阿特金森循環(huán)(Atkinson cycle)

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1、Atkinson循環(huán)在混合動力汽車中應用的優(yōu)勢姓名：鄧忠偉學號：01402091081.Otto循環(huán)發(fā)動機不利于節(jié)能的因素1.1部分負荷燃油消耗率高車輛在正常運行時所需要的功率是很小的,但實際使用中為了保證加速與爬坡能力,需要選配較大功率的發(fā)動機,這就使得發(fā)動機在經(jīng)常運轉部分負荷工況下的燃油消耗率遠高于最佳燃油消耗率,造成整車能量利用率低、燃油經(jīng)濟性差。1.2泵氣損失泵氣損失是造成Otto循環(huán)發(fā)動機低負荷工況運轉時燃油消耗率高的主要原因。節(jié)氣門在部分開度時造成節(jié)流,以及曲軸箱和進氣管的壓差對活塞下行造成阻力,都造成了能量損失。采用節(jié)氣門控

2、制負荷的發(fā)動機即使在高速路行駛時也存在泵氣損失,只有在全力加速或爬坡時節(jié)氣門全開,不存在額外的進氣管節(jié)流損失。Otto循環(huán)在部分負荷時的能量損失是和發(fā)動機參數(shù)聯(lián)系在一起的:泵氣損失與進氣節(jié)流相聯(lián)系、熱效率的降低與不合適的壓縮比和膨脹比相聯(lián)系。1.3小膨脹比發(fā)動機將燃油化學能以熱能形式釋放出,并轉化為機械功。熱能轉化為機械功的比率由膨脹比決定。膨脹比為排氣門打開時氣缸容積與混合氣被點燃時氣缸容積比值。膨脹比越高,轉化為機械功的熱能越多。在Otto循環(huán)發(fā)動機中膨脹比和壓縮比基本相當。而壓縮比有一上限,超過此上限便會產(chǎn)生爆震,給汽油機造成很大危

3、害。因而對于給定燃油辛烷值的汽油機來說要避免爆震就不能有大的膨脹比。1.4過濃的混合氣傳統(tǒng)Otto循環(huán)發(fā)動機通過加濃混合氣滿足輸出功率增加的需要。濃混合氣在發(fā)動機內并不能完全被利用,作為HC排放物被排到大氣中或者在催化轉化器中被氧化掉,降低了燃油利用率。2.Atkinson循環(huán)的原理及優(yōu)勢2.1Atkinson循環(huán)發(fā)動機的工作原理1884年JamesAtkinson發(fā)明了Atkinson循環(huán)發(fā)動機。Atkinson循環(huán)發(fā)動機是在Otto循環(huán)發(fā)動機的基礎上多了一個回流過程,包括進氣、回流、壓縮、膨脹和排氣五個過程。Atkinson循環(huán)利用了

4、進氣門晚關來控制負荷而不是節(jié)氣門的節(jié)流作用。進氣門晚關時刻由氣缸內充量的多少來決定的,即根據(jù)負荷的大小來確定氣門的關閉時刻。氣門關閉后才是壓縮沖程的實際開始點,而膨脹沖程還是和原Otto循環(huán)相似或稍長,這就減少了進氣過程的泵氣損失和壓縮沖程的壓縮功;而膨脹比大于壓縮比便能夠更大程度地將熱能轉換為機械能,提高發(fā)動機的指示熱效率,降低燃油消耗。另外進氣門晚關使實際壓縮比降低,使得缸內燃燒溫度降低,有利于改善NOx的排放。圖1為Atkinson循環(huán)示意圖:其中1-2為絕熱壓縮過程;2-3為定容加熱過程;3-4為絕熱膨脹過程;4-1為定壓放熱過程

5、。與傳統(tǒng)Otto循環(huán)相比,Atkinson循環(huán)壓縮起點較Otto循環(huán)晚;Otto循環(huán)4-1過程為定容放熱,而Atkinson循環(huán)為定壓過程,在相同工質數(shù)量和加熱量條件下,它有較大的膨脹功,所以熱效率高。圖1為Atkinson循環(huán)示意圖由熱力學知識可得循環(huán)的吸熱量為:??1q?C(T?T)?CT?(??1)(1)1v32v1?1式中ε=為壓縮比，該壓縮比為循環(huán)的實際壓縮比,即進氣閥關閉時刻開始計算?2的壓縮比。循環(huán)的放熱量為:??1?q?C(T?T)?CT?(?1)(2)2p41p1??1??4ρ=為膨脹比;由于循環(huán)的4-1過程為定壓放熱過

6、程,因此循環(huán)的膨脹比壓縮?3比要大。因此Atkinson循環(huán)的指示熱效率為:??1??1q2???1??1??()(3)iq??11從公式(3)可知,Atkinson循環(huán)的指示熱效率η?與循環(huán)的膨脹比ρ成正比例關系,而與循環(huán)的壓縮比ε無關；同時膨脹比越大則指示熱效率越高,說明了在Atkinson循環(huán)中膨脹比決定著發(fā)動機的熱效率。但從另一方面來看,膨脹比與幾何壓縮比又是緊密聯(lián)系的,膨脹比大小是受幾何壓縮比限制的。2.2兩種循環(huán)的比較如圖2所示,對傳統(tǒng)Otto循環(huán)發(fā)動機和Prius發(fā)動機的Atkinson循環(huán)進行比較,傳統(tǒng)Otto循環(huán)從進氣閥

7、關閉(約下止點后50°CA)的實際壓縮容積與排氣閥開啟(約下止點前50°CA)為止的膨脹容積幾乎相等,實際壓縮比與膨脹比也基本相等。而對于Prius發(fā)動機的Atkinson循環(huán),說明書上的壓縮比為13.5,但實際上卻延遲了進氣閥關閉時刻(可調節(jié)到下止點后120°CA),在壓縮行程初始時間吸入缸內的一部分氣體被回流到進氣歧管內,從而實質上延遲了壓縮開始時刻,降低了實際壓縮比;另一方面排氣閥在下止點后32°CA開啟,所以膨脹容積增大,形成了高膨脹比循環(huán)。Atkinson循環(huán)熱效率較高是因為降低了兩方面的損耗：一是在部分負荷時它工作在最佳膨脹比

8、下,燃料的熱效率高；二是進氣沖程中沒有節(jié)氣門的節(jié)流作用減少了泵氣損失。如圖3中傳統(tǒng)Otto循環(huán)示功圖的陰影部分就是泵氣損失部分,而Atkinson循環(huán)的示功圖中就不存在這部分損失。圖2兩種循環(huán)