專利名稱：帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的制作方法
帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明通常與各種容積式內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域相關(guān)，細(xì)屬用于容積式內(nèi)燃機(jī)的旁支脈動陷 阱，具有減少脈動，噪音和振動危害，提高變工況氣動效率而不需要串接消音器或脈動減振 器等特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
容積式內(nèi)燃機(jī)，俗稱活塞式發(fā)動機(jī)，是一種通過在氣缸內(nèi)燃燒燃油，進(jìn)而產(chǎn)生高溫 高壓來推動活塞運(yùn)動并做功的機(jī)械裝置，自130年發(fā)明以來，容積式內(nèi)燃機(jī)作為動力源，已 被廣泛地應(yīng)用于幾乎生活中所有的各種各樣的應(yīng)用，尤其是移動式應(yīng)用，如用于拖拉機(jī)，汽 車，輪船和小型飛機(jī)的驅(qū)動，或用于家用割草機(jī)或打邊機(jī)的動力，等等。容積式內(nèi)燃機(jī)通常 分為兩類即基于燃油或循環(huán)可分為汽油機(jī)(奧托循環(huán))和柴油機(jī)(狄塞爾循環(huán))，基于每個 循環(huán)中的沖程數(shù)可分為4-沖程和2-沖程，基于運(yùn)動形式則可分為往復(fù)和旋轉(zhuǎn)式(如溫克 爾)。容積式內(nèi)燃機(jī)的出氣端若不加消音器會產(chǎn)生很高的噪音，通常在100-180分貝，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高于國家制定的噪音標(biāo)準(zhǔn)，已成為現(xiàn)代社會滋擾家庭生活質(zhì)量和工作效率的重要干擾和污 染之一。
容積式內(nèi)燃機(jī)將燃油燃燒的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為軸功率。它的工作原理是依靠燃?xì)馊紵?能量來推動活塞做功。如圖2所示，按活塞和氣缸所形成的工作腔形狀和運(yùn)動形式，容積式 內(nèi)燃機(jī)可分為“往復(fù)式”和“旋轉(zhuǎn)式”兩大類。前者的運(yùn)動部件進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，通常有4-沖程 或2-沖程，如奧托汽油機(jī)和狄塞爾柴油機(jī)，后者的運(yùn)動部件做單方向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如溫克爾 內(nèi)燃機(jī)(德國工程師溫克爾發(fā)明的)。盡管容積式內(nèi)燃機(jī)種類繁多優(yōu)缺點(diǎn)各異，但都含有一 個可用閥門控制進(jìn)氣時機(jī)的進(jìn)氣口，一個容積可變化的工作腔(膨脹腔)和向其輸送燃油的 裝置，一個可用閥門控制排氣時機(jī)和壓力的排氣口，和接在排氣口后面的消音器。此外，其 工作過程都是循環(huán)性的，且步驟和順序及結(jié)構(gòu)都大致相同，如圖3a展示了不同類型的4-沖 程傳統(tǒng)容積式內(nèi)燃機(jī)的通用奧托循環(huán)過程，即吸氣一壓縮一燃燒一膨脹一泄壓一排氣一 消音降噪；圖3b在P-V空間展示了真實奧托循環(huán)的不同相及簡化后的理想循環(huán)過程，分別 為等壓吸氣，等熵壓縮，等容燃燒，等熵膨脹，等容泄壓和等壓排氣過程。圖3c則顯示了以 上循環(huán)的流程圖，而圖3d為一典型容積式內(nèi)燃機(jī)被抽象成一活塞25和氣缸20所形成的工 作腔37，其排氣口 38串接催化轉(zhuǎn)化器3和消音器5 (或脈動減振器)。
奧托循環(huán)容積式內(nèi)燃機(jī)的工作原理是，當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)向下運(yùn)動時，氣缸內(nèi)的工 作容積逐漸增大，這時空氣和霧狀燃油的混合體從進(jìn)氣口推開進(jìn)氣閥門進(jìn)入氣缸(對柴油 機(jī)，則只有空氣進(jìn)入)，直到工作容積變到最大時為止，此過程由圖3a_3b中O — I表示；然 后進(jìn)氣閥關(guān)閉，壓縮過程(圖3a-3b中I — 2)開始，活塞由曲柄驅(qū)動反向向上運(yùn)動，氣缸容積 絕熱縮小，混合氣體壓力升高，當(dāng)氣缸容積達(dá)到最小時，火花塞點(diǎn)燃觸發(fā)燃燒過程(圖3a_3b 中2 — 3)開始，氣體的溫度和壓力突然(瞬間)升高而容積不變，之后膨脹過程(圖3a-3b中 3 — 4)開始，高壓氣體驅(qū)動活塞做功，氣缸容積絕熱增大，到最大容積時排氣閥門打開，泄 壓過程(圖3a-3b中4 — I)開始，壓力突然下降而容積不變，之后為排氣過程(圖3a-3b中I — 0)，所有氣體從排氣口等壓排出氣缸，然后出氣閥關(guān)閉，進(jìn)氣閥再打開，啟動下一循環(huán)， 如此周而復(fù)始。而排出的氣體進(jìn)入串接的催化轉(zhuǎn)化器和消音器，最終排到大氣中。
4-沖程容積式內(nèi)燃機(jī)需要兩轉(zhuǎn)來完成以上描述的一個循環(huán)，而2-沖程則只需一 轉(zhuǎn)來完成一個循環(huán)?，F(xiàn)實中許多汽油機(jī)和柴油機(jī)的循環(huán)都是以上理想奧托循環(huán)的稍微修 改，如狄塞爾循環(huán)的燃燒過程中，燃燒不是對油氣混合氣體用火花塞系統(tǒng)點(diǎn)燃，而是直接向 壓縮后的高溫氣體直接噴油引起自燃，所以狄塞爾循環(huán)的燃燒過程是等壓，而不是奧托循 環(huán)的等容燃燒過程。另外較有名的循環(huán)是艾金森循環(huán)和密勒循環(huán)，兩者的壓縮和膨脹過程 不再是對稱的，而是修改了進(jìn)出氣閥門的開關(guān)時機(jī)以提高燃燒效率。
從本質(zhì)上說，所有容積式內(nèi)燃機(jī)將原本連續(xù)的氣流分成一個個與氣缸工作腔大小 相同的不連續(xù)的流體團(tuán)，再將其壓縮燃燒做功并在排氣后重新匯合到一起，故氣流或壓力 脈動為容積式內(nèi)燃機(jī)的固有屬性，其頻率一般較低，對2-沖程為轉(zhuǎn)速/60，對4-沖程為轉(zhuǎn) 速/120，而脈動大小則與排氣時工作腔內(nèi)與排氣口處(也稱系統(tǒng)背壓)的壓力差相關(guān)。通常 當(dāng)吸氣閥門打開時工作腔的壓力小于吸氣口外的壓力，或排氣閥門打開時工作腔的壓力大 于排氣口外的壓力的情況，均會在閥門處誘生出強(qiáng)烈的氣流或壓力脈動，其壓差的大小和 氣流或壓力脈動大小直接成正比。通常出口端的脈動遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)口端，若控制不好，會使 下游串接的氣缸蓋，透平增壓器(如果裝備的話)或催化轉(zhuǎn)化器和消音器很容易產(chǎn)生疲勞破 壞，并誘發(fā)系統(tǒng)振動和噪音。
為了控制容積式內(nèi)燃機(jī)排氣端的氣流脈動，通常的辦法是在排氣端串接一個消音 器或脈動減振器，如圖3c_3d所示。這些消音器或脈動減振器以抗式或阻抗復(fù)合式為主， 內(nèi)有空腔、隔板和多孔管等。其降噪和減小氣流脈動的效果一般很顯著，可達(dá)20_55dB，但 也有明顯的缺點(diǎn)，如在消音器內(nèi)有流動損失，其大小與脈動的衰減大小成正比，數(shù)值可達(dá) O. 1-0. 3Bar，直接影響內(nèi)燃機(jī)輸出功率和整車燃油效率(至今在20_30%)，為此有些應(yīng)用(如 賽車)為了功率和效率最大化，不惜采用脈動衰減很低的阻式消音器或干脆不用任何消音 器。但是越來越嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)將會越來越多的限制這種行為，這就需要有既要好的 脈動衰減和噪音控制，又要最低的流動損失的新技術(shù)的誕生。另外，現(xiàn)有串接消音器自身的 體積重量和成本，其板焊結(jié)構(gòu)和額外的表面本身使其會產(chǎn)生很大的振動并輻射噪音，并且 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受氣流脈動的作用導(dǎo)致自身產(chǎn)生疲勞破壞，均是應(yīng)該改進(jìn)的。
本發(fā)明的目的是為了解決以上種種困惑內(nèi)燃機(jī)工業(yè)界100多年的現(xiàn)實問題，本發(fā) 明另辟它徑從一種全新的氣流脈動機(jī)理入手(圖1，激波管原理圖)，提出了脈動問題的主 要起因是流體和強(qiáng)波的相互作用的新觀點(diǎn)，圖3d展示了傳統(tǒng)容積式內(nèi)燃機(jī)在排氣口突然 打開，即泄壓過程開始那一瞬間所激發(fā)的膨脹波和壓縮波向工作腔和出口端傳播的新機(jī)理 圖，并在此基礎(chǔ)上提出了取代通常在排氣口串接消音器或脈動減振器的新方法-旁支脈動 陷阱方法，這樣不僅可以大大減少氣流脈動，噪音和振動危害，而且不再需要串接脈動減振 器，這樣就消除了傳統(tǒng)串接脈動減振器所產(chǎn)生的壓力損失，使得內(nèi)燃機(jī)效率和安全可靠性 更好，同時又大大減少系統(tǒng)的體積重量和成本。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的第一個目的是提供一種嶄新和獨(dú)特的容積式內(nèi)燃機(jī)旁支脈動陷阱 的設(shè)計與結(jié)構(gòu)，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯(lián)，在源頭上誘入并衰減氣流和壓力脈動，并減少脈動所誘生的噪音和振動。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種嶄新和獨(dú)特的容積式內(nèi)燃機(jī)旁支脈動陷阱的設(shè) 計與結(jié)構(gòu)，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯(lián)，減少排氣背壓并提高燃油循環(huán)效率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種嶄新和獨(dú)特的容積式內(nèi)燃機(jī)旁支脈動陷阱的設(shè) 計與結(jié)構(gòu)，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯(lián)為一體，取代傳統(tǒng)串接消音器，減小排氣 系統(tǒng)的體積。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種嶄新和獨(dú)特的容積式內(nèi)燃機(jī)旁支脈動陷阱的設(shè) 計與結(jié)構(gòu)，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯(lián)，氣缸排氣口氣流已沒有脈動，進(jìn)而減少 排氣系統(tǒng)所有零件的疲勞破壞，提高其壽命。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種嶄新和獨(dú)特的容積式內(nèi)燃機(jī)旁支脈動陷阱的設(shè) 計與結(jié)構(gòu)，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯(lián)，可以在寬廣的內(nèi)燃機(jī)速度和載荷范圍 內(nèi)實現(xiàn)以上的各個目的。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，它包括
a.至少一氣缸，上有進(jìn)氣口，排氣口和兩者間的工作腔；氣缸還包括與工作腔相 鄰并聯(lián)的脈動陷阱腔；氣缸上至少有一個泄壓口連接工作腔和脈動陷阱腔，在脈動陷阱腔 上至少有一個反饋出氣口將脈動陷阱腔與容積式內(nèi)燃機(jī)的氣缸排氣口相連接；
b.安裝在氣缸內(nèi)的活塞,在做功循環(huán)中，由氣缸和活塞所形成的工作腔內(nèi)的氣體 燃燒膨脹來對外做功；
c.旁支脈動陷阱，包括與氣缸并聯(lián)的機(jī)殼形成脈動陷阱腔，其內(nèi)有多種氣流脈動 衰減設(shè)置，或氣流脈動隔離設(shè)置；在工作腔機(jī)殼上至少有一個泄壓口連接工作腔和脈動陷 阱腔，在脈動陷阱腔機(jī)殼上至少有一個反饋出氣口將脈動陷阱腔與氣缸排氣口相連接；
d.此帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)能夠在源頭減少氣流脈動，噪音和振動危 害，提高燃油循環(huán)效率而且不需要外接脈動減振器。
所述的泄壓口上有個定時閥門，可在膨脹做功沖程剛剛結(jié)束時打開，在排氣沖程 剛剛開始前關(guān)閉。
所述的泄壓口形狀為等面積形狀，或泄壓流方向的橫截面積逐漸減小的噴管形狀 或泄壓流方向的橫截面積先逐漸減小再逐漸增大的拉法爾噴管形狀。
所述的脈動減震設(shè)置包括至少一層多孔板，或其它可吸收波動并將其轉(zhuǎn)化成熱能 的材料。
所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個隔板和至少一個隔板上的多孔管。
所述的脈動減震設(shè)置包括至少一層多孔板，上面至少有一個可以與脈動陷阱進(jìn)口 閥門異步關(guān)閉或開啟的閥門，即脈動陷阱進(jìn)口閥門開啟它關(guān)閉，而脈動陷阱進(jìn)口閥門關(guān)閉 則它開啟。
所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個亥姆霍茲共振腔。
所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個亥姆霍茲共振腔，與之并聯(lián)至少有一層多孔板 或其它可以提供阻力的材料。
所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個亥姆霍茲共振腔，與之并聯(lián)至少有一個可以與 脈動陷阱進(jìn)口閥門異步關(guān)閉或開啟的閥門，即脈動陷阱進(jìn)口閥門開啟它關(guān)閉，而脈動陷阱進(jìn)口閥門關(guān)閉則它開啟。
所述脈動隔離設(shè)置包括至少一個安置在陷阱出口的控制閥門。
所述脈動隔離設(shè)置包括至少一個安置在陷阱出口的控制閥門以及脈動陷阱內(nèi)
至少一層多孔板，或其它可吸收波動并將其轉(zhuǎn)化成熱能的材料。
安置在陷阱出口的控制閥門是單向閥，如簧片閥。
所述的控制閥門是同步閥，如旋轉(zhuǎn)閥，提升閥，或是套筒閥，同步定時為脈動陷阱 進(jìn)口閥門開啟它關(guān)閉，而脈動陷阱進(jìn)口閥門關(guān)閉則它開啟。
所述的閥門是旋轉(zhuǎn)閥。
所述的閥門是提升閥。
所述的閥門是套筒閥。
所述的脈動陷阱腔的泄壓口，至少有一層多孔板，或其它類似的可吸收波動并將 其轉(zhuǎn)化成熱能的材料。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的有獨(dú)特性和新穎性的帶有旁支脈動陷阱的 容積式內(nèi)燃機(jī)，能夠減少氣流脈動，噪音和振動危害，提高燃油循環(huán)效率而不需要外接脈動 減振器。
這些和其它新穎性以及本發(fā)明的目的，將通過以下有關(guān)示圖和文字詳細(xì)描述、討 論和權(quán)利要求而更為清晰。


參考有關(guān)圖示的目的僅僅是為了說明，但不限于圖示，現(xiàn)說明如下
圖1是一個激波管原理圖，表示內(nèi)部隔膜突然打開前的壓力分布和突然打開后所 激發(fā)的流動、波動和壓力分布，也是本發(fā)明的脈動機(jī)理圖2是一個典型的容積式內(nèi)燃機(jī)的分類圖，圖中顯示現(xiàn)有的容積式內(nèi)燃機(jī)的各種 類型，均為本發(fā)明對象的一部分；
圖3a(已有工藝)顯示一個4-沖程傳統(tǒng)容積式內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)；
圖3b (已有工藝)顯示P-V圖上實際和理想奧托循環(huán)中的各個過程；
圖3c (已有工藝)顯示傳統(tǒng)容積式內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)的流程圖3d(已有工藝)是圖3a中泄壓過程的瞬間放大圖，展示在排氣閥突然打開時所 激發(fā)的膨脹波和壓縮波同時向工作腔和排氣系統(tǒng)下游的傳播；
圖4a展示本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的新工作循環(huán)；
圖4b展示本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)在P-V圖上理想奧托循環(huán)的 修正；
圖4c展示本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)新的循環(huán)流程圖4d是本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)在圖4a中絕熱泄壓過程的瞬間 放大圖，展示在排氣閥突然打開時所激發(fā)的膨脹波和壓縮波同時向工作腔和脈動陷阱腔的 傳播；
圖5a是局部剖面圖，表示本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的一個最佳 實現(xiàn)方案在脈動陷阱腔內(nèi)使用阻式脈動衰減器，如多孔板；
圖5b是本發(fā)明另一個最佳實現(xiàn)方案在脈動陷阱腔內(nèi)使用抗式脈動衰減器；
圖6a是本發(fā)明另一個最佳實現(xiàn)方案在脈動陷阱腔進(jìn)口使用阻式衰減器；
圖6b是一個剖面圖，顯示脈動陷阱腔進(jìn)口使用的阻式脈動衰減器的兩種設(shè)計多孔板和微孔板；
圖6c是一個剖面圖，表示本發(fā)明旁支脈動陷阱所使用的多孔板的幾種形狀；
圖7是局部剖面圖，表示本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的另一個最佳實現(xiàn)方案使用共振腔；
圖8為局部剖面圖，表示本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的另一個最佳實現(xiàn)方案在脈動陷阱出口處使用同步定時閥門來隔離；
圖9a到9d為局部剖面圖，展示用于本發(fā)明旁支脈動陷阱的幾種閥門處于開或關(guān)的狀態(tài)，分別為旋轉(zhuǎn)閥，簧片閥，提升閥和套筒閥。
具體實施方式
盡管下面將參照有關(guān)圖示來描述本發(fā)明的具體實現(xiàn)方案，但應(yīng)該理解，這里的實現(xiàn)方案僅僅是作為例子和說明，而根據(jù)本發(fā)明的原理可以實現(xiàn)的其它方案則有很多種。很明顯，對于熟悉這些工藝的人，在本發(fā)明范疇內(nèi)的各種各樣的變化和修改，將被認(rèn)為屬于本發(fā)明的精神、范圍和考慮之列，這將在附加的權(quán)利要求中進(jìn)一步明確。
另外需要指出的是，盡管有關(guān)圖示和描述采用的是4-沖程往復(fù)奧托循環(huán)汽油機(jī)來描述本發(fā)明容積式內(nèi)燃機(jī)的具體實現(xiàn)方案，其原理和精神也可以用于旋轉(zhuǎn)式，如溫克爾發(fā)動機(jī)，燃料也適用于柴油或其它油，或其它的沖程，如2-沖程，5-沖程或6-沖程。同樣原則還適用于修改后的奧托循環(huán)，如狄塞爾循環(huán)，艾金森循環(huán)或密勒循環(huán)。最后，此原理也適用于容積式膨脹機(jī)或氣動發(fā)動機(jī)，不同之處在于使用壓縮氣體，而不是燃燒氣體來產(chǎn)生軸功。
作一個簡短介紹，參考圖4a到4b，這里展示的是加有旁支(并聯(lián))脈動陷阱(圖中 4— Γ)的4-沖程奧托循環(huán)汽油機(jī)修改后的循環(huán)原理圖，其膨脹做功終點(diǎn)由4延伸到1’， 而P-V圖上增加的面積A411 ‘4為同樣燃油消耗量時所增加的輸出功。脈動陷阱的策略是在氣流到達(dá)氣缸排氣口之前，將氣流脈動誘到脈動陷阱內(nèi)并予以衰減，這樣在排氣口排氣時，氣流已無脈動。圖3c-3d顯示的是最常用的傳統(tǒng)串接消音或衰減脈動方法，它的脈動衰減發(fā)生在氣缸排氣口之后，即脈動衰減器與工作腔排氣口串聯(lián)連接；而本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的脈動衰減則發(fā)生在氣缸排氣之前，脈動衰減器(即脈動陷阱)與工作腔并聯(lián)連接。相對于傳統(tǒng)做功循環(huán)，兩者的進(jìn)氣壓縮和膨脹做功沖程仍相同，但泄壓排氣和脈動衰減沖程的次序則反了過來。參考圖4a到4b，在膨脹做功剛剛完畢(圖4b中點(diǎn) 4)而排氣沖程還沒有開始中間，加了個絕熱泄壓到脈動陷阱的沖程4 — I’，使氣流脈動在排氣沖程之前，在脈動陷阱腔內(nèi)得到衰減。這樣在排氣口排氣時，氣流已無脈動，所以不再需要串接脈動衰減器，因而也就沒有脈動衰減器所帶來的流動損失，使得排氣背壓減少，燃油循環(huán)效率進(jìn)一步提聞。
結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明容積式內(nèi)燃機(jī)的旁支脈動陷講，包括一活塞和氣缸，氣缸上有氣流進(jìn)口，氣流排氣口和兩者間的工作腔。還包括與工作腔并聯(lián)的脈動陷阱腔，其內(nèi)有多種氣流脈動衰減設(shè)置，或氣流脈動隔離設(shè)置。在氣缸機(jī)殼上至少有一個泄壓口(陷阱進(jìn)口)連接工作腔和脈動陷阱腔，至 少有一個反饋出氣口(陷阱出口)將脈動陷阱腔與容積式內(nèi)燃機(jī)的氣流排氣口相連接。
本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，減少氣流脈動，噪音和振動危害，減少排氣背壓并提高燃油循環(huán)效率而不需要外接脈動減振器?？偟膩碚f，帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)在排氣口排氣之前，將氣流脈動通過氣缸上的泄壓口(陷阱進(jìn)口)誘到脈動陷講內(nèi)予以衰減，這樣在氣缸排氣口排氣時，氣流已無脈動。
圖3a_3d顯示的是最常用的傳統(tǒng)循環(huán)及串接衰減脈動方法，它的脈動衰減發(fā)生在氣缸排氣口之后，脈動衰減器與活塞和氣缸所形成的工作腔排氣口串聯(lián)連接；而本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的脈動衰減則發(fā)生在氣缸排氣之前，參考圖4a到4d，脈動衰減器(即脈動陷阱)與活塞和氣缸所形成的工作腔并聯(lián)連接。相對于傳統(tǒng)做功循環(huán)，兩者的進(jìn)氣壓縮和做功沖程仍相同，但泄壓排氣和脈動衰減沖程的次序則完全不同。脈動陷阱在氣缸上有個泄壓口(即陷阱進(jìn)口)，連接工作腔和脈動陷阱腔，并且有一個反饋出氣口 (即陷阱出氣口)，將脈動陷阱腔與容積式內(nèi)燃機(jī)的排氣口相連接。脈動陷阱腔內(nèi)有氣流脈動衰減設(shè)置，它在氣流排出氣缸排氣口之前，將氣流脈動先誘到脈動陷阱內(nèi)予以衰減，而不是傳統(tǒng)做功循環(huán)在氣流排出氣缸排氣口之后再予以衰減，這樣在氣缸排氣口排氣時，氣流已無脈動。如圖4b和4d所示，在工作腔突然向脈動陷阱腔打開的瞬間，由于工作腔和脈動陷阱腔之間存在壓力差(圖4b中壓差A(yù)p41，因為脈動陷阱腔與內(nèi)燃機(jī)出口連接，故壓力接近)，根據(jù)激波管理論，此時在陷阱進(jìn)口會激發(fā)出一系列的波和流動。所產(chǎn)生的膨脹波將向高壓的工作腔傳播并釋放氣缸內(nèi)的壓力，而與此同時產(chǎn)生的壓縮波將向低壓的陷阱腔內(nèi)傳播，并在那里被脈動減震設(shè)置所阻擋并衰減。因為波的傳播速度是活塞線速度的5-20倍， 波動衰減可以很快完成，即陷阱進(jìn)口開啟只需在排氣口打開之前一點(diǎn)點(diǎn)即可，目標(biāo)是在氣缸排氣口排氣時，氣流脈動在脈動陷阱內(nèi)已衰減完畢。圖4d展示了脈動陷阱進(jìn)口突然打開所激發(fā)的壓縮波和膨脹波分別向脈動陷阱腔和工作腔傳播的瞬間，以及脈動衰減之后氣缸排氣口打開排氣時已無脈動。
本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)的脈動衰減與傳統(tǒng)的排氣口串聯(lián)連接的衰減器或消音器的差別在于排 氣和脈動衰減的時間先后不像傳統(tǒng)方法那樣等到排氣口排氣之后再衰減(工作腔和脈動衰減是串聯(lián)關(guān)系)，旁支脈動陷阱方法則將脈動衰減提前到排氣前，在氣缸排氣口前的泄壓口即開始泄壓過程(將圖4b中壓差△ p41去掉)，這樣贏得了充分的時間，而且泄壓和脈動衰減同時進(jìn)行，即工作腔和脈動衰減是并聯(lián)關(guān)系。
這樣做有幾個好處。首先，脈動流得以從主流中分離出來，對脈動流的衰減治理將不影響氣缸中的主流，而串接衰減器中脈動流和主流則是混合在一起的，脈動流的衰減也直接影響主流，致使總的流動損失增加，效率下降。第二，旁支脈動陷阱離脈動源頭近，并可以與氣缸連為一體，真正在源頭來控制氣流脈動及所誘生的噪音和振動，使其體積小重量輕，取代了傳統(tǒng)外接消音器。
參考圖4d，這里顯示的是一個典型的為實現(xiàn)本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱50的容積式內(nèi)燃機(jī)10的最佳方案。本發(fā)明帶有旁支脈動陷阱50的容積式內(nèi)燃機(jī)10通常包括一氣缸體20，上有氣流進(jìn)口(沒顯示)，氣流排氣口 38，氣缸內(nèi)的活塞25和工作腔37。氣缸體20 和機(jī)殼28并聯(lián)形成脈動陷阱腔51，其內(nèi)有多種氣流脈動衰減設(shè)置43。在氣缸體20和機(jī)殼 28間至少有一個泄壓口 41 (陷阱進(jìn)口)連接工作腔37和脈動陷阱腔51，至少有一個反饋出氣口 48 (陷阱出口)將脈動陷阱腔51與容積式內(nèi)燃機(jī)的氣流排氣口 38相連接。
作為本發(fā)明一個重要的新穎性和獨(dú)特性，容積式內(nèi)燃機(jī)10的氣缸體20與旁支脈動陷阱50并聯(lián)。如圖4d所示的最佳方案中，旁支脈動陷阱50包括組成缸體的氣缸體20 和并聯(lián)機(jī)殼28，兩者之間形成脈動陷阱腔51，其內(nèi)有氣流脈動衰減設(shè)置43，或氣流脈動能量回收或隔離設(shè)置(未顯示)。氣缸體20上的泄壓口(陷阱進(jìn)口)41將工作腔37和脈動陷阱腔51連接，而氣缸體20上的反饋出氣口(陷阱出口)48則將脈動陷阱腔出口 51與氣缸 20的氣流排氣口 38相連接。如圖4d所示，在活塞25壓縮即將完畢時，陷阱進(jìn)口 41突然開啟，即工作腔37突然向脈動陷阱腔51打開，由于兩者間存在壓力差(即壓差Λρ41)，根據(jù)激波管理論，此時在陷阱進(jìn)口 41會激發(fā)出一系列的波動和流動。所產(chǎn)生的膨脹波和誘生的脈動流將傳向高壓的工作腔37并釋放其中的壓差，而與此同時產(chǎn)生的壓縮波將朝相反方向的低壓陷阱腔51內(nèi)傳播，并在那里被脈動衰減設(shè)置43所阻擋并衰減。在圖4d上圖中，小箭頭53表示脈動流或反饋流的流向如下由工作腔37通過陷阱進(jìn)口 41進(jìn)入陷阱腔51，經(jīng)過脈動衰減設(shè)置43，衰減后到陷阱出口 48，最后釋放到氣流排氣管38。圖4d下圖中，箭頭則表示活塞25的運(yùn)動方向和工作腔37內(nèi)主流排氣方向。
當(dāng)傳統(tǒng)容積式內(nèi)燃機(jī)10配有本發(fā)明旁支脈動陷阱50時，它可以減少氣流脈動，噪音和振動危害，提高燃油循環(huán)效率而且不需要外接脈動減振器。
旁支脈動陷阱50的工作原理如下。參照圖4d和圖5a，旁支脈動陷阱50的進(jìn)氣和壓縮和膨脹做功沖程與傳統(tǒng)容積式內(nèi)燃機(jī)相同(參見圖3a_3b)，但泄壓排氣和脈動衰減沖程的次序則完全不同。如圖4d所示，傳統(tǒng)的脈動衰減要等到氣缸排氣口 38打開后進(jìn)行， 而脈動陷阱在氣缸機(jī)殼20上額外有個泄壓口(陷阱進(jìn)口 )41，會在排氣口 38打開之前開啟， 即此時氣缸排氣口 38仍關(guān)閉。當(dāng)工作腔37突然向脈動陷阱51打開時，如果兩者間沒有壓差(即壓差Λ p41=0)，根據(jù)激波管理論，這時不會產(chǎn)生脈動，即工作腔37與脈動陷阱腔51之間沒有脈動流產(chǎn)生。但如果兩者間存在壓力差，即工作腔37內(nèi)壓力大于脈動陷阱51的壓力時，這時會在陷阱進(jìn)口 41處激發(fā)出一系列的波和流動。所產(chǎn)生的壓縮波和脈動流將向低壓的陷阱腔51內(nèi)傳播，并在那里被脈動衰減設(shè)置43所阻擋并衰減，而與此同時產(chǎn)生的膨脹波將向高壓的工作腔37內(nèi)傳播并釋放其壓差。為了增加脈動衰減速率，可以在脈動陷阱腔 51內(nèi)部或腔壁上使用一些吸音材料或設(shè)置，使得陷阱內(nèi)的波動盡快轉(zhuǎn)換成熱。因為波的傳播速度是活塞25線速度的5-20倍，波動衰減可以在瞬間內(nèi)完成，因而在氣缸排氣時與出口 38之間已無壓差，即氣流已無脈動，因此不再需要串接出口脈動衰減器。
另外，在工作腔37突然向脈動陷阱腔51打開的瞬間，在陷阱進(jìn)口 41處也會激發(fā)出脈動流。根據(jù)激波管理論，誘發(fā)的流體速度可以很大，大到接近或超過音速，所以有必要在泄壓口采用不同形狀的噴嘴來適應(yīng)流速的需要。圖6c展示了幾種噴嘴孔板61或收斂式噴管63或拉法爾噴管65 (先收斂再擴(kuò)展)，可以使用一個或數(shù)個，噴管比孔板能增加高速流動時的流量和效率，拉法爾噴管65則可超音速。同樣，當(dāng)脈動陷阱51內(nèi)的衰減設(shè)置43 是多孔板時，通過孔洞的誘發(fā)流體速度可以很大，這時也可以使用比孔板61流動損失更小的噴管63和65來提高反饋流流量和效率，其幾何形狀如圖6所示，數(shù)量上可以使用一個或多個。單向流動噴管63和65的方向設(shè)置為反饋流方向相同。
圖5展示了本發(fā)明容積式內(nèi)燃機(jī)10帶有旁支脈動陷阱50的 兩種最佳實現(xiàn)方案 圖5a顯示了脈動陷阱內(nèi)使用阻式衰減的一種-多孔板設(shè)置43來衰減脈動，而圖5b則顯示了脈動陷阱內(nèi)使用抗式衰減設(shè)置44來衰減脈動，抗式衰減設(shè)置內(nèi)的隔板45可以是一個或多個，隔板45上并有一個或多個多孔管46，以形成多級多次衰減。
圖6a展示了本發(fā)明容積式內(nèi)燃機(jī)10另一種帶有旁支脈動陷阱60的最佳實現(xiàn)方 案在脈動陷阱進(jìn)口 41使用阻式衰減66。阻式衰減66也稱為喉部衰減器，因為此處橫截 面積最小，猶如喉部，也是脈動的源頭。圖6b顯示衰減方法可以是多孔板67，或微孔材料 69。喉部衰減器66可以提供額外的脈動衰減，減小膨脹波向工作腔37內(nèi)傳播的脈動，或減 小壓縮波向脈動陷阱腔51內(nèi)傳播的脈動。
圖7展示了本發(fā)明容積式內(nèi)燃機(jī)10另一種帶有旁支脈動陷阱70的最佳實現(xiàn)方 案使用亥姆霍茲共振腔71來減少脈動。理論上，亥姆霍茲共振腔使用四分之一波長在共 振腔內(nèi)互相抵消的原理，對單一頻率的脈動衰減很有效。因為容積式內(nèi)燃機(jī)的脈動頻率與 轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，在定轉(zhuǎn)速時頻率單一。此最佳實現(xiàn)方案中，由脈動陷阱進(jìn)口 41產(chǎn)生的單一 頻率脈動，可由與之鄰近的亥姆霍茲共振腔71來衰減，亥姆霍茲共振腔71也可與減振器43 一并使用。
圖8展示了本發(fā)明容積式內(nèi)燃機(jī)10另一種帶有旁支脈動陷阱80的最佳實現(xiàn)方 案使用控制閥門86來隔離脈動的傳播。圖8展示只有一個閥門的設(shè)置，或閥門86和脈 動衰減設(shè)置43并用。此最佳實現(xiàn)方案的工作原理利用了在泄壓時陷阱腔內(nèi)波動和反饋流 體運(yùn)動有個時間差的特點(diǎn)，使用單向閥86在不同的時間或讓流體通過或阻擋波動傳播。圖 8中的上圖展示了隔離波動過程，這時陷阱進(jìn)口 41對工作腔37打開而陷阱出口 48處閥門 86關(guān)閉；同樣，下圖展示了讓反饋流體通過的過程，這時陷阱出口 48處閥門86打開。閥門 86可以是滿足以上功能的任何形式的單向或可以定時控制的閥門，圖9給出幾種閥門的例 子，如旋轉(zhuǎn)和簧片閥門，即提升閥和套筒閥。此最佳實現(xiàn)方案的隔離過程工作原理如圖8顯 示，在工作腔37突然向脈動陷阱51打開的瞬間，產(chǎn)生的膨脹波將向工作腔37內(nèi)傳播，而 與此同時產(chǎn)生的壓縮波將向陷講腔51內(nèi)傳播，由于此時位于陷講出口的閥門86處于關(guān)閉 狀態(tài)，陷阱腔內(nèi)的壓縮波被有效的隔離在脈動陷阱腔51內(nèi)，通過多次反射來消耗其脈動能 量。隨著陷阱腔51內(nèi)的壓力逐漸降低，閥門86會再次打開，驅(qū)動反饋流流出陷阱腔51，使 其內(nèi)的壓力不斷降低到排氣口壓力，這時閥門86再關(guān)閉。通過這樣不斷的與活塞運(yùn)動同步 開啟和關(guān)閉閥門41和86，脈動能量可以被有效的隔離在陷阱腔51內(nèi)并衰減掉，進(jìn)而達(dá)到治 理脈動的目的。圖8也顯示了脈動陷阱51內(nèi)可選擇性加入衰減設(shè)置43，以便更為有效的衰 減脈動。
由上可見，本發(fā)明提供的有獨(dú)特性和新穎性的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃 機(jī)，能夠減少氣流脈動，噪音和振動危害，提高燃油循環(huán)效率而不需要外接脈動減振器。
當(dāng)然，本發(fā)明并沒有特意拘限于任何特別的形式或配置，或者任何具體的實現(xiàn)方 式及任何特指的使用，此中所透露的，在沒有離開本發(fā)明申請的如上文所示并描述的精神 或范圍情況下，同樣的實質(zhì)在各種各樣的細(xì)節(jié)或者關(guān)系上可能被改變。這里展示的裝置或 方法僅僅是為了說明和披露一種實現(xiàn)的最佳形式，而非展示所有本發(fā)明可能被實現(xiàn)或操作 的不同形式或改動。
充分依照專利法律法規(guī)，本發(fā)明已經(jīng)有相當(dāng)多的細(xì)節(jié)描述，以提供至少有關(guān)它體 現(xiàn)形式之一的公開技術(shù)信息披露。但是，這樣的詳細(xì)描述并無意圖從任何方面去限制本發(fā) 明的那些廣泛的特征或者原理。
權(quán)利要求
1.一種帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，它包括a.至少一氣缸，上有進(jìn)氣口，排氣口和兩者間的工作腔；氣缸還包括與工作腔相鄰并聯(lián)的脈動陷阱腔；氣缸上至少有一個泄壓口連接工作腔和脈動陷阱腔，在脈動陷阱腔上至少有一個反饋出氣口將脈動陷阱腔與容積式內(nèi)燃機(jī)的氣缸排氣口相連接；b.安裝在氣缸內(nèi)的活塞，在做功循環(huán)中，由氣缸和活塞所形成的工作腔內(nèi)的氣體燃燒膨脹來對外做功；c.旁支脈動陷阱，包括與氣缸并聯(lián)的機(jī)殼形成脈動陷阱腔，其內(nèi)有多種氣流脈動衰減設(shè)置，或氣流脈動隔離設(shè)置；在工作腔機(jī)殼上至少有一個泄壓口連接工作腔和脈動陷阱腔， 在脈動陷阱腔機(jī)殼上至少有一個反饋出氣口將脈動陷阱腔與氣缸排氣口相連接；d.此帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)能夠在源頭減少氣流脈動，噪音和振動危害， 提高燃油循環(huán)效率而且不需要外接脈動減振器。
2.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的泄壓口上有個定時閥門，可在膨脹做功沖程剛剛結(jié)束時打開，在排氣沖程剛剛開始前關(guān)閉。
3.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的泄壓口形狀為等面積形狀，或泄壓流方向的橫截面積逐漸減小的噴管形狀或泄壓流方向的橫截面積先逐漸減小再逐漸增大的拉法爾噴管形狀。
4.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的脈動減震設(shè)置包括至少一層多孔板，或其它可吸收波動并將其轉(zhuǎn)化成熱能的材料。
5.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個隔板和至少一個隔板上的多孔管。
6.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的脈動減震設(shè)置包括至少一層多孔板，上面至少有一個可以與脈動陷阱進(jìn)口閥門異步關(guān)閉或開啟的閥門，即脈動陷阱進(jìn)口閥門開啟它關(guān)閉，而脈動陷阱進(jìn)口閥門關(guān)閉則它開啟。
7.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個亥姆霍茲共振腔。
8.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個亥姆霍茲共振腔，與之并聯(lián)至少有一層多孔板或其它可以提供阻力的材料。
9.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的脈動減震設(shè)置包括至少一個亥姆霍茲共振腔，與之并聯(lián)至少有一個可以與脈動陷阱進(jìn)口閥門異步關(guān)閉或開啟的閥門，即脈動陷阱進(jìn)口閥門開啟它關(guān)閉，而脈動陷阱進(jìn)口閥門關(guān)閉則它開啟O
10.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述脈動隔離設(shè)置包括至少一個安置在陷阱出口的控制閥門。
11.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述脈動隔離設(shè)置包括至少一個安置在陷阱出口的控制閥門以及脈動陷阱內(nèi)至少一層多孔板，或其它可吸收波動并將其轉(zhuǎn)化成熱能的材料。
12.如權(quán)利要求10或11所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，安置在陷阱出口的控制閥門是單向閥，如簧片閥。
13.如權(quán)利要求10或11所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的控制閥門是同步閥，如旋轉(zhuǎn)閥，提升閥，或是套筒閥，同步定時為脈動陷阱進(jìn)口閥門開啟它關(guān)閉，而脈動陷阱進(jìn)口閥門關(guān)閉則它開啟。
14.如權(quán)利要求2或6或9所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的閥門是旋轉(zhuǎn)閥。
15.如權(quán)利要求2或6或9所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的閥門是提升閥。
16.如權(quán)利要求2或6或9所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的閥門是套筒閥。
17.如權(quán)利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述的脈動陷阱腔的泄壓口，至少有一層多孔板，或其它類似的可吸收波動并將其轉(zhuǎn)化成熱能的材料。
全文摘要
帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)，減少氣流脈動、噪音、振動危害和排氣系統(tǒng)尺寸，提高發(fā)動機(jī)循環(huán)效率且不需要出口脈動減振器?？偟膩碚f，帶有旁支脈動陷阱的容積式內(nèi)燃機(jī)在排氣口之前，將氣流脈動誘到脈動陷阱內(nèi)予以泄壓和衰減，這樣在排氣口排氣時，氣流已無脈動。容積式內(nèi)燃機(jī)的旁支脈動陷阱，包括一氣缸，上有進(jìn)氣口，排氣口和兩者間的工作腔。還包括與工作腔并聯(lián)的脈動陷阱腔，其內(nèi)有多種氣流脈動衰減設(shè)置，或氣流脈動隔離設(shè)置。在氣缸機(jī)殼上至少有一個泄壓口(陷阱進(jìn)口)連接工作腔和脈動陷阱腔，至少有一個反饋出氣口(陷阱出口)將脈動陷阱腔與氣缸排氣口相連接。本專利披露相關(guān)的原理、實現(xiàn)方法和最佳設(shè)置。
文檔編號F01N1/00GK102996277SQ201210344360
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月17日
發(fā)明者黃秀保 申請人:黃秀保