CN1249331C - 往复式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种包括一个排气系统的往复活塞式发动机(2)，该排气系统包括：一个与一个消声器(10)连通的排气管(8)，消声器的上游区(11)在通过其中的气流方向上是发散的；一个氧化催化转化器(12)；一个在催化转化器和消声器的上游位置与排气管相连通的供空气管(14)。供空气管(14)包括一个适于在压力差作用下开启以使空气流入排气管的簧片阀(16)。为了最大化流入排气管的空气量，利用排气管内的压力脉冲效果，并且为了这个目的使3L2-(2L1+L2)的值在±0.25m到0.5m之间，其中L1是从在排气管(8)和供空气管(14)的轴线相交处的第一相交点测量的排气管(8)的接合处到所述消声器(10)上游区(11)在气流方向上沿其长度的中间一点之间的距离，L2是从簧片阀(16)到所述第一相交点之间的供空气管(14)的长度。

Description

往复式发动机
技术领域
本发明涉及四冲程往复式发动机，更具体是涉及二冲程往复式发动机，同时所涉及种类的发动机包括：一个排气系统，该排气系统包括一个与一个消声器连接的排气管，消声器的上游处沿通过其中的气流方向是发散的；一个或多个氧化催化转化器；一个在催化转化器和消声器的上游位置与排气管相连的供空气管。
背景技术
二冲程发动机的尾气通常含有丰富的未燃烧的碳氢化合物，即机油和汽油，和一氧化碳，这是不完全燃烧的结果和通常用空气/油混合物进行燃烧空间冲洗。为了防止向大气中排放过多碳氢化合物，通常在排气系统中设置氧化催化转化器，其目的是将碳氢化合物和一氧化碳氧化成二氧化碳和水。
但是，通常尾气气流中的氧气不足以完全氧化所有的碳氢化合物和一氧化碳。此外，大量的物质氧化使得催化转化器内温度极高，并因此使其性能逐渐恶化，缩短其使用寿命。
因此已知设置一个在催化转化器上游一点与排气管相连的供空气管，目的是为氧化目的提供附加氧气和冷却催化转化器。由US-A-5902971已知这样一种发动机，其中供空气管连接在一个由曲轴箱内的压力脉冲操纵的、并向排气系统提供必要的空气的隔膜/膜片泵。但是隔膜泵却在相当程度上增加了发动机的重量、成本和复杂程度。由US-A-5887424还已知一种发动机，其中通过喷射装置或夹带效果向消声器内导入空气。这既在相当程度上增加了消声器的复杂程度，同时还意味着排气系统必须设计成使得空气的夹带程度最大化，而不是发动机的效率。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种带有向排气系统提供空气的装置的二冲程发动机，它成本低廉、重量轻、效率高，特别是不使用泵或喷射装置，同时使得可以从最大化发动机效率的角度设计排气系统。
根据本发明，上述类型的发动机中的供空气管包括一个适用于在一压力差作用下开启以允许空气流入排气系统的簧片阀，L2和(2L2+L1)之差在0.25和0.5m之间，最好是在0.3和0.4m尤其是在0.35和0.4m之间，其中L1是从在排气管和供空气管的轴线相交处的第一相交点测量的排气管的接合处到所述消声器上游发散部分沿在气流方向上的长度的一个中间点之间的距离，L2是从簧片阀到所述第一相交点之间的供空气管长度。
本发明基于以下认知，即排气系统中的压力变化剧烈，当发动机的气缸或每个气缸的内室在废气排放开始时一开始与排气系统相连时，所形成的压力波会被反射并在排气系统内引起压力局部短暂下降至一低于大气压的压力值，例如最大可低至-1000毫巴或更常见的低至-400毫巴，例如-100到-300毫巴。这样的低于大气压的压力就足以使一簧片阀开启并使得少量空气流过簧片阀。因此供空气管就设置有一个通过减小作用在其上压力脉冲可周期性地开启的簧片阀。
但是还发现，单独配置一个簧片阀还不足以将足够的空气导入排气系统，同时导入的空气量取决于排气系统特定尺寸之间的关系。下面将对这一点作详细的说明。
在使用中，当废气在发动机的气缸或每个气缸的每个工作循环开始流入排气管时，一个正压力波基本上以声速通过排气管。当这个波到达与供空气管的接合处时，它同时沿排气管和供空气管传递。
当继续朝消声器方向前进的第一个正波到达位于消声器上游端的圆锥状的散流区时，它被渐进地反射回来，但是其形式却是负压力波，这是因为消声器的横截面积固有地大于排气管的横截面积。反射正波的平面因此在气流方向上沿圆锥状散流区有效地位于中央位置。当该负压力波遇到供空气管的接合处时即沿供空气管向上传播。当该被称为第一负压力波的负压力波到达簧片阀时，会使簧片阀开启一个短时段，由此使得空气进入排气管。
朝簧片阀继续前进的第二正波被簧片阀以正波的形式朝排气管反射回来。当它到达排气管时，它会发生膨胀并又被朝簧片阀反射回去，但是以负波的形式。当这个被称为第二负压力波的另一负波，到达簧片阀时，它会使簧片阀开启并引入空气。已经发现，如果两个负压力波的相位使得两个波基本上同时到达簧片阀或在簧片阀上基本上完全相互叠加，不仅只有相对少量的空气被导入，而且施加在簧片阀上的力足以破坏簧片阀。如果两个波在簧片阀上根本不发生叠加，则会造成阀在很短的时间内开启两次，许多波的能量被消耗在开启阀门上并造成相对少的空气流入供空气管。然而，如果这样调整两个波的相位，使其在簧片阀上略有叠加，则将在较长一段时间内保持簧片阀开启，即两个负波的持续时间之和，同时就有足够的空气被导入以实现希望的有利效果。两个负波的相对相位是由其所经过的距离决定的，即分别为3L2和2L1+L2。若以声速传播的波经过等于这两个距离之差的距离所需的时间略小于其中一个波的持续时间，则两个波就会在簧片阀上略有叠加。由于声速随温度变化，而且不同的管件具有不同的温度，上述距离应根据温度做出修正，即一般在供空气管内为30℃，而在排气管内为500℃。第一负压力波在第二负压力波之前或之后到达簧片阀并不重要，这就是一个的长度减去另一个长度得出的结果可能是正值也可能是负值的原因。
如果由消声器的散流区反射回来的负压力波在排气门/口开启时到达排气门或排气口，这会促进从气缸中有效地排出废气并从而促进提高给气比，并因此将提高发动机的输出功率。尽管这在一些应用中是希望得到的，但是本发明尤其可以在适用于小型发动机自行车或轻便摩托车的小型二冲程发动机上适用。有些国家的法律禁止这种发动机的输出功率大于一个规定的值。因此这种发动机通常都设有一个直径小于排气管且与排气管相连的谐振器盲管(blind resonator pipe)。该谐振器管与排气管在一个到消声器散流区中央的距离基本上等于谐振器长度的位置相连。在使用中，开启排气门而产生的正压力波又被从消声器以负波的形式反射回来，该负波朝排气门方向向回传播。但是该正波还沿谐振器管向上传播并被其封闭端依旧以正压力波的形式反射回来。该波重新进入排气管并也朝排气口方向传播。这样对谐振器管进行定位和确定其尺寸以使上述正波和负波同时到达排气口，由此正波会抵消负波的效果并不再具有对发动机输出功率的增强效果。
但是也可以，沿谐振器管被反射回来并沿排气管朝排气口方向传播的所述正波还会被再一次被反射回谐振器管，由于谐振器管的直径小于排气管，此时其形式却是负压力波。该负压力波被谐振器管的封闭端反射回来并进入排气管。然后它朝排气口并也朝簧片阀方向运动。被消声器反射回来的负压力波将会到达簧片阀，但由于它的效果被上述来自谐振器管的基本上同时到达簧片阀的正压力波所中和，它将不具有开启簧片阀的有利效果。但是如果来自上述谐振器管的负压力波到达簧片阀的时刻使其与上面不带有谐振器管的第一实施例中描述的第二负压力波略有重叠，则可以得到于前一个实施例同样的有利效果。为了达到这个效果，3L2-(L2+2L3+4L4)的值应该在+0.25m到+0.45m或-0.45m到-0.6m之间，或最好+0.15m到+0.35m或-0.35m到-0.5m之间，其中L2为从簧片阀到排气管轴线和供空气管轴线相交的第一相交点的供空气管长度，L3为第一相交点到谐振器管轴线和排气管轴线相交的第二相交点的距离，L4为从其封闭端到第二相交点的谐振器管的长度。当然这些距离也要根据其实际工作时所处的温度进行修正。同样两个压力波以何种顺序到达簧片阀并不重要，因此同样也存在两个可能的区间，一个压力波所经过的距离减去另一个压力波所经过的距离之差可以落入这两个区间内。
附图说明
下面通过对两个只是用于举例的实施例的借助附图的描述对本发明的其它特点和细节进行说明，其中
图1是一个根据本发明的二冲程发动机相关部分的高度示意性的视图，
图2是一个根据本发明的二冲程发动机的备选结构方案的类似视图。
具体实施方式
发动机包括一个曲轴箱，一个气缸体和一个气缸盖，它们不形成本发明一部分，且图1中整体上以参考标号2表示。气缸体限定一个或多个气缸，在气缸中分别安装有作往复运动的活塞。活塞通过各自的连杆连接到曲轴上。
一个包括一个其下游端连接有一个消声器10的排气管8的排气系统连接到发动机的排气口或每个排气口。消声器10具有一个上游锥状散流区11，在这种情况下其后面是一个圆柱部，然后是一个圆锥状的聚流区。消声器与废气被排放进入的大气相连。排气系统还包括一个在当前情况下位于消声器10内部的氧化催化转化器12。氧化催化转化器的用途是催化未燃烧的碳氢化合物和CO转化为水和CO2。一个供空气管14在发动机体/气缸盖和消声器10之间的位置与排气管8相连通，供空气管的直径小于排气管的直径。供空气管14包括一个正常情况下关闭，而当从排气管侧施加到其上的压力小于另一侧时则开启的被动簧片阀16。簧片阀16包括一个阀座15和一个阀瓣17。簧片阀通过一个包括一个空气过滤器4的供空气管14与大气相连通。
上面已经说明了排气系统中压力波的产生、反射和时间关系。不过，再进行一下简短地说明，距离L1是指消声器10的散流区11在气流方向上沿其长度的中间点与排气管8和供空气管14的接合处——测量时采用其轴线的交点——之间的距离。当排气口开启时，一正压力波沿排气管8向外传播。当它到达供空气管14时，压力波沿供空气管传播同时还沿排气管继续前进。第一正波沿供空气管向上传播，在簧片阀处被反射回来后，传播至排气管并又被反射回来进入供空气管，但却以负波的形式最终到达簧片阀。第二正波沿排气管传播并在消声器处在位于沿散流区11长度的中间处的平面上有效地、以负波的形式被反射回来。该负波沿排气管向回传播并在供空气管处一分为二。其中一个负波随后到达簧片阀。根据上面的公式确定两个到达簧片阀的负波所经过的距离之间的关系，以使它们到达簧片阀的时刻使略有重叠。这样每次排气门开启保持簧片阀开启一个单一而又较长的时间段，并且该时间段足够长使的足量的空气进入以充分冷却催化转化器和使得催化转化器基本上氧化废气中所有未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。
图2所示的备选设计方案中排气管附加地与一个由于上面说明的原因设有的谐振器管20相连通。谐振器管的长度基本上等于它到消声器的散流区的中点的距离，同时其直径小于排气管的直径。
当排气门开启时，一个正波沿排气管传播并在与供空气管的接合处一分为二。第一正波沿供空气管(来回)传播三次并最终以负波的形式到达簧片阀，与第一实施例的情况完全一致。第二正波沿排气管继续传播直至到达谐振器管并在此分为两个正波-称为第一和第二正波。第一正波沿排气管传播并被从消声器以负波的形式反射回来。第二正波沿谐振器管传播并在其封闭端被反射回来。当再次到达排气管时它发生分裂，它的一部分向排气门方向前进。但是，该部分与从消声器反射回来的负波一起前进，因此对气缸的废气排放没有影响。该第二正波还被反射回谐振器管，但其形式为负波。该负波被谐振器管的封闭端反射回来，然后进入排气管，并最终到达簧片阀。各不同的管结构的长度之间具有这样的相互关系，使得两个负波到达簧片阀的时刻又使该两个负波略有重叠，由此每次排气门开启时，簧片阀则开启一个单一的较长的时间段。

Claims (4)

1.一种包括一个排气系统的往复式发动机(2)，该排气系统包括：一个与一个消声器(10)连通的排气管(8)，消声器的上游区(11)在通过其中的气流方向上是发散的；一个设置在所述消声器内的氧化催化转化器(12)；一个在催化转化器和消声器的上游位置与排气管相连通的供空气管(14)，其中所述供空气管的直径小于所述排气管的直径，其特征为：供空气管(14)包括一个簧片阀(16)；该簧片阀适于在压力差作用下开启以使空气流入排气管(8)；和3L2-(2L1+L2)的值在±0.25m到+0.5m之间，其中L1是从在排气管(8)和供空气管(14)的轴线相交处的第一相交点测量的排气管(8)的接合处到所述消声器(10)上游区(11)在气流方向上沿其长度的中间一点之间的距离，L2是从簧片阀(16)到所述第一相交点之间的供空气管(14)的长度。
2.一种根据权利要求1的发动机，其特征为，3L2-(2L1+L2)的值在±0.35m到+0.4m。
3.一种包括一个排气系统的往复式发动机(2)，该排气系统包括：一个与一个其上游区(11)在通过其中的气流方向上是发散的消声器(10)连通的排气管(8)，一个氧化催化转化器(12)，一个在催化转化器和消声器的上游位置与排气管相连通的供空气管(14)，和一个其一端在消声器(10)和供空气管(14)之间的一点与排气管(8)相连通的而另一端是封闭的谐振器管(20)，其中所述供空气管的直径小于所述排气管的直径，而所述谐振器管的直径小于所述排气管的直径，其特征为：供空气管(14)包括一个簧片阀(16)；该簧片阀适于在压力差作用下开启以使空气流入排气管(8)；和3L2-(L2+2L3+4L4)的值在+0.25m到+0.45m或-0.45m到-0.6m之间，其中L2为从簧片阀(16)到排气管(8)轴线和供空气管(14)轴线相交的第一相交点的供空气管(14)长度，L3为第一相交点到谐振器管(20)轴线和排气管(8)轴线相交的第二相交点的距离，L4为谐振器管(20)从其封闭端到第二相交点的长度。
4.一种根据权利要求3的发动机，其特征为，3L2-(L2+2L3+4L4)的值在+0.15m到+0.35m或-0.35m到-0.5m之间。
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