KR102356411B1 - 압력파 과급기 및 압력파 과급기를 작동하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 는 저온 가스 하우징 (6), 고온 가스 하우징 (7), 및 그 사이에 배치된 로터 케이싱 (11) 을 포함하고, 상기 로터 케이싱 내에 회전가능한 셀 로터 (8) 가 배치되고, 상기 고온 가스 하우징 (7) 은 고압 배기 가스 덕트 (4) 및 저압 배기 가스 덕트 (5) 를 포함하고, 상기 저온 가스 하우징 (6) 은 프레시 공기 덕트 (2) 및 차지 공기 덕트 (3) 를 포함하고, 상기 고압 배기 가스 덕트 (4), 상기 저압 배기 가스 덕트 (5), 상기 프레시 공기 덕트 (2) 및 상기 차지 공기 덕트 (3) 는 상기 셀 로터 (8) 에 유동적으로 연결되고, 상기 고온 가스 하우징은 제 1 베어링 (13) 을 포함하고, 상기 저온 가스 하우징 (6) 은 제 2 베어링 (14) 을 포함하고, 상기 셀 로터 (8) 는 상기 제 1 베어링 및 제 2 베어링 (13, 14) 에 장착된 로터 샤프트 (12) 를 포함하고, 상기 고온 가스 하우징 (7) 은, 적어도 상기 제 1 베어링 (13) 이 냉각될 수 있도록 설계되는 열교환기 (7c) 를 포함한다.
Description
본 발명은 압력파 과급기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 압력파 과급기를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
내연 엔진들에 의해 작동되는 차량들의 경우에, 제정법은 점점 더 낮은 오염물질 배출과, 특히 낮은 연료 소비를 요구한다. 여기에서, 연료 에너지를 기계 에너지로 변환하는 프로세스는 이상적인 카르노 (Carnot) 프로세스를 부여받고, 그 결과 내연 엔진의 효율성은 최대 약 40% 로 제한된다. 연료에 포함된 잔류 에너지는 내연 엔진의 엔진 블록을 통하여 또는 배기 가스를 통하여 손실된 열로서 배출된다. 내연 엔진들의 효율성을 추가로 높이도록, 내연 엔진들은 압력 차지 (charge) 된다. 이 프로세스에서, 연소 프로세스에 요구되는 유도된 프레시 (fresh) 공기는 압축되고, 그 결과 차지 교환 프로세스 중 실린더의 더 높은 체적 효율성이 달성된다. 실린더 차지에서 더 높은 비율의 프레스 공기는 더 높은 공급, 예컨대 연료 주입과 따라서 내연 엔진의 동일한 마찰력에 대해 연소 스트로크당 연소 용량의 증가를 허용한다. 이것은 내연 엔진의 유효 동력을 증가시키고, 따라서 동일한 이용가능한 동력에 대해 더 작은 변위를 갖고 따라서 더 낮은 연료 소비와 CO2 배출로 엔진을 이용할 수 있다.
압력파 과급기는 내연 엔진을 과급하기 위한 압축기로서 특히 적합하다. 예를 들어, 문헌 EP0235609A1 로부터 공지된 종류의 압력파 과급기는 유도된 프레시 공기를 압축하도록 직접 가스 접촉하면서 배기 가스 유동 에너지를 이용하고, 대부분의 통상적인 설계에서, 회전 셀 로터로 구성된다. 내연 엔진의 효율성의 효과적인 증가를 달성하기 위해서, 압력파 과급기에 의한 과급 프로세스가 마찬가지로 높은 효율성을 가지고 일어나야 한다는 점이 가장 중요하다.
공지된 압력파 과급기들은, 회전 셀 로터와 고정 부분들 사이 간극이 압력파 과급기의 작동 중 회전 셀 로터의 기계적 손상을 회피하도록 비교적 큰 설계를 가진다는 단점을 가지고 있다. 이런 비교적 큰 간극은 냉간 시동 뿐만 아니라 작동 중 감소된 효율성을 유발한다. 독일 공개 출원 DE 102012101922A1 은 감소된 간극 폭을 갖는 압력파 과급기를 개시한다. 이 기기의 단점은, 스티킹 (stick) 되는 경향을 가지고, 따라서 스티킹 발생 후 간극 폭의 감소는 더이상 가능하지 않다는 점이다.
문헌 FR1154867A 및 문헌 US2800120A 는 각각 저온 가스 하우징, 고온 가스 하우징, 그 사이에 배치된 로터 케이싱, 및 로터 케이싱 내에 배치된 셀 로터를 포함하는 압력파 과급기를 개시한다. 로터 케이싱은, 셀 로터의 길이 변화를 보상하도록 서로에 대해 종방향으로 움직일 수 있도록 장착되는 2 개의 재킷 부분들을 포함한다. 이 압력파 과급기는, 종방향으로 움직일 수 있는 재킷 부분들이 서로에 대해 스티킹될 수 있어서, 압력파 과급기의 효율성을 상당히 감소시키는 단점을 갖는다. 더욱이, 시일들이 요구되고 이것은 마모를 보인다.
본 발명의 목적은, 신뢰성있게 작동될 수 있고 증가된 효율성을 가지는 압력파 과급기를 형성하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은, 압력파 과급기가 신뢰성있게 작동될 수 있고 작동 중 증가된 효율성을 가지도록 방법에 의해 압력파 과급기를 작동하는 것이다.
이 목적은 청구항 1 의 특징들을 가지는 압력파 과급기에 의해 달성된다. 종속항 2 내지 종속항 15 는 추가 유리한 실시형태들에 관한 것이다. 목적은, 또한, 청구항 16 의 특징들을 가지는 압력파 과급기를 작동하기 위한 방법에 의해 달성된다. 종속항 17 내지 종속항 22 는 추가 유리한 방법 단계들에 관한 것이다.
특히, 이 목적은 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기에 의해 달성되고, 상기 과급기는 저온 가스 하우징, 고온 가스 하우징, 및 그 사이에 배치된 로터 케이싱을 포함하고, 회전가능한 셀 로터는 상기 로터 케이싱 내에 배치되고, 상기 고온 가스 하우징은 고압 배기 덕트 및 저압 배기 덕트를 포함하고, 상기 저온 가스 하우징은 프레시 공기 덕트 및 차지 공기 덕트를 포함하고, 상기 고압 배기 덕트, 상기 저압 배기 덕트, 상기 프레시 공기 덕트 및 상기 차지 공기 덕트는 상기 셀 로터에 유동적으로 연결되고, 상기 고온 가스 하우징은 제 1 베어링을 포함하고, 상기 저온 가스 하우징은 제 2 베어링을 포함하고, 상기 셀 로터는 상기 제 1 및 제 2 베어링들에 장착된 로터 샤프트를 포함하고, 상기 로터 케이싱은 상기 고온 가스 하우징 및 상기 저온 가스 하우징에 연결되는 일체형 관형 배럴 케이싱으로서 설계되고, 상기 고온 가스 하우징은, 적어도 상기 제 1 베어링이 냉각될 수 있도록 설계되는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는 상기 고온 가스 하우징 내에 연장하는 냉각 덕트들을 갖는다.
특히, 상기 목적은 또한 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기에 의해 달성되고, 상기 과급기는 저온 가스 하우징, 고온 가스 하우징, 및 그 사이에 배치된 로터 케이싱을 포함하고, 회전가능한 셀 로터는 상기 로터 케이싱 내에 배치되고, 상기 고온 가스 하우징은 고압 배기 덕트 및 저압 배기 덕트를 포함하고, 상기 저온 가스 하우징은 프레시 공기 덕트 및 차지 공기 덕트를 포함하고, 상기 고압 배기 덕트, 상기 저압 배기 덕트, 상기 프레시 공기 덕트 및 상기 차지 공기 덕트는 상기 셀 로터에 유동적으로 연결되고, 상기 고온 가스 하우징은 제 1 베어링을 포함하고, 상기 저온 가스 하우징은 제 2 베어링을 포함하고, 상기 셀 로터는 상기 제 1 및 제 2 베어링들에 장착된 로터 샤프트를 포함하고, 상기 고온 가스 하우징은, 적어도 상기 제 1 베어링이 냉각될 수 있도록 설계되는 열교환기를 포함한다.
특히, 상기 목적은 또한 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기를 작동하기 위한 방법에 의해 달성되고, 상기 압력파 과급기는 저온 가스 하우징, 고온 가스 하우징, 및 그 사이에 배치된 로터 케이싱을 포함하고, 회전가능한 셀 로터는 상기 로터 케이싱 내에 배치되고, 상기 고온 가스 하우징은 고압 배기 덕트 및 저압 배기 덕트를 포함하고, 상기 셀 로터는 제 1 베어링에 의해 그리고 상기 저온 가스 하우징에 배치된 제 2 베어링에 의해 지지되고, 제 1 베어링이 베어링 시트에 배치되고 상기 베어링 시트가 냉각 액체에 의해 외부에서 냉각된다는 사실에 의해 상기 고온 가스 하우징에 배치된 제 1 베어링이 냉각되도록 상기 고온 가스 하우징이 열교환기에 의해 냉각된다.
특히, 상기 목적은 또한 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기를 작동하기 위한 방법에 의해 달성되고, 상기 압력파 과급기는 저온 가스 하우징, 고온 가스 하우징, 및 그 사이에 배치된 로터 케이싱을 포함하고, 회전가능한 셀 로터는 상기 로터 케이싱 내에 배치되고, 고온 가스 하우징은 하나 이상의 고압 배기 덕트들 및 하나 이상의 저압 배기 덕트들을 포함하고, 고온 가스 하우징에 배치된 제 1 베어링이 냉각되도록 고온 가스 하우징이 열교환기에 의해 냉각되고 셀 로터는 제 1 베어링에 의해 그리고 저온 가스 하우징에 배치된 제 2 베어링에 의해 지지된다.
본 발명에 따른 압력파 과급기는 열교환기를 가지는 고온 가스 하우징을 포함하고, 열교환기는 셀 로터를 위한 적어도 제 1 베어링을 냉각하도록 배치되고 설계되고, 상기 제 1 베어링은 고온 가스 하우징에 배치된다. 특히 유리한 실시형태에서, 내연 엔진으로부터 유동하는 고압 배기 가스 유동은 또한 고온 가스 하우징에서 냉각된다. 내연 엔진으로부터 유입하는 배기 가스는 최대 약 1050 ℃ 의 배기 가스 온도를 갖는다. 고온 가스 하우징에서 유입하는 배기 가스 유동의 냉각은, 고온 가스 하우징이 비교적 저온을 가지고 배기 가스 유동이 비교적 저온에서 셀 로터로 유입하여서, 셀 로터가 또한 비교적 낮은 작동 온도를 가지는 영향을 갖는다. 더욱이, 제 1 베어링의 냉각은, 셀 로터가 제 1 베어링에서 지지되는 로터 샤프트에 의해 부가적으로 냉각되어서, 셀 로터의 작동 온도를 부가적으로 감소시키는 영향을 갖는다. 이것은, 고온 가스 하우징과 셀 로터 및 로터 케이싱 양자는 가열 중 더 적은 확장을 겪고 냉각 중 더 적은 수축을 겪는 영향을 갖는다. 본 발명에 따른 압력파 과급기는, 로터 케이싱이 일체형 관형 배럴 케이싱으로서 설계될 수 있는 장점을 갖는다. 로터 케이싱은, 예를 들어, 주철로 제조된다. 냉각은 고온 가스 하우징에 셀 로터를 위한 제 1 베어링을 배치하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 제 1 베어링에서 셀 로터를 지지할 수 있고, 그 결과 셀 로터의 단부는 규정된 위치를 가지고, 결과적으로, 셀 로터의 단부와 고온 가스 하우징의 단부 사이 간극은 작고 바람직하게 규정된 범위 내에서 유지될 수 있다. 셀 로터는, 양측에서, 고온 가스 하우징에서 제 1 베어링 및 저온 가스 하우징에서 제 2 베어링에 지지된다. 유리한 실시형태에서, 제 1 베어링 및/또는 제 2 베어링은 또한 윤활되고, 특히 오일-윤활되거나 그리스-윤활된다. 셀 로터를 위한 좌우 지지부는 셀 로터의 이전에 공지된 캔틸레버식 지지부를 없애는 것을 가능하게 하는데, 이것은 높은 온도와 회전 속도에서 로터의 트럼펫 형상의 변형이 존재한다는 단점을 가지고 있다. 본 발명에 따른 압력파 과급기는, 셀 로터의 트럼펫 형상의 변형이 더이상 발생하지 않거나 거의 발생하지 않는 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 압력파 과급기는, 셀 로터와 고온 가스 하우징 사이 콜드 클리어런스 (cold clearance) 가 극히 작게 유지될 수 있는 장점을 가지고, 간극 폭은 바람직하게 0.05 ~ 0.2 ㎜ 의 범위에 있고, 바람직하게 약 0.1 ㎜ 이다. 이런 작은 간극 폭에 의해, 본 발명에 따른 압력파 과급기는, 작은 간극 폭에 의해 냉간 시동 단계 중에도 압력파 과급기가 충분히 높은 부스트 압력을 발생시킬 수 있으므로 냉간 시동 특성이 크게 개선되는 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 압력파 과급기는, 예를 들어, 약 200 ℃ 영역의 온도로도 충분히 높은 부스트 압력을 발생시킨다.
특히 유리한 실시형태에서, 고온 가스 하우징은 제 1 베어링을 대면하는 측에서 제 1 베어링을 위한 베어링 시트로서 설계된 베어링 시트 벽을 포함하고, 제 1 베어링은 베어링 시트에 배치되고, 베어링 시트 벽은 제 1 베어링을 대면하지 않는 측에서 열교환기의 냉각 덕트의 냉각 덕트 외벽의 일부를 형성한다. 결과적으로, 다량의 열이 제 1 베어링으로부터 소산될 수 있다.
유리한 실시형태에서, 셀 로터는 로터 샤프트의 연장 방향으로 적어도 2-부분 설계를 가지고 제 1 셀 로터 부분 및 제 2 셀 로터 부분을 포함하고, 셀 로터 부분들은 상기 로터 샤프트의 연장 방향으로 이격되어서, 간극 또는 로터 간극을 형성한다. 고온 가스 하우징에 배치된 제 1 베어링은 냉각된다. 더욱이, 셀 로터의 단부가 규정된 위치를 가지도록 셀 로터는 바람직하게 제 1 베어링에서 지지되고, 그 결과 셀 로터의 단부와 고온 가스 하우징의 단부 사이 간극이 작게 유지될 수 있고 바람직하게 온도 변화 때문에 변하지 않고, 셀 로터의 가열은, 그것이 길이 확장을 겪고, 셀 로터의 단부와 고온 가스 하우징의 단부 사이 간극은 실질적으로 일정하게 유지되고, 반면에 로터 간극의 폭은 감소되는 영향을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 압력파 과급기는 심지어 워밍 (warm) 될 때 높은 효율성을 갖는다.
셀 로터의 단부가 규정된 위치를 가지도록 셀 로터는 유리하게도 또한 제 2 베어링에서 지지되고, 그 결과 셀 로터의 단부와 저온 가스 하우징의 단부 사이 간극이 작게 유지될 수 있고, 셀 로터의 가열은 또다시 로터 간극의 폭을 감소시키는 영향을 갖는다. 따라서, 작동 중 셀 로터의 가열은 본질적으로 로터 간극의 폭 변화를 유발한다.
유리한 실시형태에서, 압력파 과급기가 가능한 최단시간에 예를 들어, 약 200 ℃ 의 요구되는 작동 온도에 도달하도록 보장하기 위해서 냉간 시동 중 냉각이 단지 낮은 냉각 용량으로 수행되거나 전혀 수행되지 않도록 열교환기의 냉각 용량이 제어된다. 임의의 작동 온도를 초과했을 때, 예컨대 300 ℃ 를 초과했을 때, 냉각 용량은 유입 배기 가스를 냉각하도록 증가된다.
특히 유리한 실시형태에서, 열교환기는, 더욱이, 바람직하게 저압 배기 덕트를 냉각함으로써 압력파 과급기에서 유출되는 배기 가스 유동을 또한 냉각하도록 설계된다.
냉각 덕트는 유리하게도 적어도 냉각 섹션을 따라 고압 배기 덕트 및/또는 저압 배기 덕트를 완전히 둘러싸고, 그 결과 고압 배기 덕트 및/또는 저압 배기 덕트는 냉각 섹션에서 전체 원주면을 따라 냉각된다. 따라서, 특히 다량의 열은 고압 배기 덕트 및/또는 저압 배기 덕트 또는 거기에 유동하는 가스로부터 제거될 수 있다.
본 발명에 따른 압력파 과급기는, 배기 시스템으로 공급된 배기 가스 유동의 온도 및 바람직하게 또한 고온 가스 하우징의 온도가 크게 감소되므로 배기 시스템에서 미연소 탄화수소의 후점화는 더이상 발생하지 않거나 거의 발생하지 않는다는 추가 장점을 갖는다. 따라서, 고온 가스 하우징에서 나온 배기 가스 유동은 예를 들어 약 700 ℃ 의 온도 또는 700 ℃ 미만의 온도를 가질 수 있다. 고온 가스 하우징은 예를 들어 표면에서 약 120 ℃ 의 온도를 가질 수 있다. 열교환기는 유리하게도 고온 가스 하우징에서 연장되고 냉각 매체로서 물이 통과하는 덕트들로서 설계된다. 이런 식으로 설계된 열교환기는 특히 고온 가스 하우징을 냉각하기에 적합하고, 따라서, 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 경합금으로 고온 가스 하우징을 형성할 수 있다. 작동 중, 이러한 금속으로 제조된 고온 가스 하우징은 어떠한 열 손상도 겪지 않는데 왜냐하면 금속이 높은 열 전도를 보이고 과열이 발생하지 않도록 고온 가스 하우징이 냉각되기 때문이다.
본 발명에 따른 압력파 과급기는 또한 배기 가스의 체적 유동이 배기 가스 유동의 냉각에 의해 감소되는 장점을 가지는데, 이것은 압력파 과급기에서 배기 라인들의 치수들이 감소될 수 있거나 기존의 압력파 과급기가 증가된 배기 가스 이송 용량으로 작동될 수 있는 영향을 갖는다.
본 발명에 따른 압력파 과급기는 또한 그것이 덜 온도 안정적인 재료들로, 따라서 더 유리한 재료들로, 특히 고온 가스 하우징과 저온 가스 하우징 뿐만 아니라 셀 로터로 구성될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 유리한 실시형태에서, 적어도 고온 가스 하우징은 중량이 더 가벼운 고온 가스 하우징을 형성하도록 그리고 증가된 열 전도율을 갖는 고온 가스 하우징을 바람직하게 형성하도록 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 그밖의 다른 경합금으로 만들어진다. 이런 종류의 압력파 과급기는, 그것이 특히 경량의 설계를 가지고 배기 가스 유동이 특히 효율적으로 냉각될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 알루미늄 또는 대응하는 합금으로 만들어진 고온 가스 하우징은 알루미늄이 낮은 열적 관성을 가지고, 그 결과 고온 가스 하우징이 매우 빠르게 가열되고 따라서 압력파 과급기가 냉간 시동의 경우에 매우 단시간에 요구되는 작동 온도에 도달한다는 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 압력파 과급기를 갖춘 내연 엔진은 따라서 유리한 냉간 시동 특성을 갖는다. 이것은 압력파 과급기가, 예컨대 작은 변위를 갖는 가솔린 엔진의 경우에, 냉간 시동 후 매우 빠르게 실시되어서, 예를 들어, 더 양호한 가속 거동과 더 낮은 오염물질 배출을 유발하는 결과를 갖는다. 본 발명에 따른 압력파 과급기는, 가솔린 엔진들이 예를 들어 1050 ℃ 까지의 높은 배기 가스 온도를 가진다는 사실 때문에, 특히 가솔린 엔진들과 조합할 때 적합하다. 디젤 엔진은 더 낮은 배기 가스 온도를 갖는다.
특히 유리한 실시형태에서, 셀 로터는 2 개로 나누어지고, 로터 샤프트의 연장 방향으로, 제 1 셀 로터 부분과 그 후 제 2 셀 로터 부분을 포함하고, 2 개의 셀 로터 부분들은 로터 샤프트의 연장 방향으로 이격되어서, 로터 간극을 형성한다. 이런 종류의 셀 로터는, 유리하게도, 셀 로터 부분들의 가열이 로터 간극을 감소시키는 영향을 가지도록 설계된다. 로터 간극은 바람직하게 셀 로터의 중심에 배치된다. 이 실시형태는, 제 1 및 제 2 셀 로터 부분 사이 중심에서 압력 차이가 비교적 작고, 따라서 간극에 의해 유발되는 효율성의 손실이 비교적 작은 장점을 갖는다. 하지만, 셀 로터는 또한 더 많은 수의 분할부들을 가질 수 있고, 예를 들어, 3 개, 4 개 또는 5 개의 셀 로터 부분들을 가질 수 있고, 그 사이에 각각의 경우에 로터 간극이 존재할 것이다. 하지만, 로터 간극은 또한 셀 로터의 중심 외부에 배치될 수 있다.
열교환기는 유리하게도 수냉 시스템을 포함하여서, 특히 냉각수가 통과하는 냉각 덕트들은 고온 가스 하우징에 배치된다.
유리하게도, 셀 로터는, 저온 가스 하우징에 유리하게도 배치되는 예컨대 벨트 구동부에 의해, 또는 특히, 전기 모터에 의해 능동 구동된다.
도면들은 예시적 실시형태들을 설명하는데 사용된다.
도 1 은 부분적으로 개략적 형태로 도시된 압력파 과급기의 종단면도를 도시한다.
도 2 는 셀 로터에서 라우팅하는 가스의 기본 도면을 도시한다.
도 3 은 분할된 셀 로터의 종단면도를 도시한다.
도 4 는 분할된 셀 로터의 다른 예시적 실시형태의 종단면도를 도시한다.
도 5 는 고온 가스 하우징의 정면도를 도시한다.
도 6 은 압력파 과급기의 측면도를 도시한다.
도 7 은 도 6 에 도시된 절단선 A-A 를 따라서 본 압력파 과급기의 단면도를 도시한다.
도 8 은 압력파 과급기의 다른 예시적 실시형태의 종단면도를 도시한다.
도 9 는 셀 로터의 전방측의 사시도를 도시한다.
도 10 은 셀 로터의 후방측의 사시도를 도시한다.
도 11 은 분할된 셀 로터의 측면도를 도시한다.
도 12 는 분할된 셀 로터의 종단면도를 도시한다.
도 2 는 셀 로터에서 라우팅하는 가스의 기본 도면을 도시한다.
도 3 은 분할된 셀 로터의 종단면도를 도시한다.
도 4 는 분할된 셀 로터의 다른 예시적 실시형태의 종단면도를 도시한다.
도 5 는 고온 가스 하우징의 정면도를 도시한다.
도 6 은 압력파 과급기의 측면도를 도시한다.
도 7 은 도 6 에 도시된 절단선 A-A 를 따라서 본 압력파 과급기의 단면도를 도시한다.
도 8 은 압력파 과급기의 다른 예시적 실시형태의 종단면도를 도시한다.
도 9 는 셀 로터의 전방측의 사시도를 도시한다.
도 10 은 셀 로터의 후방측의 사시도를 도시한다.
도 11 은 분할된 셀 로터의 측면도를 도시한다.
도 12 는 분할된 셀 로터의 종단면도를 도시한다.
원칙적으로, 동일한 부품들은 도면들에서 동일한 도면 부호들을 구비한다.
도 1 은, 차지 공기 (3a) 로도 지칭되는 압축된 프레시 공기가 공급되는, 내연 엔진 (미도시) 을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 개략적으로 도시한다. 압력파 과급기 (1) 는 저온 가스 하우징 (6), 고온 가스 하우징 (7), 및 그 사이에 배치된 로터 케이싱 (11) 을 포함하고, 회전가능한 셀 로터 (8) 가 로터 케이싱 (11) 내에 배치된다. 셀 로터 (8) 는, 제 1 및 제 2 베어링 (13, 14) 에서 각각 2 개의 단부들에 회전가능하게 장착되는 로터 샤프트 (12) 를 포함한다. 제 1 베어링 (13) 은 고온 가스 하우징 (7) 에 배치되고, 반면에 제 2 베어링 (14) 은 저온 가스 하우징 (6) 에 배치된다. 고온 가스 하우징 (7) 은 고압 배기 덕트 (4) 및 저압 배기 덕트 (5) 를 포함하고, 엔진으로부터 유입되는 고압 배기 가스 유동 (4a) 은 고압 배기 덕트 (4) 로 공급되고, 저압 배기 덕트 (5) 에서 유출되는 저압 배기 가스 유동 (5a) 은 배기관으로 통과된다. 저온 가스 하우징 (6) 은 프레시 공기 덕트 (2) 및 차지 공기 덕트 (3) 를 포함한다. 다른 실시형태에서, 저온 가스 하우징 (6) 은 또한 복수의 프레시 공기 덕트들 (2) 및 복수의 차지 공기 덕트들 (3), 바람직하게 각각의 경우에 2 개의 덕트들을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 고온 가스 하우징 (7) 은 또한 복수의 고압 배기 덕트들 (4) 및 복수의 저압 배기 덕트들 (5), 바람직하게 각각의 경우에 2 개의 덕트들을 포함할 수 있다. 고압 배기 덕트 (4), 저압 배기 덕트 (5), 프레시 공기 덕트 (2) 및 차지 공기 덕트 (3) 는, 압력파 과급기에 관례적이지만 단지 개략적으로 도시된 배열로 셀 로터 (8) 에 유동적으로 연결되고, 셀 로터 (8) 는 로터 셀들 (10) 을 포함하고, 상기 셀들은 셀 로터 (8) 의 연장 방향으로 연속적이고 고압 배기 가스 유동 (4a) 의 보조로 유도된 프레시 공기 (2a) 를 압축하고 그것을 차지 공기 (3a) 로서 내연 엔진에 공급하도록 셀 로터 (8) 의 제 1 단부 (8c) 로부터 제 2 단부 (8d) 로 연장되는 유동 연결부를 형성한다. 셀 로터 (8) 를 대면하는 단부 (7f) 에서, 고온 가스 하우징 (7) 은 입구 개구 (7h) 및 출구 개구 (7g) 를 갖는다. 이 단부 (7f) 와 셀 로터 (8) 사이에, 간극 (16) 이 있다. 간극 (16) 은 바람직하게 0.05 ~ 0.2 ㎜ 범위의 폭, 특히, 약 0.1 ㎜ 의 폭을 갖는다. 셀 로터 (8) 를 대면하는 단부 (6c) 에서, 저온 가스 하우징 (6) 은 입구 개구 (6d) 및 출구 개구 (6e) 를 갖는다. 이 단부 (6c) 와 셀 로터 (8) 사이에 간극 (17) 이 있다. 셀 로터 (8) 는, 로터 셀들 (10) 을 구획하는 셀 로터 외벽 (8e) 을 가지고 있다.
고온 가스 하우징 (7) 은 열교환기 (7c; 부분적으로 개략적 형태로 도시됨) 를 포함하고, 적어도 제 1 베어링 (13) 이 냉각되도록 열교환기 (7c) 가 설계된다. 고온 가스 하우징 (7) 은 유리하게도 베어링 시트 벽 (7n) 을 포함하고, 상기 베어링 시트 벽은, 제 1 베어링 (13) 을 대면한 측에서, 제 1 베어링 (13) 을 위한 베어링 시트 (7o) 로서 설계되고, 제 1 베어링 (13) 은 베어링 시트 (7o) 에 배치되고, 제 1 베어링 (13) 을 대면하지 않는 측에서, 베어링 시트 벽 (7n) 은 열교환기 (7c) 의 냉각 덕트 (7d) 의 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성한다.
열교환기 (7c) 는 특히 유리하게도 고압 배기 덕트 (4) 가 또한 냉각될 수 있도록 설계되어서, 고압 배기 덕트 (4) 를 통과하는 고압 배기 가스 유동 (4a) 이 냉각된다. 열교환기 (7c) 는 유리하게도 적어도 냉각 섹션 (4b) 을 따라 고압 배기 덕트 (4) 를 완전히 둘러싸는 냉각 덕트 (7e) 를 포함하고, 그 결과 고압 배기 덕트 (4) 의 외벽은 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 동시에 형성한다.
냉각재가 우선 제 1 베어링 (13) 을 냉각하고 그 후 고압 배기 덕트를 냉각하기 위해서 고압 배기 덕트 (4) 로 공급되도록 냉각 유동은 바람직하게 열교환기 (7c) 에서 가이드된다. 냉각재는 바람직하게 고압 배기 덕트 (4) 의 외벽에 위치하는 냉각 덕트들로 유입된다. 다른 유리한 실시형태에서, 저압 배기 덕트 (5) 가 더욱이 또한 냉각될 수 있도록 열교환기 (7c) 가 구현되고, 그 결과 상기 덕트를 통과하는 저압 배기 가스 유동 (5a) 이 냉각된다. 물이 바람직하게 냉각재로서 사용된다. 유리한 실시형태에서, 냉각 덕트들은 내연 엔진의 워터 회로에 연결되고, 따라서 상기 회로는 냉각수를 이송하고 순환을 가져온다. 도시된 예시적 실시형태에서, 로터 샤프트 (12) 는 저온 가스 하우징 (6) 에 배치된 전기 모터 (15) 에 의해 구동된다. 로터 샤프트 (12) 는, 예를 들어, 벨트 구동부에 의해 또한 구동될 수 있다.
유리한 실시형태에서, 센서 (21) 는 고압 배기 가스 유동 (4a) 의 온도, 저압 배기 가스 유동 (5a) 의 온도, 또는 그것과 관련된 변수를 검출하기 위해 압력파 과급기 (1) 에 배치되고, 센서 (21) 는 제어 기기 (23) 에 신호 전송을 위해 연결된다. 열교환기 (7c) 는 열 소산 기기 (미도시) 에 유동적으로 연결되고, 그 결과 순환 펌프 (미도시) 를 또한 포함하는 워터 회로가 형성된다. 바람직한 실시형태에서, 순환 펌프는 제어 기기 (23) 에 의해 제어될 수 있어서, 열교환기 (7c) 의 냉각 용량은 바람직하게 센서 (21) 에 의해 측정된 온도에 따라 제어될 수 있도록 허용한다.
유리한 방법에서, 냉간 시동 중 열교환기 (7c) 의 냉각이 존재하지 않거나 단지 감소된 냉각만 존재하고, 따라서 압력파 과급기 (1), 특히 고압 배기 가스 유동 또는 저압 배기 가스 유동이 최소 온도 (Tmin) 를 가지고 열교환기 (7c) 의 냉각 용량이 그 후 증가될 때까지 초기 시동 단계 (S1) 중 냉각이 존재하지 않거나 단지 감소된 냉각만 존재한다. 이 방법은, 압력파 과급기가 냉간 시동 중 빠르게 가열되어서 요구되는 압축력을 빠르게 생성하는 장점을 가지고 있다. 다른 유리한 방법에서, 냉간 시동 중 열교환기의 냉각 용량은 미리 정해진 시동 기간 (Tst) 에 감소되거나, 열교환기 (7c) 가 스위치 오프되고, 열교환기 (7c) 의 냉각 용량은 시동 기간 (Tst) 의 만료시 증가된다.
도 2 는, 셀 로터 (8) 를 가지는 압력파 과급기에서 라우팅하는 가스를 기본 도면으로 도시한다. 셀 로터 (8) 는 회전 방향 (D) 으로 회전가능하도록 장착된다. 셀 로터 (8) 는, 회전 방향 (D) 으로 이격되어 배치되고 로터 셀들 (10) 을 구획하는 복수의 셀 벽들 (9) 을 포함한다. 도 1 에 도시된 대로, 셀 로터 (8) 또는 로터 셀들 (10) 은 연장 방향으로 제 1 단부 (8c) 및 제 2 단부 (8d) 에서 각각 끝난다. 셀 로터 (8) 또는 로터 셀들 (10) 은 셀 로터 (8) 또는 로터 샤프트 (12) 의 연장 방향으로 제 1 및 제 2 단부 (8c, 8d) 사이에서 연속적인 방해받지 않는 유동 연결부를 형성하도록 셀 로터 (8) 또는 로터 샤프트 (12) 의 연장 방향으로 연속 설계를 갖는다. 유도된 프레시 공기 (2a) 는 프레시 공기 덕트 (2) 를 통하여 회전 셀 로터 (8) 로 유입되고, 연소 스트로크에서 비롯된 배기 가스 (4a) 는 고압 배기 덕트 (4) 를 통하여 회전 셀 로터 (8) 로 유입된다. 유도된 프레시 공기 (2a) 는 배기 가스 (4a) 의 압력에 의해 압축되고 추후 차지 공기 덕트 (3) 를 통하여 흡입측에서 내연 엔진으로 공급되고, 그 후 차지 교환 프로세스가 일어나고 있고 연료와 혼합되어 연소되는 실린더로 유입된다. 이 다음에, 배기 가스 (4a) 는 고압 배기 덕트 (4) 를 통하여 압력파 과급기 (1) 로 또다시 공급된다. 배기 가스 (4a) 에 의한 프레시 공기 (2a) 의 압축 후, 더이상 요구되지 않는 배기 가스 (5a) 는 셀 로터 (8) 에 의해 저압 배기 덕트 (5) 로 방출되고 추가 배기 라인으로 공급된다.
고온 가스 하우징 (7) 에, 셀 로터 (8) 로 공급되는 고압 배기 덕트 (4) 가 존재한다. 또한 고온 가스 하우징 (7) 에 열교환기 (7c) 가 배치되고, 상기 열교환기는, 도시된 예시적 실시형태에서, 워터 덕트들 (7d) 로서 구현되는데, 상기 워터 덕트들은 내벽들을 냉각하여서 통과하는 고압 배기 가스 유동 (4a) 을 냉각하도록 고압 배기 덕트 (4) 를 둘러싼다. 도시된 예시적 실시형태에서, 열교환기 (7c) 또는 워터 덕트들 (7d) 은 고온 가스 하우징 (7) 의 일부이다. 미도시된 바람직한 실시형태에서, 워터 덕트들 (7d) 은 우선 고온 가스 하우징 (7) 의 영역으로 라우팅되고, 이 영역에서 제 1 베어링 (13) 은 고압 배기 덕트 (4) 를 둘러싸는 고온 가스 하우징 (7) 의 일부가 냉각되기 전 제 1 베어링 (13) 을 우선 냉각하도록 배치된다. 유리한 실시형태에서 (미도시), 열교환기 (7c), 특히 워터 덕트들 (7d) 은 저압 배기 가스 유동 (5a) 을 냉각하도록 저압 배기 덕트 (5) 의 영역에 배치될 수 있다.
도 3 은 셀 로터 (8) 의 제 1 예시적 실시형태를 도시하고, 이것은 로터 샤프트 (12) 의 연장 방향으로 2-부분 설계를 가지고 제 1 베어링 부분 (8h) 을 가지는 제 1 셀 로터 부분 (8a) 및 제 2 베어링 부분 (8i) 을 가지는 제 2 셀 로터 부분 (8b) 을 포함하고, 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 및 2 개의 베어링 부분들 (8h, 8i) 은 서로에 대해 간극 (18) 을 형성하고, 그 결과 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은 이격되어서, 간극 (18) 을 형성한다. 제 1 및 제 2 단부 (8c, 8d) 사이에서 연속적으로 연장되는 로터 셀들 (10) 은 마찬가지로 제 1 및 제 2 셀 로터 부분 (8a, 8b) 사이 천이부에서 간극 (18) 만큼 이격되어 있고, 간극 (18) 은 제 1 단부 (8c) 로부터 제 2 단부 (8d) 로 연속적으로 연장되는 로터 셀 (10) 에서 유체 유동을 방해하지 않는다. 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 양자는 로터 샤프트 (12) 에 의해 서로 연결되고 동일한 회전 방향 (D) 으로 회전한다. 단부 섹션들 (8l, 8m) 에서, 베어링 부분들 (8h, 8i) 은 로터 샤프트 (12) 에 고정되게 연결된다. 셀 로터 (8) 의 가열은 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 이 확장되는 영향을 가져서, 그 결과 간극 (18) 은 감소한다. 셀 로터 (8) 의 냉각은 간극 (18) 이 증가하는 영향을 갖는다. 도 3 에 도시된 실시형태는, 고온 가스 하우징 (7) 의 단부 (7f) 와 제 1 셀 로터 부분 (8a) 사이 간극 (16) 이 셀 로터 부분 (8a) 의 온도에 관계없이 압력파 과급기 (1) 의 작동 중 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지되는 장점을 가지는데, 왜냐하면 가열로부터 유발된 셀 로터 부분 (8a) 의 길이 변화가 간극 (18) 의 폭에 대해 영향을 미치기 때문이다. 유리한 실시형태에서, 셀 로터 (8) 의 냉간 상태에서 간극 (18) 의 폭은 0.4 ㎜ 이고, 이 폭은 셀 로터 (8) 의 가열 때문에 바람직하게 0.2 ㎜ 미만의 값으로 압력파 과급기 (1) 의 작동 중 감소한다. 특히 유리한 실시형태에서, 간극 (18) 은 가열 때문에 완전히 폐쇄된다. 셀 로터 (8) 의 냉각 중, 간극 (18) 은 냉간 상태까지 다시 증가된다.
도 4 는 셀 로터 (8) 의 다른 다른 예시적 실시형태를 도시하고, 상기 셀 로터는 로터 샤프트 (12) 의 연장 방향으로 적어도 2-부분 설계를 가지고 제 1 로터 샤프트 섹션 (12a) 을 가지는 제 1 셀 로터 부분 (8a) 및 제 2 로터 샤프트 섹션 (12b) 을 가지는 제 2 셀 로터 부분 (8b) 을 포함하고, 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 또는 2 개의 로터 샤프트 섹션들 (12a, 12b) 은 커플링 (19) 에 의해 서로 연결된다. 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은 로터 간극 (18) 을 갖는다. 2 개의 로터 샤프트 섹션들 (12a, 12b) 은 커플링 (19) 에서 서로에 대해 움직일 수 있도록 장착되어서, 셀 로터 (8) 의 온도 변화가 간극 폭 (18) 변화를 유발할 수 있도록 허용한다.
도 5 는 고온 가스 하우징 (7) 의 단부 (7f) 를 도시하고, 연속적으로, 입구 개구 (7h) 및, 이 다음에, 출구 개구 (7g) 가 단부 (7f) 에 배치되고, 원주 방향으로 이격되어 있고, 이 다음에, 또다시, 입구 개구 (7h) 및, 그 다음에, 출구 개구 (7g) 가 배치된다. 도 5 에 도시된 고온 가스 하우징 (7) 을 포함하는 압력파 과급기 (1) 는, 도 2 에 도시된 대로, 상하로 배치된 2 개의 가스 도관들로 구성된 가스 도관을 가지도록 구현된다.
도 6 은 고온 가스 하우징 (7), 로터 케이싱 (11) 및 저온 가스 하우징 (6) 을 가지는 압력파 과급기 (1) 의 다른 예시적 실시형태를 측면도로 도시하고, 고온 가스 하우징 (7) 은, 고압 배기 덕트 (4) 및 저압 배기 덕트 (5) 가 나타나는 플랜지 (7l) 를 포함한다. 로터 케이싱 (11) 은, 고온 가스 하우징 (7) 및 저온 가스 하우징 (6) 에, 각각, 고정되는 2 개의 플랜지들 (11a, 11b) 을 갖는다. 냉각수 입구 (7i) 와 냉각수 출구 (7k) 가 또한 도시되고, 상기 입구와 상기 출구를 통하여 고온 가스 하우징 (7) 에 배치된 열교환기 (7c) 와 냉각수 교환이 일어난다. 도 7 은 절단선 A-A 를 따라 도 6 을 관통하는 단면도를 도시한다. 고압 배기 덕트 (4) 와 저압 배기 덕트 (5) 는, 열교환기 (7c) 내에 위치한, 워터 재킷 (7m) 에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있고, 물은 입구 및 출구 라인들 (7i, 7k) 을 통하여 교환되고 고온 가스 하우징 (7) 외부에서 냉각된다. 고온 가스 하우징 (7) 은 바람직하게 이격된 벽들 사이에 열교환기 (7c) 를 형성하도록 일부 섹션(들)에서 이중 벽의 설계를 갖는다. 2 개의 출구 개구들 (7g) 및 그 뒤에 배치된 셀 로터 (8) 일부, 및 상기 로터의 로터 셀들을 또한 도 7 에서 볼 수 있다.
열교환기 (7c) 를 포함하는 냉각 기기는 다양한 방식으로 구현될 수 있고 또한, 예를 들어, 열 파이프들을 구비한 스팀 회로 및 상 변화를 수반하는 스팀 회로로서 구현될 수 있다.
압력파 과급기 (1) 의 냉각은, 상기 차저가 작동 중 비교적 저온을 가지도록 영향을 갖는다. 이것은, 도 8 에 도시된 대로, 밀봉 링들 (27) 또는 O-링들이 저온 하우징 (6) 과 로터 케이싱 (11) 사이 그리고/또는 고온 가스 하우징 (7) 과 로터 케이싱 (11) 사이에 밀봉하는데 사용될 수 있는 장점을 유발하고, 밀봉 링들 (27) 은 금속 또는 플라스틱, 바람직하게 실리콘과 같은 영구 가요성 재료로 이루어진다. 밀봉 링 (27) 은 원주 방향으로 360 도로 연장된다.
도 1 에 도시된 대로, 또한 고압 배기가스 공급 라인 (25) 을 냉각하도록 부가적 열교환기 (24) 를 배치하는 것이 유리한 것으로 입증될 수 있고, 고압 배기가스 공급 라인 (25) 은 배기 가스 유동 방향으로 고압 배기 덕트 (4) 의 상류에 배치된다.
도 8 은, 분할된, 회전가능하게 장착된 셀 로터 (8) 를 가지는 압력파 과급기 (1) 의 다른 예시적 실시형태를 종단면도로 도시한다. 로터 케이싱 (11) 은 일체형, 관형 배럴 케이싱으로서 구현되고 플랜지들 (11a, 11b) 에 의해 고온 가스 하우징 (7) 과 저온 가스 하우징 (6) 에 연결된다. 고온 가스 하우징 (7) 은 알루미늄 또는 경합금으로 제조된다. 로터 샤프트 (12) 는 연속 설계를 가지고 제 1 베어링 (13) 및 제 2 베어링 (14) 에 회전가능하게 장착된다. 칼라 (12c) 는 로터 샤프트 (12) 에 고정되게 연결된다. 제 1 및 제 2 셀 로터 부분 (8a, 8b) 은 베어링 부분들 (8h, 8i) 에 의해 로터 샤프트 (12) 에서 이동가능하도록 장착된다. 스프링 (28) 은 반발력을 발생시켜서, 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 이 프리로드 하에 칼라 (12c) 또는 스톱 와셔 (29) 에 접하여 놓여있도록 보장한다.
도 9 및 도 10 은, 도 8 에 도시된 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 의 전방측 및 후방측을 각각 사시도로 도시한다. 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은 동일한 설계를 갖는다. 셀 로터 부분 (8a, 8b) 은 셀 로터 외벽 (8e), 셀 로터 내벽 (8g) 및 다수의 셀 벽들 (9) 을 포함하고, 그 결과 로터 셀들 (10) 이 형성된다. 셀 로터 부분 (8a, 8b) 은 또한 로터 샤프트 (12) 를 위한 스톱 (8f) 및 애퍼처 (8k) 를 구비하는 제 1 단부 (8c) 를 포함한다. 셀 로터 부분 (8a, 8b) 은 또한 베어링 부분 (8h) 을 포함한다.
2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은 스톱 (8f) 을 통하여 칼라 (12c) 에 접하여 또는 스톱 와셔 (29) 에 접하여 놓여있고, 이것은 규정된 간극 폭을 갖는 간극 (16) 이 제 1 셀 로터 부분 (8a) 의 제 1 단부 (8c) 와 고온 가스 하우징 (7) 의 단부 (7f) 사이에서 얻어지도록 보장하는데 적절한 방식으로 배치되고, 이것은 규정된 간극 폭을 갖는 간극 (17) 이 제 2 셀 로터 부분 (8b) 의 제 2 단부 (8d) 와 저온 가스 하우징 (6) 의 단부 (6c) 사이에서 얻어지도록 보장하는데 적절한 방식으로 배치된다. 따라서, 압력파 과급기 (1) 에서 온도 변화는, 로터 간극 (18) 의 폭은 변하지만, 반면에 간극들 (16, 17) 의 폭은 온도에 관계없이 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지되는 영향을 갖는다. 이것은, 압력파 과급기 (1) 가 높은 효율성을 가지는 한 가지 이유이다.
하지만, 도 8 에 도시된 압력파 과급기 (1) 는, 예를 들어, 도 1 에 도시된 대로, 즉 로터 간극 (18) 없이, 일체형 설계를 또한 가질 수 있다.
고온 가스 하우징 (7) 에서, 도 8 에 도시된 압력파 과급기 (1) 는, 적어도 제 1 베어링 (13) 이 냉각될 수 있도록 구현되는 열교환기 (7c) 를 포함하고, 열교환기 (7c) 는 고온 가스 하우징 (7) 내에 연장되는 냉각 덕트들 (7d) 을 갖는다. 고온 가스 하우징 (7) 은 제 1 베어링 (13) 을 대면하는 측에서 제 1 베어링 (13) 을 위한 베어링 시트 (7o) 로서 설계되는 베어링 시트 벽 (7n) 을 포함하고, 제 1 베어링 (13) 은 베어링 시트 (7o) 에 배치되고, 제 1 베어링 (13) 을 대면하지 않는 측에서, 베어링 시트 벽 (7n) 은 열교환기 (7c) 의 냉각 덕트 (7d) 의 냉각 덕트 외벽 (7p) 일부를 형성한다. 베어링 시트 벽 (7n) 은 유리하게도 단부 (7q), 및 단부 (7q) 에서 시작하는, 중공 실린더 형태의 베어링 섹션 (7r) 을 포함하고, 단부 (7q) 와 베어링 섹션 (7r) 은 베어링 시트 (7o) 를 형성하고, 단부 (7q) 와 중공 실린더 형태의 베어링 섹션 (7r) 양자는 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성한다. 이 실시형태는, 고온 가스 하우징 (7) 으로부터 베어링 시트 (7o) 로 열 유동이 크게 감소되므로, 특히 유리하다. 그러므로, 제 1 베어링 (13) 으로부터 셀 로터 (8) 로 열 도입은 유리하게도 방지된다. 베어링 시트 (7o) 는, 특히 유리하게도, 열이 또한 제 1 베어링 (13) 을 통하여 셀 로터 (8) 로부터 소산될 수 있을 정도로 많이 냉각된다. 이런 식으로, 셀 로터 (8) 는 특히 유리하게 냉각될 수 있다. 베어링 시트 벽 (7n) 은 유리하게도 고온 가스 하우징의 나머지로부터 베어링 시트 벽 (7n) 으로 열 유동을 감소시키도록 얇은 부분 (7s) 또는 브리지를 통하여 고온 가스 하우징 (7) 의 나머지에 연결된다.
유리한 실시형태에서, 압력파 과급기 (1) 는, 그것이 분할된 로터 (8) 를 갖는다면, 도 8 에서 예로서 개략적으로 도시된 대로 복수의 래버린스 시일들 (26: labyrinth seals) 을 포함한다. 래버린스 시일들 (26) 은, 예를 들어, 로터 케이싱 (11) 의 내부 및/또는 셀 로터 외벽 (8e) 의 외부에 배치되고, 로터 케이싱 (11) 에 배치된 래버린스 시일들 (26) 만 도 8 에 도시된다. 래버린스 시일들 (26) 은 원주 방향으로 360° 에 대해 연장되고, 래버린스 시일들 (26) 은 단순함을 위해 도 8 에서 로터 케이싱 (11) 의 단지 바닥에서만 도시된다. 하지만, 래버린스 시일들 (26) 은 또한 로터 케이싱 (11) 의 상단에서 연장될 것이다. 래버린스 시일 (26) 은, 유리하게도, 유체가 간극 (18) 과 로터 케이싱 (11) 사이 영역에서 간극 (18) 을 통하여 로터 셀 (10) 에서 새는 것을 회피하도록 적어도 간극 (18) 의 영역에 배치된다. 각각 원주 방향으로 360° 로 연장되는, 2 개의 래버린스 시일들 (26) 은, 또한 유리하게도, 유체가 셀 로터 외벽 (8e) 과 로터 케이싱 (11) 의 내부 사이 간극으로 침투하는 것을 회피하도록, 도 8 에 도시된 대로, 셀 로터 (8) 의 단부 영역에 배치된다.
열교환기 (7c) 는, 유리하게도, 적어도 냉각 섹션 (4b) 을 따라 고압 배기 덕트 (4) 를 완전히 둘러싸는 냉각 덕트 (7e) 를 가지고, 그 결과 고압 배기 덕트 (4) 의 외벽은 동시에 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성한다. 도 8 에 도시된 대로, 얇은 부분 (7s) 또는 브리지는 특히 유리하게도 양측에서 냉각 덕트 외벽 (7p) 을 형성하고, 고온 가스 하우징의 나머지로부터 베어링 시트 벽 (7n) 으로 열 유동을 부가적으로 감소시킨다.
열교환기 (7c) 는 또한 유리하게도 적어도 냉각 섹션 (5b) 을 따라 저압 배기 덕트 (5) 를 완전히 둘러싸는 냉각 덕트 (7e) 를 가지고, 그 결과 저압 배기 덕트 (5) 의 외벽은 동시에 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성한다.
유리한 실시형태에서, 고온 가스 하우징 (7) 및/또는 저온 가스 하우징 (6) 에서 연장되는 이 목적을 위해 요구되는 오일 라인들이 도 8 에 도시되어 있지 않지만, 오일 라인들 (30a) 을 포함하는 오일 회로 (30) 가 또한 제 1 및/또는 제 2 베어링 (13, 14) 에 오일을 공급하도록 제공될 수 있다.
도 11 은, 로터 샤프트 (12) 의 연장 방향으로 2-부분 설계를 가지고 제 1 셀 로터 부분 (8a) 및 제 2 셀 로터 부분 (8b) 을 가지는, 분할된 셀 로터 (8) 의 측면도를 도시한다. 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은, 가열될 때 단지 중심을 향한 확장 운동 (8c, 8d) 을 받아서, 간극 폭 (18) 의 감소를 유발하도록 로터 샤프트 (12) 에 연결된다. 셀 로터 (8) 의 단부에 대해 로터 샤프트 (12) 에서 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 의 위치는 바람직하게 변하지 않고, 따라서 고온 가스 하우징의 단부면과 셀 로터 사이 일정한 또는 실질적으로 일정한 간극 폭이 보장된다.
도 12 는 제 1 베어링 부분 (8h) 을 가지는 제 1 셀 로터 부분 (8a) 및 제 2 베어링 부분 (8i) 을 가지는 제 2 셀 로터 부분 (8b) 을 포함하는 셀 로터 (8) 를 도시하고, 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 및 2 개의 베어링 부분들 (8h, 8i) 은 서로에 대해 간극 (18) 을 형성한다. 베어링 부분들 (8h, 8i) 은 로터 샤프트 (12) 에 대해 이동가능하도록 장착된다. 베어링 부분들 (8h, 8i) 은 애퍼처를 가지고, 상기 애퍼처 내에 응력을 받는 스프링 (28) 이 배치되고, 이것은 2 개의 베어링 부분들 (8h, 8i) 과 따라서 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 을 서로 이격되게 밀고, 그 결과 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은 거의 단부들에 의해 고온 가스 하우징 (7) 의 단부 (7f) 및 저온 가스 하우징 (6) 의 단부 (6c) 에 각각 놓여서, 그 결과 단지 작은 간극 (16, 17) 만 그 사이에 형성된다. 셀 로터 (8) 의 가열은 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 이 확장되도록 영향을 미치고, 그 결과 간극 (18) 은 감소한다. 셀 로터 (8) 의 냉각은 간극 (18) 이 증가하도록 영향을 미친다. 도 12 에 도시된 실시형태는, 가열로 인한 셀 로터 부분 (8a) 의 길이 변화가 간극 (18) 의 폭에 대해 영향을 미치므로, 고온 가스 하우징 (7) 의 단부 (7f) 와 제 1 셀 로터 부분 (8a) 사이 간극 (16) 이 셀 로터 부분 (8a) 의 온도에 관계없이 일정하거나 실질적으로 일정하게 유지되는 장점을 갖는다.
유리한 실시형태에서, 제 1 셀 로터 부분 (8a) 은 제 2 셀 로터 부분 (8b) 보다 열에 더 강한 재료로 이루어진다. 압력파 과급기 (1) 의 작동 중, 제 1 셀 로터 부분 (8a) 은, 예를 들어, 약 800 ℃ 의 온도를 가질 수 있고, 반면에 제 2 셀 로터 부분 (8b) 은 단지 약 200 ℃ 의 온도를 갖는다. 간극 (18) 은 셀 로터 (8) 의 연장 방향으로 연속 열 전도를 방지하고, 그 결과 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은 크게 다른 온도를 가질 수 있다. 따라서, 감소된 내열성의 재료로부터, 예를 들어, 심지어 플라스틱으로부터 제 2 셀 로터 부분 (8b) 을 또한 제조할 수 있다. 이런 종류의 셀 로터 (18) 는 덜 비싸고 바람직하게 또한 더 가볍다.
압력파 과급기를 작동하기 위한 유리한 방법에서, 제 1 베어링 (13) 이 베어링 시트 (7o) 에 배치되고 베어링 시트 (7o) 가 냉각 액체에 의해 외부에서 냉각된다는 사실 때문에 고온 가스 하우징 (7) 에 배치된 제 1 베어링 (13) 이 냉각되도록 고온 가스 하우징 (7) 은 열교환기 (7c) 에 의해 냉각된다.
고압 배기 덕트 (4) 를 통과하는 내연 엔진의 배기 가스 유동 (4a) 은 유리하게도 냉각된다. 냉각 덕트 (7e) 는 유리하게도 적어도 냉각 섹션 (4b) 을 따라 고압 배기 덕트 (4) 를 완전히 둘러싸고, 그 결과 고압 배기 덕트 (4) 는 냉각 섹션 (4b) 에서 전체 원주면을 따라 냉각된다.
예시적 방법에서, 배기 가스 온도는 약 1050 ℃ 에서 가솔린 엔진으로부터 발생하고, 고압 배기 덕트 (4) 에서 냉각되고 약 850 ℃ 에서 셀 로터로 진입한다. 셀 로터는 또한 약 20 ℃ 인 진입하는 프레시 공기 (2a) 에 의해 냉각되고, 그 결과 셀 로터는 약 450 ℃ 의 온도를 갖는다.
Claims (22)
- 내연 엔진을 위한 프레시 (fresh) 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 로서,
상기 과급기는 저온 가스 하우징 (6), 고온 가스 하우징 (7), 및 상기 저온 가스 하우징과 상기 고온 가스 하우징 사이에 배치된 로터 케이싱 (11) 을 포함하고, 회전가능한 셀 로터 (8) 가 상기 로터 케이싱 (11) 내에 배치되고, 상기 고온 가스 하우징 (7) 은 고압 배기 덕트 (4) 및 저압 배기 덕트 (5) 를 포함하고, 상기 저온 가스 하우징 (6) 은 프레시 공기 덕트 (2) 및 차지 (charge) 공기 덕트 (3) 를 포함하고, 상기 고압 배기 덕트 (4), 상기 저압 배기 덕트 (5), 상기 프레시 공기 덕트 (2) 및 상기 차지 공기 덕트 (3) 는 상기 셀 로터 (8) 에 유동적으로 (fluidically) 연결되고, 상기 고온 가스 하우징 (7) 은 제 1 베어링 (13) 을 포함하고, 상기 저온 가스 하우징 (6) 은 제 2 베어링 (14) 을 포함하고, 상기 셀 로터 (8) 는 상기 제 1 베어링 (13) 및 제 2 베어링 (14) 에 장착된 로터 샤프트 (12) 를 포함하고,
상기 로터 케이싱 (11) 은 상기 고온 가스 하우징 (7) 및 상기 저온 가스 하우징 (6) 에 연결되는 일체형 관형 배럴 케이싱으로서 설계되고, 상기 고온 가스 하우징 (7) 은, 적어도 상기 제 1 베어링 (13) 이 냉각될 수 있도록 설계되는 열교환기 (7c) 를 포함하고, 상기 열교환기 (7c) 는 상기 고온 가스 하우징 (7) 내에 연장되는 냉각 덕트들 (7d) 을 가지고,
상기 고온 가스 하우징 (7) 은, 상기 제 1 베어링 (13) 을 대면하는 측에서, 상기 제 1 베어링 (13) 을 위한 베어링 시트 (7o) 로서 설계되는 베어링 시트 벽 (7n) 을 포함하고, 상기 제 1 베어링 (13) 은 상기 베어링 시트 (7o) 에 배치되고, 상기 제 1 베어링 (13) 을 대면하지 않는 측에서, 상기 베어링 시트 벽 (7n) 은 상기 열교환기 (7c) 의 냉각 덕트 (7d) 의 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성하고,
상기 베어링 시트 벽 (7n) 은 단부 (7q), 및 상기 단부 (7q) 로부터 시작하는, 중공 실린더 형태의 베어링 섹션 (7r) 을 가지고, 상기 단부 (7q) 및 상기 베어링 섹션 (7r) 은 상기 베어링 시트 (7o) 를 형성하고, 상기 단부 (7q) 및 상기 중공 실린더 형태의 베어링 섹션 (7r) 양자는 상기 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 열교환기 (7c) 는, 적어도 일부 섹션 또는 섹션들에서, 상기 고압 배기 덕트 (4) 를 완전히 둘러싸는 냉각 덕트 (7e) 를 가지고, 그 결과 상기 고압 배기 덕트 (4) 의 외벽은 상기 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 2 항에 있어서,
상기 열교환기 (7c) 는, 적어도 일부 섹션 또는 섹션들에서, 상기 저압 배기 덕트 (5) 를 완전히 둘러싸는 냉각 덕트 (7e) 를 가지고, 그 결과 상기 저압 배기 덕트 (5) 의 외벽은 상기 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 열교환기 (7c) 는 상기 고압 배기 덕트 (4) 가 냉각될 수 있도록 설계되고, 상기 제 1 베어링 (13) 이 먼저 냉각된 후 상기 고압 배기 덕트 (4) 가 냉각되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 열교환기 (7c) 는 상기 저압 배기 덕트 (5) 가 또한 냉각될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기 (7c) 는 냉각을 위한 워터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
부가적 열교환기 (24) 가 고압 배기가스 공급 라인 (25) 을 냉각하고, 상기 고압 배기가스 공급 라인 (25) 은 배기 가스 유동 방향으로 상기 고압 배기 덕트 (4) 의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 제 1 베어링 (13) 또는 상기 제 2 베어링 (14) 은 구름 베어링으로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 제 1 베어링 (13) 은 오일 또는 그리스 윤활 시스템을 가지는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 7 항에 있어서,
상기 고온 가스 하우징 (7) 은, 상기 제 1 베어링 (13) 에 오일을 공급하는 오일 회로 (30) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셀 로터 (8) 는 상기 로터 샤프트 (12) 의 연장 방향으로 적어도 2-부분 설계를 가지고 제 1 셀 로터 부분 (8a) 및 제 2 셀 로터 부분 (8b) 을 포함하고, 2 개의 셀 로터 부분들 (8a, 8b) 은 상기 로터 샤프트 (12) 의 연장 방향으로 이격되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
밀봉을 위한 밀봉 링 (27) 이 상기 저온 가스 하우징 (6) 과 상기 로터 케이싱 (11) 사이에 그리고/또는 상기 고온 가스 하우징 (7) 과 상기 로터 케이싱 (11) 사이에 배치되고, 상기 밀봉 링 (27) 은 금속 또는 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 가스 하우징 (7) 은 알루미늄 또는 경합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기 (2a) 를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1). - 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법으로서,
상기 압력파 과급기 (1) 는 저온 가스 하우징 (6), 고온 가스 하우징 (7), 및 상기 저온 가스 하우징과 상기 고온 가스 하우징 사이에 배치된 로터 케이싱 (11) 을 포함하고, 회전가능한 셀 로터 (8) 가 상기 로터 케이싱 (11) 내에 배치되고, 상기 고온 가스 하우징 (7) 은 고압 배기 덕트 (4) 및 저압 배기 덕트 (5) 를 포함하고, 상기 셀 로터 (8) 는 제 1 베어링 (13) 에 의해 그리고 상기 저온 가스 하우징 (6) 에 배치된 제 2 베어링 (14) 에 의해 지지되고,
상기 고온 가스 하우징 (7) 은, 상기 제 1 베어링 (13) 을 대면하는 측에서, 상기 제 1 베어링 (13) 을 위한 베어링 시트 (7o) 로서 설계되는 베어링 시트 벽 (7n) 을 포함하고, 상기 제 1 베어링 (13) 은 상기 베어링 시트 (7o) 에 배치되고, 상기 제 1 베어링 (13) 을 대면하지 않는 측에서, 상기 베어링 시트 벽 (7n) 은 열교환기 (7c) 의 냉각 덕트 (7d) 의 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성하고,
상기 베어링 시트 벽 (7n) 은 단부 (7q), 및 상기 단부 (7q) 로부터 시작하는, 중공 실린더 형태의 베어링 섹션 (7r) 을 가지고, 상기 단부 (7q) 및 상기 베어링 섹션 (7r) 은 상기 베어링 시트 (7o) 를 형성하고, 상기 단부 (7q) 및 상기 중공 실린더 형태의 베어링 섹션 (7r) 양자는 상기 냉각 덕트 외벽 (7p) 의 일부를 형성하고,
상기 제 1 베어링 (13) 이 상기 베어링 시트 (7o) 에 배치되고 상기 베어링 시트 (7o) 의 상기 단부 (7q) 및 상기 베어링 섹션 (7r) 이 냉각 액체에 의해 외부에서 냉각된다는 사실에 의해 상기 고온 가스 하우징 (7) 에 배치된 제 1 베어링 (13) 이 냉각되도록 상기 고온 가스 하우징 (7) 이 상기 열교환기 (7c) 에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 고압 배기 덕트 (4) 를 통하여 그리고/또는 상기 고압 배기 덕트 (4) 의 상류에 배치된 고압 배기가스 공급 라인 (25) 을 통하여 유동하는 내연 엔진으로부터의 배기 가스 유동 (4a) 이 냉각되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법. - 제 14 항에 있어서,
냉각 덕트 (7e) 가, 적어도 냉각 섹션 (4b) 을 따라, 상기 고압 배기 덕트 (4) 를 완전히 둘러싸고, 그 결과 상기 고압 배기 덕트 (4) 는 상기 냉각 섹션 (4b) 에서 전체 원주면을 따라 냉각되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법. - 제 16 항에 있어서,
냉각 덕트 (7e) 가, 적어도 냉각 섹션 (4b) 을 따라, 상기 저압 배기 덕트 (5) 를 완전히 둘러싸고, 그 결과 상기 저압 배기 덕트 (5) 는 상기 냉각 섹션 (5b) 에서 전체 원주면을 따라 냉각되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법. - 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기 (7c) 의 냉각 용량은 측정된 온도에 따라 영향을 받는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법. - 제 18 항에 있어서,
냉간 시동 중 상기 열교환기 (7c) 의 냉각 용량은 제 1 시동 단계 (S1) 에서 감소되거나, 또는 상기 압력파 과급기가 최소 온도 (Tmin) 를 가질 때까지 상기 열교환기 (7c) 는 스위치 오프되고, 그리고 나서 상기 열교환기 (7c) 의 냉각 용량이 증가되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법. - 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
냉간 시동 중 상기 열교환기 (7c) 의 냉각 용량은 미리 정해진 시동 기간 (Tst) 동안 감소되거나, 또는 상기 열교환기 (7c) 는 스위치 오프되고, 상기 열교환기 (7c) 의 냉각 용량은 상기 시동 기간 (Tst) 의 만료시에 증가되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진을 위한 프레시 공기를 압축하기 위한 압력파 과급기 (1) 를 작동하기 위한 방법. - 삭제
- 삭제
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