CN101641506B

CN101641506B - 用于提高内燃机效率的装置及方法

Info

Publication number: CN101641506B
Application number: CN200680056271.2A
Authority: CN
Inventors: N·A·阿塔拉
Original assignee: Individual
Current assignee: Hawar Technology Co Ltd
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: EP2061962A2; JP2010502887A; US20100024750A1; EP2447513A2; JP2012112393A; US10036336B2; KR102105234B1; KR20140019444A; JP6290836B2; CN101641506A; KR102105240B1; ES2813092T3; EP2447513A3; KR20170140430A; GB0617726D0; DE202006021157U1; WO2007045918A3; WO2007045918A2; JP2013213507A; KR20170008883A

Abstract

公开了一种用于控制内燃机的燃烧室和汽缸内空气或空气-未燃烧燃料混合物的体积的方法和装置。该装置包括：进出口，该进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气源或空气和未燃烧燃料源；和容积减小的燃烧室。所述进出口被控制为：当打开时，允许空气或空气-未燃烧燃料混合物进入或进入和离开所述燃烧室和汽缸，并且当关闭时，防止空气或空气-未燃烧燃料混合物进入或离开所述燃烧室和汽缸，其中，当所述进出口关闭时位于所述燃烧室和汽缸内的空气或空气-未燃烧燃料混合物的体积小于当所述进出口关闭并且活塞位于所述汽缸内的下止点位置时限定的燃烧室和汽缸的容积。

Description

用于提高内燃机效率的装置及方法

技术领域

本发明涉及往复式内燃机领域，如使用“空气标准奥托循环”(“AirStandard Otto Cycle”)或“空气标准狄赛尔循环”(“Air Standard Diesel Cycle”)工作的内燃机。本发明还涉及对该种内燃机的改进，以提高其效率。

背景技术

该思路的基本理论原则产生并来源于对车辆内燃机的结构和部件、“空气标准动力循环”(“Air Standard Power Cycle”)的工作和热力学步骤(冲程)、每个冲程的作用以及造成内燃机工作效率较低的原因等的长时间的详细研究和全面分析。

按照“空气标准奥托循环”工作的车辆汽油机的效率在22％至28％之间。

按照“空气标准狄赛尔循环”工作的车辆柴油机的效率在36％至42％之间。

如航海设备(marine units)的大型发动机具有较高的效率，该效率能够达到50％。

但是，两冲程发动机的效率较低，很少高于22％。

在汽油机和柴油机中释放的大部分能量之所以损失，是由于热的废气以及用于冷却发动机的冷却水或冷却空气。

为了从使用的燃料中获得最高的效率，人们对传统的汽油机和柴油机的设计、结构和制造材料持续研究和开发了100多年。对燃料的质量以及两冲程发动机和四冲程发动机的工作模式进行了开发和调整，以更好地控制每个冲程的时间选择(timing)和进程以及它们的同步性(同一发动机的不同汽缸之间)。

许多科学家、设计师、研究者、发明家等已经进行了很多努力，以进一步提高内燃机的效率，而且在全世界范围内已经授权了很多专利的种种权利要求。这些专利中的多数涉及对工作的更好控制和时间选择，而其他专利涉及新的复杂零部件的添加，而在现有发动机中应用或引入该新的零部件十分困难或者成本非常高。某些建议会削弱发动机的结构，而且事实上不能加以实际应用。然而，在利用释放的燃料能量方面，内燃机的效率仍然基本保持在较低水平。

发明内容

本发明的具体实施方式提供了能够提高从燃料燃烧中获得的有用能量并实现传统发动机的较高效率的方法和装置，而且还设法尽可能减少对传统发动机的结构、构造、工作的变化和改进，从而能够：

●使对添加新的复杂部件或设备(特别是移动部件)的需要最小化(或消除)；

●尽可能地限制和简化对现有部件的一致的和潜在有用的改进；

●使对移动部件、机构和控制系统的干扰最小化(或者优选为没有干扰)；

●使从现有传统发动机的冲程工作中产生的积极作用最大化；

●容易以最低的成本(优选为较少或没有额外成本)引入新的发动机中；

●能够以最低的成本引入已有的发动机中；

●实现最高的效率；以及

●改善汽车工业对大气的“环境”作用。

本发明的具体实施方式对传统发动机(包括两冲程内燃机和四冲程内燃机)进行了改进，并显著地提高了传统发动机的效率和性能，而且还改善了汽车工业对环境的整体环境作用。

本发明的具体实施方式对凸轮轴或具有凸轮轴作用的任何替换装置进行了改进，因而，所涉及的发动机的个别(和全部)进出口(进气阀)的打开和关闭也得以改进，以使所述阀的打开延长(或缩短)计算的预定时间，而且还使燃烧室的容积减小计算的预定量。

本发明的具体实施方式可以引入已有的发动机中，或者包括于新的发动机中，具有的优点为：

●保持所涉及的传统或新的发动机的“动力循环”冲程(吸气、压缩、做功和膨胀冲程)的所有工作原理。

●不涉及添加任何新的移动部件或取消任何已有的部件。

●保持传统发动机的现有的基本设计、结构和工作原理。

●仅对某些冲程的动作稍微进行了划分或延长，并以显著地提高从使用的燃料中获得的可利用能量的方式，对冲程的工作和作用重新进行设置，以及因此：

●需要的水冷却或空气冷却更少。

●没有对设计和制造改进的新发动机增加任何额外的成本。实际上，在掌握改进的发动机的设计和结构，并减少对大型的高成本冷却系统、排气系统的需要之后，成本更低，燃料消耗更少，对非常昂贵的辛烷燃料的需要也更少等等。

●提高了发动机的效率和性能。对于使用“空气标准奥托循环”的汽油发动机而言，效率从约25％提高到超过40％。对于使用“空气标准狄赛尔循环”的柴油发动机而言，效率从约38％提高到超过48％。

利用可接受水平的成本(与在燃料及其成本中的显著节约相比)，改进能够容易地引入当前工作的发动机中，改进可以限制为仅用另一包括本发明具体实施方式的发动机盖来代替现有的发动机盖(头部)。

本发明的具体实施方式还可以应用于两冲程发动机，并实际上能够将该类型发动机的效率提高到更高的水平，保守为超过35％，并且显著改善其环境作用。

本发明的具体实施方式允许改进的发动机(汽油机和柴油机)利用未改进发动机所需燃料的50％至60％工作，同时与相同的发动机按传统模式利用100％的燃料工作的情形相比，改进的发动机能够获得超过85％至95％的动力。本发明的具体实施方式实现上述效果，是通过产生如下条件：燃烧气体的扩大的膨胀比，以及因此将排出气体的压力从当前水平的超过0.55Mpa绝对压力(abs)(5.5bar)降低到低于0.2Mpa绝对压力(2.0bar)，排出温度从当前水平的超过1300K降低到低于1000K。

根据本发明的第一种实施方式，提供了一种用于控制内燃机的燃烧室和汽缸内的空气体积的装置，该装置包括进出口，该进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气源；和容积减小的燃烧室；其中，所述进出口被控制为：当打开时，允许空气进入所述燃烧室和所述汽缸，并且当关闭时，防止空气进入或离开所述燃烧室和所述汽缸，其中，当所述进出口关闭时位于所述燃烧室和所述汽缸内的空气体积小于当所述进出口关闭时并且当所述活塞位于所述汽缸内的下止点(BDC)位置时限定的所述燃烧室和所述汽缸的容积。该实施方式特别适用于在吸气冲程过程中独立于吸入燃烧室和汽缸中的空气而将燃料喷射到燃烧室中的发动机。优选地，在吸气冲程过程中，当所述活塞的头部已经从上止点(TDC)位置朝向下止点位置移动到上止点位置与下止点位置之间距离的约40％至约70％之间的位置时，所述进出口关闭。

根据本发明的第二种实施方式，提供了一种用于控制内燃机的燃烧室和汽缸内的空气体积的装置，该装置包括进出口，该进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气源；和容积减小的燃烧室；其中，所述进出口被控制为：当打开时，允许空气进入和离开所述燃烧室和所述汽缸，并且当关闭时，防止空气进入或离开所述燃烧室和所述汽缸，其中，当所述进出口关闭时位于所述燃烧室和所述汽缸内的空气体积小于当所述进出口关闭时并且当所述活塞位于所述汽缸内的下止点位置时限定的所述燃烧室和所述汽缸的容积。该实施方式特别适用于在吸气冲程过程中独立于吸入燃烧室和汽缸中的空气而将燃料喷射到燃烧室中的发动机。优选地，在所述活塞的压缩冲程过程中，当所述活塞的头部已经从下止点位置朝向上止点位置移动到下止点位置与上止点位置之间距离的约30％至约60％之间的位置时，所述进出口关闭。

根据本发明的第三种实施方式，提供了一种用于控制内燃机的燃烧室和汽缸内的空气-未燃烧燃料混合物的体积的装置，该装置包括进出口，该进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气和未燃烧燃料源；和容积减小的燃烧室；其中，所述进出口被控制为：当打开时，允许空气-未燃烧燃料混合物进入所述燃烧室和所述汽缸，并且当关闭时，防止空气-未燃烧燃料混合物进入或离开所述燃烧室和所述汽缸，其中，当所述进出口关闭时位于所述燃烧室和所述汽缸内的空气-未燃烧燃料混合物的体积小于当所述进出口关闭时并且当所述活塞位于所述汽缸内的下止点位置时限定的所述燃烧室和所述汽缸的容积。该实施方式特别适用于在发动机的吸气冲程过程中将空气-燃料混合物吸入燃烧室和汽缸的发动机。优选地，在吸气冲程过程中，当所述活塞的头部已经从上止点位置朝向下止点位置移动到上止点位置与下止点位置之间距离的约40％至约70％之间的位置时，所述进出口关闭。

根据本发明的第四种实施方式，提供了一种用于控制内燃机的燃烧室和汽缸内空气-未燃烧燃料混合物的体积的装置，该装置包括进出口，该进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气和未燃烧燃料源；和容积减小的燃烧室；其中，所述进出口被控制为：当打开时，允许空气-未燃烧燃料混合物进入或进入和离开所述燃烧室和所述汽缸，并且当关闭时，防止空气-未燃烧燃料混合物进入或离开所述燃烧室和所述汽缸，其中，当所述进出口关闭时位于所述燃烧室和所述汽缸内的空气-未燃烧燃料混合物的体积小于当所述进出口关闭时并且当所述活塞位于所述汽缸内的下止点位置时限定的所述燃烧室和所述汽缸的容积。该实施方式特别适用于在发动机的吸气冲程过程中将空气-燃料混合物吸入燃烧室和汽缸的发动机。优选地，在所述活塞的压缩冲程过程中，当所述活塞的头部已经从下止点位置朝向上止点位置移动到下止点位置与上止点位置之间距离的约30％至约60％之间的位置时，所述进出口关闭。

优选地，所述进出口包括进出阀。

根据本发明的第五种实施方式，提供了一种内燃机，该内燃机包括：至少一个汽缸；至少一个活塞；容积减小的燃烧室，该燃烧室与所述汽缸或每个汽缸连接；用于每个燃烧室的至少一个进出口，该至少一个进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气源或空气和未燃烧燃料源；旋转凸轮，该旋转凸轮用于控制每个进出口；其中，所述旋转凸轮相对于所述活塞或其各自的活塞的下止点位置偏移。

根据本发明的第六种实施方式，提供了一种内燃机，该内燃机包括基本不可压缩的部件，该部件位于内燃机的燃烧室内，以减小该内燃机的容积。

附图说明

现在参考附图对本发明的优选实施方式进行描述，在附图中：

图1表示“空气标准奥托循环”的P-V示意图；

图2表示“空气标准狄赛尔循环”的P-V示意图；

图3表示具有改进的“空气标准阿塔拉(Atalla)改进(Mod.)循环”的P-V示意图；

图4表示具有改进的用于柴油机的“空气标准阿塔拉改进循环”的P-V示意图；

图5表示汽油循环(发动机)的T-S示意图；

图6表示狄赛尔型循环的T-S示意图；

图7为表示汽缸的部件以及曲柄轴的旋转(传统和改进的)的示意图；

图8为显示凸轮轴所需的设计改进和进出口打开的时间选择的示意图；

图9表示燃烧室以及传统和改进的汽缸；

图9a表示燃烧室以及传统和改进的汽缸；

图10为表示汽缸的部件和曲柄轴的旋转的示意图；

图11表示四缸发动机的示意图，并表示曲柄轴上的曲柄如何彼此构成180度角；以及

图12为表示两冲程发动机的汽缸的部件以及曲柄轴的旋转(传统和改进的)的示意图。

具体实施方式

参考附图的图7、图8、图9、图9a、图10、图11和图12，本发明的具体实施方式可以包括具有容纳在汽缸3内的活塞1的发动机。然而，本发明的具体实施方式可以用于改进已有的发动机，并使传统的发动机根据本发明的具体实施方式工作，因而不需要包含发动机的所有特征。

活塞1容纳在汽缸3内，因而该活塞1能够在所述汽缸3内自由移动。活塞1与连杆5(liver)枢轴连接，该连杆5依次与曲柄轴(未显示)枢轴连接。活塞1到曲柄轴的该连接将活塞在汽缸内的往复运动转换为曲柄轴的旋转运动。该连接还将活塞1在汽缸内的运动限定在活塞头部8(活塞暴露于燃烧燃料或燃料与空气的表面)距曲柄轴最远的位置之内。该位置为公知的上止点。汽缸内的活塞头部8距曲柄轴最近的位置为公知的下止点。在往复式内燃机中，上止点限定燃烧室的容积，而下止点限定燃烧室的容积加上汽缸的容积。所述活塞能够在汽缸内从下止点位置自由移动到上止点位置。

活塞与汽缸之间的密封必须十分良好，从而膨胀的燃烧气体(活塞从上止点移动到下止点的该发动机的膨胀冲程的过程中)不会从活塞与汽缸接缝处漏出。而且，活塞与汽缸之间的密封必须十分良好，从而汽缸能够在活塞从下止点移动到上止点的该发动机的压缩冲程过程中容纳由汽缸中的活塞压缩的空气或空气-燃料混合物。

汽缸的工作容积与活塞头部在下止点与上止点之间移动时该活塞头部经过的容积相等。因此，汽缸的工作容积等于该汽缸的横截面积(例如，如果汽缸具有圆形横截面，则为该圆的面积)乘以上止点和下止点之间的距离。汽缸的容积通常用作发动机动力的评价标准。

汽缸3的一端与燃烧室7连接。当活塞到达上止点位置时，空气或空气与没有燃烧的燃料被压缩到该燃烧室内。燃烧室的一端具有进出口9。优选地，该进出口包括进出阀。所述进出口具有打开状态和关闭状态，且该进出口通过管9与空气或空气和未燃烧的燃料源连通，管9优选为吸管。通常，如果进出口与空气和燃料源连通，则可以有一个空气源和不同的燃料源。在供应到吸管之前，该两种成分将混合在一起。在燃烧室的一端还设置有排气阀11和火花塞13，图7中所示的排气阀11处于打开位置。排气阀11与排气管15连接，因而能够将废气从燃烧室7中清除出去。通常，安装在凸轮轴19上的凸轮17能够控制进出口9和排气阀11。但是，任何其他的装置可以用于控制进出口9和排气阀11的打开和关闭。

本发明的具体实施方式对往复式内燃机的现有设计和工作进行了改进，特别是对按照如图1的“空气标准奥托循环”或图2的“空气标准狄赛尔循环”的“空气标准动力循环”原理工作的活塞汽缸型内燃机(两冲程或四冲程)的现有设计和工作进行了改进。所述发动机可以使用任何燃料作为能源，如天然气、液化石油气、汽油、煤油、柴油、轻质或重质的减压燃料(lightor heavy vacuum fuel)、残剩油(residue fuel)、乙醇、生物燃料、氢、燃料的混合物或任何其他类型的燃料。这些都称为燃料。上述改进能够以提高从燃烧过的燃料中获取的有用能量(热能或机械能)并从而提高这些类型发动机的效率和性能的方式，允许整个动力循环的所有冲程，例如四冲程(依次为：吸气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程)的重复工作。为此，本发明的具体实施方式通过两种手段对传统的发动机进行改进。

当沿活塞移动的轴线观察时，活塞和汽缸的截面通常为圆形。但是，也可以使用任何形状的活塞和汽缸，如椭圆形或其他形状。

第一种改进

通过增大(延长)凸轮轴机构(金属凸起)或具有凸轮轴功能的任何替换装置的圆形跨距，本发明的具体实施方式在控制相关发动机的各个进出口(进气阀)的打开和关闭的位置方面对现有凸轮轴进行了改变(改进)。需要注意的是，仅需要对驱动进出口的凸轮进行改进，而驱动排气口的凸轮保持不变。所述凸轮通常安装在凸轮轴上。改进的凸轮包括横截面基本为椭圆形的部分。优选地，凸轮的横截面基本为笛卡儿椭圆形(Cartesian oval)。该改进按照如下方式在相应活塞的移动期间延长每个进出口的打开：

a-当相应活塞位于上止点时(“吸气冲程”的开始)，打开进出口，

b-在活塞从上止点移动到下止点的过程中，保持进出口打开。

活塞的该移动将使所述汽缸内充满空气-燃料混合物，或者在喷射型燃料供应的情况下仅充满空气，而且在压力填充空气-燃料混合物的情况下，进出口的打开将允许空气-燃料混合物供应至汽缸内。空气通常包括大气气体，在15摄氏度且1个大气压下，按照体积的递减数量(descendingquantities)，该大气气体的成分包括大约78％的氮气、21％的氧气、0.9％的氩气以及小于0.1％的二氧化碳、氖气、甲烷、氦气、氪气、氢气和氙气。但是，只要至少包括一定比例的氧气，其他成分的空气也可使用。

c-当活塞已经到达下止点，朝上止点返回移动并经过下止点与上止点之间距离的30％至60％的距离(理想但不是必须的)时，继续保持进出口打开，

活塞的该移动会将一定比例体积的空气-燃料或仅空气从汽缸通过仍然打开的进出口而驱逐至空气-燃料供应管中。当使用凸轮驱动进出口时，这可以通过扩大如图8中所示的改进的凸轮而实现，因而该凸轮从活塞的下止点位置偏移。这样，能够对进出口进行控制，从而使该进出口在压缩冲程的第一部分的至少一部分中打开，因而空气或空气-燃料混合物能够通过进出口而离开燃烧室和汽缸。如图8所示，扩大改进的凸轮，从而当该凸轮顺时针旋转时，凸轮表示为Z的扩大的凸起会使进出口在活塞从下止点移动到上止点时保持打开，因此一些空气或空气-燃料混合物会离开燃烧室和汽缸。在该实施方式中，驱动进出口的改进的凸轮在正常时间在图8中的Y点将进出口打开，此时通常是在排气冲程结束时当活塞头部到达上止点的时刻。

逐出的空气-燃料混合物不会出现成分的显著变化(可能会有稍高的CO₂含量以及稍高的温度)。该空气-燃料混合物会与从化油器或空气供应管和空气过滤器接收的其它引入的新的混合物混合，并供应到所述工作的发动机的其他汽缸中，该汽缸正在或将要进行吸气冲程(步骤)。

d-当所述活塞根据以上点(c)到达预定位置时，将进出口关闭，

凸轮轴(或具有凸轮功能的任何替换装置)的机械改进应该能够在经过上述预定距离结束时对应所述活塞的位置的时刻将进出口强制关闭，所述预定距离优选为从下止点到上止点距离的大约30％至60％。

改进的凸轮轴机构(或替换装置)对相关发动机的4冲程的工作产生以下影响：

i-延长每个汽缸的“吸气冲程”的时间，而对于每个吸气冲程而言，将该吸气冲程分为两个步骤，该两个步骤是：

i-1填充步骤(阶段)(Filling Step)

参考图7，从点A(上止点)到点B(下止点)，当所述汽缸开始吸气冲程，并且使相应的活塞处于上止点时，任意一个汽缸的进出口将通过凸轮轴机构而打开。然后，活塞将移动到下止点，并使汽缸充满空气-燃料混合物，或在喷射型燃料供应的情况下仅充满空气，并且在压力填充空气-燃料混合物的情况下，进出口的打开将允许向汽缸供应空气-燃料混合物。

i-2驱逐步骤(阶段)(Eviction Step)

参考图7，从点B(下止点)到点C，在到达汽缸的下止点后(根据上述c项)，当活塞转为朝向上止点移动并经过预定距离(该预定距离可以理想但非必须地约为上止点与下止点之间距离的30％至60％)时，所述进出口将被继续强制保持打开，并将一定比例体积的空气-燃料混合物或仅空气从所述汽缸通过仍然打开的进出口而驱逐回空气-燃料供应管中。

ii-与当前传统的发动机的工作相比，将“压缩冲程”的时间和作用分为两个步骤(阶段)，该两个步骤为：

ii-1驱逐步骤(阶段)：图7，从点B(下止点)到点C，与上述c项中描述的相同。

ii-2压缩步骤(阶段)：图7，从点C到点A(上止点)。

当改进的凸轮轴或任何替换装置强制使所述汽缸的进出口关闭(如上述c项所述)时，活塞会继续从点C向上止点移动，并压缩空气-燃料混合物，或者在喷射型发动机中仅压缩空气。当活塞到达汽缸的上止点时，活塞将全部体积的空气-燃料混合物或仅空气从汽缸压缩到燃烧室中，并实现空气-燃料混合物或仅空气的预定和所需的“压缩比”。

参考图8，对于传统的凸轮轴，进气阀(suction valve)工作的持续时间大约为90°角，而曲柄轴移动180°角。对于改进的凸轮轴而言，进出口工作的持续时间大约为90+45＝135°角，而曲柄轴移动270°角。

按照这样的方式，进出口预期为在曲柄轴的一个完整的旋转的大约250°至280°角的期间保持打开，表示上述a、b、c和d项。在所述旋转的剩余角度(80°至110°角)的期间，进出口将关闭(且排气阀处于关闭位置)，且活塞将进行压缩冲程的压缩步骤(阶段)。

所需经济的“压缩比”：

a-对于“空气标准奥托循环” -汽油发动机：8至10

b-对于“空气标准狄赛尔循环” -柴油发动机：22至26

通过实际工作经验，活塞行进并获得理想压缩比的最合适的距离能够得以最优化，以实现最高的效率，该距离可以为小于30％或大于60％。

iii-延长“膨胀冲程”：

在传统的发动机中，膨胀比通常等于压缩比，通常为：

a-对于“空气标准奥托循环” -汽油发动机：8至10

b-对于“空气标准狄赛尔循环” -柴油发动机：22至26

因此，通过将预期发动机的气缸的工作容积(长度)在上止点和下止点之间划分为两个阶段，即：

·“驱逐阶段”根据上述i-1项，

·“压缩阶段”根据上述i-2项，

能够以实现扩大的经济膨胀比的方式，该膨胀比可以是：

-对于汽油发动机，从15至22，

-对于柴油发动机，从35至50，

来提供和创造设计和控制汽缸中这两个阶段的分界线的极好机会。

虽然燃烧气体的高压会继续强迫相关活塞在这些燃烧气体的有利正压作用下行进从上止点到下止点的全部冲程(所述汽缸的工作长度)。

但是实际上，预期发动机的汽缸的驱逐阶段和压缩阶段的分界线可以选择为提供高于100的膨胀比。然而，汽缸的驱逐阶段和压缩阶段的最实用的分界线应该能够为所述发动机获得适当而经济的膨胀比、最高的效率以及可靠且平稳的工作。

每当曲柄轴完成2个完整的旋转，则四冲程汽油发动机中的凸轮轴完成一个完整的旋转，对于传统和改进的全动力循环(吸气、压缩、做功冲程(膨胀)和排气)发动机(情况)，这些轴的旋转角度关系如下表1所示。

-假设活塞在驱逐阶段从点B到点C的移动等于冲程的50％(根据上述ii-2项)。

在另一实施方式中，通过在相应活塞到达下止点之前且距下止点40％至70％的距离时将进出口关闭(这会导致所述活塞在部分负压下移动剩余距离而到达下止点)，能够实现将空气-燃料混合物驱逐至供应管中的相同效果。

该种情况还涉及以不同的方式改进系统，特别是，控制或驱动进出口打开和关闭的凸轮轴凸起将减小而不是如上所述扩大，如图8所示(作为选择)。这样，通过使凸轮从活塞的下止点位置偏移而控制进出口。在空气或空气-燃料混合物的吸气冲程过程中，进出口在活塞到达下止点位置之前关闭。在吸气冲程的最后部分的至少一部分中将进出口关闭，这意味着当阀关闭时吸入燃烧室和汽缸内的空气等的体积小于当汽缸处于下止点时燃烧室和汽缸的总容积。但是，在吸气冲程的开始，改进的凸轮仍然会将进出口打开，如图8中点Y所示。

当然，即便当阀关闭时，活塞也是会继续朝下止点位置移动。当活塞到达下止点时，汽缸将含有空气或空气和燃料，该空气或空气和燃料的体积等于当活塞位于汽缸内的下止点位置时燃烧室中的容积，但包含在该容积中的气体的压力较低，假定这以恒定的热函(内能)进行。因而，进出口控制为：允许空气或空气和未燃烧的燃料以压力P和温度T进入或进入和离开燃烧室和汽缸，而且当关闭时，防止空气或空气和未燃烧燃料进入或离开燃烧室和汽缸。当进出口关闭时(并保持关闭)，以压力P和温度T保留在燃烧室和汽缸中的空气或空气和未燃烧燃料的体积，小于当活塞位于汽缸内下止点位置时燃烧室和汽缸的容积。

表1

第二种改进

参考附图的图7、图8、图9、图9a、图10、图11和图12，燃烧室的容积减小了，以使压缩比恢复。在传统的发动机中，压缩比为当活塞位于下止点位置时汽缸和燃烧室的容积与当活塞位于上止点位置时燃烧室的容积之比。

由于根据上述第一种改进，在吸气和驱逐过程结束时留在汽缸中的空气-燃料混合物的体积减小，因而需要相关燃烧室的容积成比例地减小。这使涉及汽缸(发动机)中空气-燃料混合物的预定和有效的压缩比得以恢复。参考图9和图9a，这可以通过但不限于如下方法而得以实现：

a-将固定不变(dead)体积的、基本不能压缩的部件21添加到每个燃烧室(图9和图9a中的汽缸C2)。该固定不变的体积在内燃机中产生的压力和温度下应该基本上为不可压缩且耐热的，例如压力约为10至12MPa且温度高达2500K。所述部件固定连接于燃烧室的内部，而不会影响活塞在汽缸内的动作。

b-在每个活塞的顶表面(活塞头部)(汽缸C1)添加固定不变体积的基本不可压缩的部件23，这也能改变上止点和下止点的位置(变为A1和B1)。该部件在内燃机中产生的压力和温度下应该基本上为不可压缩且耐热的。所述部件固定连接于活塞头部，从而不会影响活塞在汽缸内的动作。

c-改变涉及活塞(汽缸C1)在点A1和点B2之间的冲程，因而冲程延长超过正常的下止点和上止点位置。当活塞位于延长的上止点位置时，该燃烧室的容积与位于上止点位置的活塞的未延长位置相比变小了。

d-上述和其他选择的组合。

所选择的材料应该具有较高的体积模量(不可压缩性)并耐受较高的温度。通常，大多数类型的钢都是适合的，而且通常体积模量为～2×10¹¹帕斯卡的钢足以不可压缩并耐受较高的温度。这些选择中的任意一个都能提供允许实现空气-燃料混合物所需的预定压缩比的必备条件，同时相关活塞会从进出口的关闭(closure)点(时刻)(如上述第一种改进中所述)向上止点移动预定的距离，该距离可以约为下止点和上止点之间距离的30％至60％，例如图7和图9中从点C到上止点的距离。

空气-燃料混合物的压缩比在“空气标准循环”工作中是非常重要的参数，通常根据在合理可接受的(控制的)工作条件下从预期发动机中使用的燃料中获得最佳效率(性能)的主要目的，来对该压缩比进行选择。压缩比的当前标准是：

a-对于“空气标准奥托循环” 汽油发动机：8至10

b-对于“空气标准狄赛尔循环” 柴油发动机：22至26

因而，对于任何改进的发动机而言，当任何活塞移动相关汽缸从汽缸的进出口关闭的位置(如上所述)到上止点的剩余距离(大约移动全冲程的40％至70％)时，燃烧室所需减少的容积应该实现预定的压缩比。该实现的压缩比应与传统发动机(空气标准奥托循环或空气标准狄赛尔循环)工作的压缩比类似。

对于发动机的具体燃烧室所需减小容积的确定可以如下预算：

假定：

·发动机为“空气标准奥托循环”(4汽缸和4冲程，汽油类型)，

·发动机工作容积(working size)2000cc(立方厘米)；每个汽缸的工作容积为2000/4＝500cc(立方厘米)，

·对于活塞从下止点到上止点的完整行程，原始设计的压缩比为9.5，

·传统发动机的压缩室尺寸-容积(V_comp)为：

V_{comp} = \frac{500}{9.5 - 1} = 58.8 cc

对于改进的发动机，通过在从下止点到上止点的相关活塞冲程的50％距离处将进出口关闭，意味着所述活塞已经将空气-燃料混合物(或在喷射型发动机的情况下仅为空气)的约50％从相应的汽缸逐回至供应管中，而且所述汽缸仅一半充满空气-燃料混合物。因此，这意味着在没有减小燃烧室的容积的情况下，当所述活塞到达相关汽缸的上止点时，获得的压缩比仅约为所需水平的一半，如下所示：

这对于“空气标准奥托循环”的工作来说不是较好且有效的压缩比，而且会导致相当大的能量损失，特别是有排出的燃烧气体。

对于具有4个汽缸(每个汽缸的工作容积为500cc)的2000cc的发动机而言，为了使压缩比恢复为9.5，燃烧室所需物理减小的容积如下：

因此，改进的发动机(汽缸)的压缩比(CR)将恢复至：

CR = \frac{250 + 29.4}{29.4} = 9.5

改进的发动机的该压缩比将给出在相同汽缸内从汽缸的上止点到下止点的对应的“膨胀比”，如下所示：

膨胀比有显著的增加，并且将为从这样一个“动力循环”中获得相当多的额外能量(机械能或热能)提供合适的工作条件。

为了实现工作发动机的甚至更高的膨胀比，需要均衡地和物理地减小燃烧室的容积，并减小汽缸中压缩的空气-燃料混合物的体积。

例如，如果需要上述汽缸的膨胀比为22，燃烧室容积(V_c)所需要的物理减少将如下预算：

V_c是所需的燃烧室容积

V_c＝23.8cc

所需的燃烧室容积的另外减小：

29.4-23.8＝5.6cc

在该燃烧室中，实现压缩比9.5的空气-燃料混合物的工作容积由下列公式来计算：

CR = \frac{V_{af} + 23.8}{23.8} = 9.5

V_af是汽缸中空气-燃料混合物的工作容积，

V_af＝202.3cc

当以传统工作模式(没有改进)工作时，该数量的空气-燃料混合物的工作容积仅为整个汽缸容积的

\frac{202.3}{500} \times 100 = 40.5 % .

由于仅为下止点和上止点之间活塞移动的一半距离并且为空气-燃料混合物的工作汽缸容积的一半，通过恢复汽油发动机中空气-燃料混合物的压缩比，如恢复至9.5，则与当前的发动机相比，将允许燃烧气体实现18至19的扩大的膨胀比，并通过燃烧气体的正压将活塞移动更长的距离(时间)，如下所示：

i.在移动上止点和下止点之间的汽缸距离的一半时，活塞进行动力循环的传统部分。动力循环的该阶段在如下方面与现有传统的发动机“空气标准奥托循环”以类似的工作条件和方式进行：

-实现大约9.5的膨胀比，

-燃烧气体压力从高于7.5Mpa(75bar)下降到约0.45Mpa(4.5bar)或稍高于0.45Mpa(4.5bar)，

-燃烧气体温度从高于2400K下降到约1250K(或许约1400K)。

改进发动机在该点(当活塞位于汽缸的中部时)的工作状态与当活塞接近汽缸的下止点且排气阀打开以排出燃烧气体的传统发动机的工作时刻相对应。

ii.然而，当活塞大约位于汽缸的中间时，活塞将继续移动经过汽缸的另一半而到达下止点，并且受到燃烧气体的持续的高压作用(非常有利的条件)，该燃烧气体将以约为8.5至9.5(或者甚至达到12)的另一膨胀比继续膨胀。这将有助于从燃烧气体中获得额外的相当大量的有用的机械能，并提高发动机的整体效率和性能。

在膨胀冲程的该阶段的开始和结束时的燃烧气体的压力和温度条件预期如下：

-压力，开始：高于0.45Mpa，结束：下降至约0.15Mpa，

-开始：可能高于0.6Mpa

-温度，开始：高于1250K 结束：下降至约950K，

-开始：可能高于1400K

因此，所述发动机能够仅利用燃料设计量的50％至60％来工作，同时能够获得相同发动机在相同每分钟转数下的设计马力的85％至95％(如果发动机根据传统的动力循环工作)。这使得发动机能够将车辆以每升使用的燃料移动比已经设计的距离更长的距离(更多千米数)。与现有工作效率相比，本发明的实施方式将发动机的效率提高了30％以上(假定当前汽油发动机的参考效率为100％，如实施例中所示)。

可以通过如下方式将第二种改进(物理减小燃烧室的容积)引入已有的发动机和将来的发动机中：

对已有车辆的改进

通过如下方法将改进引入已有的车辆中：

a-增大活塞冲程，如图9中汽缸C1，

以能够提供所需压缩比9.5的方式，对已有和工作发动机的冲程长度(对于这些发动机而言，相应活塞的行程(冲程)已经设计好)进行改变是非常困难的(并且证明成本非常高)。

b-在每个活塞顶面上添加合适的固定体积，通过实际上替换活塞，这是可能实现的，如图9中汽缸C1。

由于当前设计的限制以及上止点和发动机盖(头部)之间可以忽略的间隙，该方法可能也不容易实施。

c-代替的是，通过将固定体积添加到每个相关汽缸的已有容积(如图9中汽缸C2)，来减小燃烧室的容积(当活塞达到上止点时，高于该活塞)。

可以相信，该方法不是非常困难的或者实施成本非常高的，然而预期发动机(车辆)的性能能够得到很大程度的提高(如下所示)。固定体积的位置和形状(如一块实心的金属)可以在选择的合适位置固定在燃烧室内。

d-这些选择的适当的任意组合，

e-用具有减小的燃烧室容积的发动机盖来代替已有的发动机盖(头部)。

对新的车辆发动机的改进

该改进点更为简单和直接(straight forward)。这些改进点可以与技术工程设计和方法包括在一起。

重要提及的是，所需改进的大部分可能局限于包括凸轮轴改进的发动机盖(头部)部分。仅将已有车辆的发动机头部去除并进行必要的改进，或者用已类似改进的发动机头部来简单地代替它，都是可能的，而且改进的车辆发动机能够以相当大程度提高的效率工作。

对于燃料喷射型发动机来说，需要改进喷射机构，以根据燃烧室中空气的改进的工作容积来调整燃料的喷射。

本发明改进现有工作发动机(如汽油发动机或柴油发动机)的具体实施方式并不复杂，而是相当简单，而且：

·在现有水平保持发动机的整体尺寸；

·保持现有发动机的汽缸的孔径和冲程；

·在不影响所述发动机其他部件的前提下，均衡地减小燃烧室的容积(固定容积)；

·减小汽缸内空气-燃料混合物的工作容积(理想地但不是必须地，减少30％至60％)，同时将空气-燃料混合物的压缩比保持在现有水平；

·将汽缸的全部容积用于膨胀冲程(燃烧气体膨胀)，因而显著地提高燃烧气体的膨胀比。

理论上，可以使膨胀比非常高，高到100。然而实际上，应该对该膨胀比进行最优化，从而使涉及发动机产生最高的机械效率、热效率和性能，并保持该发动机的平稳工作。

根据可用的理论信息，最经济的膨胀比预期为：

-对于汽油发动机 15至22

-对于柴油发动机 35至50

·从燃料(燃烧气体)释放的能量中获取相当多的额外有用的能量(可能超过15％)，这能从当前水平提高获取的净有用能量(机械效率)：

对于汽油发动机，从当前的22％至28％提高到超过40％，

对于柴油发动机，从当前的36％至42％提高到超过50％。

与现有的传统发动机的比较

为了正确解释该新颖的想法，并为了展示如何实现涉及的“空气标准循环”的效率和性能的提高，需要根据下列步骤对完整“动力循环”(例如对于4冲程汽油发动机)的部件和工作进行详细的分析和解释：

i.对应用于现有传统汽油发动机(没有改进)的“空气标准奥托循环”的工作进行描述和分析，

-该最基本的(min)原理也可应用于“空气标准狄赛尔循环”，

ii.以目前的物理术语(physical terms)描述对传统发动机的改进，并描述该改进的发动机的工作，

iii.分析改进的“空气标准奥托循环”的工作和性能，

iv.比较两种“空气标准动力循环”的工作结果。

描述和分析现有汽油发动机的工作：

参考图1、图2和图5至图12，需要强调的是，由于根据“空气标准奥托循环”工作的化油器型4冲程汽油发动机在汽车工业中是公知的，所以以下描述的目的主要是对传统发动机的工作与具有改进的相同发动机的工作进行必要的比较。

传统发动机的4冲程的每个功能通常在活塞的整个冲程(所述活塞从汽缸的一端(即上止点)到另一端(即下止点)的移动)期间完成。这些冲程为：

a-吸气冲程(进气冲程)：

当活塞从上止点移动到下止点时，将新鲜的空气-燃料混合物吸入汽缸中(或者在涡轮和正压填充器(positive pressure charger)的情况下，为充入汽缸中)。

b-压缩冲程：

对空气-燃料混合物(或者在喷射型发动机中仅为空气)进行压缩，从而在动力循环中产生有利的条件，该条件将有助于从燃烧的燃料中获得最大量的有用能量，并实现最高的效率。在活塞从下止点移动到上止点的同时进行该冲程。

c-做功冲程：

这是“空气标准动力循环”中最重要的步骤，该步骤将燃烧的空气-燃料混合物的热能转换为有用的机械作业。从活塞理想地位于上止点且进出口和排气阀都关闭的点进行该冲程。

d-排气冲程：

这是将燃烧气体逐出汽缸以允许吸入新的空气-燃料混合物并进行下一循环所必须的步骤。当活塞接近下止点时进行该冲程，进出口关闭，并且当活塞接近下止点时，排气阀将打开，以允许用最少的能量将燃烧气体(当排气阀打开时，该燃烧气体会显著膨胀)逐出的足够时间。

因此，通过活塞在排气冲程结束时到达上止点，完整的动力循环得以完成，而且另一循环会立即以与在上述步骤a至d中描述的方式相同的方式开始。该循环会在所述发动机的工作过程中反复重复，而且有时能够持续数日，或者甚至数年。

传统发动机的效率：

由于“空气标准奥托循环”和“空气标准狄赛尔循环”工作的许多因素，特别是燃烧气体在“做功冲程”开始和过程中的非常高的温度，该温度可以(瞬时)超过2300℃(2600K)，所以会导致燃烧燃料释放的热能的大量损失。通常，燃料释放的热能分为两个主要部分，该两个部分是：

·可用的能量(用于发动机使用目的的能量，如车辆移动、液体泵压等)，

·损失的能量(不是用于发动机使用目的的能量)，

使用的可用能量E_u与释放的总能量E_t的比表示发动机的净效率，如下：

η＝E_u/E_t (公式1)

其中：

η-是发动机的热效率

E_u-是可用的热能，该热能能够用于进行所需的工作

E_t-是从燃料消耗中释放的总热能

在有利条件下工作的传统“空气标准动力循环”的效率(η)的当前水平为：

·“空气标准奥托循环” -在22％至28％的范围内

·“空气标准狄赛尔循环” -在36％至42％的范围内

这意味着，相当大部分的燃料能量(实际上是大部分)在现有传统汽油和柴油发动机的工作过程中损失，从而不能用于(例如)移动预期的车辆，这些能量通常以如下形式损失掉：

a-在排出的燃烧气体中的残留热能

b-损失于冷却水或冷却空气的热能

c-使发动机的零件和部件工作的机械损失

在传统发动机工作中，在出口(部件)之间释放的能量的大概下降(分布)通常如下所示：

上表表示释放能量的大部分损失于排气和冷却水。中等容积的车辆汽油发动机(为1600cc至2200cc)很少能够达到10至14千米以上每升，而相同容积的车辆柴油发动机能够达到大约15至17千米每升。即使在理想条件下，制造者也几乎不能要求更高的性能。

因此，与使相同车辆移动约35至40千米每升相等的能量主要损失于大气中(燃烧气体和冷却水)。

与传统发动机相比，改进的发动机如何获得更高的效率和性能：

为了表示、解释和证明发动机效率和性能的预期要求的提高，需要对传统“空气标准奥托循环”和改进的“空气标准循环”的相关热力学、运行和工作原理进行分析，对改进进行解释，并比较获得的结果。

因此，以下描述将包括和表示：

i-对在现有传统条件下的工作冲程和结果的解释，

ii-对具有改进的相同工作冲程和结果的解释，

iii-对结果的比较，

对传统“空气标准奥托循环”的工作的分析，以及与改进的“空气标准动力循环”(发动机)的工作的比较。

参考图1、图2、图3、图4、图5和图6

○工作步骤和热力学：

假定现有和将来“空气标准循环”(汽油发动机)工作的压缩比为9.5(该值是合适且经济的)。对涉及发动机的每个冲程的比较解释如下：

◆吸气冲程(进气冲程)

A-1对于传统发动机“空气标准奥托循环”，从上止点到下止点，参考图7以及图1、图2、图3、图4、图5和图6中的点A，

进行该冲程是为了将新鲜的空气-燃料混合物填充在汽缸中，大都认为该冲程在工作中所需的能量非常少，并将该冲程在能量需要或释放方面视为中性冲程。

B-1对于改进的发动机，从上止点到下止点，并返回到点C，参考图7以及图1、图2、图3、图4、图5和图6中的点A，

-对于改进的发动机，从上止点到下止点将空气-燃料混合物吸入汽缸中的相同原理也是适用的。在能量需要方面没有显著的区别。

-然而，当所述活塞到达下止点而将转向朝上止点往回移动时，进出口继续打开。因此，当活塞朝上止点移动时，活塞会将一定比例量的空气-燃料混合物从汽缸逐回至供应管中，直到当进出口关闭时的位置，而且此时，活塞将经过约为下止点和上止点之间距离的30％至50％的预定距离。

-假定活塞填充整个工作容积(冲程)的50％。

-该工作也不需要很多的能量，而且可以忽略。

◆压缩冲程：

将空气-燃料混合物压缩至所需压缩比的原理既适用于传统发动机，也适用于具有改进的发动机。

A-1对于传统发动机，活塞从图7中的下止点移动到上止点，即从图1、图2、图3、图4、图5和图6中的点A到点B。

在将进气阀和排气阀关闭的同时，所述活塞移动，并进行压缩冲程。

B-1对于改进的发动机，活塞从图7中的点C移动到上止点，即从图1、图2、图3、图4、图5和图6中的点A到点B。

在压缩冲程过程中，该改进将汽缸自身分为活塞动作(运动)的两个截然不同的阶段，该两个阶段为：

i-驱逐阶段：从下止点到点C(约为该冲程的30％至60％-汽缸的下部)，当活塞移动时，该活塞将一部分空气-燃料混合物从汽缸逐回至空气-燃料分配器(供应系统)，而且进出口在该阶段中仍然打开，并在该阶段结束时关闭。

ii-压缩阶段：从点C(上述位置)到上止点(在汽缸的上部)，活塞移动并进行压缩冲程；同时进出阀和排气阀都关闭。

所述汽缸中的空气-燃料混合物的量约为汽缸总工作容积(冲程)的50％。

压缩冲程的热力学，

A-“空气标准奥托循环”-传统发动机：

对于传统发动机的工作，通过相关活塞从下止点的运动而进行空气-燃料混合物的压缩，而且当活塞到达上止点时，完成压缩冲程，并将全部量的空气-燃料混合物或仅空气推入燃烧室。该过程需要大量的能量，并使温度和压力绝热上升。理论压力上升遵循如下公式：

\frac{P_{2}}{P_{1}} = {[\frac{V_{1}}{V_{2}}]}^{K}

(公式2)

其中：

P₁-是在吸气冲程结束且压缩冲程开始时空气-燃料混合物的压力，该压力理想地(通常)为0.1Mpa(1bar)，

P₂-是在压缩冲程结束且做功冲程开始时(点燃燃料之前)空气-燃料混合物的压力，

V₁-是在吸气冲程结束且压缩冲程开始时空气-燃料混合物的体积(汽缸和燃烧室的总容积)，

V₂-是在压缩冲程结束且做功冲程开始时空气-燃料混合物的体积(燃烧室的容积)，

K-是常数，表示C_p/C_V，对于空气：K＝1.4

C_p-是在恒定压力下的空气比热，

C_V-是在恒定容积下的空气比热，

因此，对于压缩比为9.5的“空气标准奥托循环”来说，在压缩冲程结束时压缩的空气-燃料混合物获得的压力和温度为：

压力P₂：

\frac{P_{2}}{P_{1}} = {[\frac{9.5}{1}]}^{1.4}

P₂＝2.33Mpa(23.3bar)

压缩的空气-燃料混合物的温度也会绝热地上升，并根据如下公式上升：

\frac{T_{2}}{T_{1}} = {[\frac{V_{1}}{V_{2}}]}^{K - 1}

(公式3)

其中：

T₁-为在吸气冲程结束且压缩冲程开始时空气-燃料混合物(大气)的温度，

T₂-为在压缩冲程结束且做功冲程开始时(并在点燃空气-燃料混合物之前)压缩的空气-燃料混合物的温度，

假定吸入温度(大气温度)为15℃(288K)，则在压缩冲程结束时的理论温度为：

\frac{T_{2}}{288} = {[\frac{9.5}{1.0}]}^{0.4}

T₂＝710K

可以发现，该冲程需要大量的机械能，以提高压缩的空气-燃料混合物的压力和温度。所需的能量通常由另一汽缸的做功冲程(或飞轮)提供，但接着会在所述汽缸的随后的动力循环过程中作为释放能量的一部分而释放，从而产生平衡状态，除了有些损耗之外。

B-改进的“空气标准动力循环”-改进的发动机

对于具有改进的发动机，将以与“空气标准奥托循环”所描述的方式相同的方式进行压缩冲程(过程)，该冲程具有相关的相应能量需要和压力与温度的升高。

主要区别在于完全相同冲程和内径(相同容积)的汽缸中空气-燃料混合物的实际体积。如吸气冲程(进出冲程)所述，仅将汽缸整个工作冲程的大约50％及燃烧室充满空气-燃料混合物。

因此，如果传统汽缸中的空气-燃料混合物的体积为改进汽缸的空气-燃料混合物的体积的两倍，并压缩为相同的压缩比，则显然对于传统发动机而言，实现该压缩比所需的能量也为两倍。然而，由于用于压缩的大部分耗用能量在随后的膨胀(做功)冲程中恢复，因而在净能量需求上几乎没有区别。

对于压缩阶段结束时的压力和温度，其与传统“空气标准奥托循环”的压力和温度类似(如果应用相同的压缩比)，如下：

-压力 2.33Mpa(23.3bar)

-温度 710K

◆做功冲程

●对于传统发动机，从点B到点C，并终止于图1、图2、图3、图4、图5和图6中的点D，

●对于改进的发动机，也从点B到点C，到点D，并终止于图3、图4和图6中的点E，

在该冲程过程中，对于传统发动机和改进的发动机，将同时发生两个过程，该两个过程为：

从燃料点燃和燃料燃烧中获得热能，

对于“空气标准奥托循环”，从点B到点C，图1

对于“空气标准狄赛尔循环”，从点B到点C，图2

然而，“空气标准奥托循环”与“空气标准狄赛尔循环”之间的主要区别为：

a-由于更高的压缩比，“空气标准狄赛尔循环”具有非常高的燃烧压力，

b-在“空气标准狄赛尔循环”中的空气-燃料混合物自动点燃，而“空气标准奥托循环”具有电点火系统，

c-在燃料注入(喷射)型狄赛尔发动机中，燃料喷射可以以如下方式进行控制：在活塞移动约为从上止点到下止点的距离的20％至30％时，保持接近恒定的预定压力(与压缩压力接近)，

d-该过程有助于从燃烧气体中获得更多的可使用的能量，并提高循环的效率。

用于(供应给发动机)内燃机正常工作(70至100km/h的速度)的燃料量可以使每升空气产生2300至3260焦耳(550至780卡)的能量，以实现空气与燃料约为16.5至19的比例。

A-对于“空气标准奥托循环”-传统发动机：

对于该“动力循环”的分析，假定：

a-1通过凸轮轴和火花塞的动作，点燃空气-燃料混合物，

a-2空气-燃料混合物的燃烧和能量的释放是同时发生的过程，

a-3上述过程以恒定的容积进行(在燃烧室容积内)

a-4燃烧气体在750K温度时的比热为1.15J(0.275cal)/(g.K.)，

a-5空气-燃料混合物(气体)的密度为1.14克/升，

a-6供应的燃料的热值(calorific value)为46,872焦耳(11200卡)每克，

a-7供应的能量为在通常状态下每升空气2720焦耳(650卡)，

供给相关发动机的能量通常涉及空气与碳氢化合物燃料混合物的重量比，该比为：

与空气和燃料的理想比例：(16.0至16.5)/1相比，该比例相对较高，这使得：

●燃料消耗的经济燃烧条件更好

●排气中有多余的氧气，约为2％至4％，以及

●燃料燃烧的条件更好

此外，较高的空气-燃料比(19.64/1)会导致相当多的能量损失，这是因为较高的空气-燃料比意味着需要将额外量的空气(高于理想比例15％至20％以上)从288K加热到1200K以上，并排到大气中。

供应的热能(假定为2720焦耳(650卡)每升)将即刻且非常迅速地提高燃烧室中压缩(和燃烧的)气体的温度。假定瞬时释放能量，则燃烧室中燃料燃烧导致的温度的理论增加(T_increase)为：

T_increase＝2720/(1.150J/g.K×1.14g/l)＝2075K

其中：1.150为空气的比热(J/g.K)

1.14为298K时的空气密度

假定在理想状态，在全部燃料燃烧结束时燃烧气体的总温度T_{th com}(理论上)为：

T_{th com}＝710+2075＝2785K

注：在空气-燃料比为16的理想条件下，理论的理想温度(T_{th id})会显著提高并超过3200K：

燃烧室中燃烧气体的温度升高会导致压力增高，根据理想气体公式，在恒定的容积V下：

P₂/P₃＝T₂/T₃ (公式4)

其中：

P₃-为在空气-燃料混合物点燃，且将全部理论释放热量传递给燃烧气体后，该燃烧气体的压力，

T₃-为在空气-燃料混合物点燃，且将全部理论释放热量传递给燃烧气体后，该燃烧气体的温度，

2.33/P₃＝710/2785

P₃＝9.13Mpa(91.3bar)

因此，在燃料点燃后，并在传统“空气标准奥托循环”的“做功冲程”开始时，理论压力和温度为：

i.压力 9.13Mpa

ii.温度 2785K

然而，从内燃机工作的实践经验来看，燃烧气体的温度和压力都显著地低于上述水平，这是因为：

i-点火时刻的准确时间选择(调整)(优选地，稍早于活塞到达上止点)难以保持有效，

ii-完成燃料燃烧所需的时间(优选地，该时间非常短暂，而且在活塞刚经过上止点并开始朝下止点移动时发生)，

iii-热量从非常热的气体(温度超过2400K)向汽缸的壁(金属)和冷却水或空气的传递，

-这是不可避免的因素，而且所有的努力都是为了最大限度地减少热量损失，同时保持发动机(动力循环)的效率和平稳工作，而不是消除热量损失等。

汽油发动机工作的实际最高温度和压力可以比理论最高值低15％至25％(根据“空气标准奥托循环”)。

B-改进的“空气标准动力循环”-改进的发动机

对于“空气标准奥托循环”，上述空气-燃料点燃(或在柴油发动机情况下的自动点燃)、能量释放和压力增大也可以以相同的方式在具有改进的发动机中进行。

此外，主要区别为完全相同冲程和孔径(相同容积)的汽缸中空气-燃料混合物的实际体积。如上所述，所述汽缸仅整个冲程的大约50％加上燃烧室充满空气-燃料混合物。

燃料点燃之后且“做功冲程”开始时的压力和温度与传统“空气标准奥托循环”的压力和温度类似

-压力 9.13Mpa

-温度 2783K

→燃烧气体的膨胀(做功冲程)：

-对于传统发动机，从图1、图2、图3、图4、图5和图6中的点C到点D

-对于改进的发动机，从图3、图4、图5和图6中的点C到点D，再到点E

传统发动机和改进的发动机工作之间的主要热力学区别存在于膨胀冲程，如下：

对于传统发动机和改进的发动机而言，在活塞经过上止点并朝下止点移动后，燃烧气体的膨胀立即开始。燃烧气体的膨胀也绝热地进行，并遵循上述公式2和3。

-假定膨胀冲程开始时的实际温度为2400K

-假定膨胀冲程开始时的实际压力为7.5Mpa(75bar)

A-空气标准奥托循环，传统发动机：

从图1、图2、图3、图4、图5和图6中的点C到点D，

-膨胀冲程结束时(下止点)的温度为：

A-1膨胀冲程结束时(下止点)的理论温度(T_th)为：

\frac{2785}{T_{th}} = {(\frac{9.5}{1.0})}^{0.4}

T_th＝1132K

A-2然而，假定膨胀冲程开始时(上止点)的温度为2400K，则该膨胀冲程结束时(下止点)的预期温度(T_e)为：

\frac{2400}{T_{e}} = {(\frac{9.5}{1.0})}^{0.4}

T_e＝975K

实际上，在膨胀冲程结束以及排气冲程开始时的实际温度显著地高于(高15％至30％)这些温度，这是因为当活塞接近下止点时，空气-燃料混合物的燃烧仍然可以继续进行。

假定：燃烧气体的排出温度约为1250K。

燃烧气体的排出能量(E_ex)为：

E_ex(1250-288)×1.150J/g.K＝1106J/g(265cal/g)

注：燃烧气体的比热预期为在更高的温度下而稍高，

排出能量的百分比＝(1106/(2720/1.14))×100＝46.35％

这是相当大的能量，其在排气中损失。

A-3对于传统发动机而言，膨胀冲程结束时在点E的理论压力(P_E)为：

\frac{9.13}{P_{E}} = {(\frac{9.5}{1})}^{1.4}

P_E＝9.13/23.4＝0.391Mpa

A-4假定膨胀冲程(传统发动机)开始时的压力为7.5Mpa(75bar)，则膨胀冲程结束时在点E的压力(P_E)遵循公式2：

\frac{7.5}{P_{E}} = {(\frac{9.5}{1})}^{1.4}

P_E＝7.5/23.4＝0.321Mpa(3.21bar)

然而，由于燃烧气体在膨胀冲程结束时具有非常高的温度，所以在膨胀冲程结束时的实际压力P_D显著提高，该P_D为：

P_D＝1250/288＝0.43Mpa(4.3bar)

这也是非常高的压力，而且如果能够有利地利用该压力，则该压力能够进行一定比例的机械工作，特别是当该压力作用于燃烧气体的汽缸的全容积时。

发动机的改进涉及该具体问题，并试图在将燃烧气体排放到大气中之前利用该有用(但目前损失掉)的机械工作(能量)的大部分，解释如下：

B-空气标准“动力循环”-改进的发动机：

在图3、图4、图5和图6中，从点C到点D，再到点E

在受控的条件下，从传统循环膨胀阶段终点开始，燃烧气体继续绝热地膨胀燃烧室容积的另一9.5倍(在图3和图4中，从点D到点E)。这有助于完成注入燃料的燃烧过程，并极大程度地降低排气温度，如下所示：

B-1在膨胀冲程结束时的理论温度T_thmod为：

\frac{2783}{T_{th \mod}} = {(\frac{19}{1})}^{1.4 - 1.0}

T_thmod＝857K

B-2假定初始温度为2400K，在膨胀冲程结束时的预期温度(T_EXmod)为：

\frac{2400}{T_{EX \mod}} = {(\frac{19}{1})}^{1.4 - 1.0}

T_EXmod＝739K

然而，由于燃烧了更长的时间，所以实际的排气温度稍高，可以达到(保守地)850至1000K。

这使排出气体的排气温度和相关热能非常显著地下降。对于改进的发动机而言，燃烧气体的排出能量可以为(假定排气温度高达950K)：

E_{EX Mod}＝(950-288)×1.150j/g.K＝761J/g(182cal/g)

排出能量的百分比＝(761/(2720/1.14))×100＝31.89％

节省的热能的量为：46.35-31.89＝14.46％

通过所有的措施和考虑，预期排出的热能得以非常显著地减少，而且可以有效地加以利用，以移动相关的车辆。

B-3在改进的膨胀(绝热的)冲程结束时的理论压力P_th，mod为：

\frac{9.12}{P_{th, \mod}} = {(\frac{19}{1})}^{1.4}

P_th，mod＝0.146Mpa(1.46bar)

B-4假定在膨胀冲程开始时的初始温度为2400K，则在改进的膨胀(绝热的)冲程结束时的预期压力P_mod为：

\frac{75}{P_{\mod}} = {(\frac{19}{1})}^{1.4}

P_mod＝0.119Mpa(1.19bar)

然而，依赖于排气温度，在膨胀冲程结束时的实际压力P_a稍高于这两个压力，而且由于较高的排气温度，保守地约为0.14至0.17Mpa(1.4至1.7bar)。

在图3和图4中，从点D到点E、到点F、到点A，并返回至点D的区域表示增加的可利用能量，该能量将添加于从点A到点B、到点C、到点D并返回至点A的传统发动机的可利用能量。该区域可以代表主要输入，并将显著地改善车辆的工作效率和参数。

注：对于喷射型车辆来说，燃料的喷射也需要进行调整，实际空气量改进为填充汽缸容积的30％至60％。

对于这两个“动力循环”来说，膨胀冲程结束时的温度和压力总结如下：

奥托循环改进的动力循环

i- 温度(K)

●理论的 1132 856

●具有膨胀冲程开始时

的假定温度 975 739

●假定工作的 1250 950

ii- 压力(Mpa)

●理论的 0.391 0.146

●具有膨胀冲程开始时

的假定压力 0.321 0.119

●假定工作的 0.43 0.15

iii- 与燃烧气体一起排出

的热量(焦耳)

●具有假定排气温度的 1106 761

上述数据表示在膨胀冲程结束并且排气冲程开始时燃烧气体的温度和压力的显著提高(降低)。

◆排气冲程：

A-对于传统发动机“空气标准奥托循环”，活塞从图7中的下止点移动到上止点，并在图1、图2、图3、图4、图5和图6中从点D到点A。

进行该冲程，以将燃烧气体从汽缸驱逐到外部环境中，并为下一循环准备好汽缸。在小于1600转每分(RPM)的较低发动机转速(曲柄轴)下，该冲程不需要较高的能量要求，而且还取决于排气阀的尺寸。但是，随着输入到发动机中的能量增加，发动机的速度增大，从而导致在做功冲程(燃烧气体膨胀)结束时燃烧气体的残余压力和温度显著增大，将燃烧气体驱逐出汽缸的能量需求也增大。预期，当发动机转速达到约3000RPM时，燃烧气体的驱逐过程大概需要来自活塞和曲柄轴的高达0.1Mpa(超过1.0bar)的压力。

B-1对于改进的发动机，活塞也从图7中的下止点移动到上止点，并从图3、图4、图5和图6中的点D到点E。

-由于汽缸中新鲜空气-燃料混合物的体积显著地减小，从而导致在改进的发动机的做功冲程(燃烧气体膨胀)结束时残余压力和温度显著下降，所以即使发动机的速度(曲柄轴)超过6000RPM，驱逐燃烧气体所需的能量也可以忽略。

两个动力循环的工作结果(数据)的全部总结如下面的表2所示。

表2：两种类型发动机的工作结果的总结

该表表明，与传统发动机53.64％的效率相比，改进发动机的热效率显著提高到68.1％，约有14％的提高。发动机工作的温度减小了200K以上，从而使损耗于冷却水中的能量减少了数个百分点(可能超过5％)，并且与“空气标准奥托循环”的目前工作相比，使汽油发动机工作效率整体提高了19％以上(净能量输入的)。还可以预期，“空气标准狄赛尔循环”的工作效率也有接近的类似提高。

(这可以进行试验并在实际经验中进一步改进)

下面是传统发动机工作中的主要出口(部件)之间释放能量的分布与改进发动机的工作的预期分布的比较，如下面的表3所示。

表3：释放能量的分布的比较

注：这些数字仅是估计的，在实践中可能有所不同。有所变化预期是肯定的。

改进显著地提高了相关发动机的效率和性能(甚至比上表中所示的更高)，并因此提高了汽车工业的每升公里数(km per litre)。在较大发动机的工作中，该改进非常有用，该较大的发动机如利用轻质和重质减压汽油(轮船发动机)工作并具有汽缸孔和超过300mm的冲程的柴油发电站(DieselPower station)。排气温度的下降以及膨胀冲程的延长预期能够在如下方面显著地提高发动机的效率和性能：

排气温度显著地降低(可能以超过300K的幅度，如从1250K到950K以下)，

由于整体上显著降低的工作温度，损失于冷却水或冷却空气的热量较少，同时与传统发动机相比，保持和改进了主要工作参数，

-仅空气冷却可以证明是足够的，即便是对于2000cc容积的发动机，

通过将非常高的压力和温度限定在冲程的上四分之一部分，而使机械损失更少(更为温和的工作条件)，

通过将更多的热能转换为有用的机械工作，对冷却水或冷却空气的需求更少，

对于相同总马力来说，由于燃烧气体的量减少(可能减少了超过40％)而且如上面第1项所述温度更低，因而排气管中的状况得到缓解，

与当前优选的180度角的布置(图11)相比，对于未来4汽缸发动机来说，为了相关发动机更为平稳地工作，曲柄轴上的曲柄可以彼此设置为90度。

环境：

通过提高内燃机的效率，从而对于相同的净制动马力(net breakhorse power)会需要更少的燃料，能够显著地减少CO₂和其他污染物向大气的排放，

通过提供更多的时间，以在较高温度的条件下完成汽缸自身中燃料的燃烧，有害且未充分燃烧物质(数量和质量)向大气的排放显著地减少了，

因此，从这种发动机的工作中可以获得更为有利且显著改善的环境条件。

这些改进(当引入现有的车辆中时)可能稍微改变发动机的动力，特别是在实现非常高的速度(如超过120km/h)方面。然而，与在购买燃料(液化石油气、汽油、柴油等)方面极大的预期节约相比，这只需花费较小的代价。可能还会需要稍大的飞轮，以在较低停车每分钟转数(如约750RPM)的情况下确保发动机连续工作。

对于新发动机而言，充足性能(较高的功率和速度需要)的论点可以直接包括在设计中，对有经验的设计者来说这不应成为问题。

在压缩冲程开始时汽缸填充60％的情形

为了表示较低压缩比的影响，对汽缸在压缩冲程开始时填充60％的情形进行以上相同的分析。

在压缩冲程开始时，60％的汽缸充满空气-燃料混合物，该新的压缩比为：

压缩比＝9.5+(9.5×0.6)＝15.2

压缩冲程结束时的温度和压力为：

\frac{2400}{T_{\mod}} = {(\frac{15.2}{1})}^{1.4 - 1.0}

T_mod＝808K

实际的排气温度可以约为(保守地)920℃至1000℃。

排气的排出温度和相关热能得以显著地降低。对于改进的发动机而言，与燃烧气体一起排出的能量为：

E_{Ex Mod}＝(1000-288)×1.150J/g.K＝820J/g(196cal/g)

排出能量的百分比为：

E_ExMod＝(820/(2720/1.14))×100＝34.37％

节省的能量为：46.35-34.37＝11.65％

通过所有的措施和考虑，这也是相当显著的降低，并能够被有效地加以利用，以移动相关车辆。

在改进的膨胀(绝热的)冲程结束时的理论压力P_mod为：

\frac{7.5}{P_{\mod}} = {(\frac{15.2}{1})}^{1.4}

P_mod＝0.167Mpa(1.67bar)

该压力也显著地低于“空气标准奥托循环”(汽油发动机)的传统工作所经历的压力。

从图3和图4可以看出，从汽缸内燃烧气体(压缩比超过20)中获得的另外的能量(机械的)可以证明为可以忽略的或非常昂贵的，由于燃烧气体的压力实际上能够降低为小于0.12Mpa(1.2bar)绝对压力，压缩比约为19至22。

实际经验可以证明该残余的正压力是需要的，该正压力恰好满足避免在较低每分钟转数(停车状态)的情况下在汽缸内产生真空的需要。

这些分析表明，大量的额外能量能够从燃烧气体中获得，并能够用于进行有益的机械工作(以移动车辆)，如图3和图4中P-V图中的延长的膨胀冲程所示。

新的动力循环：

图3和图4中所示的“动力循环”为新型的“空气标准动力循环”，该动力循环能够显著地延长该动力循环的膨胀冲程，使其超过传统“空气标准奥托循环”和“空气标准狄赛尔循环”的膨胀冲程，并与这二者有本质的不同。

该新的动力循环以如下方式重新组织和重新设计了发动机的工作：

i-将传统吸气冲程分为：

a-填充阶段，

活塞从上止点到下止点的移动将使汽缸填充有空气-燃料混合物(进出口是打开的)

b-驱逐阶段

当根据上述阶段a-所述活塞到达下止点并使所述汽缸填充有空气-燃料混合物时，活塞会转向并开始朝向上止点移动，并经过约为下止点和上止点之间距离的30％至60％的预定距离，在该阶段进出口仍然是打开的。在该阶段，活塞会将一定比例部分的空气-燃料混合物逐回到燃料分配(供应)管中。

当活塞位置对应于下止点至上止点之间全距离的30％至60％的预定距离的终点时，进出口关闭。

ii-将传统的压缩冲程分为：

a-驱逐阶段，在该阶段根据上述i-b项活塞从下止点移动，并经过下止点和上止点之间的预定距离，

b-压缩阶段，在该阶段活塞从预定距离移动(如上述a点所述)，并移动到相应汽缸的上止点(经过该汽缸的上半部分)，

iii-延长膨胀冲程：

a-显著地延长动力循环的膨胀冲程，并因此扩大燃烧气体的膨胀比，使膨胀冲程和膨胀比均超过传统“空气标准奥托循环”和“空气标准狄赛尔循环”的膨胀冲程和膨胀比，

-实际上提供了以实现发动机最高效率的方式来为相关发动机选择膨胀比的机会。

iv-改进排气冲程的状况

a-排气冲程与相关发动机的传统工作类似，在相应活塞从下止点移动到上止点的过程中进行排气冲程。然而，主要区别在于排出的燃烧气体的实际体积，在改进的发动机中，排出的燃烧气体更少、压力更小且温度更低。因此，将燃烧气体驱逐出汽缸所需的动力更少(可以忽略)。

可以看出，新的动力循环与传统“空气标准奥托循环”和“空气标准狄赛尔循环”有本质区别。新的动力循环具有自己的分析特征和方法，而且特别重要的是提供有高适应性的燃烧气体膨胀比。控制系统和机构(凸轮轴)还可以被进一步调整和控制，以在曲柄轴的每分钟转数较低时获得较低的膨胀比，并且在每分钟转数较高时获得较高的膨胀比，还可以控制排气压力恰好高于大气压力。

该新的动力循环可以应用于往复式内燃机的工作，该内燃机具有引入其构造的一些或所有的改进；并会为所述发动机提供较高效率和性能的工作条件，参考图3、图4、图5和图6。

将该新应用的“动力循环”命名为“空气标准阿塔拉改进循环”是唯一合理的。

根据该“空气标准阿塔拉改进循环”工作的发动机可以在实践中归类并表述为：

-阿塔拉改进30 -汽缸的70％的全部容积将被填充，

-阿塔拉改进40 -汽缸的60％的全部容积将被填充，

-阿塔拉改进50 -汽缸的50％的全部容积将被填充，

-阿塔拉改进60 -汽缸的40％的全部容积将被填充，

而且，汽缸的所有其他选择的填充有：

阿塔拉改进35，阿塔拉改进38，或阿塔拉改进42，或阿塔拉改进45等。

两冲程发动机：

这些发动机通常是小型发动机，并应用于摩托车(快速移动车辆)。然而，所述改进也可以成功地应用于该两冲程发动机，并改进它们的效率、性能和与这些类型发动机相关的环境问题。

对“空气标准奥托循环”或“空气标准狄赛尔循环”的改进也可应用于两冲程发动机。这些改进还包括凸轮轴或具有凸轮轴作用的任何其他可替换装置上的机构，该机构控制进出口的打开和关闭；以及燃烧室容积所需的减小。

然而，由于两冲程发动机工作的不同模式，其特征如下(参考图12)：

a.在曲柄轴的一个完整旋转过程中，完成全部四个工作冲程，

b.没有排气阀，

c.通过每个汽缸的下部中的纵向槽，进行燃烧气体的排放，

d.空气-燃料混合物稍微压缩，并在正压下供应给汽缸，

e.供应给汽缸的空气-燃料混合物也进行燃烧气体的驱逐(排气过程-冲程)，

f.这些发动机的效率通常非常低。

因此，需要将所述改进巧妙和精心地应用，以实现预期的提高。控制进出口打开和关闭的机构的改进应该按照如下方式应用(引入)：与传统的工作相比，允许整个动力循环(两个冲程-对于曲柄轴的每个完整旋转)平稳地运行且没有故障，而且还提高涉及发动机的效率。

两冲程发动机的提高的效率可以通过与传统发动机对比的改进发动机的工作冲程来解释，如下：

-对于曲柄轴的每个完整旋转(360度角)，从点A开始(图12)，与传统发动机相比，改进的发动机的两冲程将如下进行：

●假定动力循环从做功冲程开始：

◇做功冲程：(膨胀冲程)

A-传统发动机：

-活塞将从上止点移动到点C(图12a)以及从点A到点C(图12b)

压缩的空气-燃料混合物的点燃开始并显著地提高燃烧气体的温度和压力，该燃烧气体将膨胀并将活塞从上止点下推到点C(图12a)，或者在曲柄轴的角路径上从点A至点C(图12b)，

膨胀比：8至9

B-改进的发动机：

-活塞也将从上止点移动到点C(图12a)以及从点A到点C(图12c)

压缩的空气-燃料混合物的点燃开始燃料的燃烧，并显著地提高燃烧气体的温度和压力，该燃烧气体将膨胀并将活塞从上止点下推到点C(图12a)，或者在曲柄轴的角路径上从点A至点C(图12c)，

膨胀比：16至18

◇排气冲程：

A-传统发动机：

-活塞将从点C移动到下止点，并返回至点C(图12a)，以及从点C到点D¹(图12b)，

当活塞到达并超越点C时，该活塞还会超越排气槽的顶线(边缘)，而且仍然处于高压和非常高的温度下的燃烧气体将开始离开(以非常高的速度)各自的汽缸，进入排气管中，接着排到外部大气中。在活塞移动到达下止点(图12a中的点D)并返回朝上止点往回移动到达点D¹(图12a)的同时，所述过程将持续进行，在点D¹活塞将经过排气槽的顶边缘并完成排气过程(冲程)。

B.改进的发动机：

-活塞也将从点C移动到下止点，并返回至点C(图12a)，以及从点C到点D¹(图12c)。

当活塞到达并超越点C时，该活塞还将超越排气槽的顶线(边缘)，而且仍然处于高压和非常高的温度下的燃烧气体将开始离开(以高速)各自的汽缸，进入排气管中，接着排到外部大气中。然而，燃烧气体的排出压力和温度显著地低于类似传统两冲程发动机的排出压力和温度。在活塞移动到达下止点(图12a中的点D)并返回朝上止点往回移动到达点D¹(图12a)的同时，所述过程将持续进行，在点D¹所述活塞将经过排气槽的顶边缘并完成排气过程(冲程)。

◇同流(co-current)的充气(吸气)冲程：

A-传统发动机：

-当活塞到达下止点(图12b中的点D)时，充气阀(吸气)打开。空气-燃料混合物将在正压作用下充入汽缸中，并通过排气槽将燃烧气体推入排气管中，并排放到外部。该过程将持续进行，直到活塞到达点C(图12a)点D¹(图12b)。尽管燃烧气体的置换不是彻底的，

但可以预期大部分燃烧气体将排出汽缸。

-当活塞到达点C(图12a)时，充气阀将关闭，

-汽缸中新鲜的空气-燃料混合物将填充到点C(图12a)。

B-改进的发动机：

-当活塞到达下止点，点D(图12a和图12c)时，充气阀(吸气)打开。空气-燃料混合物将在正压作用下充入汽缸中，并通过排气槽将燃烧气体推入排气管中，并排放到外部。该过程也将持续进行，直到活塞到达点C(图12a)点D¹(图12c)。尽管燃烧气体的置换不是彻底的，但可以预期大部分燃烧气体将被推出。

-当活塞到达点C(图12a)时，充气阀(进出阀)将继续打开，并且

当活塞到达点E(图12c)时，该充气阀(进出阀)将关闭。

这允许所述活塞将一些空气-燃料混合物从涉及汽缸中逐出，从点C到点C¹(图12a)(从点D¹到点E，图12c)，

-从上止点到点C¹(图12a)，汽缸将填充有新鲜的空气-燃料混合物(传统汽缸的工作容积的40％至60％)。

◇压缩冲程：

A-传统发动机：

-活塞将从点C移动到上止点(图12a)，并从点D¹到点A(上止点)(图12b)，

活塞将空气-燃料混合物压缩到燃烧室中，并实现所需的压缩比：8至10。

B-改进的发动机：

-活塞将从点C¹移动到上止点(图12a)，并从点D¹到点A(上止点)(图12c)。

活塞将压缩空气-燃料混合物(约为传统汽缸的工作容积的40％至60％)至燃烧室中，并实现所需压缩比：8至9(燃烧室的容积减小)。

通过引入改进，相同旋转的工作将稍微有所变化，但预期能够显著地提高发动机的效率和性能。因此，对于从点A(图12b)开始的曲柄轴的每个完整旋转(360度)而言，两冲程的改进的发动机与两冲程的传统发动机相比如表4所示。

本发明的具体实施方式在如下方面以与改进的4冲程发动机类似的方式显著地改善了两冲程发动机的工作：

显著地降低排气温度(可能降低了超过400K，如从1400K降低到1000K以下)，

由于整体上显著地降低了工作温度，所以损失于冷却空气的热量较少，同时与传统发动机相比，保持并提高了主要工作参数，

对于相同的总马力来说，由于燃烧气体的量减少(可能减少了超过40％)而且如上面第1项所述温度更低，所以排气管中的状况得到缓解。

环境：

通过提高内燃机的效率，从而对于相同的净制动马力会需要更少的燃料，能够非常显著地减少CO₂向大气的排放，

由于极大地减小了排气压力，所以显著地降低了发动机的噪音，

	进行的冲程	传统发动机(图12b)	改进的发动机(图12c)
				1-	做功冲程点燃和燃烧气体膨胀。活塞移动，同时a-进行燃烧气体的绝热膨胀和可利用能量的提取，b-进出口关闭。	a-从点A到点C，b-继续关闭。	a-从点A到点C，b-继续关闭。
2-	排气冲程燃烧气体将通过汽缸侧面上的侧面槽排出。活塞移动，同时：a-燃烧气体的排放开始并继续，b-同流吸气(或在该情况下充气)阀打开，c-进出口关闭。	a-从点C到点D¹，b-从刚好经过点D的点，c-当活塞到达点D¹时。	a-从点C到点D¹，b-从刚好经过点D的点，c-当活塞到达点E时。
				4-	压缩冲程活塞移动，同时：a-空气-燃料混合物被压缩，b-充气阀关闭。	a-从点D¹到点A，b-继续关闭。	a-从点E到点A，b-继续关闭。
	开始新的循环并反复进行？	是	是
					工作参数
	压缩比	8至9	8至9
					膨胀比	8至9	15至18
	效率％	16至22	最低25至35

表4：传统两冲程发动机和根据本发明具体实施方式的改进的两冲程发动机的工作

有讽刺意味的是，2冲程发动机的效率甚至可以比4冲程发动机的效率提高更高的水平，而且，在极大地降低噪音以及极大地减少CO₂和有害气体的排放方面，也显著地改善了2冲程发动机工作的环境状况。

→实施例：

按照如下方面对以“空气标准奥托循环”工作的传统发动机和以“空气标准阿塔拉改进循环”工作的改进的同一发动机的性能进行比较：

-假定为2000cc容积的4冲程汽油发动机，

-假定该发动机以2400RPM的速度运行

-压缩比为9.5

-燃料供应为2720焦耳(650卡)每升，

A-对于传统发动机：“空气标准奥托循环”

-假定发动机效率为25％

主要工作指标：

其中，2^*表示完成一个完整的动力循环的曲柄轴的两个完整的旋转，

其中，10是热能和机械能之间的转换系数

kg.m＝10J(2.39cal)

B-具有改进的发动机：“空气标准阿塔拉改进循环”

-同一汽油发动机(起作用的工作容积为1000cc)，

-压缩比为19，

-效率为40％。

与“空气标准奥托循环”相比，获得该马力仅需要50％的燃料。

因此，对于相同量的燃料，改进的性能可以表示为具有相同物理尺寸发动机的两个动力循环中获得的动力，

这是非常鼓舞人心的结果，而且相信在实践中是能够实现的，或者在开发和选择最适合的工程设计和工作条件的情况下甚至可以被进一步提高。

改进可以表示为：如果现有传统车辆能够实现-如10千米每升燃料，则具有改进的相同的车辆能够实现大约：

1.6×10＝16千米每升燃料

通过将RPM从假定的2400RPM(在实施例中)提高到(仅作为表示)：则具有改进的同一发动机(车辆)也能够获得36.26马力(HP)。

通过提高填充的空气-燃料混合物的工作容积(在实施例中)到(仅作为表示)：

涉及汽缸中的空气-燃料混合物的工作容积(WV)：

则同一发动机也可获得36.26马力(HP)。

Claims

1.一种用于控制内燃机的燃烧室和汽缸内空气或空气－未燃烧燃料混合物的体积的装置，该装置包括：

(a)进出口，该进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气源或空气和未燃烧燃料源；

(b)燃烧室；

(c)容纳在所述汽缸中的活塞，其中，所述活塞选择为使所述内燃机为汽油机时具有15至22的固定膨胀比，所述内燃机为柴油机时具有35至50的固定膨胀比；

(d)相对于所述活塞的下止点位置偏移的凸轮，其中，该凸轮控制所述进出口打开和关闭的时间，以通过控制所述进出口使所述内燃机的压缩比小于其膨胀比，当打开时，允许空气或空气－未燃烧燃料混合物进入或进入和离开所述燃烧室和所述汽缸，并且当关闭时，防止空气或空气－未燃烧燃料混合物进入或离开所述燃烧室和所述汽缸，其中，当所述进出口关闭时位于所述燃烧室和所述汽缸内的空气或空气－未燃烧燃料混合物的体积小于当所述进出口关闭并且活塞位于所述汽缸内的下止点位置时限定的所述燃烧室和所述汽缸的容积。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述活塞的冲程延长超过通常的下止点位置和上止点位置，以减小所述燃烧室的容积。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述活塞从下止点位置朝向上止点位置移动时，所述进出口在压缩冲程的至少一部分过程中保持打开，以允许空气或空气和燃料离开所述燃烧室和所述汽缸。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述活塞从上止点位置朝向下止点位置移动时，所述进出口在吸气冲程的至少一部分过程中为关闭的，以防止另外的空气或燃料和空气进入所述燃烧室内。

5.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括凸轮和弹簧，所述凸轮用于打开所述进出口，所述弹簧用于关闭所述进出口。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述凸轮相对于所述活塞的下止点位置偏移。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述凸轮和阀设置为：在所述活塞的压缩冲程过程中，当所述活塞的头部已经从下止点位置朝向上止点位置移动到下止点位置与上止点位置之间距离的30％至60％之间的位置时，所述进出口关闭。

8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述凸轮和阀设置为：在吸气冲程过程中，当所述活塞的头部已经从上止点位置朝向下止点位置移动到上止点位置与下止点位置之间距离的40％至70％之间的位置时，所述进出口关闭。

9.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述燃料包括天然气、液化石油气、汽油、煤油、柴油、轻质或重质瓦斯油、残剩油、酒精、乙醇、生物燃料、氢中的任意一种或多种。

10.一种内燃机，该内燃机包括：

(a)至少一个汽缸；

(b)至少一个安装在所述汽缸内的活塞，其中，所述活塞选择为使所述内燃机为汽油机时具有15至22的固定膨胀比，所述内燃机为柴油机时具有35至50的固定膨胀比；

(c)燃烧室，该燃烧室与所述汽缸或每个汽缸连接；

(d)用于每个燃烧室的至少一个进出口，该至少一个进出口具有打开状态和关闭状态，并连接于空气源或空气和未燃烧燃料源；

(e)可旋转凸轮，该可旋转凸轮相对于所述活塞的下止点位置偏移以控制每个进出口，其中，该凸轮控制所述进出口打开和关闭的时间，以通过控制所述进出口使所述内燃机的压缩比小于其膨胀比，当打开时，允许空气或空气－未燃烧燃料混合物进入或进入和离开所述燃烧室和所述汽缸，并且当关闭时，防止空气或空气－未燃烧燃料混合物进入或离开所述燃烧室和所述汽缸，其中，当所述进出口关闭时位于所述燃烧室和所述汽缸内的空气或空气－未燃烧燃料混合物的体积小于当所述进出口关闭并且活塞位于所述汽缸内的下止点位置时限定的所述燃烧室和所述汽缸的容积。