(57)【要約】【課題】  公知の圧力波過給装置を、広い運転範囲にわたって最適な効率が得られるように、改善する。【解決手段】  圧力波過給機が、フレッシュエア（５）を吸い込むための通路１（１）と、圧縮されたフレッシュエア（８）を排出するための通路２（２）と、排気ガス（９）を供給するための通路３（３）と、排気ガス（９）を排出するための通路４（４）と、高温ガスハウジング、低温ガスハウジング（１６）及びこれら両ハウジング間に配設された、セルロータ（７）を有するセルロータハウジングとを備える、自動車の内燃機関のための圧力波過給装置（Ｄ）において、通路１（１）及び／又は通路３（３）内に、誘導要素（１２）を配設し、誘導要素（１２）によって、圧力波過給機自身の加速工程又は減速工程を適切に制御する。圧力波過給装置（Ｄ）を運転するための方法については、誘導要素（１２）を、圧力波過給機の運転状態に依存して調整及び制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力波過給機が、フレッシュエア（５）を吸い込むための通路１（１）と、圧縮されたフレッシュエア（８）を排出するための通路２（２）と、排気ガス（９）を供給するための通路３（３）と、排気ガス（９）を排出するための通路４（４）と、高温ガスハウジング、低温ガスハウジング（１６）及びこれら両ハウジング間に配設された、セルロータ（７）を有するセルロータハウジングとを備える、自動車の内燃機関のための圧力波過給装置（Ｄ）において、
通路１（１）及び／又は通路３（３）内に、誘導要素（１２）が配設されており、この誘導要素が、ガス流を偏向するように配設されており、このガス流が、セルロータ（７）を加速及び／又は減速させることを特徴とする圧力波過給装置。
【請求項２】
通路１（１）内の誘導要素（１２）が、吸い込まれたフレッシュエア（５）のセルロータ（７）への流入領域に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力波過給装置。
【請求項３】
通路３（３）内の誘導要素（１２）が、排気ガス（９）のセルロータ（７）への流入領域に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力波過給装置。
【請求項４】
誘導要素（１２）が、変位可能に支承されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧力波過給装置。
【請求項５】
誘導要素（１２）が、調整要素によって、特に電気アクチュエータ（１４）によって、変位可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の圧力波過給装置。
【請求項６】
誘導要素（１２）が、少なくとも１つのガイドベーン（１３）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の圧力波過給装置。
【請求項７】
２つのガイドベーン（１３）が、互いに依存せずに変位可能であることを特徴とする請求項６に記載の圧力波過給装置。
【請求項８】
圧力波過給機が、低温ガス側にエッジスライダ（１５）を備え、誘導要素（１２）が、エッジスライダ（１５）内に配設されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の圧力波過給装置。
【請求項９】
誘導要素（１２）が、エッジスライダ（１５）によって変位可能であることを特徴とする請求項８に記載の圧力波過給装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の圧力波過給装置（Ｄ）を運転するための方法において、
誘導要素（１２）が、圧力波過給機の運転状態に依存して調整及び制御され、これにより、誘導要素が、セルロータ（７）を必要に応じて加速及び／又は減速させることを特徴とする方法。
【請求項１１】
誘導要素（１２）が、内燃機関の負荷増加時及び／又は回転数増加時に加速位置に変位可能であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
誘導要素（１２）が、内燃機関の回転数減少時及び／又は負荷減少時に減速位置に変位可能であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の自動車の内燃機関のための圧力波過給装置に関する。更に、本発明は、請求項１０の上位概念に記載の圧力波過給装置を運転するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、その出力を向上させるために、吸い込んだフレッシュエアを圧縮し、次いで燃焼工程に供給することに適した部品を利用する。過給システムと称するこれら機械は、前記工程を実施するために、種々の物理効果を利用する。
【０００３】
吸い込んだフレッシュエアを圧縮することにより内燃機関を過給する可能性は、圧力波過給機の利用にある。この圧力波過給機の効率は、機械部品と、調整及び制御の形態のエンジンのそれぞれの運転状態への適応的適合の可能性とによって決まる。
【０００４】
圧力波過給機は、固定部品と回転部品から構成されている。固定部品は、ハウジングジャケット、高温ガスハウジングと低温ガスハウジングに分割されたロータハウジング、ガス状の流体を案内するための供給及び排出ラインである。回転部品は、セルロータ自身と、場合によってはセルロータを駆動するための電動モータとによって、構成される。
【０００５】
特許文献１から、フレッシュエアが、圧力波過給機によって圧縮され、圧力波過給機の少なくとも１つの運転パラメータが、内燃機関の少なくとも１つの実運転値に依存して制御又は調整される、内燃機関を運転するための方法が公知である。
【０００６】
内燃機関の実運転状態に圧力波過給機の運転を適合させることにより、内燃機関のポンピングロスが最小化される。また、このやり方で、圧力波過給機の応答特性を改善することや、排気ガス後処理のための条件を最適化することもできる。圧力波過給機の制御又は調整すべき運転パラメータは、例えばハウジングの位置ズレである。
【０００７】
例えば自動車の領域内の内燃機関に対して圧力波過給機を量産使用するためには、使用条件と寿命に対して高い要求が適用される。ここでは、例えば、圧力波過給機は、約−２０°Ｃ〜＋５０°Ｃの外部温度で、複数年の生存サイクルを超えて不可なく機能しなければならないことが考えられる。９００°Ｃ以上の排気ガス温度も、圧力波過給機の長寿と不可のない機能に対してマイナスに作用する。
【０００８】
現在公知の圧力波過給機の運転特性は、まさに排気装置システムと関係して、フレッシュエア用の吸気通路と排気ガスの排出通路間の圧力比に対して強い依存を示す。これは、理想的な圧力波プロセス管理のために、セルロータの、できるだけ理想的な１００％の清浄化が不十分に行なわれることと因果関係がある。従って、セルロータ充填は、圧力波過吸気の運転において、決して理想的に実施されない。生じる圧力損失は、エンジンの吸気システム及び排気システムによって決まっている。圧力波過給機が、最大マスフローでの運転領域に入ると、更なるスループットは、排気装置の圧力損失が上昇することによって限定されている。
【０００９】
これにより、圧力波過給機の達成可能な効率は、ガス充填部品間の達成可能な最小のギャップ量と、セルロータの回転数を内燃機関の過給圧とマスフロー要求量に適合させる電動モータによる発揮すべき駆動作業とに直接関係する。セルロータを駆動する電動モータの発揮すべき高い加速エネルギーは、特に非定常運転時の圧力波過給機の良好な利用効率と対立する。
【００１０】
圧力波過給機は、流体機械として、所定のマスフロー及び／又は流速に関して最適に設計されている。圧力波過給機が高い効率で作動する値を超えた場合、セルロータと連結された電動モータは、ジェネレータとして利用することができる。しかしながら、これは、回転数が高い場合には標準的に、電動モータの作用モーメントが限定された範囲でのみ使用可能である場合に当て嵌まるので、本来排気ガス中に含まれる余剰エネルギーを最適に利用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許願公開第１０  ２００６  ０２０  ５２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の課題は、従来技術から出発して、公知の圧力波過給装置を、広い運転範囲にわたって最適な効率が得られるように、改善することにある。更に本発明の課題は、このような圧力波過給装置を運転するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題は、請求項１の特徴を有する自動車の内燃機関のための圧力波過給装置によって解決される。
【００１４】
課題の方法技術の部分は、請求項１０の特徴による圧力波過給装置を運転するための方法によって解決される。
【００１５】
本発明の有利な実施バリエーションは、従属請求項に記載されている。
【００１６】
自動車の内燃機関のための本発明による圧力波過給装置は、フレッシュエアを吸い込むための通路１と、圧縮されたフレッシュエアを排出するための通路２と、排気ガスを供給するための通路３と、排気ガスを排出するための通路４とを有する。本来の圧力波過給機は、排気ガスが通路３から流入し、排気ガスが通路４に流出する高温ガスハウジングと、フレッシュエアが通路１から流入し、圧縮されたフレッシュエアが通路２から流出する低温ガスハウジングと、これら両ハウジング間に配設された、セルロータが内部に存在するセルロータハウジングとから成る。
【００１７】
本発明によれば、フレッシュエアを吸い込むための通路１及び／又は排気ガスを供給するための通路３内に、誘導要素が配設されている。この場合、通路１及び／又は通路３は、本発明の範囲内で、材料的に、個々のチューブラインであると見なすべきでなく、同様に、通路１及び／又は通路３の構成要素は、例えば高温ガスハウジング又は低温ガスハウジングもしくはチューブラインと高温ガスハウジング間に連結された中間要素内の相応の部分でもある。
【００１８】
誘導要素によって、流入するフレッシュエアもしくは流入する排気ガスを、セルロータを駆動する電動モータの支援が行なわれるように、ガスダイナミックに偏向することが可能である。例えば低速回転領域では、セルロータの簡単な加速が、誘導要素の助けを借りて行なわれ、従って、高い能力を有する電動駆動モータが、僅かな加速作業しか行なう必要がないように、ガス流を誘導要素によって偏向することができる。同様に高回転数運転及び低負荷運転時には、誘導要素は、セルロータに減速作用を加え、従って、電動モータが圧力波過給機に連結されている場合に、この圧力波過給機を最適な効率範囲で作動させるように形成することができる。
【００１９】
好ましい実施バリエーションでは、通路１内の誘導要素が、吸い込まれたフレッシュエアのセルロータへの流入領域に配設されている。この場合、誘導要素は、本発明によれば、通路１のチューブライン内に配設することができるが、但し、流入領域、即ち低温ガスハウジングの通路１を構成する貫通部にも配設することができる。流入領域に配設することにおいて特に有利であるのは、適切なガス流偏向が、吸い込まれたフレッシュエアのセルロータのセルへの供給に直接作用することである。特に、これは、セルロータの加速特性にとって有利である。
【００２０】
別の好ましい実施バリエーションでは、通路３内の誘導要素が、排気ガスのセルロータへの流入領域に配設されている。この場合、通路１の同様の利点が得られる。付加的に、通路３内の誘導要素に、耐高温特性が与えられる。ここで、排気ガスは、数１００°Ｃまでの温度を部分的に備えるので、誘導要素は、相応の耐温度性を備えなければならない。
【００２１】
本発明の別の特に好ましい実施バリエーションでは、誘導要素が、変位可能に支承されている。変位は、標準的に、旋回軸を中心とする誘導要素自身の旋回能力によって実施される。しかしながら、誘導要素自身は、例えば、スライド可能又はその他の方式で変位可能に形成することができる。変位により、誘導要素は、広い使用範囲で使用される。従って、誘導要素は、圧力波過給機の全運転領域に対して支援作用を行なうことができる。
【００２２】
セルロータの加速工程のために、誘導要素は、セルロータの加速時にガス力に支援作用を行なわせる調整角度が選択されるように、変位させることができる。圧力波過給機の呈上及び／又は平均的な運転領域のために、誘導要素は、流動損失が生じないように調整することができる。ガスダイナミック的に、誘導要素は、あたかも存在しないかのように作用する。
【００２３】
セルロータの高い能力を有する減速工程のために、誘導要素は、更にまた、ガス力が適切な流れの偏向によって減速的にセルロータに当たるように、変位させることができる。この場合、変位は、特に、受動的変位によって行なうことができるので、ガスの熱力学特性及び／又は流速によって、誘導要素のそれぞれ固有の調整が行なわれる。
【００２４】
更に好ましいことに、誘導要素は、調整要素によってアクティブに変位可能である。特にこの変位は、電気アクチュエータによって実施される。この場合、アクチュエータと付属の調整ユニット及び／又は制御ユニットを介して、適切に、吸い込まれたフレッシュエア又は内燃機関から吐き出された排気ガスをセルロータに対して所望の角度に調整することができる。従って、運転特性に応じて、アクティブに介入を行なうことができ、それぞれ、圧力波過給機の最適制御を行なうことができる。その結果、圧力波過給機の、従って内燃機関の良好な応答特性が生じ、圧力波過給機自身の広い高効率範囲が生じ、これは、更にまた、圧力波過給機に連結された内燃機関の効率範囲に作用する。
【００２５】
特に好ましいのは、誘導要素は、少なくとも１つのガイドベーンを備える場合である。この場合、ガイドベーンは、最も簡単な実施バリエーションではガイドプレートであり、しかしながら、特に好ましいのは、複雑に形成した流れを最適化した形状を備えるものである。これは、例えば、流動特性に適合させて湾曲を備えるか、ガスの所定の熱力学特性又は流速において乱流を発生させる後縁部を備える。特に、通路３内のガイドベーンは、耐高温性を有するので、排気ガスの作用によって熱的に変形しない。更に特に好ましいことに、２つ、３つ又はそれ以上のガイドベーンが誘導要素を構成することができる。
【００２６】
２つのガイドベーンの場合、これらガイドベーンは、特に好ましいことに、互いに依存せずに変位可能にすることができる。これにより、同時に、加速最適化運転と減速最適化運転とを調整することができ、これは、圧力波過給機の所定の運転ポイントで有利である。また、本発明の範囲内で、通路１の誘導要素を通路３の誘導要素と同期させて制御することや、通路１の誘導要素を、通路２の誘導要素に依存せずに制御することができる。
【００２７】
別の特に好ましい実施バリエーションでは、圧力波過給機が、低温ガス側にエッジスライダを備え、誘導要素が、エッジスライダ内に配設されている。この場合、エッジスライダは、通路１及び／又は２の開口横断面積を調整するために使用される。これにより、それぞれのセル充填に適切に影響を与えることができる。この場合、エッジスライダの調整の可能性に対して付加的に、好ましいことにエッジスライダ自身に統合された、通路１内の誘導要素の調整の可能性が生じる。更に、誘導要素自身は、エッジスライダによって変位可能にすることができる。特に、誘導要素は、エッジスライダと同期させて変位可能である。従って、異なった方式の調整メカニズム及び制御メカニズムに基づいた同調の問題が生じない。更に、１つのアクチュエータだけがエッジスライダと誘導要素を調整するために同時に使用されるので、エラーの生じ易さと生産コストも低減される。同様に、このアクチュエータに、通路３内の誘導要素を接続させることもできる。
【００２８】
更に、本発明の方法技術の課題は、前記構成の少なくとも１つによる圧力波過給装置を運転するための方法によって解決され、この方法では、誘導要素が、圧力波過給機の運転状態に依存して調整及び制御される。これは、本発明の範囲内で、誘導要素がアクティブに変位可能であると理解すべきであり、圧力波過給機の運転状態が分析され、相応に通路１及び／又は通路３内の誘導要素が、調整及び／又は制御される。
【００２９】
この場合、圧力波過給機の運転状態の検出は、本発明によれば、内燃機関において測定される運転パラメータに基づいて行なわれ、これら運転パラメータから、特性マップ換算を介して、圧力波過給機の運転状態を推測する。
【００３０】
更に、本発明の範囲内で、圧力波過給機の基準運転状態に関する調整及び／又は制御を行なうことができる。これは、内燃機関の運転パラメータと自動車の運転者のパラメータが、例えばペダル位置によって、圧力波過給機の提供すべき出力に対する指示を与えることを意味する。従って、この出力を満足するため、圧力波過給機は、予調整され、これは、更にまた、圧力波過給機に連結された内燃機関の達成すべき加速動特性に有利に作用する。
【００３１】
このため、特に、誘導要素は、内燃機関の負荷増加時及び／又は回転数増加時に加速位置に変位される。この場合、吸い込まれたフレッシュエア又は排気ガス中に含まれるエネルギーが、セルロータを加速させるために利用される。まさにＣＯ２の放出を低減する範囲内で、電動モータが圧力波過給機に接続されている場合、付加的に、ガス流に含まれるエネルギーが、電気エネルギーに変換されるので、ワイヤリングシステムへの給電及び／又はバッテリのチャージのために、１次ジェネレータの除荷が行なわれる。これにより、自動車の１次ジェネレータの摩擦が最小化されるので、内燃機関の有効効率が向上する。
【００３２】
本発明による方法の別の特に好ましい実施バリエーションでは、誘導要素が、内燃機関の回転数減少時及び／又は負荷減少時に減速位置に変位される。前記構成とは異なった構成が得られる。この場合、減速位置を介してセルロータが減速されるので、セルロータに接続された電動モータは、最適な効率領域で作動することができ、過負荷領域には入らない。
【００３３】
本発明の別の利点、特徴、側面及び特性は、以下の説明に記載されている。好ましい実施バリエーションが、本発明を簡単に理解するために役立つ概略図に図示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による圧力波過給装置を示す。
【図２】エッジスライダを有する本発明による圧力波過給装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
各図において、簡素化の理由から繰返しの説明を省略する場合でも、同じ又は同様の部品については、同じ符号を使用する。
【００３６】
図１には、本発明による圧力波過給装置Ｄが示され、圧力波過給機が、通路１（１）、通路２（２）、通路３（３）及び通路４（４）を備える。通路１（１）を経て、フレッシュエア５が、セルロータ７のセル６に流入する。セル６自身内で、フレッシュエア５が、圧縮され、圧縮されたフレッシュエア８として、通路２（２）を経て、ここでは詳細には図示されていない内燃機関に供給される。内燃機関でのガス交換工程の間、燃焼サイクルによって生産された排気ガス９が、通路３（３）内に排出され、通路３（３）あるいは通路３’（１０）を介してセルロータ７のセル６内に流入し、通路１（１）を経て供給されたフレッシュエア５を圧縮する。このため更に、通路３’（１０）は、弁１１を備えるので、必要時に、通路３’１０として接続させることができる。特に、通路３’１０は、通路２（２）からのフレッシュエア５を直接移送するために利用される。しかしながらまた、通路３’１０は、他の機能を備え、例えば同様に、ここでは詳細には図示されていない内燃機関の出口に接続させることができる。
【００３７】
更に、通路４（４）が図示されており、この通路から、排気ガス９が、フレッシュエア５を圧縮し、フレッシュエア５を通路２（２）内に流出させた後、通路４（４）を介して流出し、ここでは詳細には図示されていない排気ガス排出システムに供給される。本発明によれば、通路１（１）及び通路３（３）内に、それぞれ１つの誘導要素１２が配設されている。この誘導要素１２は、図示されたそれぞれ３つのガイドベーン１３から成り、これらガイドベーンは、適用例に応じて、通路１（１）内での調整角度α又は通路３（３）内での調整角度βが生じ得るように、アクチュエータ１４を介して調整することができる。これは、誘導要素１２もしくはガイドベーン１３を回転もしくは旋回させることによって行なわれる。本発明の範囲内で、１つのガイドベーン１３から成るただ１つの誘導要素１２を配設することも可能であり、この誘導要素は、通路１（１）内での調整角度αもしくは通路３（３）内での調整角度βだけ旋回させられる。
【００３８】
図２には、同様の図１による圧力波過給装置Ｄが示され、付加的に、エッジスライダ１５が、低温ガスハウジング側に図示されている。この場合、誘導要素１２自身は、エッジスライダ１５内に配設され、例えば適用例に応じてエッジスライダ１５の制御を介して調整角度αに調整することができる。
【符号の説明】
【００３９】
Ｄ      圧力波過給装置
１      通路１
２      通路２
３      通路３
４      通路４
５      フレッシュエア
６      セル
７      セルロータ
８      圧縮されたフレッシュエア
９      排気ガス
１０    通路３’
１１    弁
１２    誘導要素
１３    ガイドベーン
１４    アクチュエータ
１５    エッジスライダ
１６    低温ガスハウジング
α      １に対する１３の角度
β      ３に対する１３の角度
【図１】
2012127345.tif 000003
【図２】
2012127345.tif 000004