JPS6042334B2 - 過給機付内燃機関の給気を冷却するための方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスダイナミック圧力波機械によつて過給さ
れる内燃機関の給気を空冷式熱交換器によつてもどし冷
却するための方法およびこの方法を実施するための装置
に関する。

内燃機関の給気を空冷することは周知である（ペンシル
ベニア州のアレンタウンのマッグ商会の印刷物ＮＯ．ｌ
Ａ．４３−１−３０Ｍ）。

ターボ過給機内て圧縮された給気は熱交換器を経て内燃
機関の吸気系内に流入する。熱交換器の前で、圧縮され
た給気の一部が分岐し、そして熱交換器用ファンに直接
連結されているタービン内で膨脹する。その際ファンは
空気フィルターを介して周囲の空気を吸込み、そしてこ
の空気を、冷却器を経て再び大気に排出する。別の周知
の方法（ドイツ特許公告公報第 ２４０６０２吋）の場合、給気の全部が熱交換器を通過
後、熱交換器用ファンに直接連結されているタービンを
経て流れる。

既述の第１の周知の方法の場合と同様に、この方法の場
合もファンが周囲の空気を吸込みそしてこの空気を冷却
器を経て再び周囲に運ぶ。これら２つの方法の場合、先
ず第１に、給気を冷却するために、連結されたファンを
備えた別の駆動タービンが必要であるという欠点と、第
２に、加熱された冷却空気が他の作用をしないで周囲に
排出されるという欠点がある。

この両冷却方法は、ターボ過給機で過給される内燃機関
の場合に使用される。

しかし、本発明はガスダイナミック圧力波機関で内燃機
関を過給する場合における給気の冷却に関する。圧力波
機械の駆動態様（本願出願人の印刷物ＣＨ−Ｔ−１２３
０６３Ｄ）からして、給気のもどし冷却は特に魅力があ
る。なぜならロータセル壁を介して熱交換をするので、
圧縮比が同じである場合は排気ターボ過給の場合より高
い給気温度を生じるからである。これに相応して、圧力
波機械で過給する場合は、もどし冷却器を備えたターボ
過給機に対して、より大きな密度が得られる。本発明の
課題は、付加的な空気供給器および可動部材を用いない
で、給気をもどし冷却するための前述の方法を提供する
ことである。

この課題は本発明により、圧力波機械によつて吸込まれ
る新気全部が掃気の部分流と給気の部分流に分離され、
掃気部分流が冷却媒体として熱交換器を流過しそしてこ
の熱交換器を離れた後その固有の掃気機能が圧力波プロ
セスに発揮されることと、給気が圧力波プロセスにおい
て圧縮された後に、掃気によつて冷却された熱交換器に
おいてもどし冷却されることによつて達成される。

例えば出力増大、熱損失の減少、機械的効率の改良およ
び燃料消費の低下のような給気冷却特有の長所は別とし
て、本発明独特の長所は、機械の特性に悪影響を与えな
いで、圧力波プロセスに必要な掃気を更に有効に利用で
きるということである。特に、掃気の度合、即ち内燃機
関を全負荷回転数領域において使用するときにおける給
気の量に対する掃気の量の比が少なくとも０．４であつ
て、そして給気と掃気が圧力波プロセスに空間的に分離
されて供給されると有利である。

この場合、この本来の給気が圧縮の前に低い吸込温度を
有していることが有利である。前記方法を実施するため
の装置は、低費用とすることと動かない要素を使用する
ことという思想を基礎としている。

このことは、圧力波機械の空気ケーシングが空気吸込管
から低圧空気流入口まで分離壁によつて２つの管路に分
割されていて、熱交換器の冷却媒体側の接続部が掃気の
ための管路内に配設されていることによつて解決される
。更に、冷却すべき給気のための熱交換器の接続部が空
気ケーシングの高圧空気管路内に配設されていると有利
である。このことは、現在使用されている圧力波機械に
おいて給気冷却する場合単に空気ケーシングを交換する
だけで良いということを”意味する。図には本発明の対
象物の実施例が斜視図的にまたは概略的に示されている
。

圧力波機械の基本的な構造を示す第１図の斜視図におい
ては、見やすいように、本発明にとつて重要でない部材
、例えば過給すべき内燃機関、圧力波機械の駆動部およ
び支承部、セルホィール１を囲むスリーブおよび空気ケ
ーシングとガスケーシングの外方の輪部線は省略されて
いる。

正確な構造は本出願人が発行した印刷物ＣＨ−Ｔｌ２３
ｌ２３Ｆ′から知ることができる。この文献には機械を
構成するすべての個々の要素および組立てられた機械が
断面図で示されている。更に図示された機械は事を簡単
にするために１サイクル機械として示されている。この
ことは、ガスケーシングの端面２と空気ケーシングの端
面３に１つづつの高圧開口部と低圧開口部だけしか設け
られていないということから判る。尚この場合ガス側の
開口部は示されていない。系の機能を概観的に明らかに
するために、作業媒体の流れ方向と圧力波機械の回転方
向が矢印で示されている。内燃機関の高温排気ガスが高
圧ガス流入部４を経て、両側で開口していて軸方向に真
直なセル５を備えたセルホィール１内に流入して膨脹し
そして低圧ガス流出部６を経て機械から去り図示されて
ない排気管内に流入する。

空気側では新気が吸込管７のところで吸込まれ、低圧空
気流入口８を経てセルホィール１内に軸方向に流入する
。そしてこのセルホィール内で圧縮され、高圧空気流出
口９と高圧空気管路１０を経て給気として機械を去り、
そして機関に流入する。非常に複雑である本来のガスダ
イナミック圧力波プロセスについては、この圧力波プロ
セスは本発明の対象てはないので、前述の印刷物ＣＨ−
Ｔ一１２３０６３Ｄを参照されたし。

本発明の理解のために必要なプロセスの経過を、第１図
と同じ要素には同じ符号が付されている第２図に基いて
説明する。セル５からなるセル帯状体は、セルホィール
１の円筒状断面の展開図であり、そしてセルホィールが
回転する際に矢印の方向に下方へ動く。圧力波過程はセ
ルホィールの内方において行われ、そして実質的に、ガ
スで満たされた空間１１と空気で満たされた空間１２が
形成されるということを生ぜしめる。空間１１において
排気ガスが膨脹しそして低圧ガス流出部６内に排出され
、一方、空間１２においては吸込まれた新気の一部が圧
縮されそして高圧管路１０内に押出される。残つている
新気部分はセルホィールを通つて低圧ガス流出部６内に
掃気作用をして流れそれによつて排気ガスを完全に排出
する。この掃気作用はプロセス過程にとつて重要であり
そしてどんな事情があつてもあくまでも必須なものであ
る。このために、いかなる場合でも、排気ガスがセルホ
ィール内に留まつていて接続のサイクルの際に給気と共
に機関に供給されることを避けねばならないということ
が基礎である。掃気は更に、熱い排気ガスによつて強力
に加熱されたセル壁を冷却する。本発明により、圧力波
機械によつて吸込まれた新気が掃気の部分流と給気の部
分流に分割される。

給気部分は、セルホィールの回転方向に見て掃気部分の
後方で、管路１４からセルホィール１に直接供給され、
そこで圧力波プロセスを受ける。掃気部分は管路１４ａ
から、第２図に象徴的に示した熱交換器１３に冷却媒体
として供給され、流入温度よりも高い温度でこの熱交換
器から出、そしてセルホィール１に流入する。掃気部分
は点線１６に沿つてセルホィール１を流過し、次のサイ
クルにおいて低圧ガス流出部６から出る。以下に挙げる
数値例に基いて説明されるように、給気は常に、セル壁
を冷却するのに十分低い温度である。圧縮された給気は
、それが内燃機関の吸気系に供給される前に、熱交換器
内でもどし冷却される。その際給気の温度がどの位にな
るかということは、なかんずく使用される熱交換器の熱
交換効率に依存する。その上、交換面に生じる圧力損失
を考慮しなければならないので、冷却器の選択が、その
場合場合に解決されねばならない最も重要な問題である
。給気圧力比が２．５で吸気空気温度が２０℃である場
合における給気冷却のため一例では、６０′Ｃの給気が
所望である楊合、給気と掃気に関して給気効率が１つの
場合８５゜Ｃの温度急上昇が生じる。

それに応じて、冷却媒体として使用される掃気は１０５
゜Ｃに温められ、それによつて掃気は常に冷却機能を有
している。比較的に微少な冷却器費用て最大の給気冷却
を達成するために、掃気効率が少なく共１．０以上であ
ることが必要である。小さな負荷で運転すると、掃気効
率は圧力波機械の作動態様・に基いて強力に低下する。
それによつて給気冷却は低下または停止される。しかし
ながらこのことは部分負荷の場合にも考慮を要せぬこと
である。なぜなら、内燃機関の熱的状態が冷却をもはや
必要としないからである。冷却方法を実施するための本
発明に係る装置が第１図に示されている。

空気ケーシング内の低圧空気流入部は吸込管７から低圧
空気流入口８まで分離壁１５によつて２つの管路１４，
１４ａに分割されている。この流れ断面の幾可学的な分
割ノは、内燃機関の公称出力と共に所望される圧力波機
械の掃気効率の機能において為される。加えてセルホィ
ールの入口の面まで、掃気から給気を空間的に分割する
ことは、場合によつては将来実施される分離された量の
制御を可能にする。掃気のための管路１４ａの中には熱
交換器１３が収納されている。

この熱交換器は、特に冷却媒体が冷却すべき作業媒体に
対して横流で案内される様式の伝熱式冷却器（Ｒｅｋｕ
ｐｅｒａｔｉｖｋｕｈｌｅｒ）である。冷却器の構造は
、メンテナンスのために、組立および分解が簡単である
ようなものが有利である。高圧空気管路１０は２つの管
路部分に分割されていて、この場合、第１の部分は高圧
空気流出口９から熱交換器１３に、そして第２の部分は
熱交換器１３から内燃機関の吸気系に案内されている。

このような構造の場合、圧縮された給気は、冷却器の中
で一度の転向（第１図において点線で示された流路）ま
たは幾度かの転向をして、冷却空気に対して横方向に流
れる。本発明が、図に示されかつ前述した実施例に限定
されないということは自明である。

例えば熱交換器を圧力波機械の空気ケーシングの中に統
合するのではなく、外方に取付けるということは容易に
考え得る。特に解決策は機関空間内の自由に手にいる場
所に依存して選択すべきである。更に逆流の原理で作業
する冷却器も本発明の範囲から出ない。同様に数値例に
おいて挙げた値は特に好都合な実施形として見るべきで
ある。給気を本発明に係る方法で吸込温度のほんの少し
上の温度まで容易に冷却可能であることは自明である。
同様に、給気圧力比１．５以下の場合でもこの方法を有
効に使用可能であることは当業者にとつて明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱交換器を備えたガスダイナミック圧力波機械
を示す図、第２図はセルホィールとこのセルホィールに
接続されているケーシングの側方部分の一部とをセルの
半分の高さのところで円筒状に切断した展開図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスダイナミック圧力波機械によつて過給される内
   燃機関の給気を空気冷却式熱交換器によつて冷却するた
   めの方法において、圧力波機械によつて吸込まれる新気
   が掃気の部分流と給気の部分流に分割され、この掃気の
   部分流が冷却媒体として熱交換器１３を流過し、そして
   この熱交換器を出た後でその固有の掃気機能が圧力波プ
   ロセスで発揮されることと、給気の部分流が圧力波プロ
   セスで圧縮された後に、掃気の部分流によつて冷却され
   る熱交換器１３で冷却されることを特徴とする方法。 ２ 掃気の部分流が全負荷時の使用回転領域において給
   気量の少なく共４０％であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３ 掃気と給気の部分流が空間的に分離されて圧力波プ
   ロセスに供給されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ４ 圧力波プロセスの経験からみて給気部分流の前に掃
   気部分流を圧力波プロセスに導入することを特徴とする
   特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５ ガスダイナミック圧力波機械によつて過給される内
   燃機関の給気を空気冷却式熱交換器によつて冷却するた
   めの方法にして、圧力波機械によつて吸込まれる新気が
   掃気の部分流と給気の部分流に分割され、この掃気の部
   分流が冷却媒体として熱交換器を流過し、そしてこの熱
   交換器を出た後でその固有の掃気機能が圧力波プロセス
   で発揮され、給気の部分流が圧力波プロセスで圧縮され
   た後に、掃気の部分流によつて冷却される熱交換器で冷
   却される方法を実施するための装置において、圧力波機
   械の空気ケーシングが空気吸込管７から低圧空気流入口
   ８まで分離壁１５によつて２つの管路に分割され、熱交
   換器１３の冷却媒体側の接続部が掃気のための管路１４
   ａ内に配設されることを特徴とする装置。 ６ 冷却すべき給気部分流のための熱交換器１３が空気
   ケーシングの高圧空気管路１０内に配設されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７ 熱交換器１３が、給気部分流に対して横方向に冷却
   媒体を案内するタイプの伝熱式冷却器であることを特徴
   とする特許請求の範囲第５項記載の装置。