JP6552616B2 - 圧力波過給機 - Google Patents

Description

本発明は、圧力波過給機に関する。

従来技術
内燃機関により運転される車両に対し、法規は、有害物質排出を一層削減することと、特に燃料消費量を低減することを求めている。その際、燃料のエネルギを機械エネルギに変換するプロセスは、観念的なカルノーサイクルに依拠しているので、内燃機関の効率は、最大約４０％に制限されている。燃料中に含まれる残余のエネルギは、損失熱として内燃機関のエンジンブロックを介して又は排ガスを介して放出されてしまう。内燃機関の効率をさらに高めるために、内燃機関は過給される。過給時、燃焼プロセスのために必要な、吸い込んだフレッシュエアあるいは新鮮空気（新気）は、圧縮され、その結果、ガス交換プロセスに際し、シリンダのより高い充填効率が達成される。シリンダにおける新気のより高い充填効率は、内燃機関の摩擦損失は同じまま、燃料のより高い供給量、例えば噴射量、ひいては、燃焼サイクル毎の燃焼出力の向上を可能にする。これにより、内燃機関の実効出力は、向上するので、提供可能な出力は同じまま、行程容積のより小さいエンジンを使用し、ひいては、燃料消費量及びＣＯ_２排出量を減らすことができる。

内燃機関を過給する圧縮機として、特に圧力波過給機が好適である。圧力波過給機、例えば欧州特許出願公開第０２３５６０９号明細書において公知である圧力波過給機は、その際、直接的なガス接触を介して、吸い込んだ新気を圧縮するのに排ガスの流動エネルギを利用しており、最も頻繁に見られる構造形態にあっては、回転するセルロータを備えて形成される。内燃機関の実効効率向上を達成するには、圧力波過給機による過給プロセスが同じく高い効率で実施されることが、特に重要である。

公知の圧力波過給機は、圧力波過給機の運転中、回転するセルロータの機械的損傷を回避するために、回転するセルロータと固定部との間の間隙が比較的大きくとられているという欠点を有している。この比較的大きな間隙は、運転中、ただし、とりわけコールドスタート中、効率の低下を結果として伴う。独国特許出願公開第１０２０１２１０１９２２号明細書は、間隙幅を減じた圧力波過給機を開示している。この装置における欠点は、噛んで動かなくなってしまう傾向がこの装置にはあり、噛んだ後に間隙幅を減じることがもはや不可能である点にある。

発明の概要
本発明の課題は、効率を高めた圧力波過給機を形成することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する圧力波過給機により解決される。従属請求項２乃至１６は、さらなる有利な構成に関する。

上記課題は、特に、内燃機関用の新気を圧縮する圧力波過給機であって、低温ガスケーシングと、高温ガスケーシングと、両ガスケーシング間に配置されるロータケーシングと、を備え、ロータケーシング内には、回転可能なセルロータが配置されており、セルロータは、複数のロータセルを有し、ロータセルは、セルロータの延在方向で延在し、流体を導く接続を形成し、高温ガスケーシングは、高圧排ガス通路及び低圧排ガス通路を有し、低温ガスケーシングは、新気通路及び給気通路を有し、高圧排ガス通路、低圧排ガス通路、新気通路及び給気通路は、流体を導くようにセルロータに接続されており、低温ガスケーシングは、セルロータ軸受を有し、セルロータは、ロータ軸に結合されており、ロータ軸は、セルロータ軸受内で支持されており、セルロータは、ロータ軸の延在方向で分割されており、少なくとも第１のセルロータ部分及び第２のセルロータ部分を有し、第１及び第２のセルロータ部分は、ロータ軸の延在方向で相互に離間して、間隙を形成しており、間隙が開いていることで、第１のセルロータ部分から第２のセルロータ部分にかけてロータ軸の延在方向で並んで位置する複数のロータセルは、開いた間隙を介して流体を導くように互いに接続されている、圧力波過給機により解決される。

さらに上記課題は、特に、内燃機関用の新気を圧縮する圧力波過給機であって、低温ガスケーシングと、高温ガスケーシングと、両ガスケーシング間に配置されるロータケーシングと、を備え、ロータケーシング内には、回転可能なセルロータが配置されており、高温ガスケーシングは、高圧排ガス通路及び低圧排ガス通路を有し、低温ガスケーシングは、新気通路及び給気通路を有し、高圧排ガス通路、低圧排ガス通路、新気通路及び給気通路は、流体を導くようにセルロータに接続されており、低温ガスケーシングは、セルロータ軸受を有し、セルロータは、ロータ軸に結合されており、ロータ軸は、セルロータ軸受内で支持されており、セルロータは、ロータ軸の延在方向で分割されており、少なくとも第１のセルロータ部分及び第２のセルロータ部分を有する、圧力波過給機により解決される。

圧力波過給機、特に圧力波過給機のセルロータは、高い温度変動時にも確実かつ高信頼性の運転が保証されているように構成されていなければならない。而るに圧力波過給機の温度は、例えば自動車の始動時、周囲温度と同じである。内燃機関からセルロータに流入すべき排ガスは、例えばガソリンエンジンの場合、運転中、約１０５０℃までの排ガス温度を有している。このことは、熱に起因したセルロータの長さ膨張を結果として伴う。

本発明に係る圧力波過給機は、ロータ軸の延在方向で分割されて少なくとも第１のセルロータ部分及び第２のセルロータ部分を有するセルロータを備えており、その結果、第１及び第２のセルロータ部分間には、ロータ軸の延在方向で間隙が形成されている。間隙は、有利な一構成において、周囲温度にあるとき、最大０．５ｍｍの幅を有している。有利な一構成において、間隙は、セルロータの中央に配置されている。

本発明に係るセルロータは、温度に起因した長さ膨張に伴い、前記間隙が温度上昇中縮小するあるいは温度低下中拡大するように構成されている。このように構成されたセルロータを備える圧力波過給機は、特に有利な一構成において、セルロータの端面と高温ガスケーシングの端面との間の間隙が、温度にかかわらず同じ又は略同じ間隙幅を有し、この間隙幅を、有利には、極めて小さく維持、好ましくは０．０５乃至０．２ｍｍの範囲、好ましくは約０．１ｍｍとすることができるという特性を有している。この小さな間隙幅は、セルロータの端面と高温ガスケーシングの端面との間の領域で、圧力損失が生じないか、又は僅かにしか生じないことを結果として伴う。このような圧力波過給機１は、例えば、エンジンの温度が低くても、過給圧を極めて迅速に高めることができるので、良好なコールドスタート特性を有している。

有利な一構成において、セルロータのロータ軸は、低温ガスケーシング内で第１の軸受により片側でしか支持されていない。このような配置は、セルロータの片持ち式の支持ともいう。別の有利な一構成において、ロータ軸は、両側で、つまり低温ガスケーシング内で支持されていると同時に、高温ガスケーシング内に設けられた第２の軸受によっても支持されている。

別の有利な一構成において、セルロータは、長手方向で並んで配置される多数のセルロータ部分、例えば３乃至３０個のセルロータ部分からなり、隣り合って配置されるセルロータ部分は、好ましくは、間隙を介して相互に離間している。しかし、間隙は、隣り合って配置されるセルロータ部分が、特に高温状態において、相互に接触するように、狭く構成されていてもよい。高温ガスケーシング側の第１のセルロータ部分は、耐熱性の金属、好ましくは耐熱性の鋼からなる。その後のセルロータ部分は、もはや、それほど高い耐熱性を必要としないので、これらのセルロータ部分は、例えばプラスチックからなっていてもよい。

別の有利な一構成において、圧力波過給機は、熱交換器を備えており、熱交換器は、高温ガスケーシング内に配置されるセルロータ用の第２の軸受を少なくとも冷却するように配置され、構成されている。加えて、特に有利な一構成において、高温ガスケーシング内で、内燃機関から流れ来る高圧排ガス流が冷却される。高温ガスケーシング内で、流れ来る排ガス流を冷却することは、高温ガスケーシングがより低い温度を有し、排ガス流がより低い温度でセルロータに流入し、その結果、セルロータもより低い運転温度を有することを結果として伴う。このことは、高温ガスケーシング及びセルロータが、温度上昇中、より僅かにしか膨張しないこと、あるいは温度低下中、より僅かにしか収縮しないことを結果として伴う。冷却は、セルロータ用の第２の軸受を高温ガスケーシング内に配置することを可能にする。これにより、セルロータを第２の軸受内で支持することが可能であるので、セルロータの端面は、所定の位置を有し、これにより、セルロータの端面と高温ガスケーシングの端面との間の間隙を、小さく維持することができる。最も有利な構成において、セルロータは、両側で、高温ガスケーシング内に設けられた第２の軸受及び低温ガスケーシング内に設けられた第１の軸受内で支持されている。加えて有利な一構成において、第１の軸受及び／又は第２の軸受は、潤滑、特にオイル潤滑又はグリース潤滑されている。セルロータの両側の支持は、セルロータの従来公知の片持ち式の支持から脱却することを可能にする。片持ち式の支持には、高温及び高回転数時にロータのトランペット状の変形が生じるという欠点があった。

本発明に係る圧力波過給機は、セルロータのトランペット状の変形が、もはや生じないか、仮に生じても僅かであるという利点を有している。本発明に係る圧力波過給機は、セルロータと高温ガスケーシングとの間の冷間遊びを極めて小さく維持することを可能にし、間隙幅が、好ましくは０．０５乃至０．２ｍｍの範囲、好ましくは約０．１ｍｍにあるという利点を有している。本発明に係る圧力波過給機は、この小さな間隙幅に基づいて、コールドスタート特性が大幅に改善されているという利点を有している。これは、圧力波過給機が、小さな間隙幅に基づいて、既にコールドスタート期間中、十分に高い過給圧を発生し得ることによる。本発明に係る圧力波過給機は、温度が例えば約２００℃の範囲にあるときに既に、十分に高い過給圧を発生する。

有利な一構成において、熱交換器の冷却出力は、コールドスタート中、圧力波過給機ができる限り短時間で例えば約２００℃の必要な運転温度に達するように、低い冷却出力でしか冷却されないか、又はまったく冷却されないように制御される。冷却出力は、ある特定の運転温度、例えば３００℃から、流入する排ガスを冷却すべく高められる。

加えて、特に有利な一構成において、熱交換器は、圧力波過給機から流出する排ガス流も、好ましくは低圧排ガス通路を冷却することで、冷却するように構成されている。

本発明に係る圧力波過給機は、排気装置内において未燃の炭化水素の後着火がもはや生じないか、又は殆ど生じないという別の利点を有しており、これは、排気装置に導かれる排ガス流の温度が明らかに減じられ、かつ好ましくは、高温ガスケーシングの温度も明らかに減じられていることによる。而して、高温ガスケーシングを後にした排ガス流の温度は、例えば約７００℃又は７００℃未満であり得る。高温ガスケーシングの表面温度は、例えば約１２０℃であり得る。有利には、熱交換器は、高温ガスケーシング内を延在する通路として構成されており、通路を通して冷却媒体として水が流れている。このように構成された熱交換器は、高温ガスケーシングを冷却するのに特に好適であるので、例えば高温ガスケーシングをアルミニウム、アルミニウム合金又は軽合金から形成することが可能である。この種の金属から製造される高温ガスケーシングは、この金属が高い熱伝導性を有するため、運転中、熱損傷を受けず、かつ高温ガスケーシングは、過熱が生じないように冷却される。

加えて本発明に係る圧力波過給機は、排ガス流の冷却により排ガスの体積流量が減じられるという利点を有している。このことは、圧力波過給機内の排ガス管路の寸法を小さくすることができること、あるいは既存の圧力波過給機を、排ガス圧送容量を高めて運転することができることを結果として伴う。

加えて本発明に係る圧力波過給機は、圧力波過給機、特に高温ガスケーシング及び低温ガスケーシングを、ただしセルロータも、比較的温度耐性の低い素材、ひいては比較的安価な素材により形成することができるという利点を有している。特に有利な一構成において、少なくとも高温ガスケーシングは、重量に関して比較的軽い高温ガスケーシングを形成すべく、かつ好ましくは、高温ガスケーシングを、熱伝導性を高めて形成すべく、アルミニウム、アルミニウム合金その他の軽合金から構成される。このような圧力波過給機は、特に軽量に構成されているという利点と、排ガス流を特に効率的に冷却することができるという利点とを有している。アルミニウム又は相応の合金からなる高温ガスケーシングは、高温ガスケーシングが極めて迅速に昇温され、その結果、圧力波過給機が、コールドスタート時、極めて短時間で必要な運転温度を有するという利点を有している。これにより、本発明に係る圧力波過給機を装備した内燃機関は、有利なコールドスタート特性を示す。このことは、圧力波過給機が、例えば小さな行程容積を有するガソリンエンジンにおいて、極めて迅速にコールドスタート後に作用を発現することを結果として伴う。このことは、例えばより良好な加速挙動と、より低い有害物質排出とを結果として伴う。

熱交換器は、有利には、水冷部、特に高温ガスケーシング内に冷却通路が配置され、冷却通路を通って冷却水が流動するようにした水冷部を有している。

セルロータは、有利には、能動的に駆動、例えばベルトドライブ又は特に電気モータ、有利には低温ガスケーシング内に配置されている電気モータにより駆動されている。

図面は、実施例の説明に供されるものである。

部分的に略示した圧力波過給機の縦断面図である。 セルロータ内のガス案内の原理図である。 分割式のセルロータの側面図である。 分割式のセルロータの縦断面図である。 分割式のセルロータの別の実施例の縦断面図である。 分割式のセルロータの別の実施例の縦断面図である。 部分的に略示した圧力波過給機の別の実施例の縦断面図である。 高温ガスケーシングの正面図である。 圧力波過給機の側面図である。 図９に示した切断線Ａ−Ａに沿った圧力波過給機の断面図である。 圧力波過給機の別の実施例の縦断面図である。 セルロータの前面の斜視図である。 セルロータの後面の斜視図である。 分割式のセルロータの別の実施例の縦断面図である。

原則、図中、同じ部材には同じ符号を付した。

発明を実施するための形態
図１は、図示しない内燃機関用の新気２ａを圧縮する圧力波過給機１を部分的に略示している。内燃機関には、圧縮した新気（給気３ａともいう）が供給される。圧力波過給機１は、低温ガスケーシング６と、高温ガスケーシング７と、両ガスケーシング６，７間に配置されるロータケーシング１１とを備えており、ロータケーシング１１内には、回転可能なセルロータ８が配置されている。セルロータ８は、第１及び第２のセルロータ部分８ａ，８ｂを有しており、第１及び第２のセルロータ部分８ａ，８ｂは、相互に離間し、間隙１８を形成している。セルロータ８は、ロータ軸１２を有しているか、又はロータ軸１２に結合されており、ロータ軸１２は、両端部においてそれぞれ１つの第２あるいは第１の軸受１３，１４内で回転可能に支持されている。第２の軸受１３は、高温ガスケーシング７内に配置されているのに対して、第１の軸受１４は、低温ガスケーシング６内に配置されている。高温ガスケーシング７は、１つの高圧排ガス通路４及び１つの低圧排ガス通路５を有しており、エンジンから流入する高圧排ガス流４ａが高圧排ガス通路４に供給され、低圧排ガス通路５から流出する低圧排ガス流５ａが排気部に導かれる。低温ガスケーシング６は、１つの新気通路２及び１つの給気通路３を有している。低温ガスケーシング６は、別の一実施の形態において、複数の新気通路２及び複数の給気通路３、好ましくは両通路２，３を２つずつ有していてもよい。高温ガスケーシング７は、別の一実施の形態において、複数の高圧排ガス通路４及び複数の低圧排ガス通路５、好ましくは両通路４，５を２つずつ有していてもよい。高圧排ガス通路４、低圧排ガス通路５、新気通路２及び給気通路３は、圧力波過給機において一般的な、ただし概略的にのみ示した配置において、流体を導くようにセルロータ８に接続されており、セルロータ８は、複数のロータセル１０を有している。ロータセル１０は、セルロータ８の延在方向で一貫した、流体を導く接続を形成しており、この接続は、セルロータ８の第１の端面８ｃから第２の端面８ｄまで延在し、これにより、吸い込んだ新気２ａを高圧排ガス流４ａにより圧縮し、給気３ａとして内燃機関に供給することができる。高温ガスケーシング７は、セルロータ８に向かって方向付けられた端面７ｆに入口開口７ｈ及び出口開口７ｇを有している。この端面７ｆとセルロータ８との間には、間隙１６が存在する。間隙１６は、好ましくは０．０５乃至０．２ｍｍの範囲の幅、特に約０．１ｍｍの幅を有している。低温ガスケーシング６は、セルロータ８に向かって方向付けられた端面６ｃに入口開口６ｄ及び出口開口６ｅを有している。この端面６ｃとセルロータ８との間には、間隙１７が存在する。セルロータ８は、ロータセル１０を画定するセルロータ外壁８ｅを有している。

高温ガスケーシング７は、部分的に略示した熱交換器７ｃを有しており、熱交換器７ｃは、少なくとも第２の軸受１３が冷却されるように構成されている。有利には、高温ガスケーシング７は、軸受座壁７ｎを有している。軸受座壁７ｎは、第２の軸受１３に面した側において第２の軸受１３用の軸受座７ｏとして構成されている。第２の軸受１３は、軸受座７ｏ内に配置されている。軸受座壁７ｎは、第２の軸受１３から背離した側において熱交換器７ｃの冷却通路７ｄの冷却通路外壁７ｐの一部を形成している。

特に有利には、熱交換器７ｃは、高圧排ガス通路４も冷却可能に、ひいては、高圧排ガス通路４を通って流動する高圧排ガス流４ａも冷却されるように構成されている。有利には、熱交換器７ｃは、高圧排ガス通路４を少なくとも１つの冷却区域４ｂに沿って完全に包囲する冷却通路７ｅを有しているので、高圧排ガス通路４の外壁は、同時に冷却通路外壁７ｐの一部を形成している。

冷却流は、好ましくは、冷却媒体がまず第２の軸受１３を冷却し、その後、高圧排ガス通路４へと導かれ、これにより高圧排ガス通路４を冷却することができるように、熱交換器７ｃ内を導かれている。冷却媒体は、好ましくは、高圧排ガス通路４の外壁内に存在する複数の冷却通路内を流動する。別の好ましい一構成において、熱交換器７ｃは、加えて低圧排ガス通路５も冷却可能であり、その結果、この通路を通って流動する低圧排ガス流５ａも冷却されるように構成されている。冷却媒体として好ましくは水が使用される。有利な一構成において、冷却通路は、内燃機関の水回路に接続されているので、水回路は、冷却水を供給し、循環を引き起こす。ロータ軸１２は、図示の実施例において、低温ガスケーシング６内に配置される電気モータ１５により駆動されている。ロータ軸１２は、例えばベルトドライブにより駆動されていてもよい。

有利な一構成において、圧力波過給機１内には、高圧排ガス流４ａの温度、低圧排ガス流５ａの温度又はこれら温度と関連したパラメータを検出するセンサ２１が配置されている。センサ２１は、信号を伝送するように制御装置２３に接続されている。熱交換器７ｃは、流体を導くように、図示しない放熱装置に接続されているので、水回路が形成される。水回路は、図示しない循環ポンプも有している。好ましい一構成において、循環ポンプは、制御装置２３により制御可能であり、その結果、熱交換器７ｃの冷却出力は、制御可能、好ましくはセンサ２１により測定された温度に応じて制御可能である。

有利な一方法において、コールドスタート中、熱交換器７ｃの冷却は、実施されないか、又は減じられて実施されるにすぎない。そのため、第１のスタート期間Ｓ１中、圧力波過給機１、特に高圧排ガス流又は低圧排ガス流が、最低温度Ｔ_ｍｉｎを有するまでは、冷却が実施されないか、又は減じられて実施されるだけであり、最低温度Ｔ_ｍｉｎに達した後、熱交換器７ｃの冷却出力は高められる。この方法は、圧力波過給機がコールドスタート中、迅速に昇温され、それゆえ迅速に必要な加圧出力を提供するという利点を有している。別の有利な一方法において、コールドスタート時、予め定めたスタート時間Ｔ_ｓｔ中、熱交換器の冷却出力は減じられるか、又は熱交換器７ｃは停止され、熱交換器７ｃの冷却出力は、スタート時間Ｔ_ｓｔの経過後、高められる。

図２は、原理図において、間隙１８を有する分割式のセルロータ８を備える圧力波過給機１内のガス案内を示している。セルロータ８は、回転方向Ｄで回転可能に支持されている。セルロータ８は、回転方向Ｄで離間して配置される複数のセル壁９を有している。セル壁９は、ロータセル１０を画定している。セルロータ８あるいはロータセル１０は、中央において間隙１８により中断されており、図１に示したように、延在方向で第１あるいは第２の端面８ｃ，８ｄにおいて終端している。ロータセル１０は、間隙１８の領域で相互に整合して一直線に並ぶように配置されており、ロータセル１０は、セルロータ８あるいはロータ軸１２の延在方向で一貫して構成されており、これにより、セルロータ８あるいはロータ軸１２の延在方向で一貫した、障害なく流体を導く接続を、第１及び第２の端面８ｃ，８ｄ間に形成することができる。これにより圧力波は、妨げられることなくロータセル１０を通して伝播可能である。回転するセルロータ８内には、新気通路２を通して吸い込んだ新気２ａが流入するとともに、高圧排ガス通路４を通して燃焼サイクル由来の排ガス４ａが流入する。吸い込んだ新気２ａは、排ガス４ａの圧力により圧縮され、続いて給気通路３を介して内燃機関の吸気側に供給され、その後、ガス交換プロセスが行われるシリンダ内に流入し、シリンダ内で燃料と混合され、燃焼される。燃焼に続いて、排ガス４ａは、高圧排ガス通路４を通して圧力波過給機１に再び供給される。新気２ａを排ガス４ａにより圧縮した後、もはや不要となった排ガス５ａは、セルロータ８により低圧排ガス通路５に放出され、後続の排ガス系統に供給される。

高温ガスケーシング７内には、セルロータ８への供給を行う高圧排ガス通路４が延在している。加えて高温ガスケーシング７内には、熱交換器７ｃが配置されており、熱交換器７ｃは、図示の実施例において、水通路７ｄとして構成されている。水通路７ｄは、高圧排ガス通路４を取り巻いており、これにより、高圧排ガス通路４の内壁を冷却し、ひいては、通流している高圧排ガス流４ａを冷却することができる。図示の実施例において、熱交換器７ｃあるいは水通路７ｄは、高温ガスケーシング７の一部である。好ましい、図示しない一構成において、水通路７ｄは、まず、高温ガスケーシング７の、第２の軸受１３が配置されている領域に導かれており、これにより、まず、第２の軸受１３を冷却し、その後、高温ガスケーシング７の、高圧排ガス通路４を包囲する部分を冷却することができる。有利な、図示しない一実施の形態において、低圧排ガス通路５の領域にも、熱交換器７ｃ、特に水通路７ｄが配置されていてもよく、これにより、低圧排ガス流５ａも冷却することができる。

図３は、分割式のセルロータ８の側面図を示している。この分割式のセルロータ８は、ロータ軸１２の延在方向で２つの部分から構成されており、第１のセルロータ部分８ａと、第２のセルロータ部分８ｂとを有している。セルロータ部分８ａ，８ｂは、両者が温度上昇時に中央に向かってのみ膨張運動８ｃ，８ｄを示し、その結果、間隙幅１８が減少するようにロータ軸１２に結合されている。好ましくは、ロータ軸１２に関するセルロータ部分８ａ，８ｂの位置は、セルロータ８の端面８ｃ，８ｄに対して変化せず、その結果、高温ガスケーシング７の端面７ｆとセルロータ８との間において、一定又は略一定の間隙幅１６，１７が保証されている。

図４は、第１の軸受部分８ｈを有する第１のセルロータ部分８ａと、第２の軸受部分８ｉを有する第２のセルロータ部分８ｂとを有するセルロータ８を示しており、両セルロータ部分８ａ，８ｂあるいは両軸受部分８ｈ，８ｉは、相互に間隙１８を形成している。軸受部分８ｈ，８ｉは、ロータ軸１２に関して移動可能に支持されている。軸受部分８ｈ，８ｉは、空所を有しており、空所内には、付勢されたばね２８が配置されている。ばね２８は、両軸受部分８ｈ，８ｉ、ひいては両セルロータ部分８ａ，８ｂを互いに押し離し、その結果、セルロータ部分８ａ，８ｂは、その端面でもって高温ガスケーシング７の端面７ｆあるいは低温ガスケーシング６の端面６ｃに殆ど当接し、その結果、それらの間には、小さな間隙１６しか形成されていない。セルロータ８の温度が上昇することは、セルロータ部分８ａ，８ｂが膨張し、その結果、間隙１８が縮小することを結果として伴う。セルロータ８の温度が低下することは、間隙１８が拡大することを結果として伴う。図４に示した実施の形態は、温度上昇に基づいて生じるセルロータ部分８ａの長さの変化が、間隙１８の幅に作用するため、高温ガスケーシング７の端面７ｆと第１のセルロータ部分８ａとの間の間隙１６が、セルロータ部分８ａの温度にかかわらず、一定又は略一定にとどまるという利点を有している。

有利な一構成において、第１のセルロータ部分８ａは、第２のセルロータ部分８ｂよりも耐熱性の高い材料、例えば鋼又は鋳鉄からなる。圧力波過給機１の運転中、第１のセルロータ部分８ａは、例えば約８００℃の温度を有することがあるのに対し、第２のセルロータ部分８ｂの温度は、約２００℃にすぎない。間隙１８が、セルロータ８の延在方向で一貫した熱伝導を阻止するので、セルロータ部分８ａ，８ｂは、著しく異なる温度を有し得る。それゆえ第２のセルロータ部分８ｂを、耐熱性を下げた材料、例えばプラスチックから製造することも可能である。このようなセルロータ１８は、比較的低コストであり、好ましくは比較的軽量でもある。

図５は、セルロータ８の別の実施例を示している。このセルロータ８は、図４に示した実施例とは異なり、ストッパ１２ｃ，１２ｄを有している。ストッパ１２ｃ，１２ｄは、堅固にロータ１２に結合されているので、ロータ１２の延在方向での両セルロータ部分８ａ，８ｂの最大可能移動距離は、ストッパ１２ｃ，１２ｄにより制限されている。両セルロータ部分８ａ，８ｂは、可能な一実施例において、間隙１８に向かって、ロータ１２の延在方向で相互にオーバラップすることでシールを形成する端部区域を有していてもよい。このシールは、例えばラビリンスシールとして構成されていてもよい。本明細書において説明するセルロータ８のすべての実施例も、このように構成されていてもよい。これとは異なり、図１１に示すように、ロータケーシング１１内にシール、特にラビリンスシール２６が配置されていてもよい。

図６は、セルロータ８の別の実施例を示している。このセルロータ８は、ロータ軸１２の延在方向で少なくとも２つの部分から構成されており、第１のロータ部分軸１２ａを有する第１のセルロータ部分８ａと、第２のロータ部分軸１２ｂを有する第２のセルロータ部分８ｂとを有しており、両セルロータ部分８ａ，８ｂあるいは両ロータ部分軸１２ａ，１２ｂは、クラッチ１９を介して互いに結合されている。両セルロータ部分８ａ，８ｂは、ロータ間隙１８を有している。両ロータ部分軸１２ａ，１２ｂは、クラッチ１９内で相互に移動可能に支持されているので、セルロータ８の温度変化は、間隙幅１８の変化を結果として伴うことがある。

図７は、片持ち式に支持されるセルロータ８を備える圧力波過給機１の実施例を示している。図１に示した圧力波過給機１とは異なり、図７に示した圧力波過給機の場合、ロータ軸１２は、右側でのみ、低温ガスケーシング６内に設けられた第１の軸受１４内で支持されている。ロータ軸１２は、左側では支持されていない。

圧力波過給機１は、第２のセルロータ部分８ｂと、ロータケーシング１１の、第２のセルロータ部分８ｂを包囲する区域１１ａとが、図１１に示すように相互にラビリンスシール２６を形成するように相互に調整されて構成されているように、構成されていてもよい。

別の可能な一実施の形態において、図１、７及び１１に示した圧力波過給機１において、高温ガスケーシング７の冷却を省略してもよい。このような実施の形態でも、間隙１６を小さく維持することができることが保証されており、セルロータ８の温度上昇は、ロータ間隙幅１８の変化を結果として伴う。

図８は、高温ガスケーシング７の端面７ｆを示しており、端面７ｆには、周方向で離間して、入口開口７ｈ、次に出口開口７ｇ、再び入口開口７ｈ、次に出口開口７ｇが相次いで配置されている。図５に示した高温ガスケーシング７を備える圧力波過給機１は、図２に示すような、上下に配置される２つのガス案内からなるガス案内を有するように構成されている。

図９は、側面図において、高温ガスケーシング７と、ロータケーシング１１と、低温ガスケーシング６とを備える圧力波過給機１の別の実施例を示しており、高温ガスケーシング７は、フランジ７ｌを有しており、フランジ７ｌには、高圧排ガス通路４及び低圧排ガス通路５が開口している。ロータケーシング１１は、２つのフランジ１１ａ，１１ｂを有しており、フランジ１１ａ，１１ｂは、高温ガスケーシング７あるいは低温ガスケーシング６に取り付けられている。加えて冷却水入口７ｉ及び冷却水出口７ｋが図示されており、冷却水入口７ｉ及び冷却水出口７ｋを介して、高温ガスケーシング７内に配置される熱交換器７ｃとの冷却水交換がなされる。

図１０は、図９の切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。高圧排ガス通路４及び低圧排ガス通路５は、少なくとも部分的に、熱交換器７ｃ内に存在するウォータジャケット７ｍにより取り囲まれている。水は、供給管路及び排出管路７ｉ，７ｋを介して交換され、高温ガスケーシング７外にて冷却される。高温ガスケーシング７は、好ましくは部分的に二重壁に構成されており、これにより、離間した壁間に熱交換器７ｃを形成することができる。加えて図７からは、２つの出口開口７ｇと、出口開口７ｇの背後に配置されるセルロータ８の一部と、セルロータ８のロータセルとが、看取可能である。

熱交換器７ｃを有する冷却装置は、種々異なる形式で構成されていることができ、例えば蒸気回路として、ヒートパイプと、相変化を伴う蒸気回路とを備えて構成されていてもよい。

図１１は、縦断面図で圧力波過給機１の別の実施例を示しており、この圧力波過給機１は、分割式の、回転可能に支持されるセルロータ８を備えている。ロータケーシング１１は、一体の管形のジャケットケーシングとして構成されており、フランジ１１ａ，１１ｂを介して高温ガスケーシング７及び低温ガスケーシング６に結合されている。高温ガスケーシング７は、アルミニウム又は軽合金から製造されている。ロータ軸１２は、一貫して構成されており、第２の軸受１３及び第１の軸受１４内に回転可能に支持されている。鍔あるいはストッパ１２ｃは、堅固にロータ軸１２に結合されている。第１及び第２のセルロータ部分８ａ，８ｂは、軸受部分８ｈ，８ｉを介してロータ軸１２上に移動可能に支持されている。ばね２８は、突き放す力を働かせるので、両セルロータ部分８ａ，８ｂは、付勢されて鍔１２ｃあるいはストッパディスク２９に当接する。

図１２及び１３は、斜視図で、図１１に示したセルロータ部分８ａ，８ｂの前面あるいは後面を示している。両セルロータ部分８ａ，８ｂは、同一に構成されている。セルロータ部分８ａ，８ｂは、セルロータ外壁８ｅと、セルロータ内壁８ｇと、多数のセル壁９とを有しており、その結果、ロータセル１０が形成されている。加えてセルロータ部分８ａ，８ｂは、ロータ軸１２用の空所８ｋ及びストッパ８ｆを有する第１の端面８ｃを有している。加えてセルロータ部分８ａ，８ｂは、軸受部分８ｈを有している。

両セルロータ部分８ａ，８ｂは、ストッパ８ｆを介して鍔１２ｃあるいはストッパディスク２９に当接する。これらは、第１のセルロータ部分８ａの第１の端面８ｃと高温ガスケーシング７の端面７ｆとの間に、所定の間隙幅を有する間隙１６が生じるように調整されて配置されているとともに、第２のセルロータ部分８ｂの第２の端面８ｄと低温ガスケーシング６の端面６ｃとの間に、所定の間隙幅を有する間隙１７が生じるように調整されて配置されている。これにより、圧力波過給機１内の温度変化は、ロータ間隙１８の幅が変化する一方、間隙１６及び１７の幅が、温度にかかわらず一定又は略一定にとどまることを結果として伴う。このことは、この圧力波過給機１が高い効率を有する理由の１つである。

しかし、図１１に示した圧力波過給機１は、一体に、すなわち、例えば図１に示したようにロータ間隙１８なしに構成されていてもよい。

図１１に示した圧力波過給機１は、高温ガスケーシング７内に熱交換器７ｃを有しており、熱交換器７ｃは、少なくとも第２の軸受１３が冷却可能に構成されている。熱交換器７ｃは、高温ガスケーシング７内を延在する冷却通路７ｄを有している。高温ガスケーシング７は、軸受座壁７ｎを有しており、軸受座壁７ｎは、第２の軸受１３に面した側において第２の軸受１３用の軸受座７ｏとして構成されている。第２の軸受１３は、軸受座７ｏ内に配置されている。軸受座壁７ｎは、第２の軸受１３から背離した側において熱交換器７ｃの冷却通路７ｄの冷却通路外壁７ｐの一部を形成している。有利には、軸受座壁７ｎは、端面７ｑを有し、端面７ｑから出発して中空円筒形の軸受区域７ｒを有している。端面７ｑと軸受区域７ｒとは、軸受座７ｏを形成しており、端面７ｑと、中空円筒形の軸受区域７ｒとは、冷却通路外壁７ｐの一部を形成している。この構成は、高温ガスケーシング７から軸受座７ｏへの熱流が強く減じられているため、特に有利である。これにより、有利には、第２の軸受１３からセルロータ８への入熱は、阻止される。特に有利には、軸受座７ｏは、加えて第２の軸受１３を介して熱をセルロータ８から導出することができるように強く冷却される。このようにしてセルロータ８は、特に有利には冷却可能である。有利には、軸受座壁７ｎは、薄肉部７ｓあるいはブリッジを介して残余の高温ガスケーシング７に結合されており、これにより、残余の高温ガスケーシングから軸受座壁７ｎへの熱流を減じることができる。

有利な一構成において、圧力波過給機１は、これが分割式のロータ８を有している場合、複数のラビリンスシール２６を備えている。ラビリンスシール２６については、例示的かつ概略的に図１１に示した。ラビリンスシール２６は、例えばロータケーシング１１の内面及びセルロータ外壁８ｅの外面に配置されており、図１１には、ロータケーシング１１に配置されるラビリンスシール２６しか示していない。ラビリンスシール２６は、周方向で３６０°にわたって延びているが、簡明性のため、図１１には、ラビリンスシール２６の下側しかロータケーシング１１内に示していない。しかし、ラビリンスシール２６は、上側でもロータケーシング１１内を延在している。ラビリンスシール２６は、有利には、少なくとも間隙１８の領域に配置されており、これにより、間隙１８とロータケーシング１１との間の領域において、流体がロータセル１０から間隙１８を通して流出することを回避することができる。加えて、図１１に示すように、有利には、それぞれ周方向で３６０°にわたって延在する２つのラビリンスシール２６が、さらにセルロータ８の端部領域に配置されており、これにより、流体がセルロータ外壁８ｅとロータケーシング１１の内面との間の間隙内に浸入することを回避することができる。

有利には、熱交換器７ｃは、高圧排ガス通路４を少なくとも１つの冷却区域４ｂに沿って完全に包囲する冷却通路７ｅを有しているので、高圧排ガス通路４の外壁は、同時に冷却通路外壁７ｐの一部を形成している。特に有利には、薄肉部７ｓあるいはブリッジは、図１１に示すように、両側において冷却通路外壁７ｐを形成しており、このことは、残余の高温ガスケーシングから軸受座壁７ｎへの熱流を付加的に減じる。

加えて有利には、熱交換器７ｃは、低圧排ガス通路５を少なくとも１つの冷却区域５ｂに沿って完全に包囲する冷却通路７ｅを有しているので、低圧排ガス通路５の外壁は、同時に冷却通路外壁７ｐの一部を形成している。

加えて、有利な一構成において、第１及び／又は第２の軸受１４，１３にオイルを供給すべく、オイル管路３０ａを有するオイル回路３０が設けられていてもよい。図１１には、このために必要な、高温ガスケーシング７及び／又は低温ガスケーシング６内を延在するオイル管路を示していない。

圧力波過給機１の冷却は、圧力波過給機１が運転中、より低い温度を有することを結果として伴う。このことは、図１１に示すように、低温ガスケーシング６とロータケーシング１１との間及び／又は高温ガスケーシング７とロータケーシング１１との間をシールするために、シールリング２７あるいはＯリングを密封のために使用することができるという利点を生じる。シールリング２７は、金属又はプラスチックから、好ましくは永久弾性を有する材料、例えばシリコーンからなる。シールリング２７は、周方向で３６０°にわたって延在している。

図１４は、セルロータ８の別の実施例を示している。このセルロータ８は、ロータ軸１２の延在方向で２つの部分から構成されており、第１の軸受部分８ｈを有する第１のセルロータ部分８ａと、第２の軸受部分８ｉを有する第２のセルロータ部分８ｂとを有している。両セルロータ部分８ａ，８ｂあるいは両軸受部分８ｈ，８ｉは、相互に間隙１８を形成している。その結果、両セルロータ部分８ａ，８ｂは、相互に間隙１８を形成するように離間している。第１及び第２の端面８ｃ，８ｄ間を一貫して延在するロータセル１０は、第１及び第２のセルロータ部分８ａ，８ｂ間の移行部において同様に間隙１８の分だけ離間している。この間隙１８は、一貫して第１の端面８ｃから第２の端面８ｄへ延在する、間隙１８の領域において相互に整合するロータセル１０内の、流体の流れを妨げない。両セルロータ部分８ａ，８ｂは、ロータ軸１２を介して互いに結合されており、同じ回転方向Ｄで回転する。軸受部分８ｈ，８ｉは、その端部区域８ｌ，８ｍにおいて堅固にロータ軸１２に結合されている。セルロータ８の温度が上昇することは、セルロータ部分８ａ，８ｂが膨張し、その結果、間隙１８が縮小することを結果として伴う。セルロータ８の温度が低下することは、間隙１８が拡大することを結果として伴う。図１４に示した実施の形態は、温度上昇に基づいて生じるセルロータ部分８ａの長さの変化が、間隙１８の幅に作用するため、高温ガスケーシング７の端面７ｆと第１のセルロータ部分８ａとの間の間隙１６が、圧力波過給機１の運転中、セルロータ部分８ａの温度にかかわらず、一定又は略一定にとどまるという利点を有している。有利な一構成において、間隙１８の幅は、セルロータ８の冷間状態で０．４ｍｍであり、この幅は、圧力波過給機１の運転中、セルロータ８の温度上昇に基づいて好ましくは０．２ｍｍ未満の値に縮小する。特に有利な一構成において、間隙１８は、温度上昇に基づいて完全に閉鎖する。セルロータ８の温度低下中、間隙１８は、再び冷間状態まで拡大する。

圧力波過給機１の冷却は、圧力波過給機１が運転中、より低い温度を有することを結果として伴う。このことは、低温ガスケーシング６とロータケーシング１１との間及び／又は高温ガスケーシング７とロータケーシング１１との間をシールするために、シールリング２７を密封のために使用することができるという利点を生じる。シールリング２７は、金属又はプラスチックからなる。

加えて、排ガス流れ方向で高圧排ガス通路４の上流に配置されている高圧排ガス供給管路を冷却すべく、付加的な熱交換器を配置すると、有利であることが判っている。

本発明に係るセルロータ８は、説明した実施例において、冷却式の高温ガスケーシング７との組み合わせにおいて示されている。しかし、本発明に係るセルロータ８は、冷却式の高温ガスケーシング７を有しない圧力波過給機１にも好適である。

方法の一例では、約１０５０℃の排ガス温度が、ガソリンエンジンから出て、高圧排ガス通路４内で冷却され、約８５０℃でセルロータに入る。加えてセルロータは、流入する約２０℃の新気２ａにより冷却され、その結果、第１のセルロータ部分８ａは、約４５０℃の温度を有し、第２のセルロータ部分８ｂは、約２００℃の温度を有する。

Claims (16)

1. 内燃機関用の新気（２ａ）を圧縮する圧力波過給機（１）であって、
   低温ガスケーシング（６）と、
   高温ガスケーシング（７）と、
   両前記ガスケーシング（６，７）間に配置されるロータケーシング（１１）と、
   を備え、前記ロータケーシング（１１）内には、回転可能なセルロータ（８）が配置されており、前記セルロータ（８）は、複数のロータセル（１０）を有し、前記ロータセル（１０）は、前記セルロータ（８）の延在方向で延在し、流体を導く接続を形成し、前記高温ガスケーシング（７）は、高圧排ガス通路（４）及び低圧排ガス通路（５）を有し、前記低温ガスケーシング（６）は、新気通路（２）及び給気通路（３）を有し、前記高圧排ガス通路（４）、前記低圧排ガス通路（５）、前記新気通路（２）及び前記給気通路（３）は、流体を導くように前記セルロータ（８）に接続されており、前記低温ガスケーシング（６）は、セルロータ軸受（１４）を有し、前記セルロータ（８）は、ロータ軸（１２）に結合されており、前記ロータ軸（１２）は、前記セルロータ軸受（１４）内で支持されており、前記セルロータ（８）は、前記ロータ軸（１２）の延在方向で分割されており、少なくとも第１のセルロータ部分（８ａ）及び第２のセルロータ部分（８ｂ）を有し、前記第１及び第２のセルロータ部分（８ａ，８ｂ）は、前記ロータ軸（１２）の延在方向で相互に離間して、間隙（１８）を形成しており、前記間隙（１８）が開いていることで、前記第１のセルロータ部分（８ａ）から前記第２のセルロータ部分（８ｂ）にかけて前記ロータ軸（１２）の延在方向で並んで位置する複数のロータセル（１０）は、開いた前記間隙（１８）を介して流体を導くように互いに接続されている、
   ことを特徴とする圧力波過給機。
2. 前記間隙（１８）は、最大０．５ｍｍの幅を有する、請求項１に記載の圧力波過給機。
3. 前記セルロータ（８）は、前記ロータ軸（１２）の延在方向で中央にて分割されている、請求項１又は２に記載の圧力波過給機。
4. 前記高温ガスケーシング（７）は、第２のセルロータ軸受（１３）を有し、かつ前記セルロータ（８）の前記ロータ軸（１２）は、前記低温ガスケーシング（６）内に設けられた前記第１のセルロータ軸受（１４）内でも、前記高温ガスケーシング（７）内に設けられた前記第２のセルロータ軸受（１３）内でも支持されている、請求項１から３までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
5. 前記第１のセルロータ部分（８ａ）及び／又は前記第２のセルロータ部分（８ｂ）は、堅固に前記ロータ軸（１２）に結合されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
6. 前記第１のセルロータ部分（８ａ）及び前記第２のセルロータ部分（８ｂ）は、前記ロータ軸（１２）の延在方向で移動可能に前記ロータ軸（１２）上に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
7. 前記第１及び第２のセルロータ部分（８ａ，８ｂ）間に、両前記セルロータ部分（８ａ，８ｂ）に対して互いに突き放す力を発生させるばね（２８）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
8. 前記高温ガスケーシング（７）の端面（７ｆ）と前記第１のセルロータ部分（８ａ）の第１の端面（８ｃ）との間の所定の間隙幅（１６）を保証すべく、前記ロータ軸（１２）に堅固にストッパ（１２ｃ）が結合されており、前記ストッパ（１２ｃ）に前記第１のセルロータ部分（８ａ）が当接する、請求項１から７までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
9. 前記セルロータ（８）は、前記ロータ軸（１２）の延在方向で並んで配置されている多数のセルロータ部分（８ａ，８ｂ）を有し、多数とは、３乃至３０の範囲にある、請求項１から８までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
10. 前記第１のセルロータ部分（８ａ）及び前記第２のセルロータ部分（８ｂ）は、異なる材料からなり、前記第１のセルロータ部分（８ａ）の材料は、前記第２のセルロータ部分（８ｂ）の材料より高い耐熱性を有する、請求項１から９までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
11. 前記第１のセルロータ部分（８ａ）は、高熱剛性、耐熱性の鋼からなる、請求項１０に記載の圧力波過給機。
12. 前記第２のセルロータ部分（８ｂ）は、プラスチックからなる、請求項１０又は１１に記載の圧力波過給機。
13. 前記第１のセルロータ部分（８ａ）及び前記第２のセルロータ部分（８ｂ）は、前記ロータ軸（１２）の延在方向で並んで配置されており、移行部を有し、前記移行部にラビリンスシール（２６）が配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
14. 前記第１のセルロータ部分（８ａ）及び前記第２のセルロータ部分（８ｂ）は、前記ロータ軸（１２）の延在方向で並んで配置されており、前記第２のセルロータ部分（８ｂ）と、前記ロータケーシング（１１）の、前記第２のセルロータ部分（８ｂ）を包囲する区域（１１ａ）とは、前記第２のセルロータ部分（８ｂ）と前記包囲する区域（１１ａ）とが相互にラビリンスシール（２６）を形成するように、相互に調整されて構成されている、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
15. 前記高温ガスケーシング（７）は、熱交換器（７ｃ）を有し、前記熱交換器（７ｃ）は、前記高圧排ガス通路（４）が冷却可能に構成されている、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の圧力波過給機。
16. 前記熱交換器（７ｃ）は、先に前記第２のセルロータ軸受（１３）が冷却され、次に前記高圧排ガス通路（４）が冷却されているように構成されている、請求項１４に記載の圧力波過給機。

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