參考發(fā)動機(jī)的性能，除了功率、扭矩這些外特性外，部分車型還能找到萬有特性圖來進(jìn)一步獲取發(fā)動機(jī)的工作特性。然而，在一些車輛解析文章里，我們偶爾還能看到如米勒循環(huán)、阿特金森循環(huán)這樣的詞語。什么是發(fā)動機(jī)循環(huán)？有哪些發(fā)動機(jī)循環(huán)？循環(huán)方式又有何區(qū)別？
什么是發(fā)動機(jī)循環(huán)？
發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)，是周期性地將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程，具體指發(fā)動機(jī)從進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣等多個有序重復(fù)過程。在這些過程中，工質(zhì)（燃料、空氣等）的溫度、壓力、成分和流動狀態(tài)等時刻發(fā)生著非常復(fù)雜的變化，根據(jù)不同內(nèi)燃機(jī)工作過程的特點(diǎn)，將實(shí)際循環(huán)過程簡化，建立內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)，并與實(shí)際循環(huán)過程進(jìn)行比較，可以分析研究內(nèi)燃機(jī)循環(huán)效率和平均壓力的主要影響因素，發(fā)動機(jī)循環(huán)可以分為理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)。
有哪些發(fā)動機(jī)循環(huán)？
發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)分類多種多種，有理論循環(huán)、實(shí)際循環(huán)、按沖程、按循環(huán)方式等等。理論循環(huán)有三種，分別是等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)、混合加熱循環(huán)。
等容加熱循環(huán)加熱過程在等容條件下快速完成，熱效率僅與壓縮比有關(guān)；等壓加熱循環(huán)加熱過程在等壓條件下完成，負(fù)荷的增加使循環(huán)熱效率下降；混合加熱循環(huán)加熱過程在等容和等壓條件下完成，熱效率介于上述兩者之間。
當(dāng)然理論只存在于公式之中，和理論循環(huán)相比，發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)在壓縮、燃燒、膨脹和進(jìn)排氣過程存在著許多不可逆損失，如泵氣、摩擦、熱傳遞等，因此實(shí)際應(yīng)用中不可能達(dá)到理論循環(huán)的熱效率和循環(huán)平均壓力。分析理論循環(huán)，有助于提高發(fā)動機(jī)的效率，如提高壓縮比、增加膨脹比、增加等熵指數(shù)k等。
按沖程分類可以分為四沖程循環(huán)和兩沖程循環(huán)，此外還有六沖程循環(huán)等。
循環(huán)方式有何差異？
四沖程循環(huán)
以四沖程汽油機(jī)為例，循環(huán)由吸氣—壓縮—膨脹做功—排氣這四個沖程構(gòu)成。發(fā)動機(jī)曲軸每旋轉(zhuǎn)兩周，經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個沖程完成一個工作循環(huán)。
沖程一：吸氣——進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞向下運(yùn)動，空氣進(jìn)入氣缸與汽油燃料混合。
沖程二：壓縮——進(jìn)/排氣門全部關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動壓縮混合氣體，直到壓縮沖程頂點(diǎn)。
沖程三：膨脹做功——當(dāng)活塞到達(dá)壓縮沖程頂點(diǎn)時，火花塞點(diǎn)燃混合氣體，產(chǎn)生高能量推動活塞向下運(yùn)動，完成做功。
沖程四：排氣——排氣門打開，進(jìn)氣門關(guān)閉，燃燒過的氣體通過排氣節(jié)門排出。
兩沖程循環(huán)
兩沖程循環(huán)同樣由吸氣—壓縮—膨脹做功—排氣組成，不同點(diǎn)在于，兩沖程發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動一周，經(jīng)歷兩個沖程即可完成一個工作循環(huán)。和四沖程發(fā)動機(jī)相比，兩沖程發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在配氣機(jī)構(gòu)上，兩沖程發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣口均位于氣缸壁上，且開閉由活塞的位置決定，沒有獨(dú)立的配氣機(jī)構(gòu)。以兩沖程汽油機(jī)為例。
沖程一：此時汽缸內(nèi)已經(jīng)充滿了混合氣體，活塞在曲軸帶動下從下止點(diǎn)向上運(yùn)動，將汽缸內(nèi)的混合器壓縮升溫，活塞上行抵達(dá)上止點(diǎn)時，火花塞點(diǎn)燃。這一步的同時，活塞下方的曲軸箱也將混合氣體吸入。
沖程二：火花塞點(diǎn)火后，燃燒產(chǎn)生的壓力推動活塞往下運(yùn)動，活塞下行時排氣口先打開，排出廢氣，隨后打開進(jìn)氣口，新的混合氣從曲軸箱內(nèi)進(jìn)入氣缸，此時汽缸內(nèi)再次充滿混合氣體準(zhǔn)備新的循環(huán)周期。
在相同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和氣缸容積下，二沖程發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的功率是四沖程發(fā)動機(jī)的兩倍，同時沒有閥門的凸輪、曲軸、搖臂等裝置的損耗，二沖程發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率更高。然而，二沖程發(fā)動機(jī)燃料消耗率也遠(yuǎn)高于四沖程發(fā)動機(jī)，注入燃料時排氣口仍然開啟排氣，相當(dāng)一部分未燃燒的燃料被浪費(fèi)掉，此外還產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。
同時，實(shí)際壓縮要等到當(dāng)活塞向上運(yùn)動至進(jìn)氣口、排氣口完全關(guān)閉后，因此在相同的尺寸下，二沖程發(fā)動機(jī)的實(shí)際壓縮比和熱效率要低于四沖程發(fā)動機(jī)，對潤滑油的消耗也更大，部件也更容易發(fā)生磨損。目前國內(nèi)的乘用車基本都是四沖程發(fā)動機(jī)。
按工作原理分類可以分為米勒循環(huán)、奧托循環(huán)、阿特金森循環(huán)等，也是常見的話術(shù)。這些循環(huán)又是怎么回事呢？
奧托循環(huán)Otto Cycle
奧托循環(huán)就是標(biāo)準(zhǔn)的四沖程循環(huán)，也是等容加熱循環(huán)。整個循環(huán)過程和上面講的四沖程循環(huán)發(fā)動機(jī)一樣，包括進(jìn)氣沖程活塞下行吸入空氣和燃料混合氣—壓縮沖程活塞上行壓縮混合氣—做功沖程火花塞點(diǎn)燃混合氣推動活塞向下運(yùn)動—排氣沖程活塞上行將廢氣排出氣缸。
卡諾循環(huán)Carnot Cycle
卡諾循環(huán)只存在兩個熱源（高溫?zé)嵩礈囟萒1、低溫?zé)嵩礈囟萒2），工作物質(zhì)只能與兩個熱源交換熱量，所以可逆的卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成，即等溫吸熱，絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮。換而言之，假設(shè)采用理想氣體為工作物質(zhì)，從始態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷四個過程，回到始態(tài)。因此，卡諾循環(huán)是理想化的奧托循環(huán)，只存在于理論之中。但這個理論為提高發(fā)動機(jī)的效率奠定了基礎(chǔ)，指出了提高熱機(jī)效率的方向（提高T1，降低T2，減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)）。
阿特金森循環(huán)Atkinson cycle
阿特金森循環(huán)是一種改良后的奧托循環(huán)，目的在于提高發(fā)動機(jī)的燃油效率。阿特金森循環(huán)基于奧托循環(huán)，主要區(qū)別在于使發(fā)動機(jī)的膨脹比＞壓縮比，進(jìn)而提升了發(fā)動機(jī)的燃油效率。結(jié)構(gòu)上，早期的阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)采用一套復(fù)雜的連桿結(jié)構(gòu)，使活塞的壓縮行程小于膨脹行程，通過更長的膨脹行程，進(jìn)一步利用燃燒后的廢氣能量，所以燃油效率也比奧托循環(huán)更高一些。
到了現(xiàn)代，復(fù)雜的連桿結(jié)構(gòu)已經(jīng)被可變氣門所取代，通過LIVC（late intake valve closed延遲關(guān)閉進(jìn)氣門），讓部分新鮮空氣回流至進(jìn)氣歧管，也實(shí)現(xiàn)了膨脹比＞壓縮比的目的。
米勒循環(huán)miller cycle
米勒循環(huán)同樣基于奧托循環(huán)，也是通過使發(fā)動機(jī)的膨脹比>壓縮比來提高發(fā)動機(jī)的效率。和奧托循環(huán)相比，區(qū)別在于壓縮沖程這一步，通過EIVC(early intake vavle closed進(jìn)氣門早關(guān))，降低了壓縮比，從而提高發(fā)動機(jī)的燃油效率。
阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)通過不同的方式，使發(fā)動機(jī)的膨脹比>壓縮比，從而達(dá)到提升效率的目的，并間接減少了爆震對發(fā)動機(jī)的影響，降低了發(fā)動機(jī)的排溫，還順手減小了發(fā)動機(jī)的NOX排放，一舉多得。此外，發(fā)動機(jī)的循環(huán)還有柴油循環(huán)（狄塞爾循環(huán)Diesel cycle）、布雷頓循環(huán)等等。
題外話，早期的一些阿特金森循環(huán)都不帶渦輪增壓器，原因之一就是阿特金森循環(huán)的進(jìn)氣時會回涌一部分空氣到進(jìn)氣歧管，這和渦輪增壓器產(chǎn)生了明顯的沖突。后來通過電控氣門技術(shù)，發(fā)動機(jī)可以隨意切換循環(huán)模式，因此也就不存在這個問題了。
阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)都是基于奧托循環(huán)而來，原理也都是通過膨脹比＞壓縮比實(shí)現(xiàn)，加之現(xiàn)代發(fā)動機(jī)有更靈活的氣門開閉技術(shù)，本質(zhì)上這兩類循環(huán)的發(fā)動機(jī)已經(jīng)沒有區(qū)別，根據(jù)工況需要，可以靈活地在不同循環(huán)方式上切換。（朋月）