可節流排放文氏管的制作方法
【專利摘要】在這里描述了一種可節流排放文氏管（700），其通過用文氏管將進入的環境流體流加速到高氣體速度并且在有效文氏管喉部（728）處將燃燒廢氣流注入到環境流體流中而在廢氣出口（718）處產生強抽吸壓力。在文氏管喉部的下游的混合元件（544）保證混合流體流從負靜態壓力恢復到當地大氣壓力。文氏管（700）的物理喉部（724）和有效喉部（728）被設計成促進混合和穩定環境流體流以保證實現高速度和有效的文氏管可在各種燃燒廢氣流質量流量下工作。
【專利說明】可節流排放文氏管
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求名稱為“可節流文氏管排放抽吸系統”并且于2011年4月29日遞交的美國臨時專利申請N0.61/480，835的優先權的利益，本文通過將它披露或者教導的所有內容引用進來而包含于此。
【技術領域】
[0003]本發明一般地涉及燃燒發動機(內燃機，熱機)技術。
[0004]背景
[0005]發生在內燃發動機內的燃料-空氣或者其他燃料-氧化劑燃燒產生大量的熱，該大量的熱典型地被氣缸的壁并且通過活塞消散。據估計，可從內燃發動機中產生的可用機械功率中的多達50%被作為熱損耗掉。發動機冷卻產生了用于從燃燒氣體中提取熱的機制，其減小了可以從這些氣體中提取的機械功率的量。結果，熱的這個消散通常極大地降低了發動機的效率。例如，在汽車中，據估計，來源于發動機中的燃料-氧化劑燃燒的可用化學能中的大約25%的通過散熱器被消散掉。這是與來自發動機曲軸的被轉換成可用機械功率的總可用功率的部分相比得來的。能量中的剩余部分(例如，大約50%)典型地通過排放系統損耗掉(雖然通過包含由排氣驅動的渦輪增壓器或者類似的機構，可以發生部分回收)。隨著燃料價格增加，用于回收一些這種損耗能量的方法和系統是日益令人期望的。
[0006]用以在運動的車輛的排放系統內引入文氏管的先前嘗試未能產生顯著的效率增益。而且，這些現有技術設計不是在各種燃燒發動機輸出狀態下均可節流的。
[0007]概要
[0008]這里描述和要求保護的實施方式通過提供包括具有可調節尺寸的有效喉部的可節流文氏管而應對前述的問題，所述可調節尺寸由在文氏管的有效喉部處的第一分離流體流與第二分離流體流的質量流量比限定。
[0009]這里描述和要求保護的實施方式進一步通過提供以下方法而應對前述的問題，所述方法包括:在可節流文氏管的有效喉部處將第一流體流注入到第二流體流中，其中該有效喉部具有由第二流體流與第一流體流的質量流量比限定的可調節尺寸。
[0010]這里描述和要求保護的實施方式還通過提供一種可節流排放文氏管而應對前述的問題，所述可節流排放文氏管包括:環境流體路徑，所述環境流體路徑在有效文氏管喉部處將環境流體流加速到大于大約0.3馬赫的亞音速；和燃燒發動機排放出口，該燃燒發動機排放出口在有效文氏管喉部處將燃燒發動機排氣流泄放到環境流體流中，其中有效文氏管喉部取決于環境流體流流體流與燃燒發動機排氣流的質量流量比而改變尺寸和在文氏管內的位置。
[0011]其他實施方式在這里也被描述和敘述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是包含示例性可節流排放文氏管的交通工具的部分立體圖。[0013]圖2是示出了用于通過變化的廢氣輸出部在燃燒發動機廢氣(排氣)上提供可控真空壓力的系統的流程圖。
[0014]圖3示出了對于實例3的氣缸活塞燃燒發動機,隨排放抽吸壓力和發動機負載而變的在燃料經濟性上的相對改善的曲線圖。
[0015]圖4示出了對于當前披露的技術的示例性實施方式，作為馬赫數的函數的文丘里空氣密度比的曲線圖。
[0016]圖5是示例性可節流排放文氏管的截面圖。
[0017]圖6是圖5示例性可節流排放文氏管的中心管道的詳圖。
[0018]圖7是在具有對應的流體流線的低廢氣輸出條件下工作的示例性可節流排放文氏管的截面圖。
[0019]圖8是圖7的示例性可節流排放文氏管的中心管道的詳圖。
[0020]圖9是在具有對應的流體流線的高廢氣輸出條件下工作的示例性可節流排放文氏管的截面圖。
[0021]圖10是圖9的可節流排放文氏管的中心管道的詳圖。
[0022]圖11是包含旋渦發生器的示例性可節流排放文氏管的截面圖。
[0023]圖12示出了在示例性可節流排放文氏管中作為文氏管喉部處的環境流體流線馬赫數的函數的最大排氣靜抽吸壓力的曲線圖。
[0024]圖13示出了在示例性可節流排放文氏管中作為燃燒廢氣馬赫數的函數的燃燒廢氣停滯抽吸壓力的曲線圖。
[0025]圖14示出了一工作區的曲線圖，在該工作區內，環境流體流線在示例性可節流排放文氏管的文氏管喉部中獲得聲速。
[0026]圖15示出了在示例性可節流排放文氏管中，文氏管入口面積與文氏管喉部面積比在抽吸壓力和馬赫數上的影響的曲線圖。
[0027]圖16是示出了在示例性可節流排放文氏管中隨環境流體與燃燒廢氣質量比而變的環境流體和燃燒廢氣的均勻混合流體流的性質上的變化的曲線圖。
[0028]圖17是示出了對于流過示例性可節流排放文氏管的喉部的完全未混合的流體流和完美混合的流體流，作為環境流體與燃燒廢氣質量比的函數的燃燒廢氣馬赫數的曲線圖。
[0029]圖18是示出了具有與三個不同的示例性文氏管喉部設計如何隨著增大的燃燒廢氣質量流量改變有效喉部截面積相關的額外設計約束的來自于圖17的解決方案的子集的曲線圖。
[0030]圖19是示出了對于圖17和18的三個不同的示例性文氏管喉部設計，環境流體與燃燒廢氣質量流量比如何隨著不同的燃燒廢氣質量流量輸出比變化的曲線圖。
[0031]圖20是示出了對于圖17、18和19的三個不同的示例性節流文氏管喉部設計，為了實現適當的大氣出口壓力，作為燃燒廢氣質量流量比的函數的相對于燃燒發動機端口截面出口面積的均勻混合文氏管出口面積的曲線圖。
[0032]圖21示出了用于通過在燃燒廢氣出口處施加抽吸壓力而提高發動機燃料效率的示例性操作。
[0033]圖22示出了用于使用可節流排放文氏管以增大發動機的燃料效率的示例性操作。
[0034]圖23示出了在多個不同的交通工具上使用基于這里披露的設計原理的可節流排放文氏管的示例性道路測試試驗和對應的在燃料經濟性上的相對改善。
[0035]詳細描述
[0036]圖1是包含示例性可節流排放文氏管100的交通工具102的部分立體圖。交通工具102被描述為輕型貨車的后半部分，其前半部分為了清楚而被省略。交通工具102裝備有產生燃燒廢氣的燃燒發動機(沒有顯示出)，如箭頭104所示的，該燃燒廢氣流過一個或者多個管道、消聲器和/或催化轉化器(例如，消聲器106和入口管道110)，并且進入可節流排放文氏管100。
[0037]雖然當前披露的技術被具體地描述為與內燃(IC)活塞發動機一起使用，但是當前披露的技術可以被用于其他類型的發動機。例如，當前披露的技術可以用于從熱燃燒氣體中提取動力的渦輪機、IC發動機和渦輪機的混合組合(例如，渦輪增壓發動機和渦輪復合發動機)、和/或使用發動機內的流體的壓力比以將來自于流體氣體的熱轉換成有用的機械功的其他發動機。當前披露的技術也適用于其他運動的或者可運動的交通工具；包括飛行器、航天器、水運工具(水面上和水面下)、地基交通工具和從最終從交通工具(例如，具有燃燒發動機的交通工具)上的發動機中排出的氣體中產生機械功率的所有其他交通工具。
[0038]當交通工具102在運動中時，相對靜止的周圍環境流體(例如，空氣或者水)被迫進入文氏管100中，如箭頭108所示的。當前披露的技術也適用于具有可以被文氏管100捕獲的可用的、運動中的工作流體(而不是燃燒發動機廢氣)的靜止的燃燒發動機。
[0039]入口管道110內的燃燒發動機廢氣(由箭頭104表示)和被迫進入文氏管100中的周圍環境流體(由箭頭110表示)在文氏管100內組合以在燃燒發動機上提供一個或者多個性能增強效果(如在下文中詳細討論的一樣)。組合的環境流體/發動機廢氣然后流出文氏管100和交通工具102，如箭頭112所示的。
[0040]一個實施方式中，文氏管100接收環境流體并且將它加速到處于可壓縮流體狀態中的高亞音速流體速度(例如，在0.3馬赫和1.0馬赫之間)以在發動機廢氣上產生大的量值(例如，超過Ipsig小于當地大氣壓)的抽吸壓力。此外，文氏管100可以在非常寬范圍的燃燒發動機廢氣流量、密度、溫度和/或壓力內和非常寬范圍的周圍環境流體速度(例如，大于大約25英里每小時)、壓力(例如，海平面直至60，000英尺海拔當量)和溫度(例如，-1OOoF至大于200° F)內實現并且維持高速度和在發動機廢氣上的大的抽吸量值。
[0041]此外，因為大部分發動機和/或動力設備在需用功率和(在一些實施方式中，為交通工具速度)的范圍內工作，所以在這種文氏管100的設計中的特別的挑戰是保證文氏管100在寬范圍的發動機廢氣質量流量和輸入環境流體質量流量內工作(S卩，文氏管100是“可節流的”)。而且，文氏管100包括相對小的入口截面積，該相對小的入口截面積使得對于交通工具102的拉力損失最小化，這抵消了燃料經濟性上的提高。結果，文氏管100在相對低的環境流體質量流量與廢氣質量流量的比(例如，從大約1:1到小于10:1)下工作。低環境質量流量導致輸入環境流體流對在廢氣質量流量上的變化特別敏感。這使實現文氏管100的“可節流性”變得復雜化。
[0042]文氏管100通過在寬范圍的廢氣質量流量內在發動機廢氣上施加強的抽吸而對關聯的燃燒發動機(沒有顯示出)在熱效率上產生大的改善。觀察到的在熱效率上的改善也可以使用文氏管100以外的在發動機廢氣上產生強抽吸的裝置(例如，見圖2)獲得。這些裝置包括但不限于機械活塞泵、機械渦輪泵和機械羅茨泵。此外，被改善了的熱效率可以允許發動機的散熱器(沒有顯示出)的尺寸被減小，或者一些實施方式中散熱器被完全移除。這可以減小交通工具102的總重量和復雜度。此外，散熱器的尺寸減小或者移除可以通過改善交通工具102的氣動外形并減小氣動阻力而在燃料經濟性上產生額外的增益。
[0043]一個實施方式中，文氏管100可以降低來自于燃燒發動機的廢氣壓力輸出，并且結果顯著地增大燃燒發動機的燃料效率。例如，文氏管100可以減小用以抵抗在排放管道、催化轉化器和/或消聲器中發生的流體損失和約束而泵出產生的廢氣所需的發動機功率要求。另一個實例中，文氏管100可以減小燃燒發動機內部的平均缸壓，其減小了穿過氣缸燃燒氣體邊界層進入燃燒發動機機體的熱損失。這種熱損失典型地是來自于不包含文氏管100的常規燃料/空氣燃燒發動機的熱損耗的主要來源。在另一個實例中，文氏管100可以提供相對于廢氣出口的額外的壓力比并且允許額外的功率產生元件(例如，渦輪和渦輪機械)被插入到使用這個額外的壓力比的廢氣出口中以進一步地將來自于這些氣體的熱轉換成可用的機械功。
[0044]當前披露的技術具體地針對在將來自于從燃燒過程中產生的高溫廢氣的熱能轉換成可用的功上的改進。但是，當前披露的技術也可以被應用到使用不利用燃燒產生高壓力和/或低工作流體密度的加壓工作流體的其他動力循環中。
[0045]下文中的分析更具體地描述了通過在交通工具的排放裝置中包含文氏管100而使得來自于動力系統的熱損失最小化如何提供機會以從交通工具的發動機中提取額外的燃料效率。對于充氣的活塞發動機，從氣缸中的差動容積變化中提取出的差動功δ wout；piston(δ w輸出,活塞)可以描述為:
【權利要求】
1.一種可節流文氏管，包括: 有效喉部，所述有效喉部具有由所述文氏管的所述有效喉部處的第一分離流體流與第二分離流體流的質量流量比限定的可調節尺寸。
2.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，所述有效喉部位于所述文氏管的物理喉部的下游。
3.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，所述第二流體流是以大于約0.3馬赫行進穿過所述文氏管的所述有效喉部的環境流體流并且所述第一流體流是以小于約0.3馬赫注入到所述文氏管的所述有效喉部中的燃燒廢氣流體流。
4.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，當所述第二流體流與所述第一流體流的所述質量流量比在從1:1到10:1的范圍內時，所述文氏管在所述燃燒廢氣流體流上提供大于約Ipsi的負表壓。
5.根據權利要求1所述的可節流文氏管，還包括: 混合區域，所述混合區域位于所述有效喉部的下游，所述第一分離流體流和所述第二分離流體流在所述混合區域中混合到一起成為混合流體流。
6.根據權利要求5所述的可節流文氏管，還包括: 發散的排放錐體，所述排放錐體基于所述有效喉部的所述尺寸允許所述混合流體流在所述有效喉部的下游位置處從所述排放錐體的表面分離。
7.根據權利要求5所述的可節流文氏管，還包括: 一個或者多個旋渦發生器，所述一個或者多個旋渦發生器定向在所述混合流體流內，對所述混合流體流施予螺旋運動。
8.根據權利要求1所述的可節流文氏管，還包括: 一個或者多個旋渦發生器，所述一個或者多個旋渦發生器定向在所述第一分離流體流和所述第二分離流體流中的一個或者兩者內，對所述第一分離流體流和所述第二分離流體流中的一個或者兩者施予螺旋運動。
9.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，所述有效喉部的尺寸隨著所述第二分離流體流與所述第一分離流體流的所述質量流量比的增大而減小。
10.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，所述有效喉部還具有由所述第二分離流體流和所述第一分離流體流中的一個或者兩者的所述質量流量限定的位于所述文氏管內的可調節位置。
11.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，隨著所述第二分離流體流與所述第一分離流體流的所述質量流量比的增大，所述有效喉部在所述文氏管內向下游運動。
12.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，所述文氏管的內表面輪廓被NACA廓線4424限定。
13.根據權利要求1所述的可節流文氏管，其中，所述文氏管的內表面輪廓由升力體形狀限定。
14.一種方法,包括: 在可節流文氏管的有效喉部處將第一流體流注入到第二流體流中，其中，所述有效喉部具有由所述第二流體流與所述第一流體流的質量流量比限定的可調節尺寸。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述有效喉部位于所述文氏管的物理喉部的下游。
16.根據權利要求14所述的方法，其中，所述第二流體流是以大于約0.3馬赫行進穿過所述文氏管的所述有效喉部的環境流體流并且所述第一流體流是以小于約0.3馬赫注入到所述文氏管的所述有效喉部的燃燒廢氣流體流。
17.根據權利要求14所述的方法，其中，當所述第二流體流與所述第一流體流的所述質量流量比在從1:1到10:1的范圍內時，所述文氏管在所述第一流體流上提供大于約Ipsi的負表壓。
18.根據權利要求14所述的方法，還包括: 在所述有效喉部的下游混合所述第一分離流體流和所述第二分離流體流以產生混合流體流。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括: 基于所述有效喉部的所述尺寸在所述有效喉部的下游位置處使所述混合流體流從發散的排放錐體的表面分離。
20.根據權利要求18所述的方法，還包括: 對所述混合流體流施予螺旋運動。
21.根據權利要求14所述的方法，還包括: 對所述第一流體流和所述第二流體流中的一個或者兩者施予螺旋運動。
22.根據權利要求14所述的方法，其中，所述有效喉部的尺寸隨著所述第二分離流體流與所述第一分離流體流的所述質量流量比的增大而減小。
23.根據權利要求14所述的方法，其中，所述有效喉部還具有由所述第二流體流和所述第一流體流中的一個或者兩者的質量流量限定的位于所述文氏管內的可調節位置。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，隨著所述第二分離流體流與所述第一分離流體流的所述質量流量比的增大，所述有效喉部在所述文氏管內向下游運動。
25.根據權利要求14所述的方法，其中，所述文氏管的內表面輪廓由NACA廓線4424限定。
26.根據權利要求14所述的方法，其中，所述文氏管的內表面輪廓由升力體形狀限定。
27.一種可節流排放文氏管，包括: 環境流體路徑，所述環境流體路徑在有效文氏管喉部處將環境流體流加速到大于約.0.3馬赫的亞音速；和 燃燒發動機排放出口，所述燃燒發動機排放出口在所述有效文氏管喉部處將燃燒發動機廢氣流泄放到所述環境流體流中，其中，所述有效文氏管喉部取決于所述環境流體流流體流與所述燃燒發動機廢氣流的質量流量比而改變在所述文氏管內的尺寸和位置。
【文檔編號】F01N13/08GK103635668SQ201280032723
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年4月27日 優先權日:2011年4月29日
【發明者】格雷戈里·蒙加斯, 拉里·巴克哈南 申請人:火星工程有限公司