[发明专利]用于内燃发动机的排气系统和方法

说明书

发明背景

本发明的一个方面涉及一种与内燃发动机相联接的、用于在一定范围的发动机负荷和速度上改善发动机效率的一种排气系统。

(1)发明领域

常规内燃爆燃式发动机可能不能在一定范围的发动机速度上实现希望水平的容积效率、燃料经济性或令人满意水平的温和排放。这样的特性可归因于进气导管中的低压、引入这些汽缸内的新鲜气体的量不足、以及燃烧室内剩余的燃烧产物的不利效果。

(2)相关技术的说明

内燃发动机的性能有时是用功率-体积(P-V)曲线来展示的。压力-体积图表具有代表汽缸内的压力的一条竖直轴线。水平轴线代表汽缸的“扫过”体积。已知一个优选周期具有最小泵抽回路。理想情况下，气体从进气歧管交换到汽缸中并且在发生燃烧后在无相关联的损失的情况下从该汽缸交换到排气歧管中。实际上，这是很少实现的。在将新鲜气体抽入汽缸中并且从中排出排气的过程总是消耗功的。

在满发动机负荷下，排气歧管压力将超过周围大气的压力。在大多数情况下，发动机所做的大部分功被消耗于克服泵抽损失和摩擦损失。通常，火花点火式发动机在部分负载条件下展现出的效率比它们在满负荷运行条件下的效率差。

如果在给定水平的发动机输出下，泵抽回路的面积可以减小，那么在气体交换过程中将消耗较少的功。在这样的情况下，将降低燃料要求并且可以获得改进的效率。

用于改善部分负荷下的燃料经济性的一种已知方法涉及排气再循环(EGR)系统。EGR系统在燃烧之前将排气引入新鲜空气-燃料混合物中。汽缸中的排气占据了否则将被未燃烧的空气-燃料混合物所占据的汽缸体积。但是这样限制了最大发动机输出。

现有解决方案还包括利用涡轮压缩机、补充瓣阀、可变阀正时、具有可变长度的管道、打开和关闭进气导管的节流控制、带有谐振腔的排气装置、以及电控排气阀。这样的解决方案通常涉及昂贵的且技术复杂的安排、并且是未达到最优的。它们可以在高发动机速度下产生最大功率水平、但付出了低发动机速度下的功率输出的代价。而且，功率可能被不规则地且在高燃料燃烧率下被输送。

在现有技术之中为准备本专利申请所考虑的是USPN6,269,806。这个参考文献披露了用于改善内燃发动机的效率的一种进气和排气装置。每个汽缸经由带有至少一个进气阀的一个进气系统来接收空气-燃料新鲜气体混合物。废气从这些汽缸中通过一个排气系统排出，该排气系统采用至少一个排气阀。在该排气系统中，鳍片改变气体流的方向、速度和压力，一部分气体流从下游被“反射”至上游。

发明的简要概述

本发明的一个方面包括用于克服现有方案的限制因素以优化发动机性能的一种设备和方法。

本发明的一个实施例的相关目标是提供一种能够实现内燃发动机容积效率并且在一定范围的发动机速度上令人满意的装置。

另外一个目标是提供一种在各个发动机RPM下都能够实现比相等排量的已知发动机更高的功率、具有比现有技术方案更少的燃料消耗并且具有更少的污染的装置。

这些目标和另外的目标是通过对内燃发动机的排气导管内排气所遵循的路径进行重新配置的一种装置获得的。

借助于本发明的装置，给予了排气导管一种特定构型，该构型对于可比的抽吸力或压缩力而言产生了比已知排气导管更大的气体速度并且因此产生了更大的通过量。

随之引起的效果包括更好的空气-燃料混合；排出废气流量的增大；在一定范围的发动机速度上更好的容积效率；功率的增大；转矩的增大；燃料消耗的降低；以及减少的污染。

当本发明的装置被定位在排气系统中时，它使得废气速度能够朝向自由空气增大，从而产生更大的真空用于在汽缸排空过程中获得改善的效率。

本发明的排气装置可应用于大多数类型的多冲程内燃发动机。

在一个示例性实施例中，本发明的设备是位于内燃发动机的排气系统中。该设备在一定范围的发动机负荷和速度上优化了发动机效率并且控制了排放量。为了了解本发明的一个代表性实施例，考虑的是带有至少一个汽缸的发动机，一个活塞在该汽缸内移动。每个汽缸接收一组空气-燃料新鲜气体混合物、燃烧该空气-燃料新鲜气体混合物而产生废气、并且将来自每个汽缸的废气排出到该排气系统。

在一个实施例中，该排气系统具有一个带有进入入口的排气壳体，所有废气穿过该进入入口。任选地，一个管道被支撑在该排气壳体内。在该排气壳体与该管道之间有一个通路。所有排气以一种方式穿过该管道或该通路并且具有将要描述的结果。