(57)【要約】【課題】排ガス処理ユニットを後続配置可能なプレッシャウェーブスーパチャージャを提供し、かつ、達成できる最高出力を更に高めるとともに、このプレッシャウェーブスーパチャージャの効率をを高めること。【解決手段】外気５を導入するための第１管路１と、圧縮空気９を排出するための第２管路２と、排ガス１１を供給するための第３管路３と、排ガス１１を排出するための第４管路４と、高温ガスケーシングと、低温ガスケーシングと、これら高温ガスケーシングと低温ガスケーシングの間に配置されつつセルロータ８を有するセルロータケーシングとを備えて成るプレッシャウェーブスーパチャージャにおいて、第４管路４を隔離部材によって第１排気管４ａと第２排気管４ｂに分割するとともに、第１排気管４ａを、排ガス１１を排気するよう構成する一方、第２排気管４ｂを、外気５用の清浄管路として構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機付き車両の内燃機関用のプレッシャウェーブスーパーチャージャ（Ｄ）であって、当該プレッシャウェーブスーパチャージャ（Ｄ）が、
外気（５）を導入するための吸気管である第１管路（１）と、
圧縮空気（９）を排出するための第２管路（２）と、
排ガス（１１）を供給するための第３管路（３）と、
排ガス（１１）を排出するための排気管である第４管路（４）と、
高温ガスケーシング（１３）と、
低温ガスケーシングと、
これら高温ガスケーシング（１３）と低温ガスケーシングの間に配置されつつセルロータ（８）を有するセルロータケーシングと
を備えて成る前記プレッシャウェーブスーパチャージャにおいて、
前記第４管路（４）を隔離部材（１５）によって第１排気管（４ａ）と第２排気管（４ｂ）に分割するとともに、前記第１排気管（４ａ）を、基本的に排ガス（１１）を排気するよう構成する一方、前記第２排気管（４ｂ）を、基本的に外気（５）用の清浄管路として構成したことを特徴とするプレッシャウェーブスーパチャージャ。
【請求項２】
前記隔離部材（１５）を、前記セルロータ（８）からの排ガス（１１）の出口部分に配置したことを特徴とする請求項１記載のプレッシャウェーブスーパチャージャ。
【請求項３】
前記隔離部材（１５）を隔離板として形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のプレッシャウェーブスーパチャージャ。
【請求項４】
前記第１排気管（４ａ）に排ガス処理ユニット（１２）を後続配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレッシャウェーブスーパチャージャ。
【請求項５】
排ガス（１１）の前記第１排気管（４ａ）及び／又は第２排気管（４ｂ）への流入時点を制御可能に構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレッシャウェーブスーパチャージャ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のプレッシャウェーブスーパチャージャの動作方法において、
排ガス（１１）を、外気（５）の圧縮後にほぼ完全に前記第１排気管（４ａ）へ排出させることを特徴とする動作方法。
【請求項７】
新たな外気（５）を、前記セルロータ（８）のセル（７）を通して前記第２排気管（４ｂ）へ導入することを特徴とする請求項６記載の動作方法。
【請求項８】
前記セル（７）内にある排ガスのほぼ全量を前記第１排気管（４ａ）へ排出した後、該第１排気管（４ａ）を閉鎖することを特徴とする請求項６又は７記載の動作方法。
【請求項９】
前記第１排気管（４ａ）及び／又は前記第２排気管（４ｂ）を、前記内燃機関の回転数に依存して開放することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項１０】
前記第１排気管（４ａ）及び／又は前記第２排気管（４ｂ）を、前記内燃機関の負荷に依存して開放することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の動作方法。
【請求項１１】
前記第１排気管（４ａ）及び／又は前記第２排気管（４ｂ）を、当該プレッシャウェーブスーパチャージャ（Ｄ）の回転数に依存して開放することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した、原動機付き車両の内燃機関用のプレッシャウェーブスーパーチャージャに関するものである。
さらに、本発明は、請求項６の前提部分に記載した、プレッシャウェーブスーパチャージャの動作方法にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、吸入した外気を圧縮し、燃焼過程へ供給するのに適した、出力を高めるための部材が用いられる。スーパチャージャシステムとしてのこのような装置は、上記のような工程を実施するために、様々な物理的な効果を利用したものとなっている。
【０００３】
吸入された外気の圧縮により内燃機関に過給する１つの手法は、プレッシャウェーブスーパチャージャである。このプレッシャウェーブスーパチャージャの効率は、機械的な部材や、制御という形でのエンジンの各動作過程への適応の調整の可能性により決定付けられる。
【０００４】
また、プレッシャウェーブスーパチャージャは固定部と回転部で構成されており、固定部は外部ケーシングと、高温ガスケーシングと低温ガスケーシングに分割されたロータケーシングと、気体状の流体を案内するための供給管路及び排出管路であり、回転部はセルロータ自体と、場合によってはこのセルロータを回転駆動するためのモータで形成されている。
【０００５】
ところで、特許文献１には、内燃機関の動作方法が開示されている。これにおいては、外気がプレッシャウェーブスーパチャージャによって圧縮されるようになっており、プレッシャウェーブスーパチャージャの少なくとも１つの動作パラメータが、内燃機関における少なくとも１つの実際の動作特性値に応じて制御されるようになっている。
【０００６】
プレッシャウェーブスーパチャージャの動作を内燃機関の実際の動作状態に適応させることによって、内燃機関のポンプ損失を最小限に抑えることが可能である。このような場合には、プレッシャウェーブスーパチャージャの応答特性（レスポンス）を改善することができるとともに、排ガス処理に対する条件を最適化することも可能である。なお、プレッシャウェーブスーパチャージャにおける制御すべき動作パラメータはケーシングオフセット（Gehaeuseversatz）である。
【０００７】
しかして、例えば原動機付き車両の分野での内燃機関へのプレッシャウェーブスーパチャージャの標準装備については、装備条件及び寿命という高い要求が重要となる。これは、例えば、外気−２０℃及び５０℃で、複数年にわたって問題なくプレッシャウェーブスーパチャージャが機能しなければならないというようなものである。さらに、排ガス温度が９００℃以上であると、プレッシャウェーブスーパチャージャの寿命及び問題のない機能に悪影響を及ぼすことになる。
【０００８】
公知のプレッシャウェーブスーパチャージャの動作状態は、排気装置との関係において、外気の吸気管と排ガスの排気管の間の圧力比について高い依存性を有している。この原因となるのは、理想的なプレッシャウェーブプロセスに対するできる限り理想的な、セルロータの１００％の洗浄が十分に行われていないことにある。したがって、プレッシャウェーブスーパチャージャにおいて、洗浄プロセスが理想的に行われることがない。なお、発生する圧力損失は、エンジンの吸気システム及び排気システムによって決定付けられる。また、プレッシャウェーブスーパチャージャが質量流量が最大の動作領域にある場合には、増大する排気装置の圧力損失によって、更なる輸送流量の増大が制限されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００６０２０５２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、従来技術に基づく、特にプレッシャウェーブスーパチャージャシステムであるプレッシャウェーブスーパチャージャは、後続配置された排ガス処理ユニットの配置可能性及び達成可能な最大出力に関して制限されることになってしまう。また、プレッシャウェーブスーパチャージャに後続配置される、例えば、キャタライザ、酸化触媒コンバータ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）、粒子フィルタなどの排ガス処理ユニットを設けることは不可能であった。
【００１１】
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、排ガス処理ユニットを後続配置可能なプレッシャウェーブスーパチャージャを提供し、かつ、達成できる最高出力を更に高めるとともに、このプレッシャウェーブスーパチャージャの効率をを高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、請求項１記載の発明により達成される。また、上記目的のうち、方法については、請求項６記載の発明により達成される。
【００１３】
すなわち、本発明は、原動機付き車両の内燃機関用のプレッシャウェーブスーパーチャージャであって、当該プレッシャウェーブスーパチャージャが、外気を導入するための吸気管と、圧縮空気を排出するための第１管路と、排ガスを供給するための第２管路と、排ガスを排出するための排気管と、高温ガスケーシングと、低温ガスケーシングと、これら高温ガスケーシングと低温ガスケーシングの間に配置されつつセルロータを有するセルロータケーシングとを備えて成る前記プレッシャウェーブスーパチャージャにおいて、前記排気管を隔離部材によって第１排気管と第２排気管に分割したことを特徴としている。
【００１４】
本発明においては、プレッシャウェーブスーパチャージャが４つの管路を備えており、この４つの管路のうちの１つが外気の吸気管である管路１（第１管路）である。この場合、外気は、外気供給システム、特にエアフィルタから吸気される。また、管路２は、圧縮された外気を排出する第２管路である。この場合、この第２管路２は、外気圧縮管路となっている。第１管路１から導入された外気は、第２管路２において圧縮され、吸気システム、インタクーラ又は調節内燃機関の吸気ポートへ案内される。また、プレッシャウェーブスーパチャージャは、第３管路３を備えており、この第３管路３は、排ガス供給管路となっている。内燃機関から排出される排ガスは、第１管路１に導入された外気を圧縮するために再度プレッシャウェーブスーパチャージャへ供給される。さらに、外気の圧縮後に排ガスを排出するための第４管路４が設けられており、したがって、この第４管路４は排ガス排出管路である。
【００１５】
本発明においては、第４管路４が管路４ａ（第１排気管）と管路４ｂ（第２排気管）に分割されている。これにより、様々な動作パラメータ又は熱力学的な状態あるいは動作状態にあるプレッシャウェーブスーパチャージャの内部において最適な流体力学的なプロセスを行うことが可能である。また、隔離部材によって管路４ａと管路４ｂに分割することで、各ロータセルのほぼ完全な洗浄を確実に行うことが可能である。そのため、様々な動作状態において、セルに最大限に充填することが可能となる。
【００１６】
ここで、管路４ａは基本的に排ガスを排気するよう構成されている一方、管路４ｂは基本的に外気用の清浄管路として構成されている。これにより、管路４ａが、排ガス排出管路として、従来の管路４（第４管路）の主な役割を担うことになる。したがって、この管路４ａは、外気を圧縮した後の排ガスが排出される高圧管路である。なお、排ガスは１００〜１０００℃であるため、この管路４は、耐高温性を有するよう形成されている。
【００１７】
また、管路４ｂは、隔離部材によって分離されつつ管路４ａに直接付加されている。この管路４ｂは、主に洗浄用空気を第１管路１から導入される外気という形で流通させるために設けられている。したがって、この管路４ｂは低圧管路であり、個々で発生する圧力は、管路４ｂの管形状や、例えば質量流量、温度などの熱力学的な状態特性値に依存するものとなっている。
【００１８】
したがって、遅くとも管路４ｂにおいて各ロータセルには新たな外気が完全に充填されているため、管路４ｂに後続配置される排ガス処理システムは、これにより生じる背圧による悪影響を受けることがない。そして、このような配置構造により、プレッシャウェーブスーパチャージャにより消費される圧縮された体積の最適な使用が保障される。
【００１９】
また、本発明の一実施形態は、隔離部材を、セルロータからの排ガスの出口部分に配置したことを特徴としている。このとき、隔離部材を、高温ガスケーシングに直接統合して設けるとともに、膨張を考慮した適当な間隔を空けてセルロータに直接付加するのが好ましい。また、様々な熱膨張のため、隔離部材は、回転するセルロータに衝突しないよう形成されている。同時に一方で、隙間からの漏れによる圧力損失をできる限り避けるために、セルロータと隔離部材の間隔が管路４ａと管路４ｂの最大の分割となる程度に小さく維持されている。ここで、最大１０００℃の高温の排ガスにより分離部材の動作状態及び寿命に対して悪影響が及ぶため、この分離部材は、耐高温性を有するものとなっている。
【００２０】
また、本発明の一実施形態は、隔離部材を隔離板として形成したことを特徴としている。この隔離板については、排ガス案内管路（第４管路）４に容易に取付可能であるため、この排ガス案内管路４は管路４ａと管路４ｂに分割されている。
【００２１】
また、本発明の一実施形態は、管路（第１排気管）４ａに排ガス処理ユニットを後続配置したことを特徴としている。したがって、プレッシャウェーブスーパチャージャをディーゼルエンジンに対しても使用することが可能である。これにより、立法機関及び自動車生産者により、ますます厳しくなる排ガス処理の要求及び遵守すべき排ガス規制が考慮に入れられることになる。したがって、プレッシャウェーブスーパチャージャを、将来的な排ガス規制のもとにおいても使用することが可能である。
【００２２】
また、本発明の一実施形態は、排ガスの管路４ａ（第１排気管）及び／又は管路４ｂ（第２排気管）への流入時点を制御可能に構成したことを特徴としている。すなわち、例えばロータリバルブの位置又はアクチュエータのシフトバルブの位置などに応じて、プレッシャウェーブスーパチャージャのチャージサイクルを制御することが可能である。したがって、本発明によるプレッシャウェーブスーパチャージャシステムは、広範なエンジン特性領域に対して使用することができるとともに、各エンジンの広範な動作領域においても使用することが可能である。このような制御により、低回転域、高回転域、低負荷時及び高負荷時においても、プレッシャウェーブスーパチャージャのセルへ最適に充填することが可能である。そして、これにより、動作する内燃機関の効率が向上することになる。
【００２３】
本発明による、上述のようなプレッシャウェーブスーパチャージャの動作方法は、排ガスを、外気の圧縮後にほぼ完全に管路４ａ（第１排気管）へ排出させることを特徴としている。すなわち、排ガスは、ほぼ完全に路４ａ（第１排気管）へ排出されることになる。また、プレッシャウェーブスーパチャージャ及び／又は内燃機関の動作状態に応じて、排ガスの残留ガス成分をロータセル内に残存させることができる。しかしながら、管路４ａと管路４ｂへの分割及び機能の分離により、排ガスの大部分は、管路４ａへの外気の圧縮後に放出される。なお、この大部分の排ガスとは、特にロータセル内の排ガスの少なくとも８５％、特に９０％より大きいのが好ましく、９５％より大きければ更に好ましい。
【００２４】
また、本発明の一実施形態は、新たな外気を、セルロータのセルを通して管路４ｂ（第２排気管）へ導入することを特徴としている。したがって、管路４ａへの排ガスの排出後に場合によってはまだセル内に残存する残留ガスは、ロータセルから排出されることになる。これは、本発明において必ずしもロータセル全体にわたって気体が流通するのではなく、管路４ｂへのロータセルの出口において存在する外気と最小限の残留ガス成分から成る混合ガスが、新たな外気をロータセルにおける出口とは反対側に加えることによって圧縮されることを意味している。なお、動作特性値に依存するものの、本発明において、ロータセル全体にわたって気体を流通させることも可能である。これにより、流通過程の終了後には、１０％未満、特に５％未満のみの排ガスがロータセル内に残存することになる。また、本発明によれば、管路４ａと管路４ｂに分割することで、ロータセルを１００％まで外気で満たすことが可能である。そして、管路４ｂ内にはロータセルからの外気と排ガスの残留ガス成分が存在することになる。
【００２５】
しかして、セル内にある排ガスのほぼ全量を管路４ａ（第１排気管）へ排出した後、この管路４ａを閉鎖するのが望ましい。ただし、本発明において、例えば排ガスの背圧などの管路４ａにおける流体力学的なプロセスに基づいて管路４ｂを開放することも考えられ、そして、新たな外気によって残留排ガスを排出することが可能である。なお、このような残留排ガスは、管路４ｂへ流入することもある。
【００２６】
また、本発明の一実施形態は、管路４ａ（第１排気管）及び／又は管路４ｂ（第２排気管）を、内燃機関の回転数に依存して開放することを特徴としている。例えば、ロータリバルブの位置を制御することにより、管路４ａ及び／又は管路４ｂの開放時点及び閉鎖時点を制御することが可能である。
【００２７】
また、本発明の他の実施形態は、管路４ａ（第１排気管）及び／又は管路４ｂ（第２排気管）を、内燃機関の負荷に依存して開放することを特徴としている。
【００２８】
さらに、本発明の一実施形態は、管路４ａ（第１排気管）及び／又は管路４ｂ（第２排気管）を、プレッシャウェーブスーパチャージャの回転数に依存して開放することを特徴としている。
【００２９】
これにより、開放時点の制御によって、セルロータにおけるセルをプレッシャウェーブスーパチャージャの動作状態に応じて最適に充填することが可能である。したがって、管路４ｂの閉鎖後には、排ガスとしての残留ガスがロータセル内にほとんど存在しないことになる。
【００３０】
また、本発明においては、管路４ａと管路４ｂに分割することで、後続反応（Nachreaktion）を回避することが可能である。また、燃料を含んだ残留排ガスは、ほぼ完全に管路４ａに導入され、このとき、この管路４ａを、後続反応を最小化するように設計することが考えられる。一方、このとき、管路４ｂには、例えば燃料混合ガスの点火時期の遅れのような後続反応が生じることはない。
【００３１】
また、プレッシャウェーブスーパチャージャの高温ガスケーシングを隔離部材で分割するのが好ましい。この高温ガスケーシング自体には管路４が設けられており、本発明においては、この高温ガスケーシングあるいはその管路に、気体状の流体を案内するのに適した配管を接続することが可能である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、排ガス処理ユニットを後続配置可能なプレッシャウェーブスーパチャージャを提供し、かつ、達成できる最高出力を更に高めるとともに、このプレッシャウェーブスーパチャージャの効率をを高めることが可能である。
【００３３】
また、本発明の他の利点、特徴、特性及び形態については、以下の実施形態の説明に記載されている。なお、図面に基づく以下の説明においては、理解を容易にするため、概略的な図面が用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】プレッシャウェーブスーパチャージャの概略図である。
【図２】ロータセルにおける過給過程の概略図である。
【図３】高温ガスケーシングの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、同一又は対応する部材には、同一の符号を付し、繰り返しの説明は適宜省略する。
【００３６】
図１にはプレッシャウェーブスーパチャージャＤの構成の概要が示されており、このプレッシャウェーブスーパチャージャＤは、管路１〜４を備えている。管路１は、ここではエアフィルタシステム６からの外気５用の吸気管として形成されている。この外気５は、セルロータ８のセル７へ導入されるとともに、そこで圧縮されて圧縮空気９としてプレッシャウェーブスーパチャージャＤの管路２へ供給される。この圧縮空気９は、内燃機関のインテークマニホルド１０へ供給される。なお、配置構造に応じて、場合によってはインタクーラが介装されている。
【００３７】
そして、燃焼過程後には排ガス１１が形成され、この排ガス１１は、内燃機関の燃焼室から排ガス排気経路ＡＫを通って排出され、更に管路３を通ってプレッシャウェーブスーパチャージャＤへ供給される。このとき、排ガス１１は、セルロータ８のセル７へ再度導入され、エアフィルタシステム６から吸入された外気５を圧縮するようになっている。このような圧縮過程後には、排ガス１１は管路４を通ってセルロータ８のセル７から排出される。
【００３８】
本発明においては、管路４が管路４ａと管路４ｂに分割されている。排ガス１１は、管路２を通って解放された圧縮空気９の圧縮後、まず、管路４ａを通ってセル７から排出される。このとき、排ガス１１は、場合によっては管路４ａの通過後に排ガス処理ユニット１２へ導入される。排ガス１１を単に管路４ａから排出した後にはセルロータ８のセル７内に残留ガスが残留しているため、新たな外気５が吸気過程において管路１へ導入されるようになっている。この新たな外気５は、セルロータ８のセル７から管路４近傍に存在する残留ガスを押し込むため、この残留ガスは管路４ｂへ漏出することになる。
【００３９】
この管路４ｂは排ガス処理ユニット１２に接続されていないため、この管路４ｂには背圧（反力）が生じることがない。したがって、ほぼ新たな外気５からのみのセル過給（Zellladung）がなされ、この外気５は、管路３に供給された排ガス１１によって再度圧縮されるとともに、管路２を通ってインテークマニホルド１０へ供給される。なお、本発明においては、管路４ｂに背圧を減少させた不図示の洗浄ユニットを設けることも考えられる。
【００４０】
図２には、管路１と管路４の間のセル７の充填過程の概略が示されている。第１のステップにおいて、排ガス１１で充填されたセル７が管路４の領域へ導入される。そして、第２のステップにおいて、まず、排ガス１１が自己膨張（Selbstexpansion）により管路４ａへ導入される位置へ到達するとともに、新たな外気５が管路１からセル７へ導入される。そのため、排ガスはほぼ完全に管路４ａへ排出されることになる。つづいて、次のステップにおいて、管路４ｂへ到達する。このとき、管路４は、通過されるとともに、すでに閉鎖されている。そして、管路１からの新たな外気５によりセル７内の気体は完全に管路４ｂへと排出される。したがって、ほぼ新たな外気５から成る気体がセル７内に生じることになる。
【００４１】
図３には本発明による高温ガスケーシング（Heissgasgehaeuse）１３の概略が示されており、この高温ガスケーシング１３は、フランジ部１４によって、セルロータケーシングに直接結合されている。また、この高温ガスケーシング１３は、図１においてセルロータ８の左方に位置しており、管路３，４を形成している。ここで、管路（排気管）４は、管路４ａと管路４ｂに分割されている。
【００４２】
しかして、隔離板１５は、角度αを備えるとともに、タービン羽根車状の延長部を有している。このことは、これにより達成されるセルロータ８のセル７から排出される排ガス１１の流体特性に左右される。さらに、ここでは不図示のセルロータ８の回転方向がωで示されている。
【００４３】
したがって、各セル７から、まず、管路３が通過され、これにつづいて管路４ａが通過され、その後管路４ｂが通過される。なお、高温ガスケーシング側は、セル７ごとにセルロータ８が１回転するごとに２つの動作過程がなされるようになっている。
【符号の説明】
【００４４】
１            管路（吸気管）
２            管路
３            管路
４            管路（排気管）
４ａ          管路（第１排気管）
４ｂ          管路（第２排気管）
５            外気
６            エアフィルタシステム
７            セル
８            セルロータ
９            圧縮空気
１０          インテークマニホルド
１１          排ガス
１２          排ガス処理ユニット
１３          高温ガスケーシング
１４          フランジ部
１５          隔離板
ＡＫ          排ガス排気経路
Ｄ            プレッシャウェーブスーパーチャージャ
α            角度
ω            回転方向
【図１】
2012092828.tif 000003
【図２】
2012092828.tif 000004
【図３】
2012092828.tif 000005