CN101460721B - 具有辅助空气喷射系统的发动机排气系统 - Google Patents

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Abstract

公开了用于包括小型越野发动机的发动机(2)的排气系统(4)的多种实施例，以及相关的操作方法。至少在某些实施例中，排气系统包括接收来自第一发动机汽缸(6)的排出废气的第一导管(24)，和将空气传送到第一导管上的第一端口(46)的第二导管(36)。空气在第一导管中与排出废气混合，从而产生化学反应，降低排出废气中至少一种不良成分的水平。另外，排气系统不包括任何催化转化器。在某些实施例中，排气系统还包括曲轴箱通风系统。

Description

具有辅助空气喷射系统的发动机排气系统
相关申请的交叉参考
本发明基于2006年4月18日提交的临时申请号为60/792,993的共同待审美国专利申请，并要求其优先权，在此结合作为参考。
技术领域
本发明涉及内燃机，更具体地涉及内燃机中的排气系统。
背景技术
内燃机在很多不同场合下使用。由于内部燃烧过程，所述发动机必然产生具有大量碳基和其他物质的排出废气。逐渐地，希望内燃机能够以一种方式运转，从而降低或消除这些从发动机排放的废气中的至少一种或多种成分。
此外，近年来在不同的管辖权范围内，例如加利福尼亚已经(或正在进行过程中)颁布了法律限制小型越野发动机的排出废气，例如各种小型越野车和其他用以执行与环境有关职能，例如割草机和吹雪机的小型车辆上使用的发动机。
处理内燃机排放废气最常用的技术是催化转化器技术。具体地，大部分汽车现在使用了催化转化器和/或催化消声器。然而，传统催化转化器技术在很多场合下(例如上述小型越野发动机)使用具有几个使它不能令人非常满意的缺点。
具体地，由于催化转化器使用了贵重的金属催化剂，因而显得相当地复杂和昂贵。另外，就它们的基底(substrate)和金属催化剂，以及用于贵重的金属催化剂的底漆(wash coat)而言，催化转化器往往缺乏耐久性，随着时间的推移其品质往往会降低，具体地，后者由于高温气体和润滑油化学物质产生负面影响。运行过程中在“非正常(off-normal)”条件下短时间暴露到超热过程(extreme thermalexcursions)中也是在这方面考虑的问题。
因此，如果开发一种改进的系统(或多个系统)用于处理包括例如小型越野发动机在内的内燃机产生的排出废气，将是有益的。此外，如果至少在某些实施例中，所述改进系统不需要使用催化转化器，并且价格相对低廉，相比传统催化转化器更耐用，将是有益的。
发明内容
本发明者认识到上述与使用催化转化器相关的缺点，并且还认识到，在很多包括小型越野发动机在内的发动机中，可以使用包括辅助空气喷射系统在内的各种形式的排气系统代替催化转化器。
至少在某些实施例中，本发明涉及一种用于小型越野发动机的排气系统。所述排气系统包括接收来自第一发动机汽缸的排出废气的第一导管，以及将空气传送到第一导管上的第一端口的第二导管。空气与排出废气在第一导管中混合，从而产生化学反应，并且使排出废气中至少一种不良成分的水平降低。此外，排气系统不包括任何催化转化器。
此外，至少在某些实施例中，本发明涉及一种包括至少一个汽缸和第一进气导管的小型越野发动机，通过进气导管将空气燃料混合物从节流阀向该至少一个汽缸提供。此外，发动机包括与该至少一个汽缸连接从而接收排出废气的第一排气导管，以及与排气导管连接的第一辅助空气喷射导管，并借此将空气传送到排气导管，从而促成氧化放热(exothermic oxidation)反应，借此在不使用任何催化转化器的情况下，降低排出废气中至少一种不良成分。
此外，至少在某些实施例中，本发明涉及一种用以降低内燃机所产生的至少一种排出废气成分的排气系统。所述排气系统包括至少间接与内燃机汽缸连接的排气导管，并由此接收排出废气。此外，排气系统包括至少一个与排气导管在第一和第二孔口处连接的附加导管。空气通过这至少一个辅助导管经由第一和第二孔口传送到排气导管中，并且排气导管中加入的空气导致能够降低至少一种排出废气成分的氧化放热反应。
另外，至少在某些实施例中，本发明涉及一种发动机排气系统，其包括接收来自发动机汽缸中的排出废气的排气导管，经由孔口向排气导管提供空气的辅助空气导管，以及与排气导管连接的消声器。辅助空气导管的一部分至少包围消声器的至少一部分，或者与消声器的至少一部分集成，从而使得提供进入排气导管的空气在进入排气导管之前经过消声器附近，并由此在进入排气导管之前将空气加热。
此外，至少在某些实施例中，本发明涉及一种内燃机，其包括汽缸和与汽缸连接并且接收来自汽缸的排出废气的排气导管。另外，发动机包括具有空气过滤器的空气净化器，以及将空气净化器连接到排气导管上的孔口的辅助空气导管。辅助空气导管在空气过滤器下游的位置接收空气净化器中的空气，并将空气传送到孔口，从而使空气与排出废气混合，并且由于氧化放热反应导致减少排出废气中的至少一种成分。
此外，至少在某些实施例中，本发明涉及一种内燃机，其包括汽缸和与汽缸连接并且接收来自汽缸的排出废气的排气导管。发动机还包括鼓风机壳体，和将在鼓风机壳体内的内部区域与排气导管上的孔口连接的辅助空气导管。辅助空气导管从该内部区域接收空气并将空气传送至孔口，从而使空气与排出废气混合，并且由于氧化放热反应导致排出废气中的至少一种成分的降低。
此外，至少在某些实施例中，本发明涉及一种降低内燃机排出废气中的一种成分的方法。所述方法包括给阀提供空气，并且当阀开启时传送空气通过阀。所述方法还包括传导空气通过发动机的排气导管中的至少一个孔口，并将空气与流过排气导管的排出废气相混合，从而发生化学反应，导致排出废气中成分的降低。
在某些实施例中，本发明涉及用于小型越野发动机的排气系统。所述排气系统包括接收来自第一发动机汽缸的排出废气的第一导管，和将空气传送到第一导管上的第一端口的第二导管，连接在第二导管上的第一阀组件。所述阀组件至少部分地控制通过第二导管的气流，并且阀组件包括被动单向簧片阀。空气与排出废气在第一导管中混合，从而产生化学反应，其中降低排出废气中至少一种不良成分的水平。所述排气系统不包括任何催化转化器。
此外，在某些实施例中，本发明涉及一种用于小型越野发动机的排气系统。所述排气系统包括接收来自第一发动机汽缸的排出废气的第一导管，和为第一导管上的第一端口传送空气的第二导管。空气与来自第一导管的排出废气混合，从而产生化学反应，其中降低排出废气中至少一种不良成分的水平。所述排气系统不包括任何催化转化器。所述第二导管提供了发动机曲轴箱与第一导管之间的连通。
至少在某些实施例中，本发明涉及一种用于小型越野发动机的排气系统，其包括至少一个具有在其中往复运动的活塞的发动机汽缸和曲轴箱。所述排气系统包括传送进气到发动机汽缸的第一导管，接收来自发动机汽缸的排出废气的第二导管，从第一导管向发动机曲轴箱传送空气的第三导管，和从发动机曲轴箱向第二导管传送空气和曲轴箱气体的第四导管。空气与排出废气在第三导管中混合，从而产生化学反应，其中降低排出废气中至少一种不良成分的水平。所述排气系统不包括任何催化转化器。
附图说明
图1示出了根据本发明中至少某些实施例，利用被动辅助空气喷射系统，采用第一示例排气系统的发动机的示意图；
图2示出了根据本发明中至少某些实施例，利用具有单向阀的被动辅助空气喷射系统，采用第二示例排气系统的发动机的示意图；
图3示出了根据本发明中至少某些实施例，利用具有一对级联喷射(cascaded injection)的被动辅助空气喷射系统，采用第三示例排气系统的发动机的示意图；
图4示出了根据本发明中至少某些实施例，利用具有一对级联喷射端口和两个相应单向阀的被动辅助空气喷射系统，采用第四示例排气系统的发动机的示意图；
图5示出了根据本发明中至少某些实施例，利用其中的喷射空气被消声器预热的被动辅助空气喷射系统，采用第五示例排气系统的发动机的示意图；
图6A示出了根据本发明中至少某些实施例，被动辅助空气喷射系统与空气净化器连接的发动机的俯视透视图，此外在分解图中示出了空气净化器；
图6B示出了图6A中发动机组件示例性交互操作的方框图；
图7A示出了根据本发明中至少某些实施例，其中被动辅助空气喷射系统与发动机的鼓风机壳体连接的发动机俯视透视图；
图7B示出了图7A中发动机组件示例性交互操作的方框图；
图8示出了根据本发明中至少某些实施例，利用使用了被驱动的单向阀的被动辅助空气喷射系统，采用另一示例排气系统的发动机的示意图；和
图9示出了根据本发明中至少某些实施例，采用另外的使用空气泵的主动辅助空气喷射系统的示例空气喷射系统的发动机的示意图。
图10示出了根据本发明中至少某些实施例，结合使用曲轴箱通风设备和辅助空气喷射系统，采用第一示例排气系统的发动机的示意图；
图11示出了根据本发明中至少某些实施例，结合使用曲轴箱通风设备和辅助空气喷射系统，采用第二示例排气系统的发动机的示意图。
具体实施方式
为了在多种不同内燃机应用，本发明涉及多个排气系统的实施例，其中试图利用排气系统降低甚至消除发动机排出废气中的某些成分。虽然下面参考附图描述了几个具体实施例，但是应当了解到本发明试图包含排气系统的多种其它实施例以及相关部件，而不是(或可结合)参考附图示出和描述的具体系统。
尽管试图将本发明包含的排气系统应用到多种发动机上，该排气系统更具体应用到1类和2类的小型越野发动机上，例如应用在多种机械和车辆上(例如包括，割草机，扫雪机等类似设备)的发动机上。至少在某些实施例中，试图将本发明应用到如40C.F.R.§90.3中定义的“非公路发动机”中，其相关部分如下描述：“非公路发动机意思是…任何内燃机(i)在自驱或具有驱动自身和执行另外功能(例如园艺用拖拉机(garden tractors)，非道路可移动起重机和推土机)双重作用的一台设备之上或之中；(ii)在当执行其功能时(例如割草机和修剪机)而被驱动的一台设备之上或之中；或(iii)其自身或在一台设备之上或之中，是轻便的或可移动的，意味着设计成并且能够从一个位置携带或搬移到另一个位置。其可移动性的表征包括但不仅限于，轮子，滑道，搬运把手，手推车，拖车，或台架。
至少在某些实施例中，本发明适用于汽缸工作容积少于一升的发动机，或者汽缸工作容积少于一升并符合上述规则确定的规范的发机动。在另外的实施例中，试图使本发明包括其它小型发动机，大型火花点火(spark ignition)(LSI)发动机，和/或其它较大(中等规模或更大)的发动机。
参考图1，示出了具有排气系统4的第一实施例的第一发动机2的一部分的示意图。如图所示，发动机2包括汽缸6，活塞8在其中往复运动。同样包括在发动机2中的是包括在其中可开启和关闭进气阀14的进气端口12和在其中可开启和关闭排气阀18的排气端口16的汽缸盖10。进气端口12与进气导管或歧管20相连接，控制燃料/空气混合物的节流阀22沿进气导管或歧管配置，燃料/空气混合物通过进气歧管传送到进气端口和汽缸6中。排气端口16与排气导管或歧管24连接，然后排气导管或歧管24与消声器26连接，在本实施例中，消声器26是热反应器消声器。在汽缸6中发生的燃烧过程制造的排出废气从排出端口16排出(当排气阀18开启时)，沿着排气歧管24进入消声器26，然后在输出端口或出口18处排出到环境中。
可以理解发动机2的排气系统4包括排气歧管24，消声器26和出口28，甚至还可能会理解包括排气端口16和排气阀18。然而，与很多传统发动机相比，排气系统4不包括任何催化转化器。优选地，为了降低不希望的排出废气成分，具体地例如碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)，排气系统4包括几个额外的零件构成辅助空气喷射(SAI)系统5。操作SAI系统5为排气系统4提供额外的氧，从而进一步完成氧化放热反应将发动机排出污染物例如HC和CO在通过出口28进入周围环境之前转换为二氧化碳(CO2)和水蒸气(还可能将氮氧化合物(NOx)转换为氮)。因为将辅助空气引入到排气阀18下流的废气，沿排气歧管24或可能靠近排气端口16处或在消声器26处进入一个或多个位置，通过辅助空气喷射系统5，可以将排气系统4称为辅助空气喷射(SAI)热反应排气系统。
更具体，如图1所示，SAI系统5包括允许将辅助空气/氧气引入排气歧管24的几个零件。这些额外零件包括从空气供给器(未示出)接收空气的谐振器30，控制阀组件32，第一和第二空气导管34和36。第一辅助空气导管34将谐振器30与控制阀组件32连接，第二辅助空气导管36将控制阀组件32与排气歧管24连接。在图1的实施例中，“未示出”的空气供给器是通过它空气被吸入到谐振器30中的空气供给器，即，空气供给器仅仅是孔或导管，通过它谐振器30能够从发动机周围的周围环境中吸入空气。在其它实施例中，将参考附图6A-6B进行更加详细的描述，空气供给器替换为一个额外的部件，例如空气净化器，通过所述部件从周围环境中吸入过滤空气。然而在其它附加实施例中，空气供给器可以是主动汲取空气的设备，例如参考附图7A-7B描述的鼓风机(和鼓风机壳体)或根据图9描述的抽气机。这样，图1试图表示空气以被动的方式通过谐振器30，导管34，36和控制阀组件32被吸入到排气歧管24中的实施例，在其它实施例中空气被主动汲取到排气歧管中。
此外如图所示，在本实施例中的控制阀组件32包括通过施加在阀组件中的真空压力控制的弹簧加载的阀动器38。通过将阀组件38中的真空腔42与进气歧管20连接的真空管路40，通常在如图所示的进气端口12和节流阀22之间的位置施加真空压力。在本实施例中，设置了弹簧加载的阀动器38，使得在节流阀22允许最大气流朝汽缸6注入时，控制阀组件32易于关闭，并且在节流阀22设置成允许注入汽缸少量气流(或者完全关闭气流)时控制阀组件32易于开启。虽然用这种方式表示，在替代实施例中设置了控制阀组件32以不同方式进行操作，甚至可能以与图1所示相反的方式进行操作。具体地，至少在某些实施例中，仅当启动节流阀22为汽缸6制造高真空时，例如在低负载和/或发动机减速的情况下，将阀组件32设置为关闭。
附图1中的SAI排气系统如下所述工作。当发动机2工作时，汽缸6中发生燃烧，废气通过排气端口16传到消声器26。当上述情况发生时，假设由于操作弹簧加载的阀动器38开启控制阀组件32，空气经过谐振器30，经过第一导管34，经过控制阀组件，再经过第二辅助空气导管36从空气供给器抽出/吸取空气到排气歧管24中。吸取到排气歧管24中的空气不是恒定的，而是当排气阀18开启或关闭时随时间变化。在排气压力较低时，空气易于在SAI系统5中流动，被沿箭头44所示的路径被喷射进入排气歧管24中。
此外，优选地设置导管34，36的长度和横截面积(结合通过控制阀组件32的长度)以及谐振器30的尺寸以降低或消除导管34，36中驻波的产生，驻波可能会阻止空气沿箭头44所示方向流动。至少在某些实施例中，可认为仅由导管34，36(或其它涉及为排气歧管24提供辅助空气的组件)的存在构成了谐振器30，并且不需要单独的结构来构成谐振器。即，根据实施例，可认为附图1(以及其它附图)所示的谐振器30为表示实际的单独空腔组件，或者也可以是象征性地表示排气系统中的空腔(例如特定的容积)，通过该空腔将辅助空气传送到排气歧管中。在实际使用实体谐振器设备的实施例中，谐振器设备的位置并不需要限制在附图所示其中之一；而是，一个实体谐振器设备可以位于沿给排气歧管提供辅助空气的整个路径的多个位置上。
此外如图所示，排气端口16和第二辅助空气导管36与排气端口24连接的孔口46之间的距离“d”(例如根据孔口中心测量)，按照加快氧化放热反应以降低排出废气中不希望成分的水平，优选地设置成增大辅助空气吸入到排气歧管24的效果。根据实施例，具体距离d是不同的，并且优选地，设置距离至少要考虑两方面。一方面，孔口46应当与排气端口16足够近，从而废气通过孔口46时仍然比较热。另一方面，孔口46应当相对于排气端口16定位成使得通过第二辅助空气导管36吸入的空气不会过度地冷却废气而结束燃烧反应，第二辅助空气导管36一般比从排气端口排出的废气的温度低很多。即，虽然优选地尽可能多地辅助空气被尽可能快地吸入到从排气端口16排出的废气中，在离排气端口尽可能近地提供尽可能多的空气与不提供有可能在吸入空气时发生抑制或压制燃烧反应的额外空气之间存在平衡。
如上所述，通过辅助空气导管36导入的空气允许排出废气成分例如额外的HC物质和CO的燃烧，从而产生CO2和水蒸气，也可以通过在排气系统中冷却燃烧腔或化学动力学降低氮的氧化物(NOx)。此外，辅助空气可以帮助冷却排气端口16，排气阀18和汽缸盖10的高热应力的邻近区域。与许多传统发动机相比，当前描述的具有排气系统4的发动机2达到了在不需要任何使用贵重金属催化剂的催化转换器，就降低不希望的排出废气水平。通过在梯度中合适的空气喷射布置(例如孔气口46的布置)，可利用仅使用辅助空气喷射和高热梯度的SAI排气系统4来控制排出废气并且还影响废气温度。与使用催化转化器的传统排气系统相比，当前描述的系统可以较低成本实现，品质不易下降，更容易地包装，运行问题较少，尽管在“非正常”操作条件下会有超热过程。
转到附图2，示出了具有排气系统54的第二实施例的第二发动机52的一部分。与附图1中的发动2相似，发动机52包括汽缸6，活塞8，汽缸盖10，进气端口12，进气阀14，排气端口16，排气阀18，进气歧管20，节流阀22，排气歧管24，消声器26，和废气出口28。具体地，发动机52的排气系统54还是具有SAI系统的SAI热反应器排气系统，像SAI系统5一样，SAI系统包括谐振器30，具有阀动器38和真空腔42的控制阀组件32，真空管路40，和孔口定位于与排气端口16相距d处的第二辅助空气导管36。但是与附图1中的SAI系统5相比，SAI系统55不仅包括控制阀组件32，还包括具有单向阀部件58的第二单向阀组件56，允许空气仅在一个方向上流过阀组件。单向阀组件56连接在控制阀组件32的上游(或者在替代实施例中，为下游)，在控制阀组件和第一辅助空气导管60之间，谐振器30通过第一辅助空气导管60将空气提供到单向阀组件56。
根据实施例，单向阀组件56可以有多种形式。在附图2中所示的实施例中，单向阀部件58是簧片阀组件，并且单向阀组件58是一个被动空气喷射簧片阀(PAIR)。然而，在替代实施例中，其它可以使用的单向阀组件/阀的类型包括例如球阀，伞阀(umbrella valve)，或其它类似被动单向阀。通过使用单向阀组件56，空气流按照箭头44指向从空气供给器经过谐振器30，导管60，36，以及阀组件56，32，仅在一个方向上流动，即，朝排气歧管24，从不向相反的方向流动。具体地，当排气歧管24中的压力低时，空气易于向箭头44指向的方向流动从而吸取空气。只要设计成根据废气温度的升高自我调节，排气系统54也是特别有用的。更加具体地，当加载在排气系统54上的热量增加时，SAI系统55自动节流，从而防止废气温度过高。让动态(脉冲)废气能量将空气吸入排气系统。
在某些对废气使用脉冲(簧片)辅助空气喷射的实施例中，辅助空气流是包括簧片几何尺寸(reed geometry)，硬度，和预加载的一些变量的函数。在某些具体实施例中，簧片几何尺寸长度范围从大约20mm到大约50mm，宽度范围从大约10mm到20mm，厚度范围从大约0.05mm到大约0.3mm。
在某些使用脉冲(簧片)SAI的实施例中，较低的废气背压(backpressure)是有益的。在某些实施例中，在额定功率下消声器背压范围从大约22.1到大约62英寸水柱(water)。在另外一些实施例中，在额定功率下消声器背压范围从大约25到大约45英寸水柱(water)。所述背压范围可用范围从大约3到大约10的容积比，VR，(消声器体积/汽缸容积)得到，在某些实施例中该范围从大约3.5到大约7.0。在某些实施例中，消声器背压为容积比的函数，如公式1中所示。
BP＝5.7VR+5，(1)
其中BP是用水柱尺寸测量的消声器背压。
消声器背压可用来控制辅助空气喷射系统，其中增加背压有助于调低辅助空气喷射系统。这样可以有助于限制废气的热负荷以及随功率增加的热反应。通常，功率增加会提高排气系统的热负荷。另一方面，功率增加会提高排气系统的背压。排气系统的背压提高会降低通过辅助空气喷射系统中的气流，进而降低废气反应器中的热负荷。在某些实施例中，SAI气流速度在300mm水柱的压力差下为每分钟90+/-30升。
当使用脉冲(簧片)辅助空气喷射系统时，辅助空气喷射器的喷射位置在排气端口歧管的第一弯曲部的内径下游的同时，应当尽量靠近汽缸盖和阀座布置。在这些实施例中，SAI管道的尺寸通常为长度大于大约0到大约550mm，内径为大约9.5到大约13mm。
像附图1中的实施例那样，通常为了利用辅助空气的喷射提高发生在排气歧管24中的氧化放热反应，同时不会因为过度供给辅助空气而抑制反应，附图2中产生辅助空气喷射的孔口46的位置，以及谐振器30的导管60，36的几何尺寸根据实施例可以变化。同样像附图1中的实例那样，与传统排气系统相比，排气系统54不包括任何催化转化器，虽然至少在某些替代实施例中也用到了催化转换器。此外，虽然在附图2所示的实施例中，可以预想空气以被动的方式提供给谐振器30，在替代实施例中可以用关于附图1中描述的不同的(例如主动的)方式提供空气。此外，尽管附图2的实施例中的控制阀组件32位于单向阀组件56的下游，在替代实施例中可以颠倒顺序。虽然不是必须地，本发明的优选实施例具有主动空气供给器(例如，关于附图7A-7B讨论的泵或风扇)或具有单向阀部件/组件，或者二者都有，从而使空气易于朝排气歧管而不是离开排气歧管流动。
对于附图3，示出了具有排气系统64的第三实施例的第三发动机62的一部分。发动机62也包括汽缸6，活塞8，汽缸盖10，进气端口12，进气阀14，排气端口16，排气阀18，进气歧管20，节流阀22，热反应器消声器26，和废气出口28。类似附图2中的排气系统54，排气系统64是一个具有SAI系统65的SAI排气系统，SAI系统65包括每个都从空气供给器中接收空气的谐振器30，第一辅助空气导管60，具有阀部件58的单向阀组件56，具有阀动器38和真空腔42的控制阀组件32以及真空管路40。但是，与附图2中的发动机52相比，排气端口16通过具有第一和第二孔口76和78的改进的排气歧管74与消声器26连接，控制阀组件32通过Y形辅助空气导管66与这两个孔口连接。这样，通过单导管部72向上直到分支处(splitting junction)68，空气经过第二辅助空气导管66从控制阀组件32导入，之后通过一对导管部将空气继续进入各自孔口76和78。像附图2的实施例那样，单向阀组件56抑制空气流入与箭头44所示相反的方向。
如图所示，排气系统64的第一和第二孔口76和78位于相对于排气端口16的不同位置。具体地，第一孔口76位于与排气端口16相距d1的位置，而第二孔口78位于与第一孔口相距d2的位置，从而第二孔口78位于与排气端口16相距d1+d2的位置。根据实施例距离d1和d2的大小可以有较大的变化。例如，在一个实施例中，d1和d2可以都是4英寸，而在其它实施例中，d1可以是2英寸而d2是8英寸。如附图1和2的实施例中，布置孔口76和78的目的是当废气仍然热时提供空气，并且当废气离开排气端口16时尽可能快地导入空气，还有另一个目的是避免导入过多空气，以致由于辅助空气和排气口16排出的空气之间温差而抑制燃烧过程。至少在某些实施例中，d2的长度一般相当于通过排气歧管74的通常压力波(pressure wave)的通常波长的一半，从而如果以压力波最大值通过第一孔口76喷射空气，那么空气以压力波的最小值喷射到孔口上，反之亦然。这样的布置易于使通过控制阀组件32和第二辅助空气导管66的第一导管部72的气流速度随时间保持一致，具体地在幅度和方向上易于长时间提高气流速度的稳定性。
附图3中的实施例试图表现排气系统的一些不同实施例，在排气系统中，在或者沿排气歧管24的一个以上位置上喷射辅助空气，或者甚至可以在其它位置(例如，在排气端口16或消声器26上)喷射辅助空气。通过在多个位置上喷射空气，更具体来说，通过在排气歧管24的长度上的多个位置喷射空气，和/或在排气系统的其它组件处喷射空气，相比附图2的实施例中仅在一个单一的位置上喷射空气，可以获得一些优点。例如，具有多个喷射位置可以增加空气喷射率，更好控制空气喷射速度，提高转化效率，更好地控制发生在排气歧管24中的氧化放热反应发生时间，并且加强触发氧化放热反应的能力。因而，可以缓和由于(但不仅限于)过度背压，发动机的面容(surface tovolume)比低，喷射位置几何尺寸困难，以及由于发动机或排气系统设计参数导致废气温度低，而导致的触发氧化放热反应中潜在的困难。可以理解，虽然附图3示出的SAI系统65在两个位置(例如在孔口76和78)喷射空气，本发明还可以包括在三个或更多位置/孔口喷射空气的实施例。
对于附图4，示出了具有排气系统84的第四实施例的第四发动机82的一部分。类似于图3的发动机62，发动机82包括每个汽缸6，活塞8，汽缸盖10，进气端口12，进气阀14，排气端口16，排气阀18，进气歧管20，节流阀22，具有第一和第二孔口76和78的排气歧管74，消声器26，和出口28。排气系统84还是一个具有SAI系统85的SAI排气系统，类似于附图3中的SAI系统65包括谐振器30，具有阀动器8和真空腔42的控制阀组件32，连接进气歧管20和控制阀组件32的真空管路40。然而，虽然SAI系统85在两个孔口76和78将辅助空气喷射到排气歧管74，SAI系统与附图3相比布置上仍然具有某种不同。
具体地，SAI系统85包括双单向阀组件86代替图3中使用的单一单向阀组件56。双单向阀组件86包括分别控制从双单向阀组件86的进气端口92进入所述组件的第一和第二出气端口94和96的空气的通路的第一和第二单向阀部件88和90。第一和第二出气端口94和96分别与第一和第二辅助空气导管98和100连接，第一和第二辅助空气导管98和100分别在第一和第二孔口76和78终止。另外，如图所示，以相对图3的布置颠倒的方式设置控制阀组件32，从而图3所示的控制阀组件的出气端口直接与谐振器30的出口连接，使得附图3所示的控制阀组件的进气端口与双单向阀组件86的进气端口92连接。因而，在本实施例中，谐振器30与控制阀组件32连接，控制阀组件32进而与双单向阀组件86的进气端口92连接，进气端口92进而与排气歧管74的第一和第二孔口76和78通过第一和第二辅助空气导管98和100在其第一和第二出气端口94和96处连接。
附图4中的排气系统84以与附图3相同的方式工作。但是，当关于某些发动机的应用中，例如希望或必须有喷射脉冲的额外的计时/相位控制的发动机中，相比附图3的实施例，附图4的实施例是更优的。在这种发动机中，具有两个独立单向阀部件88和90的双单向阀组件86的使用保证进入孔口76的气流是与进入孔口78的气流是独立的，反之亦然。另外，排气歧管74中氧化放热反应的效率可以通过使用排气系统84更加提高。这对于下述发动机的情况尤其如此，例如由于有关包装的问题或声学问题的设计约束，阀组件32和86不能在排气歧管附近定位，因而第一和第二辅助空气导管98，100相当长。此外，通过使用排气系统84，可以获得导致提高转化效率的热效率的改进。此外，应当注意到，在附图4的实施例中，每个辅助空气导管98，100的物理位置和几何尺寸严重影响系统的性能，还应当注意单向阀部件88，90的阀动态也影响着系统性能。至少在某些实施例中，希望两个阀部件88和90同样工作，并且第一和第二辅助空气导管98，100的长度相同或近乎相同。
与关于附图3的实施例的情况一样，附图4的实施例试图表示多个实施例，辅助空气从多个位置(例如沿排气歧管长度以级联方式的不同位置)，喷射到发动机的排气歧管(或其它排气系统组件)。附图4的实施例试图表示不仅具有两个，也包括三个或更多喷射孔口的实施例。此外，排气系统84的部分零件可以结合具有两个排气端口的两汽缸发动机来实现。即，包括谐振器30，真空管路40，控制阀组件32，弹簧加载的阀动器38，双单向阀组件86，以及第一和第二辅助空气导管98和100的排气系统84的部分结合两汽缸发动机使用，其中两个单独的辅助空气导管98和100分别各自与各自关联两个汽缸中各自一个的排气歧管(或单排气歧管中的相应部分)连接。例如，所述发动机可以包括附图1中两套发动机组件6-28和两个孔口44，第一和第二辅助空气导管98和100中每个与各自孔口中的一个连接，孔口与各自排气歧管(或单排气歧管的相应部分)中的一个连接，排气歧管与各自汽缸(在某些这种实施例中，与所有汽缸连接的单歧管可能与同一个消声器连通，从而两个汽缸可以共用消声器26和出口28)中的一个连接。
此外，附图4中的实施例试图表示具有三个或更多的辅助空气导管的更多的实施例，从各种具有三个或更多的单向阀部件的单向阀组件的三个或更多的出气端口传送空气，并且本发明还希望包括其它的三个或更多的辅助空气导管连接到与发动机的三个或更多的汽缸相关的三个或更多的排气歧管部的实施例。实际上，附图4的实施例试图总的表示多个具有多至n个汽缸的各种发动机，其中将空气喷射到1到m个与每个汽缸的相应排气歧管部相关的孔口中。
参考接下来的附图5，示出了具有排气系统104的第五实施例的第五发动机102的一部分。类似于附图1的发动机2，发动机102包括汽缸6，活塞8，汽缸盖10，进气端口12，进气阀14，排气端口16，排气阀18，进气歧管20，节流阀22，排气歧管24。同样，类似排气系统4排气系统104是一个具有SAI系统105的SAI排气系统，SAI系统105包括从空气供给器中吸取空气的谐振器30，第一辅助空气导管34，具有弹簧加载的阀动器38和真空腔42的控制阀组件32，以及连接弹簧加载的阀动器和进气歧管20的真空管路40。此外，在与排气端口16相距d的孔口46处将辅助空气喷射进入排气歧管24。然而，相比图1的发动机2，虽然发动机102额外地包括具有出口108的消声器106，出口108通过排气歧管24连接并接收废气，消声器(也可以是热反应器消声器)与附图1的消声器26是不同的，它是与从控制阀组件32传送空气的第二辅助空气导管110结合为一体。
如图所示更具体地，第二辅助空气导管110将空气从控制阀组件32传送到消声器106以及消声器外围，然后返回进入孔口44，从而来自控制阀组件的相对冷的空气在提供到排气歧管24之前被消声器快速加热以实现氧化放热反应。至少在某些实施例中，导管110可分成三部分，第一部分105从控制阀组件32延伸至消声器106，第二部分107沿消声器外围延伸，并且可以集成为消声器的一部分，第三部分109从消声器延伸至孔口44，其中第三部分可以与排气歧管24集成为一体。至少在某些实施例中，沿消声器106外围构成的导管110的第二部分107可以具有一个作为隔热屏(heat shield)外表面来防止来自消声器的热流失，从而进一步加热导入到导管中的空气。在导管第二部分107中围绕消声器106流动的冷空气进一步提高了消声器的操作，消声器中的气体被导管110中流动的冷空气在一定程度上冷却。虽然这里示出了消声器的外部，可以在消声器内部构造和定位SAI通道，从而使消声器的整体，或仅仅一部分隔离。
附图5的发动机102和排气系统104是有利的，这在于消声器106对喷射到排气歧管24中的辅助空气进行预热，由于导入辅助空气消声器106进而提高发生在排气歧管中氧化放热反应的转化效率。在本实施例中，消声器106为辅助空气使用气隙(air-gap)通道，不仅可以预热辅助空气，还为消声器提供了热屏障，消除或降低了对于消声器隔热屏的需要，降低了消声器外表面变热的可能性。因此消声器与热交换器联合作为隔热屏。此外，至少在某些实施例中，消声器优选地具有为加强和保持氧化放热反应而设计的内部几何形状，以便同时增加转换效率。
对于附图6A，至少在本发明的某些实施例中，上文提到的空气供给器可以是通常与内燃机配合使用的空气净化器。在一个所述实施例中，如图6A所示，发动机112包括具有空气净化器组件116的排气系统114和SAI系统115，通过辅助空气导管120为排气歧管118提供辅助空气。当空气通过排气歧管118从发动机112中的排气端口(未示出)行进时，将空气通过导管120从空气净化器组件116中吸入到排气歧管118中，使氧化放热反应在废气流入消声器122并随后流出消声器出口124之前发生。
此外对于附图6A，还提供了空气净化器组件116的分解图。如图所示，空气净化器116包括空气净化器盖126和空气净化器座128，它们被设置成容纳位于其间的空气过滤器130。在本实施例中，每个组件126-130大体上是矩形，虽然在其它实施例中，这些组件可以具有其它形状(例如，它们可以是圆柱体)。此外如图所示，导管120与座128连接，更具体是与位于座中的单向阀组件132连接。本实施例中的单向阀组件132包括类似于图2中的(例如簧片阀)单向阀组件，其位于空气净化器116的主出气端口134的附近，空气在此从空气净化器中流出通向发动机进气口。即，当装配了空气净化组件116并工作时(空气净化器组件116的进气口未示出)，单向阀组件132的进气口和出气口134都接收通过过滤器130的过滤空气。
此外对于附图6B，方框图136以简图的方式示出了空气如何通过发动机112，具体地通过空气净化组件116和发动机的排气系统114。如图所示，从大气环境138中的空气进入空气净化组件116，具体地通过空气过滤器130，之后进而到达空气净化器座128。空气从空气净化器座128，通过出气口134进入内燃机140，可以理解内燃机140包括例如节流阀22(图1中)，进气歧管20，例如汽缸6的发动机汽缸，例如活塞8的活塞，例如进气端口12和进气阀14的进气端口和进气阀，例如排气端口16和排气阀18的排气端口和排气阀，以及其它部件。虽然大部分空气进入内部发动机组件140，一部分空气通过单向阀组件132，之后空气沿着辅助空气导管120行进并随后进入排气歧管118，在那里与内部发动机组件140排出的废气混合。之后最终的废气传到消声器122中，然后离开消声器进入大气环境138。
因为将单向阀组件132集成到发动机空气净化器组件116中，从而降低组合发动机组件的复杂性、制造成本和重量，图6A和6B所示的实施例是有优越性的。此外，所述实施例的优越性还在于作为辅助空气提供到排气歧管118的空气由空气净化器组件116的过滤器130过滤，所以不需要特别的额外过滤器作为SAI系统115的一部分来实施，(相反，在某些情况下，为了实现附图1-5中所示的实施例，希望或需要所述的具体过滤器)。虽然在附图6A和6B中，空气净化组件116中仅包括单向阀组件132，在其它实施例中，例如附图1中的控制阀组件32的控制阀组件的其他实施例也可以集成到空气净化组件中。另外，尽管本实施例中没有使用与附图1中的谐振器30对应的谐振器，替代实施例可以使用这样的谐振器。此外，至少在某些实施例中，例如附图4所示的多单向阀组件(和/或控制阀组件)可以集成到空气净化器组件中。至少在某些情况下，附图6A和6B的实施例可用于在发动机高负荷/高速下有利地节流辅助空气。
对于附图7A和7B，示出了具有带SAI系统145的排气系统144的发动机142的另一个实施例。在这个实施例中，将大气环境143(见附图7B)的空气通过风扇148(见附图7A)吸入到鼓风机壳体146中。吸入鼓风机壳体146中的大部分空气被驱动围绕发动机142的内部发动机组件150以冷却这些组件，之后如附图7B所示排回到大气环境143中。例如，内部发动机组件150包括有关汽缸、活塞、进气歧管、节流阀以及发动机相关组件(对于多汽缸发动机，具有这些组件中的多个)的附图1的组件6-22。此外如图7B所示，通过空气过滤器152和空气净化器座154从大气环境143中提供内部发动机组件150工作需要的空气。
对比附图6A-6B中的实施例，在附图7A-7B的本实施例中，作为辅助空气提供到排气歧管156中的空气并不是从空气净化器座154提供的。然而，在本实施例中，鼓风机壳体146中的空气转向包括例如簧片阀组件的单向阀部件的单向阀组件158。通过单向阀组件158之后，将辅助空气提供给辅助空气导管或软管160，其接着将空气提供给排气歧管156。一旦辅助空气与来自内部发动机组件150的废气在排气歧管156中混合，之后将废气提供到消声器123，并在出口125排出消声器进入大气环境143。
虽然不同于附图6A和6B所示的实施例，附图7A和7B的实施例提供了一些类似的优点。具体地，附图7A和7B的实施例将单向阀组件158集成到现有部件鼓风机壳体上，降低了实施和制造排气系统144(具体是SAI系统145)的复杂性和成本的，而且还可以降低排气系统组件的重量。虽然附图7A和7B示出的具体实施例示出在鼓风机壳体146中实现的单个的单向阀组件158，其它实施例多个这种单向阀组件和/或例如附图4的控制阀组件32的其它组件可以连同鼓风机壳体额外实现。然而，相比附图6A和6B的实施例，附图7A和7B的SAI系统145具有在正压力下(高于大气压力)吸入空气的优点，从而提高SAI进入排气歧管的流量。
对于附图8，示出了包括具有SAI系统165的SAI排气系统164的另一个实施例的发动机162的另一个实施例。在这个实施例中，如附图1所示发动机162包括汽缸6，活塞8，汽缸盖10，进气端口12，进气阀14，排气端口16，进气歧管20，节流阀22，排气歧管24，消声器26，和出口28。类似于附图1，SAI系统165也包括从空气供给器接收空气的谐振器30(未示出)，第一辅助空气导管34，和第二辅助空气导管36。然而，与附图1中的实施例相比，发动机162的排气阀166通过凸轮170驱动的摇臂168致动。摇臂168也通过推杆172与驱动阀组件178的阀176的第二摇臂174连接，阀组件178连接在第一和第二辅助空气导管34和36之间。阀组件178可以采用类似于附图1的控制阀组件32的形式，不过阀组件的阀是通过摇臂174而不是通过任何真空腔中的真空驱动。
假设驱动摇臂168和推杆172的凸轮170旋转到适当位置，可以使阀176与排气阀166和其它发动机组件的工作相协调，在适当的时候开启或关闭，从而将希望的辅助空气喷射到排气歧管24中，并且便于氧化发热反应在其中发生。例如，只要当排气歧管24中的真空位于最大水平时可以使阀176开启。同样在某些实施例中，可以考虑进气歧管20中的真空水平来启动阀176。附图8中的阀176的定时也可以类似于附图2-4和6A-7B中示出的单向阀的情况。例如，阀176可以在从活塞8在其顶部死点位置后90°时到在其顶部死点位置后120°时开启。
与利用一个或多个单向阀组件的附图2-7B的实施例相比，在某些情况下附图8的实施例工作中会更有效率，具体地在大气环境与排气歧管中的压力之间只有低的压差的情况下，而且在定时上还可以更加精确(因为单向阀组件偶尔由于阀惯性会显示不正确的定时)。的确，至少在某些情况下，不管发动机工作地多快以及由于燃烧过程排出多少废气，本实施例可以针对发动机速度和废气动力精确地定时，从而优化转换效率。另外，根据本实施例，排气阀166可以采用多种形式，例如菌形阀，旋转阀或其它由发动机操作驱动或由电驱动的阀。虽然在附图8中的本实施例中，阀组件178仅具有单一阀176，本发明还试图包括使用一个以上阀或阀组件，包括具有这里描述的不同类型阀组件之一的组合的实施例。在其它的实施例中，还可以包括控制阀组件。
对于附图9，示出了具有排气系统184的另外实施例的另一个发动机182。在本实施例中，类似于附图1的发动机2，发动机182包括汽缸6，活塞8，汽缸盖10，进气端口12，进气阀14，排气端口16，排气阀18，进气歧管20，节流阀22，排气歧管24，消声器26，和出口28。此外，排气系统184是具有SAI系统185的SAI排气系统，它和图1的排气系统相同，但是排气系统184以泵186替代了谐振器30。这样，排气系统184包括第一辅助空气导管34，具有弹簧加载的阀动器38和真空腔42的控制阀组件32，在孔口46为排气歧管24提供空气的第二辅助空气导管36，以及真空管路40。然而，不是依靠在排气歧管24中产生的真空来被动地通过导管34，36和控制阀组件32吸入空气，由于泵186的工作从空气供给器(例如，可以是空气净化器或仅是外部大气环境)中吸取空气将空气压入排气歧管24。
尽管图9中未示出，在替代实施例中，单向阀组件可以串联结合在泵196和进气口46之间，虽然大多数情况下，考虑到泵186的存在，这样的阀组件并不是必须的。根据所述实施例，泵186可以是多种不同类型空气泵，包括例如脉冲泵，电动泵，机械泵或其它中的任何一种。虽然仅在附图9中的实施例示出了泵，但是可以理解附图1-9公开的每个不同实施例可以设置成包括泵或不包括泵，如果包括泵则具有主动SAI系统，如果不包括泵则具有被动SAI系统。虽然不是必须的，在某些情况下使用泵是有益的，可以进一步提高SAI系统的效率和由于喷射辅助空气发生在排气歧管中的氧化放热反应，特别是泵的工作能够提供更高系统压力从而驱动辅助空气以比被动气流得到的更高的速度流入排气歧管的情况。这种情况例如是，在发动机以各种速度和/或结合各种负荷工作，或在外部大气环境与排气歧管中的压力之间仅存在有限压差的情况下。
试图在各种各样不同类型的发动机中应用本发明，特别是不限于附图中所示的单汽缸发动机。例如，本发明的实施例可以用于两汽缸，四汽缸或其它多汽缸发动机中。此外，虽然上述实施例主要涉及通过辅助空气的喷射而非使用任何催化转化器降低排出废气的系统，本发明试图包括同时使用辅助空气喷射和一种或多种催化转化器的实施例。此外，在上述某些实施例中示出的控制阀组件32以及弹簧加载的阀动器38，真空腔42和真空管路40是不必使用的可选组件。
此外应当注意，虽然上述附图1-9的实施例示出包括区别于各自实施例与示出的其它实施例的某些各自的特性，本发明试图包括任何这些实施例中示出的与其它特性组合的任何具体特性的实施例。例如，本发明也试图包括使用附图5中示出的在其中将辅助空气加热的消声器和附图6A-6B的空气净化组件116，或附图7A-7B的鼓风机壳体146的排气系统。此外例如，在具有多个例如附图3和4示出的辅助导管的实施例，和/或具有例如附图2的单向阀的实施例中可以使用附图5的消声器。
附图10中示出了结合曲轴箱通风设备和辅助空气喷射系统的实施例。内燃机201包括曲轴箱203。活塞207通过活塞汽缸205前后往复运动。活塞207的往复运动改变了曲轴箱203中的容积和压力。进气歧管209使燃料和空气的易燃混合物进入活塞207上方的汽缸205。排气歧管211为燃烧气体进入排气系统提供了流程。活塞207的活塞环将一些燃烧气体吹入曲轴箱203。这些吹入气体必须从曲轴箱203中排出以免曲轴箱内的压力增大以及曲轴箱油变质。混合曲轴箱通风设备和辅助空气系统213提供了曲轴箱203和排气歧管211之间的联通。活塞的运动推动曲轴箱气体通过阀215穿过排气端口217。阀215是辅助空气进入排气系统的入口。辅助空气和曲轴箱气体在导入到最终燃烧的排气歧管211之前在阀215中混合。
附图11示出了组合曲轴箱通风设备和辅助空气喷射系统的另一个实施例。附图11的设计包括附图10中实施例的全部零件，而且包括空气吸入系统219。空气吸入系统219包括进气歧管209和曲轴箱203之间的管路。来自进气歧管的空气流经阀223，在此可以增加补偿空气，并由此通过进气端口221进入曲轴箱203。阀223可以是簧片阀，止回阀，球阀或其它一种定向气流控制机构。也可以是机械、气动或电动往复式泵。阀223和阀215可以设计为适用于管道中的双向阀。曲轴箱203的气体可以完全进入到排气歧管211或，替代地，曲轴箱气体的一部分可以进入进气系统209。
本发明不仅限于这里包括的实施例和图解，还包括在如下权利要求范围内的包括实施例的部分和不同实施例的要素组合的这些实施例的修改形式。

Claims (7)

1.一种用于减少内燃机产生的至少一种排出废气成分的排气系统，所述排气系统包括：
至少间接连接到内燃机的汽缸并从其上接收排出废气的排气导管；和
在第一孔口处与排气导管连接的导管，其中将空气通过所述导管传送到所述排气导管中，其中在所述排气导管中加入空气导致减少所述至少一种排出废气成分的氧化放热反应；
其特征在于，一附加导管在第二孔口处连接到所述排气导管，其中所述第二孔口沿着排气导管位于第一孔口的下游，并且
其中所述排气系统不包括任何催化转化器。
2.如权利要求1所述的排气系统，其中所述附加导管连接在所述第二孔口和至少一个阀之间。
3.如权利要求1所述的排气系统，还包括第一和第二阀，其中所述导管连接在第一孔口和第一阀之间，而所述附加导管连接在第二孔口和第二阀之间。
4.如权利要求1所述的排气系统，其中所述排气导管是具有多个通路的排气歧管，每个通路包括所述第一孔口和所述第二孔口，其中所述多个通路中的各通路配置成分别连接到发动机的多个汽缸中的相应汽缸，并且其中所述附加导管包括多个附加导管，所述多个附加导管中的每个分别连接到所述多个通路中的相应通路。
5.如权利要求4所述的排气系统，还包括多个阀，其中通过每个相应附加导管的相应气流由所述多个阀中的相应阀控制。
6.一种用于减少内燃机产生的至少一种排出废气成分的排气系统，所述排气系统包括：
至少间接连接到内燃机的汽缸并从其上接收排出废气的排气导管；
Y形导管，其在第一孔口和第二孔口处连接到所述排气导管，其中将空气通过所述Y形导管传送到所述排气导管中，其中在所述排气导管中加入空气导致减少所述至少一种排出废气成分的氧化放热反应；
其中所述Y形导管连接到第一阀组件，且所述第二孔口沿着排气导管位于所述第一孔口的下游；并且
其中所述排气系统不包括任何催化转化器。
7.如权利要求6所述的排气系统，其中所述第一阀组件是被动单向阀组件和控制阀组件之一，其至少部分地基于进气导管中的压力而被控制。
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