专利名称：具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖。
背景技术：
排气歧管已经被集成进入气缸盖，以提高发动机的紧凑性并且增强排气歧管冷却。气缸盖可以由单个铸件构造而成，以降低发动机的造价并且提高气缸盖的紧凑性。在 文件US 2009/0126659中公开了ー种气缸盖，其具有集成的排气歧管以提供增强冷却的排气系统。特别是，提供了两件式水套设计，以增强气缸盖中的排气歧管的冷却。然而，本申请的发明人已经认识到US 2009/0126659中公开的排气歧管具有各种缺点。例如，发动机的内缸排气流道(runner)的横截面积可能会增大排气歧管内部的损失，从而减小输送至位于该排气歧管的下游的涡轮机的能量的大小。结果，发动机的效率可能会降低。此外，发动机的两个外缸排气流道的横截面积可能会在排气歧管内部引起边界层，该边界层限制了来自于两个外缸的排气流动。从而，外缸的排气流道会进ー步限制发动机性能和燃料经济性。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种改进的具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖以便克服上述提及的缺点。因此，在这里描述了各种示例性的系统和方法。在一个示例中，提供了具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖。气缸盖包括用于位于两个其它气缸之间的ー气缸的第一排气流道，在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间的位置处该第一排气流道具有的横截面积小于第一面积，该第一汇合区域用于将来自不同气缸的排放气体混合。气缸盖还包括用于位于气缸组(cylinder bank)的端部处的ー气缸的第二排气流道,在第二气门导管入口点和第二汇合区域之间的位置处该第二排气流道具有的横截面积大于第一面积，该第二汇合区域用于将来自于不同气缸的排放气体进行混合。通过减小第一排气流道的横截面积，排放气体能够集中至排气歧管的排气出口的中心。其结果是，能够减小排放气体在排气出口上的撞击以降低排气歧管内部的损失。通过这种方式，可以增大提供到位于排气歧管下游的涡轮增压器的涡轮机的排放气体内的能量，从而提闻润轮机的速度。此外，气缸盖的端部处的第二排气流道的横截面积和引入角度能够被构造为对排气歧管中的边界层进行控制。引入角度限定了与第二排气流道的平直部分的外边缘平行的线和跨越排气出口的平面之间的相交。当引入角度处于特定范围之内时，可以减小排放气体在排气歧管壁上的撞击以对排气歧管中的边界层进行控制。因此，可以进ー步减小排气歧管内部的损失。根据本实用新型的一个实施例，其中第一排气流道的横截面积在第一气门导管入ロ点和第一汇合区域之间收缩，并且其中从第一气门导管入口点到第一汇合区域沿着第一排气流道的长度，第一排气流道的横截面积小于第一面积。根据本实用新型的一个实施例，其中第二排气流道的横截面积所具有的横截面积在第二排气流道的弯曲部分中膨胀并且在第二排气流道的平直部分中收缩，并且其中从第ニ气门导管入口点到第二汇合区域沿着第二排气流道的长度，第二排气流道的横截面积大于第一面积。根据本实用新型的一个实施例，其中第二排气流道的弯曲部分和第二排气流道的平直部分处于第二气门导管入ロ点和第二汇合区域之间。根据本实用新型的一个实施例，其还包括容纳通往涡轮增压器的入口的排气出□。根据本实用新型的一个实施例，其还包括到达第一排气流道的第二排气流道的引入角度处于14度和17度之间。根据本实用新型的一个实施例，其中引入角度限定了与第二排气流道的平直部分的外边缘平行的线和跨越排气出口的平面之间的相交。根据本实用新型另ー方面，提供ー种具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖，其包括第一内排气流道和第二内排气流道，第一内排气流道的横截面积小于第一面积，第一内排气流道的横截面积位于第一气门导管入口点的下游以及第ー汇合区域的上游的位置处，第二内排气流道的横截面积位于第二气门导管入ロ点的下游以及第ニ汇合区域的上游的位置处；以及第一外排气流道和第二外排气流道，第一外排气流道的横截面积大于第一面积，第一外排气流道的横截面积位于第三气门导管入口点的下游以及第ー汇合区域的上游的位置处，第二外排气流道的横截面积位于第四气门导管入ロ点的下游以及第ニ汇合区域的上游的位置处。根据本实用新型的一个实施例，其中第一内排气流道具有在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间收缩的横截面积。根据本实用新型的一个实施例，其中第一外排气流道所具有的横截面积在第一外排气流道的弯曲部分中膨胀，并且在第一外排气流道的平直部分中收缩。根据本实用新型的一个实施例，其中第一外排气流道的弯曲部分和第一外排气流道的平直部分处于第三气门导管入ロ点和第一汇合区域之间。根据本实用新型的一个实施例，其还包括容纳通往涡轮增压器的入口的排气出□。根据本实用新型的一个实施例，其中到达第一内排气流道的第一外排气流道的引入角度处于14度和17度之间。根据本实用新型的一个实施例，其中引入角度限定了与第一外排气流道的平直部分的外边缘相切的线和跨越收集器的出口的平面之间的相交。根据本实用新型的又一方面，提供ー种具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖，其包括第一内排气流道和第二内排气流道，第一内排气流道的横截面积小于第一面积，第一内排气流道的横截面积位于第一气门导管入口点的下游以及第ー汇合区域的上游的位置处，第二内排气流道的横截面积位于第二气门导管入口点的下游以及第ニ汇合区域的上游的位置处；以及第一外排气流道和第二外排气流道，第一外排气流道的横截面积大于第一面积，第一外排气流道的横截面积位于第三气门导管入口点的下游以及第ー汇合区域的上游的位置处，第二外排气流道的横截面积位于第四气门导管入ロ点的下游以及第ニ汇合区域的上游的位置处；以及用于第一内排气流道和第二内排气流道以及用于第一外排气流道和第二外排气流道的排气出口，排气出ロ具有的高度小于排气出口的宽度。根据本实用新型的一个实施例，其中排气出口具有的高度与宽度的比大体上为 I. 5 至 2。根据本实用新型的一个实施例，其中第一内排气流道和第二内排气流道沿着基本上平直的路径通向排气出ロ。根据本实用新型的一个实施例，其中排气出ロ具有至少8mm的至少ー个半径。根据本实用新型的一个实施例，其还包括用于位于收集器中的氧传感器的凸台，收集器位于第一气门导管入口点的下游和排气出口的上游。根据本实用新型的一个实施例，其中排气出口直接或间接联接至涡轮增压器的入□。此实用新型内容部分意在以简化的形式引入以下在具体实施方式
中进ー步描述的概念的节选。此实用新型内容部分的意图并不是对所要求保护的主题的关键特征或基本特征进行识别，也并不是用于对所要求保护的主题的范围进行限制。此外，所要求保护的主题并不限于解决了在本文公开内容的任何部分中提及的任何缺点或全部缺点的实施方案。
图I显示了发动机的示意图。图2显示了可以包括在图I中所示的发动机中的排气歧管和冷却系统的示意图。图3显示了大致按比例绘制的示例性气缸盖的图示。图4显示了包括在图3中所示的气缸盖中的排气歧管的横截面视图，该图是大致按比例绘制的。图5显示了用于铸造图3中所示的气缸盖的芯座(core print)，该图是大致按比例绘制的。图6显示了图3中所示的气缸盖的侧视图，该图是大致按比例绘制的。图7显示了包括在图4中所示的排气歧管中的气门导管入口点的横截面视图，该图是大致按比例绘制的。图8显示了包括在图4中所示的排气歧管中的外排气流道的横截面视图，该图是大致按比例绘制的。图9显示了包括在图4中所示的排气歧管中的外排气流道的另ー横截面视图，该图是大致按比例绘制的。图10显示了包括在图4中所示的排气歧管中的内排气流道的横截面视图，该图是大致按比例绘制的。[0043]图11至图14显示了对在图4中描述的排气歧管的定量改进进行描述的各种图。
具体实施方式
这里公开了一种具有集成的排气歧管的气缸盖。集成的排气歧管具有各种几何特性，这些几何特性有助于减小排气系统内部的损失并且有助于改进涡轮增压器的性能。例如，气缸盖可以包括用于位于两个其它气缸之间的一气缸的第一排气流道，在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间的位置处该第一排气流道具有的横截面积小于第一面积，该第一汇合区域用于将来自不同气缸的排放气体混合。气缸盖还包括用于位于气缸组端部处的一气缸的第二排气流道，在第二气门导管入口点和第二汇合区域之间的位置处该第二排气流道具有的横截面积大于第一面积，该第二汇合区域用于将来自于不同气缸的排放气体进行混合。 通过这种方式，第一排气流道的横截面积可以在第一气门导管入口点的下游收缩。第一排气流道中的收缩减小了膨胀损失，并且有助于维持排气歧管内部的排放气体速度。例如，这种收缩可以在第一和第二排气流道的下游在排气歧管中的收集器的中心部分处对排放气体进行引导，以减小收集器壁上的排放气体的撞击，因此减小排气歧管内部的损失。另外，这种收缩能够减小流动分离，因此能够减小排气流道内部的损失。此外，在第一排气流道中的收缩还能够减小气缸排气门之间的交叉干扰(cross-talk)。例如,收缩能够促进在排气歧管的下游由排气门致动产生的压力波的传播。此外，第二排气流道的横截面积所具有的横截面积在第二排气流道的弯曲部分中膨胀，并且在第二排气流道的平直部分中收缩。此外，从第二气门导管入口点到汇合区域沿着第二排气流道的长度，第二排气流道的横截面积大于第一排气流道的第一面积。已经发现，对于具有指向中心排气歧管出口的流动的外缸而言，第二排气流道中的膨胀和随后的收缩进一步减小了排气歧管内部的损失。此外，第二排气流道的引入角度可以处于14度和17度之间。引入角度限定了与第二排气流道的平直部分的外边缘平行的线和跨越排气出口的平面之间的相交。当引入角度处于这个范围之内时，可以减小排放气体在歧管壁上的撞击，从而进一步减小排气歧管中的损失。通过这种方式，当排气歧管包括一个或更多上文描述的几何特性时，发动机的各种性能特性可以得到改进，例如发动机的效率、发动机产生的高低终端扭矩、时间与扭矩的关系(例如，涡轮滞后(turbo-lag))等等。图I和图2显示了发动机以及对应的排气歧管和冷却系统的示意图。图3显示了包括集成的排气歧管的气缸盖的立体图，该图是大致按比例绘制的。图4显示了图3中所示的气缸盖的横截面。图5显示了图3中所示的气缸盖的歧管端口芯(manifold portcore)。图6显示了图3中所示的气缸盖的侧视图。图7_10显示了图3中所示的气缸盖的各种横截面。图11-14显示了对使用图3-10中所示的排气歧管的发动机的对于其它歧管设计的定量改进进行描述的各种图。参考图1，内燃发动机10受到电子发动机控制器12的控制，该内燃发动机10包括多个气缸，在图I中显示其中一个气缸。发动机10包括燃烧室30和气缸壁32，活塞36位于该气缸壁中并且连接至曲轴40。燃烧室30显示为通过相应的进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48联通。每个进气门和排气门可以通过进气凸轮51和排气凸轮53进行操作。可选择地，进气门和排气门的一个或更多个可以通过机电控制的气门线圈和电枢组件进行操作。进气凸轮51的位置可以通过进气凸轮传感器55确定。排气凸轮53的位置可以通过排气凸轮传感器57确定。进气歧管44也显示为处于进气门52和空气进气压缩管(zip tube)42的中间。燃料通过包括燃料箱、燃料泵和燃料轨(未显示)的燃料系统(未显示)输送至燃料喷射器66。图I的发动机10被配置为使得燃料直接喷射进入发动机气缸，本领域技术人员称之为直喷。燃料喷射器66被供给有来自于驱动器68的操作电流,该驱动器68响应于控制器12。此外，进气歧管44显示为与具有节气门阀板64的可选电子节气门62连通。在一个示例中，可以使用低压直喷系统，其中燃料压力能够升高至大约20-30巴。或者，可以使用高压、双级燃料系统，以产生更高的燃料压力。另外在可选择的实施例中，可以使用端口喷射系统。无分电器点火系统88响应于控制器12通过火花塞92为燃烧室30提供点火火花。通用排放气体氧(UEGO)传感器126显示为在催化转化器70的上游联接至排气歧管48。或者，双态排放气体氧传感器可以代替UEGO传感器126。在一个示例中，转换器70能够包括多个催化剂块。在另一个示例中，能够使用多个废气排出控制设备，每个设备具有多个催化剂块。在一个示例中，转换器70可以是三元催化剂。发动机10进一步包括涡轮增压器，该涡轮增压器具有通过驱动轴154联接至涡轮机152的压缩机150。通过这种方式,发动机10可以是增压式发动机(forced inductionengine)。压缩机设置在进气歧管44中，涡轮机联接至排气歧管48。压缩机被配置成为发动机10提供增压(boost)，从而在所选操作状况中增大发动机的动力输出。废气旁通阀156可以设置在涡轮机旁路通道158中。废气旁通阀可以被配置为改变从涡轮机旁路流出的排放气体的量。废气旁通阀可以通过控制器12进行调节。通过这种方式，可以选择性地改变提供至发动机的增压的量。然而，在其它实施例中，提供至发动机的增压可以通过可选择的技术进行调节，例如调节压缩机旁路阀或调节几何尺寸可变的涡轮机的纵横比。在图I中显示的控制器12是常规微型计算机，包括微处理器单元102、输入/输出端口 104、只读存储器106、随机存取存储器108、不失效存储器(ke印alive memory) 110以及常规数据总线。控制器12显示为接收来自于联接至发动机10的传感器的各种信号，除了上文讨论的那些信号，还包括来自于联接至冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT);联接至加速踏板130用于感测脚132施加的力的位置传感器134 ;来自于联接至进气歧管44的压力传感器122的发动机歧管压力(MAP)的测量值；来自于感测曲轴40位置的霍尔效应传感器118的发动机位置传感器；来自于传感器120的进入发动机的空气质量的测量值；以及来自于传感器58的节气门位置的测量值。也可以对大气压力进行感测(传感器未显示)，从而通过控制器12进行处理。在本说明书的优选方面，霍尔效应传感器118对于曲轴的每次回转产生预定数量的等距脉冲，据此能够确定发动机速度(RPM)。在操作过程中，发动机10内部的每个气缸经历四冲程循环该循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。一般而言，在进气冲程期间，排气门54关闭并且进气门52打开。空气通过进气歧管44被引入燃烧室30，活塞36移动至气缸的底部以增大燃烧室30内部的体积。活塞36接近气缸底部并且处于其冲程末尾的位置(例如，当燃烧室30处于其最大体积时)通常被本领域技术人员称为下死点(BDC)。在压缩冲程期间，进气门52和排气门54关闭。活塞36朝向气缸盖移动，以对燃烧室30内部的空气进行压缩。活塞36处于其冲程末尾并且接近气缸盖的点(例如，当燃烧室30处于其最小体积时)通常被本领域技术人员称为上死点(TDC)。在下文称为喷射的过程中，燃料被引入燃烧室。在下文称为点火的过程中，喷射的燃料通过已知的点火装置例如火花塞92进行点火，导致燃烧。然而，在其它示例中，可以利用压缩点火。在膨胀冲程期间，膨胀的气体将活塞36推回至BDC。曲轴40将活塞运动转化为旋转轴的旋转扭矩。最终，在排气冲程期间，排气门54打开以将燃烧过的空气-燃料混合物释放至排气歧管48，并 且活塞返回至TDC。注意到，上文只是作为示例进行说明，进气门和排气门打开和/或关闭的时机也可以改变，从而例如提供正或负气门重叠、延迟的进气门关闭或者各种其它示例。图2显示了包括冷却系统200和集成的排气歧管202的发动机的示意图。将会认识到，排气歧管202可以类似于图I中所示的排气歧管48。冷却系统200可以被配置为从气缸盖消除热量，从而降低燃烧温度并且减小气缸盖和集成的排气歧管上的热应力。将会认识到，冷却系统可以包括在发动机10中，如图I中所示。控制器12可以被配置为通过冷却液回路250对从发动机消除的热量的量进行调整。通过这种方式，发动机的温度可以被调整为，使得燃烧效率能够增大并且减小发动机上的热应力。冷却系统200包括冷却液回路250，该冷却液回路250行进经过气缸体252。水或另一种合适的冷却液可以用作冷却液回路中的工作流体。气缸体可以包括一个或更多个燃烧室的一部分。将会认识到，冷却液回路可以邻近燃烧室的该部分而行进。通过这种方式，发动机操作期间产生的过多的热量可以传递至冷却液回路。气缸盖253可以联接至气缸体以形成气缸组件。在组装时，气缸组件可以包括多个燃烧室。气缸盖可以包括上冷却套254和下冷却套256。然而，在其它实施例中，可以提供单个冷却套。如图所示，上冷却套包括入口 258，下冷却套包括多个入口 260。然而在其它实施例中，下冷却套可以包括单个入口，上冷却套可以包括多个入口。入口 258和入口 260联接至气缸体中的公共冷却液回路通道261。通过这种方式，上冷却套和下冷却套通过它们各自的入口从包括在发动机的发动机缸体中的公共冷却液源接收冷却液。然而，将会认识至IJ，在一些实施例中，上冷却套和下冷却套可以从发动机缸体中的不同冷却液通道接收冷却液。第一组交叉冷却液通道262可以将上冷却套流体地联接至下冷却套。同样地，第二组交叉冷却液通道264可以额外地将上冷却套流体底联接至下冷却套。包括在第一组交叉冷却液通道中的每个交叉冷却液通道都可以包括限制部266。限制部的各种特性(例如，尺寸、形状等等)可以在气缸盖253的构造过程中进行调整。因此，包括在第一组交叉冷却液通道中的限制部可以与包括在第二组交叉冷却液通道中的限制部和/或限制部269在尺寸、形状等等方面有所不同。通过这种方式，气缸盖可以针对多种发动机进行调整，从而增强气缸盖的可应用性。尽管在第一组和第二组交叉冷却液通道中都描述了两个交叉冷却液通道，但是在其它实施例中，包括在第一组和第二组交叉冷却液通道中的交叉冷却液通道的数量可以改变。交叉冷却液通道使得冷却液能够在上冷却套和下冷却套两者的入口和出口之间的各个点处在冷却套之间行进。通过这种方式，冷却液可以以复杂的流动型态行进，其中在套的中部以及在套内部的各个其它位置，冷却液在上下套之间移动。混合的流动形态在发动机操作期间降低了气缸盖内部的温度可变性，并且增大了可以从气缸盖消除的热能的量。上冷却套包括出口 268。出口 268可以包括限制部269。此外，下冷却套包括出口270。将会认识到，在其它实施例中，出口 270也可以包括限制部。来自于上冷却套和下冷却套的出口可以组合并且可以流体联通。然后，冷却液回路可以行进经过散热器272。散热器使得热量能够从冷却液回路传递至周围空气。通过这种方式，可以从冷却液回路消除热量。在冷却液回路中还可以包括泵274。恒温器276可以位于上冷却套的出口 268处。恒温器278也可以位于气缸体的入口处。在其它实施例中，附加的恒温器可以位于冷却液 回路内部的其它位置处，例如处于散热器的入口或出口、下冷却套的入口或出口、上冷却套的入口等等。恒温器可以用于基于温度而对流动经过冷却液回路的流体的量进行调整。在一些示例中，恒温器可以通过控制器12进行控制。然而，在其它示例中，恒温器可以进行被动操作。将会认识到，控制器12可以对由泵274提供的压头的量进行调整，以调节经过回路的冷却液的流量，并且因此调节从发动机消除的热量的量。此外，在一些示例中，控制器12可以被配置为对通过恒温器276经过上冷却套的冷却液流量进行动态调节。具体而言，当发动机温度低于阈值时，经过上冷却套的冷却液的流量可以减小。通过这种方式，可以缩短在冷起动过程中发动机预热的持续时间，从而提供燃烧效率并且减少排气。图3显示了示例性气缸盖253的立体图。气缸盖可以配置为附接至限定了多个气缸的气缸体(未显不)，气缸具有在其中往复移动的活塞。气缸可以是直列配置，其中气缸相对于气缸的中心轴线在一条直线上对齐。所描述的气缸盖附接至气缸体以形成四个气缸。然而，在其它实施例中可以利用可选择的气缸数，例如三个气缸。将会认识到，在发动机中位于直列配置中的气缸的集合可以称之为气缸组。气缸盖可以用合适的材料(例如铝)铸造而成。组装的气缸盖的其它部件已经被省略。省略的部件包括凸轮轴、凸轮轴罩、进气门和排气门、火花塞等等。如图所示，气缸盖253包括四个周界壁。壁包括第一和第二侧壁，分别标记为302和304。四个周界壁可以进一步包括前端壁306和后端壁308。第一侧壁可以包括涡轮机安装螺栓凸台310或者容纳通往涡轮增压器的入口的其它合适的附接装置。通过这种方式，涡轮增压器可以直接地安装至气缸盖，从而减小发动机内部的损失。然而，将会认识到，涡轮增压器可以间接地联接至气缸盖。涡轮增压器可以包括由排气驱动的涡轮机，该涡轮机通过驱动轴联接至压缩机，如上文所述。底壁312可以被配置为联接至气缸盖(未显示)，从而形成发动机燃烧室，如上文所述。气缸盖253可以进一步包括排气歧管,该排气歧管包括排气收集器316。收集器位于气门导管入口点的下游，如图4中所示，并且位于排气出口 318的上游。因此，出口在竖直方向上以及在水平方向上对齐。然而，其它对齐方式也是可能的。气缸盖可以进一步包括凸台(未显示)，用于将氧传感器定位在收集器中。凸台可以提供通向收集器的通道，用于感测来自气缸盖的所有气缸的排放气体。在一个示例中，凸台可以定位在上冷却套的脱气端口 319的下方。然而，在其它示例中，凸台可以定位于另一个合适的位置。排气歧管进一步包括联接至收集器的多个排气流道。针对图4-10对排气流道进行了更加具体的说明和讨论。此外，排气流道可以通过气门导管联接至一个或更多个排气门。每个排气流道都联接至每个气缸的排气门。通过这种方式，排气歧管和排气流道可以集成进入气缸盖。集成的排气流道具有若干好处，例如减小了发动机内部的部件的数量从而降低了整个发动机开发周期中的成本。此外，当利用集成的排气歧管时，也可以降低库存成本和组装成本。剖切面320限定了图4中显示的横截面。剖切面324限定了图7中显示的横截面，并且剖切面326限定了图8中显示的横截面。剖切面328限定了图9中显示的横截面，并且剖切面330限定了图10中显示的横截面。图4显示了包括在图3所示的气缸盖253中的排气歧管202的横截面视图。包括在排气歧管中的收集器316联接至位于其它两个气缸之间的气缸的第一内排气流道410。第一内排气流道410包括在汇合区域416处交汇的第一入口管道412和第二入口管道414。第一和第二入口管道包括第一和第二气门导管入口点(710和712)，如图7中所示。将会认识到，气门导管入口点可以被配置为每个入口点接收排气门的一部分。收集器316也联接至第二内排气流道418。第二内排气流道418包括在汇合区域424处交汇的第一入口管道420和第二入口管道422。第一和第二入口管道包括第一和第二气门导管入口点(714和716)，如图7中所示。排气流道在发动机操作期间接收来自于气缸的排放气体。气门导管入口点使得排气门能够定位在气缸盖中，从而使得排气门能够限制从气缸到流道的气体流动。因此，每个内排气流道都包括联接至两个排气门的两个入口管道。然而，在其它示例中，第一和第二内排气流道的每一个都可以包括单个气门导管入口点。因此，在这样的示例中，第一内排气流道和第二内排气流道的每一个都包括单个入口管道。将会认识到，两个内排气流道都可以联接至位于两个其它气缸之间的气缸。第一和第二内流道可以在汇合区域426处会聚，以用于混合来自于内缸的排放气体。如图所示，第一和第二内排气流道可以沿基本上平直的路径指向排气出口 318。排气歧管进一步包括第一外排气流道428和联接至收集器316的第二外排气流道430。第一和第二外排气流道联接至位于气缸组的每个端部处的气缸。换言之，第一和第二夕卜排气流道联接至直列配置的气缸组中的最外侧的气缸。第一外排气流道包括在汇合区域436处交汇的第一入口管道432和第二入口管道434。第一和第二入口管道(432和434)包括第一气门导管入口端口和第二气门导管入口端口(718和720)，如图7中所示。类似地，第二外排气流道包括在汇合区域442处交汇的第一入口管道438和第二入口管道440。第一和第二入口管道(438和440)包括第一气门导管入口点和第二气门导管入口点(722和724)，如图7中所示。第二外排气流道430和第二内排气流道418可以在汇合区域444处会聚，以用于混合来自于内缸和外缸的排放气体。类似地，第一外排气流道428和第一内排气流道410可以在汇合区域446处会聚，以用于混合来自于内缸和外缸的排放气体。第一外排气流道具有引入角度448。引入角度448可以限定为与第一外排气流道 428的外壁450的平直部分平行的线和跨越排气出口 318的平面的相交。第一外排气流道的外壁可以是与侧壁302邻近的竖直对齐的壁，如图3所示。由于排气歧管的对称性，将会认识到，第二外排气流道具有相等的引入角度。[0078]出乎意料的是已经发现，当外排气流道具有15到17度之间的引入角度时，发动机操作期间排放气体中的流动分离可能会减小，从而减小了排气歧管中的损失。具体而言，可以利用15. 5度的引入角度以减小排气歧管中的流动分离。该范围内的引入角度还可以减小排放气体在排气歧管壁上的撞击。此外，该范围内的引入角度还可以减小排气门之间的交叉干扰的量。例如，在排气门操作期间在外排气流道中产生的反作用波可能会传播到排气歧管的下游，与其它排气流道中的情况相反。因此，利用了具有15到17度之间的引入角度的排气门。通过这种方式，通过减小排气门之间的交叉干扰，可以对发动机操作进行改进。图5显示了图4中所示的排气歧管的排气歧管端口芯。尽管显示了芯座，但将会认识到，排放气体可以行进经过由排气歧管端口芯限定的通道。因此，对应的部件被相应地标上标记O线518表示第一外流道428的排气歧管端口芯区域的起点位置的剖切面，第一外流道428的横截面积是从这个位置进行测量的。线520表示第一外流道428的弯曲部分上的示例位置的剖切面，第一外流道428的弯曲部分的横截面积能够在这个位置进行测量。线526和线528表示第一外流道428的平直部分上的示例位置的剖切面，第一外流道428的平直部分的横截面积能够在这个位置进行测量。在线518处，第一外流道428具有第一横截面积。在线520处，第一外流道428具有第二横截面积。在线526和线528处，第一外流道428具有第三横截面积。第一外流道428从第一横截面积膨胀至第二横截面积，并且从第二横截面积收缩至第三横截面积。类似地，第二外排气流道430的线522表示排气歧管端口芯区域的起点位置的剖切面，该流道的横截面是从这个位置进行测量的。线524表示第二外流道430的弯曲部分上的示例位置的剖切面，第二外流道430的弯曲部分的横截面积能够在这个位置进行测量。线510表示第一内流道410的排气歧管端口芯区域的起点的示例位置的剖切面，内流道410的横截面积是从这个位置进行测量的。线512表示第一内流道410的示例位置的剖切面，内流道410的横截面积是在这个位置进行测量的。在线510处，第一内流道410具有第一横截面积。在线512处,第一内流道410具有第二横截面积。第一横截面积大于第二横截面积。类似地，线514表示第二内流道418的排气歧管端口芯区域的起点的示例位置的剖切面，内流道418的横截面积是从这个位置进行测量的。线516表示第二内流道418的示例位置的剖切面，内流道418的横截面积是在这个位置进行测量的。线530表示第二内流道418的另一个示例位置的剖切面，第二内流道418的横截面积是在这个位置进行测量的。图6显示了排气出口 318的侧视图。该出口的横截面积可以是945mm2。该出口的半径601大体上可以是8mm。该出口的宽度602大体上可以是43mm。收集器的出口的高度604大体上可以是24mm。因此，出口的宽度大于出口的高度。在一些实施例中，排气出口的宽度和高度之间的比例大体上可以是I. 5至2。将会认识到，当出口的宽度与高度的比例处于前述范围之内时，可以减小排气歧管内部的排放气体的撞击。通过这种方式，可以减小排气歧管内部的损失，从而增大了提供至涡轮机的能量的量。图7显示了用于第一内排气流道410的第一气门导管入口点710和第二气门导管入口点712以及对应的入口管道(412和414)的横截面视图。此外，图7显示了用于第二内排气流道418的第一气门导管入口点714和第二气门导管入口点716以及对应的入口管道(420和422)。图7还显示了用于第一外排气流道428的第一气门导管入口点718和第二气门导管入口点720以及对应的入口管道(432和434)。图7还显示了用于第二外排气流道430的第一气门导管入口点722和第二气门导管入口点724以及对应的入口管道(438和440)。在两个气门导管入口点(710和712)的每一个之间的第一内排气流道的横截面积大体上可以是716mm2。作为参考，在图5中显示了第一内排气流道410的截面的前导边界(线510)和拖尾边界(线512)。将会认识到，横截面积是通过跨越排气流道并且垂直于与排气流道的中心轴线相切的线750的平面进行测量的。同样地，在两个气门导管入口点(714和716)的每一个之间的第二内排气流道418的横截面积大体上可以是716mm2。作为参考，在图5中显示了第二内排气流道418的截面的前导边界(线514)和拖尾边界(线516)。在两个气门导管入口点(718和720)之间的第一外排气流道的横截面积大体上可以是716mm2。作为参考，前导边界(线518)具有的横截面积大体上可以是716mm2，如图6中所示。同样地，在两个气门导管入口点(722和724)的每一个之间的第二外排气流道430 的横截面积大体上可以是716mm2。作为参考，前导边界(线522)具有的横截面积大体上可以是716mm2，如图6中所示。图8显示了在如图4中所示的沿着从气缸的排气流动的方向在气门导管入口点(718和720)的下游并且在汇合区域446的上游的在排气流道的弯曲部分中的第一外排气流道428的横截面视图。如上文所述，第一外排气流道的横截面积开始于第一面积，并且在排气流道弯曲时膨胀，并且在排气流道到达汇合点时收缩，在该汇合点处，来自于一个气缸的排放气体与另一个气缸的排放气体进行混合。第一外排气流道428在排气流动方向上的气门导管入口点(718和720)的下游位置处开始于大体上为716mm2的第一面积。在图8中所示的排气流道的弯曲部分中的第一外排气流道的横截面积可以是716_2。作为参考，在图5中显示了第一外排气流道的弯曲部分的前导边界(线520)和拖尾边界(线526)。如上文所述，横截面积可以通过跨越排气流道并且垂直于与排气流道的中心轴线相切的线的平面进行测量。由于排气歧管内部的对称性，第二外排气流道在几何形状和尺寸方面与第一外排气流道相似。图9显示了在排气流动的方向上在气门导管入口点(718和720)的下游并且在汇合区域446的上游的在排气流道的平直部分中的第一外排气流道428的横截面视图。作为参考，在图5中显示了第一外排气流道的平直部分的前导边界(线526)和拖尾边界(线528)。第一外排气流道的平直部分的横截面积可以小于第一外排气流道的弯曲部分的横截面积。因此，沿着第一外排气流道的长度的横截面积在流道的平直部分中收缩。具体地，所显示的排气流道的平直部分的横截面积可以是651_2。由于排气歧管内部的对称性，第二外排气流道在几何形状和尺寸方面与第一外排气流道相似。因此，第二外排气流道也可以经历膨胀和下游收缩。出乎意料的是已经发现，第一和第二外排气流道中的膨胀和随后的收缩可以减小外排气流道内部的排放气体的流动分离，从而减小排气歧管内部的损失。当排气歧管内部的损失减小时，输送至位于排气歧管下游的涡轮增压器的涡轮机的能量增大，从而提高发动机的效率和潜在的动力输出。图10显示了在排气流动的方向上在气门导管入口点(714和716)的下游并且在汇合区域444的上游的在排气流道的一部分中的第二内排气流道418的横截面视图。该部分的横截面积可以小于在排气流动的方向上在气门导管入口点的下游的排气流道的横截面积。具体地，横截面积可以是660mm2。作为参考，在图5中显示了上文描述的第二内排气流道的该部分的前导边界(线516)和拖尾边界(线530)。通过这种方式，第二内排气流道的横截面积沿着流道的长度收缩。由于排气歧管的对称性，将会认识到，第一内排气流道在几何形状和尺寸方面与第二内排气流道相似。在第一和第二内排气流道中的收缩将排放气体集中于排气出口 318的中心，从而减小了排放气体在出口 318的壁上的撞击。因此，可以减小排气歧管损失。因此，在与不具有收缩的其它排气歧管进行比较时，可以增大通过排放气体输送至涡轮机的能量。通过这种方式，可以提高涡轮增压器的效率，因此可以提高发动机的效率。从而，图3-11的气缸盖提供了这样一种气缸盖，其包括用于位于两个其它气缸之间的一气缸的第一排气流道，在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间的位置处，该第一排气流道具有的横截面积小于第一面积，该第一汇合区域用于将来自不同气缸的排放气体混合。气缸盖还包括用于位于气缸组端部处的一气缸的第二排气流道，在第二气门导管入口点和第二汇合区域之间的位置处该第二排气流道具有的横截面积大于第一面积，该第二汇合区域用于将来自不同气缸的排放气体混合。气缸盖还包括第一排气流道的横截面积在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间收缩的情况，以及从第一气门导管入口点到第一汇合区域沿着第一排气流道的长度，第一排气流道的横截面积小于第一面积的情况。气缸盖还包括第二排气流道的横截面积所具有的横截面积在第二排气流道的弯曲部分中膨胀并且在第二排气流道的平直部分中收缩的情况，以及从第二气门导管入口点到第二汇合区域沿着第二排气流道的长度，第二排气流道的横截面积大于第一面积的情况。气缸盖还包括第二排气流道的弯曲部分和第二排气流道的平直部分处于第二气门导管入口点和第二汇合区域之间的情况。气缸盖还包括容纳通往涡轮增压器的入口的排气出口。气缸盖还包括到达第一排气流道的第二排气流道的引入角度处于14度和17度之间。气缸盖还包括引入角度限定了与第二排气流道的平直部分的外边缘平行的线和跨越排气出口的平面之间的相交的情况。此外，图3-10的气缸盖提供了一种包括第一和第二内排气流道的气缸盖，第一内排气流道的横截面积小于第一面积，所述第一内排气流道的所述横截面积位于第一气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，第二内排气流道的横截面积位于第二气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处。气缸盖还包括第一和第二外排气流道，第一外排气流道的横截面积大于所述第一面积，所述第一外排气流道的所述横截面积位于第三气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，第二外排气流道的横截面积位于第四气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处。气缸盖还包括第一内排气流道具有在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间收缩的横截面积的情况。气缸盖还包括第一外排气流道所具有的横截面积在第一外排气流、道的弯曲部分中膨胀，并且在第一外排气流道的平直部分中收缩的情况。气缸盖还包括第一外排气流道的弯曲部分和第一外排气流道的平直部分处于第三气门导管入口点和第一汇合区域之间的情况。气缸盖还包括容纳通往涡轮增压器的入口的排气出口。气缸盖还包括到达第一内排气流道的第一外排气流道的引入角度处于14度和17度之间的情况。气缸盖还包括引入角度限定了与第一外排气流道的平直部分的外边缘相切的线和跨越收集器的出口的平面之间的相交的情况此外，图3-10的气缸盖提供了一种包括第一和第二内排气流道的气缸盖，第一内排气流道的横截面积小于第一面积，所述第一内排气流道的所述横截面积位于第一气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，第二内排气流道的横截面积位于第二气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处。气缸盖还包括第一和第二外排气流道，第一外排气流道的横截面积大于所述第一面积，所述第一外排气流道的所述横截面积位于第三气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，第二外排气流道的横截面积位于第四气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处。气缸盖还包括用于第一和第二内排气流道以及用于第一和第二外排气流道的排气出口，所述排气出口具有的高度小于所述排气出口的宽度。气缸盖还包括排气出口具有的高度与宽度的比大体上为I. 5至2的情况。气缸盖还包括第一和第二内排气流道沿着基本上平直的路径通向排气出口的情况。气缸盖还包括排气出口具有至少8_的至少一个半径的情况。气缸盖还包括用于位于收集器中的氧传感器的凸台，该收集器位于第一气门导管入口点的下游和排气出口的上游。气缸盖还包括排气出口直接或间接联接至涡轮增压器的入口的情况。气缸盖还包括用于位于收集器中的氧传感器的凸台，该收集器位于第一气门导管入口点的下游和排气出口的上游。气缸盖还包括排气出口联接至涡轮增压器的入口的情况。图11显示了描述发动机的动力输出与在气门导管入口点的下游和汇合区域的上游的第一和第二内排气流道的一部分的横截面积之间的关系的图。该图是通过使用集成的1D/3D计算流体动力学程序而生成的，该程序对具有与图4-10中所示的排气歧管相似的几何特性的排气歧管的流动特性进行建模。如图所示，在气门导管入口点的下游和汇合区域的上游的内排气流道的一部分的横截面积发生变化，以确定最优横截面积。将会认识到，在对排气歧管进行建模时考虑了排气歧管的壁温度，以研究热传递系数以及发动机性能上的热通量效果。此外，收集器的出口的面积保持恒定。如图所示，当每个内排气流道的横截面积都是29_2时动力输出得以最大化。将会认识到，在模型中利用的排气歧管中的两个气门导管入口点的组合横截面积是大约30. 2_2。因此，行进经过内流道的排放气体经历收缩，这种收缩将排放气体集中在收集器的中间，并且减小内排气流道内部的流动分离，从而减小排气歧管中的损失。图12显示了对于若干排气歧管设计使用计算流体动力学计算机建模程序的排气歧管的扭矩曲线。线1202表示使用集成的排气歧管的2升直列4缸发动机的扭矩曲线，其中在气门导管入口点下游并且在汇合区域的上游的第一和第二内排气流道的一部分的横截面积是660mm2。线1204表不使用集成的排气歧管的2升直列4缸发动机的扭矩曲线,其中在气门导管入口点下游并且在汇合区域的上游的第一和第二内排气流道的一部分的横截面积是706mm2。线1206表不使用集成的排气歧管的2升直列4缸发动机的扭矩曲线,其中内排气流道的横截面积是750mm2。线1208表示使用集成的排气歧管的2升直列4缸发动机的扭矩曲线，其中在气门导管入口点下游并且在汇合区域的上游的第一和第二内排气流道的一部分的横截面积是750mm2。线1210表示使用排气歧管的2升直列4缸发动机的扭矩曲线，其中在气门导管入口点下游并且在汇合区域的上游的第一和第二内排气流道的一部分的横截面积是600mm2。线1212表示使用集成的排气歧管的2升直列4缸发动机的扭矩曲线，其中在气门导管入口点下游并且在汇合区域的上游的第一和第二内排气流道的一部分的横截面积是803_2。如图所示，具有660_2横截面积的内排气流道的排气歧管的扭矩曲线下方的面积增大。特别地，660_2排气歧管的低端扭矩大于其它歧管设计。
图13显示了各种排气歧管设计的收集器的出口处的热传递系数(HTC)的条形图。具有交叉影线的条形表示收集器的出口处的平均HTC，没有交叉影线的条形表示收集器的出口处的最大HTC。条形1302和1304表示具有660mm2内流道横截面积的排气歧管的收集器的出口处的平均和最大HTC。条形1306和1308表示具有706mm2内流道横截面积的排气歧管的收集器的出口处的平均和最大HTC。条形1310和1312表示具有804mm2内流道横截面积的排气歧管的收集器的出口处的平均和最大HTC。条形1314和1316表示具有820mm2内流道横截面积的排气歧管的收集器的出口处的平均和最大HTC。如图所示，与具有其它几何尺寸的排气歧管比较，具有横截面积为660mm2的内流道的排气歧管的平均和最大HTC都可以更小。通过这种方式，在使用660_2内流道横截面积时，排气歧管上的热应力可以减小，同时排气歧管的效率提高。图14显示了描述发动机中排气歧管下游的涡轮机处的压力与曲柄位置之间的关系的图。线1402表不压力与具有中间截面横截面积为660mm2的内流道的排气歧管的曲柄位置的关系。线1404表不压力与具有中间截面横截面积为706mm2的内流道的排气歧管的曲柄位置的关系。线1406表不压力与具有中间截面横截面积为754mm2的内流道的排气歧管的曲柄位置的关系。线1408表示压力与具有中间截面横截面积为804mm2的内流道的排气歧管的曲柄位置的关系。线1410表示压力与具有中间截面横截面积为600_2的内流道的排气歧管的曲柄位置的关系。如图所示，与其它排气歧管配置的压力峰值比较，在具有29. Omm2横截面积的发动机的涡轮机处的压力峰值更大。通过这种方式，在内排气流道中具有收缩的排气歧管中的损失减小，从而输送至联接在排气歧管下游的涡轮机的气体的压力增大。将会认识到，本文中描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些特定实施方案或示例并不会被认为是限制性的，因为很多变化形式都是可能的。本文公开内容的主题包括本文中公开的各种特征、功能、动作和/或性质的所有新颖且非显而易见的组合和低级组合，及其任何和所有等效形式。
权利要求1.一种具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖，其特征在于，包括 用于位于两个其它气缸之间的一气缸的第一排气流道，在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间的位置处所述第一排气流道具有的横截面积小于第一面积，所述第一汇合区域用于将来自不同气缸的排放气体混合；以及 用于位于气缸组的端部处的一气缸的第二排气流道，在第二气门导管入口点和第二汇合区域之间的位置处所述第二排气流道具有的横截面积大于第一面积，所述第二汇合区域用于将来自不同气缸的排放气体混合。
2.根据权利要求I所述的气缸盖，其中所述第一排气流道的横截面积在所述第一气门 导管入口点和所述第一汇合区域之间收缩，并且其中从所述第一气门导管入口点到所述第一汇合区域沿着所述第一排气流道的长度，所述第一排气流道的横截面积小于所述第一面积。
3.根据权利要求2所示的气缸盖，其中所述第二排气流道的横截面积所具有的横截面积在所述第二排气流道的弯曲部分中膨胀并且在所述第二排气流道的平直部分中收缩，并且其中从所述第二气门导管入口点到所述第二汇合区域沿着所述第二排气流道的长度，所述第二排气流道的横截面积大于所述第一面积。
4.根据权利要求3所示的气缸盖，其中所述第二排气流道的弯曲部分和所述第二排气流道的平直部分处于所述第二气门导管入口点和所述第二汇合区域之间。
5.根据权利要求I所示的气缸盖，其中还包括容纳通往涡轮增压器的入口的排气出□。
6.根据权利要求I所示的气缸盖，其中还包括到达所述第一排气流道的所述第二排气流道的引入角度处于14度和17度之间。
7.根据权利要求6所述的气缸盖，其中所述引入角度限定了与所述第二排气流道的平直部分的外边缘平行的线和跨越排气出口的平面之间的相交。
8.一种具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖，其特征在于，包括 第一内排气流道和第二内排气流道，所述第一内排气流道的横截面积小于第一面积，所述第一内排气流道的所述横截面积位于第一气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，所述第二内排气流道的横截面积位于第二气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处；以及 第一外排气流道和第二外排气流道，所述第一外排气流道的横截面积大于所述第一面积，所述第一外排气流道的所述横截面积位于第三气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，所述第二外排气流道的横截面积位于第四气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处。
9.根据权利要求8所述的气缸盖，其中所述第一内排气流道具有在所述第一气门导管入口点和所述第一汇合区域之间收缩的横截面积。
10.根据权利要求8所示的气缸盖，其中所述第一外排气流道所具有的横截面积在所述第一外排气流道的弯曲部分中膨胀，并且在所述第一外排气流道的平直部分中收缩。
11.根据权利要求10所示的气缸盖，其中所述第一外排气流道的弯曲部分和所述第一外排气流道的平直部分处于所述第三气门导管入口点和所述第一汇合区域之间。
12.根据权利要求8所示的气缸盖，其中还包括容纳通往涡轮增压器的入口的排气出□。
13.根据权利要求8所示的气缸盖，其中到达所述第一内排气流道的所述第一外排气流道的引入角度处于14度和17度之间。
14.根据权利要求13所示的气缸盖，其中所述引入角度限定了与所述第一外排气流道的平直部分的外边缘相切的线和跨越收集器的出口的平面之间的相交。
15.一种具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖，其特征在于，包括 第一内排气流道和第二内排气流道，所述第一内排气流道的横截面积小于第一面积，所述第一内排气流道的所述横截面积位于第一气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，所述第二内排气流道的横截面积位于第二气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处；以及 第一外排气流道和第二外排气流道，所述第一外排气流道的横截面积大于所述第一面积，所述第一外排气流道的所述横截面积位于第三气门导管入口点的下游以及第一汇合区域的上游的位置处，所述第二外排气流道的横截面积位于第四气门导管入口点的下游以及第二汇合区域的上游的位置处；以及 用于所述第一内排气流道和第二内排气流道以及用于所述第一外排气流道和第二外排气流道的排气出口，所述排气出口具有的高度小于所述排气出口的宽度。
16.根据权利要求15所述的气缸盖，其中所述排气出口具有的高度与宽度的比大体上为I. 5至2。
17.根据权利要求15所述的气缸盖，其中所述第一内排气流道和第二内排气流道沿着基本上平直的路径通向所述排气出口。
18.根据权利要求15所述的气缸盖，其中所述排气出口具有至少8mm的至少一个半径。
19.根据权利要求15所述的气缸盖，其中还包括用于位于收集器中的氧传感器的凸台，所述收集器位于所述第一气门导管入口点的下游和所述排气出口的上游。
20.根据权利要求19所述的气缸盖，其中所述排气出口直接或间接联接至涡轮增压器的入口。
专利摘要本实用新型提供一种具有集成的排气歧管的发动机的气缸盖。气缸盖包括用于位于两个其它气缸之间的一气缸的第一排气流道，在第一气门导管入口点和第一汇合区域之间的位置处该第一排气流道具有的横截面积小于第一面积，该第一汇合区域用于将来自不同气缸的排放气体混合。气缸盖还包括用于位于气缸组的端部处的一气缸的第二排气流道，在第二气门导管入口点和第二汇合区域之间的位置处该第二排气流道具有的横截面积大于第一面积，该第二汇合区域用于将来自于不同气缸的排放气体进行混合。在一个示例中，内排气流道和外排气流道具有不同的横截面积。这种布置可以有利于维持集成的排气歧管中的排气流量。
文档编号F02F1/42GK202381182SQ20112029579
公开日2012年8月15日 申请日期2011年8月15日 优先权日2010年8月16日
发明者J·C·里格, T·J·布莱维, 山田修也 申请人:福特环球技术公司