牺牲功率为哪般—阿特金森循环解析

　　之前曾有读者问到一个有关雷克萨斯RX450h的问题。从问题来看，这位读者对技术很感兴趣，同时观察也很仔细。具体问题是这样的：雷克萨斯RX450h的发动机与RX350排量一模一样，缸径冲程完全相同，几乎可以视为同一款发动机，然而这两款发动机有几个参数细节却很奇怪。其中一个细节是RX450h的压缩比高达12.5，这种压缩比在非直喷发动机里极为罕见。一般来说，高压缩比对应的都是高功率（例如：大多数压缩比达到12的发动机功率都比普通发动机大），而RX450h却恰恰相反，它的功率只有249马力，比RX350 277马力的功率反而小了很多。扭矩的情况也是如此，RX450h发动机的扭矩要比RX350小29牛·米之多。结构应该是一样的发动机，参数上却出现这么奇怪的组合，工程师为何要如此“调校”让这位读者很费解。

　　类似雷克萨斯RX450h的问题并不少见，仔细观察的话，许多混合动力车型都存在类似的情况。而这些问题背后的根源，则与某些厂商一直标榜的阿特金森循环密切相关。那么什么是阿特金森循环？它如何能在非直喷的情况下实现如此高的压缩比？采用如此高的压缩比之后功率扭矩反而下降，工程师图的是什么？

　　膨胀比的定义与意义

　　在说阿特金森循环的工作原理之前，我们要先来搞清楚膨胀比这个概念。很多人都清楚压缩比的意义。高压缩比可以让燃烧更为充分，从而有效提升效率。然而几乎没有人会注意膨胀比。所谓膨胀比，其实可以看做压缩比的“镜像”。何为压缩比？顾名思义，就是发动机将混合气压缩的比例。用术语来说，就是进气行程结束后/压缩行程开始前，活塞在下止点时的汽缸容积，与压缩行程结束后活塞运行到上止点时的汽缸容积之比。膨胀比则刚好反过来，它相当于混合气点火做工后膨胀的比例。用术语说，即点火做功后，活塞运行到下止点时的汽缸容积，与做功行程开始前、活塞位于上止点时汽缸容积的比值。

　　回忆一下我们印象中的四冲程就不难发现，其实所谓压缩比和膨胀比，虽然计算的方向不同，但结果却是一样的。既然如此，有了压缩比自然也就有了膨胀比，无端再增加一个参数毫无必要。然而这仅仅是针对常规发动机而言。我们设想一种发动机，其膨胀比可以继续变大，结果会是怎样？

　　发动机是如何工作的？它的动力之源来自哪里？没错，就是混合气被压缩以后点火极具膨胀。这种膨胀就如同爆炸一般产生能量，推动活塞向下运动，从而实现热能向动能的转换。那么对于一款常规发动机而言，活塞运行到下止点时，混合气就“膨胀完了”吗？显然不是。此时汽缸内的混合气依然有着较高的压力。在常规的设计方式下，这部分压力会被浪费掉—此时排气门会被打开，高温高压的气体会作为废气从排气门排掉。如果这个时候，我们让活塞继续下行一段，从而充分利用好这部分能量，那么是不是发动机的效率会更高呢？答案是肯定的。事实上，所谓阿特金森循环，其根源就在于提高膨胀比。

　　阿特金森发动机通过复杂结构

　　实现膨胀比的提升

　　阿特金森循环这个名字来自它的发明人James Atkinson。这项诞生于1882年的技术至今已有130年历史了，“悠久”程度丝毫不亚于目前最为主流的奥托循环。事实上这种循环结构，可以看做当时汽车发动机百家争鸣时代的一种产物，但它却并未得以延续。我们先来简单看一下这种发动机的结构吧。

　　从实物模型能看出这种发动机很另类，发动机的活塞并不像我们日常所见的发动机那样直接与曲轴相连，而是通过一套结构古怪的连杆来实现的。而这套连杆的目的，就在于让活塞在进气行程和做功行程时的下止点不一样—做功行程的下止点要比进气行程的下止点更大，如此就实现了在不增加压缩比的情况下提高膨胀比的目的。事实证明，这种设计的燃烧效率的确要比奥托循环的发动机高。既然这么好，为何它却成为胎死腹中的老古董呢？其实你可能已经发现答案了—这种设计体积过于庞大，而且设计强度、转速提升等等各个方面都有问题。同时在一百多年前，所谓的效率提升、油耗的降低，需求远不如现在这么大。那个时代，如何更有效地提升功率、提高动力才是关键的，油耗几乎无人会考虑。既然如此，这种制造复杂、功率低下、体积庞大的东西，仅凭“省油”这一优点，是不可能生存下来的。

　　现在的发动机显然要比当年更追求效率的提升这可以理解，但是我们并没有发现那些标称阿特金森循环的发动机结构如此怪异啊？这些发动机，从整体结构上来说甚至与普通发动机没有区别，就如同RX450h的发动机和RX350的发动机，结构是基本一样的。这却是为何呢？

　　现在的阿特金森循环称为米勒循环更准确

　　事实上，现在市面上的阿特金森循环发动机与一百多年前的阿特金森循环发动机已截然不同，它更多只是体现出了阿特金森循环的设计诉求而已。这些发动机所采用的工作原理，均来源于1940年米勒（Miller）发明的一种被唤作米勒循环的技术。当然，米勒的这项改进，其根源也是以阿特金森循环为基础的，因此将采用米勒循环的发动机称为阿特金森循环发动机也并无问题。

　　这种技术的妙处就在于可以在常规发动机的结构平台下，实现膨胀比的提升。常规发动机提升压缩比就可以提升膨胀比，这个大家都知道。但是由于压缩比不能无限制提升，它必须考虑到爆震等一系列问题。因此这种技术的根源，还是在于制造不对等的压缩比和膨胀比。也就是让膨胀比大于压缩比，从而达到不影响发动机正常工作又提升效率的目的。

　　米勒的设计很巧妙，他没有改动发动机的整体结构，而是通过气门正时的调整来实现。为了方便说明，我们暂且抛开气门叠加角这个概念，直观地看常规发动机的进排气门开启时点。进气行程开始时进气门打开，活塞运行到下止点进气门关闭，然后开始压缩行程。此时是进排气门处于同时关闭的状态，这种状态一直延续到做功结束，活塞再次运行到下止点。然后此时排气门开启，开始排气行程。

　　米勒循环的整个工作过程与常规发动机并无太多区别，它仅仅改变了一下进气门的关闭时点。常规发动机，压缩行程开始进气门关闭，米勒循环却不关闭，此时活塞开始向上运动，而进气门处于开启、排气门处于关闭的状态。这种状态下会发生什么情况？没错，有一部分混合气会被“压回”到进气歧管中。等活塞向上运行一段以后，进气门才关闭，此时压缩行程才算刚刚开始。如此，发动机压缩的混合气与常规发动机是不一样的。例如：一台压缩比为12的发动机，如果采用米勒循环，它实际压缩的混合气可能比常规发动机少20%，那么实际有效的压缩比也就只有10左右了。如此一来，自然不会出现因为压缩比过高而带来的爆震等问题。这就解答了文章开头有关非直喷发动机如此高压缩比的问题—它标称的压缩比虽然高，但实际压缩比与常规发动机却相差无几。而在做功的过程中，这款发动机却和常规发动机是一样的，也就是发动机的膨胀比仍然实实在在地达到了12。经过进气门正时的这么一个小小调整，就实现了膨胀比大于“实际”压缩比的效果，从而达到了提升效率的目的。

　　看完这个循环过程也许有人会问：将混合气排出去，那不是浪费了吗？最终的喷油该如何控制呢？对于这一点其实大可不必担心。压缩行程的确有一部分混合气被压回进气歧管，但也仅停留于进气歧管当中，而不会排到大气当中。发动机在运转过程当中有四个汽缸在工作，进气过程是持续的，进气管和进气歧管内持续存在进气负压，因此排出的这少量混合气其实会堆积在进气歧管中。不仅如此，这种方式还能提升进气歧管中的空气密度，从而减小进气时的泵气损失，从而实现更好的进气效果，达到提升效率的目的。

　　动力问题仍然是这种技术未能普及的根源

　　既然阿特金森循环能够有效提升效率，并且通过米勒的改进以后，这种技术实现起来也并不算困难，为何它的普及率如此之低呢？解答这个问题的同时，刚好需要解答文章开头提到的另一个问题：效率高理论上应该升功率更高才对，为何采用阿特金森循环的发动机动力反而更小呢？如果你关注细节，从上面所说的工作原理应该已经找到答案了。

　　这种循环的发动机，在压缩过程中会排出一部分混合气。那么它实际压缩的混合气，就要比没有采用这种循环的发动机小。为了方便说明，我们举个例子：假设两台3.0L的发动机，一台采用了阿特金森循环，并且在压缩过程中有20%的混合气从进气门排出，另一台则为常规结构。此时这台采用了阿特金森循环的发动机实际压缩的混合气容量，就只相当于另一台常规发动机实际压缩混合气的80%。换句话说，这台采用了阿特金森循环的发动机，其真正有效的工作排量也就相当于2.4L，其功率当然不可能大了。而从发动机的结构看，无论标称容积、发动机的体积、发动机的成本（阿特金森甚至更高）等各个方面，两台发动机却是基本一样的。这种组合，对于任何一个发动机厂商来说显然难以接受—花费与3.0L发动机一样的功夫，最后只能获得2.4L发动机的功率，就算油耗省一点，竞争力仍然是欠缺的。

　　这还不是最关键的，更要命的是这种工作状况会让动力输出特性变得更差，尤其是低速状态下，过低的扭矩会让起步的时候动力很肉，这显然不会让车主满意，同时也会降低产品的竞争力。事实上纵观目前所有的所谓高效发动机，都不是以牺牲性能为代价，相反都是通过技术的革新实现性能、效率双丰收。阿特金森循环之中技术只有效率这一个优势，即使是到了当前这个能源危机的时代，仍然难以奏效。

　　混合动力与阿特金森堪称天作之合

　　有一个现象大家应该发现了，除了极少数另类车型以外，绝大多数采用阿特金森循环的发动机都被运用到混合动力车型上。这自然是与混合动力车型核心诉求为省油、为这类车型买单的人更注重的是油耗排放而非性能有很大关系，但这并非全部。更关键的一点在于混合动力技术加入以后，可以弥补阿特金森循环的短板。

　　开过RX450h的人并不会觉得这款车“肉”，相反它的实际表现甚至配得上其“450”的名号。这其中的根源就在于混合动力技术可以实现内燃机动力和电动机动力的平衡组合，从而达到一种理想的输出特性。例如：在低速状态下，电动机的扭矩非常强大，起步时的驱动力基本上可以由电动机来完成，阿特金森循环发动机低速扭矩差的问题自然也就不复存在了。大多数人对于车辆的动力需求主要体现在加速过程中。混合动力车型在加速时是发动机和电动机共同作用的，二者叠加后的效果足以弥补阿特金森循环发动机动力欠佳的问题。这种车型只有一个问题，即最能体现发动机功率的极速表现差（此时电动机因为没有能量来源而无法提供动力），但这种差别可能在时速180公里/小时以上才能体现出来。普通车型的消费者都不会重视这一点，更何况混合动力车主呢？

　　在动力不存在问题的情况下，阿特金森循环的优势却可以体现出来。它的高工作效率不仅在动力驱动的时候油耗低，而且高效转换的动能还能有效存储在电池中，从而实现综合油耗的进一步降低。这恰好成了这些混合动力车型最大的噱头和卖点。即便由此成本略高一些，也不乏买单者—至少截至目前，混合动力车型都不是靠性价比取胜的，除了省油以外，混合动力车型还能唤起人们的社会责任，得到一些低碳人士的认可。

　　结论

　　最后对文章的内容做个梳理吧。阿特金森循环是一种通过增加膨胀比来提升工作效率的发动机技术，它的唯一诉求就是省油。采用这种技术的发动机，其实际工作排量与标称排量会有一个折扣，因此它的升功率往往很低，并且动力输出特性不理想。基于此，这种技术单独使用目前还缺乏足够的竞争力，但与混合动力技术搭配后却能获得很好的效果。

　　文/张俊