CN106194376A - 水冷排气歧管 - Google Patents

Abstract

一种模块化排气歧管包括沿着公共轴线联接在一起的多个排气歧管段。排气歧管段包括限定围绕多个排气歧管段的每个排气歧管段的液体冷却剂通道的水套管。内燃发动机包括用于结合相邻的排气歧管段的联接组件。联接组件包括能够配合在形成于第一排气歧管段的端部部分上的第一组槽内的多个环形密封装置和能够附接到第一排气歧管段的端部部分并与形成在第二排气歧管段的相邻端部部分上的固定径向凸缘联接的间隔套管，以结合第一排气歧管段和第二排气歧管段。

Description

水冷排气歧管

技术领域

本发明涉及一种具有个别地冷却的歧管段的水冷排气歧管。

背景技术

内燃发动机的排气歧管是一些管道，经过这些管道，燃烧过程中产生的排气被运载离开发动机。排气歧管通常经过发动机的缸盖或缸体中的排气阀端口接收来自每个发动机缸的排气。排气歧管然后在将排气排出到大气中之前使排气经过一个或多个后处理部件和/或涡轮增压器的一个或多个涡轮。在发动机的操作过程中，由于经过排气歧管的排气的极高的温度，排气歧管变得非常热。为了降低外壳温度并改善排热，一些排气歧管在歧管的外表面附近包括水套。

Wuensche等人(以下称为Wuensche)的美国专利No.4693079中教导了具有冷却液体空间的用于内燃发动机的示例性排气线路。特别是，Wuensche参考文献教导了由若干壳体组装的排气线路，每个壳体包含冷却液体空间。相邻壳体的冷却液体空间使用螺纹接套彼此连接。螺纹接套连同排气管段间的相互连接部看来在多个壳体之间形成连接。虽然本领域中存在许多不同的歧管设计，但应认识到对于提供改善的歧管设计仍存在持续的需求，这些改善例如包括增加的表面冷却、制造或使用的便利性以及改善的密封。

本发明旨在解决上述的一个或多个难题或问题。

发明内容

在一种实施方式中，内燃发动机包括：限定至少一个缸的缸体；联接到缸体的缸盖；以及联接到缸盖并被构造成接收来自缸盖的排气的模块化排气歧管。模块化排气歧管包括沿着公共轴线联接在一起的多个排气歧管段。每个排气歧管段包括单独的水套管，其围绕多个排气歧管段的每个限定单独的液体冷却剂通道。内燃发动机还包括用于结合相邻排气歧管段的联接组件。联接组件包括多个环形密封装置，其被构造成配合在形成于第一排气歧管段的端部部分上的第一组槽内。联接组件还包括间隔套管，其被构造成附接到第一排气歧管段的端部部分并与形成在第二排气歧管段的相邻端部部分上的固定径向凸缘联接以结合第一排气歧管段和第二排气歧管段。

在一种实施方式中，模块化排气歧管包括沿着公共轴线联接在一起的多个排气歧管段。每个排气歧管段包括单独的水套管，其围绕多个排气歧管段的每个限定单独的液体冷却剂通道。内燃发动机还包括用于结合相邻排气歧管段的联接组件。联接组件包括多个环形密封装置，其被构造成配合在形成于第一排气歧管段的端部部分上的第一组槽内。联接组件还包括间隔套管，其被构造成附接到第一排气歧管段的端部部分并与形成在第二排气歧管段的相邻端部部分上的固定径向凸缘联接以结合第一排气歧管段和第二排气歧管段。

在一种实施方式中，模块化排气歧管包括第一排气歧管段和第二排气歧管段。模块化排气歧管还包括用于沿着公共轴线结合第一排气歧管段和第二排气歧管段的联接组件，联接组件包括多个环形密封装置和间隔套管，环形密封装置被构造成配合在形成于第一排气歧管段的端部部分上的第一组槽内，间隔套管被构造成附接到第一排气歧管段的端部部分并与形成在第二排气歧管段的相邻端部部分上的固定径向凸缘联接以结合第一排气歧管段和第二排气歧管段。

附图说明

并入本说明书并作为本说明书一部分的附图示出了本发明的若干方面，并且附图与说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据本发明包括模块化排气歧管的内燃发动机的一种示例性实施例的立体图；

图2是根据本发明的一个方面的图1的示例性模块化排气歧管的多个连接排气歧管段的立体图；

图3是根据本发明的一个方面的多个连接排气歧管段的另外立体图；

图4是根据本发明的另一方面的一对相邻排气歧管段的部分的截面图；

图5是根据本发明的另一方面的多个连接排气歧管段的侧立体图；和

图6是结合相邻排气歧管段使用的联接组件的立体图。

具体实施方式

本发明涉及用于内燃发动机的设备。通过本发明中具体化的改善(将在下面更加全面地描述)，将极大地加强焊接的操作过程和有效性。

参考图1，其示出内燃发动机10的示意图，内燃发动机10(出于说明书的目的并且没有限制)可以是4冲程压缩点燃发动机。发动机10通常包括缸体12，缸体在相对的端部12a和12b之间纵向延伸并限定多个燃烧室或缸14。根据本发明，发动机10可以是任何类型的发动机(例如，内燃发动机、燃气发动机、柴油发动机、气体燃料发动机、天然气发动机、丙烷发动机等)，可以具有任何尺寸、具有任何数量的缸、任何类型的燃烧室(例如，筒形、旋转火花点燃、压缩点燃、4冲程和2冲程等)，并且可以具有任何构型(例如，V形、直列、径向等)。根据示例性构造，缸体12限定两排6个纵向间隔的缸14，得到V-12构型。但是，本发明技术人员将会认识到，任何构型和数量的缸14都可应用。

所述示例性的发动机10还包括用于提供与每排缸14进气和排气流动连通的缸盖16。根据示例性实施方式，每个缸盖16可包括与缸体12限定的缸14的数量对应的多个缸盖模块18。但是，可设想每个缸盖模块18可用来提供与多于一个缸14、例如2个、3个或4个缸14的流动连通。缸盖模块18可被构造成个别地与缸体12断开联接，由此允许去除单个缸盖模块18，而不必去除任何其他缸盖模块18。如本领域技术人员应认识的，这种示例性构型可用来简化发动机10的维护。示例性发动机10包括总体上位于发动机10的一个纵向端部(例如，发动机10的相对端部12b)处的涡轮增压器20。根据示例性实施方式，涡轮增压器20可与每个缸14相关联；然而，可设想其他数目的涡轮增压器以及不具有涡轮增压器的实施方式。

根据本发明，示例性发动机10还包括与每个缸盖16联接以在缸盖16的排气端口和周遭之间提供流动连通的模块化排气歧管22。在所示的示例性实施方式中，模块化排气歧管22纵向延伸并在缸盖16和涡轮增压器20之间提供流动连通。

如图1和图2所示，每个示例性模块化排气歧管22包括沿着发动机10的公共纵向轴线以端对端的形式联接到彼此的多个排气歧管段24。根据一些实施方式，排气歧管段24可具有大致圆形的横截面，但也可设想其他横截面。根据示例性实施方式，排气歧管段24可被构造成相对于纵向轴线在第一方向上引导排气。排气歧管22和相应的排气歧管段24可由铝或其他合适的材料铸造。

每个排气歧管段24包括排气端口26，排气端口被构造成从缸盖16的排气端口接收排气。例如，第一排气歧管段24a包括第一排气端口26a，其可从相应缸盖模块18的排气端口接收排气。类似地，第二排气歧管段24b包括第二排气端口26b，用于从相应缸盖模块18的第二排气端口接收排气。第一排气端口26a和第二排气端口26b均从缸盖16接收排气，并且当联接在一起以限定例如图1的歧管22的模块化排气歧管时限定发动机排气管。

现在转向图3-6，将更详细地讨论示例性的排气歧管22和相应的排气歧管段24。歧管段24包括容纳水套管28和排气管段30的歧管段主体25。

水套管28被构造成接收液体冷却剂。特别是，水套管28限定环绕歧管段24的内部的液体冷却剂通道32和接收在水套管28内的排气管段30。例如，第一排气歧管段24a包括限定第一液体冷却剂通道32a的第一水套管28a。类似地，第二排气歧管段24b包括限定第二液体冷却剂通道32b的第二水套管28b。当歧管段联接以最终限定模块化排气歧管时，水套管(例如水套管28a和28b)及由此其相应的液体冷却剂通道(例如液体冷却剂通道32a和32b)彼此分离并与其他歧管段的任何另外水套管(及相应的液体冷却剂通道)分离。

每个歧管段24被构造成接收冷却剂并引导冷却剂围绕歧管段24的内部的热表面流动。根据示例性实施方式，由水套管28限定的液体冷却剂通道32包括开口或冷却剂进入端口34以允许水和空气流入。进入端口34可穿过接合面设置以将液体冷却剂从冷却剂供应装置传递到水套管28。如所示，进入端口34与排气管段30径向间隔并可直接联接到冷却剂供应装置。歧管段24经由冷却剂进入端口直接联接到冷却剂源。在操作中，例如水和/或已知冷却剂(例如，基于乙二醇的冷却剂)的液体冷却剂可经由液体冷却剂进入端口34进入水套管28并基本填充液体冷却剂通道32。接着，冷却剂被基本围绕排气管段引导以环绕排气歧管段24的内壁，从而冷却排气并防护歧管段24的外部。冷却和防护均在排气歧管段24的铸件内完成。因此，不是冷却剂在第一端部进入排气歧管、整体围绕排气歧管的内侧周边流动或者从一个歧管段跳越到另一个歧管段并在排气歧管第二端部返回冷却剂返回歧管38，而是冷却剂从冷却剂源流入水套管28以冷却各个排气歧管段。

每个歧管段内的冷却剂通道还可包括被构造成控制冷却剂流动并防止气泡在液体冷却剂通道32内形成的跨接部40。当冷却剂沿水套管28向上流动并进入第一液体冷却剂通道部分42时，至少一部分冷却剂可进入并流经跨接部40。冷却剂可离开跨接部40并被引导流到水套管28的不连接到第一部分42的第二非邻接液体冷却剂通道部分43。

根据示例性实施方式，水套管28限定的液体冷却剂通道可均包括漏孔或开口以允许水和空气离开。因此，至少一个另外的开口或返回端口36可穿过歧管段主体25设置以将液体冷却剂从水套管28传递到冷却剂返回歧管38。液体冷却剂可流经液体冷却剂通道32并经由液体冷却剂返回端口36离开水套管28。在离开水套管28时，来自每个排气歧管段的液体冷却剂可接着被引导到冷却剂返回歧管38中。在一些实施方式中，冷却剂接着向上流动以经由返回端口36离开水套管28并从歧管段主体25的顶部出来以与来自冷却剂返回歧管38中的一个或多个相邻排气歧管段的冷却剂会合。如所示，返回端口36可与排气管段径向间隔并可直接联接到冷却剂返回歧管38(如图1所示)。

如可从图4-5看到的，每个排气歧管段24的排气管段30可伸缩地接收在相应的水套管28内。如上讨论的，每个排气歧管段24可包括被构造成在缸盖16和每个排气歧管段24的排气管段之间提供流动连通的排气端口26。排气端口26可以是用于将排气管段与缸盖16流体连接的任何合适装置。在一些实施方式中，排气端口的接合面44可包括被构造成接收类似成形的垫片(未示出)以将排气端口26密封到缸盖16的凸缘。密封构件(未示出)可沿着接合面44定位并可包括定位在接合面44上并围绕排气管段30以将排气端口26密封到缸盖的垫片，例如多层钢(MLS)垫片。接合面44还可包括用于接收紧固装置(例如，螺栓、螺钉等)以进一步将排气端口26固定到缸盖16的多个开口46。

现在转向图6，将讨论与上述的排气歧管段24类似的联接排气歧管段。特别是，根据本发明，每个排气歧管段24的至少一个端部48可被构造成接收被构造成适应热成长和抑制翘曲的可膨胀联接组件50或者接头。可膨胀联接组件50被构造成将一个排气歧管段结合到另一排气歧管段。例如，可膨胀联接组件50可被构造成将第一歧管段24a附接到第二歧管段24b并允许连接的歧管段沿着相应歧管段的密封表面相对于相邻歧管段滑动运动。为此，一个或多个槽52、54可机加工到第一歧管段24a的至少一个端部48。槽与歧管段主体25是一体的。

弹性体环形密封装置56、58(例如，O型圈)可定位在沿着第一歧管段端部48的外周边机加工的一个或多个槽52、54内。具体地，每个联接组件50可包括要在第一纵向位置围绕形成于第一歧管段端部48中的第一槽52定位的至少第一环形密封件56。每个联接组件50可进一步包括在与第一纵向位置隔开的第二纵向位置处定位在第一歧管段端部48上的第二槽54内的第二环形密封件58。

联接组件50还包括限定接合面或表面的间隔套管60或适配器，其被构造成将相邻的排气歧管段24a和24b联接在一起。间隔套管60包括被构造用于联接第一排气歧管段24a与第二排气歧管段24b的第一接合表面62。间隔套管60可包括沿着间隔套管60的外侧周边形成并向外延伸以允许手动转动间隔套管60的一个或多个突起64。孔66可钻穿突起以适应联接机构(例如，螺栓、螺钉等)。联接组件50还可包括被构造成坐落在形成于间隔套管60的第一接合表面62上的对应槽70内的第三环形密封件68。

每个歧管段24的至少一个相对端部包括限定第二歧管段24b的接合表面74或面的平面固定径向凸缘72，其被构造成经由联接组件50与第一歧管段24a结合。与间隔套管60类似，固定径向凸缘72也可包括沿着固定径向凸缘72的外侧周边形成的一个或多个凸缘突起76。孔77可钻穿突起以适应联接机构(例如，螺栓、螺钉等)。

联接组件50还可包括第四环形密封件78，其被构造成坐落在形成于间隔套管60的第二接合表面82上的对应槽80内(如图2所示)。环形密封装置56、58、68和78可定位在水套管28外侧使得环形密封装置56、58、68和78在密封歧管22内的排气的同时保持与排气歧管段主体25的外表面一样冷。将环形密封装置56、58、68和78定位在水套管28外侧允许密封装置保持基本与歧管段主体25的外表面一样的温度。

环形密封装置56、58被形成为具有第一直径，从而能够配合在形成于第一歧管段端部48的外表面上的对应径向槽52、54中。第三环形密封装置68和第四环形密封装置78具有比第一直径大的第二直径且被构造成配合在机加工到间隔套管60的接合表面62、82中的槽70、80中。在一些实施方式中，第三环形密封装置68和第四环形密封装置78插入槽70、80中，在轴向上机械受限于形成在间隔套管60的相应接合表面上的唇部后面，从而防止环形密封装置68、78从槽掉落。第三环形密封装置68的内直径被构造成领航(pilot)间隔套管60的外直径以允许间隔套管60的第一接合表面62在第一歧管段端部24a上滑动并与定位在第二歧管段端部24b上的对应固定径向凸缘72对准。在将间隔套管60固定在第一环形密封装置56和第二环形密封装置58上时，间隔套管可邻接形成在第一排气歧管段端部48上与槽52、54隔开的壁架61。

为了将第一歧管段24a固定到第二歧管段24b并形成可膨胀接头，(例如，以将间隔套管60固定到固定径向凸缘72)，间隔套管60可接着放置在环形密封装置56、58上。间隔套管60可由钢或一些其他合适的金属合金形成。间隔套管60包括机加工到第一接合面的内侧的槽。间隔套管60的内侧周边表面可被平滑地钻制以接收定位在上述槽中的多个环形密封装置。例如螺栓的可去除紧固件可经过每个间隔套管60和固定径向凸缘72的例如螺纹孔的对应开口定位，以通过将间隔套管60固定到固定径向凸缘72来固定相邻排气歧管段24a和24b的联接位置。然而，也可设想替代的联接方式。第一歧管段24a和第二歧管段24b之间的任何位置错位或表面错位会经联接组件50的径向/轴向动作吸收。这种组装错位的吸收允许环形密封装置56、58、68和74上的同等压缩。

上述的联接组件50在第一排气歧管段24a和第二排气歧管段24b之间提供可膨胀接头，允许排气歧管段随着水套管由于热膨胀移位或弯曲而运动。

排气歧管段24还可包括沿着歧管段主体25设置的多个塞84。塞84可为水套管28提供排放能力。排气歧管段24还可包括设置在排气端口26的底侧上的水套管排放塞86。排放塞86可类似地为水套管28提供排放能力。

工业实用性

本发明可应用具有排气歧管的内燃发动机。此外，本发明可应用于具有水套以降低排气歧管的外壳温度的排气歧管。此外，本发明还可应用于提供改善的可维护性和可用性的模块化歧管设计。进一步，本发明可应用于密封水套冷却的模块化排气歧管的排气歧管段之间的接头的策略。

总体参考图1-6，一种示例性内燃发动机10整体包括限定多个缸14的缸体12。缸盖16联接到缸体12并且提供与缸14的进气和排气流动连通。示例性发动机10还包括模块化排气歧管22，如这里讨论的，其联接到每个缸盖16以在缸盖16的排气端口和周遭之间提供流动连通。如图1所示，每个示例性模块化排气歧管22包括沿着发动机10的公共纵向轴线以端对端的形式联接到彼此的多个排气歧管段24。

如这里描述的，模块化排气歧管22包括多个排气歧管段，每个包括容纳水套管28和排气管段30的歧管段主体25。水套管28被构造成接收液体冷却剂。特别是，水套管28限定环绕歧管段24的内部的液体冷却剂通道32和接收在水套管28内的排气管段30。例如，第一排气歧管段24a包括限定第一液体冷却剂通道32a的第一水套管28a。类似地，第二排气歧管段24b包括限定第二液体冷却剂通道32b的第二水套管28b。当歧管段联接以最终限定模块化排气歧管22时，水套管(例如水套管28a和28b)及由此其相应的液体冷却剂通道(例如液体冷却剂通道32a和32b)彼此分离并与其他歧管段的任何另外水套管(及相应的液体冷却剂通道)分离。

每个排气歧管段24的至少一个端部48可被构造成接收被构造成适应热成长和抑制翘曲的可膨胀联接组件50或者接头。可膨胀联接组件50被构造成将一个排气歧管段结合到另一排气歧管段。例如，可膨胀联接组件50可被构造成将第一歧管段24a附接到第二歧管段24b并允许连接的歧管段沿着相应歧管段的密封表面相对于相邻歧管段滑动运动。为此，一个或多个槽52、54可机加工到第一歧管段24a的至少一个端部48。槽与歧管段主体25是一体的。

弹性体环形密封装置56、58(例如，O型圈)可定位在沿着第一歧管段端部48的外周边机加工的一个或多个槽52、54内。具体地，每个联接组件50可包括要在第一纵向位置围绕形成于第一歧管段端部48中的第一槽52定位的至少第一环形密封件56。每个联接组件50可进一步包括在与第一纵向位置隔开的第二纵向位置处定位在第一歧管段端部48上的第二槽54内的第二环形密封件58。

联接组件50还包括限定接合面或表面的间隔套管60或适配器，其被构造成将相邻的排气歧管段24a和24b联接在一起。间隔套管60包括被构造用于联接第一排气歧管段24a与第二排气歧管段24b的第一接合表面62。间隔套管60可包括沿着间隔套管60的外侧周边形成并向外延伸以允许手动转动间隔套管60的一个或多个突起64。间隔套管孔66可钻穿突起以适应联接机构(例如，螺栓、螺钉等)。联接组件50还可包括被构造成坐落在形成于间隔套管60的第一接合表面62上的对应槽70内的第三环形密封件68。

每个歧管段24的至少一个相对端部包括限定第二歧管段24b的径向凸缘接合表面74或面的平面固定径向凸缘72，其被构造成经由联接组件50与第一歧管段24a结合。与间隔套管60类似，固定径向凸缘72也可包括沿着固定径向凸缘72的外侧周边形成的一个或多个径向凸缘突起76。径向凸缘孔77可钻穿突起以适应联接机构(例如，螺栓、螺钉等)。

联接组件50还可包括第四环形密封件78，其被构造成坐落在形成于间隔套管60的第二接合表面82上的对应槽80内(如图2所示)。环形密封装置56、58、68和78可定位在水套管28外侧使得环形密封装置56、58、68和78在密封歧管22内的排气的同时保持与排气歧管段主体25的外表面一样冷。将环形密封装置56、58、68和78定位在水套管28外侧允许密封装置保持基本与歧管段主体25的外表面一样的温度。

至少从可维护性和可用性角度，为各个歧管段和联接组件提供被构造成适应歧管段的热膨胀的直接连接冷却的模块化排气歧管提供多种好处。特别是，通过利用多个类似的排气歧管段24，可针对不同尺寸和/或构型的发动机制造类似的部件。例如，制造图1所示的发动机10需要对于每个缸盖16使用6个排气歧管段24，每个排气歧管段24对应于2个缸14。得到的V-12发动机10因此需要使用6个排气歧管段24。但是，制造V-16发动机会需要使用8个排气歧管段24。

可用性还可通过歧管设计的模块化提高。特别是，可通过使在维修或修理期间要去除的部件数量最小化来降低维护时间和产生的成本。特别是，接近缸14或缸盖模块18可需要去除仅仅对应的排气歧管段24，而不需要去除整个排气歧管22。因此，根据本文公开的模块化排气歧管22，可以相对于包括整体歧管的发动机更容易地执行与一个缸14相关的维护。

如上所述并且参考图3-6，例如段24a和24b的相邻排气歧管段均在歧管段之间的接头处包括改善的密封。特别是，每个接头包括水套管与冷却剂源独立的直接连接。这里提供的直接冷却剂供应连接改善了大型模块化排气歧管中各个歧管段的冷却。另外，上面描述的被构造成在结合在一起时适应各个排气歧管段的热膨胀的可膨胀联接组件可降低对歧管段的磨损和潜在损害。

应当理解，上面的描述仅仅出于说明的目的，不意欲以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将认识到通过研究附图、说明书和权利要求书可获得本发明的其他方面。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机的模块化排气歧管，包括：

第一排气歧管段，其包括限定围绕第一排气歧管段的液体冷却剂通道的第一水套管；

第二排气歧管段，其沿着公共轴线联接到第一排气歧管段，第二排期歧管段包括第二水套管，第二水套管与第一水套管分离并限定围绕第二排气歧管段的第二液体冷却剂通道，其中第一水套管和第二水套管均直接连接到冷却剂供应装置；和

联接组件，其用于结合第一排气歧管段和第二排气歧管段，联接组件包括能够配合在形成于第一排气歧管段的端部部分上的第一组槽内的多个环形密封装置和能够附接到第一排气歧管段的端部部分并与形成在第二排气歧管段的相邻端部部分上的固定径向凸缘联接的间隔套管，以结合第一排气歧管段和第二排气歧管段。

2.根据权利要求1所述的模块化排气歧管，其中，每个水套管包括能够连接到冷却剂供应装置的冷却剂进入端口。

3.根据权利要求1所述的模块化排气歧管，其中，每个水套管包括能够将冷却剂从第一水套管部分引导到第二非邻接水套管部分的跨接部。

4.根据权利要求1所述的模块化排气歧管，其中，每个水套管包括能够连接到冷却剂返回歧管的冷却剂返回端口。

5.根据权利要求1所述的模块化排气歧管，其中，间隔套管包括相对的第一和第二接合面，其中第一和第二接合面包括能够适应第三和第四环形密封装置的相应槽。

6.根据权利要求5所述的模块化排气歧管，其中，所述多个环形密封装置包括第一环形密封装置和第二环形密封装置，其中所述第一环形密封装置、第二环形密封装置、第三环形密封装置和第四环形密封装置在水套管外侧。

7.根据权利要求5所述的模块化排气歧管，其中，第一环形密封装置和第二环形密封装置具有第一直径，第三环形密封装置和第四环形密封装置具有大于第一直径的第二直径。

8.根据权利要求1所述的模块化排气歧管，还包括：

其中，间隔套管和固定径向凸缘均包括从外径向表面向外延伸的突起，并且其中突起均包括开口，紧固件经过此开口接收。

9.根据权利要求1所述的模块化排气歧管，其中，间隔套管的内侧周边表面被平滑钻孔以接收定位在其相应槽中的第一环形密封装置和第二环形密封装置。

10.一种内燃发动机，包括限定至少一个缸的缸体和联接到缸体的缸盖，其中根据权利要求1所述的模块化排气歧管联接到缸盖。