四衝程循環
| 四衝程循環 |
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四衝程循環。內燃機熱力循環的一種，為定容加熱的理想熱力循環。1862年法國一位工程師首先提出四衝程循環原理，1876年德國工程師尼古拉斯·奧托利用這個原理髮明了發動機，因這種發動機具有轉動平穩、噪聲小等優良性能，對工業影響很大，故把這種循環命名為奧托循環。
奧托循環的一個周期是由吸氣過程、壓縮過程、膨脹做功過程和排氣過程這四個衝程構成，首先活塞向下運動使燃料與空氣的混合體通過一個或者多個氣門進入氣缸，關閉進氣門，活塞向上運動壓縮混合氣體，然後在接近壓縮衝程頂點時由火花塞點燃混合氣體，燃燒空氣爆炸所產生的推力迫使活塞向下運動，完成做功衝程，最後將燃燒過的氣體通過排氣門排出氣缸。
目錄
簡史
雷諾爾發明的煤氣內燃機，與當時蒸汽機的原理完全不同，它從外部燃燒改為了內部燃燒，更加有效地利用了熱能。但由於這台內燃機必須連接在煤氣管中，而且功率過小，因此這台機器實用性為零。正因如此，才讓奧托有了着手研製四衝程內燃發動機的想法。
但研發過程並不順利，最主要的原因是如何增加燃料讓燃燒更加地充分，從而獲得更大的功率。在某次吃飯的時候，奧托突然想到了「壓縮」，因為經過壓縮，同樣體積的氣體，容量卻多出了好幾倍。這也就意味着，最後輸出的功率，也將增大好幾倍。
從圖紙到成功，耗費了奧托14年的時間，同時它的資產也逐漸的消耗殆盡。最終，他在1874年，研製成了具有「體積小」「重量輕」「功率大」這幾個特點的四衝程發動機。其中，這台四衝程發動機的工作原理被稱為「奧托循環」。
原理
奧托循環又稱四衝程循環，內燃機熱力循環的一種，為定容加熱的理想熱力循環。基於這種循環而製造的煤氣機和汽油機是最早的活塞式內燃機。1876年德國工程師尼古拉斯·奧托利用這個原理髮明了發動機，因這種發動機具有轉動平穩、噪聲小等優良性能，對工業影響很大，故把這種循環命名為奧托循環，採用奧托循環的發動機即為奧拓循環發動機。奧托循環主要分為進氣，壓縮，作功，以及排氣這四個行程。
進氣行程
在進氣行程中，進氣門開啟，排氣門關閉。活塞從上止點往下止點運動的過程中，活塞上部的容積逐漸增大，氣缸內部的壓力隨之減小。當氣缸內部的壓力逐漸低於大氣壓時，氣缸內部就產生了真空。此時，可燃混合氣就從進氣門中直接吸入了氣缸。從示功圖中也可以看出，當活塞下行時，曲線ra在大氣壓線以下。在進氣行程中，缸內壓力為0.075-0.09MPa，溫度在100-130℃。
壓縮行程
在整個壓縮行程中，進排氣門均關閉，活塞從下止點往上止點運動的過程中，活塞上部的容積逐漸減小，混合氣被壓縮，缸內壓力逐漸升高，最後達到了0.6-1.2MPa，溫度升高至300-400℃。示功圖中，曲線ac表示壓縮過程。
作功行程
在這個行程中，進排氣門仍然處於關閉狀態，當活塞將要接近上止點時，火花塞放出電火花，從而點燃氣缸內的壓縮混合氣。被點燃的混合氣，釋放出了大量的能量以及熱能，使得缸內的壓力以及溫度迅速增加。
從示功圖中可以看出，活塞離開上止點的初段，壓力從c點增加到z點，此時的壓力大約為3-5MPa，溫度為1900-2500℃。活塞從上止點向下止點運動的過程中，隨着缸內容積增加，氣體和溫度也隨之下降，最終到達了作功終了b點，此時缸內的壓力為0.3-0.5MPa，溫度為1000-1300℃。
排氣行程
進氣門關閉，排氣門開啟。當活塞由下止點往上止點運動時，氣缸內的廢氣強制被活塞排到了氣缸之外。當活塞接近上止點時，排氣門關閉。此時，大氣壓力約為0.105-0.115MPa（略高於標準大氣壓），溫度為600-900℃。這一過程，在示功圖中由曲線br表示。
應用
奧托循環是理想化的循環，因為在理論分析和計算時，認為循環由絕熱、等容、等壓等過程組成，並且系統的組成、性質和質量都保持不變，而實際上因為發生了燃燒和爆炸，系統的組成和性質必然發生變化，因此實際汽油發動機的效率要比奧托理想循環的效率低很多，只有一半或更小約25%左右。
現代的汽車、卡車等使用的內燃機中大多都是採用奧托循環的。
奧托循環的熱效率為 η
式中W為輸出的淨功；Q1為輸入的熱量。這個公式說明，η僅與壓縮比和比熱容比γ（取決於工質的性質）有關。ε越高，ηt也越高,但實際上ε受可燃氣體混合物爆震特性的限制，而且隨着ε的提高，它對η的影響越來越小，所以ε值不能取得過高，一般在6～10之間。此外，γ越大，η也越高。
其他著名循環發動機
奧托循環發動機（ Otto cycle）
我們現在汽車用的發動機普遍都是奧托循環，也就是四衝程循環發動機。所謂的四衝程發動機就是進氣衝程、壓縮衝程、做功衝程和排氣衝程。這種發動機的工作方式是1876年德國工程師尼古拉斯·奧托利用了這個原理，因這種發動機具有轉動平穩、噪聲小等優良性能，對工業影響很大，故把這種循環命名為奧托循環，採用奧托循環的發動機即為奧拓循環發動機。
通過上面這段視頻我想你應該了解奧托循環發動機的工作過程。
這張圖就是發動機的一些原件名稱，對於各個位置你可以先有一個了解，注意紅色漢字標註的位置，TDC的這個位置就是上止點就是活塞能在氣缸內部運動的最高位置，BDC的這條虛線就下止點是活塞能在氣缸內部運動的最低位置。
發動機內部的活塞就是在上止點和下止點之間做反覆的循環運動。 四衝程的發動機分為四個衝程：進氣衝程、壓縮衝程、做功衝程和排氣衝程。每一個衝程曲軸旋轉180度，四個衝程就是720度，也就是發動機完成一個工作循環，曲軸就要旋轉2圈。
1、進氣衝程（Intake Stroke）
進氣衝程活塞從上止點運動到下止點，曲軸旋轉180度。這個時候進氣門打開，排氣門關閉，可燃混合氣被吸入汽缸內部。
對於奧托循環，進氣門開啟和關閉的時間就需要注意，進氣門一般在上止點的時候打開，一直到下止點的位置才關閉，這裡就不考慮氣門重疊角的問題。
2、壓縮衝程（Compression Stroke）
壓縮衝程活塞從下止點運動到上止點，曲軸旋轉180度。這個時候進氣門和排氣門都關閉，氣缸內的氣體被活塞壓縮。
氣體是可以被壓縮的，但如果此刻氣缸內部是水（液體），那就會導致液體給活塞、連杆一個向下的力，最終會導致連杆變形或者折斷，這就是為何水泡車有一部分發動機需要大修。
3、做功衝程（Power Stroke）
做功衝程活塞從上止點運動到下止點，曲軸旋轉180度。這個過程中進氣門、排氣門均關閉，火花塞點火。在發動機的四個衝程里，只有做功衝程是產生能量的過程，其餘都是消耗能量的過程。
4、排氣衝程（Exhaust Stroke）
排氣衝程活塞從下止點運動到上止點，曲軸旋轉180度。這個時候排氣門開啟、進氣門關閉，燃燒後的廢氣通過廢氣管路排出。
這個就是奧托循環發動機的工作過程，只有知道了普通發動機是如何工作的，那對於米勒循環和阿特金森循環才能知道有何不同。
米勒循環發動機（ miller cycle）
米勒循環由美國工程師 R.H.米勒於 1947 年第一次提出並申請了專利，所以以這種形式運行的發動機就是米勒發動機。
米勒發動機和奧托發動機很相似，只是通過改變進氣門關閉角度控制發動機負荷，從而減少了部分負荷下發動機的泵氣損失。解決了採用節氣門負荷控制的奧拓循環時，發動機泵氣損失大、經濟性差等一系列問題。發動機的膨脹比大於壓縮比，在膨脹行程中可最大限度的將熱能轉化為機械能，達到改善發動機熱效率，降低燃油消耗的目的。
說的簡單一點就是奧托循環發動機：壓縮比和膨脹比相等（壓縮和膨脹的過程都是從上止點到下止點），但是米勒循環發動機就是壓縮行程小於膨脹行程（通過改變進氣門關閉時刻來改變），這樣做的壞處就是犧牲了動力性，好處就是降低油耗。
既然提到這個米勒循環，那咱就得提提奧迪/大眾的EA888發動機，這款發動機可謂是大眾旗下的明星產品。
大眾EA888發動機目前已經發展到三代半，從三代半產品開始才引入了米勒循環技術。 我們經常看到的標識EA888 GEN3代表三代EA888發動機、EA888 GEN3B代表三代半的EA888。
EA888 GEN3B發動機是2016年上市，我們來看看大眾是如何實現米勒循環的？
大眾實現米勒循環的方法很簡單就是通過進氣門早關的方法。
左圖是三代EA888發動機採用的是奧托循環，右圖是三代半EA888發動機採用的是米勒循環。現在活塞都處在上止點的位置，進氣衝程即將開始。此刻混合氣的溫度849K，壓力0.66bar和0.85bar，進氣壓力不同這是由於進氣管路不同導致的。
在進氣衝程，曲軸轉角轉過66度左右，Gen.3B發動機的進氣門開始關閉，明顯提前於 Gen.3發動機。
在進氣衝程曲軸轉角轉過110度的時候， Gen.3的進氣門才即將要關閉， Gen.3B的進氣門關閉時刻要比Gen.3早將近50度左右。
當曲軸轉角轉過130度左右的時候 Gen.3B的進氣門已經完全關閉了，這個時候進氣衝程還沒有結束，這個時候 Gen.3B活塞依然向下止點運動，但是到了壓縮衝程的時候，它實際有一段距離是沒有壓縮空氣，直到70a.BDC下止點後70度的時候才開始真正壓縮，實際的壓縮衝程距離要比奧托循環的壓縮距離少一段，所以壓縮衝程小於做功衝程。
在這個米勒循環的過程中，我們明顯看到進氣衝程會導致進氣不足的情況，這也就犧牲掉了一部分動力來換取節油的部分。所以在奧迪或者大眾的車型里，2.0T低功率的發動機採用的是米勒循環，主要目的就是節油，而在2.0T高功率的車型里採用的是奧托循環的三代EA888發動機。
這裡有朋友會問，那 2.0T低功率的發動機能否通過刷程序改為2.0T高功率的發動機呢？
答案是不能，因為三代EA888和三代半EA888的發動機結構不同，單靠一階刷程序的方法肯定是不行的，三代和三代半的缸蓋結構、活塞尺寸、噴油器、AVS系統都不同。
阿特金森循環發動機（ Atkinson cycle）
阿特金森循環是一種由英國工程師詹姆士·阿特金森（James Atkinson）於1882年發明的內燃機形式。阿特金森循環發動機提高了效率，但降低了功率密度，其缺點是在低低速時效率低、扭力較差。
真正的阿特金森循環結構比較複雜如上圖所示，它是真正的讓壓縮行程和膨脹行程的距離不同，而並不是通過改變氣門提前或推遲關閉的方法來變相實現的。
我們今天主要來說的就是豐田的阿特金森循環，這是一種變相實現阿特金森循環的方法。
看過視頻以後你應該了解豐田的阿特金森循環就是通過進氣門晚關的方法來實現的。它跟大眾的不同，大眾是通過進氣門早關來實現米勒循環。
這個圖看起來應該更加方便一些，左邊是奧托循環發動機，右側是阿特金森循環發動機。
在壓縮衝程的時候，奧托循環發動機的進排氣門均關閉，這個時候阿特金森循環發動機則不同，進氣門在活塞越過下止點的時候依然打開，直到行駛到上圖中的紫線位置才完全關閉，這就導致橘色線到紫色線的過程中是空行程，沒有起到實際壓縮的過程，此刻進氣門是打開的。這就造成了壓縮衝程明顯小於膨脹衝程，變相實現了阿特金森循環。[1]