CN109715913A - 内燃发动机排出管流体清除器系统 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机，包括：排出管道，该排出管道具有流体地耦接到环境流体的排出端口并具有内部截面积；以及发动机气缸，该发动机气缸流体地耦接到排出管道。流体放大器设置在排出管道内并且流体地耦接到发动机气缸。放大器还流体地耦接到第一级流体源，并被配置为将第一级流体和来自发动机气缸的流体中的至少一部分引入到排出端口。

Description

内燃发动机排出管流体清除器系统
版权声明
本公开内容受美国和/或国际版权法保护。2017Jetoptera。保留所有权利。本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。如专利和/或商标局专利文件或记录所示，版权所有者不反对任何人对专利文件或专利公开内容进行传真复制，但在其他方面保留所有版权权利。
优先权要求
本申请要求于2016年8月8日提交的美国临时专利申请No.62/371,926的优先权，其内容通过引用整体并入本文，如同在本文中完全阐述一样。
背景技术
输送管中的燃烧涉及复杂的化学、流体动力学和热学过程，其涉及处于受限几何形状的燃料和氧化剂以及有利于反应流的点火、火焰传播和稳定的温度。燃烧过程也会产生一定的压降，从而在过程中产生不连续。这在赛车中尤其明显，其中有时可以观察到从排出管出来的长度为1英尺的火焰。由此导致的赛车动力损失与从排出管出现的火焰相关。
通常将内燃发动机(ICE)与空气泵进行比较。马力随着通过发动机系统循环的空气流量而增加。相反，在排出系统中形成的任何背压都需要马力来克服它，从而侵蚀发动机本身的性能。特别是在赛车中，如果实现有效增加空气的吸入和从发动机有效清除气体，则可以获得马力的增加，从而将通过排出管的泵送损失所花费的马力减到最少。对于给定的发动机容积，供应给它的空气越多意味着提取的功率越多，并且其效率增加。此外，废气流越流线化，将废气推出所花费的功率越小，因此增加了推进可用的功率。
高性能赛车通常使用ICE。调节燃料和空气的混合物以在大多数时间产生最大功率，但是在不太理想的条件下(例如，转弯曲线等)，化学计量稍微被改变，并且化学性质、局部壁温度和在管中的停留时间使得它们有利于点燃可燃混合物。照此，在比赛的不同时刻，排出管中出现火焰。火焰是低效率的信号，即燃料没有在发动机中燃烧并且多余的燃料离开气缸并进入排出系统。
如所讨论的，观察到的火焰是当条件合适时(化学计量、停留时间和温度)重新点燃的燃料。因此，效率的损失来自于错误位置中的燃料燃烧。无论在受限位置诸如管发生燃烧或反应流，都会发生压力损失并且观察到流的扰动。燃烧或火焰前缘的上游过程同样受到影响，由此过程引起流的一定的压力损失。此外，火焰在排出管内部的不期望的存在意味着ICE的上游条件包括ICE受到负面影响，包括热应力、部件的寿命和系统的热力学效率。
期望保持流线型流(即，经由减少热排出中的停留时间将可燃混合物推出管)。可燃混合物在排出管内部花费的时间越短，点火倾向越低，并且整个系统的效率越高。
汽车排出系统中的限制通常包括催化转化器、谐振器和消音器。法规要求这些用于排放和降噪目的。重要的是通过该系统最小化流损失并恢复克服这些流阻塞所花费的功率中的一些。
随着排出阀的每次打开，在排出歧管中产生压力，并且通常在所有气缸的排出阀的开口之间的排出歧管中压力下降。在较低的转速下，这个问题会加剧。来自歧管内部的多个气缸的排出流之间的干扰可能导致马力减小。理想的排出歧管/集管和排出系统将形成较低压力区域，该较低压力区域有效地清除下游的歧管，从而增加马力。
图1示出了在活塞110的排出冲程期间传统ICE 101的排出流。具体地，图1示出了燃烧腔室120、处于其打开状态的排出阀130、排出管140和排出管的出口端口150。
附图说明
图1示出了传统的ICE排出系统。
图2示出了本发明的实施方式。
图3示出了根据本发明的实施方式的流体(fluidic，射流)放大器的上半部的截面视图。
图4示出了排出系统，其中本发明的放大器的一个种实施方式放置在排出管的内部。
具体实施方式
本申请旨在描述本发明的一个或多个实施方式。要理解的是，绝对性术语诸如“必须”、“将”等以及具体数量的使用要被解读为适用于这样的实施方式中的一个或多个，但不一定适用于所有这样的实施方式。照此，本发明的实施方式可以省略或包括对在这些绝对性术语的上下文中描述的一个或多个特征或功能的修改。另外，本申请中的标题仅用于参考目的，而不应以任何方式影响本发明的含义或解读。
本发明的实施方式包括修改的Coanda喷射器，其具有非圆形几何形状并且具有3-D入口部分，该3-D入口部分包含多个第一级喷嘴，该第一级喷嘴引入动力(motive，原动)流体作为壁射流。增强和3-D入口设计在2015年9月2日提交的名称为“FLUIDIC PROPULSIVESYSTEM AND THRUST AND LIFT GENERATOR FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES”的美国临时专利申请62/213,465(“'465临时申请”)中公开。'465临时申请通过引用整体并入本文。'465临时申请中公开的3-D几何特征和其他设计可以应用于本发明的实施方式，诸如所描述的并且适应于系统的排出管的对称或非对称喷射器。
动力流体可以是从涡轮增压器的压缩机、电动机驱动的微型压缩机或来自ICE的经加压的排出气体中的一小部分供应的空气，按朝向所述喷射器的路线行进。喷射器的实施方式可以是固定的或可变的几何形状，与系统条件匹配，并且运转成使得它始终对性能进行优化。一种优选实施方式没有移动部件，并且本质上可以是圆形或非圆形的，其入口和排出本质上基本上是3-D的(即，不是2-D的)。这种3-D特征可以使得能够更好地挟带进入流并使得进入流能够朝向排出管的出口加速。
本发明的实施方式允许从受限管中快速疏散废气，从而允许快速且恒定(或脉冲式)地疏散气体并使排出流流线化。结果，受限管内部的燃烧区的上游过程减轻了反应区阻塞，并且流被快速地朝向出口疏散，避免了在管内部发生完全燃烧。可以存在流线型流，并且停留时间可以始终保持在一定水平以下。
对于通过系统的给定空气流和空气-燃料比，用于疏散废气的功率与飞轮处可用的马力成反比。其他可选的有利益处包括减少燃料消耗和增加每加仑英里数。
增加驱动器可用的马力同时减少排出流损失的现行方法包括：经调谐的集管、双排出系统、谐振器移除和废气系统的过大尺寸。本发明的实施方式经由流体放大器实现该目标，该流体放大器可以定位在排出歧管、排出管和/或消音器内部，由高压源诸如皮带驱动的空气泵、空气压缩机或甚至来自气缸的处于压力下的废气来驱动。本发明的实施方式具有下述可选的有利特征：去除在排出管内部引起附加堵塞的任何反应流，诸如火焰。实施方式减少了停留时间和局部化学计量以防止排出系统内部的自燃。
例如，NASCAR团队通常将使用注入725HP的V-8的燃料，在进气口没有限流板，并且将送入排出集管和短管。在这个示例中，处理废气中的压力波是不可避免的。出口处或管中的回火会使系统发生破坏性(异相)压力变化，其干扰气缸扫气和填充。NASCAR发动机需要处理上游影响。调谐的集管和排出系统的目标是通过在进气端最佳地填充气缸来提高功率输出——即通过更有效地排出来拉入更多的空气/燃料混合物。
本发明的实施方式借助于依赖于3-D几何和流体流动效应的新颖元件并且利用分离避免技术显示出改进的挟带。这些实施方式的挟带比在3至15之间，优选更高。挟带率是指由动力流挟带的质量流率与动力流体流率的量比。通常，该装置的实施方式将从下述部件接收动力气体：加压源诸如加压流体、废气或空气的源；活塞发动机(用于脉冲式操作)排出排放；或压缩机或增压器。本发明的另一可选的有利特征是能够通过回缩和延伸表面以改变几何形状来改变用于挟带的扁平喷射器的扩散器壁的形状，使得在ICE的所有操作点处获得最大性能。
在一种实施方式中，流体放大器放置在排出管内部的位置，优选地处于中心并且不接触排出管的壁。然后，从较高压力的流体源诸如增压器或系统的提供较高压力流体的任何区域供应的动力流体经由入口管朝向气室引入。将本发明的实施方式置于排出管内部并使用相较于排出管内部的流处于近静压的动力流体可以将局部流激励到压力下降的点并且主反应流被淬火并加速离开排出管。
在该实施方式中，装置可以是非圆形的并具有若干3-D特征，这些特征在引入较高压力流体时增加顺着装置的壁的轮廓的多个高速壁射流的数量。因此，动力流体遵循装置的内壁将流移动到基本轴向方向。根据伯努利原理，以接近声速的非常高的速度引入动力流体引起局部静压降。作为响应，大面积的较低压力在装置入口的3D特征周围形成，产生挟带在排出管内部流动的主要废气的效果。结果是流加速到高于100米/秒的局部速度，其变化取决于装置的几何形状和动力流体的质量。从装置中出来的混合物的高速度减少了点燃装置上游的主要废气所需的停留时间，防止了点燃并吹灭了由于排出物中存在附加的氧气和燃料而可能形成的任何初期火焰。因此，本发明的实施方式允许在排出管外部以较高的速度自由地推动慢反应流或无反应流，从而熄灭可能存在的任何火焰，此外，允许受迫的排出物自由地离开管道。这又通过避免原本可能影响上游ICE操作的任何下游火焰或反应流压力变化来增强了系统的操作。
在该实施方式中，放置在排出管内部的Coanda喷射器的作用是经由高速局部淬火以及根据伯努利原理降低局部静压来确保没有火焰的存在。这增强了ICE诸如在赛车中使用的那些ICE的操作以及在没有与火焰存在相关的重要中断的情况下的操作。一旦ICE的排出阀打开，气体携带的热量就会被消耗，并且避免到发动机的任何重新摄入。
图2示出了根据实施方式的ICE 201，其布置类似于图1所示的布置。ICE 201包括流体放大器，诸如喷射器243，其设置在发动机气缸220的下游和设置在具有内部截面积的管道诸如排出管240内。ICE 201还包括流体源241，该流体源经由管道242将高压空气/动力流体递送到喷射器243，以产生动力流244。喷射器243增强/加速经由排出阀230从气缸220释放的废气流1。将动力流体引入喷射器243可以通过在喷射器前方产生显著的静压的降低来增强气体流1，这允许在动力流体从源241递送到喷射器的整个时间期间使更多的废气被从气缸220递送到管240。气体流1的这种到更高速度的增加减少了气缸220中的燃料-空气混合物的停留时间和化学计量，这又降低了在废气离开管240的排出端口250之前点燃混合物的可能性。
如图4中最佳示出的，在实施方式中，喷射器243的占用面积小于排出管240的内部截面积，使得至少一部分气体1可以在排出管内在喷射器周围流动。源241可以调节流量以产生喷射器243的脉冲式操作，使得仅在阀230打开时或以其他预定频率增强和/或产生动力流244流动。在其他实施方式中，操作可以是连续的而不是脉冲式的。压缩流体/空气的源241可以是机械和/或电驱动的压缩机。源241还可以是系统内的任何其他存储的或生成的高压源。通过找到喷射器的适当操作来微调发动机。
在图3所示的实施方式中，仅以截面视图示出了喷射器243的上半部。图3中所示并在下文中讨论的流体流是从左到右。气室311被供应有来自例如基于燃烧的发动机的、比环境热的空气(即，加压的动力气流)。由箭头600指示的该加压的动力气流经由至少一个管道诸如第一级喷嘴303引入到喷射器243的内部。更具体地，第一级喷嘴303被配置为将动力流体流600加速到可变的预定期望速度，直接在凸状的Coanda表面304上作为壁射流。Coanda表面304可以具有形成在其中的一个或多个凹部504。另外，第一级喷嘴303提供可调节体积的流体流600。该壁射流又用于通过进给(intake，进入、纳入、进气)结构306挟带由箭头1指示的来自气缸220的第二级流体，诸如废气，该第二级流体可以处于静止或从由箭头1指示的方向以非零速度接近喷射器243。在各种实施方式中，喷嘴303可以排列成阵列并且处于弯曲取向、螺旋取向和/或Z字形取向。
流600和气体1的混合物可以在喷射器243的喉部部分325处纯粹地轴向移动。通过扩散结构诸如扩散器310中的扩散，混合和驱除过程继续进行，因此温度800和速度700在喷射器243的轴向方向上的分布不再具有在喉部部分325处存在的高值和低值，而是在扩散器310的末端100处变得更均匀。当流600和气体1的混合物接近末端301的出口平面时，温度和速度分布几乎是均匀的。特别地，混合物的温度足够低以防止残留在排出管内部的任何燃料的自燃，并且速度足够高以减少在热壁区域中的停留时间。
图4示出了放置在排出管240内部的本发明喷射器243的实施方式。根据图4所示的实施方式，流244的局部出口流动的速度比不存在喷射器243情况下的进入的气体1的速度高。这是由于来自气缸220的大部分气体1由于喷射器243前方的局部静压的降低而被以高速挟带到喷射器243中，如由箭头601指示的。如箭头602所示，较小部分的气体1绕过喷射器243并在喷射器周围以及在机械支撑件550上方流动，该机械支撑件将喷射器定位在管240的中心。喷射器243以高挟带率将由空气/气体源241(例如，压缩机)提供的较热的动力流与进入的气体1流剧烈地混合。该混合物足够均匀，以将喷射器的动力流600的温度增加到混合物温度分布700，该混合物温度分布可以使进入的可燃废气1的任何潜在火焰熄灭。离开喷射器243的外排射流的速度分布800使得它减少了在排出管240的下游部分中的停留时间，并且进一步降低了火焰的倾向，并且简化了流的清除。
虽然已经说明和描述了本发明的优选实施方式，但如上所述，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行许多改变。因此，本发明的范围不受优选实施方式的公开内容的限制。相反，本发明应该完全通过参考随附的权利要求来确定。

Claims (18)

1.一种内燃发动机，包括：
排出管道，所述排出管道具有流体地耦接到环境流体的排出端口，所述排出管道具有内部截面积；
发动机气缸，所述发动机气缸流体地耦接到所述排出管道；以及
流体放大器，所述流体放大器设置在所述排出管道内，所述放大器流体地耦接到所述发动机气缸，所述放大器还流体地耦接到第一级流体的源，所述放大器被配置为将所述第一级流体和来自所述发动机气缸的流体中的至少一部分引入到所述排出端口。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述放大器的占用面积小于所述排出管道的内部截面积。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述放大器包括：
凸状表面；
扩散结构，所述扩散结构耦接到所述凸状表面；以及
进给结构，所述进给结构耦接到所述凸状表面并且被配置为将所述第一级流体引入所述扩散结构，其中，所述扩散结构包括末端，所述末端被配置为从所述放大器提供用于所引入的第一级流体和来自所述发动机气缸的流体的出口。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述凸状表面包括多个凹部。
5.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述放大器被配置为以预定的频率、以脉冲的方式引入所述第一级流体。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述第一级流体的源包括机械驱动的压缩机或涡轮驱动的压缩机中的至少一种。
7.一种增强内燃发动机的性能的方法，所述发动机具有排出管道，所述排出管道包括流体地耦接到环境流体的排出端口并具有内部截面积，所述发动机还具有流体地耦接到所述排出管道的气缸，所述方法包括下述步骤：
将流体放大器定位在所述排出管道内，使得所述放大器流体地耦接到所述发动机气缸；以及
使第一级流体的源流体地耦接到所述放大器，所述放大器被配置为将所述第一级流体和来自所述发动机气缸的流体中的至少一部分引入到所述排出端口。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述放大器的占用面积小于所述进给管道的内部截面积。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述放大器包括：
凸状表面；
扩散结构，所述扩散结构耦接到所述凸状表面；以及
进给结构，所述进给结构耦接到所述凸状表面并且被配置为将所述第一级流体引入所述扩散结构，其中，所述扩散结构包括末端，所述末端被配置为从所述放大器提供用于所引入的第一级流体和来自所述发动机气缸的流体的出口。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凸状表面包括多个凹部。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述放大器被配置为以预定的频率、以脉冲的方式引入所述第一级流体。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一级流体的源包括机械驱动的压缩机或涡轮驱动的压缩机中的至少一种。
13.一种交通工具，包括：
排出管道，所述排出管道具有流体地耦接到环境流体的排出端口，所述排出管道具有内部截面积；
发动机腔室，所述发动机腔室流体地耦接到所述排出管道；以及
流体放大器，所述流体放大器设置在所述排出管道内，所述放大器流体地耦接到所述发动机腔室，所述放大器还流体地耦接到第一级流体的源，所述放大器被配置为将所述第一级流体和来自所述发动机腔室的流体中的至少一部分引入到所述排出端口。
14.根据权利要求13所述的交通工具，其中，所述放大器的占用面积小于所述排出管道的内部截面积。
15.根据权利要求13所述的交通工具，其中，所述放大器包括：
凸状表面；
扩散结构，所述扩散结构耦接到所述凸状表面；以及
进给结构，所述进给结构耦接到所述凸状表面并且被配置为将所述第一级流体引入所述扩散结构，其中，所述扩散结构包括末端，所述末端被配置为从所述放大器提供用于所引入的第一级流体和来自所述发动机腔室的流体的出口。
16.根据权利要求15所述的交通工具，其中，所述凸状表面包括多个凹部。
17.根据权利要求13所述的交通工具，其中，所述放大器被配置为以预定的频率、以脉冲的方式引入所述第一级流体。
18.根据权利要求13所述的交通工具，其中，所述第一级流体的源包括机械驱动的压缩机或涡轮驱动的压缩机中的至少一种。
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