文/宝拉
更高的发动机热效率一直是工程师们所追求的方向。奥托循环。阿特金森循环。米勒循环的发展史就是热效率的提升史。
想必大家选购车辆时都会提前做功课。了解心仪车型的安全配置。智能配置等。当然还有最重要的动力参数。除了“明码标价”的数据外。发动机的工作原理。所用技术等都是大家最为关注的。
其中我们最常碰到的专业技术名词包括阿特金森循环。米勒循环技术 。相信很多人对这些专业名词还是迷迷糊糊的。之前我们已经详细讲解过了混动技术中常用的阿特金森循环。本文就详细展开经常与阿特金森循环混淆的米勒循环。详细了解其中的工作原理。实际运用等。为大家答疑解惑。
1.米勒循环推出背景与目的
目前发动机做功有三大循环。按照时间顺序分别为奥托循环。阿特金森循环和米勒循环。其中。阿特金森循环和米勒循环都是奥托循环的进阶版本。
1.1推出背景
了解米勒循环之前必须先要了解奥托循环这个基础。1876年德国工程师奥托利率先将四冲程循环原理运用在了发动机的设计上。奥托循环做功分为四个过程。包括进气冲程。压缩冲程。做功冲程和排气冲程。
来看具体的工作过程。首先是进气冲程。顾名思义是将气体送入气缸当中。这时活塞向下滚动。将空气与燃料混合后的气体通过气门进入气缸。然后是压缩冲程。在这个过程当中。活塞向上运动压缩气体。之后是做功冲程。当气体压缩至一定程度时。混合气体被点燃。膨胀所产生的推力就能让活塞向下运动。最后是排气冲程。很好理解。就是放废气排出气缸。
笔者在文章的开头就提到。工程师们的追求就是不断提高发动机的热效率。而受限于奥托循环的设计。很难再提升热效率。于是工程师们对奥托循环进行了优化。米勒循环也就诞生了。
1.2推出目的
在奥托循环和米勒循环之间的是阿特金森循环。该循环是1882年由英国工程师阿特金森提出的。阿特金森希望让做工冲程做更多的功这样就能提高效率。为汽车释放更多的动能。但是受困于当时发动机的单缸卧式结构和发动机的低效率等问题。最终阿特金森循环没能在燃油车时代大放异彩。反而是在新能源时代与电机搭配才再次进入人们的视线。
随着技术的发展。20世纪时发动机功率和结构上也有了新的突破。1947年美国工程师米勒提出通过提前关闭发动机进气门的策略来提高发动机的热效率。这个后来被称为米勒循环。该循环在提高热效率的同时。还避免了阿特金森循环容易出现的爆震。泵气损失等问题。目前被燃油车和新能源车型广泛采用。
2.工作原理
米勒循环之所以能够提高热效率。是由于发动机的压缩比小于膨胀比。也就是做功冲程大于压缩冲程。反观奥托循环。压缩比=膨胀比。因此做功效率较低。就导致油耗经济性低。
2.1何谓压缩比和膨胀比？
前文我们已经了解了四冲程循环的工作原理。而膨胀比和压缩比就是指的是在做工冲程和压缩冲程中。压缩比表示了气体的压缩程度。它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比。它代表了缸体内气体从下止点向上止点压缩的程度。
一般来说。发动机的压缩比越大。在压缩行程结束后。混合气的压力和温度就越高。燃烧越快。这样发动机的动力越大。经济性越好。同理。膨胀比是内燃机做功冲程结束时气缸容积与做功冲程开始时气缸容积之比。
2.2膨胀比大于压缩比为什么能实现热效率的提高
膨胀比大于压缩比时。代表膨胀行程中活塞运动的距离更远。气体膨胀的倍数更多。做的功也就越多。动力输出就越大。热效率就越高。相当于同样的燃油却能做更多的功。这样就能提高热效率。最后燃油经济性就会理所当然的更高。
举个通俗的例子。假设你做50个面包能卖50块。但是现在你做30个面包能卖40块。是不是你的单价就上去了。同理在发动机上。虽然压缩的气体和膨胀的气体都减少了。但是膨胀比大于压缩比时。热效率也就上去了。
2.3米勒循环如何实现膨胀比大于压缩比
在奥托循环中。在进气完成时就将气门关闭。之后的压缩冲程中的压缩比就等于了做功冲程中的膨胀比。而米勒循环之所以能让膨胀比大于压缩比在于提前关闭了气门。也就是就进气过程中并没有像奥托循环一样准时关闭气门。
这样一来。压缩的气体相对于之前奥托循环压缩的气体减少了。之后做功冲程中气体再进行膨胀。气体燃烧的能量就能被充分释放。就不再像奥托循环中有部分能量被浪费。米勒循环中压缩过程中活塞运动的距离相比于做功冲程短。也就实现了膨胀比>压缩比。
虽然理论能行。但是实现米勒循环还是存在一个较大的技术难点。那就是如何实现在不同工况下的延迟关闭气门？目前大多数米勒循环发动机中采用的是可变气门正时技术。也就是我们常见的VVT（Variable Valve Timing）技术。通过调节发动机凸轮相位。使进气量可随发动机转速的变化而改变。达到进气门关闭的精确控制。
3.米勒循环的优劣势
3.1米勒循环的优势
与奥托循环相比。米勒循环很显然能够提高发动机的热效率。从而达到更高燃油经济性。
与阿特金森循环相比。虽然同样都是膨胀比>压缩比。但是阿特金森循环发动机的气缸内容易产生的爆震等问题。而米勒循环不仅能抑制发动机爆震还能降低 NOx排放。同时相比于阿特金森循环。米勒循环低负荷情况下能更省油。
3.2米勒循环有何不足
一方面是与奥托循环相比。米勒循环的早关气门就需要配气结构。因此结构会更复杂。成本也就会更高。
另一方面是米勒循环发动机在高速输出时发动机功率会不足。与奥托循环相比。同样是1.5L排量发动机。米勒循环发动机由于提前关闭了气门。气缸内的燃气更稀薄。奥托循环发动机输出的功率就要比米勒循环发动机输出的功率要高。而发动机的功率低的直接效果就是加速能力差。另外在低速输出时扭矩较差。在低转速时输出扭矩不够。就会导致车辆起步动力不足。在实际生活中就类似你在绿灯时起步会比别人慢一会。
4.米勒循环的实际运用
阿特金森循环发动机存在扭矩低。低速效率差的缺点。所以阿特金森循环发动机不会用在纯汽油车上。因而也没有成为燃油车时代的主流。不过现在可以一些混动车上可以看到阿特金森循环发动机。混合动力汽车中额外的电机可以弥补阿特金森循环发动机低速扭矩小的弱点。
而米勒循环发动机通常运用在涡轮增压发动机中。其中最为典型的就是大众的发动机。
4.1运用在燃油车上
一般是德系车用米勒循环发动机的比较多。如大众的EA211 TSI evo型发动机。EA888 TSI型发动机等发动机。不过也有部分日系车也采用了米勒循环发动机。其中的代表车企就是马自达。
4.1.1马自达创驰蓝天发动机
世界上首个量产的米勒循环汽油发动机就来自马自达。该款发动机的名称为KJ-ZEM发动机。其中的“M”就是米勒循环的缩写。这款发动机的最高功为162千瓦（217马力）。最高转速为6000转/分。而且仅配用一台4挡自动变速箱。但是这款发动机并没有在中国引起太大的热度。而是另一款创驰蓝天技术中的发动机 在中国更为有热度。
创驰蓝天是马自达于2010年的一套技术集合。它包括发动机。变速器。车身及底盘四大块。该技术中的发动机采用了奥托循环和米勒循环双循环。压缩比更是首度达到了量产汽车发动机的13:1。和现在主流的发动机的压缩比相当。其油耗降低。扭力分别提升了15%以上。优秀的性能也让该款发动机在2012年被评为“沃德十佳发动机”。
该款发动机目前搭载于马自达CX5车型当中。这台2.0L发动机的最大功率为114kw。最大扭矩为200牛米。值得一提的是该发动机有较高的燃油经济性。百公里油耗仅为6.7L。领先同级别的的RAV4和CR-V车型。
4.1.2大众EA888发动机
这款发动机可以称得上是明星发动机。用两个字来形容就是全能。大众EA888发动机目前搭载在大众途昂。斯柯达速派。保时捷Macan。帕萨特。奥迪Q5等数十款车型当中。
这款发动机同样使用了前文提及过的米勒循环。同时在进气可变气门正时技术下可以有效提高进排气效率。虽然大众EA888发动机的热效率只有37.2%。远不及本田。丰田。比亚迪等的40%以上。但是这款发动机的性能还是值得肯定的。这款发动机最早诞生于2006年。有1.8T和2.0T两种排量。兼具舒适性与燃油经济性。入华以来。这款发动机也是受到了国内消费者的认可。具体的功率如下图所示：
4.2运用在新能源混动车型上
4.2.1问界M5的H15RT发动机
问界的纯电驱增程平台（DE-i）中也采用米勒循环发动机。该发动机的压缩比高达15:1。热效率达到了惊人的41%。达到了目前世界一流水平。
这款发动机并不直接驱动车辆前行。作为增程器给电池和电机供电。从动力参数来看。这款1.5T的涡轮增压发动机的最高功率为。最大扭矩为205牛米。在电动机的配合下。问界M5的综合功率为315千瓦。综合总扭矩为720牛米。该套系统拥有较高的性能。同时拥有更低能耗。
4.2.2吉利雷神动力BHE15-EFZ发动机
雷神动力同样提供两种排量的发动机。包括了1.5T和2.0T涡轮增压发动机。
与比亚迪DMI-i超级混动系统。本田i-MMD混动采用阿特金森循环不同的是。这款发动机采用了米勒循环。其热效率高达达到43.32%。比亚迪DMI-i超级混动系统中的骁云发动机的热效率还要更高。
其中搭载雷神动力发动机的帝豪L雷神Hi-X的1.5T版本发动机最大马力133千瓦。最大扭矩290牛米。纯电续航为100KM。综合续航为1300KM。馈电油耗为3.8L/100km。具有较高的燃油经济性。与自然吸气发动机相比。这款涡轮增压发动机在加速上的体验和爆发力上要更好一些。
值得一提的是。即将上市的理想L9也将搭载米勒循环发动机。据悉该发动机为1.5T四缸发动机。将匹配长城蜂巢动力的驱动电机。按照这个情况。之后将会有越来越多的新能源车型采用米勒循环发动机。
写在最后：
不管是阿特金森循环发动机还是米勒循环发动机。笔者都看到了自主品牌在研发技术上的厚积薄发。中国作为新能源汽车的最大市场。希望自主品牌能够为我们带来更多更惊艳的产品。实现新能源赛道上的弯道超车。
