超膨胀四行程内燃机转让专利
申请号 : CN200580008399.7
文献号 : CN1934342B
文献日 : 2010-04-14
发明人 : 杨增利
申请人 : 杨增利
摘要 :
一种超膨胀四行程内燃机，包括气缸(1)、活塞(2)，其特征是：保持满足功率要求的进气容积(V2)在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比，来设计大于进气容积(V2)的气缸的工作容积(V)，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，形成超膨胀作功的条件；在燃烧室(5)和气缸(1)的上部分布少量冷却水套(6)，在气缸(1)的下部无冷却水套并采取保温绝热措施(7)，避免燃烧气体在超膨胀作功过程中的热量损失，以增强超膨胀作功的效果；减小进气门(3)的直径，增大排气门(4)的直径，减少排气提前角增强超膨胀效果。本发明能显著提高热效率，降低燃料消耗并减少环境污染。
权利要求 :
1.一种超膨胀四行程内燃机，包括气缸(1)、活塞(2)，其特征是：保持满足功率要求的进气容积(V2)在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比，来设计大于进气容积(V2)的气缸的工作容积(V)，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，形成所述的超膨胀作功条件；
还包括可变压缩度/等容度补偿装置；目的是保持点火推迟时的等容度、压缩度不降低，使最高燃烧温度和压力产生在上止点(S)以后的10°-20°范围内。
2.根据权利要求1所述的超膨胀四行程内燃机，其特征是：所述的可变压缩度/等容度补偿装置包括补偿活塞(9)，所述的补偿活塞(9)可上下运动于补偿室(8)中，所述的补偿室(8)与燃烧室(5)相连通。
3.根据权利要求1所述的超膨胀四行程内燃机，其特征是：在其燃烧室(5)和所述的气缸(1)的上部，设有冷却水套(6)，在所述的气缸(1)的下部无冷却水套并设有保温层(7)。
4.根据权利要求1所述的超膨胀四行程内燃机，其特征是：其排气门(4)的直径大于进气门(3)的直径。
5.根据权利要求1到4所述的任一项超膨胀四行程内燃机，其特征是：所述的内燃机为点燃式内燃机，所述的活塞(2)压缩到上止点(S)时，气体的压缩度为1.8-3Mpa。
6.根据权利要求5所述的超膨胀四行程内燃机，其特征是：其进气门(3)的关闭角(α1)在曲轴转0°-360°中的下止点(X)前10°-20°；其排气门(4)的开启角(β)在曲轴转360°-720°中的下止点(X)前15°-25°。
7.根据权利要求1到4所述的任一项超膨胀四行程内燃机，其特征是：所述的内燃机为压燃式内燃机，所述的活塞(2)压缩到上止点(S)时，气体的压缩度为3-5Mpa。
8.根据权利要求7所述的超膨胀四行程内燃机，其特征是：其进气门(3)的关闭角(α1)在曲轴转0°-360°中的下止点(X)前10°-20°；其排气门(4)的开启角(β)在曲轴转360°-720°中的下止点(X)前15°-25°。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种内燃机，特别是一种以超膨胀作功、低温排气模式工作的超膨胀四行程内燃机。
背景技术
现有内燃机经过一百多年的发展、完善，机械效率已近极至，近年来有电子技术的支持，燃烧效率得到了提高，而作功效率受固有作功模式的约束难以进一步提高，原因在于：
1、自内燃机问世以来都是以等容作功模式工作的，即在理论循环上，现有内燃机的进气、压缩、燃烧、排气四个行程是等容(等行程)的；活塞的燃烧作功行程等于进气行程(气缸的工作容积等于进气容积)。因此在燃烧作功终了时，气缸内燃气的温度和压力仍很高，废气是以火焰的形式排出的。这种等容膨胀作功、高温排气的方式所造成的热量损失约占总热量的35％。这是因现有内燃机的结构决定了气缸的工作容积等于进气容积的必然结果(因排气提前角有50°-60°，减少了有限的作功行程，实际上作功行程要小于进气行程)。高温排气现象是因活塞到下止点后，无法继续作功，只能作为废气排出，而废气中仍含有大量热能。
2、为避免内燃机出现过热现象，必须对缸体进行强制循环冷却，冷却系带走的热量约占总热量的30％，根据高温排气的产生原理，以等容作功模式工作的内燃机，即使采取保温绝热措施提高工作温度，但其结果只是提高了排气温度，这是因为热力转换模式没有本质的区别，这些热能不被冷却系带走，便被排气系带走，对热效率的提高不会产生积极的效果。
3、现有内燃机有点燃式和压燃式，用压缩比来表示活塞到压缩终点时气体被压缩的程度。早期内燃机的压缩比较低，点燃式5-8∶1、压燃式10-18∶1，其热效率低；近年来点燃式提高到8-11∶1、压缩度约为0.7-1Mpa，压燃式提高到16-22∶1、压缩度约为1.5-2Mpa，热效率得到了显著提高。可见压缩比的高低与内燃机的热效率密切相关；原因在于高压缩比可产生较高的燃烧温度和压力，作用于活塞的平均有效作功压力得到提高，故热效率提高。现有内燃机因受到爆燃和机械结构强度的约束，其压缩比难以再继续提高。
4、现有内燃机的理论压缩比是固定的，在低转速、重负荷工况时(即最大进气量)能达到设计压缩度，而在高转速、轻负荷工况时(进气量少)虽理论压缩比不变，而压缩到上止点时的实际压缩度降低，热效率降低，因此在不同工况时的热效率会出现较大差异，也正是质调节内燃机比量调节内燃机热效率高的主要原因。
5、现有内燃机的点火或喷油时间都是在上止点前约20°-30°，混合汽需经过一个物理、化学的反应过程后进入主燃期，通过控制点火时间使最高燃烧温度和压力产生在上止点后6°左右。实际上在此范围内即使产生的温度和压力再高也只是力的概念，在过上止点附近时压力达到最高而活塞的速度接近“零”，所以作功甚少。并且燃烧气体通过活塞环向外泄漏在所难免，而在此时所泄漏的“质”是不容忽视的；在此阶段热量集中、温度最高、所以热量损失也最多。例如踏自行车，在踏板的最高点(相当上止点)无论怎样用力都无济于事，待转过一定角度后才能产生力矩作功。有鉴于此，内燃机的点火时间应向后推迟，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后15°左右。
现有内燃机在各种工况时都是提前点火或喷油，而在上止点以前已有部分燃料开始燃烧，释放出热能，温度和压力急剧升高，增加了压缩负功，并具有潜在的爆燃趋势，使工作粗暴。现有内燃机之所以不实行点火或喷油推迟的根本原因在于只有在上止点时的压缩度最高、等容度最高，所产生的燃烧温度和压力最高，是最佳的点火时机，但不是最佳作功时机，最佳作功时机是在上止点后15°以后，因此应推迟点火时间。但点火推迟又会使压缩度下降、等容度下降，当活塞过上止点已开始下行时，未燃气体随活塞的下行而膨胀，已有的压缩度被降低，使热效率降低。
鉴于上述现象，相继出现了多种技术方案，如中国专利CN1417463A、CN1388307A等，均提出在原有内燃机的基础上，不改变原有结构进行改造，通过减少进气量或增加气缸的工作容积来增大活塞的作功行程，以期达到节省燃料的效果，其减少进气量的方法有：①用节气门的节流作用来实现。②用进气门在吸气过程中提前关闭来实现。③用排气门在压缩行程开始时打开，待空气排出一部分后关闭来实现，等等。
这些方案在理论上可以节省燃料，因气缸的进气量减少后，也就是进入气缸的工质减少了，在作功的开始阶段(即等容作功阶段)保持了原有的燃烧温度和压力，在作功的后一阶段(希望获得增益阶段，理论上在此阶段燃烧气体中还含有30％-35％的热能)气缸内的气体虽有大量热能，但问题在于这些热能的品位很低，实际能够得到的功甚少(除非采取提升其品位的措施)。关键在于进入气缸的工质减少后、总热量也减少了，而气缸散热的比面积增大了，散热量相对增加，缸内的气体被水套冷却后虽有压力存在而不能有效作功，理论上增加的行程所得到的功与机械损失大体相抵，尤其高转速、大功率工况则负功大于正功而得不偿失。因此，仅仅靠减少进气量或增大活塞的行程是不够的，如此改进后的内燃机不可避免的导致功率不足，失去实用价值。
1、自内燃机问世以来都是以等容作功模式工作的，即在理论循环上，现有内燃机的进气、压缩、燃烧、排气四个行程是等容(等行程)的；活塞的燃烧作功行程等于进气行程(气缸的工作容积等于进气容积)。因此在燃烧作功终了时，气缸内燃气的温度和压力仍很高，废气是以火焰的形式排出的。这种等容膨胀作功、高温排气的方式所造成的热量损失约占总热量的35％。这是因现有内燃机的结构决定了气缸的工作容积等于进气容积的必然结果(因排气提前角有50°-60°，减少了有限的作功行程，实际上作功行程要小于进气行程)。高温排气现象是因活塞到下止点后，无法继续作功，只能作为废气排出，而废气中仍含有大量热能。
2、为避免内燃机出现过热现象，必须对缸体进行强制循环冷却，冷却系带走的热量约占总热量的30％，根据高温排气的产生原理，以等容作功模式工作的内燃机，即使采取保温绝热措施提高工作温度，但其结果只是提高了排气温度，这是因为热力转换模式没有本质的区别，这些热能不被冷却系带走，便被排气系带走，对热效率的提高不会产生积极的效果。
3、现有内燃机有点燃式和压燃式，用压缩比来表示活塞到压缩终点时气体被压缩的程度。早期内燃机的压缩比较低，点燃式5-8∶1、压燃式10-18∶1，其热效率低；近年来点燃式提高到8-11∶1、压缩度约为0.7-1Mpa，压燃式提高到16-22∶1、压缩度约为1.5-2Mpa，热效率得到了显著提高。可见压缩比的高低与内燃机的热效率密切相关；原因在于高压缩比可产生较高的燃烧温度和压力，作用于活塞的平均有效作功压力得到提高，故热效率提高。现有内燃机因受到爆燃和机械结构强度的约束，其压缩比难以再继续提高。
4、现有内燃机的理论压缩比是固定的，在低转速、重负荷工况时(即最大进气量)能达到设计压缩度，而在高转速、轻负荷工况时(进气量少)虽理论压缩比不变，而压缩到上止点时的实际压缩度降低，热效率降低，因此在不同工况时的热效率会出现较大差异，也正是质调节内燃机比量调节内燃机热效率高的主要原因。
5、现有内燃机的点火或喷油时间都是在上止点前约20°-30°，混合汽需经过一个物理、化学的反应过程后进入主燃期，通过控制点火时间使最高燃烧温度和压力产生在上止点后6°左右。实际上在此范围内即使产生的温度和压力再高也只是力的概念，在过上止点附近时压力达到最高而活塞的速度接近“零”，所以作功甚少。并且燃烧气体通过活塞环向外泄漏在所难免，而在此时所泄漏的“质”是不容忽视的；在此阶段热量集中、温度最高、所以热量损失也最多。例如踏自行车，在踏板的最高点(相当上止点)无论怎样用力都无济于事，待转过一定角度后才能产生力矩作功。有鉴于此，内燃机的点火时间应向后推迟，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后15°左右。
现有内燃机在各种工况时都是提前点火或喷油，而在上止点以前已有部分燃料开始燃烧，释放出热能，温度和压力急剧升高，增加了压缩负功，并具有潜在的爆燃趋势，使工作粗暴。现有内燃机之所以不实行点火或喷油推迟的根本原因在于只有在上止点时的压缩度最高、等容度最高，所产生的燃烧温度和压力最高，是最佳的点火时机，但不是最佳作功时机，最佳作功时机是在上止点后15°以后，因此应推迟点火时间。但点火推迟又会使压缩度下降、等容度下降，当活塞过上止点已开始下行时，未燃气体随活塞的下行而膨胀，已有的压缩度被降低，使热效率降低。
鉴于上述现象，相继出现了多种技术方案，如中国专利CN1417463A、CN1388307A等，均提出在原有内燃机的基础上，不改变原有结构进行改造，通过减少进气量或增加气缸的工作容积来增大活塞的作功行程，以期达到节省燃料的效果，其减少进气量的方法有：①用节气门的节流作用来实现。②用进气门在吸气过程中提前关闭来实现。③用排气门在压缩行程开始时打开，待空气排出一部分后关闭来实现，等等。
这些方案在理论上可以节省燃料，因气缸的进气量减少后，也就是进入气缸的工质减少了，在作功的开始阶段(即等容作功阶段)保持了原有的燃烧温度和压力，在作功的后一阶段(希望获得增益阶段，理论上在此阶段燃烧气体中还含有30％-35％的热能)气缸内的气体虽有大量热能，但问题在于这些热能的品位很低，实际能够得到的功甚少(除非采取提升其品位的措施)。关键在于进入气缸的工质减少后、总热量也减少了，而气缸散热的比面积增大了，散热量相对增加，缸内的气体被水套冷却后虽有压力存在而不能有效作功，理论上增加的行程所得到的功与机械损失大体相抵，尤其高转速、大功率工况则负功大于正功而得不偿失。因此，仅仅靠减少进气量或增大活塞的行程是不够的，如此改进后的内燃机不可避免的导致功率不足，失去实用价值。
发明内容
本发明的目的是利用含有大量热能的低品位燃烧气体继续膨胀作功，即超膨胀作功。实现超膨胀作功仅仅形成超膨胀作功的条件是不够的，必须要提升含有大量热能的燃烧气体的品位，建立符合超膨胀作功要求的热力循环模式，才能减少热力转换过程中的冷却损失和排气损失，从而提高热效率。
本发明提供了一种全新设计的以超膨胀作功、低温排气模式工作的四行程内燃机，为产生较高的燃烧温度和压力大幅度提高了压缩度，并根据所产生的有效作功压力可以实现的超膨胀比来设计大于进气容积V2的气缸的工作容积，充分利用燃烧气体等容作功后的热能在绝热条件下继续作功。本发明是现有四行程内燃机作功原理的延伸和发展，提高热效率的措施是：1、增加压缩度、实行点火或喷油推迟，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后10-20°，以15°左右为最佳。2、利用废气中的热能在绝热条件下继续作功，即超膨胀作功。3、在燃烧室和气缸的上部分布少量冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并采取保温绝热措施，减少燃烧气体在膨胀作功过程中的热量损失，增强超膨胀作功效果。4、减小进气门直径，在有限的空间内增大排气门直径以减少排气提前角(现有内燃机均为进气门直径大于排气门直径)，以增加超膨胀作功行程。
本发明的目的是按如下的技术方案实现的。
本发明超膨胀四行程内燃机，包括气缸、活塞，其特征是：保持满足功率要求的进气容积在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比，来设计大于进气容积的气缸的工作容积，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，形成所述的超膨胀作功条件。
还包括可变压缩度/等容度补偿装置；目的是保持点火推迟时的等容度、压缩度不降低，使最高燃烧温度和压力产生在上止点以后的10°-20°范围内。
所述的可变压缩度/等容度补偿装置包括补偿活塞，所述的补偿活塞可上下运动于补偿室中，所述的补偿室与燃烧室相连通。
在燃烧室和所述的气缸的上部，设有冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并设有保温层。
所述的排气门的直径大于所述的进气门的直径。
本发明中，保持满足功率要求的进气容积V2在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件，实行点火推迟，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后10°-20°；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比来设计气缸的工作容积V，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，形成超膨胀作功的条件。
所述的进气容积V2必须是满足功率要求的进气容积，本发明靠所设计的进气歧管、节气门和进气门的流通截面积的最大进气容积为V2实现的。
所述的提高压缩度高于现有内燃机的压缩度一倍以上，是本发明实现超膨胀作功的重要条件。
所述的可变压缩度/等容度补偿装置是为了保证实行点火推迟而不使等容度降低，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后10°-20°，例如15°左右的最佳作功时机，从根本上解决了提高压缩度与引发爆燃的矛盾；推迟点火与等容度降低的矛盾。
所述的增大排气门的直径，减小进气门的直径，减小排气提前角增加作功行程，是本发明超膨胀作功的组成部分。
所述的超膨胀四行程内燃机在燃烧室和气缸上部分布少量冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并采取保温绝热措施，避免燃烧气体在超膨胀作功过程中的热量损失，是本发明增强超膨胀作功效果的技术措施。
本发明超膨胀四行程内燃机，包括点燃式内燃机和压燃式内燃机。其理论工作循环是进气、压缩、膨胀作功——超膨胀作功、排气四个行程。
如所述的内燃机为点燃式内燃机，所述的活塞压缩到上止点时，气体的压缩度为1.8-3Mpa。
其进气门的关闭角在曲轴转0°-360°中的下止点前10°-20°；其排气门的开启角在曲轴转360°-720°中的下止点前15°-25°。
如所述的内燃机为压燃式内燃机，所述的活塞压缩到上止点时，气体的压缩度为3-5Mpa。
其进气门的关闭角在曲轴转0°-360°中的下止点前10°-20°；其排气门的开启角在曲轴转360°-720°中的下止点前15°-25°。
所述的满足功率要求的进气容积为V2，压缩度为1.8-5Mpa，当点火燃烧后，在上止点后10°-20°产生高于现有内燃机的温度和压力，燃烧气体推动活塞下行到V2时，即做完该进气容积等容膨胀的功，缸内气体的温度和压力相当于现有内燃机作功终了时排气的温度和压力，因此以后的活塞行程就是利用低品位热能在绝热条件下的超膨胀作功行程。例如，气缸的工作容积是等容进气容积的二倍，点火燃烧后，活塞下行到工作容积的二分之一时，缸内的温度为该进气容积在等容膨胀作功终了时的温度，则活塞的后二分之一的行程就是在绝热条件下所获得的1倍的超膨胀作功行程；若气缸的工作容积是等容进气容积的三倍，即可获得2倍的超膨胀作功行程。因此，超膨胀四行程内燃机的压缩度越高、可实现的超膨胀作功的行程越长、保温绝热措施越好，排气温度就越低，获得的增益就越高。
设计超膨胀四行程内燃机需根据满足功率要求的进气容积V2和超膨胀比，设计气缸的工作容积，如设计2倍的超膨胀则V＝V2×3。
本发明需按超膨胀作功原理设计气缸、活塞、冷却水套、燃烧室、配气系统、进气门、排气门、电喷部分的节气门、进气歧管、排气歧管、自动点火或喷油推迟/提前装置、可变压缩度/等容度补偿装置，使之满足超膨胀作功的技术要求。
本发明的优点为：
1、大幅度提高了压缩度，可获得较高的燃烧温度和压力，实现在绝热条件下的超膨胀作功、低温排气是作功性质实质性的提高；提高热效的途径是利用提高燃烧温度和压力的燃烧气体等容作功后的热能在绝热条件下继续作功，可获得较高的增益；提高热效不仅使单位功的燃料消耗减少，同时还意味着使单位功的排放减少。
2、大幅度提高压缩度，使输出功率、效率得到提高；在本发明中是靠ECU(图中未示出)实时控制点火或喷油提前/推迟来避免发生爆燃现象，在低转速、重负荷工况点火时间会推迟到上止点以后。在本发明中是靠实行点火或喷油推迟避免引发爆燃，是靠等容度补偿装置补偿点火推迟后的等容度，使最高燃烧温度和压力产生在上止点后10°-20°，所以不会影响到结构强度、不会造成工作粗暴。
3、在燃烧室和气缸的上部分布少量冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并采取保温绝热措施，避免燃烧气体在超膨胀作功过程中的热量损失，以增强超膨胀作功的效果，建立一个符合超膨胀作功原理的热力循环系统。
4、在气缸直径有限的空间内可增大排气门直径、减小进气门直径减小排气阻力，目的是将排气提前角到减到25°以下，增加超膨胀作功行程。(现有内燃机的排气提前角为50°-60°，排气提前带走的热量占总排气损失的40％。)
综上所述，本发明方法可实现超膨胀作功，增大压缩度、实行点火推迟，采取绝热措施、减少膨胀过程的热量损失，减小排气提前角，从而提高热效率，节省燃料、降低排放。
本发明提供了一种全新设计的以超膨胀作功、低温排气模式工作的四行程内燃机，为产生较高的燃烧温度和压力大幅度提高了压缩度，并根据所产生的有效作功压力可以实现的超膨胀比来设计大于进气容积V2的气缸的工作容积，充分利用燃烧气体等容作功后的热能在绝热条件下继续作功。本发明是现有四行程内燃机作功原理的延伸和发展，提高热效率的措施是：1、增加压缩度、实行点火或喷油推迟，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后10-20°，以15°左右为最佳。2、利用废气中的热能在绝热条件下继续作功，即超膨胀作功。3、在燃烧室和气缸的上部分布少量冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并采取保温绝热措施，减少燃烧气体在膨胀作功过程中的热量损失，增强超膨胀作功效果。4、减小进气门直径，在有限的空间内增大排气门直径以减少排气提前角(现有内燃机均为进气门直径大于排气门直径)，以增加超膨胀作功行程。
本发明的目的是按如下的技术方案实现的。
本发明超膨胀四行程内燃机，包括气缸、活塞，其特征是：保持满足功率要求的进气容积在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比，来设计大于进气容积的气缸的工作容积，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，形成所述的超膨胀作功条件。
还包括可变压缩度/等容度补偿装置；目的是保持点火推迟时的等容度、压缩度不降低，使最高燃烧温度和压力产生在上止点以后的10°-20°范围内。
所述的可变压缩度/等容度补偿装置包括补偿活塞，所述的补偿活塞可上下运动于补偿室中，所述的补偿室与燃烧室相连通。
在燃烧室和所述的气缸的上部，设有冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并设有保温层。
所述的排气门的直径大于所述的进气门的直径。
本发明中，保持满足功率要求的进气容积V2在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件，实行点火推迟，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后10°-20°；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比来设计气缸的工作容积V，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，形成超膨胀作功的条件。
所述的进气容积V2必须是满足功率要求的进气容积，本发明靠所设计的进气歧管、节气门和进气门的流通截面积的最大进气容积为V2实现的。
所述的提高压缩度高于现有内燃机的压缩度一倍以上，是本发明实现超膨胀作功的重要条件。
所述的可变压缩度/等容度补偿装置是为了保证实行点火推迟而不使等容度降低，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后10°-20°，例如15°左右的最佳作功时机，从根本上解决了提高压缩度与引发爆燃的矛盾；推迟点火与等容度降低的矛盾。
所述的增大排气门的直径，减小进气门的直径，减小排气提前角增加作功行程，是本发明超膨胀作功的组成部分。
所述的超膨胀四行程内燃机在燃烧室和气缸上部分布少量冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并采取保温绝热措施，避免燃烧气体在超膨胀作功过程中的热量损失，是本发明增强超膨胀作功效果的技术措施。
本发明超膨胀四行程内燃机，包括点燃式内燃机和压燃式内燃机。其理论工作循环是进气、压缩、膨胀作功——超膨胀作功、排气四个行程。
如所述的内燃机为点燃式内燃机，所述的活塞压缩到上止点时，气体的压缩度为1.8-3Mpa。
其进气门的关闭角在曲轴转0°-360°中的下止点前10°-20°；其排气门的开启角在曲轴转360°-720°中的下止点前15°-25°。
如所述的内燃机为压燃式内燃机，所述的活塞压缩到上止点时，气体的压缩度为3-5Mpa。
其进气门的关闭角在曲轴转0°-360°中的下止点前10°-20°；其排气门的开启角在曲轴转360°-720°中的下止点前15°-25°。
所述的满足功率要求的进气容积为V2，压缩度为1.8-5Mpa，当点火燃烧后，在上止点后10°-20°产生高于现有内燃机的温度和压力，燃烧气体推动活塞下行到V2时，即做完该进气容积等容膨胀的功，缸内气体的温度和压力相当于现有内燃机作功终了时排气的温度和压力，因此以后的活塞行程就是利用低品位热能在绝热条件下的超膨胀作功行程。例如，气缸的工作容积是等容进气容积的二倍，点火燃烧后，活塞下行到工作容积的二分之一时，缸内的温度为该进气容积在等容膨胀作功终了时的温度，则活塞的后二分之一的行程就是在绝热条件下所获得的1倍的超膨胀作功行程；若气缸的工作容积是等容进气容积的三倍，即可获得2倍的超膨胀作功行程。因此，超膨胀四行程内燃机的压缩度越高、可实现的超膨胀作功的行程越长、保温绝热措施越好，排气温度就越低，获得的增益就越高。
设计超膨胀四行程内燃机需根据满足功率要求的进气容积V2和超膨胀比，设计气缸的工作容积，如设计2倍的超膨胀则V＝V2×3。
本发明需按超膨胀作功原理设计气缸、活塞、冷却水套、燃烧室、配气系统、进气门、排气门、电喷部分的节气门、进气歧管、排气歧管、自动点火或喷油推迟/提前装置、可变压缩度/等容度补偿装置，使之满足超膨胀作功的技术要求。
本发明的优点为：
1、大幅度提高了压缩度，可获得较高的燃烧温度和压力，实现在绝热条件下的超膨胀作功、低温排气是作功性质实质性的提高；提高热效的途径是利用提高燃烧温度和压力的燃烧气体等容作功后的热能在绝热条件下继续作功，可获得较高的增益；提高热效不仅使单位功的燃料消耗减少，同时还意味着使单位功的排放减少。
2、大幅度提高压缩度，使输出功率、效率得到提高；在本发明中是靠ECU(图中未示出)实时控制点火或喷油提前/推迟来避免发生爆燃现象，在低转速、重负荷工况点火时间会推迟到上止点以后。在本发明中是靠实行点火或喷油推迟避免引发爆燃，是靠等容度补偿装置补偿点火推迟后的等容度，使最高燃烧温度和压力产生在上止点后10°-20°，所以不会影响到结构强度、不会造成工作粗暴。
3、在燃烧室和气缸的上部分布少量冷却水套，在气缸的下部无冷却水套并采取保温绝热措施，避免燃烧气体在超膨胀作功过程中的热量损失，以增强超膨胀作功的效果，建立一个符合超膨胀作功原理的热力循环系统。
4、在气缸直径有限的空间内可增大排气门直径、减小进气门直径减小排气阻力，目的是将排气提前角到减到25°以下，增加超膨胀作功行程。(现有内燃机的排气提前角为50°-60°，排气提前带走的热量占总排气损失的40％。)
综上所述，本发明方法可实现超膨胀作功，增大压缩度、实行点火推迟，采取绝热措施、减少膨胀过程的热量损失，减小排气提前角，从而提高热效率，节省燃料、降低排放。
附图说明
图1为本发明超膨胀四行程内燃机的示意图。
图2为本发明超膨胀四行程内燃机的工作循环示意图。
图3为本发明超膨胀四行程内燃机的配气相位示意图。
图4为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置示意图。
图5为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置的补偿凸轮工作相位示意图。
图6为本发明超膨胀四行程内燃机的冷却水套及保温层分布示意图。
图中代号说明
1气缸 2活塞 3进气门 4排气门
5燃烧室 6冷却水套 7保温层 8补偿室
9补偿活塞 10回位弹簧 11补偿凸轮
V气缸的工作容积 V2进气容积
V1燃烧室容积 S上止点 X下止点
α进气门3的开启角(进气提前角)α1进气门3的关闭角
β排气门4的开启角(排气提前角)
β1排气门4的关闭角 δ1补偿活塞开始向上运动角
δ2补偿活塞开始向下运动角
具体实施方式以超膨胀四行程内燃机为例加以说明
实施例一：用减少进气量的方法改造现有内燃机
本实施例中，用改变进气凸轮型线、相位角的方法改变进气相位，使进气门在下止点前50°提前关闭，可减少进气量35％。并将燃烧室容积相应减少35％，保持原压缩度，理论上增加了35％的作功行程。排气相位、进气门直径、排气门直径、点火时间和冷却水套仍保持原有状态，本实施例为点燃式内燃机。
将该内燃机装车做百公里等速油耗试验，在同等条件下，冷却水温比未改造前低10℃左右。百公里等速(60km/h)油耗下降约28％，节油效果明显。
将该内燃机做台架试验，试验条件为：油耗仪、转速仪、测功机，台架试验结果与改造前相比，功率下降32％，比油耗(kw□h)g曲线：在低速时下降15％左右，中速时基本相同，高速时增加8％。
根据本实施例的等速油耗试验和台架试验结果，百公里等速油耗降低28％的原因在于功率下降，属降功率应用性质，虽试验条件为相同等速，改造前储备功率大，而改造后功率降低，储备功率小，因此油耗降低。而水温降低是因燃烧工质减少后，总热量减少，而散热比面积增大的原因。本实施例用减少进气量的方法改造的内燃机在低转速时有较明显的节油效果，而在高转速时机械损失增大，作用于活塞的平均有效作功压力降低，在作功的后一阶段，缸内虽仍有压力但不足以推动活塞有效作功，无法达到期望的节油效果。实质上，本实施例的工作性质就是将原内燃机减少了定量的进气量，增加了定量的压缩比，保持了该进气量的压缩度，相当于在改进前以中、小功率工作(进气量减少)并将压缩比相应提高，因此在中、小功率时的热效率得到改善。
图1为本发明超膨胀四行程内燃机的示意图，包括气缸1、活塞2，其特征是：保持满足功率要求的进气容积V2在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比来设计大于进气容积V2的气缸的工作容积V，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，在只有膨胀降温、无冷却降温下，形成超膨胀作功的条件。
参照图2，图2为本发明超膨胀四行程内燃机的工作循环示意图，工作循环为进气、压缩、燃烧作功(包括等容作功和超膨胀作功)、排气四个行程，在曲轴的每一个0°-720°中完成一个理论工作循环。
曲轴在0°-360°完成进气、压缩行程：
进气行程：进气行程是活塞2由上止点S至下止点X的行程，设计气缸的工作容积V是进气容积V2的三倍(即二倍的超膨胀)。
参照图3，进气容积V2表示在大气压下该进气容积在气缸内所占的容积。设计的进气歧管、节气门和进气门流通截面积的最大进气容积为满足功率要求的进气容积V2，达到该进气容积V2的进气过程在下止点前的关闭角α1＝10°-20°结束。目的是让进气结束时接近下止点X(接近180°)，使曲轴转720°中的例如4个缸保持均匀进气(如靠进气门提前关闭方式会在进气歧管内每一个循环产生一个短促的负压脉冲，进气不稳定)，有利于保证进气流量的稳定，计量准确，以保证空燃比的控制精度。
压缩行程：压缩行程是活塞2由下止点X至上止点S的行程。本发明提高了活塞压缩到终点时的压缩度，到上止点S时，达到设计压缩度1.8-5Mpa，远远高于现有内燃机的压缩度。
曲轴在360°-720°完成燃烧作功、排气行程：
燃烧作功行程：燃烧作功行程是活塞2由上止点S至下止点X的行程。靠自动点火或喷油提前/推迟装置保证最佳点火时间或喷油时间，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后15°左右。燃烧气体推动活塞2作功，当活塞2下行到进气容积V2时，完成其等容膨胀作功行程；从V2至下止点X前的开启角β是在绝热条件下的超膨胀作功行程。
排气行程：排气行程是活塞由下止点X至上止点S的行程。排气提前角β在下止点X前15°-25°(现有内燃机的排气提前角β＝50°-60°)，活塞2由下止点X至上止点S，进行强制排气。
图3为本发明超膨胀四行程内燃机的配气相位示意图，本发明内燃机靠电控燃油喷射系统跟踪控制空燃比，进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，保持进气门3的开启角α、排气门4的关闭角β1重叠，以进行扫气；其进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前10°-20°；其排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前15°-25°，以增加超膨胀作功行程。
图4为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置示意图，在燃烧室内有一个能够上下运动的补偿活塞9，补偿活塞9运动的空间为补偿室8，补偿室8的容积属于燃烧室容积V1的一部分，补偿室容积是燃烧室容积(包括补偿室容积)的1/5左右。补偿活塞9是由补偿凸轮11和回位弹簧10驱动并可变升程(采用现有技术“可变气门升程、可变配气相位”，在此不再赘述)，也可以由电磁阀、液压、气动等机构驱动。补偿活塞9的最低位置与燃烧室5平齐，停在此位置时形成燃烧室的最小容积，可增加压缩度；停在最高位置是带有补偿室8的燃烧室5的最大容积，为正常工作工况；靠补偿凸轮11和回位弹簧10驱动，在最高位置至最低位置之间运动，以实现等容度补偿。
可变压缩度/等容度补偿装置的功能：
①补偿活塞9停在最高位置(图示位置)为中转速、中负荷时，不需要增加压缩度、不需要等容度补偿的正常工况。
②补偿活塞9停在最低位置为可变压缩度功能，如前所述内燃机的理论压缩比是固定的，在高转速、轻负荷或怠速工况时的进气量少，虽压缩比不变而压缩到上止点时的压缩度显然要低于设计压缩度，所以热效率降低。在此工况下点火时间在上止点前，等容度不会降低，而需增加压缩度。补偿活塞9在增加压缩度位置(最低位置，即与燃烧室平齐)停止不动，因补偿室容积属燃烧室容积的一部分，所以使燃烧室容积变小、压缩度得到提高。
当负荷逐渐增大进气量增加，为避免因压缩度的大幅度提高而引发爆燃，点火时间逐渐向后推迟使等容度下降，此时补偿活塞9由停止状态开始上下运动，其升程随点火推迟角度的增加而增大，此时可变压缩度功能转变为等容度补偿功能。
③补偿活塞9上下运动为等容度补偿功能，如前所述内燃机在低转速、重负荷工况时，进气量最大时可达到设计压缩度，在此工况下点火或喷油时间会推迟到上止点以后。当活塞2开始下行，未燃混合汽随活塞2下行而膨胀使压缩度下降。等容度补偿功能就是在活塞2开始下行时，补偿活塞9跟随活塞2下行，将补偿室8内的混合汽推出，用以补偿活塞2下行的容积，由ECU(图中未示出)根据当前点火推迟角度的大小，即活塞2下行的容积多少，决定补偿凸轮11可变升程的高度，即所需补偿的容积(补偿率要小于100％，使补偿活塞9在下行过程中不作压缩功，以减轻补偿活塞负荷)，在点火前活塞2下行的容积由补偿室8的容积来补充，在点火推迟时能保持原压缩到上止点S时的压缩度在超过上止点以后不降低，达到了等容度补偿效果，使最高燃烧温度和压力产生在上止点S后15°左右。
实际应用中，当点火时间逐渐向后推迟需进行等容度补偿时，补偿活塞9的运动升程由“零”逐渐增大，在活塞2的压缩行程，补偿活塞9向上运动，部分气体随补偿活塞9的上行进入补偿室8。补偿活塞9的升程随点火时间的推迟而增加，因补偿室容积属于燃烧室容积，所以进入补偿室8的气体是暂存在补偿室8内，当活塞2过上止点S开始下行时，压缩度降低、等容度下降，补偿活塞9受补偿凸轮11推动跟随活塞2下行，将补偿室8内的气体推出，用以补偿活塞2下行的容积，此时的活塞2虽已下行而燃烧室内气体的压缩度并不降低，直至点火燃烧。
图5为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置的补偿凸轮11的工作相位示意图。超膨胀四行程内燃机在中转速、中负荷工况，补偿活塞9停在最高位置；在高转速、轻负荷工况停在最低位置；在低转速、重负荷工况，点火时间推迟到上止点S以后，需进行等容度补偿，在活塞2压缩行程中，补偿凸轮11先处于δ1位置，补偿活塞9由回位弹簧10推动开始上行，部分气体进入补偿室8，当活塞2至上止点(即补偿凸轮11的δ2位置)时，补偿活塞9开始下行，将补偿室8内的气体推出，进行等容度补偿。
图6为本发明超膨胀四行程内燃机的冷却水套及保温层分布示意图，在燃烧室5和气缸1的上部分布少量冷却水套6，在气缸1的下部无冷却水套并采取保温绝热措施7，目的是减少膨胀作功过程中的热量损失。
实施例二：设计所述气缸的满足功率要求的进气容积V2为300ml，设计气缸的工作容积V为600ml，工作容积V是进气容积V2的2倍(为一倍的超膨胀作功行程)。
1、如实施的内燃机为点燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为2Mpa；所述气缸的进气容积V2为300ml与燃烧室容积V2之比即理论压缩比为20∶1，则V1为300÷20＝15ml。
本实施例中，点燃式内燃机的节气门、进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，保持进、排气门重叠角进行扫气；进气门3的开启提前角α为10°，排气门4的关闭迟后角β1为12°。靠电控燃油喷射系统跟踪控制空燃比。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°。排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°，采用的排气门4的直径是进气门3的直径的1.8倍。
2、如实施的内燃机为压燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为3Mpa；所述气缸的进气容积V2为300ml与燃烧室容积V1之比即理论压缩比为30∶1，则V1为300÷30＝10ml。
本实施例中，压燃式内燃机进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，靠喷油系统控制喷油量，保持进、排气门重叠角进行扫气。进气门3的开启提前角α为15°，排气门4的关闭迟后角β1为18°。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°；排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°，采用的排气门4的直径是所述的进气门3的直径的2倍。
实施例三：设计所述气缸的满足功率要求的进气容积V2为300ml，工作容积V为900ml，工作容积V是进气容积V2的3倍，为2倍的超膨胀作功行程。
1、如实施的内燃机为点燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为2Mpa；所述气缸的进气容积V2与燃烧室容积V1之比即理论压缩比为20∶1，则V1为300÷20＝15ml。
本实施例中，点燃式内燃机的节气门、进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，保持进、排气门重叠角进行扫气；进气门3的开启提前角α为10°，排气门4的关闭迟后角β1为12°。靠电控燃油喷射系统跟踪控制空燃比。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°。排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°。采用所述的排气门4的直径是所述的进气门3的直径的1.8倍。
2、如实施的内燃机为压燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为3Mpa；所述气缸的进气容积V2与燃烧室容积V1之比即理论压缩比为30∶1，则V1为300÷30＝10ml。
本实施例中，压燃式内燃机进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，靠喷油系统控制喷油量，保持进、排气门重叠角进行扫气。进气门3的开启提前角α为15°，排气门4的关闭迟后角β1为18°。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°；排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°。采用所述的排气门4的直径是所述的进气门3的直径的2倍。
在实施例二、三中，在燃烧室5和气缸1的上部分布少量冷却水套6，在气缸1的下部无冷却水套并采取保温绝热措施7，目的是减少膨胀作功过程中的热量损失，让燃烧气体在膨胀过程中只产生膨胀降温，避免冷却降温。
在实施例二、三中，为产生较高的燃烧温度和压力而大幅度提高了压缩度，靠实行点火或喷油推迟避免爆燃现象，在高转速、轻负荷工况点火或喷油可适当提前，在低转速、重负荷工况点火或喷油时间会推迟到上止点以后，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后15°左右，能有效的避免因提高压缩度引起的爆燃，消除工作粗暴；靠可变压缩度/等容度补偿装置在轻负荷、进气量少、压缩度低工况可增加压缩度；在重负荷、进气量多、压缩度高、点火或喷油推迟工况可补偿等容度。
超膨胀四行程内燃机因压缩度的提高和可变压缩度/等容度补偿装置的应用，辅以保温绝热措施和减小排气提前角的共同作用，热效率可以达到60％以上。采用本发明超膨胀四行程内燃机：点燃式内燃机的比油耗达到160g/kwh-190g/kwh(现有点燃式内燃机为260g/kwh-300g/kwh)，压燃式内燃机的比油耗达到150g/kwh-180g/kwh(现有压燃式内燃机为200g/kwh-250g/kwh)，热效率显著提高，排气温度和压力明显降低，振动和噪音明显减弱，排放的量减少，排放的质得到改善。
图2为本发明超膨胀四行程内燃机的工作循环示意图。
图3为本发明超膨胀四行程内燃机的配气相位示意图。
图4为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置示意图。
图5为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置的补偿凸轮工作相位示意图。
图6为本发明超膨胀四行程内燃机的冷却水套及保温层分布示意图。
图中代号说明
1气缸 2活塞 3进气门 4排气门
5燃烧室 6冷却水套 7保温层 8补偿室
9补偿活塞 10回位弹簧 11补偿凸轮
V气缸的工作容积 V2进气容积
V1燃烧室容积 S上止点 X下止点
α进气门3的开启角(进气提前角)α1进气门3的关闭角
β排气门4的开启角(排气提前角)
β1排气门4的关闭角 δ1补偿活塞开始向上运动角
δ2补偿活塞开始向下运动角
具体实施方式以超膨胀四行程内燃机为例加以说明
实施例一：用减少进气量的方法改造现有内燃机
本实施例中，用改变进气凸轮型线、相位角的方法改变进气相位，使进气门在下止点前50°提前关闭，可减少进气量35％。并将燃烧室容积相应减少35％，保持原压缩度，理论上增加了35％的作功行程。排气相位、进气门直径、排气门直径、点火时间和冷却水套仍保持原有状态，本实施例为点燃式内燃机。
将该内燃机装车做百公里等速油耗试验，在同等条件下，冷却水温比未改造前低10℃左右。百公里等速(60km/h)油耗下降约28％，节油效果明显。
将该内燃机做台架试验，试验条件为：油耗仪、转速仪、测功机，台架试验结果与改造前相比，功率下降32％，比油耗(kw□h)g曲线：在低速时下降15％左右，中速时基本相同，高速时增加8％。
根据本实施例的等速油耗试验和台架试验结果，百公里等速油耗降低28％的原因在于功率下降，属降功率应用性质，虽试验条件为相同等速，改造前储备功率大，而改造后功率降低，储备功率小，因此油耗降低。而水温降低是因燃烧工质减少后，总热量减少，而散热比面积增大的原因。本实施例用减少进气量的方法改造的内燃机在低转速时有较明显的节油效果，而在高转速时机械损失增大，作用于活塞的平均有效作功压力降低，在作功的后一阶段，缸内虽仍有压力但不足以推动活塞有效作功，无法达到期望的节油效果。实质上，本实施例的工作性质就是将原内燃机减少了定量的进气量，增加了定量的压缩比，保持了该进气量的压缩度，相当于在改进前以中、小功率工作(进气量减少)并将压缩比相应提高，因此在中、小功率时的热效率得到改善。
图1为本发明超膨胀四行程内燃机的示意图，包括气缸1、活塞2，其特征是：保持满足功率要求的进气容积V2在压缩行程终点时的压缩度达到1.8-5Mpa，形成提高燃烧温度和压力的条件；根据有效作功压力可以实现的超膨胀比来设计大于进气容积V2的气缸的工作容积V，利用燃烧气体等容膨胀作功后的热能在绝热条件下继续膨胀，在只有膨胀降温、无冷却降温下，形成超膨胀作功的条件。
参照图2，图2为本发明超膨胀四行程内燃机的工作循环示意图，工作循环为进气、压缩、燃烧作功(包括等容作功和超膨胀作功)、排气四个行程，在曲轴的每一个0°-720°中完成一个理论工作循环。
曲轴在0°-360°完成进气、压缩行程：
进气行程：进气行程是活塞2由上止点S至下止点X的行程，设计气缸的工作容积V是进气容积V2的三倍(即二倍的超膨胀)。
参照图3，进气容积V2表示在大气压下该进气容积在气缸内所占的容积。设计的进气歧管、节气门和进气门流通截面积的最大进气容积为满足功率要求的进气容积V2，达到该进气容积V2的进气过程在下止点前的关闭角α1＝10°-20°结束。目的是让进气结束时接近下止点X(接近180°)，使曲轴转720°中的例如4个缸保持均匀进气(如靠进气门提前关闭方式会在进气歧管内每一个循环产生一个短促的负压脉冲，进气不稳定)，有利于保证进气流量的稳定，计量准确，以保证空燃比的控制精度。
压缩行程：压缩行程是活塞2由下止点X至上止点S的行程。本发明提高了活塞压缩到终点时的压缩度，到上止点S时，达到设计压缩度1.8-5Mpa，远远高于现有内燃机的压缩度。
曲轴在360°-720°完成燃烧作功、排气行程：
燃烧作功行程：燃烧作功行程是活塞2由上止点S至下止点X的行程。靠自动点火或喷油提前/推迟装置保证最佳点火时间或喷油时间，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后15°左右。燃烧气体推动活塞2作功，当活塞2下行到进气容积V2时，完成其等容膨胀作功行程；从V2至下止点X前的开启角β是在绝热条件下的超膨胀作功行程。
排气行程：排气行程是活塞由下止点X至上止点S的行程。排气提前角β在下止点X前15°-25°(现有内燃机的排气提前角β＝50°-60°)，活塞2由下止点X至上止点S，进行强制排气。
图3为本发明超膨胀四行程内燃机的配气相位示意图，本发明内燃机靠电控燃油喷射系统跟踪控制空燃比，进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，保持进气门3的开启角α、排气门4的关闭角β1重叠，以进行扫气；其进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前10°-20°；其排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前15°-25°，以增加超膨胀作功行程。
图4为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置示意图，在燃烧室内有一个能够上下运动的补偿活塞9，补偿活塞9运动的空间为补偿室8，补偿室8的容积属于燃烧室容积V1的一部分，补偿室容积是燃烧室容积(包括补偿室容积)的1/5左右。补偿活塞9是由补偿凸轮11和回位弹簧10驱动并可变升程(采用现有技术“可变气门升程、可变配气相位”，在此不再赘述)，也可以由电磁阀、液压、气动等机构驱动。补偿活塞9的最低位置与燃烧室5平齐，停在此位置时形成燃烧室的最小容积，可增加压缩度；停在最高位置是带有补偿室8的燃烧室5的最大容积，为正常工作工况；靠补偿凸轮11和回位弹簧10驱动，在最高位置至最低位置之间运动，以实现等容度补偿。
可变压缩度/等容度补偿装置的功能：
①补偿活塞9停在最高位置(图示位置)为中转速、中负荷时，不需要增加压缩度、不需要等容度补偿的正常工况。
②补偿活塞9停在最低位置为可变压缩度功能，如前所述内燃机的理论压缩比是固定的，在高转速、轻负荷或怠速工况时的进气量少，虽压缩比不变而压缩到上止点时的压缩度显然要低于设计压缩度，所以热效率降低。在此工况下点火时间在上止点前，等容度不会降低，而需增加压缩度。补偿活塞9在增加压缩度位置(最低位置，即与燃烧室平齐)停止不动，因补偿室容积属燃烧室容积的一部分，所以使燃烧室容积变小、压缩度得到提高。
当负荷逐渐增大进气量增加，为避免因压缩度的大幅度提高而引发爆燃，点火时间逐渐向后推迟使等容度下降，此时补偿活塞9由停止状态开始上下运动，其升程随点火推迟角度的增加而增大，此时可变压缩度功能转变为等容度补偿功能。
③补偿活塞9上下运动为等容度补偿功能，如前所述内燃机在低转速、重负荷工况时，进气量最大时可达到设计压缩度，在此工况下点火或喷油时间会推迟到上止点以后。当活塞2开始下行，未燃混合汽随活塞2下行而膨胀使压缩度下降。等容度补偿功能就是在活塞2开始下行时，补偿活塞9跟随活塞2下行，将补偿室8内的混合汽推出，用以补偿活塞2下行的容积，由ECU(图中未示出)根据当前点火推迟角度的大小，即活塞2下行的容积多少，决定补偿凸轮11可变升程的高度，即所需补偿的容积(补偿率要小于100％，使补偿活塞9在下行过程中不作压缩功，以减轻补偿活塞负荷)，在点火前活塞2下行的容积由补偿室8的容积来补充，在点火推迟时能保持原压缩到上止点S时的压缩度在超过上止点以后不降低，达到了等容度补偿效果，使最高燃烧温度和压力产生在上止点S后15°左右。
实际应用中，当点火时间逐渐向后推迟需进行等容度补偿时，补偿活塞9的运动升程由“零”逐渐增大，在活塞2的压缩行程，补偿活塞9向上运动，部分气体随补偿活塞9的上行进入补偿室8。补偿活塞9的升程随点火时间的推迟而增加，因补偿室容积属于燃烧室容积，所以进入补偿室8的气体是暂存在补偿室8内，当活塞2过上止点S开始下行时，压缩度降低、等容度下降，补偿活塞9受补偿凸轮11推动跟随活塞2下行，将补偿室8内的气体推出，用以补偿活塞2下行的容积，此时的活塞2虽已下行而燃烧室内气体的压缩度并不降低，直至点火燃烧。
图5为本发明超膨胀四行程内燃机的可变压缩度/等容度补偿装置的补偿凸轮11的工作相位示意图。超膨胀四行程内燃机在中转速、中负荷工况，补偿活塞9停在最高位置；在高转速、轻负荷工况停在最低位置；在低转速、重负荷工况，点火时间推迟到上止点S以后，需进行等容度补偿，在活塞2压缩行程中，补偿凸轮11先处于δ1位置，补偿活塞9由回位弹簧10推动开始上行，部分气体进入补偿室8，当活塞2至上止点(即补偿凸轮11的δ2位置)时，补偿活塞9开始下行，将补偿室8内的气体推出，进行等容度补偿。
图6为本发明超膨胀四行程内燃机的冷却水套及保温层分布示意图，在燃烧室5和气缸1的上部分布少量冷却水套6，在气缸1的下部无冷却水套并采取保温绝热措施7，目的是减少膨胀作功过程中的热量损失。
实施例二：设计所述气缸的满足功率要求的进气容积V2为300ml，设计气缸的工作容积V为600ml，工作容积V是进气容积V2的2倍(为一倍的超膨胀作功行程)。
1、如实施的内燃机为点燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为2Mpa；所述气缸的进气容积V2为300ml与燃烧室容积V2之比即理论压缩比为20∶1，则V1为300÷20＝15ml。
本实施例中，点燃式内燃机的节气门、进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，保持进、排气门重叠角进行扫气；进气门3的开启提前角α为10°，排气门4的关闭迟后角β1为12°。靠电控燃油喷射系统跟踪控制空燃比。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°。排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°，采用的排气门4的直径是进气门3的直径的1.8倍。
2、如实施的内燃机为压燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为3Mpa；所述气缸的进气容积V2为300ml与燃烧室容积V1之比即理论压缩比为30∶1，则V1为300÷30＝10ml。
本实施例中，压燃式内燃机进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，靠喷油系统控制喷油量，保持进、排气门重叠角进行扫气。进气门3的开启提前角α为15°，排气门4的关闭迟后角β1为18°。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°；排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°，采用的排气门4的直径是所述的进气门3的直径的2倍。
实施例三：设计所述气缸的满足功率要求的进气容积V2为300ml，工作容积V为900ml，工作容积V是进气容积V2的3倍，为2倍的超膨胀作功行程。
1、如实施的内燃机为点燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为2Mpa；所述气缸的进气容积V2与燃烧室容积V1之比即理论压缩比为20∶1，则V1为300÷20＝15ml。
本实施例中，点燃式内燃机的节气门、进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，保持进、排气门重叠角进行扫气；进气门3的开启提前角α为10°，排气门4的关闭迟后角β1为12°。靠电控燃油喷射系统跟踪控制空燃比。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°。排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°。采用所述的排气门4的直径是所述的进气门3的直径的1.8倍。
2、如实施的内燃机为压燃式内燃机，所述的活塞2压缩到上止点S时，气体的压缩度为3Mpa；所述气缸的进气容积V2与燃烧室容积V1之比即理论压缩比为30∶1，则V1为300÷30＝10ml。
本实施例中，压燃式内燃机进气歧管和进气门的流通截面积的最大进气流量为满足功率要求的进气容积V2，靠喷油系统控制喷油量，保持进、排气门重叠角进行扫气。进气门3的开启提前角α为15°，排气门4的关闭迟后角β1为18°。进气门3的关闭角α1在曲轴转0°-360°中的下止点X前15°；排气门4的开启角β在曲轴转360°-720°中的下止点X前20°。采用所述的排气门4的直径是所述的进气门3的直径的2倍。
在实施例二、三中，在燃烧室5和气缸1的上部分布少量冷却水套6，在气缸1的下部无冷却水套并采取保温绝热措施7，目的是减少膨胀作功过程中的热量损失，让燃烧气体在膨胀过程中只产生膨胀降温，避免冷却降温。
在实施例二、三中，为产生较高的燃烧温度和压力而大幅度提高了压缩度，靠实行点火或喷油推迟避免爆燃现象，在高转速、轻负荷工况点火或喷油可适当提前，在低转速、重负荷工况点火或喷油时间会推迟到上止点以后，让最高燃烧温度和压力产生在上止点后15°左右，能有效的避免因提高压缩度引起的爆燃，消除工作粗暴；靠可变压缩度/等容度补偿装置在轻负荷、进气量少、压缩度低工况可增加压缩度；在重负荷、进气量多、压缩度高、点火或喷油推迟工况可补偿等容度。
超膨胀四行程内燃机因压缩度的提高和可变压缩度/等容度补偿装置的应用，辅以保温绝热措施和减小排气提前角的共同作用，热效率可以达到60％以上。采用本发明超膨胀四行程内燃机：点燃式内燃机的比油耗达到160g/kwh-190g/kwh(现有点燃式内燃机为260g/kwh-300g/kwh)，压燃式内燃机的比油耗达到150g/kwh-180g/kwh(现有压燃式内燃机为200g/kwh-250g/kwh)，热效率显著提高，排气温度和压力明显降低，振动和噪音明显减弱，排放的量减少，排放的质得到改善。