JP2019525066A - 内燃機関排出管流体パージシステム - Google Patents

Abstract

内燃機関は、周囲流体に流体的に結合されている排出ポートを有し、内部断面積を有する排出導管と、排出導管に流体的に結合されている機関シリンダと含んでいる。流体増幅器は、排出導管内に配置され、機関シリンダに流体的に結合されている。増幅器は、１次流体の供給源にさらに流体的に結合され、１次流体と流体の少なくとも一部分とを機関シリンダから排出ポートにもたらすように構成されている。【選択図】２

Description

著作権表示
[0001] 本開示は、米国著作権法及び国際著作権法の下で保護されている。２０１７Ｊｅｔｏｐｔｅｒａ。著作権所有。本特許文献の開示の一部分は、著作権保護を受ける資料を含む。著作権者は、特許文献又は特許開示が特許商標庁特許ファイル又は記録に記載されるので、何者かによる特許文献又は特許開示の複写に対する異議を持たないが、他の場合は、いかなる著作権もすべて保有する。

優先権の主張

[0002] 本願は、２０１６年８月８日に出願された米国仮出願番号第６２／３７１，９２６号への優先権を主張し、その内容は、ここに完全に記載されているかのように、参照によりその全体がここに組み込まれている。

背景

[0003] ダクトにおける燃焼は、密閉ジオメトリ中の燃料も酸化剤も、及び、点火に都合がよい温度、火炎伝播、及び、反応流の安定化を伴う、複雑な化学的、流体力学的、及び、熱プロセスを伴う。燃焼プロセスは、プロセスの不連続を発生させる、ある圧力降下も発生させる。これは、排出管から出てくる、長さが１フィートと同じ程度の炎を時々観測することがあるレースカーで特に明らかである。レースカーの動力において結果として生じる損失は、排出管から現れるこの火炎に相関する。

[0004] 内燃機関（ＩＣＥ）は、空気ポンプと比較されることが多い。馬力は、機関システムを通して循環される空気の流れの量と共に増加する。逆に、排出システムで形成される任意の背圧は、それを克服するための馬力を必要とし、機関自体の性能を損なう。レースカーでは特に、吸気の効率的な増加と機関からのガスの効率的なパージが達成される場合、馬力の増加を得ることができ、排出管を通したポンプ損失を低減させる際に費やされる馬力を最小化させる。所定の機関体積に対して、より多くの空気がそこ供給されることは、より多くの動力が抽出され、その効率性が増加することを意味する。さらに、排出ガスの流れがより流線形にされると、排出ガスを押し出す際に、より少ない動力が消費され、したがって、推進に利用可能な動力が増加する。

[0005] 典型的に、高性能レースカーは、ＩＣＥを使用する。燃料と空気の混合物は、たいていの場合、最大動力を生成するように調整されるが、あまり理想的でない条件（例えば、回転カーブ等）では、化学量論は多少変更され、管中の化学的性質、局所壁温度、滞留時間が可燃性混合気の発火に有利に働く。このように、レースにおける異なる瞬間に、炎が排出管から現れる。炎は非効率性の信号であり、すなわち、燃料が機関中で燃焼しておらず、過剰な燃料がシリンダを出て排出システムに入っている。

[0006] 説明したように、条件（化学量論、滞留時間、及び温度）が適切であるとき観測される炎は、燃料再発火である。効率性の損失は、このように、間違った位置で燃焼する燃料から来ている。管のような密閉位置で燃焼又は反応流が生じるときはいつでも、圧力損失が生じ、流れの乱れが観測される。このプロセスから結果として生じる流れのある圧力損失により、燃焼又は火炎前面の上流プロセスは等しく影響を受ける。さらに、排出管内の炎の望ましくない存在は、熱応力、コンポーネントの寿命、及びシステムの熱力学的効率性を含む、ＩＣＥへの及びＩＣＥを含む上流条件に、否定的な影響を及ぼすことを意味する。

[0007] 流線形の流れ（すなわち、高温の排出中における滞留時間の短縮を介して管から押し出される可燃性混合気）が維持されることが望ましい。可燃混合気が排出管内でより短い時間を費やすほど、発火の傾向はより低くなり、システム全体の効率性はより高くなる。

[0008] 自動車の排出システムにおける制約は、典型的には、触媒コンバータ、共振器、及び消音器を含む。排気とノイズ低減目的の両方のために、制約はこれらを必要とする。このシステムを通じて流れの損失を最小限にし、これらの流れの妨害を克服することに費やされる動力のうちのいくらかを回復させることが重要である。

[0009] 排出弁のすべてが開くことにより、排出多岐管において圧力が発生し、典型的に、すべてのシリンダの排出弁の開口間で排出多岐管における圧力が降下する。この問題は、より低い回転スピードで悪化することがある。多岐管内の複数のシリンダからの排出流間の干渉は、馬力の低下を引き起こすかもしれない。理想的な排出多岐管／ヘッダと排出システムが、結果的に馬力を増加させる、多岐管を下流に効率的にパージする、より低い圧力ゾーンを生成するだろう。

[0010] 図１は、ピストン１１０の排出ストロークの間、従来のＩＣＥ１０１の排出フローを図示している。具体的には、図１は、燃焼室１２０、開状態の排出弁１３０、排出管１４０、及び、排出管の出口ポート１５０を図示している。

[0011] 図１は、従来のＩＣＥ排出システムを図示している。 [0012] 図２は、本発明の実施形態を図示している。 [0013] 図３は、本発明の実施形態にしたがう流体増幅器の上半分の断面図を図示している。 [0014] 図４は、排出管の内側に配置された、本発明の増幅器の１つの実施形態による、排出システムを図示している。

好ましい実施形態の詳細な説明

[0015] 本出願は、本発明の１つ以上の実施形態を説明することを意図している。「〜しなければならない」、「〜であろう」などの絶対的用語並びに特定の量の使用は、そのような実施形態のうちの１つ又は複数に適用可能であると解釈されるべきであるが、必ずしもすべてのそのような実施形態に適用されるとは限らないことが理解されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、このような絶対的用語の文脈で説明される１つ以上の特徴又は機能性を省略してもよいし、その修正を含んでもよい。さらに、本出願における見出しは、参照のみを目的としており、本発明の意味又は解釈に決して影響しないものとする。

[0016] 本発明の実施形態は、非円形ジオメトリのものであり、壁ジェット（ｗａｌｌ ｊｅｔ）として原動力となる流体をもたらす複数の１次ノズルを含む３−Ｄ入口セクションを有する、修正されたコアンダエジェクタを含む。増大及び３−Ｄ入口設計は、２０１５年９月２日に出願された、「無人航空機ための流体推進システムと推力及び揚力ジェネレータ」と題された米国仮特許出願６２／２１３，４６５（「４６５仮出願」）中に開示されている。「４６５仮出願」は、参照によってその全体の内容がここに組み込まれている。「４６５仮出願」中に開示されている、３−Ｄの幾何学的特徴、及び他の設計は、説明し、システムの排出管に適合されるような、対照的又は非対称的エジェクタのように、本発明の実施形態に適用されてもよい。

[0017] 原動力となる流体は、ターボ過給機の圧縮器、電気モーター駆動小型圧縮器、又は、ＩＣＥからの加圧排出ガスのごく一部から供給され、前記エジェクタにルーティングされる、空気であってもよい。エジェクタの実施形態は、システム条件に一致し、それが常に性能を最適化するように動作する、固定又は可変ジオメトリであってもよい。１つの好ましい実施形態は、可動部がなく、本質的に円形又は非円形であってもよく、その入口及び排出が原則的に３−Ｄである（すなわち、２−Ｄでない）。この３−Ｄ特徴は、流入流のより良い取り込みと、排出管の出口に向かう、その加速を可能にすることができる。

[0018] 本発明の実施形態は、密閉管からの排出ガスの急速な排出を可能にし、それにより、ガスの急速で一定の（又はパルス化された）排出と排出流の流線形化を可能にする。結果として、密閉された管内の燃焼ゾーンの上流のプロセスは、反応ゾーン妨害から解放され、流れは急速に出口に向かって排出され、管内で生じる完全燃焼を回避する。流線形化された流れが存在することができ、滞留時間は、あるレベル以下に常にとどまることができる。

[0019] システムを通る空気の所定の流れと空気燃料比に関して、排出ガスを排出するために使用される動力は、はずみ車で利用可能な馬力に反比例する。他のオプション的に有利な利点は、燃料消費の低減とガロン当たりのマイルの増加を含む。

[0020] 排出流損失を低減させながら、運転者に利用可能な馬力を増加させる現在の方法は、調整されたヘッダ、デュアル排出システム、共振器の取り外し、及び、排出ガスシステムの大型化を含む。ベルト駆動空気ポンプ、空気圧縮機、又は、シリンダからの圧力における単なる排出ガスのような高圧の供給源によって駆動され、排出多岐管、排出管及び／又は消音器の内側に配置されてもよい流体増幅器を介して、本発明の実施形態はこの目的を達成する。本発明の実施形態は、排出管の内部に付加的な妨害を引き起こす炎のような任意の反応流の除去の、オプション的に有利な特徴を有している。実施形態は、排出システムの内側の自己発火を防ぐために、滞留時間及び局所化学量論を減少させる。

[0021] 例えば、ＮＡＳＣＡＲチームは、吸気中にリストリクタープレートなしで、７２５ＨＰのＶ−８の燃料噴射で一般的に動作し、及び、排出ヘッダと短管に供給するだろう。この例では、排出の圧力波に対処することは不可避である。出口又は管における逆火は、システムを停滞させる破壊的（位相の不一致）圧力変化を送り、これは、シリンダの除去及び充填を妨げる。ＮＡＳＣＡＲエンジンは、上流の影響に対処する必要がある。調整されたヘッダと排出システムの目的は、吸気端部でシリンダを最適に充たすことによって、すなわち、より効率的に排出することにより、より多くの空気／燃料混合を引くことによって、動力出力を上げることである。

[0022] 本発明の実施形態は、３−Ｄの幾何学的及び流体流効果に依存する新規の要素、及び、別個の回避技術の利用による向上した取り込みを示している。これらの実施形態の取り込み比は、３〜１５の間であり、好ましくはより高い。取り込み比により、原動力となる流れによって取り込まれる質量流量に対する原動力となる流体流のレートの比を指す。一般的に、装置の実施形態は、加圧流体、排出ガス又は空気の供給源；（パルス化動作のための）ピストンエンジン排出；あるいは、圧縮器又は過給機のような、加圧された供給源から原動力となるガスを受け取るだろう。本発明の別のオプション的な有利な特徴は、ＩＣＥの動作のすべての点で、最大性能が取得されるように、ジオメトリを修正するように表面を収縮及び伸張させることにより、取り込みのために利用される平らなエジェクタの拡散壁の形状を変更する能力である。

[0023] １つの実施形態では、流体増幅器は、排出管の内側の位置に、好ましくは、中心に、排気管の壁に接触することなく、配置される。過給機や高圧流体を提供するシステムの任意の領域のような、高圧力流体供給源から供給される原動力となる流体は、その後、プレナムに向かって入口管を介してもたらされる。排出管内の流れと比較して、本発明の実施形態を排気管内に配置し、静圧に近い原動力となる流体を使用することは、圧力が低下し、主な反応流が抑えられ、排出管の外に加速される点へと、局所的流れを加圧できる。

[0024] この実施形態では、装置は非円形であり、高圧流体の導入の際、装置の壁の輪郭に沿って続く複数の高スピード壁ジェットの数を増加させるいくつかの３−Ｄ特徴を有することがある。したがって、原動力となる流体は、装置の内壁に沿った流れを基本的に軸方向に動かす。音速に近い非常に高い速度での原動力となる流体の導入は、結果として、ベルヌーイの定理にしたがう局所静圧の低下となる。応答して、より低い圧力の広いエリアは、装置の入口の３Ｄ特徴の周りに形成し、排出管の内側を流れる主な排出ガスの取り込みの効果を生成する。結果は、装置のジオメトリと原動力となる流体の品質に依存するバリエーションを有する、１００メートル／秒より高い局所スピードへの流れの加速である。装置から出てくる高スピードの混合物は、装置の上流の主な排出ガスの発火に必要とされる滞留時間を減少させ、発火を防止し、排気中の付加的な酸素及び燃料の存在により形成することがある任意の初期の炎を消す。したがって、本発明の実施形態は、遅い又は非反応性の流れをより高い速度で排出管の外側に自由に押し出すことを可能にし、存在するかもしれない任意の火炎を消し、さらに、押し出される排気が自由に導管を出ることを可能にする。これは、次に、任意の下流炎を回避することにより、又は、別な方法で上流ＩＣＥ動作に影響を及ぼすかもしれない流圧変更に反応することにより、システムの動作を向上させる。

[0025] この実施形態では、排出管の内側に配置されたコアンダエジェクタの役割は、高いスピードの局所消火とベルヌーイの定理にしたがう局所静圧を低下させることを介して、炎の存在がほとんどないことを確実にすることである。これは、レーシングカーで使用されるもののようなＩＣＥの動作、及び、炎の存在に関連する主要な破壊のない動作を向上させる。いったんＩＣＥの排出弁が開くと、ガスによって運ばれる熱が浪費され、機関への任意の再吸引が回避される。

[0026] 図２は、実施形態にしたがい、図１中に示したものと構成が類似しているＩＣＥ２０１を図示している。ＩＣＥ２０１は、機関シリンダ２２０から下流に、及び、内部断面積を有する排出管２４０のような導管内に、配置されているエジェクタ２４３のような流体増幅器を含んでいる。ＩＣＥ２０１は、原動力となるストリーム２４４を生成するように、導管２４２を介して高圧空気／原動力となる流体をエジェクタ２４３に送出する流体供給源２４１をさらに含んでいる。エジェクタ２４３は、排出弁２３０を介してシリンダ２０から解放された排出ガス１の流れを増大／加速する。エジェクタ２４３への原動力となる流体の導入は、エジェクタの前の静圧の大幅な低減を生成することにより、ガス１の流れを増大させることができ、これは、供給源２４１からの原動力となる流体がエジェクタに送出される間中、より多くの排出ガスをシリンダ２２０から管２４０に送出することを可能にする。より高い速度へのガス１の流れのこの増大は、滞留時間とシリンダ２２０中の燃料空気混合の化学量論を減少させ、これは、次に、排出ガスが管２４０の排出ポート２５０を出る前に、混合物の発火の可能性を減少させる。

[0027] 図４、及び、実施形態において、最もよく図示されているように、ガス１の少なくとも一部分が排出管内でエジェクタの周りを流れることができるように、エジェクタ２４３は、排出管２４０の内部断面積未満を占めている。弁２３０が開くときのみ又は予め定められた頻度で、原動力となるストリーム２４４の流れが向上する及び／又は生成されるように、供給源２４１は、流れを変調して、エジェクタ２４３のパルス化された動作を生成する。他の実施形態では、動作は連続的であり、パルス化されないことがある。圧縮流体／空気の供給源２４１は、機械的及び／又は電気的に駆動する圧縮機であってもよい。供給源２４１はまた、システム内の他の何らかの格納されている又は発生させた高圧供給源であってもよい。機関は、エジェクタの適切な動作を見出すことにより、微調整される。

[0028] 図３中に図示されて実施形態において、エジェクタ２４３の上半分のみが、断面図で示されている。図３中に図示し、以下で説明する流体の流れは、左から右である。プレナム３１１は、例えば、燃焼を基にしている機関からの周囲より熱い空気（即ち、加圧されている原動力となるガスストリーム）が供給されている。矢印６００により示されている、この加圧されている原動力となるガスストリームは、１次ノズル３０３のような少なくとも１つの導管を介して、エジェクタ２４３の内部へともたらされる。より詳細には、一次ノズル３０３は、壁ジェットとして凸状のコアンダ表面３０４の直接上で原動力となる流体ストリーム６００を変動可能な所定の望まれる速度へと加速するよう構成されている。コアンダ表面３０４は、そこに形成される１つ以上の凹部５０４を有していてもよい。さらに、１次ノズル３０３は、流体ストリーム６００の調節可能な体積を提供する。この壁ジェットは、次に、静止してもよい、又は、矢印１により示されている方向から零でないスピードでエジェクタ２４３に接近してもよい、矢印１により示されている、シリンダ２５０からの排出ガスのような２次流体を、吸気構造３０６を通して取り込む役割を果たす。さまざまな実施形態において、ノズル３０３は、整列して、湾曲した向き、渦巻の向き、及び／又は、ジグザグの向きに配置されてもよい。

[0029] ストリーム６００及びガス１の混合は、エジェクタ２４３のスロートセクション３２５において純粋に軸状に移動して良い。ディフューザ３１０のような、拡散構造における拡散を通して、混合及び円滑排出工程が続き、エジェクタ２４３の軸方向における温度８００及び速度７００のプロフィールは、スロートセクション３２５において存在している高い及び低い値をもはや有さないが、ディフューザ３１０の終端１００においてより均等になっている。ストリーム６００とガス１の混合が終端３０１の出口平面に近づくと、温度と速度プロフィールはほぼ均等である。特に、排出管の内側に残っている任意の燃料の自動発火を回避するために、混合の温度は十分に低く、熱い壁ゾーンにおける残存時間を低減させるために、速度は十分に高い。

[0030] 図４は、排出管２４０の内側に配置された本発明のエジェクタ２４３の実施形態を示している。図４中に図示されている実施形態にしたがうと、ストリーム２４４の局所出口流は、エジェクタ２４３の存在しない流入ガス１の速度よりも高いスピードである。これは、エジェクタ２４３の前の局所静圧を低下させることによる、矢印６０１で示すように、高い速度でエジェクタ２４３に取り込まれる、シリンダ２２０から流入するガス１の大部分によるものである。矢印６０２で示すように、ガス１のごく一部がエジェクタ２４３をバイパスし、エジェクタ２４３の周りを流れ、エジェクタを管２４０の中心に位置付ける機械的サポート５５０を越える。エジェクタ２４３は、高い取り込み率で流れる流入ガス１により、空気／ガス供給源２４１（例えば、圧縮機）によって提供される、より熱い原動力となるストリームを勢い良く混合する。混合は、エジェクタの原動力となるストリーム６００の温度を流入火炎排出ガス１の任意の潜在的炎を消火することができる混合温度プロファイル７００へと増加させるのに十分に均質である。エジェクタ２４３を出る流出ジェット８００の速度プロフィールは、排出管２４０の下流部分における滞留時間を低減させ、さらに、炎の傾向を低減させるとともに流れのパージを流線形化する。

[0031] 本発明の好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、上記で着目したように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。したがって、発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されない。その代わりに、後に続く特許請求の範囲を参照することにより、本発明は完全に決定されるべきである。

Claims (18)

1. 内燃機関であって、
   周囲流体に流体的に結合されている排出ポートを有する排出導管と、前記排出導管は内部断面積を有し、
   前記排出導管に流体的に結合されている機関シリンダと、
   前記排出導管内に配置されている流体増幅器と、を備え、
   前記増幅器は、前記機関シリンダに流体的に結合され、前記増幅器は、１次流体の供給源にさらに流体的に結合され、前記増幅器は、前記１次流体と前記機関シリンダからの流体の少なくとも一部分とを前記排出ポートにもたらすように構成されている、機関。
2. 前記増幅器は、前記排出導管の前記内部断面積未満を占める、請求項１に記載の機関。
3. 前記増幅器は、
   凸状表面と、
   前記凸状表面に結合される拡散構造と、
   前記凸状表面に結合され、前記１次流体を前記拡散構造へもたらすように構成されている吸気構造と、を備え、
   前記拡散構造は、もたらされた前記１次流体及び前記機関シリンダからの流体のための前記増幅器からの出口を提供するよう構成されている終端を備える、請求項１に記載の機関。
4. 前記凸状表面が複数の凹部を含む、請求項３に記載の機関。
5. 前記増幅器は、予め定められた周波数で、パルス状の方法で、前記１次流体をもたらすように構成されている、請求項１に記載の機関。
6. 前記１次流体供給源は、機械的又はタービン駆動圧縮器のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の機関。
7. 内燃機関の性能を向上させる方法であって、
   前記機関は、周囲流体に流体的に結合されている排出ポートを含む排出導管を有し、内部断面積を有し、
   前記機関は、前記排出導管に流体的に結合されているシリンダをさらに有し、
   前記方法は、
   流体増幅器が機関シリンダに流体的に結合されるように、前記排出導管内に前記流体増幅器を位置付けることと、
   １次流体の供給源を前記増幅器に流体的に結合することと、のステップを備え、
   前記増幅器は、前記１次流体と前記機関シリンダからの流体の少なくとも一部分とを前記排出ポートにもたらすように構成されている、方法。
8. 前記増幅器は、前記排出導管の前記内部断面積未満を占める、請求項７に記載の方法。
9. 前記増幅器は、
   凸状表面と、
   前記凸状表面に結合される拡散構造と、
   前記凸状表面に結合され、前記１次流体を前記拡散構造へもたらすように構成されている吸気構造と、を備え、
   前記拡散構造は、もたらされた前記１次流体及び前記機関シリンダからの流体のための前記増幅器からの出口を提供するよう構成されている終端を備える、請求項７に記載の方法。
10. 凸状表面が複数の凹部を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記増幅器は、予め定められた周波数で、パルス状の方法で、前記１次流体をもたらすように構成されている、請求項７に記載の方法。
12. 前記１次流体供給源は、機械的又はタービン駆動圧縮器のうちの少なくとも１つを備える請求項７に記載の方法。
13. 車両であって、
    周囲流体に流体的に結合されている排出ポートを有する排出導管と、前記排出導管は、内部断面積を有し、
    前記排出導管に流体的に結合されている機関室と、
    前記排出導管内に配置されている流体増幅器と、を備え、
    前記増幅器は、前記機関室に流体的に結合され、前記増幅器は、１次流体の供給源にさらに流体的に結合され、前記増幅器は、前記１次流体と前記機関室からの流体の少なくとも一部分とを前記排出ポートにもたらすように構成されている、車両。
14. 前記増幅器は、前記排出導管の前記内部断面積未満を占める、請求項１３に記載の車両。
15. 前記増幅器は、
    凸状表面と、
    前記凸状表面に結合される拡散構造と、
    前記凸状表面に結合され、前記１次流体を前記拡散構造へもたらすように構成されている吸気構造と、を備え、
    前記拡散構造は、もたらされた前記１次流体及び前記機関室からの流体のための前記増幅器からの出口を提供するよう構成されている終端を備える、請求項１３に記載の車両。
16. 前記凸状表面が複数の凹部を含む、請求項１５に記載の車両。
17. 前記増幅器は、予め定められた周波数で、パルス状の方法で、前記１次流体をもたらすように構成されている、請求項１３に記載の車両。
18. 前記１次流体供給源は、機械的又はタービン駆動圧縮器のうちの少なくとも１つを備える請求項１３に記載の車両。

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