CN106304838A

CN106304838A - 带有预冷压缩的四冲程内燃机

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Publication number: CN106304838A
Application number: CN201580012156.4A
Authority: CN
Inventors: 菲利普·克瑞斯坦尼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: JP2017507287A; KR20160132023A; HUE050533T2; US9494075B2; RU2016138802A; CA2952586C; US20150252718A1; EP3114336B1; AU2015225583B2; KR102057370B1; AU2015225583A1; ES2805082T3; RU2661234C2; CA2952586A1; WO2015134274A1; EP3114336A4; PL3114336T3; MX2016011443A; CN106304838B; EP3114336A1

Abstract

为了在不触及空气/燃料混物燃点的前提下，达到更高的压缩比(CR)以及更高的燃前压力，四冲程内燃机具有一个或多个预冷压缩，实现严格控制进入发动机气缸气体的温度和气压。进气气压的最低值应大于1.8巴(在海平面时)，而风冷散热器应该将气温至少降低50℃。因为本设计能有效调控、设定空气/燃料混合物的最高燃前温度，本内燃机可燃烧任何液体碳氢燃料，并避免爆震。由于本四冲程内燃机具有更高的压缩比，它标准四冲程内燃机的效率更高，在外形更小更轻巧的情况下，它甚至比标准四冲程内燃机的功率更高。

Description

带有预冷压缩的四冲程内燃机

相关申请

本申请要求申请号为14/279,580的美国非临时性专利申请的备案日期(2014年5月16日)利益。此申请号为14/279,580的申请是美国非临时性专利申请14/200,202(备案日期2014年3月7日)的部分继续申请。

发明领域

本发明涉及内燃机领域，具体来说涉及四冲程火花点火内燃机领域(SI-ICE)。

发明背景

标准四冲程汽油内燃机的效率受到压缩比和压缩气体自燃前温度的制约，这是因为需要避免燃前温度接近于燃料的自燃点，若燃前温度超过自燃点，爆震将降低效率，减短内燃机寿命。由于在标准四冲程内燃机中，摄入空气的温度由室温决定，而室温范围一般在-20℃与+42℃之间，所以在发动机气缸中，空气受到压缩后，其燃前温度的最低和最高值大约差120℃。由于燃前温度这一巨大的温差范围，标准四冲程内燃机一般只能应用较低的压缩比(CR)，压缩比是发动机气缸总容量与燃烧室之比。使用标准汽油的内燃机，一般CR值不大于8，因此内燃机燃前压缩压力也就不大于15巴。

标准四冲程内燃机的这些温度和气压限制不仅降低内燃机效率，还使得内燃机更加大而笨重，为避免爆震，还限制了内燃机可用的燃料种类。

本发明提出一种带有单次或多次预冷压缩的四冲程内燃机，简称为“CWPSC”内燃机(Combustion With Pre-Stage Compression)。本发明能够实现高度控制发动机气缸摄入空气的温度和气压，可实现更高的压缩比和燃前压缩压力，同时实现温度在自燃点以下。此外，由于本发明能有效调控、设定空气与燃料混合物的最高燃前温度,本内燃机可燃烧任何液体碳氢燃料，并避免爆震。

由于本四冲程内燃机具有更高的压缩比，在外形更小更轻巧的情况下，其所有主要参数实现效率最大化，甚至比标准四冲程内燃机的产能更高。

发明内容

标准四冲程汽油内燃机具有一个进气冲程，一个压缩冲程，一个做功冲程，以及一个排气冲程。在进气冲程中，活塞向下运动，空气与燃料混合物被吸入进气缸中。随后的压缩冲程中，活塞向上运动，将空气与燃料混合物压缩到燃前压缩压力，压缩冲程的重点在于火花点燃空气与燃料混合物，这将推动活塞向下运动，即做功冲程。在排气冲程中，活塞再次向上运动，将废气挤出气缸，为下一个进气冲程做好准备。

四冲程内燃机内燃过程中，燃烧中的空气与燃料混合物在气缸中膨胀，缸内压力下降，产生动能。根据混合气体定律，PV/T值在这个过程中保持不变(其中，P为气压“巴”，V为气压量“升”，T为温度“°K”)。随后，当压缩值一定时，气压降低时，绝对温度也将不成比例地下降。由于绝对温度的下降值决定了做功冲程中能被活塞转移到曲轴的可用机械能量，所以最大化这个过程的气压下降值能最优化发动机效率。

在标准四冲程内燃机中，气体进入发动机气缸时为室温和大气压力(大约为1巴)。发动机制造商一般使用的压缩比(CR)为8，以适应一般燃料，因此我们将这一压缩比作为平均数值，并将在比较计算中使用这一数值。应用气体绝热过程公式，P(V)γ＝常数(空气压缩系数γ为1.3)，大气压力Pa＝1巴，本文中的模型发动机气缸容量Ve＝1升。由于CR＝8，点燃时的体积为1/8Ve，即Vi＝0.125，因此可得：

P_a(V_e)^γ＝P_i(V_i)^γ

P_a(V_e)^1.3＝P_i(V_i)^1.3

(1)(1)^1.3＝P_i(0.125)^1.3

P_i＝14.92巴

因此，在标准内燃机中，燃前气压最大值Pi＝14.92巴。而燃前气体温度最大值是室温的函数。举例来说，若假设室温为27℃(300°K)，通过应用混合气体定律，活塞在上止点时，压缩气体的温度Ti可如下计算：

PaVe/Te＝PiVi/Ti

(1)(1)/300＝(14.92)(0.125)/Ti

Ti＝560°K or 287℃

因此，此例中，压缩气体的燃前温度需低于自燃点287℃。然而，在生产当今的标准汽油SI-ICE内燃机时，生产商必须考虑可能的最高室温，大约是42℃(315°K)。此时，最高的燃前温度为：

PaVe/Ta＝PiVi/Ti

(1)(1)/315＝(14.92)(0.125)/Ti

Ti＝587°K or 314℃

也就是说，当今使用的所有石油燃料的自燃点都不低于314℃。我们将把这个值当做比较计算中的温度上限。

本发明中，一个预备压缩机将压缩摄入空气，在压缩空气进入发动机气缸前，散热器将冷却此压缩空气。这种设计的目的是为了明显提高发动机效率，因为这能提高空气与燃料混合物燃烧前的压缩比。为了达到这种高效率，一个有效的散热过程是必须的。本发明降低摄入空气的温度，降低空气与燃料混合物的燃前温度，并能在室温变化下保持其温度不变。相较于柴油发动机，本发明中的空气与燃料混合物的燃前压缩比率大大提高。还比如说，通过降低摄入空气温度大约100℃，空气与燃料混合物的燃前温度可降低大约200℃。

从下文的计算可知，为了恰当地实现上文所述的过程，压缩机必须把摄入气体压缩至高于最低压缩压力1.8巴，同时散热器中压缩气体的下降温度必须大于50℃。虽然压缩压力高于2.1巴时，肉眼即可观察到一定效果，但要实现最好的效果，压缩压力要达到3巴，甚至更高。举例来说，如果压缩机将摄入空气压缩至压力为1.8巴或以下，将无法达到所需的散热效果，也就无法实现显著提高发动机压缩比。这是因为室温变化会比散热器内的温度下降更大，也就无法实现显著提高发动机压缩比。这也是增压器(压缩压力为1.8巴或以下)不能实现显著提高压缩比的原因，其只能通过增加摄入空气来产生更多的动能，而并没有提高发动机的效率。

另一方面，本发明的功能之一是控制空气与燃料混合物的燃前温度，以提高压缩比(CR)以及燃烧前压力，从而提高发动机效率。举例来说，如果一个发动机的气缸容量为Ve，压缩机容量为Va，压缩后气体体积Vc等于发动机气缸进气量Vt(Vt小于Ve)，压缩机将温度Ta为27℃的摄入空气压缩至少于1/3Va，即Vc＝Vt＝0.3Va，那么进气前气压Pc可如下计算(应用气体绝热过程公式，气体压缩系数为1.3)：

Pa(Va)1.3＝Pc(Vc)1.3

(1)(1)1.3＝Pc(0.3)1.3

Pc＝4.78巴

应用混合气体定律，压缩气体的进气前温度Tc可如下计算：

PaVa/Ta＝PcVc/Tc

(1)(1)/300＝(4.78)(0.3)/Tc

Tc＝430°K＝157℃

本发明的散热器随后将冷却压缩后的气体至目标进气温度Tt，这个温度由最高室温、发动机的压缩比CR，以及燃料的自燃点决定。冷却气体的目标温度Tt为恒定的318°K或45℃，此例中，也就是比假设最高室温42℃高3℃。冷却后的进气气压Pt可如下计算：

PcVt/Tc＝PtVc/Tt

(4.78)(0.3)/430＝Pt(0.3)/318

Pt＝3.53巴

因此，不论室温如何变化，本内燃机中压缩后的进气气温总是恒定的45℃，本例中，进气气压为3.53巴，但进气气压会随着室温变化而变化。如下文计算所示，若将进气气温降低大约100℃，发动机气缸中的压缩空气温度将比一般情况下降大约200℃，也就能显著提高压缩比。这个过程实际上是把内燃机的压缩冲程分为两个阶段，期间增加一个冷却阶段，即压缩——冷却——压缩，以此达到更高的燃前压缩压力。

本模型内燃机为例，天气最热为42℃时，进气气压为3.36巴，天气最冷为-20℃时，进气气压为4.18巴，因此能够达到更高的效率，产生更高的功率。天冷时比天热时效率提升更多。无论室温如何变化，发动机气缸中空气与燃料混合物的燃前温度将保持恒定，因为这个温度是进气温度的函数，而进气温度在内燃机中保持恒定。

上文总结了本发明的总体发明特点。下文将详细描述本发明的某些具体细节。展示这些具体细节的目的是为了说明其可操作性。因此这些细节的详细描述仅作原理解释，上文的总结或下文的主张都不受制于这些描述。

附图说明

图1为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本I)的内燃过程，以及其预冷压缩过程。

图2为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本I)的内燃过程，并展示发动机中曲轴在每个冲程循环的细节。

图2A为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本IA)的内燃过程，并展示发动机中曲轴在每个冲程循环的细节。

图3为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本II)，以及其预冷压缩过程和压缩/做功单位中的能量捕捉过程。

图4为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本II)，并展示发动机中曲轴在每个冲程循环的细节。

图5为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本II)冲程循环中的进气冲程、压缩冲程、做功冲程以及排气冲程，并展示压缩机中曲轴在每个冲程过程中的细节。

图6为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本II(A))，以及其预冷压缩过程和高速涡轮的能量捕捉过程，这些能量可驱动轴流式压缩机。在具有双电源驱动的内燃机中，能与发电机共同作用，为电池充电。这样的内燃机具有一个很小却功率强大的发动机，以及一个电动机，系统可在两种驱动中切换。

图7为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本II(A))，以及曲轴角旋过程中，其预备冷压缩过程和涡轮做功单元的能量捕捉过程。

图8为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本II)的延长做功过程，以及连接发动机气缸和压缩气缸的部位。

图9为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本II)内压缩单元和做功单元的结构。

图10为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本III)以及其预冷压缩过程。

图11为原理图，图解本发明四冲程内燃机(版本III)并展示本内燃机中曲轴转动在每个冲程循环的细节。

图12和图12A为一个具有标准单缸发动机的四冲程内燃机内燃过程的气压–容量图，其压缩比CR＝8，发动机气缸Ve＝1升。

图13和图13A为假想的一个具有标准单缸发动机的四冲程内燃机内燃过程的气压–容量图，其压缩比CR＝24。

图14、图14A、图15、图15A、图16和图16A为具有标准单缸发动机的四冲程“CWPSC”内燃机(版本I、版本II、版本II(A)和版本III)内燃过程，其各自的压缩比CR＝24、25.2、25.2和24。

具体实施方式

上文描述的带有预压缩的内燃机有四种模型：版本I、版本II、版本II(A)、和版本III。

值得注意的是，在下文中，模型的单缸发动机可发展为多个发动机气缸，每个气缸都可配备多个预压缩机和多个散热器。

带有预压缩的内燃机“版本I”

此版本中(见图1和2)，内燃机压缩的有效总容量等于发动机气缸容量。举例来说，压缩机气缸容量Va为1/2升，因为此版本中每个发动机冲程循环中压缩机将进行两个冲程循环，Va*2＝1升，所以发动机气缸容量Ve也等于1升。假设要求一个1升的汽油发动机的压缩比CR＝24，燃前压缩气体最高温度为310℃，如以下计算所示，要达到这些要求参数，此发动机的进气量Vt为0.3升。因为发动机气缸容量Ve在进气冲程中只能保持很短的时间，随着该过程的进行，气缸能接受的进气量为Vt＝Vc＝0.3(constant)Ve，所以压缩机会将空气压缩到Vt(比Va*2的体积要小)。在曲轴转动到大约0°时，进气冲程开始，到大约71°时结束，此时，进气阀将关闭，空气与燃料混合物将无法继续进入发动机气缸。因为此时进气量Vt只有气缸容量Ve的3/10(事实上，若考虑到燃烧室容量，进气量为0.3Ve时曲轴应该在66°，但此处我们给进气过程留下4°或5°的空间)，大大小于1升气缸容量，因此需要压缩机进行压缩。通过应用气体绝热过程方式(压缩系数为1.3)，压缩机压缩的气体气压Pc为：

Pa(Va*2)1.3＝Pc(Vc)1.3

(1)(1)1.3＝Pc(0.3)1.3

Pc＝4.78巴

应用混合气体定律，压缩气体温度Tc可如下计算：

PaVa2/Ta＝PcVc/Tc

(1)(1)/300＝(4.78)(0.3)/Tc

Tc＝430°K＝157℃

应用混合气体定律，并将压缩空气冷却至318°K，那么进气气体气压Pt可如下计算：

PcVc/Tc＝PtVt/Tt

(4.78)(0.3)/430＝Pt(0.3)/318°

Pt＝3.53巴

压缩后的气体随后将在简短的进气冲程中进入发动机气缸，此时缸内可用空间只有总气缸容量Ve的3/10，压缩气体进入气缸速度比在大气压力下的空气流动速度快很多，并且相较于标准发动机，能更有效地分裂燃料。我们将这个过程视为一个等压过程，因为发动机气缸进气量0.3升比其他所有储气空间以及风冷散热器容量都要小，此外，压缩机将持续压缩空气。此例中，进气冲程结束之时，曲轴转动到大约71°，发动机气缸中的空气与燃料混合物压力为3.53巴，温度大约为318°K(此温度恒定不变)。

当气缸朝下向下止点运动，曲轴转动到180°，空气与燃料混合物将膨胀，推动活塞向下移动，此时，混合物本身的温度和压力也将下降，此过程即气体绝热过程。应用气体绝热过程公式(气体压缩系数为1.3)，可得：

Pt(Vt)1.3＝Pe(Ve)1.3

(3.53)(0.3)1.3＝Pe(1)1.3

Pe＝0.738巴

其中，Pe＝0.738巴为混合物在发动机气缸下止点的压力。应用混合气体定律，可算出混合物在下止点温度Te：

PtVt/Tt＝PeVe/Te

(3.53)(0.3)/318＝(0.738)(1)/Te

Te＝222°K＝-51℃

混合物在下止点极低的温度显著提高发动机的压缩比，并且保证了温度不超过混合物的自燃点。因为选定的CR值为24(比8大得多的数值)，压缩气体体积Vi＝1升/24CR＝0.042升，那么气缸内燃前气压Pi可用气体绝热过程公式计算：

Pe(Ve)1.3＝Pi(Vi)1.3

(0.738)(1)1.3＝Pi(0.042)1.3

Pi＝45.48巴

应用混合气体定律可算出混合物燃前温度：

PeVe/Te＝PiVi/Ti

(0.738)(1)/222＝(45.48)(0.042)/Ti

Ti＝575°K＝302℃

因此室温为27℃时，压缩比CR为24的内燃机，其混合物燃前压力为46巴，温度为302℃(此温度恒定不变)，如上文所示，该温度比一般内燃机的温度低。此原理可用来实现任何所需的燃前温度，生产可使用任何燃料的发动机，在不损失发动机效率的情况下使用多种燃料。

“版本I”内燃机的进气过程不仅可在曲轴转动到0°时开始，还能在压缩冲程末或在曲轴转动到240°时开始。此时进气阀将打开，压缩后的气体将进入气缸，进气过程将在曲轴转动到大约294°时结束，此时，进气阀关闭，空气与燃料混合物将不能进入气缸。此时进气量Vt依然大约为发动机气缸Ve的3/10，气体也经过压缩机压缩。此方案的不同点在于，因为进行的是冷做功，所以混合物不需要被冷却到非常低的温度，混合物将保持温度318°K，压力3.53巴，此后，压力还将在压缩冲程中继续升高。该方案也就是“版本IA”(见图2A)。

接下来，我们将标准内燃机和带有预压缩的“版本I”内燃机的效率进行比较。假设发动机气缸内混合物燃料燃烧释放的能力能提高缸内温度，继而将缸内气压提高2.5倍，而且燃烧过程中，压缩气体的体积保持不变，那么可对这些内燃机进行如下比较。

1–标准内燃机性能，CR＝8:

燃烧后，应用混合气体定律公式可得：

PiVi/Ti＝PfVf/Tf

(14.92)(0.125)/560＝(37.3)(0.125)/Tf

Tf＝1,400°K

其中，Pf是燃烧后的气压，Vf是燃烧后缸内空间，Tf是燃烧后缸内温度。因为我们假设燃烧过程十分迅速，所以缸内空间在此过程中不变，即Vf＝Vi＝0.125升。

做功冲程中，应用气体绝热过程公式(空气压缩系数为1.3)，可计算出废气气压Px:

Pf(Vf)1.3＝Px(Ve)1.3

(37.3)(0.125)1.3＝Px(1)1.3

Px＝2.5巴

排气冲程前，应用混合气体定律公式，可计算出废气温度Tx:

PfVf/Tf＝PxVe/Tx

(37.3)(0.125)/1,400＝(2.5)(1)/Tx

Tx＝751°K

因此，标准内燃机的废气气压Px＝2.5巴，废气温度Tx＝751°K。

2–带有预压缩的内燃机“版本I”性能，CR＝24：

燃烧后，应用混合气体定律公式可得：

PiVi/Ti＝PfVf/Tf

(45.48)(0.042)/575＝(113.7)(0.042)/Tf

Tf＝1,437°K

其中，Pf为燃烧后的气压，Vf是燃烧后缸内空间，Tf是燃烧后缸内温度。如果我们考虑到燃烧过程十分迅速，缸内空间在此过程中不变，那么Vf＝Vi＝0.042升。

Pf(Vf)1.3＝Px(Ve)1.3

(113.7)(0.042)1.3＝Px(1)1.3

Px＝1.84巴

排气冲程前，应用混合气体定律公式，可计算出废气温度Tx:

PfVf/Tf＝PxVe/Tx

(113.7)(0.042)/1,437＝(1.84)(1)/Tx

Tx＝554°K

因此，带有预压缩的CWPSC内燃机“版本I”的废气气压Px＝1.84巴，比标准内燃机的2.5巴小，其废气温度Tx＝554°K，比标准内燃机的大约低200℃。因此，带有预压缩的内燃机中，相较于标准内燃机，更多能量转化成功，即燃烧热量转换为机械能的效率更高。

图1中，图解了带有预冷压缩20的单缸发动机四冲程内燃机，称为“版本I”。内燃机区域1包含一个预压缩机2，一个燃烧气缸(发动机气缸)8，以及一个风冷散热器4。此模型中，燃烧气缸8以及压缩机2都与同一个曲轴9和飞轮17相连。因其发动机的四冲程循环19，压缩机2在每个完整的四冲程循环中将完成两个压缩冲程循环。因此，每个四冲程循环中，压缩机将摄入、压缩等于其容量两倍的气体。

图2是典型的单缸发动机四冲程内燃机一个循环的示意图19，包含一个简短的进气过程11(0°-71°)，冷空气做功过程13(71°-180°)，压缩过程14(180°-360°)，热空气做功过程12(360°-540°)，以及排气过程15(540°-0°)。压缩比CR10为24:1。

压缩气缸2和燃烧气缸8的相对容量值决定了压缩气体压力Pc。图1中，燃烧气缸8容量为1升，压缩气缸2容量为0.5升，因此，内燃机每个循环中，压缩机2都要摄入、压缩1升空气。若摄入空气的气压为Pa，气温为Ta，应用混合气体定律可计算出压缩气体气压Pc大约为4.78巴，气温Tc大约为157°C。如果增加压缩气缸2相较于燃烧气缸8的容量，可将Pc以及Tc提高到所需数值。

气压为Pc，气温为Tc的压缩气体储存在具有压力阀5的储气缸3中，压力阀能将气压保持在设计值Pc。随后，在气体体积不变的情况下，储气缸3中的压缩气体被释放到风冷散热器4中。散热器18散热速度由风扇速度控制。

在压力感应器5数值和散热器前的节流阀21的基础上，散热速度的控制可由一个中央处理器(CPU，未展示)调节，以达到发动机气缸的目标进气温度Tt。考虑到燃料的自燃点以及发动机的设计压缩比CR，选定合适的进气温度Tt能避免爆震。此外，可通过程序控制中央处理器，实现发动机气缸进气的不同温度Tt，进而避免在不同压缩比和(或)不同燃料自燃点的情况下，发动机发生爆震。

图12和12A代表标准1升自燃机(CR＝8)的气压–容量图(P-V diagrams)42，其中：

a–发动机压缩所消耗的功＝2.010PV/冲程，

b–发动机做功所获取的功＝5.035PV/冲程，

c–排气时无法获取继而流失的功＝1.880PV/冲程，

d–通过燃烧燃料发动机获得热量，气压提到2.5倍，

e–发动机获取的功＝3.025PV/冲程。

发动机效率的简化计算：E＝3.025/4.905＝61％

同时，图13和13A代表一个假想的标准1升内燃机的气压–容量图43，假设其压缩值CR＝24，忽略燃前温度，并与“CWPSC”内燃机进行比较：

a–发动机压缩所消耗的功＝4.33PV/冲程,

b–发动机做功所获取的功＝10.72PV/冲程,

c–排气时无法获取继而流失的功＝2.15PV/冲程,

d–通过燃烧燃料发动机获得热量，气压提到2.5倍，

e–发动机获取的功＝6.39PV/冲程。

发动机效率的简化计算：E＝6.39/8.54＝75％。

图14和14A代表一个1升CWPSC“版本I”内燃机的气压–容量图44，压缩比CR＝24，并与一个标准内燃机或一个标准的“假想”内燃机进行比较：

a–发动机压缩所消耗的功＝1.99PV/冲程,

b–发动机做功所获取的功＝8.18PV/冲程,

c–排气时无法获取继而流失的功＝1.075PV/冲程,

d–通过燃烧燃料发动机获得热量，气压提到2.5倍，

e–发动机获取的功＝4.465PV/冲程,

f–压缩机所消耗的功＝1.09PV/冲程,

g–冷却过程中流失的功＝0.635PV/冲程。

发动机效率的简化计算：E＝4.465/5.54＝81％。

如果本内燃机各项参数保持不变(除内燃机大小以外)，由于内燃机外形较小(相对于输出功率来说)，如果能将发动机容量提高，比如从1升提高到1.3升，那么做功过程得到延长，发动机的效率就能得到提高。此情况下，因为进气量任然保持0.3升，压缩比CR将从24提高到31，而进气开始时曲轴的转动度数将从71°降低到61°。因为排气过程中流失的功减少了，所以效率得到提高(见图14B，气压–容量图)。此例中，发动机效率的简化计算E＝5.05/5.54＝91％，其中“f”表示排气过程中的功从1.075PV/冲程降低到0.49PV/冲程，“h”表示由于发动机容量提高而捕捉到的额外的功，此例中，该数值为0.585PV/冲程。所有版本的“CWPSC”内燃机都能如此提高效率。

带有预压缩的内燃机“版本II”和“版本II(A)”

如图3-5，版本II中，内燃机的压缩机容量比发动机容量大，即Ve<Va。相较于发动机输出功率，发动机外形是较小的，举例来说，此发动机气缸容量Ve＝0.3升，压缩机气缸容量Va＝1.2升。本内燃机中，压缩机气缸有两个作用。首先它能在半个内燃机循环中(曲轴转动180°到540°)完成吸入和压缩空气，其次能在另一半内燃机循环中作为做功过程的延长以及排气气缸(曲轴转动540°到720°或0°：延长做功过程；曲轴转动720°或0°到180°：排气过程)。在设计允许的前提下，压缩气缸越大，内燃机效率越高。压缩气体气压Pc由节流阀或排气阀调节。这种内燃机的实际压缩比CR并不是发动机气缸容量和燃烧室容量之比，而是由以下公式算出：

CR＝Pt*cr

其中，Pt为发动机气缸中进气气压，cr为名义上的发动机压缩比，此例中等于7.14(cr＝0.3/0.042＝7.14)。因此，压缩比为：

CR＝3.53*7.14＝25.20

不同于“版本I”，这种内燃机的进气过程没有受到简化，而是正常进行，和标准内燃机中一样，曲轴从0°转动到180°，空气与燃料混合物的压力也一样，等于Pt。压缩过程中曲轴正常地从180°转动到360°，做功过程中曲轴也正常地从360°转动到540°。唯一的不同是，曲轴从540°转动到720°，发动机内的热气流出时(也就是排气冲程)，压缩气缸的膨胀阀将打开，热气随即流入压缩气缸，做功冲程受到延长，这时热气仍然含有大量能量，大约占内燃机总产能的一半。连接发动机气缸和压缩气缸的是一个隔热的短通道，如图8所示。这种设计能捕捉大量能量，而具体能捕捉到多少决定于压缩机容量Va。

我们称这种内燃机为带捕捉功能的内燃机，因为它能在压缩机气缸中或涡轮中捕捉到未使用的能量(为了避免混淆，这种装置并不是一般的能将空气推入涡轮机中的涡轮增压装置，而是一种具有完全不同承载量的截然不同的装置)。本版本的发动机参数计算也适用于第一个版本，“版本I”。

本例中(一个等压过程)，因为Pt＝Pe＝3.53巴，应用已知公式可得：

Pe(Ve)1.3＝Pi(Vi)1.3

(3.53)(0.3)1.3＝Pi(0.042)1.3

Pi＝45.48巴

应用混合气体定律，压缩混合物燃前温度Ti可如下计算：

PeVe/Te＝PiVi/Ti

(3.53)(0.3)/318＝(45.48)(0.042)/Ti

Ti＝574°K＝301℃

假设燃烧室容量不变，通过燃烧燃料发动机获得热量，气压提高2.5倍：

PiVi/Ti＝PfVf/Tf

(45.48)(0.042)/574＝(113.7)(0.042)/Tf

Tf＝1,435°K

应用气体绝热过程公式(空气压缩系数为1.3)，可计算出从发动机流出气体的气压Pu为(热气还未被排出内燃机)：

Pf(Vf)1.3＝Pu(Ve)1.3

(113.7)(0.042)1.3＝Pu(0.3)1.3

Pu＝8.83巴

应用混合气体公式，可计算出气体流出发动机前的温度Tu:

PfVf/Tf＝PuVe/Tu

(113.7)(0.042)/1,435＝(8.83)(0.3)/Tu

Tu＝796°K

因此，Pu＝8.83巴以及Tu＝796°K代表大量需要被捕捉的能量。这些能量将被容量为Va的压缩/做功气缸捕捉：

Pu(Vf)1.3＝Px(Va)1.3

(8.83)(0.3)1.3＝Px(1.2)1.3

Px＝1.46巴

应用混合气体公式，可计算出排气过程开始前废气温度Tx:

PuVe/Tu＝PxVe/Tx

(8.83)(0.3)/796＝(1.46)(1.2)/Tx

Tx＝526°K

图3展示了第二个模型22，带预冷压缩单缸发动机的四冲程内燃机“版本II”。本内燃机中，压缩机气缸2的作用是捕捉从发动机气缸8流出的剩余能量，除此以外，本内燃机和第一个模型20运行方式一样。压缩机气缸2的作用是双重的，其一它能压缩空气，其二它能捕捉发动机剩余能量。压缩机气缸2比发动机气缸8大，其CR值为25.2。

图4展示了第二个模型22，带预冷压缩单缸发动机的四冲程内燃机“版本II”的冲程循环图23，包括其压缩比10，进气11、压缩14、做功12以及热气流出发动机气缸的过程15。

图5展示了压缩机气缸2中延长的做功过程，包括吸入空气25，压缩空气27，延长的热气做功过程26，以及排气过程28。

图6展示了第三个模型32，带预冷压缩单缸发动机的四冲程内燃机“版本IIA”。除了压缩机气缸可能被轴流式压缩机29取代，延长做功过程在涡轮30中实现外，此内燃和上一个模型22运行方式一样。涡轮可在当下立即将延长做功过程中产生的能量用于内燃机的运行，也能将能量储存在电池31中，供以后使用。涡轮30由发动机气缸8中剩余热气的能量驱动，涡轮和曲轴之间可能由一个齿轮箱连接。

图7展示了发动机气缸8做功过程。多余能量被涡轮30捕捉。发动机摄入11由轴流式压缩机29压缩后的空气，发动机气缸压缩14空气与燃料混合物，发动机气缸做功12，以及发动机内的热气流入涡轮15。

图8展示了发动机气缸8和压缩/延长做功单元34的结合。多余能量被压缩机气缸2捕捉。发动机气缸进气阀38，发动机气缸热气出口阀35，双用途的压缩机/做功气缸2，压缩机/做功气缸热气进气阀36，发动机气缸8到压缩机/做功气缸2之间的隔热通道39，以及压缩机/做功气缸排气阀37。

图9展示了内燃机的压缩机/延长做功单位33。多余能量被压缩机气缸捕捉2。图还展示了压缩机/做功单位2的内部运行过程，包括热气进气阀36，出气阀37，压缩机空气吸气阀40，以及压缩机压缩空气出口阀41。

图15和15A代表了0.3升CWPSC内燃机“版本II”的气压–容量图，其真实压缩比CR＝25.2，与一个标准内燃机或一个标准的“假想”内燃机相比较：

a–发动机压缩所消耗的功＝1.99PV/冲程,

b–发动机做功所获取的功＝4.925PV/冲程,

c–排气时无法获取继而流失的功＝0.655PV/冲程,

d–通过燃烧燃料发动机获得热量，气压提到2.5倍，

e–内燃机在延长的做功过程中获取的功＝3.67PV/冲程,

f–发动机获取的功＝4.88PV/冲程,

g–压缩机所消耗的功＝1.725PV/冲程。

发动机效率的简化计算：E＝4.88/5.535＝88％。

带有预压缩的内燃机“版本III”

此版本中，和第一个版本一样，内燃机压缩机的容量和发动机容量相同。“版本III”和“版本I”的区别是，第一个版本中发动机进气量比发动机气缸容量小，Vt＝0.3Ve，而第三个版本中发动机进气量和发动机气缸容量相同Vt＝Ve，但是压缩空气在进入气缸之前会经过一个储气缸，通过收窄通道或减压阀，缸内气压下降，气体并发生膨胀，因此，进气气压会下降至0.7巴到0.89巴(受到室温影响)。假设压缩空气已被散热器冷却至318°K，进气时，气温会下降到Te＝222°K或-51℃(此数值恒定不变)。此例中，气压会在气缸管口处下降到Pe＝0.74巴，因此进气时其温度会下降到Te＝222°K。我们称这种内燃机为“CWPSC冷空气内燃机”。此例中，由于进气温度较低，因此CR值较高为24。随后，如同标准内燃机一样，进气过程将正常进行，曲轴从0°转动180°。由于在冷却过程中能量流失更多，此内燃机比前两个版本内燃机的效率略低，但仍然比标准内燃机效率高。本版本的内燃机参数计算也适用于第一个版本。应用“版本I”中的相同公式，排气气压Px＝1.84巴，排气气温Tx＝554°K。

另一个可选的设计是改变“版本III”进气过程的发生时间。如上文所述，进气过程中，曲轴由0°转动到180°，而在这个设计中，进气冲程快结束时，开始进气，此时曲轴转动到接近180°，因此进入发动机气缸的压缩气体只占发动机气缸容量的1/3。如此一来，发动机气缸本身起到做功气缸6的作用(见图10)，因此做功气缸6可以省去。

图10图解了第四个模型20，带预冷压缩20单缸发动机四冲程内燃机“版本III”。此版本和“版本I”20相似。此内燃机1包括一个预压缩机2，一个燃烧气缸(发动机气缸)8，和一个风冷散热器4。此版本中，燃烧气缸8和压缩机2与同一个曲轴9和飞轮17相连接。由于是四冲程循环19，每个冲程循环中，压缩机2将完成2个压缩冲程，因此，压缩机2将摄入、压缩等于两倍压缩气缸容量的空气。随后，压缩气体经过风冷散热器4冷却，在储气缸6内膨胀，此时通过一个空心通道(未展示)，气体温度和气压将迅速下降。

图11为单缸发动机四冲程内燃机的第四个模型“版本III”的内燃过程图19，包括了一个正常的进气11(180°)、压缩14、做功12和排气15冲程。其压缩比CR10为24:1。

图16和16A代表1升CWPSC内燃机“版本III”的气压–容量图，其压缩比CR＝24。与一个标准内燃机或一个“假想”的标准内燃机进行比较：

a–发动机压缩所消耗的功＝3.275PV/冲程,

b–发动机做功所获取的功＝8.81PV/冲程,

c–排气时无法获取继而流失的功＝1.245PV/冲程,

d–通过燃烧燃料发动机获得热量，气压提到2.5倍，

e–发动机获取的功＝3.81PV/冲程,

f–进气前压缩空气所消耗的功＝1.730PV/冲程。

发动机效率的简化计算：E＝3.81/5.055＝75％。

“标准”内燃机和“CWPSC”内燃机效率比较

图12和12A为一个标准单缸发动机四冲程内燃机内燃过程42的气压–容量图，其压缩比CR＝8，发动机气缸容量Ve＝1升。假想的2.02升发动机容量代表一个不存在的做功量，废气气压变为1巴时，发动机容量变大，此时不论废气温度Tex为多少，发动机将无法继续做功。本气压–容量图代表一个发动机容量为1升的内燃机中，1个完整的冲程循环或2圈完整的曲轴转动所做的功。当废气气压变为1巴(即大气压力)时，其不存在的发动机容量Vex可如下计算：

Pf(Vf)1.3＝Pa(Vex)1.3

(37.3)(0.125)1.3＝1(Vex)1.3

Vex＝2.02升

在排气冲程开始前，应用混合气体定律公式可计算出一个发动机容量为2.02升的不存在的内燃机的废气温度Tex：

PfVf/Tf＝PaVex/Tex

(37.3)(0.125)/1,400＝(1)(2.02)/Tex

Tex＝607°K

其中，Pa为大气压力，为了捕捉到尽可能多的功，Vex假想的发动机气缸容量。

简化的发动机效率为所获取的功除以总做功与发动机容量膨胀时流失的功之和，根据此气压–容量图，发动机效率只有61％。此简化计算公式忽略了因摩擦而流失的能量，发动机的热量流失，以及废气达到大气压力1巴后的温度。根据上文假想的发动机容量，这个温度为607°K或334℃(因为虽然废气中仍含有热量但却不能再做功)。

图13和13A为一个假想的标准单缸发动机四冲程内燃机内燃过程43的气压–容量图，其压缩比CR＝24，发动机气缸容量Ve＝1升。该模型忽略了燃料的自燃点(假设该燃料存在)。分析此假想内燃机的目的是，与标准四冲程内燃机和四冲程“CWPSC”内燃机的效率相比较。事实上，此内燃机应该具有柴油内燃机的一切特点：只压缩空气，燃料自燃点并不重要。此内燃机的简化效率大约为75％。

图14、14A、15、15A、16和16A为一个单缸发动机四冲程“CWPSC”内燃机(“版本I”、“版本II”、“版本II(A)”以及“版本III”)内燃过程43至46的气压–容量图，其压缩比CR分别是24、25.2、25.2和24。在这些气压–容量图中可见，这些内燃机的简化效率都比效率为61％的标准四冲程内燃机高，跟简化效率为75％的假想四冲程内燃机效率相同(只有“版本III”与之相同)或比其更高。

如之前的气压–容量图所示，四冲程“CWPSC”内燃机效率不仅超过标准的SI-ICE内燃机，甚至等于或超过柴油内燃机效率。这样的效率无疑是卓越的，将“CWPSC”内燃机与所有其他SI-ICE发动机(效率都比柴油内燃机低)清楚地区分开来。

本发明的关键是在压缩气体进入发动机气缸前将其冷却，这样的设计让我们得以精确压缩气体进气前的温度Ti和气压Pi，以适应各种压缩比和燃料类型。通过中央处理器(CPU)控制冷却速度，发动机可适应一系列的压缩比和燃料。由于“CWPSC”内燃机的高效率，此原理可应用到所有其他内燃机上，包括柴油内燃机。

虽然本文展示了本发明的优选方案，但在不背离本发明范围和精神(在附带的主张中有明确说明)的前提下，可以实现增添、修改以及替换部件，相信专业人士能够体会其中的优势。

上文所用以及下文将要用到的上止点(TDC)表示活塞离气缸顶最近的位置，下止点(BDC)表示活塞离气缸顶最远的位置。气缸总容量表示从上止点到下止点之间的气缸容量。

Claims

1.一个四冲程火花点火式内燃机包括：

一个或多个发动机气缸，每个气缸有一个总气缸容量，一个进气量，一个上止点(TDC)，一个下止点(BDC)。每个气缸中有一个往复运动的活塞，活塞与一个曲轴和一个飞轮机械地相连接。每个气缸中进行一个四冲程循环，包括一个进气冲程，这个过程中活塞朝气缸下止点运动，将空气与燃料混合物吸入气缸中，随后的压缩冲程中，活塞朝气缸上止点运动，将空气与燃料混合物压缩到燃前体积。随后，火花将空气与燃料混合物点燃，推动活塞向下止点运动，即做功冲程。随后的排气冲程中，活塞朝上止点运动，在下一个进气冲程开始前将废气挤出气缸。其中，进气量与燃前压缩体积之比为压缩比；

一个或多个预压缩机，每个压缩机都有一个气体容量，每个压缩机将气压为大气压力，温度为室温的气体进行压缩，压缩后的气体具有进气前温度以及进气前气压(2.1巴)；

一个或多个散热器，压缩后的气体在散热器中得到冷却，体积保持不变，气压升高超过1.8巴，气温变为进气温度，比此前温度下降至少50℃。进气气体随后与燃料进行混合；

不论室温如何，散热器对气温进行调控使进气气温保持恒定不变。进气气温始终保持比燃料自燃点低。

2.根据权利要求1中所述的内燃机，其中散热器能够调节进气温度，因此可实现多个压缩气体燃前温度，每个燃前温度对应一个压缩比，或燃料自燃点，或两者的结合。

3.根据权利要求1和2中所述的内燃机，其中每个预压缩机都包括一个压缩机气缸和一个压缩机活塞，而每个压缩机气缸都有一个总气缸容量，一个上止点和一个下止点，压缩机活塞和曲轴以及飞轮机械地相连接。在压缩机运行时，四冲程循环也在同时进行。压缩过程包括四个阶段，首先是进气阶段，这期间压缩活塞向下朝压缩气缸的下止点运动，吸入一部分体积等于压缩机气缸总容量的空气，随后是第一个压缩阶段，这期间压缩机活塞向上朝压缩机气缸上止点运动，将第一部分空气压缩进储气缸。然后是压缩机的第二个进气过程，这期间压缩机活塞向下朝下止点运动，并吸入第二部分体积等于压缩机气缸总容量的空气，紧接着是第二个压缩阶段，这期间压缩机活塞向上朝上止点运动，将第二部分空气压缩进储气缸。在储气缸中，经过压缩的两部分空气结合到一起，形成压缩后进气前气体。

4.根据权利要求3中所述的内燃机，其中压缩机气缸总容量是发动机气缸总容量的一半。

5.根据权利要求4中所述的内燃机，其中发动机进气量不到发动机总容量的一半，而进气冲程在发动机活塞到达发动机下止点之前终止。

6.根据权利要求3中所述的内燃机，其中发动机进气量等于发动机总容量，而进气冲程在发动机活塞到达发动机下止点之时终止。

7.根据权利要求6中所述的内燃机，其中进入发动机气缸的气体至少比其进入发动机之前低50℃。气体在储气缸中膨胀，膨胀气体的温度受到储气缸的控制，所以此时气体的温度比燃前温度低，即比燃料自燃点低。

8.根据权利要求6中所述的内燃机，其中进气冲程之间，压缩气体膨胀，进入发动机气缸，此时活塞接近气缸的下止点。进入发动机气缸的气体至少比其进入发动机之前低50℃。气体在发动机中膨胀，膨胀气体的温度受到控制，所以此时气体的温度比燃前温度低，即比燃料自燃点低。

9.根据权利要求1和2中所述的内燃机，其中预压缩机都包含一个压缩机气缸和一个压缩机活塞，压缩机气缸有一个气缸总容量，一个上止点和一个下止点。压缩机活塞与曲轴和飞轮机械地相连接。在压缩机运行时，四冲程循环也在同时进行。压缩-排气过程包括四个阶段，首先是进气阶段，这期间压缩活塞向下朝压缩气缸的下止点运动，吸入体积等于压缩机气缸总容量的空气，紧接着是压缩阶段，这期间，压缩机活塞向上朝压缩机上止点运动，将空气压缩到一个储气缸中。随后是一个排气/做功阶段，这期间，发动机气缸的废气膨胀进入压缩机气缸，推动压缩机活塞往下朝压缩机下止点运动。随后是一个排气阶段，这期间，压缩机活塞向上朝压缩机上止点运动，将废气挤出压缩机气缸。

10.根据权利要求9中所述的内燃机，其中压缩机气缸总容量等于或大于发动机气缸总容量。

11.根据权利要求10中所述的内燃机，其中一些或所有的预压缩机都是轴流式空气压缩机，在发动机的排气冲程期间，从发动机排出的废气都被挤到排气涡轮中，也就是说废气推动排气涡轮运动，排气涡轮从废气中获得能量。