最近有小夥伴在購買豐田車的時候，聽到銷售員介紹發動機採用了“阿特金森迴圈”，感覺是個很高大上又很有技術含量的字眼，由於不瞭解當場不敢迴應，回來趕緊諮詢我們是什麼意思？有什麼神奇之處。今天，我們就來跟大家稍微分析下這個問題。
早期的奧托迴圈發動機
在說阿特金森迴圈之前，我們首先要清楚奧托迴圈。1862年法國一位工程師首先提出四衝程迴圈原理，1876年德國工程師尼古拉斯·奧托利用這個原理髮明瞭發動機，因這種發動機具有轉動平穩、噪聲小等優良效能，對工業影響很大，這種迴圈命名為奧托迴圈。奧托迴圈的一個週期是由吸氣、壓縮、膨脹做功和排氣這四個衝程構成，首先活塞向下運動使燃料與空氣的混合體透過一個或者多個氣門進入氣缸，關閉進氣門，活塞向上運動壓縮混合氣體，然後在接近壓縮衝程頂點時由火花塞點燃混合氣體，燃燒空氣爆炸所產生的推力迫使活塞向下運動，完成做功衝程，最後將燃燒過的氣體透過排氣門排出氣缸。因此奧托又稱四衝程迴圈，是內燃機熱力迴圈的一種，是定容加熱的理想熱力迴圈。
奧托雖然改進並製造成功了四衝程發動機，但並沒有將這種機器運用到車輛上，而1886年卡爾本茨將奧托發動機運用到改進的馬車上，就發明出了汽車。目前燃油發動機的基本工作原理還遵循著最初的設計理念，並沒有本質的改變。注意上面的描述中，定容加熱理想熱力迴圈，其中的定容就是指發動機活塞的上下止點的位置是始終不會改變的，這樣就發動機的排氣量也就是活塞運動軌跡內的容積是不變的。
在那個內燃機剛剛發明的時代，工程們對於這種新生的機器還充滿好奇，試圖改進它的人不在少數。僅僅6年之後，英國工程師詹姆士·阿特金森（James Atkinson）於1882年提出了一種構想，就是希望在上述四個衝程中，能夠讓活塞在膨脹做功的時候讓它的行程增加一些，這樣就可以獲得更多的動能，從而提升轉速。說到這裡，我們必須要理解，當時的發動機基本都是單缸臥式結構，還沒有采用後來的曲軸連桿結構，連桿後方推動的是較大的飛輪，透過位於連桿與飛輪的連線部分的活動卡銷，確實可以實現做功行程大於壓縮行程。但是由於當時發動機的輸出功率很小，這種迴圈降低了功率密度，因此不可能成為的主流方案，阿特金森迴圈走進人們的視野但也很快進入歷史。
說到當時發動機的功率，看看賓士第一輛汽車發動機只有可憐的0。9馬力，僅僅夠推動車輛緩慢行走，因此當時工程師們的主要工作是提高發動機的輸出功率和轉化功率。後年出現了曲軸與連桿的組合結構，使得活塞的移動行程成為固定值，利用機械機構實現阿特金森迴圈事實上已經不可能實現。
經過幾十年的發展，到20世紀二三十年代，奧托迴圈發動機已經取得長足的進步，除了氣缸越來越多排量不斷增大，還擁有了複雜的凸輪軸控制的進排氣結構，同時化油器的供油結構和水冷的熱管理系統也越來越成熟，現在的發動機功率方面不再是問題，但是在提升發動機功率的過程人們發現，提升壓縮比容易出現爆震、在低負荷時發動機易出現泵氣損失，這些問題成為工程師必須解決的棘手問題。
當時的汽車前沿技術中心已經從歐洲轉移到美國，拋開臭名昭著的使用“含鉛汽油”解決爆震問題的通用汽車的米基利不說，美國工程師R。H。米勒在1947 年第一次提出透過進氣早關（EIVC）的策略，在壓縮行程開始之前就關閉進氣門，相當於減少了氣缸內應有的混合氣容量，同時也減少了泵氣損失的功率，這就是所謂的米勒迴圈。米勒迴圈的特點是發動機的有效壓縮比小於膨脹比，提高了熱效率，並有效抑制發動機爆震，還能降低NOx排放。從這裡開始，工程師終於找到新的思路解決了壓縮比和膨脹比如何實現不同的方案，那就是利用進氣的氣門正時，提前氣門關閉時間，從而達到降低壓縮比的效果。
理論雖然成熟了，但實際營運依然困難很多，因為氣門控制技術還不成熟，達不到精確的控制效果。直到後來利用電磁閥和可變凸輪相位調節器組成的可變氣門正時系統出現，才把米勒迴圈實際有效的應用到發動機上來，讓發動機在不同的工況下實現米勒迴圈和奧托迴圈的自然切換。
在這裡我們必須要說的是，米勒迴圈與阿特金森迴圈的核心含義並不相同，前者的出發點是減少可壓縮氣體（降低爆震和泵氣損失），而後者真實的用意是提升膨脹比（多做功），但因為兩者都有一個目標，那就讓做功行程大於壓縮行程因而有相似之處。由於米勒迴圈的專利技術被馬自達收購，其他品牌如豐田、本田、大眾等只能將自己的米勒迴圈稱之為阿特金森迴圈規避專利壟斷。
那麼，真正能夠實現了阿特金森迴圈的發動機有沒有呢？在很長一段時間內確實沒有，或者說沒有實現量產。直到最近日產的VC-Turbo技術成熟，才算是真正把阿特金森迴圈帶回到現實中。這個技術我們有機會再細聊。
回到現在的米勒迴圈技術上，我們會發現豐田與大眾採用的策略並不相同。大眾EA888等發動機採用的是提前關閉進氣門的策略實現米勒迴圈，而豐田的混動系統大都採用的是進氣門推遲關閉策略。前者是直接縮短了進氣時間從而減少進氣量，而後者是將一部分進入氣缸內的混合氣再推回到進氣歧管。前者與當年米勒提出的技術路線技術完全一致，而也同樣需要增壓、中冷等技術的協助，而後者由於有電機的協助在高負荷時分擔了發動機的負擔，可以讓發動機在低負荷時將米勒迴圈的優勢更充分的發揮出來，相當於用電機彌補了米勒迴圈在起步、加速等高負荷時動力不足的問題。
說到這裡，如果小夥們下次再遇到對你說阿特金森迴圈的銷售員，就可以自信的回覆：你說錯了，其實是米勒迴圈。
