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2023-06-22
阿特金森循环原理及应用
【摘要】：但是阿特金森循环因采取了定压放热过程，膨胀比比压缩比更大。因此，把阿特金森循环称为过膨胀循环或完全膨胀循环，表示膨胀行程比压缩行程更大的循环。正因如此，以前在汽车用发动机上阿特金森循环没有受到关注。以此，可以看出在相同的压缩比状态下，阿特金森循环的热效率为71%，比奥托循环增加了11%。
阿特金森循环是艾金森·阿特金森于1882年开发的循环，从开发初期开始，因热效率较高，考虑用在航空发动机上，但最终没有采用。最近在汽车发动机上成功应用，称为米勒循环。目前在混合动力车辆的汽油机上采用此循环，最近研发成功在传统乘用车上配备的米勒循环发动机，开始在车辆上装配使用。
阿特金森循环与奥托循环4个过程中的绝热压缩、定容加热、绝热膨胀这3个过程相同，仅排气过程从定容放热改变为定压放热过程。对于往复式汽油机来说，基本上压缩行程的压缩比与膨胀行程的膨胀比相同。但是阿特金森循环因采取了定压放热过程，膨胀比比压缩比更大。传统发动机在膨胀行程中活塞到达下止点前打开排气门，所以不能获得从此位置开始到下止点为止的活塞下降时的动力，但阿特金森循环发动机直到活塞到达下止点为止可以获得膨胀功。理想状态下，气缸内的气体膨胀直到压力达到大气压（初始压力），可以增加约10%的输出功率（或减少燃料消耗量）。因此，把阿特金森循环称为过膨胀循环或完全膨胀循环，表示膨胀行程比压缩行程更大的循环。
阿特金森循环要应用在汽车用发动机上，因往复式发动机为把往复运动转换为旋转运动，在结构设计上要使压缩比与膨胀比不同，这带来很大问题。更大的问题是，如果延迟打开排气门，进气门也相应地延迟打开，进气量减少，导致发动机输出功率（或转矩）也降低。另外，使用转速范围也会受到限制。正因如此，以前在汽车用发动机上阿特金森循环没有受到关注。
循环的各个过程如下：
①1-2过程：空气可逆绝热压缩过程，需要压缩功Wc。
②2-3过程：在定容状态对空气加热的过程，定容加热量为Q1。
③3-4过程：高温、高压空气可逆绝热膨胀过程，产生膨胀功We。
④4-1过程：在定压状态放热过程，定压放热量为Q2。
现在求出阿特金森循环的热效率ηa。图2-11所示为空气标准阿特金森循环的p-V线图和T-s线图。在循环中供给的定容加热量Q1和定压放热量Q2为
Q1=mcV（T3-T2）
Q2=mcp（T4-T1）
因每一循环所做的功Wnet等于Q1-Q2，因此理论热效率ηa为
在式（2.47）中包含的温度比可以按如下方法获得。因阿特金森循环的压缩比εc（=V1/V2）与膨胀比εe（=V4/V3）不同，各自有不同的定义。根据1-2和3-4的绝热过程中理想气体的状态公式TVκ-1=常数，2-3的定容加热过程中T/p=常数和p1=p4，可以推导出各点温度T2～T4与T1的函数关系式为
图2-11 空气标准阿特金森循环
把上式代入到理论热效率式（2.47）中，可以推导出：
根据式（2.48）可以得出，阿特金森循环的理论热效率ηa与质量热容比κ、压缩比εc和膨胀比εe有关。
现在，计算一下阿特金森循环膨胀比εe，并与奥托循环比较一下热效率。把标准状态（25℃、101.325kPa）的空气（κ=1.4）以压缩比εc=10进行压缩，其压缩压力p2为2.5MPa。一般情况下，汽油机的燃烧最大压力p3为5.0MPa左右，如果膨胀直到初期压力0.1MPa为止，根据pvκ=常数公式，其膨胀比εe达到35左右。与压缩比10相比，能获得3.5倍的膨胀比是非常困难的。把此数据代入到式（2.48）中进行计算，按照下式，得出阿特金森循环的热效率为71%：
在压缩比为10时，根据式（2.49）进行计算，奥托循环的热效率为60%。以此，可以看出在相同的压缩比状态下，阿特金森循环的热效率为71%，比奥托循环增加了11%。但是，因阿特金森循环的摩擦损失会增大，效率增加的幅度不会如此大，但能说明的是效率和输出功率肯定会增加。
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