阿特金森循环发动机

阿特金森设计了三种均具有短压缩冲程和长膨胀冲程的发动机。第一种是使用对置活塞的差动式发动机。第二种是最著名的循环发动机，它使用偏心臂在一次曲轴旋转中产生四个活塞冲程。往复式发动机曲轴每转一圈，发动机可完成四冲程循环的进气、压缩、燃烧和排气行程，其设计是为了避免侵犯奥托循环发动机的某些专利。第三种是通用发动机，和二冲程发动机非常相似。

阿特金森所设计的发动机有一个共同点，即发动机的膨胀冲程比压缩冲程长，通过这种方法，发动机可获得比传统的活塞式发动机更高的热效率。阿特金森的发动机由英国燃气发动机公司和其他获得许可的海外制造商进行生产。

现在许多现代发动机使用非常规气门正时来达到较短压缩冲程/较长做功冲程的效果。米勒将这一技术应用于四冲程发动机，因此阿特金森循环有时也被称为阿特金森/米勒循环。^[1] 1888年，夏隆（ Charon ）申请了法国专利，并在1889年的巴黎展览会上展示了一台发动机。沙隆燃气发动机(四冲程)使用了类似米勒的循环，但没有增压器，这种循环称为"夏隆循环"。^[2]

现代发动机设计者正在意识到阿特金森型循环可以有效提升燃油效率。^[3]

阿特金森循环在1882年第一次被用在一个对置式活塞发动机中，称为阿特金森差动式发动机。^[4] 差动式发动机的单个曲轴通过非线性的肘节连杆连接到两个相对的活塞上；在前半转中，一个活塞几乎静止不动，而另一个活塞靠近并返回，然后在下半转中，第二个活塞几乎静止不动，而第一个活塞靠近并返回。

因此，在每次旋转中，一个活塞实现压缩冲程和燃烧冲程，然后另一个活塞实现排气冲程和进气冲程。由于动力活塞在排气和进气过程中保持缩回状态，所以在压缩冲程和动力冲程期间，利用端口后面的阀来实现排气和进气是可行的，而且这些阀不需要抵抗高压，这些阀可以是在许多蒸汽发动机中所使用的那些结构简单的阀，甚至是簧片阀。

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  阿特金森差动式发动机结构图

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  阿特金森差动式发动机工作原理

循环发动机(Cycle Engine)是阿特金森在1887年设计的，这种发动机在曲轴每转一圈时，可以通过提升阀、凸轮和偏心臂实现四个活塞冲程且进气和压缩冲程明显短于膨胀和排气冲程。

“循环”发动机由英国发动机公司生产和销售了几年，阿特金森也许可其他制造商生产。这些发动机的输出功率从几马力到100马力不等。

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  美国专利367496所示的阿特金森燃气发动机

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  阿特金森循环发动机工作原理

阿特金森设计的第三种发动机被命名为“通用发动机”。^[5] 阿特金森“循环”发动机虽然很高效，但在高速运行时其连接很难平衡。阿特金森意识到需要改进发动机结构，以使他的循环能更好的适用于高速发动机。

通过改进，阿特金森不采用连杆机构，制造出了一种更传统、平衡性更好的发动机，这种发动机不仅保留了循环发动机的高效率，还能够以高达600转/分的速度运转，并且能够在每转中产生动力。该发动机除了排气口在冲程的中间外，其他方面与标准的二冲程发动机一般无二。

在膨胀/做功冲程期间，凸轮控制阀(在活塞接近冲程末端之前保持关闭)用于防止压力随着活塞移动而通过排气口逸出。排气阀在冲程底部附近打开；当活塞朝压缩方向返回时，它保持打开状态，让新鲜空气充入气缸并排出废气，直到端口被活塞覆盖。

排气口被盖住后，活塞开始压缩气缸中的剩余空气。小型活塞式燃油泵在压缩过程中喷射液体。点火源可能是一个热管，和阿特金森设计的其他发动机一样。这种设计造就了压缩冲程短、膨胀冲程长的二冲程发动机。

经测试，通用发动机的效率比差动式发动机和循环发动机的效率更高。但这种发动机的生产量很少，也没有得到应用。英国有一份关于通用发动机的专利，是1892年申请的 #2492号专利。美国没有与通用发动机相关的专利。

图1: 阿特金森燃气循环

理想的阿特金森循环包括:

• 1–2等熵或可逆绝热压缩
• 2–3等容加热(Qp)
• 3–4等压加热(Qp’)
• 4–5等熵膨胀
• 5–6等容冷却(Qo)
• 6–1等压冷却(Qo’)

在20世纪末，“阿特金森循环”一词开始被用来描述一种改进的奥托循环发动机——在这种发动机中，进气门保持打开的时间比正常情况下长，允许进气反向流入进气歧管。这种“模拟”阿特金森循环最典型的应用是早期普锐斯的丰田1NZ-FXE发动机。

有效压缩比降低——空气从气缸逸出而不是被压缩——但是膨胀比率不变(即压缩比小于膨胀率)。现代阿特金森循环的目标是使做功冲程结束时燃烧室中的压力等于大气压力。当这种情况发生时，所有可用的能量都是从燃烧过程中获得的。给定任意份额的空气，较大的膨胀比可以将更多的能量从热量转化为有用的机械能——这意味着发动机效率更高。

与常见的奥托循环发动机相比，四冲程阿特金森循环发动机的缺点是功率密度更低。由于压缩冲程中用于压缩进气的部分较小，阿特金森循环发动机吸入的空气不如相同型号的奥托循环发动机多。使用相同类型的进气门运动，但使用强制进气来补偿功率密度损失的这种类型的四冲程发动机，称为米勒循环发动机。

阿特金森循环可用于旋转发动机。在这种配置下，与奥托循环相比，功率和效率均可提高。这种发动机在运行过程中保留了动力相位，以及原始阿特金森循环的压缩和膨胀容积。

废气通过扫气系统从发动机中排出。阿特金森循环的这种改进允许使用替代燃料，如柴油和氢气。

这种设计的缺点是要求转子顶端非常紧密地密封在外壳壁上，而且不规则形状的快速振荡部件之间的摩擦会产生机械损失。

与传统的四冲程发动机相比，虽然改进型奥托循环活塞发动机提供了良好的燃油效率，但却是降低了发动机的功率密度。^[6] 如果对大功率的需求是间歇性的，那么在需要大功率的时候，发动机的功率可以由电动机来补充，这构成了阿特金森循环混合动力传动系统的基础。这些电动机可以单独使用，也可以与阿特金森循环发动机结合使用，以提供最有效的手段来产生足够的功率。1997年底，第一代丰田普锐斯首次运用这种传动系统。

截至2018年7月许多混合动力汽车传动系采用了阿特金森循环理论，例如:

• 雪佛兰伏特
• 克莱斯勒Pacifica(前轮驱动)插电式混合动力小型货车
• 福特C-麦克斯(前轮驱动/美国市场)混合动力和插入式混合动力车型
• 福特Escape/水星水手/马自达贡品电动(前轮和四轮驱动)，压缩比为12.4:1
• 福特融合混合动力汽车/水星米兰混合动力汽车/林肯MKZ混合动力汽车(前轮驱动)，压缩比为12.3:1
• 本田雅阁插电式混合动力车^[7]
• 本田雅阁混合动力车(前轮驱动)
• 本田清晰插件混合动力车^[8]
• 本田洞察(前轮驱动)^[9]
• 本田飞度(前轮驱动)一些第三代发动机在阿特金森和奥托循环之间切换。
• 现代索纳塔混合动力车(前轮驱动)
• 现代伊兰特阿特金森循环车型
• 现代宏伟混合动力车(前轮驱动)
• 现代爱奥尼亚混合动力汽车，插入式混合动力汽车(前轮驱动)
• 英菲尼迪M35h混合动力车(后轮驱动)
• 起亚Forte 147 hp 2.0汽油专用(前轮驱动)
• 起亚Niro混合动力车(前轮驱动)
• 起亚Optima混合动力起亚K5混合动力500h(前轮驱动)，压缩比为13:1
• 起亚华彩混合动力车起亚K7混合动力车700h(前轮驱动)
• 起亚碲化物3.8升II V6 GDi
• 雷克萨斯CT 200h(前轮驱动)
• 雷克萨斯ES 300h(前轮驱动)
• 雷克萨斯GS 450h混合动力电动(后轮驱动)，压缩比为13:1
• 雷克萨斯遥控F(后轮驱动)
• 雷克萨斯GS F(后轮驱动)
• 雷克萨斯HS 250h(前轮驱动)
• 雷克萨斯IS 200t (2016)^[10]
• 雷克萨斯NX混合动力电动(四轮驱动)
• 雷克萨斯RX 450h混合动力电动(四轮驱动)
• 雷克萨斯液晶(后轮驱动)
• 马自达Mazda6 (2013年为2014车型年)
• 奔驰ML450混合动力(四轮驱动)电动
• 奔驰S400蓝色混合动力(后轮驱动)电动
• 三菱欧蓝德PHEV (2018年为2019年款，插入式混合动力四轮驱动)^[11]
• 压缩比为12.5:1的丰田凯美瑞混合动力汽车(前轮驱动)
• 丰田阿瓦隆混合动力车(前轮驱动)
• 丰田汉兰达混合动力车(2011年及更新)^[12]
• 丰田普锐斯混合动力汽车(前轮驱动)，压缩比(纯几何)为13.0:1
• 压缩比为13.4:1的丰田雅力士混合动力车(前轮驱动)
• 丰田欧瑞斯混合动力车(前轮驱动)
• 丰田Tacoma V6(2016年款从2015年开始)
• 丰田RAV4混合动力车(2016年款从2015年开始)
• 丰田锡耶纳(2016年为2017车型年)
• 丰田人力资源混合动力车(2016年至今)
• 斯巴鲁越野混合动力车(2018年为2019年款，全轮驱动)

1887授权的美国367496号专利描述了在曲轴旋转一周内获得燃气发动机四冲程循环的所有四冲程所必需的机械连接。^[13] 1886年授权的阿特金森专利(美国336505号专利)描述了一种对置活塞燃气发动机。^[13] 英国在1892授权了一份关于通用发动机的#2492号专利。