CN106545399B - 排气流道卡圈 - Google Patents

Abstract

本申请公开排气流道卡圈。提供用于焊接到流道的卡圈以管理排气歧管中的应力的方法和系统。在一个示例中，一种系统可以包括将卡圈焊接到流道和凸缘，其中空气间隙位于卡圈、流道和凸缘之间。

Description

排气流道卡圈

技术领域

本说明书总体涉及用于排气流道卡圈(collar)的系统。

背景技术

通过禁止汽缸间的排气连通可以增加发动机性能。这可以通过排气歧管实现，其中排气歧管包含用于每个汽缸的单独的排气管(例如，排气流道)。这些排气流道保持分离，并且由此排气在集合器处集合在一起之前保持分离。较长的分离能够最小化排气脉冲重叠并且能够优化气门正时。

然而，排气流道通常是较长的，具有以悬臂配置远离发动机的显著的质量。因此，较长的排气流道比其它歧管(例如，铸铁根式(log style)排气歧管)易于通过弯矩产生较高的应力(stress)。较高的应力增加在排气流道和将流道耦接到发动机的入口凸缘之间的接合点处劣化的可能性(例如，单一过载或疲劳开裂)。

解决长排气流道中的应力的其它尝试包括铸造核芯以及增加支架。应力也能够通过焊接几何结构来控制。一种示例方法由Roussel等人在US4832383中示出。在该专利中，排气流道经由倒角的焊缝在周向方向上被焊接到发动机的凸缘。这种焊缝允许排气流道更精确地配合到入口凸缘内。

发明内容

然而，发明人在此意识到使用这种系统的潜在问题。作为一个示例，在高发动机振动能量下，这种焊缝无法屈曲和/或弯曲。因此，排气流道(多个)仍易于发生经由燃烧生成的高应力并且可能导致焊缝接合处的疲劳失效。

在一个示例中，上述问题可以通过一种用于流道的方法解决，该流道具有与汽缸盖的入口凸缘配合(interfacing)的流道壁和定位在围绕流道的外部形成环形空气间隙的接口处的卡圈。以此方式，响应于通过操作车辆产生的应力，该卡圈也许能够屈曲且不太容易疲劳开裂，并且因此增加排气流道的寿命。

作为一个示例，卡圈由单层壁形成，该单层壁从入口凸缘延伸到排气流道，在相应的位置处与接口的拐角(corner)间隔开。卡圈的几何结构(例如，L形、I形、方形横截面和三角形横截面)可以通过卡圈的弹簧状柔度/柔性增加应力负载共享。经由焊道(weld beads)空气间隙在相应的位置处被间断地密封，使得存在从发动机或周围大气通向空气间隙的开口。在一个示例中，空气间隙完全围绕流道壁的外表面的外周界不间断地延伸。本领域技术人员应当认识到，根据卡圈的形状，空气间隙也可以是分段的(例如，间断的)。在一个实施例中，卡圈可以仅被焊接到多个流道中的单一流道，以便管理流道各处的应力。单一流道可以是多个流道中的最短的流道或最靠近车辆后部的流道。附加地或替代地，单一流道可以包含多个流道的最急性的弯曲或最高的悬臂。以此方式，如果没有卡圈，则单一流道与多个流道相比可以具有最大的劣化可能性。通过将卡圈焊接到单一流道，卡圈可以分配由单一流道接收的应力负载，使得单一流道劣化的可能性降低。

应当理解，提供以上本发明内容是为了以简化的形式介绍一系列概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着识别要求保护的主题的关键或必要特征，要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。另外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出包括排气歧管系统的发动机。

图2示出耦接到排气流道的卡圈。

图3示出卡圈结构的放大描绘。

图4示出排气流道和卡圈的横截面。

图2-图4近似按比例示出。

图5示出卡圈、排气流道和入口凸缘的剖视图。

图6示出在入口凸缘的螺母附近的卡圈、排气流道和入口凸缘的剖视图。

具体实施方式

以下描述涉及用于耦接到排气流道和入口凸缘的卡圈的系统。卡圈被耦接到发动机的燃烧室的排气侧邻近的入口凸缘，如图1所示。图1的排气歧管包含卡圈，该卡圈在图2中被更详细地示出。图3示出耦接到排气流道的放大的卡圈。图4示出卡圈和排气流道的横截面。图5和图6示出图示说明空气间隙和卡圈的形状的侧二维示图。

图1-图6示出具有多个组件的相对定位的示例配置。在至少一个示例中，如果示出彼此直接接触或直接耦接，则这些元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，在至少一个示例中，彼此连续或邻近示出的元件可以是彼此连续的或邻近的。作为一个示例，以彼此共面接触放置的组件可以被称为共面接触。作为另一个示例，在至少一个示例中，彼此定位间隔开且其间仅有空间而没有其它组件的元件可以被如上称呼。

现在转向图1，其示出示例发动机10的多个方面。多缸发动机10可以被包括在车辆的推进系统内。在当前示例中，发动机10以V6配置被示出，但是其它示例可以包括V8、V12、I4、I6、盒式(boxer)、旋转式和附加发动机配置。发动机10可以是火花点火式发动机或压缩点火式发动机(即，无火花柴油发动机)。

发动机10可以至少部分地由包括控制器14的控制系统12和来自传感器16和/或车辆操作者18经由输入装置20的输入而被控制。在该示例中，输入装置20包括加速器踏板(例如，输入装置20)和用于生成成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器22。控制器14输出信号和命令到致动器24以控制发动机10和相关系统的操作。

多个燃烧室(汽缸)26被包括在发动机10中，每个燃烧室包括燃烧室壁和在其中定位的活塞。发动机10包括耦接到汽缸盖30和32的发动机缸体28，燃烧室壁由发动机缸体28、第一汽缸盖30和第二汽缸盖32限定。每个活塞可以被耦接到曲轴34，使得每个活塞的往复运动被转换为曲轴34的旋转运动。曲轴34可以经由中间变速器系统被耦接到车辆的至少一个驱动轮。另外，起动机马达可以经由飞轮被耦接到曲轴34以实现发动机10的起动操作。

每个燃烧室26可以经由进气道(未示出)接收来自进气歧管的进气并且可以经由排气歧管38排放燃烧气体。进气歧管和排气歧管38能够经由相应的进气门和排气门(未示出)选择性地与燃烧室26连通。在一些实施例中，燃烧室26中的一个或多个可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。发动机进气门和发动机排气门可以被机械地致动(例如，通过顶置凸轮)、被电磁致动(例如，EVA)或两者的组合。另外，发动机10可以包括多个燃烧室26中的一个或多个中的进气道喷射或直接喷射。

在当前示例中，第一排气歧管38仅耦接到第一汽缸盖30的第一汽缸组。第二排气歧管(例如，耦接到包括在第二汽缸盖32中的第二汽缸组)为了简化未被示出。然而，“V”型配置的发动机中的第二排气歧管可以被提供。此外，耦接到第二汽缸盖32的第二排气歧管可以与第一排气歧管38基本上相同，或其可以在包装或构架上大不相同。第一排气歧管38被耦接到排气系统100。第二排气歧管可以包含与排气系统100基本上类似的第二排气系统。在一个示例中，排气歧管38可以是制造的管头式歧管(a fabricated tubular headerstyle manifold)。在另一示例中，排气歧管38可以是铸造的根式歧管。

排气歧管38包括在多个流道48的第一端和第一汽缸盖30之间的入口凸缘50。排气流道48可以被焊接在一起以形成排气歧管38。入口凸缘50在第一侧(例如，面向排气歧管38的一侧)上被物理地耦接到流道48的第一端。入口凸缘50经由第二侧(与入口凸缘50的第一侧相对)被物理地耦接到第一汽缸盖30的排气侧。入口凸缘50将流道48流体地耦接到对应的燃烧室26，使得从燃烧室26排出的排气流到对应的排气流道48中的一个内。

流道48中的每一个对应于汽缸26中的一个的开口(例如，排气开口)。换句话说，第一汽缸盖30具有多个汽缸开口，其中至少一个汽缸开口对应于至少一个排气流道48。每个汽缸26的每个排气流道48在通向腔室(例如，集合器)36处的共同接合点之前彼此分离。排气歧管38的集合器36可以包括铸造壳体。壳体可以包括铁(例如，球墨铸铁(nodulariron)、延性铸铁(ductile iron)等)的合金、碳、和多种附加剂，诸如Si、Al、Cr、Mo、Ni和Sn。

流道48的第二端被物理地耦接到排气歧管38的腔室36。流道48的第一端比流道48的第二端更高(例如，在轴向方向上面)。换句话说，对于放置在平坦表面上的车辆，流道48的第一端在轴向方向上高于流道48的第二端。以此方式，流道48在第一端附近处可以是弯曲的，以便降低流道48的包装限制。然而，如上所述，在第一端附近处，由于弯曲、安装长度和由歧管凸缘56支撑的质量，流道48易于劣化(例如，开裂)。

每个流道48可以以不同的方式向腔室36弯曲。此外，每个流道也可以具有不同的长度以通过协调排气压力波获得优化的发动机性能。流道48可以具有不同的长度，使得腔室36近端是第一流道而远端是最后的流道。以此方式，第一流道可以比最后的流道更弯曲。因此，第一流道可以比最后的流道更容易劣化，具体地在歧管凸缘56处支撑显著的质量并且最后的流道在几何结构上最接近歧管凸缘56的情况下。替代地，由于第一流道的位置与动态激振和支撑的质量相关，所以其可能更容易疲劳劣化。

排气歧管38进一步包括位于流道48中的一个和入口凸缘50之间的接合点处的卡圈52。卡圈52通过焊接被焊接到流道48中的一个的第一端和入口凸缘50。在一个示例中，排气歧管38包含耦接到正好一个流道48的正好一个卡圈52，其中其它流道不具有焊接的卡圈。以此方式，在第一汽缸盖30的排气侧处，卡圈52可以被物理地耦接到直接在弯曲处/弯曲部分上游的流道48。卡圈52周向地围绕流道48中的一个的第一端并且因此环形地耦接到入口凸缘50。卡圈52的结构和功能的附加细节将在下面更详细地描述。

本领域技术人员应当认识到，一个或多个流道48可以被耦接到对应的卡圈。附加地或替代地，所有流道48可以被耦接到对应的卡圈。以此方式，卡圈的数量可以等于流道48的数量。附加地或替代地，一个或多个流道48的卡圈可以在结构上相同或不相同。如果每个卡圈是不相同的，则卡圈可以被设计，使得它们增加在排气歧管的所有流道各处的应力平衡。

本领域技术人员应当认识到，卡圈可以不是完整的圆环。卡圈可以是围绕排气流道的周界彼此间隔开以便分配应力负荷的一系列角板(gussets)或部分圆环。附加地，卡圈的几何结构可以具有多种横截面，包括“I”形、“L”形、方形或三角形。

从位于第一汽缸盖30内的燃烧室26排出的燃烧气体可以在通到腔室36之前朝流道48排出，其中来自每个汽缸26的排气汇合并且流过出口通道54。出口通道54在腔室36的相对侧上远离流道48。在当前示例中，出口通道54平行于纵轴线。附加地，出口通道54终止于歧管凸缘56。在当前示例中，涡轮增压器40的涡轮增压器套装凸缘41被耦接到歧管凸缘56以接收来自排气歧管38的排气。

在当前示例中，涡轮增压器40经由涡轮增压器套装凸缘41在歧管凸缘56处被耦接到排气歧管38。涡轮增压器40包括沿进气道布置的压缩机(未示出)并且该压缩机可以至少部分地通过布置在排气道76中的涡轮74驱动(例如，经由轴)。压缩机也可以至少部分地通过发动机(例如，经由曲轴34)和/或电机驱动。涡轮增压器40包括旁路通道78，旁路通道78具有耦接到涡轮增压器套装凸缘41下游和涡轮74上游的入口。旁路通道78的出口被耦接到涡轮74的下游和后处理系统42的上游。废气门80被设置在旁路通道78内。经由涡轮压缩机40提供到发动机的一个或多个汽缸26的压缩量可以通过控制器14改变，例如，通过控制废气门80。例如，废气门80可以经由从控制器14发送到致动器24的信号被致动到更关闭的位置，以便提供更大的压缩量。

在当前示例中，穿过旁路通道78或涡轮74的排气流流到排气后处理系统42。排气后处理系统42被设置在排气道76中，并且可以包括三元催化剂(TWC)、柴油机氧化催化剂、微粒过滤器(PF)、选择性催化还原(SCR)催化剂、氮氧化物捕集器、硫氧化物捕集器、碳氢化合物捕集器或它们的组合。发动机10的进一步示例可以包括低压(LP)排气再循环(EGR)回路和高压(HP)排气再循环(EGR)回路中的一个或两个以及对应气门和传感器。

在一个实施例中，附加地或替代地，涡轮增压器40、涡轮74和废气门78被省略。发动机10可以仅包括耦接到曲轴和辅助能量储存单元中的一个或多个的压缩机(例如，机械增压器)。以此方式，排气可以直接流到排气后处理系统42，而不流过涡轮机74或废气门78。替代地，发动机10可以是自然进气式发动机。

图1描绘耦接到排气歧管的发动机的总示意图，其中各种组件沿排气路径放置。图2描绘耦接到入口凸缘和排气流道的卡圈，该卡圈可以被用于图1的发动机系统。

在实施例中，具有与入口凸缘配合的流道壁的排气流道可以邻近汽缸盖。卡圈可以被定位为邻近最短的流道和凸缘之间的接口。卡圈可以围绕流道的外部(例如，流道壁)形成环形间隙。卡圈可以由单层壁形成，该单层壁在与接口的拐角间隔开的相应位置处从凸缘延伸到流道，其中没有进一步的壁在卡圈的单层壁外部。环形间隙可以在相应的位置处被完全密封并且没有从发动机或周围环境通向环形间隙的开口。在另一示例中，在相应的位置处，环形间隙可以被部分密封，其中环形间隙与周围环境流体连通。可以仅单个环形间隙包含在卡圈和流道壁的外表面之间。环形间隙不间断地完全围绕流道壁的外表面的外周界延伸。替代地，卡圈可以是分段的，使得环形间隙间断地围绕流道壁的外表面的外周界延伸。

该实施例可以进一步包含(附加地或替代地)：第二更长的流道，该流道具有与凸缘配合的另一流道壁。第二流道不包含卡圈。以此方式，由排气流道的重量和动态激振引起的总应力与包含卡圈的所有排气流道相比被降低。

现在转向图2，其图示说明包含一部分排气歧管202的排气系统200。排气歧管202包含入口凸缘204、孔206、排气流道207、卡圈216和集合器218。排气流道207包括第四排气流道208、第三排气流道210、第二排气流道212和第一排气流道214。在一个示例中，第四排气流道208可以是最后的排气流道，其中最后的排气流道是离车辆的前部最远的排气流道。

如上所述，入口凸缘204位于汽缸盖的排气侧和每个流道207之间。入口凸缘204经由通过对应孔206延伸的螺柱螺栓被物理地耦接到汽缸盖。螺柱螺栓可以穿过孔206并且到汽缸盖的对应孔内，以便将入口凸缘204紧固到汽缸盖。以此方式，入口凸缘204与汽缸盖共面接触或被固定到汽缸盖。在一个示例中，入口凸缘204和汽缸盖之间可以没有中间组件。在另一示例中，可以具有垫圈，至少用于入口凸缘204和汽缸盖之间的密封。附加地或替代地，冷却剂通道可以位于邻近入口凸缘204的汽缸盖中。

流道207延伸通过对应的孔口并且流体地耦接到对应的汽缸，其中孔口在尺寸上与入口凸缘204的汽缸盖端口匹配。以此方式，耦接到入口凸缘204的发动机(诸如图1中示出的发动机10)包含至少四个汽缸。在一个示例中，发动机包含正好四个汽缸。在另一示例中，发动机包含正好八个汽缸，其中四个汽缸处于第一汽缸组，而余下的四个汽缸处于第二汽缸组。因此，如上所述，可以存在具有流道207的两个入口凸缘，具有流道的第一入口凸缘耦接到第一组，而具有流道的第二入口凸缘耦接到第二组。

离开发动机的燃烧室的排气可以流过入口凸缘204并且进入流道207内。例如，第一汽缸可以对应于第一排气流道214。以此方式，来自第一排气汽缸的排气仅流到第一流道214并且不分别流到第二排气流道212、第三排气流道210和第四排气流道208。附加地，第二汽缸可以对应于第二排气流道212，第三汽缸可以对应于第三排气流道210，而第四汽缸可以对应于第四排气流道208，其中来自相应汽缸的排气仅流到对应的排气流道。如图所示，第四排气流道208是歧管/发动机的所有流道中最短的流道，其中第三流道210是第二短的流道，第二流道212是第三短的流道，而第一流道214是最长的流道。由于热应力，第四排气流道208可以逐渐地易于劣化。增加的温度可以引起流道207膨胀。然而，较短的流道不能够如较长的流道一样有效地膨胀(例如，膨胀被分配在较短的长度上)。因此，卡圈216位于最高应力的流道(例如，第四排气流道208)上。在一个示例中，卡圈216仅被焊接到多个排气流道中的一个(例如，多个排气流道207中的第四排气流道208)，以便平衡整个排气歧管202各处的应力。

在一个示例中，第一排气流道214可以最接近车辆的前部。以此方式，第四排气流道208可以离车辆的前部最远(例如，最接近车辆的后部)。

附加地或替代地，卡圈(诸如卡圈216)可以位于具有最大弯曲(例如，最钝的弯曲)或最多的悬臂重量的排气流道上，这两者能够导致高应力。以此方式，排气歧管202可以包含一个或多个卡圈，其中每个卡圈以不同的长度和/或形状被不同地安装。卡圈位于最短的排气流道和/或具有最大弯曲的流道上。在替代示例中，流道207中的每一个可以被耦接到卡圈，诸如卡圈216。

卡圈216被焊接到入口凸缘204的表面。卡圈216和入口凸缘204之间焊缝的横截面是三角形的。卡圈216也被焊接到第四流道208的外周界。卡圈216能够帮助第四流道208具有用于应力的平行(例如，定向)路径，该路径防止第四流道208的过载或疲劳失效。例如，卡圈216接收朝第四流道208引导的应力的一部分，并且将该应力沿平行于第四流道208的方向的线性方向重新定向。

卡圈216的整个周界可以被不间断地焊接到第四流道208的整个周界和入口凸缘204的表面。替代地，卡圈216的整个周界的一半可以不间断地焊接到第四流道208和入口凸缘204的表面。替代地，卡圈216可以被间断地焊接到第四流道208和入口凸缘204，使得焊缝彼此分离。在一个示例中，焊缝可以与邻近的焊缝成一定的弧度或不到一定的弧度。因此，卡圈216可以与周围环境流体连通。如上所述，由于发动机点火和导致的动态激振，在入口凸缘204和第四流道208之间的接合点处可以发生劣化。通过在接合点处焊接卡圈216，由于卡圈216能够吸收由第四流道208经历的部分应力，所以劣化的可能性降低，因为在基本上相等的应力水平下较大的横截面面积是可得到的。卡圈216也能够弯曲和屈曲，类似于弹簧片，因为环形空气间隙位于卡圈216内。上面描述的卡圈216的柔性结构进一步平衡卡圈216和第四流道208之间的应力。卡圈216的结构和空气间隙将在下面更详细地描述，诸如关于图3-图5。

作为发动机燃烧的汽缸，动能和热能两者都被传递到排气流道207。为了延长最后的排气流道208的寿命，卡圈216分配由第四排气流道208接收的动能和热能。卡圈216通过由于空气间隙能够弯曲来分配运动学运动。因为热能可以不穿过空气间隙，所以卡圈216可以保持其结构精度。例如，在没有卡圈(例如，卡圈216)的情况下，最短的排气流道(类似于最后的排气流道208)可以在75000个发动机循环后劣化。劣化可以包括开裂和/或破孔，其可以导致排气从劣化的流道泄露。然而，通过将卡圈216焊接到最短的排气流道(例如，第四排气流道208)，最短的排气流道可以在500000个发动机循环之后劣化。因此，卡圈216超过六倍地延长最短的排气流道的寿命。

从发动机汽缸排出的排气在流道腔室220之前流过排气流道207。腔室220经由集合器218被耦接到每个排气流道207。以此方式，来自发动机的每个汽缸的排气在每个排气流道207中被保持分离，直到排气流过集合器218并且进入腔室220内。由此，来自每个排气流道207的排气在流过排气系统(例如，排气系统100)之前在腔室220内混合。

图2描绘具有物理地耦接卡圈的单个排气流道的入口凸缘的排气侧。图3描绘被焊接到单个排气流道和入口凸缘的卡圈的更详细的图示说明。

现在转向图3，其描绘包含入口凸缘302、排气流道308和卡圈310的系统300。入口凸缘302、排气流道308和卡圈310可以分别如同图2的实施例中的入口凸缘204、第四排气流道208和卡圈216和/或图1中的实施例的入口凸缘50、最短的流道48和卡圈52一样被使用。

入口凸缘302包含与汽缸盖端口区域匹配的孔口，其中孔口在螺母306的正下方。为了将入口凸缘302紧固到汽缸盖(例如，汽缸盖30或汽缸盖32)，孔口被穿过接收螺母306。以此方式，入口凸缘302被耦接到汽缸盖的排气侧。因此，入口凸缘302经历由发动机在燃烧期间产生的振动和温度变化，这些也可以被流道308经历。

在一个实施例中，附加地或替代地，冷却剂套可以被定位在入口凸缘302和汽缸盖之间。冷却剂套中的冷却剂可以不流到入口凸缘302。螺柱螺栓(例如，螺母306)可以延伸通过整个冷却剂套并且到汽缸盖的接收孔内。以此方式，入口凸缘302可以被物理地耦接到冷却剂套和汽缸盖，而不用接收来自冷却剂套的冷却剂。

流道308经由入口凸缘302被流体地耦接到汽缸盖的单个汽缸的排气路径。流道308被耦接到入口凸缘302。因此，流道308接收来自发动机的单个汽缸的燃烧产物并且将燃烧产物引导到剩下的排气系统(例如，排气系统100)。

如上所述，流道308可以如图2的第四排气流道208一样被使用。因此，流道308可以是多个排气流道中的最短的流道。卡圈310被焊接到流道308和入口凸缘302，以增加流道308的寿命。卡圈310被描绘具有缺口(indentation)，以便适应螺母306和其对应的孔口。卡圈310可以包含能够抵抗由车辆的操作产生的热能和运动学运动的一种或多种适合的材料。例如，卡圈310可以包含不锈钢、铁、铜、钛合金、镍合金或其它适合的合成材料。

如图所示，卡圈310具有“L形”横截面。卡圈310被焊接到排气流道308的所有部分在轴向方向上环形地延伸，垂直于入口凸缘302的表面。被焊接到入口凸缘302的卡圈310的所有部分在纵向方向上环形地延伸，垂直于排气流道308。排气流道308和入口凸缘302耦接的接合点与卡圈310的中心部分312隔开。位于接合点的整个周界和卡圈310之间的环形空气间隙在中心部分312的正下方。空气间隙可以在轴向和纵向方向上延伸，类似于卡圈310，但是延伸较小的程度。在一个实施例中，空气间隙可以与周围环境流体地连通，使得空气或其它气体可以自由地流进和流出空气间隙。例如，卡圈310可以通向螺母306附近的周围环境。在与周围环境流体连通的部分卡圈310处，卡圈310可以不被焊接到入口凸缘302或流道308。空气间隙将在下面参考图5进一步详细地描述。

图3描绘被焊接到流道和入口凸缘的卡圈的放大示图。图4描绘沿轴向轴线的卡圈、排气流道和入口凸缘的横截面。

现在转向图4，其图示说明包含通过内焊缝404被物理耦接到入口凸缘402的排气流道408的横截面400。横截面沿轴向轴线被截取，使得入口凸缘402、流道408和卡圈410的内部被描绘。环形间隙412也被描绘。入口凸缘402、螺母406、流道408和卡圈410可以分别如图3的实施例中的入口凸缘302、螺母306、流道308和卡圈310一样被使用。

如上所述，入口凸缘402经由螺母406被紧固到汽缸盖的排气侧。包含螺母406的一个或多个螺柱螺栓可以用于将入口凸缘402紧固到汽缸盖。

流道408延伸到入口凸缘402内并且经由内焊缝404被焊接到入口凸缘402。内焊缝404位于排气通道内在流道408的端部和入口凸缘402的内表面之间的接合点处。内焊缝404是环形的并且被焊接到流道408的整个周界和入口凸缘402的内表面。内焊缝404是斜面的，使得它不改变排气流。接口可以被描述为通过将流道408插入到入口凸缘402的相应孔内所产生的拐角(例如，90°角)。

卡圈410是分别在第一位置和第二位置处从入口凸缘402和流道408延伸的单层壁。第一位置和第二位置与流道408隔开。卡圈410围绕流道408的外表面的整个周界延伸。焊道414被用于将卡圈410的部分焊接到第一位置和第二位置的部分。焊道414是间隔开的，使得卡圈410、流道408和入口凸缘402之间的环形间隙412可以保持与周围的周围环境流体连通。附加地，卡圈410可以保持柔度，同时被焊接到流道408和入口凸缘402两者。

焊道414可以位于被焊接到流道408和入口凸缘402两者的卡圈410的整个周界周围。耦接到卡圈410和流道408的焊道414未耦接到入口凸缘402。同样地，耦接到卡圈410和入口凸缘402的焊道414未耦接到流道408。因此，存在两组焊道414。焊道414可以是球形、三角形、矩形、波状外形或能够将卡圈410焊接到流道408和入口凸缘402的其它适合的形状。

环形间隙412是环形的并且围绕流道408的外表面的整个周界。环形间隙412完全围绕流道408在周围不间断地延伸。如上所述，环形间隙412可以与附近的周围环境流体连通。以此方式，来自周围环境的较热的气体可以流出环形间隙412并且由来自周围环境的较冷的空气替换。切口416示出波状外形的卡圈410区域以适应螺母406。卡圈410在切口416的方位处与入口凸缘402竖直隔开。因此，切口可以是环形间隙412与周围环境流体连通的方位的示例。切口416将参考图6被更详细地描述。

环形间隙412可以允许卡圈410响应于应力屈曲和/或弯曲。例如，当发动机燃烧时，运动学运动可以被转移到入口凸缘402、流道408和卡圈410。为了减少接口处劣化的可能性，卡圈410被设计成通过增加横截面面积并且作为弹簧(例如，弹簧片)吸收由入口凸缘402和卡圈410接收的应力的一部分。卡圈410在其第一和第二相应的位置之间可以朝向和远离环形间隙412屈曲和/或弯曲。

作为另一示例，热能可以被转移到入口凸缘402、流道408和卡圈410。热能可以引起入口凸缘402、流道408和/或卡圈410热膨胀，这可以导致劣化。由于环形间隙412，卡圈410可以比入口凸缘402和流道408更冷。以此方式，卡圈410、流道408和入口凸缘402可以经历与环形间隙412的热传递，以便降低由于燃烧产生的温度增加。通过降低卡圈410、流道408和入口凸缘402的温度，前述组件的预期寿命可以增加。如上所述，可以增加五倍。

图4描绘焊接到排气流道和入口凸缘两者的卡圈的三维横截面。图5沿纵轴线描绘卡圈、流道和入口凸缘的二维横截面。

现在转向图5，其图示说明入口凸缘502、流道504、卡圈506和环形间隙510的侧向横截面500。入口凸缘502、流道504、卡圈506和环形间隙510可以如图4的实施例中的入口凸缘402、流道408、卡圈410和环形间隙412一样被使用。

卡圈506是焊接到入口凸缘502的外表面上的第一点的单层壁。同样地，卡圈506被焊接到流道504的外表面上的第二点。如上所述，卡圈506是环形的并且围绕流道504的外周界。如图所示，流道壁504的厚度比卡圈506的厚度厚。

卡圈506类似于鞍座形状并且被平滑地焊接到第一点和第二点。例如，卡圈506在第一点和第二点附近是斜面的，使得在第一点与卡圈506之间和第二点与卡圈506之间形成钝角。换句话说，卡圈506具有凸形和凹形外表面，以在流道504和凸缘502之间形成光滑的连接。因此，卡圈506可以是柔性的。

卡圈506在第一点和第二点附近分别包含焊道508A和508B。焊道508A将卡圈506耦接到凸缘502，而焊道508B将卡圈506耦接到流道504。焊道508A和508B分别在第一点和第二点处物理地耦接到卡圈506，同时允许卡圈506沿邻近空气间隙510的中心部分屈曲和/或弯曲，以便消散发动机操作期间产生的应力载荷。

附加地或替代地，卡圈506可以具有不同的几何横截面，其包括L形、三角形、I形、方形、拱形、波状外形和其它适合的形状。此外，卡圈506可以在围绕流道504的周向方向上不完全地延伸。在一个示例中，卡圈506可以是围绕流道504的周界均匀或不均匀地周向间隔的多个分段部分。以此方式，可以存在等于卡圈506的数量的多个中断的环形间隙510。

环形间隙510位于卡圈506、入口凸缘502和流道504之间。环形间隙510的形状可以类似于卡圈506。与入口凸缘502相比，环形间隙510可以耦接到流道504的外表面的更大的区域。

现在转向图6，其示出凸缘602、流道604、卡圈606、环形加强筋(annular bead)608、环形间隙610、螺母612和切口614的侧向横截面600，其中图示说明开放空间。入口凸缘602、流道604、卡圈606和环形加强筋608可以如图5的实施例中的凸缘502、流道504、卡圈506和环形加强筋508A一样被使用，并且在这个示例中，图5和图6示出相同的组件，但是处于轴向围绕流道的中心轴线的不同横截面处。

卡圈606经由加强筋608被物理地耦接到凸缘602。然而，卡圈606不被物理地耦接到流道604。卡圈606与流道606沿轴向轴线竖直地隔开，以便容纳螺母612。卡圈606通过切口614容纳螺母612。作为切口614的结果，环形间隙610与周围环境流体连通。切口614可以被平行于轴向轴线或与轴向轴线倾斜的边缘限定。以此方式，与凸缘和流道之间的接口的拐角间隔开的卡圈可以降低劣化的可能性。环形间隙位于卡圈、凸缘、流道之间，其可以允许卡圈响应于吸收接口处的部分应力载荷而弯曲。通过这样做，通过流道接收的应力载荷可以被更均匀地分配。与卡圈被耦接到多个流道中的所有流道相比，通过将卡圈仅耦接到多个流道中的单个流道，流道的重量载荷被降低。在单一流道的壁和凸缘之间的接口处，将卡圈耦接到多个流道中的单一流道的技术效果是降低劣化的可能性。

图5和图6两者图示说明以面接触而彼此直接接触的组件的各个面(例如，在远离螺母的横截面位置处的底表面506和顶表面504)，以及没有彼此直接接触的某些表面(例如，在螺母612处的特定横截面方位处没有与顶表面604接触的底表面606)。

在第一示例中，本申请考虑一种排气系统，其包含流道和卡圈，该流道具有与汽缸盖的入口凸缘连接的流道壁，该卡圈被定位在接口处围绕流道的外表面形成环形空气间隙。

在第一实施例中，第一示例的排气系统可以包括：其中空气间隙沿流道壁比沿排气凸缘窄。

在可选地包括第一实施例的第二实施例中，第一示例的排气系统可以形成卡圈，该卡圈具有在与接口的拐角隔开的相应位置处从凸缘延伸到流道的单层壁，其中在单层壁外部没有其它壁。

在可选地包括第一实施例和第二实施例的第三实施例中，在相应的位置处，空气间隙可以被完全密封，并且没有从发动机或周围环境通向空气间隙的开口。

在可选地包括第一实施例到第三实施例中的一个或多个的第四实施例中，第一示例的排气系统进一步包含内焊缝，其在排气通道内耦接流道和凸缘，并且不与卡圈接触。

在可选地包括第一实施例到第四实施例中的一个或多个的第五实施例中，第一示例的排气系统进一步包含其中具有冷却剂套的汽缸盖，其中在汽缸盖中没有任何冷却剂套的冷却剂与空气间隙流体连通。

在可选地包括第一实施例到第五实施例中的一个或多个的第六实施例中，在卡圈和流道壁的外表面之间仅包含单个空气间隙。

在可选地包括第一实施例到第六实施例中的一个或多个的第七实施例中，卡圈具有凸形的和凹形的外表面，以在壁和凸缘之间形成光滑的连接。

在可选地包括第一实施例到第七实施例中的一个或多个的第八实施例中，空气间隙不间断地完全围绕流道壁的外表面的外周界延伸。

在可选地包括第一实施例到第八实施例中的一个或多个的第九实施例中，卡圈壁的厚度小于流道壁的厚度。

在可选地包括第一实施例到第九实施例中的一个或多个的第十实施例中，第一示例的排气系统进一步包含与入口凸缘配合的另一流道的另一流道壁，另一流道不具有卡圈并且不具有空气间隙。

在可选地包括第一实施例到第十实施例中的一个或多个的第十一实施例中，另一流道通向在集合器的接合点的长度比流道通向在集合器的接合点的长度更长。

在可选地包括第一实施例到第十一实施例中的一个或多个的第十二实施例中，第一示例的排气系统进一步包含汽缸盖，该汽缸盖具有多个汽缸开口，其中每个汽缸盖的每个排气流道在通向集合器处的共同接合点之前彼此分离。

在可选地包括第一实施例到第十二实施例中的一个或多个的第十三实施例中，每个流道被不同地弯曲。

在可选地包括第一实施例到第十三实施例中的一个或多个的第十四实施例中，每个流道与其它流道焊接在一起以形成排气歧管。

在第二示例中，本申请考虑一种系统，其包含环形卡圈和入口凸缘，该环形卡圈围绕多个排气流道中的个体排气流道的整个周界焊接，该入口凸缘在汽缸盖的排气侧上，其中卡圈与排气流道壁和入口凸缘之间的接口的拐角间隔开。

在第一实施例中，第二示例的系统包括：其中该系统附加地或替代地包括位于拐角、入口凸缘、排气流道和卡圈之间的环形空气间隙。

在可选地包括第一实施例的第二实施例中，卡圈是柔性的。

在第三示例中，本发明考虑一种系统，该系统包含多个分离的排气流道、卡圈和空气间隙，该排气流道经由汽缸盖的排气侧上的入口凸缘被流体地耦接到相应的汽缸，其中在集合器的上游，多个排气流道被维持分离；卡圈被周向地焊接到多个排气流道中的最短的流道和入口凸缘，该空气间隙位于卡圈、最短的流道和入口凸缘之间，其中空气间隙被间断地与周围大气和发动机密封。在第一实施例中，第三示例的系统包括：其中该系统附加地或替代地包括卡圈被焊接到多个排气流道。

应当认识到，本文所公开的构造和程序在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被认为具有限制意义，因为许多变体是可能的。例如，上述技术可以使用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本公开的主题包括本文所公开的各种系统和配置和其它特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

随附的权利要求具体指出被认为新颖的和非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这样的权利要求应当被理解为包括一个或更多个这样的元件的组合，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合可以通过修改本申请的权利要求或通过在本申请或相关的申请中提出新权利要求被要求保护。这样的权利要求，无论比原权利要求范围更宽、更窄、等同或不同，均被认为包含在本公开的主题内。

Claims (19)

1.一种用于发动机的排气系统，其包含：

流道，所述流道具有与汽缸盖的入口凸缘配合的流道壁；以及

卡圈，所述卡圈被定位在所述流道壁与所述入口凸缘之间的接口处，围绕所述流道壁的外表面形成环形空气间隙；

其中所述空气间隙围绕流道周界的子部分被密封，并且存在从发动机或周围环境通向所述空气间隙的间断的开口。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述空气间隙沿所述流道壁比沿所述入口凸缘更窄。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述卡圈由单层壁形成，所述单层壁在与所述接口的拐角间隔开的相应位置处从所述入口凸缘延伸到所述流道，其中在所述单层壁外部没有其它壁。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包含在所述子部分处的焊道，所述焊道将所述卡圈直接物理地耦接到所述入口凸缘和所述流道。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述汽缸盖具有冷却剂套，所述冷却剂套的冷却剂不流到所述空气间隙。

6.根据权利要求1所述的系统，其中仅存在单个空气间隙在所述卡圈与所述流道壁的所述外表面之间不间断地延伸，并且完全地围绕所述流道壁的所述外表面的外周界延伸。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述卡圈具有凸形的和凹形的外表面，以在所述流道壁和所述入口凸缘之间形成光滑的连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述卡圈具有多个分段部分，所述分段部分的数量等于所述空气间隙的数量。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述卡圈的壁的厚度小于所述流道壁的厚度。

10.根据权利要求1所述的系统，进一步包含与所述入口凸缘配合的另一流道的另一流道壁，所述另一流道不具有卡圈并且不具有空气间隙。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述另一流道通向集合器处的接合点的长度比所述流道通向集合器处的接合点的长度更长。

12.根据权利要求1所述的系统，包含多个所述流道，所述汽缸盖具有多个汽缸开口，每个汽缸开口对应的流道在通向集合器处的共同接合点之前彼此分离。

13.根据权利要求12所述的系统，其中每个流道被不同地弯曲。

14.根据权利要求13所述的系统，其中每个流道与其它流道被焊接在一起以形成排气歧管。

15.一种用于发动机的排气系统，其包含：

环形卡圈和入口凸缘，所述环形卡圈围绕多个排气流道中的一个排气流道的整个周界焊接，所述入口凸缘在汽缸盖的排气侧上，其中所述卡圈与所述排气流道的壁和所述入口凸缘之间的接口的拐角间隔开；以及

围绕所述排气流道的壁的外表面形成的环形空气间隙，所述空气间隙围绕排气流道周界的子部分被密封，并且存在从发动机或周围环境通向所述空气间隙的间断的开口。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述空气间隙位于所述拐角、所述入口凸缘、所述排气流道和所述卡圈之间。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述卡圈是柔性的。

18.一种用于发动机的排气系统，其包含：

多个分离的排气流道，所述排气流道经由汽缸盖的排气侧上的入口凸缘被流体地耦接到相应的汽缸，其中在收集器的上游，所述多个排气流道被维持分离；

卡圈，所述卡圈被周向地焊接到所述多个排气流道中的最短的流道和所述入口凸缘；以及

空气间隙，其位于所述卡圈、所述最短的流道和所述入口凸缘之间，其中所述空气间隙与周围大气或发动机流体连通。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述发动机排气系统包含一个或多个所述卡圈，每个所述卡圈被焊接到所述多个排气流道中的一个。

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