专利名称：用于内燃机的排气系统，内燃机和交通运输工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的排气系统和一种带有该排气系统的内燃机以及一种带有该内燃机的交通运输工具。
背景技术：
内燃机通常装配排气系统，借助所述排气系统导出在内燃机内或者在内燃机的气缸内产生的废气。所述废气从各自气缸通过排气弯管流到联合出口，然后被导入催化器，在此所述废气不需要的部分被去除或者转化为无毒害的物质。所述废气弯管可以作为独立部件来制造，其借助螺钉或者类似物装配在内燃机的气缸上。所述废气弯管朝向外部空气悬空地设置并且设计为独立于气缸盖的部件，所以所述废气弯管可以不用通过冷却水套而是通过外部空气来冷却。由于所述废气弯管单独地装配在发动机上，所以反而会提高装配成本。在发动机内的狭窄空间限制了在技术上对于废气弯管的设计构造可能性。专利文件DE102008058852A1公布了一种内燃机的废气系统，在此废气系统中气缸盖和废气弯管设计为一体式的。所述构造有如下优点，使装配简化并且优化发动机内空间上的利用。然而也可能由于紧凑的结构而提升废气阻力和燃油消耗。为了避免所述技术问题，DE102008058852A1公开建议设置各个从气缸到气缸盖内的废气法兰的单独的通道，由此实现较少的紊流以及较小的流通阻力，从而可降低燃油消耗。
发明内容
本发明的目的在于进一步改进内燃机的排气系统，由此进一步降低燃油消耗。上述目的通过一种用于内燃机的排气系统来实现，该内燃机具有多个气缸，一个气缸盖以及一个发动机缸体，所述排气系统具有集成在气缸盖内的排气弯管和额外的排气管，所述排气管与气缸盖的缸盖法兰相连。所述集成在气缸盖内的排气弯管具有分别从气缸延伸到缸盖法兰的流动通道。至少两个与在点火顺序中不是依次点燃的气缸相连的流动通道，在气缸盖内相互交汇并且形成联合流动通道。与在点火顺序中依次点燃的气缸相连的至少另一个流动通道被单独地导引到缸盖法兰。所述联合流动通道与所述另一个流动通道在排气管内才交汇。因此根据本发明的排气系统一部分集成在气缸盖内并且另一部分在气缸盖外安置，如使用独立的排气弯管的情况。尤其在点火顺序中不是依次点燃的两个气缸的流动通道在气缸盖内交汇。与之相反地，至少一个在点火顺序中依次点燃的气缸的流动通道与至少一个在点火顺序中依次点燃的气缸的流动通道在气缸盖外排气管内才相连。排气系统和废气系统这两个概念具有相同含义，排气弯管和废气弯管这两个概念的含义也相同。所述布置构造有如下优点，依次点燃的气缸的流动通道相比于集成的废气弯管长度加长了。这相对于全部的流动通道在气缸盖内彼此相连的排气弯管而言，导致更加优化地隔开废气脉冲，导致较低的残余废气含量以及功率和扭矩的提高。
例如对于四缸内燃机通常的点火顺序是I 一III一IV — II。在所述例子中气缸I和IV的流动通道可以在气缸盖内交汇，并且气缸II和III的流动通道与气缸I和IV的联合流动通道只是在气缸盖外在缸盖法兰下游的排气管内才交汇。在一个实施例中，所述另一个流动通道在气缸盖法兰下游与联合流动通道相连。所述另一个流动通道与在和所述联合流动通道相连的气缸中的一个之后接着点燃的气缸相连，并且和所述联合流动通道只是在缸盖法兰下游才交汇。因此从所述气缸到从两个依次点燃的气缸中流出的废气的交汇点的流动距离延长了。因此由于额外的排气管，所述从两个依次点燃的气缸中流出的废气脉冲更好地被相互隔开。在另一个实施例中设有第三流动通道，其从与联合流动通道相连的两个气缸中的一个之后按点火顺序接着被点燃的气缸延伸出。所述第三流动通道在气缸盖下游才与联合流动通道相连。例如在点火顺序为1-1I1-1V-1I的四缸内燃机内，气缸I和IV的流动通道在气缸盖内交汇，并且气缸II的流动通道和气缸III的流动通道与I和IV的联合流动通道只是在气缸盖外在缸盖法兰下游的排气管内才交汇。所述气缸III的流动通道可以进一步在气缸II的流动通道与气缸I和IV的联合流动通道的连接点下游与气缸1、IV和II的联合流动通道相连。所述气缸III的流动通道也可以选择在相同的连接点上和气缸II的流动通道一起，与气缸I和IV的联合流动通道相连。在另一实施例中，排气管具有至少两个隔开的排气支路，所述排气支路会交汇，以形成联合排气支路。所述两个隔开的排气支路设置在上游，联合排气支路位于下游。其中一个排气支路与联合流动通道相连，并且另一个排气支路与在气缸盖内集成的排气弯管的另一个流动通道相连。因此所述两个排气支路延长了依次点燃的气缸的废气流的分隔长度。在一个实施例中，所述排气管在入口端具有分隔板，其中形成两个隔开的流动通道或者排气支路。所述排气管具有至少两个入口流动通道和唯一一个与入口流动通道相连的联合出口流动通道。所述入口流动通道的数量与在气缸盖的缸盖法兰上相互隔开安置的流动通道的数量一致。在一个实施例中，所述排气管具有至少有两个入口的入口法兰，有出口的出口法兰以及流动通道。所述入口法兰与集成的排气弯管的缸盖法兰相连，并且所述流动通道分别从入口中的一个延伸到出口。所述流动通道从入口开始在其去往出口方向上的一段预先规定的距离上彼此隔开，并且在经过所述距离后才交汇并且形成汇总流动通道。为了优化内燃机的功率和其他特性，所述预先规定的距离可以根据每种发动机，例如气缸的数量以及功率，而预先设定。在所述类型的发动机内可以利用的空间也可以予以考虑，以便在预定的空间内能够实现优化功率。在进一步设计中所述入口之一与联合流动通道，以及入口之一与气缸盖内的另一个流动通道相连。在进一步的实施例中，另外两个在点火顺序中不是依次点燃的气缸的流动通道在气缸盖内交汇，并且形成第二联合流体通道。例如在点火顺序为I 一III一IV — II的4缸内燃机内，气缸I和IV的流动通道在气缸盖内形成第一联合流动通道，并且气缸II和III的流动通道在气缸盖内形成第二联合流动通道。因此所述每组成对的两个气缸在点火顺序中不是依次点燃的。相反，不同组的气缸是依次点燃的。所述两个联合流动通道在气缸盖内是彼此隔开的，并且只是在气缸盖外在气缸盖下游的排气管内才交汇。所述第二联合流动通道与所述第一联合流动通道在缸盖法兰下游经过预先规定的距离后在排气管内交汇，以便相比于集成的排气弯管保证按照预想更好地隔开废气脉冲。本发明相应提供一种具有多个气缸，一个发动机缸体，一个气缸盖和根据上述实施例的排气系统的内燃机。另外本发明还提供一种具有这种内燃机和根据上述实施例的排气系统的交通运输工具，尤其是机动车。总之，具有集成排气弯管(英语称为Intergrated Exhaust Manifolds (IEM))的气缸盖，通过去除传统独立的排气弯管可实现节约成本，然而所述成本节约效果由于其他额外的费用，例如较大的冷却装置或者昂贵的气缸盖设计可能会打折扣。到催化器为止的排气管表面积的减少允许更快的加热和因此废气排放的减少成为可能。在固定设置的发动机运转时，对于排气系统集成在气缸盖内的区域的冷却导致较低的废气温度和因此较低的润滑需求。在4缸发动机中，通过气缸I和IV以及气缸II和III的管道的汇合实现废气脉冲的分隔。在4缸发动机的传统的4-1IEM设计中，所有气缸的流动通道在气缸盖内汇合。集成的IEM的紧凑结构以及缺乏分隔废气脉冲的设计可能导致较高的剩余气体含量以及功率和扭矩的损失。与之相反，常规的用于自吸式发动机的外置废气弯管的特点在于管道较长。这些技术问题可以通过使用根据本发明的排气系统而避免，在使用本发明的排气系统的情况下两个不是依次点燃的气缸的流动通道在气缸盖内汇合，而依次点燃的气缸的流动通道只是在气缸盖外在额外的排气管内才汇合，所述排气管装配在气缸的缸盖法兰上。因此从两个在点火顺序中依次点燃的气缸到它们的交汇点的管道长度相较于一个传统的集成式废气弯管的长度加长了。总之，集成在气缸盖内的排气弯管的优点与传统的排气弯管在排气方面所具有的突出气体动力学以及分隔废气脉冲的优点，在本发明的排气系统中得以结合。本发明将4-1IHM弯管的紧凑结构与传统废气弯管良好的脉冲分隔特性相结合。在气缸盖内由于气缸I和IV以及气缸II和III的交汇显示出较小的功率上的优化。但是这点可以在如下情况明显提升，即，当两股废气流的通道在缸盖法兰后仍保持一段长度的分隔。通过结合所述两种措施可以使内燃机的功能得到进一步的优化。
根据附图详细阐述本发明的实施例。在附图中图1示出具有根据第一实施例的排气系统的内燃机的示意性俯视图；图2示出所述排气系统的导引废气的内表面的透视图；图3示出图2中所示排气系统的导引废气的内表面的第二透视图；图4示出图1中所示排气系统的横截面；图5示出根据第二实施例的排气系统的横截面；
图6不出使用不同排气系统的内燃机的功率的图表。
具体实施例方式图1示出根据第一实施例的内燃机I的示意性俯视图。所述内燃机I具有气缸盖2，在图1中没有示出的发动机缸体和4个气缸3、4、5、6，它们形成燃烧室。所述4个气缸3、4、5、6分别与内燃机I的排气系统11的流动通道7、8、9、10相连接，在所述气缸内通过燃烧反应产生的废气通过所述流动通道引往在图1中没有示出的催化器。所述流动通道7、8、9、10集成在气缸盖2内并且成为集成在气缸盖2内的排气弯管12的一部分。然而根据本发明的排气系统并不局限于在具有4个气缸的内燃机内，而是也可以在具有少于或者多于4个气缸的内燃机内使用。所述排气系统11除了集成在气缸盖2内的流动通道7、8、9、10外还具有一个额外的排气管13，所述排气管13装配在气缸盖2的缸盖法兰14上。所述排气管13具有入口法兰17，其装配在气缸盖2的缸盖法兰14上，还具有排气法兰18，其与没有进一步示出的排气系统的部件，例如催化器，相连。所述内燃机I具有4个气缸3、4、5、6，所述气缸按照点火顺序1-1I1-1V -1I，即按照气缸3、气缸5、气缸6、气缸4的顺序点燃。所述对应于点火顺序中的气缸I和IV的气缸3和6的流动通道7和10，在所述气缸盖2内交汇并且形成连接到缸盖法兰14上的第一联合流动通道15。同样地点火顺序中的气缸II和III的流动通道8和9在气缸盖2内交汇并且形成连接在缸盖法兰14上的第二联合流动通道16。然而所述第一联合流动通道15与第二联合流动通道16在气缸盖2内是分开的。第一联合流动通道15在气缸盖2外才与第二联合流动通道16相连。因此第一联合流动通道15的废气流只是在气缸盖2下游以及在气缸盖2外才与第二联合流动通道16的废气流相交汇。因此根据本发明，不依次点燃的气缸的流动通道在气缸盖2内相互连接。依次点燃的气缸的流动通道在气缸盖2下游相互连接。从在点火顺序中依次点燃的气缸中流出的废气流，只是在气缸盖2下游才在所述额外的排气管13内彼此汇合，因为所述两个联合流动通道15、16在气缸盖2内分开并且在经过预先规定的距离L后才在所述排气管13内彼此连接。因此，依次点燃的气缸的废气脉冲在缸盖法兰14下游经过距离L后才汇合。所述排气管13形成用于所述集成的排气弯管12的加长件。图2和3示出所述排气系统I的导引废气的内表面的透视图。图2示出俯视图并且图3示出侧视图。在图2和3中示出，排气弯管12的每个流动通道具有两个支路7’、7”，8，、8”，9，、9”，10，、10”，其分别与气缸3、4、5、6各自的两个排气口中的一个相连。所述两个支路7’、7”，8’、8”，9’、9”，10’、10”在气缸盖2内并且在气缸盖2的联合流动通道15、16的开端上游交汇。在图2和3中，所述在集成的排气弯管12和额外的排气管13之间形成边界的缸盖法兰，用线14表示。图2和3示出，在缸盖法兰14处，所述对应于点火顺序中的气缸I和IV的气缸3和6的在联合流动通道15内交汇的流动通道7和10设置在对应于点火顺序中的气缸II和III的气缸4和5的流动通道8和9之下，亦即第二联合流动通道16之下。在图3中示出，在排气管13的入口端上所述排气管13具有两个分开的支路19、
20。所述两个分开的支路19、20在排气管13内首先经过预先固定的路程L后才交汇，以便形成联合排气管21。所述从在点火顺序中的气缸I和IV，即气缸3、6中流出的废气流与从气缸II和III，即气缸4、5流出的废气流在气缸盖2外仍保持分开。因此从依次点燃的气缸中流出的废气的流动路程借助所述排气管13而加长了。所述流动通道7和10的交汇位置在气缸盖内用线15表示，并且所述流动通道8和9的交汇用线16在图3中表示。图4示出所述气缸盖2，尤其缸盖法兰14和所述排气管13之间的连接的示意性横截面。所述排气管13的入口法兰17具有两个入口 22、23并且排气法兰具有一个排气口
24。所述两个入口在排气管13内设有两个流动通道19、20，所述两个流动通道在去往排气口 24方向延伸的一段预先规定的距离上彼此隔开。经过所述预先规定的距离后，所述流动通道19、20交汇并且形成联合流动通道21。在图4中从分开的流动通道19、20到汇总流动通道21的过渡用线25表示。其中一个入口 22与所述气缸盖2的第一联合流动通道15相连并且第二个入口 23与气缸盖2的第二联合流动通道16相连。因此从依次点燃的气缸中流出的废气流只是在用线25表示的位置处才相交汇。图5示出根据第二实施例的排气系统11’的一部分的截面图。第二实施例的所述排气系统11’与第一实施例中的排气系统I的区别在于排气管13的设计分开来。与第一实施例不同地，在排气管13’内由唯一一个分隔板26形成两个流动通道19，20。图6示出1. 8升自吸式发动机使用5种不同的排气弯管时的扭矩和剩余气体量随转速变化的图表，其中，发动机设计具有外置弯管(正方块表示)，两种不同的4-1IEM设计(圆形和菱形表示)，以及两种具有交汇的管道1/4和2/3的IEM设计。根据本发明基于4-2-1设计的用于这种发动机的废气弯管在此的特点在于在所述缸盖法兰后有一段延伸长度达35_的分隔板。所述延伸长度随具体排气系统而变化。集成排气弯管在自吸式发动机上的使用例如在使用1. 81发动机的情况下相比于外置废气弯管可能导致达到2KW和4Nm的功率转矩特性损失。所述根据本发明的排气系统可以在更紧凑的结构空间内也能实现与设计具有外置排气弯管的发动机一样的功率转矩特性。附图标记列表I 内燃机2 气缸盖3 气缸4 气缸5 气缸6 气缸7 流动通道V 流动通道支路
7”流动通道支路8 流动通道8’流动通道支路8”流动通道支路9 流动通道9’流动通道支路9”流动通道支路10 流动通道10’流动通道支路10”流动通道支路11 根据第一实施例的排气系统11’根据第二实施例的排气系统12 集成的排气弯管13 根据第一实施例的排气管13’根据第二实施 例的排气管14 缸盖法兰15 第一联合流动通道16 第二联合流动通道17 入口法兰18 出口法兰19 第一支路20 第二支路21 汇总排气管22 第一入口23 第二入口24 出口25 流动通道的交汇26 分隔板。
权利要求
1.一种用于具有多个气缸，一个气缸盖和一个发动机缸体的内燃机的排气系统，其中，所述排气系统具有集成在所述气缸盖(2)内的排气弯管(12)和流动通道(7、8、9、10)，所述流动通道分别从其中一个气缸(3、4、5、6)延伸到缸盖法兰(14)，其中，至少两个与在点火顺序中不是依次点燃的气缸(3、6)相连的流动通道(7，10)，在所述气缸盖(2)内彼此交汇并且形成联合流动通道(15)，以及至少另一个与在点火顺序中依次点燃的气缸(4)相连的流动通道(16)，单独地延伸到所述缸盖法兰(14)，并且所述排气系统具有与所述缸盖法兰(14)相连的排气管(13，13’)，其中，所述联合流动通道(15)与所述另一个流动通道(16)在所述排气管(13，13’ )内才交汇。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其中，所述另一个流动通道(16)与联合流动通道(15)在缸盖法兰(2)下游相连。
3.根据权利要求1或2所述的排气系统，其中，在点火顺序中接着所述两个气缸(3，6)中的一个点燃的气缸(5)的第三流动通道(9)，与所述联合流动通道(15)在所述气缸盖(2)下游相连。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的排气系统，其中，所述排气管(13)具有至少两个隔开的排气支路(19、20)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的排气系统，其中，所述排气管(13’)在入口端具有分隔板(26)，其中，形成两个隔开的流动通道(19、20)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的排气系统，其中，所述排气管(13)具有至少两个入口流动通道(19、20)和唯一一个与所述入口流动通道(19、20)相连的联合出口流动通道(21)。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的排气系统，其中，所述排气管(13，13’)具有至少有两个入口(22、23)的入口法兰(17)，有出口(24)的出口法兰(18)和流动通道(19、20、21)，其中，所述入口法兰(17)与所述集成在所述气缸盖(2)内的排气弯管(12)的缸盖法兰(14)相连，并且所述流动通道(19、20、21)分别从入口(22、23)中的一个延伸到所述出口(24)，其中，所述流动通道(19、20)从所述入口(22、23)开始在其去往所述出口(24)的方向上的一段预先规定的距离上彼此分开并且经过所述距离后交汇，并且形成汇总流动通道。
8.根据权利要求7所述的排气系统，其中，所述入口(22)中的一个与所述联合流动通道(15)相连，并且所述入口(22)中的一个与所述另一个流动通道(16)相连。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的排气系统，其中，另外两个在点火顺序中不是依次点燃的气缸(4、5)的流动通道(8、9)在所述气缸盖(2)内交汇，并且形成第二联合流动通道(16)。
10.根据权利要求9所述的排气系统，其中，所述第二联合流动通道(16)与所述第一联合流动通道(15)在所述缸盖法兰(14)下游经过一段预先规定的距离后在所述排气管(13)内相连。
11.一种具有多个气缸，一个发动机缸体，一个气缸盖以及根据权利要求1至10中任一项所述的排气系统的内燃机。
12.—种具有根据权利要求11所述的内燃机的交通运输工具。
全文摘要
本发明涉及一种用于具有多个气缸(3、4、5、6)，一个气缸盖(2)和一个发动机缸体的内燃机(1)的排气系统(11、11’)，其中，所述排气系统具有集成在所述气缸盖(2)内的排气弯管(12)和流动通道(7、8、9、10)以及与所述缸盖法兰(14)相连的排气管(13，13’)。所述流动通道(7、8、9、10)分别从其中一个气缸(3、4、5、6)延伸到缸盖法兰(14)，其中，至少两个与在点火顺序中不是依次点燃的气缸(3、6)相连的流动通道在所述气缸盖(2)内彼此交汇并且形成联合流动通道(15)。至少另一个与在点火顺序中依次点燃的气缸(4)相连的流动通道(16)单独地延伸到所述缸盖法兰(14)。所述联合流动通道(15)与所述另一个流动通道(16)在所述排气管(13，13’)内才交汇。
文档编号F02F1/42GK103061913SQ20121039725
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月18日 优先权日2011年10月19日
发明者P.西格, M.简克, M.克莱因 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司