在深入探究发动机性能时，我们不仅关注功率与扭矩这些关键外特性指标，还会注意到一些车型配备的万有特性图，这些图表能够更细致地揭示发动机的工作特性。然而，在众多车辆解析文章中，我们偶尔会碰到诸如米勒循环、阿特金森循环等专业术语。那么，什么是发动机循环？发动机循环主要有哪些类型？不同循环方式之间又存在哪些显著差异？
什么是发动机循环？
发动机的工作循环，本质上是一个周期性的能量转换过程，它将燃料燃烧产生的热能高效地转化为机械能。具体而言，这一过程包括进气、压缩、膨胀做功、排气等多个有序且不断重复的阶段。在这些阶段中，工质（如燃料、空气等）的温度、压力、成分以及流动状态等参数会发生极其复杂的变化。为了便于分析和研究，工程人员会将实际循环过程进行简化，构建出理论循环模型，并将其与实际循环进行对比。通过这种方法，可以深入分析影响内燃机循环效率和平均压力的关键因素。发动机循环主要可以分为理论循环和实际循环两大类。
有哪些发动机循环？
发动机的工作循环可以根据不同的标准进行分类，例如理论循环、实际循环、按冲程分类以及按循环方式分类等。在理论循环中，主要有三种类型：等容加热循环、等压加热循环以及混合加热循环。
等容加热循环的特点是加热过程在等容条件下迅速完成，其热效率主要取决于压缩比的大小；等压加热循环则是在等压条件下完成加热过程，随着负荷的增加，循环热效率会相应下降；而混合加热循环则是在等容和等压条件下交替完成加热过程，其热效率介于前两者之间。
当然，理论循环主要存在于理想化的公式中，而发动机的实际循环在压缩、燃烧、膨胀以及进排气等过程中存在诸多不可逆损失，例如泵气损失、摩擦损失以及热传递损失等。因此，在实际应用中，发动机的实际循环热效率和循环平均压力通常无法达到理论循环的水平。尽管如此，分析理论循环仍然有助于我们提高发动机的效率，例如通过提高压缩比、增加膨胀比以及优化等熵指数k等方式。
按照冲程分类，发动机循环可以分为四冲程循环、两冲程循环以及六冲程循环等。此外，还有一些按照工作原理分类的循环方式，如米勒循环、奥托循环、阿特金森循环等，这些也是常见的专业术语。
循环方式有何差异？
四冲程循环
以四冲程汽油机为例，其循环由吸气、压缩、做功以及排气四个冲程构成。发动机曲轴每旋转两周，就会经历进气、压缩、做功和排气四个冲程，从而完成一个完整的工作循环。
冲程一：吸气——此时进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，将空气吸入气缸并与汽油燃料混合。
冲程二：压缩——进/排气门全部关闭，活塞向上运动，压缩混合气体，直到达到压缩冲程顶点。
冲程三：膨胀做功——当活塞到达压缩冲程顶点时，火花塞点燃混合气体，产生高能量推动活塞向下运动，完成做功。
冲程四：排气——排气门打开，进气门关闭，燃烧过的气体通过排气门排出。
两冲程循环
两冲程循环同样包括吸气、压缩、膨胀做功以及排气四个阶段，但其与四冲程循环的主要区别在于，两冲程发动机的曲轴转动一周，即可完成一个工作循环。与四冲程发动机相比，两冲程发动机的结构差异主要体现在配气机构上。两冲程发动机的进排气口均位于气缸壁上，其开闭由活塞的位置决定，因此没有独立的配气机构。以两冲程汽油机为例。
冲程一：此时气缸内已经充满了混合气体，活塞在曲轴带动下从下止点向上运动，将气缸内的混合气压缩升温。当活塞上行到达上止点时，火花塞点燃混合气体。在这一步的同时，活塞下方的曲轴箱也将混合气体吸入。
冲程二：火花塞点火后，燃烧产生的压力推动活塞向下运动。活塞下行时，排气口先打开，排出废气，随后进气口打开，新的混合气从曲轴箱内进入气缸，此时气缸内再次充满混合气体，准备进入新的循环周期。
在相同的发动机转速和气缸容积下，两冲程发动机产生的功率是四冲程发动机的两倍。此外，由于没有阀门的凸轮、曲轴、摇臂等装置的损耗，两冲程发动机的机械效率更高。然而，两冲程发动机的燃料消耗率也远高于四冲程发动机，因为在注入燃料时，排气口仍然开启，导致相当一部分未燃烧的燃料被浪费掉。此外，两冲程发动机还产生严重的环境污染问题。
同时，实际压缩过程需要等到活塞向上运动至进气口和排气口完全关闭后才能进行，因此在相同尺寸下，两冲程发动机的实际压缩比和热效率要低于四冲程发动机。此外，两冲程发动机对润滑油的消耗也更大，部件更容易发生磨损。目前，国内的乘用车基本都是采用四冲程发动机。
按工作原理分类，发动机循环可以分为米勒循环、奥托循环、阿特金森循环等。这些循环方式的具体运作原理是什么呢？
奥托循环Otto Cycle
奥托循环是标准的四冲程循环，同时也是等容加热循环。整个循环过程与前面描述的四冲程循环发动机基本一致，包括进气冲程活塞下行吸入空气和燃料混合气——压缩冲程活塞上行压缩混合气——做功冲程火花塞点燃混合气推动活塞向下运动——排气冲程活塞上行将废气排出气缸。
卡诺循环Carnot Cycle
卡诺循环只涉及两个热源（高温热源温度T1和低温热源温度T2），工作物质只能与这两个热源交换热量。因此，可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，即等温吸热、绝热膨胀、等温放热、绝热压缩。换句话说，假设采用理想气体作为工作物质，从始态出发，经历四个过程后，会回到始态。因此，卡诺循环可以看作是理想化的奥托循环，只存在于理论之中。尽管如此，这一理论为提高发动机的效率奠定了基础，指明了提高热机效率的方向（提高T1，降低T2，减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环）。
阿特金森循环Atkinson cycle
阿特金森循环是一种改进后的奥托循环，其主要目的是提高发动机的燃油效率。阿特金森循环基于奥托循环，其主要区别在于使发动机的膨胀比大于压缩比，从而提升了发动机的燃油效率。在结构上，早期的阿特金森循环发动机采用了一套复杂的连杆结构，使活塞的压缩行程小于膨胀行程，通过更长的膨胀行程，进一步利用燃烧后的废气能量，因此其燃油效率也比奥托循环更高。
到了现代，复杂的连杆结构已经被可变气门技术所取代，通过LIVC（late intake valve closed，延迟关闭进气门），让部分新鲜空气回流至进气歧管，也实现了膨胀比大于压缩比的目的。
米勒循环miller cycle
米勒循环同样基于奥托循环，也是通过使发动机的膨胀比大于压缩比来提高发动机的效率。与奥托循环相比，米勒循环的主要区别在于压缩冲程这一步，通过EIVC（early intake valve closed，进气门早关），降低了压缩比，从而提高了发动机的燃油效率。
阿特金森循环和米勒循环通过不同的方式，使发动机的膨胀比大于压缩比，从而达到提升效率的目的，并间接减少了爆震对发动机的影响，降低了发动机的排温，还顺手减小了发动机的NOX排放，可谓一举多得。此外，发动机的循环还包括柴油循环（狄塞尔循环Diesel cycle）、布雷顿循环等等。
题外话，早期的一些阿特金森循环发动机都不带涡轮增压器，原因之一就是阿特金森循环在进气时会回涌一部分空气到进气歧管，这和涡轮增压器产生了明显的冲突。后来通过电控气门技术，发动机可以随意切换循环模式，因此也就不存在这个问题了。
阿特金森循环和米勒循环都是基于奥托循环而来，原理也都是通过膨胀比大于压缩比实现，加之现代发动机有更灵活的气门开闭技术，本质上这两类循环的发动机已经没有区别，根据工况需要，可以灵活地在不同循环方式上切换。（朋月）