[发明专利]带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机

说明书

技术领域

本发明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。 

背景技术

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年发明以来，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(德国工程师温克尔发明的)。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。