帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機制造技術

帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，減少氣流脈動、噪音、振動危害和排氣系統尺寸，提高發動機循環效率且不需要出口脈動減振器。總的來說，帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機在排氣口之前，將氣流脈動誘到脈動陷阱內予以泄壓和衰減，這樣在排氣口排氣時，氣流已無脈動。容積式內燃機的旁支脈動陷阱，包括一氣缸，上有進氣口，排氣口和兩者間的工作腔。還包括與工作腔并聯的脈動陷阱腔，其內有多種氣流脈動衰減設置，或氣流脈動隔離設置。在氣缸機殼上至少有一個泄壓口（陷阱進口）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。本專利披露相關的原理、實現方法和最佳設置。

【技術實現步驟摘要】
帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機
本專利技術通常與各種容積式內燃機領域相關，細屬用于容積式內燃機的旁支脈動陷阱，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。
技術介紹
容積式內燃機，俗稱活塞式發動機，是一種通過在氣缸內燃燒燃油，進而產生高溫高壓來推動活塞運動并做功的機械裝置，自130年專利技術以來，容積式內燃機作為動力源，已被廣泛地應用于幾乎生活中所有的各種各樣的應用，尤其是移動式應用，如用于拖拉機，汽車，輪船和小型飛機的驅動，或用于家用割草機或打邊機的動力，等等。容積式內燃機通常分為兩類：即基于燃油或循環可分為汽油機（奧托循環）和柴油機（狄塞爾循環），基于每個循環中的沖程數可分為4-沖程和2-沖程，基于運動形式則可分為往復和旋轉式（如溫克爾）。容積式內燃機的出氣端若不加消音器會產生很高的噪音，通常在100-180分貝，遠遠高于國家制定的噪音標準，已成為現代社會滋擾家庭生活質量和工作效率的重要干擾和污染之一。容積式內燃機將燃油燃燒的內能轉換為軸功率。它的工作原理是依靠燃氣燃燒的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動形式，容積式內燃機可分為“往復式”和“旋轉式”兩大類。前者的運動部件進行往復運動，通常有4-沖程或2-沖程，如奧托汽油機和狄塞爾柴油機，后者的運動部件做單方向回轉運動，如溫克爾內燃機(德國工程師溫克爾專利技術的)。盡管容積式內燃機種類繁多優缺點各異，但都含有一個可用閥門控制進氣時機的進氣口，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性的，且步驟和順序及結構都大致相同，如圖3a展示了不同類型的4-沖程傳統容積式內燃機的通用奧托循環過程，即：吸氣→壓縮→燃燒→膨脹→泄壓→排氣→消音降噪；圖3b在P-V空間展示了真實奧托循環的不同相及簡化后的理想循環過程，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則顯示了以上循環的流程圖，而圖3d為一典型容積式內燃機被抽象成一活塞25和氣缸20所形成的工作腔37，其排氣口38串接催化轉化器3和消音器5（或脈動減振器）。奧托循環容積式內燃機的工作原理是，當活塞在氣缸內向下運動時，氣缸內的工作容積逐漸增大，這時空氣和霧狀燃油的混合體從進氣口推開進氣閥門進入氣缸（對柴油機，則只有空氣進入），直到工作容積變到最大時為止，此過程由圖3a-3b中0→1表示；然后進氣閥關閉，壓縮過程（圖3a-3b中1→2）開始，活塞由曲柄驅動反向向上運動，氣缸容積絕熱縮小，混合氣體壓力升高，當氣缸容積達到最小時，火花塞點燃觸發燃燒過程（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→1）開始，壓力突然下降而容積不變，之后為排氣過程（圖3a-3b中1→0），所有氣體從排氣口等壓排出氣缸，然后出氣閥關閉，進氣閥再打開，啟動下一循環，如此周而復始。而排出的氣體進入串接的催化轉化器和消音器，最終排到大氣中。4-沖程容積式內燃機需要兩轉來完成以上描述的一個循環，而2-沖程則只需一轉來完成一個循環。現實中許多汽油機和柴油機的循環都是以上理想奧托循環的稍微修改，如狄塞爾循環的燃燒過程中，燃燒不是對油氣混合氣體用火花塞系統點燃，而是直接向壓縮后的高溫氣體直接噴油引起自燃，所以狄塞爾循環的燃燒過程是等壓，而不是奧托循環的等容燃燒過程。另外較有名的循環是艾金森循環和密勒循環，兩者的壓縮和膨脹過程不再是對稱的，而是修改了進出氣閥門的開關時機以提高燃燒效率。從本質上說，所有容積式內燃機將原本連續的氣流分成一個個與氣缸工作腔大小相同的不連續的流體團，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燃機的固有屬性，其頻率一般較低，對2-沖程為轉速/60，對4-沖程為轉速/120，而脈動大小則與排氣時工作腔內與排氣口處（也稱系統背壓）的壓力差相關。通常當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遠大于進口端，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）或催化轉化器和消音器很容易產生疲勞破壞，并誘發系統振動和噪音。為了控制容積式內燃機排氣端的氣流脈動，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合式為主，內有空腔、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20-55dB，但也有明顯的缺點，如在消音器內有流動損失，其大小與脈動的衰減大小成正比，數值可達0.1-0.3Bar，直接影響內燃機輸出功率和整車燃油效率（至今在20-30%），為此有些應用（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。但是越來越嚴格的環保排放標準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的誕生。另外，現有串接消音器自身的體積重量和成本，其板焊結構和額外的表面本身使其會產生很大的振動并輻射噪音，并且其內部結構受氣流脈動的作用導致自身產生疲勞破壞，均是應該改進的。本專利技術的目的是為了解決以上種種困惑內燃機工業界100多年的現實問題，本專利技術另辟它徑：從一種全新的氣流脈動機理入手（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波的相互作用的新觀點，圖3d展示了傳統容積式內燃機在排氣口突然打開，即泄壓過程開始那一瞬間所激發的膨脹波和壓縮波向工作腔和出口端傳播的新機理圖，并在此基礎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，這樣就消除了傳統串接脈動減振器所產生的壓力損失，使得內燃機效率和安全可靠性更好，同時又大大減少系統的體積重量和成本。
技術實現思路
因此，本專利技術的第一個目的是提供一種嶄新和獨特的容積式內燃機旁支脈動陷阱的設計與結構，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯，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。本專利技術的另一個目的是提供一種嶄新和獨特的容積式內燃機旁支脈動陷阱的設計與結構，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯，減少排氣背壓并提高燃油循環效率。本專利技術的另一個目的是提供一種嶄新和獨特的容積式內燃機旁支脈動陷阱的設計與結構，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯為一體，取代傳統串接消音器，減小排氣系統的體積。本專利技術的另一個目的是提供一種嶄新和獨特的容積式內燃機旁支脈動陷阱的設計與結構，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯，氣缸排氣口氣流已沒有脈動，進而減少排氣系統所有零件的疲勞破壞，提高其壽命。本專利技術的另一個目的是提供一種嶄新和獨特的容積式內燃機旁支脈動陷阱的設計與結構，它與由氣缸和活塞所形成的工作腔并聯，可以在寬廣的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，其特征在于,它包括：a.至少一氣缸，上有進氣口，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燃機的氣缸排氣口相連接；b.安裝在氣缸內的活塞，在做功循環中，由氣缸和活塞所形成的工作腔內的氣體燃燒膨脹來對外做功；c.旁支脈動陷阱，包括與氣缸并聯的機殼形成脈動陷阱腔，其內有多種氣流脈動衰減設置，或氣流脈動隔離設置；在工作腔機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燃機能夠在源頭減少氣流脈動，噪音和振動危害，提高燃油循環效率而且不需要外接脈動減振器。

【技術特征摘要】
2011.09.17 US 61/535,9891.一種帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，其特征在于,它包括：a.至少一氣缸，上有進氣口，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燃機的氣缸排氣口相連接；b.安裝在氣缸內的活塞，在做功循環中，由氣缸和活塞所形成的工作腔內的氣體燃燒膨脹來對外做功；c.旁支脈動陷阱，包括與氣缸并聯的機殼形成脈動陷阱腔，其內有多種氣流脈動衰減設置；在工作腔機殼上至少有一個泄壓口即陷阱進口，它位于氣缸排氣口之前以及氣流脈動衰減設置的上游，連接工作腔和脈動陷阱腔，在脈動陷阱腔機殼上至少有一個反饋出氣口即陷阱出口，它位于氣缸排氣口之后以及氣流脈動衰減設置的下游，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燃機能夠在源頭減少氣流脈動，噪音和振動危害，提高燃油循環效率而且不需要外接脈動衰減設置。2.如權利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，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束時打開，在排氣沖程剛剛開始前關閉。3.如權利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，其特征在于,所述的泄壓口形狀為等橫截面積，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.如權利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，其特征在于,所述的脈動衰減設置包括至少一層多孔板。5.如權利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，其特征在于,所述的脈動衰減設置包括至少一個隔板和至少一個隔板上的多孔管。6.如權利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容積式內燃機，其特征在于,所述的脈動衰減設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口閥門異步關閉或開啟的閥門，即脈動陷阱進口閥門開啟它關閉，而脈動陷阱進口閥門關閉則它開啟。7.如權利要求1所述的帶有旁支脈動陷阱的容...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃秀保，
申請(專利權)人：黃秀保，
類型：發明
國別省市：