带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机制造技术

带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，减少气流脉动、噪音、振动危害和排气系统尺寸，提高发动机循环效率且不需要出口脉动减振器。总的来说，带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机在排气口之前，将气流脉动诱到脉动陷阱内予以泄压和衰减，这样在排气口排气时，气流已无脉动。容积式内燃机的旁支脉动陷阱，包括一气缸，上有进气口，排气口和两者间的工作腔。还包括与工作腔并联的脉动陷阱腔，其内有多种气流脉动衰减设置，或气流脉动隔离设置。在气缸机壳上至少有一个泄压口（陷阱进口）连接工作腔和脉动陷阱腔，至少有一个反馈出气口（陷阱出口）将脉动陷阱腔与气缸排气口相连接。本专利披露相关的原理、实现方法和最佳设置。

【技术实现步骤摘要】
带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机
本专利技术通常与各种容积式内燃机领域相关，细属用于容积式内燃机的旁支脉动陷阱，具有减少脉动，噪音和振动危害，提高变工况气动效率而不需要串接消音器或脉动减振器等特点。
技术介绍
容积式内燃机，俗称活塞式发动机，是一种通过在气缸内燃烧燃油，进而产生高温高压来推动活塞运动并做功的机械装置，自130年专利技术以来，容积式内燃机作为动力源，已被广泛地应用于几乎生活中所有的各种各样的应用，尤其是移动式应用，如用于拖拉机，汽车，轮船和小型飞机的驱动，或用于家用割草机或打边机的动力，等等。容积式内燃机通常分为两类：即基于燃油或循环可分为汽油机（奥托循环）和柴油机（狄塞尔循环），基于每个循环中的冲程数可分为4-冲程和2-冲程，基于运动形式则可分为往复和旋转式（如温克尔）。容积式内燃机的出气端若不加消音器会产生很高的噪音，通常在100-180分贝，远远高于国家制定的噪音标准，已成为现代社会滋扰家庭生活质量和工作效率的重要干扰和污染之一。容积式内燃机将燃油燃烧的内能转换为轴功率。它的工作原理是依靠燃气燃烧的能量来推动活塞做功。如图2所示，按活塞和气缸所形成的工作腔形状和运动形式，容积式内燃机可分为“往复式”和“旋转式”两大类。前者的运动部件进行往复运动，通常有4-冲程或2-冲程，如奥托汽油机和狄塞尔柴油机，后者的运动部件做单方向回转运动，如温克尔内燃机(德国工程师温克尔专利技术的)。尽管容积式内燃机种类繁多优缺点各异，但都含有一个可用阀门控制进气时机的进气口，一个容积可变化的工作腔（膨胀腔）和向其输送燃油的装置，一个可用阀门控制排气时机和压力的排气口，和接在排气口后面的消音器。此外，其工作过程都是循环性的，且步骤和顺序及结构都大致相同，如图3a展示了不同类型的4-冲程传统容积式内燃机的通用奥托循环过程，即：吸气→压缩→燃烧→膨胀→泄压→排气→消音降噪；图3b在P-V空间展示了真实奥托循环的不同相及简化后的理想循环过程，分别为：等压吸气，等熵压缩，等容燃烧，等熵膨胀，等容泄压和等压排气过程。图3c则显示了以上循环的流程图，而图3d为一典型容积式内燃机被抽象成一活塞25和气缸20所形成的工作腔37，其排气口38串接催化转化器3和消音器5（或脉动减振器）。奥托循环容积式内燃机的工作原理是，当活塞在气缸内向下运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时空气和雾状燃油的混合体从进气口推开进气阀门进入气缸（对柴油机，则只有空气进入），直到工作容积变到最大时为止，此过程由图3a-3b中0→1表示；然后进气阀关闭，压缩过程（图3a-3b中1→2）开始，活塞由曲柄驱动反向向上运动，气缸容积绝热缩小，混合气体压力升高，当气缸容积达到最小时，火花塞点燃触发燃烧过程（图3a-3b中2→3）开始，气体的温度和压力突然（瞬间）升高而容积不变，之后膨胀过程（图3a-3b中3→4）开始，高压气体驱动活塞做功，气缸容积绝热增大，到最大容积时排气阀门打开，泄压过程（图3a-3b中4→1）开始，压力突然下降而容积不变，之后为排气过程（图3a-3b中1→0），所有气体从排气口等压排出气缸，然后出气阀关闭，进气阀再打开，启动下一循环，如此周而复始。而排出的气体进入串接的催化转化器和消音器，最终排到大气中。4-冲程容积式内燃机需要两转来完成以上描述的一个循环，而2-冲程则只需一转来完成一个循环。现实中许多汽油机和柴油机的循环都是以上理想奥托循环的稍微修改，如狄塞尔循环的燃烧过程中，燃烧不是对油气混合气体用火花塞系统点燃，而是直接向压缩后的高温气体直接喷油引起自燃，所以狄塞尔循环的燃烧过程是等压，而不是奥托循环的等容燃烧过程。另外较有名的循环是艾金森循环和密勒循环，两者的压缩和膨胀过程不再是对称的，而是修改了进出气阀门的开关时机以提高燃烧效率。从本质上说，所有容积式内燃机将原本连续的气流分成一个个与气缸工作腔大小相同的不连续的流体团，再将其压缩燃烧做功并在排气后重新汇合到一起，故气流或压力脉动为容积式内燃机的固有属性，其频率一般较低，对2-冲程为转速/60，对4-冲程为转速/120，而脉动大小则与排气时工作腔内与排气口处（也称系统背压）的压力差相关。通常当吸气阀门打开时工作腔的压力小于吸气口外的压力，或排气阀门打开时工作腔的压力大于排气口外的压力的情况，均会在阀门处诱生出强烈的气流或压力脉动，其压差的大小和气流或压力脉动大小直接成正比。通常出口端的脉动远远大于进口端，若控制不好，会使下游串接的气缸盖，透平增压器（如果装备的话）或催化转化器和消音器很容易产生疲劳破坏，并诱发系统振动和噪音。为了控制容积式内燃机排气端的气流脉动，通常的办法是在排气端串接一个消音器或脉动减振器，如图3c-3d所示。这些消音器或脉动减振器以抗式或阻抗复合式为主，内有空腔、隔板和多孔管等。其降噪和减小气流脉动的效果一般很显著，可达20-55dB，但也有明显的缺点，如在消音器内有流动损失，其大小与脉动的衰减大小成正比，数值可达0.1-0.3Bar，直接影响内燃机输出功率和整车燃油效率（至今在20-30%），为此有些应用（如赛车）为了功率和效率最大化，不惜采用脉动衰减很低的阻式消音器或干脆不用任何消音器。但是越来越严格的环保排放标准将会越来越多的限制这种行为，这就需要有既要好的脉动衰减和噪音控制，又要最低的流动损失的新技术的诞生。另外，现有串接消音器自身的体积重量和成本，其板焊结构和额外的表面本身使其会产生很大的振动并辐射噪音，并且其内部结构受气流脉动的作用导致自身产生疲劳破坏，均是应该改进的。本专利技术的目的是为了解决以上种种困惑内燃机工业界100多年的现实问题，本专利技术另辟它径：从一种全新的气流脉动机理入手（图1，激波管原理图），提出了脉动问题的主要起因是流体和强波的相互作用的新观点，图3d展示了传统容积式内燃机在排气口突然打开，即泄压过程开始那一瞬间所激发的膨胀波和压缩波向工作腔和出口端传播的新机理图，并在此基础上提出了取代通常在排气口串接消音器或脉动减振器的新方法-旁支脉动陷阱方法，这样不仅可以大大减少气流脉动，噪音和振动危害，而且不再需要串接脉动减振器，这样就消除了传统串接脉动减振器所产生的压力损失，使得内燃机效率和安全可靠性更好，同时又大大减少系统的体积重量和成本。
技术实现思路
因此，本专利技术的第一个目的是提供一种崭新和独特的容积式内燃机旁支脉动陷阱的设计与结构，它与由气缸和活塞所形成的工作腔并联，在源头上诱入并衰减气流和压力脉动，并减少脉动所诱生的噪音和振动。本专利技术的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式内燃机旁支脉动陷阱的设计与结构，它与由气缸和活塞所形成的工作腔并联，减少排气背压并提高燃油循环效率。本专利技术的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式内燃机旁支脉动陷阱的设计与结构，它与由气缸和活塞所形成的工作腔并联为一体，取代传统串接消音器，减小排气系统的体积。本专利技术的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式内燃机旁支脉动陷阱的设计与结构，它与由气缸和活塞所形成的工作腔并联，气缸排气口气流已没有脉动，进而减少排气系统所有零件的疲劳破坏，提高其寿命。本专利技术的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式内燃机旁支脉动陷阱的设计与结构，它与由气缸和活塞所形成的工作腔并联，可以在宽广的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,它包括：a.至少一气缸，上有进气口，排气口和两者间的工作腔；气缸还包括与工作腔相邻并联的脉动陷阱腔；气缸上至少有一个泄压口连接工作腔和脉动陷阱腔，在脉动陷阱腔上至少有一个反馈出气口将脉动陷阱腔与容积式内燃机的气缸排气口相连接；b.安装在气缸内的活塞，在做功循环中，由气缸和活塞所形成的工作腔内的气体燃烧膨胀来对外做功；c.旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，其内有多种气流脉动衰减设置，或气流脉动隔离设置；在工作腔机壳上至少有一个泄压口连接工作腔和脉动陷阱腔，在脉动陷阱腔机壳上至少有一个反馈出气口将脉动陷阱腔与气缸排气口相连接；d.此带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机能够在源头减少气流脉动，噪音和振动危害，提高燃油循环效率而且不需要外接脉动减振器。

【技术特征摘要】
2011.09.17 US 61/535,9891.一种带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,它包括：a.至少一气缸，上有进气口，排气口和两者间的工作腔；气缸还包括与工作腔相邻并联的脉动陷阱腔；气缸上至少有一个泄压口连接工作腔和脉动陷阱腔，在脉动陷阱腔上至少有一个反馈出气口将脉动陷阱腔与容积式内燃机的气缸排气口相连接；b.安装在气缸内的活塞，在做功循环中，由气缸和活塞所形成的工作腔内的气体燃烧膨胀来对外做功；c.旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，其内有多种气流脉动衰减设置；在工作腔机壳上至少有一个泄压口即陷阱进口，它位于气缸排气口之前以及气流脉动衰减设置的上游，连接工作腔和脉动陷阱腔，在脉动陷阱腔机壳上至少有一个反馈出气口即陷阱出口，它位于气缸排气口之后以及气流脉动衰减设置的下游，将脉动陷阱腔与气缸排气口相连接；d.此带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机能够在源头减少气流脉动，噪音和振动危害，提高燃油循环效率而且不需要外接脉动衰减设置。2.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的泄压口上有个定时阀门，可在膨胀做功冲程刚刚结束时打开，在排气冲程刚刚开始前关闭。3.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的泄压口形状为等横截面积，或泄压流方向的横截面积逐渐减小的喷管形状或泄压流方向的横截面积先逐渐减小再逐渐增大的拉法尔喷管形状。4.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的脉动衰减设置包括至少一层多孔板。5.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的脉动衰减设置包括至少一个隔板和至少一个隔板上的多孔管。6.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的脉动衰减设置包括至少一层多孔板，上面至少有一个可以与脉动陷阱进口阀门异步关闭或开启的阀门，即脉动陷阱进口阀门开启它关闭，而脉动陷阱进口阀门关闭则它开启。7.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秀保，
申请(专利权)人：黄秀保，
类型：发明
国别省市：