CN101680347B - 多缸内燃机、车辆、船舶以及用于多缸内燃机的排气方法 - Google Patents

Abstract

提供一种能够比现有技术的内燃机更能降低排气温度和压力的内燃机。该内燃机包括#A缸、#B缸和排气通路16。排气通路16包括收敛扩散形喷嘴31和设置在扩散部分33上游端上游的排气汇聚部分19，所述排气汇聚部分19用于仅连接打开期间不重叠的燃烧室的排气口9a。在汇聚上游部分19a中传播的振动波35在连接部分181中被分支，并且经过分支的振动波35由#B缸的排气阀9反射并与排气36碰撞。随着压力由振动波35增大的排气通过收敛扩散形喷嘴31，产生在排气通路16中沿下游方向传播的新振动波，并且产生在排气通路16中沿上游方向传播的膨胀波。因而，显著地降低排气的温度和压力。

Description

多缸内燃机、车辆、船舶以及用于多缸内燃机的排气方法

技术领域

本发明涉及多缸内燃机、车辆、船舶以及用于多缸内燃机的排气方法。

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”)的内燃机以提高清除效率。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)，在扩散部分中的流体速度超过声速。专利文献1的目的是通过使用这种喷嘴来提高清除效率。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排气汇聚管道。此外，其排气通路被设定为长度适于提高清除效率，并且，在排气汇聚管道的排气口处，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，其吸收残留在排气汇聚管道内的排气，并因而能够提高清除效率。

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，由于下列原因在排气汇聚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，尽管一个气缸的排气口打开，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，排气汇聚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，排气汇聚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。

本发明考虑到这种情形，其目的是提供一种新型的多缸内燃机，其包括连接到一起的多缸的排气口，这通过应用收敛扩散形喷嘴的原理而提高性能。

解决技术问题的技术手段

根据本发明的多缸内燃机包括：多个燃烧室，每个燃烧室都具有至少一个排气口；多个排气阀，每个都用于打开或关闭所述排气口；和排气通路，用于引导从每个所述燃烧室经由所述排气口排出的排气。所述排气通路包括收敛部分、扩散部分和排气汇聚部分，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，所述排气汇聚部分设置在所述扩散部分上游，用于连接其中排气口的打开期间不重叠的多个燃烧室，而不连接其中排气口的打开期间重叠的多个燃烧室。振动波在所述排气汇聚部分中以比当与所述排气汇聚部分连接的多个排气口的其中一个排气口打开时流入所述排气汇聚部分中的排气的速度更高的速度传播，所述振动波由关闭所述多个排气口的其余排气口的排气阀所反射。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经过反射的振动波在所述排气汇聚部分的上游端和所述扩散部分之间碰撞，从而增大所述排气汇聚部分中排气的压力。使得排气经过扩散部分而产生新振动波，从而由所新产生的振动波在排气通路的位于所述扩散部分上游的部分中产生负压。

发明的技术效果

根据本发明，排气汇聚部分设置在所述扩散部分上游，用于连接其中打开期间不重叠的多个燃烧室的排气口，而不连接其中打开期间重叠的多个燃烧室的排气口。由于这种结构，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。振动波在所述排气汇聚部分中以比当与所述排气汇聚部分连接的多个排气口的其中一个排气口打开时流入所述排气汇聚部分中的排气的速度更高的速度传播，所述振动波由关闭排气口的排气阀所反射，并且使得经过反射的振动波与所述扩散部分上游的排气碰撞。从而，排气的压力增大。由于使得排气经过所述收敛部分，所述排气的压力增大。由于使得这部分排气经过所述扩散部分，产生沿下游方向传播的新的振动波。从而，在所述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，并且位于新振动波上游的部分中的压力降低。因而，在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，从而能够提高内燃机的性能。

附图说明

图1示出具有根据本发明的内燃机安装在其上的船舶。

图2示出艇外电机的内燃机部分的放大俯视图。

图3是根据实施例1的多缸内燃机的侧视图。

图4是艇外电机的内燃机部分的放大侧视图。

图5是收敛扩散形喷嘴的示意图。

图6示出收敛扩散形喷嘴的压力比和马赫数之间的关系。

图7提供了示出振动波和排气的行进状态的排气通路的示意图；(A)示出排气冲程的初始状态，(B)示出振动波传播到分支通路的状态，(C)示出分支通路反射的振动波与排气碰撞的状态。

图8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9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10是示出在第一排气管道中指定位置处排气速度和排气压力之间关系的曲线图。

图11是示出在第一排气管道中指定位置处排气速度和排气温度之间关系的曲线图。

图12示出图10和图11中排气通路16与实施例1中的排气通路16之间的对应部分。

图13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14是与二次空气供应管道连接的排气管道的侧视图，并以局部剖开的方式示出排气管道和二次空气供应管道。

图15是与二次空气供应管道连接的排气管道的侧视图，并以局部剖开的方式示出二次空气供应管道、引导阀和连通管道。

图16是示出根据实施例3的多缸内燃机的结构的示意图。

图17示出排气通路中排气速度和排气压力之间的时序关系。

图18示出排气通路中排气压力和排气温度之间的时序关系。

图19示出具有根据本发明的内燃机安装在其上的车辆。

图20提供根据其它实施例的排气装置的示意图。

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。本发明者发现这种想法能够提高多缸内燃机的性能。

方法如下。(1)位于从排气口排出到排气通路的排气之前的振动波被分支；(2)经过分支的振动波由关闭与排出所述排气的排气口不同的排气口的排气阀反射；(3)使得经过反射的振动波与所述排气碰撞以增大所述排气的压力；(4)使得压力被增大的所述排气经过所述扩散部分以使其加速到超音速，从而产生振动波；和(5)在所述排气通路的位于所述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。根据图1中示出的该实施例的内燃机是直列四冲程四缸内燃机，其用于安装到船舶100上的艇外电机101。

在图中，箭头F表示艇外电机101的向前方向。在下面的描述中，当其上安装有艇外电机101的船舶前进时，即当船体向前行进时，行进方向被称为“艇外电机101的向前方向”。与其成180°的方向，即与其相反的方向被称为“向后方向”。当船体向前行进时，行进方向的左侧被称为“艇外电机的左侧”，行进方向的右侧被称为“艇外电机的右侧”。当船体向前行进时，艇外电机101的左右方向被称为“艇外电机101的宽度方向”。在下面的描述中，术语“上游”和“下游”分别表示沿排气流动方向的上游和下游。

如图2所示，内燃机1包括曲轴箱42和缸体3，两者都用于支撑曲轴41、连接到缸体3的气缸盖4、连接到气缸盖4的端盖44等。内燃机1安装在曲轴箱42定位于气缸盖4前方的状态中；换言之，定位于曲轴箱42比气缸盖4更靠近船体的状态中。这些元件以曲轴箱42、缸体3气缸盖4和端盖44的顺序从前到后沿艇外电机101的前后方向设置。在缸体3和气缸盖4中形成燃烧室10。

在缸体3中，四个气缸48沿上下方向设置。气缸盖4具有形成于其内的进气通路的下游部分6和每个气缸的排气通路的上游部分7。气缸盖4容纳用于打开或关闭进气口8a的进气阀8和用于打开或关闭排气口9a的排气阀9。气缸盖4还容纳用于驱动进气阀8和排气阀9的阀驱动装置53以及喷射器2。喷射器2设置在每个缸中并将燃料喷射到进气通路的下游部分6内。形成于气缸盖4中的进气通路的下游部分6的上游端在气缸盖4的右侧表面处开口。排气通路的上游部分7的下游端在气缸盖4的左侧表面处开口。

排气通路的上游部分7的开口用作排气出口38。该开口是排气通路的上游部分7的下游端，其在气缸盖4的左侧表面处开口。排气出口38在气缸盖4的左侧表面处开口。换言之，排气出口38在沿艇外电机101的宽度方向上沿与进气通路的下游部分6的相反方向开口。

如图3和图4所示，根据该实施例的排气装置172包括排气通路的上游部分7、第一排气管道173、第二排气管道174、第三排气管道175、排气室176、主排气通路177、第一催化剂17和第二催化剂18。主排气通路177形成为从排气室176的底端向下延伸。主排气通路177在螺旋桨106的中央部分在水中开口。

第一催化剂17和第二催化剂18都是三元催化剂。第一催化剂17设置在第一排气管道173和第二排气管道174的连接部分中。第二催化剂18设置在第二排气管道174和第三排气管道175的连接部分中。

第一排气管道173的上游端连接到排气出口38。第二排气管道174连接到第一排气管道173的下游端。第三排气管道175连接到第二排气管道174的下游端。排气室176连接到第三排气管道175的下游端。

从内燃机1的每个气缸排出的排气经由第一排气管道173、第二排气管道174和第三排气管道175流入排气室176中。内燃机1的每个气缸中的已经流入排气室176中的排气在排气室176中汇聚到一起并被排出到主排气通路177的上游端。被引导入主排气通路177内的排气从螺旋桨106的中央部分排出到水中。在此实施例中，排气通路16由形成于第一排气管道173、第二排气管道174、第三排气管道175、排气室176和主排气通路177内的空间形成。

如图4所示，在内燃机1中，曲轴41的轴线指向为上下方向。内燃机1以下列状态安装在艇外电机中：#1缸到#4缸定位于曲轴41后方(关于曲轴41与船体相对定位)。在此实施例中，在内燃机1的四个缸之中，定位在最上位置的被称为“#1缸”，定位于#1缸下方的那些缸依次被称为“#2缸”、“#3缸”和“#4缸”。内燃机1的点火顺序是从#1缸到#3缸到#4缸到#2缸。#1缸和#4缸点火时间相差360°曲轴角，#1缸的排气口9a打开的期间与#4缸的排气口9a打开的期间不重叠。#2缸和#3缸点火时间相差360°曲轴角，#2缸的排气口9a打开的期间与#3缸的排气口9a打开的期间不重叠。

在每个都由两个第一排气管道173结合到一起而形成的两个排气管道之中，一个排气管道由#1缸的上游部分173a、#4缸的上游部分173d、第一连接部分173e、第一下游部分173g和第二下游部分173h形成。第一连接部分173e将#1缸的上游部分173a的下游端和#4缸的上游部分173d的下游端连接到一起。第一下游部分173g和第二下游部分173h都连接到第一连接部分173e，并从第一连接部分173e分支以向下延伸。在每个都由两个第一排气管道173结合到一起而形成的两个排气管道之中，另一个排气管道由#2缸的上游部分173b、#3缸的上游部分173c、第二连接部分173f、第三下游部分173i和第四下游部分173j形成。第二连接部分173f将#2缸的上游部分173b和#3缸的上游部分173c的下游端连接到一起。第三下游部分173i和第四下游部分173j都连接到第二连接部分173f，并从第二连接部分173f分支以向下延伸。

在第一下游部分173g、第二下游部分173h、第三下游部分173i和第四下游部分173j的每一者中，形成有如下所述的收敛扩散形喷嘴31。

图5是收敛扩散形喷嘴31的示意图。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设置在收敛部分32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5中，箭头表示流体前进的方向。在此实施例中，流体是排气36。

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。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。喉部34处的流路截面积A2与收敛部分32下游端处的流路截面积以及扩散部分33上游端处的流路截面积相同。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。

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0.528的临界压力比时，流体的速度在喉部中为声速，在扩散部分33中为超音速。图6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36的压力能够减小。因而，通过由绝热膨胀引起的绝热冷却效应，排气36的温度能够急剧地降低。经过积极研究，本发明者实现下列状态：在排气通路16中设置收敛扩散形喷嘴31并将排气通路的位于收敛扩散形喷嘴31上游的部分以指定方式连接。

现在将参照图7中(A)到7中(C)描述用于在排气通路中产生较大负压的方法。图7中(A)到图7中(C)示意性地示出了该实施例中的排气装置172。#A缸和#B缸点火时间相差360°曲轴角，#A缸的排气口9a打开的期间与#B缸的排气口9a打开的期间不重叠。

在图7中(A)到图7中(C)中，排气通路16的位于扩散部分33上游端的上游的部分被称为“排气汇聚部分”。在排气汇聚部分中，连接部分181上游并连接到#A缸的排气口9a的部分被称为“第一汇聚上游部分19a”。连接部分181上游并连接到#B缸的排气口9a的部分被称为“第二汇聚上游部分19b”。排气汇聚部分的位于连接部分181下游的部分每个都被称为“汇聚下游部分19c”。在图7中(A)到7中(C)中，与图1或图5相同或等同的元件具有相同的附图标记，在不需要时省去其描述。

如图7中(A)所示，当#A缸的排气冲程中排气口9a打开时，高压排气36从燃烧室10喷射到排气通路16的第一汇聚上游部分19a中。在排气口9a开始打开的时候，燃烧室10和第一汇聚上游部分19a之间的压力差较大。从而，排气36的速度变成声速，于是在第一汇聚上游部分19a中产生振动波35。当排气口9a的开度角增大时，流入到第一汇聚上游部分19a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在第一汇聚上游部分19a中的前进而减小。振动波35在第一汇聚上游部分19a中沿下游方向高速传播。同时，排气36在第一汇聚上游部分19a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7中(B)所示，在第一汇聚上游部分19a内行进的振动波35在经过连接部分181时被分成两个分别在两个汇聚下游部分19c中传播的振动波以及在第二排气汇聚部分19b中传播的振动波。这些振动波分别在两个汇聚下游部分19c和第二排气汇聚部分19b中传播。在第一汇聚下游部分19c中行进的振动波35在经过收敛扩散形喷嘴31后衰减并消失。与此相反，在第二排气汇聚部分19b中传播的振动波35由关闭#B缸的排气口9a的排气阀9反射并在第二排气汇聚部分19b中反向传播从而返回到连接部分181中。

如图7中(C)所示，排气汇聚部分19的尺寸设计为使得当经过反射的振动波35从第二汇聚上游部分19b返回到连接部分181中的时间与当从#A缸排出并在第一汇聚上游部分19a中相对于振动波35具有延迟的高压排气36到达连接部分181的时间相同或在其之后。从而，经过反射的振动波35和排气36在连接部分181的上游端下游以及扩散部分33的上游端上游的位置处彼此碰撞。

通过使得经过反射的振动波35和排气36在连接部分181的上游端下游以及扩散部分33的上游端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的收敛部分中的全压力P0增大。从而，收敛部分中的全压力P0与扩散部分中的静态压力P之间的比率(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8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35b。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8所示，当产生振动波35b时，产生于振动波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大气压力。

如图9所示，第一汇聚上游部分19a的流路截面中心线X和第二汇聚上游部分19b的流路截面中心线Y彼此相交的点设定为连接中心181c。#A缸的排气口9a的中心9ac与连接中心181c之间的距离被设定为Le1，#B缸的排气阀9与连接中心181c之间的距离被设定为Le2。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#A缸的排气口9a打开直到排气36到达连接部分181的时间T1由表达式(3)表示。从#A缸的排气口9a打开直到振动波35由#B缸的排气阀9反射并到达连接部分181的时间T2由表达式(4)表示。

T1＝Le1/Ve...(3)

T2＝(Le1+2Le2)/Vs...(4)

当T1≤T2时，振动波35和排气36在连接部分181下游彼此碰撞。具体地，当Le1/Ve≤(Le1+2Le2)/Vs时，振动波35和排气36在连接部分181上游端的下游彼此碰撞。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9所示，从连接中心181c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，从排气口9a打开直到排气口9a关闭的时间设定为tv。从#A缸的排气口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#A缸的排气口9a打开直到振动波35由#B缸的排气阀9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+(Le1+Ld)/Ve...(5)

T4＝(Le1+2Le2+Ld)/Vs...(6)

当T4≤T3时，振动波35和排气36在整个排气36到达扩散部分33上游端之前彼此碰撞。具体地，当(Le1+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve时，振动波35和排气36在整个排气36到达扩散部分33上游端之前彼此碰撞。

在上面的描述中，#A缸在排气冲程中。只要#B缸基本上满足于#A缸相同的条件，可提供基本上相同的效果。具体地，#B缸满足下面的表达式(7)和(8)就足够了。

Le2/Ve≤(Le2+2Le1)/Vs...(7)

(Le2+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve...(8)

图10和图11示出本发明者进行的模拟的结果。图12示出图10和图11中排气通路16与该实施例中的排气通路16之间的对应部分。图10示出紧接着在收敛扩散形喷嘴31中产生新振动波之后在排气通路16中的各点处的排气速度和排气压力。图10示出紧接着在收敛扩散形喷嘴31中产生新振动波之后在排气通路16中的各点处的排气速度和排气温度。在收敛扩散形喷嘴31中产生新振动波之后，振动波在扩散部分中加速。在此发生时，如图10和图11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10和图11示出排气的速度但并未示出振动波的传播速度。

在此实施例中，收敛扩散形喷嘴31的喉部34设定为较长。在由分支部分反射的振动波碰撞排气后，振动波在喉部34中在排气之前传播。此时，在排气36和振动波35之间产生绝热膨胀，因而压力略微减小。从而，排气36由振动波35吸住而流入喉部34中，其速度不会减小。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35将要在扩散部分33中加速的时机，换言之，排气36将要处于低压和低温状态的时机。

如上所述，与现有技术的相比，根据该实施例的内燃机1能够显著降低排气通路16中排气36的温度和压力。在根据该实施例的内燃机1中，只有打开期间不重叠的那些燃烧室的排气口9a连接到扩散部分33的上游。从而，内燃机1不会像现有技术的那样由其它气缸排出的排气影响。通过以此方式降低排气的温度和压力，例如如下所述，能够提高内燃机1的性能。

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。由于在排气冲程中排气通路16中的排气36的压力显著降低，所以内燃机1的活塞(未示出)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13对此进一步描述。图13中(A)示出传统内燃机的P-V曲线图，图13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13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。具体地，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。

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。在温度过高时，三元催化剂的清洁效率由于所谓的“烧结”现象而降低。然而，在此实施例中，能够防止第一催化剂17和第二催化剂18的温度变得过高，于是能够有效地防止烧结。根据该实施例，即使在内燃机在高负载状态时驱动时，也能够降低排气36的温度。因而，能够以理论空/燃比燃烧燃料。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。

如图4所示，在此实施例中，#1缸上游部分173a的长度和#4缸上游部分173d的长度相同。#2缸上游部分173b的长度和#3缸上游部分173c的长度相同。从而，在排气冲程中，在#1缸的上游部分173a中产生振动波35以从第一连接部分173e传播到#4缸的上游部分173d并在由#4缸的排气阀9反射后返回到第一连接部分173e所需要的时间与在#4缸的上游部分173d中产生振动波35以从第一连接部分173e传播到#1缸的上游部分173a并在由#1缸的排气阀9反射后返回到第一连接部分173e所需要的时间相同。这也适用于2#缸的上游部分173b和#3缸的上游部分173c。

如上所述，考虑到在此实施例中的内燃机1的第一排气管道173，#1缸的上游部分173a的长度和#4缸的上游部分173d的长度相同，并且2#缸的上游部分173b的长度和#3缸的上游部分173c的长度相同。从而，在设置在第一到第四下游部分173g-173j中的收敛扩散形喷嘴31中，排气36的速度能够均匀地增大，于是能够大致均匀地减小所有排气通路16的压力。

<实施例2>

根据本发明，由于在排气通路16中产生较大的负压，二次空气容易被供应到排气通路16中。从而，如图14和图15所示，二次空气供应系统120可设置在排气通路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13的详细描述来提供。

如图14和图15所示，二次空气供应系统120包括二次空气供应管道122、第一引导阀123和第二引导阀124。二次空气供应管道122由连接到第一连接部分173e的第一二次空气供应管道122a和连接到第二连接部分173f的第二二次空气供应管道122b形成。第一二次空气供应管道122a经由第一引导阀123连接到内燃机1的进气装置65。第二二次空气供应管道122b经由第二引导阀124连接到内燃机1的进气装置65。

第一二次空气供应管道122a由通过铸造与第一排气管道173形成为一体的底部122c和连接到底部122c的上游端的顶部122d形成。第二二次空气供应管道122b由例如通过铸造与第一排气管道173形成为一体的底部122e和连接到底部122e的上游端的顶部122f形成。

设置第一引导阀123和第二引导阀124能够防止排气从二次空气供应通路121流入内燃机1的进气装置65中。第一引导阀123和第二引导阀124由在排气通路16中产生的负压打开，以经由二次空气供应管道122将空气供应到排气通路16中。

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。由于泵是由内燃机所驱动，所以内燃机的输出损耗较大。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。即使在使用用于供应空气的泵时，泵上的负载也可能会较小，于是内燃机的输出损耗也会较小。

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>

在此实施例中，收敛部分由不同于实施例1或2的方法形成。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13的详细描述来提供。如图16所示，在此实施例中，收敛部分由第一汇聚上游部分19a、第二汇聚上游部分19b和汇聚下游部分19c形成。图16仅示出排气通路16的多个汇聚下游部分19c的其中一个。第一汇聚下游部分19a的流路截面积设定为A5，第二汇聚上游部分19b的流路截面积设定为A4，汇聚下游部分19c的流路截面积设定为A7。当第一汇聚下游部分19a的流路截面积A5、第二汇聚上游部分19b的流路截面积A4、汇聚下游部分19c的流路截面积A7彼此大致相同时，A5、A4和A7具有下列关系。第一汇聚下游部分19a的流路截面积A5和第二汇聚上游部分19b的流路截面积A4之和大于汇聚下游部分19c的流路截面积A7(A4+A5＞A7)。因此，通过将彼此具有大致相同管道直径的第一汇聚下游部分19a和第二汇聚上游部分19b汇聚到一起，流路截面积在下游端比上游端更小的收敛部分能够形成于连接部分181下游。从而，通过仅仅在连接部分181下游提供扩散部分33，能够足以形成收敛扩散形喷嘴31。连接部分181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。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。扩散部分的流路截面积可以逐步变化。

在实施例1到3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#A缸的燃烧室10的排气口9a的排气阀9被打开，以从燃烧室10将排气36排出到第一汇聚上游部分19a中。产生在第一汇聚上游部分19a中传播的振动波35，其速度高于排气速度36。至少一部分振动波35从第一汇聚上游部分19a分支，并且经过分支的振动波在第二汇聚上游部分19b中传播，从而由#B缸的排气阀9反射所述振动波。经过反射的振动波35在第二汇聚上游部分19b中反向传播并被使得与排气碰撞，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。具体地，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。具体地，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的振动波35b，从而在排气通路16中形成负压区域。从而，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中驱动内燃机1，也能够使得排气处于低压和低温状态中。

现在将参照图17和图18更详细地描述用于内燃机的上述排气方法。图17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18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10中示出的波形表示当振动波如图17中(C)所示加速时排气速度和排气压力之间的关系。图17中(A)和图18中(A)示出紧接着排气口9a打开后相应的关系。图17中(B)和图18中(B)示出紧接着排气和振动波在连接部分181下游彼此碰撞后相应的关系。图17中(C)和图18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17中(D)和图18中(D)示出振动波被加速后相应的关系。

在此实施例中用于多缸内燃机的排气方法如下。

1)燃料在#A缸的燃烧室中燃烧。通过打开燃烧室中的排气口9a，排气从燃烧室排出到第一汇聚上游部分19a，并且产生在第一汇聚上游部分19a中以比排气的速度更高的速度传播的振动波。图17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17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18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18中(A)所示，通过接收燃烧热而排气的温度变得非常高。

2)第二汇聚上游部分19b对在第一汇聚上游部分19a中传播的振动波的至少一部分进行分支。#B缸的排气口9a反射经过分支的振动波。经过反射的振动波在第二汇聚上游部分19b中与连接部分181相对地传播。经过反射的振动波与连接部分181或汇聚下游部分19c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17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17中(B)所示，在收敛部分32附近区域中，排气压力高于图17中(A)的时刻。在收敛部分32上游，排气速度高于图17中(A)的时刻。图18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18中(B)所示，与图18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的振动波。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17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17中(C)所示，从图17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18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18中(C)所示，从图18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17中(D)示出振动波加速后的排气速度和排气压力。如图17中(D)所示，在图17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18中(D)示出振动波加速后的排气压力和排气温度。如图18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并防止其性能降低。

如图18所示，在扩散部分33下游排气温度不会变化太多。换言之，由于在图18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17和图18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16。具体地，如图17中(C)和图17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适用于车辆(例如摩托车)。图19示出根据本发明的内燃机1应用于摩托车200的示例。

在上述每个实施例中，内燃机1包括两个位于一个连接部分181下游的收敛扩散形喷嘴31。根据本发明的内燃机1的形状不限于此。例如，一个连接部分181可设置一个收敛扩散形喷嘴31或多个收敛扩散形喷嘴31。

在上述每一个实施例中，内燃机1是直列发动机。根据本发明的内燃机1的形状不限于此。例如，内燃机1可以是V型发动机、水平对置发动机或星形发动机。

在上述每一个实施例中，如图20中(A)所示，内燃机1包括四个气缸和两个排气汇聚部分19。每个排气汇聚部分19将形成于两个燃烧室中的排气口9a连接到扩散部分33上游。对于根据本发明的内燃机1，只要打开期间不重叠的那些燃烧室的排气口9a连接到扩散部分33上游就足够了。例如，如图20中(B)所示，根据本发明的内燃机1可包括六个气缸和三个排气汇聚部分19，并且每个排气汇聚部分19可将形成于两个燃烧室10中的排气口9a连接到扩散部分33上游。或者，如图20中(C)所示，根据本发明的内燃机1可包括六个气缸和两个排气汇聚部分19，并且每个排气汇聚部分19可将形成于三个燃烧室10中的排气口9a连接到扩散部分33上游。或者，如图20中(D)所示，根据本发明的内燃机1可包括两个气缸和一个排气汇聚部分19，并且排气汇聚部分19可将形成于两个燃烧室10中的排气口9a连接到扩散部分33上游。或者，如图20中(E)所示，根据本发明的内燃机1可包括三个气缸和一个排气汇聚部分19，并且排气汇聚部分19可将形成于三个燃烧室10中的排气口9a连接到扩散部分33上游。或者，如图20中(F)所示，根据本发明的内燃机1可包括八个气缸和四个排气汇聚部分19，并且每个排气汇聚部分19可将形成于两个燃烧室10中的排气口9a连接到扩散部分33上游。

在图20中(A)、图20中(B)、图20中(D)和图20中(F)所示的具体实施例中，每个排气汇聚部分19将形成于两个燃烧室中的排气口9a连接到扩散部分33上游。从而，在满足于实施例1大致相同的条件时，提供与实施例1相同的效果。

在图20中(C)和图20中(E)所示的具体实施例中，每个排气汇聚部分19将形成于三个燃烧室中的排气口9a连接到扩散部分33上游。从而，只有打开期间不重叠的那些燃烧室的排气口需要连接到扩散部分33的上游。此外，需要满足下面的表达式(9)到(20)。

Le1/Ve≤(Le1+2Le2)/Vs...(9)

Le1/Ve≤(Le1+2Le3)/Vs...(10)

Le2/Ve≤(Le2+2Le1)/Vs...(11)

Le2/Ve≤(Le2+2Le3)/Vs...(12)

Le3/Ve≤(Le3+2Le1)/Vs...(13)

Le3/Ve≤(Le3+2Le2)/Vs...(14)

(Le1+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve...(15)

(Le1+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve...(16)

(Le2+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve...(17)

(Le2+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve...(18)

(Le3+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve...(19)

(Le3+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve...(20)

在上述表达式中，Le1、Le2和Le3分别是在图20中(C)和图20中(E)中#A缸的排气口9a和连接部分181之间的距离、#B缸的排气口9a和连接部分181之间的距离以及#C缸的排气口9a和连接部分181之间的距离。Ld是从连接部分181到扩散部分33的上游端的距离，tv是从排气口9a打开直到排气口9a关闭的时间，Ve是排气36的速度，Vs是振动波35的传播速度。

附图标记说明

1    内燃机

9    排气阀

9a   排气口

10   燃烧室

16   排气通路

17   第一催化剂

18   第二催化剂

19   排气汇聚部分

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

36   排气

101  艇外电机

173a #1缸的上游部分

173d #4缸的上游部分

173e 第一连接部分

173g 第一下游部分

173j 第四下游部分

18l  连接部分

Claims (12)

1.一种多缸内燃机，包括：

多个燃烧室，每个都包括至少一个排气口；

多个排气阀，每个都用于打开或关闭所述排气口；和

排气通路，其用于引导从每个所述燃烧室经由所述排气口排出的排气；

其中：

所述排气通路包括：

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

排气汇聚部分，其设置在所述扩散部分上游，用于连接其中排气口的打开期间不重叠的多个燃烧室，而不连接其中排气口的打开期间重叠的多个燃烧室；

振动波，其在所述排气汇聚部分中以比当与所述排气汇聚部分连接的多个排气口的其中一个排气口打开时流入所述排气汇聚部分中的排气的速度更高的速度传播，所述振动波由关闭所述多个排气口的其余排气口的排气阀所反射；

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经过反射的振动波在所述排气汇聚部分的上游端和所述扩散部分之间碰撞，从而增大所述排气汇聚部分中排气的压力；和

使得所述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排气通路的位于所述扩散部分上游的部分中产生负压。

2.如权利要求1所述的多缸内燃机，包括：

四个燃烧室；和

两个排气汇聚部分；

其中，每个排气汇聚部分连接形成于两个燃烧室中的排气口。

3.如权利要求1所述的多缸内燃机，包括：

六个燃烧室；和

两个排气汇聚部分；

其中，每个排气汇聚部分连接形成于三个燃烧室中的排气口。

4.如权利要求1所述的多缸内燃机，包括：

六个燃烧室；和

三个排气汇聚部分；

其中，每个排气汇聚部分连接形成于两个燃烧室中的排气口。

5.如权利要求1所述的多缸内燃机，包括：

两个燃烧室；和

一个排气汇聚部分；

其中，所述排气汇聚部分连接形成于两个燃烧室中的排气口。

6.如权利要求1所述的多缸内燃机，包括：

三个燃烧室；和

一个排气汇聚部分；

其中，每个排气汇聚部分连接形成于三个燃烧室中的排气口。

7.如权利要求1所述的多缸内燃机，包括：

八个燃烧室；和

四个排气汇聚部分；

其中，每个排气汇聚部分连接形成于两个燃烧室中的排气口。

8.一种车辆，包括如权利要求1所述的内燃机。

9.一种船舶，包括如权利要求1所述的内燃机。

10.一种多缸内燃机，包括：

第一燃烧室，其具有第一排气口；

第二燃烧室，其具有第二排气口；

第一排气阀，其用于打开或关闭所述第一排气口；

第二排气阀，其用于打开或关闭所述第二排气口；

排气通路，其用于引导从每个所述燃烧室经由相应的排气口排出的排气；

其中：

所述第一排气口的打开期间与所述第二排气口的打开期间不重叠；

所述排气通路包括：

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

连接部分，其设置在所述扩散部分上游，用于连接第一汇聚上游部分和第二汇聚上游部分，所述第一汇聚上游部分用于引导从所述第一排气口排出的排气，第二汇聚上游部分用于引导从所述第二排气口排出的排气；

若当每个排气口打开时流入到所述排气通路中的排气速度为Ve，在所述排气通路中传播的振动波的传播速度为Vs，则，所述第一排气口和所述连接部分之间的距离Le1与所述第二排气口与所述连接部分之间的距离Le2满足下列关系：

Le1/Ve≤(Le1+2Le2)/Vs，和

Le2/Ve≤(Le2+2Le1)/Vs和

从每个所述排气口打开直到每个所述排气口关闭的时间为tv，所述连接部分和所述扩散部分的上游端之间的距离Ld满足下列关系：

(Le1+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve和

(Le2+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve。

11.如权利要求10所述的多缸内燃机，还包括：

第三燃烧室，其具有第三排气口；

第三排气阀，其用于打开或关闭所述第三排气口；

其中：

用于引导从所述第三排气口排出的排气的第三汇聚上游部分连接到所述连接部分；

所述第三排气口的打开期间与所述第一排气口的打开期间和所述第二排气口的打开期间不重叠；并且

所述第三排气口与所述连接部分之间的距离Le3满足下列关系：

Le1/Ve≤(Le1+2Le3)/Vs，

Le2/Ve≤(Le2+2Le3)/Vs，

Le3/Ve≤(Le3+2Le1)/Vs，

Le3/Ve≤(Le3+2Le2)/Vs，

(Le1+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve，

(Le2+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve，

(Le3+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve和

(Le3+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve。

12.一种用于多缸内燃机的排气方法，包括下列步骤：

在燃烧室中燃烧燃料；

打开用于使所述燃烧室的排气口打开或关闭的排气阀以将排气从所述燃烧室排出到排气通路中，并产生在所述排气通路中以高于所述排气的速度传播的振动波；

所述振动波的至少一部分由关闭排气口的排气阀反射，并使得经过反射的振动波与所述排气碰撞，从而增大所述排气的压力；

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；和

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的振动波，以在所述排气通路中产生负压区域。

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