奧托循環發動機
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-09
奧托循環發動機的實例教程
而傳統的汽油機常采用奧托（Otto）循環工作，由于其熱效率低、泵氣損失大、膨脹比小，具有怠速工況、部分負荷工況燃油消耗率高、后備功率大，不利于提高混合動力汽車的燃油經濟性。具體原因包括;
⑴泵氣損失：節氣門在部分開度時造成的節流，以及曲軸箱和進氣管的壓差對活塞下行造成的阻力都會導致能量損失。采用節氣門控制負荷的發動機即使在高速行駛時也存在泵氣損失，只有在全力加速或爬坡時節氣門全開才不存在額外的進氣管節流損失。
⑵膨脹比：發動機的熱效率與膨脹比密切相關，膨脹比為排氣門打開時的氣缸容積與混合氣被點燃時氣缸容積的比值。膨脹比越高，轉化為機械功的熱能越多。對于給定燃油辛烷值的汽油機來說，要避免爆燃就不能有較大的壓縮比，也就限制了膨脹比的提高，所以傳統奧托循環發動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
⑶過濃的混合氣：傳統的奧托循環發動機在需要增大動力輸出時基本采用加濃混合氣方式。而濃混合氣在缸內的燃燒并不充分，這不但增加了HC的排放同時也惡化了燃油經濟性。
2.混合動力車用阿特金森循環發動機
針對傳統奧托發動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環發動機在混合動力汽車發動機的設計和選擇過程中顯現出較好的優勢。阿特金森循環發動機是在奧托循環發動機四個循環行程的基礎上增加了一個回流行程，即進氣、進氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖6所示。
圖6 阿特金森循環行程與奧托循環行程對比示意圖
展開 對于給定燃油辛烷值的汽油機來說，要避免爆燃就不能有較大的壓縮比，也就限制了膨脹比的提高，所以傳統奧托循環發動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
(3)過濃的混合氣：傳統的奧托循環發動機在需要增大動力輸出時基本采用加濃混合氣方式。而濃混合氣在缸內的燃燒并不充分，這不但增加了HC的排放同時也惡化了燃油經濟性。
2．混合動力車用阿特金森循環發動機
針對傳統奧托發動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環發動機在混合動力汽車發動機的設計和選擇過程中顯現出較好的優勢。阿特金森循環發動機是在奧托循環發動機四個循環行程的基礎上增加了一個回流行程，即進氣、進氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖所示。
通過回流行程可以對發動機有效排量f進氣量)進行調節來控制缸內氣體質量，從而調節發動機負荷。
展開 阿特金森循環與傳統發動機的工作循環相比，其最大特點就是做功行程比壓縮行程長，也就是我們常說的膨脹比大于壓縮比。更長的做功行程可以更有效地利用燃燒后廢氣殘存的高壓，所以燃油效率比傳統發動機更高一些。只要明白了這一點，阿特金森循環就懂了七成。
1882年，James Atkinson發明了一款發動機，與當時的奧托循環發動機不同的是，這款發動機壓縮行程和做功行程時，活塞的位移是不一樣的。眾所周知發動機的工作過程分為進氣、壓縮、做功、排氣四個階段，傳統發動機四個階段活塞行程是相同的，而阿特金森循環是如何做到壓縮和做功階段行程不同的呢？
阿特金森發動機使用了較為復雜的連桿作為動力從活塞到曲軸的輸出，而活塞實際行程如下圖所示（阿特金森發動機活塞行程較長，動畫中未予表現）。
這種設計很巧妙，用不同的連桿機制協同工作，使得各個行程幅度不同，不僅有效的改良了進排氣情況，膨脹比大于壓縮比更是阿特金森發動機最大的特點。更長的膨脹行程可以更有效的利用燃燒后廢氣仍然存有的高壓，所以燃油效率也比奧托循環更高一些。
但如此復雜的結構實現起來并不容易，同時后期維護成本也很高。不過其節油特性又符合目前人們的需要，所以不少廠家用發動機氣門相位調節器來控制進氣門晚關，取代了復雜的連桿機構，使發動機在進氣行程結束后進氣門仍在一段時間內保持開啟，這樣就將吸入的混合氣又吐出去一部分，更簡單的實現了膨脹比大于壓縮比的效果，模擬出了阿特金森循環工況，達到節油的效果。下圖為模擬阿特金森循環示意圖。
不過阿特金森發動機也有兩個突出缺點：
一、低速狀態下，進氣被上行的活塞頂出，進氣量不夠，動力不足；
二、高轉速狀態下，相對較長的膨脹行程會影響轉速的攀升，加速也不給力。
展開 目前混合動力電驅動系中所用的發動機，大多采用傳統的奧托循環發動機。在上期推文增程式電動汽車中，我們提到阿特金森循環發動機的熱效率較高，燃油經濟性較好，越來越多混合動力車采用阿特金森循環發動機。高膨脹比阿特金森循環可以有效提高混合動力汽車發動機的燃油經濟性，并通過合理的匹配控制可以獲得最優的動力性、經濟性和排放性。
E-REV能量管理控制策略是整車控制的關鍵。國內外對增程式電動汽車控制策略的研究主要分為基于規則的控制策略、基于優化的控制策略和智能控制策略。其中，基于優化的控制策略，如瞬時優化控制策略，全局優化控制策略算法均需要大量的運算，對整車控制系統硬件要求較高，不利于實際應用。近年來，隨著智能控制(如模糊控制、神經網絡控制等)算法的發展，智能控制策略也被廣泛應用于增程式電動汽車的能量管理中，但由于其需要先驗知識和復雜的訓練過程而難以在實際車輛上應用。目前實車廣泛采用基于規則的控制策略。
1.阿特金森發動機工作特點
在阿特金森循環中，在活塞到達下一止點后上升一段時間，進氣門在這段時間仍然處于開啟狀態，有一部分混合氣體被推回到進氣歧管，降低了實際壓縮比。在膨脹行程末，當汽缸內的壓力降低至稍高于大氣壓時，再開啟排氣氣門，提高了膨脹沖程后端的能量利用，壓縮比小于膨脹比，如圖1，圖2為傳統發動機與阿特金森發動機配氣圖解。阿特金森發動機可產生較高的熱效率，燃油經濟性也較好。
阿特金森循環發動機在低速運行時，進氣門晚關閉會使氣缸內混合氣變少，導致其低速時扭矩較小。雖然長活塞行程能夠充分利用燃油的能量，提高經濟性，但行程較長也限制了發動機轉速的升高，不利于發動機高速運轉。阿特金森循環發動機通過控制氣門開閉時間實現對膨脹比和壓縮比的控制，降低了最高燃燒壓力和溫度，減少了NOx的排放和泵氣損失。
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阿特金森循環發動機是在奧托循環發動機四個循環行程的基礎上增加了一個回流行程，即進氣、進氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖6所示。
圖6 阿特金森循環行程與奧托循環行程對比示意圖
對于給定燃油辛烷值的汽油機來說，要避免爆燃就不能有較大的壓縮比，也就限制了膨脹比的提高，所以傳統奧托循環發動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
(3)過濃的混合氣：傳統的奧托循環發動機在需要增大動力輸出時基本采用加濃混合氣方式。
1882年，James Atkinson發明了一款發動機，與當時的奧托循環發動機不同的是，這款發動機壓縮行程和做功行程時，活塞的位移是不一樣的。眾所周知發動機的工作過程分為進氣、壓縮、做功、排氣四個階段，傳統發動機四個階段活塞行程是相同的，而阿特金森循環是如何做到壓縮和做功階段行程不同的呢？
目前混合動力電驅動系中所用的發動機，大多采用傳統的奧托循環發動機。在上期推文增程式電動汽車中，我們提到阿特金森循環發動機的熱效率較高，燃油經濟性較好，越來越多混合動力車采用阿特金森循環發動機。高膨脹比阿特金森循環可以有效提高混合動力汽車發動機的燃油經濟性，并通過合理的匹配控制可以獲得最優的動力性、經濟性和排放性。
E-REV能量管理控制策略是整車控制的關鍵。
