JP4190725B2 - 気体力学的圧力波機械 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気供給用の気体力学的圧力波機械であって、セルを有するロータと、低圧吸気流路と、内燃機関連結された高圧吸気流路と、内燃機関に連結された高圧排気流路と、低圧排気流路とを備え、この低圧排気流路及び高圧排気流路がガス・カバー内に気密に形成され、低圧吸気流路及び高圧吸気流路が空気カバー内に気密に形成された気体力学的圧力波機械に関する。
【０００２】
この種の圧力波機械は、従来技術から公知であり、たとえば、ＣＨ−Ａ−６８１，７３８に記載されている。本発明の第１の全般的な目的は、図１に概略的に示してあるような従来技術による気体力学的圧力波機械の効率を、異なった手段によって向上させることにある。
【０００３】
従来技術による気体力学的圧力波機械は４つの流路を包含し、内燃機関を過給するのに使用されるポケットのような付加的な制御システムを備えていない。このような従来の気体力学的圧力波機械において、圧力波プロセスは、内燃機関の単一の作動速度についてのみ、すなわち、圧力波機械のいわゆる設計ポイントについてのみ調整することができるだけである。カバー壁面に設けたポケットを使用することによって、圧力波機械のチューニング感度の低い設計が可能となり、その負荷、速度及び体積範囲をかなり拡張することができる。この方法の不利な点は、未チューニング性能の範囲において、圧力波プロセスが二次プロセスに転換されてしまい最適効率を達成できないということである。その結果、ポケット内でこれらの二次圧力プロセスによって生じた損失、たとえば、流入ガス、流出ガスの損失が高まり、ポケット内に圧力波及び膨張波が生じることになる。
【０００４】
いわゆる一次プロセス（圧縮ポケット・プロセスとも呼ばれる）から主プロセス（すなわち、チューンド・プロセス）への移行は、圧力波プロセスに外乱を生じさせ、これが掃気障害を生じさせ、したがって、吸気への排気の再循環量の範囲を増大させる。これらの範囲ならびに始動時の再循環量の増大を防ぐため、ミルド・シルあるいは上記の書面に開示されているような制御式入口のいずれかの形で、ガス・ポケットに通じる入口を設けなければならないが、これは低圧プロセスへの高圧圧力エネルギの分流によりさらなる損失を招く。
【０００５】
低流量及び低温の場合、すなわち、始動時、アイドル運転時、または部分負荷時には、再循環感度が大きく増大する。これらの運転条件の下で、標準的な圧力波機械は未チューニング範囲において作動するが、この場合、障害のない圧力波プロセスを可能とするにはエネルギ・レベルが低すぎる。標準的な機械においては、この範囲を使用可能にするために、固定供給装置あるいはＣＨ−Ａ−６８１，７３８に開示されている可変供給装置によって、排気ガスの一部をガス・ポケットに分岐させてから高圧排気ガスをロータに流入させ、ロータの掃気作用を向上させている。このシステムの不利な点は、高圧プロセスについて通常利用できる排気ガスの一部が低圧プロセスに分岐されるので、充填圧力の増強がかなり低減するということにある。
【０００６】
この従来技術の背景に基づいて、本発明の第１目的は、ガス・ポケットを使わずに、低流量、低温状態において効率を向上させた圧力波機械を提供することにある。この目的は、高圧排気流路をロータ側で拡大し、隆起を形成することなくこの拡大量を変化させることができる手段を備えた圧力波機械によって達成される。
【０００７】
本発明の別の目的は、カバーにおけるガス・ポケットまたはくぼみによる調整を部分的あるいは完全に排除できるように圧力波機械のコールド・スタート特性を改善することにある。この目的は、加熱装置を内燃機関の出口と高圧排気流路との間に設けた圧力波機械によって達成される。
【０００８】
圧力波機械のさらなる利点及び実施の形態は、従属請求項に定義される。
【０００９】
以下、本発明を、実施の形態を示す図面を参照しながらさらに詳しく説明する。
【００１０】
簡略化のために、単一の圧力波サイクルが展開図に示してあるが、本発明は圧力波サイクルの数には関係なく、単一サイクルあるいは２以上のサイクルを有する圧力波機械にも適用可能である。
【００１１】
図１は、圧力波機械のロータの展開図を示すと共に、内燃機関１と、気体力学的圧力波機械２と、それぞれ掃気用空気Ｓ、個々のセル１８を備えたロータ６、吸気口８を包含する高圧排気流路３及び低圧排気流路４と、低圧吸気流路１４と、高圧吸気流路１０とが示してある。この高圧吸気流路１０は吸気通路１１と連通し、内燃機関１に通じている。
【００１２】
先に既に述べたように、４つの流路をなんら付加的な調整装置なしに使用する場合、プロセスは内燃機関の単一の作動速度に合わせてのみ調節することができる。これに関連して、これは圧力波機械の設計ポイントと呼ばれている。カバー壁に設けたポケットを使用することによって、圧力波機械のよりチューニング感度の鈍い設計が可能となり、したがって、その負荷、速度及び体積の範囲を拡張することができる。長年にわたるこの種の圧力波機械の開発の間に、異なったポケットをカバー壁に削り込んで形成してきた。たとえば、図２に示すように、圧縮ポケット１９、膨張ポケット２０及びガス・ポケット２１であり、これらの適用は当業者には周知である。この種のポケットの適用の際に不利な点は、未チューニング性能の範囲で、圧力波プロセスが最適効率を決して奏しない二次プロセスに転換されてしまうということである。
【００１３】
通常、圧力波機械は、ポケットをまったく設けないか、あるいは１つ、２つまたは全部で３つのポケットを使用して特性方法及び設計計算のような公知の方法によって、内燃機関の製造業者によって指定されたポイントについて、普通は発動機の公称速度で最適に作動するように設計される。
【００１４】
図２乃至図５は、高圧排気流への動作を示している。図１と同様に、図２は、高圧排気流に影響を与える手段を持たない高圧排気流路を示している。セル１８を有するロータ６が展開図に示してあり、ガス・カバー２４、高圧排気流路３及び低圧排気流路４がさらに示してある。
【００１５】
これらの要素に加えて、図３は、たとえば、先に延べたＣＨ−Ａ−６８１,７３８によるガス・ポケット２１を示している。このガスポケットならびに高圧排気流路とガス・ポケットの間に必然的に存在する隆起２１Ａは、特に通常ブローオフが不要である内燃機関の低中速度、温度及び流量の場合に付加的な損失を生じさせる。
【００１６】
図４、４Ａ、５、５Ａにおいて、本発明による高圧排気流路に影響を与えることのできる装置が概略的に示してある。
【００１７】
図４、４Ａは、セル４１を有するロータ４０の展開図を示しており、ここでは、ガス・カバー３４は、図３のガス・ポケットとは異なり、滑り弁４９によって矢印５０で示すように変化させることができるくぼみ４８を備えている。図４Ａにおいて、滑り弁４９は矢印の方向に全体で係合しており、隆起を生じさせることなく高圧排気流路を拡大するようになっている。当業者にとって計算可能な滑り弁の適当な制御によって、滑り弁を変位させて高圧流路を拡大し、圧力波プロセスで生じた吸気圧力が所望レベルに低下するまで圧力を低下させる。
【００１８】
図５、５Ａは、関節連結部５２上にヒンジ止めされ、上記と同様の電子制御器によって作動される揺動要素５１の形をした、滑り弁の別の実施の形態を示している。この揺動要素が高圧流路の拡大５３を可能とする。
【００１９】
同時に、この装置は、高圧排気プロセスから低圧プロセスへの移行を通じて掃気プロセスの重要な改良を行うことができ、したがって、効率をかなり改善することができる。火花点火機関の場合、この方法は、それ自体公知である適切な手段によって、所望の充填圧力の調整を介してパワー調整を行うようにも使用できる。この手段、すなわち、ガス・ポケットの高圧排気流路の拡大ならびにガス・ポケット間の隆起の発生防止により、効率を本質的に向上させることができる。
【００２０】
特にコールド・スタート状態での圧力波機械の効率を改良する別の手段が図６に簡略的に示してある。同一の要素は、同じ参照番号で示してある。圧力波機械３０は、高圧排気流路３１及び高圧吸気流路３２によって、内燃機関６０（たとえば火花点火機関）に接続されている。さらに、圧力波機械は、２つの低圧流路３５、３８、吸気口８、空気濾過器９、吸気冷却器１２、スロットル６１ならびに発動機出力部４３を備えている。
【００２１】
冷間スタート動作を改善するために、燃料供給源６５及び空気供給源６６を有するバーナの形をした加熱装置６４が、内燃機関の出口と圧力波機械の高圧排気流路３１との間に配置されている。参照符号６７は温度センサを示す。火花点火機関からなる本実施の形態においては、ラムダ・プローブ６３を包含する調整三元触媒６２が機関の出口と高圧排気流路との間に配置してあり、加熱装置６４が触媒６２と圧力波機械との間に配置してある。すなわち、加熱装置は、触媒にも圧力波機械にも作用し、したがって、冷間スタート特性を改良する。特に効果的な排気ガス浄化作用を得るために、別の触媒を低圧排気流路と排気管６８との間に設けてある。すなわち、酸化触媒６９が設けてある。
【００２２】
高圧排気流路に作用する加熱装置を使用することによって、圧力波過給機が冷間スタート時に不充分なエネルギ・レベルで作動し、したがって、ガス・ポケットを使用するかまたは高圧排気流路の拡大を必要とするようになるのを防ぐことができる。したがって、加熱装置を使用することによって、ガス・ポケットに向かう流れを減らすかまたは完全に阻止し、吸気圧力がかなり急速に確立される。ガス・ポケットを閉じることによって、加熱エネルギの一部を使わずにブローオフするのを防止することができる。
【００２３】
同じことが三元触媒のないシステムにも当てはまる。たとえば、場合に応じて、圧力波機械の上流あるいは下流の位置に先に述べた酸化触媒のみを備えたディーゼルエンジンに当てはまる。
【００２４】
加熱装置は、構造が従来技術のものに一致する圧力波機械における改良を既に行っているが、特に、１つまたは２つの触媒あるいは触媒をまったく持たない、高圧排気流路の拡大を行う圧力波機械においても改良を行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、従来技術の圧力波機械のロータ・セルを通る展開円筒形セクションを概略的に示している。
【図２】 図２は、従来技術の圧力波機械のロータ・セルを通る展開円筒形セクションの詳細を概略的に示している。
【図３】 図３は、従来技術の別の圧力波機械のロータ・セルを通る展開円筒形セクションの詳細を概略的に示している。
【図４】 図４、４Ａは、本発明の圧力波機械のロータ・セルを通る展開円筒形セクションの詳細を概略的に示している。
【図５】 図５、５Ａは、図４、４Ａの実施の形態の変形例を示している。
【図６】 図６は、加熱装置及び触媒からなる圧力波機械を概略的に示している。

Claims (8)

1. 内燃機関への吸気供給用の気体力学的圧力波機械であって、セル（１８、４１）を有するロータ（６、４０）と、低圧吸気流路（１４、３８）と、内燃機関（１、３３）に連結された高圧吸気流路（１０、３２）と、内燃機関に連結された高圧排気流路（３、３１）と、低圧排気流路（４、３５）とを備え、この低圧排気流路（４、３５）及び高圧排気流路（３、３１）がガス・カバー（５、３４）内に気密に形成されており、低圧吸気流路（１４、３８）及び高圧吸気流路（１０、３２）が空気カバー（１５、３９）内に気密に形成されており、高圧排気流路（３１）が、ロータ側で拡大してあり、高圧排気流路（３１）において隆起を形成することなくこの拡大量を変化させることができる手段（４９、５１）を包含することを特徴とする気体力学的圧力波機械。
2. 請求項１記載の気体力学的圧力波機械において、上記手段が制御式滑り弁（４９）で構成されることを特徴とする気体力学的圧力波機械。
3. 請求項１記載の気体力学的圧力波機械において、上記手段が揺動式滑り弁（５１）で構成されることを特徴とする気体力学的圧力波機械。
4. 内燃機関への吸気供給用の気体力学的圧力波機械であって、セル（１８、４１）を有するロータ（６、４０）と、低圧吸気流路（１４、３８）と、内燃機関（１、３３）に連結された高圧吸気流路（１０、３２）と、内燃機関に連結された高圧排気流路（３、３１）と、低圧排気流路（４、３５）とを備え、この低圧排気流路（４、３５）及び高圧排気流路（３、３１）がガス・カバー（５、３４）内に気密に形成されており、低圧吸気流路（１４、３８）及び高圧吸気流路（１０、３２）が空気カバー（１５、３９）内に気密に形成されており、高圧排気流路（３１）と内燃機関（６０）との間に加熱装置（６４）が配置してあることを特徴とする請求項１に記載の気体力学的圧力波機械。
5. 請求項１記載の気体力学的圧力波機械において、上記加熱装置が、空気供給源、燃料供給源（６６、６５）からなるバーナ（６４）または電気加熱装置であることを特徴とする気体力学的圧力波機械。
6. 請求項１乃至請求項５のうちいずれか１つに記載の気体力学的圧力波機械であって、火花点火機関に接続した気体力学的圧力波機械において、三元触媒（６２）を、機関（６０）の出口と圧力波機械の高圧排気流路（３１）との間に配置したことを特徴とする気体力学的圧力波機械。
7. 請求項６記載の気体力学的圧力波機械において、酸化触媒（６９）を、低圧排気流路（３５）と圧力波機械の出口（６８）との間に接続したことを特徴とする気体力学的圧力波機械。
8. 請求項１〜３のうちの１つまたは請求項４〜７のうちの１つに記載の気体力学的圧力波機械において、加熱装置（６４）を、三元触媒（６２）と圧力波機械の高圧排気流路（３１）との間に配置してあることを特徴とする気体力学的圧力波機械。

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