도 1은 가변추력 배기벤튜리(100)를 설치한 자동차(102)의 부분사시도이다. 예로 든 자동차(102)는 픽업 트럭의 후반부를 보여주고, 편의상 전반부는 도면에서 생략한다. 이 자동차(102)의 내연기관(도시 안됨)에서 생긴 연소 배가스는 배기관과 머플러(106)와 인입관(110) 및/또는 촉매변환기를 통해 도면의 화살표(104) 방향으로 가변추력 배기벤튜리(100)로 들어간다.
본 명세서에서 설명한 것은 내연기관에 대해서이지만, 다른 종류의 엔진에 대해서도 마찬가지로 적용될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 기술을 고온 연소기체에서 동력을 추출하는 터빈, 내연기관과 터빈의 하이브리드 조합 및/또는 유체의 열을 유용한 기계적 일로 변환하는데 엔진 내부의 유체의 압력비를 이용하는 다른 엔진에도 적용할 수 있다. 또, 본 발명의 기술을 비행기, 우주선, (수면 위와 밑을 달리는) 선박, 궁극적으로 엔진의 배기 가스에서 기계식 동력을 생성하는 다른 모든 탈것에도 적용할 수 있다.
자동차(102)가 움직일 때, 상대적으로 정지상태인 주변 유체(예; 공기나 물)가 화살표(108) 방향으로 벤튜리(100) 안으로 들어간다. 본 발명의 기술은 (연소기관 배가스 이외의) 움직이는 작동유체를 벤튜리(100)로 잡을 수 있는 고정식 연소기관에도 적용할 수 있다.
인입관(110) 내부의 배가스와 벤튜리(100) 안으로 밀려들어간 주변 유체는 벤튜리(100) 안에서 합쳐져 연소기관의 성능개선을 가져온다(이에 대해서는 뒤에 설명함). 합쳐진 주변 유체/배가스는 화살표(112) 방향으로 벤튜리(100)를 통해 자동차(102)에서 나간다.
일 실시예에서, 벤튜리(100)는 주변 유체를 받아 압축성 유체체계에서 마하 0.3 내지 1.0 정도의 높은 아음속 유체속도로 가속하여 엔진 배기부에 큰 흡입압력(예; 국부적 대기압보다 작은 1 psig를 넘음)을 생성한다. 또, 벤튜리(100)는 아주 광범위한 연소기관 배가스 질량유속, 밀도, 온도, 압력은 물론 매우 광범위한 주변 유체 속도(예; 약 25마일/시간 이상), 압력(예; 해발 60,000 피트 고도와 등가) 및 온도(-100°F 내지 200°F 이상)에 걸쳐 엔진 배기부에서 높은 속도와 큰 흡입력을 유지할 수 있다.
또, 대부분의 엔진이나 발전소가 동력요건 범위내에서 동작하므로, 경우에 따라서는 이런 벤튜리(100) 설계시의 주안점이 벤튜리가 광범위한 엔진 배기유량과 흡입 주변유체 유량에 걸쳐 동작하도록 하는데 있어, 벤튜리를 가변추력식으로 한다. 또, 벤튜리(100)는 연료효율에 악영향을 주는 자동차(102)의 항력손실을 최소화하도록 인입부 단면적을 상대적으로 작게한다. 그 결과, 벤튜리(100)가 작동하는 주변유량대 배기유량의 비는 1:1 내지 10:1 미만 정도로 비교적 낮다. 낮은 주변유량 때문에 인입 유체가 특히 배기유량내에서 변하기 쉽다. 이때문에 벤튜리(100)의 가변추력 구조가 복잡해진다.
벤튜리(100)로 인해, 광범위한 배기매체 유량에 걸쳐 엔진 배기부에 강력한 흡입력을 일으킴으로써 관련 엔진(도시 안됨)의 열효율을 크게 높일 수 있다. 열효율의 개선은 엔진 배기부에 강력한 흡입력을 일으키는 벤튜리(100) 외의 다른 장치를 사용해서 이룰 수도 있다(도 2 참조). 이런 장치들은 기계식 피스톤펌프, 기계식 터빈펌프, 기계식 루트펌프 등이 있지만, 이에 한정되지도 않는다. 또, 열효율 개선으로 인해 엔진 라디에이터의 크기를 줄일 수 있고, 경우에 따라서는 라디에이터를 없앨 수도 있다. 이 경우, 자동차(102)의 전체 중량이 감소되고 구조도 간단해진다. 또, 라디에이터의 축소나 제거를 통해 자동차(102)의 공기역학적 형상을 개선하고 항력을 낮춰 연비도 높일 수 있다.
일례로, 벤튜리(100)가 연소기관의 배기압 출력을 낮춰, 연소기관의 연료효율을 크게 높일 수 있다. 예컨대, 벤튜리(100)가 엔진의 동력조건을 낮춰 유체손실을 일으키는 배가스를 배출하고, 배기관이나 촉매컨버터나 머플러에서 생기는 제한을 줄일 수도 있다. 한편, 벤튜리(100)가 연소기관 내부의 실린더 평균압력을 낮추고, 이때문에 실린더 연소기체 경게층들에서의 열손실을 줄일 수 있다. 이런 열손실은 벤튜리(100)가 달려있지 않은 기존의 연료/공기 연소기관의 열손실의 상당량을 차지한다. 또는, 벤튜리(100)가 배기 출구에 대해 추가 압력비를 제공하고, 이런 추가 압력비를 이용해 배가스의 열을 기계적 일로 변환하도록 배기출구에 동력발생 요소(예; 터빈이나 터보기관)를 추가로 설치할 수도 있다.
본 발명은 연소과정에서 생긴 고온 배가스로부터의 열에너지를 일로 변환하는데 큰 장점이 있다. 그러나, 본 발명은 고압이나 낮은 작동유체 밀도를 내는데 연소를 이용하지 않고 압력 작동유체를 이용하는 다른 동력사이클에도 적용할 수 있다.
이하의 분석은 벤튜리를 자동차 배기부에 설치하여 파워시스템의 열손실을 최소화하는 것이 자동차 엔진의 연료효율을 더 뽑아낼 기회를 어떻게 제공하는지 더 자세히 보여준다. 기체충전 피스톤엔진의 경우, 미분 일은 실린더내의 미분 체적변화에서 아래와 같이 유도된다:
(1)
여기서 Rg는 피스톤과 작용하는 기체의 기체상수, Tg는 기체의 온도, vg는 기체의 비체적, dvg는 피스톤 실린더 체적의 미분 비체적 변화이다.
이상기체로 동작하는 터빈의 경우, 미분 일은 터빈 회전자/고정자에 걸리는 미분 압력변화로부터 아래와 같이 유도된다:
(2)
여기서 η polytropic는 터빈의 폴리트로픽 효율, Tg,t는 기체의 정체온도, Pg는 기체의 압력이고, 다른 변수들은 전과 같다.
기체에서 기계적 동력을 추출하는 파워시스템의 위의 식 1~2의 경우, 동력시스템에서 유도된 일이 증가할수록 시스템내에서 작동유체로 사용되는 기체의 온도도 높아진다. 따라서, 고온 기체를 유지하기 위해 열손실을 최소화하면 시스템의 일출력이 비례적으로 증가한다.
시스템을 통과하는 기체의 열손실을 방지하려면, 기체에서 외부환경으로 흐르는 열유량에 대한 열저항을 높인다. 열저항을 높이는 한가지 방법은 고온의 고체 단열체를 이용하는 것이다. 다른 방법은 기체가 고체에 비해 단열성이 높으므로 기체 자체의 고유 단열성을 높이는 것이다. 기체 경계층의 열전달계수는 경계층을 가로지르는 열류량의 열저항에 반비례한다. 따라서, 열전달계수가 높을수록 기체 경계층의 열저항은 낮아진다. 피스톤엔진의 경우, 피스톤엔진 내부의 연소기체 경계층의 열전달계수는 아래와 같다:
(3)
여기서 h conv,i(t)는 순간 기체경계층 복사 열전달계수, V(t)는 실런더 내부의 순간체적의 시간함수, Pg(t)는 실린더 내부의 순간 기체압, Tg(t)는 실린더 내부의 순간 기체온도, rpm은 사인파형 피스톤 사이클의 분당 평균회전수, L은 실린더 행정이다.
식 (3)에 의하면, 열전달계수는 실린더 압력에 선형으로 비례한다. 따라서, 피스톤엔진에서 열손실을 줄이는 한가지 방법은 주어진 일량을 생산하는데 필요한 평균 실린더 압력을 줄이는 것이다. 연비 개선이 소량의 작동유체로 더 많은 일을 하는 것이므로, 열손실이 감소할수록 같은 순 일량을 생산하는데 필요한 평균 작동유체 밀도가 감소하고, 이때문에도 열손실은 더 감소된다. 평균 작동유체 밀도가 낮을수록, 주어진 일량을 내기위해 실린더에 분사될 연료/공기 혼합물이 줄어든다. 엔진 배기압력을 낮춰, 연소기체 경계층에서의 열손실에 대한 단열효과를 얻을 수 있고, 이런 단열효과는 궁극적으로 엔진의 연비를 개선한다.
또, 재기압력이 낮으면 동력행정 이후에 실린더를 더 완벽하게 비울 수 있다. 예를 들어, 어떤 피스톤엔진에서는, 흡기행정으로 진행하는 이전 동력행정에서 생긴 잔류 연소기체가 흡기 용적의 15% 이상을 차지할 수 있다. 주어진 동력출력에 대해, 이런 잔류기체가 있으면 손실된 실린더 용적을 보충하기 위해 더 많은 추진충전제(예; 연료-공기)를 소비해야 한다. 이렇게 추진충전제를 추가하면 상사점 부근에서의 최대 실린더압력이 더 커진다. 엔진의 행정중의 다른 곳에 비해 상사점에서 실린더 압력이 훨씬 더 높기 때문에 엔진 열손실의 상당량은 상사점 부근에서 일어난다. 따라서, 배기부에 흡입기능을 두고 잔류기체를 배출하면, 주어진 마력을 일으키는 평균 실린더 압력을 낮출 수 있고, 그 결과 엔진블록에서의 열손실도 줄일 수 있다. 배기시스템에서 비교적 강력한 흡입압력을 이루는 각종 시스템과 방법(예; 벤튜리)에 대해서는 뒤에 자세히 설명한다.
도 2는 배가스 출력이 가변적인 연소기관 배기부의 진공압력을 제어하는 시스템(200)의 플로어차트이다. 화살표(268,270)로 표시된 것처럼 연료(262)와 산화제(264)가 엔진(266)에서 합쳐지고 연소되면서 일을 생산한다. 연료(262)와 산화제(264)의 연소로 생긴 배가스는 엔진(266)에서 화살표(272) 방향으로 배출된다. 전술한 바와 같이, 이런 기술을 다른 종류의 엔진에도 적용할 수 있다.
진공펌프(274)로 엔진(266)을 나가는 배가스 압력이나 주변 환경에 대해 부압인 흡입압력을 배가스에 가하여 연비개선을 이룬다. 진공펌프(274)는 배가스에 부압을 가할 수만 있으면 어떤 장치도 가능하다(예; 벤튜리관이나 기계식 펌프). 연소 배가스(276)는 화살표(278) 방향으로 진공펌프(274)를 나간다.
여기서 의미하는 "가변추력"을 얻기위해, 진공펌프(274)는 엔진(266)의 배가스 질량유속 출력을 기초로 증가된 엔진 배가스 질량유속을 수용하도록 자체 용적 유량을 늘릴 수 있는데, 이런 배가스 질량유속 출력은 엔진(266)의 기계적 파워출력의 기초도 된다. 배가스 질량유속은 예컨대 유량센서를 이용해 실시간으로 측정한 다음, 화살표(282) 방향으로 진공펌프 컨트롤러(280)에 보내진다. 진공펌프 컨트롤러(280)는 화살표(284)로 표시된 측정된 배가스 질량유속을 기초로 진공펌프(274)의 용적유량을 조절한다. 일례로, 진공펌프 컨트롤러(280)는 기계식 진공펌프의 회전속도를 주어진 흡입압력의 용적유량에 맞게 바꿀 수 있다. 한편, 진공펌프 컨트롤러(280)가 벤튜리의 스로트 사이즈나 인출특성과 같은 물성을 바꿔 용적유량을 조절할 수도 있다. 배가스 질량유속을 기초로 펌프의 용적유량을 변화시켜, 본 발명의 시스템은 엔진(266)의 광범위한 출력조건에 걸쳐 "가변출력"을 달성할 수 있다. 한편, 엔진 회전속도, 엔진 토크, 엔진 흡기매니폴드 압력, 엔진 배기유량, 엔진 배가스 온도 및 엔진 배기압력 중의 2가지 이상을 이용해 펌프의 용적유량을 바꿀 수도 있다.
엔진의 구성과 부하(예; rpm, 엔진축 토크)에 따라서는, 배가스의 흡입압력을 변화시켜야 최적의 연비를 얻을 수도 있다. 이 경우, 펌프 컨트롤러(280)가 (rpm이나 토크를 감시하여) 엔진의 출력을 감지하여 펌프 출력을 변화시켜, 엔진 배가스의 가변 용적유량을 계속 감시함은 물론, 특별한 엔진부하 조건에 맞는 최적의 연비로 엔진을 작동시키도록 흡입압력을 "조율"할 수 있다.
도 3은 엔진 흡입압력(psig)과 엔진 부하(출력축의 토크)에 대한 실린더 피스톤 연소엔진의 상대적 연비 개선율을 보여주는 그래프(300)이다. 상대적 연비개선율은 엔진의 rpm을 2700rpm 정도로 고정하고 엔진에 3가지 다른 토크값을 적용하여 측정한다. 첫번째 토크값은 25 ft-lb로서 383 라인이고, 두번째 토크값은 31 ft-lb로서 386 라인이며, 세번째 토크값은 43 ft-lb로서 388 라인이다.
3가지 토크값을 일정하게 유지하되 엔진 배가스의 가변 흡입압력은 0~-4 psig이다. 엔진부하, rpm, 구성이 달라지면 엔진 연비를 최대로 개선하는 최적의 흡입압력으로 바꿀 수 있다.
경우에 따라서는, 최대 연비개선을 이루도록 흡입압력을 -5 psig로 할 수도 있다. 환기장치나 유량제어밸브를 배기시스템에 설치하여 배기시스템에 주변 유체를 더 들어가도록 하여 과잉 흡입압력의 일부를 완화할 수도 있다. 이렇게 되면 엔진 배기구에서 생긴 흡입압력의 정밀한 제어가 가능하다. 또, 주어진 엔진부하 조건에 맞는 최대의 연비개선을 위해 흡입압력을 최적화할 수도 있다. 또, 흡입압력을 일으키는 장치가 광범위한 배가스 유량에 대한 흡입압력과 작동을 변화시켜 원하는 흡입압력을 낼 수도 있다. 즉, 벤튜리나 다른 흡입력 생성장치를 가변추력형으로 할 수 있다.
도 4는 마하수에 대한 벤튜리 공기밀도비를 보여주는 그래프(400)이다. 그래프(400)에 의하면, 유체(예; 주변 유체)는 기본적으로 마하 0.3 미만에서는 비압축성(즉, 유체밀도가 유속과는 무관)이다. 마하 0.3 이상에서는, 유체 밀도가 유속에 좌우되는 압축성 유체로 작용한다. 일 실시예에서, 여기 소개된 가변추력 벤튜리는 주변 유체류를 압축성 유체체계(예; 마하 0.3 이상)로 가속한다. 마하 1.0 이상의 초음속을 이루려면 벤튜리 상류의 압력이 주변보다 커야 하므로, 펌프가 필요하다. 그 결과, 여기 소개된 아음속 압축성 주변 유체는 마하 0.3 이상 1.0 미만으로 흐를 수 있다.
도 5는 가변추력 배가스 벤튜리(500)의 횡단면도이다. 연소기관(도시 안됨)에서 생긴 연소 배가스와 주변 유체는 도면의 하단에서부터 벤튜리(500)를 통과한다. 이 벤튜리(500)는 유체경로 단면적이 변하는 벤튜리관의 변형으로서 벤튜리 스로트(524)에서 단면적이 최소이다. 연소 배가스가 없으면, 주변유체류가 벤튜리(500)를 통해 가속되어 스로트(524)에서 유속이 최고로 된다. 주변유체는 스로트(524)의 하류에서 감속된다.
벤튜리(500)의 주변유체 입구(514)로 주변유체가 들어가고 엔진배가스 입구(510)로는 배가스가 들어간다. 벤튜리(500) 내부의 중앙 파이프(516) 안을 흐르는 배가스는 배가스 출구(518)에서 주변 유체에 혼입된다.
주변유체는 벤튜리(500)의 중앙 파이프(516)와 외부 하우징(522) 사이로 흐른다. 스로트(524) 부근에서의 파이프(516)와 하우징(522) 사이의 단면적의 급격한 축소로 인해 주변유체는 아음속 정도의 고속으로 가속 및 압축된다. 스로트(524)는 중앙파이프(516)와 하우징(522) 사이의 단면적이 가장 작은 곳 부근에 위치하고, 이곳에서 배가스가 주변유체에 혼입되어 섞인다. 주변유체와 배가스의 혼합물은 벤튜리 출구(526)에서 나간다. 스로트(524) 부근에서 배가스와 작용하는 고속 주변유체의 혼합물은 중앙파이프(516)의 출구에 흡입압력을 일으켜, 연소엔진의 효율을 높이는데, 이에 대해서는 뒤에 자세히 설명한다. 스로트(524)에서의 이런 조건은, 스로트(524) 하류의 조건들이 주변으로 배출되는 유량이 대기압으로 복귀되기에 충분하다는 가정하에 이루어진다.
벤튜리(500)는 베르누이 정리를 이용해 주변유체가 흐르는 부분의 면적을 축서시켜 흐름을 가속한다. 이런 면적축소로 주변유체가 가속된다. 유속이 증가할수록 주변유체내의 자유류 압력이 강하해, 파이프(516) 출구에 흡입압력이 생긴다.
주변유체가 국부적 음속의 0.3배보다 크게(즉 마하 0.3 이상) 가속된 기체인 경우, 주변유체 밀도는 상대적으로 일정하게 머무는 밀도보다 더 강하한다. 밀도가 일정한 유체(예; 액체나 마하 0.3 미만의 저속 기체류)와는 달리, 기체에서는 유체밀도가 낮아지면 스로트(524)와 같은 좁은 부분에서의 유속이 급격히 증가하여 아주 높은 흡입압력이 생긴다. 이런 고속에서는 다른 벤튜리(예; 마하 0.3 미만의 비압축성 유속에서 동작하거나 광범위한 엔진 용적유량에 걸쳐 높은 마하수를 유지하지 못하는 벤튜리)에서는 얻을 수 없는 아주 낮은 게이지 흡입압력이 생기는 메커니즘이 제공된다.
일례로, 주변 기체가 통과하면서 벤튜리(500) 내부에서 주변유체가 얻을 수 있는 최고 속도는 음속인 마하 1.0이다. 벤튜리(500) 내부에서 음속을 내는데 필요한 것보다 높은 자동차 속도에서, 어떤 추가 주변 인입기체도 벤튜리 내부에서 음속 이상으로 가속되지 않는다. 대신에, 모든 추가 주변 인입 유체는 주변유체 입구(514)로 흘러들어가, 벤튜리 내부에서 음속보다 속도가 높아지는 것을 효과적으로 방지한다. 이런 현상을 소닉코킹(sonic choking)이라 하고, 벤튜리(500) 내부에서의 주변 유체의 최대속도를 제한한다.
입구 단면적이 충분하면, 소닉코킹이 비교적 저속(예; 25 mph)에서 시작하도록 설계할 수 있어, 높은 자동차 속도에서는, 인입 주변유체의 질량유속이 벤튜리(500) 내부에서 비교적 일정해진다. 이런 특징 때문에 벤튜리(500)의 설계를 단순화할 수 있다.
어떤 경우에는, 주변유체의 속도나 배가스에 작용하는 흡입압력을 최적으로 조절하도록 벤튜리(500)에 여러가지 고정되거나 동적으로 조절되는 특징들을 추가할 수도 있다. 예컨대, 하우징(522)과 파이프(516) 사이에 여러가지 배플이나 출구 구멍들을 추가할 수 있다. 또, 벤튜리(500)의 동작조건에 맞춰 배플을 조절하거나 출구구멍들을 동적으로 개폐할 수 있다. 또, 벤튜리의 동작조건에 따라 스로트(524)를 동적으로 조절할 수도 있다(예; 아이리스 밸브 이용).
벤튜리(500)는 축선(540)에 대해 비대칭이거나, 타원형, 직사각형, 기타 다른 형상을 가질 수도 있다. 벤튜리(500)에 와류발생기를 설치하여(도 12 참조), 주변유체에 국부적으로 각모멘텀을 부여하여 배가스에 의해 주변유체류의 궤도가 바뀌기 어렵도록 할 수도 있다.
와류발생기(544)를 하우징(522) 내부에 부착할 수도 있다. 와류발생기는 주변유체들의 흐름 방향에 어긋나있는 작은 날개로서, 벤튜리(500)에 흐르는 주변유체나 배가스나 혼합 유체류에 와류를 일으킨다. 와류발생기에 대해서는 뒤에 설명한다.
와류발생기는 하우징(22)에서 주변유체류 안으로 0.5인치 이상 1인치 미만 돌출한 날개쌍이다. 각 날개쌍은 입구부가 출구부보다 크거나 작도록 서로에 대해 좁아지도록 배치된다. 한쪽 와류발생기는 입구부가 출구부보다 좁게 배치되고, 다른쪽 와류발생기는 그 반대로 배치될 수 있다. 주변유체류에 대한 와류발생기의 기울어진 각도는 20도 미만이 일반적이다. 한편, 비슷한 와류효과를 일으키는데 다른 모양의 날개들을 사용할 수도 있다.
도 6은 도 2의 벤튜리(200)의 중앙 파이프(516,616)의 상세도이다. 엔진에서 생긴 배가스는 도 6의 하단부 입구에서 중앙 파이프(616)에 들어간다. 도 6의 단면은 중앙파이프(616)를 흐르는 배가스의 유동로이다. 구체적으로, 중앙파이프(616)를 화살표(604) 방향으로 들어가고 화살표(632) 방향으로 나가는 배가스는 엔진 배기구(618,620)에서 주변유체(도시 안됨)에 합류된다.
중앙파이프(616)는 축선(640)에 대해 비대칭이거나, 타원형이나 직사각형이나 기타 다른 형태를 취할 수도 있다. 도 6에는 2개의 배기구(618,620)가 있지만, 추가로 다른 배기구가 있을 수도 있다. 또는 배기구들이 축선(640)에 대해 비대칭으로 배치될 수도 있다.
도 7은 유선이 728인 낮은 배가스 유체의 출력상태로 동작하는 가변추력 배기 벤튜리(700)의 횡단면도이다. 유선에 의하면 벤튜리(700) 내부에서 주변유체와 연소 배가스가 집단적 유동운동을 한다. 주변유체는 입구(714)를 통해 벤튜리(700)에 들어간다. 주변유체 입구(714)에서의 연소 배가스가 흐르는 중앙파이프(716)와 하우징(722) 사이의 간격을 입구간격(730)이라 한다. 벤튜리(700) 안을 흐르는 주변유체의 속도는 장웅파이프(716)와 하우징(722) 사이의 단면적이 작아질수록 커져, 도 7의 하단에서 상단으로 갈수록 커진다.
배가스는 중앙파이프(716)를 통과해 출구(718)에서 주변유체와 합류한다. 화살표(732)는 파이프(716)를 나가는 배가스의 흐름을 보여준다. 주변유체의 유동 단면적이 최소인 스로트(724) 부근에서 주변유체는 마하 0.3 이상의 고속으로 가속되고 배가스가 주변유체에 합류된다.
주변유체에 합류된 배가스의 모멘텀이 주변유체를 조인다. 이때문에 스로트(724)에서 주변유체 유선의 단면적이 바뀌어, 더 작은 면적의 유효 스로트(728)가 생긴다. 유효 스로트(728)의 정확한 위치와 크기는 스로트(724), 주변유체의 질량유속, 배가스의 질량유속, 및 배가스가 주변유체에 합류되는 위치와 각도에 의해 좌우된다. 도 7에 도시된 아랫쪽의 배기구에서, 유변유체 유효 스로트(728)는 비교적 큰 면적을 갖고 하우징(722)에서부터 엔진 배기구 가까이 뻗는다.
스로트(724)의 하류의 혼합구역(734)에서 주변유체와 배가스가 혼합된다. 주변유체와 배가스의 합류는 팽창노즐(736)을 통과하고 출구(726)로 나가는데, 팽창노즐(736)의 내벽면에서 분리된다. 합류가 팽창밸브의 내벽면에서 분리된 뒤의 단면적(738) 부분에서의 합류의 압력은 벤튜리(700) 둘레의 대기압과 같아진다. 도 7의 하부 배기 출구의 단면적(738)은 팽창노즐(736)의 출구와 거의 비슷하다. 스로트(724) 하류의 압력이 크게 줄어들어 중앙파이프(716) 배출구에 생기는 흡입압력 때문에 엔진의 연비가 증가한다.
벤튜리(700)는 축선(740)에 대해 비대칭이거나, 타원형, 사각형 기타 다른 비대칭 형상을 가질 수 있다.
도 8은 도 7의 벤튜리(700)의 중앙 파이프(716,816)의 상세도이다. 도 7에서 설명한 것처럼, 중앙 파이프(816)를 흐르는 배가스는 출구(818)에서 주변유체와 합류한다. 화살표(832)는 파이프(816)를 나가는 배가스의 흐름이다. 스로트(824) 부근에서 주변유체는 압축성 유체의 아음속 정도의 높은 속도로 가속되고, 배가스가 주변유체에 합류된다.
주변유체에 합류되는 배가스의 모멘텀에 의해 주변유체가 조여지고, 이때문에 스로트(824) 부근의 주변유체 유선(846)의 단면적이 바뀌어, 면적이 더 작아진 유효 스로트(828)가 생긴다. 도면 아랫쪽의 출구에서 유효 스로트(828)는 비교적 큰 단면적을 갖고 하우징(822)에서부터 엔진 배기 출구 가까이 뻗는다. 주변유체 유선(846)는 도 10의 주변유체 유선(1046)에 비해 배가스 경계층(832)보다 영향이 작다.
벤튜리는 스로트(824) 부근에서 주변유체 유선이 차지하는 단면적이 배기구에 걸쳐 소정 간격에 대해 일정하도록 설계된다. 그 결과, 주변유체가 엔진 배기구에서 속도가 높아지고 이 속도를 유지한다. 파이프(816)에서 배기구를 나가는 배가스는 바로 밑에서 중앙파이프(816)의 출구를 나가는 배가스와 합류한다. 주변유체 유선 프로필과 아음속의 유선들에 의해 배기 출구에 강력한 흡입력이 생긴다.
도 9는 유선(928)을 갖는 고출력 배가스 상태로 동작하는 벤튜리(900)의 횡단면도이다. 이 유선에 의하면, 주변유체와 배가스가 벤튜리(900)를 지나면서 집단 유동운동을 한다, 주변유체는 입구(914)에서 벤튜리(900)에 들어간다. 배가스가 들어있는 중앙파이프(916)와 하우징(922) 사이의 입구(914)에서의 간격을 입구간격(930)이라 한다. 벤튜리(900)를 통과하는 주변유체의 속도는 중앙파이프(916)와 하우징(922) 사이의 단면적이 줄어들수록 커진다.
중앙파이프(916)를 통과한 배가스는 출구(918)에서 주변유체에 합류한다. 화살표(932)는 중앙파이프(916)를 나가는 배가스를 표시한다. 스로트(924) 부근에서 주변유체는 고속으로 가속되고 배가스가 주변유체에 합류된다.
주변유체에 합류하는 배가스의 모멘텀에 의해 주변유체가 조여지고, 이때문에 스로트(924) 부근에서 주변유체 유선의 단면적이 줄어들어 유효 스로트(926)가 생긴다. 도 9에 도시된 높은 배가스 출력에서는, 엔진 배기구를 통해 중앙파이프(916)를 나가는 배가스의 모멘텀이 높을수록 유효 스로트(926)가 줄어들면서 엔진 배구구에서 멀어진다.
유효 스로트의 이런 움직임은 배기구에서의 정적 흡입압력을 변화시킨다. 흡입력이 일정한 벤튜리의 경우, 유효 스로트의 위치이동을 최소화하여 유효 스로트가 배기구를 나가는 배가스의 광범위한 조건에서도 배기구 위에 머물도록 하는 것이 기본 설계목표이다. 경우에 따라서는, 엔진의 가변 배가스 출력과 같이 하는 유효 스로트 단면적의 이동을 조절하여, 별도의 능동 컨트롤러 없이도 엔진의 연비를 최적화할 정도로 흡입압력을 최적화할 수 있다.
유효 스로트(926)의 크기를 줄이면 주변유체의 질량유속이 줄어들어, 배가스 출력이 높을수록 주변유체의 질량유속이 줄어든다. 벤튜리(900)의 입구간격(930)은 도 7~8의 실시예(유효 스로트(726,826)가 크고 배가스 출력은 낮음)과 도 9~10의 실시예(유효 스로트(926,1026)는 작고 배가스 출력은 높음)에 맞도록 설계된다.
스로트(924) 하류의 혼합구역(934)에서 주변유체와 배가스가 혼합된다. 주변유체와 배가스의 합류는 팽창노즐(936)과 출구(926)를 통해 나간다. 또, 이런 합류는 하류로 흐르면서 팽창노즐의 내벽과 분리된다. 합류가 팽창노즐 내벽면에서 분리되는 부분의 단면(938)에서 합류의 압력이 외부 대기압과 거의 같아진다.
도 9와 같이 배기출력이 높으면, 도 7의 단면(738)에 비해 단면(938)이 팽창노즐(936)의 출구에서 떨어져 스로트(924)쪽으로 움직인다. 이런 혀과는 배가스가 벤튜리의 주변유체를 조여 입력 주변유체의 질량유속을 감소시키고, 이때문에 벤튜리(900)를 나가는 혼합유체 질량유속을 변화시키기 때문이다. 단면적은 2개의 유체류의 질량의 변환, 모멘텀 및 에너지에 의해 결정된다. 운반 노즐 구간(936)에서 혼합된 유체의 "자가보충"이 어느정도 이루어지고, 이는 가변추력 벤튜리(900)의 설계에 중요한 사항이다. 스로트(924) 하류에서 크게 낮아진 압력 때문에 중앙파이프(916) 출구에 흡입압력이 생기고, 전술한 바와 같이, 이런 흡입압력은 해당 연소엔진(도시 안됨)의 연비를 높인다.
한편, 벤튜리(900)가 축선(940)에 대해 비대칭이거나, 타원형, 사각형, 기타 다른 비대칭 형태를 가질 수도 있다.
도 10은 도 9의 벤트리(900)의 중앙파이프(916,1016)의 상세도이다. 도 9에서 설명한 것처렴, 중앙파이프(1016)를 통과한 배가스는 출구(1018)에서 화살표(1032) 방향으로 주변유체에 합류한다. 스로트(1024) 부근에서 주변유체는 압축성 유체의 아음속 정도의 고속으로 가속되고 배가스가 주변유체에 합류된다.
주변유체에 합류하는 배가스의 모멘텀 때문에 주변유체가 조여진다. 이때문에 주변유체의 유선(1046)의 단면적이 스로트(1024) 부근에서 작아져, 유효 스로트(1028)가 생긴다. 도 10과 같이 배기출력이 높으면, 엔진 배기구를 통해 중앙파이프를 나가는 배가스의 높은 모멘텀에 의해 유효 스로트(1026)가 더 작아지면서 엔진 배기구에서 멀어진다. 이때문에, 배가스 유선(1046)는 도 8의 배가스 유선에 비해 배가스 경계층(1032)의 영향을 더 크게 받는다.
스로트(1024) 부근에서는 주변유체 유선이 차지하는 단면적이 재기구에서 거의 일정하도록 벤튜리를 설계한다. 그 결과, 주변유체가 광범위한 배가스 출력조건에 걸쳐 배기구를 통해 중앙파이프(1016)를 나가는 배가스와 혼합구역(1034)에서 섞이기 때문에 주변유체가 높은 속도를 이루고 유지한다. 주변유체 유선 형상과 높은 속도로 인해 배기구에 강한 흡입압력이 생긴다.
도 11은 와류발생기(1144,1146,1148,1150,1152)를 설치한 벤튜리(1100)의 횡단면도이다. 엔진에서 나온 배가스와 주변유체는 도 11의 하단에서 상단을 향해 벤튜리(1100)를 통과한다. 벤튜리(1100)의 주변유체 입구(1114)로는 주변유체가 들어가고, 엔진 배가스 입구(1110)로는 배가스가 들어간다. 배가스는 벤튜리(1100) 내부의 중앙파이프(1116)를 통과하여 엔진 배기구(1118)에서 주변유체에 합류한다.
중앙파이프(1116)와 하우징(11220 사이로 주변유체가 흐른다. 스로트(1124) 부근에서 주변유체는 중앙파이프와 하우징 사이의 단면적 축소로 인해 아음속 정도의 고속으로 가속된다. 스로트(1124)는 중앙파이프와 하우징 사이의 최저 단면적 부분에 위치하고, 이곳에서 배가스가 주변유체에 합류하여 혼합된다. 주변유체와 배가스의 합류는 출구(1126)를 통해 벤튜리(1100)를 나간다. 스로트(1124) 부근에서 배가스와 작용하는 고속 주변유체의 합류에 의해 중앙파이프(1116)의 출구에 흡입압력이 생겨, 엔진의 효율이 증가한다.
벤튜리(1100)는 엔진의 다양한 스로틀 조건에서, 결국은 다양한 배가스 질량유속에서 동작하도록 설계된다. 벤튜리(1100)가 높은 배가스 질량유속 범위를 이용해 동작하면, 주변유체의 모멘텀의 상당부분을 차지하는 배가스의 모멘텀 때문에 주변유체가 엔진 배가스의 유동효과에 특히 영향을 주기 쉽다. 벤튜리(1100)가 어떤 엔진 작동점에서 동작하는 동안, 엔진출력이 높아지거나 낮아지고, 이때문에 배가스 질량유속이 유효 스로트의 위치를 변화시키며 배가스 출구에서의 가능한 흡입압력도 낮춘다. 이런 낮은 배가스 질량유속 범위에서, 와류발생기나 다른 메커니즘들이 주변유체에 미치는 고연소 배가스의 영향을 최소화하는데, 이는 배기구를 나가는 배가스로 주변유체를 다루기 어렵게 하는 속도로 주변유체를 추가하여 이루어진다.
와류발생기(1144,1146)는 스로트(1124) 상류에서 주변유체 내부의 하우징(1122) 내부에 부착된다. 와류발생기는 주변유체 내부에 있는 작은 나래로서, 유선 방향과 불일치되게 위치하여 벤튜리(1100)를 흐르는 주변유체에 와류를 일으킨다.
와류발생기는 주변유체에 국부적인 각 모멘텀을 추가하고 주변유체 유선들을 효과적으로 "강화"하므로, 주변유체 유선들은 외부 압력이나 힘에 의해 쉽게 변하거나 압축되지 않는다. 추가적인 국부적인 각 모멘텀은 스로트(1124)에서의 배가스의 영향을 제한하고, 배기구에서의 흡입압력에 거의/전혀 변화를 주지 않고도 더 큰 범위의 스로틀 조건에서 엔진을 작동시킬 수 있다. 또, 관련 속도가 스로트(1124) 하류에서의 기체 혼합을 도와줄 수 있다.
와류발생기(1148)가 스로트(1124) 부근에서 주변유체 내부로 하우징(1122) 내부에 부착되거나, 스로트(1124) 하류에서 주변유체 안으로 하우징 내부에 와류발생기(1150,1152)가 부착될 수 있다.
주변유체가 압축되면서, 와류발생기에 의해 스로트(1124) 부근이나 상류나 하류에 생긴 와류의 회전속도가 주변유체를 강화하기에 충분한 속도를 제공하고 주변유체가 배가스 질량유속 변화에 충분히 민감하도록 한다. 또, 이 속도로 인해 스로트(1124) 하류에서 주변유체와 배가스의 혼합이 개선된다.
도 11의 와류발생기는 5개 그룹으로서, 첫번째 그룹의 와류발생기(1144)는 스로트(1124)보다 상당히 상류에 있고, 두번째 그룹의 와류발생기(1146)는 스로트(1124)보다 약간 상류에 있으며, 세번째 와류발생기(1148)는 스로트(1124)에 있고, 네번째 와류발생기(1150)은 스로트(1124)보다 약간 하류에 있으며, 다섯번째 와류발생기(1152는 스로트(1124)보다 상당히 하류에 있다.
각 그룹마다 4개의 와류발생기가 있지만, 도 11에 도시되지 않은 그룹에 4개의 와류발생기들을 추가할 수도 있다. 또, 그룹마다 와류발생기의 수를 달리할 수도 있다. 또, 각각의 벤튜리마다 와류발생기의 그룹수를 달리할 수도 있다. 또, 벤튜리(1100)가 축선(1140)에 대해 비대칭이거나, 타원, 사각형, 기타 비대칭 형상을 가질 수도 있다.
도 12는 벤튜리의 스로트에서의 주변유체 마하수와 배가스 정적 흡입압력의 관계를 보여주는 그래프(1200)이다. 이 그래프에서 유선의 등엔트로피 흐름에 대한 기체 동력학적 관계에서 유도된 주변유체 속도의 함수로서 구할 수 있는 주변유체의 최대 정적 흡입압력은 아래와 같다:
(4)
여기서 Pstatic은 주변유체의 정압, M은 주변유체의 마하수, Pstagnation은 주변유체의 정체압력, γ는 주변유체의 비열비이다. 실제로, 고체 표면과의 유체마찰, 주변유체로부터의 열전달, 높은 마하수의 주변유체와 낮은 마하수의 배가스 사이의 혼합과 유체공유로 인한 내부유체 모멘텀 손실 등은 이런 이상곡선의 성능을 악화시킨다. 배가스의 속도가 0이 아니기 때문에, 상류에서 겪는 엔진 배가스 정체압력은 벤튜리 스로트에서의 주변유체의 정적 정체압력보다 높을 수 있다(도 13 참조).
도 13은 벤튜리내에서의 연소 배가스 마하수와 연소 배가스 정체 흡입압력의 관계를 나타낸 그래프(1300)이다. 이 그래프에서, 음속의 주변유체 유선이 배가스 출력에 작용한다고 본다. 이 그래프는 엔진 배기시스템에서 정체압력을 낮추기 위해 배가스 출구 기체속도를 느리게(즉 낮은 마하수) 하는 것을 목적으로 한다.
도 14는 벤튜리 스로트에 주변유체 유선이 음속을 이루는 작동구역의 그래프(1400)이다. 작동구역은 경계선(1454) 위에 있고, 유효 스로트 면적에 대한 입구면적의 비와 입구 공기속도(시간당 마일로 표시됨)의 함수이다. 경계선(1454) 위에 있으면, 주변유체 유선이 벤튜리 내에서 음속을 이룬다. 음속보다 작은 벤튜리 스로트 속도로도 필요한 흡입압력을 일으키기에 충분하다면 이런 비율을 정확하게 만족할 필요는 없다.
실제로는, 배가스 출력의 변화 때문에 유효 스로트 간격에 변화가 일어난다. 이에 대해서는 도 8의 유효스로트(828)를 도 10의 유효스로트(1028)와 비교하면 된다. 주변유체의 높은 속도를 모든 배기출력 상태에서 얻을 수 있도록 하려면, 최대 유효 스로트 간격이 흡입된 주변유체 입구면적을 맞추는데 사용되어야 한다(도 7의 입구간격(730) 참조). 실제로는 작동 경계보다 약간 낮은 속도로도 벤투리내의 높은 속도를 이룰 수는 있어도, 음속에 관련된 강한 흡입력의 장점과 음속 조건이 급히 사라진다.
도 15는 벤튜리에서의 흡입압력에서의 입구면적과 스로트 면적의 비와 마하수의 관계를 보여주는 그래프(1500)이다. 이 그래프는 주변유체 유선 마하수의 민감도와 스로트 영역에서의 최소 유동면적에 대한 벤튜리 유동 단면적의 작은 변화에 대한 해당 정적 흡입압력을 보여준다. 주변유체 유선 정적 흡입압력의 큰 강하에 대한 배가스 출력의 변화에 관련된 스로트 간격이 비교적 크게 바뀔 가능성이 있어, 넓은 출력 배가스 상태의 범위에서 작동하는 벤튜리 설계(즉, "가변추력")에 큰 제한이 있다. 배기구 부근에서의 벤튜리의 설계는, 배기구 둘레의 유선들이 광범위한 배기구 경계층 조건에 걸쳐 높은 속도(예; 압축성 유체의 아음속)를 갖도록 해야 한다.
스로트 하류의 가변추력 배가스 벤튜리를 설계할 때, 유체 혼합이 해결된다. 배가스가 스로트 부근에서는 주변유체의 마하수에 비해 낮은 마하수로 이동하면서 배가스에 강력한 정체 흡입압력을 일으키기 때문에, 주변유체와 배가스가 혼합된다. 구체적으로는, 2가지 유체를 대기압으로 복귀시키고 벤튜리를 나가 대기압 상태로 들어가도록, 스로트 하류에서 혼합이 일어난다.
식 (5)는 배가스 출구에서 주변 정체압력을 내기 위한 스로트에서의 배가스 마하수를 보여준다. 식 (5)에서는 주변유체와의 혼합도 없고, 스로트에서의 정압이 스로트에서 음속으로 움직이는 주변유체의 정압과 같다고 본다.
(5)
여기서 γair는 주변유체의 비열비, γengine은 연소 배가스의 비열비, Mengine,2는 스로트에서의 배가스의 마하수이다. 표준 공기온도 비열비에 대해, γair≒1.4, 배가스 온도 비열비 γengine≒1.4, 스로트로 들어가는 배가스이 마하수는 음속보다 커서 Mengine,2>1로서 배가스가 대기압으로 나갈 수 있도록 한다. 혼합되지 않은 2가지 기체들 때문에 배가스 정체압력이 벤튜리 내부의 주변압력보다 크며, 이렇게 되면 벤튜리가 효과적으로 동작할 수 없다.
이것은 본 발명의 목적과 반대되는 것으로, 배가스에 배압을 일으킨다. 혼합되지 않은 유체류 벤튜리에서, 배가스 속도를 대기압으로 다시 복구시키려면, 정체압력이 대기압과 같거나 커야 한다. 벤튜리 배기구의 상류에서는 엔진 배가스 출구의 배가스 정체압력이 배기시스템의 마찰손실 때문에 더 커지기도 한다. 저반대는 스로트 하류에서 유체가 완전히 혼합되는 것인데, 이때 2가지 유체에 포함된 모멘텀, 질량유속 및 에너지가 하나의 흐름으로 합쳐진다. 이 경우의 분석은 아래와 같다.
2가지 유체의 기체역학은 3가지 기본 보존법칙인 질량보존, 에너지보존, 모멘텀 보존 법칙들을 따른다. 이하는 몇가지 가정을 단순화한 1-D 기체역학의 유도식으로서, 예컨대 1D 유체가 흐르고 외부환경에 대한 열손실은 무시할만 하다. 보존법칙들을 유체내 모든 단면에 적용한다.
도 5에서 3개 후보 단면적들이 확인된다. 예컨대 1번 영역은 556번 위치의 주변유체의 단면적에 해당하고, 2번 영역은 558번 위치에서의 주변유체와 배가스 둘다의 유효 단면적에 해당하며, 3번 영역은 560번 위치인 배출노즐에서 주변유체와 배가스의 합류가 대기업에 있고 노즐 벽면에서 분리되기 시작하는 부분에 해당한다. 비혼합에 비해 완벽한 혼합의 영향을 이해할 목적으로 2번과 3번 영역에서의 유체흐름에 대해 이하 더 자세히 설명한다.
질량보존 법칙에 의하면:
여기서
는 주변유체와 배가스의 총 혼합 질량유속;
은 배가스이 질량유속;
는 주변유체의 질량유속; γair는 주변유체의 비열비; γengine는 배가스의 비열비; γmax는 혼합유체의 비열비; Patm은 대기압; Pventuri는 스로트 부분의 유체의 정압; Mair,2는 스로트(대략 2번 영역)에서의 주변유체의 마하수; Mengine,2는 스로트(대략 2번 영역)을 들어가는 배가스의 마하수; Mmix,3는 벤튜리를 나가는 3번 영역에서의 혼합 기체의 마하수; Aair,2는 스로트(대략 2번 영역)에서의 주변유체 유선의 단면적; Aengine,2는 스로트(대략 2번 영역)으로 들어가는 배가스 유선의 단면적; Amix,3는 벤튜리를 나가 대기(대략 3번 영역)에 들어가는 혼합유체 유선의 단면적; Rair, Rengine는 2번 영역 부근에서의 주변유체와 배가스의 기체상수; Rmix는 3번영역 부근에서의 혼합유체의 기체상수; Tair, Tengine는 2번 영역 부근에서의 주변유체와 배가스의 정체온도; Tmix는 3번 영역 부근에서의 혼합유체의 정체온도이다.
에너지보존에 의하면:
여기서 Cp,air는 주변유체의 비열, Cp,engine는 배가스의 비열, Cp,mix는 혼합유체의 비열이다. Tref는 모든 유체류에 일정한 기준상태 온도이고,
는 유체의 외부로의 열손실이다. 모든 변수들은 전술한 바와 같다.
식 (12)에서 혼합온도 Tmix를 구하는데 열역학적 분석을 이용하지만, 열손실을 무시할만한 경우, 특정기체역학에 대한 상대적인 낮은 온도변화에 걸쳐
상수를 취해 식 (12)에서 Tmix의 대략값을 유도할 수 있다.
3번 영역인 배가스 출구에서의 모멘텀의 보존은 노즐에서의 완전하고 균일한 혼합을 가정해 아래와 같다:
벤튜리의 각종 표면과 유체 사이의 마찰과 항력 작용과 같은 여러 손실 때문에 벤튜리내 기체 모멘텀 손실율은 0<η<1이다. 다른 모든 변수들은 앞에서와 같다.
식 7~10과 13을 결합하면, 스로트 하류에서 2개의 유체류를 하나의 혼합 기체류로 결합하기 위한 식이 아래와 같이 유도된다:
모든 변수들은 앞에서와 같다. Tmix는 식 11이나 12로 풀 수 있다.
비혼합 유체에 관한 식 5와는 달리, 스로트하류에서 균일하게 혼합된 유체류에 관한 식 15를 이용하면 낮은 배가스 마하수와 높은 배가스 마하수를 동시에 허용해 벤튜리에 강력한 흡입압력을 일으키면서 출구의 대기압 조건을 만족하는 광범위한 해결을 할 수 있다(도 12 참조). 낮은 배가스 마하수와 높은 배가스 마하수에서의 동작에 의해, 벤튜리가 엔진 배기구에 낮은 흡입압력을 지속적으로 생성할 수 있다.
도 16은 벤튜리내 연소 배가스에 대한 주변유체의 질량유속비와 주변유체와 배가스의 균일 혼합유체의 성질 변화 관계를 보여주는 그래프(1600)이다. 연소배가스에 대한 주변유체의 혼합물의 성질, 특히 혼합유체의 온도는 아주 중요하다.
도 17은 스로트를 통과하는 완전 혼합유체류와 완전 비혼합 유체류에 대한 배가스와 주변유체의 질량유속비와 배가스 마하수의 관계를 보여주는 그래프(1700)이다. 완전히 혼합된 유체류는 벤튜리에서의 열손실이 무시할 정도이고 혼합유체 모멘텀은 10% 손실을 보는데, 이는 벤튜리 내벽면과 유체류 사이의 항력 때문이다. 완전혼합 유체류의 선은 혼합 배가스 출구 마하수에 대한 곡선군처럼 그려지는데, 이런 마하수는 결국은 출구의 단면적에 의존한다.
벤튜리의 3개 후보 단면적을 도 5에서 볼 수 있다. 예를 들어, 1번 영역은 556 위치에서의 주변유체의 단면적에 해당하고, 2번 영역은 558 위치에서의 주변유체와 배가스의 2개 유체의 유효 단면적이며, 3번 영역은 560번 위치인 출구 노즐에서 주변유체와 배가스의 혼합유체가 대기압에 있고 노즐 벽면에서 분리하는 상태에 해당한다. 비혼합에 비해 완전혼합의 영향을 이해하기 위해, 2번과 3번 영역에서의 유체류에 대해 이하 설명한다.
스로트 하류에서 주변유체와 배가스를 혼합하고 출구 마하수가 비교적 낮으면 연소 배가스 마하수를 낮출 수 있고, 이는 낮은 엔진 배가스 흡입압력을 유도할 수 있다. 미혼합 기체류는 스로트에서 초음파 정도로 높은 배가스 마하수를 갖고, 도 13에 의하면 이때문에 흡입압력이 상당히 제한되며, 경우에 따라서는 더 나쁘게도 벤튜리에 정체 배압을 일으킬 수 있다.
엔진에서 배가스 스로틀링 조건을 다르게 한 영향을 고려한 추가 설계조건들의 예를 든다. 배가스 질량유속을 바꾸면 배가스에 대한 주변공기의 질량유속비 ε가 아래와 같이 변한다:
모든 변수가 전과 같다. 첨자 1, 2는 연소 배가스 질량유속의 2가지 상대적 스로틀링 상태를 의미한다.
식 15에서의 연소배가스 질량유속은 식 9를 아래와 같이 재배열하여 유도된다:
모든 변수는 전과 같다. 식 16에서 2 상태 사이의 가스 질량유속비는 아래와 같다:
모든 변수는전과같지만, Mengine,y는 비교 스로틀링 상태 y에 대해 벤튜리의 x 영역에서의 마하수이다.
편의상 식 17은 최대 배가스 출력에 대해 정의할 수 있는데, 연소엔진의 최대 동력출력에 해당한다:
모든 변수들은 전과 같다.
전술한 바와 같이, 배가스 질량유속이 높을수록 스로트에서 배가스가 주변유체류를 더 많이 조이기 때문에 배가스 질량유속이 변하면서 유효 스로트 면적이나 위치도 변한다. 예를 들어 주변유체 질량유속을 스로트의 주변유체의 유효 면적으로 효과적으로 조절할 수 있다. 이러게 스로트에서의 주변유체 유선들의 유효 단면적의 변화로 인해 주변공기 질량유속을 변화시키는 배가스 질량유속의 영향을 고려해, 아래와 같은 실험데이터를 맞출 수 있는 모델이 있다:
여기서 σ는 실험 적합변수로서 보통 양수이다. 예컨대 σ=0의 경우, 주변유체류가 배가스류에 으ㅟ해 전혀 변하지 않는다. 큰 양수의 경우, 배가스 유량이 증가하면 주변유체에 대한 유효 스로트 단면적이 줄어들어 주변유체의 질량유속은 줄어든다. 식 17과 19를 15에 대입하면, 2가지 스로틀링 시나리오 사이의 배가스 질량에 대한 주변유체의 질량유속비를 아래와 같이 유도할 수 있다:
모든 변수는 전과 같다. 연소엔진의 최대 파워 출력조건에 근접하게 출력을 연관시키려면 식 18을 20에 대입하면 된다.
식 4, 9, 10에서,스로트로들어가는 배가스 단면적에 대한 혼합유체류 출구면적에 대해 아래와 같은 관계가 유도된다:
모든 변수는 전과 같다.
도 18은 도 17과 비슷하지만 3가지 스로트 디자인(즉, σ=0, 0.5, 1)에서 배가스 질량유속이 증가되면서 유효 스로트 단면적이 어떻게 변하는가에 관한 추가 설계조건들을 보여주는 그래프(1800)이다. 3가지 설계조건 모두에서, 최대 배가스 질량유속은 주변유체에 대한 배가스 질량유속비가 1 정도일 때 일어나고, 이때의 최고 배가스 마하수는 0.4 정도라고 본다.
식 21에서 설명한 것처럼 σ 값을 달리는 스로트에서의 3가지 유체류 작동모델에 의하면, 스로트에서의 유체류 작용이 음파나 음파 부근의 배가스 벤튜리의 설계에 추가 제한을 가하는 방법을 알 수 있다. 3가지 스로트 디자인 모두에서, 최고 배가스 질량유속과 최고 엔진파워는 주변유체와 배가스 질량유속비가 1.0이고 최고 배가스 마하수가 0.4일 때 일어난다고 본다. 이때문에 최고 엔진파워에서도 강력한 흡력이 생긴다.
도 19는 도 17~18의 3가지 스로트 디자인(즉, σ=0, 0.5, 1)에 대해 주변유체와 배가스의 질량유속비가 여러가지 배가스 질량유속 출력비와 함께 변하는 방법을 보여준다.
도 20은 도 17~19의 3가지 스로트 디자인(즉, σ=0, 0.5, 1)에 대해 연소배가스 질량유속비의 함수로 적절한 대기 출구 압력을 얻기위해 엔진 배기구 단면적에 대한 균일하게 혼합된 벤튜리 출구 단면적으로 보여주는 그래프(2000)이다.
벤튜리의 3가지 단면적들을 도 5에서 확인할 수있다. 예컨대, 1번 영역은 556 위치에서의 주변유체류의 단면적, 영역 2는 558 위치에서 주변유체류와 배가스 둘다의 유효 단면적, 3번 영역은 560번 위치인 출구 노즐에서 주변유체와 배가스의 혼합유체가 대기압에 있고 노즐 벽면에서 분리하는 상태에 해당한다. 비혼합에 비해 완전혼합의 영향을 이해하기 위해, 2번과 3번 영역에서의 유체류에 대해 이하 설명한다.
도 5의 3번 영역인 출구에서의 마하수를 볼 수 있다. 이런 가변 출구면적은 예컨대 벤튜리용의 확산형 출구노즐에서 볼 수 있다. 출구 면적은 3가지 스로트 디자인에 적당한 대기 출구압력을 정의하고 전체적인 음파나 음파 부근의 배가스 벤튜리 단면적의 윤곽을 설계하기위한 변수이다.
예컨대, 식 21 프로필을 생산하고 σ≒1.0인 시스템의 경우, 3번 영역의 출구면적은 배가스 스로틀링 조건에 무관하게 거의 일정하다. 3번 출구면적의 약간의 변화를 위해, 대기중으로 확산하는 콘을 이용할 수 있다. σ≒1.0로 식 21을 만족하는 주변유체류 벤튜리 스로트 작용 모델과 함께 이전에 정의된 모든 음속/아음속 유선 제한들을 만족하는 벤튜리 디자인의 경우, 광범위한 스로틀링 조건에 걸쳐 배가스 출력 조건들을 변화시키기 위해 수동적으로 보상할 수 있는 음속/아음속 벤튜리 디자인이 생긴다. σ→0으로 식 21을 만족하는 다른 디자인의 경우, 모든 음속/아음속 벤튜리 배기시스템의 출구면적(3번 영역)이 가변적인 엔진 배가스 출력조건에 의해 변할 수 있다. 이런 제한은 벤튜리를 나가 대기로들어가는 혼합유체류의 출구면적을 효과적으로 바꾸는 메커니즘(예; 이젝터 노즐이나 아이리시 노즐처럼 가변적인 출구 노즐)에 의해 해결된다.
위의 식들로 작업할 경우, 벤튜리 디자인에 대한 여러가지 추가 제한들이 밝혀진다. 첫째, 음속의 주변 공기류와 섞이지 않는 부압의 아음속 유체류때문에, 2개 유체류를 국부 대기압으로 회복시키고 모든 실질적인 흡입압력을 일으키는 속도와 정체압력 상태들을 생성할 수 없다. 구체적으로, 2개 유체류가 효과적으로 섞이지 않으면, 벤튜리의 출구노즐로 들어가는 대기에 흡입압력이 생겨 벤튜리를 망가뜨려, 아음속 정도의 고속 상태를 스로트에 유도할 수 없다. 어떤 경우에는 배압이 생기기도 한다. 2가지 유체류의모멘텀과 에너지(열에너지 운동에너지)를 철저히 혼합하고 이렇게 혼합된 유체류를 대기압으로 복구시켜 아음속의 압축성주변유체류 벤튜리 스로트 마하수와 강력한 흡입압력을 얻을 수 있다. 따라서, 현재 설명한 가변추력 벤튜리는 아주 효율적인 가변 스로트와, 2가지 유체류를 완전히 혼합하는 혼합영역을 갖는다. 이런 가변 스로트와 혼합영역은 벤튜리의 하류의 대기중으로의 출구 바로 앞에 있다.
두번째 제한은 배가스 공기 질량에 대한 주변유체 질량의 상대적 비이다. 연소 배가스에 대한 주변유체의 질량유속비가 0.1 미만일 경우, 유체류를 혼합하고 혼합된 유체류를 대기압으로 복구시키기에 충분한 유체 모멘텀과 에너지가 생기지 않는다. 배가스에 대한 주변유체의 질량유속비가 최대 2:1일 경우, 벤튜리가 미미하게 동작한다. 질량유속비가 1:1 내지 100:1 정도로 더 크면, 벤트리가 잘 작동한다. 벤튜리 단면적을 넓히고 입구면적을 훨씬 더 크게 하면 훨씬 더 높은 질량유속비에서 벤튜리가 작동할 수 있다. 그러나, 어떤 경우에는 자동차의 항력, 포장 및 심미감의 관점에서 상대적 질량유속비의 상한선을 제한할 수 있다.
NACA(National Advisory Committee for Aeronautics)는 NACA에 첨부된 일련의 숫자로 확인되는 일련의 비행기 날개형상들을 개발했다. NACA 날개형상은 평면형에서 원형, 타원형, 기타 폐쇄 형상으로 변하였고, 여기서 설명한 벤튜리 배가스의 내부 형상을 형성한다.
도 21은 배가스 출구에 흡입압력을 가해 연비를 개선하는 방법(2100)의 순서도이다. 개선동작(2105)에서 기상 작동유체의 열손실을 줄이고 완전히 팽창시켜 작동유체 발전소의 연비를 개선한다.
강하동작(2110)에서는 발전소내의 평균유효 작동 기체압력을 낮춰 작동유체의 열손실을 낮추는데, 이때 배가스 압력을 1 psi 음의 게이지압력보다 크게 줄이고, 기상 작동유체의 열손실은 기체압력에 거의 선형으로 반응한다. 공급동작(2115)에서는 강력한 배가스 흡입압력을 제공해 용적을 차지하는 기체를 제거하여 추가 일을 추출하도록 발전소내 작동유체 기체를 더 팽창시키는데, 용적을 차지하는 기체는 1 psi 음의 게이지압력보다 크게 배기압력을 줄여 발전소의 파워사이클에서 작동유체 기체의 팽창을 제한한다.
일례로, 강하동작(2110)과 공급동작(2115)은 엔진 배가스의 질량유속을 기초로 배가스에 가하는 음의 게이지압력을 조절하여 이루어진다. 또, 강하동작(2110)과 공급동작(2115)이 엔진 배가스의 질량유속을 측정하고 측정된 질량유속을 진공펌프의 컨트롤러에 공급하여 이루어지기도 하는데, 이때 컨트롤러는 게이지압력을 배가스에 적용한다.
병합동작(2120)에서는 추가 전력추출 메커니즘(예; 터빈)을 발전소 배가스에 병합하여 추가 압력을 유용한 기계적 일로 변환한다. 이 방법(2100)은 이상 설명한 기술에 의해 가변추력 배가스 벤튜리에도 활용된다.
도 22는 가변추력 배가스 벤튜리를 이용해 엔진의 연비를 높이는 방법(2200)의 순서도이다. 흡기동작(2205)에서 벤튜리로 주변유체류를 흡입한다. 이 벤튜리는 움직이는 자동차에 부착된다. 자동차의 움직임에 의해 압축성 유체의 아음속 정도의 고속의 공기류가 벤튜리를 통과한다. 가속동작(2210)에서 아음속 주변유체류가 고속으로 가속된다. 이런 가속은 벤튜리를 이용해이루어진다. 벤튜리 배기시스템의 단면적은 주변 유체류를 고속으로 가속하기에 충분하게 축소된다.
분사동작(2215)에서는 벤튜리의 유효 스로트에서 가변 기체류를 고속 주변유체류에 분사한다. 엔진을 사용할 때, 엔진 배가스는 (예컨대 엔진의 가변 출력 때문에) 가변 배가스 질량유속을 가질 수 있다. 벤튜리 배기시스템으로 연결되는 인진 배가스 출구는 벤튜리의 실제 스로트 부근에 있고, 이때문에 가변 유효 스로트가 생긴다. 벤튜리는 엔진의 광범위한 작동범위에 걸쳐 동작하도록 구성된다.
스로트 부근에서의 배가스의 동작으로 배가스에 국부적인 저압구역이 생긴다. 그 결과 배가스가 음의 게이지압력을 갖고, 이때문에 배가스에 흡입력이 생긴다. 이런 특성은 전술한 바와 같이 상당히 유효한 장점을 제공한다.
혼합동작(2220)에서는 유효스로트 하류에서 고속 주변유체류에 배가스를 혼합한다. 배가스의 국부적 저압구역은 벤튜리 출구에 역류하는 대기압의 주변유체에 의해 무너질 위험이 있다. 혼합동작(2220)은 이런 주변유체의 역류를방지하고, 이때문에 국부적 저압구역이 무너지는 것도 방지된다. 분리동작(2225)에서는, 혼합유체류가 국부적 주변 외부압력에 있는 지점에서 벤튜리의 내벽면에서 분리된다. 분사된 배가스류가 주변유체류에 혼합되는 곳의 하류에 확장 콘을 설치할 수도 있다. 혼합유체류가 외부 압력으로 복귀할 때, 혼합유체류가 벤튜리의 내벽면에서 분리한다.
부여동작(2230)에서 주변유체, 배가스 및/또는 혼합유체에 나선회전을 부여한다. 부여동작(2230)은 벤튜리를 통과하는 유체내부에 위치한 하나 이상의 와류발생기를 이용해 이루어진다. 나선회전은 유체류를 "강화"하여, 방향이 바뀌지 않도록 한다. 배출동작(2235)에서는 혼합된 배가스/주변유체를 배출한다. 유효 스로트의 하류에서는 벤튜리의 단면적이 증가하므로, 혼합 유체의 속도가 감소되면서 결국 배출된다. 이 방법(2200)을 본 발명에 따른 가변추력 배가스 벤튜리에도 적용할 수 있다.
리프팅 비가 높은 날개형상을 갖는 NACA 4424를 가변추력 배가스 벤튜리의 내부 표면 형태를 위한 견본으로 활용할 수도 있다. NACA 4424는 낮은 손실로 주변유체를 가속하는 것을 도와, 배가스의 출구에 직접 저압 영역을 형성하고, 이때문에 출구를 나가는 배가스에 흡력이 생겨, 엔진을 나가는 배가스를 당기는 진공을 일으킬 수 있다. 가변 리프팅 비를 갖는 다른 NACA 프로파일을 배가스 출구에 저압영역을 일으키는데 이용할 수도 있다. 또, 모든 벤튜리 형상, 디자인, 형태를 배가스 출구에 직접 저압영역을 형성하는데 이용할 수 있다.
도 23은 여러가지 자동차와 관련 연비 개선에 대해 설명한 디자인 원리를 기초로 가변추력 배가스 벤튜리를 이용하는 부하테스트와, 본 발명의 기술의 연비 시험데이터를 보여준다.