huán)發(fā)動機都采用自然吸氣系統(tǒng)，吸入的空氣氧濃度偏低，燃燒做功轉化出的扭矩本就很小；那么在加上混合氣的損失則必然出現動力的嚴重下降，單純用這種技術的內燃機驅動汽車，動力體驗真的會差的一塌糊涂。

所以只能用混動系統(tǒng)的電動機輔助加速，類型以ECVT為主，然而整體性能表現仍舊是非常的一般。

知識點2：米勒循環(huán)發(fā)動機可以適應渦輪增壓系統(tǒng)，不過合資汽車的混動選項中，100%都是為了控制制造成本而使用自吸發(fā)動機，所以性能同樣是非常一般的；比如豐田、福特以及克萊斯勒的部分混動汽車。

目前使用「米勒＋TURBO」的發(fā)動機可以參考比亞迪驍云1.5T，這臺機器以350bar高壓直噴提高蒸發(fā)性能與燃燒效率，以雙渦管增壓器提升壓縮程度。通過這些技術可以有效“補償”丟失的部分動力，所以最終實現了136kw/288N·m（1500~3700rpm）的水平，這已經比主流的奧托循環(huán)1.5T更強勁了。

關于內燃機的三種循環(huán)方式就聊這些，最佳選項會是渦輪增壓米勒循環(huán)，不過并不是所有車企都能掌握這種技術。其次扭矩足夠大的奧托循環(huán)發(fā)動機同樣可以節(jié)油，大扭矩是降低巡航轉速（與油耗）的基礎，優(yōu)秀發(fā)動機其實還有很多。

編輯：天和Auto

內容：原創(chuàng)發(fā)布

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