专利名称：发动机排气装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种排气装置或排气系统，更具体来讲，本发明涉及排气歧管的结构日本专利公报特开平8(1996)-68316公开了一种废气净化催化单元，该催化单元正好设置在一排气歧管的下方，从而能在发动机起动后促进催化剂的活化。
背景技术：
近些年来，为了进一步加速催化剂的活化过程，并提高对废气的净化性能，人们尝试采用比壁板更薄的蜂窝状催化剂载体来降低催化剂载体的热容量，从而可提高对催化剂的加温速度。但是，载体壁板厚度的减薄将会造成载体易于被废气中所含的颗粒状异物(例如焊渣)冲蚀损坏，且会由于局部温度之间的差异而开裂，其中的局部温差是由排气气流的非均匀性造成的。
如上述文件所公开的排气系统那样，如果排气歧管中两分支管之间的汇合角度很大，且扩张开的扩口段被直接连接在汇流部分处，则排出气流被引入到催化器中时的方向是偏斜的，从而与催化单元的中轴线形成一个较大的夹角(大于30°)。因而，在入口处，排气气流中所含的颗粒会撞击到催化剂载体的蜂窝壁上，造成对载体的冲蚀损坏。且残留在入口处的颗粒由于受到冲入的排气气流的作用而轻微地迁移，从而会刮擦蜂窝壁，造成对载体的磨蚀。
如果排气气流是通过一段扩张的扩口管而被通入到催化器中的、且扩张开的扩口段紧邻地连接在汇合点的后方，则在催化器的入口中，流速的分布将是不均匀的，且载体中温度的分布也是非常不规则，例如在这样的情况下当发动机从中等负载工况和接近于最大转速的高负载工况过渡到切断燃料供应的减速工况时，就会造成载体的开裂。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种发动机排气装置，其足以防止出现冲蚀和热劣化现象，并提高了控制排放的性能和耐久性。
根据本发明的一个方面，一发动机排气装置包括一排气歧管，其包括从各自的上游端延伸向一汇流部分的多条排气支管，以与发动机的气缸相连接；以及一段直管，其从汇流部分延伸向一下游端，其中，在汇流部分处，各排气支管的排气气流汇合到一起，而下游端则适于被连接到一废气净化催化器上。
图1是一个示意性的轴测图，表示了根据本发明一实施例的发动机排气装置；图2是图1所示排气歧管的前视图；图3是所述排气歧管的俯视图；图4是所述排气歧管的侧视图；图5是所述排气歧管的仰视图；图6A中的图线表示了排气歧管的管路总长与排气温度之间的关系，图6B和图6C中的示意图表示了在两种不同的排气歧管管路系统中、排气管路总长；图7中的图线表示了废气温度与HC(碳氢化合物)排放量之间的关系；图8中的图线表示了排气歧管各支管之间的汇合角对排气脉动压力的影响；图9中的图线表示了汇合角与进气容积效率之间的关系；图10中的示意图表示了流入到催化器中的颗粒的行为；图11中的图线表示了倾斜角与冲蚀体积之间的关系；图12A和图12B表示了在该实施例中催化器入口端处的流速分布与一对比示例中流速分布的结果比较；图13中的图线表示了该实施例中流速分布的不均匀度与一对比示例中不均匀度的结果比较；
图14中的图线表示了扩张角与最大温差之间的关系；图15中的图线表示了由于将排气阀开启定时延迟而带来的效果；以及图16是一个方框图，示意性地表示了可被应用在该实施例中的阀门定时调节系统。
具体实施例方式
图1表示了根据本发明一实施例的发动机排气系统。该实施例中的发动机1是一台四缸发动机。其发火顺序为#1→#3→#4→#2。
在发动机1气缸盖的一侧上固定了一排气歧管2，该排气歧管与发动机1中各气缸的排气口相连接。在排气歧管2的出口(或下游端)连接有一废气净化催化器3(或歧管催化剂单元)。
图2到图5更为详细地表示了排气歧管2。图2是排气歧管2的前视图；图3是俯视图；图4是侧视图；图5是仰视图。所示实施例中的排气歧管2包括四条排气支管(排气歧管分支)B1～B4；第一联合(合并)支管W1和第二联合(合并)支管W2；一直管段(汇流段)SP；以及一扩口段(或扩散段)DF。四条排气支管B1～B4通过法兰件21与排气道的出口相连接。第一联合支管W1与第一排气支管B1和第四排气支管B4相连接，其被设置成可形成支管B1和B4中排气气流的合流，其中，支管B1和B4中的排气气流是从发火次序并不相邻的1号气缸与4号气缸中排出的，这两个气缸在气缸排中是外侧的两个气缸。第二联合支管W2与第二排气支管B2和第三排气支管B3相连接，其被设置成可形成支管B2和B3中排气气流的合流，其中，支管B2和B3中的排气气流是从发火次序并不相邻的2号气缸与3号气缸中排出的，2号气缸和3号气缸在气缸排中是位于内侧的两个气缸。在气缸排中，2号缸和3号缸位于1号缸与4号缸之间。直管段SP将第一联合支管W1与第二联合支管W2连接起来，从而形成两联合支管的合并管。直管段SP从两联合支管W1、W2的排气气流发生混合的汇合点处沿直线延伸向扩口段DF的入口(上游端)。在该实施例中，扩口(扩散)段DF是圆锥形的，并向外扩开，从而扩口段DF的直径从其入口向出口(或下游端)是逐渐增大的。歧管催化器3通过一法兰件22被固定到扩口段DF的出口上。
第一、第四排气支管B1、B4分别从#1气缸和#4气缸的排气口向下偏斜地延伸向汇合点处，该汇合点位于1号、4号气缸两排气道出口之间中央位置的下方，且两排气支管B1、B4被合并到一起的汇合角(会聚角)θ1等于或小于20°。汇合角θ1被定义为这样一个夹角其是由第一排气支管B1的中线与第四排气支管B4的中线在相交处形成的。
第二排气支管B2和第三排气支管B3分别是从位于1号气缸和4号气缸之间的2、3号气缸的排气道出口向前突伸出的，并在横向上相互延伸向对方，且在较短的距离处相互合并起来。在第二、第三排气支管B2、B3之间的汇合处制有一隔壁板23，其被设置成可限定第二支管B2与第三支管B3之间的汇合角(或会聚角)θ2，该夹角小于或等于20°。
如图4所示，与两外侧支管B1、B4相连接的第一联合支管W1在第二联合支管W2与发动机1之间向下延伸。第一联合支管W1与第二联合支管W2大体上相互平行地并排向下延伸。第二支管B2与第三支管B3之间的汇合点位于较高的位置处。因而，第二联合支管W2具有很长一段向下延伸的直管。第一联合支管W1也包括一段直管，但第一联合支管W1的直管要比第二联合支管W2的直管短。
在第一、第二联合支管W1与W2之间形成了一个汇合角(或会聚角)θ3，其被设定为小于或等于20°。在所示的实施例中，第一、第二联合支管W1和W2在向下的方向上、沿直线并排地延伸着，并直通到直管段SP中，从而在这两根联合支管之间的汇合角等于0°。因而在该示例中，所有的三个汇合处都被设置成可使得支流是以小于或等于20°的锐角汇流到一起的。
如图2所示，由直管段SP的中线L与歧管催化器3的中线C所形成的偏斜角α小于或等于30°。两中线L和C可被排列成一条直线，因而偏斜角α可等于零。因而，直管段SP的中线L与排气歧管2出口处的法兰件22的接合平面、或入口侧的废气催化器3的接合平面所成的角度在90°±30°范围内。
直管段SP上制有一个用于安装空燃比传感器(或氧传感器)的孔24。该安装孔24的开口位置位于直管段SP外侧壁的中间部位。在图1中，催化器3下游侧为一个用于安装空燃比传感器(或氧传感器)的孔25。
该示例中的扩口段DF是圆锥形的，并向排气歧管2的下游端22扩张开。图2中的扩张角β被设定为小于或等于60°。
歧管催化器3包括一陶瓷质的催化剂载体，其被制成薄壁蜂窝结构，或被制成蜂窝壁板结构，其厚度小于或等于3毫英寸(＝3×25.4/1000＝0.076mm)。在该示例中，蜂窝隔板的壁厚约等于2毫英寸(＝2×25.4/1000＝0.051mm)。每平方英寸蜂窝板上具有900个蜂窝隔室。
根据该实施例的具有上述结构的排气装置的工作过程如下该系统在早期就将两发火次序不相邻的气缸的排气气流合并到一起，因而，该系统不易受到排气干涉的不利影响。因而，该系统可在不降低发动机中、低转速区间扭矩的情况下缩短排气管的总长度。
对于2、3号气缸，支管B2、B3是这样进行设置的使得支管B2、B3在横向上相互突伸向对方，并以最短的距离在汇合点处合并到一起。在汇合点之后，第二联合支管W2的形式体现为一根长直管。这样的结构有助于缩短排气管的总长，因而提高了在发动机1起动后升高歧管催化器3温度的能力。
图6A表示了排气歧管总长与排气温度(具体来讲，该排气温度正是指发动机起动15秒后废气即将进入到歧管催化器3中时的温度)之间的关系。如果排气管总长从1200mm缩短到900mm，则即将进入到歧管催化器3中的排气温度就可以从270℃提高到约320℃。所述的排气管总长是指各排气支管长度与联合支管长度的总和。在图6B的情况下，排气管总长等于a+b+c+d+e。在图6C的情况中，排气管总长等于a+b+c+d+e+f+g。图7表示了在发动机起动15秒后某一位置处的废气温度与该时间段内催化器出口处的HC释放(排放)量之间的关系，其中的某一位置是指即将通入到歧管催化器3中的位置处。根据该实施例的排气系统通过将排气温度从270°提高到320°而加速了歧管催化器的活化过程，由此可降低HC排放量。
将两支管之间的汇合角设置为小于或等于20°的锐角则就可通过防止排气脉冲绕过急弯进行传播，从而具有减弱排气干扰的效果。如果汇合角较大，则1号气缸的放气波很容易绕过钝角的汇合处而传播开去。因而，由于钝角的汇合角有利于放气波的传播，所以放气波会造成对其它气缸的排气干涉，且由于其它气缸关闭着的排气阀会将放气波反射回去，所以还会对1号气缸自身的排气造成干扰。图8表示了在汇合角分别为60°、30°、和0°的情况下、在1号气缸排气道的出口处对排气脉动压力测得的结果。如图8所述，通过减小汇合角，可降低在从进气阀开启时刻到排气阀关闭时刻的气门重叠区间周围的排气脉动压力，由此减弱了排气干涉。如果汇合角小于或等于30°，则排气干涉的程度与汇合角为0°的情况一样低。
图9表示了汇合角与进气容积效率(ηv)之间的关系。如图9所示，当汇合角在30°到60°的范围内时，容积效率对汇合角的敏感度为-0.17％/10°(即汇合角每增大10°，容积效率就降低0.17％)。而在0°到20°的汇合角范围内，敏感度就变为了-0.05％/10°(即汇合角每增大10°，容积效率就降低0.05％)。也就是说，在0°到20°的范围内，汇合角的增大对进气容积效率降低的影响是很小的。当汇合角的范围超过20°时，随着汇合角的增大，容积效率会急剧降低，尤其是在汇合角超过30°的情况下。因而，根据所示实施例的系统通过将汇合角设定为小于或等于20°而可靠地减弱了排气干涉作用。
在本发明的所示实施例中，直管段SP被间置在第一、第二联合支管W1和W2的汇合点与废气净化催化器3之间。该直管段SP的功用为在排气气流被汇合到一起之后，确定汇流气流的方向；并将合并后的排气气流沿某个方向引流到歧管催化器3中，其中的某个方向大体上是沿着废气净化催化器3的中线C(或排气催化器3的纵向方向)。废气中即使含有异物，异物也可以不与催化剂载体的隔室壁板相撞地通过蜂窝室。因而，这样的结构设计可抑制冲蚀现象。如图10所示，如果异物是如图10中虚线所示那样偏斜地流入到歧管催化器3中的，则其就会与隔室的壁板相撞。在流动方向如图10中实线所示的情况下，异物被引流到废气净化催化器3中的方向是沿着隔室壁板的，从而，颗粒从隔室中流过的可能性将会变大。因而，直管段SP的结构设计可防止由于异物撞击到载体的隔室壁板而产生的冲蚀现象、以及由残留在催化剂载体入口处的异物所产生的剧烈作用将隔室壁板彻底损坏的情况。
图11表示了一个耐久试验的试验结果，该耐久试验对应于150，000公里的行驶里程。在该试验中，测量了直管段SP的中线与废气净化催化器3中线之间的偏斜角α为各种数值时的冲蚀体积cc(立方厘米)。如果限定了可被接受的冲蚀体积为3cc，则就应当将偏斜角设定为小于或等于30°。
废气流速在歧管催化器端面上的非均匀分布会引发单侧气流，当发动机处于某些工况时，这会在催化剂载体中产生过高的局部温差，造成载体的开裂。但是，直管段SP可起到流道的作用，使得排气气流混和起来，从而使流速分布在催化器中达到均匀化。
如果扩口段DF的扩张角等于或小于60°，则排气通道就平缓地扩张到歧管催化器3的入口处。扩口段DF有助于使流速的分布达到均匀化。
2号气缸和3号气缸的排气支管B2、B3被设计成在短的距离处合并到一起，且这两支管B2、B3的长度短于排气支管B1和B4的长度。因而，第二联合支管W2可作为一条很长的流道，这样就有助于使流入到催化器中的废气的流速分布达到均匀。
图12A表示了当#1到#4四个气缸的每一个的废气气流排入到催化器中时测得的在歧管催化器入口处的流速分布，其中的四个气缸是根据所示实施例的发动机系统中的气缸。图12B表示了一对比示例的试验结果，在该对比例中，支管之间的汇合角较大，也没有设置直管段，且扩散段的扩张角也较大。相比于图12B所示对比例的情况，图12A所示情形中的不均匀度较低。流速分布的不均匀度或不规则性可用如下的数学式来表达γ＝1-∑(|Vi-Vave|/Vave)在该方程中，Vi表示入口端中各不同部位处的流速，Vave为不同部位流速的平均值。数值γ越小，不规则度就越大。而均匀度则随着γ的增大而增大。
图13表示了在根据该实施方式的所示实例以及对比例中所有气缸不均匀度γ的总和以及各个气缸的不均匀度γ。如图13所示，相比于对比例的情况，所示实施例的不规则度较低、均匀度较高。
图14表示了在扩口段DF的扩张角β发生变化的条件下，歧管催化器入口端中最大温差的测量结果。从图14可明显地看出，如果所能接受的最大温差为130°，则扩张角β就应当被设定为小于或等于60°。
图15表示了通过将发动机的排气阀的开启定时延迟而减弱了排气干涉作用。一般来讲，排气阀在下死点(BDC)之前的45°处开启。但是，在本实施例的该示例中，排气阀的开启定时被设定为下死点前30°转角位置之后，且排气阀的开启时刻被设定为从下死点前30°位置处到下死点处之间的范围内。相比于图15中实线所表示的、属于现有技术的普通实例，图中虚线所示的、根据本实施方式的该实例可将放气定时延迟。通过这样来进行设计，该实例的发动机系统通过防止反射波在气门重叠(O/L)期间到达该气缸，而改善了在气门重叠期间的排气干涉，由此可改善在中、低转速区间的扭矩。可利用图16中所示的阀门定时调节机构50来对排气阀的开启定时进行调节。例如，可通过如下的这些措施来对排气阀的开启定时进行调节即减小排气阀驱动凸轮的工作角、用可变的阀门定时机构改变排气阀的工作角、改变排气阀的工作角和阀门的升程、以及将排气阀动作的中点位置移位。阀门定时调节机构50可包括一可变阀门定时机构。如果排气阀的工作转角被减小，则将会导致发动机在高转速区间的扭矩下降。但是，通过将扩口段的扩张角β设为小于或等于60°、和/或将排气歧管中支管弯曲半径与管径的比值设定为等于或大于1.5，就可改善排气歧管内的流动阻力，从而可克服上述的缺陷。如果采用了可变的阀门定时系统，则只能限定在中和低转速区间(例如小于或等于4000rm)内执行排气阀开启定时的延迟操作。
可按照如下的方式来确定空燃比传感器的位置。在所示的实例中，空燃比传感器被安装在直管段SP中。这种设计的有利之处在于可缩减在确定传感器最优位置时所要进行调整的各个因素；并有利于确定最佳的传感器位置，其中，确定传感器位置是为了提高各个气缸空燃比传感器的灵敏度。在该实例中，空燃比传感器安装孔24的位置是这样来确定的即通过将传感器在图4中的左右方向上进行调节，以检查其对1号气缸和4号气缸的灵敏度、以及对2号气缸和3号气缸的灵敏度，并找出对这两组气缸最优的位置点。
在该实施例中，直管段SP中线与歧管催化器中线之间的偏斜角小于或等于30°。这样的设计可提高歧管催化器抵抗冲蚀的能力。另外，扩张角小于或等于60°的扩口段DF具有使催化器中流速分布和温度分布均匀化的效果，并能提高耐热性。
如与其薄壁催化剂载体的壁厚等于或小于3毫英寸的催化器配合使用，根据该实施例的排气系统通过降低热容而缩短了催化剂的活化时间，同时还可防止出现冲蚀。
从发火顺序并不连续的两气缸排出的排气气流以小于或等于20°的锐角汇合角合流到一联合支管中，且两联合支管被合并到一共同的汇流段中。这样的设置形式可显著地减弱排气干涉，防止发动机在中低转速区间的扭矩下降，并通过将各独立管段的长度减到最短而减小了排气管的总长度，且能在发动机起动之后迅速升高催化剂的温度。
另外，两联合支管进行合并处的汇合角小于或等于20°。因而，该系统可进一步防止排气干涉，并防止中、低转速区间的扭矩下降。2号缸与3号缸这两个内侧气缸的排气支管在上游侧很早就汇合到了一起。这样的设计有助于减弱排气干涉、缩短排气管的总长、并提高歧管催化器的温度。两内侧气缸的排气支管向外突伸出，并在横向上延伸，从而在最为接近的位置处合并到一起。这样的设计有助于缩短排气管的总长，将减小催化剂的活化时间。
两内侧气缸的联合支管(例如W2)具有一很长的直线段。这样的设置有助于减小排气管的总长，并缩短对催化剂进行活化所需的时间。在所示的实例中，排气阀被设定为在下死点之前的30°转角处开启。对排气阀开启定时的这一延迟会使放气过程延迟，从而减小了在气门重叠期间的排气干涉，并提高中、低转速下的扭矩。
在所示的实施例中，直管段SP是沿直线延伸的，且其横截面积从直管段SP的上游端到其下游端保持不变。排气支管B1～B4作为输送废气的装置，将废气从发动机的排气口输送到一汇流部分处。直管段SP的作用是在汇流部分处对排气口排出的排气气流进行汇集，并在废气净化催化器的纵向上对汇合后的排气气流连续地进行引流。
本发明适用于各种类型的发动机。例如，本发明适用于V型八缸机等八缸发动机。
本申请是基于在2002年7月30日提交的第2002-221168号在先日本申请而提出的。第2002-221168号日本专利申请中的全部内容都被结合到本文中作为参考。
尽管上文是参照特定的实施例对本发明进行描述，但本发明并不仅限于上述这些实施例，本领域技术人员在上述内容的启示下，可对上述实施例进行变换和改型。本发明的保护范围由附带的权利要求限定。
权利要求
1.一种发动机排气装置，其包括一排气歧管，其包括从各自的上游端延伸向一汇流部分的多条排气支管，它们的上游端与发动机的气缸相连接；以及一直管段，其从汇流部分延伸向一下游端，其中，在汇流部分处，各排气支管的排气气流汇合到一起，而下游端则适于被连接到一废气净化催化器上。
2.根据权利要求1所述的发动机排气装置，其特征在于所述排气歧管还包括一扩口段，其从所述直管段扩张向排气歧管的所述下游端。
3.根据权利要求2所述的发动机排气装置，其特征在于扩口段的扩张角小于或等于60°。
4.根据权利要求1所述的发动机排气装置，其特征在于排气歧管还包括一第一联合支管，两排气支管一起合并到该联合支管中；并包括一第二联合支管，另两条排气支管一起合并到该联合支管中；且在所述汇流部分处，第一、第二联合支管一起合并到所述直管段中。
5.根据权利要求4所述的发动机排气装置，其特征在于与第一联合支管相连接的排气支管是与发动机中两个气缸相连接的排气支管，这两个气缸的发火次序不连续，与第二联合支管相连接的排气支管是与发动机中发火次序不相邻的两气缸相连接的排气支管。
6.根据权利要求4所述的发动机排气装置，其特征在于在每个第一、第二联合支管中，两排气支管合并处的汇合角都小于或等于20°。
7.根据权利要求4所述的发动机排气装置，其特征在于第一联合支管与第二联合支管的汇合角小于或等于20°。
8.根据权利要求4所述的发动机排气装置，其特征在于其中两排气支管在第二联合支管的上游端处合并到一起，第二联合支管的上游端所处位置位于第一联合支管上游端的上游侧，在第一联合支管处，另外两条排气支管合并到一起。
9.根据权利要求4所述的发动机排气装置，其特征在于与第二联合支管相连接的两排气支管在横向上延伸向对方。
10.根据权利要求4所述的发动机排气装置，其特征在于第一、第四排气支管被连接到第一联合支管上，而第二、第三排气支管则与第二联合支管相连接，第一、第二、第三和第四排气支管是发动机第一气缸、第二气缸、第三气缸、第四气缸的排气支管，这四个气缸以一列形式排列，并使得第二、第三气缸在缸排中位于第一、第四气缸之间。
11.根据权利要求10所述的发动机排气装置，其特征在于第二联合支管包括一段直管。
12.根据权利要求11所述的发动机排气装置，其特征在于第一联合支管包括一段直管，其长度小于第二联合支管的直管段。
13.根据权利要求12所述的发动机排气装置，其特征在于第一、第二联合支管的直管并排地延伸向所述直管段；且第一联合支管位于第二联合支管与排气歧管的上游端之间。
14.根据权利要求1所述的发动机排气装置，其特征在于排气歧管的下游端适于以这样的方式与废气净化催化器相连接即所述直管段中线与废气净化催化器中线之间的夹角小于或等于30°。
15.根据权利要求1所述的发动机排气装置，其特征在于该发动机排气装置还包括废气净化催化器，其具有一陶瓷的薄壁催化剂载体，其壁厚小于或等于3毫英寸。
16.根据权利要求1所述的发动机排气装置，其特征在于排气阀的开启定时范围被设定为从发动机下死点之前的30°位置到下死点之间。
17.一种发动机排气装置，该排气装置的组成为一发动机，其具有为气缸设置的排气口；一废气净化催化器；以及一排气歧管，其包括用于将废气从发动机排气口输送向一汇流部分的装置；以及用于在汇流部分处对排气口排出的排气气流进行汇集、并在废气净化催化器的纵向上对汇流后排气气流连续地进行导流的装置。
全文摘要
本发明涉及发动机排气装置的排气歧管，该排气歧管包括多条排气支管和一直管段。排气支管从各自的上游端延伸向一汇流部分，其中的上游端与发动机的气缸相连接。直管段从汇流部分延伸向一下游端，该下游端适于被连接到一废气净化催化器上。
文档编号F01N3/24GK1475661SQ0315240
公开日2004年2月18日 申请日期2003年7月30日 优先权日2002年7月30日
发明者芦田雅明, 西沢公良, 柴田勝弘, 弘, 良 申请人:日产自动车株式会社