JP4938889B2 - 気体力学式の圧力波機械 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、内燃機関を過給するための気体力学式の圧力波機械に関する。

自動車のための内燃機関は、その効率を高めるために過給され、つまり充填効率が改善される。過給されたエンジンは、小さな排気量では、同出力の自然吸気エンジンと比較して僅かな燃料消費率を有している。

閉鎖されたガス通路内で気体力学式のプロセスを形成し、かつ過給するために用いられる過給システムは、一般的に圧力波過給機または圧力波機械と呼ばれる。一般的に圧力波機械に使用されるセルロータは、鋳造された材料から製造される。セルロータは円筒形に形成されていて、多くの場合横断面一定で軸方向に真っ直ぐに延びる通路を有しており、通路は高温ガス側から低温ガス側に延びている。内燃機関のための過給コンプレッサとして使用される圧力波過給機において、ロータを能動的に駆動することが公知である。またヨーロッパ特許公開第０２３５６０９号明細書において、ガス力によって駆動され、自由回転する圧力波過給機も背景技術に挙げられている。セルロータは、ロータ軸に対して軸平行に、もしくは傾斜して位置するか、または螺旋形に捻れたセル隔壁を有している。セルロータは、高圧排気によってセル隔壁に荷重を掛けることによって駆動され、高圧排気は、ガス通路を介して適当な負荷角度でロータハウジングに流入し、排気の流入によってセルロータが回転させられる。

旧東ドイツ国仮専有特許第２８５３９７号明細書より、一定でないセル横断面を有する気体力学式の圧力波機械が公知である。変化する横断面によって、円筒形のロータのパラメータに対する気体力学上の最も重要なパラメータが改善される。ロータ長さｘの半径方向のセル高さを２ａｘ^ｂの値だけ変化させること（ただしａ＝０．０３〜０．１、ｂ＝１．５〜２．５）によって、改善された結果が得られる。

ドイツ連邦共和国ＥＰ特許の翻訳文第６９００８４２１号より、円錐台形状のロータを備えた圧力交換機が公知である。個々のロータセルの半径方向高さは、ロータの長手方向で変化している。ヨーロッパ特許公開第０４３１４３３号明細書には、内燃機関のための圧力交換機が記載されており、ここでは圧力交換機は高められた掃気エネルギを有する。セルロータの個々のセルは、その長手方向軸線に沿って通常一定の横断面を有しており、一定の横断面は、ロータの長手方向軸線に対するセルの傾斜に基づいて、単にセル高さを減少させることによって実現される。

空気力学式の圧力波機械は、ドイツ連邦共和国特許第１４２８０２９号明細書においても背景技術に挙げられており、この圧力波機械では円筒形のロータが使用されている。個々のセルは、カバー帯およびハブと、溶接またはろう接によって機械式に結合されている。セルは、箱形成形体またはメアンダ（蛇行）状に曲げられた帯から製造することもできる。イギリス国特許第１０５８５７７号明細書において、複数の同心的なセルリングを設けることが公知である。セルの幾何学形状に関しても様々な構成が存在する。イギリス国特許第９２０６２４号明細書では、セル隔壁をＺ字形に曲げた金属薄板から組み立てることが提案されている。イギリス国特許第８４０４０８号明細書に開示されているように、個々のセルはハニカム状に構成することもできる。セルが複数の同心的なリング内に配置されている構成では、イギリス国特許第９２０９０８号明細書の思想に則して、リングごとに異なるセル横断面を形成することができる。

圧力波機械によって過給される内燃機関において排気に関する触媒作用を改善するために、ヨーロッパ特許公開第０１４３９５６号明細書では、セルホイールのセルを触媒材料でコーティングすることが提案されている。

今日のシステムの問題は、セルロータの構成部材の幾何学形状全体がさらされる熱負荷の集合である。たとえばセルロータの高温ガス側には１１００℃までの温度、また低温ガス側には最大２００℃の温度がそれぞれ存在する。結果的に、熱によって構成部材の歪みが惹起され、したがって効率が最適以下となる。問題は、特にガスを案内する構成要素間のギャップ寸法維持に関して生じる。

規則正しく軸方向に真っ直ぐ延びるガス通路では、ガス流入角度は最適ではない。さらに、鋳造されたセルロータは、比較的大きな壁厚に基づいて高い慣性モーメントを有している。さらに、精確なセル構造の鋳造技術による製造は極めて不経済である。しかも鋳造による製造は、比較的高価な制御方法を要求し、高い不良品発生率を伴う。

製造技術的に困難であることに基づいて、また圧力波過給機の要求構成を考慮すると、セルロータの経済的な製造は、工業基準におけるあらゆる要求に鑑みて問題が極めて多い。

この問題から出発して本発明の課題は、内燃機関を過給するための気体力学式の圧力波機械を改良して、特にセルロータの構成に関して、製造技術の観点で最適化し、その効率を高めたものを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の構成を有する気体力学式の圧力波機械によって解決される。

本発明の思想の有利な形態は、従属請求項の対象である。

本発明の中心を成す思想によれば、セルロータの外周は、排気側から過給空気側に向かって増加している。その結果として得られるセルロータの非円筒形の構成によって、組立て式の、つまり非鋳造のセルロータを高い製造精度で安価に製造することができる。なぜならば、互いに隣接するセル間の個々のセル隔壁は、狭い寸法の製造誤差、特に狭い接合ギャップを維持しながら、セルを半径方向内側と外側とで画成しているカバーエレメントと結合することができ、つまり外側で外側カバーと、および内側で内側カバーとそれぞれ結合することができるからである。セルロータの非円筒形の外側輪郭によって、予め製造された外側カバーをある程度個々のセル隔壁にわたって折り返すことができるので、外側カバーまたは内側カバーをセルロータの長手延伸方向に変位させることによって、接合ギャップは最小になり、このことによって個々の構成部材の、安価で、確実かつ極めて精確な結合を、特にろう接プロセスまたは融接プロセスによって実現することができる。したがってセルロータのカバーエレメントは個々のセル隔壁よりも幾分か長く形成することができ、これによって共通の長手方向軸線方向での相対的な変位によって接合ギャップが可能な限り小さくなる、ということを保証することができる。

さらにセルロータの非円筒形の外側輪郭によって、接合工程中にカバーエレメントの自動的なセンタリングが得られる。これに対して、円筒形のセルロータを形成しようとする場合、周方向に均等に残る僅かな接合ギャップを実現するために、著しく狭い許容誤差範囲を維持しなければならない。

有利には、セルロータは円錐台形状に形成されている。これについては外側幾何学形状に当てはまる。外側幾何学形状はセルロータの内側幾何学形状も特定する。それというのも、半径方向で測定したセルの高さは、望ましくはセルロータの長手方向延伸部にわたって一定に維持されるからである。しかも、個々のセルの横断面は、排気側から過給空気側に向かって増加する。それというのも、セルリングの円形リングの面が、過給空気側から排気側に向かって同様に増加するからであり、この場合セルの数は一定に維持される。排気側に向かって横断面が増加することによって、セル内部で燃焼ガス速度が低下し、ひいては圧力が上昇し、これによって、圧力波機械によって達成される効率および過給率を高めることができる。

本発明による利点は、円錐台形状のセルロータの場合に得られるだけでなく、セルロータの外側カバーがこのセルロータの長手延伸方向で湾曲していて、したがって全セルが長手延伸方向で湾曲している場合、つまり低温ガス側のセルが、排気によって負荷を掛けられる高温ガス側のセルよりも、セルロータの回転軸線に対して大きな間隔を有して延びている場合にも得られる。曲率は、セルロータの長手方向延伸部にわたって一定であってよい。有利には、外側カバーの曲率は、排気側から過給空気側に向かって増加する。したがって周面は、セルロータの長手延伸方向でみて放物線状に湾曲しているか、もしくは放物線の描く回転体を成していてよい。理論上は、真っ直ぐの区分または湾曲した曲線区分を、つまり傾きが一定の区分と傾きが変化する区分とを相並べることもでき、その結果セルロータの外周は、排気側から過給空気側に向かって増加する。しかしながらいずれの場合でも、セルの高さは一定に維持される。

実際には、セルロータの回転軸線もしくは長手方向軸線と外側カバーとの間の角度は５０°まで実現することができる。この角度は、外側カバーの曲率もしくは傾斜に応じて変化させることができる。有利にはこの角度は２０°よりも大きい。

セルロータは、種々の材料の半製品から組み立てることができる。すなわち、特に金属材料、特に種々の機械特性を備えた種々の化学組成の鋼材を使用することができる。たとえば、個々のセルを金属薄板要素から形成することができる。この場合、セル隔壁から形成された格子状のガス案内部を、曲げられた金属薄板要素から製造し、外側および内側を支持する構造エレメント、つまり外側カバーおよび内側カバーと結合することができる。精確に構造化されたセル隔壁は、有利には、０．０５〜１．０ｍｍの範囲の壁厚を有する薄い特殊鋼シートから形成することができる。

カバーは、円筒形の管構成部材を円錐状に拡張することによって、つまり冷間成形することによって製造することができる。要求に適した材料の選択によって、質量の低減と、鋳造構成部材に対する質量慣性モーメントの著しい低減とを実現することができる。同時に、個々のセル隔壁から形成される閉鎖面および遮断面を大幅に減じることができ、この場合、可能な限り多くのセルと可能な限り僅かな遮断面もしくは閉鎖面との間の最適化が試みられる。個々のセル隔壁の横断面に対するセルの横断面の最適な割合は、主に材料に依存している。それというのも、個々のセル隔壁は強い機械負荷および熱負荷にさらされるからである。

セル隔壁には極めて小さな壁厚を有する半製品が使用されるので、本発明によるセルロータの構造は、周面で閉じられている。ロータの大きさに応じて、同心的なカバーエレメントによって互いに仕切られている１〜３つの同心的なセルリングを設けることができる。セルリングが複数の場合、セルリングを仕切るカバーエレメントは、内側のセルリングのための外側カバーであり、同時に外側のセルリングのための内側カバーでもある。

本発明の別の重要な観点は、圧力波機械の騒音発生を減じることである。セルロータは、通常全周にわたって大きさの等しいセル横断面を備えている。しかしながら、内燃機関と相まってセルロータ内部に定常波が形成され、したがって共鳴によって騒音が発生する恐れがある。本発明によるセルロータでは、周方向延伸度のそれぞれ異なるセルを、セルロータの全周にわたって不規則に分配配置することによって、その都度の内燃機関に適合した圧力波機械を製造することができる。換言すれば、個々のセル隔壁間の間隔を変化させることによって、騒音発生を著しく抑制するか、または防止することができる。間隔を変化させることによって、内燃機関の排気路からの音圧波を、多数の個々のセルによってある程度細かく分断することができるので、セルホイールの排出側には、僅かな圧力変動ひいては最小の音放出しか有していない均一な排出ガス流が形成される。鋳造技術によって製造されたセルロータに対する特別な利点によれば、個々のセル隔壁の位置を変化させることによって、共鳴を、製造技術的に簡単に、また同時に安価に抑制するか、または防止することができる。

全周にわたるセルの分配に関して、異なる幅もしくは異なる周方向延伸寸法を備えたセルが、できる範囲で不規則に配列されている。最も簡単な構成では、異なる２つの幅のセルが不均等に、つまり可能な限り不規則なパターンで、セルロータの全周にわたって分配されており、これによって反復を防止し、ひいては共鳴が励起される可能性を回避することができる。全周にわたるセルの不規則な分配は、個々のセルリングだけに適用されるのではなく、全てのセルリングのセルに適用される。この場合、各セルリングの、セル間の周方向延伸度の相対的な差が同じであると有利である。１セルリングのセルが、たとえば一方では２°、また他方では３．５°にわたって延びている場合、この比は別のセルリングのセルにも当てはまる。有利には、セルは横断面で円形リングの一区分である。

本発明によるセルロータでは、バランスリングを設けることができ、このバランスリングは、有利にはセルホイールの両端部に取り付けられる。バランスリングは、一方では網目形成されたセルシステムを支持するために用いられ、他方では隣接する排気導管もしくは過給空気導管に対するシール機能を満たす。バランスリングを介して、外側カバーを付加的に固定することができる。さらにバランスリングは、不均等な質量分布を補償するためにも役立つ。

さらに有利には、セル隔壁の表面は、このセル隔壁におけるガス摩擦を最小化するために、所望に粗く加工されている。この粗く加工された表面構造によって、流体技術的な境界層を低減することができ、個々のセル内部で流れ特性を改善することができる。この粗く加工された表面構造の構成も、組立て式のセルホイールでは、鋳造による構成とは対照的に、容易かつ安価に実現することができる。

さらに、セル隔壁に少なくとも部分的に触媒コーティングを設けることも可能であり、この触媒コーティングは、既に排気による過給中に、追加的な排気浄化プロセスを実現する。

本発明によるセルロータは、ガス流の流入角度に関して、回動方向に対して斜めに延びるセル壁によって回動させられる。セル壁は、回転軸線に対して軸平行か、または斜めに位置することができる。

本発明による圧力波機械の別の利点によれば、一定のガス通路の長さもしくは個々のセルの長さで、セルロータの構造長さを全体的に短縮することができる。この作用は、セルロータの長手方向中心軸線と外側カバーとの間の角度が大きくなるほど、より顕著である。

本発明の極めて重要な利点は、セルロータの製造が改善されていることである。外側カバーもしくは内側カバーと材料結合式および／または形状結合式（形状結合とは嵌め合いまたは噛み合いなど部材相互の形状的関係に基づく結合を意味する）に結合されたセル隔壁は、高い精度で安価に組み立てることができる。セルシステムは、たとえば隣接するカバーエレメントと機械式に結合することができる。ろう接プロセスが特に有利である。生じ得る寸法差は、非円筒形の構成、特に構成部材の円錐形状によって大幅に減じられる。さらに、セルロータの、圧力波に関する個々の構成要素の自動的なセンタリングに基づいて、後調整が実現され、セルロータの製造時のプロセス変更ならびに幾何学形状変更も柔軟に、かつ短時間で実現される。

支持作用を有するセルロータの内側システムは、切削加工によって製造することができる。内側システムは、適切な支承手段を備えた軸であり、この軸には適切なシール手段も設けられている。

原則として、セルロータの個々の構成要素を製造するためには、曲げ加工、深絞り加工またはハイドロフォームなどの製造方法を用いることができ、この場合、製造方法の選択は、主に構成部材の幾何学形状に関連している。特にセル形成に際して多様な可能性が存在する。特に有利には、セル隔壁が、外側カバーの存在する領域と内側カバーの存在する領域とで交互に相互結合されていて、セルロータの周方向に延びる、メアンダ状に形成されたセル薄板の構成部材を成している。そのようなセル薄板は、組立てに際して、僅かな壁厚に基づいて所望の非円筒形状、特に円錐形状に成形され、外側カバーならびに内側カバーと接合される。

択一的に、個々のセル隔壁は、特に横断面でＺ字形状に構成することもできる。Ｚ字形のセル隔壁のそれぞれ上方および下方の脚部は、外側カバーもしくは内側カバーと接合するために用いられる。

２重のＺ字形（Ｚを縦に２つ並べた形）に構成されたセル隔壁も考えられ、この場合このように構成されたセル隔壁の中央の横断面は、ある意味でカバーを形成しており、このカバーは、セル隔壁もしくはセルの、半径方向外側に位置する領域と、半径方向内側に位置する領域との間で延びていて、したがってある程度仕切カバーを形成している。

原則として、セル隔壁は、横断面でＵ字形に成形されたセルエレメントの構成要素、つまり極めて一般的な、開いた中空成形体の構成要素であってもよい。択一的に、セル隔壁は、薄肉の、閉じた中空成形体の構成要素であってもよい。たとえば四角形成形体の列を、全周にわたって相互間隔を有して分配配置してもよい。個々の四角形成形体間の間隔を変化させることによって、個々のセルの横断面の所望の構成を得ることもできる。

以下に、本発明を、概略的に図示した実施の形態に基づいて詳述する。

圧力波機械のロータを示す長手方向断面図である。 セルロータを概略的に示す正面図である。 セルロータを概略的に示す側面図である。

図１には、内燃機関に過給するための、気体力学式の圧力波機械の主要構成要素を成すセルロータ１を示した。このセルロータ１は、詳しくは図示しないが、ハウジング内で長手方向軸線ＬＡを中心として回転可能に支承されている。このセルロータ１は、過給空気用の給気導管と燃焼ガス用の排気導管との間に位置している。矢印Ａは過給空気の流入方向を示している。セルロータ１内部に収容された空気は、反対側から矢印Ｂの方向でセルロータ１に流入する排気によって圧縮される。圧縮された吸気は矢印Ｃの方向に排出される。排気はセルロータ１から矢印Ｄの方向に出る。

本発明によるセルロータでは、非円筒形の構造が重要である。このセルロータ１は、周方向に閉じた外側カバー２を有しており、この外側カバー２は、本形態では円錐形状に形成されている。これによってセルロータは全体として円錐台形状を有している。このセルロータの外周は、排気側３から過給空気側４に向かって増加している。このセルロータは軸５に支承されており、この軸５は、図示していないが、駆動手段と連結することができる。この軸５は円錐台形状のハブ６を支持しており、このハブ６にセルロータ１のセル構造体が固定されている。セルロータ１の、ガスを通過させる領域は、同心的な２つのセルリング７，８に分割されている。セルリング７，８はそれぞれ半径方向で閉じているので、ガス交換は、セルロータ１の長手方向にしか行うことができない。半径方向で測定した個々のセルの高さは一定である。つまり、外側カバー２は、外側のセルリングの内側カバー９に対して平行である。この内側カバー９は、内側に位置するセルリングに関して見れば外側カバー９’と見なすことができ、この外側カバー９’は、別の、半径方向内側に位置する内側カバー１０と共に、半径方向内側に位置するセルリング８を半径方向で画成している。全体としてカバーエレメント２，９，１０は、相互に同心的に延びている。

図２から看取されるように、セルロータ１は多数のセル１１，１２，１３，１４を有している。個々のセル１１〜１４の間にセル隔壁１５が位置しており、セル隔壁１５は金属薄板要素から形成されている。セル隔壁１１〜１５は、有利には材料結合式に、ろう接または融接によって、各内側カバー９，１０もしくは各外側カバー２，９’と結合されている。

各セルリング７，８には、異なる周方向延伸度を有する２つのセルが位置している。各種のセル１１，１２；１３，１４は、有利には規則的に、セルロータ１の全周にわたって分配配置されている。

図３の側面図には角度Ｗが記入されており、この角度Ｗは、外側カバー２と、セルロータ１の長手方向軸線ＬＡとの間で測定され、最大で５０°である。

１ セルロータ、 ２ 外側カバー、 ３ 排気側、 ４ 過給空気側、 ５ 軸、 ６ ハブ、 ７ セルリング、 ８ セルリング、 ９ 内側カバー、 ９’ 外側カバー、 １０ 内側カバー、 １１ セル、 １２ セル、 １３ セル、 １４ セル、 １５ セル壁、 ＬＡ 長手方向軸線、 Ａ 矢印、 Ｂ 矢印、 Ｃ 矢印、 Ｄ 矢印、 Ｗ 角度

Claims (19)

1. 内燃機関を過給するための気体力学式の圧力波機械であって、ハウジング内で回転可能に支承されたセルロータ（１）を備えており、該セルロータ（１）は、過給空気用の給気導管と燃焼ガス用の排気導管との間に配置されており、前記セルロータ（１）の外周が、排気側（３）から過給空気側（４）に向かって増加している形式のものにおいて、
   前記セルロータ（１）のセルの、半径方向で測定した高さが、前記セルロータ（１）の長手延伸方向で一定に維持され、個々のセルの横断面が、排気側から過給空気側に向かって増加している、気体力学式の圧力波機械。
2. 前記セルロータ（１）は、円錐台形状である、請求項１記載の圧力波機械。
3. 前記セルロータ（１）の外側カバー（２）は、前記セルロータ（１）の長手延伸方向で湾曲している、請求項１記載の圧力波機械。
4. 前記外側カバー（２）の曲率は、前記排気側（３）から前記過給空気側（４）に向かって増加している、請求項３記載の圧力波機械。
5. 前記外側カバー（２）は、前記セルロータ（１）の長手延伸方向で放物線状に湾曲している、請求項４記載の圧力波機械。
6. 前記セルロータ（１）は、種々の材料の半製品から組み立てられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力波機械。
7. 前記セルロータ（１）は、前記排気側（３）から前記過給空気側（４）に延びるセル隔壁（１５）を有しており、該セル隔壁（１５）は、金属薄板要素から成っており、前記セル隔壁（１５）は、内側カバー（９，１０）および外側カバー（２，９’）と結合されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧力波機械。
8. 前記セル隔壁（１５）は、０．０５〜１．０ｍｍの壁厚を有している、請求項７記載の圧力波機械。
9. 前記セル隔壁（１５）は、材料結合式に、ろう接または溶接によって、前記内側カバー（９，１０）および／または前記外側カバー（２，９’）と結合されている、請求項７または８記載の圧力波機械。
10. 前記セル隔壁（１５）は、形状結合式に、前記内側カバー（９，１０）および／または前記外側カバー（２，９’）と結合されている、請求項７から９までのいずれか１項記載の圧力波機械。
11. 前記セル隔壁（１５）は、交互に、前記外側カバー（２，９’）の領域および前記内側カバー（９，１０）の領域で、互いに結合されていて、かつ前記セルロータ（１）の周方向で延びる、メアンダ状に形成されたセル金属薄板の構成要素を成している、請求項７から１０までのいずれか１項記載の圧力波機械。
12. 前記セル隔壁（１５）は、横断面で見て２重のＺ字形に形成されている、請求項７から１０までのいずれか１項記載の圧力波機械。
13. １〜３つの同心的なセルリング（７，８）が設けられており、隣接する前記セルリング（７，８）は、同心的なカバーエレメント（９，９’）によって互いに仕切られている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の圧力波機械。
14. 周方向延伸度のそれぞれ異なるセル（１１〜１４）が、前記セルロータ（１）の周にわたって不規則に分配されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の圧力波機械。
15. 各セルリング（７，８）の、前記セル（１１〜１４）間の周方向延伸度における相対的な差が同じである、請求項１３または１４記載の圧力波機械。
16. 前記セル（１１〜１４）は、横断面で円形リング区分を成している、請求項１から１５までのいずれか１項記載の圧力波機械。
17. 前記セルロータ（１）の外周に、少なくとも１つのバランスリングが配置されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の圧力波機械。
18. 前記セル隔壁（１５）は、少なくとも部分的に粗くされた表面構造を有している、請求項７から１７までのいずれか１項記載の圧力波機械。
19. 前記セル隔壁（１５）は、少なくとも部分的に触媒コーティングを有している、請求項７から１８までのいずれか１項記載の圧力波機械。

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