CN1443931A - 四缸发动机用的排气管 - Google Patents

Abstract

在一四缸按汽缸1－2－3－4的顺序直列排列的发动机的排气管中，借助于缩短该排气管的总长度可以改善排气管催化剂的温度上升性能，同时可防止各汽缸之间的排气产生干扰。因此没有相继点火的汽缸1的排气管支管和汽缸4的排气管支管在发动机外侧汇聚在一起，其汇聚角θ1等于或小于20度，从而形成第一排气管汇聚支管，处于汽缸1和汽缸4之间没有相继点火的汽缸2的排气管支管和汽缸3的排气管支管，具有沿侧向延伸的形状，并以最小的距离汇聚在一起，从而形成第二排气管汇聚支管。此后该第一和第二排气管汇聚支管以一个处于0度－30度范围内的汇聚角θ3再汇聚起来。

Description

四缸发动机用的排气管

技术领域

本发明涉及一种四缸发动机，具体是涉及这种四个发动机的排气管。

背景技术

在早期的四缸发动机中，一汽缸的排气管支管是与一个按汽缸点火顺序还没有点火的不同汽缸的排气管支管汇聚在一起的。这就是说，当按点火顺序1-3-4-2号汽缸进行点火时，1号汽缸的排气管支管汇聚到4号汽缸的排气管支管中，而2号汽缸的排气管支管汇聚到3号汽缸的排气管支管中(参见日本未审查的实用新型专利第1-66424，第2-101017，第2-103120和日本审查过的实用新型专利第2-24897)。

本发明的概述

为了在一发动机启动后缩短催化活性时间并降低该排气系统的成本，要降低从一汽缸盖的排气道出口到排气管催化剂进口的排气管长度，或排气管内气体接触长度，从而限制废气的温度的降低并改善一催化剂的温度上升特性。

在另一方面，因上述技术的结果，由于排气管缩短产生的排气干扰增加，在低速和中速范围内，在节流阀处于全开位置时，发动机输出扭矩将降低，或者由于使排气管变窄并添加一排气管孔而产生的空气流动阻力增加，因此在高速范围内，该输出扭矩降低。

因此，需要具有一种既能满足排放性能又能满足发动机的输出功率性能的要求的排气管。

根据上述观点，早期技术中的发动机排气管具有如下问题：

1，在四缸发动机的各汇聚形排气管支管中，一个由一排气管的中心线和一相邻的排气管的中心线在这些相邻的排气管的汇聚点处形成的角度，不是为排气冲程的排气压力波的传递和衰减而设计的。具体说，汽缸1和汽缸4之间的汇聚角较大(参见日本未审查实用新型专利第1-66424，2-101017，2-103120和审查过的实用新型专利第2-24897)。

因此，例如，在汽缸1的排气冲程期间产生的部分排气压力波传递给汽缸4，并在汽缸4的排气阀头处被反射回来，并且一正压力波再返回到汽缸1的排气阀头处。

结果是，由于在排气冲程期间排气阀附近的压力增加，因此该汽缸中的燃气的扫气变恶化，并且在低速和中速范围内的发动机扭矩降低。

2，在一四缸发动机中，汽缸2和3的两个排气管支管朝离开该汽缸盖的一气道出口的方向并朝每个支管的一汇聚位置形成(参见日本未审查实用新型专利第1-66424，2-101017，2-103120和审查过的实用新型专利第2-24897)。在汽缸2和汽缸3中，由每个其他汽缸的排气干扰而产生的发动机扭矩降低是小的，且此时在低速和中速范围内，每个排气管支管的汇聚点所处的位置是不重要的。

然而，排气管的总长度变得与各排气管支管的独立部分一样长，因此，降低了排气管催化剂进口处的排气温度，并延长了催化活性时间。

3，一四缸发动机的汽缸2和汽缸3的两排气管从一汽缸盖排气道出口朝下倾斜地延伸到一支管汇聚部分处，并且每个支管按一个大约60度的汇聚角(日本未示出的实用新型专利1-66424)汇聚起来。

因此，每个支没有如此地汇聚起来，以致于汽缸盖排气道出口和支管汇聚部分之间的长度达到最小。

结果是，排气管的总长度很长，排气管催化剂进口处的废气温度降低，并且催化剂反应时间增加。

此外，支管汇聚角较大，排气压力波的传递容易通过该汇聚部分，因此由于在自身汽缸处的排气干扰作用，在低速和中速范围内，发动机的扭矩降低。

出于上述各问题，本发明提供了一种由于四冲程发动机的排气管，该排气管可满足废气排放性能和发动机输出功率性能的要求。

本发明的一方面提供一种用于四缸发动机的排气管，此时没有相继点火的两个汽缸的两个排气管支管，以一等于或小于20度的角度汇聚起来，从而形成一第一排气管汇聚支管，并且没有相继点火的另外两个汽缸的两个排气管支管，以一等于或小于20度的角度汇聚起来，从而形成一第二排气管汇聚支管，此后使该第一排气管汇聚支管和该第二排气管汇聚支管汇聚起来。

本发明的另一方面提供了一种四缸发动机用的排气管，该发动机的汽缸为直列排列的顺序是汽缸1-2-3-4，而其点火顺序是汽缸1-3-4-2，此时汽缸1的排气管支管与汽缸4的排气管支管汇聚在一起，以形成一个第一排气管汇聚支管，而汽缸2的排气管支管与汽缸3的排气管支管汇聚在一起，以形成一个第二排气管汇聚支管。

此后，使该第一和第二排气管汇聚支管汇聚起来，并且汽缸2和汽缸3的两排气管支管的汇聚位置，处于汽缸1和汽缸4的两排气管支管的汇聚位置的上游。

本发明的这些和其他方面的特性将可以从下述参照各附图作出的说明中懂得。

附图的简要说明

图1是本发明第一实施例所述的一发动机和一排气管的一示意透视图。

图2是该排气管的一正视图。

图3是该排气管的一平面图。

图4是该排气管的一侧视图。

图5是该排气管的一底视图。

图6是一个表示一排气管的总长度和排气温度之间的关系的视图。

图7是一个表示排气温度和HC排放量之间的关系的视图。

图8是一个表示排气管支管的汇聚角对排气脉冲压力的影响的视图。

图9是一个表示该汇聚角和进气容积效率之间的关系的视图。

图10是一个表示排气阀关闭正时滞后产生的影响的视图。

图11是一个表示本发明的进气容积效率的改进效果的视图。

图12是一个表示本发明的残余废气率的效果降低的视图。

图13是一个表示本发明的第二实施例所述的发动机和排气管的示意透视图。

图14是一个表示本发明的第二实施例所述的发动机和排气管的示意透视图。

图15是发动机的进排气阀的解析视图。

本发明的各优化实施例的详细说明

现在参照各附图详细说明本发明选取的各实施例。本技术领域的普通技术人员从公开的技术内容中可以明确得知：本发明各实施例的下述说明仅仅是为了说明本发明，并不能如后附的各权利要求和其等效物那样，起到限制本发明的作用。

图1是本发明第一实施例所述的一发动机和一排气管的一示意透视图。

发动机1是一台点火(例如火花点火或引燃点火)顺序按1-3-4-2号汽缸进行的四缸发动机。一排气管2安装到一汽缸盖侧并连接到用于每个汽缸的排气道出口上，并且一排气管催化剂3安装到该排气管2的一出口上。

现在参照附图2-5来详细说明排气管2。图2是排气管2的一正视图，图3是该排气管2的一平面图，图4是该排气管2的一侧视图，而图5是该排气管2的一底视图。

排气管2包括：通过一法兰21分别连接到发动机1的每个汽缸的排气道出口上的各支管B1-B4，一个将没有相继点火并处于一直列汽缸外侧的汽缸1的支管B1和汽缸4的支管B4汇聚起来的汇聚支管W1，一个将没有相继点火并处于一直列汽缸内侧的汽缸2的支管B2和汽缸3的支管B3汇聚起来的汇聚支管W2，及一个使各汇聚支管W1和W2进一步汇聚并朝下扩张的集结部分(扩展部分)DF。

排气管催化剂3通过一法兰22安装到集结部分DF的出口。汽缸1的支管B1和汽缸4的支管B4朝内朝下倾斜底延伸，然后汇聚起来，此时的汇聚角(支管B1和支管B4的两中心线在一汇聚点处形成得一角度)θ1等于或小于20度。

处于内部的汽缸2的支管B2和汽缸3的支管B3从排气道出口沿侧向相对地延伸，并且从平面视图中看，以一最小的长度汇聚起来，此时其汇聚角θ2因设置一隔壁23而小于20度。

处于外部的支管B1和B4的汇聚支管W1设置在发动机1和处于内部的支管B2和B3的汇聚支管W2之间，并且汇聚支管W1基本上与汇聚支管W2平行。具体地，该汇聚支管W2在更上游侧，因此形成一个直管。这些汇聚支管W1，W2朝集结部分DF敞开，同时W1和W2保持平行并汇聚在其中(图4)，此时由于W1的中心线C-W1和W2的中心线C-W2是平行的，汇聚角θ3是0度，但也可以等于或小于20度。

即，没有相继点火的各汽缸的各排气管支管以一个等于或小于20度的角汇聚起来，接着其汇聚支管W1和W2以一个小于20度的角汇聚起来。集结部分DF沿直接方向朝下扩展，并且一个用于安装空燃比传感器(02传感器)的安装孔24形成在其一中间外壁中。

该空燃比传感器设置在一个与汇聚支管W1和W2之间的隔壁平行的平面中，朝集结部分DF敞开，如图5所示。

如上所述，没有相继点火并且相互之间几乎不存在排气干扰的汽缸1的支管B1和汽缸4的支管B4，以尽可能短的距离汇聚起来，汽缸2的支管B2和汽缸3的支管B3也同样如此。因此，一排气管的总长度可以缩短，而不会使低速和中速范围内的扭矩降低。

处于内部的汽缸2的支管B2和汽缸3的支管B3从该排气道出口沿侧向相对延伸，并以一最小的长度汇聚起来，汇聚后，汇聚支管W2由单一的排气管构成。因此，该排气管的总长度最小。

此外，汇聚后，该汇聚支管W1由一单一的直管构成，从而使该排气管的总长度达到最小。

利用这种布置，该排气管的总长度达到最小，因此一发动机启动后，一排气管催化剂的温度上升性能可以得到改善。

图6(a)表示排气管总长度和排气温度(具体说，发动机启动15分钟后正好在排气管催化剂之前的废气温度)之间的关系。

根据该发明，排气管的总长度从1200mm缩短到900mm，正好在排气管催化剂前面的废气温度从270度上升到320度。

如图6(b)所示，排气管总长度代表每个排气管支管和每个汇聚支管从每个汽缸到一排气管催化剂的总长度。

图7表示发动机启动15分钟后正好在排气管催化剂之前的废气温度与相同的时间(15分钟)内排气管催化剂出口处的HC排放量之间的关系，此时由于发动机启动后排气管催化剂温度上升性能的改善(从270℃上升到320℃)，催化活性增加并且HC排放量降低。

各支管的汇聚部分形成为这样的形状，以致于对各支管的汇聚角等于或小于20度的情况下来说，废气脉冲的传递路径使之很难传递到另一个排气管中，因此改善了废气排放。

在汇聚角较大的情况下，汽缸1中的压力波绕过该汇聚角传递到一不同的汽缸中，因由封闭在不同汽缸中的排气阀阀头反射的压力波的作用，因此不同汽缸的排气产生干扰，或者在汽缸1自身中产生排气干扰。

如图8所示，在汇聚角为60度，30度和0度的情况下，分别检测到的汽缸1的排气道出口处的废气脉冲压力。根据这种检测可以证实：从进气阀开启正时到排气阀关闭正时之间的气阀重叠期附近的废气脉冲压力，比汇聚角较小时降低更多，从而使排气干扰降低，此外，在汇聚角等于或小于20度的情况下，排气干扰的大小实质上与汇聚角为0度时的排气干扰一样低。

图9表示汇聚角和进气容积效率(ηv)之间的关系，在汇聚角的范围为30度-60度时，该汇聚角每增加10度，进气容积效率降低0.17％(敏感性为：0.17％/10度)，并且在汇聚角从0度变化到20度的情况下，该汇聚角每增加10度，进气容积效率降低0.05％(敏感性为：0.05％/10度)。

即，当汇聚角处于0度到20度的范围内时，进气容积效率的降低几乎没有变化，当汇聚角超过20度时，进气容积效率突然降低。上述结果是各汇聚支管W1和W2的汇聚角的真实情况。

根据这一结果，使汇聚角等于或小于20度，本发明可以适当地降低排气干扰。

下面将解析排气阀开启正时滞后时，排气干扰的降低情况。

如图15所示，进气阀11和排气阀12的开启正时和关闭正时由进气阀驱动凸轮11a和排气阀驱动凸轮12a的每个凸轮形线确定。

排气阀开启正时通常为下死点前大约45度，但借助于将其设置在下死点前0度-30度的范围内，与图10中实线所示的早期技术相比，可以使压力波的正时滞后，如该图中虚线所示。

利用这种结构，在一气缸中的进气阀11和排气阀12的阀重叠时期期间，反射波不会抵达该气缸中。

例如，气缸2中的压力波到达气缸3的一排气阀阀头处，并且在气缸2中的进排气阀11和12的重叠时期之后，作为一反射波返回到气缸2中，从而改善了气阀重叠期间的排气干扰，和低速与中速范围内的输出扭矩。

排气阀开启正时的变化可以借助于缩短排气阀驱动凸轮12a的工作角，改变排气阀12的工作角，改变排气阀12的工作角和升程，改变排气阀12的工作中心角等来实现。

图11表示因排气干扰降低对进气容积效率的改进效果。图12表示残余废气的降低效果。由于在这些情况的任何一种中，在低速和中速范围内，因排气干扰降低，扫气效率得到改善，进气容积效率得到改善，因此，残余废气效率得到了改善。

因此，借助于改善进气容积效率，发动机的输出功率性能得到了改善，并且借助于降低残余废气效率，则燃烧温度降低，因此改善了敲缸性能。

然而，如图11和12所示。在高速范围内，由于排气阀开启正时滞后的原因，进气容积效率和残余废气效率有一点恶化。

为了解决这种恶化，一排气管支管的直径的弯曲比设置为等于或大于1.5，或者一集结部分(扩展部分)的扩张角设置为等于或小于60度。利用这种结构，排气管中的空气流阻力得到改善，并且上述结果可以得到防止。

在使用一可变阀操作装置的情况下，排气阀开启正时的滞后只有在低速和中速范围内(例如低于4000rpm)时才会实现。

下面将解析空燃比传感器的安装位置。借助于在气缸1和气缸4的汇聚支管W1及气缸2和气缸3的汇聚支管W2中形成一直管部分，在狭窄范围内对各因子进行调节，以便根据一空燃比传感器的气缸敏感性找出该空燃比传感器的最佳位置变得是很容易的。因此，空燃比传感器的最佳位置可利用很少的人时工作量(man-hour)来确定。

具体地说，传感器对气缸1和气缸4的废气及气缸2和气缸3的废气的敏感性可以借助于向图4中右边和左边调节该空燃比传感器的位置得到证实。因此，空燃比传感器满足该两废气要求的最佳位置得到确定，空燃比传感器用的一安装孔24在该处形成。

图13是本发明的第二实施例所述发动机和排气管的示意透视图。该第二实施例与第一实施例不同之处在于：气缸2的支管B2和气缸3的支管B3的汇聚支管W2，设置在该发动机和气缸1的支管B1与气缸4的支管B4的汇聚支管W1之间，并且其其它部分也是如此。

图14是本发明的第三实施例所述发动机和排气管的示意透视图。在第一实施例中，发动机设置于车辆的侧面，而一排气系统设置在该车辆的前侧。在该第三实施例中，该排气系统设置在该车辆的尾部。

如上所述，根据本发明，在一四缸发动机中，没有相继点火的两个气缸的两排气管支管以一个等于或小于20度的汇聚角汇聚在一起，接着该两汇聚支管进一步汇聚在一起。

即，不存在由排气压力波产生排气干扰的问题的各气缸的各排气管支管，在其相对上游侧汇聚在一起，并且该汇聚角等于或小于20度，以便防止气缸一侧的废气压力传递到气缸的另一侧。

结果是，一个气缸和另一个气缸之间及一个气缸内部的排气干扰可以大大地降低。因此，在防止低速和中速范围内扭矩降低的同时，排气管的总长度因取消了排气管的独立部分而尽可能缩短了，并且发动机启动后的排气管催化剂温度上升性能也能得到改善。

此外，该四缸发动机按汽缸1-3-4-2的顺序点火，此时汽缸1和汽缸4及汽缸2和汽缸3的两排气管支管，即没有相继点火的汽缸的排气管支管分别汇聚起来，因此在直列汽缸方向外侧的两个汽缸(汽缸1和汽缸4)汇聚起来，而在内侧的两个汽缸(汽缸2和汽缸3)，在整个排气管支管汇聚起来之前独立地汇聚起来。

因此，该排气管的布置是简单的，并且内侧的各汽缸在更上游汇聚起来。结果是，排气管的独立部分能缩短，废气催化剂的温度上升性能得到改善。

此外，汽缸2和汽缸3的排气管支管朝相反的方向沿侧向延伸，接着就汇聚起来，即，两个排气管支管都是这样侧向延伸的形状的，即从各汽缸的一个排气道出口沿侧向延伸到另一个排气道出口中。因此各排气管支管可以以最小的距离汇聚起来，并且该排气管的总长度最小。因此，一催化剂的活性时间可以缩短很多。

根据本发明，在按汽缸1-3-4-2的顺序点火的四缸发动机中，汽缸1和汽缸4及汽缸2和汽缸3的两个排气管支管，即没有相继点火的汽缸的排气管支管分别汇聚起来，接着，该两个排气管支管再汇聚再一起。在另一方面，汽缸2和汽缸3的两排气管支管的汇聚部分设置在汽缸1和汽缸4的两排气管支管的汇聚部分的上游。即，不存在排气压力波产生的排气干扰的各汽缸的各排气管支管，在相对上游侧汇聚在一起，并且处于内侧并根据这种布置可在更上游侧汇聚在一起的两个汽缸(汽缸2和汽缸3)，在其他两个汽缸(汽缸2和汽缸3)之前汇聚在一起。

结果是，因排气干扰在低速和中速范围内产生的扭矩降低可以得到防止，该排气管的总长度可以借助于取消该排气管的独立部分而尽可能地缩短，发动机启动后排气管催化剂的温度上升性能能得到改善。

此外，由于汽缸2和汽缸3的两排气管支管汇聚起来后该汇聚支管由一直管构成，因此该排气管的总长度缩短了，并且该发动机启动后该排气管催化剂的温度上升性能能得到改善。

此外，汽缸2和汽缸3的排气管支管沿侧向相对地延伸，接着汇聚在一起。

因此，汽缸2和汽缸3的两排气管支管可以以最小的长度汇聚，并且该排气管的总长度达到最小。故催化剂活性时间可大大降低。

此外，汽缸1和汽缸4及汽缸2和汽缸3的排气管支管的每个汇聚角等于或小于20度，并且两个汇聚支管的汇聚角等于或小于20度。

因此，本发明可以适当地防止排气压力波传递通过该排气管的汇聚点。

结果是，一个汽缸和另一个汽缸之间的排气干扰及一个汽缸内部的排气干扰都可以大大的降低，并且可以防止低速和中速范围内的扭矩降低。

此外，借助于使一发动机的排气阀开启正时滞后超过下死点前30度，可以使排气压力正时滞后。因此，在气阀重叠期间的排气干扰得到了改善，并且可以改善低速和中速范围内的输出扭矩。

如上所述，利用一四缸发动机对本发明进行了解析，但本发明也可以适用于8缸发动机，例如每四缸为一组的V形8缸发动机。

该申请要求享有申请日为2002年3月8日在日本提出的日本专利申请第2002-063605的优先权。该日本专利申请第2002-063605公开的全部内容应结合在该申请中并作为参考。

尽管只选取了几个实施例用来说明本发明，但从公开的技术内容中，本技术领域的普通技术人员可以清楚地得知：在不脱离本发明后附的各权利要求限定的范围内，可以作出许多变形和修改。

更进一步地，本发明各实施例的上述说明仅仅是用来起说明作用的，而不是为了限制由后附各权利要求和等效物限定的本发明的范围。此外，各不同实施例中的各技术特征可以结合起来。

Claims (10)

1.一种发动机，其包括：四个汽缸；

安装在该发动机的汽缸盖上的一排气管；

包含在该排气管中并且布置到每个汽缸处的四个排气管支管；

其中：没有相继点火的两个汽缸的两个排气管支管，以一等于或小于20度的角度汇聚起来，从而形成一第一排气管汇聚支管，并且没有相继点火的另外两个汽缸的两个排气管支管，以一等于或小于20度的角度汇聚起来，从而形成一第二排气管汇聚支管，此后使该第一排气管汇聚支管和该第二排气管汇聚支管汇聚起来。

2.如权利要求1所述发动机，其中该第一排气管汇聚支管和该第二排气管汇聚支管以一个等于或小于20度的汇聚角汇聚起来。

3.如权利要求1所述发动机，其中四个汽缸为直列排列的顺序是汽缸1-2-3-4，而其点火顺序是汽缸1-3-4-2，

汽缸1和汽缸4的两排气管支管沿该发动机的直列汽缸方向设置在两端部，并汇聚在一起，

汽缸2和汽缸3两排气管支管沿该发动机直列汽缸的方向设置在汽缸1和汽缸4之间并汇聚在一起。

4.如权利要求3所述发动机，其中该第二排气管汇聚支管如此形成，以致于汽缸2和汽缸3的两排气管支管基本上沿该直列汽缸的方向彼此相对延伸，然后汇聚在一起。

5.一种发动机，其包括：

按汽缸1-2-3-4的顺序直列排列的四个汽缸；

安装在该发动机的汽缸盖上的一排气管；

包含在该排气管中并且布置到每个汽缸处的四个排气管支管，

其中：四个汽缸的点火顺序是：汽缸1-3-4-2，

汽缸1和汽缸4的两个排气管支管汇聚在一起形成一第一排气管汇聚支管，

汽缸2和汽缸3的两个排气管支管汇聚在一起形成一第二排气管汇聚支管，

此后使该第一排气管汇聚支管和该第二排气管汇聚支管汇聚起来，及

该第二排气管汇聚支管的汇聚位置处于该第一排气管汇聚支管的汇聚位置的上游。

6.如权利要求5所述发动机，其中该第二汇聚支管由一直管构成。

7.如权利要求5所述发动机，其中第二排气管汇聚支管如此形成，以致于汽缸2和汽缸3的两排气管支管基本上沿该直列汽缸的方向彼此相对延伸，然后汇聚在一起。

8.如权利要求5所述发动机，其中该第一排气管汇聚支管的汇聚角及该第二排气管汇聚支管的汇聚角分别等于或小于20度，并且

将该第一和第二排气管汇聚支管汇聚在一起的汇聚角等于或小于20度。

9.如权利要求1所述发动机，还包括：

一个设置在该发动机的燃烧室中并控制该燃烧室中的废气排放的排气阀，其中

该排气阀的开启正时设置在下死点前30度到下死点的范围内。

10.如权利要求5所述发动机，还包括：

一个设置在该发动机的燃烧室中并控制该燃烧室中的废气排放的排气阀，其中

该排气阀的开启正时设置在下死点前30度到下死点的范围内。

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