排气流道、用于内燃机的排气组件及动力源的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及内燃机排气系统中的排气歧管。
【背景技术】
[0002]在现代的内燃机技术中，涡轮增压器是由内燃机的高温废气提供动力。一般来说，废气速度越高，废气中的可用于为涡轮增压器提供动力的能量也就越大。所希望的是在温度尽可能高以维持排气系统中的废气量进而维持排气系统速度的高温状态下，将高温废气从内燃机输送至涡轮增压器。然而，还希望降低内燃机舱内的部件的温度。现有技术提供了围绕排气歧管设置的水套以降低歧管的温度。遗憾的是，使用水套降低了排气的温度，却又降低了供给到涡轮增压器的能量以及可回收的热能的温度。
[0003]为了使歧管温度处于允许的范围内，同时保持废气温度尽可能高，已经进行了一些尝试。在美国专利5，463，867(下称“’867专利”)中描述的这样一个系统提供了一种在空气间隔包围的歧管内部的套管。空气间隔提供隔热用于使排气温度保持得尽可能的高，同时，减少传递到水套中水的热量。然而，此系统内废气的流动受气缸出口和排气管之间的连接管的几何结构限制。因此，在’867专利和其他系统中，废气速度降低了。
[0004]—些其他的非水套式排气系统，如美国专利6，745，561，试图通过在歧管中聚合一组流道来保持排气速度。然而，湍急的废气流仍存在于流道的聚合处，并且最终歧管的整体形状不利于装夹套。
[0005]因此，需要一种改进的排气系统以解决上述问题和/或其他常规方法所遇到的问题。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型涉及有效地保持排气流道中的废气的温度和速度。
[0007]在一个方面中，本实用新型提供了一种排气流道。该排气流道包括排气流道入口、排气喷嘴出口孔以及冲击隔热体。排气流道入口配置成接收来自内燃机的废气的第一气流。排气喷嘴出口孔是由尖端气流通道与排气流道的内表面的交集进行限定。排气喷嘴出口孔配置成将废气的第二气流引入至废气的第一气流。冲击区，其由所述排气喷嘴出口孔沿所述废气的第二气流方向投影到所述排气流道的内表面的区域限定。冲击隔热体与冲击区并置。
[0008]进一步包括:水套组件，其围绕所述排气流道设置。
[0009]进一步包括:隔热层，其设置在所述水套组件与所述排气流道之间。
[0010]所述冲击隔热体包括与设置在所述水套组件与所述排气流道之间的所述隔热层相比相对较大的空气间隙。
[0011 ]所述冲击隔热体包括设置在所述水套组件与所述排气流道之间的隔热材料。
[0012]排气流道出口，其配置成将所述废气的所述第一气流输送至涡轮增压器。
[0013]在另一方面中，本实用新型提供了一种用于内燃机的排气组件。该排气组件包括涡轮增压器和上述的排气流道。排气流道出口配置成将废气的第一气流输送到涡轮增压器。
[0014]进一步包括:排气喷嘴尖端，其具有排气喷嘴入口，所述排气喷嘴入口配置为从所述内燃机的汽缸接收所述废气并将所述废气输送至所述排气喷嘴出口孔。
[0015]在又一个方面中，本实用新型提供了一种动力源。该动力源包括内燃机、空气系统以及用于上述内燃机的排气组件。空气系统将空气输送至内燃机。
[0016]进一步包括:排放控制装置，其位于所述涡轮增压器的下游。
[0017]通过在冲击区增加隔热，上述技术方案提高了排气系统的整体性能，并使得涡轮增压器的压缩新鲜空气及向内燃机输送新鲜空气的能力得以提高。
【附图说明】
[0018]图1为根据本实用新型一个方面的示例性动力源的图解示意图；以及
[0019]图2为根据本实用新型一个方面的排气歧管在图1中沿2-2的截面图。
[0020]图3A为根据本实用新型一个方面的排气歧管的一部分的截面图2-2的详图。
[0021]图3B为根据本实用新型另一个方面的排气歧管的一部分的截面图2-2的详图。
【具体实施方式】
[0022]参照图1，示出了动力源10。动力源10包括内燃机12、燃料系统14、空气系统16和排气系统18。内燃机12包括缸体20、多个气缸22和驱动轴24。燃料系统14包括燃料源26、燃料栗28和燃料管路30。内燃机12可以是压燃式发动机，例如柴油发动机或均质充量压燃(HCCI)发动机，例如，或者是火花点火式发动机。尽管未示出，燃料系统14也可包括其他传统部件，例如燃料过滤器、燃料喷射器等。此外，其他传统部件，如各种过滤器、火花塞或电热塞、阀门、控制器等都适用于与动力源10的各个方面一起使用。
[0023]空气系统16包括空气入口32、空气过滤器34、具有涡轮40和压缩机42的涡轮增压器38以及进气歧管44。排气系统18包括排气歧管组件46、水套组件48、涡轮40以及尾管50。可选地，排气系统18可包括排放控制装置52(例如颗粒过滤器、氧化催化器、选择性还原催化器或三元催化器)、消声器54或其组合。排气歧管组件46包括排气集管或多个排气管56、排气流道58以及多个排气喷嘴尖端60，以将排气管56流体连接到排气流道58。水套组件48包括水套62、水栗64和热交换器66。
[0024]与通常的理解一样，燃料和空气混合并在至少部分地由气缸22和缸体20限定的燃烧室内点燃，以驱动内燃机12，并产生从驱动轴24输出的动力。然后，燃烧副产品即废气68流经排气系统18。当废气68流经涡轮40时，废气68推动涡轮40旋转，同时带动压缩机42旋转，从而压缩新鲜空气。压缩的新鲜空气然后流到内燃机12的进气歧管44。可利用各种很好理解的控制装置来调节动力源10的温度、功率输出等。
[0025]动力源10适合与执行与诸如采矿、建筑、农耕、运输、发电等产业或本领域已知的其他产业相关联的某些类型的操作的固定式机械或移动式机械一起使用。例如，动力源10可为运土机械提供动力，例如挖掘机、推土机、装载机、反铲挖土机、机动平地机、自动倾卸卡车或其他运土机械。在特定实例中，动力源10包括内燃机12，其配置成燃烧诸如天然气、石油、柴油等燃料或本领域已知的其他可燃烧燃料。
[0026]如本文中所述，排气歧管组件46配置成通过在具体位置处增加隔热量来改进废气68流动过程中的热量保持。尽管排气流道58与水套62具有一定程度的隔热，排气流道58的热分析已用于识别特别热的位置。通过在这些“过热点”增加隔热，当废气68流经排气流道58时，其温度得以保持。由于温度和体积之间存在易于理解的相关性，废气68中的热能保持促进了废气68的高速度。本实用新型的各个方面通过排气歧管组件46可有利地保持废气68的动能、热能、静压或二者兼有，从而增加可用于驱动涡轮增压器38的流体动力。驱动涡轮增压器38的所增加的动力促进输送至内燃机12的新鲜空气的更高压缩比，其反过来，有助于驱动轴24处的更大的动力输出。除了动力源10的动力产生过程中的这些直接的改进，本实用新型的各个方面可使得在保持与外形较大的常规动力源相类似的动力输出的同时，减小动力源10的外形尺寸和体积。通过减小动力源10的尺寸和体积，并因此减小其重量，采用动力源10的机械可以利用较轻的悬架、机架、以及各种其他部件。正因如此，本文中所描述的多个方面可以极大地有助于提尚性能、提尚燃料效率、降低材料成本等。
[0027]图2是根据本实用新型的一个方面的排气歧管组件46的一部分的截面图2-2。如图2所示，排气歧管组件46包括排气流道58和排气喷嘴尖端60。排气流道58配置成将废气68的第一气流110输送至图1所示的涡轮增压器38。水套62围绕排气歧管58设置，并包括外套壁62A和内套壁62B ο外套壁62A和内套壁62B配置成在它们之间接收水流70。
[0028]隔热层72设置在排气流道58和水套62之间，以减少热量从排气流道58到水套62中的水流70的热传递。隔热层72可包括任何合适的隔热气体和/或材料。合适的气体和材料的实例包括空气、玻璃、陶瓷纤维等。在一些实例中，隔热层72包括空气间隙74A和隔热材料74B的一个或两个。空气间隙74A是由排气流道58的外部和隔热材料74B(如果存在)进行限定。如果隔热材料74B不存在，那么空气间隙74A是由排气流道58的外部和内套壁62B的内部进行限定。应当注意，虽然称为“空气”间隙74A，但是限定为空气间隙74A的通道适用于保持或输送任何合适的气体，例如空气、废气、氮气、二氧化碳等。
[0029]排气喷嘴尖端60配置成将流体连接内燃机12到排气流道58。就这一点而言，排气喷嘴尖端60包括内燃机凸缘76和流道凸缘78。在特定实例中，内燃机凸缘76具有多个孔80，供相应的多个螺栓(未示出)穿过，以将排气喷嘴尖端60固定到内燃机12。在其他实例中，可利用各种其他紧固件以将排气喷嘴尖端60固定到内燃机12。
[0030]流道凸缘78配置成与排气流道58的流道切口82相匹配。在特定示例中，流道凸缘78焊接到流道切口82中。在其他实例中，各种其他紧固件可用来将流道凸缘78紧固到排气流道58。排气喷嘴尖端60包括排气喷嘴入口 84、排气喷嘴出口孔86和尖端气流通道88。排气喷嘴入口84配置成接收来自内燃机12(图1中所示)的气缸22的废气68的第二气流112。出口孔86配置成将废气68的第二气流112引入至排气流道58中的废气68的第一气流110。
[0031]尽管排气喷嘴尖端60的几何形状有助于将废气68的第二气流112引入至排气流道58中的废气68的第一气流110，而伴随有较少的湍流，但废气68的第二气流112可导致在与出口孔86成一条直线和/或在其稍下游处的区域，废气68冲击排气流道58的内壁。鉴于本实用新型的目的，术语“冲击”定义为废气68碰撞或撞击排气流道58的内壁。
[0032]—般来说，在平缓地流过流体的管道中，在非常靠近管道的内表面处产生流体的边界层。此流体边界层减少了管道表面和剩余流体流之间的热传递。以相同方式，排气流道58中的废气68的第一气流110产生边界层116，边界层116减少了排气流道58和废气68的第一气流110之间的热传递。响应于进入排气流道58的废气68的第二气流112，边界层116可能在冲击区118处受到干扰。为了减少或防止热量在冲击区118处损失，设置对应于冲击区118或与其并置的冲击隔热体120。在不同情况下，冲击隔热体120可包括比在隔热层72的其余部分设置的空气间隙相对较大的空气间隙和/或在隔热层72上方和之上提供附加隔热的隔热贴片122(图3B中所示)。由于排气歧管组件46在不降低性能的情况下可被制作得更小，因此冲击隔热体120提供了增加覆盖整个排气歧管组件46的隔热的改进。也就是说，通过改进冲