CN102996277B - 带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机 - Google Patents

Abstract

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。

Description

带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机

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。

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。

本发明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，本发明另辟它径：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。

发明内容

因此，本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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，可以在宽广的内燃机速度和载荷范围内实现以上的各个目的。

为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:

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。

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。

所述的泄压口形状为等面积形状，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。

所述的脉动减震设置包括至少一层多孔板，或其它可吸收波动并将其转化成热能的材料。

所述的脉动减震设置包括至少一个隔板和至少一个隔板上的多孔管。

所述的脉动减震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。

所述的脉动减震设置包括至少一个亥姆霍兹共振腔。

所述的脉动减震设置包括至少一个亥姆霍兹共振腔，与之并联至少有一层多孔板或其它可以提供阻力的材料。

所述的脉动减震设置包括至少一个亥姆霍兹共振腔，与之并联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。

所述脉动隔离设置包括至少一个安置在陷阱出口的控制阀门。

所述脉动隔离设置包括至少一个安置在陷阱出口的控制阀门以及脉动陷阱内

至少一层多孔板，或其它可吸收波动并将其转化成热能的材料。

安置在陷阱出口的控制阀门是单向阀，如簧片阀。

所述的控制阀门是同步阀，如旋转阀，提升阀，或是套筒阀，同步定时为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。

所述的阀门是旋转阀。

所述的阀门是提升阀。

所述的阀门是套筒阀。

所述的脉动陷阱腔的泄压口，至少有一层多孔板，或其它类似的可吸收波动并将其转化成热能的材料。

本发明的有益效果是:本发明提供的有独特性和新颖性的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，能够减少气流脉动，噪音和振动危害，提高燃油循环效率而不需要外接脉动减振器。

这些和其它新颖性以及本发明的目的，将通过以下有关示图和文字详细描述、讨论和权利要求而更为清晰。

附图说明

参考有关图示的目的仅仅是为了说明，但不限于图示，现说明如下：

图1是一个激波管原理图，表示内部隔膜突然打开前的压力分布和突然打开后所激发的流动、波动和压力分布，也是本发明的脉动机理图；

图2是一个典型的容积式内燃机的分类图，图中显示现有的容积式内燃机的各种类型，均为本发明对象的一部分；

图3a(已有工艺)显示一个4-冲程传统容积式内燃机的工作循环；

图3b(已有工艺)显示P-V图上实际和理想奥托循环中的各个过程；

图3c(已有工艺)显示传统容积式内燃机的工作循环的流程图；

图3d(已有工艺)是图3a中泄压过程的瞬间放大图，展示在排气阀突然打开时所激发的膨胀波和压缩波同时向工作腔和排气系统下游的传播；

图4a展示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机的新工作循环；

图4b展示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机在P-V图上理想奥托循环的修正；

图4c展示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机新的循环流程图；

图4d是本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机在图4a中绝热泄压过程的瞬间放大图，展示在排气阀突然打开时所激发的膨胀波和压缩波同时向工作腔和脉动陷阱腔的传播；

图5a是局部剖面图，表示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机的一个最佳实现方案：在脉动陷阱腔内使用阻式脉动衰减器，如多孔板；

图5b是本发明另一个最佳实现方案：在脉动陷阱腔内使用抗式脉动衰减器；

图6a是本发明另一个最佳实现方案：在脉动陷阱腔进口使用阻式衰减器；

图6b是一个剖面图，显示脉动陷阱腔进口使用的阻式脉动衰减器的两种设计：多孔板和微孔板；

图6c是一个剖面图，表示本发明旁支脉动陷阱所使用的多孔板的几种形状；

图7是局部剖面图，表示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机的另一个最佳实现方案：使用共振腔；

图8为局部剖面图，表示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机的另一个最佳实现方案：在脉动陷阱出口处使用同步定时阀门来隔离；

图9a到9d为局部剖面图，展示用于本发明旁支脉动陷阱的几种阀门处于开或关的状态，分别为：旋转阀，簧片阀，提升阀和套筒阀。

具体实施方式

尽管下面将参照有关图示来描述本发明的具体实现方案，但应该理解，这里的实现方案仅仅是作为例子和说明，而根据本发明的原理可以实现的其它方案则有很多种。很明显，对于熟悉这些工艺的人，在本发明范畴内的各种各样的变化和修改，将被认为属于本发明的精神、范围和考虑之列，这将在附加的权利要求中进一步明确。

另外需要指出的是，尽管有关图示和描述采用的是4-冲程往复奥托循环汽油机来描述本发明容积式内燃机的具体实现方案，其原理和精神也可以用于旋转式，如温克尔发动机，燃料也适用于柴油或其它油，或其它的冲程，如2-冲程，5-冲程或6-冲程。同样原则还适用于修改后的奥托循环，如狄塞尔循环，艾金森循环或密 勒循环。最后，此原理也适用于容积式膨胀机或气动发动机，不同之处在于使用压缩气体，而不是燃烧气体来产生轴功。

作一个简短介绍，参考图4a到4b，这里展示的是加有旁支（并联）脉动陷阱（图中4→1’）的4-冲程奥托循环汽油机修改后的循环原理图，其膨胀做功终点由4延伸到1’，而P-V图上增加的面积A411‘4为同样燃油消耗量时所增加的输出功。脉动陷阱的策略是：在气流到达气缸排气口之前，将气流脉动诱到脉动陷阱内并予以衰减，这样在排气口排气时，气流已无脉动。图3c-3d显示的是最常用的传统串接消音或衰减脉动方法，它的脉动衰减发生在气缸排气口之后，即脉动衰减器与工作腔排气口串联连接；而本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机的脉动衰减则发生在气缸排气之前，脉动衰减器（即脉动陷阱）与工作腔并联连接。相对于传统做功循环，两者的进气压缩和膨胀做功冲程仍相同，但泄压排气和脉动衰减冲程的次序则反了过来。参考图4a到4b，在膨胀做功刚刚完毕（图4b中点4）而排气冲程还没有开始中间，加了个绝热泄压到脉动陷阱的冲程4→1’，使气流脉动在排气冲程之前，在脉动陷阱腔内得到衰减。这样在排气口排气时，气流已无脉动，所以不再需要串接脉动衰减器，因而也就没有脉动衰减器所带来的流动损失，使得排气背压减少，燃油循环效率进一步提高。

结构上，本发明容积式内燃机的旁支脉动陷阱，包括一活塞和气缸，气缸上有气流进口，气流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）将脉动陷阱腔与容积式内燃机的气流排气口相连接。

本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，减少气流脉动，噪音和振动危害，减少排气背压并提高燃油循环效率而不需要外接脉动减振器。总的来说，带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机在排气口排气之前，将气流脉动通过气缸上的泄压口（陷阱进口）诱到脉动陷阱内予以衰减，这样在气缸排气口排气时，气流已无脉动。

图3a-3d显示的是最常用的传统循环及串接衰减脉动方法，它的脉动衰减发生在气缸排气口之后，脉动衰减器与活塞和气缸所形成的工作腔排气口串联连接； 而本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机的脉动衰减则发生在气缸排气之前，参考图4a到4d，脉动衰减器（即脉动陷阱）与活塞和气缸所形成的工作腔并联连接。相对于传统做功循环，两者的进气压缩和做功冲程仍相同，但泄压排气和脉动衰减冲程的次序则完全不同。脉动陷阱在气缸上有个泄压口（即陷阱进口），连接工作腔和脉动陷阱腔，并且有一个反馈出气口（即陷阱出气口），将脉动陷阱腔与容积式内燃机的排气口相连接。脉动陷阱腔内有气流脉动衰减设置，它在气流排出气缸排气口之前，将气流脉动先诱到脉动陷阱内予以衰减，而不是传统做功循环在气流排出气缸排气口之后再予以衰减，这样在气缸排气口排气时，气流已无脉动。如图4b和4d所示，在工作腔突然向脉动陷阱腔打开的瞬间，由于工作腔和脉动陷阱腔之间存在压力差（图4b中压差Δp₄₁，因为脉动陷阱腔与内燃机出口连接，故压力接近），根据激波管理论，此时在陷阱进口会激发出一系列的波和流动。所产生的膨胀波将向高压的工作腔传播并释放气缸内的压力，而与此同时产生的压缩波将向低压的陷阱腔内传播，并在那里被脉动减震设置所阻挡并衰减。因为波的传播速度是活塞线速度的5-20倍，波动衰减可以很快完成，即陷阱进口开启只需在排气口打开之前一点点即可，目标是在气缸排气口排气时，气流脉动在脉动陷阱内已衰减完毕。图4d展示了脉动陷阱进口突然打开所激发的压缩波和膨胀波分别向脉动陷阱腔和工作腔传播的瞬间，以及脉动衰减之后气缸排气口打开排气时已无脉动。

本发明带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机的脉动衰减与传统的排气口串联连接的衰减器或消音器的差别在于排气和脉动衰减的时间先后：不像传统方法那样等到排气口排气之后再衰减（工作腔和脉动衰减是串联关系），旁支脉动陷阱方法则将脉动衰减提前到排气前，在气缸排气口前的泄压口即开始泄压过程（将图4b中压差Δp₄₁去掉），这样赢得了充分的时间，而且泄压和脉动衰减同时进行，即工作腔和脉动衰减是并联关系。

这样做有几个好处。首先，脉动流得以从主流中分离出来，对脉动流的衰减治理将不影响气缸中的主流，而串接衰减器中脉动流和主流则是混合在一起的，脉动流的衰减也直接影响主流，致使总的流动损失增加，效率下降。第二，旁支脉动 陷阱离脉动源头近，并可以与气缸连为一体，真正在源头来控制气流脉动及所诱生的噪音和振动，使其体积小重量轻，取代了传统外接消音器。

参考图4d，这里显示的是一个典型的为实现本发明带有旁支脉动陷阱50的容积式内燃机10的最佳方案。本发明带有旁支脉动陷阱50的容积式内燃机10通常包括一气缸体20，上有气流进口（没显示），气流排气口38，气缸内的活塞25和工作腔37。气缸体20和机壳28并联形成脉动陷阱腔51，其内有多种气流脉动衰减设置43。在气缸体20和机壳28间至少有一个泄压口41（陷阱进口）连接工作腔37和脉动陷阱腔51，至少有一个反馈出气口48（陷阱出口）将脉动陷阱腔51与容积式内燃机的气流排气口38相连接。

作为本发明一个重要的新颖性和独特性，容积式内燃机10的气缸体20与旁支脉动陷阱50并联。如图4d所示的最佳方案中，旁支脉动陷阱50包括组成缸体的气缸体20和并联机壳28，两者之间形成脉动陷阱腔51，其内有气流脉动衰减设置43，或气流脉动能量回收或隔离设置（未显示）。气缸体20上的泄压口（陷阱进口）41将工作腔37和脉动陷阱腔51连接，而气缸体20上的反馈出气口（陷阱出口）48则将脉动陷阱腔出口51与气缸20的气流排气口38相连接。如图4d所示，在活塞25压缩即将完毕时，陷阱进口41突然开启，即工作腔37突然向脉动陷阱腔51打开，由于两者间存在压力差（即压差Δp₄₁），根据激波管理论，此时在陷阱进口41会激发出一系列的波动和流动。所产生的膨胀波和诱生的脉动流将传向高压的工作腔37并释放其中的压差，而与此同时产生的压缩波将朝相反方向的低压陷阱腔51内传播，并在那里被脉动衰减设置43所阻挡并衰减。在图4d上图中，小箭头53表示脉动流或反馈流的流向如下：由工作腔37通过陷阱进口41进入陷阱腔51，经过脉动衰减设置43，衰减后到陷阱出口48，最后释放到气流排气管38。图4d下图中，箭头则表示活塞25的运动方向和工作腔37内主流排气方向。

当传统容积式内燃机10配有本发明旁支脉动陷阱50时，它可以减少气流脉动，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。

旁支脉动陷阱50的工作原理如下。参照图4d和图5a，旁支脉动陷阱50的进气和压缩和膨胀做功冲程与传统容积式内燃机相同（参见图3a-3b），但泄压排气和 脉动衰减冲程的次序则完全不同。如图4d所示，传统的脉动衰减要等到气缸排气口38打开后进行，而脉动陷阱在气缸机壳20上额外有个泄压口（陷阱进口）41，会在排气口38打开之前开启，即此时气缸排气口38仍关闭。当工作腔37突然向脉动陷阱51打开时，如果两者间没有压差（即压差Δp₄₁=0），根据激波管理论，这时不会产生脉动，即工作腔37与脉动陷阱腔51之间没有脉动流产生。但如果两者间存在压力差，即工作腔37内压力大于脉动陷阱51的压力时，这时会在陷阱进口41处激发出一系列的波和流动。所产生的压缩波和脉动流将向低压的陷阱腔51内传播，并在那里被脉动衰减设置43所阻挡并衰减，而与此同时产生的膨胀波将向高压的工作腔37内传播并释放其压差。为了增加脉动衰减速率，可以在脉动陷阱腔51内部或腔壁上使用一些吸音材料或设置，使得陷阱内的波动尽快转换成热。因为波的传播速度是活塞25线速度的5-20倍，波动衰减可以在瞬间内完成，因而在气缸排气时与出口38之间已无压差，即气流已无脉动，因此不再需要串接出口脉动衰减器。

另外，在工作腔37突然向脉动陷阱腔51打开的瞬间，在陷阱进口41处也会激发出脉动流。根据激波管理论，诱发的流体速度可以很大，大到接近或超过音速，所以有必要在泄压口采用不同形状的喷嘴来适应流速的需要。图6c展示了几种喷嘴：孔板61或收敛式喷管63或拉法尔喷管65（先收敛再扩展），可以使用一个或数个，喷管比孔板能增加高速流动时的流量和效率，拉法尔喷管65则可超音速。同样，当脉动陷阱51内的衰减设置43是多孔板时，通过孔洞的诱发流体速度可以很大，这时也可以使用比孔板61流动损失更小的喷管63和65来提高反馈流流量和效率，其几何形状如图6所示，数量上可以使用一个或多个。单向流动喷管63和65的方向设置为反馈流方向相同。

图5展示了本发明容积式内燃机10带有旁支脉动陷阱50的两种最佳实现方案：图5a显示了脉动陷阱内使用阻式衰减的一种-多孔板设置43来衰减脉动，而图5b则显示了脉动陷阱内使用抗式衰减设置44来衰减脉动，抗式衰减设置内的隔板45可以是一个或多个，隔板45上并有一个或多个多孔管46，以形成多级多次衰减。

图6a展示了本发明容积式内燃机10另一种带有旁支脉动陷阱60的最佳实现方案：在脉动陷阱进口41使用阻式衰减66。阻式衰减66也称为喉部衰减器，因为此处 横截面积最小，犹如喉部，也是脉动的源头。图6b显示衰减方法可以是多孔板67，或微孔材料69。喉部衰减器66可以提供额外的脉动衰减，减小膨胀波向工作腔37内传播的脉动，或减小压缩波向脉动陷阱腔51内传播的脉动。

图7展示了本发明容积式内燃机10另一种带有旁支脉动陷阱70的最佳实现方案：使用亥姆霍兹共振腔71来减少脉动。理论上，亥姆霍兹共振腔使用四分之一波长在共振腔内互相抵消的原理，对单一频率的脉动衰减很有效。因为容积式内燃机的脉动频率与转速直接相关，在定转速时频率单一。此最佳实现方案中，由脉动陷阱进口41产生的单一频率脉动，可由与之邻近的亥姆霍兹共振腔71来衰减，亥姆霍兹共振腔71也可与减振器43一并使用。

图8展示了本发明容积式内燃机10另一种带有旁支脉动陷阱80的最佳实现方案：使用控制阀门86来隔离脉动的传播。图8展示只有一个阀门的设置，或阀门86和脉动衰减设置43并用。此最佳实现方案的工作原理利用了在泄压时陷阱腔内波动和反馈流体运动有个时间差的特点，使用单向阀86在不同的时间或让流体通过或阻挡波动传播。图8中的上图展示了隔离波动过程，这时陷阱进口41对工作腔37打开而陷阱出口48处阀门86关闭；同样，下图展示了让反馈流体通过的过程，这时陷阱出口48处阀门86打开。阀门86可以是满足以上功能的任何形式的单向或可以定时控制的阀门，图9给出几种阀门的例子，如旋转和簧片阀门，即提升阀和套筒阀。此最佳实现方案的隔离过程工作原理如图8显示，在工作腔37突然向脉动陷阱51打开的瞬间，产生的膨胀波将向工作腔37内传播，而与此同时产生的压缩波将向陷阱腔51内传播，由于此时位于陷阱出口的阀门86处于关闭状态，陷阱腔内的压缩波被有效的隔离在脉动陷阱腔51内，通过多次反射来消耗其脉动能量。随着陷阱腔51内的压力逐渐降低，阀门86会再次打开，驱动反馈流流出陷阱腔51，使其内的压力不断降低到排气口压力，这时阀门86再关闭。通过这样不断的与活塞运动同步开启和关闭阀门41和86，脉动能量可以被有效的隔离在陷阱腔51内并衰减掉，进而达到治理脉动的目的。图8也显示了脉动陷阱51内可选择性加入衰减设置43，以便更为有效的衰减脉动。

由上可见，本发明提供的有独特性和新颖性的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，能够减少气流脉动，噪音和振动危害，提高燃油循环效率而不需要外接脉动减振器。

当然，本发明并没有特意拘限于任何特别的形式或配置，或者任何具体的实现方式及任何特指的使用，此中所透露的，在没有离开本发明申请的如上文所示并描述的精神或范围情况下，同样的实质在各种各样的细节或者关系上可能被改变。这里展示的装置或方法仅仅是为了说明和披露一种实现的最佳形式，而非展示所有本发明可能被实现或操作的不同形式或改动。

充分依照专利法律法规，本发明已经有相当多的细节描述，以提供至少有关它体现形式之一的公开技术信息披露。但是，这样的详细描述并无意图从任何方面去限制本发明的那些广泛的特征或者原理。

Claims (21)

1.一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亥姆霍兹共振腔。

8.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亥姆霍兹共振腔，与之并联至少有一层多孔板。

9.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亥姆霍兹共振腔，与之并联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。

10.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,所述脉动衰减设置包括至少一个安置在陷阱出口的控制阀门。

11.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,所述脉动衰减设置包括至少一个安置在陷阱出口的控制阀门以及脉动陷阱内至少一层多孔板。

12.如权利要求10或11所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,安置在陷阱出口的控制阀门是单向阀。

13.如权利要求12所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于，所述单向阀是簧片阀。

14.如权利要求10或11所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的控制阀门是同步阀，同步定时为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。

15.如权利要求14所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于，所述同步阀是旋转阀。

16.如权利要求14所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于，所述同步阀是提升阀。

17.如权利要求14所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于，所述同步阀是套筒阀。

18.如权利要求2或6或9所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的阀门是旋转阀。

19.如权利要求2或6或9所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的阀门是提升阀。

20.如权利要求2或6或9所述的带有旁支脉动陷阱的容积式内燃机，其特征在于,所述的阀门是套筒阀。

21.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,所述的脉动陷阱腔的泄压口，至少有一层多孔板。