专利名称：改进的内燃机和工作循环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过一个新的热力学工作循环由内燃机中的燃烧气体产生机械功的方法和实行所述方法的往复式内燃机。
本发明的背景众所周知，内燃机的膨胀比增加时，会从燃烧气体取得较多能量而转换成动能，内燃机的热力学效率增加。而且，增加充气密度，由于热力学进一步改善，既提高功率也节省燃料。高效的内燃机就需提供一个高密度充气，以最大的密度开始燃烧，然后尽可能远地膨胀气体来顶推活塞。
常规的发动机具有相同的压缩和膨胀比，在火花点火的发动机中，前者由使用的燃料的辛烷值限制。而且，因为在这些发动机中，爆发的气体仅能够膨胀到发动机的压缩比的程度，一般在爆发的气缸中有相当大的热和压力在排气阀打开时被排到大气中，造成能量浪费并产生不必要的高度的污染排放。
为了减少内燃机中的压缩比并延长膨胀过程，以提高它门的热力学效率进行了种种尝试，最著名的是1947年开发的米勒(Miller)循环发动机。
常规的四冲程循环发动机在任何给定的燃烧循环中的压缩比等于膨胀比，于此不同，米勒循环发动机是另一种，其中有意识地改变了均等性。米勒循环使用一个辅助压缩机供给空气充气，在活塞的吸气冲程引入充气，然后在活塞达到吸气冲程的终端前关闭进气阀。从此点起，如通常循环中那样，气缸中的气体膨胀到最大的气缸的容积，然后从这点被压缩。此时，在进气阀关闭点的气缸容积除燃烧室的容积得出压缩比。在压缩冲程中，直到活塞达到在进气冲程时进气阀关闭的点前，在压缩冲程上实际的压缩没有开始，因此产生比通常压缩比低的压缩比。膨胀比是通过气缸的工作容积除燃烧室的容积计算的，因为发动机的膨胀比大于压缩比，造成更完全膨胀。
在二冲程发动机中，米勒循环保持排气阀在压缩冲程的前20％左右打开，来减少发动机的压缩比。此时，膨胀比可能仍低于压缩比，因为，在常规二冲程发动机中膨胀比总不能象压缩比那么大。
这个循环的优点是，能够获得比用膨胀比等与压缩比时获得更高的效率，缺点是，米勒循环具有的平均有效压力低于带有相同最大压力的常规的设置，而且，排放的特征没有显著改进。
米勒循环对于不常在轻负荷工作的发动机是实用的，因为，在轻负荷运行，膨胀冲程时的平均气缸压力倾向于接近或甚至低于摩擦平均压力。在这样的情况下，循环的更完全的膨胀部分会造成一个纯粹损失而不是效率上的增益。
在最大气缸压力由爆燃或应力限制和允许功率牺牲以达到最节省的燃料时，使用这类发动机是有利的。这种循环仅适用于大部分时间是在高机械效率的状态下工作的发动机，即在较低的活塞速度和接近全负荷时。
本发明概要简要地说，本发明包括一种内燃机系统(包括方法和装置)，用于调节燃烧充气密度、温度、压力和湍动，使得在动力缸内产生真正的控制，以提高燃料利用率、功率和力矩，同时，将污染排放减到最小。在优选实施例中，方法包括步骤(I)产生一个空气充气；(II)控制充气的温度、密度和压力；(III)将充气传送到发动机的动力缸，使得从大气的比重和密度到比大气重和密度大的范围中选择出的一定重量和密度的充气而引入到动力缸；(IV)然后以比通常的压缩比低的压缩比压缩空气充气；(V)使预定量的充气和燃料产生可燃烧的混合物；(VI)在动力缸内点燃混合物；(VII)使燃烧气顶着在动力缸中工作的活塞膨胀，发动机的动力缸的膨胀比显著大于压缩比。除了其他优点外，本发明的方法能够产生在比通常低的到比通常高的范围内的平均有效(气缸)压力(mep)。在优选实施例中，在工作时，压力在上述整个范围是可变选择的(并被选择地改变)。在定速定负荷运行相关的另一个实施例中，平均有效气缸压力是从所述范围选择的，并且根据本发明的发动机结构是使得平均有效气缸压力范围被限制，其变化量仅在产生发动机设计的工作循环的功率、力矩和速度。
优选实施例中，本发明的装置提供一种往复式内燃机，它带有至少一个辅助的压缩空气充气的压缩机；一个中间冷却器，压缩的空气充气能够被引导而冷却；动力缸，其中燃烧气被点燃而膨胀；一个在每个动力缸中工作的活塞，通过一个连杆连接着曲轴，随每个活塞的往复运动旋转曲轴；一个传送导管，将压缩机出口连接到控制阀和中间冷却器；一个传送管汇，将中间冷却器与动力缸连通，通过所述管汇把被压缩的充气传送进入到动力缸中；一个进气阀，控制从传送管汇到所述动力缸的压缩充气的进入；和一个排气阀，控制从所述动力缸的废气排放。对于本发明四冲程的发动机，动力缸的进气阀定时工作，使得在吸气冲程中需要和向动力缸引入时，相当于通常的或比通常重的充气空气能够保持在转移管汇内，大致在活塞底端死点位置之前进气阀关闭，或者，在压缩冲程中的某点进气阀关闭，以提供一个低压缩比。在某些设计中，在活塞到达第一进气阀关闭的点后，另一个进气阀能够快速打开和关闭，此时仍能使压缩比小于膨胀比，注入调节了温度的高压辅助空气充气，并使得点火能够在基本是最大充气密度时开始。本发明的二冲程发动机不同之处在于，动力缸的进气阀定时工作，使得在动力缸由低压空气吹扫且排气阀关闭时，在吹扫压缩冲程中，空气充气保持在传送管汇内，并引入到动力缸，造成发动机的压缩比比动力缸的膨胀比小。提供了装置使得燃料与空气充气混合而产生燃烧气，动力缸燃烧室的大小与动力缸的工作容积相应，使得爆发的燃烧气能够膨胀到一个体积，而显著大于压缩比。
与现有的内燃机相比，本发明的首要优点是，它提供可比发动机的膨胀比低的压缩比，并且，选择地提供高于常规发动机的平均气缸压力，同时具有与现有技术发动机相同的或较低的最大气缸压力。
这能够形成较好燃料利用，和在所有转速上较大的功率和力矩输出，并且污染排放低。因为充气密度、温度和压力可调节控制，即使长时间轻载工作也是实际的，不会失去燃料的节约。新的工作循环可用于二冲程或四冲程发动机，火花点火和压缩点火均可。对于火花点火的发动机，充气的比重能够显著增加，而没有燃烧爆燃和预点火常伴随的高峰温度和压力的问题。对于压缩点火发动机，在给定的膨胀比时，较重较冷更湍动的充气提供低的峰值气缸压力，允许浓度高的限烟的空气-燃料比能够输出提高的功率，并且使得颗粒物和NOx排放低。由于在压缩过程中减少了传热，压缩功减少。因为一个整体的低温的工作循环和以比通常低的温度的排放废气，发动机寿命提高。本发明也提供了一种再生止动装置，为随后的没有压缩功的强制动力循环和瞬时的或“突发”功率储存能量，这进一步增加发动机的整个效率。
本发明的所有目的，特征和优点在此简介中是不能够说明的，而参照下面说明和附图将会理解。
附图简介下面参照
本发明的内燃机实施例。
图1是一个按四冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透视图(带有部分剖)，表示本发明的装置的第一实施例，由此装置能够进行将予以说明的第一运行方法。除了它的其他组件外，可见到在这个实施例中，具有一个辅助压缩机、一个冷却系统和阀来控制充气压力、温度和密度。
图2是按四冲程循环的、与图1发动机相似的六气缸内燃机示意图，表示本发明的装置的第二实施例，由此装置能够进行将予以说明的第二运行方法。除了它的其他组件外，可见到这个实施例还具有两个压缩机、三个中间冷却器、四个控制阀、用于主和辅助压缩机的双空气通道和双管汇，并示出一个控制充气压力、温度和密度的装置。
图3是一个按四冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透视图(带有部分剖)，表示本发明的装置的第三实施例，由此装置能够进行将予以说明的第三运行方法。
图4是一个按四冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透射图(带部分剖)，表示本发明的装置的第四实施例，由此装置能够进行将予以说明的第四运行方法。可见到在这个实施例中，除了它的其他组件，还具有一个辅助压缩机，它带有两个空气充气进气导管和双进气路线，其中之一是低压的，另一个是高压的，两个都通向相同的动力缸；和一个冷却系统和阀，用于控制空气压力、密度和温度；和一个辅助的大气空气进气系统。
图4-B是一个与图4的发动机相似的发动机的透视图(带有部分剖)，但是仅有一个大气空气进气口，它在两个不同的压力水平向动力缸供给充气空气。
图4-C是一个发动机排气进气系统示意图，示出一个为减少污染排放而再燃烧排气的装置。
图5是一个按四冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透视图(带有部分剖)，表示本发明的装置的第五实施例，由此装置能够进行将予以说明的第五运行方法。除了它的其他组件外，可见到这个实施例中还具有一个大气进气口；一个辅助的压缩机，它带有两个充气路线，其中之一是低压的且具有两个任选路线，另一个是高压的，都引向相同的动力缸；控制阀装置和空气冷却器，用于改变在发动机的燃烧室中的充气密度、压力和温度。
图6是图4、图4-B、图5、图7或图33的四冲程发动机的一个动力缸在进气阀处的部分剖视图，示出另一个方法(可成为本发明的另一实施例)在空气充气过程来防止充气空气的回流和自动调节气缸的充气压力。
图7是一个四冲程六气缸内燃机的透视图，表示本发明的装置的另一实施例，由此装置能够进行将予以说明的另一运行方法，示出引出低压主空气充气的三个不同的系统(两个由虚线示出)。除了它的其他组件外，可见到这个实施例还具有三个空气冷却器和双管汇以及通过发动机控制组件和变化阀门来控制充气压力、温度和密度的装置。
图8是一个按二冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透视图(带有部分剖)，表示本发明的第一个二冲程装置实施例，由此装置能够进行将予以说明的另一运行方法。除了它的其他组件外，可见到这个实施例还具有一个主和辅助压缩机，一个冷却系统和导管及阀，根据本发明调节充气压力、温度和密度。
图9是一个按二冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透视图(带有部分剖)，表示本发明的第二个二冲程装置实施例，由此装置能够进行将予以说明的另一运行方法。除了它的其他组件外，可见到这个实施例还具有一个大气空气进气口；一个主和一个辅助压缩机，带有两个空气路线，一个是低压的，具有不同的路线，一个是高压的，两个都引向相同的动力缸；控制阀门装置和空气冷却器，用来改变充气压力，温度和密度。
图9-B是一个二冲程六气缸内燃机的示意图，表示本发明的再一装置实施例，由此装置能够进行将予以说明的再一运行方法。示出两个不同的引导低压主空气充气的系统(一个虚线示出)。除了它的其他组件外，可见到这个实施例，具有三个空气冷却器、双管汇和通过发动机控制组件和阀门变化来控制充气压力、温度和密度的装置。
图10是图9的二冲程发动机的动力缸的在进气阀处的局部剖视图，示出在高压力空气充气时防止充气空气回流的另一方法(适用于本发明的另一个实施例)，表示出一个具有泵压的油/空气冷却系统的压力平衡阀。
图11是一个按二冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透视图(带有部分剖)，表示本发明的第三个二冲程装置实施例，由此装置能够进行将予以说明的另一运行方法。除了它的其他组件外，可见到这个实施例还具有一个主和一个辅助压缩机，一个冷却系统和导管，和调节充气密度、温度和压力的阀，并且每个动力缸具有单个的空气进气流道，它带有至少两个进气阀，它门设置成使一个进气阀能够与另一个进气阀无关地定时工作。
图12是将本发明的发动机的循环与高速狄塞尔发动机进行比较的压力容积图。
图13是与普遍用的重载二冲程狄塞尔发动机比较，在有效压缩比、峰值温度和压力、充气密度和膨胀方面，本发明发动机可达到改进的图表。
图14是与普遍用的重载四冲程狄塞尔发动机比较，在有效压缩比，峰值温度和压力、充气密度和膨胀比方面，本发明发动机可达到改进的图表。
图15是图5-7和图9-10的二冲程和四冲程发动机的推荐工作参数示意图，示出主压缩机的双中间冷却器、辅助压缩机的单个中间冷却器和为了轻负荷工作选择不同充气空气路线的一个控制系统和阀；并表示出(一个是虚线)引导低压主空气充气的两个交替工作的系统。
图16示出供给管汇13和14的阀门推荐位置，形成图5-7和图9-10的发动机中等负荷工作的最优空气充气。对于中等负荷工作，压缩机2的闸阀5关闭和空气旁通阀6打开，使得未冷却的空气充气未经压缩就通向压缩机1的进气口，在此，关闭的截流阀3和关闭的空气旁通阀4将被压缩机1压缩的空气充气引导通过中间冷却器而到达管汇13和14，空气被压缩机1压缩和加热，以进行中等负荷的工作。
图17是向为图5-7和图9-10的发动机的重负荷和大功率工作提供高密度空气充气的推荐方案。图17示出所有的闸阀5和3及所有的空气旁通阀6和4完全被关闭，使得主级压缩启动和第二级压缩启动，除了通过导管32向进气阀16-B的以外，整个空气充气通过中间冷却器10、11和12向管汇13和14和发动机动力缸，产生很高密度的空气充气，进行重负荷的工作。
图18是示出图3-图11发动机任何一个的示意图，示出辅助压缩机的替换型2′和一个系统，后者在不需要高充气压力和密度时提供一个切断辅助压缩机的装置。为了减轻压缩机2′的工作，闸阀5关闭而空气旁通阀打开，使得通过压缩机2′泵压的空气能够通过压缩机2′再循环而不需要压缩功。
图19是图5-7和图9-10的发动机的示意图，它具有两个压缩机，和一个压缩级具有一个中间冷却器，第二级压缩的双中间冷却器，双管汇，四个阀和一个发动机控制组件(ECM)，并示出通过各种电子装置或真空阀和它们的导管改变空气流动方向和空气流量来控制充气空气密度、压力和温度的装置。
图20是图1-图11的发动机的空气压缩机的可供选择的电动马达驱动装置示意图。
图21是对本发明发动机或任何其他内燃机的气体或液体燃料工作推荐的一个预先燃烧室，燃烧室和配套的燃料进入导管和阀控制的横剖示意图。
图22是通过发动机的一个气缸的部分剖视图，发动机显示出另一个结构，在此对于二冲程发动机的轴每转有两个点火冲程，对四冲程发动机的轴的每转有一个点火冲程，发动机具有一个在它的下末端上枢轴旋转的横杆；一个连接着横杆的中点并安装到发动机的曲轴的连杆，从而形成一个任意改变发动机压缩比的装置。
图23是是通过发动机的一个气缸的部分剖视图，示出另一个结构，在此对于二冲程发动机的曲轴每转有两个点火冲程，对四冲程发动机的轴每转有一个点火冲程，横杆连接着连杆，活塞在活塞和活塞连杆之间的一点枢轴旋转，连杆安装到发动机曲轴上，和另一个优选的从活塞输出功率分装置，它是由常规活塞杆、十字头和连杆构成。
图24是通过发动机一个气缸的部分剖视图，具有一个对二冲程或四冲程发动机中的每个点火冲程提供额外燃烧时间的装置。
图25是一个按二冲程循环的六气缸内燃机的气缸组件和盖的透视图，表示本发明的另一装置实施例，由此装置能够进行将予以说明的另一运行方法。除了它的其他组件外，可见到这个实施例还具有一个在活塞套的底部中的换气口，并具有一个主和一个辅助压缩机；一个冷却系统；控制充气空气的压力、密度和温度的阀和导管；和向气缸供给吹扫空气的阀和导管。
图26是与图25相似的发动机的示意图，该发动机具有一个任选压缩级的一个中间冷却器，主压缩级的双中间冷却器，一个控制系统(包括控制组件(ECM)和阀门控制)，它通过控制经过各阀、导管和任选闸阀的空气流方向和流量来控制充气空气密度、重量、温度和压力，并具有两个向气缸底部中的换气口供给吹扫空气的两个任选路线和从发动机排出废气的不同路线。
图27-图30是图25和图26的发动机的示意图，示出为有效的吹扫提出的四个方法，图27和28也示出发动机的控制组件(ECM)和阀，它们将充气空气和吹扫空气的压力、密度和温度分别控制到适当程度。
图31示意示出发动机的空气压缩机的可供选择的电机驱动装置。
图32是图25和图26的二冲程发动机示意图，仅具有一个压缩机，既供给充气空气又供给吹扫空气；示出一个控制系统和装置，控制充气和吹扫空气的压力、密度和温度分别到适当程度，示出为了相同用途通过不同的路线引导空气的装置。
图33是六气缸发动机的横剖示意图，它具有两个压缩机气缸、四个动力缸、一个增压气缸、五个调节阀，还示出一个控制充气温度、密度和重量的发动机控制组件(EMC)，可以在本发明任何发动机中储存再生制动压缩的空气或一些工业过程产生的排出空气。
图34是任何一个本发明发动机的示意图，示出另一个实施例，它包括一个分开的电动空气压缩机，另外的还有一个从供给充气空气的废气或排放的压缩空气源引向发动机(或多个发动机)进口导管，从而不需要发动机驱动的压缩机。
图35是本发明的发动机示意图，示出另一个实施例，它是恒定负荷和恒定速度的发动机。本发明的恒定负荷和恒定速度发动机的实施例包括带有任选的中间冷却器的一个主和一个辅助压缩机，形成两级预压缩充气空气，任选中间冷却或绝热压缩。
图36是本发明发动机的示意图，示出一个本发明另一个实施例的恒定负荷和速度的发动机，其中提供一个带有任选的中间冷却器的单个压缩机，形成单级预压缩充气空气，任选中间冷却或绝热压缩。
参见附图的详述现详细参见图，本发明改进内燃机100的多个不同的优选实施例在图中示出。相同的组件在各个图中用相同的标号表示。在一些情况但不是所有情况，需要时(由于实施例数多)，相似的但可互换的组件以带上标的标号表示(如1001)。在由多个相似组件时，在文中“多个”常表示成这样，例如“六个气缸6a-7f”，但在图中只能见到所有中的一两个。而且，为了绘图方便在多个气缸中共同的组件有时用共用标号表示，例如活塞22a-22f表示成活塞22。为了使多个实施例易于理解(不限制公开的)一些实施例但不是全部，详细说明部分加上小标题，在该标题部分详细说明该系统或子系统。
就燃烧充气的密度、温度和压力和湍动程度加以调节和控制的方法大概能够将本发明的系统很好地体现出来。下面的说明力图说明本发明的与下述装置相配套的方法的优选的实施例，所述装置是根据各个优选的方法构成和工作的。
文中所述的两个或多个实施例共同的系统组件中的一些，但不一定是所有的，包括有一个曲轴20，在它上安装连杆19a-19f，在每个连杆上安装一个活塞22a-22f；每个活塞在动力缸7a-7f内运行；通过由进气阀16控制的进气口，空气被引入到气缸中，并且，通过排气阀17控制的排气口空气从气缸中排出。根据理解本发明的各个实施例的需要，在下面说明这些和其他组件的之间的作用，变更和工作原理。
图1的发动机1001
见图1，示出六气缸往复内燃机1001，其中所有气缸7a-7f(在剖视图中仅示出一个)和配套的活塞22a-22f按四冲程工作，所有气缸用于经由连杆19a-19f分别向一个共用曲轴20提供动力。一个辅助的压缩机2(在此是Lysholm旋转压缩机)可选择地向管汇13和14和气缸7a-7f供给压缩的空气，或提供大气压的空气，气缸进行四冲程工作。在优选的实施例中，用阀3、5和6和中间冷却器10、11和12控制空气充气的密度、重量、温度和压力。进气阀16a-16f、16a′-16f定时控制发动机1001的压缩比。确定燃烧室的大小，以确定发动机的膨胀比。
图2、图3、图4、图5和图7的发动机1001-1005、1007分别具有带有凸轮的凸轮轴21，并设置以曲轴的一半速度被驱动，以便对于每个动力活塞的曲轴的每两转提供一个动力冲程。图1、图2、图3、图4、图4-B、图5、图7和图33的旋转压缩机2能够由V形棱的皮带驱动，在V形皮带轮和压缩机传动轴间具有增速齿轮，在一些飞机发动机中旋转压缩机也能够装有一个可变速的增速齿轮。图3的往复式的压缩机1具有由连杆19g连接到曲轴20双作用的气缸；并且通过连杆19g所连接的曲轴20对曲轴20的每转提供两个工作冲程。在一个另外的方法中，往复压缩机1由一个连接到主曲轴20上边的短曲轴上的连杆19g驱动，通过一个增速齿轮辅助曲轴(未示出)啮合到主曲轴20上，以便就主曲轴20的每转形成两个以上的工作冲程。另外，压缩机系统能够具有旋转或往复压缩机的多极压缩。然而各个实施例的辅助压缩机1和第二辅助压缩机2示出的都是往复压缩机或旋转压缩机，应理解，本发明不限于对每个使用的压缩机类型；图中的压缩机可以互换，或是等同的，或执行上述功能的其他类型的压缩机。
图1的发动机1001的特征是，较长的膨胀过程，低的压缩比，和能够产生从比通常轻到比通常重的重量变化的燃烧充气，能够选择地提供一个高于通常发动机的常规设置可能具有的平均有效压力，但与常规发动机比能够具有一个低的最大气缸压力。发动机控制组件(ECM)(图1未示出)和图示的在导管上的可变阀3、5和6，形成一个控制气缸内的充气密度、压力、温度、和平均和峰值压力的系统，这使得能够较节省燃料，在低转数产生较大力矩和功率，使得火花和压缩点火发动机的污染排放均低。在其他实施例中，可以使用一个可变阀的定时系统，与一个ECM之类的控制系统一起，能够控制进气阀16和16′的打开时间和关闭时间，进一步在发动机1001气缸7a-7f的燃烧室中形成一个改进的控制状态，在需要时能够产生一个较平的力矩曲线和较高的功率，并且燃料消耗和污染排放低。
图1发动机1001的工作简要说明本发明图1发动机1001是一个高效发动机，它能够达到大功率和力矩，燃料消耗和污染排放低。新的工作循环是一个外压缩型的燃烧循环。在此循环中，吸入空气的部分(常规发动机在动力缸压缩全部空气)选择地由至少一个辅助压缩机2压缩。在压缩时的温升能够使用空气冷却器10、11和12冷却进气和通过一个较短的压缩冲程抑制。
新的循环发动机1001的运转的优选方法是1.取决于发动机的功率需要(如不同的负荷需要)，在大气压下的或被压缩的吸入的空气被活塞22的吸气冲程抽入到动力缸7，压缩空气是由至少一个辅助压缩机2压缩，并且它的温度和压力由旁通系统和气冷空气冷却器控制。
2.(a)在吸气冲程完成后，吸入阀16(它可以是单一的或多个16，16′)在活塞22通过底部死点后打开一段时间，这将部分新鲜空气充气泵压回到吸气管汇13，14。然后进气阀16，16′在密封住气缸7的点上关闭，确立发动机的压缩比。
(b)另外，在活塞22达到底部死点前，在吸气冲程时进气阀16、16′早关闭。然后被收集的空气充气膨胀到气缸7的整个容积，在活塞22返回到压缩冲程中的进气阀16、16′关闭点时，开始压缩充气。
3.(a)在2(a)或(b)运行中，在活塞压缩冲程中，在进气阀关闭的点开始压缩，产生一个小压缩比。这使得能够限制压缩冲程中的温升。
(b)在轻负荷工作，如低速巡行车辆或轻负荷发电，闸阀5关闭而压缩机上的空气旁通阀(ABV)6最好打开，使得吸入的空气在不被压缩之下返回压缩机2的吸气导管8。然后闸阀3能够将空气充气引到绕过或通过中间冷却器11和12。此时，发动机活塞22a-22f通过压缩机2自然地抽取吸入的空气。这样减少压缩机驱动功，节约燃料。
(c)在需要较大的功率时，充气的密度和压力能够通过关闭空气旁通阀(ABV)6使得压缩机2提升空气压力；或者，如图2所示，这也能够通过插入压缩机1压缩的一个第二级或增加压缩机2的速度完成。同时，控制阀5和3最好将空气充气的一些或全部通过一个或多个中间冷却器10、11和12引导，使得增加充气空气的密度。
4.压缩继续，如果燃料不是已经存在就加燃料，充气被点火，燃烧产生气体大膨胀而顶着活塞22，以方式3(a)、(b)或(c)产生大量能量。这能量产生一个高的平均有效气缸压力，并转换成高力矩和功率，特别是以方式(c)。
图1发动机1001运行的详细说明在活塞22的吸气(第一)冲程中空气从空气管汇13或14通过空气导管15和进气阀16进入气缸7，空气(取决于功率需要)或是大气压下的或被压缩机2压缩到一个较高压力。在活塞22的吸气冲程中，进气阀16早关闭(在点X)。从此点，气缸7容量膨胀到气缸的最大容积。然后，在压缩(第二)冲程，直到活塞22返回到在吸气冲程时进气阀16关闭的点X时才发生压缩。(在点X，气缸的其余的工作容积被燃烧室的容积除，确定发动机的压缩比。)。另外，在活塞22的吸气(第一)冲程，在吸气冲程并经过活塞底部死点位置、在压缩(第二)冲程的一个相当大的距离部分，即压缩冲程的10％或到50％或更多，进气阀16保持打开，因此，将充气空气的一些泵压回到吸气管汇13或14，并且，然后进气阀16关闭，在发动机的气缸中建立一个低的压缩比。进气阀16关闭时，气缸的密度、温度和压力将与管汇13或14内大致相同。
在轻负荷运行，如车辆巡行或轻负荷发电，闸阀5和3关闭，而在压缩机上的空气旁通阀(ABV)6最好打开，使得吸入空气在不被压缩之下返回压缩机2的吸气导管8。此时，发动机活塞22a-22f通过压缩机2自然地抽入吸入的空气。这样减少压缩机驱动功，改善燃料消耗。
在需要中等的力矩和功率时，如公路驱动或中等的负荷的发电，最好向压缩机2的闸阀关闭，空气旁通阀(ABV)6也关闭。这使得大气压的吸入空气停止通过压缩机2的再循环，并且压缩机2开始把充气空气压缩到一个比大气压较高的压力，同时关闭的闸阀5和3将充气空气引导通过导管104、110、111和121/122而绕过空气冷却器10、11和12，充气空气直接到达管汇13和14而及动力缸7a-7f，在此，密度大的热的充气增加发动机的平均有效气缸压力，产生较大力矩。
在需要更大功率时，如需要快速加速或为了重负荷发电，最好空气旁通阀(ABV)6关闭，闸阀3或5或两个都打开。这使得压缩机2压缩所有空气充气。然后闸阀3或5或两个均(分别取决于节流阀3和5的开/闭状态)通过导管105或104向导管110、并然后通过导管111或112向管汇13、14、和经由一个、两个或所有的三个充气冷却器10、11和12，向气缸7a-7f供给调节的空气充气。这密度很大的冷却的空气充气，在与燃料混合、点火和超过发动机的压缩比膨胀时，产生大力矩和功率。
在需要更大的功率时，通过增加压缩机2的速度或插入第二级预压缩的图2所示的第二压缩机来增加充气密度和重量。后者能够用发动机控制组件27以下述动作来做到，它向图2的空气旁通阀(ABV)6发出信号关闭，防止向导管103吸入的空气的部分再循环，这可选择取消在轻负荷运行时的任何第二压缩级。在空气密度和压力增加时，闸阀3和5能够将空气充气的部分引导通过中间冷却器10、11和12，来冷凝充气，降低充气温度和压力的增长，这两项都是通过冷却充气完成的。这增加燃烧时的平均有效气缸压力，产生高力矩和功率。
空气充气的重量越大，充气密度越大，在吸气冲程中的进气阀能够关闭的越早(或在压缩冲程中越迟)，建立一个低的压缩比并保持功率，并且，在气缸的压缩中形成的热和压力越少。在该四冲程发动机中，吸入的充气能够增压到4-5大气压，并且如果压缩比足够的低，例如4∶1-8∶1(对于柴油燃料较高)，即使火花点火也不会有爆燃的问题。膨胀比仍应是大的，14∶1会是对火花点火的最好的膨胀比，对柴油运行大概是19∶1。
压缩比是在压缩冲程(并且进气阀16关闭)中，达到点X被后留下的气缸7的工作容积被燃烧室容积相除得到的。在所有情况中膨胀比大于压缩比。膨胀比是由整个的气缸工作容积除以燃烧室容积确定的。
燃料能够汽化，或能够在油门56(见图16)中喷注，或能够注入到空气的进入流股中而注入到预燃烧室(图21)中，或通过进气阀16注入，或直接注入到燃烧室。如果注入，应在活塞达到点X和进气阀关闭时或在其后注入。与柴油运行相似，燃料也能够稍后地注入，并能够在柴油注入的通常点注入，或许注入到预燃烧室，或直接注入到燃烧室，或直接注入到电热塞上。对于大多数的恒压燃烧过程，在膨胀冲程的第一部分中，甚至能够在顶部死点后连续地注入一些燃料。
点火能够通过压缩(可以在电热塞的帮助下)或电火花进行。如通常所为，电火花点火能够在顶部死点之前进行，或在顶部死点上，或在顶部死点后。
在合适的时间，空气一燃料充气点火，气体顶着活塞膨胀形成动力冲程。在吹扫(第四)冲程，在接近底部死点的适当时间，排气阀17打开，活塞22升起，以强制驱占高效吹扫气缸，此后排气阀17关闭。
这样完成了四冲程发动机的一个循环。
图2的发动机1002参见图2，示出六气缸往复内燃机1002，其中所有气缸7a-7f(在剖视图中仅示出二个7a和7f)，和配套的活塞22a-22f按四冲程工作，所有动力缸用于经由连杆19a-19f分别向一个共用曲轴20提供动力。一个辅助的压缩机2(在此是旋转压缩机)可选择地向管汇13和14和进行四冲程进行工作的气缸7a-7f供给压缩空气，或提供大气压的空气。可选用一个第二压缩机来提高送到压缩机2的空气压力。在优选的实施例中用阀3、5和6和中间冷却器10、11和12控制空气充气的密度、重量、温度和压力。进气阀16a-16f，定时控制发动机1002的压缩比。确定燃烧室的大小，以确定发动机的膨胀比。
图2的发动机1002的特征是，较长的膨胀过程，低的压缩比，和能够产生从比通常轻到比通常重的重量变化的燃烧充气，能够有选择地提供一个高于通常发动机常规设置能够具有的平均有效气缸压力，但与常规发动机比能够具有一个相同的或较低的最大气缸压力。如图所示，发动机控制组件(ECM)和在导管上的可变的阀3，5和6形成一个系统来控制气缸内的充气密度、压力、温度和平均和峰值压力，节约燃料，在低转数产生较大力矩和功率，使得火花和压缩点火发动机的污染排放低。在另外的实施例中，可以使用一个可变阀的定时系统，使用象发动机控制模件(ECM)27这样的控制系统，能够控制进气阀16和16′的打开时间和关闭时间，进一步在发动机1002气缸7a-7f的燃烧室中形成一个改进的控制状态，能够产生一个更平的力矩曲线和较高的功率，并且燃料消耗和污染排放低。
图2发动机1002的工作简要说明图2所示的本发明发动机1002是一个高效发动机，它能够达到高功率和力矩，燃料消耗和污染排放低。新的工作循环是一个外压缩型的燃烧循环。在此循环中，吸入空气(常规发动机在动力缸压缩其全部)的一部分有选择地由至少一个辅助压缩机1、2压缩。在压缩时的温升能够使用冷却吸入空气的空气冷却器10、11和12和通过一个较短的压缩冲程抑制。
新的循环发动机1002的运转的优选方法是1.根据发动机的功率需要(如不同的负荷需要)，在大气压下或压缩的吸入空气被活塞22的吸气冲程抽入到动力缸7，压缩空气是由至少一个辅助压缩机压缩，并且它的温度和压力由旁通系统和充气空气冷却器调节。
2.(a)在吸气冲程完成后，进气阀16(它可以是单一的或多个16，16′)在活塞22通过底部死点后打开一段时间，这将新鲜空气充气的一部分泵压回到吸气管汇13、14。然后进气阀16、16′在密封气缸7点上关闭，因此建立发动机的压缩比。
(b)另一种方式是，在活塞22达到底部死点前，在吸气冲程时，进气阀16，16′早关闭。然后被封闭的空气充气膨胀到气缸7的整个容积，在活塞22到达压缩冲程中的进气阀16，16′关闭点时，开始压缩充气。
3.(a)在2(a)或(b)运行中，在活塞压缩冲程中，在进气阀关闭的点开始压缩，产生一个小压缩比。这使得能够显著减小压缩冲程中的温升。
(b)在轻负荷运行，如低速巡行车辆或轻负荷发电，闸阀5关闭，通到压缩机1和2的空气旁通阀(ABV)4和6最好打开，使得吸入的空气在不被压缩之下返回压缩机2和1的吸气导管110和103。此时，发动机活塞22a-22f通过压缩机自然的抽入吸入的空气。这样减少压缩机驱动功，改善燃料消耗。
(c)在需要较大的功率时，充气的密度和压力能够通过关闭空气旁通阀(ABV)4使得压缩机2提升充气空气压力，另外还通过关闭空气旁通阀ABV6的同样方式插入压缩机1形成一个第二级压缩，或增加压缩机2的速度或增加两个压缩机的速度。同时，闸阀5和3打开，将空气充气的一些或全部引导通过中间冷却器10、11和12，来增加充气空气的密度。
4.压缩继续，如果没有燃料就添加燃料，充气被点火，燃烧产生气体的大量膨胀顶推着活塞22，以方式3(a)或(b)或(c)产生大量能量。这能量产生一个高的平均有效气缸压力，并转换成高力矩和功率，特别是以方式(c)运行更是如此。
图2发动机1002运行的详细说明在活塞22的吸气(第一)冲程中，空气从空气管汇13或14通过空气导管15和进气阀16进入气缸7，该空气(取决于功率需要)或是大气压的，或被压缩机2和/或压缩机1压缩到一个较高压力。在活塞22的吸气冲程中，进气阀16在密封气缸7的点X关闭。从此点，空气充气膨胀到气缸的最大容积。然后，在压缩(第二)冲程，直到活塞22返回到在吸气冲程时进气阀16关闭的点X时才发生压缩。(在点X，气缸的其余的工作容积被燃烧室的容积除，确定发动机的压缩比)。另外，在活塞的吸气(第一)冲程，通过吸气冲程并经过活塞底部死点位置、通过压缩(第二)冲程的一个相当大的距离的部分，即压缩冲程的10％或到50％或更多，进气阀16一直保持打开，因此，将充气空气的一些泵压回到吸气管汇13或14，并且然后进气阀16关闭而密封住气缸7，在发动机的气缸中建立一个低的压缩比。进气阀16关闭时，气缸7内部的密度，温度和压力将与吸气管汇13或14中的空气充气大致相同。
在轻负荷运行时，如车辆巡行或轻负荷发电，闸阀3和5关闭，到压缩机1和2上的空气旁通阀(ABV)6最好打开，使得吸入的空气在不被压缩之下返回压缩机2的吸气导管110和103。此时，发动机活塞22a-22f通过压缩机自然抽入吸入的空气。这样减少压缩机驱动功，改善燃料消耗。
在需要中等的力矩和功率时，如公路上驱动或中等的负荷的发电，最好闸阀3和5关闭，空气旁通阀(ABV)4和6关闭。这使得大气压的吸入空气停止通过压缩机2和1的再循环，并且两个压缩机2开始把充气空气压缩到一个比大气压高的压力，同时，关闭的闸阀5和3将充气空气引导通过导管104，110，111和121/122，绕过空气冷却器10、11和12，在图2中，充气空气直接到达管汇13和14及动力缸7a-7f，在此，密度大的热的充气增加发动机的平均有效气缸压力，产生更大力矩和功率。
在需要更大功率时，如需要快速提速或为了重负荷发电，最好空气旁通阀(ABV)4关闭，闸阀3打开。这使得压缩机2压缩所有空气充气，闸阀3通过导管112或113引导空气充气，并把压缩的充气空气经由充气冷却器11和12供给管汇13和14及气缸7a-7f。为了获得更大的功率，闸阀5打开，空气旁通阀6关闭，压缩机1开始第二级压缩，现在所有的空气充气都通过中间冷却器10、11和12引导而达到高充气密度。该密度很大的冷却的空气充气在与燃料混合时点火，超过发动机的压缩比膨胀，产生大的力矩和功率。
空气充气的重量越大，充气密度越大，为建立一个低的压缩比和保持功率，进气阀能够关闭得越早(或越迟)，并且，在气缸的压缩中形成的热和压力越少。在这个四冲程发动机中，吸入的充气能够增压到4.5大气压，并且，如果压缩比足够的低，例如4∶1-8∶1(对于柴油燃料用较高值)，即使火花点火，也不会有爆燃的问题。膨胀比仍是很大的，对火花点火14∶1会是最好的膨胀比，对柴油运行大概是19∶1。
压缩比是，在压缩冲程(并且进气阀16关闭)中达到点X后留下的气缸7的工作容积除以燃烧室容积确定的。在所有情况中膨胀比大于压缩比。膨胀比是由整个的气缸工作容积除以燃烧室容积确定的。
燃料能够汽化，或能够在油门56(见图16)中注入，或能够注入到空气的进入气流中，如图21所示，注入到预燃烧室中，或通过进气阀16注入，或直接注入到燃烧室。如果注入，它应是在活塞达到点X和进气阀关闭时或在其后。燃料也能够稍后注入，并在柴油运行时，能够在柴油通常注入点注入，或许注入到预燃烧室，或直接注入到燃烧室，或直接注入到电热塞上。
在适当的时间，空气-燃料充气点火，气体顶着活塞膨胀而进行动力冲程。在吹扫(第四)冲程，接近底部死点的适当时间排气阀17打开，活塞22升起，以强制驱占高效地吹扫气缸，此后排气阀关闭。
这样完成了四冲程发动机的一个循环。
图3的发动机1003参见图3，示出一个六气缸往复内燃机1003，其中所有气缸7a-7f(在剖视图中仅示出一个)和配套的活塞22a-22f按四冲程中工作，所有动力缸用于经由连杆19a-19f分别向一个共用曲轴20提供动力。一个辅助的往复式压缩机1和辅助的旋转压缩机2向管汇13和14和按四冲程工作的气缸7a-7f供给压缩的空气或提供大气压的空气。在优选的实施例中，用阀3、4、5和6和中间冷却器10、11和12控制空气充气的密度，重量，温度和压力。进气阀16定时控制发动机1003的压缩比。确定燃烧室的大小，以确定发动机的膨胀比。
图3的发动机1003的特征是，较长的膨胀过程，低的压缩比，和能有产生从比通常轻到比通常重的重量变化的燃烧充气，能够选择地提供一个高于通常发动机的常规设置能够具有的平均有效气缸压力，但与常规发动机比能够具有一个相同的或较低的最大气缸压力。发动机控制组件(ECM)27和图示的在导管上的可变的阀3、5和6形成一个系统，来控制气缸内的充气密度、压力、温度、和平均和峰值压力，节约燃料，在低转数产生较大力矩和功率，使得火花和压缩点火发动机的污染排放低。在另外的实施例中，可以使用一个可变阀的定时系统，使用象发动机控制模件(ECM)27这样的控制系统来控制进气阀16和16′的打开时间和关闭时间，进一步在发动机1003气缸7a-7f的燃烧室中形成一个改进的控制状态，能够产生一个更平的力矩曲线和较高的功率，并且燃料消耗和污染排放低。
图3发动机1003的工作简要说明图3所示的本发明发动机1003是一个高效发动机，它能够达到高功率和力矩，且燃料消耗和污染排放低。新的工作循环是一个外压缩型的燃烧循环。在此循环中，吸入空气的部分(常规发动机在动力缸压缩全部空气)有选择地由至少一个辅助压缩机1、2压缩。在压缩时的温升能够使用冷却吸入的空气空气冷却器10、11和12和通过一个较短的压缩冲程抑制。
新的循环发动机1003的运转的优选方法是1.根据发动机的功率需要(如不同的负荷需要)，在大气压下或压缩的吸入空气被活塞22的吸气冲程抽入到动力缸7，压缩空气是由至少一个辅助压缩机压缩，并且它的温度，压力由旁通系统和充气空气冷却器调节。
2.(a)在吸气冲程完成之后，进气阀16(它可以是单一的或多个16，16′)在活塞22通过底部死点之后打开一段时间，这将新鲜空气充气的一部分泵压回到吸气管汇13、14。然后进气阀16，16′在密封气缸7点上关闭，由此建立发动机的压缩比。
(b)另外，在活塞22达到底部死点前，在吸气冲程时进气阀16，16′早关闭。然后被封闭的空气充气膨胀到气缸7的整个容积，在活塞22到达压缩冲程中进气阀16关闭点时，开始压缩充气。
3.(a)在2(a)或(b)运行中，在活塞压缩冲程中，在进气阀关闭的点开始压缩，产生一个小压缩比。这使得能够显著减小压缩冲程中的温升。
(b)在轻负荷运行，如低速巡行车辆或轻负荷发电，闸阀3和5关闭，在两个压缩机1和2的上的空气旁通阀(ABV)4和6最好打开，使得吸入的空气在不被压缩之下返回压缩机2和1的吸气导管110和8。此时，发动机活塞22a-22f通过压缩机自然地抽入吸入的空气。这样减少压缩机驱动功，改善燃料消耗。
(c)在需要较大的功率时，充气的密度和压力能够通过关闭空气旁通阀(ABV)4使得压缩机1提升充气空气压力来达到，另外如果需要，还通过关闭空气旁通阀ABV6的同样方式插入压缩机2的第二级压缩，或增加压缩机1或2或增加两个压缩机的速度。同时，闸阀3和5将空气充气的一些或全部引导通过中间冷却器10、11和12来增加充气空气的密度。
4.压缩继续，如果没有燃料就加燃料，充气被点火，燃烧产生气体的大膨胀顶着活塞22，以方式3(a)或(b)或(c)产生大量能量。该能量产生一个高的平均有效气缸压力，并转换成高力矩和功率，特别是以方式(c)运行时尤其如此。
图3发动机1003运行的详细说明在活塞22的吸气(第一)冲程中，空气从空气管汇13或14通过空气导管15和进气阀16进入气缸7，空气(根据功率需要)或是大气压的或被压缩机1或2压缩机1压缩到一个较高压力。在活塞22的吸气冲程中，进气阀16关闭(在密封气缸7的点X)。从此点，气缸内充气膨胀到气缸的最大容积。然后，在压缩(第二)冲程，直到活塞22返回到在吸气冲程时进气阀16关闭密封气缸7的点X时才发生压缩。(在点X，气缸的其余的工作容积被燃烧室的容积除，确定发动机的压缩比)。或者，在活塞的吸气(第一)冲程，通过吸气冲程并经过活塞底部死点位置、通过压缩(第二)冲程的一个相当大的距离的部分，即压缩冲程的10％或到50％或更多，进气阀16一直保持打开，由此将一些充气空气泵压回到吸气管汇，并且，然后进气阀16，16′关闭而在发动机的气缸中建立一个低的压缩比。
在轻负荷运行，如车辆巡行或轻负荷发电，闸阀3和5关闭，在压缩机1和2上的空气旁通阀(ABV)4和6最好打开，使得吸入的空气在不被压缩之下返回压缩机1和2的吸气导管110和8。此时，发动机活塞22a-22f通过压缩机自然抽入吸入的空气。这样减少压缩机驱动功，改善燃料消耗。
在需要中等的力矩和功率时，如公路上驱动或中等负荷发电，最好通到压缩机1的闸阀3打开，空气旁通阀(ABV)4关闭，ABV6保持打开。这使得大气压的吸入空气停止通过压缩机1的再循环，并且压缩机1单独开始把充气空气压缩到一个比大气压更高的压力，同时，关闭的闸阀5和3将充气空气引导通过导管104、110、111和121/122而绕过空气冷却器10、11和12，在图3中，充气空气直接到达管汇13和14及动力缸7a-7f，在此，密度大的热充气增加发动机的平均有效气缸压力，产生较大力矩和功率。
在需要更大功率时，如需要快速提速或为了重负荷发电，最好空气旁通阀(ABV)4和6关闭，闸阀3和5在两个压缩机上打开。这使得压缩机1和2压缩所有空气充气，闸阀3和5将空气充气引导离开导管8并通过压缩机1和2，然后压缩的充气空气通过导管105、106、110、112、113、114和115供向管汇13和14，并经由充气冷却器10、11和12供给到气缸7a-7f。密度很大的冷却空气充气在与燃料混合、点火和超过气缸的压缩比膨胀时，产生大的力矩和功率。
空气充气的重量越大，充气密度越大，进气阀能够关闭的越早(或在压缩冲程中越迟)来建立一个低的压缩比并保持功率，在气缸的压缩中形成的热和压力越少。在这个四冲程发动机中，吸入的充气能够增压到4.5大气压，并且，如果压缩比足够低，例如4∶1-8∶1(对于柴油燃料要较高)，即使火花点火也不会有爆燃的问题。膨胀比仍是很大的，对火花点火14∶1会是最好的膨胀比，对柴油运行大概是19∶1。
压缩比是在压缩冲程(并且进气阀16关闭)中达到点X后留下的气缸7的工作容积除以燃烧室容积确定的。在所有情况中膨胀比大于压缩比。膨胀比是由整个的气缸工作容积除以燃烧室容积确定的。
燃料能够汽化，或能够在油门56(见图16)中注入，或能够注入到空气的进入流股中，如图21所示，注入到预燃烧室中，或通过进气阀16注入，或直接注入到燃烧室。如果注入，它应是在活塞达到点X和进气阀关闭时，或在其后。燃料也能够稍后注入，并在柴油运行时能够在柴油通常注入点注入，或注入到预燃烧室，或直接注入到燃烧室，或直接注入到电热塞上。
在适当的时间，空气-燃料充气点火，气体膨胀顶着活塞而进行动力冲程。在吹扫冲程，在接近底部死点的适当时间，排气阀17打开，活塞22升起，以强制驱占有效地吹扫气缸，此后排气阀17关闭。
这样完成了四冲程发动机的一个循环。
图4的发动机1004参见图4，示出六气缸往复内燃机1004，具有两个大气空气进气口8和9和相应的吸入导管15-A，15-B，其中所有气缸(在剖视图中仅示出一个(7))和配套活塞22a-22f按四冲程中工作，所有动力缸用于经由连杆19a-19f分别向一个共用曲轴20提供动力。一个压缩机2，在此图中是Lysholm型旋转压缩机，如所示带有空气导管，向一个或多个气缸吸入阀16-A供给压缩空气。空气入口8和辅助的空气入口9和入口导管15-A、15-B有选择地向分离的进气阀16-A和16-B供给大气空气充气或压缩到更高压力的空气，进气阀16-A和16-B通向同样的气缸7a-7f(例如，在此示出向气缸7f打开)。在优选的实施例中，用控制阀3、5和6和中间冷却器10、11和12控制空气充气的密度、重量、温度和压力。通过管汇14-B和吸气导管15a-B-15f-B接受空气的进气阀16a-B-16f-B定时控制发动机1004的压缩比。确定燃烧室的大小，以确定发动机的膨胀比。因为在图4的发动机1004和图7的发动机(辅助空气入口9系统虚线示出，以便参考)之间存在明显的相似性，对某些共同的组件参考图7是有帮助的。
图4的发动机1004的特征是，较长的膨胀过程，低的压缩比，和能够产生，从比通常轻到比通常重的重量变化的燃烧充气，能够选择地提供一个高于通常发动机的常规设置能够得到的平均有效气缸压力，而与常规发动机比具有一个相同的或较低的最大气缸压力。发动机控制组件(ECM)27(见图7)和图示的在导管上的可变的阀3，5和6形成一个系统来控制气缸内的充气密度，压力，温度和平均和峰值压力，节约燃料，在低转数产生较大力矩和功率，使得火花和压缩点火发动机的污染排放低。在有的实施例中，带有ECM27的一个可变阀的定时系统也能够控制进气阀16-A和/或16-B的打开时间和关闭时间，进一步在发动机1004气缸7a-7f的燃烧室中形成一个改进的控制状态，能够产生一个较平的力矩曲线和较高的功率，并且燃料消耗和污染排放低。
图4发动机1004的工作简要说明图4所示的本发明发动机1004是一个高效发动机，它能够达到高功率和力矩，燃料消耗和污染排放低。新的工作循环是一个外压缩型的燃烧循环。在此循环中，吸入空气的一部分(常规发动机在动力缸压缩全部空气)有选择地由一个辅助压缩机2压缩。在压缩结束时的温升能够使用冷却吸入的空气的空气冷却器10、11和12和通过一个较短的压缩冲程抑制。
在工作时，通过进气阀16-B向气缸7供给主空气充气，是在大气压下或是通过辅助空气入口9在增加大约二分之一到一个大气压下的空气，主空气充气能够与燃料混合。这个充气能够压缩，如果没有燃料就加入燃料，在接近顶部死点的适宜点处点火，进行动力冲程-提供高效燃料节约和低污染排放。
在需要更大功率时，在压缩冲程时，由第二进气阀16-A把从空气入口8来的辅助空气充气最好引入到动力缸7，第二进气阀16-A是在第一进气阀16-B关闭后引入较高压力的空气充气，以便在需要时增加充气密度。在辅助空气充气注入后，进气阀16-A快速关闭。主空气充气可以通过在空气入口8和管汇13，14间插入与压缩机2串联的第二辅助压缩机而增压到更高压力(见图7的压缩机1，在此，在图4中使用的主空气压缩机是压缩机2，在图4和图7中它示出的是一个Lysholm旋转型的)，并且能够中间冷却充气。如果辅助充气加入，可调节辅助充气注入的温度、压力、量和注入点以产生所需的结果。在优选实施例中，当轻负荷运行不需要高平均有效气缸压力时，可以使用一个进气阀封闭器(disabler，在市场上有几种，如Eaton Corp.和Cadillac)来封闭住进气阀16-A。或者，在轻负荷运行时，空气旁通阀(ABV)6打开，使空气充气再循环返回通过压缩机2，来减轻压缩机的压缩功。
或者，一个单向阀，如图6中26示出其一个类型，能够用于在气缸7形成一个恒定或可变的压缩比，同时，改进旋流湍动。在这样运行的方法中，仅当气缸7压力接近等于或超过导管15-A的压力时，进气阀16-A很迟关闭，阀26关闭。因此，导管15-A中由压缩机速度控制的压力与阀3、5和6一同(和图7中的阀4)调节燃烧过程的压力、温度、密度和湍动。弹簧缩回圆盘型、金属或陶瓷的或任何其他类型的自动阀可以替代阀26。
形成低压缩比带有大膨胀比和减少污染排放的另一个方法是在一个极高水平上产生供向吸气通道-导管15-A的空气压力，并且在其他一些实施例中，进气阀16-A由快速动作的更为可控制的阀、例如高速电磁阀(未示出)替代，但不限于此类阀，这个阀最好在发动机控制组件(ECM)控制下是机械的或电动的或真空动作。在这样的实施例中，带或不带伴随燃料的更少的、密度更大的、温度可调节的高压充气能够有选择地，在压缩冲程的相当迟的时间沿切线方向注入，或甚至在燃烧过程注入，来增加充气密度，减少峰值和整个燃烧的温度，并在燃烧室中产生希望的充气旋转湍动。
新的循环发动机1004的运转的优选方法是1.根据发动机的功率需要(如不同的负荷需要)，在大气压下或压缩的吸入空气通过空气入口9、管汇14-B、吸气导管15-B和进气阀16a-B-16f-B被活塞22的吸气冲程抽入到动力缸7(吸气冲程)，压缩空气是由一个压缩机(未示出)压缩，并且它的温度、压力由旁通系统和充气空气冷却器(未示出)调节。
2.(a)在吸气冲程完成后，进气阀16-B(它可以是单一的或多个)在活塞22通过底部死点后打开一段时间，这将新鲜空气充气的一部分泵压回到吸气管汇14-B。
(b)或者，在活塞22达到底部死点前的吸气冲程时，进气阀16，16′早关闭。然后被封闭的空气充气膨胀到气缸7的整个容积。
3.(a)在2(a)或(b)运行中，在进气阀16-B关闭而封闭气缸7的点上，压缩冲程开始(压缩比小)。这能够显著减小压缩冲程中的温升。
(b)在需要更大的功率时，一个辅助压缩的、温度调节的空气充气由进气阀16-A注入气缸7中，在压缩冲程中引入主空气充气的进气阀16-B关闭点或该冲程中稍后，进气阀16-A快速打开和关闭，产生一个密度更大、温度可控制的充气，从发动机得到希望的力矩和功率。
(c)另外，当需要更大功率时，通过使闸阀3和5将空气充气的一些或全部引导通过中间冷却器10、11和12的一个或多个来增加充气空气的密度和/或增加压缩机速度或插入辅助的第二级压缩，就能够增加辅助空气充气的密度和重量，提高压缩机转速或插入辅助第二级压缩可从后侧泵压入较多空气。或者，在吸入或压缩冲程中进气阀16-B的关闭定时能够临时变化，来保持一个更大的充气，同时，进气阀16-A的定时能够临时改变而在压缩冲程时较早地打开和关闭，形成较大密度的、温度可调节的空气充气。
4.继续压缩，如果没有燃料则加燃料，充气被点火，燃烧产生气体的大膨胀而顶着活塞22，以方式3(a)或(b)或(c)产生大量能量。该能量被吸收并转换成高力矩和功率，特别是以方式(c)运行时更是如此。
5.在接近活塞的底部死点，排气阀17a-17f，17a′-17f′打开，气缸7有效地通过活塞22的冲程(第四)来吹扫，然后阀17关闭。
图4发动机1004运行的详细说明在活塞22的吸气(第一)冲程中，低压力空气通过空气管汇14-B从大气空气入口9、通过空气导管15-B流动、再通过一个进气阀16-B进入气缸7；或者空气被增压(或另外，如图5所示，低压空气能够由压力调节阀25和管汇15-B，从压缩空气管线15-A供给)。在活塞22的吸气冲程中，进气阀16-B关闭(X点)。从此点，气缸中的空气充气膨胀到气缸的最大容积。然后，在压缩(第二)冲程时，直到活塞22返回进气阀关闭的点X时才发生充气压缩。(在点X，气缸的其余工作容积除以燃烧室容积，是气缸的压缩比)。在活塞22到达X点时或其后，在活塞22的压缩冲程中的任何点上，第二进气阀16-A有选择地打开，以对希望的发动机应有的负荷、力矩、燃料节约和排放有利的温度、密度和压力，注入辅助的增压空气充气。另外，在进气阀16-B吸入空气充气时，进气阀16-B在经过活塞底部死点位置后相当大的距离保持打开，即压缩冲程的10％或到50％或更多，因此，将充气空气的一些泵压回到吸气管汇14-B，然后进气阀16-B关闭，在发动机的气缸中建立一个低的压缩比。在压缩冲程，在进气阀16-B关闭之时或其后，由压缩机2压缩的高压、温度可调节的辅助充气空气有选择地由第二进气阀16-A注入，第二进气阀16-A向同样气缸7快速地打开和关闭。另外，在需要更大力矩和功率时，通过增加主压缩机2的速度或如图7组件1插入另一级压缩和/或通过中间冷却器运行空气充气，可大大增加辅助充气空气的密度。
对于轻负荷运行，在高压进气阀16-A上的截止阀，或者说阀封闭器31(如图7所示)最好临时限制吸入空气，也就是保持阀关闭。这有利于节约发动机燃料。另外，在轻负荷运行，闸阀5关闭，空气旁通阀ABV打开，使得由压缩机2泵压的空气的一部分或全部返回到压缩机2的吸入导管，形成低压增压或不增压。因此，在辅助吸入阀16-A打开时，导管15-A中的空气压力与开始充气的压力相比大致相同或大出不很多。在另一实施例中，如图6所示，辅助自动阀26设置成，在压缩冲程中，在吸入阀16-A关闭前，假若气缸压力超过导管15-A，防止充气空气向导管15-A的任何回流。
如果设有一个辅助单向阀(见图6的阀26)，气缸7中的压力比完全可由调节通过进气阀16-A的充气空气压力控制。压力能够由阀3、4和5和压缩机的速度以及任何可能设置上的节流阀控制。在阀26使用中，直到在压缩冲程中很迟时间前，或许在活塞22接近或到达顶部死点前，进气阀16-A必须保持打开。
在图4、图4-B、图5、图7和图33中，燃料能够汽化，注入一个油门体56(见图16)，或能够注入空气吸入流股，注入预燃烧室，或通过吸入阀16-A和16-B注入(只有在底部死点后16-B不保持打开，则是16-B)；或在吸气冲程的X点，(只有在底部死点前如果进气阀16-B关闭，则在吸气冲程)，或在压缩冲程中活塞22到达X点时或其后，可以直接注入燃烧室。燃料能够带或不带有伴随的空气注入。在柴油运行中，燃料可以在柴油注入的通常点注入，或许注入到预燃烧室或直接注入到燃烧室，或直接注入在电热塞上。
如果使用温度和密度调节的空气充气在其被注入后，充气的压缩继续，与存在的燃料一起在膨胀(第三)冲程的适当时间点火。(压缩比是在压缩冲程中X点到达后留下的气缸工作容积除以燃烧室容积确定的，膨胀比是气缸的整个空隙容积(cleaarance volume)除以燃烧室容积确定的。)现在燃料-空气充气被点火，随着燃烧的气体膨胀，活塞22的动力(第三)冲程开始。动力冲程的的底部死点附近，排气阀17和17′打开，在第四活塞冲程，气缸7有效地经强制驱占吹扫，尔后，排气阀17关闭。
这样完成了四冲程发动机的一个循环。
能够见到，在压缩冲程中X点到达得越迟(进气阀关阀得或迟或早)，发动机的压缩比越小，在压缩中空气充气受到加热越小。也能够见到，温度密度调节的充气引入得越迟，发动机压缩充气所需的功越少，其中充气的稍后部分已经接受辅助压缩机2的一些压缩。
图4-B的发动机1004-B
见图4-B，示出六缸四冲程内燃机，其结构类似于图4的发动机，不同的是，图4-B发动机做成和设置成压缩机2通过开口8-B和导管8从管汇14-B接受充气空气(图7示出)，而充气空气通过共用的空气吸入导管9进入。吸气通道15a-C-15f-C将大气压空气分配到每个动力缸的进气阀16-B。这样设置，使得空气能够以不同的压力供给到进气阀16-A和16-B，因为从导管15-A来的充气空气可选择由压缩机2增压。图4-B发动机的运行与图4的发动机相同。
图5发动机1005见图5，示出一个六缸四冲程内燃机1005，它与图4的发动机1004和图4-B的发动机1004-B相似，但不同的是，示出的是能够消除双大气吸入口的一些方法，最好是通过导管15a-D-15f-D将低压空气向吸入阀16-B提供，所有的导管从共用的空气入口导管8引出，或从位于入口导管8和导管15a-D-15f-D的入口之间任选的空气管汇35-M引出，管汇35-M也通过导管8-A向压缩机2供给空气。通过导管15-D或通过导管15-B(虚线示出)向进气阀16-B提供低压空气，消除一个第二空气过滤器和空气引导系统，并会与在活塞22的吸气冲程关闭主进气阀16-B，或另外在第二或压缩冲程关闭主进气阀16-B的所述的第一系统很好地配合工作。另外，如图所示，低压充气空气能够通过在从加压的空气导管15(15-A)向低压缸进气阀16-B引导的导管15-B中设置一个压降阀25供给，以使引导的空气压力降低到能够由本文所述的压缩比调节系统控制，最好降低到1.5-2.0大气压(增压0.5-1.0大气压的绝对压力)，和或许降到大气压。
图5发动机1005的运行与图4的发动机1004相同，但低压主空气的供给是不同的。因为在图5发动机1005和图7发动机之间的明显相似，对某些组件参考图7是由帮助的。
在这些四冲程发动机(图4和图4-B和图5)轻负荷运行时，如车辆巡行或轻负荷发电，也可以通过将高压进气阀16-A临时封闭来取消辅助空气充气(有几种阀封闭系统，例如Eaton，Cadillac等)，或者能够切断到进气阀16-A的空气，发动机仍能比常规节约燃料，产生较大的功率。
另外，最好在如车辆巡行的轻负荷运行时，通过关闭闸阀5和打开将泵压空气循环回到压缩机2的空气旁通阀6，能够减轻压缩机2的压缩功，此时在吸气导管15-A和15-B或15-D中的空气压力大约相等。因此，此时不发生增压作用。在一个实施例中，如果在进气阀16-A关闭前气缸中的压力大约等于或超过导管15-A中的压力时，图6的自动阀26在压缩冲程时防止空气回流。
为了增加功率，辅助空气充气可以这样增加，最好通过打开闸阀3和5将空气充气引向中间冷却器10、11和12而使充气的密度增大，和/或增加压缩机的速度，或图7所示由压缩机1加入一第二级预压缩，后两个的作用使得在后部泵压入较多的空气。图7示出主压缩机2是Lysholm旋转型的，辅助压缩机1是涡轮式旋转压缩机，但可以在本发明的发动机中使用任何类型的压缩机。
见图6，在此示出与图4、图4-B、图5、图7和图33相同的四冲程发动机，和一个相似的运行系统，但是图6的发动机具有一个附加的特征，即辅助进气阀16-A具有一个附属阀26，它自动防止充气空气从气缸7回流。这个特征，在本发明的发动机的压缩冲程中防止任何回流发生。这个特征也用于建立发动机的压力比，或是可变的或是固定的。如果辅助充气空气从进气阀16-A接受，进气阀16-A能够在直到靠近底部死点的压缩冲程中保持打开，因为自动阀26在气缸7中的压力接近吸气导管15-A中的压力时关闭。因此，对于具有单级预压缩的发动机，在气缸7和吸气导管15-A之间的压差能够使得自动阀26关闭，即使进气阀16-A仍可能是开的，使得气缸7的压力比能够由通过吸气导管15-A来的任何充气空气的压力控制，而这个压力又是由阀3、5和6和压缩机速度和或许还有节流阀来控制，如果有节流阀的话。阀3、4和5和6和压缩机速度和存在的任何节流阀控制着具有两级预压缩的发动机的压力比。如果没有充气从进气阀16-A通过，自动阀26将关闭好，并且压力比由发动机的压缩比和气缸7通过进气阀16-B接受的充气的密度和温度确定。压缩比仍是由气缸7中的主进气阀16-B关闭点来确定。压力比由通过进气阀16-B或16-A或通过它们两个进入气缸7中的空气密度和温度及压缩比确定。
对于组件26，可以使用任何类型的自动阀，或许是由金属或陶瓷制的弹簧缩回圆盘型的。
图7的发动机1007见图7，在此示出四冲程六缸发动机1007。该发动机的结构和运行与图4和图4-B和图5的四冲程发动机相似，但示出利用空气吸入口装置9(虚线)或空气吸入口装置8′或两个都用的另外的空气引导系统。图7还示出三个中间冷却器10、11和12和附加另外的吸气管汇14-B的双管汇13和14。图7示意示出，通过从管汇14-B的接口8-B直接向空气吸入导管8′提供空气，可以不需要双大气空气吸入口装置(图7中的8′和9)。
图7示出一个另外的空气引入系统，通过向吸气导管15a-C-15f-C提供大气压空气向图4-B和图7的发动机的进气阀16-B供给未加压的充气空气，在图4-B和图7中，吸气导管15a-C-15f-C是从管汇14-B引出，所述管汇通过引导接口9接受大气空气及然后将未加压的空气配布到每个气缸的进气阀16-B。此时，在压缩冲程时活塞22达到X点(进气阀16-B关闭及压缩开始的点)后，高压空气通过进气阀16-A进入。然后进气阀16-A关闭，压缩继续，如果没有燃料则加燃料，在顶部死点(TDC)附近点燃充气，动力(第三)冲程发生。
图7示出的第二个另外的空气引导系统，也如图5中所示，用可选用的减压阀25(图5和图7中的虚线示出)，通过导管15-B供给的、另外从高压导管15-A接受空气供给低压吸入的空气。在活塞22达到进气阀16-B关闭和压缩开始的点时或其后，辅助高压空气充气由进气阀16-A注入。进气阀16-A然后快速关闭，压缩继续，若无燃料则加进去，在适当位置点燃充气，进行动力(第三)冲程。
图7示出的第三另外和优选的空气引导系统向进气阀16-B如下述地供给主空气充气充气空气被压缩机1压缩到低压，约为0.3巴-2巴或更多，能够通过导管32选择地(间断或连续地)供给到图7发动机的低压进气阀16-B，导管32从导管110引出到进气阀(16a-B-16f-B)，所述导管接受大气压的充气空气或增压过的空气，并在任何情况下空气的温度达到优化，这一切都是由压缩机1和中间冷却器10控制的，充气空气路线由相应导管中的阀门5和6控制。此时阀33是任选的。在气缸7充气和压缩比由在活塞22的第一或第二冲程中进气阀16-B关闭确定后，高压进气阀16-A在压缩冲程中阀16-B关闭点打开，注入密度大和调节了温度的空气充气，然后阀16-A关闭，在压缩继续并接近顶部死点时，燃料存在，点燃充气，发生动力冲程。使用这个系统也不需要双大气空气吸入口装置。
图7示出的第四替代的空气引导系统，选择地从吸气系统9、管汇14-B和吸气导管15-C(虚线)或从导管32引来充气空气，向低压进气阀16-B供给主充气空气，导管32将任何具体时间需要的任何压力和温度的空气引向动力缸7。用这种设置，在压缩机1压缩通过它的充气时打开阀33，具有增加主充气空气密度的效果，此时，充气空气的温度和压力也由压缩机1和控制阀5和6调节。单向阀34防止较高压力的空气通过导管15-C逸出。在需要较小功率时，通过部分或全部打开控制阀6和关闭闸阀5压缩机1能够排放(waste gated)。另外，通过发动机控制组件(ECM)使阀33关闭，主充气空气通过吸气导管9(虚线)在大气压下抽入。现在活塞22开始它的第二冲程，如果在吸气冲程上进气阀16-B未关闭，则现在关闭，建立压缩比，并且在所有情况下，密度大的辅助充气通过在活塞到达进气阀16-B关闭点时或之后打开的阀16-A进入，然后阀16-A快速关闭，压缩继续，在接近顶部死点时点燃充气，发生动力(第三)冲程。
用第四替代空气引导系统，低压进气阀16-B能够(a)接受大气压下的充气空气，或(b)通过导管32或15-B接受压缩和冷却的充气空气。高压进气阀16-A(在压缩冲程开始时或其后打开)能够接受(a)由压缩机1或2的单级压缩和冷却的充气空气，或(b)由两级或多级压缩和冷却到密度很大的充气空气，或(c)温度和压力由控制阀5和6调节的充气空气，这些都是为了就功率、力矩和燃料节约及控制排放方面较好地调节燃烧特性。通过结合一个任选的单向阀(见图6的阀26)，图4、图4-B、图5和图7的发动机能够具有固定的或可变的压力比，充气密度、压力、温度和湍动和阀26的关闭时间由阀3、5和6、压缩机速度、具有一级预压缩的发动机中存在的任何节流阀和具有两级预压缩的发动机中的附加阀4来控制。在任一情况中，进气阀16-A应在压缩冲程中保持打开到很迟的时间，大概到接近活塞22的顶部死点。
除了高压压缩辅助空气充气外，压缩通向低压进气阀16-B的充气空气的优点是，在这种发动机的工作循环的很多时间内，为了产生高平均气缸压力，充气的密度可以急剧地增加而同时保持峰值压力和温度低。通过高压进气阀16-A由图7中的阀止动器(deactivator)31止动，或通过压缩机2和/或压缩机1由控制阀3和4和/或控制阀5和6部分或全部旁通，改变进入到管汇13和14然后到进气阀16-A的充气温度和压力，这个系统能够提供在山区车辆运行所需的所有功率。为了产生最高的功率，可以关闭和除去阀的止动器。
图7还示出一个推荐的发动机控制系统，和一个通过控制空气旁通阀4和6和闸阀3和5来控制密度、温度和压力的方案，控制系统由发动机控制组件(ECM)27和两个闸阀3和5、两个空气旁通阀4和6及在空气导管15-B(15a-B-15f-B)上的任选的减压阀25(25a-25f)。如图所示，关闭空气旁通阀4使得压缩机2能够充分压缩充气，闸阀3稍微打开，使得部分空气能够流动而不受冷却(空箭头)，一些冷却的空气(实箭头)流动到管汇13和14，所有这些能够由ECM27控制，以便提供最适的密度、温度和压力的空气充气。导管120中的空箭头4-A示出，ABV4如何能够部分地打开，使得一些空气旁通返回到压缩机2，以便为了调节充气密度和温度而细调注入的辅助空气充气的压力。另外，所有空气充气能够通过中间冷却器10、11和12或通过旁通导管121或122引导到管汇13和14。
为以低压缩比低污染排放取得大功率，空气旁通阀(ABV)4和6关闭而闸阀3和5打开，使得压缩机2和1提高通过中间冷却器由闸阀3和5引导的充气空气的压力，取得最大的密度。在吸气冲程时，低压阀16-B打开，活塞22吸入低压空气，在压缩冲程底部死点之前或在底部死点之后关闭进气阀16-B。在压缩冲程中，在进气阀16-B关闭点或之后，进气阀16-A打开而注入辅助的密度大的冷却空气充气，然后再关闭。压缩继续达到低的压缩比。没有燃料时则加入燃料，在接近顶部死点的适宜点点燃充气(点火能够在顶部死点之前或之处或之后)，以大的膨胀比、高力矩进行动力(第三)冲程，然后排气阀17打开，进行吹气冲程，其后排气阀17关闭。
在这些设计中，燃料能够汽化，从油门注入和接口注入气缸，可以在空气进气口装置和活塞顶间的任何点引入。燃料空气混合物可分成层，或从火花点火的计算配比到很稀的配比的混合物，或柴油运行时的很浓的混合物。发动机的功率可以由燃料计量单独控制，或由节流阀将空气供给适当地调节到正确的燃料-空气比，或在使用两级预压缩时由控制阀4和6和在使用单级预压缩时用控制阀4“计量”。
在本发明的任何发动机中，不完全混合燃料、空气和残余气体、由此导致的在点火点上的状态发生变化的常规发动机的共同问题减少到最少，并且在一些情况，通过高速的延迟空气充气注入予以消除。在现今现有技术的气缸中，在燃料-空气比变化的混合物中进行火花点火，当气体燃料直接注入到气缸时，这个问题是很严重的，本发明正是要解决这个问题。
(关于发现对这个特殊问题的解决方案的重要性，在麻省理工学院的发动机研究人员称，消除在燃烧过程循环到循环变化对改进发动机性能是一个重要的贡献。如果所有的循环相同，相同于一个平均的循环，最大的气缸压力会降低，效率提高，最重要的是，爆燃限较高，因此，对于给定的燃料，能够明显增加效率和/或平均有效气缸压力。)所述的循环变化被减到最小，并在本发明的每个实施例的发动机中(包括2和四冲程)，由于注入高压空气产生的明显旋转湍动可能消除掉这种循环变化。另外，任何本发明的发动机中，通过有罩进气阀16特别是16-A或使用单向阀(如图6和图10的阀26)可使旋转湍动能够在气缸壁的切线方向定向。使用一个有罩进气阀，即使发动机在活塞吸气冲程接受空气充气，它也有利于减少不必要的循环变化，并降低对辛烷值的要求，提高爆振限制的平均有效(气缸)压力(knock-limitedindicated mean effective pressure-klimep)。本发明的发动机通过在压缩冲程注入充气空气，特殊是通过一个有罩阀，产生很大的旋转湍动，进一步消除了多余的循环间的变化，使燃料燃烧更完全彻底。
通过使用一个常规的提升阀，并且在与希望的空气流动方向相反的的阀头侧壁在阀打开时由一个发动机气缸盖面的加厚部分给其加罩，在阀打开时形成一个新月形的环或凸起，将空气流动引导到希望方向，在运行中吸入的空气气能够旋转，且还在一个气缸壁切线方向上流动。
在柴油燃烧系统，本发明的较好混合过程使得浓度很大的燃料-空气比能够产生较大的限烟(smoke-limited)功率，并且对于一个浓度极大的燃料-空气比，实际上可消除烟和颗粒。
在压缩冲程中高压充气注入产生的旋流湍动没有被压缩冲程减弱，并且充气注入的越迟，产生所需旋转湍动需要的充气量越小。在根据本发明的方法运行的任何往复内燃机中，很高压力的、控制温度的空气充气能够以极高的压力有选择地在切线方向注入，并且注入时间是在压缩冲程的很迟时间，例如，就在燃料注入前，或在燃料注入时，或与燃料注入一起，甚至在压缩过程中注入。
因为图4-图7、图9、图9-B和图15-图20的发动机中的辅助空气充气可压缩到极高程度，在另外的实施例中进气阀16-A由更可控制的和快速动作的阀替代，例如但不限于高速电磁阀(未示出)。这个阀最好是机械的、电动的或真空的，最好由图7、图9-B和图15-图20和图33所示的发动机控制组件(ECM)控制。在这样的系统中，辅助空气充气能够选择地在压缩冲程的很迟时间注入，来增加充气密度和旋流湍动和减少峰值和整个燃烧温度，减小污染排放。注入能够以切线方向进行。这显著增加旋转湍动，防止在通常发动机中都有但不希望有的循环变化，在汽油或狄塞尔发动机中所述循环变化的很麻烦的。
使用这样的系统会造成较低的最大气缸压力和温度。效率和爆燃限会更高，因此，能够对于给定燃料显著提高效率和平均有效气缸压力。本发明的所有的发动机与现有技术发动机相比以更完全的膨胀过程运行，从而在效率和排放方有进一步改进。
根据本发明设计的四冲程的发动机(如图1，图2，图3，图4，图4-B，图5，图7和图33)，与二冲程发动机一样(图8-11，25和33)利用比压缩比大的膨胀比。为了达到这个结果，通过选择合适的燃烧室容积确定膨胀比，通过很早或很迟关闭进气阀而使压缩比减小到此值之下。
图8的发动机1008见图8，示出一个汽油、柴油、天然气、氢气或混合双燃料运行的六缸往复式内燃机1008，它具有六个缸7a-7f(在剖视图仅示出一个7f)，其中活塞22a-22f设置成进行往复运动。图中另一个气缸的存在仅以气缸衬7a的下端表示出。一个剖视图示出一个双作用压缩机气缸1。活塞22a-22f以常规方式分别通过连杆19连接到一个共用的曲轴20提供动力。图8的发动机1008能够按二冲程运行，对于曲轴20的每次转动产生六动力冲程。为此，压缩机1抽入大气压下的空气充气(或另外，空气充气预先通过吸气导管102经由一个进气控制阀6受高压压缩，导管102通过旁通控制阀6和闸阀5和旁通阀104或中间冷却器10从压缩机2引出)。在图8发动机的运行时，空气充气在压缩机1内由它的配套活塞131压缩。压缩的充气被压进一个出口而进入高压转移导管109，导管109引到旁通阀3，旁通阀3的结构设置成，响应发动机控制组件(ECM)27的信号，而使压缩的充气通过中间冷却器11和12或通过旁通导管111。这个组件指令确定压缩程度、和通过中间冷却器和/或旁通导管进入管汇13和14压缩充气流的量和方向。管汇13和14的结构设置成，通过分吸气导管15a-15f把压缩充气分配到进气阀16和16′和其余的五个动力缸。另外，一个辅助压缩机2通过吸入口8接受大气空气，向导管102预压缩空气充气，导管101引向控制阀5，所述控制阀响应ECM27的信号，导引压缩充气通过中间冷却器10或旁通导管104而到达压缩机1。ECM27也能够控制阀4和6，把通过压缩机1和2的充气的一部分或全部通过导管120和103引回，以此来调节压缩机1和2，或是其一或是两个，从完全压缩到不压缩的压缩量，因此，在轻负荷运行过程中，压缩机1或压缩机2能够向气缸供给所需的压缩空气。
图8发动机1008具有凸轮轴21，它以与曲轴20相同的速度被驱动，对动力活塞的每次旋转供给一个工作冲程。往复压缩机能够具有一个或多个双作用气缸，一个在图中以1示出，并具有一级以上的压缩级；对于一个或多个压缩机，曲轴20每一次旋转的供给两个工作冲程，这将在下述叙及。另外，往复压缩机能够由短曲轴驱动，短曲轴由一个在主曲轴上的增速齿轮机构转动，主曲轴驱动在辅助曲轴上的一个较小齿轮。辅助旋转压缩机2能够由V形棱皮带驱动的V形槽皮带轮驱动，并在V槽皮带轮和压缩机驱动轴间具有一个增速齿轮机构。旋转压缩机2也能够具有一个可变速驱动装置，如在一些飞机发动机中。
图8的发动机1008的运行说明充气空气引入压缩机的进气口8，由此它通过压缩机2，在此向导管101导引，而达到闸阀5，由此充气被引向或通过中间冷却器10或通过空气旁通阀6，在此，充气的一部分或全部能够通过压缩机2被引导返回而在没有压缩下充气被再循环；或者阀6能够将空气充气引导进入压缩机1的进气口，在此空气充气从压缩机1的出口导管泵压出而被引向闸阀3，充气被引通过中间冷却器11和12或通过空气旁通阀4，或一部分充气通过这两个，然后引向管汇13和14，管汇将充气空气分配到进气阀16和发动机1008每个动力缸的进气阀。(旁通阀4能够将充气的部分或全部引到管汇13和14，或通过导管120向后向导管106再循环部分或全部充气而进入压缩机1的进气口。)发动机控制组件(ECM)27控制阀3、4和5和6，来调节引向发动机燃烧室130的充气压力、温度和密度。相同的ECM27能够控制一个可变的阀发生控制系统，按与曲轴20的旋转角成一定关系调节进气阀16和动力缸排放阀17的打开和关闭时间，来调节发动机的压缩比和充气密度，在功率、力矩、燃料节约和供给燃料特性方面达到最佳性能。
动力缸7的运行方式如下替代方案1在接近气缸7动力冲程结束处，排气阀17，17′打开，排气阀仍打开，活塞22开始第二或排气冲程。在排气冲程时，在顶部死点前约60-70度，排气阀17，17′关闭。在排气阀关闭点，建立压缩比。在压缩冲程中该点之后，进气阀16，16′打开，压缩的空气和/或空气-燃料充气被注入到动力缸7的燃烧室130，在顶部死点前约60度阀16，16′关闭，旋流和上死点湍动伴随高压空气注入，活塞22继续向冲程尾部进行，压缩充气产生很低的压缩比，它能够低到2∶1。在进气阀关闭后，如果燃料未混合进来，将燃料注入到进入的空气流股中，或在关闭进气阀后注入到预燃烧室或直接注入到燃烧室。燃料能够注入到充气旋流当中，以形成分层的充气燃烧过程，或如果被点火的是柴油它能够注入到电热塞。燃料-空气混合由压缩或电火花点火，电火花点火时间选在为取得最大效率和/或功率。一般，在活塞顶部死点前注入燃料和点火。燃料能够较迟注入和在膨胀冲程早期时连续注入，使得形成一个大致恒定压力的燃烧过程，特别是对于柴油燃料。最好在活塞达到顶部死点之前点燃燃料空气混合物，燃烧充气顶着活塞膨胀，活塞向底部死点运动。在活塞冲程的底部死点附近，排气阀打开，在吹扫冲程排出的混合物由活塞22的强制驱占吹扫。如果进气阀16，16′打开较早，为了吹扫会需要与排气阀的某个阀重叠工作。如果进气阀16，16′打开的迟，不需要阀重叠工作，在进气阀16，16′打开的大约相同时间排气阀17，17′关闭。发动机的膨胀比对于柴油能够达到约为19∶1，对于气体燃料或汽油为14∶1，膨胀比由是气缸的工作容积除以燃烧室容积确定。
运行方案2接近气缸7的动力冲程结束时，排气阀17，17′打开，在排气阀17、17′仍打开时，开始第二冲程或吹扫充气的冲程。在接近冲程中部的点(如在顶部死点前约90度)排气阀17、17′仍打开，进气阀打开，以一个小的阀重叠工作，来放入高压吹扫和充填空气。如图11组件30所示，可使一个或多个进气阀16休息，使得向下沿气缸7的壁引导首先吸入的空气，使得在阀16，16′和17，17′很小重叠工作时，循环-吹扫气缸(loop-scavenge)。排气阀17，17′保持打开到压缩应开始的点，在它关闭时接受空气充气，其后进气阀16，16′马上关闭，气缸被充分地吹扫，并以高压充入调节温度的新空气。活塞22继续它的冲程来压缩充气而产生低压缩比，根据使用的燃料，理想的是13∶1-4∶1。压缩比是排气阀17、17′关闭时的活塞2二冲程的点确立的，由气缸的留下的工作容积除以燃烧室容积来计算。
随着活塞22从排气阀关闭建立压缩比和压缩充气开始的X点继续上升时，同时压力开始升高。密度大的冷却空气充气与短压缩冲程一起产生一个低压缩比，带有很稠密的充气，低的最大气缸压力但有效平均气缸压力高，使得力矩和功率大。
压力比由进入充气的密度、压力和温度、进气阀16，16′打开的时间长度和排气阀17、17′关闭点来确定。排气阀17。17′关闭得越迟，充气在注入后膨胀越小，要求压缩充气的功越小，要求的吸气和排气阀重叠时间越小，压缩比越小。
或许在活塞顶部死点前约150-120度的某点，气缸7被充分吹扫，进气阀16，16′打开来放入全部充气空气而排放气体的主要部分通过吹扫驱除，在此时之前或不迟于此，可关闭排气阀17、17′。(在一些情况中，残余的废气是有益的，试验显示在哪点进气阀和排气阀均能够关闭而没有任何重叠)。在此情况中，“有效”压缩比能够低到3∶1或甚至2∶1，也即产生低的最大气缸压力和温度，而平均有效压力高。燃料能够早在排气阀关闭时的点注入，并且能够早到在压缩冲程前约150-120度。在顶部死点之或之时或之后，点燃燃料-空气混合物，并发生膨胀(第二)冲程。膨胀比是用燃烧室容积除气缸的工作容积确定的，对于用柴油能够高达约为19∶1，用汽油或气体燃料为14∶1。
发动机控制组件(ECM)27能够控制引入到气缸7或燃烧室130的充气的温度和密度和进入燃烧室的定时，并因此，在需要时，调节充气密度、湍动、温度和压力，设有一个限制峰值温度和压力的装置，但是平均的有效气缸压力比通常的发动机高，并还减低污染排放的水平。
在图13中的线B(bp)上表示出一个推荐的轻负荷燃料有效运行的系统是这样可以选一个13∶1的名义的压缩比，膨胀比是19∶1。在绝热压缩时，后者确定燃烧室的容积，前者确定最大的充气压力(不是最大气缸压力)，约530磅/平方英寸。ECM27向闸阀5和空气旁通控制阀6发信号，将通过压缩机2泵压的空气通过压缩机2返回压缩机2再循环而不受压缩，或对于任何类型压缩机，打开放泄闸阀而旁通压缩机。闸阀5旁通中间冷却器10，并将充气引入压缩机12的入口。压缩机1绝热压缩充气，例如压缩比为7∶1。ECM27控制组件旁通中间冷却器11和12，将充气引入管汇13和14，压缩热保留下来。如果排气阀17、17′关闭，气缸7的进气阀16，16′在接近压缩冲程的结束时打开，有效压缩比能够低到2∶1，产生一个14∶1的“名义”压缩比。(如果在排气冲程中较早关闭排气阀17，17′和打开进气阀16，16′，注入的充气空气压力会较低，有效的压缩比会较大，即气缸的压缩产生热较多。假使进气阀16，16′在冲程中打开，在排气阀17，17′关闭后，名义压缩比13∶1希望带有4∶1的有效压缩比，在冲程中引入气缸的充气应被压缩4∶1)。然后未冷却的充气在气缸中以有效压缩比4∶1被压缩，在一情况下，压力约为530磅/平方英寸，温度900°F以上。然后点燃燃料/空气充气，就顶着活塞膨胀到动力缸的全部容积，膨胀比为19∶1。
在需要大功率时，ECM27给控制空气旁通阀4和6关闭。压缩机2开始压缩空气充气到更高压力，同时，ECM27打开闸阀3和5，通过中间冷却器10、11和12输送空气。因此，因为充气空气被冷却，能够低到150-200°F，现在较多的空气被附加的压缩级2在后侧泵压到气缸中，防止在燃烧前由于充气的冷却而使充气空气产生大的压降。燃烧室中的空气充气现在被压缩2∶1(图13线B(ic))虽被冷却了但保持接近设计压力，此时，约500-530磅/平方英寸，显著增加充气密度和发动机的力矩和功率。空气充气越冷，形成的峰值温度和压力越低，并以高度的湍动一起，对于燃料浓度很大的燃料空气混合物，产生较少的未燃烧的碳氢化合物、NOx和其他污染排放，几乎消除了烟和颗粒。空气-燃料被点火，膨胀到气缸的整个容积，膨胀比19∶1，虽然有效压缩比仅为2∶1(见图13的线B(ic))。
无论使用哪一种方案，发动机都能够增压到比常规发动机较高的压力，因为在大多数情况在燃烧室充气的时间进气阀关闭，并且较冷的空气充气防止爆燃和减少污染排放。而且，在多数情况，燃料的驻流时间比预先爆震(pre-knock)状态需要的少。
在需要低功率时，如车辆巡行或轻负荷发电，发动机运行能够转变成轻负荷运行，如中断一级压缩，第一冷却器10通过空气充气由闸阀5和旁通阀6再循环旁通。闸阀3和空气旁通阀4能够导引所有从压缩级1来的充气通过中间冷却器11和12并保持压缩的热，进入到管汇13和14直到气缸中，进行较小密度，燃料较高效的运行方式。
再见图8，示出的图8-图11和图25的发动机气缸盖，具有一个任选的压力平衡进气阀，冷却由导管提供，导管带有吸气导管29和出口导管29′及单向阀(未示出)，当阀杆与进气阀16一起往复运动来泵压冷却和润滑油或油-空气混合物通过阀杆膨胀部分之上的空间，单向阀提供阀杆上的膨胀部分28。
图8、图11和25的压力平衡在其阀16、16′和图9、图10的吸气阀16-A提供快速进气阀关闭，并允许使用大型的非限制的进气阀和比通常的阀较小的复位弹簧。(在进气阀打开时，在燃烧室内阀头之下和吸气导管内阀头之上几乎立即发生压力平衡，此时吸气导管的压力作用在象活塞那样的阀杆上的装置，会使阀杆依从凸轮轮廓的向下斜坡运动而快速关闭阀。而且，新型的“Magnavox”压力起动的“方波”进气阀也可以在本发明的发动机中使用。)压力平衡阀的工作如下压力平衡进气阀在阀杆上具有膨胀部分28，它的下表面暴露到导管15A中的气体。在图8-图11或图25中，阀杆由凸轮21压下，进气阀16打开，导管15A中的的任何压力均与燃烧室压力平衡，并在此时，由于导管15A中的顶着阀杆膨胀部分28下侧的任何压力产生的唯一反作用力使得阀快速关闭。在进和出通道29和29′上的单向阀(未示出)最好使得油或油-空气混合物通过膨胀部分28上的空间，或通过阀杆膨胀部分28。油入口可以在油聚集供给冷却系统的气缸盖中的下点上。另外，油入口管线29可以连接到油或油-气混合供给管线。从冷却系统出来的入口导管29和出口导管29′安装有单向阀，出口导管29′比入口导管29高，或可以连接到引向发动机油箱的油排放管线。阀杆膨胀部分28也可以具有一个通过它门的通道，在每侧各有一个单向阀。因为排气阀一直难于冷却的，这个系统为排气阀提供充分的冷却，即使在排气导管中没有大的压力也是如此。此时这个系统应用到排气阀17上，排气口18从排气阀17伸出，或应用到任何的发动机的排气阀上，使得排气阀和阀座的寿命长。
在大型发动机上，从上述泵伸出的管线能够汇聚成较大的管线，由它门提供的油的泵压可以替代所述发动机上的常规的油泵。
图9的发动机1009见图9，示出一个具有大气空气进气口装置的六缸往复内燃机，其中所有的气缸7a-7f(在剖视图仅示出一个(7f))和配套的活塞22a-22f进行二冲程工作，使用所有动力缸对于曲轴20的每次转动产生六个动力冲程，经由连杆19a-19f对于一个共用曲轴20产生动力。一个主压缩机1，图中示出的是双作用往复型的，与图示的空气导管一起向一个或多个气缸的进气阀16-A和16-B(如果到阀16-B主充气从导管15来则仅是后者)供给加压的空气。一个Lysholm型辅助压缩机与压缩机1串联。一个空气吸入口装置8和配套的压缩机1和/或2与吸气导管和管汇13和14向空气吸气导管15-A和进气阀16-A再到气缸7供给充气空气，充气空气被压缩到比大气压高的压力。第二导管32将通过任选的截止阀33从导管110来的空气充气引向进气阀16-B而向同一气缸供给低压空气。另外，从导管15-A引出的第二导管15-B可以安装一个压力控制阀25(均是虚线)并能够向进气阀16-B引导低压空气充气。使用中间冷却器10、11和12和控制阀3、4、5和6帮助控制充气空气的密度、重量、温度和压力。进气阀定时控制发动机的压缩比。确定燃烧室的大小以确定发动机的膨胀比。
图9、图11和图25的发动机具有装有凸轮的凸轮轴21，并设置成以发动机曲轴的速度旋转，以便为了每转曲轴的旋转向每个动力活塞供给一个动力冲程。
图9示出发动机1009的特征是，与通常的发动机比具有更完全的膨胀过程和较低的压缩比，能够产生比通常轻到比通常重的重量变化的燃烧充气，能够提供的平均有效气缸压力可选择为高于通常发动机的常规设置能够具有的，而带有一个相当的或较低的最大气缸压力。发动机控制组件(ECM)27(见图7)和图示的在导管上的可变的阀3，5和6形成一个系统来控制气缸内的充气密度、压力、温度和平均压力和峰值压力，节约燃料，在所有转数产生较大力矩和功率，使得火花和压缩点火发动机的污染排放低。在另外的实施例中，带有ECM27的一个可变阀的定时系统也能够控制进气阀16-A和/或16-B的打开和关闭时间，进一步在燃烧室中形成一个改进的控制状态，能够产生一个更平的力矩曲线和较高的功率，并且燃料消耗和污染排放低。
图9的发动机1009的运行简要说明图9的新型循环发动机1009的是一个高效发动机，它可获得高功率和力矩，低的燃料消耗和低的污染排放。
新的工作循环是一个外压缩型的燃烧循环。在此循环中，吸入空气的部分(常规发动机在动力缸压缩全部空气)由至少一个辅助压缩机压缩。在压缩结束时的温升能够使用冷却压缩空气的空气冷却器和通过一个较短的压缩冲程来抑制。
在工作时，压力增加约三分之一到一个大气压或更多，通过从辅助压缩机2引出的吸气导管32把空气供给到进气阀16-B，或者空气通过导管15-B和压力控制阀25引入。一个第二空气导管15A选择地向第二进气阀16-A供给较高压力的充气空气，而将其引向相同的动力缸7。(在这个设计中，在接近动力冲程的底部死点，排气阀17打开并且废气排放后，进气阀16-B允许低压空气进入)。在排气阀17打开后发生废气排放，现在进气阀16-B快速打开和关闭而注入低压吹扫空气。在活塞22开始它的压缩冲程时，气缸7进一步通过循环换气吹扫。进气阀16-B现在关闭，活塞22在压缩冲程中升起到压缩应开始的点，在该点排气阀17关闭而封闭气缸7并建立压缩比。压缩继续，在顶部死点附近的适当点处，燃料存在之下，通过火花或压缩充气点火燃充气，发生动力冲程。
在需要较大功率时，在压缩冲程中，在排气阀17a关闭之时或其后，通过进气阀16-A把由导管15-A来的辅助空气充气引入到动力缸7，进气阀16-A引入较高压力的空气充气并快速关闭，来增加充气密度。另外，通过调节空气旁通阀6经压缩机2输送较多空气、或通过增加压缩机的速度，或改变导管15-B上的控制阀25上的设定，把主空气充气增压到更高的压力，控制阀另外也向进气阀16-B供给低压主空气充气。如果加辅助充气，可调节辅助充气的温度、压力、量和注入点以产生希望的结果。
为了轻负荷运行，在轻负荷运行不要求高平均有效气缸压力时，可以使用一个进气阀封闭器31(在市场上有几种，如Eaton Corp.和Cadillac)来封闭进气阀16-A。另外，在通过导管15-B向进气阀16-B供低压空气时，可打开空气旁通阀(ABV)6，通过压缩机2往回再循环一些充气空气，减轻轻负荷运行时的压缩机的压缩功。另外，最好空气旁通阀4能够按要求将压缩机1泵压的空气全部或部分再循环回到压缩机1的进气口，来减少通过进气阀16-A的辅助充气的压力和密度。
新型循环发动机1009的运行的推荐优选方法；1.排气阀17，17′较早例如在底部死点前40度打开排出废气之后，动力冲程结束(约底部死点)时，进气阀16-B在接近底部死点时由在凸轮21-B上的小凸起打开，通过至少一个压缩机2压缩的比大气压高的并且通过旁通系统或充气空气冷却器10调节温度的吸入空气，通过进气阀16-B被引入到气缸7中。排气阀在底部死点之后继续保持打开，以便进一步吹扫气缸7。在接近底部死点处进气阀16-B关闭。
2.在动力冲程完成并且气缸7充入新充气后，排气阀17在活塞通过底部死点之后保持打开一段时间(现在进气阀16-B关闭)，用新空气充气进一步吹扫动力缸且建立气缸的低压缩比，压缩比是在排气阀17关闭的点剩余的气缸的工作容积除以燃烧室容积确定的。
3.气缸7现在由新空气充满，压缩冲程继续，在某点处排气阀17关闭，压缩开始达到小压缩比。这使得能够减小压缩冲程中的温升。压缩继续，如果不存在燃料则加入燃料，在接近顶部死点的适当时间点燃充气，发生动力冲程。
4.(a)另外，在要求更大功率时，辅助的被压缩的、调节了温度的空气充气通过进气阀16-A注入到气缸7中，进气阀16-A在压缩冲程中在排气阀关闭点或之后快速打开和关闭，产生密度较大的充气，提供希望产生的发动机的力矩和功率。
(b)在要求更大功率时，通过一个多个中间却器10、11和12和通过增加压缩机速度、或插入另一级辅助压缩、或让较多的充气空气通过运行的压缩机，能够增加辅助空气充气的密度和重量。
5.接近活塞底部死点，排气阀17，17′打开，气缸有效地通过排放和主进气阀16-A注入的空气来吹扫。
图9的发动机1009运行的详述接近活塞22的动力(第一)冲程的结束点处，约在活塞22底部死点前40度，低压空气由导管106和任选的截止阀33和压缩机2通过空气导管32流动，或从压缩空气管线15-A(如图9和图10所示)由调压阀25供给通过空气导管15-B流动，通过进气阀16-B进入气缸7，之后排气阀17马上打开排放。底部死点之后或在底部死点上进气阀16-B立即关闭。在活塞22压缩(第二)冲程的前部排气阀17保持打开。气缸7现在有效地由排放和循环换气吹扫，并在气缸充满新空气的压缩冲程任何点上，排气阀17，17′能够关闭。但是因为希望要低压缩比，排气阀17，17′能够保持打开到活塞达到希望建立压缩比的点。在排气阀17a和17a′关闭之时或之后，由压缩机压缩的辅助高压和温度调节的充气由进气阀16-A注入所述的气缸，其后进气阀16-A关闭。进而，在需要高力矩和功率时，如果辅助充气空气已经压缩，通过插入压缩机2或增加压缩机2的速度，如图9所示，通过阀4和/或6将较多的空气引过压缩机1和/或2，并且将充气全部或部分通过中间冷却器10、11和12，能够大大提高辅助充气的密度。
在这个系统中，与排气阀关闭建立压缩比的点无关，在气缸7中收拢的主新空气充气比通常的轻，压缩比比通常低，因此，如果需要，高压缩的、调节温度的空气充气能够在冲程中在排气阀关闭之时或之后注入，而提供比通常充气密度大的充气，但是温升由冷却的充气和短的压缩冲程抑制。燃烧时这产生比通常大的平均有效气缸压力，以取得大力矩和功率，但膨胀比仍大于压缩比。
为了轻负荷运行，在高压进气阀上的一个截止阀或阀封闭器31(虚线)能够临时限制吸入空气或保持阀16-A关闭。这使发动机更节省燃料。另外，如果压缩机2没有向导管32和进气阀16-B供给空气，在轻负荷运行时，闸阀5可以关闭，空气旁通阀6能够打开，使得压缩机2泵压的空气部分地或全部返回到压缩机2的吸气导管，几乎不或根本不发生压缩。
图10中一个辅助的自动进气阀26可以设置成，如果在进气阀16-A关闭前，在活塞22压缩冲程中，气缸7的压力接近或超过导管15-A中的压力，防止向导管15-A的充气空气倒流。
另外，图10的辅助自动阀26可以用于在气缸7中形成一个固定或可变的压力比。此时，直到接近顶部死点处阀16-A保持打开，并且阀26的关闭时间由阀3、4、5和6、压缩机的输出和存在的任何节流阀控制的气缸7中压差调节。自动阀26也可以是金属或陶瓷制的弹簧收缩圆盘型。
燃料能够汽化，在活塞22到达压缩冲程中的X点之时或之后，如图15-图17，和图19-图20的组件56所示的，燃料注入油门56，或燃料能够注入到空气流股中，注入预燃烧室中(与图21类似)，或通过进气阀16-A注入，或在排气-压缩冲程的X点直接注入燃烧室。燃料也能够较迟注入，并在柴油运行时能够在柴油注入的通常点注入，注入到预燃烧室或直接注入燃烧室，如图21所示，或直接注入在电热塞上。如果使用调节温度密度的空气充气，所述充气注入后，充气压缩继续，在燃料存在时，在膨胀冲程的适当时间进行点火。(压缩比是在X点到达后留下的气缸工作容积除以燃烧室容积确定的，膨胀比是气缸的整个空隙容积除以燃烧室容积确定的。)现在燃料-空气充气点火，随着燃烧的气体膨胀时，发生活塞动力冲程。接近动力冲程的底部死点处，排气阀17，17′打开，并在动力冲程结束和大约活塞22转向时，气缸7有效地通过排放和循环换气吹扫。
可见到，压缩冲程中到达X点的时间越迟(排气阀关闭的越迟)，发动机的压缩比越低，压缩中对充气的加热越小。
也可见到，温度密度调节的充气引入得越迟，为压缩充气发动机的需要做的功越小，已接受压缩机1和/或辅助压缩机2一些压缩充气空气部分越迟。在一些负荷轻且燃料节约是重要的情况中，辅助压缩机能够旁通，辅助空气充气临时除去，整个的充气重量能够小于常规发动机，并且有扩大的膨胀比，节约燃料更好。
二冲程循环发动机(在图9和图9-B)轻负荷运行时，如车辆巡行或轻负荷发电，辅助空气充气能够通过将高压进气阀16-A临时封闭(有几种封闭系统如Eaton，Cadillac等)来消除，或能够截断通到进气阀16-A的空气，发动机仍较节约燃料，产生较大功率，空气充气由压缩机2或1通过导管15-A、110、32和进气阀16-B供给。
图9-B的发动机1009-B图9-B是六缸往复式内燃机1009-B的示意图，发动机1009-B主要部分与图9发动机1009相同。发动机1009-B的特性、运行和结构基本与图9发动机1009相似，除了必须指出的特殊区别外，其他不予重复。应参考上述对图9发动机1009的特性、结构和运行所做的说明部分。
发动机1009和1009-B的主要区别是，发动机1009-B代表发动机1009的一个实施例，其中压缩机1，2是另外类型的。即，在1009-B中，主压缩机1示出的是Lysholm型的(与发动机1009的往复型压缩机相反)，辅助压缩机2是涡轮型(与发动机1009的Lysholm旋转型的相反)。虽然图示的从导管110(图9中是106)和任选的截止阀33出来的导管32仅向发动机的两个气缸的进气阀16-B供气，应理解，其他吸气导管(未示出)也向发动机的其余的进气阀16-B从导管110分配空气，或者导管32供给一个“空气箱”或管汇空气，后者将空气向所有的进气阀16-B分配。
见图10，在此示出与图9和图9-B说明的相同的发动机，运行系统相同，但是具有一个任选的附加特征，即，辅助的进气阀16-A具有一个附属的阀26，它自动防止从气缸回流充气空气。在进气阀16-A完全关闭前，假若气缸的压力接近或超过导管15-A中的压力时，这个特征防止本发明发动机压缩冲程中发生任何回流。(这个任选的自动阀26能够是弹簧缩回圆盘型的，或任何类型的单向阀)。在这个位置的自动阀能够在压缩充气时调节气缸7的压力比。此时，直到接近顶部死点处进气阀16-A可以保持打开，在充气的压缩、点火和动力冲程时，阀26自动地关闭阀16-A下的入口。而且，使用自动阀26允许通过简单地调节导管15-A中的压力来调节气缸的压力比，直到接近活塞22的顶部死点处进气阀16-A保持打开。如果有辅助阀26，在也有罩(shroud)进气阀16-A时，它也向燃烧的充气施加切线向的流转湍动。
图11的发动机10011见图11，在此示出六缸往复式内燃机10011，带有一个大气空气进气口装置，其中所有的气缸7a-7f(剖视图仅示出一个7f)和配套活塞的22a-22f按二冲程循环运行，所有动力缸分别经由连杆19a-19f对一个共用的曲轴20产生动力。主压缩机1在此图中是双作用的往复型，带有一个空气导管，向一个或多个气缸进气阀16a和16b供给加压空气。Lysholm型的辅助的压缩机2与压缩机1串联。一个空气入口8和配套的入口导管和管汇13和14向气缸吸气导管15供给压缩到比大气压高的空气充气，导管15向两个进气阀16a和16b供给充气空气，进气阀16a和16b彼此独立工作但是向同一个气缸打开。中间冷却器10、11和12和控制阀3、4、5和6用于帮助控制空气充气的密度、重量、温度和压力。进气阀定时控制气缸的压缩比。确定燃烧室的大小，以确定气缸的膨胀比。
图8、图9、图10和图11的发动机100具有装有凸轮的凸轮轴21，它设置以发动机曲轴的速度旋转，以使得对每转曲轴旋转每个动力活塞供给一个动力冲程。
图11示出的发动机10011的特征是，较广的膨胀过程，低的压缩比，和能够产生从比通常轻到比通常重的重量变化的燃烧充气，能够选择地提供一个的平均有效气缸压力，所述压力能够高于通常发动机的常规设置所具有的，但与常规发动机比具有一个相当的或低的最大气缸压力。发动机控制组件(ECM)27和图示的在导管上的可变的阀3、5和6形成一个控制充气密度、压力、温度和气缸内的平均和峰值压力的系统，这能够较节省燃料，在所有转速下产生较大力矩和功率，使得火花和压缩点火发动机的污染排放低。在其他实施例中，一个可变阀的定时系统与ECM27一起能够控制控制进气阀16a或16b或两个的打开和关闭时间，进一步在燃烧室中形成一个改进的控制状态，而产生一个较平的力矩曲线和较高的功率，并且燃料消耗和污染排放低。
图11发动机10011的运行简要说明图11的新型循环发动机10011是一种获得高功率和高力矩的高效发动机，燃料消耗和污染排放低。
新型的循环是一个外压缩型燃烧循环。在整个循环中，吸入空气的一部分(在常规发动机中所有空气在动力缸中受到压缩)由一个辅助压缩机压缩。压缩结束时的温升能够使用一个冷却进气的空气冷却器和一个较短的压缩冲程来抑制。
在运行中，在一定压力下把空气通过空气吸气导管15供给到动力缸7，所述压力是提高到三分之一到几个大气压或更高。阀16b经由凸轮21-A上的很小凸起，通过阀杆顶部的压力在活塞22接近底部死点位置时打开一个短时间，以便吹扫缸并提供新充气空气。在进气阀16b打开而吸入吹扫空气稍前，排气阀17、17′打开进行排放。气缸7大约在活塞22转向时有效地得到吹扫。在压缩冲程的前部，或许在活塞底部死点位置后约10-20度时，第一进气阀16b关闭，稍后排气阀17，17′关闭，在这点，开始压缩新空气充气，而建立气缸的压缩比。需要时，在排气阀17，17′关闭点，或较迟的任何点，最好第二进气阀16a或许和16b由第二凸起21-C打开，引入较多的温度和密度调节的充气。
在轻负荷运行不需要高的平均有效气缸压力时，图10的进气阀封闭器31(市面有几种，如Eaton和Cadillac)能够封闭进气阀16a。另外，空气旁通阀(ABV)6完全或部分打开，将充气空气的部分或全部通过压缩机2返回再循环，以减少压缩机在轻负荷运行时的压缩功。另外，空气旁通阀5能够按照要求再循环由压缩机1泵压的部分或全部空气来减少充气压力和密度。
新循环发动机10011的优选运行方法1.排气阀17，17′早一点(约在底部死点前40度)打开排出废气后，动力冲程结束(约底部死点)处，在活塞22底部死点处或其附近，通过由凸轮21-A上的小凸起21-D打开的进气阀16b向气缸7中引入至少一个压缩机2压缩的比大气压高的，并且通过旁通系统或充气空气冷却器调节温度的吸入空气。排气阀在通过底部死点仍保持打开，以便通过排放和循环换气有效地吹扫气缸7。在新的高压充气快速吹扫气缸7时，进气阀16b关闭。
2.在动力冲程完成后，排气阀17在活塞通过底部死点后保持打开一段时间(现在进气阀16b关闭)，用新空气充气进一步吹扫动力缸，而且建立气缸的低压缩比，压缩比是在排气阀17关闭点处剩余的气缸的工作容积除以燃烧室容积确定的。
3.气缸7现在由接近大气压的新空气充满，压缩(第二)冲程继续，从排气阀17关闭点，压缩形成小压缩比。这使得能够减小压缩冲程中的温升。压缩继续，如果不存在燃料则加入燃料，在接近顶部死点的适当时间充气点火，发生动力冲程。
4.(a)另外，在排气阀关闭和开始压缩充气或其后的适当时间，能够通过进气阀16a和或许由凸轮21-A上的第二小凸起21-C、进气阀16b，注入辅助的密度和温度调节的空气充气。随着辅助空气充气的注入而压缩继续，如果不存在燃料则注入燃料，充气点火，燃烧产生燃烧气体的大的膨胀，产生大的能量。所述能量由发动机转换成高力矩和功率。
(b)在要求更大功率时，通过一个多个中间冷却器和通过增加压缩机速度、或如图11所示插入辅助压缩的另一级，能够增加辅助空气充气的密度和重量。另外，排气阀17关闭和进气阀16a打开的定时能够临时改变成分别更早关闭和更早打开，以获得更多的充气空气。
5.接近活塞底部死点处，排气阀17，17′打开，气缸通过排放和主进气阀16b注入的空气来吹扫。
图11的发动机10011运行的详述接近活塞22的动力(第一)冲程的结束时，约在活塞22底部死点前40度，排气阀17打开进行排放，如图11所示，其后高压空气由管汇13和14出来通过空气导管15和通过进气阀16b马上流进气缸7，气缸1被吹扫，进气阀16b关闭。(如图11所示，进气阀头30能够凹进，形成向气缸7开口的管状，使得在充气空气受到高度压缩时，如高达500-530磅/平方英寸，在活塞22在底部死点转向时或在紧接其后，进气阀16b的凸轮21-A上的小凸起21-D引入一小股所述高压空气，它被向下引导来进行循环换气)。在活塞22压缩(第二)冲程的前部，排气阀17保持打开。气缸7现在有效地由排放和循环换气来吹扫，并在气缸充满新空气的压缩冲程任何点上，排气阀17、17′关闭。但是因为想得到低的压缩比，排气阀17、17′仍保持打开，直到活塞达到希望建立压缩比的点。在排气阀17a和17a′关闭之时或之后，由压缩机1和/或2压缩的辅助高压和温度调节的充气由第二进气阀16a和若需要由第一阀10b上的另一个小凸起21-C(虚线)注入到所述的气缸中。(需要高力矩和功率时，通过增加主压缩机1的速度，或插入另一级压缩如在压缩机2中的、并使得充气通过后冷却器10、11和12，能够显著增加充气空气的密度。另外，压缩机2的速度能够增加，在后端推入较多充气)。压缩继续，达到小压缩比，如果燃料不存在则加燃料，充气点火，气体顶着活塞膨胀而进行动力冲程。
为了轻负荷运行，一个截止阀(或图10中进气阀16-A上的阀封闭器31)能够临时限制吸入的空气或保持阀16a关闭。这使发动机更节省燃料。另外，在轻负荷运行时，闸阀5可以关闭而空气旁通阀6能够打开，使由压缩机2泵压的空气返回到压缩机2的吸气导管而不发生压缩。以相同的方式，阀3和4能够将泵压的空气的一部分返回到压缩机1的进气口106。
图10中一个辅助的自动进气阀26，它能够是弹簧返回圆盘型的，能够如图10那样设置成，如果在进气阀16a完全关闭前，在活塞22压缩冲程时，若气缸7的压力接近或超过导管15中的压力，阀62能防止向导管15的充气空气倒流。(在本文所述的其他发动机中，图10的辅助自动阀26可以用于控制气缸7中压力比。如果阀16a保持打开到接近顶部死点，阀26的关闭和气缸7的压力比由控制阀3、4、5和6，压缩机的速度、和存在的任何节流阀来控制)。压缩冲程的最后部分，充气点火和动力冲程中，自动阀26封闭住导管15而不吸气。
燃料能够汽化，燃料注入到如图15-图17的油门中，和图19和图20的组件56中，或燃料能够注入到空气流股中或预燃烧室中，或在排气-压缩冲程的X点或之后通过在进气阀16a、16b注入(后者是通过凸轮21-A上的小凸起21-C使它打开时)或直接注入燃烧室。燃料也能够较迟注入，并在柴油运行时能够在柴油注入的通常点注入，注入到预燃烧室或直接注入燃烧室，或直接注入在电热塞上。如果使用调节温度的密度的空气充气，所述充气注入后，继续压缩充气，燃料存在之下，在膨胀冲程的适当时间进行点火。(压缩比是在X点(排气阀关闭处)到达后留下的气缸工作容积除以燃烧室容积确定的，膨胀比是气缸的整个空隙容积除以燃烧室容积确定的。)现在燃料-空气充气已被点火，在燃烧的气体膨胀时，发生活塞22的动力冲程。接近动力冲程的底部死点，排气阀17打开，并在动力冲程结束或紧接其后，气缸7有效地首先被排放和然后被循环换气来吹扫。
可见到，压缩冲程中到达X点的时间越迟(排气阀关闭得越迟)，发动机的压缩比越低，压缩中充气的加热越小。
也可见到，温度密度调节的充气引入得越迟，发动机压缩充气需要做的功越小，已接受压缩机1和/或辅助压缩机2一些压缩的充气空气部分越迟。在一些负荷轻并且燃料节约是重要的情况中，辅助压缩机能够旁通，临时除去辅助空气充气，整个的充气重量能够比常规发动机小。
见图12，在此示出一个高速狄塞尔发动机与本发明的发动机的压力-容积关系对比图表。示出中间冷却三个级压缩，和一个压缩比约2∶1的未冷却第四级压缩，这个设置是为了本发明发动机效率和最优功率输出而推荐的。(图13和14的表中示出本发明对现有重载二冲程和四冲程发动机上的一些改进。)这里有本发明改进发动机热效率的几个特征。较大的功率对重量比，提供一个带有较小摩擦损失的较小的发动机。从理论上说，加大的膨胀比造成较高的热力学循环效率。即使用带有配套的管线、中间冷却器和后冷却器的外部压缩机，在分级的压缩过程中也有明显的效率提高。当空气在中间冷却级中压缩时，能量节约是很显著的。在2，3或4中间冷却级，将充气压缩到500磅/平方英寸比在常规发动机中将热充气压缩到同样压力要使用较少能量。通常发动机使用约它自己产生能量的20％来压缩它自己用的空气充气。计算说明，如果空气在后冷却级受到压缩则会明显节约发动机能量。仅在两级把充气压缩到531磅/平方英寸(13∶1压缩比)比奥托和狄塞尔循环发动机那样在单级压缩同样水平减少使用能量为15.8％以上。三级中间冷却压缩将节约提高到18％。这是理想的。从此理想状态的变差的程度不应超过25％，即节约13.5％。这个13.5％能量节约乘以通常发动机用于压缩自用充气的功率为20％，仅由压缩过程即提高效率2.7％。除了其他热效率改进，这又是本发明的发动机优点之一。低的压缩比与大的膨胀比一起形成发动机的效率、力矩、功率和寿命的改进，同时减少排放。
注解1在图12中，在水平坐标上的发动机B的线的移动距离表示在较大密度的理论容积。通过在后侧泵压进较多充气，密度保持在与密度无关的实际燃烧室容积上的那个水平上(如虚线V所示)。
见图13，在此示出本发明发动机(B)各种运行参数与现有技术普遍使用的载重二冲程狄塞尔循环发动机(A)参数的比较。
对发动机A示出的参数是通常运行参数，如压缩比、燃烧温度、充气密度等。为表示发动机(B)选择的参数在两个不同的较低“名义”压缩比上给出，带有对于两个不同的水平的功率输出的与中间冷却的和未冷却的相应的“有效的”压缩比。表示充气密度和膨胀比的数据列说明了，即是在如图10所示显著低的名义压缩比和有效压缩比低到2∶1时的、稳态功率密度中的改进。在燃烧结束时表示低温的数据列和加大膨胀比的数据列，说明相当低的污染排放。即使在较低的名义压缩比下发动机(B)比发动机(A)功率改进也不小于50％。
见图14，在此示出图表比较了本发明的发动机(B)和现有技术普遍使用的重载四冲程狄塞尔发动机(A)的各种运行参数。
在进行与图13相似的比较时，稳态功率和密度的改进是相当大的，因为发动机(B)与发动机(A)同样两次点燃密度较大的充气，在发动机(A)上的稳态功率密度改进是180％。
见图15，示出的图5-7和图9-10发动机的示意图，它带有一个辅助压缩机2和一个专用于它的空气冷却器10，主冷却器1供给两个管汇13和14并具有专用的空气冷却器11和12和充气空气的导管114和115，每个管汇分别具有三个气缸吸气导管15a-15c，15d-15f。图15的发动机与图5-7和图9-10的发动机运行是相同的，图中示出，适用于图5-7和图9-10发动机在轻负荷运行时最适空气充气的、向导管13和14供给的闸阀和空气旁通阀的推荐阀门位置。为了轻负荷运行，闸阀5能够关闭，并且压缩机2的空气旁通阀6(如果压缩机2不向导管32和进气阀15-B供给主空气充气)完全或部分打开，使得压缩机2的一部分和全部的吸入空气在几乎不或根本不压缩下返回到压缩机2的进气口。而且，压缩机1的闸阀3关闭，让空气充气离开冷却器11和12，空气旁通阀4关闭，防止已受压缩和加热的空气通过压缩机1返回再循环，并且闸阀3和空气旁通阀都将未冷却的空气充气引到进入管汇13和14，为轻负荷运行提供低密度的充气。最好压缩机2保持运行，使得通过导管110和32和进气阀16-B供给主空气充气，形成一个较经济的吹扫-充气系统。
见图16，示出对于图16和图5-7和图9-10的发动机在中等负荷运行时，向管汇13和14供给最佳空气充气的推荐阀门位置。为了中等负荷运行，压缩机2的闸阀5关闭，空气旁通阀6打开，向压缩机1的进气口通进未冷却和未压缩的空气充气，在此，关闭的闸阀3和关闭的空气旁通阀4将压缩机1正在压缩的空气充气引向通过中间冷却器而到到达管汇13和14，由压缩机1压缩和加热的空气进行中等负荷运行。
见图17，在此示出一个图17发动机或图5-7和图9-10发动机用密度大的空气充气进行重载高功率输出运行的推荐方案。图17示出两个闸阀3和5打开，两个空气旁通阀4和6完全关闭，使得主压缩级工作和第二级压缩工作产生充气的最大压缩，整个的空气充气通过中间冷却器10、11和12产生冷却的、很高密度的空气充气，进入管汇13和14而到达动力缸，进行重载运行。这样产生很高的平均有效气缸压力，取得高力矩和功率，并带有与通常发动机相同的或较低的最大气缸压力。
见图18，示意图示出本发明图5-7和图9-10发动机和其他类型发动机所用的辅助压缩机另一类型，和在不需要高压和高密度充气时切断辅助压缩机的一个系统。为了减轻压缩机2′的工作(如果压缩机2压缩的空气不直接引到导管32和阀16-B而供给主空气充气)，闸阀5关闭，空气旁通阀6打开，使得通过压缩机2′泵压的空气能够通过压缩机2再循环，因此减轻压缩机的压缩功。
见图19，图5-7和图9-10的发动机的示意图，示出由各种电子和真空阀和它们的导管通过改变空气流的方向来控制充气空气密度、温度和压力的装置。
图19还示出，各种可能的充气空气路线，使用中空的箭头表示加热空气路线和实箭头表示的较大密度中间冷却空气路线，从而表示出通过将空气充气分到两个不同的路线，充气空气的温度如何能够热静力学地或电子地控制。另外，如图19所示，可引导所有空气充气越过空气冷却器，或能够引导其通过空气冷却器。而且，图19示出压缩机1和2的压力输出，如何通过部分地或全部地打开空气旁通阀4和6或完全关闭一个或两个这些控制阀来予以改变。推荐发动机控制组件(ECM)27控制本发明的发动机的各运行参数。
见图20，示意图示出另一个实施例，其中最好是电动马达34驱动本发明的发动机的压缩机。
充气空气冷却器旁通(ACB)“闸阀”控制在本部分，说明本发明发动机(四冲程和二冲程)应用的优选控制组件。
简述阀3和5是充气旁通冷却器电磁阀(ACB)。在充气空气冷却器旁通控制中，吸入的空气在两个路线间由相互独立的阀3和5切换或是(a)阀5将压缩机2出来的空气流直接引向压缩机1的吸气导管，或(b)在流到压缩机1的吸气导管前通过充气冷却器10。阀3将压缩机1的气流(a)引向导管111/121/122，直接引向吸气管汇13和14，或(b)在流到管汇13和14前，让空气充气通过充气空气的冷却器11和12。
发动机控制组件(ECM)27能够控制空气冷却器的旁通阀3和5。旁通阀可以是闸板型阀，使得空气充气在两个方向中全部通过或不让通过，或者阀3和5可以是螺旋绕组电磁或其他类型的阀，它能够让一部分空气充气通过旁路导管121和122而让另一部分通过空气冷却器10、11和12，来细调空气充气的温度和密度。ECM能够接受传传感器的信号，如发动机冷却剂传感器、曲轴位置传感器、油门位置传感器、凸轮轴位置传感器、管汇绝对压力传感器和加热氧的传感器。
空气旁通阀(ABV)控制简述为了对不同的发动机运行状态提供最优的充气压力，ECM27能够发出信号来控制空气旁通阀4和6。这些阀能够是开关电磁阀，或是真空动作的，或可以螺旋绕组电磁或能够打开一部分或整个通道的其他类型阀，使得空气充气的一部分或全部通过压缩机1和2的入口110和8返回再循环，以减小或全部消除压缩机1或压缩机2或两个的泵压压力。如果增添压缩级，空气压力控制的相似设置可以用于附加的空气压缩级。
运行可以是这样ABV阀4和6能够由ECM27的信号来控制阀4和6的打开角度，提供对各发动机负荷和工作循环最优的空气充气压力。在阀ABV6部分打开时，通过压缩机2泵压的一些空气向压缩机2的进气口8返回通过，以减少压缩压力。在ABV6完全打开时，压缩机2所有的充气通过压缩机2返回，因此压缩机2仅使充气通过而不增加压力。与能够旁通压缩机1泵压的一些空气充气回到压缩机1的吸气导管110来减少空气充气密度的阀4相比，系统的工作能够是相同的。
与可变阀3和4的充气空气冷却器旁通系统的ECM27控制装置相结合，使用这个装置能够对充气空气的温度、密度、压力和湍动加以调节，在发动机的动力缸中产生所需的功率、力矩和排放。
为了实现ABV阀4和6控制的正确发动机状态而能够通过ECM27监测的发动机状态包括，内燃机中已知使用的各种传感器的输入信号，如油门位置传感器(或燃料注入活动传感器)、在各点的吸气空气温度传感器、管汇绝对压力传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、排气温度传感器、加热氧传感器和/或其他传感器等。
ECM27能够控制闸阀3和5和空气旁通阀4和6，使得在所有的发动机的运行工作循环下保持最优的空气充气密度和压力。
另外的燃烧系统见图21，在此示出横剖面示意图，包括推荐的本发明发动机或其他任何内燃机所用液体或气体燃料运行工作的一个预燃烧室38′，一个燃烧室38，一个活塞顶22和一个配套的燃料入口36，一个火花塞37，一个空气或空气/燃料混合物入口导管8′，一个进气阀16，一个排气导管18′和一个排气阀17。
如图1-图33所示，本发明发动机压缩或火花点火燃烧系统有许多选择。包括乙醇和气体燃料、从航空汽油到重柴油每种燃料都能够在发动机中火花点火(SI)。一个好的SI系统类似于图21所示的，可用于压缩天然气、丙烷、氢、汽油、乙醇或柴油。在此系统中，构成整个燃料充气的极富燃料的混合物最好注入预燃烧室38′。燃料能够用或不用空气喷吹通过燃料导管36注入，其中一些能够伴随燃料空气充气的整个空气充气，在压缩冲程中由活塞22压缩到预燃烧室38′中。带有附加燃料的或不带附加燃料的附加空气，能够在吸气冲程或在压缩冲程通过吸气导管8′引入到气缸中。在哪一情况中，气缸中的第二燃烧阶段是用稀混合物进行的。
图21的二阶段的燃烧系统的运行方式1.预燃烧(第一阶段)在注入的燃料量显著超过存在的氧量并点火时，预燃烧发生在预燃烧室38′(注油器未示出)。这个贫氧与料冷的湍动充气和低峰值温度和压力一起显著减小氮氧化物的形成。热的预燃烧室壁和强的湍动结合促进较完全的燃烧。
2.后燃烧(第二阶段)
当气体从第一阶段预燃烧室向气缸膨胀时，后燃烧在气缸中活塞上的空间中在较低压力和温度条件下进行。如果在气缸中有附加燃料，较贫的燃料空气混合物由预燃烧室的等离子体型的喷射点火。低温和燃烧气体的进入进一步防止氮氧化物的形成。过剩的空气、强的旋转作用和扩大的膨胀过程确保一氧化碳、碳氢化合物和碳的更完全燃烧。
使用图21的预燃烧室38′，本发明的发动机的结果是，由于较大的膨胀而得到更高的热效率，并带有温度较低的排气和较少的污染排放，其中包括氮氧化物，另外对于使用柴油燃料，还有较低的芳香族化合物和颗粒。
见图22，示出一本发明发动机任选的气缸的剖面图，其中将图8-图33的二冲程发动机转换成单冲程循环发动机，并将图1-图7和图33的四冲程发动机转换为二冲程循环发动机。
通过用所有动力缸双作用制成二冲程发动机，功率对重量的比例能够在基本发动机上加倍。对于图8-图33的发动机的名义上一个发动机循环的每个冲程，气缸的一端点火而另一端吹扫。在图1-图7和图33的四冲程发动机中，使用双作用的动力缸将发动机转换成二冲程发动机，在曲轴每转中气缸的一端吹扫而另一端点火。
在图22的设计中，杆39长度需要的改变，通过杆端形成一个止动器轭40并装在活塞的肘节销41上来完成。
双端活塞22″能够连接到立杆39的端部，而该立杆39在下端42上旋转。连杆19′连接在杆中点和曲轴20′之间。
因为曲轴20′本身只传递力矩，它的主轴承的负荷很小。其结果是，噪音几乎传不到支撑箱。因为杠杆作用，曲柄(未示出)具有活塞冲程一半的行程，能够是一个短节凸轮状装置，带有大的紧密间隔的销，它具有坚固的搭接以增加强度。
通过稍加长或缩短杆39的有效长度能够改变压缩比。通过下旋转板42安装到块43上能够做到这点，块43可滑动地安在固定块44中，其中块43能够由伺服马达45滑动。由伺服马达45旋转的齿轮45a比在螺丝43b上的齿轮44a长得多，螺丝43b可旋转地安装到块43上并对着块44中的螺纹旋转，在块43在块44中往复运动时，使得齿轮44a在齿轮45a上前后滑动。如果用柴油，它能够以20∶1的比例起动，然后变换成13∶1，以减小部件上的摩擦和应力。为了能够使用其他的燃料，这一点是重要的。
见图23，这个设计(图23)也具有这些相同的优点，其中枢轴47′在连杆19和活塞22″之间。
将活塞22″连接到连杆19上的杆39的长度需要的改变，通过在杆端上形成一个止动器轭40就能实现，该止动器轭安装在活塞22″的肘节销41上，或者设置一个双枢轴连杆42′也能够实现，它设在杆39′的支点上的枢轴47′和杆39′的终端之间，而枢轴42″安装到发动机的静止不动件46上，杆39′由销47连接到连杆19上。
另外最好对于重载发动机(船舶推进、发电等)，活塞22″的功率输出能够使用一个常规的活塞杆39′，它设在活塞22″和十字头20′之间，而连杆19′在十字头20′和曲轴(未示出)之间。
在需要大功率、冷却水容易得到的情况下，例如船舶或发电，双作用气缸在本发明的发动机中使用时将是有特别重要意义的。
这些双端、双作用气缸能够在本发明的所有设计中使用。
见图24，在此示出一个曲轴、两个连杆19′和19″和一个杆39的剖面图，示出一个提供常规二冲程或四冲程发动机的额外燃烧时间的装置。
对发动机提供的这个设计，使通常发动机的活塞22′在关键燃烧时期的回转时间加倍。这是因为活塞22′的顶部死点(TDC)发生在曲柄48的底部死点(BDC)上。在此点，围绕活塞22′顶部死点的曲柄销运动从连杆19′的直线运动减去，而不象常规发动机中那样的加上。将通常的动作颠倒过来使得活塞围绕此点的运动放慢，造成较完全的燃烧，进一步减少排放。
由图24的设计提供的额外燃烧时间对本发明的发动机和奥托或狄塞尔循环发动机是重要的。
其结构设置成带有附加燃烧时间的发动机的运行，与本发明的其他发动机相同，其中提供高充气密度、低压缩比、平均有效气缸压力比常规发动机较高、但燃烧时间较长，同时产生更低的污染排放。
因为图24的曲轴48本身只传递力矩，它的主轴承负荷很小，其结果，噪音几乎传不到支撑箱。因为杠杆作用，曲柄能够具有活塞冲程一半的行程(取决于支点)，并能够是一个短节凸轮状装置，带有增加强度的、坚固搭接的大的紧密间隔的销。
这个设计也使得常规发动机在关键燃烧时期的燃烧时间增加几乎一倍。这是因为活塞顶部死点发生在曲柄的底部死点(BDC)上。
图25的发动机10025见图25，在此示出一个六缸往复式内燃机，其中，所有的气缸7a-7f(在剖视图仅示出一个7f)和配套的22a-22f能够在二冲程运行，所有气缸分别通过连杆19向一个共用的曲轴20提供功率。压缩机2通过任选的截止阀33-M和导管32向换气口52供给空气，并通过导管15向气缸充气入口阀16和16′供给空气。图25的发动机10025能够在二冲程运行，对于曲轴20的每次转动产生六动力冲程。为此，压缩机1抽入预先压缩到高压的空气充气，这要经由进气控制阀5和6通过吸气导管110，导管110通过中间冷却器10或旁通导管104和闸阀5从压缩机2引出。在图25发动机的运行时，压缩机2通过入口接受8大气空气，向导管101预压缩空气充气而引导来控制闸阀5，后者响应由ECM27组件发出的向闸阀5和空气旁通阀6的信号，通过中间冷却器10或冷却器旁通导管104向压缩机1引导压缩充气。空气充气在压缩机1内由它的活塞131压缩，压缩的充气被推通过一个出口而进入高压传送导管109，导管109引来控制闸阀3，后者如果打开，将空气通过中间冷却器11和12引向管汇13和14，如果关闭，则引导空气通过一个导管和空气旁通阀4，可引导一部分空气充气通过压缩机1的吸气导管104返回，或者如果阀4完全关闭，则响应发动机控制组件(ECM)27的信号，将压缩机1的全部充气通过中间冷却器11和12或旁通导管111/121/122引向管汇13和14。管汇13和14的结构设置成能够通过分导管15a-15f向气缸7a和其余的五个动力缸7b-7f的进气阀16，16′分配压缩空气充气。在另外的实施例中，不是通过导管32′提供吹扫空气，而是通过截止阀49和导管50和减压阀25向空气箱51，再通过导管125a-125f向换气口51a-51f提供吹扫空气。
图25的发动机10025具有一个凸轮轴21，它以与曲轴20相同的速度被驱动，对活塞的每次循环供给一个工作冲程。压缩机往复运动，带一个或多个双作用气缸，其中之一如图25的1所示，包括有一级或多极压缩。压缩机能够由配套的连接到曲轴20的连杆19g驱动曲轴20，与动力活塞的冲程比，空气压缩机的活塞冲程不同，曲轴20能够具有不同长度的行程。另外压缩机1能够由第二曲轴驱动(未示出)，第二曲轴由与安装在共用曲轴上的增速齿轮啮合的齿轮驱动。图2所示的Lysholm辅助旋转压缩机，能够由由V形棱皮带转动的V形槽皮带轮驱动，并在V槽皮带轮和压缩机驱动轴之间具有一个增速齿轮。旋转压缩机2也能够具有一个可变速度，或两速驱动，如一些飞机发动机中的那样。
图25的发动机10025的运行说明充气空气引入压缩机2的进气口8，由此，它通过压缩机2压缩，然后由闸阀5通过中间冷却器10或一个导管引向空气旁通阀6，由此又引向压缩机1的入口。充气由压缩机1泵压而通过出口阀到达闸阀3，它将空气充气或通过中间冷却器11和12引到管汇13和14，或到达一条引向空气旁通阀4的导管，空气旁通阀4能够将一部分空气充气通过压缩机1的入口引导返回，或阀4将充气的全部或一部分引向闸阀3，而后者又通过中间冷却器13和14引导全部或部分充气，或直接引向管汇13和14，它们将调节了温度的充气空气分配到发动机每个动力缸的进气阀16和16′。一个开关控制阀(未示出)和导管32′将空气引向空气箱51和气缸7a-7f底部的换气口52a-52f。在另一个实施例中(图25虚线)，吹扫空气通过设在导管50上的减压阀25引导，从压缩机1提供和调节吹扫空气的压力。减小用来吹扫气缸7a-7f的管汇空气压力的其他任选方案是通过导管50、空气箱51和进气口52a-52f来使用管汇空气而不从管汇13和14减压。这个空气全压用于，通过图25的换气口52a-52f、并通过图30中的入口52″和排气口52′吹扫，口52a-52f、52′和52”的结构比通常的小得多。在此时，虽然换气口比通常小，但比通常压力高的吹扫空气效率极高。本文推荐吹扫气缸的几种装置。图26清楚地(尽管是以虚线)示出供给低压吹扫空气的优选系统。导管32′和阀33(图26中虚线)把空气从压缩机2导管110引到导管50，由此向空气箱51供给吹扫空气。
发动机控制组件(ECM)27(例如，见图26)控制阀3、4、5和6来调节通向燃烧室和阀25的充气的压力、温度和密度，并能够选择地将空气充气的减低压力的部分引向换气口52，还能够控制阀53和阀49′开或闭来选择希望的吹扫方式。ECM也能够控制可变阀发生控制系统，根据曲轴20的旋转角调节进气阀16和排气阀17的打开时间和打开时间长短，来调节发动机的压缩比，取得功率、力矩和燃料消耗和燃料特性的最佳性能和所需吹扫方式。
图25的动力缸的优选运行方式在气缸7排放和吹扫之后，气缸充以新空气，活塞22关闭排气口52，活塞22在吹扫充气冲程中提升，在顶部死点前任一点，约120-90度排气阀17仍打开，闸阀17关闭建立压缩比，并开始压缩，进气阀16，16′此时或之后打开，以产生所需的充气密度和重量，压缩的空气或燃料空气混合物通过进气阀16，16′注入，然后进气阀16，16′关闭。在排气阀7关闭的X点开始压缩充气，继续压缩，压缩比是由气缸在X点留下的空容积除以燃烧室容积确定的。燃料能够注入到通向燃烧室的辅助压缩空气流股中，或注入到预燃烧室(图21示出一个)，或直接注入燃烧室。在进气阀16、16′关闭后，燃料或附加燃料能够注入到充气旋转之中，以形成层状充气燃烧过程，或如在压缩点火发动机中，如果使用推荐的预燃烧室或未用，燃料能够直接注入到燃烧室，或许直接注入到电热塞，并能够在膨胀冲程的部分中连续注入，以取得基本固定压力的燃烧过程。
最好在活塞22压缩冲程的顶部死点前的最有效的点，燃料-空气混合物由火花塞、压缩点火或电热塞点火。膨胀气体的向底部死点推活塞时，发生活塞22的膨胀冲程。接近动力冲程的结束，在底部死点前约40度，打开换气口，几乎同时，气缸盖中的排气阀17打开，以图27，28，29和30的四种方式中任何一种进行快速排放和吹扫。在任何情况，在底部死点过后并吹扫充气调节冲程相当大的部分，排气阀17，17′保持打开，建立发动机气缸的压缩比。
见图26，在此示出与图25的发动机10025结构和运行相似的一种发动机，具有两个压缩机，但不同的是其中压缩机1是Lysholm旋转型而压缩机2是涡轮压缩机，并具有一个辅助压缩机所用的空气冷却器，主压缩机所用的两个空气冷却器，双管汇，带有闸阀，不同空气路线的空气旁通控制器和导管。也示出发动机的控制组件(ECM)27，它能够控制充气和吹扫空气压力、密度和温度，以实现希望的发动机输出和排放。示出吹扫空气的另外来源，优选的一个是通过导管32′从导管110出来的。箭头示出空气路线，中空箭头表示未冷却的压缩空气，实箭头表示冷却的密度大的空气。也示出旁通阀(此处两个都关闭)，它门与闸阀一起(一个关闭，一个部分打开，后者使得分充气冷却)能够按照到达发动机最优性能的要求来控制充气的温度、重量和密度。
见图27，在此示出一个图25发动机的废气有效吹扫的系统。
吹扫系统A(图27)废气的排放在底部死点之前约40度到底部死点之后约40-50度，在口52打开的大约同时，排气阀17打开，并在由活塞2关闭底部口之后仍保持打开，并较迟关闭，造成低的压缩比。
吹扫空气能够从或许在导管50上设有一个减压阀25的管汇供给，或者，吹扫空气能够从辅助压缩机2(虚线)由导管32′供给。此时，在排气阀17打开前不久底部口52打开。在排气阀17打开、和在气缸的顶部通过排气阀53和17并通过排气管汇18′和管18向大气排放发生的同时或稍后，排放通过底部口52、由底部排气导管和阀53向主排气管18进行。然后排气阀17在第二或排气-充气冲程的相当大部分保持打开，进行附加吹扫，这部分是由强制驱占进行的。在吹扫-充气冲程中，排气阀17可以在活塞22行程的前20％之后任何点处关闭。在气缸充以新空气的任何点，排气阀17能够关闭，进气阀16′打开，让温度调节合适的加压空气进入。在排气充气冲程中闸阀17关闭得越迟，发动机压缩比越低，如果关闭得足够早，有效压缩比能够多达13或6比1，如果关闭得较迟则能够低到2∶1。在排气阀17关闭、压缩比建立之后和活塞22到达底部死点之前的任何点上，温度和密度和压力调节的空气充气，可以通过打开并然后关闭进气阀16引入。推荐的所有运行参数取决于发动机的工作循环，如功率要求、效率、排放和使用的燃料。
示出的发动机的控制组件(ECM)27与发动机关键控制阀相连接，能够根据从发动机各个传感器向ECM27发出的信号的状态调节各阀。
见图28，在此示出图一个25发动机的高效吹扫的第二系统。
吹扫系统B(图28)仅通过排气阀17排放废气，吹扫空气通过导管32′由压缩机2供给，或另外从管汇13和14出来，又通过控制阀49和任选的压力控制器25且通过导管50到空气箱51，和通过在气缸底部的换气口52，向上通过气缸7，从排气阀17出来，通过排气管18排出，而阀3关闭着。在此系统中，当活塞22在动力冲程中接近底部死点时，口52由活塞22打开，在排放发生时，加压的空气通过所有的底部口52注入，将燃烧产物通过约在口52之前打开的排气阀17扫除而排放废气。底部口的结构在底部死点之前约40度打开，并能够在活塞开始它的第二冲程的相同点处关闭。排气阀17在底部口52关闭后保持打开，帮助活塞22强制驱占的吹扫以建立希望的压缩比，压缩比是由排气阀7关闭点确定的。
在活塞22的吹扫充气冲程中，气缸7充以新空气，排气阀17可以在活塞22行程的前20％之后任何点处关闭。现在在任何点，阀17可以关闭，进气阀16可以打开，让温度和密度适当调节的加压空气进入。在充气排气冲程中排气阀17关闭得越迟，发动机的有效压缩比建立得越低。如果关闭得足够早，有效压缩比能够到达13或19比1，如果关闭得迟，有效压缩比能够低到2∶1。推荐的所有运行参数取决于发动机的工作循环，如功率要求、效率和排放因素和使用的燃料。
推荐使用发动机控制组件27，如图所示用来控制希望的各运行状态，并从发动机的各传感器取得信号。
见图29，示出吹扫图25发动机的第三有效系统。
吹扫系统C(图29)这个吹扫系统是，截止阀49′关闭，(阀25和49能够取消)，底部口由阀53向大气打开，从管汇13和14向气缸7引导的一个进气阀16能够由凸轮，或许通过在凸轮上的的小凸起打开很短时间，凸轮还具有一个大凸起，在不同的曲柄角度打开相同的阀(图11中的21-C)，在此同时口52由活塞22打开，并且排气阀17也打开。高压空气通过口52和排气阀17快速吹扫燃烧气体，通过相应的排气管17和17′排到大气。不迟于排气口52的关闭，进气阀16快速关闭。排气阀保持打开进一步吹扫，减少发动机的压缩比。另外，底部的排气阀53关闭，在底部口52由活塞22打开时，排气阀17也较早打开排放，由导管32供给的空气箱的空气喷入口52并通过排气阀17吹扫气缸7。
在吹扫-充气冲程中，在活塞行程前约20％之后的一点排气阀17关闭。在排气阀17关闭后的任何点上，气缸现在充以新空气，压缩比确定了，并在活塞22到达顶部死点前，需要时通过打开第二进气阀16和/或通过另一个在相同凸轮上的小凸起21-C(见图11的21-C)再次打开相同的进气阀，温度、密度和压力调节的附加空气充气被引进来。推荐的所有运行参数取决于发动机的工作冲程，如功率要求、效率和排放因素和使用的燃料。在排气-充气冲程中的排气阀17关闭得越迟，发动机的压缩比建立得越小。如果关闭得足够早，有效压缩比能够大到13∶1或22∶1，如果关闭得迟，有效压缩比低到2∶1。
发动机控制组件能够控制对发动机要求的所有的状态。
见图30，在此示出高效吹扫图25发动机的第四系统。
吹扫系统D(图30)在此系统中，通过顶部排气阀17和通过在顶部排气阀打开的同时或紧接其后、约在底部死点前约40度打开的底部换气口52′的部分进行排放。在底部口52′打开时或稍后，排气阀17也打开，或引向底部排气管线18的阀53已经打开，排放发生在底部死点后的约40度，吹扫空气通过至少一个底部口52”注入，底部口52”的结构做成用于在口52′由活塞22打开并且气缸7中的压力降到空气箱55的压力以下之时，接受导管32′或50供给的空气箱55中的加压空气。在口52′关闭后，在活塞第二冲程或排气-充气冲程的相当大的部分排气阀保持打开，由强制驱占进行附加吹扫，并建立低的压缩比。
在吹扫-充气冲程中，气缸7充以新空气，排气阀17可以在活塞行程前20％之后的任何点上关闭。现在排气阀17任何点能够关闭而建立压缩比，进气阀16能够打开使得辅助温度、密度适当调节的加压空气进入。在排气-充气冲程中，排气阀17关闭得越迟，建立的压缩比越低。如果关闭得足够早，有效压缩比能够多达13∶1或22∶1，如果关闭的迟，有效压缩比能够低到2∶1。推荐的运行参数取决于发动机的工作循环，如功率要求、排放因素、和使用的燃料，并能够由发动机控制组件控制，控制组件接受一定发动机部位的状态信号并传递到ECM27。
见图31，在此是本发明另一个实施例，其中，一个马达34驱动与图25相似的发动机的空压机。
见图32，在此示出图25和26的二冲程发动机，它具有唯一的压缩机1来供给吹扫和充气空气。一个闸阀3和一个旁通阀4，控制充气和吹扫空气的阀16和17，和从气缸底部口通过排气导管18向大气排放的阀53和53′。因此图32的发动机能够进行由图25、26、27、28、29、30和32所述的发动机的所有功能。也示出发动机控制组件(ECM)27和对各阀的连接，这是为了从发动机获得希望的结果，控制充气和吹扫空气的温度、密度、重量和压力和吹扫空气的压力和路线。箭头表示加热(中空箭头)空气和冷空气(实箭头)及通过空气旁通阀4的充气空气的可能的路线，为了最佳的发动机性能来调节空气的压力、重量、密度和温度。
图33的发动机10033见图33，在此示出六缸内燃机，其中部分气缸62-65用于产生动力，两个气缸66和67是用于压缩运行发动机所需的空气。一个增压器57，最好是Lysholm型，用于在空气进入压缩机气缸66和67前增压通过空气吸入口8′接受的大气压下的空气。闸阀3′和空气旁通阀4′在它门两个都打开时将通过压缩机57返回的充气空气再循环，以减轻压缩机功，和减少轻负荷运行的充气密度。在空气旁通阀4′关闭时，闸阀3′能够打开或关闭，分别将冷却的或未冷却的空气充气送到气缸，以便为了最佳性能控制燃烧温度和压力。
第二级压缩通过导管201和202从压缩气缸66和67转移到闸阀4″，在此阀关闭时通过导管204和中间冷却器11和导管205将冷却状态的压缩充气送到发动机管汇58′。如果打开，闸阀4″将充气通过导管203和205导引离开冷却器11而在不冷却下送到动力缸中。
通过把凸轮轴设置成以曲轴速度的一半进行旋转，发动机10033以图3的发动机的方式运行时按四冲程循环运行，带有低压缩比，加大的膨胀比和高平均有效气缸压力。
另外，图33发动机，其一个或多个气缸起压缩机气缸的作用并且它的凸轮轴以曲轴速度旋转，以图8和9和11的发动机方式运行时按二冲程循环运行，带有低压缩比，加大的膨胀比和高平均有效气缸压力。
仍见图33，通过使用其结构如空气压缩机制动器的节能器，在上述本发明的任何发动机中，能够达到另外的燃料节约。为了讨论这个公开的制动器，这个六缸发动机10033代表使用外压缩空气(图1-图33)供给全部充气空气或使用它提高发动机性能的本发明任何发动机。所述的空气制动器具有一个压缩机57A，它在运行中连接车辆的传动轴(未示出)，或齿轮连接到发动机曲轴20，该空气制动器储存在制动或下坡运行时产生的能量，利用此能量经由传送管汇58向发动机的动力缸供给压缩空气。这样的节能器与一个空气储罐59耦接，在节能器储罐的空气压力高到足以用于发动机动力缸中时，发动机压缩机能够通过离合器脱离接合，或压缩机泵压的空气能够旁通回到压缩机的入口，使得不需要压缩机再做功。一个安全阀60防止在空气储罐中的压力过大。如果需要空气，在储罐压力高于转移管汇58中的压力时，阀61(在此设的是一个可逆的单向阀)允许储罐的空气传送到管汇。在发动机结构具有压缩气缸时，在存储空气的工作时间，通过截止进气阀也能够使每个压缩气缸止动，使得压缩机不做功，直到管汇-储罐压力降到运行水平之下。止动气缸阀的几个系统在现有技术中和/或上面均做了说明。
在另一种方案中，压缩机57A取消，空气储罐59用于储存在制动和下坡运行时发动机压缩机气缸压缩的过多空气。此时，阀61是二通阀，塞阀70位于压缩机气缸66，67和工作气缸62-65之间的管汇58中。在下坡运行或制动时，压缩机和工作气缸之间的塞阀70最好关闭，动力缸62-65不工作，用二通阀62将压缩机气缸压缩的空气转送到储罐59。
在希望正常运行发动机时，在压缩机和膨胀气缸之间的塞阀70打开，二通阀关闭。在储存空气时，塞阀70和二通阀6都打开。如果希望，如上所述，压缩机气缸66，67在储存空气方式下不工作。而且，Jacob式制动器(现有技术空气制动器)可向空气储罐供给压缩空气。
在储备空气源下运行发动机会改善发动机的平均有效压力，功率和效率提高20％，同时减少排放污染。
这个特征特别是在越野运输或山区运行中产生附加的能量节约。如，产生100马力的发动机每分钟使用12.7磅的空气。因此，如果制动能储存在节能储罐59中的压缩空气中，在停车和下坡运时，够十或十五分钟用的压缩空气的供应就能积累储存下来。在储罐的压力降到有效运行的希望水平下时，使用一个电磁线圈(未示出)使压缩气缸阀重新工作，它门将(需要时带有增压器)开始泵压发动机需要的空气充气。
使用空气储罐罐59，发动机不需要为了起动积累压缩，一旦轴旋转足以打开进气阀，压缩的空气和燃料就进入并被点火而瞬时起动。而且，通过比通常早地打开到膨胀气缸的进气阀而开始象大型狄塞尔发动机那样旋转和点火，能够使用压缩空气使这种装置的发动机起动，因此，不需要起动马达。另外，压缩空气可以用于推动一个“液压起动器”来摇动发动机，这就象一些载重狄塞尔发动机上通用的那样。
在另一个优选实施例方案中，储罐59中储存空气另外用于“马达起动”发动机，使得车辆如一个巴士那样起动而无燃料运行30-60秒钟左右，而这是在巴士或由停到动的运输车辆中的最大污染排放发生的时间。
远压缩空气实施例见图34，根据本发明的另一个实施例的发动机100是为本发明的具有足够电力或废空气或放出空气的各种发动机，为如船舶、机车、静止的或发电发动机或其他应用本发明的发动机，具有固定或可变负荷和速度发动机等从外部提供充气空气。在图34中，遥远的电动空压机35最好带有一个或多个中间冷却的压缩级，最好向一个或多个本发明的发动机供给调节温度的充气空气(需要时，高压和低压)。温度和压力调节的充气空气直接由导管15AE从压缩机35供给到管汇13和14。例如图4的发动机吸气导管9或本发明其他发动机的低压导管32从大气中接受空气，或另外从低压导管15BE接受压缩机35的低压空气。
在图34中为向本发明的发动机100提供燃烧充气空气的另一个设置是从导管15AR提供充气空气，该导管供给工业过程中产生的废气或放出的空气。该空气在1或2压力水平供给。如果需要较低压力，最好用调压阀(25a引向低压导管15BR)降低主废空气导管15AR的压力来供给低压空气。该设置相似于例如图5中的导管15-A、15-B和阀25，导管15-A代表从废气源供气的导管15AR，导管15-B代表图34中的导管15BR。
使用遥远压缩空气，要么是废气要么是压缩机35的空气，如果空气在压缩过程中或其后被调节，则不需要充气空气供应设备的发动机压缩机1和2、中间冷却器10、11和12、某些导管和阀3、4、5和6。因此，本发明发动机100的各图所示的发动机100的设备最好减少到由虚线A、B和C表示之处。从任一上述遥远空气源来的充气空气最好通过管汇13和14引入发动机，如图34所示，在某些实施例中，遥远气源的低压空气通过导管32引入。
在遥远充气的发动机中，燃料能够在压缩前汽化而由油门注入、口(poft)注入或直接注入气缸。
污染控制见图2和图4-C，在此示出需要时再燃烧一部分废气的本发明任何发动机中进一步减少污染排放的方法。在具有单个空气吸入口装置的图1-3的四冲程发动机和本文所述二冲程发动机中，排气出口导管18具有一个旁通导管202(见图2)，它从排气导管18的侧面中的一个接口206引到吸气导管8的侧面中的一个接口204。一个配量阀201位于进气口204并设置成有选择地限制流进导管8中的新空气，同时，在向排气导管打开接口204同时有选择地允许排气进入吸气导管8。这个阀是可变的、是机械、电动或真空动作的，并最好由发动机控制组件(ECM)或图35和36中的控制器144控制。这使得排气的一部分再燃烧，所述部分的百分比由与各个传感器相响应的发动机控制组件进行控制，如位于发动机关键部位中的氧传感器。通过导管202排出的气体能够在到达空气吸气导管8之前，由任选的散热片202a或通过一个任选的中间冷却器(未示出)来冷却。
见图4C，在仅具有一个大气吸气导管但具有不同的空气路线和导管的发动机中，如图4B的导管15-A和15-B；一个旁通导管202′从排气导管18引出再被分成两个旁路导管部分203a和203b，每个带有一个配量阀209a和209b，后者能够选择地允许排气进入进气阀16-B(通过导管9和最后是导管15-C)或进气阀16-A(通过导管8和导管15-A)之一或其两个。每个配量阀209a和209b允许排气的一部分进入它的相应的口或不允许进入，同时如果需要则限制新空气的进入。排放气体能够在引入发动机空气入口前，任选地通过在导管202′上排列的散热片202a和/或203a，203b和203c或使得排放气体通过任选的中间冷却器(未示出)来冷却。
另外，如图4C虚线所示，一个旁路部分203a直接转移到导管15-C，并在那里设有配量阀209c。
在具有双大气空气入口装置8和9的图4和7的发动机中，应用与图4相似的设置，但应理解为导管8向大气开通。
在具有双吸气导管或双空气路线的任何发动机中，排放气体的一部分能够在一点到三点引入任何需要的量，并为到达较好的燃烧和排放的特性而最好由发动机控制组件(ECM)控制。
这个再燃烧的特征对于柴油燃料的发动机是特别重要的。
恒定负荷和速度发动机上文说明了本发明的实施例和有代表性的发动机，这些发动机最好用于车辆(船舶、卡车、巴士、汽车、坦克、火车和飞机)的工作循环，文中说明了改变功率、力矩和速度的系统和方法，本发明能够在并不复杂的发动机中用来获得高功率和力矩，同时保持最佳的燃料节约和低的污染排放，例如在恒定负荷和速度的发动机中。图35和36示出本发明另一实施例，它是根据本发明的的原理构成的恒定负荷和速度发动机的代表(如发电机，和其他静止的或工业发动机，如泵和压缩机的发动机)。
图35发动机100见图35，在此示出的发动机代表恒定负荷和速度运行的本发明的四冲程或二冲程发动机。发动机100的基本组件，如压缩机1、2；任选地中间冷却器10、11和12(虚线)，和必需的配套导管最好按最佳运行参数设计，仅具有基本的构成。如上述实施例说明的各种控制器、闸阀、空气旁通阀和它们的配套旁通导管最好消除掉，以减少重量、成本和操作的复杂性。图35中，发动机100带有一个第一辅助压缩机1和第二辅助压缩机2，任选的中间冷却器10、11和12(虚线)和中间连接导管，所有运行情况参照前述说明都可以理解，运行带有充气空气的两级预压缩、中间冷却或绝热压缩。
图35示出一个优选的带本发明某一发动机的发电设备。发动机100的动力输出轴20通过线140耦接到发电机141的动力输入轴20”，发电机具有电力输出线142。在发动机100的轴20旋转发电机141轴20”时，发电机141产生的电量由传感器143测定，并输送到控制装置和调节器144，它具有各种继电器和集成电路来计量电力输出，再通过线145向在燃料线148上的燃料/空气控制器(未示出)和油门56发出信息，和/或在火花点火发动机中通过线149向火花控制器发出信息而使其提前或延迟点火，和/或通过线146和146b向具有燃料注入系统的发动机中的、如天然气、汽油或狄塞尔发动机的燃料注入系统或燃料/空气控制器发出信息，所有这些是为了控制发动机100的燃料输入、速度和出力，从而控制发电机的输出。控制装置144也发出信号控制图4所示的配量阀201和图2所示的209a，209b，209c，来控制通过这些阀再循环的废气量，在具有该特性的本发明发动机中进行再燃烧。对本发明发动机100的构成和运行进一步说明是不必要的，因为，业内人士参照上面的说明能够理解。
任选中间冷却器10、11和12(虚线)最好用于气体燃料或汽油发动机，在压缩点火发动机中，最好取消掉或减少数目或冷却能力，在本发明的这类发动机中由于低的峰值压力和温度是可能达到的。
见图36，图示的发动机是一个二冲程发动机，但是可代表本发明二冲程或四冲程发动机任何一种，它通过线140耦接发动机141上。发动机的设置结构和运行与图35所述的相似，但是，按二冲程或四冲程运行的图36的发动机100仅具有单级的预压缩，由任选的充气空气的中间冷却器11，12(虚线)中间冷却。与图35的发动机一样，在压缩点火的发动机100中，中间冷却器11，12最好取消掉或减小其冷却能力。而且，与图35的发动机一样，发动机和发电机的调节器和其他控制器及运行，业内人士通过参考上述本说明书是可以理解的。
通过本发明的多个实施例进行以上说明能够见到，本发明的优点对于所有实施例是共同的。
虽然说明了本发明的实施例，应理解，在不偏本发明的精神前提下，在部件的设置、结构细节中可进行种种改变，所有这些变化作为本发明的部分包括在权利要求的范围内。
本文公开的本发明的实施例是优选形式，本发明的其他实施例，对于业内人士从本公开中是可以得知的。因此，这些改变能够在权利要求限定的本发明的精神和范围内实现。而且，如权利要求所述的和本公开的业内人士所理解的，在权利要求中的所有装置、步骤、功能组分的等效事物拟包括进行所述功能的任何结构、材料或作用，而没有暗示任何结构、材料或作用通过与其他组分配合效果会更为明显。
权利要求
1.一种内燃机，包括一个发动机组件，其中限定至少一个气缸，一个在所述气缸和空气源间连通的进气口，和一个从所述气缸排出空气的排气口；一个活塞，可移动地安装在所述气缸内；一个进气阀，可选择地封闭所述进气口；一个排气阀，可选择地封闭所述排气口；一个压缩机，在所述空气源和进气口之间流体连通；从而，吸入空气的至少一部分在进入气缸之前可选择地被压缩机压缩。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，还包括在所述压缩机和所述进气口之间连接的至少一个空气冷却器。
3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，还包括一个空气输送网，包括连接所述空气源、压缩机、空气冷却器和进气口的导管；可选择地控制所述压缩机运行的装置，使得压缩机在一个产生压缩空气充气的压缩模式，或在一个使得空气穿过的通过而不压缩模式运行。
4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述空气输送网还包括，与所述选择控制运行的装置合作，有选择地控制充气特性的装置，用以有选择地控制空气充气的密度、压力和温度中一个或多个特性和所述气缸内的平均和峰值压力。
5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于，两个所述选择控制装置都包括共用的多个阀，它门沿所述导管设置在关键位置，和一个共用的发动机控制机构，用来控制所述阀的运行。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，还包括一个第二压缩机，在所述压缩机和所述进气口之间流体连通；从而，吸入空气的至少一部分可选择地在进入气缸前被第二次压缩；其中所述输送网包括控制所述第二压缩机运行的装置；其中所述选择控制空气充气特性的装置与所述控制所述压缩机运行的装置及所述控制所述第二压缩机运行的装置合作，来有选择地控制充气密度、压力和温度中的一个或多个特性和气缸内平均和峰值压力。
7.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述压缩机是往复式压缩机。
8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述往复式压缩机包括一个连接到发动机曲轴上的活塞。
9.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述压缩机是旋转式压缩机。
10.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，还包括一个第二压缩机，在所述压缩机和所述进气口之间流体连通；从而，吸入空气的至少一部分可选择地在进入气缸前被第二次压缩。
11.据权利要求10所述的发动机，其特征在于，所述发动机组件限定一个通向所述气缸的第二进气口，且所述发动机还包括至少一个空气冷却器；一个空气输送网，包括连接所述空气源、所述压缩机、所述第二压缩机、所述空气冷却器、所述进气口和所述第二进气口的导管；选择控制所述压缩机运行的装置，使压缩机或在产生压缩空气充气的压缩机方式或在不压缩而让空气穿过的通过方式下运行；选择控制所述第二压缩机运行的装置，使第二压缩机或在产生压缩空气充气的压缩机方式或在不压缩而让空气穿过的通过方式下运行；选择地将压缩空气向所述第一进气口和将未压缩的空气向所述第二进气口引导的装置。
12.一种内燃机具有一个由至少一个活塞驱动的曲轴，所述活塞至少通过一个压缩冲程和通过在气缸内发生的燃烧帮助的一个膨胀冲程运动，其中压缩冲程造成空气和气体燃料在气缸内的压缩，其改进包括一个外压缩级，其中空气充气在气缸外压缩，输送导管将所述压缩级连接到气缸上。
13.根据权利要求12所述的改进，其特征在于，还包括一个中间冷却器，通过所述中间冷却器将所述空气充气选择地从所述外部压缩级引出。
14.根据权利要求12所述的改进，其特征在于，还包括一个第二外压缩级，其中所述空气充气在气缸外受第二次压缩。
15.一种运行内燃机的方法，所述内燃机具有一个由至少一个活塞驱动的一个曲轴，所述活塞至少通过一个压缩冲程和由气缸内发生的燃烧帮助的一个膨胀冲程，其中压缩冲程造成气缸内空气和气体燃料的压缩，所述方法包括控制空气充气密度，温度，压力和湍动的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，控制步骤包括在气缸内压缩之前至少有压缩空气充气的步骤，因此产生预压缩的空气充气。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，控制步骤还至少包括在输送到气缸之前使预压缩空气充气有选择地通过一个冷却装置的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括形成比气缸的膨胀比低的压缩比的步骤。
19.一种运行内燃机的方法，所述方法包括步骤(i)产生空气充气(ii)控制空气充气的温度、密度和压力(iii)向发动机的动力缸传送空气充气，把具有重量和密度在低于大气的重量和密度到高于大气重量和密度的范围内的空气充气引入到动力缸中；(iv)然后以比通常低的压缩比压缩空气充气；(v)使预定量的充气空气和燃料产生可燃烧的混合物；(vi)在动力缸内点燃混合物；(vii)使燃烧气体顶着在气缸中运行的活塞膨胀，以比发动机的动力缸的压缩比显著大的膨胀比运行。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括步骤重复(i)到(vii)的步骤，从一个传送步骤到另一个传送步骤周期性地选择改变空气充气的重量和密度。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括步骤重复(i)到(vii)的步骤，并在每个重复传送步骤时，将空气充气的重量和密度保持在基本相同的预先选择重量和密度上。
22.一种内燃机，包括一个压缩空气充气的至少一个辅助压缩机；一个中间冷却器，压缩空气有选择地通过它引向冷却；多个动力缸，其中燃烧气体点火和膨胀；一个活塞，在每个动力缸中运行，并通过一个连杆连接到一个曲轴上而随着每个活塞的往复运动旋转曲轴；一个传送导管，将压缩机的出口连通到一个控制阀和所述冷却器上；一个传送管汇，将中间冷却器与动力缸连通，通过所述管汇把压缩的充气传送进入动力缸；一个进气阀，控制压缩充气从传送管汇进入所述动力缸；和一个排气阀，控制从所述动力缸中排气的排放。
23.一种运行内燃机的方法，所述方法包括下列步骤，在发动机气缸内重复压缩空气充气，在气缸内产生平均有效气缸压力，所述平均有效气缸压力从比通常低到比通常高的范围中变化。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，最大气缸压力保持在通常数值以下。
全文摘要
本发明涉及从内燃机燃烧气体产生机械功的方法和实行该方法的往复运动内燃机(100)。在优选实施例中所述方法包括步骤(i)产生空气充气(ii)控制空气充气的温度、密度和压力(iii)向发动机的动力缸传送空气充气,把具有的重量、和密度在低于大气的重量和密度到大于大气重量和密度的范围内的空气充气引入动力缸中;(iv)然后以比通常低的压缩比压缩空气充气;(v)使预定量的充气空气和燃料产生可燃烧的混合物;(vi)使混合物在动力缸内点火;(vii)使燃烧气体顶着在气缸中运行的活塞膨胀,以比发动机动力缸的压缩比显著大的膨胀比运行。
文档编号F02D41/40GK1244233SQ97181015
公开日2000年2月9日 申请日期1997年5月23日 优先权日1996年10月25日
发明者克莱德·C·布赖恩特 申请人:克莱德·C·布赖恩特