米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是什么？

米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（Miller cycle engine）是一種以?shī)W托循環(huán)（Otto cycle）為基礎(chǔ)的機(jī)械增壓（supercharger）四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。它是由美國(guó)機(jī)械工程師羅爾夫·米勒（Ralph Miller）于1940年代取得專(zhuān)利發(fā)明，由于較廣為世人所熟知的應(yīng)用車(chē)型是馬自達(dá)Millenia，但它并不是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。

工作原理
一般奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理為：

四沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

進(jìn)氣：混合的燃料與空氣由一或多個(gè)進(jìn)氣門(mén)注入汽缸。
壓縮：混合的燃料與空氣被壓縮。
點(diǎn)火：混合的燃料與空氣在接近壓縮沖程的頂點(diǎn)時(shí)被火星塞點(diǎn)燃。
排氣：燃燒過(guò)的廢氣由一或多個(gè)排氣門(mén)排出汽缸。

而米勒循環(huán)的不同之處：在進(jìn)氣沖程時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)，但進(jìn)氣門(mén)保持開(kāi)放同時(shí)活塞進(jìn)行壓縮。直到曲軸通過(guò)活塞的下死點(diǎn)后70度，進(jìn)氣門(mén)才關(guān)閉。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是在壓縮沖程（compression stroke）中，先延遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉的時(shí)間，活塞在汽缸里上升約五分之二容積時(shí)，才完全封閉進(jìn)氣門(mén)。所以有部分在汽缸的氣體會(huì)重新進(jìn)入進(jìn)氣歧管，并在機(jī)械增壓（supercharger）的作用下保持氣壓，故下一次的進(jìn)氣沖程中可提高進(jìn)氣效率且減少泵壓損失（pumping loss）?？墒沁@樣也造成實(shí)際上的壓縮空氣沒(méi)有比進(jìn)氣時(shí)的多，而降低壓縮比。然而在點(diǎn)火沖程中，活塞仍舊由上死點(diǎn)移動(dòng)至下死點(diǎn)，造成膨脹比大于壓縮比的特殊狀況。壓縮比較小所以油耗低，膨脹比大所以動(dòng)力大，另一方面也為了避免過(guò)高的壓縮比引起發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震（提前點(diǎn)火）。

馬自達(dá)KJ-ZEM型米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

為了改良代號(hào)KJ-ZEM型的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣不足的問(wèn)題，馬自達(dá)加裝了一具由日本石川島播磨重工業(yè)制造、附有電子增壓控制器的雙螺管機(jī)械增壓器（Lysholm supercharger），最高增壓值1.5bar。[2]利用機(jī)械增壓的內(nèi)壓及活塞向上運(yùn)動(dòng)的外壓對(duì)沖，比單純的活塞做功提高了15%的效率。也因此馬自達(dá)的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能以2.3L的排氣量達(dá)到3.0L的馬力輸出，而且此發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)高轉(zhuǎn)速時(shí)，增壓效率更是驚人。

馬自達(dá)汽車(chē)的KJ-ZEM型米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)最大馬力220ps / 5,500rpm，最大扭力30kg-m / 3,500rpm，多氣門(mén)加上傾斜式汽缸的設(shè)計(jì)使得汽油和空氣在大空間里能混合得更均勻。此外，還有一套多變共振進(jìn)氣系統(tǒng)（Variable Resonance Induction System，縮寫(xiě)成VRIS），可在不同的轉(zhuǎn)速時(shí)配合不同閥門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)決定共振的范圍，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由低至高皆有平坦而高扭力的輸出曲線。此具KJ-ZEM型發(fā)動(dòng)機(jī)曾于1995年至1998年連續(xù)四年獲選為華德十大最佳汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)（Ward's 10 Best Engines），并獲得日本財(cái)團(tuán)法人汽車(chē)技術(shù)會(huì)的“技術(shù)240選”。

雖然這種米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)稱(chēng)能夠省油15%至20%，但實(shí)際駕駛狀況比實(shí)驗(yàn)狀況還要嚴(yán)苛，加上安裝機(jī)械增壓器之后反而提高了造車(chē)成本，所以馬自達(dá)僅在Millenia這款車(chē)使用KJ-ZEM型發(fā)動(dòng)機(jī)而已。

馬自達(dá)ZJ-VEM型米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

馬自達(dá)新開(kāi)發(fā)的1.3L ZJ-VEM型米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，是以現(xiàn)有1.3L DOHC鋁合金MZR型發(fā)動(dòng)機(jī)為原型[4]，延遲進(jìn)氣閥門(mén)的關(guān)閉時(shí)間，提升進(jìn)氣效率，減少泵壓損失（pumping loss），提高熱效率（高膨脹比），故不再需要機(jī)械增壓器。此型發(fā)動(dòng)機(jī)采自然進(jìn)氣，搭載在第三代馬自達(dá)2[5]，可輸出最大馬力90ps / 6,000rpm，扭力峰值120N·m / 4,000rpm。

本田R18A/R20A型發(fā)動(dòng)機(jī)

本田搭載于第八代本田Civic和第二代本田Stream上的R18A型與R20A型發(fā)動(dòng)機(jī)也是沿用和米勒循環(huán)近似的概念。在傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)里，油門(mén)踏板與節(jié)氣門(mén)之間以鋼纜連結(jié)，但前述兩種車(chē)款卻改為電子油門(mén)。在巡航與平穩(wěn)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)（本田稱(chēng)之為“經(jīng)濟(jì)模式economic mode”，轉(zhuǎn)速約2,000 ~ 3,500rpm間）下，凸輪軸使進(jìn)氣門(mén)延遲關(guān)閉并大幅開(kāi)啟節(jié)氣門(mén)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出相當(dāng)高。由于進(jìn)氣門(mén)延遲關(guān)閉，大約1/5的混合油氣暫時(shí)排出燃燒室，減少不必要的輸出而改善燃油經(jīng)濟(jì)性。因進(jìn)氣門(mén)與節(jié)氣門(mén)同時(shí)作動(dòng)，降低了泵壓損失（pumping loss）和稀薄燃燒（lean burn）。這1/5的混合油氣被推回進(jìn)氣岐管，造成膨脹比大于壓縮比的特殊狀況，故類(lèi)似米勒循環(huán)的原理。

日產(chǎn)HR12DDR型發(fā)動(dòng)機(jī)

此具搭載于歐規(guī)第四代日產(chǎn)Micra上的1.2L直列三缸HR12DDR型發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)授權(quán)來(lái)自馬自達(dá)。同樣透過(guò)延遲進(jìn)氣閥門(mén)的關(guān)閉時(shí)間，使發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比大于實(shí)際壓縮比，如此一來(lái)便以較少的油耗完成更大的動(dòng)力輸出。再者，其機(jī)械增壓系統(tǒng)搭配一組能自動(dòng)啟閉的離合器，在車(chē)子低速行駛時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉機(jī)械增壓系統(tǒng)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗。為了降低活塞和汽缸壁之間的摩擦力，日產(chǎn)汽車(chē)使用“DLC脫氫類(lèi)鉆石鍍膜技術(shù)”（diamond-like carbon film technology）。另外再搭配DIG-S缸內(nèi)直噴技術(shù)（Direct Injection Gasoline之縮寫(xiě)）、怠速熄火系統(tǒng)等裝置，不但讓此具發(fā)動(dòng)機(jī)兼具動(dòng)力輸出（最大馬力98ps、扭力峰值142N·m）和油耗表現(xiàn)，甚至擁有95g/km的低二氧化碳排放量[6]。

大眾EA211 TSI evo型發(fā)動(dòng)機(jī)

2016年4月28日開(kāi)幕的第37屆維也納國(guó)際汽車(chē)研討會(huì)（37th International Vienna Motor Symposium）中，大眾汽車(chē)發(fā)表采用米勒循環(huán)原理搭配高壓縮比12.5：1設(shè)定的EA211 TSI evo型發(fā)動(dòng)機(jī)[7]，以取代現(xiàn)行1.4L TSI型發(fā)動(dòng)機(jī)。此具排氣量1,498c.c.可區(qū)分150匹與130匹馬力等兩種版本，前者之詳細(xì)規(guī)格尚未公開(kāi)；后者在4,750rpm - 5,500rpm的區(qū)間持續(xù)供應(yīng)128.7hp之最大馬力，最大扭力20.4kg·m則在1,300rpm - 4,500rpm之轉(zhuǎn)速間出現(xiàn)。新開(kāi)發(fā)燃油直噴系統(tǒng)之噴射壓力達(dá)350bar，具有更佳的燃油霧化效果及燃燒效率。新加入VTG可變幾何渦輪（Variable Turbine Geometry）技術(shù)，在低轉(zhuǎn)速負(fù)載大時(shí)變化內(nèi)部葉片角度，加速渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度提供足夠加壓力供給發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮氣體；而高轉(zhuǎn)排氣力道足夠推動(dòng)渦輪時(shí)，內(nèi)部葉片角度亦可再次切換。除了發(fā)動(dòng)機(jī)本體以鋁合金打造，汽缸襯套（cylinder liner）也鍍上APS特殊涂層（Atmospheric Plasma Spray），可降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)阻力及機(jī)件磨損，亦有助于散熱效果。

采用米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)原理的車(chē)種
馬自達(dá)KJ-ZEM型發(fā)動(dòng)機(jī)：馬自達(dá)Millenia（日本地區(qū)稱(chēng)Eunos 800）。
馬自達(dá)ZJ-VEM型米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)：第三代馬自達(dá)2 。
豐田1NZ-FXE型發(fā)動(dòng)機(jī)：第一、二代豐田普銳斯；2ZR-FXE型發(fā)動(dòng)機(jī)：第三代豐田普銳斯。
本田R18A/R20A型發(fā)動(dòng)機(jī)：第八代本田Civic、第二代本田Stream。特別強(qiáng)調(diào)的是，R18A/R20A型發(fā)動(dòng)機(jī)并不是利用機(jī)械增壓來(lái)彌補(bǔ)進(jìn)氣不足，而是利用電子油門(mén)開(kāi)啟最大的進(jìn)氣閥而增加進(jìn)氣量，其工作原理與米勒循環(huán)相似。
日產(chǎn)HR12DDR型發(fā)動(dòng)機(jī)：第四代日產(chǎn)Micra（歐洲、日本）、第二代日產(chǎn)Note。