四冲程循环
| 四冲程循环 |
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四冲程循环。内燃机热力循环的一种，为定容加热的理想热力循环。1862年法国一位工程师首先提出四冲程循环原理，1876年德国工程师尼古拉斯·奥托利用这个原理发明了发动机，因这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，故把这种循环命名为奥托循环。
奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成，首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门进入气缸，关闭进气门，活塞向上运动压缩混合气体，然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动，完成做功冲程，最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。
目录
简史
雷诺尔发明的煤气内燃机，与当时蒸汽机的原理完全不同，它从外部燃烧改为了内部燃烧，更加有效地利用了热能。但由于这台内燃机必须连接在煤气管中，而且功率过小，因此这台机器实用性为零。正因如此，才让奥托有了着手研制四冲程内燃发动机的想法。
但研发过程并不顺利，最主要的原因是如何增加燃料让燃烧更加地充分，从而获得更大的功率。在某次吃饭的时候，奥托突然想到了“压缩”，因为经过压缩，同样体积的气体，容量却多出了好几倍。这也就意味着，最后输出的功率，也将增大好几倍。
从图纸到成功，耗费了奥托14年的时间，同时它的资产也逐渐的消耗殆尽。最终，他在1874年，研制成了具有“体积小”“重量轻”“功率大”这几个特点的四冲程发动机。其中，这台四冲程发动机的工作原理被称为“奥托循环”。
原理
奥托循环又称四冲程循环，内燃机热力循环的一种，为定容加热的理想热力循环。基于这种循环而制造的煤气机和汽油机是最早的活塞式内燃机。1876年德国工程师尼古拉斯·奥托利用这个原理发明了发动机，因这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，故把这种循环命名为奥托循环，采用奥托循环的发动机即为奥拓循环发动机。奥托循环主要分为进气，压缩，作功，以及排气这四个行程。
进气行程
在进气行程中，进气门开启，排气门关闭。活塞从上止点往下止点运动的过程中，活塞上部的容积逐渐增大，气缸内部的压力随之减小。当气缸内部的压力逐渐低于大气压时，气缸内部就产生了真空。此时，可燃混合气就从进气门中直接吸入了气缸。从示功图中也可以看出，当活塞下行时，曲线ra在大气压线以下。在进气行程中，缸内压力为0.075-0.09MPa，温度在100-130℃。
压缩行程
在整个压缩行程中，进排气门均关闭，活塞从下止点往上止点运动的过程中，活塞上部的容积逐渐减小，混合气被压缩，缸内压力逐渐升高，最后达到了0.6-1.2MPa，温度升高至300-400℃。示功图中，曲线ac表示压缩过程。
作功行程
在这个行程中，进排气门仍然处于关闭状态，当活塞将要接近上止点时，火花塞放出电火花，从而点燃气缸内的压缩混合气。被点燃的混合气，释放出了大量的能量以及热能，使得缸内的压力以及温度迅速增加。
从示功图中可以看出，活塞离开上止点的初段，压力从c点增加到z点，此时的压力大约为3-5MPa，温度为1900-2500℃。活塞从上止点向下止点运动的过程中，随着缸内容积增加，气体和温度也随之下降，最终到达了作功终了b点，此时缸内的压力为0.3-0.5MPa，温度为1000-1300℃。
排气行程
进气门关闭，排气门开启。当活塞由下止点往上止点运动时，气缸内的废气强制被活塞排到了气缸之外。当活塞接近上止点时，排气门关闭。此时，大气压力约为0.105-0.115MPa（略高于标准大气压），温度为600-900℃。这一过程，在示功图中由曲线br表示。
应用
奥托循环是理想化的循环，因为在理论分析和计算时，认为循环由绝热、等容、等压等过程组成，并且系统的组成、性质和质量都保持不变，而实际上因为发生了燃烧和爆炸，系统的组成和性质必然发生变化，因此实际汽油发动机的效率要比奥托理想循环的效率低很多，只有一半或更小约25%左右。
现代的汽车、卡车等使用的内燃机中大多都是采用奥托循环的。
奥托循环的热效率为 η
式中W为输出的净功；Q1为输入的热量。这个公式说明，η仅与压缩比和比热容比γ（取决于工质的性质）有关。ε越高，ηt也越高,但实际上ε受可燃气体混合物爆震特性的限制，而且随着ε的提高，它对η的影响越来越小，所以ε值不能取得过高，一般在6～10之间。此外，γ越大，η也越高。
其他著名循环发动机
奥托循环发动机（ Otto cycle）
我们现在汽车用的发动机普遍都是奥托循环，也就是四冲程循环发动机。所谓的四冲程发动机就是进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。这种发动机的工作方式是1876年德国工程师尼古拉斯·奥托利用了这个原理，因这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，故把这种循环命名为奥托循环，采用奥托循环的发动机即为奥拓循环发动机。
通过上面这段视频我想你应该了解奥托循环发动机的工作过程。
这张图就是发动机的一些原件名称，对于各个位置你可以先有一个了解，注意红色汉字标注的位置，TDC的这个位置就是上止点就是活塞能在气缸内部运动的最高位置，BDC的这条虚线就下止点是活塞能在气缸内部运动的最低位置。
发动机内部的活塞就是在上止点和下止点之间做反复的循环运动。 四冲程的发动机分为四个冲程：进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。每一个冲程曲轴旋转180度，四个冲程就是720度，也就是发动机完成一个工作循环，曲轴就要旋转2圈。
1、进气冲程（Intake Stroke）
进气冲程活塞从上止点运动到下止点，曲轴旋转180度。这个时候进气门打开，排气门关闭，可燃混合气被吸入汽缸内部。
对于奥托循环，进气门开启和关闭的时间就需要注意，进气门一般在上止点的时候打开，一直到下止点的位置才关闭，这里就不考虑气门重叠角的问题。
2、压缩冲程（Compression Stroke）
压缩冲程活塞从下止点运动到上止点，曲轴旋转180度。这个时候进气门和排气门都关闭，气缸内的气体被活塞压缩。
气体是可以被压缩的，但如果此刻气缸内部是水（液体），那就会导致液体给活塞、连杆一个向下的力，最终会导致连杆变形或者折断，这就是为何水泡车有一部分发动机需要大修。
3、做功冲程（Power Stroke）
做功冲程活塞从上止点运动到下止点，曲轴旋转180度。这个过程中进气门、排气门均关闭，火花塞点火。在发动机的四个冲程里，只有做功冲程是产生能量的过程，其余都是消耗能量的过程。
4、排气冲程（Exhaust Stroke）
排气冲程活塞从下止点运动到上止点，曲轴旋转180度。这个时候排气门开启、进气门关闭，燃烧后的废气通过废气管路排出。
这个就是奥托循环发动机的工作过程，只有知道了普通发动机是如何工作的，那对于米勒循环和阿特金森循环才能知道有何不同。
米勒循环发动机（ miller cycle）
米勒循环由美国工程师 R.H.米勒于 1947 年第一次提出并申请了专利，所以以这种形式运行的发动机就是米勒发动机。
米勒发动机和奥托发动机很相似，只是通过改变进气门关闭角度控制发动机负荷，从而减少了部分负荷下发动机的泵气损失。解决了采用节气门负荷控制的奥拓循环时，发动机泵气损失大、经济性差等一系列问题。发动机的膨胀比大于压缩比，在膨胀行程中可最大限度的将热能转化为机械能，达到改善发动机热效率，降低燃油消耗的目的。
说的简单一点就是奥托循环发动机：压缩比和膨胀比相等（压缩和膨胀的过程都是从上止点到下止点），但是米勒循环发动机就是压缩行程小于膨胀行程（通过改变进气门关闭时刻来改变），这样做的坏处就是牺牲了动力性，好处就是降低油耗。
既然提到这个米勒循环，那咱就得提提奥迪/大众的EA888发动机，这款发动机可谓是大众旗下的明星产品。
大众EA888发动机目前已经发展到三代半，从三代半产品开始才引入了米勒循环技术。 我们经常看到的标识EA888 GEN3代表三代EA888发动机、EA888 GEN3B代表三代半的EA888。
EA888 GEN3B发动机是2016年上市，我们来看看大众是如何实现米勒循环的？
大众实现米勒循环的方法很简单就是通过进气门早关的方法。
左图是三代EA888发动机采用的是奥托循环，右图是三代半EA888发动机采用的是米勒循环。现在活塞都处在上止点的位置，进气冲程即将开始。此刻混合气的温度849K，压力0.66bar和0.85bar，进气压力不同这是由于进气管路不同导致的。
在进气冲程，曲轴转角转过66度左右，Gen.3B发动机的进气门开始关闭，明显提前于 Gen.3发动机。
在进气冲程曲轴转角转过110度的时候， Gen.3的进气门才即将要关闭， Gen.3B的进气门关闭时刻要比Gen.3早将近50度左右。
当曲轴转角转过130度左右的时候 Gen.3B的进气门已经完全关闭了，这个时候进气冲程还没有结束，这个时候 Gen.3B活塞依然向下止点运动，但是到了压缩冲程的时候，它实际有一段距离是没有压缩空气，直到70a.BDC下止点后70度的时候才开始真正压缩，实际的压缩冲程距离要比奥托循环的压缩距离少一段，所以压缩冲程小于做功冲程。
在这个米勒循环的过程中，我们明显看到进气冲程会导致进气不足的情况，这也就牺牲掉了一部分动力来换取节油的部分。所以在奥迪或者大众的车型里，2.0T低功率的发动机采用的是米勒循环，主要目的就是节油，而在2.0T高功率的车型里采用的是奥托循环的三代EA888发动机。
这里有朋友会问，那 2.0T低功率的发动机能否通过刷程序改为2.0T高功率的发动机呢？
答案是不能，因为三代EA888和三代半EA888的发动机结构不同，单靠一阶刷程序的方法肯定是不行的，三代和三代半的缸盖结构、活塞尺寸、喷油器、AVS系统都不同。
阿特金森循环发动机（ Atkinson cycle）
阿特金森循环是一种由英国工程师詹姆士·阿特金森（James Atkinson）于1882年发明的内燃机形式。阿特金森循环发动机提高了效率，但降低了功率密度，其缺点是在低低速时效率低、扭力较差。
真正的阿特金森循环结构比较复杂如上图所示，它是真正的让压缩行程和膨胀行程的距离不同，而并不是通过改变气门提前或推迟关闭的方法来变相实现的。
我们今天主要来说的就是丰田的阿特金森循环，这是一种变相实现阿特金森循环的方法。
看过视频以后你应该了解丰田的阿特金森循环就是通过进气门晚关的方法来实现的。它跟大众的不同，大众是通过进气门早关来实现米勒循环。
这个图看起来应该更加方便一些，左边是奥托循环发动机，右侧是阿特金森循环发动机。
在压缩冲程的时候，奥托循环发动机的进排气门均关闭，这个时候阿特金森循环发动机则不同，进气门在活塞越过下止点的时候依然打开，直到行驶到上图中的紫线位置才完全关闭，这就导致橘色线到紫色线的过程中是空行程，没有起到实际压缩的过程，此刻进气门是打开的。这就造成了压缩冲程明显小于膨胀冲程，变相实现了阿特金森循环。[1]