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技术:普锐斯阿特金森循环发动机
作者: 壹家言 来源: 汽车知识 日期: 2012年4月刊

全新一代普锐斯于今日正式上市。由于比海外上市的时间晚很多,大家对这款车的很多设计和技术都已不再陌生。从我们了解的情况看,不少车友对普锐斯的发动机功率一直存在着疑惑——老款普锐斯1.5L的排量,功率只有区区57千瓦,比很多新一代1.2L的发动机都不如;新普锐斯亦是如此,发动机排量达到了1.8L,功率却只有73千瓦,仅相当于本田1.3L发动机的水平。另外,关于普锐斯发动机的技术,一直有采用了的阿特金森循环的说法。那么,阿特金森循环到底是不是一种先进技术?如果是,为何普锐斯的发动机如此之低,而且未见其他车型采用此类技术呢?如果不是,那作为丰田发动机技术的先驱,普锐斯为何要采用这种技术呢?以上这些问题,将使本次咱们讨论的话题。
 
阿特金森循环已有百年历史,算不上什么先进技术
在说普锐斯之前,我们首先还是来简单说一下阿特金森循环技术。与奥托循环一样,阿特金森循环也是因为其发明人James Atkinson的名字而得名的。阿特金森循环的诞生时间为1882年,比奥托循环晚6年,基本上属于同时代的产物,并且距今已有一百多年的历史。因为仅阿特金森循环本身来说,显然不能算作什么先进技术。
 
关于一百多年来的阿特金森循环发动机具体结构,我们在这里就不探讨、也没有必要探讨了。因为这种设计古怪、体形庞大的发动机几乎没有什么实用价值,因此一直未在当时乃至后来的汽车上运用。那么直到现在,为什么还有人重提阿特金森循环?丰田又是用什么方法解决了阿特金森循环发动机当年古怪的设计,而能够运用在当前的普锐斯等车型上的呢?
 
阿特金森循环的原理对于提升燃油效率有借鉴意义
虽然一百年前的阿特金森循环发动机因为古怪设计而无法获得普及,但它的设计初衷却非常值得借鉴。阿特金森先生通过了一组非常复杂的连杆机构,来实现发动机压缩比与膨胀比的不同,最终达到了比奥托循环发动机更高的燃烧效率。还是那句话,这款发动机到底如何让实现这下咱们不去管它,关键是要搞清楚为何他压缩比与膨胀比不同,可以改变发动机的燃烧效率。膨胀比是指在点火做功行程中,活塞运行到下止点对应的气缸容积,与活塞在上止点未向下运行时对应气缸容积之比。了解四冲程发动机的人应该很清楚,常规的奥托循环发动机,压缩比与膨胀比是一样的。
 
根据奥托循环的工作原理,发动机吸入一定容积的混合气以后进入压缩冲程,之后点火做功。注意,油气混合气在点火燃烧以后膨胀,最终产生推力让活塞向下运行,这是发动机产生动力的根源。显而易见,(同等压强下)点火燃烧后的混合气容积远大于点火做功前混合气的容积是肯定的(否则做工能量会与压缩能量抵消,发动机也就无动力可言)。换句话说,奥托循环发动机在活塞运行到下止点时气缸内仍存在高压,这个高压仍然能够推动活塞往下走。在常规的奥托循环发动机中,这种剩余的能量无法被利用,因为活塞此刻已经运行到下止点,缸内高压随着排气门的打开而被排除气缸外,从而形成一种能量的浪费。如果在排气冲程开启前,发动机的活塞能够再往下运行一些,无疑可以大大提升发动机的燃烧效率,最终实现油耗的降低。阿特金森循环发动机的根本原理就在这里,其活塞下止点与上止点之间的距离,进气冲程要小于做功冲程。如此再想象一下压缩比与膨胀比就可以发现,这个结果实际上就是让压缩比小于膨胀比,最终实现燃烧效率的提升。
 
普锐斯的发动机当然不会采用一百年前阿特金森循环发动机结构,因为那样一来发动机的体积就大得恐怖。普锐斯的发动机只是吸收了阿特金森循环的工作原理,通过气门开闭来实现压缩比与膨胀比的不同,但基本结构仍旧与普通的奥托循环发动机类似。具体的做法是,在吸气冲程结束并进入压缩冲程以后,进气门会延迟关闭,此时已经吸入的混合气会有一部分重新回到进气歧管中之后进气门才会关闭,此时发动机的压缩比应该从进气门关闭的那一刻开始计算。而点火做功之后,活塞自然会运行到下止点,膨胀比也就自然要大于压缩比了。这看似简单的一个气门调整,其达到的效果,与早年间结构古怪的阿特金森循环发动机是一样的。当然,这种设计并非丰田首创,20世纪40年代,米勒就推出了此类设计的发动机,并称作为米勒循环发动机。因此说普锐斯采用了米勒循环的发动机更为准确一些。只不过米勒循环原理上与阿特金森循环互通,因而说普锐斯发动机采用了阿特金森循环也不为错。
 
阿特金森循环功率小的根源在于工作排量小了
发动机排量的定义,在于每个气缸内活塞从上止点运行到下止点扫过的气缸容积之和。这个在奥托循环看来非常常识性并且毫无争议的定义,到了阿特金森这里就要从不同的角度来看了。按照这个定义,在发动机完成一个完整循环的情况下,阿特金森循环发动机的排量计算,应该是每个气缸从吸气冲程开始,到做功结束以后活塞扫过的气缸容积之和。对于奥托循环发动机而言,这个容积与吸入的混合气的容积是一致的,但阿特金森循环发动机则不是。因为阿特金森循环发动机吸气冲程活塞的“下止点”,应该是从进气门关闭的那一刻开始算起,其扫过的气缸容积,摇臂做功冲程活塞到下止点扫过的容积小。换句话说,一款标称为1.8L排量的阿特金森循环发动机,其吸气冲程吸入的混合气容积可能只有1.5L甚至更少。也就是说,一台1.8L的阿特金森循环发动机,其每完成一个工作循环所吸入的混合气,可能仅与一台1.5L(或更小)奥托循环发动机相当。从普锐斯的发动机工作原理可以看得更为直观。在吸气冲程结束之后,进气门不关闭,部分混合气被推回进气歧管内,真正参与工作的混合气自然也就不能与1.8L的奥托循环发动机相提并论了。由于实际意义上的工作排量变小,功率小于同排量的奥托循环发动机也就变得十分正常。
 
在之前本刊《动力技术的核心》一文中曾多次提到,多年来工程师设计发动机的核心追求是为了提升效率。阿特金森循环发动机能够有效提升效率,为何却未能的得到广泛应用呢?这里面优惠回到那篇文章中所说的效率提升与实际应用、成本之间的平衡关系。从前面的技术解读可以看出,一台1.8L的阿特金森发动机其实际的工作排量可能仅与一台1.5L左右的奥托循环发动机相当,但它的整个发动机的设计、体积等各方面都是按照1.8L发动机来的。也就是说这款发动机在成本不低于一台1.8L奥托循环发动机的情况下,动力却只能与一台1.5L的奥托循环发动机相当。在过去发动机升功率提升属于技术性难题的情况下,这样的发动机技术显然不会得到任何厂家的认可。即便到现在,厂家之间的升功率竞争仍在延续,这种大排量小功率的发动机技术自然也难成为主流。另外,由于一台明明有1.8L排量的发动机,却让它只吸入1.5L排量的混合气参与工作,其低速下的扭矩可想而知。因此一款车如果只安装一条阿特金森循环发动机的话,其日常驾驶的动力性都难以得到保证,广泛应用也就无从谈起了。而这种发动机技术与混合动力技术却可谓相得益彰,形成一种互补,最终被运用在了普锐斯上。混合动力车型的核心追求就是省油、低排放,失去了这些,它的顶上光辉就会失去,也就无所谓市场。阿特金森循环在耗能方面的优势,非常契合混合动力车型的这一追求。而阿特金森循环发动机的弱点,尤其是其低速动力差的弱点,又可以通过混合动力技术中电动机低速扭矩大的优点来弥补,最终实现保证性能情况下的油耗降低。
 
由此可见,普锐斯1.5L或1.8L发动机的功率小,主要是因为采用了常规发动机上少见的阿特金森循环,使其排气量减少。阿特金森循环的核心追求是为了提升效率,降低油耗,而并不是为了增强功率。

(转载请注明来源: 汽车制动网/chebrake.com 责任编辑:jack)

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