DE112017005019T5

DE112017005019T5 - Gas-zu-Gas-Sauggebläse mit verbessertem Mitreisswirkungsgrad

Info

Publication number: DE112017005019T5
Application number: DE112017005019.7T
Authority: DE
Inventors: Corey ZAMENSKI; Shridhar Gopalan
Original assignee: DlhBowles Inc
Current assignee: DlhBowles Inc
Priority date: 2016-10-03
Filing date: 2017-10-02
Publication date: 2019-08-01
Also published as: KR20190058597A; US20190209980A1; CN109789381A; WO2018067448A1; CN109789381B

Abstract

Ein Gas-zu-Gas-Saugstrahlgebläse, das einen verbesserten Mitreißwirkungsgrad aufweist, umfasst eine Treibgasdüse, die mit einer distalen Spitze ausgestaltet ist, die ein bogenförmiges Innenprofil aufweist, das in eine Stromabwärtsrichtung zusammenläuft. Das bogenförmige Innenprofil weist vorzugsweise eine sinusförmig zusammenlaufende Krümmung auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Länge Lder Düsenspitze zwischen 2D und 4D, wo D der Durchmesser der Auslassöffnung ist, und der Abstand Lzwischen der Düsenauslassöffnung und dem stromaufwärts gelegenen Ende des Auslasszylinderdurchlasses ist zwischen 0 und D.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine nicht vorläufige Anmeldung, die den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62403511 mit dem Titel „High Entrainment Gas to Gas Venturi Aspirator Apparatus and Method“ beansprucht, die am 3. Oktober 2016 eingereicht wurde, deren Offenbarung hiermit mittels Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Sauggebläsevorrichtungen und Verfahren zum Gas-zu-Gas-Mitreißen/Mischen und insbesondere verbesserte Saugstrahldüsen, die ausgestaltet sind, den Mitreißwirkungsgrad zu optimieren.
Erörterung des Standes der Technik
Es besteht gegenwärtig ein Bedarf an vielen Gas-zu-Gas-Sauggebläseanwendungen zur Erhöhung des Gasmitreißwirkungsgrads v, der als das Verhältnis der mitgerissenen Gasströmungsrate zur Treibgasströmungsrate definiert ist. Solche Anwendungen umfassen das Spülen von Kraftstoffdämpfen in einem System mit Verdunstungsemissionen, Spa-Anwendungen, Vakuumpumpenanwendungen, Gas-zu-Gas-Mischungsanwendungen usw. In Fahrzeugemissions-Steuer- bzw. -Regelsystemen nutzen zum Beispiel einige Fahrzeuge mit Motoren mit Turbolader zum Erfüllen von Kraftfahrzeug- Emissionsstandards ein Zwei-Wege-Verdunstungsemissionssystem, in dem ein Ladedruckleck (Boost-Leak) oder ein anderes Mittel als die Ansaugluft für eine Sauggebläsevorrichtung verwendet wird, um eine Druckdifferenz in Bezug zur Atmosphäre vorzusehen, um die erforderliche Menge an Luft zum Spülen von Kraftstoffdämpfen aus dem Kraftstofftank mitzureißen. In jeder von diesen Anwendungen wäre es von Vorteil, eine Sauggebläsevorrichtung aufzuweisen, die die erforderliche Menge an angesaugtem Gas mit einer Abnahme bei der Strömung des Treibgases mitreißen könnte, um einen verbesserten Mitreißwirkungsgrad vorzusehen. Es bestehen auch Anwendungen, in denen es wünschenswert ist, den Mitreißwirkungsgrad zu verbessern, indem die mitgerissene Luftströmung erhöht wird und die Einlassströmungsrate gleich bleibt.
Ein kosteneffizientes Sauggebläse, das minimale Wartung erfordert, ist der Saugstrahler, der keine sich bewegenden Teile aufweist und bei dem Treibfluid von einer inneren Düse ausgeströmt wird, die in einer Düsenspitze endet, die sich an oder in der Nähe des Eingangs zu einer Venturi-Verengung befindet. Mitgerissenes gasförmiges Fluid wird von der umliegenden Umgebung oder von einem Systembauteil über einen Schlauch oder einen anderen Fluiddurchgang an einer Stelle stromaufwärts der Düsenspitze in die Einheit gezogen. Das Innenprofil der Treibfluiddüse, entlang der das Treibgas strömt, läuft typischerweise linear zur Düsenspitze zusammen, eine Ausgestaltung, von der wir herausgefunden haben, dass sie für das Mitreißen nicht optimal wirkt. Ein Beispiel für eine solche Düse ist in dem in US8448629 (Makino et al.) offenbarten Saugstrahlgebläse ersichtlich, deren Offenbarung mittels Bezugnahme vollumfänglich hierhin aufgenommen wird. Somit ist der Mitreißwirkungsgrad für herkömmliche Gas-zu-Gas-Saugstrahlgebläse, so kosteneffizient diese auch sein mögen, typischerweise kleiner als zwei. Es wäre wünschenswert, den Mitreißwirkungsgrad für solche Sauggebläse auf einen Wert von drei oder höher (d. h. v > 3) zu erhöhen.
AUFGABEN UND KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Daher besteht angesichts des Vorhergehenden und aus anderen Gründen, die bei der vollständigen Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden, eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung im Vorsehen eines Verfahrens und einer Einrichtung, die den Mitreißwirkungsgrad in Gas-zu-Gas-Sauggebläsen wesentlich erhöht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht im Vorsehen eines verbesserten Saugstrahlgebläses, das einen Gas-zu-Gas-Mitreißwirkungsgrad von mindestens drei aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung läuft das Innenprofil der Treibfluiddüse in einem Gas-zu-Gas-Saugstrahlgebläse bogenförmig zusammen, vorzugsweise mit einer halbsinusförmigen Krümmung, um die Druckenergie wirksamer in kinetische Energie umzuwandeln. Bereiche für spezifische relative Abmessungen der Sauggebläse-Strömungsdurchgänge, die den Mitreißwirkungsgrad optimieren, werden nachfolgend offenbart, wie auch optimale Ausgestaltungen für Treibdüsen-Auslassöffnungen.
Terminologie
Es versteht sich, dass, sofern nichts anderes angegeben oder aus dem Kontext offensichtlich ist, wie hier verwendet:
Die Begriffe „axial“, „auf axiale Weise“, „längs“, „in Längsrichtung“ usw. Abmessungen bezeichnen, die sich parallel zu der Achse erstrecken, um die die Fluidströmung gerichtet wird.
Die Begriffe „quer“, „seitlich“ usw. Abmessungen betreffen, die sich senkrecht zu der Fluidströmungsrichtung erstrecken.
Figurenliste

1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Saugstrahlgebläses gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Saugstrahlgebläses gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Saugstrahlgebläses gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Saugstrahlgebläses gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Insbesondere unter Bezugnahme auf 1 der begleitenden Zeichnungen ist ein Saugstrahlgebläse 10 von einen Düsenkörperabschnitt 11 und einem Zylinderkörperabschnitt 12 gebildet, die auf irgendeine Weise, wie beispielsweise mittels Klebstoff, Schweißen, Schrauben usw., miteinander verbunden sein können, die sich dazu eignet, es dem Sauggebläse zu erlauben, die hier beschriebenen Funktionen durchzuführen. Eine Treibfluiddüse 13 ist in dem Körperabschnitt 11 definiert und erstreckt sich in eine Stromabwärtsrichtung in eine Interaktionsregion 14, die zwischen den beiden Körperabschnitten definiert ist. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt des Inneren der Düse 13 ist allgemein zylindrisch, bis er sich an sein stromabwärts gelegenes Ende annähert, an dem er in einer sanft gekrümmten Ausgestaltung zusammenläuft und an der Düsenspitze 16 in einer Düsenauslassöffnung 18 endet. Das stromaufwärts gelegene oder Einlassende 15 der Düse 13 ist angepasst, um mit einer Quelle für unter Druck stehendes Treibgas verbunden zu sein, das axial durch die Düse in das stromabwärts gelegene Ende der Interaktionsregion 14 strömt, an dem es als ein gasförmiger Strahl von der Auslassöffnung 18 ausgegeben wird. Die Interaktionsregion 14 umgibt einen stromabwärts gelegenen Abschnitt der Düse 13 ringförmig, der die Düsenspitze 16 umfasst, an dem das Außenprofil der Düse zusammenläuft.
Ein länglicher Zylinderdurchgang 21 ist in dem Körperabschnitt 12 definiert und erstreckt sich stromabwärts leicht auseinandergehend koaxial mit der Düse 13 von dem stromabwärts gelegenen Ende der Interaktionsregion 14. Ein Einlassdurchgang 22 für mitgerissenes Gas ist in dem Körperabschnitt 12 definiert und ist ausgestaltet, Gas, das mitzureißen ist (z. B. von der umliegenden Umgebung oder von Strömungsleitungsmitteln, die mit dem Durchgang 22 verbunden sind), zu ermöglichen, in die Interaktionsregion 14 zu strömen, wenn es von dem Treibgasstrahl, der aus der Düse 13 ausgegeben wird, angesaugt wird.
Der stromabwärts gelegene Abschnitt der Interaktionsregion 14 ist zwischen einer allgemein kegelstumpfförmigen Außenwand 17, die sich in eine Stromabwärtsrichtung verjüngt, und der zusammenlaufenden Außenseite der Düsenspitze 16 definiert. Dieser Abschnitt der Interaktionsregion weist dadurch einen ringförmigen Querschnitt auf, der in eine Stromabwärtsrichtung allmählich enger wird und an dem stromaufwärts gelegenen oder Einlassende des Zylinderdurchgangs 21 endet. Die Düsenauslassöffnung 18 befindet sich axial leicht stromaufwärts des Auslassendes der Interaktionsregion 14, wo sie positioniert ist, um einen Treibgasstrahl in den Zylinderdurchgang 21 auszugeben.
Während des Betriebs saugt der Gasfluidstrahl, der aus der Düse 13 ausgegeben wird, mitgerissenes Gas durch den Einlassdurchgang 22. Wir haben herausgefunden, dass, wenn die Innenoberfläche oder das Innenprofil der Düsenspitze 16 anstatt linear wie im Stand der Technik bogenförmig oder gekrümmt ist, der Mitreißwirkungsgrad des Sauggebläses wesentlich zunimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Krümmung im Wesentlichen sinusförmig, eine Krümmungsausgestaltung, von der wir festgestellt haben, dass sie die optimale Wirkung auf den Mitreißwirkungsgrad aufweist. Sinusförmige Krümmung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Stelle von irgendeinem Punkt auf der Innenwand der Spitze 16 mittels L_s sin θ dargestellt werden kann, wo L_s die Länge der Düsenspitze 16 ist und θ die axiale Länge der Düsenspitze 16 ist, die in Winkeleinheiten zwischen 90° und 270° definiert ist.
Der Mitreißwirkungsgrad des Sauggebläses 10 wird weiter verbessert, wenn bestimmte Abmessungen, die in 1 veranschaulicht sind, optimiert werden. Insbesondere:

Sollte die Länge des sinusförmigen Profils L_s zwischen 2D und 4D betragen, wo D der Durchmesser der Auslassöffnung 18 ist.
Sollte der Einlassdurchmesser D_I des zylinderförmigen Innenabschnitts der Düse 13 in einem Bereich von 2D bis 3D liegen.
Sollte der Abstand L_d zwischen der Düsenauslassöffnung 18 und dem stromaufwärts gelegenen Ende des Zylinderdurchgangs 21 zwischen 0 und D sein.
Sollte der Mindestinnendurchmesser D_e des Zylinderdurchgangs 21 zwischen 3,5D und 4D sein, um die Zugabe von mitgerissenem Gas in der Strömung zu berücksichtigen.
Sollte die Länge Le des Zylinderdurchgangs 21 zwischen 19D und 26D betragen. Sollte der Divergenzwinkel Ω_w der Innenwand des Zylinderdurchgangs 21 zwischen 0° und 2° sein.
Sollte der Mindestdurchmesser D_n des Einlassdurchgangs 22 für mitgerissenes Gas zwischen 4D und 5D sein, um das Mitreißen von Gas für das Sauggebläse zu maximieren.

Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass das Verhältnis ϕ des Umfangs P zur Fläche A der Auslassöffnung 18 ein wichtiger Faktor bei der Verbesserung des Mitreißwirkungsgrads v ist. Insbesondere erhöht die Erhöhung des Umfangs einer Öffnung einer gegebenen Fläche den Oberflächenbereich des resultierenden Treibgasstrahls, wodurch die Menge von Gas erhöht wird, das für die Düse dieser gegebenen Fläche mitgerissen wird. Zum Beispiel wird eine rechteckige Öffnung mit der Höhe H und der Breite W betrachtet. Der Ausdruck für den Umfang des Rechtecks ist: $P_{R e c h t e c k} = 2 * (\frac{H^{2} + A_{R e c h t e c k}}{H})$
Durch Verwenden des Grenzwerts, wenn H sich an 0 annähert: $lim_{H \to 0} [2 * (\frac{H^{2} + A_{R e c h t e c k}}{H})] = \infty = P_{R e c h t e c k}$
Somit wird es mittels der Gestaltung eines Saugstrahlgebläses des vorhergehend beschriebenen Typs mit einer rechteckigen Öffnung möglich, den Mitreißwirkungsgrad v mittels Erhöhung von W/H zu erhöhen, wobei W >> H ist, wobei letztendlich das Optimum erreicht wird, wenn die Öffnung sehr breit und sehr dünn wird. Ein Beispiel für ein Sauggebläse 10A, das eine rechteckige Öffnung 18A aufweist, ist in 2 gezeigt, in der alle von den anderen Bauteilen des Sauggebläses mittels der gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind.
In Anbetracht dessen, dass eine runde Düsenauslassöffnung allgemein leichter hergestellt werden kann als eine dünne rechteckige Öffnung, umfasst eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung ein mehrstrahliges Sauggebläse, wie in 3 und 4 gezeigt. In 3 ist die Düse innen in zwei Treibgasdüsen 13A und 13B unterteilt, die nebeneinanderliegend mit entsprechenden Auslassöffnungen 18B und 18C gezeigt sind, die angebracht sind, um parallele Treibgasstrahlen in die Interaktionsregion 14 und den Zylinderdurchgang 21 auszugegeben. Die zwei parallel ausgegebenen Strahlen erhöhen den Mitreißwirkungsgrad v, indem sie die gleiche gewünschte Treibgasströmungsrate aufrechterhalten, aber die mitgerissene Strömungsrate aufgrund der Erhöhung des mittels der benachbarten und letztlich verbundenen gasförmigen Strahlen vorgesehenen Gesamtumfangs erhöht wird.
In der Ausführungsform von 4 ist die Düse innen in drei Treibgasdüsen unterteilt, die nebeneinanderliegend mit entsprechenden Auslassöffnungen 18D, 18E und 18F ausgerichtet sind, die angebracht sind, um drei parallele Treibgasstrahlen in die Interaktionsregion 14 und den Zylinderdurchgang 21 auszugeben. Erneut erhöhen die drei parallel ausgegebenen Strahlen den Mitreißwirkungsgrad v, indem sie die gleiche gewünschte Gesamttreibgas-Strömungsrate aufrechterhalten, aber die mitgerissene Strömungsrate aufgrund der Erhöhung des mittels der benachbarten und letztlich verbundenen gasförmigen Strahlen vorgesehenen Gesamtumfangs erhöht wird.
Es versteht sich, dass mehr als drei Treibgasdüsen verwendet werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Obgleich hier mehrere Merkmale und Parameter beschrieben werden, die zum Erhöhen des Mitreißwirkungsgrads v dienen, versteht sich, dass, obgleich eine Kombination von allen von den Merkmalen und Parametern die optimale Erhöhung von v vorsehen kann, die vorliegende Erfindung ins Auge fasst, dass für einige Anwendungen die Verwendung von lediglich einer oder irgendeiner Kombination von weniger als allen von den Merkmalen und Parametern ausreichend sein kann.
Obgleich beschriebene bevorzugte Ausführungsformen von neuen und verbesserten Gas-zu-Gas-Sauggebläsen mit verbessertem Mitreißwirkungsgrad beschrieben wurden, wird angenommen, dass der Fachmann sich angesichts der hier dargelegten Lehren andere Abwandlungen, Varianten und Änderungen vorstellen kann. Es versteht sich daher, dass davon ausgegangen wird, dass sämtliche solche Varianten, Abwandlungen und Änderungen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie mittels der beigefügten Ansprüche definiert, fallen. Obgleich hier spezifische Begriffe eingesetzt werden, werden diese lediglich in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne und nicht zu Zwecken der Einschränkung verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62403511 [0001]
US 8448629 [0004]

Claims

Gas-zu-Gas-Saugstrahlgebläse, umfassend: eine Interaktionsregion, die ein zusammenlaufendes stromabwärts gelegenes Ende aufweist; eine Düse zum Aufnehmen eines Treibgases unter Druck und Ausgeben eines Strahls von Treibgas in das stromabwärts gelegene Ende der Interaktionsregion; einen Mitreißgas-Einlassdurchgang in Strömungsverbindung mit der Interaktionsregion, derart, dass das Mitreißgas von dem Treibgasstrahl in die Interaktionsregion mitgerissen wird; einen Zylinderdurchgang, der ein stromaufwärts gelegenes Ende zum Empfangen des Treibgasstrahls und des mitgerissenen Mitreißgases aufweist; wobei die Düse mit einer distalen Spitze ausgestaltet ist, die ein bogenförmiges Innenprofil aufweist, das in eine Stromabwärtsrichtung zusammenläuft und in einer Auslassöffnung endet, von der der Strahl ausgegeben wird.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei das bogenförmige Innenprofil der Düsenspitze eine allgemein sinusförmig zusammenlaufende Krümmung aufweist.
Sauggebläse nach Anspruch 2, wobei die sinusförmig zusammenlaufende Krümmung mittels L_s sin θ dargestellt wird, wo L_s die Länge der Düsenspitze ist und θ die axiale Länge der Düsenspitze 16 ist, die in Winkeleinheiten zwischen 90° und 270° definiert ist.
Sauggebläse nach Anspruch 2, wobei die Länge L_s der Düsenspitze zwischen 2D und 4D ist, wo D der Durchmesser der Auslassöffnung ist.
Sauggebläse nach Anspruch 4, wobei der Abstand L_d zwischen der Düsenauslassöffnung und dem stromaufwärts gelegenen Ende des Zylinderdurchgangs zwischen 0 und D ist.
Sauggebläse nach Anspruch 5, wobei der Mindestinnendurchmesser D_e des Zylinderdurchgangs zwischen 3,5D und 4D ist.
Sauggebläse nach Anspruch 6, wobei der Zylinderdurchgang einen Divergenzwinkel Ω_w zwischen 0° und 2° aufweist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei die Länge L_s der Düsenspitze zwischen 2D und 4D ist, wobei D der Durchmesser der Auslassöffnung ist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei der Abstand L_d zwischen der Düsenauslassöffnung und dem stromaufwärts gelegenen Ende des Zylinderdurchgangs zwischen 0 und D ist, wo D der Durchmesser der Auslassöffnung ist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei der Mindestinnendurchmesser D_e des Zylinderdurchgangs zwischen 3,5D und 4D ist, wobei D der Durchmesser der Auslassöffnung ist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei der Zylinderdurchgang einen Divergenzwinkel Ω_w zwischen 0° und 2° aufweist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung rechteckig mit einer Breite W und einer Höhe H ist und wobei W >> H ist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei die Düse innen in mehrere Treibgasdüsen unterteilt ist, die nebeneinanderliegend mit entsprechenden Auslassöffnungen sind, die angebracht sind, um mehrere entsprechende parallele Treibgasstrahlen in die Interaktionsregion und den Zylinderdurchgang auszugeben, um das Mitreißgas mitzureißen.
Sauggebläse nach Anspruch 13, wobei das bogenförmige Innenprofil der Düsenspitze eine allgemein sinusförmig zusammenlaufende Krümmung aufweist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei die Düse innen in drei Treibgasdüsen unterteilt ist, die nebeneinanderliegend mit entsprechenden Auslassöffnungen sind, die angebracht sind, um drei entsprechende parallele Treibgasstrahlen in die Interaktionsregion und den Zylinderdurchgang auszugeben, um das Mitreißgas mitzureißen.
Sauggebläse nach Anspruch 15, wobei das bogenförmige Innenprofil der Düsenspitze eine allgemein sinusförmig zusammenlaufende Krümmung aufweist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei das bogenförmige Innenprofil der Düsenspitze eine allgemein sinusförmig zusammenlaufende Krümmung aufweist und wobei der Zylinderdurchgang eine Länge zwischen 19D und 26D aufweist, wobei D der Durchmesser der Auslassöffnung ist.
Sauggebläse nach Anspruch 17, wobei der Durchmesser D_I des Inneren der Düse stromaufwärts der Düsenspitze im Bereich von 2D bis 3D liegt.
Sauggebläse nach Anspruch 18, wobei die Länge L_s der Düsenspitze zwischen 2D und 4D ist und der Abstand L_d zwischen der Düsenauslassöffnung und dem stromaufwärts gelegenen Ende des Zylinderdurchgangs zwischen 0 und D ist.
Sauggebläse nach Anspruch 1, wobei das bogenförmige Innenprofil der Düsenspitze eine allgemein sinusförmig zusammenlaufende Krümmung aufweist und das Sauggebläse einen Mitreißwirkungsgrad v von größer als 3 aufweist.