活塞引擎 12：追求效率，阿金森與米勒

這種方案最早是由 James Atkinson 在 1882 年 ^[3] 所實現出來的， 所以被稱為阿金森循環。 其核心原理是使用巧妙的機械結構設計，直接讓活塞在不同的行程中移動不一樣的距離， 根本性的提供壓縮和膨脹行程兩個不一樣的行程距離，直接解決所有的問題！

不過我想稍微熟悉發動機的人可能已經發現這個方案的最大缺點了， 其複雜的機械結構和龐大的體積(當然都是相對於經典的 Daimler 四行程結構來說)， 使得在特別是交通工具上的應用存在嚴重的劣勢。 我想這應該就是為什麼這種結構明明早在 1882 年就已被發明， 卻直到現代才在車輛領域有所實際應用的原因之一吧； 更別說在航空領域更是從來就沒見過這種東西！

這種方案最早是由 Ralph Miller 在 1957 年所實現出來 ^[5] ，所以被稱微米勒循環。 其結構與傳統四行程發動機完全一模一樣，只不過改變了進氣閥門的開關時機，就這麼完成了所有的工作！ 在通常一般的四行程運作中(暫不考慮汽門正時，只以完全理想情況來說)， 進氣行程活塞走到底的時候，進氣閥就關起來了，而米勒則讓它維持開啟狀態久一點。 在原本應該要是壓縮的行程中，進氣閥在大約開始的 20% ~ 30% 行程時間裡都是開啟的， 因此會有好一部份油氣被反向從進氣閥給推出去； 然後後面的步驟就與傳統四行程完全一樣了，一切照舊。

就是這麼簡單的一個改動(當然是相對於已經既存的大量四行程設計來說)，達到了壓縮率與膨脹率不同的效果， 使膨脹行程的膨脹率大於壓縮行程的壓縮率一截。 於是這個方案的優點就非常明顯了，與阿金森形式相比沒有那麼多複雜的結構，也不用面對結構體積膨脹及如何緊湊化的問題， 甚至於可以大量沿用許多早已實現多年且非常成熟的既有設計和相關實驗資料， 而所需要改變的東西僅僅只是進氣門開關的時機而已。 因此米勒式的發動機結構在現代被大量採用在許多「需要」的應用上。 至於既然這種設計這麼簡單純粹，為什麼直到 1957 年才被發明出來呢？ 這就是我們後人才能夠問出來的事後諸葛亮式的疑問了！ 這就好比在 Otto 之前，你能想出來在燃燒之前先把空氣壓一壓再燒比較好嗎？ 又好比在迴紋針被發明出來之前，你能想的到原來鐵絲可以這樣繞一繞就能賣錢嗎？

不過米勒動力結構還有一個缺點。 因為它並沒有像阿金森那樣設計機械結構，壓縮行程中活塞的實際移動距離是不變的， 僅以改變汽門開關時間的手段來達到目的，而這導致了有一部份油氣會在進入汽缸後再被反向推回油管。 首先這導致管道內的油氣不斷來回移動，除了使燃油濃度在控制上更加複雜外(對於非缸內直噴來說)， 如果前面有增壓器的話，更會導致增壓器的回壓來回動盪， 如果再剛好增壓器工作強度不足則更可能使氣體在增壓器內反向倒流，形成喘震！

對於這個問題在理論上有簡單的解決方法， 比如我正常的米勒設計是延遲進氣門關閉時間，那我如果改成提早關閉進氣門呢？ 在進氣行程才走到 70% ~ 80 % 的時候就先關閉汽門，然後後面照舊， 這樣有效的壓縮行程同樣縮小了，卻不會造成油氣回流的問題。 這種想法確實有用，也確實有人這麼做，只不過實現上有些困難挑戰性。 回過頭來看一下一般常見的汽缸頭氣閥和管道如下圖(Figure 4)， 一般的氣閥設計可以很有效的抵抗缸內高壓， 但如果外面管路壓力比缸內壓力還大的話，就只能全靠那根彈簧來支撐了， 而這正是採用提前關閉進氣門方案所需要面對的情況， 可能也是米勒當時為什麼寧願讓油氣回流也要採用延遲關閉進氣門方案的原因吧！ 最終採用提前關閉進氣門的方式來實現米勒循環的方案並非不可行，但可能會需要重新設計進氣門的結構。

網路上有很多相關文章和影片，在介紹米勒或阿金森這些運作方式的時候， 都喜歡說「它們縮短了壓縮油氣時的活塞行程，降低了壓縮比，因此提高了效率！」 其實從前面的介紹來看，還真不能夠說這種解釋錯了，但是我並不喜歡這種說法，因為它會使人感到困惑： 「以前不是說提高壓縮比可以增加效率嗎？ 不是那個什麼廠啊什麼廠的還強調他們把壓縮率提高到多少，所以提升了燃油效率嗎？ 怎麼現在降低壓縮比也增加效率了？ 那麼到底是提高壓縮比能增進燃油效率？還是降低壓縮比可以增進燃油效率啊？搞得好亂啊！」

我想如果是從本系列文章一路看過來的讀者，到這裡已經知道箇中奧妙了！ 其實根本重點不在於降低壓縮比，而是增加膨脹比；至於壓縮比則是實際上文絲未動。 對於增加效率來說，當然壓縮比是愈大愈好。 不論是阿金森還是米勒的方案，都是取來一個壓縮比更大的汽缸， 然後在此基礎上去縮減壓縮時的活塞有效行程，減少壓縮比。 但這樣一來一回之下其實最終壓縮比並沒變動，而是膨脹比增加了； 是膨脹行程的增加而使得氣體膨脹的能量能被更加完整的捕捉下來，從而提高效率。

所以不論阿金森或米勒、或可能存在的其它方案， 核心原理都是靠著增加膨脹週期的活塞行程距離來增加燃油效率。 那麼為什麼就能這麼篤定壓縮比不會變動呢？壓縮比肯定不會有變化。 因為壓縮比如果實質的降低了，那麼燃燒效率也會降低， 而且可能降低的幅度更甚於增加膨脹比所帶來的好處 ^[1]， 因此沒有腦袋正常的設計者會想要無緣無故去降低實質壓縮比。 那麼為什麼不增加壓縮比呢？ 增加壓縮比確實可以大幅改善效能，而且其實大家無一不想提高壓縮比，耐何提高不了。 因為汽油的化學性質擺在那，再提高下去就要爆震了 ^[2]！ 最終的重點就是，不論任何複雜的機械結構方案還是各種天花亂墜的動畫演示， 現在你知道它們其實根本沒有變動壓縮比，而是延伸了膨脹行程，增加了膨脹比。

在前面的介紹中不知道有沒有發現一件事？ Atkinson 動力結構早在 1882 年就被發明出來了，甚至還比 Daimler 的汽油引擎早一年。 如果要說阿金森的結構比較花俏而質疑其實用性的話，那麼 Miller 的方案也在 1957 年就出來了。 那為什麼在直到最近十餘年的時間，才開始在大眾視野見到使用了這些動力結構方案的產品出現呢？ 這就要說到這些動力方案的缺點了……

最直接肉眼可見的缺點就是此類發動機體積會比別人稍大一些， 這是因為為了要延伸活塞膨脹行程的長度而導致汽缸會比較長的結果。

第二個缺點是發動機馬力較低。 其實在往期文章 ^[7] 就有提及這類機械結構的缺點。 為了能夠更加完整的捕捉氣體膨脹的動力，而增加了活塞在膨脹行程的行程長度， 但是我從前也實際計算過 ^[1]， 在氣體膨脹過程的尾端其實壓力已經處在低檔，推動活塞的力量已然不多，是真正處在強弩之末。 因此這類發動機的曲軸轉速會受到限制而降低，其降低的原因主要有二： 其一是因為受制於活塞移動速度，更長的活塞行程自然導致曲軸轉速下降 ^[7]； 其二就是上面提到的，因為氣體壓力在尾端的推動力已經所剩不多 ^[1]， 推力不足自然就推不快了。 無論如何，轉速降低的結果就是讓發動機的馬力同樣下降，因此不論是採用了阿金森還是米勒方案的發動機， 其相比於同體量同排量的其它發動機一定是馬力比別人低的。 這些結果又再體現了那句話： 功率和效率往往是互相衝突的兩個指標！ ^[8]

此外這種延長了膨脹行程的發動機還使得另一項東西的地位顯得有些尷尬，那就是排氣渦輪！ 回顧前篇才介紹過的排氣渦輪 ^[9] ， 它最大的優勢就是不需要額外耗費發動機的動力就可以自己運作。 然而這項優點的背後，其實是來自於使用了那些原本無法被汽缸活塞擷取而被放走的能量作為驅動力的結果。 反正那些動力不拿來使用的話也只是浪費排掉，因此才造成了排氣渦輪好像可以像永動機一樣自己動起來的樣子。 但是現在可好了，延長了膨脹行程的發動機可以更大程度的捕捉到這些能量， 給活塞汽缸自己是得到了更多動力沒錯，但是留給排氣渦輪的排氣動力就只剩老弱殘兵了。 因此觀察當前車市應也能發現此一現象， 那些裝備了排氣渦輪設備的發動機基本看不到使用阿金森或米勒的運作結構， 而採用了阿金森或米勒運作方式的發動機基本不會同時裝上排氣渦輪增壓設備； 如果非得需要增壓的話，那麼多半採用的也是軸驅增壓。

像米勒或阿金森這樣的結構雖然提高了燃油效率，但在功率輸出表現上卻佔劣勢， 使得這類發動機更加適合的是需要高效穩定輸出功率的應用場合，比如發電機。 然而在需要運動能力和爆發能力的交通工具應用領域上就顯得很吃虧了。 你總不會希望在需要加速超車的時候、或者需要加速逃命的時候，一腳油門踩下去結果發動機還沒力吧！？ 再加上曾經的油價相比現在廉價許多，對於這點效能的提升往往並不被人看重， 反而它的功率和性能表現不佳這點倒是讓人無法忽略。 因此就讓這些想法概念雖然誕生的早，確總是遭到雪藏冷落的命運了！

既然如此這般，已經可以理解為什麼這類型發動機在過往不受待見， 但為什麼又在最近十來年突然就出現在大眾視野，開始普及了呢？ 這主要歸功於時代環境的變化。 在油價高漲的現今，加上越發嚴苛的環保要求，因此燃油效率愈來愈受到重視， 使研發人不斷想方設法絞盡腦汁要從各方面提升效率。 最後則是油電複合動力車輛的出現與普及給它掃清了最後一道障礙。 在油電複合車上，內燃機與電機共同承擔車輛所需的動力， 在短暫需要大功率的時候可以依賴電馬達更多的輸出， 因此比較能夠容忍米勒和阿金森型式帶來的馬力減損，並更加看中它們的燃油效率。 特別是那些在中國大陸稱為「插電混動」式的車輛，推進基本只靠電馬達， 而內燃機則在絕大多數時候只是一個充當發電機的供電角色， 那麼自然它的爆發力不足這件事就無傷大雅，反而它能以較高的燃油效率穩定工作這點特性顯得更加吃香。 所以才造成了這麼一個結果，這些早已被發明出來卻一直不受待見而被雪藏的技術， 在複合動力車輛盛行的當代卻得以撥雲見日，迎來能夠一展長才的時刻。

說完了汽車，那飛機呢？ 很不幸的，這種動力結構在航空器的領域上很難得到發展的空間！ 因為飛機對於重量是非常斤斤計較的，阿金森和米勒式的發動機雖然燃油效率是比一般傳統活塞內燃機高了不少， 但是體積重量都比同排量傳統汽油引擎微幅增加，然而馬力卻更低。 那麼為了要支撐一架飛機飛上天，就得選用更大的引擎，於是這重量又更大了。 更大的重量帶來的負擔和更多的油耗，可能比不過它省下來的油之外還得倒賠！ 因此這類發動機目前為止在航空的領域並沒有它的一席之地。