排氣流道、用于內燃機的排氣組件及動力源的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及內燃機排氣系統中的排氣歧管。
【背景技術】
[0002]在現代的內燃機技術中，渦輪增壓器是由內燃機的高溫廢氣提供動力。一般來說，廢氣速度越高，廢氣中的可用于為渦輪增壓器提供動力的能量也就越大。所希望的是在溫度盡可能高以維持排氣系統中的廢氣量進而維持排氣系統速度的高溫狀態下，將高溫廢氣從內燃機輸送至渦輪增壓器。然而，還希望降低內燃機艙內的部件的溫度。現有技術提供了圍繞排氣歧管設置的水套以降低歧管的溫度。遺憾的是，使用水套降低了排氣的溫度，卻又降低了供給到渦輪增壓器的能量以及可回收的熱能的溫度。
[0003]為了使歧管溫度處于允許的范圍內，同時保持廢氣溫度盡可能高，已經進行了一些嘗試。在美國專利5，463，867(下稱“’867專利”)中描述的這樣一個系統提供了一種在空氣間隔包圍的歧管內部的套管。空氣間隔提供隔熱用于使排氣溫度保持得盡可能的高，同時，減少傳遞到水套中水的熱量。然而，此系統內廢氣的流動受氣缸出口和排氣管之間的連接管的幾何結構限制。因此，在’867專利和其他系統中，廢氣速度降低了。
[0004]—些其他的非水套式排氣系統，如美國專利6，745，561，試圖通過在歧管中聚合一組流道來保持排氣速度。然而，湍急的廢氣流仍存在于流道的聚合處，并且最終歧管的整體形狀不利于裝夾套。
[0005]因此，需要一種改進的排氣系統以解決上述問題和/或其他常規方法所遇到的問題。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型涉及有效地保持排氣流道中的廢氣的溫度和速度。
[0007]在一個方面中，本實用新型提供了一種排氣流道。該排氣流道包括排氣流道入口、排氣噴嘴出口孔以及沖擊隔熱體。排氣流道入口配置成接收來自內燃機的廢氣的第一氣流。排氣噴嘴出口孔是由尖端氣流通道與排氣流道的內表面的交集進行限定。排氣噴嘴出口孔配置成將廢氣的第二氣流引入至廢氣的第一氣流。沖擊區，其由所述排氣噴嘴出口孔沿所述廢氣的第二氣流方向投影到所述排氣流道的內表面的區域限定。沖擊隔熱體與沖擊區并置。
[0008]進一步包括:水套組件，其圍繞所述排氣流道設置。
[0009]進一步包括:隔熱層，其設置在所述水套組件與所述排氣流道之間。
[0010]所述沖擊隔熱體包括與設置在所述水套組件與所述排氣流道之間的所述隔熱層相比相對較大的空氣間隙。
[0011 ]所述沖擊隔熱體包括設置在所述水套組件與所述排氣流道之間的隔熱材料。
[0012]排氣流道出口，其配置成將所述廢氣的所述第一氣流輸送至渦輪增壓器。
[0013]在另一方面中，本實用新型提供了一種用于內燃機的排氣組件。該排氣組件包括渦輪增壓器和上述的排氣流道。排氣流道出口配置成將廢氣的第一氣流輸送到渦輪增壓器。
[0014]進一步包括:排氣噴嘴尖端，其具有排氣噴嘴入口，所述排氣噴嘴入口配置為從所述內燃機的汽缸接收所述廢氣并將所述廢氣輸送至所述排氣噴嘴出口孔。
[0015]在又一個方面中，本實用新型提供了一種動力源。該動力源包括內燃機、空氣系統以及用于上述內燃機的排氣組件。空氣系統將空氣輸送至內燃機。
[0016]進一步包括:排放控制裝置，其位于所述渦輪增壓器的下游。
[0017]通過在沖擊區增加隔熱，上述技術方案提高了排氣系統的整體性能，并使得渦輪增壓器的壓縮新鮮空氣及向內燃機輸送新鮮空氣的能力得以提高。
【附圖說明】
[0018]圖1為根據本實用新型一個方面的示例性動力源的圖解示意圖；以及
[0019]圖2為根據本實用新型一個方面的排氣歧管在圖1中沿2-2的截面圖。
[0020]圖3A為根據本實用新型一個方面的排氣歧管的一部分的截面圖2-2的詳圖。
[0021]圖3B為根據本實用新型另一個方面的排氣歧管的一部分的截面圖2-2的詳圖。
【具體實施方式】
[0022]參照圖1，示出了動力源10。動力源10包括內燃機12、燃料系統14、空氣系統16和排氣系統18。內燃機12包括缸體20、多個氣缸22和驅動軸24。燃料系統14包括燃料源26、燃料栗28和燃料管路30。內燃機12可以是壓燃式發動機，例如柴油發動機或均質充量壓燃(HCCI)發動機，例如，或者是火花點火式發動機。盡管未示出，燃料系統14也可包括其他傳統部件，例如燃料過濾器、燃料噴射器等。此外，其他傳統部件，如各種過濾器、火花塞或電熱塞、閥門、控制器等都適用于與動力源10的各個方面一起使用。
[0023]空氣系統16包括空氣入口32、空氣過濾器34、具有渦輪40和壓縮機42的渦輪增壓器38以及進氣歧管44。排氣系統18包括排氣歧管組件46、水套組件48、渦輪40以及尾管50。可選地，排氣系統18可包括排放控制裝置52(例如顆粒過濾器、氧化催化器、選擇性還原催化器或三元催化器)、消聲器54或其組合。排氣歧管組件46包括排氣集管或多個排氣管56、排氣流道58以及多個排氣噴嘴尖端60，以將排氣管56流體連接到排氣流道58。水套組件48包括水套62、水栗64和熱交換器66。
[0024]與通常的理解一樣，燃料和空氣混合并在至少部分地由氣缸22和缸體20限定的燃燒室內點燃，以驅動內燃機12，并產生從驅動軸24輸出的動力。然后，燃燒副產品即廢氣68流經排氣系統18。當廢氣68流經渦輪40時，廢氣68推動渦輪40旋轉，同時帶動壓縮機42旋轉，從而壓縮新鮮空氣。壓縮的新鮮空氣然后流到內燃機12的進氣歧管44。可利用各種很好理解的控制裝置來調節動力源10的溫度、功率輸出等。
[0025]動力源10適合與執行與諸如采礦、建筑、農耕、運輸、發電等產業或本領域已知的其他產業相關聯的某些類型的操作的固定式機械或移動式機械一起使用。例如，動力源10可為運土機械提供動力，例如挖掘機、推土機、裝載機、反鏟挖土機、機動平地機、自動傾卸卡車或其他運土機械。在特定實例中，動力源10包括內燃機12，其配置成燃燒諸如天然氣、石油、柴油等燃料或本領域已知的其他可燃燒燃料。
[0026]如本文中所述，排氣歧管組件46配置成通過在具體位置處增加隔熱量來改進廢氣68流動過程中的熱量保持。盡管排氣流道58與水套62具有一定程度的隔熱，排氣流道58的熱分析已用于識別特別熱的位置。通過在這些“過熱點”增加隔熱，當廢氣68流經排氣流道58時，其溫度得以保持。由于溫度和體積之間存在易于理解的相關性，廢氣68中的熱能保持促進了廢氣68的高速度。本實用新型的各個方面通過排氣歧管組件46可有利地保持廢氣68的動能、熱能、靜壓或二者兼有，從而增加可用于驅動渦輪增壓器38的流體動力。驅動渦輪增壓器38的所增加的動力促進輸送至內燃機12的新鮮空氣的更高壓縮比，其反過來，有助于驅動軸24處的更大的動力輸出。除了動力源10的動力產生過程中的這些直接的改進，本實用新型的各個方面可使得在保持與外形較大的常規動力源相類似的動力輸出的同時，減小動力源10的外形尺寸和體積。通過減小動力源10的尺寸和體積，并因此減小其重量，采用動力源10的機械可以利用較輕的懸架、機架、以及各種其他部件。正因如此，本文中所描述的多個方面可以極大地有助于提尚性能、提尚燃料效率、降低材料成本等。
[0027]圖2是根據本實用新型的一個方面的排氣歧管組件46的一部分的截面圖2-2。如圖2所示，排氣歧管組件46包括排氣流道58和排氣噴嘴尖端60。排氣流道58配置成將廢氣68的第一氣流110輸送至圖1所示的渦輪增壓器38。水套62圍繞排氣歧管58設置，并包括外套壁62A和內套壁62B ο外套壁62A和內套壁62B配置成在它們之間接收水流70。
[0028]隔熱層72設置在排氣流道58和水套62之間，以減少熱量從排氣流道58到水套62中的水流70的熱傳遞。隔熱層72可包括任何合適的隔熱氣體和/或材料。合適的氣體和材料的實例包括空氣、玻璃、陶瓷纖維等。在一些實例中，隔熱層72包括空氣間隙74A和隔熱材料74B的一個或兩個。空氣間隙74A是由排氣流道58的外部和隔熱材料74B(如果存在)進行限定。如果隔熱材料74B不存在，那么空氣間隙74A是由排氣流道58的外部和內套壁62B的內部進行限定。應當注意，雖然稱為“空氣”間隙74A，但是限定為空氣間隙74A的通道適用于保持或輸送任何合適的氣體，例如空氣、廢氣、氮氣、二氧化碳等。
[0029]排氣噴嘴尖端60配置成將流體連接內燃機12到排氣流道58。就這一點而言，排氣噴嘴尖端60包括內燃機凸緣76和流道凸緣78。在特定實例中，內燃機凸緣76具有多個孔80，供相應的多個螺栓(未示出)穿過，以將排氣噴嘴尖端60固定到內燃機12。在其他實例中，可利用各種其他緊固件以將排氣噴嘴尖端60固定到內燃機12。
[0030]流道凸緣78配置成與排氣流道58的流道切口82相匹配。在特定示例中，流道凸緣78焊接到流道切口82中。在其他實例中，各種其他緊固件可用來將流道凸緣78緊固到排氣流道58。排氣噴嘴尖端60包括排氣噴嘴入口 84、排氣噴嘴出口孔86和尖端氣流通道88。排氣噴嘴入口84配置成接收來自內燃機12(圖1中所示)的氣缸22的廢氣68的第二氣流112。出口孔86配置成將廢氣68的第二氣流112引入至排氣流道58中的廢氣68的第一氣流110。
[0031]盡管排氣噴嘴尖端60的幾何形狀有助于將廢氣68的第二氣流112引入至排氣流道58中的廢氣68的第一氣流110，而伴隨有較少的湍流，但廢氣68的第二氣流112可導致在與出口孔86成一條直線和/或在其稍下游處的區域，廢氣68沖擊排氣流道58的內壁。鑒于本實用新型的目的，術語“沖擊”定義為廢氣68碰撞或撞擊排氣流道58的內壁。
[0032]—般來說，在平緩地流過流體的管道中，在非常靠近管道的內表面處產生流體的邊界層。此流體邊界層減少了管道表面和剩余流體流之間的熱傳遞。以相同方式，排氣流道58中的廢氣68的第一氣流110產生邊界層116，邊界層116減少了排氣流道58和廢氣68的第一氣流110之間的熱傳遞。響應于進入排氣流道58的廢氣68的第二氣流112，邊界層116可能在沖擊區118處受到干擾。為了減少或防止熱量在沖擊區118處損失，設置對應于沖擊區118或與其并置的沖擊隔熱體120。在不同情況下，沖擊隔熱體120可包括比在隔熱層72的其余部分設置的空氣間隙相對較大的空氣間隙和/或在隔熱層72上方和之上提供附加隔熱的隔熱貼片122(圖3B中所示)。由于排氣歧管組件46在不降低性能的情況下可被制作得更小，因此沖擊隔熱體120提供了增加覆蓋整個排氣歧管組件46的隔熱的改進。也就是說，通過改進沖