阿特金森循环(Atkinson cycle)

Atkinson循环在混合动力汽车中应用的优势

姓名：邓忠伟

学号：0140209108

1. Otto 循环发动机不利于节能的因素

1.1 部分负荷燃油消耗率高

车辆在正常运行时所需要的功率是很小的, 但实际使用中为了保证加速与爬坡能力, 需要选配较大功率的发动机, 这就使得发动机在经常运转部分负荷工况下的燃油消耗率远高于最佳燃油消耗率,造成整车能量利用率低、燃油经济性差。

1.2 泵气损失

泵气损失是造成Otto 循环发动机低负荷工况运转时燃油消耗率高的主要原因。节气门在部分开度时造成节流, 以及曲轴箱和进气管的压差对活塞下行造成阻力, 都造成了能量损失。采用节气门控制负荷的发动机即使在高速路行驶时也存在泵气损失, 只有在全力加速或爬坡时节气门全开, 不存在额外的进气管节流损失。Otto循环在部分负荷时的能量损失是和发动机参数联系在一起的: 泵气损失与进气节流相联系、热效率的降低与不合适的压缩比和膨胀比相联系。

1.3 小膨胀比

发动机将燃油化学能以热能形式释放出, 并转化为机械功。热能转化为机械功的比率由膨胀比决定。膨胀比为排气门打开时气缸容积与混合气被点燃时气缸容积比值。膨胀比越高, 转化为机械功的热能越多。在Otto循环发动机中膨胀比和压缩比基本相当。而压缩比有一上限, 超过此上限便会产生爆震, 给汽油机造成很大危害。因而对于给定燃油辛烷值的汽油机来说要避免爆震就不能有大的膨胀比。

1.4 过浓的混合气

传统Otto 循环发动机通过加浓混合气满足输出功率增加的需要。浓混合气在发动机内并不能完全被利用, 作为HC排放物被排到大气中或者在催化转化器中被氧化掉, 降低了燃油利用率。

2. Atkinson循环的原理及优势

2.1 Atkinson循环发动机的工作原理

1884年James Atkinson发明了Atkinson 循环发动机。Atkinson循环发动机是在Otto循环发动机的基础上多了一个回流过程, 包括进气、回流、压缩、膨胀和排气五个过程。Atkinson循环利用了进气门晚关来控制负荷而不是节气门的节流作用。进气门晚关时刻由气缸内充量的多少来决定的, 即根据负荷的大小来确定气门的关闭时刻。气门关闭后才是压缩冲程的实际开始点, 而膨胀冲程还是和原Otto循环相似或稍长, 这就减少了进气过程的泵气损失和压缩冲程的压缩功; 而膨胀比大于压缩比便能够更大程度地将热能转换为机械能, 提高发动机的指示热效率, 降低燃油消耗。另外进气门晚关使实际压缩比降低, 使得缸内燃烧温度降低, 有利于改善NOx的排放。

图1为Atkinson循环示意图: 其中1- 2为绝热压缩过程; 2- 3为定容加热过程; 3-4为绝热膨胀过程;4 - 1为定压放热过程。与传统Otto循环相比,Atkinson循环压缩起点较Otto循环晚; Otto循环4-1过程为定容放热, 而Atkinson循环为定压过程, 在相同工质数量和加热量条件下, 它有较大的膨胀功,所以热效率高。

图1为Atkinson 循环示意图

由热力学知识可得循环的吸热量为:

)1()(11231-=-=-λεκT C T T C q v v (1)

式中ε=V

1V 2为压缩比，该压缩比为循环的实际压缩比,即进气阀关闭时刻开始计算的压缩比。循环的放热量为:

)1()(111142-=-=--κκρλεT C T T C q p p (2) ρ=V 4V 3

为膨胀比; 由于循环的4- 1过程为定压放热过程, 因此循环的膨胀比压缩比要大。因此 Atkinson 循环的指示热效率为:

)1

1(11112---=-=-λρλκηq q i (3) 从公式( 3)可知, Atkinson 循环的指示热效率ηi 与循环的膨胀比ρ成正比例关系,而与循环的压缩比ε无关；同时膨胀比越大则指示热效率越高, 说明了在Atkinson 循环中膨胀比决定着发动机的热效率。但从另一方面来看, 膨胀比与几何压缩比又是紧密联系的, 膨胀比大小是受几何压缩比限制的。

2.2 两种循环的比较

如图2所示, 对传统Otto 循环发动机和Prius 发动机的Atkinson 循环进行比较, 传统Otto 循环从进气阀关闭(约下止点后50°CA)的实际压缩容积与排气阀开启(约下止点前50°CA)为止的膨胀容积几乎相等, 实际压缩比与膨胀比也基本相等。而对于Prius 发动机的Atkinson 循环, 说明书上的压缩比为13.5, 但实际上却延迟了进气阀关闭时刻(可调节到下止点后120°CA) , 在压缩行程初始时间吸入缸内的一部分气体被回流到进气歧管内,从而实质上延迟了压缩开始时刻, 降低了实际压缩比; 另一方面排气阀在下止点后32°CA 开启, 所以膨胀容积增大,形成了高膨胀比循环。

Atkinson 循环热效率较高是因为降低了两方面的损耗：

一是在部分负荷时它

工作在最佳膨胀比下,燃料的热效率高；二是进气冲程中没有节气门的节流作用减少了泵气损失。如图3中传统Otto循环示功图的阴影部分就是泵气损失部分, 而Atkinson循环的示功图中就不存在这部分损失。

图2 两种循环工作过程的比较

图3 两种循环示功图的比较

图3示功图中P0为大气压力, 说明了Otto循环在部分负荷时是在小于大气压力状态下进气; 而Atkinson 部分负荷时是利用进气门晚关时刻而不是节气门开度来控制负荷。因此进气管压力基本保持为大气压力状态, 这就消除了进气时因泵气作用而造成的损失。

2.3 Atkinson 循环发动机的优势

2.3.1 Atkinson 循环在混合动力中的优势

虽然Atkinson 循环具有较高的热效率, 但却存在功率偏低的缺点, 特别在低速低负荷下更加明显。所以在过去能源危机不明显, 尤其增压技术没有发展、对发动机又追求大功率大扭矩和起动加速性能好的时代, 此种循环发动机没有发

展前景, 因此这方面研究就一直没有得到重视。但是随着能源和环保压力的日益紧迫, 旨在节约能源和降低排放的混合动力汽车成了汽车行业的重要研究对象。国内外汽车公司又开始对Atkinson循环进行研究, 并且随着发动机技术、控制技术、电动机、电池等各种技术的进步, 在传统Otto循环发动机上, 通过一系列技术改造可以实现Atkinson循环。特别是混合动力汽车技术的出现, 在低速小负荷