一種用于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的空心體排氣管的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的空心體排氣管，空心體具有內(nèi)表面（120）、外表面（110）、第一敞開端部（130）、第二敞開端部（140）和縱向軸線，其中該內(nèi)表面（120）被成形以形成具有至少兩個(gè)周期（c）的駐周期波幾何結(jié)構(gòu)。當(dāng)包括可吸入顆粒（22）的氣體通過第一敞開端部（130）進(jìn)入到排氣管（100）并且通過第二敞開端部（140）流出排氣管（100）時(shí)，大量的可吸入顆粒（22）被分組以形成可過濾顆粒（182）。
【專利說明】一種用于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的空心體排氣管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及小顆粒的積聚，尤其涉及在幾何結(jié)構(gòu)的駐波的排氣管中的亞微顆粒的分組。
技術(shù)背景
[0002]關(guān)于來自汽車排氣管尤其是來自柴油機(jī)的排放顆粒存在很大的健康和環(huán)境問題。所具有的尺寸范圍從納米到微米的顆粒(簡稱為“亞微顆?！?對健康和環(huán)境造成了危險(xiǎn)。因?yàn)閬單㈩w粒尺寸小，所以更易于該亞微顆粒滲透過呼吸系統(tǒng)。此外，在空氣中的更小尺寸顆粒的滯留時(shí)間更長得多。例如，在空氣中的0.1微米的顆粒的滯留時(shí)間將比I微米的顆粒的長大約100倍。因此，亞微顆粒存在兩倍的危險(xiǎn):(a)更長時(shí)間的曝光；以及(b)更易于滲透到肺。該危險(xiǎn)在大量的學(xué)術(shù)論文以及US-EPA網(wǎng)站中描述。所發(fā)射的顆粒也危害到植被甚至是樓房和紀(jì)念碑的表面。術(shù)語“可吸入顆?！痹诒疚闹信c“亞微顆粒”可交替地使用。
[0003]因此，以減少亞微顆粒數(shù)量為代價(jià)來提高顆粒的尺寸將降低由亞微顆粒所施加的對健康和環(huán)境造成的上述危險(xiǎn)。本文所使用的術(shù)語“可過濾顆粒”指的是顆粒足夠大，以使一般的有生命物體尤其是人類的呼吸器官能夠過濾可過濾顆粒，從而防止可過濾顆粒進(jìn)入到肺中?？蛇^濾顆粒也相應(yīng)于可以由機(jī)械過濾器所捕抓的顆粒。
[0004]亞微顆粒的分組使更大尺寸的顆粒凝固和形成，從而降低亞微顆粒的數(shù)量。因此，具有將亞微顆粒分組成更大尺寸顆粒(優(yōu)選地可過濾顆粒)的設(shè)備從而降低亞微顆粒(例如排放自諸如柴油機(jī)等的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)的亞微顆粒)的數(shù)量是需要且將是有利的。
[0005]關(guān)于亞微顆粒的分組的數(shù)學(xué)分析(在《Aerosol and Air Quality Research》中第 6(1)卷第 54-66 頁由 D.Katoshevski 于 2006 年撰寫的《Characteristics of SprayGrouping/Non-Grouping Behav1r)))被通過引用合并,用于所有的目的，正如本文所充分闡述的。該分析顯示，當(dāng)承載亞微顆粒的物體(諸如空氣)的速度具有移動(dòng)波的形狀時(shí)，由這種波所承載的顆?？梢孕纬删哂性谔囟ǚ秶鷥?nèi)的參數(shù)的組。這種波存在于各種系統(tǒng)中，諸如在其中波是移動(dòng)的海水中有顆粒的情況下，其在Winter, C.等人在《J.GeophysicalResearch (JGR)》的卷 112、C08010，doil0.1029/2005JC003423, 2007 中所發(fā)表的《GroupingDynamics of Suspended Matter in Tidal Channels》中描述,其通過引用被合并，用于所有的目的，正如本文所充分闡述的。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]根據(jù)本實(shí)用新型的教導(dǎo)，提供了一種用于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的空心體排氣管，所述空心體具有內(nèi)表面、外表面、第一敞開端部、第二敞開端部和縱向軸線，其中該內(nèi)表面被成形以形成具有至少兩個(gè)周期的駐周期波的幾何結(jié)構(gòu)。當(dāng)包括可吸入顆粒的氣體通過第一敞開端部進(jìn)入排氣管并且通過第二敞開端部流出排氣管時(shí)，大量的吸入顆粒被分組以形成可過濾顆粒，同時(shí)流動(dòng)到排氣管的內(nèi)側(cè)，因此極大地增加了可過濾顆粒的數(shù)量并且極大地降低了可吸入顆粒的數(shù)量。通常，該縱向軸線水平地設(shè)置。在本實(shí)用新型的變型中，縱向軸線垂直地設(shè)置，其中第二敞開端部相對于第一敞開端部提升。在本實(shí)用新型的其他變型中，縱向軸線對角地設(shè)置，其中第二敞開端部相對于第一敞開端部提升。
[0007]通常，排氣管的橫截面可以是圓形的、多邊形的、橢圓的或其它形狀。駐周期波包括窄的徑向尺寸Dn和寬的徑向尺寸Dw，其中窄的徑向尺寸Dn極大地小于寬的徑向尺寸Dw，比值Dw/Dn直接地影響亞微顆粒的分組趨勢。
[0008]其中在排氣管內(nèi)側(cè)的速度場U是駐波速度場，如以下所計(jì)算的:
[0009]U = Ua-UbCos (kx) (sin (ω t) +C)，
[0010]其中Ua是平均速度，C是常量，Ub是幅度，ω是波的角頻率；⑩=-其中T是
,
所述波周期，以及k是所述波數(shù):k = ψ其中L是所述波長，以及，其中所述常量C被選
f
擇以分別在Dw和Dn處獲得最大速率和最小速率。
[0011]其中如果歸一化的速度場U*是:
[0012]U * = C/ * — U * cosC X* )(sin( t') + C y
[0013]其中使用特征速度歸一化所述速度:其中U。= ωΛ，Χ是利用K和具有ω的t來歸一化，以及其中星號表示無量綱參數(shù)；以及其中當(dāng)符合以下條件時(shí)發(fā)生大量的分組:
(V.,* - !—I
[0014]--γ:φ- — < I
[0015]駐周期波的幾何構(gòu)造指的是該幾何構(gòu)造的最大位置和最小位置隨著時(shí)間的改變而被固定。其反映了這樣的事實(shí)，即在其中的氣體的速度的最小值和最大值將在固定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]通過本文在以下所提出的詳細(xì)描述和附圖將充分地理解本實(shí)用新型，其通過圖示以及僅僅是實(shí)施例來提供，因此不限定本實(shí)用新型，以及其中:
[0017]圖1是圖示顯示兩組的形成的顆粒軌跡的實(shí)施例的圖解；
[0018]圖2是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的排氣管的橫截面圖示；
[0019]圖3a顯示在圖2中所示出的排氣管的圓形截面的實(shí)施例；
[0020]圖3b顯示在圖2中所示出的排氣管的橢圓形截面的實(shí)施例；
[0021]圖4a圖解地圖示了由于在圖2中所示出的排氣管的內(nèi)側(cè)的流速改變而造成的顆粒分組；
[0022]圖4b圖解地圖示了顆粒在圖2中所示出的排氣管內(nèi)側(cè)流動(dòng)的同時(shí)其流速隨著時(shí)間的改變而發(fā)生的正弦變化；
[0023]圖5根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式示意性地圖示具有柴油機(jī)的排氣部的試驗(yàn)設(shè)備以及周期排氣管的一個(gè)周期的放大圖，所述試驗(yàn)設(shè)備平行地可操作地被附接到傳統(tǒng)的直鋼管以及周期排氣管；
[0024]圖6圖解地圖示了與流出傳統(tǒng)直管的可吸入顆粒相比、在圖5中所示出的、流出排氣管的可吸入顆粒的數(shù)量的降低；
[0025]圖7根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式圖解地圖示了采用顆粒粒度分布方式的周期排氣管的效果；
[0026]圖8a_8d圖解地圖示了采用顆粒粒度分布方式的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的效果；
[0027]圖9a-圖9c圖解地圖示了采用顆粒粒度分布方式的發(fā)動(dòng)機(jī)速度的效果；
[0028]圖10-12圖解地圖示了顆粒軌跡。顆粒的分組被表示為β〈1:隨著β的增加，分組趨勢就變?nèi)酰?br>
[0029]圖13根據(jù)本實(shí)用新型圖解地圖示了用于設(shè)計(jì)漸縮管設(shè)計(jì)的近似基準(zhǔn)草圖；
[0030]圖14根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選變型示意地圖示具有柴油機(jī)的排氣部的試驗(yàn)設(shè)備，所述試驗(yàn)設(shè)備平行地可操作地被附接到傳統(tǒng)的直鋼管以及周期排氣管，其中周期排氣管設(shè)置在垂直方向上；
[0031]圖15圖解地圖示了當(dāng)顆粒在圖14中所示出的排氣管內(nèi)側(cè)流動(dòng)的同時(shí)顯示與顆粒直徑成函數(shù)關(guān)系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化的實(shí)施例；以及
[0032]圖16圖解地圖示了實(shí)施例情況以示出與排氣角度成函數(shù)關(guān)系的分組的特征。
【具體實(shí)施方式】
[0033]在詳細(xì)地解釋本實(shí)用新型的實(shí)施方式之前，應(yīng)理解的是，本實(shí)用新型的應(yīng)用沒有受限于在說明書中闡述的或在附圖中圖示的部件的詳細(xì)構(gòu)造和布置。除非另外限定，否則本文所使用的所有技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語都具有本實(shí)用新型所屬于的、本領(lǐng)域技術(shù)人員通常所了解的相同的意思。本文所提供的方法和實(shí)施例僅僅是圖示性的而不受圖示的限制。
[0034]本實(shí)用新型的原理意圖包括提供一種用于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的空心體排氣管，該空心體具有內(nèi)表面、外表面、第一敞開端部和第二敞開端部。內(nèi)表面被成形以形成具有至少兩個(gè)周期的駐波。當(dāng)包括可吸入顆粒的氣體通過第一敞開端部進(jìn)入到排氣管并且通過第二敞開端部流出排氣管時(shí)，大量的可吸入顆粒被分組以形成可過濾顆粒，同時(shí)在排氣管內(nèi)側(cè)流動(dòng)。
[0035]本實(shí)用新型的方面是提供一種在具有駐波幾何結(jié)構(gòu)的管中的分組的新概念，其限定了速度駐波。當(dāng)顆粒在振蕩氣體流中移動(dòng)時(shí)，該顆粒就遇到其中氣體速度比顆粒自己的速度更快或更慢的區(qū)域。顆粒調(diào)整局部速度變化所采用的時(shí)間依賴于其直徑的平方。因此，某些顆粒就比依賴于顆粒尺寸的其他顆粒影響更大。當(dāng)平均分布的顆粒的線進(jìn)入到該排氣管中時(shí)，波速就被應(yīng)用到該顆粒。亞微顆粒的特征在于小滯留時(shí)間，其導(dǎo)致出現(xiàn)其中顆粒的加速或減速依賴于在該波中的顆粒的位置的情況(相對于局部速度水平)。當(dāng)一個(gè)顆粒相對于另外一個(gè)顆粒減速時(shí)，這使一個(gè)接一個(gè)移動(dòng)的兩個(gè)顆粒之間出現(xiàn)分離。在相鄰顆粒之間的分離形成組。圖解實(shí)施例在圖1中圖示，其中出現(xiàn)顆粒軌跡。在時(shí)間等于O處的顆粒均勻地被分布在X的下游，并且，隨著時(shí)間的改變，兩組就形成。
[0036]在管中的駐波速由直徑變型下游周期地形成。根據(jù)質(zhì)量守恒，橫截面越小，所得到的速度就越大，反之亦然。因此，當(dāng)管直徑周期性地漸縮和擴(kuò)大時(shí)，獲得駐波的速度，其中在任何給定的時(shí)間處，將沿著排氣管固定最大和最小速率的位置。因此，在這種管中，依賴其位置的顆粒將經(jīng)歷加速和減速過程。
[0037]現(xiàn)在參考圖2，其是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的實(shí)施例排氣管100的橫截面圖不。排氣管100包括空心體,所述空心體具有內(nèi)表面120、外表面110、第一敞開端部130和第二敞開端部140。內(nèi)表面120被成形以形成具有至少兩個(gè)周期C的駐波幾何結(jié)構(gòu)。在圖1所示出的實(shí)施例中，排氣管100包括五個(gè)周期C。還參考圖4a，其示意性地圖示了與在排氣管100內(nèi)側(cè)的顆粒的流動(dòng)速度變化成函數(shù)關(guān)系的顆粒的分組，以及參考圖4b，其圖解地圖示了顆粒在排氣管100的內(nèi)側(cè)流動(dòng)的同時(shí)其流動(dòng)速度隨著時(shí)間的改變而發(fā)生的正弦變化，顆粒從入口被引進(jìn)振蕩氣體流內(nèi)。氣體流也具有下游周期變化。當(dāng)顆粒向下游輸送時(shí)，分組發(fā)生并且以可過濾顆粒182的尺寸增加為代價(jià)來使吸入顆粒22消失。
[0038]當(dāng)包括可吸入顆粒22的氣體20通過第一敞開端部130進(jìn)入到排氣管100中并且通過第二敞開端部140流出排氣管100時(shí)，大量的可吸入顆粒22被分組以形成可過濾顆粒182。應(yīng)該注意到，某些可吸入顆粒22與更大的顆粒182 —起分組，其是可過濾的，以便開始。例如，使用用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管100導(dǎo)致在管100中移動(dòng)的可吸入顆粒22的聚集。應(yīng)該注意到，內(nèi)表面120相對于縱向軸線150基本地是對稱的。優(yōu)選地，排氣管100不受限于其他形狀，其具有圓形的橫截面，如圖3a所示出的。圖3b示出了排氣管100的橢圓形橫截面的實(shí)施例。周期波的窄的徑向尺IDn比該波的寬的徑向尺寸0?極大地小，其中比值Dff/DN直接地影響到亞微顆粒的分組趨勢。
[0039]實(shí)施例
[0040]試驗(yàn)設(shè)備在圖5中示出。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)30的排氣部可操作地被平行地附接到兩個(gè)排氣管:a)傳統(tǒng)的直的鋼管40 ；以及b)具有六個(gè)周期C的排氣管100。兩個(gè)管40和100都是80cm長且具有相同的流動(dòng)速度。在每個(gè)管的出口處，測量設(shè)備50被使用來測量顆粒的尺寸分布。顆粒分析器50被使用來檢測和測量直徑范圍在300nm至2μπι的顆粒。管選擇器160被使用來選擇被測試的排氣管。
[0041]試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)說明如以下所述:
[0042]
機(jī)模型I Mitsubishi S3L發(fā)動(dòng)機(jī) —
麵HL猶《IW帷、臓敵■戲
/乂麵—人十._冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)_
1?的沖程/孔沖程/孔=78.5/78 mm
■ Ia 125cm3
!功率I在U 500 rev/m in 處足 11.8ff
[0043]在每次測試期間，發(fā)動(dòng)機(jī)都在一套操作條件下運(yùn)行(發(fā)動(dòng)機(jī)速度和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷)。發(fā)動(dòng)機(jī)在特定的條件下運(yùn)行以獲得穩(wěn)定狀態(tài)的運(yùn)行，并且然后廢氣首先從常規(guī)管中取樣以及接著從共鳴管中取樣。每三十秒鐘的時(shí)間間隔期間就平均一次樣品。結(jié)果顯示以更大尺寸的顆粒部分的質(zhì)量變大為代價(jià)來使更小顆粒的數(shù)量大幅度地減小。圖6圖解地圖示了相比較于流出直管40的可吸入顆粒流出排氣管100的可吸入顆粒的數(shù)量的減少。
[0044]排氣管100的效果清楚地顯示在圖7中，圖7根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方式采用顆粒尺寸分布方式圖解地圖示了周期排氣管100的效果。實(shí)施例設(shè)備如以下所示:發(fā)動(dòng)機(jī)速度=l，700rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷=Okw，排氣管100縱橫比，DW/DN = 2.27，長度和直徑比，L/D= 2.0。圖7示出了排氣顆粒的尺寸分布是如何起作用的。質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Amass fract1n如以下被定義:
[0045]Amass_fract1n = Mmodified-Mreg,
[0046]其中Mnwdified是更大顆粒182的質(zhì)量，其在周期排氣管100排氣部處被測量，以及Mreg是在常規(guī)管40的排氣部處測量的顆粒質(zhì)量。
[0047]小顆粒22 (尤其是在亞微狀況中)的外觀質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少大約2-6%，同時(shí)更大顆粒182的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加大約1_2%。盡管小于0.3μπι的顆粒22不可以被所使用的顆粒尺寸分析儀所檢測，但是質(zhì)量守恒顯示，更大尺寸顆粒182的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極大增加可以明確地歸因于非檢測的更小尺寸的顆粒22的分組(導(dǎo)致聚集)。類似振奮人心的結(jié)果在各種發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(圖8a-圖8d)和發(fā)動(dòng)機(jī)速度(圖9a_圖9c)中觀察到。
[0048]在1，700rpm處的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的效果在圖8a_圖8d處描述，圖8a_圖8d圖解地圖示了采用顆粒尺寸分布方式的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的效果。雖然當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，任何顆粒尺寸類別的顆粒的總數(shù)量也增加，但是交替直徑管的效果是相當(dāng)?shù)乜杀容^的。
[0049]圖9a-圖9c示出了關(guān)于在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為2kW處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的發(fā)動(dòng)機(jī)速度的效果。1，500rpm和1，700rpm的結(jié)果非常類似于前面所示出的那些結(jié)果。1，900rpm的結(jié)果仍然示出了可吸入顆粒22朝向更大尺寸顆粒182遷移，但是效果很微弱。應(yīng)該注意的是，由于低的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而使顆粒的總量降低，同時(shí)由于高的排氣管速度而使排氣管中的顆粒的滯留時(shí)間相對短。
[0050]在漸縮管中分組的數(shù)學(xué)分析(駐波速度場)
[0051]減縮管幾何結(jié)構(gòu)引起顆粒分組和凝固，導(dǎo)致了顆粒尺寸分布的變化，其以減少更小顆粒數(shù)量為代價(jià)增加了更大顆粒的質(zhì)量/數(shù)量。
[0052]在管100的內(nèi)側(cè)的速度場U是利用修正的駐波速度場:
[0053]U = Ua-UbCos (kx).(sin (cot)+C)， (I)
[0054]其中Ua是平均速度，C是常量，Ub是幅度，ω是波的角頻率:
2f
[0055]( 其中T是波的周期)，以及K是波數(shù)(a = 2￡其中L是波長)。
* ， r ，
[0056]常量C被引入以在最大直徑和最小直徑的區(qū)域處獲得最大速率和最小速率，因此，C > 1，以便滿足該條件。
[0057]采用維度形式的顆粒運(yùn)動(dòng)方程是:
I f w ψ # \
[0058]x = —(U—x)
Tp(2)
[0059]其中X 是顆粒的位置，并且去生.ζ, (Katoshevski, D.，Dodin, Ζ.，Ziskind,
r I h βΜ
G.，2005，《Aerosol clustering in oscillating flows:mathematical analysis》，((Atomizat1n and Sprays 15》，P401-412)，P p是顆粒密度，Dp是顆粒直徑，以及，μ是主要?dú)怏w的動(dòng)力粘度。
[0060]將速度場(方程式I)代入運(yùn)動(dòng)的顆粒的運(yùn)動(dòng)方程(方程式2)，得出以下量綱方程:
1 ]...........................Y ?φ*-
[0062]歸一化速度場是:
[0063]U.= (/ * -1i * cos( χ.)(sin( I } + C ),(4)
[0064]其中，速度與特征速度一起歸一化:U。,，其中，U。= ω/\，Χ利用K和具有ω的t歸一化(星號表示的是無量綱參數(shù))。
[0065]采用無量綱形式的顆粒運(yùn)動(dòng)方程是:
[0066]I* =.^ (t/* - ?.')■
[0067]其中，X*是顆粒的位置，=是斯托克斯(Stokes)數(shù)。
IIi
[0068]將無量綱速度場插入到顆粒運(yùn)動(dòng)方程中，將獲得以下方程:
[0069]+ 丄 ir* + —?Φ)Φ C —f- 9雜
SiSi■.
[0070]引入:
[0071]0 = χ
[0072]獲得:
y γ Ψjf F *-1
ψ mI?C yg寒森上
[0073]0 + # -1 - ' cm(.+ t )(5111.( ? ) + CJ -----r —(7)
St SiSt
[0074]引入:
- -1........--...................L0075J
[0076]獲得:
[0077]Θ + Θ+cr cos(沒+1 *)[sm(i*) + c]=#,(8)
[0078]其中:
「 ηa =:__________________1.________——m
[0079]?
[0080]并且
[0081 ] β:.~......-...-—-3-.,(I。)
[0082]為了確保分組，我們需要維持β〈I。
[0083]基本存在兩種分組模式，其中一個(gè)被稱為“穩(wěn)定分組”以及另外一個(gè)被稱為“非穩(wěn)定分組”。在分組模式中，顆粒形成沒有進(jìn)一步制動(dòng)下游的組。在非穩(wěn)定模式中，組可以破裂，而一些顆粒根本不成組。為了確保高程度的分組或穩(wěn)定分組，條件β〈I必須充分地滿足。具有接近于零的直徑的更小顆粒(通常小于80 μ但大于分子)具有進(jìn)行分組的更高趨勢，即，更小的斯托克斯(Stokes)數(shù)。然而，為了確保分組，應(yīng)滿足條件β〈1，雖然在駐波構(gòu)造中的分組也在β > I處發(fā)生。
[0084]圖10-12表示對在圖中所示出的實(shí)施例系統(tǒng)200上所測量的顆粒軌跡的計(jì)算。使用相同數(shù)值的C(c= 1.5)但使用不同的β (β =0.4，0.94，2.4)進(jìn)行三套計(jì)算。顆粒直徑被設(shè)定為0.3 μ m和1.5 μ m，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有關(guān)的尺寸在圖10-12中描述。在大約兩個(gè)周期后的顆粒組在圖10-12中表示。分組由圖10的密集區(qū)所表示，其中，顆粒的軌跡緊靠在一起。當(dāng)β從0.4增加到0.94時(shí)，分組的趨勢下降，如圖11中所示出的(線略微密集)，對于β的更大值2.4，如圖12所示出的，該情況可以被示為弱組或非分組。這就與先前所提出的、針對移動(dòng)波情景而獲得的結(jié)果一致，即，β應(yīng)該小于單一元素以便確保極大程度的分組。重要的是應(yīng)該注意到模型不包括“粘滯”因素，并且，因?yàn)闊焿m顆粒不具有某些粘性特性，所以，在實(shí)踐中，大量的凝固在兩個(gè)波長后發(fā)生并在排氣管100的下游處繼續(xù)，具有駐波幾何結(jié)構(gòu)。
[0085]以下是做為用于減縮管100的設(shè)計(jì)工具的上述條件，β由減縮管100的以下參數(shù)所定義:
[0086]
Amnit I管的最大面積
Α~管的最小面積
f —在進(jìn)口處脈動(dòng)流的頻率
L ^兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離
N_發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速rev/min_
η.氣缸的數(shù)量
Q_容積流率_
R —面積比(AimZAndl1)
Vd_氣缸排氣量(針對一個(gè)氣缸)_
XI發(fā)動(dòng)機(jī)每工作行程的轉(zhuǎn)速(對于4個(gè)沖程發(fā)動(dòng)機(jī)其=2)
[0087] 為了方便，讓我們定義T = sin (ω?)+C,在最大位置和最小位置之間使用質(zhì)量守恒并假設(shè)氣體的濃度是不變的。
L0088」 Ua-UbT ^mitt'C 3
[0089]插入β并使用維度表達(dá)式:
m_m_
[0090]β = ^Ι^ = 1υο {Am^Amlx^觸
T (ji mM+A rrmx)
[0091]使用關(guān)系式:
Γ π Λ JV.m τ聲^ JS1- rt
[0092]G = — wIf ? Jr S= ——
60 * X<:> O -
[0093]我們可以寫為:
[0094]
露rrf(U)
[0095]插入β:
[0096]>g = rfl-2m(14)
\ I及— I/ )
[0097]其中，T是時(shí)間的函數(shù)，為了估算其數(shù)值，我們應(yīng)該將時(shí)間與分組發(fā)生率聯(lián)系。這能夠通過使用如圖10-12中所表示的數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)。
[0098]特性分組時(shí)間與β的數(shù)值有關(guān)，其有利于排氣管的實(shí)際設(shè)計(jì)工具，如圖13所描述的，其是設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)草圖。該草圖使能夠評估與發(fā)動(dòng)機(jī)的特性成函數(shù)關(guān)系的管-幾何結(jié)構(gòu)。針對優(yōu)化性能，其建議O < β <1。例如，用于實(shí)例性系統(tǒng)200的體積比V*的數(shù)值(如圖5所示)是0.62,并且,橫截面面積關(guān)系是=5.14。對于如圖11中所描述的β = 0.94的情況，函數(shù)T(方程14)的相應(yīng)值導(dǎo)致時(shí)間值為0.025秒。這反過來很好地相應(yīng)于如圖11所反映的分組發(fā)生率。因此，針對該草圖中的V* = 0.62，固定曲線的正確位置。
[0099]在本實(shí)用新型的優(yōu)選變型中，排氣管100垂直地可操作地設(shè)置，然而，氣體的內(nèi)流動(dòng)整體地向上。參考圖14，其根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選變型示意地圖示具有柴油機(jī)30的排氣部的試驗(yàn)設(shè)備300，所述試驗(yàn)設(shè)備平行地可操作地被附接到傳統(tǒng)的直鋼管40以及周期排氣管100，其中周期排氣管100設(shè)置在垂直方向上。管40和100都是80cm長并且都具有相同的流速。在每個(gè)管的出口處，測量設(shè)備50被使用來測量顆粒的尺寸分布。因此，設(shè)置周期管100被設(shè)置在垂直方向上，其中，第一敞開端部130向上指。比較于在圖5中所示出的系統(tǒng)200的設(shè)備，當(dāng)在基本地相同的情況下運(yùn)行時(shí)，結(jié)果顯示以更大尺寸的顆粒部分的質(zhì)量變大為代價(jià)來使更小顆粒的數(shù)量極大地減少。
[0100]圖15圖解地圖示了示出當(dāng)顆粒在是系統(tǒng)300的一部分的排氣管100內(nèi)側(cè)流動(dòng)的同時(shí)與顆粒直徑成函數(shù)關(guān)系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化的實(shí)施例，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)以1500rpm轉(zhuǎn)速和具有6kw的負(fù)荷運(yùn)行。應(yīng)該注意到的是，分組速度的特征可以在于以角Θ所表示的斜坡。角Θ更大，則分組速度就是越大。圖16圖解地圖示了實(shí)施例情況以示出在不同發(fā)動(dòng)機(jī)速度處與角Θ成函數(shù)關(guān)系的分組的特征。
[0101]在本實(shí)用新型的其他變型中，排氣管100對角地可操作地設(shè)置，然而，氣體的內(nèi)流動(dòng)整體地向上。
[0102]應(yīng)該注意到的是，在傳統(tǒng)排氣管40和兼容排氣管100內(nèi)側(cè)的阻力基本相同。
[0103]本實(shí)用新型因此根據(jù)實(shí)施方式和實(shí)施例描述，顯而易見的是，在許多方式中相同的可以被改變。這種變型不能視為背離本實(shí)用新型的精神和范圍，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說清楚的是所有的這些修正都意圖包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0104]圖中文字的翻譯:
[0105]圖1:particle locat1n:顆粒位置
[0106]圖4b:velocity:速度，time:時(shí)間
[0107]圖5:diesel engine:柴油機(jī)；particulate analyzer:顆粒分析儀
[0108]圖6:particle mass rat1 as a funct1n of particle diameter:與顆粒直徑成函數(shù)關(guān)系的顆粒質(zhì)量比
[0109]Regular pipe:常規(guī)管 cyclic geometry:周期幾何結(jié)構(gòu)；
[0110]particulate diameter [ μ m]:顆粒直徑[μ m]
[0111]圖 7:particulate mass fract1n change Vs.their size:顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù) Vs 它們的尺寸
[0112]particulate mass fract1n change:顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化；
[0113]particulate diameter [ μ m]:顆粒直徑[μ m]
[0114]圖8a_ 圖 8d:engine load = lkw:發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷=Ikw ；particulatediameter [ μ m]:顆粒直徑[μ m] ；mass fract1n change:質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化
[0115]圖 9a_ 圖 9c:engine speed = 1.500rev/min:發(fā)動(dòng)機(jī)速度=1.500rev/minparticle diameter [ μ m]:顆粒直徑[μ m]
[0116]圖 10:particle locat1n β = 0.4，C = 1.5:顆粒位置，β = 0.4，C = 1.5exitcross sect1n:出口橫截面；grouping:分組
[0117]圖 11:particle locat1n β = 0.: 94，C = 1.5:顆粒位置，β =0.4，C = 1.5
[0118]exit cross sect1n:出口橫截面；grouping:分組
[0119]圖 12:particle locat1n β = 0.: 94，C = 1.5:顆粒位置，β =2.4，C=1.5
[0120]exit cross sect1n:出口橫截面；grouping:分組
[0121]圖13:grouping:分組
[0122]圖14:particulate analyzer:顆粒分析儀 diesel engine:柴油機(jī)
[0123]圖 15:changes in the mass fract1n as a funct1n of the particle’ sdiameter:與顆粒直徑成函數(shù)關(guān)系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Mass fract1n:質(zhì)量分?jǐn)?shù)particulate diameter [ μ m]:顆粒直徑[μ m]
[0124]圖 16 -characterizat1n for grouping as a funct1n of the angle:與角成函數(shù)關(guān)系的分組的特征
[0125]Angle [rad]:角[rad] ；voltage [v]:電壓[v]
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的空心體排氣管，所述空心體具有內(nèi)表面、外表面、第一敞開端部、第二敞開端部和縱向軸線， 其中所述內(nèi)表面被成形以形成具有至少兩個(gè)周期的駐周期波幾何結(jié)構(gòu)；以及其中包括可吸入顆粒物的氣體通過所述第一敞開端部進(jìn)入到所述排氣管并且通過所述第二敞開端部流出所述排氣管，其中大量的所述可吸入顆粒流入所述排氣管的內(nèi)側(cè)的同時(shí)被分組以形成可過濾顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的排氣管，其中所述縱向軸線水平地設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的排氣管，其中所述縱向軸線垂直地設(shè)置，其中所述第二敞開端部相對于所述第一敞開端部提升。
4.如權(quán)利要求1所述的排氣管，其中所述縱向軸線對角地設(shè)置，其中所述第二敞開端部相對于所述第一敞開端部提升。
5.如權(quán)利要求1所述的排氣管，其中所述駐周期波包括窄的徑向尺寸Dn和寬的徑向尺寸Dw，其中所述窄的徑向尺寸Dn極大地小于所述寬的徑向尺寸Dw。
6.如權(quán)利要求5所述的排氣管，其中所述寬的徑向尺寸和所述窄的徑向尺寸的比值Dff/DN直接地影響亞微顆粒的分組趨向。
7.如權(quán)利要求1所述的排氣管，其中所述排氣管的橫截面是圓形、多邊形或橢圓形。
8.如權(quán)利要求1所述的排氣管，其中在所述排氣管內(nèi)側(cè)的速度場U是駐波速度場:
U = Ua-Ub cos (kx) (sin (ω t) +C),.其中Ua是平均速度，C是常量，Ub是幅度，ω是所述駐波的角速度:ω = 2 π /T,其中T是所述駐波的周期，并且K是所述駐波的波數(shù):k = 2 π /L，其中L是所述駐波的長度；并且其中所述常量C被選擇以分別地在Dn和Dm處獲得最大速率和最小速率。
9.如權(quán)利要求8所述的排氣管，其中如果歸一化速度場U*是:
U* = UI_U*cos ( X，) (sin (t*) +C)， 其中使用特征速度歸一化所述速度:U。，其中U。= ωΛ，Χ是利用K和具有ω的t來歸一化，以及其中星號表示無量綱參數(shù)；以及其中當(dāng)符合以下條件時(shí)發(fā)生大量的分組:Uj "…I)-<1 OO
【文檔編號】F01N13/08GK203948152SQ201420056315
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月29日
【發(fā)明者】卡多施瓦斯基大衛(wèi), 魯賽邁克爾, 謝爾伊蘭 申請人:派銳有限公司