米勒循环引擎

米勒循环引擎（Miller cycle engine）是一种以奥托循环为基础的机械增压四冲程发动机。米勒循环的本质是通过增大膨胀行程来提高热效率，其虽然能提升燃油经济性和优化环保，但却存在低速扭矩小、不利于高速运行的不足。由于在增压机型中应用进气门晚关技术会导致进气量大量流失，因此，增压机型通常都会采用米勒循环来提升热效率。

1862年，法国科学家罗夏提出四冲程工作循环理论，随后在1876年，德国发明家尼古拉斯·奥托成功制造了首台四冲程循环内燃机，这台发动机为单缸、卧式、3.2kW 的四冲程内燃机，是当时功率和热效率最高的发动机。然而，奥托循环存在能量散失的问题。1882年，为解决奥托循环发动机排气过程中能量的大量散失，英国工程师阿特金森率先提出了低压缩比、高膨胀比的不对称循环，但却由于结构比较复杂，未能很快推广普及。1940年，美国工程师米勒（Ralph Miller）重新研究不对等膨胀/压缩比发动机，其通过对奥托循环的配气正时机构进行改进实现了不对称效果，而这正是米勒循环引擎的开端。1990年，日本马自达公司率先注册了“米勒循环”的商标，这使得很多使用米勒循环原理的汽车品牌，不得不将其命名为阿特金森循环。

米勒循环和阿特金森循环引擎的相同点在于，它们的本质都是通过增大膨胀行程来提高热效率；而两者的区别则是，米勒循环引擎并没有阿特金森循环引擎复杂的曲轴连杆机构，仅是在奥托循环的基础上，对气门正时机构进行改进。值得注意的是，当前各大主机厂所说的阿特金森循环其实也是一类米勒循环，即采用推迟进气门关闭方案的米勒循环（LIVC）；除此之外，还有采用进气门早关方案的米勒循环，即在进气行程后期，通过进气门早关实现少进气（EIVC）。

历史沿革

1862年，法国科学家罗夏对内燃机的热力学过程进行了深入的理论分析，从而提出了四冲程工作循环的理论。这一理论为内燃机的进一步发展奠定了坚实的基础。随后，在1876年，德国发明家尼古拉斯·奥托成功制造出了四冲程循环内燃机，这一成果标志着内燃机技术的重要突破。奥托所发明的内燃机采用了单缸卧式设计，功率达到3.2kw。其工作循环包括进气、压缩、燃烧膨胀和排气四个行程，这四个行程交替进行，使得内燃机能够高效运转。与传统的大气压力式内燃机相比，奥托的四冲程内燃机具有更高的热效率和更小的质量，克服了先前技术的诸多缺陷。该内燃机以煤气为燃料，采用火焰点火方式，使得燃烧更为充分和稳定。其转速可达156.7转/分，压缩比为2.66，热效率高达14%，质量也减轻了近70%。这些卓越的性能使得奥托的内燃机运行平稳，能够高效地投入工业应用。在当时，奥托的四冲程内燃机无论是功率还是热效率都达到了最高水平，成为了内燃机技术发展史上的里程碑。

由于实际循环的不可逆特性，传统奥托循环的对称压缩与膨胀过程在缸内燃烧放热后，导致膨胀结束时工质的温度和压力远高于进气结束时的状态，进而造成排气过程中大量能量的散失。理论上，采用膨胀比高于压缩比的非对称循环可以提高发动机效率。基于这一理论，英国工程师詹姆斯·阿特金森在1882年提出了以其名字命名的内燃机循环模式。该模式通过一套特殊的曲柄摆杆四连杆机构与发动机活塞连杆相连，在曲轴旋转一周内实现了低压缩比、高膨胀比的不对称循环（专利号US367496）。这种循环模式通过延长膨胀行程，使高温燃气得到充分膨胀，进而增加有效功的输出，从而提高发动机效率。然而，由于阿特金森循环发动机结构相对复杂，这在一定程度上阻碍了其广泛推广和应用。

1940年，美国工程师米勒重新探索了不等膨胀/压缩比发动机的设计理念，但他摒弃了复杂的连杆结构，转而通过改进Otto循环的配气正时机构来实现这种不对称效果。具体而言，米勒循环在进气行程结束时，采用推迟进气门关闭（LIVC）的策略，使得部分吸入的混合气回流，然后再关闭进气门开始压缩冲程；或者在进气行程后期，提前关闭进气门（EIVC），减少进气量。其核心思想在于推迟压缩过程的开始，降低实际压缩比，使得膨胀行程大于压缩行程，从而充分利用缸内燃烧产生的膨胀能力。从原理上看，阿特金森循环和米勒循环的共通之处在于，它们都是通过增加膨胀行程来提高发动机的热效率。目前，业界普遍将采用EIVC技术的循环称为米勒循环，而将LIVC技术称为阿特金森循环。由于进气门晚关技术在增压机型中可能导致进气量大量流失，因此米勒循环更适用于增压机型，而阿特金森循环则更多应用于自然吸气机型。1990年代，日本的马自达公司重拾米勒循环技术，并率先在其大型房车系列Millenia上应用，并注册了“米勒循环”商标。因此，尽管如今各品牌汽车使用的阿特金森循环与马自达公司专利的米勒循环原理相同，但出于商标专利的考虑，马自达以外的品牌多选择以阿特金森循环命名。

工作原理

米勒循环引擎在结构上是通过对奥托循环的配气正时机构进行改进来实现不对等膨胀/压缩比的效果，因此，其本质是推迟压缩开始时刻，降低实际压缩比，使膨胀行程大于压缩行程，以充分利用缸内燃烧产生的膨胀能力，并通常具备两种实现途径。其一，在进气行程结束时，推迟进气门的关闭，将吸入的混合气又返回去一部分，再关闭进气门，开始压缩冲程；其二，在进气行程后期，通过进气门早关，来实现少进气。

基本构造

与常见的奥托循环发动机类似，米勒循环引擎也是由机体、曲柄连杆机构、配气机构、冷却系、润滑系、燃料系和点火系(柴油机没有点火系)等组成。

其中，曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构，其功能是将活塞的上下往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的扭矩，以驱动汽车车轮转动。配气机构的作用是根据发动机的工作顺序和各缸工作循环的要求，及时地开启和关闭进、排气门，使可燃混合气或新鲜空气进入气缸，并将废气排出。冷却系统将发动机部分热量及时散发出去，保证发动机在合适的温度状态下工作。润滑系统，向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。点火系统的作用是将汽油机燃烧室内的压缩气体进行点燃。燃料供给系统的作用是，将外界的新鲜空气和雾化汽油，然后送入各个气缸进行燃烧。启动系统的作用是，将静止的发动机带动起来，让发动机做功并自动怠速运转。

而不同于常见的奥托循环发动机的是，米勒循环引擎在构造上对奥托循环发动机的配气正时机构进行了改进，以实现发动机膨胀/压缩比的不对称，从而实现推迟进气门的关闭或进气门早关，以提升车辆的燃油经济性。比如，多出一套可变气门开闭控制机构，并利用可变气门正时或气门升程技术，控制进气门晚关或早关。

主要特点

优点

传统使用奥托循环发动机的乘用车，由于发动机长期运行在中小负荷区域，电子节气门有较大的节流效果，因此会增加泵气损失，不利于提高该部分区域的热效率。利用米勒循环发动机有2个优点。

(1)，高的热效率和燃油经济性。米勒循环的特点就是有较低的泵气损失和较高的膨胀比，因此在发动机中小负荷受到泵气损失影响较大的区域油耗降低明显，而且这部分区域也是发动机常用的工况，经综合计算可降低整车油耗。而且采用米勒循环后发动机的实际压缩比降低，有效降低了发动机爆震倾向，在实际应用中可以适当提高发动机的几何压缩比，进-步提高发动机热效率，但是几何压缩比存在一个最优拐点，超过该拐点后几何压缩比的增大加剧爆震的效果会强于米勒效应减弱爆震的能力四，因此会导致发动机可靠性和油耗的恶化。

(2)，优化排放。米勒循环可以使缸内温度降低，可以抑制NOx的产生，同时热效率的提高使燃油消耗量减小，CO₂排放降低，而且米勒循环废气在较长的膨胀行程可以继续氧化，减少了C0的排放。

缺点

(1)，低速扭矩小。米勒循环在低速状态下，由于进气量小，进气流量惯性小，再加上进气门晚关等因素造成进气回流，因此缸内实际进气量减少，导致发动机实际输出低速扭矩小，不能满足车辆良好的加速性要求，特别是在城市工况中容易用到低转速的区域，因此米勒循环多采用增压发动机以弥补这方面的不足。

(2)，不利于高速运行。米勒循环的几何压缩比一般比奥拓循环大，其缸径/冲程更小，更长的膨胀行程可以充分地利用燃油的能量，提升经济性，但也因此增加了活塞的往复惯性力，限制了转速的升高，加速能力变差，而且“升功率”指标较低。

由于米勒循环部分负荷下的燃油经济性好，因此米勒循环发动机非常适合应用在混合动力汽车上。

应用

米勒循环发动机适用于各种车辆、船只、飞机等，也可用于固定式发电厂等。由于其较高的燃油经济性，米勒循环发动机在汽车领域有着广泛的应用，可为汽车提供更高效的动力，并可减少排放，改善空气质量，且适合涡轮增压发动机。米勒循环发动机适合与涡轮增压发动机结合的原因在于：其通过调整压缩比来提高热效率，与涡轮增压技术相结合，能更有效地利用额外进气压力，提升功率和扭矩。同时，米勒循环发动机在低负荷下燃油经济性更佳，排放控制更优，与涡轮增压技术相配合，能更好地满足性能提升和环保需求。米勒循环发动机通过改变进气门关闭时刻，使得发动机的有效压缩比小于膨胀比，这有助于显著提高发动机热效率，实现更高的燃油经济性。而涡轮增压发动机则是利用废气涡轮增压器来提高进气压力，使空气密度增加，从而提供更多的燃料进行燃烧，产生更大的动力。当这两者结合时，米勒循环发动机的高热效率和涡轮增压发动机的高进气压力可以共同发挥作用，使得发动机在保持高效的同时，还能产生更大的动力输出。其次，米勒循环发动机能有效降低发动机爆震倾向，减少排放，这有助于提升发动机的可靠性和环保性能。涡轮增压发动机则能通过提供更高的进气压力，使燃油燃烧更加充分，也有助于减少排放。因此，结合米勒循环和涡轮增压技术，可以进一步提升发动机的环保性能。此外，米勒循环发动机在部分负荷时，通过推迟进气门关闭角度实现负荷控制，减小了发动机的泵气损失，从而提高了发动机的经济性。涡轮增压发动机则能在高速行驶时提供更好的加速性能和爬坡能力。这种结合使得发动机在不同驾驶场景下都能表现出色。

代表产品

大众EA888 GEN3B

大众/奥迪在开发EA888系列发动机的过程中，证明了发动机低速化和小型化能够显著改善燃油经济性。若想进一步的降低油耗，仅从排量方面考虑的话，会受到技术和成本的约束。大众/奥迪的研发工程师们创新提出了Budack-cycle概念，也就是对现有米勒循环(Miller cycle)的优化。和传统意义的米勒循环相比，Budack-cycle 将进气阀门的关闭时间提前，使进气气流的速度增加，提升燃料与空气混合的效率，因此有着更好的热效率表现。另外，增加行程，提高膨胀比，使压缩比提高，从而降低了油耗。在NEDC循环工况下，发动机往往运行在中低负荷区域，传统的大排量自然吸气发动机最佳油耗区域在中等转速负荷，而小排量涡轮增压发动机最佳油耗区域在中低转速负荷，应对油耗、排放法规更具有优势。面向WTC循环，发动机在该循环工况下运行的转速负荷区域都有所增加，小排量涡轮增压发动机的优势不再明显，因此进一步降低油耗的重点放在了中高转速负荷区域。

大众EA888发动机 GEN3B发动机上应用了一套AVS系统(可变气门升程)，在部分负荷工况下，气门开启时刻为140A，全负荷工况下为170A。AVS系统的核心在于全新设计的两步式进气凸轮轴，具体来讲，该设计采用了一种滑动钝齿，可以实现气门行程的改变:发动机在需要最大功率时可以保持正常进气门开启时刻设置，也可以在部分负荷工况下，利用凸轮包角提前关闭进气门，从而实现更大的膨胀行程，这也是Budack-cycle的意义所在。这种AVS气门机构能够在部分负荷工况下实现140°CA进气门开启持续时间，实现进气门早关，提高发动机热效率。与此同时，为配合AVS系统，GEN3B发动机重新设计了一款独特的活塞顶和活塞碗的全铝活塞，可以实现11.7:1的高压缩比。

丰田TNGA平台Dynamic Force

丰田最新Dynamic Force 发动机系列，包含2.0L和2.5L，两款排量发动机，该系列发动机采用米勒循环，混合动力版本热效率高达41%，非混动的普通版本也可以实现40%的最高热效率，是目前量产发动机里面热效率最高的机型。

丰田Dynamic Force 发动机采用 VVT-iE系统来控制实现米勒循环。VVT-iE系统是通过电机驱动的智能可变气门正时系统，传统液压驱动的VVT-i系统在低温或低转速时由于低油压或润滑不良而响应缓慢，电机驱动的VVT-iE相比于液压驱动的VVT-i系统，响应速度更快、控制更精确，而且可实现连续可变调节。VVT-iE系统由凸轮轴控制电机总成、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和VVT传感器等零部件组成，其工作范围也相应扩大了，可以在更大的发动机转速和温度范围使用，通过改变进排气相位，提高发动机进排气效率，增强发动机动力性和经济性，改善废气排放。同时为了配合米勒循环技术，达到更高热效率，该发动机还采用了更大的冲程缸径比，缸径从上一代发动机90mm缩小到87.5m，同时冲程从原来的的98mm增加到103.4m，这样就实现了高达1.18的冲程缸径比，从而使得提高中低转速下的热效率具备了良好的结构基础。在DynamicForce发动机上混合动力版本的压缩比高达14:1，而普通版本也能够达到13:1。丰田汽车为了这套米勒循环燃烧系统，重新开发了气道，优化气门夹角使之能够产生更加强力的气流运动，使油气混合更快、更均匀，提高燃烧速度。

本田i-MMD 2.0L引擎

本田i-MMD混合动力系统由米勒循环发动机、离合器、双电机组成。发动机通过离合器连接到发动机输出轴，在离合器前通过齿轮与发电机连接；电动机直接连接电机输出轴；在发动机输出轴和电机输出轴之间有第三根轴，这根轴将动力传递到车轮。

该系统所使用的是一款全新自然吸气2.0L排量直列四缸直喷米勒循环发动机。该发动机拥有本田最新的第二代缸内直喷系统、EDT(Earth Dream Technology)、DOHC i-VTEC 等技术。同时，在加工精度上也高于一般民用车用同级发动机的水平。结合新技术的使用和高精度的加工工艺，该发动机综合油耗水平相较现有2.0L发动机降低10%。

DOHC i-VTEC 技术通过设计两种型线凸轮轴，在4500r/min以下使用FECam(FuelEconomyCamshaft，燃油经济凸轮)，发动机以米勒循环方式运转，提供更好的热效率:在6500r/min以下则使用HP Cam(High Performance Camshaft，高性能凸轮)，发动机以通常的奥托循环方式运转，提供更大的功率输出。而VTC(VariableTimingControl，连续可变气门正时控制)机构的切换则在4300r/min左右进行。动力输出方面，最大输出功率为105kW/6200(r/min)，最大扭矩输出转速为165Nm/4500(r/min)。考虑到该发动机主要侧重于经济性提高，而非高性能车型的发动机那样注重功率和扭矩输出，再加上对于混合动力车型来讲，发动机只是其动力来源的一部分，这样的动力输出水平也完全可以接受。而且该发动机也荣获2019年沃德十佳发动机称号。

马自达SKYACTIV技术

提到米勒循环就不得不说到马自达产品，马自达公司是最早将米勒循环应用到量产车上的企业，而最新SKYACTIV技术是马自达基于现有汽车工业技术的新技术集合，其中包括汽油机、柴油机、变速器，车身和底盘技术。

截至2020年底，新创驰蓝天发动机采用超高压缩比14:1(北美和中国销售的车型是13:1)，而且可以使用92#汽油实现，这取决于其采用独特的控制系统来控制发动机循环。在发动机实际工作过程中，实际压缩比是不断变化的，利用电机控制的VVT系统，创驰蓝天发动机可以实现在高负载工况下使用13:1压缩比的奥托循环，而在部分负荷工况下采取米勒循环。其最新机型SKYACTIV-X目前已最产搭载最新款CX-30车型上，结合其独特的SPCC(Spark ControlledCompression Ignition)火花控制压燃点火技术，把HCCI超稀薄燃烧的适用范围扩大到气缸的整个使用领域，实现高的热效率。

阿特金森循环

阿特金森循环发动机通过推迟进气门关闭，在压缩冲程从进气门排出部分混合气，减少进气量，增加膨胀比。阿特金森循环是一种高压缩比、长膨胀行程的内燃机工作循环，具有极佳的部分负荷经济性，但全负荷动力性能较差。

阿特金森循环与米勒循环在共性上，均采用了膨胀比大于压缩比的设计，即做功行程大于压缩行程，以此提高发动机效率和降低燃油消耗。两者的核心原理都是通过优化发动机的压缩和做功过程，更有效地利用燃料，提升热效率。

然而，两者在实现方式上有所区别。阿特金森循环依赖复杂的连杆机构来实现其特殊的工作循环，而米勒循环则通过调整进气门关闭的时间来改变压缩比，没有复杂的连杆机构。在活塞压缩阶段，阿特金森循环利用连杆机构进行操作，而米勒循环则推迟进气门关闭的时间，允许部分混合气体回流至进气歧管，从而精准地控制压缩过程中的气体量和压力。

参考资料

米勒循环发动机开发及关键技术研究.万方数据.2024-03-23

阿特金森/米勒循环发动机的技术与应用.国家科技图书文献中心.2024-04-26

汽车知识大全.今日头条.2024-05-04

《每日汽车科普·口袋词典》：曲柄连杆机构.今日头条.2024-05-04

SUV档案揭秘(74) 福特领界的异军突起.今日头条.2024-05-04

极低油耗家轿旧“王”，卡罗拉三种动力系统是否真有玄学？.今日头条.2024-05-04

二、阿特金森循环发动机.中国知网.2024-04-01