丰田混动系统发动机工作原理（丰田发动机的阿特金森循环）

最近有小伙伴在购买丰田车的时候，听到销售员介绍发动机采用了“阿特金森循环”，感觉是个很高大上又很有技术含量的字眼，由于不了解当场不敢回应，回来赶紧咨询我们是什么意思？有什么神奇之处。今天，我们就来跟大家稍微分析下这个问题。

早期的奥托循环发动机

在说阿特金森循环之前，我们首先要清楚奥托循环。1862年法国一位工程师首先提出四冲程循环原理，1876年德国工程师尼古拉斯·奥托利用这个原理发明了发动机，因这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，这种循环命名为奥托循环。奥托循环的一个周期是由吸气、压缩、膨胀做功和排气这四个冲程构成，首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门进入气缸，关闭进气门，活塞向上运动压缩混合气体，然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动，完成做功冲程，最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。因此奥托又称四冲程循环，是内燃机热力循环的一种，是定容加热的理想热力循环。

奥托虽然改进并制造成功了四冲程发动机，但并没有将这种机器运用到车辆上，而1886年卡尔本茨将奥托发动机运用到改进的马车上，就发明出了汽车。目前燃油发动机的基本工作原理还遵循着最初的设计理念，并没有本质的改变。注意上面的描述中，定容加热理想热力循环，其中的定容就是指发动机活塞的上下止点的位置是始终不会改变的，这样就发动机的排气量也就是活塞运动轨迹内的容积是不变的。

在那个内燃机刚刚发明的时代，工程们对于这种新生的机器还充满好奇，试图改进它的人不在少数。仅仅6年之后，英国工程师詹姆士·阿特金森（James Atkinson）于1882年提出了一种构想，就是希望在上述四个冲程中，能够让活塞在膨胀做功的时候让它的行程增加一些，这样就可以获得更多的动能，从而提升转速。说到这里，我们必须要理解，当时的发动机基本都是单缸卧式结构，还没有采用后来的曲轴连杆结构，连杆后方推动的是较大的飞轮，通过位于连杆与飞轮的连接部分的活动卡销，确实可以实现做功行程大于压缩行程。但是由于当时发动机的输出功率很小，这种循环降低了功率密度，因此不可能成为的主流方案，阿特金森循环走进人们的视野但也很快进入历史。

说到当时发动机的功率，看看奔驰第一辆汽车发动机只有可怜的0.9马力，仅仅够推动车辆缓慢行走，因此当时工程师们的主要工作是提高发动机的输出功率和转化功率。后年出现了曲轴与连杆的组合结构，使得活塞的移动行程成为固定值，利用机械机构实现阿特金森循环事实上已经不可能实现。

经过几十年的发展，到20世纪二三十年代，奥托循环发动机已经取得长足的进步，除了气缸越来越多排量不断增大，还拥有了复杂的凸轮轴控制的进排气结构，同时化油器的供油结构和水冷的热管理系统也越来越成熟，现在的发动机功率方面不再是问题，但是在提升发动机功率的过程人们发现，提升压缩比容易出现爆震、在低负荷时发动机易出现泵气损失，这些问题成为工程师必须解决的棘手问题。

当时的汽车前沿技术中心已经从欧洲转移到美国，抛开臭名昭著的使用“含铅汽油”解决爆震问题的通用汽车的米基利不说，美国工程师R.H.米勒在1947 年第一次提出通过进气早关（EIVC）的策略，在压缩行程开始之前就关闭进气门，相当于减少了气缸内应有的混合气容量，同时也减少了泵气损失的功率，这就是所谓的米勒循环。米勒循环的特点是发动机的有效压缩比小于膨胀比，提高了热效率，并有效抑制发动机爆震，还能降低NOx排放。从这里开始，工程师终于找到新的思路解决了压缩比和膨胀比如何实现不同的方案，那就是利用进气的气门正时，提前气门关闭时间，从而达到降低压缩比的效果。

理论虽然成熟了，但实际营运依然困难很多，因为气门控制技术还不成熟，达不到精确的控制效果。直到后来利用电磁阀和可变凸轮相位调节器组成的可变气门正时系统出现，才把米勒循环实际有效的应用到发动机上来，让发动机在不同的工况下实现米勒循环和奥托循环的自然切换。

在这里我们必须要说的是，米勒循环与阿特金森循环的核心含义并不相同，前者的出发点是减少可压缩气体（降低爆震和泵气损失），而后者真实的用意是提升膨胀比（多做功），但因为两者都有一个目标，那就让做功行程大于压缩行程因而有相似之处。由于米勒循环的专利技术被马自达收购，其他品牌如丰田、本田、大众等只能将自己的米勒循环称之为阿特金森循环规避专利垄断。

那么，真正能够实现了阿特金森循环的发动机有没有呢？在很长一段时间内确实没有，或者说没有实现量产。直到最近日产的VC-Turbo技术成熟，才算是真正把阿特金森循环带回到现实中。这个技术我们有机会再细聊。

回到现在的米勒循环技术上，我们会发现丰田与大众采用的策略并不相同。大众EA888等发动机采用的是提前关闭进气门的策略实现米勒循环，而丰田的混动系统大都采用的是进气门推迟关闭策略。前者是直接缩短了进气时间从而减少进气量，而后者是将一部分进入气缸内的混合气再推回到进气歧管。前者与当年米勒提出的技术路线技术完全一致，而也同样需要增压、中冷等技术的协助，而后者由于有电机的协助在高负荷时分担了发动机的负担，可以让发动机在低负荷时将米勒循环的优势更充分的发挥出来，相当于用电机弥补了米勒循环在起步、加速等高负荷时动力不足的问题。

说到这里，如果小伙们下次再遇到对你说阿特金森循环的销售员，就可以自信的回复：你说错了，其实是米勒循环。