一、阿特金森循环与奥托循环的比较
在常规奥托循环发动机的做功冲程完成后,封闭在气缸内的气体压力仍然有3一5个大气压,这部分气体的压力并未做功,在排气冲程中,这部分气体的热量白白地排放到大气中。阿特金森循环提高了做功行程的做功量,方法是在膨胀行程末,气缸内剩余压力变得较小,仅稍高于大气压时才将排气门打开,充分利用了膨胀做功,几乎没有压力浪费,因此提高燃油效率。
由于阿特金森循环在部分负荷时具有较高的热效率,燃油经济性高,因此它正被越来越多地应用于混合动力车上,通过电动机的辅助使发动机工作在部分负荷下,提高系统效率。目前使用阿特金森循环发动机的车型主要有丰田普锐斯、福特翼虎、本田雅阁等。
目前阿特金森循环发动机是在原有动力平台上开发的,这样开发周期短,更具有成本低的优势。通过优化混合动力的控制策略,混合动力汽车可在不提升任何制造成本的基础上,降低8%左右的油耗。
二、阿特金森循环实现方式
普通汽车发动机都是基于奥托循环的,它包括进气、压缩、做功和排气四个冲程。目前有的汽车是通过调节可变配气正时机构和可变压缩比两种方式,采用可变配气正时机构方式较多。不过从发展来看,应用可变压缩比的可能性更大。
1.可变压缩比式
在奥托循环发动机里,在进气行程中油气混合物被吸入气缸,当活塞到达下止点后,进气门关闭,油气混合物被封闭在气缸中,在压缩和做功行程中分别被压缩和点燃。这样,膨胀比就几乎等于发动机的压缩比。
1884年英国工程师发明了阿特金森循环发动机,阿特金森循环是一种高压缩比,长膨胀行程的内燃机工作循环,具有极佳的部分负荷经济性,但全负荷动力性能较差。因为这种循环结构比较复杂,所以大家都选用了奥托循环式的发动机。
随着技术的不断创新,从经济性看,尽管可变压缩比发动机的结构比较复杂,但其应用是早晚的事。
新的可变压缩比发动机活塞在气缸内由滚子引导沿着垂直方向运动,不需要起导向作用的活塞裙部。控制活塞操纵杠杆的一端,杠杆的中部与活塞的连杆相连,连杆将活塞的上下往复运动转化为曲轴的旋转运动。杠杆的另一端可以通过调整机构升高或降低来控制活塞运动的上下止点位置(有效行程),从而改变压缩比,进而改变膨胀比。
2.可变配气正时式
由于膨胀冲程增加过大,在结构上实现有很大的难度,需要借助特殊的曲轴和连杆系统来实现,其技术难度高。
现代阿特金森循环发动机使用电子控制装置和进气阀定时装置,使燃烧在气缸中的油气混合物的体积膨胀得更大,借此让动力装置能更高效地利用燃油。
1947年,美国工程师在简单的奥托循环发动机的基础上实现了高燃油效率的阿特金森循环。他让进气门在压缩行程中关闭,尽管这样会造成吸入气缸的油气混合物在活塞开始上升时又将部分混合气推出气缸。压缩行程可以通过控制进气门关闭的时刻来恰当地设置。因考虑到压缩行程又被分为两个阶段(燃油喷射阶段和实际的压缩阶段),这种发动机有时又被称为“五冲程发动机”,大负荷功率输出的损失部分抵消了阿特金森循环发动机燃油效率的提高,所以应避免使用大负荷,或取消大负荷。
三、阿特金森循环的应用
丰田普锐斯早在第二代车型上就使用了阿特金森循环,发动机几何压缩比为13:1,实际为9:1。它使用的是现代的阿特金森循环,没有了复杂的连杆机构,且没有在普通发动机上做太大修改,只是改变气门开闭的时刻。它是利用可变气门正时(VVT)来实现阿特金森循环的,因此进气门关闭点可随着工况进行变化。为了进一步提高阿特金森循环的热效率,第三代普锐斯在保持燃烧室形状与压缩比为13不变的情况下,把进气门关闭时间进行提前,使得阿特金森循环率上升,提高了热效率,进一步改善了燃油经济性。
目前的油电混合动力汽车基本上对发动机进行了重新设计或重大改进,许多阿特金森循环是在汽油机的基础上改造得到的,这种循环具有高热效率、高膨胀比和紧凑型倾斜挤气燃烧室,由于电机承担了功率调峰的作用,发动机可以舍弃非经济工作区的动力性,单一追求经济工作区的高效率,其主要目的是追求高的热效率而不是追求高功率。
混合动力汽车发动机上的阿特金森循环取消了小负荷和大负荷两种工况,在部分负荷时具有较高的热效率,燃油经济性高。
同时由于发动机采用小排量,储备功率变小,使得发动机的燃油效率也有所降低。