CN110344939A - 内燃机及其设计制造方法 - Google Patents

Abstract

内燃机及其设计制造方法,本发明是一种内燃机新方案，从理论上引入了新的能量转换方式，内燃机通过构造弹性储能结构，附加了工质内能转化为弹性势能再转化为负荷能的过程，实现了工质内能的能量迅速转化，可以降低和控制燃烧的最高温度和最高压力，可以实现大幅度提高内燃机的压缩比，大幅度提高内燃机的热效率，有效提升机械效率，并且能够同时大幅度降低有害物的排放，还能够大幅度提高内燃机的动力性能、功率和升功率，有效减小单位排量机身质量，提高功率质量比，甚至可以实现往复活塞式燃油一体发动机，可以使用各种燃油燃料，为内燃机和各种燃料的应用开拓了新的、宽广的前景。

Description

内燃机及其设计制造方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机。

背景技术

内燃机是一种燃料在机器内部燃烧释放能量转换为动力对外做功的热力发动机，根据结构分类可以分为喷气发动机、活塞式发动机等；喷气发动机可以分为带氧化剂的火箭发动机和不带氧化剂的空气喷气发动机，空气喷气发动机包括冲压发动机、脉冲发动机、涡轮发动机；涡轮发动机又包括涡轮喷气发动机（或称作涡喷发动机）、涡轮风扇发动机（或称作涡扇发动机）、可变循环喷气发动机、燃气轮机等；活塞式发动机又可以分为往复活塞式发动机、旋转活塞式发动机（转子发动机）和自由活塞式发动机等，内燃机应用最普遍的是往复活塞式发动机，本发明方案主要就往复活塞式发动机进行论述说明，以下说明的内燃机一般指往复活塞式发动机，当涉及到其他发动机的地方时也一并说明。往复活塞式发动机按着火方式可以分为点燃式和压燃式两类，按燃料可以分为汽油机、柴油机、天然气发动机、LPG发动机、乙醇发动机和双燃料发动机等，通常普遍使用的是汽油机和柴油机。气体燃料和汽油抗爆性差，容易产生爆燃，故一般使用点燃着火方式；柴油抗爆性好，所以柴油机都使用压燃着火方式。

从内燃机的历史来看，1860年法国的莱诺依尔(Lenoir)发明了第一台实用煤气机，其热效率低于5%；1876年奥托(Nikolaus August Otto)发明了四冲程内燃机，热效率达到14%，到1884年，热效率已达到20%；1892年德国的狄塞尔(Diesel)发明压燃式柴油机，热效率达到26%；此后一百多年直到现在，内燃机经过不断的改进，出现了很多新的技术，比如增压技术、可变气门技术等等，内燃机热效率有了较大的提高，现在的汽油机热效率一般为35%左右，最高达到40%，柴油机热效率一般为40%左右，最高达到46%左右；涡轮发动机和旋转活塞式发动机（转子发动机）的热效率一般要低较多，但要进一步提高内燃机热效率变得极为困难。另一方面，内燃机的排放物会造成环境污染，排放的有害物质主要有：硫氧化物（主要为二氧化硫SO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、颗粒物（PM）、臭气（主要为各种不完全燃烧的产物，如各种醛类）、二氧化碳（CO2）等，还有噪音污染，早期的汽油中还含有用于抗爆的铅化物，现在都全部采用无铅汽油，含铅物已极少；大部分国家都实施环境保护制定了各自的排放标准，并且排放标准的要求越来越严格，欧洲从1992年开始实施欧Ⅰ标准，1996年实施欧Ⅱ标准，2000年实施欧Ⅲ标准，2005年实施欧Ⅳ标准，2008年实施欧Ⅴ标准，2014年实施欧Ⅵ标准，而欧Ⅵ标准与之前的标准相比，各项排放物都有了极大的降低；中国从2001年4月开始实施国Ⅰ（相当于欧Ⅰ）标准，从2004年7月开始实施国Ⅱ标准，2007年7月实施国Ⅲ标准，2010年至2014年逐步实施国Ⅳ标准，2018年实施国Ⅴ标准，到2020年将实施国Ⅵ标准，而目前中国国内汽车厂家的产品大部分都未能达到国Ⅵ标准。

提高内燃机热效率的方法有增大压缩比（和膨胀比）、增压技术、米勒循环技术、燃油缸内直喷技术、排气再循环技术、优化燃烧过程、优化进排气系统、减少摩擦损耗、减少散热损失等等，但最主要手段是增大压缩比。目前汽油机的压缩比普遍在9--12之间，最高的马自达发动机压缩比甚至达到14；柴油机的压缩比目前普遍为12--22之间，最大甚至可达到25，但要增大压缩比受到多方面的限制，一方面是机体材料的限制，特别是汽油机，较大的压缩比会导致汽油燃烧更加剧烈，并产生高温高压，容易产生爆燃，引起发动机爆震，从而损害发动机的机体，另一方面是高温高压环境下，更易产生氮氧化物（NOx），因此有的设计为了能达到更高的气缸压力，使用了排气后处理的催化还原技术（SCR），甚至使用了降低空燃比和排气再循环技术（EGR），随着燃烧氧气量的减少，确实可以提高气缸压力和减少氮氧化物的产生，但由于缺氧燃烧却又容易生成一氧化碳，增加了新的有害排放物，所以，随着排放法规的日益严格，在现有的技术条件下，压缩比适当下调才更有利于降低氮氧化物和一氧化碳的生成，适当降低效率才能有效减少有害排放，故而现在有很多柴油机设计其压缩比在14--16之间，其压缩比与以前比较有所下降，以降低内燃机热效率来达到减少有害排放的目的。

由于往复活塞式发动机相对成熟，很多新技术都得到了应用，在符合越来越严格排放标准的情况下，即使想要内燃机热效率作一点点的提高也变得极为艰难。

提高内燃机热效率和减少有害排放虽然取得了较大的进步，汽油机热效率最高达到40%，柴油机热效率最高达到46%，但总体上来说还是十分不理想，内燃机热效率距离一半都相差甚远，也就是说燃油的一大半都没被利用而浪费掉了，进一步提高内燃机热效率和有效减少有害排放成为当前内燃机难以解决的难题。

参考文献：

1.《内燃机学》，机械工业出版社，主编：刘圣华，周龙保，副主编：韩永强，王忠。

2.《内燃机原理》 ，华中科技大学出版社，主编：刘永长。

3.《内燃机先进技术与原理》 ，天津大学出版社，编著：姚春德。

4.《内燃机设计》 ，机械工业出版社，编著：袁兆成。

5.百度百科词条：“内燃机”，“往复活塞式内燃机”，“汽车排放标准”。

发明内容

为了解决内燃机热效率低下和降低有害排放的难题，本发明提供了一种内燃机的新方案，在内燃机的理论原理上有了新的发展，从理论和设计制造上大幅度提升了内燃机热效率，并且能够同时有效地大幅度降低有害物的排放，还能大幅度提高内燃机的动力性能和升功率，有效减小单位排量机身质量，提高功率质量比（功重比）。

为了更清楚地说明本发明的内燃机新方案，以现在的四冲程往复活塞式发动机为例，先分析内燃机的工作过程和能量转换过程。四冲程往复活塞式发动机的工作过程是，由活塞运动形成进气、压缩、燃烧和膨胀做功、排气四个有序步骤过程形成一个工作过程，并且工作过程不断重复循环，这些过程中只有膨胀做功是对外做功的过程，其他过程都是为了更好地实现做功而需要的过程。发动机膨胀做功过程是工质燃气压力推动活塞直线运动做功，活塞通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力做功。很多书籍资料把内燃机定义为热能（或内能）转化为机械能的机器，本发明人认为这种说法是不正确的。从能量的角度来分析，首先所谓机械能是指动能和势能的总和，势能又分为重力势能和弹性势能，所以可以把动能、重力势能、弹性势能统称为机械能。内燃机通过燃料的燃烧，化学能转化为燃烧工质的内能，内能的一部分通过气缸温度散热消耗掉了，一部分工质内能推动活塞做功，部分做功能量作为摩擦消耗了，部分转化为机械动能（比如发动机加速），部分做功能量克服发动机的负载做功，还有一部分内能随尾气消耗了，成为尾气内能和尾气动能。负载是指发动机对外承受的阻力负担，对于不同的负载，其能量的转换方式是不同的，比如内燃机带动发电机发电，负载是发电机，其运行速度是固定的，所以其动能不变，其机械能也不变，只是内燃机通过动力传动，带动发电机转动，内燃机通过机械传动动力使得发电机克服电磁阻力做功，内燃机内能通过动力传动间接转化为电能；对于汽车的能量转换来说，汽车发动机通过机械将动力传递到车轮，克服车轮的摩擦阻力做功，其做功的能量一部分转化为摩擦热能，一部分克服空气阻力做功，加速时一部分做功能量转化为汽车的动能，从整体上看，发动机内能通过机械的动力传动做功，消耗转化成了多种能量；所以负载并不一定是机械能，可以是转化各种的多种能量形式，为方便清晰起见，这里定义负载消耗的做功能量为负载功，或者称作负载能。内燃机的摩擦阻力、动能阻力和负载阻力等，都是内燃机除温度散热和尾气内能之外的消耗阻力，都属于内燃机的机械阻力，这里定义为内燃机的负荷，定义负荷消耗的做功为负荷功或负荷能，也就是阻力耗费的能量。这样内燃机的能量过程就可以清楚简单地简化为：

工质内能 = 散热热能+尾气内能+负荷能（或负荷功）

负荷能（或负荷功）= 摩擦消耗能量+发动机动能增量+尾气动能+负载能(负载功)

从以上可以看出，内燃机工质膨胀做功的过程就是工质内能转化为负荷能（负荷功）的过程，内燃机对外做功的过程就是工质内能转化为负载能（负载功）的过程。以上能量转化过程对所有内燃机都可以适用。

本发明方案采用与现有（指当前或传统的、在本发明方案之前的）内燃机能量转换不同的新方式，引入了新的能量转换过程，本发明方案在理论原理上能量的转化与现有内燃机有所不同，为了区分本发明方案与现有内燃机的能量转换方式的不同，以及更容易简单清楚说明，本说明把本发明方案独有和相关的阻力、能量和过程与现有内燃机的阻力负荷区别开来，只把现有内燃机的阻力方式定义为负荷，现有内燃机阻力消耗的能量定义为负荷能（或负荷功），而新方案增加的阻力和能量不归属于负荷和负荷能。这新方案就是：内燃机包含有弹性储能结构，弹性储能结构是一个具有弹性的结构，其功能作用是可以存储能量和迅速转换弹性势能；当燃烧工质膨胀做功所引起的力或力矩大于弹性储能结构的弹力或弹力力矩时，弹性储能结构发生弹性形变，工质内能转化为弹性储能结构的弹性势能，当弹性储能结构的外部应力小于其弹力时，储存的弹性势能转化为负荷能；也就是，内燃机燃烧工质膨胀做功过程中，其工质内能除转化为负荷能外，工质内能也可以转化为弹性势能，然后保存的弹性势能再转化为负荷能，即是附加了工质内能转化为弹性势能再转化为负荷能的过程。弹性储能结构由弹性材料组成，能够发生弹性形变，并储存能量为弹性势能，可以根据实际需要将弹性储能结构设计成需要功能的形状和结构；弹性储能结构的作用主要就是迅速转化能量、存储能量、确保发动机的顺畅运行，它本身可以不消耗能量。本发明方案内燃机能量转化过程可以表示如下：

内能与弹性势能转化：

工质内能 ——→ 散热热能+弹性储能结构弹性势能+负荷能（或负荷功）

弹性势能与负荷能转化：

工质内能+弹性储能结构弹性势能 ——→ 散热热能+尾气内能+负荷能(或负荷功)

这里要特别说明的是内燃机的弹性储能结构要与内燃机的负载相区别。内燃机的弹性储能结构是内燃机的一个组成部分，其参与内燃机对外的能量输出过程；负载是独立于内燃机的负担阻力，其不参与到内燃机的运作过程。即使负载是一个弹性装置也不是所谓的内燃机的弹性储能结构，一个明显的例子是内燃机带动一个压气机工作来制备压缩空气，压气机将空气压缩时是将机械做功转化为空气的内能（包括空气的弹性势能），但即使将两机器制作成为一个整体的机器，其中的压气机也不属于内燃机的弹性储能结构，因为压气机不是属于内燃机的一部分，其明显的区别是压气机没有参与到内燃机的运行，除了负载阻力外其没有任何其他作用于内燃机，而弹性储能结构则不同，其本身作为内燃机的一部分并参与内燃机的运作过程，并且其弹性势能的一部分能量作用于内燃机中的摩擦或动能消耗掉了。

一般来说内燃机燃烧过程十分迅速，相对地来说，现有内燃机的内能转化为负荷能的过程时间较长，本发明方案增加了工质内能转化为弹性势能再转化为负荷能的过程，弹性势能的转化过程可以十分迅速，使得工质内能可以迅速地转化为弹性势能并存储起来，然后再慢慢地转化为负荷能（或负荷功），极大地加速了工质内能的能量转化过程。工质内能的能量能够实现迅速转化，就可以使得工质内能的能量迅速减少，从而可以迅速降低工质燃气的温度和压力，这样既可以减少温度传热所引起的工质热能消耗散失，又可以减少高温高压对机体的损害和降低机体材料的使用标准，以节省内燃机制造成本和减轻单位排量机体质量，提高功率质量比（功重比），还可以达到实现减少生成尾气有害物的目的，尤其重要的是，由于实现工质内能的迅速转化，就可以降低和控制燃烧的最高温度和最高压力，这样就可以大幅度地提高内燃机的压缩比，也就能够极大幅度地提高内燃机的热效率。提高功率质量比（功重比）不但对普通发动机有很大的益处，特别是对航空发动机的应用具有十分重要的影响。减少尾气有害物的排放对保护环境和符合越来越严格的发动机排放标准也有重大的意义。根据现有的研究表明，一氧化氮（NO）的生成是随温度呈指数函数变化关系，当温度低于1800K时，一氧化氮（NO）的生成速率极低，而二氧化氮（NO2）又由一氧化氮（NO）生成，二氧化氮（NO2）含量与一氧化氮（NO）含量的比值一般不超过2%，所以只要保持工质燃气温度低于1800K，就可以极大地降低氮氧化物（NOx）特别是一氧化氮（NO）的产生，以实现大幅度地降低尾气氮氧化物（NOx）的含量。在无需考虑氮氧化物（NOx）生成的情况下，就可以采用比较大的空燃比，可以实现燃料的稀薄燃烧，过量的空气更容易实现充分的燃烧，还可以达到减少一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）排放的目的。

要实现内燃机增加工质内能转化为弹性势能再转化为负荷能的过程，一种内燃机构造和设计制造方法就是，在具体设计制造中，构造带有弹性的燃烧室或者是半刚性半弹性的燃烧室，此弹性燃烧室作为内燃机的弹性储能结构，内燃机的能量转化过程附加了工质内能转化为燃烧室的弹性势能再转化为负荷能的过程。在气体压缩过程中，燃烧室表现为刚性压缩或有限弹性压缩；在内燃机燃料燃烧和燃烧工质做功过程中，燃烧室表现为半刚性半弹性，当燃烧室压强等于或低于预设定值时，燃烧室体现为刚性，当燃烧室压强增加到大于预设定值时，燃烧室表现为弹性，并发生弹性形变，工质内能迅速转化为弹性势能，当燃烧室压强减小时，保存的燃烧室弹性势能转化为负荷能。其实所有物体受到压力都会产生形变或弹性形变，所谓刚性是指固体或固体组成组件的形状和形态不发生改变，与极其微弱的弹性形变无关；所谓有限弹性压缩，是指燃烧室的压缩可以产生较小的弹性形变，但并不影响燃烧室气体压缩的效果；弹性形变就是通常定义的固体受外力作用后物体各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体又恢复原状；半刚性半弹性是指某种特定条件下表现为刚性，在另一种特定条件下表现为弹性。除了前面所述的弹性储能结构的各项优点益处之外，弹性燃烧室能够有效地减小甚至避免燃烧室的粗暴燃烧，有效地减小甚至避免爆燃的发生，有效减轻机体振动和损害，同时能大幅度地减小燃烧噪音和机械噪音。

作为弹性储能结构的弹性燃烧室的一种设计制造方法是，燃烧室开有孔洞直接连接一个弹性气缸，弹性气缸与燃烧室共同组成半刚性半弹性空间形成弹性燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构。弹性气缸的特性是，弹性气缸可以是气体压力气缸，也可以是弹簧组成的弹性压力气缸，或者是其他弹性气缸，并且气缸被约束为一定预压力的压力气缸，所以能表现出半刚性半弹性的特性；在弹性气缸没有发生弹性形变时，燃烧室的体积与没有弹性气缸相比并没有差别，所以弹性气缸并不影响内燃机的压缩比；当弹性气缸活塞受到的压力大于弹力时，弹性气缸活塞就会移动，燃烧室的气体进入弹性气缸，压力减小时，弹性气缸活塞复位。当燃烧室的压强小于或等于预设定值时，弹性气缸表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；当燃烧室的压强大于预设定值时，弹性气缸被压缩，燃气进入弹性气缸空间，整个燃烧室发生弹性形变，燃烧工质膨胀做功，工质内能转化为弹性气缸的弹性势能；当燃烧室的压强减小时，弹性气缸恢复，弹性势能转化为负荷能。由弹性气缸所组成的弹性燃烧室具备前面所述的弹性储能结构的各项优点，特别是保护机体的作用明显，比如应用于喷气发动机的燃烧室，使得喷气发动机具有弹性燃烧室，弹性燃烧室可以有效地减小和避免爆燃的发生，可以避免损害机体和大幅度提高压缩比以大幅度提高发动机效率。

对于往复活塞式发动机，作为弹性储能结构的弹性燃烧室的一种设计制造方法是，往复活塞式发动机气缸与气缸盖之间可以活动以改变燃烧室的空间大小，发动机气缸与气缸盖之间是半刚性半弹性的连接，形成弹性燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构；当燃烧室的压强等于或低于预设定值时，其气缸与气缸盖之间为刚性不活动的，燃烧室空间不变；当燃烧室的压强大于预设定值时，其气缸与气缸盖之间作弹性移动，燃烧室空间增大，工质内能转化为气缸与气缸盖之间的弹性势能，当燃烧室的压强减小时，气缸与气缸盖之间位置弹性恢复，弹性势能转化为负荷能。一般来说气缸盖和气缸的质量（重量）都比较大，难以进行高速运动，所以此种结构也只能适合于较低转速的发动机。

对于往复活塞式发动机，作为弹性储能结构的弹性燃烧室的另一种设计制造方法是，构造弹性可变长度活塞，其活塞使用半刚性半弹性可变长度活塞，活塞的长度弹性可变，此活塞是弹性可变长度活塞，是一个弹性储能结构；发动机气缸、气缸盖、活塞一起构成半刚性半弹性的燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构；当燃烧室的压强等于或低于预设定值时，其活塞表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；当燃烧室的压强大于预设定值时，活塞表现为弹性，燃烧室也表现为弹性，活塞被弹性压缩，活塞长度缩小，工质内能转化为活塞中的弹性势能，当燃烧室的压强减小时，活塞长度弹性恢复，弹性势能转化为负荷能。

通过设计构造多级的不同弹性压力和相应可压缩长度就可以实现多级的活塞长度弹性可变，构成多级弹性变长活塞，以实现不同的多级压力下半弹性半刚性的特性和相应不同的多级长度弹性可变，可以实现更多的功能，并可以提高压缩比。例如，较大的弹力弹性只在燃烧室工质燃气压力较大时才发生长度缩小的弹性形变，在此基础上还可以再设置另一级较小弹力弹性，在较高负载和压力时，此级弹性长度完全被压缩，压缩表现与单级弹性完全一致，但当负载和压力相对比较低时，气缸吸入气体较少，在气体压缩时，此级弹力弹性只被部分压缩，活塞长度也只缩小一部分，使得在很少气体时压缩仍能保持较大的压力和较高的温度，相对地压缩比也动态地变得更高，很少的气体在压缩时也具备较高的温度和压力，也就更能容易燃烧，特别是对于压燃式发动机来说更容易压燃，在启动时更容易着火运行，在零负载怠速运行时可以更省油；在排气时，此较小级弹力长度完全申展为最大长度，使得排气更干净彻底；在进气时，此较小级弹力长度也完全申展为最大长度，使得气缸容积长度和容积变小，这就实现了米勒循环，使得压缩比小于膨胀比，进气时能有效减小进气能量消耗，而在膨胀做功时燃气又可以做更多的功，可以更好地改善提高机械效率。所以实现多级弹性变长活塞，可以提高压缩比，可以提高少量气体的初始压缩温度和压力，实现少量气体更容易燃烧，更容易启动，排气也更彻底，实现米勒循环，机械效率更高。

弹性可变长度活塞的一种设计制造方法是，构造内芯式弹性变长活塞，如图1所示，图1是内芯式弹性变长活塞构成弹性燃烧室结构图，图中标记：1.气缸盖，2.燃烧室，3.气缸，4.活塞外套，5.弹性层（弹簧组），6.活塞内芯，7.活塞销，8.活塞连杆。内芯式弹性变长活塞分为外套、内芯和弹性层等组成；外套的活塞顶与气缸、气缸盖一起组成燃烧室，外套与气缸接触并沿气缸直线运动；内芯包括活塞销座与连杆连接，内芯与连杆的连接与常规活塞类似，内芯不与气缸壁接触，内芯可以在外套内滑动，使得活塞销座与活塞顶部的距离可以变动以改变活塞的长度；外套内底部与内芯的顶部之间为弹性层，是受约束为半压缩的弹簧组或弹性材料的分隔层，弹性约束在弹性层两端之间，使得活塞在长度方向上具有半刚性半弹性的特性，这就构成内芯式弹性变长活塞。当活塞顶受到的压力等于或小于弹力时，活塞表现为刚性；当活塞顶受到的压力大于弹力时，活塞内的弹性层被压缩，活塞外套顶部与内芯的相对位置移动并且距离缩小，活塞的长度缩小，燃烧室的工质内能一部分转化为活塞弹性层的弹性势能；当活塞顶和连杆的受力减小时，活塞长度弹性复位，活塞的弹力推动连杆，活塞的弹性势能转化为负荷能。由于内芯可以一直全部浸润在润滑油中，所以内芯与外套之间为浸润式润滑摩擦，可以有效减小摩擦力。在燃烧室燃料燃烧时，当工质燃气压力大于活塞弹力时，活塞长度被迅速弹性压缩，此时侧压力几乎为零，并且活塞外套与内芯是浸润式润滑摩擦，故此时摩擦力极小，也就是活塞在摩擦力极小的情况下在气缸内移动了一段距离，可以有效大幅度减少摩擦损耗。

在内芯式弹性变长活塞中，把弹性层构造为串连的、不同约束弹力和相应不同压缩长度的多个弹性层，以构造内芯式多级弹性变长活塞，其具备前面所述的多级弹性变长活塞的各项优点和特性。

弹性可变长度活塞的另一种设计制造方法是，构造分离式弹性变长活塞，如图2所示，图2是分离式弹性变长活塞构成弹性燃烧室结构图，图中标记：1.气缸盖，2.燃烧室，3.气缸，5.弹性层（弹簧组），7.活塞销，8.活塞连杆，9.活塞顶盖，10.导行柱，11.销座部，12.活塞裙。分离式弹性变长活塞分为顶盖、销座部和弹性层等组成；顶盖为活塞密封燃烧室的顶部；销座部包括销座、活塞裙和导行柱，销座与连杆连接，活塞裙是指活塞与气缸接触并承受侧应力的结构，导行柱引导和约束活塞顶盖和弹性层的直线运动（比如有的活塞顶部与气缸盖相对角度位置不能改变，这就需要导行柱来固定方向）；弹性层在顶盖和销座部之间，由受约束为半压缩的弹簧组或弹性材料组成，弹性约束在弹性层两端之间，使得活塞在长度方向上具有半刚性半弹性的特性。所谓分离式是指活塞销座部（特别是包括与气缸接触的活塞裙）与活塞顶盖分开，这就使得活塞顶盖的受热很难传递到活塞裙，这样就不会发生一般活塞由于热传递使得活塞裙膨胀而导致的侧应力过大而引起的摩擦力大增，甚至导致拉缸或拍缸的现象，并且由于活塞裙的分离，可以实现活塞裙与气缸壁处于完全浸润式润滑的滑动摩擦，这两者可以使得活塞的摩擦阻力大幅度减小。当活塞顶盖受到的压力等于或小于弹力时，活塞表现为刚性；当活塞顶盖受到的压力大于弹力时，活塞内的弹性层被压缩，活塞顶盖与销座部的相对位置移动并且距离缩小，活塞的长度缩小，燃烧室的工质内能一部分转化为活塞弹性层的弹性势能；当活塞顶盖和连杆的受力减小时，活塞长度弹性复位，活塞的弹力推动连杆，活塞的弹性势能转化为负荷能。

分离式弹性变长活塞也可以构造多级弹性变长活塞，将弹性层构造为串连的、不同约束弹力和相应不同压缩长度的多个弹性层，以构造分离式多级弹性变长活塞，也同样具有前面所述的多级弹性变长活塞的优点益处。

对于往复活塞式发动机，作为弹性储能结构的弹性燃烧室的另一种设计制造方法是，构造弹性可变长度活塞连杆。活塞连杆是发动机中连接活塞和曲轴的部件，活塞作直线往复运动，活塞连杆将活塞的动力传递到曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。本发明方案是，构造弹性可变长度活塞连杆，发动机活塞连杆长度弹性可变，是半刚性半弹性的活塞连杆，此活塞连杆是一个弹性储能结构，使得发动机的气缸、气缸盖、活塞和活塞连杆一起构成半刚性半弹性的燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构；当燃烧室压强等于或低于预设定值时，活塞连杆表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；当燃烧室的压强大于预设定值时，活塞连杆表现为弹性，燃烧室也表现为弹性，活塞连杆被弹性压缩，工质内能转化为活塞连杆中的弹性势能，当燃烧室的压强减小时，活塞连杆长度弹性恢复，弹性势能转化为负荷能。弹性可变长度活塞连杆具备与弹性可变长度活塞类似的优点，并且由于在连杆被压缩时长度缩小，曲轴的力臂增大，在相同的压力下其做功的力矩更大，可以增强发动机的动力性能和机械效率。弹性可变长度活塞连杆也有不好的缺点，就是其构造比一般连杆更复杂、质量也更大，由于活塞连杆一般做不规则的摇摆运动，故其增加质量会对发动机的振动造成影响。

弹性可变长度活塞连杆的一种设计制造方法是，构造申缩式弹性变长活塞连杆，如图3所示，图3是申缩式弹性变长活塞连杆构成弹性燃烧室结构图，图中标记：1.气缸盖，2.燃烧室，3.气缸，5.弹性层（弹簧组），7.活塞销，13.活塞，14.导行约束杆，15.连杆小头，16.连杆大头，17.连杆盖，18.弹性杆身。申缩式弹性变长活塞连杆主要分为连杆小头、连杆大头、弹性杆身、连杆盖、连杆螺栓等部分组成，与现有活塞连杆不同的是，活塞连杆的杆身由刚性杆身改变成了弹性杆身，弹性杆身由导行约束杆和弹性层（弹簧组或其他弹性材料）组成，导行约束杆一方面确保活塞连杆的连杆大头和连杆小头在直线固定方向上运动，另一方面约束弹性层为半压缩状态，使得整个活塞连杆成为半刚性半弹性活塞连杆。当活塞连杆的连杆大头和连杆小头受到的压力等于或小于弹力时，活塞连杆表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；燃烧室的燃气膨胀做功，活塞顶受到的压力通过活塞销座传递到活塞连杆，当活塞连杆受到的压力大于活塞连杆弹力时，活塞连杆弹性压缩，活塞连杆的长度缩小，燃烧室的工质内能一部分转化为连杆的弹性势能；当活塞连杆的受力减小时，活塞连杆长度弹性复位，活塞连杆的弹性势能转化为负荷能。在燃烧室燃料燃烧时，当燃烧气体压力大于活塞连杆弹力时，活塞连杆长度被迅速弹性压缩，此时活塞侧压力几乎为零，故此时摩擦力极小，也就是活塞在摩擦力极小的情况下在气缸内移动了一段距离，可以有效大幅度减轻摩擦；另一方面，当活塞连杆长度被压缩后推动曲轴做功时，由于活塞连杆长度变小，力矩的力臂就会增大，在相同压力的情况下，活塞连杆对曲轴的力矩会变得更大，这就有效地增强了发动机的动力性能，可以大幅度提高机械效率和燃油效率。

在申缩式弹性变长活塞连杆中，把弹性杆身的弹性层构造为串连的、不同约束弹力和相应不同压缩长度的多个弹性层（多级弹力的弹簧组），以构造申缩式多级弹性变长活塞连杆，其具备前面所述的多级弹性变长活塞连杆的各项优点和特性。

弹性可变长度活塞连杆的另一种设计制造方法是，构造弓形弹性变长活塞连杆，如图4所示，图4是弓形弹性变长活塞连杆构成弹性燃烧室结构图，图中标记：1.气缸盖，2.燃烧室，3.气缸，7.活塞销，13.活塞，14.导行约束杆，15.连杆小头，16.连杆大头，17.连杆盖，19.弓形弹性杆身，20.弹性弓身（弹簧片）。弓形弹性变长活塞连杆主要分为连杆小头、连杆大头、弓形弹性杆身、连杆盖、连杆螺栓等部分组成，其结构与申缩式弹性变长活塞连杆基本相同，只是弹性杆身改变成弓形弹性杆身，弓形弹性杆身的弓身是具有弹性的弹簧片或其他弹性材料，是弹性弓身，弹性弓身的弧形两臂分别连接活塞连杆的连杆大头和连杆小头，弓弦是约束弹性弓身的活动导行约束杆，使得弹性杆身构成半刚性半弹性结构，整个活塞连杆也成为弹性储能结构的半刚性半弹性活塞连杆，其优缺点与申缩式弹性变长活塞连杆类似，但它构造更加简单。当活塞连杆的连杆大头和连杆小头受到的压力等于或小于弹力时，活塞连杆表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；当活塞连杆两端受到的压力大于弹力时，活塞连杆的弹性弓身被压缩弹性弯曲，活塞连杆的连杆大头和连杆小头的相对位置移动并且距离缩小，活塞连杆的长度缩小，燃烧室的工质内能一部分转化为活塞连杆的弹性势能；当活塞连杆两端的受力减小时，活塞连杆长度弹性复位，活塞连杆的弹力推动曲轴，活塞连杆的弹性势能转化为负荷能。

弓形弹性变长活塞连杆也可以构造多级弹性变长活塞连杆，将弹性杆身构造为串连的、不同约束弹力和相应不同压缩长度的多个弓形的弹性杆身，以构造弓形多级弹性变长活塞连杆，也同样具有前面所述的多级弹性变长活塞连杆的优点益处。

弹性燃烧室对于往复活塞式发动机具有十分重要的作用和意义。弹性燃烧室使得发动机具备前面所论述的弹性储能结构所具备的全部优点和作用，其中最重要的就是可以大幅度提高发动机的压缩比。由于弹性燃烧室可以通过弹性膨胀来降低和控制燃气的最高温度和最高压力，使得燃烧室在着火前的气体压缩压强可以得到极大幅度的提升，理论上着火前的气体压强压力可以达到弹性燃烧室的发生形变的起始压强压力，甚至可以更大，这样就可以使得压缩比可以大幅度地提高，甚至可以提高数倍！比如对于一般铝合金汽油机，其气缸内最高压强为4—6MPa，增压汽油机可达6—11MPa，柴油机一般使用铸铁机身，普通柴油机最高压强可达6—9MPa，而增压柴油机甚至可以达到15—20MPa；但现有汽油机的压缩比一般为9—12之间，其着火前压强一般为1—2MPa左右，而现有柴油机的压缩比一般为12—22之间，其着火前压强可达2—4MPa左右；而根据理想气体状态方程（或普适气体定律）计算，假设常温约为300K，一般压缩后气体温度为500—700K，中高的压缩后气体温度为750—900K，较高的压缩后气体温度为1000—1200K，本发明方案是压缩后气体压强可达到最高压强，按铝合金机体的最高可承受压强为9—11MPa计算，理论上本发明方案的压缩比可达30—37以上，如果按柴油机的铸铁机体的最高压强为15—20MPa计算，本发明方案的最高压缩比可达43—50以上。具体理论计算如下：

理想气体状态方程: PV/T = nR (常数)

假设常温约为300K，压缩后温度为常温的k倍，压缩比为ε，设压缩前气体压强为标准大气压P0=0.1MPa，体积为V0，温度为T0=300K，压缩后气体压强为P1，体积为V1，温度为T1，则可得：

P1*V1/T1 = P0*V0/T0 , T1 = k*T0 , ε = V0/V1 ，可得：

ε= P1/(P0*k)， k = T1 / T0

当最高压强为9MPa时，P1=9，P0=0.1，压缩末期温度一般可达900K左右，可得：

k = T1 / T0 = 900 / 300 = 3

ε= P1/(P0*k) = 9 / (0.1 * 3) = 30

当最高压强为11MPa时，P1=11，P0=0.1，压缩末期温度一般可达900K左右，可得：

k = T1 / T0 = 900 / 300 = 3

ε= P1/(P0*k) = 11 / (0.1 * 3) ≈ 37

当最高压强为15MPa时，P1=15，P0=0.1，压缩末期温度一般可达1050K左右，可得：

k = T1 / T0 = 1050 / 300 = 3.5

ε= P1/(P0*k) = 15 / (0.1 * 3.5) ≈ 43

当最高压强为20MPa时，P1=20，P0=0.1，压缩末期温度一般可达1200K左右，可得：

k = 1200 / 300 = 4

ε= P1/(P0*k) = 20 / (0.1 * 4) = 50

以上都是估算的数值，不可能十分准确，但也可以充分地说明，与现有的发动机相比较，本发明方案可以大幅度地、数倍地提高压缩比，从而可以大幅度地提升热效率。但过高的压缩比也可能使得最高温度和最高压力过高，容易生成氮氧化物（NOx），故采用较高的压缩比必须采取适当的措施来降低氮氧化物（NOx）的生成，并且进行排气后处理以减少氮氧化物（NOx）的排放。太高的压缩比还会影响发动机的动力性能，适当降低压缩比并采用进气增压可以提高发动机的动力性能。

发动机压缩比大幅地提高，可以使得压缩末期（即着火前）的温度、压力大幅度地升高，也可以使得着火和燃烧更加迅速，特别是对于燃烧起始阶段的滞燃期，通常滞燃期是燃烧过程最耗费时间的过程，在更高的温度和压力下，滞燃期会迅速缩短，从而大幅提高燃烧效率；由于燃烧的起始温度和压力大增，也使得燃烧更加完全，不易产生残留物；还有就是，燃烧速度的提升，特别是滞燃期燃烧速度的提升，可以大幅减小着火提前角，也就可以减少发动机的负功以提高机械效率，并且燃烧速度的提升也可以带来发动机转速的提升，也就可以大幅地提高发动机的升功率。在燃料燃烧时，现有内燃机的燃烧几乎相当于等容加热，而本发明方案由于迅速地将工质燃气内能转化为弹性势能，所以相当于在高压下的近似等压加热，从内燃机PV图来看，在燃烧和做功的过程中，现有的内燃机的PV曲线在着火后是一个急升的尖峰，然后是比较陡峭下降的斜弧线，而本发明方案的PV曲线在着火后是一小段水平往上的直斜线（燃烧室弹性膨胀过程），然后才是往下的斜弧线，而且斜弧线会相对更加不那么陡峭（燃气膨胀和弹性恢复同时作用），本发明方案有效地改善了PV图的曲线属性，在最高压力相同的情况下，使得活塞平均压力有大幅度的提高，特别是在曲轴力矩的力臂较大时活塞压力能保持更大得多，曲轴的平均力矩有了更大幅度的提高，从而可以大幅度地提高发动机的动力、功率和热效率。

对于活塞式发动机，特别是对于汽油机来说，弹性燃烧室还可以减少甚至消除燃烧时爆燃爆震现象的发生。爆燃是混合气体快速急剧自燃的剧烈燃烧，导致局部温度和压力的急剧陡升，产生冲击波和爆震的燃烧现象。爆燃发生时，最高压强可达65MPa以上，会严重损坏发动机的机体。爆燃发生的条件一般是高浓度混合气的急剧燃烧，或者是超过一般的高温高压下的急剧燃烧。现有的汽油机和柴油机的运行研究表明，通常在高负载的情况下容易发生粗爆燃烧甚至爆燃，而此情况正是高浓度混合气和高温高压下的燃烧情况，所以减少或者消除爆燃的最好方法就是，一方面尽量降低燃烧时混合气的浓度，应尽量采用稀燃（稀薄混合气燃烧）的方式，另一方面应降低燃烧时燃气的温度和压力。当前现有的汽油机，为防止爆燃的发生，其燃油喷射系统无论是进气道喷射还是缸内直喷类型，基本上都是采用预混合燃气的方式，在进气时将燃料和空气进行充分的混合，然后在压缩的终了末期，在点火提前角点火引燃混合气，这种方式也就注定了不可能有很高的着火前压强压力，也决定了不可能采用很高的压缩比，也决定了不可能有很高的热效率。本发明方案采用弹性燃烧室，可以大幅度提高压缩比，但对于汽油或燃气燃料再也不能采取预混合气压缩然后再点火着火的方式，否则在气体压缩的过程中就可能达到自燃燃点而发生燃烧，从而导致爆燃，不可能达到发动机正常做功的目的，所以必须采取像柴油机一样在压缩终了末期燃料直喷压燃的方式，为防止爆燃的发生，本发明方案的弹性燃烧室可以防止极高的高温高压，但仍要采取相应措施防止混合气燃烧时混合气的浓度过高。对于本发明方案来说，一个防止混合气的浓度过高的措施就是，在燃烧时，喷油嘴脉冲式分阶段多次喷油进行燃烧，每次喷油量较小，类似柴油机喷油的极高压力和速度，所以混合生成的混合气浓度不高，而且本发明方案在气体压缩末期的初始燃烧温度和压力都相对较高，燃烧速度十分迅速，所以每次喷油的间隔时间可以极短，完全可以满足实际的需要，不会导致动力性能降低，具体的时间间隔要根据实际的不同情况以实验数据得出；本发明方案的燃烧过程中，燃烧工质内能迅速转化为弹性势能，燃烧室的体积可以迅速弹性增大，也使得后期的燃气混合气浓度有较大的降低，故后期的喷油量可以相应增大。稀燃是消除爆燃的有效措施，但对于现有的内燃机却难以实际应用，因为现有的内燃机是预混合气模式，稀燃会严重影响发动机的动力性能，现有内燃机初始燃烧特别是滞燃期的燃烧速度较慢，很难通过脉冲式分段燃烧来实现稀燃，另外现有的内燃机根本无法解决过高温度和过高压力的问题。本发明方案的汽油和燃气也可以采用与柴油机同样的压燃着火方式，也就是说，本发明方案可以实现气体燃料、汽油、柴油一体机，甚至可以使用汽油和柴油的混合油燃料，甚至于可以使用汽油、柴油、甲醇、乙醇、二甲醚、生物柴油等等各种燃料任意混合的合成油料，多种合成燃油可以大幅度降低发动机的运行成本。实际上汽油摩尔质量比柴油要小得多，汽油的密度比柴油也要更小，但完全燃烧时，相同质量或容积的汽油比柴油需要消耗的空气更多，也放热更多，也就是说，汽油与柴油相比较，相同质量或容积情况下，完全燃烧时汽油比柴油存储更多的能量，放热更多，并且汽油的物质的量更大，根据理想气体状态方程，汽油比柴油燃烧后的工质燃气膨胀系数更大，更有利于燃气工质做功，但现有的汽油机普遍比柴油机的热效率要低，说明汽油机比柴油机对燃油的利用效果差得多。本发明方案发动机是燃油一体机，对汽油和柴油的利用热效率几乎是相同的，由于汽油放热更多，燃气膨胀系数更大，本发明方案发动机使用汽油会有更大的热效率，在柴油中混合汽油也可以得到更大的效益，这为往复活塞式燃油一体发动机的应用和各种合成燃油的应用开拓了宽广的、灿烂辉煌的前景！

本发明方案有储多的有益效果，有益效果都取得了显著的进步，甚至部分有益效果是飞跃式的进步，现将前面所述的有益效果归纳如下：

1、大幅度提高压缩比，从而大幅度地提升热效率。

2、最高温度大幅度降低，有效减少传热散失消耗，有效提高热效率。

3、大幅度降低和限制最高温度和最高压力，保护机体以免损害。

4、大幅度减少有害物的排放。

5、大幅度提高发动机的活塞平均压力和平均力矩，从而大幅度地提高发动机的动力性能、功率和升功率。

6、有效减少和避免粗爆燃烧和爆燃的发生，促进发动机平稳燃烧，有效减小燃烧噪声。

7、有效减小摩擦以提高机械效率。

8、大幅度增加初始燃烧温度和压力，可以大幅度提高燃烧速度，提高发动机转速，得以提高发动机升功率。

9、有效减轻机体质量，提高发动机的功率质量比（功重比）。

10、可以实现往复活塞式燃油一体发动机，可以使用各种燃油燃料。

附图说明

下面对附图及其标记进行说明：

图1是内芯式弹性变长活塞构成弹性燃烧室结构图。

图2是分离式弹性变长活塞构成弹性燃烧室结构图。

图3是申缩式弹性变长活塞连杆构成弹性燃烧室结构图。

图4是弓形弹性变长活塞连杆构成弹性燃烧室结构图。

图中标记说明：

1.气缸盖，2.燃烧室，3.气缸，4.活塞外套，5.弹性层（弹簧组），6.活塞内芯，

7.活塞销，8.活塞连杆，9.活塞顶盖，10.导行柱，11.销座部，12.活塞裙，

13.活塞，14.导行约束杆，15.连杆小头，16.连杆大头，17.连杆盖，

18.弹性杆身，19.弓形弹性杆身，20.弹性弓身（弹簧片）。

具体实施方式

高压缩比燃油一体发动机

本发明方案实施实例为高压缩比燃油一体发动机，这就是，压缩比为30以上，可以分别使用各种燃油的往复活塞式发动机。本实例具体设计制造方法是，在现有的增压柴油机的基础上，对活塞、活塞连杆和喷油等作相应的设计改造，使得活塞成为弹性可变长活塞，活塞连杆成为弹性可变长活塞连杆，燃烧室具备弹性成为弹性储能结构，使得发动机达到本发明方案的各项功能。发动机采用铝合金或铸铁机体，可承受11MPa以上的压强压力；活塞使用二级弹性变长活塞，活塞连杆使用弹性变长活塞连杆；设定活塞一级弹性和活塞连杆起始压强为9MPa，最大压强为10MPa，压缩比为30(当压缩压强达到起始弹性压强时的压缩比)；活塞二级弹性起始压强为4.5MPa，最大压强为5MPa，压缩比为80(当压缩压强达到起始弹性压强时的压缩比)；气门采用电控气门，确保需要的精确进气量；增压采用涡轮增压器；发动机为1.6升排量的四缸发动机，每气缸0.4升排量；在本发明方案中，由于活塞和活塞连杆的质量都相应增加了，如果活塞行程较大，活塞的速度也较大，那么活塞的惯性力就会大幅增加，所以为提高发动机的转速应当尽量减小活塞行程，应采用较小的行程缸径比，小活塞行程需要高精度，但从另一方面来说，要提高机械效率，活塞行程应该较长些，具体可根据需要确定，本方案为简单起见采用气缸容积直径与长度比为1，经计算可得：

气缸或活塞直径D，气缸容积长度L：

V = πD2L/4 ，V = 0.4 * 10e(-3) * 10e9， D = L

D3 = 1.6 * 10e6 / π = 509295.82

D = L ≈ 79.86 mm

活塞行程S(按压缩比30计算，活塞行程也是曲轴旋转直径长度，是曲柄半径的2倍)：

S = L / 30 * 29 ≈ 77.20 mm

活塞连杆长度l(一般为曲柄半径的3倍)：

l = S / 2 * 3 = 77.20 / 2 * 3 = 115.8 ≈ 116 mm

活塞一级弹性可压缩长度(定压下燃气燃烧膨胀约为5倍，本例设定为10倍)：

L1 = L / 30 * (10-1) = 79.86 / 30 * 9 ≈ 24 mm

活塞二级弹性可压缩长度(本例设定为压缩比80与压缩比30之间的距离):

L2 = L / 30 - L / 80 = 79.86 / 30 - 79.86 / 80 ≈ 1.66 mm

活塞连杆弹性可压缩长度(本例设定为曲柄半径的3分2)：

L3 = S / 2 / 3 * 2 = 77.20 / 2 / 3 * 2 ≈ 26 mm

活塞一级弹性和活塞连杆弹性起始弹力：

F1 = P1 * πD2/4 = 9 * π * 79.86 * 79.86 / 4 ≈ 45080.74 N ≈ 4600.1 kg

活塞一级弹性和活塞连杆弹性最大弹力：

F2 = P2 * πD2/4 = 10 * π * 79.86 * 79.86 / 4 ≈ 50089.71 N ≈ 5111.2 kg

活塞二级弹性起始弹力：

F3 = P3 * πD2/4 = 4.5 * π * 79.86 * 79.86 / 4 ≈ 22540.37 N ≈ 2300.0 kg

活塞二级弹性最大弹力：

F4 = P4 * πD2/4 = 5 * π * 79.86 * 79.86 / 4 ≈ 25044.85 N ≈ 2555.6 kg

分别按以上计算结果确定活塞和活塞连杆的弹簧弹力和弹性系数，活塞和活塞连杆所受的压力和对弹簧的约束拉力也必须能承受以上计算的标准，分别设计制造弹性变长活塞和弹性变长活塞连杆。本发明方案燃油一体发动机的一个很重要和关键的设计是喷油方式，燃油喷射系统可以采用与现有柴油机类似的高压电控共轨式喷油系统，燃油的喷射压力应与现有柴油机一致，喷射压力可达80--160MPa，可采用多个喷嘴分散喷射，并且分多次间隔喷射，间隔分段燃烧，以此来控制燃烧过程，减少粗爆燃烧，避免爆燃的发生。由于燃烧室最高温度和压力保持时间更长，所以对活塞的密封也必须加强。对于不同的燃油，因为燃油燃烧速度不同，甚至可能会相差很大，比如汽油和柴油的燃烧速度就有比较大的差异，必须对不同的燃油设定相应的喷射时间和间隔时间的不同喷油方式，具体精确的喷射和时间间隔需要经测试后确定；对于不同的燃油，还必须设定不同的最大转速限制。

本实例发动机的运行过程。本实例发动机同样具备普通往复活塞式发动机的进气、压缩、燃烧和膨胀做功、排气四个工作循环过程。在发动机启动的时候，进气时通过电控气门控制吸进少量的空气量，按活塞移动行程为14mm左右的进气量，由于进气量较少，压缩时需要消耗的能量相对较少，此进气量约相当于在最小容积（压缩比为80）时的压缩比为15的进气量，在发动机的压缩末期，其气缸压力约等于活塞二级弹性压力4.5MPa，然后在点火提前角（最佳点火提前角需实际测定）喷射高压燃油，喷油方式必须是多次间隔喷射，并且限制每次喷射的燃油量，以防止爆燃发生，由于处于较高的温度和压力下，燃油的燃烧十分迅速，此时燃烧室在燃烧过程相当于等压燃烧，燃烧室弹性膨胀做功，部分工质内能转化为活塞二级弹性的弹性势能，当压力大于活塞一级弹性起始弹力时，内能也转化为活塞一级弹性的弹性势能和活塞连杆的弹性势能，随着曲轴的转动，发动机能量的转化是内能同时转化为弹性势能和负荷能，在曲轴转动一定角度后，工质内能完成部分转移，当压力小于弹力时，工质内能和弹性势能同时转化为负荷能；当曲轴的曲柄销接近下止点时，电控气门打开，将废气排出；这就完成了发动机启动的四个工作过程。发动机在怠速运行时，进气量也较少，与启动时工作过程类似；在发动机正常运行时，需要的动力较大，进气量也较大，在压缩过程中，活塞二级弹性就被完全压缩，发动机实际上是工作在压缩比为30的弹性燃烧室下运行，其运行情况和能量转换与上面所述类似。

对本发明实例的性能估算。在相同情况下，即消耗同样燃油和空气的情况下，由于压缩比大幅提高，比现有的柴油机提高了差不多一倍，比现有的汽油机提高了超过一倍多；着火前空气压强也增加了超过一倍甚至数倍以上，活塞做功平均压力增加一倍左右，但在曲轴力矩的力臂较大时活塞压力能保持更大得多，曲轴的做功平均力矩增加得更大，可能超过一倍，动力性能也得到大幅度提高，本例发动机比现有的类同柴油机功率有大幅度的提升，对比类同汽油机甚至可能超过一倍的功率提升，热效率可达到70%--75%左右(此为估算数字，实际情况可能差别较大)。本实例是按铝合金最大可承受压强为11MPa来设计分析，如果按柴油机最大可承受压强为20MPa甚至更高的压强来设计，发动机的热效率甚至可以达到85%以上，但对有害物的排放也必须采取更多的措施。

本发明实例是按标准压缩比为30，最高压缩比为80设计。当压缩比为80时，可以使用更少的空气进气量，进气容积长度大约是15mm左右就可以相当于压缩比为15的发动机，进气量大约是原来压缩比为30时最大进气量的5分之1，所以发动机起动时更容易启动，在怠速时也能更加节省燃油；类似地，当负载较小时，其压缩比可以通过进气量在80--30之间进行自动调整。另一方面，当需要更大的动力和功率时，可以调节进气容积，也可以通过涡轮增压来增加更多的空气量，使得压缩比可以动态地调整，可以调整压缩比到10--30之间，增加了更多的空气也就可以增加更多的燃油；当压缩比调整到15时，空气量和燃油都可以增加到原来的一倍，功率也就可以提升几乎一倍左右，再加上前面所述的平均力矩一倍的提升，与现有的相同排量往复活塞式发动机相比，整体功率就可以提高到4倍左右！当然，当压缩比变小提高功率的同时，其热效率也会有所下降。另外，本发明方案的发动机的起始燃烧温度和压力有大幅度的提高，发动机的转速也相应可以得到很大的提高，这也可以促进发动机升功率的进一步提高，所以即使按保守的估算，本发明方案发动机的最大升功率与现有的相同排量发动机相比可以提高到超过4倍以上。综上所述，本发明实例方案的发动机正常工作标准压缩比为30，但其压缩比可以通过控制空气的进气量在10--80之间自动调整，具有很高的动力性能、很高的热效率和相对很高的功率，并且能有效减少有害物的排放。

Claims (7)

1.一种内燃机，其特征是：内燃机包含有弹性储能结构，弹性储能结构是一个具有弹性的结构，其功能作用是可以存储能量和迅速转换弹性势能；当燃烧工质膨胀做功所引起的力或力矩大于弹性储能结构的弹力或弹力力矩时，弹性储能结构发生弹性形变，工质内能转化为弹性储能结构的弹性势能，当弹性储能结构的外部应力小于其弹力时，储存的弹性势能转化为负荷能；也就是，内燃机燃烧工质膨胀做功过程中，其燃烧工质内能除转化为负荷能外，工质内能也可以转化为弹性势能，然后保存的弹性势能再转化为负荷能，即是附加了工质内能转化为弹性势能再转化为负荷能的过程。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：燃烧室构造是带有弹性的燃烧室或者是半刚性半弹性的燃烧室，此弹性燃烧室作为内燃机的弹性储能结构，内燃机的能量转化过程附加了工质内能转化为燃烧室的弹性势能再转化为负荷能的过程。

3.根据权利要求1所述的内燃机的一种设计制造方法，其特征是：构造带有弹性的燃烧室或者是半刚性半弹性的燃烧室，此弹性燃烧室作为内燃机的弹性储能结构，内燃机的能量转化过程附加了工质内能转化为燃烧室的弹性势能再转化为负荷能的过程；在气体压缩过程中，燃烧室表现为刚性压缩或有限弹性压缩；在内燃机燃料燃烧和燃烧工质做功过程中，燃烧室表现为半刚性半弹性，当燃烧室压强等于或低于预设定值时，燃烧室体现为刚性，当燃烧室压强增加到大于预设定值时，燃烧室表现为弹性，并发生弹性形变，工质内能迅速转化为燃烧室弹性势能，当燃烧室压强减小时，保存的燃烧室弹性势能转化为负荷能。

4.根据权利要求3所述的内燃机设计制造方法，其特征是：燃烧室开有孔洞直接连接一个弹性气缸，弹性气缸与燃烧室共同组成半刚性半弹性空间形成弹性燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构；当燃烧室的压强小于或等于预设定值时，弹性气缸表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；当燃烧室的压强大于预设定值时，弹性气缸被压缩，燃气进入弹性气缸空间，整个燃烧室发生弹性形变，燃烧工质膨胀做功，工质内能转化为弹性气缸的弹性势能；当燃烧室的压强减小时，弹性气缸恢复，弹性势能转化为负荷能。

5.根据权利要求3所述的往复活塞式发动机设计制造方法，其特征是：其活塞使用半刚性半弹性可变长度活塞，活塞的长度弹性可变，此活塞是弹性可变长度活塞，是一个弹性储能结构；发动机气缸、气缸盖、活塞一起构成半刚性半弹性的燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构；当燃烧室的压强等于或低于预设定值时，其活塞表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；当燃烧室的压强大于预设定值时，活塞表现为弹性，燃烧室也表现为弹性，活塞被弹性压缩，活塞长度缩小，工质内能转化为活塞中的弹性势能，当燃烧室的压强减小时，活塞长度弹性恢复，弹性势能转化为负荷能。

6.根据权利要求3所述的往复活塞式发动机设计制造方法，其特征是：构造弹性可变长度活塞连杆，其活塞连杆长度弹性可变，是半刚性半弹性的活塞连杆，此活塞连杆是一个弹性储能结构，使得发动机的气缸、气缸盖、活塞和活塞连杆一起构成半刚性半弹性的燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构；当燃烧室压强等于或低于预设定值时，活塞连杆表现为刚性，燃烧室也表现为刚性；当燃烧室的压强大于预设定值时，活塞连杆表现为弹性，燃烧室也表现为弹性，活塞连杆被弹性压缩，工质内能转化为活塞连杆中的弹性势能，当燃烧室的压强减小时，活塞连杆长度弹性恢复，弹性势能转化为负荷能。

7.根据权利要求3所述的往复活塞式发动机设计制造方法，其特征是：活塞式发动机气缸与气缸盖之间可以活动以改变燃烧室的空间大小，内燃机气缸与气缸盖之间是半刚性半弹性的连接，形成弹性燃烧室，此弹性燃烧室为弹性储能结构；当燃烧室的压强等于或低于预设定值时，其气缸与气缸盖之间为刚性不活动的，燃烧室空间不变；当燃烧室的压强大于预设定值时，其气缸与气缸盖之间作弹性移动，燃烧室空间增大，工质内能转化为气缸与气缸盖之间的弹性势能，当燃烧室的压强减小时，气缸与气缸盖弹性恢复，弹性势能转化为负荷能。