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解读发动机(五)阿特金森和米勒循环

出处:三圈汽车网 时间:2011-10-04

    [技术讲堂] 怎样有效地利用燃油产生的能源,是提升发动机效率的一大关键,自发动机诞生之日起,这个课题就一直在进行。从19世纪末的阿特金森循环,到上世纪40年代的米勒循环,压缩比这个原本恒定的数值,被一种“另类”的运转机制打破。

    话题又一次扯到“压缩比”这个问题上。想要提升动力,提高压缩比是一个手段。想要提高燃油经济型,提高压缩比也是一个手段。但压缩比不能无限提升,而且在发动机历史中的“远古时代”,这个问题就更难解决了。不过人类的智慧经常另辟蹊径,既然无法提高压缩比,那就把“膨胀比”搞大。

解读发动机(五)阿特金森和米勒循环

阿特金森循环发动机

    1882年,James Atkinson发明了一款发动机,与当时的奥托循环发动机不同的是,这款发动机压缩行程和做功行程时,活塞的位移是不一样的。阿特金森发动机使用了较为复杂的连杆作为动力从活塞到曲轴的输出,而活塞实际行程如下图所示(阿特金森发动机活塞行程较长,动画中未予表现)。

解读发动机(五)阿特金森和米勒循环

『活塞行程由蓝黄红绿四个色块表示,依次为:吸气、压缩、做功、排气四个行程』

    这种设计很巧妙,用不同的连杆机制协同工作,使得各个行程幅度不同,不仅有效的改良了进排气情况,膨胀比大于压缩比更是阿特金森发动机最大的特点。更长的膨胀行程可以更有效的利用燃烧后废气仍然存有的高压,所以燃油效率也比奥托循环更高一些。

解读发动机(五)阿特金森和米勒循环

『连杆的引入不仅影响了活塞行程,作用在曲轴上的力矩发生了改变』

    但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。至于用晚闭进气门的方式,让压缩比小于膨胀比的形式是否存在于阿特金森发动机,目前无从考证(很多文献都认为阿特金森循环运用了晚闭进气门这个方式,但并无依据,连杆机构对压缩比的调整和较长的活塞行程才是阿特金森发动机的特色),但真真正正运用这种技术的,是下面这种发动机。

米勒循环发动机

    1940年,miller重拾这种不对等膨胀/压缩比发动机,但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。

解读发动机(五)阿特金森和米勒循环

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』

解读发动机(五)阿特金森和米勒循环

『对比常规发动机,米勒循环进气门晚闭,将吸入气体
部分反流排出,排气门晚开,使做功时间加长』

    这么简单的控制一个气门开闭的时机就制造了膨胀比大于压缩比的效果,相比传统奥托循环发动机,废气蕴含的能量得以利用。(ps:难道当年阿特金森不会想到用这种方式实现吗?私认为应该是因为奥托循环发动机的专利的问题,因而阿特金森不得不那么做,而到了米勒的年代,奥托发动机的专利已经过期了。)

解读发动机(五)阿特金森和米勒循环

『1-2-3-4为传统发动机PV图,6-2-3-5为阿特金森/米勒循环PV图
阴影部分可以理解为阿特金森/米勒额外的活塞行程及其利用的能量』

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