CN101680349A - 内燃机、车辆、船舶以及用于内燃机的排气方法 - Google Patents

Abstract

通过应用一种增大排气速度的方法提供一种新型内燃机。内燃机1包括分支部分21，所述分支部分21用于分支以高于排气36的速度传播的振动波35并用于引导所述振动波，反射部分21b设置在所述分支部分21中。所述反射部分21b反射所述振动波35并将其传回到排气通路16中，并使得振动波35与排气36碰撞，从而增大排气36的压力。随着排气36经过收敛扩散形喷嘴31的扩散部分33，产生在排气通路16中沿下游方向传播的新振动波，并且增大排气36的温度和压力。

Description

内燃机、车辆、船舶以及用于内燃机的排气方法

技术领域

本发明涉及内燃机、车辆、船舶以及用于内燃机的排气方法。

背景技术

一般地，为了提高内燃机的性能，已经对内燃机的排气装置进行了改进。例如，如专利文献1所述，已经提出包括收敛扩散形喷嘴(一般称为“渐缩渐阔喷嘴”)的内燃机以提高清洁效率。喷嘴包括收敛部分、扩散部分和喉部，收敛部分的流路截面积随着流体前进而减小，扩散部分相对于收敛部分设置在下游并且其流路截面积随着流体前进而增大，喉部设置在收敛部分和扩散部分之间。当收敛部分的压力P0与扩散部分的压力P的压力比(即P/P0)小于临界压力比(对于空气而言约为0.528)，流速超过扩散部分中的声速。专利文献1的目的是通过使用这种喷嘴来提高清洁效率。具体地，如专利文献1的图1所示，直列六缸内燃机的六个排气口汇聚成一个汇聚排气管道。此外，其排气通路被设定为长度适于提高清洁效率，并且，在汇聚排气管道的排气口处，设置有喷嘴。专利文献1描述了流经喷嘴并因而速度增加的排气流，其吸收残留在汇聚排气管道内的排气，并因而能够提高清洁效率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本早期公开实用新型文献No.1-76520。

发明内容

本发明所要解决的技术问题

本发明者已经研究了使用如专利文献1所述的收敛扩散形喷嘴的功能的内燃机。在研究内燃机时，本发明者发现当排气速度增大到声速从而产生振动波时，振动波上游区域中的压力减小。本发明者意识到通过减小振动波上游区域中的压力而在排气通路中产生负压可提高内燃机的性能。然而，因为更进一步地研究专利文献1，本发明者发现即使由于收敛扩散形喷嘴的作用而使得排气速度变大，由于下列原因在汇聚排气管道的位于喷嘴上游的部分中也不能产生负压。在专利文献1中描述的内燃机是六缸内燃机并且每隔120°曲轴角时爆燃。从而，在排气通路中每隔120°产生压力波。总体上，内燃机的排气口打开的角度(操作角度)约为240°。在专利文献1描述的内燃机中，气缸口在其上游的位置处汇聚成一个收敛扩散形喷嘴。从而，在一个气缸的排气口打开时，其余气缸中的至少一个的排气口也打开。在一个气缸的排气口关闭之前，将要发生下一爆燃的气缸的排气口打开并产生下一压力波。为此原因，汇聚排气管道内经常处于正压状态。即使收敛部分中的压力P0与扩散部分中的压力P的压力比(即P/P0)减小到低于临界压力比，并且排气速度超过扩散部分中的声速，汇聚排气管道内总是处于正压状态。因而，内燃机的性能并不能像希望的那样完全得到改善。因而，内燃机的性能并不能完全像希望的那样得到改善。

本发明考虑到这种情形，其目的是提供一种新颖的内燃机，通过应用收敛扩散形喷嘴的原理而提供改善的性能。

解决技术问题的技术手段

作为为了解决上述技术问题的一种手段，考虑将扩散部分连接到位于其上游的仅有的一个燃烧室。由于这种布置，不可能在一个气缸的排气口打开时在另一气缸的排气口中产生的压力波行进到与已经打开的排气口相连接的排气通路中。从而，在排气通路的位于扩散部分上游的部分中交替地产生正压和负压。然而，已经发现由此结构，由于下列原因以及下面的问题而在排气通路中不能产生较大的负压。一个问题是当排气口打开时燃烧室中产生的振动波在到达扩散部分的上游端之前衰减。另一问题是在排气流到达扩散部分的上游端之前在排气通路中流动的相对于振动波具有一个延迟的排气的压力衰减。由于这些原因，即使振动波或者排气到达扩散部分的上游端，收敛部分中的压力P0和扩散部分中的压力P的压力比也不会小于临界压力比。从而，流经排气通路的流体的速度不会超过声速，因而不能起到收敛扩散形喷嘴的作用。

根据本发明的内燃机包括：具有排气口的燃烧室；用于打开或关闭所述排气口的排气阀；和具有排气通路的排气装置，所述排气通路用于引导从所述燃烧室经由所述排气口排除的排气。所述排气装置包括收敛部分、扩散部分和分支部分，所述收敛部分在下游端处的流路截面积小于在上游端处的流路截面积，所述扩散部分设置在所述收敛部分下游处并且在下游端处的流路截面积大于在上游端处的流路截面积，所述分支部分用于使来自于所述排气通路的位于所述扩散部分上游的部分的振动波分支，所述振动波在所述排气通路中沿下游方向传播的速度高于当排气口打开时从燃烧室流入到所述排气通路中的排气的速度，并且所述分支部分将经过分支的振动波回传到所述排气通路，所述扩散部分连接到设置在所述扩散部分的上游的仅有的一个燃烧室中。使得从所述燃烧室流入到所述排气通路中的排气流经所述收敛部分并与传播到所述分支部分中的振动波在所述分支部分和所述扩散部分之间碰撞，从而增大收敛部分中排气的压力。使得排气经过扩散部分而产生新振动波，从而由所产生的新振动波在排气通路中在扩散部分上游中产生负压。

发明的技术效果

根据本发明，所述扩散部分连接到位于其上游的仅有的一个燃烧室，并且所述分支部分还设置在所述排气通路的位于所述扩散部分上游的部分中。因而，在排气管道中以比当排气口打开时从所述燃烧室流入到所述排气通路中的排气的速度更高的速度传播的振动波从所述排气通路的位于所述扩散部分上游的部分分支，并在所述分支部分中延迟后再传回到所述排气通路中，并且与具有一个延迟的流动的排气碰撞。从而，排气的压力增大。此外，由于排气经过所述扩散部分，所述排气的压力增大。由于排气经过所述扩散部分，产生沿下游方向传播的新振动波。由于在所述排气通路的位于所述扩散部分上游的部分中交替地产生正压和负压，并且新振动波上游的压力减小，所以在所述排气通路的位于所述扩散部分上游的部分中产生较大的负压。这能够提高内燃机的性能。

附图说明

图1示出了根据实施例1的内燃机的排气装置的结构，并且是排气通路等的横截面视图。

图2示出收敛扩散形喷嘴的结构。

图3示出收敛扩散形喷嘴的压力比和马赫数之间的关系。

图4提供了示出振动波和排气的行进状态的排气通路的横截面视图；(A)示出排气行程的初始状态，(B)示出振动波行进到分支部分的状态，(C)示出分支部分反射的振动波与排气碰撞的状态。

图5是排气通路等的示意图，示出排气通路中振动波行进的路线以及排气通路中排气行进的路线。

图6是基于由条纹照相法拍摄的收敛扩散形喷嘴内部图像绘制的示意图。

图7是示出当振动波加速时排气速度和排气压力之间关系的示意图。

图8是示出当振动波加速时排气速度和排气温度之间关系的示意图。

图9提供表示抽吸损耗的P-V曲线图，(A)示出传统内燃机的P-V曲线图，(B)示出根据本发明的内燃机的P-V曲线图。

图10示出了根据实施例2的内燃机的结构，并且是其排气通路等的横截面视图。

图11示出了根据实施例3的内燃机的结构，并且是其排气通路等的横截面视图。

图12示出了根据实施例4的内燃机的结构，并且是其排气通路等的横截面视图。

图13示出排气速度和排气压力之间的时序关系。

图14示出排气压力和排气温度之间的时序关系。

图15示出船舶内包括内燃机安装到艇外电机内的实例。

图16示出内燃机包括内燃机安装到摩托车内的实例。

具体实施方式

经过积极的研究，本发明者发现通过应用收敛扩散形喷嘴并使用传统上未知的下述方法能够在排气通路中产生较大的负压。本发明者发现这能够提高内燃机的性能。

方法如下。(1)对于在排气之前的振动波进行分支；(2)经过分支的振动波受到延迟，使得振动波与排气碰撞，从而增大排气的压力；(3)经过增压的排气经过扩散部分而被加速到超音速，从而产生振动波；和(4)在排气通路的位于扩散部分上游的部分中产生负压。

<实施例1>

下面，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例的内燃机。在下面的描述中，术语“上游”和“下游”分别表示沿流体(例如排气)流动方向的上游和下游。

如图1所示，内燃机1包括缸体3和气缸盖4。在缸体3和气缸盖4中形成燃烧室10。内燃机1是四冲程汽油发动机。内燃机1可以是气冷型或水冷型。气缸盖4具有形成于其内的进气通路的下游部分6和排气通路16的上游部分7。气缸盖4容纳用于打开或关闭进气口8a的进气阀8、用于打开或关闭排气口9a的排气阀9、用于驱动进气阀8和排气阀9等的阀驱动机构(未示出)等。在该实施例中，一个燃烧室10设置有进气通路的一个下游部分6和排气通路的一个上游部分7。或者，一个燃烧室可设置有多个进气口8a、多个排气口9a、多个进气阀8、多个排气阀9、进气通路的多个下游部分6和排气通路的多个上游部分7。用于喷射燃料的喷射器2连接到气缸盖4。尽管未示出，气缸盖4还设置有火花塞。

尽管未示出，节气阀位于进气通路内。节气阀可手动操作或电气控制。

排气装置5包括第一排气管道12、第二排气管道13、第三排气管道14和排气室15，其以此顺序从上游位置朝向下游位置依次连接。排气装置5具有形成于其内的排气通路16。第一排气管道12经由固定螺栓11连接到气缸盖4。第二排气管道13连接到第一排气管道12的下游端。第二排气管道14连接到第二排气管道13的下游端。第三排气管道14和排气室15形成为一体。

在排气装置5内，设置有第一催化剂17和第二催化剂18。第二催化剂18位于第一催化剂17下游。第一催化剂17和第二催化剂18之间具有空间。

消音器(未示出)连接到排气室15的下游端。流入到排气室15内的排气经过消音器然后排出到外部。排气室15设置有氧气浓度传感器19，用于检测排气中的氧气含量。

控制装置——ECU 20基于内燃机1的转速、节气阀的开度角、由氧气浓度传感器19检测的排气中的氧气含量等来控制从喷射器2喷射的燃料量、使得火花塞点火的时机等。在此实施例中，ECU 20控制从喷射器2喷射的燃料量，使得例如被吸入到内燃机1中的混合气体的空/燃比为理论空/燃比。

排气装置5包括支管22。支管22具有形成于其内的分支部分21。支管22的一端连接到排气通路16，其另一端封闭。支管22的封闭端用作用于反射稍后描述的振动波的反射部分。在此实施例中，支管22与第一排气管道12形成为一体。或者，支管22可与第一排气管道12分开形成并固定到其上。例如，第一排气管道12和支管22可焊接到一起或通过紧固部件(未示出，例如螺栓等)彼此固定。分支部分21形成为在封闭端具有比其连接到排气通路16的一端更大的流路截面积，但是分支部分21的形状不限于图1所示的情形。例如，分支部分21可具有如图1所示的室形状，可具有管道形状，其中所述管道具有恒定的流路截面积并具有封闭端，或者其形状在封闭端可具有比其连接到排气通路的一端更小的流路截面积。分支部分21的入口(即连接到排气通路16的部分)的尺寸为允许在排气通路16中传播的振动波被分支并在稍后描述的分支部分21中传播。

分支部分21的下游处，设置有收敛扩散形喷嘴(一般称之为“渐缩渐阔喷嘴”)31。如图2所示，收敛扩散形喷嘴31具有收敛部分32、扩散部分33和喉部34，收敛部分32的流路截面积随着流体前进而减小，扩散部分33相对于收敛部分32设置在下游并且其流路截面积随着流体前进而增大，喉部34设置在收敛部分32和扩散部分33之间并且流路截面积最小。在图2中，箭头表示流体前进的方向。收敛扩散形喷嘴31将排气通路16中流动的排气的速度从次音速加速到超音速。参见图2，收敛部分32上游端处的流路截面积A1、喉部34处的流路截面积A2、扩散部分33下游端处的流路截面积A3满足下列关系A1＞A2并且A2＜A3。在此实施例中，收敛部分32和扩散部分33的流路截面积每个都沿流动方向以恒定的速率变化。收敛部分32和扩散部分33的形状未作特殊的限定。收敛部分32和扩散部分33可形成为像火箭所采用的喷嘴那样具有逐步变化的流路截面积的形状，或者可以形成为具有平滑曲线的形状。

在此实施例中，扩散部分33经由排气通路16连接到设置在扩散部分33上游的仅有的一个燃烧室10。从而，从形成于仅有的一个燃烧室10中的排气口9a排出的排气36流入到扩散部分33中。

收敛扩散形喷嘴31形成为满足下面的表达式(1)和(2)表示的条件。由于流入到喉部34中的排气速度达到1马赫(即为声速)，扩散部分33中的排气33能够加速到超音速。

[表达式1]

$\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dx}}=\frac{\mathrm{\&Lambda;}}{1-M^2}---\left(1\right)$

[表达式2]

$\mathrm{\&Lambda;}\&equiv;M[1+\frac{\mathrm{\&gamma;}-1}{2}{M}^2][\frac{{\mathrm{\&gamma;M}}^2}{2}\left(\frac{4f}{D}\right)-\frac{1}{A}\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dx}}]---\left(2\right)$

在这些表达式中，表达式(1)表示在伴随有粘性摩擦的主流中排气管道的形状和马赫数之间的关系。表达式(2)表示了表达式(1)中的A。在这些表达式中，M表示马赫数，A表示排气管道在任一截面处的横截面积，D表示排气管道在任一截面处的直径，γ表示指定的热比，x表示沿流动方向的距离，f表示摩擦系数。

通过具有上述结构的收敛扩散形喷嘴31，当收敛部分32中流体的全压力P0与扩散部分33中流体的静态压力P之间的压力比(即P/P0)小于临界压力比(＝0.528，即图3中的C点)时，流体的速度在喉部中为声速，在扩散部分33中为超音速。图3示出收敛部分32中流体的全压力P0与扩散部分33中流体的静态压力P之间的压力比(即P/P0)和每个压力比时流经扩散部分33的流体的速度。当增大扩散部分32的全压力P0以使P/P0小于临界压力比时，收敛扩散形喷嘴31中的速度可以是超音速。

当收敛扩散形喷嘴31中的速度达到超音速时，产生沿扩散部分33的下游方向中传播的振动波和沿扩散部分33的上游方向传播的膨胀波。从而，在沿排气通路16的下游方向传播的振动波和沿排气通路16的上游方向传播的膨胀波之间的流体急剧膨胀，于是流入排气通路16的排气压力能够减小。因而，通过由绝热膨胀引起的绝热冷却效应，排气温度能够急剧地降低。经过积极的研究，本发明者意识到结合收敛扩散形喷嘴31和分支部分21的情形。

现在将参照图4中(A)到4中(C)描述用于将排气变成低压和低温状态的方法。在图4中(A)到4中(C)中，与图1或图2相同或等同的元件具有相同的附图标记。

如图4中(A)所示，当内燃机1的排气冲程中排气口9a打开时，高压排气36从燃烧室10经由排气口9a喷射到排气通路16的上游部分7中。在排气口9a开始打开的时候，燃烧室10和排气通路16的上游部分7之间的压力差较大。从而，排气36的速度变成声速，于是在排气通路16的上游部分7中产生振动波35。当排气口9a的开度角增大时，流入到排气通路16中的排气36的量增大但是排气36的速度减小。排气36的速度还随着排气36在排气通路16中的前进而减小。如图4中(A)所示，振动波35在排气通路16中沿下游方向传播。同时，排气36在排气通路16中沿下游方向行进，相对于振动波35具有延迟并且速度较低。

如图4中(B)所示，在排气通路16中行进的振动波35在分支部分21的入口21a处分成在排气通路16中传播的振动波和在分支部分21中传播的振动波，然后这些振动波分别在排气通路16和分支部分21中行进。在排气通路16中传播的振动波35在经过收敛扩散形喷嘴31后衰减并消失。经过比较，在分支部分21中传播的经过分支的振动波35由分支部分21的反射部分21b反射并返回到排气通路16中。

从排气口9a打开并且产生排气36直到排气36到达分支部分21的入口21a的时间设定为T1。从排气口9a处产生振动波35直到振动波35由分支部分21的反射部分21b反射并到达分支部分21的入口21a的时间设定为T2。当满足T1≤T2时，如图4中(C)所示，振动波35和排气36在分支部分21的入口21a的下游的位置处彼此碰撞。分支部分21的长度使得由分支部分21反射的振动波35和排气36在分支部分21的入口21a处彼此碰撞。

如图5所示，从排气口9a的中心9ac到在分支部分21的入口21a处流路截面中心线X的距离设定为Le，从排气通路16的流路截面中心线Y到反射部分21b的距离设定为Ls。排气36的速度设定为Ve，振动波35的传播速度设定为Vs。在此情形下，从排气口9a打开直到排气36到达分支部分21的入口21a的时间T1由表达式(3)表示。从排气口9a打开直到振动波由分支部分21的反射部分21b反射并到达排气通路16的中心线Y的时间T2由表达式(4)表示。

T₁＝Le/Ve...(3)

T₂＝(Le+2Ls)/Vs...(4)

当T₁等于或小于T₂(T₁≤T₂)时，经过反射的振动波35和排气36在分支部分21的入口21a的下游的位置处彼此碰撞。具体地，当Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs时，振动波35和排气36在分支部分21的入口21a的下游的位置处彼此碰撞。为了方便，例如排气36的最大速度可以被认为是速度Ve，或者排气36的平均速度可以被认为是速度Ve。类似地，例如，振动波35的最大传播速度可以被认为是传播速度Vs，或者振动波35的平均传播速度可以被认为是传播速度Vs。

如图5所示，从分支部分21的入口21a处流路截面中心线X到收敛扩散形喷嘴31的扩散部分33的上游端的距离设定为Ld，从排气阀9打开直到排气阀9关闭的时间设定为tv。从排气口9a打开直到排气36的尾端到达扩散部分33的上游端的时间T3由表达式(5)表示。从排气口9a打开直到振动波由分支部分21的反射部分21b反射并到达扩散部分33的上游端的时间T4由表达式(6)表示。

T₃＝tv+(Le+Ld)/Ve...(5)

T₄＝(Le+2Ls+Ld)/Vs...(6)

当T₄等于或小于T₃(T₄≤T₃)时，在排气36进入喉部34之前，振动波35和排气36能够彼此碰撞。具体地，当(Le+2Ls+kd)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve时，在排气36进入喉部34之前，振动波35和排气36能够彼此碰撞。

在分支部分21的入口21a与反射部分21b之间的距离Ls相当短时，振动波35在分支部分21中的衰减受到抑制。例如，距离Ls可以比距离Ls短。

通过使得振动波35和排气36在入口21a的下游以及扩散部分33的上游的位置处彼此碰撞，能够增大流入排气通路中的排气36的压力。在此发生时，收敛扩散形喷嘴31的入口上游的全压力P0增大。从而，入口上游的全压力P0与喉部34下游的静态压力P之间的压力比(即P/P0)低于临界压力比0.528。因而，排气36在喉部34中的速度达到声速。

图6是基于由条纹照相法拍摄的收敛扩散形喷嘴内部图像绘制的示意图。由于排气36的速度达到声速，在收敛扩散形喷嘴31中产生新振动波。新振动波35b在经过收敛扩散形喷嘴31的扩散部分33时加速。如图6所示，当产生振动波35b时，产生与振动波35b反向行进的膨胀波35c。由于振动波35b在扩散部分33加速，并且由于与振动波35b反向行进的膨胀波35c，振动波35b和膨胀波35c之间的排气36的压力显著降低到等于或小于由绝热膨胀引起的绝热冷却效应产生的大气压力。

图7和图8示出本发明者进行的模拟的结果。图7示出紧接着在收敛扩散形喷嘴31中产生新振动波35b之后在排气通路16中的各点的排气速度和排气压力。图8示出紧接着在收敛扩散形喷嘴31中产生新振动波35b之后在排气通路16中的各点的排气速度和排气温度。在收敛扩散形喷嘴31中产生新振动波35b之后，振动波35b在扩散部分33中加速。在此发生时，如图7和图8所示，排气的速度急剧增大，同时排气的压力和温度急剧减小。图7和图8示出排气的速度但并未示出振动波的传播速度。在图7和图8中，收敛扩散形喷嘴31的喉部34设定为较长。在由分支部分21反射的振动波35碰撞排气36后，振动波35在喉部34中在排气36之前传播。此时，在排气36和振动波35a之间产生绝热膨胀，因而压力减小。从而，排气36由振动波35吸住而流入喉部34中，不会减小其速度。从而，通过根据内燃机设定具有恒定流路截面积的喉部34的长度，能够根据内燃机设定振动波35b将要在扩散部分33中加速的时机，换言之，排气的压力和温度将要降低的时机。

如上所述，与现有技术相比，根据该实施例的内燃机1能够显著地降低排气通路16中排气的温度和压力。根据该实施例的内燃机1在扩散部分33上游仅有一个燃烧室10，并因而与现有技术中的不同，不受其它气缸中排出的排气的影响。通过以此方式降低排气的温度和压力，能够例如如下所述地提高内燃机1的性能。

在此实施例中，排气36在排气通路16中的温度在第一催化剂17上游能够降低。从而，防止第一催化剂17和第二催化剂18的温度降低过多。在第一催化剂17和第二催化剂18为三元催化剂的情形下，当温度过高时，出现被称为“烧结”的现象从而降低清洁效率。然而，在此实施例中，能够有效地防止出现这种烧结现象。由于在此实施例中即使在高负载状态中驱动内燃机时仍然能够防止出现这种烧结现象，所以燃料能够以理论空/燃比燃烧。从而，排气36能够由第一催化剂17和第二催化剂18有效地清洁。换言之，在此实施例中，能够提高清洁效率，这是内燃机1的一个性能。在此实施例中，两个催化剂在排气通路16中部串联设置，但是本发明不限于此。可以有一个催化剂或三个或更多个催化剂。多个催化剂可并联设置。

通过在此实施例中显著地减小排气的压力，能够减小内燃机1的抽吸损耗。排气通路16中排气的压力显著降低。因而，内燃机1的活塞(未示出)在排气冲程中被拉向排气通路16，即朝向上死点，于是，在排气冲程中驱动活塞所需要的功减小。

下面将参照图9对此进行更详细地描述。图9中(A)示出传统内燃机的P-V曲线图，图9中(B)示出根据本发明的内燃机1的P-V曲线图。在此实施例中，如图9中(B)所示，由封闭的曲线所环绕的区域出现在内燃机的排气冲程上死点附近(由点划线所环绕的区域)。由封闭曲线所环绕的区域相当于内燃机1所做的功。即，当排气的压力由于在扩散部分33中产生振动波35b而显著减小时，活塞由排气拉动，这使得内燃机1在排气冲程中做正功。

<实施例2>

根据本发明，由于在排气通路中排气压力减小，二次空气容易被供应到排气通路16中。因而，如图10所示，用于供应二次空气的空气通路71能够设置在排气通路16中。除了结构上的差异，实施例2与实施例1完全相同。因此，实施例2中的详细描述通过对实施例1的图1到图9的详细描述来提供。

空气供应管道72连接在支管22和第一排气管道12中收敛扩散形喷嘴31之间。空气供应管道72的前端延伸到排气通路16内。空气出口73在空气供应管道72的前端处形成为缝隙状。由于这种结构，空气供应管道72能够将空气供应到排气通路16的较大区域内。

空气供应管道72的上游端经由引导阀74和空气量控制阀75连接到内燃机外部。引导阀74防止排气从空气供应管道72流到内燃机外部。引导阀74构造为由排气通路16中产生的负压打开，并使得空气朝向空气供应管道72的空气出口73流动。空气量控制阀75设置为用于将空气量调节到内燃机1的驱动状态。空气量控制阀75包括致动器、伺服电机和螺线管等。空气量控制阀75的开度角由ECU20控制。空气供应管道72可连接到内燃机1的进气通路。

当节气阀的开度角小于预定角度时，ECU 20使得空气量控制阀75关闭或者进一步减小节气阀的开度角。预定角度预设并存储在ECU 20中。当节气阀的开度角大于预定角度时，ECU 20增大空气量控制阀75的开度角。由此可见，空气量控制阀75的开度角随着节气阀的开度角增大或减小。空气量控制阀75的设置允许空气以合适的流率供应到排气通路16中而不会过量或缺少。空气量控制阀75不是绝对必需的并且可以省略。

在此实施例中，空气能够通过排气通路16中产生的负压有效地供应到排气通路16中。负压显著地高于不包括收敛扩散形喷嘴31或支管22的一般内燃机中的压力，即在一般内燃机中压力明显较低。即使内燃机1的转速增加到高于最大输出时的转速，由于收敛扩散形喷嘴31的作用产生负压的现象也仍然持续。从而，在此实施例中，即使内燃机1的转速变高时，也能有足够量的空气供应到排气通路16中。在传统的内燃机中，在高转速或高负载状态时在排气通路中不产生负压，因而使用大型泵来强制地供应空气。相反，在此实施例中，足够量的空气能够供应到排气通路16中而不使用单独的装置(例如空气泵等)来将空气强制地供应到排气通路16中。

待供应到排气通路16中的空气的温度基本上等于外部空气的温度，并明显低于排气的温度。从而，在此实施例中，排气的温度能够由于大量供应到排气通路16中的具有较低温度的空气进一步降低。而且在此实施例中，大量空气能够供应到第一催化剂17的上游。从而，即使所喷射的燃料量增大而造成内燃机1的空/燃比小于理论空/燃比时，含有使空/燃比等于理论空/燃比的同等含量的氧气的排气能够供应到第一催化剂17中。从而，在此实施例中，能够由于使得内燃机1的空/燃比小于理论空/燃比并因而降低燃烧温度而进一步降低排气的温度。此外，由于空/燃比小于理论空/燃比，可以由额外的燃料来冷却燃烧室10附近区域中的元件(例如进气阀8、排气阀9、阀座、活塞等)。从而，能够提高内燃机1的可靠性。

<实施例3>

在实施例3中，支管22用作二次空气供应管道的一部分。如图11所示，与空气供应管道72连接的引导阀74连接到支管22。除了结构上的差异，实施例3与实施例1完全相同。因此，实施例3中的详细描述通过对实施例1的图1到图9的详细描述来提供。引导阀74用作支管22的反射部分21b。在此实施例中，空气供应通路71经由分支部分21与排气通路16连通。空气供应管道72可以位于排气通路16与支管22的连接部分以及支管22的末端部分之间。

在此实施例的排气装置5中，当排气阀9打开时，引导阀74关闭。从而可由引导阀74反射振动波。当由于收敛扩散形喷嘴31的作用在排气通路16中产生负压时，引导阀74打开，并且空气能够经由分支部分21供应到排气通路16中。而且在此实施例中，足量的空气能够供应到排气通路16中。

在此实施例中，不需要形成与分支部分21单独操作的通路。从而，在此实施例中的排气装置5的成本比使用专用分支部分21的排气装置5(即实施例2中的排气装置5)的成本低。

<实施例4>

如图12所示，在实施例4中，支管22用作收敛扩散形喷嘴的一部分。除了结构上的差异，实施例4与实施例1完全相同。因此，实施例4中的详细描述通过对实施例1的图1到图9的详细描述来提供。在实施例1和2中，收敛部分32、喉部34和扩散部分33形成为排气通路16的一部分，排气通路16位于分支部分21的下游。然而，经过继续积极地研究，本发明者发现具有简化结构但提供同样效果的结构。在此实施例中，为了产生行进的振动波35b(新振动波)，设置分支部分21用于反射并将振动波传播回到排气通路16中。从另一方面考虑该分支部分21，排气通路16的流路截面积在分支部分21的位置处增大并在该位置下游后减小。换言之，收敛部分32和喉部34由分支部分21形成于排气通路中。在排气通路16的位于分支部分21的入口21a上游的部分的流路截面积A5基本上等于排气通路16的位于分支部分21的入口21a下游的部分的流路截面积A7的情形下，具有下列关系。如图12所示，排气通路16的位于分支部分21的入口21a上游的部分的流路截面积A5与分支部分21的流路截面积A4之和大于排气通路16的位于分支部分21的入口21a下游的部分的流路截面积A7。具体地，A4+A5＞A7。因此，可以认为收敛部分32和喉部34形成于入口21a下游。从而，通过仅仅在入口21a下游提供扩散部分33，能够足以形成收敛扩散形喷嘴31。A6表示扩散部分33的流路截面积，并且A7＜A6。入口21a和扩散部分33之间的部分是喉部34。如在此所示，喉部34可以沿着流动方向较长。收敛部分32和扩散部分33的流路截面积不限于沿下游方向平滑变化，并可逐步地变化。

在实施例1到4中，内燃机1由下述方法将排气设定在低压和低温状态。燃料在燃烧室10中燃烧。用于打开或关闭燃烧室10的排气口9a的排气阀9被打开，以从燃烧室10将排气36排出到排气通路16中。产生在排气通路16中传播的振动波35，其速度高于排气速度36。至少振动波35的一部分从排气通路16被分支，并且经过分支的振动波35传回到排气通路16中使得振动波35与排气碰撞，从而增大排气的压力。排气通路16的流路截面积减小以增大排气36的压力。即，通过使排气在排气通路16的沿下游方向流路截面积减小的部分中流动而增大排气的压力。此外，通过增大排气通路16的流路截面积增大排气36的速度。即，通过使排气在排气通路16的沿下游方向流路截面积增大的部分中流动而增大排气的速度。产生在排气通路16中沿下游方向传播的新振动波35b，从而在排气通路16中形成负压区域。通过由绝热膨胀引起的绝热冷却效应，使得排气处于低压和低温状态中。从而，即使在高负载或高速状态驱动内燃机1，也能够使得排气处于低压和低温状态中。

现在将参照图13和图14更详细地描述用于内燃机的上述排气方法。图13示出排气通路16中排气速度和排气压力之间的时序关系。图14示出排气通路16中排气压力和排气温度之间的时序关系。图7中示出的波形表示当振动波如图13中(C)所示加速时排气速度和排气压力之间的关系。图13中(A)和图14中(A)示出紧接着排气口打开后相应的关系。图13中(B)和图14中(B)示出紧接着排气和振动波在分支部分21下游彼此碰撞后相应的关系。图13中(C)和图14中(C)示出当振动波在扩散部分33中正被加速时相应的关系。图13中(D)和图14中(D)示出振动波被加速后相应的关系。

在此实施例中用于内燃机的排气方法如下。

1)燃料在燃烧室10中燃烧。通过打开燃烧室10中的排气口9a，排气从燃烧室10流入排气通路16中，并且还产生以高于排气的速度在排气通路16中传播的振动波。图13中(A)示出紧接着排气口9a打开后的排气速度和排气压力。如图13中(A)所示，当排气口9a打开时，排气口9a附近区域中排气的压力变得高于大气压力。图14中(A)示出紧接着排气口9a打开后的排气压力和排气温度。如图14中(A)所示，通过接收燃烧热而排气的温度变得非常高。

2)分支部分21从排气通路16分支在排气通路16中传播的振动波的至少一部分。分支部分21的反射部分21b反射经过分支的振动波。经过反射的振动波在分支部分21中传播并再次返回到排气通路16中。经过反射的振动波与排气通路16中流动的排气碰撞，这增大了排气的压力。在收敛部分32中排气通路16的流路截面积减小，这增大了排气的压力。可能首先出现的是，或者由于振动波和排气的碰撞而使得排气压力增大，或者由于流路截面积的减小而使得排气压力增大。具体地，振动波和排气的碰撞可能出现在收敛部分32中排气压力增大之前或之后。图13中(B)示出紧接着排气压力增大后的排气速度和排气压力。如图13中(B)所示，在收敛部分32附近区域中，排气压力高于图13中(A)的时刻。在收敛部分32上游，排气速度高于图13中(A)的时刻。图14中(B)示出紧接着排气压力增大后的排气压力和排气温度。如图14中(B)所示，与图14中(A)的时刻相比，排气口9a附近区域中的排气温度更低，但在收敛部分32的上游的排气温度更高。

3)在扩散部分33中排气通路16的流路截面积增大以减小排气的压力。当排气压力减小到等于或小于临界压力比时，产生在排气通路16中沿下游方向传播的新振动波。当振动波产生时，同时产生沿上游方向传播的膨胀波。新振动波在扩散部分33中加速。从而，位于在排气通路16中沿下游方向行进的振动波和在排气通路16中沿上游方向行进的膨胀波之间的流体急剧膨胀。这能够减小在排气通路16中流动的排气压力。从而，在排气通路16中能够产生负压区域。在这一点上，通过由于绝热膨胀引起的绝热冷却效应，能够减小振动波上游的排气温度。图13中(C)示出当振动波在扩散部分中正被加速时的排气速度和排气压力。如图13中(C)所示，从图13中(B)的时刻起，在扩散部分33上游，排气压力急剧减小而变成负压。与此同时，扩散部分33上游的排气速度急剧增大。图14中(C)示出当振动波在扩散部分33中正被加速时的排气压力和排气温度。如图14中(C)所示，从图14中(B)的时刻起，随着扩散部分33上游的排气压力减小，排气温度急剧降低。

图13中(D)示出振动波加速后的排气速度和排气压力。如图13中(D)所示，在图13中(C)时刻，扩散部分33上游的排气压力减小的影响甚至施加的收敛部分32上游的排气口9a上。从而，排气压力在排气口9a的附近区域中也变成负压。图14中(D)示出振动波加速后的排气压力和排气温度。如图14中(D)所示，由于在排气口9a的附近区域中也变成负压，在排气的附近区域中排气温度也能够急剧降低。这还能够冷却排气阀9并抑制其性能降低。

如图14所示，在扩散部分33下游的排气温度不会变化太多。换言之，由于在图14中(A)中示出的排气口9a的附近区域中的高温排气由扩散部分33中的绝热冷却效应所冷却，能够防止扩散部分33下游的排气温度发生变化。

在图13和图14示出的实例中，在扩散部分33下游设置第一催化剂17和第二催化剂18。由于能够防止扩散部分33下游的排气温度如上所述地变化，能够防止经过第一催化剂17和第二催化剂18的排气温度变得过高。即使内燃机1在高负载和高转速范围内驱动，这也可防止催化剂烧结。

用于供应二次空气的二次空气供应通路连接到产生负压的区域时，二次空气能够供应到排气通路。具体地，如图13中(C)和图13中(D)所示，在振动波35b加速后，在扩散部分33上游产生负压区域。从而，通过连接扩散部分33上游的二次空气供应通路，二次空气能够供应到排气通路16中。

<其它实施例>

对于根据本发明的内燃机的应用目的没有限制。根据本发明的内燃机例如应用于例如摩托车的车辆或安装在船舶上的艇外电机。本发明可应用于任一种内燃机。

图15示出具有根据本发明的内燃机安装在其上的船舶。具体地，图15示出具有两个艇外电机101的船舶100，每个艇外电机上都安装有根据本发明的内燃机1。艇外电机101连接到船舶100的船尾103并能向前驱动船舶。每个艇外电机101的排气通路设置在水面下，并且排气从排气通路排除到水中。图16示出具有根据本发明的内燃机安装在其上的车辆。具体地，图16示出内燃机1位于主体中心的摩托车200。对于根据本发明的内燃机的应用目的没有限制。

上述每个实施例中的内燃机1包括一个用于一个燃烧室10的排气装置5。或者，一个燃烧室10可设置多个排气装置5。根据本发明的内燃机可以是多缸发动机，只要扩散部分连接到扩散部分上游的仅有的一个燃烧室。例如，在两缸发动机中，各个气缸可具有单独的排气通路，并且在每个气缸中可设置用于反射振动波的分支部分和扩散部分。即使在三缸或更多缸的发动机中，各个气缸也可具有单独的排气通路，并且在每个气缸中可类似地设置用于反射振动波的分支部分和扩散部分。由于这种结构，即使在多缸发动机中，也可减小每个排气通路中扩散部分上游的排气压力，而不受到其它缸中排气的影响。

在实施例1中，通过加速收敛扩散形喷嘴中的振动波，在振动波上游产生负压，并且能够由绝热膨胀引起的绝热冷却效应降低排气压力以及排气温度。在实施例1中，收敛部分和扩散部分中具有流路截面积恒定的部分。通过根据内燃机在收敛部分和扩散部分之间设定具有恒定流路截面积的部分的长度，能够根据内燃机设定振动波将要在扩散部分中加速的时机，换言之，排气的压力和温度将要降低的时机。

在实施例2中，设置用于将二次空气供应到排气通路中的空气通路。从而，通过使用在振动波上游产生负压，能够将二次空气有效地供应到排气通路中。这有效地降低了排气温度。在催化剂位于收敛扩散形喷嘴下游时，能够降低经过催化剂的排气温度。例如这能够防止催化剂烧结。

在实施例3中，空气供应到分支部分21中。从而，不形成专用作分支部分21的通路。为此原因，与使用专门的分支部分21的实施例1和实施例2相比，成本降低并且能够提高设计的自由度。

在实施例4中，能够由简化的结构产生新振动波。

附图标记说明

1     内燃机

5     排气装置

9     排气阀

9a    排气口

10    燃烧室

16    排气通路

21    分支部分

21a   分支部分的入口

21b   反射部分

31    收敛扩散形喷嘴

32    收敛部分

33    扩散部分

34    喉部

35    振动波

35c   膨胀波

36    排气

101   艇外电机

200   摩托车

Claims (7)

1.一种内燃机，包括：

燃烧室，其具有排气口；

排气阀，其用于打开或关闭所述排气口；和

排气装置，其具有排气通路，用于引导从所述燃烧室经由所述排气口排出的排气；

其中：

所述排气装置包括：

收敛部分，其流路截面积在其下游端小于其上游端；

扩散部分，其设置在所述收敛部分下游，并且其流路截面积在其下游端大于其上游端；以及

分支部分，其用于从所述排气通路的位于所述扩散部分上游的部分分支在所述排气通路中沿下游方向传播的振动波，所述振动波的传播速度比所述排气阀打开时从所述燃烧室流入所述排气通路中的排气的速度高，并将经过分支的振动波传回到所述排气通路中；

所述扩散部分连接到设置在所述扩散部分的上游的仅有的一个燃烧室中；

使得从所述燃烧室流入到所述排气通路中的排气流经所述收敛部分并与传播到所述分支部分中的振动波在所述分支部分和所述扩散部分之间碰撞，从而增大所述收敛部分中排气的压力；和

使得排气经过所述扩散部分而产生新振动波，从而由所产生的新振动波在所述排气通路中在所述扩散部分上游中产生负压。

2.一种内燃机，包括：

燃烧室，其具有排气口；

排气阀，其用于打开或关闭所述排气口；和

排气装置，其具有排气通路，用于引导从所述燃烧室经由所述排气口排出的排气；

其中：

所述排气装置包括：

收敛部分，其流路截面积在其下游端小于其上游端；

扩散部分，其设置在所述收敛部分下游，并且其流路截面积在其下游端大于其上游端；以及

分支部分，其从所述排气通路的位于所述扩散部分上游的部分分支，并具有能够反射振动波的反射部分；

所述扩散部分连接到设置在所述扩散部分的上游的仅有的一个燃烧室中；

所述排气阀打开时从所述燃烧室排出的排气速度为Ve，在所述排气通路中传播的所述振动波的传播速度为Vs，所述排气口和所述分支部分的入口之间的距离Le以及所述分支部分的入口与所述反射部分之间的距离Ls满足下列关系：

Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs；并且

从所述排气口打开直到所述排气口关闭的时间为tv，所述分支部分的入口和所述扩散部分之间的距离Ld满足下列关系：

(Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve。

3.如权利要求1或2所述的内燃机，其中，所述排气通路还包括位于所述收敛部分和所述扩散部分之间的具有恒定流路截面积的部分。

4.一种用于内燃机的排气方法，包括下列步骤：

在燃烧室中燃烧燃料；

打开所述燃烧室的排气口以将排气从所述燃烧室排出到排气通路中并产生在排气通路中以高于所述排气的速度传播的振动波；

至少振动波的一部分从所述排气通路被分支，并且经过分支的振动波传回到所述排气通路中使得振动波与排气碰撞，从而增大排气的压力；

使得排气流入到所述排气通路的其下游部分流路截面积小于其上游部分流路截面积的部分中，从而增大排气的压力；

使得排气流入到所述排气通路的其下游部分流路截面积大于其上游部分流路截面积的部分中，从而产生在所述排气通路中沿下游方向传播的新振动波，以在所述排气通路中产生负压区域；

5.一种车辆，包括如权利要求1或2所述的内燃机。

6.一种船舶，包括如权利要求1或2所述的内燃机。

7.一种内燃机，其采用如权利要求4所述的排气方法。

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