高效内燃机–---智能与终极工作循环
(编号：200-2806 原文上传失真，可以查阅大会论文或留下联系方式）
作者11李培石
河南省林州市龙山区东城旺世六区 邮编：456550
摘要:内燃机要实现高效的工作无限接近理论的热效率，就要模拟仿生学，如人类和高级动物，系统由大脑指挥，主要器官包括心脏，肺，肝脏。高效内燃机应当包括中央智能中心，协调指挥做功系统，供油系统，供气系统，润滑系统，电气系统，冷却系统。现在内燃机由油门控制功率，由油门被动的响应配气，内燃机的高效需要供气与做功相互独立，供气由独立的气泵或压气机由智能中心控制，根据功率需要进行供油配气。
现在的内燃机模拟卡诺循环，恒温吸热与绝热膨胀重叠交叉。实际汽油机和柴油机严格意义都是混合循环，1恒温吸热与绝热膨胀没有独立，2可以看作定容与等压的混合。高效内燃机就是要实现供油与配气同步最佳配比，改变内燃机机械结构进行大的重构，实现真正的卡诺循环，四边形分明清晰，四边分别是①恒温放热（进气与排气），②绝热压缩，③定容吸热（燃烧），④绝热膨胀（做功），即终极工作循环，无限接近理论热效率。
中图分类号: TK4***（请查阅中图分类法第5版） 文献标识码: A
0 概论
内燃机终极循环是等容循环，就是等容（定容）燃烧循环，具体工作循环是：换气 →压缩→燃烧→膨胀做功→换气。实现此工作循环，热效率可以达到60%以上，接近卡诺循环，从而大幅度提高热效率。
内燃机工作循环发展路线：①奥托循环→②狄塞尔循环→③阿特金森循环→④米勒循环→→？？？→终极工作循环，从而走向智能化。
1,内燃机发展史：
1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的热效率为4%左右。英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。1876年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14％，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到11～15千瓦(15～20马力)，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20～26％。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。随 着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通动输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26％。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。早在往复活塞式内燃机诞生以前，人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机，但均未获成功。直到1954年，联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题后，才于1957年研制出旋转活塞式发动机，被称为汪克尔发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，所以还只是在个别型号的轿车上得到采用。
2,内燃机前世今生：
沸腾顶起的水壶盖→蒸汽机→煤气机→汽油机→柴油机→其他形式内燃机
现在内燃机的结构是秉承蒸汽机的结构，受到材料与加工技术的限制及时代要求一直没有大的变动，对活塞曲轴已约定俗成为固定结构，因为其成熟结构简单耐用。
3, 内燃机理论发展历程：
定温分子气体理论
在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。是由英国化学家波义耳（Boyle），在1662年根据实验结果提出：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。”称之为波义耳定律。这是人类历史上第一个被发现的“定律”。
固定体积气体关系理论
查理定律 描述其压强随温度作线性：P = P0(1+βt).其中P0是在0℃时的压强，t为摄氏温度，β是气体的膨胀系数。对于理想气体，β与气体种类及温度范围无关，且β=1/273，这时P = P0(1+t/273).
对于热力学温标，则有P/T=C（C为定值），说明一定质量一定体积理想气体的压强与热力学温度成正比。其实查理早就发现压强与温度的关系，只是当时未发表，也未被人注意。直到盖-吕萨克重新提出后，才受到重视。早年都称“查理定律”，但为表彰盖-吕萨克的贡献而称为“查理-盖吕萨克定律”。
理想气体状态方程（Ideal Gas Law ），又称理想气体定律、普适气体定律，是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、温度间关系的状态方程。它建立在玻义耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律等定律的基础上，由法国科学家克拉珀龙（Benoit Pierre Emile Clapeyron）于1834年提出。 [理想气体状态方程可用pV=nRT表示，式中：p为压强（Pa），V为气体体积(m3)，T为温度(K)，n为气体的物质的量(mol)，R为摩尔气体常数（也叫普适气体恒量）(J/（mol.K）)。
定容过程又称等容过程，是系统的体积始终保持不变的过程。定容过程的特点是体积V=恒量。
对理想气体而言，定容过程的准静态过程中压强与温度的关系，可由理想气体状态方程得出：p/T=恒量。
平衡态热力学所研究的是处于平衡态的封闭系统及其由一个平衡态变为另一个平衡态的过程。平衡态热力学中的常见过程指的是定温过程、定压过程和定容过程。
定容过程 又称等容过程
释义：系统的体积始终保持不变的过程
特点：体积V=恒量
由于在定容过程中系统的体积保持不变，系统对外界做的功A=pdV=0。由热力学第一定律可知：定容过程能量转换的关系，是系统吸收的热量全部转化为内能的增量
Qc=DvΔT=ΔU，
其中Dv是定容热容，ΔT是系统温度的变化,ΔU是系统内能的增量。此关系式是热化学中计算反应热的一个基本热力学公式。此外，汽油机中燃烧过程很快，在热工计算中将燃料燃烧释放能量的过程理想化为定容加热过程，也遵从上述公式。 [1]
定容过程定容过程定义
对定容过程的定义，存在着不同的说法。主要有：
说法1：系统体积V恒定不变，即：V=定值的过程为定容过程。
说法2：系统的始态与终态体积相等，即：V1=V2的过程为定容过程。
说法3：将说法1与说法2放在一起的说法，有的给出了定义式V=V1=V2=定值。
虽然对定义有不同的说法，但在应用中各种说法的作者都采用的是说法1，即定容过程就是系统的体积恒定不变的过程。定容过程一般是指在刚性密闭容器中或凝聚系统发生的过程。
1834年克拉珀龙得出克拉珀龙方程，1875年公布门捷列夫-克拉珀龙方程，至此理想气体状态方程完成，普通分子物理定律方程全部完成。
卡诺循环是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤： 等温吸热， 绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。即理想气体从状态1（P1，V1，T1）等温吸热到状态2（P2，V2，T2），再从状态2绝热膨胀到状态3（P3，V3，T3），此后，从状态3等温放热到状态4（P4，V4，T4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。（一定体积等温变化为实验得出结论）。德国物理化学家W.H.能斯脱在理查兹工作的基础上进一步研究了低温下凝聚物系的反应,根据实验结果他于1906年提出能斯脱定理，至此热力学三定律完成。1876年，德国人奥托根据德?罗沙的四冲程内燃机工作原理，设计制造了第一台四冲程汽油内燃机，取得了内燃机技术的第一次突破。狄赛尔终于在1892年试制成了第一台压燃式内燃机，也就是柴油机。
到1906年内燃机的所有理论定律完成，曲轴活塞式内燃机的基本结构奠定，工作循环确立。
4，现在的曲轴活塞式内燃机是在1906年以前的基础上进行改进，逐渐提高热效率，基本结构没有改进，工作循环没有改变，自煤气内燃机到现在约160年自1906年到现在约100年，内燃机的改进取得了无数的专利，内燃机的改进就要分析内燃机存在的问题，是什么降低了热效率，如何提高热效率，如何解决问题，，自1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机，约160年全世界为提高内燃机的热效率投入了无数的人力物力，才取得现在的成绩，机械结构确保实现工作循环。
由于传统内燃机的热效率长期低下，污染严重，热效率长期徘徊提高缓慢，世界各国转向新能源，技术发展方向是新能源，对工作循环和结构的改进视而不见的冷僻方向。内燃机的做功是化学能转化为机械能，实现的途径主要是曲轴活塞式内燃机，推动活塞运动的是活塞两端的压力差，压力差的本质是活塞两端的压强差，活塞两端存在压强差那么活塞就产生运动，运动方向由高压强向低压强运动。由卡诺循环可知热效率由始末温度决定，由此可知热效率与气体体积没有必然关系，故内燃机只有实现等容加热循环，使温度与压强达到最大值，才能在热能一定热效率最高。现在的内燃机不能实现等容加热循环，汽油机柴油机其实都是混合循环，只是前一阶段等容度更高，这是由结构决定工作循环，此结构指基本结构，重新设计工作循环，必须重新设计结构，先设计工作循环，后设计结构。
5，内燃机的工作循环实际遵循的是热机和热力学理论，只有重新设计工作循环模拟卡诺循环遵循等容循环才能无限接近理论热效率，此工作循环，二冲程四象限是换气象限（活塞静止），压缩冲程（象限），燃烧象限（活塞静止不动），做功冲程（象限），换气包括进气与排气，换气由气泵或压气机独立完成，换气与供油同步匹配。四冲程八象限工作是吸气冲程，惯性进气过程（象限），压缩冲程，燃烧过程(象限)，膨胀做功冲程，余压排气过程（象限），排气冲程，进排气重叠过程（象限）是实现等容燃烧循环的必要条件；才能大幅提高内燃机的热效率。，重新设计改变内燃机的工作循环。终极循环方案包含二个部分，燃烧方式（工作循环方式和）动力输出方式（机械结构），现在通用曲轴活塞式内燃机的四冲程循环是吸气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程。终极工作循环的工作循环是，二冲程四象限工作循环是换气象限，压缩冲程，燃烧象限（活塞静止不动），做功冲程，四冲程八象限工作循环是吸气冲程，惯性进气过程（象限），压缩冲程，燃烧过程(象限)，膨胀做功冲程，余压排气过程（象限），排气冲程，进排气重叠过程（象限）；机械结构是为了实现完成工作循环卡诺循环包含四个阶段，等温膨胀（吸热），绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。
现在内燃机以四冲程为例，吸气冲程，压缩冲程，做功（膨胀）冲程，排气冲程。
终极工作循环是：换气象限，压缩冲程（象限），燃烧象限（活塞静止），做功冲程（膨胀）。卡诺循环是等温加热（吸热）循环，现在内燃机是混合循环。等容加热循环，是分子物理热力学三种加热循环方式之一，三种循环方式有本质的区别，气体的三个物理指标数据温度，压强，体积，卡诺循环在吸热阶段是恒温就是等温；现在曲轴活塞内燃机压缩燃烧膨胀同时存在，是混合循环更接近等压吸热。等容循环在吸热的时候是等容，三者的关系就是假定一个不动另两个的变化关系，或使一个不动另两个的变化关系。卡诺循环使一个固定不动，现在内燃机实际三个数据都在变化，更接近等压。
曲轴活塞式内燃机在历史发展过程创造出：1，奥拓循环，代表汽油机。2，狄塞尔循环，代表柴油机。3，阿特金森循环，代表改变连杆结构缩短压缩行程。4，米勒循环，代表进气门控制技术发动机，改变进气门角度时间减少进气量。上述四个循环没有改变曲轴活塞内燃机的本质循环，都是在奥托循环的基础上进行改进，提高内燃机的热效率。狄塞尔循环在奥托循环的基础上取消火花塞，提高压缩比，改用喷油系统，提高了热效率。阿特金森循环在奥托循环的基础上，在连杆上增加一个连杆曲轴使进气压缩行程变相增长膨胀行程，提高热效率。米勒循环在奥托循环的基础上改变进气门的角度时间，延迟关闭进气门，使实际压缩比降低，变相增加膨胀冲程，提高热效率。米勒循环在进气门控制技术有个关键节点，小量的延迟进气门关闭，可以利用进气的惯性提高进气量，当延迟时间超过节点（量变与质变），进气反而被排出产生实际压缩比降低，变相增加膨胀冲程提高热效率。阿特金森循环与米勒循环原理是一样的，降低实际压缩比，变相提高膨胀冲程提高热效率，采用的技术路线不同，两者相对于奥托循环在相同的汽缸行程功率降低，造成发动机功率不足。
内燃机的可变气门和升程控制技术是根据内燃机转速和供油量，优化进气量，组织气流，调整点火时间，使燃烧充分，使热能充分利用提供热效率。
涡轮增压，提供了平均压力，变相提高压缩比，提高热效率。增压在单位时间，温差，散热面积一定，就是增加排量，散热不变就是增加绝热指数，提高热效率。
喷油调整角，是随转速调整喷油提前角，调整点火时间，使燃烧充分进行，提高热效率。
直喷，提供良好的雾化，缩短燃烧时间，提高热效率。
高压共轨，提供一致的油压，精确供油，使油量进气量和转速匹配，达到节油提高热效率的目的。上述各项措施都为了降低油耗，提高热效率减少大气污染。然而热效率的提高有个门槛不可逾越，那就是由最高燃烧温度和排气温度决定的理想状态下的热效率。此排气温度指排气阀打开时的气体温度。汽油机最高燃烧温度1600K，排气温度1000K，由卡诺循环公式可知，η=﹙T1-T2]／T1。代入得出热效率等于0.375，汽油机的排气温度可能还高于1000K，就是现在的汽油机很难以降低排气温度，那么汽油机的热效率只能止步于0.375,现在的汽油机热效率已达0.3，已没有多少提高余地。柴油机的最高燃烧温度2200K,排气温度1000K，代入卡诺循环公式可知，η=﹙T1-T2﹚／T1。柴油机最高热效率0.545，现在柴油机的平均热效率是0.42，最高热效率有报道是0.49，在现在曲轴活塞内燃机的燃烧膨胀工作方式的基础上，热效率已没有多少提高的空间。上述数据是大众数据作为参考。这两种状态都是在理想绝热，没摩擦的情况下的热效率，考虑现实的摩擦散热，热效率达不到这两个热效率数值。
要降低油耗减少大气污染就要提高热效率，现在的技术结构已到达完美的高度，要大幅提高热效率就要采用新的技术方案。内燃机的理想状态下的热效率是多少，我们要清楚这个目标，明白有多少路可以走，还可以提高多少热效率，方能有的放矢。根据门捷列夫—克拉铂龙绝热曲线方程，T2／T1＝（V1/V2）r-1以柴油机为例，T1燃烧温度2200K，压缩比20，空气以氮气为主r取为1.4，把指标参数代入，计算得出膨胀结束排气温度是663.8K，就是在理想绝热状态下应该是663.8K，由最高温度和最低温度决定的理想状态下的内燃机热效率是多少，根据卡诺循环热效率η=﹙T1－T2﹚／T1,可以得出最高热效率是0.698，再跟据等容加热循环热效率公式η＝1－﹙1／εK-1﹚还以压缩比20的柴油机为例，绝热指数分别取1.35和1.4，得出热效率分别是0.65和0.699，在绝热指数1.4时，其热效率与卡诺的理想状态非常近似。现在柴油机的混合循环理论最高热效率0.545(指最高燃烧温度2200K，排气温度1000K)，据报极限热效率是0.49，就是说摩擦散热最少降低0.055个热效率，那么等容循环内燃机的现实最高热效率可达0.643。(各参数如有异议请指正)现实内燃机热效率与理论为什么有如此大的距离，根源在于排气温度的差异，主要由现在内燃机的曲轴活塞系统结构，燃烧特性，材料性能决定。材料的性能已没有大的挖掘余地，燃料的燃烧特性很难改变。如果材料可以承受，有理论的爆燃内燃机，就是近似的等容循环内燃机，可以极大的提高热效率。在现有的技术，活塞在不停运动，不同的燃料有特定的燃烧速度，转速越高，相对燃烧时间越长，等容度降低，燃烧和膨胀同时进行，甚至到做功结束，排气温度升高，热效率大为降低。再根据黄金分割，内燃机的最佳热效率应是0.618，就是最佳的经济制造成本。燃料不能在瞬间释放热量，燃烧伴随膨胀做功同时进行，提高了排气温度，后燃期的时间和油量直接决定排气温度。主燃期应在上止点后35度结束，后燃期应在上止点后90度结束，燃烧延迟甚至到做功结束，更是提高了排气温度，当前的内燃机结构不能解决上述问题。在经过长期的研究分子物理学的气体理论和热力学基础，发现内燃机热效率低下是由结构和燃烧循环共同造成的，单方面改变不能大幅提高热效率，上述改进不能大幅提高热效率，结构上不够合理完善。必须改变内燃机的输出结构，改变内燃机的工作燃烧循环，根据多个气体定律和理想气体状态方程，卡诺循环。要想大幅提高内燃机的热效率，使其接近卡诺循环理论热效率，就要模拟卡诺循环的过程，参考转子发动机沿特殊轨迹运动方式吸收二冲程换气理念模拟四冲程工作循环方式，对内燃机的动力输出结构进行改进，动力输出结构的改变从而改进燃烧循环过程，模拟卡诺循环，提高内燃机燃烧热效率。
如何降低排气温度，提高热效率，只有让它基本遵循等容加热循环做功。斯特林发动机的热效率几乎可以达到理论的热效率，热效率可以达到惊人的80%，这是由于实现了等容加热循环做功。对比说明现在内燃机的热效率有很大的提升空间和工作循环方式需要改变。斯特林发动机是外加热，和内燃机的内加热不同，但证明了等容加热循环的可实现性和极高的热效率。内燃机既然不能瞬间燃烧释放热量，那么燃烧和膨胀就要分离，就是把燃烧独立出来，在循环中作为单独的一段。就是在燃烧阶段实现等容，活塞到达上止点时，静止不动，燃烧室容积不变，活塞做间歇性往复运动，实现等容燃烧加热，主体燃烧结束后膨胀做功，燃烧和膨胀做功分离，由于燃烧有一定的过程时间，只能近似的遵循等容加热循环，但它的排气温度将遵循温度和体积之间相互变化关系。现在的材料，加工技术，结构理论已经能够实现等容燃烧循环。这种结构理论采用非传统的曲轴连杆结构，而是把曲轴连杆的摆线往复运动分解为摆线运动和直线往复运动两个独立运动，不再同时进行。部件主要采用非圆齿轮，行星齿轮和辅助闭环控制件。非圆齿轮包含两端的两个半圆齿轮和中间两段平行的直线齿段，作为行星齿轮的运动轨迹，非圆齿轮通过连杆和活塞相连，膨胀气体推动活塞下行，活塞推动非圆齿轮下行输出动力，行星齿轮推动非圆齿轮上行，非圆齿轮推动活塞上行压缩。通过他们之间的相互作用，活塞实现闭环间歇往复直线运动。行星齿轮和非圆齿轮啮合在直线齿段，行星齿轮停止公转，非圆齿轮做往复直线运动。行星齿轮和非圆齿轮啮合在半圆齿段，行星齿轮公转加自转，非圆齿轮不动，实现摆线运动的换向，活塞实现间歇静止。实现等容加热循环的内燃机，将使内燃机的热效率跃上一个新的台阶，降低油耗减少大气污染，同时更经济。自从热机诞生以来，热机的热效率不断提高，代表热机最高热效率理论的等容加热循环，在外加热的斯特林活塞发动机已得到验证，而内加热的内燃机至今未能实现等容加热循环，汽油机不是真正意义的等容加热循环，汽油燃烧速度很快，但对于高转速的汽油机，相对燃烧时间很长，活塞高速运动，燃烧空间时刻变化，离真正意义的等容加热循环很远，按其压缩比达不到对应的等容加热循环的热效率，固理论上汽油机简化为等容加热循环，值得思考。在现有的各项技术的基础上，等容燃烧加热循环内燃机是未来发展的方向。等容燃烧循环内燃机实现了等容加热循环，等容燃烧使燃烧具有稳定的燃烧中心，燃烧可以稳定迅速完成，不同于传统活塞时刻运动的燃烧中心的变化使燃烧复杂不稳定，甚至火焰熄灭。同时实现了齿轮传动，解决了困扰曲轴内燃机的活塞侧向压力，活塞悬浮在缸桶中，而且燃烧的独立进行，使燃烧可以更好的控制设计，膨胀做功和力学计算简化，等容燃烧循环内燃机因独立的燃烧过程占一个象限，几乎是一个循环的四分之一，对喷油提前角点火提前角不敏感，压缩耗功很小，理论仅用于压缩空气，典型的等容燃烧循环是二冲程四象限理论，是换气象限→压缩象限（冲程）→燃烧象限→做功象限（冲程），四象限对应四冲程，一个工作循环两个冲程，相似而实质不同。他吸收二冲程的换气理念模拟四冲程工作循环方式，参考转子发动机沿特殊轨迹运动方式，实现燃烧时活塞静止不动，使燃烧独立进行，达到真正的等容燃烧加热。真正意义上的等容加热内燃机—等容燃烧内燃机的实现将解决困扰现在内燃机的很多问题，等容燃烧循环内燃机的实现将具有划时代的意义，固等容燃烧加热循环内燃机是未来发展的方向。
现在的内燃机模拟卡诺循环，恒温吸热与绝热膨胀重叠交叉。实际汽油机和柴油机严格意义都是混合循环，1，恒温吸热与绝热膨胀没有独立，2可以看做定容与等压的混合。卡诺循环的理想过程恒温压缩（放热），绝热压缩，恒温膨胀（吸热），绝热膨胀，组成近似平行四边形，并且可逆。内燃机混合循环燃烧吸热与膨胀交叉折叠，由于吸热过程短，组成梯形甚至接近三角形。两个热源的温度差已定，围护面积越大效率越高。高效内燃机就是要复原卡诺循环，改变内燃机机械结构结构进行大的重构，实现真正的卡诺循环，四边形分明清晰，四边分别是①恒温放热（进气与排气），②绝热压缩，③定容吸热（燃烧），④绝热膨胀，即终极工作循环，无限接近理论热效率。
终极循环有二种工作方式，二冲程四象限工作方式和四冲程八象限工作方式。
二冲程四象限内燃机工作循环如下，①换气过程（活塞静止）→②压缩冲程→③燃烧过程（活塞静止）→④膨胀做功冲程→①换气过程。四个过程按非圆内齿轮几何中心旋转一周360度，分为四个象限，二个活塞移动象限为压缩冲程和膨胀做功冲程，二个活塞静止象限为换气过程和燃烧过程，每个象限约占90度。四冲程八象限内燃机，工作循环是这样的，在二冲程四象限的基础上把换气过程分解为进气冲程和排气冲程，取消换气泵，以自身活塞的往复运动进行吸气和排气。①吸气冲程，→②惯性进气过程（象限，）→③压缩冲程，→④燃烧过程（象限），→⑤膨胀冲程，→⑥余压排气过程（象限）→⑦排气冲程，→⑧进排重叠过程（象限），→①吸气冲程。”
内燃机的工作循环的实现必须有可靠的机械结构来确保，下面资料选自专利申请号2014100470878的内容，实现了等容燃烧循环，他的工作循环基本遵循等容循环，热效率接近卡诺循环的理论：
等容燃烧内燃机等容燃烧循环内燃机，包括气缸，气缸的活塞上连接有连杆，连杆上设置弹性限位导向装置，连杆输出端连接有非圆外齿轮，所述的非圆外齿轮至少包括两段平行的直线齿段和连接两个直线齿段的两个弧形齿段，设置有与非圆外齿轮啮合的行星主齿轮，行星主齿轮中心固定设置有行星导向轴，行星导向轴转动连接设置在行星轮盘上，行星导向轴偏离行星轮盘的中心设置，行星轮盘上设置有与行星导向轴平行的主轴，主轴上设置有导向轮，导向轮与非圆外齿轮的内表面相接触，行星导向轴输出端连接设置有行星副齿轮，设置有与
行星副齿轮啮合的太阳齿轮，动力输出轴连接设置在太阳齿轮上，连杆带动非圆外齿轮做直线运动驱动行星主齿轮旋转带动行星导向轴通过行星副齿轮驱动太阳齿轮带动动力输出轴转动，导向轮控制行星主齿轮与非圆外齿轮啮合，主轴处于行星轮盘的中心，与动力输出轴是通长轴，所述的非圆外齿轮，行星主齿轮位于非圆外齿轮外，导向轮位于非圆外齿轮内，所述的主轴与行星导向轴之间设置有连杆，连杆与主轴及导向轴之间均为铰接
1：气缸；2：活塞；3：气门；4：连杆；5：非圆外齿轮；6：行星主齿轮；7：行星导向轴；8：导向轮；9：主轴；10：行星轮盘；11：行星副齿轮；12：太阳齿轮；13：输出轴；14：连杆二；15-1：弧形齿段a；15-2：弧形齿段b；16-1：直线齿段a；16-2：直线齿段b
P1：弧形齿段a的端点a；P2：弧形齿段a的端点b；P3：弧形齿段b的端点a；P4：弧形齿段b的端点b；O5：弧形齿段b的中心；O6：弧形齿段b的中心；O1：行星轮盘10的中心，O2：主轴9的中心，O3：行星导向轴7的中心；
内燃机是热机的一种，不同于斯特林发动机，热机的所有理论和卡诺循环，都是闭环的，也就是外热源，内燃机是内热源，是开环，需要进气，排气，现在的内燃机工作循环是：
吸气→压缩→膨胀→排气，没有独立的吸热过程，卡诺循环的绝热压缩，→等温吸热→绝热膨胀，→等温放热。内燃机的热效率要达到卡诺循环热效率的理论，就要模拟遵循卡诺循环的过程，内燃机的压缩和膨胀做功不可动摇，要增加独立的吸热过程，只有调整吸气与排气，，把吸气和排气合并，加快进排气缩小时间占比，内燃机的热效率与最高温度直接相关，扭矩与力的大小和力臂成正比，作用在活塞上就是压强，实现最高温度和最大压强，就必须实现等容（定容），燃烧就要在固定的空间进行，就是等容循环，实现等容燃烧的内燃机工作循环，就是终极循环。①绝热压缩→②等容燃烧（吸热）→③绝热膨胀（做功）→放热（换气）。
6，内燃机实现终极循环，不一定能实现最高热效率，每一种燃料都有他的特性指燃点，挥发性，和燃烧速度。特别是燃烧速度，，燃料的完全燃烧是复杂的，有点燃方式，进入方式，燃烧的组织，一定的燃料燃烧需要一定的时间，燃烧时间过短，燃烧区间过程结束，燃料还没有燃烧结束会降低热效率。内燃机的转速要80%的时间处于经济转速区，60%的时间处于最佳区。这样难以满足汽车对动力的需要及路况的需要，首先按燃料的燃烧速度设定转速，按最大动力需要确定内燃机的缸数和缸径，不是按汽车的空间设定尺寸，限制了内燃机的设计。内燃机不是全程满荷载，需要发展按需要逐个汽缸工作（也就是停缸技术），需要变速范围更大的变速器相配合，内燃机的功率可能有富余，就需要蓄能发展混合动力技术或其他蓄能技术，在富余时蓄能，在超负荷是释放能量。所有的提高热效率和节能都基于内燃机自身热效率的提高，汽车整体热效率的利用是系统问题，最根本直接的是内燃机热效率的提高，实现内燃机终极循环是最根本的途径。
由仿生学可知，如人类和高级动物，系统由大脑指挥，主要器官包括心脏，肺，肝脏。呼吸与能量运输，能量转化是相互独立配合的。现在市场通用内燃机的吸气排气，燃烧，做功是混合进行。要达到高效内燃机就要在智能中心的控制下，吸气排气，燃烧与做功就要相互独立的进行且无缝的配合。终极工作循环结构使三者实现相互独立进行，不互相干涉。现在的计算机已经可以模拟建立智能中心。智能控制需要众多的不同类型的传感器，布置在恰当的位置，内燃机的结构需要细化调整。
7， 高效内燃机必须做到充分完全燃烧，由终极工作循环基本保障，需要供油与配气的完美同步配合，实现供油与配气同步最佳配比在增加供油时配气需要同步增加或预先增加，减少氧气不足的不完全燃烧现象，需要智能控制中心预判，由传感器感知加速反馈给控制中心，控制中心提前配气。现在内燃机踩油门增加供油增加功率，转速滞后，配气滞后，造成燃烧不充分，浪费燃料。内燃机在超负荷工况下，转速下降，供油过量，配气不足，燃烧不充分。非完全燃烧和能量的转化率低，都影响碳中和及碳达峰。高效内燃机要整体提高热效率，首先是实现完全燃烧，吸收热能，其次是提高热能利用率，工作循环是关键，最后是减少各种损失包括散热损失与摩擦损失。这些都需要智能控制。现在内燃机开始智能的雏形，如电喷技术，电子调节进气门，可变升程，电磁阀，故障诊断，距中心智能控制还有一段距离。智能控制模拟人类大脑，通过神经元统一协调控制，使内燃机根据需要提供充沛动力且保持高效，工作在最佳状态。
8，内燃机的能量损失包括散热损失，散热主要根据经验设计散热系统和散热能力，在大部分情况下是过度散热，如内燃机刚启动，怠速与轻负荷，特别是低温严寒环境，造成热能损失。需要在智能中心的控制下精准散热，在传感器的反馈下知道各处温度，然后及时散热和缓慢散热。
内燃机的润滑是确保内燃机正常工作与长久寿命的重要条件。润滑可以减少摩擦减少能量损失和散热。内燃机在启动时，润滑不足，干摩擦现象严重，甚至造成拉缸现象，需要在智能中心控制下预先润滑。在低温时润滑困难，润滑油粘稠阻力大，启动困难，需要智能控制预先润滑油加热，如一些昆虫早晨在飞行时，提前展开翅膀晒太阳。
9，内燃机从诞生一直追求的是功率，从提高转速到增压。直到能源危机，才转向高效，发展出了各种改进技术，但内燃机的热效率提高有限，能源的内能利用率需要大幅提高。在碳中和及碳达峰的宏伟目标下，应当彻底思考，内燃机首要是高效清洁的动力源，所有需要动力的设备应根据内燃机进行设计。现在的内燃机很难大幅提高热效率清洁燃烧，因为内燃机诞生的初衷没有考虑高效清洁。内燃机的高效率，无限接近理论的极限，首先就要充分的燃烧，完全释放热量，燃料都有燃烧速度，必须保证燃料每一个循环的燃烧时间，燃料的燃烧速度决定内燃机转速，燃料的燃烧既要快速还要平稳，如此内燃机的转速要限定在一个区间，内燃机功率的提高需要增加缸数与缸径。其次内燃机热效率的提高需要能量转化具有足够的充分转化时间。做功是复杂的能量转化，涉及气体膨胀，能量传递，温度压强体积之间的变化，热能转化为机械能，那么做功就需要时间和足够行程，同样限制了内燃机的转速。内燃机的充分燃烧和做功需要足够时间及行程，燃烧与做功必须分离，这与卡诺循环相符。根据卡诺循环，压缩行程，做功行程，燃烧吸热在卡诺循环都有对应段，那么吸气与排气只能占一个等温放热段，合并为换气，换气需要智能控制，根据供油量决定提前供气，不是被动供气，且可以利用换气进行内部降温，智能控制内部风冷。能够达到卡诺循环的高效率，内燃机需要进行结构改进，符合条件的就是终极工作循环，高效清洁内燃机不是简单的机械，需要所有部件智能配合，就如一个高级的生命。
10，当今动力电动化，功率续航能力迅速提高，市场占有率逐步扩大，各种动力电池突飞猛进，内燃机如何保持市场竞争力。如果动力电池再次技术大突破，全生命周期能源利用率超过内燃机，污染低于内燃机，内燃机何去何从。纵观现在的内燃机技术和构造如何大幅提高热效率，众所周知曲轴式内燃机现应用的各种技术与理论已不能大幅提升热效率。内燃机的技术达到了瓶颈，内燃机只能自我革命，寻找技术的突破口，进行技术革新，大幅提高热效率，实现清洁燃烧，清洁燃料和高效率必不可少，内燃机的热效率是首要条件。任何事物的发展无外乎两条路，理论突破指导事物发展，事物演变推导理论。理想气体状态方程与卡诺循环是热机的总纲，内燃机是热机，应当遵循总纲，由理论指导内燃机的发展。内燃机热效率应当达到接近理论热效率，否则内燃机理论与热机理论相悖，热机理论要重新推导。综上所述，热机理论若是正确的，智能化的终极工作循环内燃机应当是高效内燃机的正确之路。
参考文献：
⑴ 程守洙，江之永主编，普通物理学，人民教育出版社
⑵陆修涵主编，柴油机，北京，铁道出版社
(编号：200-2806 原文上传失真，可以查阅大会论文或留下联系方式）
作者11李培石
河南省林州市龙山区东城旺世六区 邮编：456550
摘要:内燃机要实现高效的工作无限接近理论的热效率，就要模拟仿生学，如人类和高级动物，系统由大脑指挥，主要器官包括心脏，肺，肝脏。高效内燃机应当包括中央智能中心，协调指挥做功系统，供油系统，供气系统，润滑系统，电气系统，冷却系统。现在内燃机由油门控制功率，由油门被动的响应配气，内燃机的高效需要供气与做功相互独立，供气由独立的气泵或压气机由智能中心控制，根据功率需要进行供油配气。
现在的内燃机模拟卡诺循环，恒温吸热与绝热膨胀重叠交叉。实际汽油机和柴油机严格意义都是混合循环，1恒温吸热与绝热膨胀没有独立，2可以看作定容与等压的混合。高效内燃机就是要实现供油与配气同步最佳配比，改变内燃机机械结构进行大的重构，实现真正的卡诺循环，四边形分明清晰，四边分别是①恒温放热（进气与排气），②绝热压缩，③定容吸热（燃烧），④绝热膨胀（做功），即终极工作循环，无限接近理论热效率。
中图分类号: TK4***（请查阅中图分类法第5版） 文献标识码: A
0 概论
内燃机终极循环是等容循环，就是等容（定容）燃烧循环，具体工作循环是：换气 →压缩→燃烧→膨胀做功→换气。实现此工作循环，热效率可以达到60%以上，接近卡诺循环，从而大幅度提高热效率。
内燃机工作循环发展路线：①奥托循环→②狄塞尔循环→③阿特金森循环→④米勒循环→→？？？→终极工作循环，从而走向智能化。
1,内燃机发展史：
1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的热效率为4%左右。英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。1876年，德国发明家奥托运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14％，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到11～15千瓦(15～20马力)，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20～26％。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。随 着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通动输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26％。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。早在往复活塞式内燃机诞生以前，人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机，但均未获成功。直到1954年，联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题后，才于1957年研制出旋转活塞式发动机，被称为汪克尔发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，所以还只是在个别型号的轿车上得到采用。
2,内燃机前世今生：
沸腾顶起的水壶盖→蒸汽机→煤气机→汽油机→柴油机→其他形式内燃机
现在内燃机的结构是秉承蒸汽机的结构，受到材料与加工技术的限制及时代要求一直没有大的变动，对活塞曲轴已约定俗成为固定结构，因为其成熟结构简单耐用。
3, 内燃机理论发展历程：
定温分子气体理论
在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。是由英国化学家波义耳（Boyle），在1662年根据实验结果提出：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。”称之为波义耳定律。这是人类历史上第一个被发现的“定律”。
固定体积气体关系理论
查理定律 描述其压强随温度作线性：P = P0(1+βt).其中P0是在0℃时的压强，t为摄氏温度，β是气体的膨胀系数。对于理想气体，β与气体种类及温度范围无关，且β=1/273，这时P = P0(1+t/273).
对于热力学温标，则有P/T=C（C为定值），说明一定质量一定体积理想气体的压强与热力学温度成正比。其实查理早就发现压强与温度的关系，只是当时未发表，也未被人注意。直到盖-吕萨克重新提出后，才受到重视。早年都称“查理定律”，但为表彰盖-吕萨克的贡献而称为“查理-盖吕萨克定律”。
理想气体状态方程（Ideal Gas Law ），又称理想气体定律、普适气体定律，是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、温度间关系的状态方程。它建立在玻义耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律等定律的基础上，由法国科学家克拉珀龙（Benoit Pierre Emile Clapeyron）于1834年提出。 [理想气体状态方程可用pV=nRT表示，式中：p为压强（Pa），V为气体体积(m3)，T为温度(K)，n为气体的物质的量(mol)，R为摩尔气体常数（也叫普适气体恒量）(J/（mol.K）)。
定容过程又称等容过程，是系统的体积始终保持不变的过程。定容过程的特点是体积V=恒量。
对理想气体而言，定容过程的准静态过程中压强与温度的关系，可由理想气体状态方程得出：p/T=恒量。
平衡态热力学所研究的是处于平衡态的封闭系统及其由一个平衡态变为另一个平衡态的过程。平衡态热力学中的常见过程指的是定温过程、定压过程和定容过程。
定容过程 又称等容过程
释义：系统的体积始终保持不变的过程
特点：体积V=恒量
由于在定容过程中系统的体积保持不变，系统对外界做的功A=pdV=0。由热力学第一定律可知：定容过程能量转换的关系，是系统吸收的热量全部转化为内能的增量
Qc=DvΔT=ΔU，
其中Dv是定容热容，ΔT是系统温度的变化,ΔU是系统内能的增量。此关系式是热化学中计算反应热的一个基本热力学公式。此外，汽油机中燃烧过程很快，在热工计算中将燃料燃烧释放能量的过程理想化为定容加热过程，也遵从上述公式。 [1]
定容过程定容过程定义
对定容过程的定义，存在着不同的说法。主要有：
说法1：系统体积V恒定不变，即：V=定值的过程为定容过程。
说法2：系统的始态与终态体积相等，即：V1=V2的过程为定容过程。
说法3：将说法1与说法2放在一起的说法，有的给出了定义式V=V1=V2=定值。
虽然对定义有不同的说法，但在应用中各种说法的作者都采用的是说法1，即定容过程就是系统的体积恒定不变的过程。定容过程一般是指在刚性密闭容器中或凝聚系统发生的过程。
1834年克拉珀龙得出克拉珀龙方程，1875年公布门捷列夫-克拉珀龙方程，至此理想气体状态方程完成，普通分子物理定律方程全部完成。
卡诺循环是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤： 等温吸热， 绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。即理想气体从状态1（P1，V1，T1）等温吸热到状态2（P2，V2，T2），再从状态2绝热膨胀到状态3（P3，V3，T3），此后，从状态3等温放热到状态4（P4，V4，T4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。（一定体积等温变化为实验得出结论）。德国物理化学家W.H.能斯脱在理查兹工作的基础上进一步研究了低温下凝聚物系的反应,根据实验结果他于1906年提出能斯脱定理，至此热力学三定律完成。1876年，德国人奥托根据德?罗沙的四冲程内燃机工作原理，设计制造了第一台四冲程汽油内燃机，取得了内燃机技术的第一次突破。狄赛尔终于在1892年试制成了第一台压燃式内燃机，也就是柴油机。
到1906年内燃机的所有理论定律完成，曲轴活塞式内燃机的基本结构奠定，工作循环确立。
4，现在的曲轴活塞式内燃机是在1906年以前的基础上进行改进，逐渐提高热效率，基本结构没有改进，工作循环没有改变，自煤气内燃机到现在约160年自1906年到现在约100年，内燃机的改进取得了无数的专利，内燃机的改进就要分析内燃机存在的问题，是什么降低了热效率，如何提高热效率，如何解决问题，，自1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机，约160年全世界为提高内燃机的热效率投入了无数的人力物力，才取得现在的成绩，机械结构确保实现工作循环。
由于传统内燃机的热效率长期低下，污染严重，热效率长期徘徊提高缓慢，世界各国转向新能源，技术发展方向是新能源，对工作循环和结构的改进视而不见的冷僻方向。内燃机的做功是化学能转化为机械能，实现的途径主要是曲轴活塞式内燃机，推动活塞运动的是活塞两端的压力差，压力差的本质是活塞两端的压强差，活塞两端存在压强差那么活塞就产生运动，运动方向由高压强向低压强运动。由卡诺循环可知热效率由始末温度决定，由此可知热效率与气体体积没有必然关系，故内燃机只有实现等容加热循环，使温度与压强达到最大值，才能在热能一定热效率最高。现在的内燃机不能实现等容加热循环，汽油机柴油机其实都是混合循环，只是前一阶段等容度更高，这是由结构决定工作循环，此结构指基本结构，重新设计工作循环，必须重新设计结构，先设计工作循环，后设计结构。
5，内燃机的工作循环实际遵循的是热机和热力学理论，只有重新设计工作循环模拟卡诺循环遵循等容循环才能无限接近理论热效率，此工作循环，二冲程四象限是换气象限（活塞静止），压缩冲程（象限），燃烧象限（活塞静止不动），做功冲程（象限），换气包括进气与排气，换气由气泵或压气机独立完成，换气与供油同步匹配。四冲程八象限工作是吸气冲程，惯性进气过程（象限），压缩冲程，燃烧过程(象限)，膨胀做功冲程，余压排气过程（象限），排气冲程，进排气重叠过程（象限）是实现等容燃烧循环的必要条件；才能大幅提高内燃机的热效率。，重新设计改变内燃机的工作循环。终极循环方案包含二个部分，燃烧方式（工作循环方式和）动力输出方式（机械结构），现在通用曲轴活塞式内燃机的四冲程循环是吸气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程。终极工作循环的工作循环是，二冲程四象限工作循环是换气象限，压缩冲程，燃烧象限（活塞静止不动），做功冲程，四冲程八象限工作循环是吸气冲程，惯性进气过程（象限），压缩冲程，燃烧过程(象限)，膨胀做功冲程，余压排气过程（象限），排气冲程，进排气重叠过程（象限）；机械结构是为了实现完成工作循环卡诺循环包含四个阶段，等温膨胀（吸热），绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。
现在内燃机以四冲程为例，吸气冲程，压缩冲程，做功（膨胀）冲程，排气冲程。
终极工作循环是：换气象限，压缩冲程（象限），燃烧象限（活塞静止），做功冲程（膨胀）。卡诺循环是等温加热（吸热）循环，现在内燃机是混合循环。等容加热循环，是分子物理热力学三种加热循环方式之一，三种循环方式有本质的区别，气体的三个物理指标数据温度，压强，体积，卡诺循环在吸热阶段是恒温就是等温；现在曲轴活塞内燃机压缩燃烧膨胀同时存在，是混合循环更接近等压吸热。等容循环在吸热的时候是等容，三者的关系就是假定一个不动另两个的变化关系，或使一个不动另两个的变化关系。卡诺循环使一个固定不动，现在内燃机实际三个数据都在变化，更接近等压。
曲轴活塞式内燃机在历史发展过程创造出：1，奥拓循环，代表汽油机。2，狄塞尔循环，代表柴油机。3，阿特金森循环，代表改变连杆结构缩短压缩行程。4，米勒循环，代表进气门控制技术发动机，改变进气门角度时间减少进气量。上述四个循环没有改变曲轴活塞内燃机的本质循环，都是在奥托循环的基础上进行改进，提高内燃机的热效率。狄塞尔循环在奥托循环的基础上取消火花塞，提高压缩比，改用喷油系统，提高了热效率。阿特金森循环在奥托循环的基础上，在连杆上增加一个连杆曲轴使进气压缩行程变相增长膨胀行程，提高热效率。米勒循环在奥托循环的基础上改变进气门的角度时间，延迟关闭进气门，使实际压缩比降低，变相增加膨胀冲程，提高热效率。米勒循环在进气门控制技术有个关键节点，小量的延迟进气门关闭，可以利用进气的惯性提高进气量，当延迟时间超过节点（量变与质变），进气反而被排出产生实际压缩比降低，变相增加膨胀冲程提高热效率。阿特金森循环与米勒循环原理是一样的，降低实际压缩比，变相提高膨胀冲程提高热效率，采用的技术路线不同，两者相对于奥托循环在相同的汽缸行程功率降低，造成发动机功率不足。
内燃机的可变气门和升程控制技术是根据内燃机转速和供油量，优化进气量，组织气流，调整点火时间，使燃烧充分，使热能充分利用提供热效率。
涡轮增压，提供了平均压力，变相提高压缩比，提高热效率。增压在单位时间，温差，散热面积一定，就是增加排量，散热不变就是增加绝热指数，提高热效率。
喷油调整角，是随转速调整喷油提前角，调整点火时间，使燃烧充分进行，提高热效率。
直喷，提供良好的雾化，缩短燃烧时间，提高热效率。
高压共轨，提供一致的油压，精确供油，使油量进气量和转速匹配，达到节油提高热效率的目的。上述各项措施都为了降低油耗，提高热效率减少大气污染。然而热效率的提高有个门槛不可逾越，那就是由最高燃烧温度和排气温度决定的理想状态下的热效率。此排气温度指排气阀打开时的气体温度。汽油机最高燃烧温度1600K，排气温度1000K，由卡诺循环公式可知，η=﹙T1-T2]／T1。代入得出热效率等于0.375，汽油机的排气温度可能还高于1000K，就是现在的汽油机很难以降低排气温度，那么汽油机的热效率只能止步于0.375,现在的汽油机热效率已达0.3，已没有多少提高余地。柴油机的最高燃烧温度2200K,排气温度1000K，代入卡诺循环公式可知，η=﹙T1-T2﹚／T1。柴油机最高热效率0.545，现在柴油机的平均热效率是0.42，最高热效率有报道是0.49，在现在曲轴活塞内燃机的燃烧膨胀工作方式的基础上，热效率已没有多少提高的空间。上述数据是大众数据作为参考。这两种状态都是在理想绝热，没摩擦的情况下的热效率，考虑现实的摩擦散热，热效率达不到这两个热效率数值。
要降低油耗减少大气污染就要提高热效率，现在的技术结构已到达完美的高度，要大幅提高热效率就要采用新的技术方案。内燃机的理想状态下的热效率是多少，我们要清楚这个目标，明白有多少路可以走，还可以提高多少热效率，方能有的放矢。根据门捷列夫—克拉铂龙绝热曲线方程，T2／T1＝（V1/V2）r-1以柴油机为例，T1燃烧温度2200K，压缩比20，空气以氮气为主r取为1.4，把指标参数代入，计算得出膨胀结束排气温度是663.8K，就是在理想绝热状态下应该是663.8K，由最高温度和最低温度决定的理想状态下的内燃机热效率是多少，根据卡诺循环热效率η=﹙T1－T2﹚／T1,可以得出最高热效率是0.698，再跟据等容加热循环热效率公式η＝1－﹙1／εK-1﹚还以压缩比20的柴油机为例，绝热指数分别取1.35和1.4，得出热效率分别是0.65和0.699，在绝热指数1.4时，其热效率与卡诺的理想状态非常近似。现在柴油机的混合循环理论最高热效率0.545(指最高燃烧温度2200K，排气温度1000K)，据报极限热效率是0.49，就是说摩擦散热最少降低0.055个热效率，那么等容循环内燃机的现实最高热效率可达0.643。(各参数如有异议请指正)现实内燃机热效率与理论为什么有如此大的距离，根源在于排气温度的差异，主要由现在内燃机的曲轴活塞系统结构，燃烧特性，材料性能决定。材料的性能已没有大的挖掘余地，燃料的燃烧特性很难改变。如果材料可以承受，有理论的爆燃内燃机，就是近似的等容循环内燃机，可以极大的提高热效率。在现有的技术，活塞在不停运动，不同的燃料有特定的燃烧速度，转速越高，相对燃烧时间越长，等容度降低，燃烧和膨胀同时进行，甚至到做功结束，排气温度升高，热效率大为降低。再根据黄金分割，内燃机的最佳热效率应是0.618，就是最佳的经济制造成本。燃料不能在瞬间释放热量，燃烧伴随膨胀做功同时进行，提高了排气温度，后燃期的时间和油量直接决定排气温度。主燃期应在上止点后35度结束，后燃期应在上止点后90度结束，燃烧延迟甚至到做功结束，更是提高了排气温度，当前的内燃机结构不能解决上述问题。在经过长期的研究分子物理学的气体理论和热力学基础，发现内燃机热效率低下是由结构和燃烧循环共同造成的，单方面改变不能大幅提高热效率，上述改进不能大幅提高热效率，结构上不够合理完善。必须改变内燃机的输出结构，改变内燃机的工作燃烧循环，根据多个气体定律和理想气体状态方程，卡诺循环。要想大幅提高内燃机的热效率，使其接近卡诺循环理论热效率，就要模拟卡诺循环的过程，参考转子发动机沿特殊轨迹运动方式吸收二冲程换气理念模拟四冲程工作循环方式，对内燃机的动力输出结构进行改进，动力输出结构的改变从而改进燃烧循环过程，模拟卡诺循环，提高内燃机燃烧热效率。
如何降低排气温度，提高热效率，只有让它基本遵循等容加热循环做功。斯特林发动机的热效率几乎可以达到理论的热效率，热效率可以达到惊人的80%，这是由于实现了等容加热循环做功。对比说明现在内燃机的热效率有很大的提升空间和工作循环方式需要改变。斯特林发动机是外加热，和内燃机的内加热不同，但证明了等容加热循环的可实现性和极高的热效率。内燃机既然不能瞬间燃烧释放热量，那么燃烧和膨胀就要分离，就是把燃烧独立出来，在循环中作为单独的一段。就是在燃烧阶段实现等容，活塞到达上止点时，静止不动，燃烧室容积不变，活塞做间歇性往复运动，实现等容燃烧加热，主体燃烧结束后膨胀做功，燃烧和膨胀做功分离，由于燃烧有一定的过程时间，只能近似的遵循等容加热循环，但它的排气温度将遵循温度和体积之间相互变化关系。现在的材料，加工技术，结构理论已经能够实现等容燃烧循环。这种结构理论采用非传统的曲轴连杆结构，而是把曲轴连杆的摆线往复运动分解为摆线运动和直线往复运动两个独立运动，不再同时进行。部件主要采用非圆齿轮，行星齿轮和辅助闭环控制件。非圆齿轮包含两端的两个半圆齿轮和中间两段平行的直线齿段，作为行星齿轮的运动轨迹，非圆齿轮通过连杆和活塞相连，膨胀气体推动活塞下行，活塞推动非圆齿轮下行输出动力，行星齿轮推动非圆齿轮上行，非圆齿轮推动活塞上行压缩。通过他们之间的相互作用，活塞实现闭环间歇往复直线运动。行星齿轮和非圆齿轮啮合在直线齿段，行星齿轮停止公转，非圆齿轮做往复直线运动。行星齿轮和非圆齿轮啮合在半圆齿段，行星齿轮公转加自转，非圆齿轮不动，实现摆线运动的换向，活塞实现间歇静止。实现等容加热循环的内燃机，将使内燃机的热效率跃上一个新的台阶，降低油耗减少大气污染，同时更经济。自从热机诞生以来，热机的热效率不断提高，代表热机最高热效率理论的等容加热循环，在外加热的斯特林活塞发动机已得到验证，而内加热的内燃机至今未能实现等容加热循环，汽油机不是真正意义的等容加热循环，汽油燃烧速度很快，但对于高转速的汽油机，相对燃烧时间很长，活塞高速运动，燃烧空间时刻变化，离真正意义的等容加热循环很远，按其压缩比达不到对应的等容加热循环的热效率，固理论上汽油机简化为等容加热循环，值得思考。在现有的各项技术的基础上，等容燃烧加热循环内燃机是未来发展的方向。等容燃烧循环内燃机实现了等容加热循环，等容燃烧使燃烧具有稳定的燃烧中心，燃烧可以稳定迅速完成，不同于传统活塞时刻运动的燃烧中心的变化使燃烧复杂不稳定，甚至火焰熄灭。同时实现了齿轮传动，解决了困扰曲轴内燃机的活塞侧向压力，活塞悬浮在缸桶中，而且燃烧的独立进行，使燃烧可以更好的控制设计，膨胀做功和力学计算简化，等容燃烧循环内燃机因独立的燃烧过程占一个象限，几乎是一个循环的四分之一，对喷油提前角点火提前角不敏感，压缩耗功很小，理论仅用于压缩空气，典型的等容燃烧循环是二冲程四象限理论，是换气象限→压缩象限（冲程）→燃烧象限→做功象限（冲程），四象限对应四冲程，一个工作循环两个冲程，相似而实质不同。他吸收二冲程的换气理念模拟四冲程工作循环方式，参考转子发动机沿特殊轨迹运动方式，实现燃烧时活塞静止不动，使燃烧独立进行，达到真正的等容燃烧加热。真正意义上的等容加热内燃机—等容燃烧内燃机的实现将解决困扰现在内燃机的很多问题，等容燃烧循环内燃机的实现将具有划时代的意义，固等容燃烧加热循环内燃机是未来发展的方向。
现在的内燃机模拟卡诺循环，恒温吸热与绝热膨胀重叠交叉。实际汽油机和柴油机严格意义都是混合循环，1，恒温吸热与绝热膨胀没有独立，2可以看做定容与等压的混合。卡诺循环的理想过程恒温压缩（放热），绝热压缩，恒温膨胀（吸热），绝热膨胀，组成近似平行四边形，并且可逆。内燃机混合循环燃烧吸热与膨胀交叉折叠，由于吸热过程短，组成梯形甚至接近三角形。两个热源的温度差已定，围护面积越大效率越高。高效内燃机就是要复原卡诺循环，改变内燃机机械结构结构进行大的重构，实现真正的卡诺循环，四边形分明清晰，四边分别是①恒温放热（进气与排气），②绝热压缩，③定容吸热（燃烧），④绝热膨胀，即终极工作循环，无限接近理论热效率。
终极循环有二种工作方式，二冲程四象限工作方式和四冲程八象限工作方式。
二冲程四象限内燃机工作循环如下，①换气过程（活塞静止）→②压缩冲程→③燃烧过程（活塞静止）→④膨胀做功冲程→①换气过程。四个过程按非圆内齿轮几何中心旋转一周360度，分为四个象限，二个活塞移动象限为压缩冲程和膨胀做功冲程，二个活塞静止象限为换气过程和燃烧过程，每个象限约占90度。四冲程八象限内燃机，工作循环是这样的，在二冲程四象限的基础上把换气过程分解为进气冲程和排气冲程，取消换气泵，以自身活塞的往复运动进行吸气和排气。①吸气冲程，→②惯性进气过程（象限，）→③压缩冲程，→④燃烧过程（象限），→⑤膨胀冲程，→⑥余压排气过程（象限）→⑦排气冲程，→⑧进排重叠过程（象限），→①吸气冲程。”
内燃机的工作循环的实现必须有可靠的机械结构来确保，下面资料选自专利申请号2014100470878的内容，实现了等容燃烧循环，他的工作循环基本遵循等容循环，热效率接近卡诺循环的理论：
等容燃烧内燃机等容燃烧循环内燃机，包括气缸，气缸的活塞上连接有连杆，连杆上设置弹性限位导向装置，连杆输出端连接有非圆外齿轮，所述的非圆外齿轮至少包括两段平行的直线齿段和连接两个直线齿段的两个弧形齿段，设置有与非圆外齿轮啮合的行星主齿轮，行星主齿轮中心固定设置有行星导向轴，行星导向轴转动连接设置在行星轮盘上，行星导向轴偏离行星轮盘的中心设置，行星轮盘上设置有与行星导向轴平行的主轴，主轴上设置有导向轮，导向轮与非圆外齿轮的内表面相接触，行星导向轴输出端连接设置有行星副齿轮，设置有与
行星副齿轮啮合的太阳齿轮，动力输出轴连接设置在太阳齿轮上，连杆带动非圆外齿轮做直线运动驱动行星主齿轮旋转带动行星导向轴通过行星副齿轮驱动太阳齿轮带动动力输出轴转动，导向轮控制行星主齿轮与非圆外齿轮啮合，主轴处于行星轮盘的中心，与动力输出轴是通长轴，所述的非圆外齿轮，行星主齿轮位于非圆外齿轮外，导向轮位于非圆外齿轮内，所述的主轴与行星导向轴之间设置有连杆，连杆与主轴及导向轴之间均为铰接
1：气缸；2：活塞；3：气门；4：连杆；5：非圆外齿轮；6：行星主齿轮；7：行星导向轴；8：导向轮；9：主轴；10：行星轮盘；11：行星副齿轮；12：太阳齿轮；13：输出轴；14：连杆二；15-1：弧形齿段a；15-2：弧形齿段b；16-1：直线齿段a；16-2：直线齿段b
P1：弧形齿段a的端点a；P2：弧形齿段a的端点b；P3：弧形齿段b的端点a；P4：弧形齿段b的端点b；O5：弧形齿段b的中心；O6：弧形齿段b的中心；O1：行星轮盘10的中心，O2：主轴9的中心，O3：行星导向轴7的中心；
内燃机是热机的一种，不同于斯特林发动机，热机的所有理论和卡诺循环，都是闭环的，也就是外热源，内燃机是内热源，是开环，需要进气，排气，现在的内燃机工作循环是：
吸气→压缩→膨胀→排气，没有独立的吸热过程，卡诺循环的绝热压缩，→等温吸热→绝热膨胀，→等温放热。内燃机的热效率要达到卡诺循环热效率的理论，就要模拟遵循卡诺循环的过程，内燃机的压缩和膨胀做功不可动摇，要增加独立的吸热过程，只有调整吸气与排气，，把吸气和排气合并，加快进排气缩小时间占比，内燃机的热效率与最高温度直接相关，扭矩与力的大小和力臂成正比，作用在活塞上就是压强，实现最高温度和最大压强，就必须实现等容（定容），燃烧就要在固定的空间进行，就是等容循环，实现等容燃烧的内燃机工作循环，就是终极循环。①绝热压缩→②等容燃烧（吸热）→③绝热膨胀（做功）→放热（换气）。
6，内燃机实现终极循环，不一定能实现最高热效率，每一种燃料都有他的特性指燃点，挥发性，和燃烧速度。特别是燃烧速度，，燃料的完全燃烧是复杂的，有点燃方式，进入方式，燃烧的组织，一定的燃料燃烧需要一定的时间，燃烧时间过短，燃烧区间过程结束，燃料还没有燃烧结束会降低热效率。内燃机的转速要80%的时间处于经济转速区，60%的时间处于最佳区。这样难以满足汽车对动力的需要及路况的需要，首先按燃料的燃烧速度设定转速，按最大动力需要确定内燃机的缸数和缸径，不是按汽车的空间设定尺寸，限制了内燃机的设计。内燃机不是全程满荷载，需要发展按需要逐个汽缸工作（也就是停缸技术），需要变速范围更大的变速器相配合，内燃机的功率可能有富余，就需要蓄能发展混合动力技术或其他蓄能技术，在富余时蓄能，在超负荷是释放能量。所有的提高热效率和节能都基于内燃机自身热效率的提高，汽车整体热效率的利用是系统问题，最根本直接的是内燃机热效率的提高，实现内燃机终极循环是最根本的途径。
由仿生学可知，如人类和高级动物，系统由大脑指挥，主要器官包括心脏，肺，肝脏。呼吸与能量运输，能量转化是相互独立配合的。现在市场通用内燃机的吸气排气，燃烧，做功是混合进行。要达到高效内燃机就要在智能中心的控制下，吸气排气，燃烧与做功就要相互独立的进行且无缝的配合。终极工作循环结构使三者实现相互独立进行，不互相干涉。现在的计算机已经可以模拟建立智能中心。智能控制需要众多的不同类型的传感器，布置在恰当的位置，内燃机的结构需要细化调整。
7， 高效内燃机必须做到充分完全燃烧，由终极工作循环基本保障，需要供油与配气的完美同步配合，实现供油与配气同步最佳配比在增加供油时配气需要同步增加或预先增加，减少氧气不足的不完全燃烧现象，需要智能控制中心预判，由传感器感知加速反馈给控制中心，控制中心提前配气。现在内燃机踩油门增加供油增加功率，转速滞后，配气滞后，造成燃烧不充分，浪费燃料。内燃机在超负荷工况下，转速下降，供油过量，配气不足，燃烧不充分。非完全燃烧和能量的转化率低，都影响碳中和及碳达峰。高效内燃机要整体提高热效率，首先是实现完全燃烧，吸收热能，其次是提高热能利用率，工作循环是关键，最后是减少各种损失包括散热损失与摩擦损失。这些都需要智能控制。现在内燃机开始智能的雏形，如电喷技术，电子调节进气门，可变升程，电磁阀，故障诊断，距中心智能控制还有一段距离。智能控制模拟人类大脑，通过神经元统一协调控制，使内燃机根据需要提供充沛动力且保持高效，工作在最佳状态。
8，内燃机的能量损失包括散热损失，散热主要根据经验设计散热系统和散热能力，在大部分情况下是过度散热，如内燃机刚启动，怠速与轻负荷，特别是低温严寒环境，造成热能损失。需要在智能中心的控制下精准散热，在传感器的反馈下知道各处温度，然后及时散热和缓慢散热。
内燃机的润滑是确保内燃机正常工作与长久寿命的重要条件。润滑可以减少摩擦减少能量损失和散热。内燃机在启动时，润滑不足，干摩擦现象严重，甚至造成拉缸现象，需要在智能中心控制下预先润滑。在低温时润滑困难，润滑油粘稠阻力大，启动困难，需要智能控制预先润滑油加热，如一些昆虫早晨在飞行时，提前展开翅膀晒太阳。
9，内燃机从诞生一直追求的是功率，从提高转速到增压。直到能源危机，才转向高效，发展出了各种改进技术，但内燃机的热效率提高有限，能源的内能利用率需要大幅提高。在碳中和及碳达峰的宏伟目标下，应当彻底思考，内燃机首要是高效清洁的动力源，所有需要动力的设备应根据内燃机进行设计。现在的内燃机很难大幅提高热效率清洁燃烧，因为内燃机诞生的初衷没有考虑高效清洁。内燃机的高效率，无限接近理论的极限，首先就要充分的燃烧，完全释放热量，燃料都有燃烧速度，必须保证燃料每一个循环的燃烧时间，燃料的燃烧速度决定内燃机转速，燃料的燃烧既要快速还要平稳，如此内燃机的转速要限定在一个区间，内燃机功率的提高需要增加缸数与缸径。其次内燃机热效率的提高需要能量转化具有足够的充分转化时间。做功是复杂的能量转化，涉及气体膨胀，能量传递，温度压强体积之间的变化，热能转化为机械能，那么做功就需要时间和足够行程，同样限制了内燃机的转速。内燃机的充分燃烧和做功需要足够时间及行程，燃烧与做功必须分离，这与卡诺循环相符。根据卡诺循环，压缩行程，做功行程，燃烧吸热在卡诺循环都有对应段，那么吸气与排气只能占一个等温放热段，合并为换气，换气需要智能控制，根据供油量决定提前供气，不是被动供气，且可以利用换气进行内部降温，智能控制内部风冷。能够达到卡诺循环的高效率，内燃机需要进行结构改进，符合条件的就是终极工作循环，高效清洁内燃机不是简单的机械，需要所有部件智能配合，就如一个高级的生命。
10，当今动力电动化，功率续航能力迅速提高，市场占有率逐步扩大，各种动力电池突飞猛进，内燃机如何保持市场竞争力。如果动力电池再次技术大突破，全生命周期能源利用率超过内燃机，污染低于内燃机，内燃机何去何从。纵观现在的内燃机技术和构造如何大幅提高热效率，众所周知曲轴式内燃机现应用的各种技术与理论已不能大幅提升热效率。内燃机的技术达到了瓶颈，内燃机只能自我革命，寻找技术的突破口，进行技术革新，大幅提高热效率，实现清洁燃烧，清洁燃料和高效率必不可少，内燃机的热效率是首要条件。任何事物的发展无外乎两条路，理论突破指导事物发展，事物演变推导理论。理想气体状态方程与卡诺循环是热机的总纲，内燃机是热机，应当遵循总纲，由理论指导内燃机的发展。内燃机热效率应当达到接近理论热效率，否则内燃机理论与热机理论相悖，热机理论要重新推导。综上所述，热机理论若是正确的，智能化的终极工作循环内燃机应当是高效内燃机的正确之路。
参考文献：
⑴ 程守洙，江之永主编，普通物理学，人民教育出版社
⑵陆修涵主编，柴油机，北京，铁道出版社
