(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル（１８、４１）を有するロータ（６、４０）と、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）と、内燃機関（１、３３）に通じる高圧給気チャンネル（１０、３２）と、内燃機関から導かれる高圧排気チャンネル（３、３１）と、低圧排気チャンネル（４、３５）とを有し、該低圧排気チャンネル（４、３５）および高圧排気チャンネル（３、３１）がガスハウジング（５、３４）内に包囲され、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）および高圧給気チャンネル（１０、３２）がエアハウジング（１５、３９）内に包囲され、４つの全てのチャンネルの各々が、ガスハウジングおよびエアハウジングの扇形開口（３６Ａ、３７Ａ；５４Ａ、５５Ａ）を介してロータと連通しており、２つの高圧チャンネルのうちの一方の扇形開口（３６Ａ、３７Ａまたは５４Ａ、５５Ａ）が、内燃機関（３３）の全性能分野にわたってプロセスを調節する目的で、他方の高圧チャンネルの他の扇形開口（５４Ａ、５５Ａまたは３６Ａ、３７Ａ）にアライメントできる、内燃機関の給気供給を行う気体力学的圧力波機械において、
前記エアハウジング（３９）内に包囲される高圧給気チャンネル開口（３６Ａ、３７Ａ）が、静止ロータ（４０）および高圧排気チャンネル開口（５４Ａ、５５Ａ）に対して回転でき、
前記エアハウジング（３９）が回転可能でありかつ回転可能なベアリング（５６、５７）を介してロータケーシング（４２）に取り付けられることを特徴とする気体力学的圧力波機械。
【請求項２】
回転可能であるのはエアハウジング（３９）であることを特徴とする請求項１記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項３】
セル（１８、４１）を有するロータ（６、４０）と、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）と、内燃機関（１、３３）に通じる高圧給気チャンネル（１０、３２）と、内燃機関から導かれる高圧排気チャンネル（３、３１）と、低圧排気チャンネル（４、３５）とを有し、該低圧排気チャンネル（４、３５）および高圧排気チャンネル（３、３１）がガスハウジング（５、３４）内に包囲され、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）および高圧給気チャンネル（１０、３２）がエアハウジング（１５、３９）内に包囲され、４つの全てのチャンネルの各々が、ガスハウジングおよびエアハウジングの扇形開口（３６Ａ、３７Ａ；５４Ａ、５５Ａ）を介してロータと連通しており、２つの高圧チャンネルのうちの一方の扇形開口（３６Ａ、３７Ａまたは５４Ａ、５５Ａ）が、内燃機関（３３）の全性能分野にわたってプロセスを調節する目的で、他方の高圧チャンネルの他の扇形開口（５４Ａ、５５Ａまたは３６Ａ、３７Ａ）にアライメントできる、内燃機関の給気供給を行う気体力学的圧力波機械において、
前記２つの高圧チャンネル（３１、３２）のうちの一方の高圧チャンネル、より詳しくは高圧給気チャンネル（３２）が、その開口幅を変えることを可能にする手段（５４Ａ）を有し、
前記エアハウジング（３９）が回転可能でありかつ回転可能なベアリング（５６、５７）を介してロータケーシング（４２）に取り付けられることを特徴とする気体力学的圧力波機械。
【請求項４】
前記手段が二重扇形ダイアフラムを備えることを特徴とする請求項３記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項５】
前記高圧チャンネル（３１、３２）のうちの一方に設けられた回転可能なエアハウジング（３９）または調節手段（５４Ｂ）が、電気サーボモータまたは空気圧的手段、機械的手段または油圧的手段により回転されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項６】
２つの内側ベアリングリング（５６）がロータケーシング（４２）に固定されかつ２つの外側ベアリングリング（５７）が、エアハウジングに取り付けられたベアリングハウジング（５８）に固定されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項７】
前記ロータが外部ドライブを使用しないフリーホイールロータの形態をなしており、ロータには、高速で相互作用するブレーキまたは部分制御装置を任意に設けることができることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項８】
セル（１８、４１）を有するロータ（６、４０）と、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）と、内燃機関（１、３３）に通じる高圧給気チャンネル（１０、３２）と、内燃機関から導かれる高圧排気チャンネル（３、３１）と、低圧排気チャンネル（４、３５）とを有し、該低圧排気チャンネル（４、３５）および高圧排気チャンネル（３、３１）がガスハウジング（５、３４）内に包囲され、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）および高圧給気チャンネル（１０、３２）がエアハウジング（１５、３９）内に包囲され、４つの全てのチャンネルの各々が、ガスハウジングおよびエアハウジングの扇形開口（３６Ａ、３７Ａ；５４Ａ、５５Ａ）を介してロータと連通している、内燃機関の給気供給を行うための気体力学的圧力波機械において、
低圧チャンネル（３５、３８）の縁部（３７、５５）の全開口幅に対する高圧チャンネル（３１、３２）の縁部（３６、５４）の全開口幅の比率は１：３．２５以下であり、高圧チャンネルの全開口幅は最大でも４５°であり、
前記エアハウジング（３９）が回転可能でありかつ回転可能なベアリング（５６、５７）を介してロータケーシング（４２）に取り付けられることを特徴とする気体力学的圧力波機械。
【請求項９】
前記低圧排気チャンネル（３５）の開口縁（３７）と低圧空気取入チャンネル（３８）の開口縁（５５）との間の角度差は非常に小さくて、掃気作用の妨害が生じないことを特徴とする請求項８記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１０】
ガスポケット（２１）および／または圧縮ポケット（１９）および／または膨張ポケット（２０）を有することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１１】
請求項８〜請求項１０のいずれか１項および請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１２】
セル（１８、４１）を有するロータ（６、４０）と、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）と、内燃機関（１、３３）に通じる高圧給気チャンネル（１０、３２）と、内燃機関から導かれる高圧排気チャンネル（３、３１）と、低圧排気チャンネル（４、３５）とを有し、該低圧排気チャンネル（４、３５）および高圧排気チャンネル（３、３１）がガスハウジング（５、３４）内に包囲され、低圧空気取入チャンネル（１４、３８）および高圧給気チャンネル（１０、３２）がエアハウジング（１５、３９）内に包囲され、ロータ（６、４０）はケーシング（７、４２）内に包囲されている、内燃機関の給気供給を行うための気体力学的圧力波機械において、
エアハウジング（３９）および／またはロータケーシング（４２）には水冷システム（４４、４５）が設けられ、
前記エアハウジング（３９）が回転可能でありかつ回転可能なベアリング（５６、５７）を介してロータケーシング（４２）に取り付けられることを特徴とする気体力学的圧力波機械。
【請求項１３】
前記水冷システムは、内燃機関の水冷回路により供給されることを特徴とする請求項１２記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１４】
前記水冷システムは、別個の水冷回路により供給されることを特徴とする請求項１２記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１５】
前記ケーシング冷却システム（４５）は、エアハウジングに取り付けられたベアリングハウジング（５８）内に包囲されていることを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１６】
請求項１２〜請求項１５のいずれか１項および請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１７】
請求項１２〜請求項１５のいずれか１項および請求項８〜請求項１１のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１８】
請求項１２〜請求項１５のいずれか１項および請求項１〜請求項１１のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項１９】
前記高圧給気チャンネル（３２）と高圧排気チャンネル（３１）との間に連通部（４６）を有することを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２０】
前記連通部は、給気への排気ガスの進入を防止する逆止弁（４７）を有することを特徴とする請求項１９記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２１】
前記高圧排気チャンネル（３１）が、ロータ側で拡大され、かつこの拡大の大きさを変えることができる手段（４９、５１）を有していることを特徴とする請求項１〜請求項２０のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２２】
前記手段（４９、５１）が制御式スライド弁（４９）を備えていることを特徴とする請求項２１記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２３】
前記手段（４９、５１）が揺動スライド弁（５１）を備えることを特徴とする請求項２１記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２４】
前記高圧排気チャンネル（３１）に作用する加熱装置（６４）を有することを特徴とする請求項１〜請求項２３のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２５】
前記加熱装置は、空気および燃料供給手段を備えたバーナまたは電気加熱装置であることを特徴とする請求項２４記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２６】
火花点火機関に連結され、該火花点火機関の出口と圧力波機械の高圧排気チャンネルとの間に三元触媒（６２）が配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項２５のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２７】
前記低圧排気チャンネル（３５）と圧力波機械の出口（６８）との間に酸化触媒（６９）が連結されていることを特徴とする請求項２６記載の気体力学的圧力波機械。
【請求項２８】
前記加熱装置（６４）は、三元触媒（６２）と圧力波機械の高圧排気チャンネル（３１）との間に配置されていることを特徴とする請求項２６または請求項２７および請求項２４または請求項２５のいずれか１項記載の気体力学的圧力波機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、特許請求の範囲の独立請求項の前提部に記載の気体力学的圧力波機械（コンプレックス過吸機：gas-dynamic pressure wave machine）に関する。
【０００２】
（背景技術）
従来技術の圧力波機械は、例えばスイス国特許公開第681 738号から知られている。本発明の第１の広い目的は、図１および図２に概略的に示すような従来技術の気体力学的圧力波機械の効率を、異なる手段で向上させることにある。
【０００３】
４つのチャンネルを備えるが、内燃機関の過給に使用されているポケットのような付加制御システムを全く備えない従来技術の気体力学的圧力波機械では、圧力波プロセスが、内燃機関の単一作動速度、すなわち、圧力波機械のいわゆる設計点を調節できるに過ぎない。ハウジング壁のポケットを使用すると、チューニングに敏感でない設計の圧力波機械が可能になり、圧力波機械の負荷、速度および容積範囲を大幅に拡大できる。この方法の欠点は、チューニングされない性能範囲内で、圧力波プロセスが、最適効率を発生できない２次プロセスにそらされることにある。このため、ポケットの２次プロセスにより引き起こされる損失、例えばポケットによる流入および流出ガスおよび圧力波および膨張波の発生の損失が増大される。
【０００４】
いわゆる一次プロセス（圧縮ポケットプロセスとも呼ばれる）から、主プロセス（すなわちチューニングされたプロセス）への移行により圧力波プロセスの外乱が引き起こされ、この外乱により掃気が混乱され、従って給気中への排気ガスの多量の再循環が引き起こされる。始動時のこのような多量の再循環を防止するには、上記引用文献に開示されているような切削加工されたシル（sill）または制御形入口の形態をなす、ガスポケットに通じる入口を設けなければならないが、そうすれば、高圧エネルギが低圧プロセスにそらされることにより更なる損失が発生する。
【０００５】
２つの高圧チャンネルすなわち高圧排気チャンネルおよび高圧給気チャンネルの開口の相互のアライメントは、特に、ガスポケットにより影響を受ける重要な調整変数である。
【０００６】
このアライメントを制御するのに、例えば、ドイツ国特許第1 052 626号、ドイツ特許公開第30 40 648号または米国特許3,011,487号に記載されているような試みがなされている。これらの引用文献には、エアハウジングおよびガスハウジングへの上記チャンネルの入口に設けられる、開口を備えた板またはリングの使用が開示されている。これらの板またはリングはそれぞれのハウジングに取り付けられ、かつ高圧チャンネルのオリフィスのアライメントに作用するように相互に調節することができる。板を備えたこれらの装置は、複雑な構造を有すること、およびシールすべき板表面による付加的損失が引き起こされること等の欠点を有する。
【０００７】
国際特許出願 97/20134には、圧縮スライド弁を備えた多サイクル圧力波機械を用いて内燃機関の給気を過給する装置が開示されている。このものでは、排気フロントハウジングおよび給気フロントハウジングの入口開口および出口開口の開口縁と閉鎖縁とが、セルを有するロータの所定の回転速度および排気ガス温度に基づいて、セルを有するロータの回転方向に相互にオフセットされている。圧縮スライド弁を備えた圧力波機械の実施形態では、排気フロントハウジングを回転させることが示唆されている。これは圧力波機械の高温部であるので、この部分に作用する排気フロントハウジングの回転装置には問題が生じる。
【０００８】
（発明の開示）
この従来技術に鑑みて、本発明の第１目的は、簡単な態様で、かつ板継手による付加的損失が全くなく（特に、高温による悪影響がなく）、高圧チャンネルの開口を相互アライメントさせることにより、内燃機関の全性能範囲にわたってプロセスの調節が可能な気体力学的圧力波機械を提供することにある。この目的は、特許請求の範囲の独立請求項１または請求項３に記載の気体力学的圧力波機械により達成される。
【０００９】
縁部状形状をもつチャンネルをロータに設けることにより内燃機関の全速度範囲にわたって圧力波機械の高い効率を確保するには、高いモータ速度で圧力波機械の充分なロータ掃気を行い、給気温度の過度の上昇を防止することが不可欠である。従って、従来技術の圧力波機械では、低圧チャンネルの開口幅が、高いエンジン速度の場合にはできる限り幅広になり、一方、高圧チャンネルの開口はできる限り幅狭になるように設計されている。しかしながら、エンジン速度、温度および流量の低領域から中領域では、縁部のこの幾何学的形状、すなわち幅広の低圧チャンネルおよび幅狭の高圧チャンネルは問題が多い。
【０００１０】
この従来技術に鑑みて、本発明の他の目的は、内燃機関の低領域から中領域のエンジン速度、温度および流量範囲における圧力波機械の充填効率を改善することにある。この目的は、特許請求の範囲の独立請求項８に記載の気体力学的圧力波機械により達成される。
【００１１】
従来技術による既知の圧力波機械では、ロータは、圧力波機械の吸気チャンネルの入口の空気流に曝されて冷却される寿命潤滑によりベアリング内で回転する。このシステムの欠点は、ベアリングの冷却により入力空気が加熱されること、および流れに対する入口チャンネルの形状に、効率を低下させる問題があることである。また、例えば内燃機関が長時間運転後に停止されるような場合には、ベアリングの冷却はもはや確保されない。更に、ある負荷条件下では、入力空気の冷却を行うにも係わらずベアリングの温度レベルは依然として非常に高く、このため、費用が嵩む高温潤滑を使用しなければならない。
【００１２】
ハウジングとロータとの間の軸線方向間隙は圧力波機械の効率に大きな影響を与える。過度の遊びがあるとギャップ損失が増大するであろうし、遊びが小さ過ぎると、ロータがハウジングをかじってしまうであろう。遊びを小さくするため、部品を膨張の小さい鋼合金で製造することができる。しかしながら、この場合には、冷えた状態で比較的大きい間隙を付与しなければならず、これは前記条件において不利である上、高価な特殊合金を使用する必要がある。
【００１３】
米国特許第2,800,120号には、水冷端板を備えかつロータがガス側に軸支された構成の圧力波過給機が開示されている。しかしながら、この冷却システムではエア側および外面のいずれも冷却されない。
【００１４】
この従来技術に鑑みて、本発明の他の目的は、ロータおよびロータベアリングの効率的な冷却を行って上記欠点を解消し、従って高価な合金を使用することなく効率を一層向上させることにある。この目的は、特許請求の範囲の独立請求項１２に記載の圧力波機械により達成される。
【００１５】
本発明による圧力波機械の他の長所および実施形態は、特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、実施形態を例示する添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【００１７】
図５〜図７は２サイクル機械を示すが、簡単化のため、単一圧力波サイクルを示しかつ説明する。しかしながら、本発明は圧力波サイクルの数とは無関係であり、単一サイクルまたは２サイクルまたは多サイクル圧力波機械に適用することができる。それぞれの開口およびそれぞれのポケットが各サイクルに関連していること、および殆どの圧力波機械が２サイクルまたは３サイクルであることから、同じことが単一サイクルのそれぞれの開口に適用できるけれども、本願では、主として、２つの開口のそれぞれの２つのサイクルについて説明する。
【００１８】
図１は、排気マニホルド２２を介して内燃機関１に連結された従来技術の気体力学的圧力波機械２を示し、該気体力学的圧力波機械２は更に、高圧排気チャンネル３および低圧排気チャンネル４（これらのチャンネル３、４はガスハウジング５内に形成されている）と、外部ケーシング７を有するロータ６と、エアフィルタ９を備えた空気取入口８と、この後に続く低圧空気取入口チャンネル１４とを備えている。また、給気通路１１に連通する高圧給気チャンネル１０が示されており、給気通路１１は、給気冷却器１２および吸気マニホルド１３を介して内燃機関１に連結されている。エアハウジング１５には、低圧空気取入口チャンネル１４および高圧給気チャンネル１０が収容されている。図面には更に、ロータベアリング１６並びにロータドライブ１７が示されている。
【００１９】
図２は、単一サイクルのみが示されている図１の実施形態とほぼ同じ圧力波機械のロータを示す展開図である。同一要素は同じ参照番号で示されている。すなわち、内燃機関は１、気体力学的圧力波機械は２、高圧排気チャンネルは３、掃気Ｓを含む低圧排気チャンネルは４、個々のセル１８を有するロータは６、空気取入口は８、及び低圧空気取入チャンネルは１４、給気通路１１に連通しかつ内燃機関１に通じる高圧給気チャンネルは１０で示されている。
【００２０】
本願明細書の冒頭で既述したように、付加的調整装置を全く用いないで４つのチャンネルを使用する場合には、圧力波プロセスは、内燃機関の単一作動速度に調節できるに過ぎない。このため、これは、圧力波機械の設計点と呼ばれている。ハウジング壁のポケットの使用により、圧力波機械のより鈍感なチューニング設計が可能になり、従って、圧力波機械の負荷、速度および容積範囲の重要な拡大を図ることができる。このような圧力波機械の数年にわたる開発の過程で、図２に示すように、異なるポケット、すなわち、圧縮ポケット１９、膨張ポケット２０およびガスポケット２１（これらのポケットを用いることは当業者に良く知られている）がハウジング壁に切削加工されてきた。このようなポケットを使用することの欠点は、チューニングされない性能範囲において、圧力波プロセスが決して最適効率が得られない２次プロセスにそらされてしまうことにある。
【００２１】
図３および図４は、全体的効率を本質的に高めるための多くの改良点を有する本発明の気体力学的圧力波機械を示す。圧力波機械３０は、高圧排気チャンネル３１および高圧給気チャンネル３２を介して、概略的に示す内燃機関に連結される。ガスハウジング３４は更に低圧排気チャンネル３５を有し、この図面には２つのチャンネルが示されている。すなわち、高圧排気チャンネルおよび低圧排気チャンネルは、開口縁３６、３７を有する扇形開口３６Ａ、３７Ａ（それぞれ、図５および図６を参照されたい）の形態をなしてロータ側においてガスハウジングに入る。また、セル４１を有するロータ４０が示されており、該ロータ４１はケーシング４２内に配置されかつ例えばベルトドライブ４３により駆動される。
【００２２】
高圧給気チャンネルがロータセルに向かって開くときに、いわゆる一次波（該一次波は、高圧排気チャンネルが圧力の低いロータセルに向かって開くときに発生される）が正確に調節されて空気側に到達するように、高圧給気チャンネルの開口縁５４に対する高圧排気チャンネルの開口縁３６のアライメントを調節することが考えられている。冒頭で既述したように、２つの高圧流に作用するように、開口を備えた回転板をハウジングに設けることによりこの調節を行なう試みがこれまでになされている。
【００２３】
本発明による１つの解決法では、高圧給気チャンネル３２の開口縁５４、すなわちロータセルに連通する開口は、静止ロータおよびガスハウジングに対してエアハウジングを回転させるか、高圧給気チャンネルのみを回転させることにより調節される。この結果、一次波が内燃機関の性能範囲の任意の点で上記条件を満たすように、２つの高圧チャンネルの開口縁が常に相互に調節される。
【００２４】
図５はガスハウジング３４のロータ側の正面図であり、２つの高圧排気チャンネル開口３６Ａ（各開口３６Ａは開口縁３６を有している）と、２つの低圧排気チャンネル開口３７Ａ（各開口３７Ａは開口縁３７を有している）と、２つのガスポケット２１とを示している。この実施形態では、ガスハウジングは、ロータケーシングすなわち静止のケーシングに固定されている。
【００２５】
図６はエアハウジング３９のロータ側の正面図であり、２つの高圧給気チャンネル開口５４Ａ（各開口５４Ａは開口縁５４を有している）と、２つの低圧排気チャンネル開口５５Ａ（各開口５５Ａは開口縁５５を有している）とを示している。また、圧縮ポケット１９および膨張ポケット２０が示されている。前述のように、エアハウジングは、ロータ若しくはガスハウジングに対して回転でき、その回転角度は０〜２０°の範囲内にある。
【００２６】
図７は、１つの高圧チャンネル（すなわち、この場合は、高圧給気チャンネル）の開口縁に作用することを可能にする別の解決法を示す。回転ハウジングを含む解決法とは異なり、この場合、高温の影響は重大ではない。図６の構成とは異なり、二重扇形ダイアフラム５４Ｂが示されており、該ダイアフラム５４Ｂは、矢印５６で示すように、高圧給気チャンネルの２つの開口の開口幅、従って高圧排気チャンネルの開口に対するアライメントを変えることを可能にする。ダイアフラムの数はサイクル数に基づいて定められることが理解されよう。また、この場合には温度の影響がそれほど重大ではないので、高圧給気チャンネルではなく、高圧排気チャンネルに設けることができる。
【００２７】
通常、圧力波機械は、ポケットを全く使用しないか、１つ、２つまたは３つ全てのポケットを使用する特性法（characteristics methods）および設計計算等の既知の方法を用いて、通常は、モータの公称速度で、内燃機関の製造業者により特定される点に最適にチューニングされる。
【００２８】
調整板を使用することに比べ、ハウジングまたは両高圧チャンネルのうち、少なくとも一方を回転させることは、特に、シール作用に関してかなり簡単化できる。図３および図４には、エアハウジング３９が回転ベアリング４０を介して調節可能に取り付けられているところが概略的に示されている。回転ベアリングは、ロータケーシング４２の頂部に取り付けられ、一方、２つの内側ベアリングリング５６がケーシングに固定され、また２つの外側ベアリングリング５７がエアハウジング３９に固定されかつベアリングハウジング５８内で包囲される。ハウジングは、例えばサーボモータにより電気的に回転されるか、空気圧的手段、機械的手段または油圧的手段により回転されることができる。この目的のため、内燃機関の性能分野の各点は、それ自体は既知の手段により計算され、かつ適当な電子制御システムによりハウジングの回転に対する適当な制御命令に変換される。高圧給気チャンネルを回転させる場合にも、同じ手法を適用できる。
【００２９】
圧力波機械のロータは、例示のようにベルトドライブにより比例的に、または例えば電気的、空気圧的或いは油圧的手段により非比例的に駆動できる。しかしながら、圧力波機械のロータは、外部ドライブを用いないでフリーホイールロータとして作動させることもできる。この場合には、ハウジングの回転は、適当な手段、例えば性能分野の制御すなわち速度制御により機械の速度変化に適合させねばならないが、ロータの速度は自由にするか、制動制御により上限を定めるか、部分的に制御することができる。高圧給気チャンネルを回転させる場合にも同じ手法を適用できる。
【００３０】
本発明をガス側に適用すること、すなわち、ガスハウジング３４を、高圧給気チャンネル開口３６と一緒に回転させるか、高圧排気チャンネルのそれぞれの開口のみを回転させることが基本的に可能であり、かつガスと空気側とを組合せた回転を理論的に考えることができるが、ガス側の要素の回転は、高温であるために技術的に非常に複雑になってしまう。
【００３１】
図２に示すように、慣用的な機械では、縁部の幾何学的形状、すなわち高圧チャンネルおよび低圧チャンネルの開口幅は、内燃機関の全速度範囲にわたって良い効率が得られるように設計される。従って、高圧チャンネルの全開口角度が４５°の幅狭である場合でも、低圧チャンネルの開口縁の全開口幅はできる限り大きくなるように設計して、より高いモータ速度での充分なロータ掃気が得られるようにし、これにより、給気温度の過度の上昇を防止できるようにする。従来技術の圧力波機械では、低圧チャンネルの開口幅に対する高圧チャンネルの開口幅の全比率が１:３．５より大きい。
【００３２】
前述のように、速度、温度および流量が低領域から中領域である場合には、低圧チャンネルが過度に大きい（これは、図２の従来技術の事実によるものである）ため、掃気作用が妨げられかつ予圧縮が不充分になるという結果を招く。新鮮空気が導入される前にロータ内燃機関に存在する圧力と、低圧排気チャンネル自体内の低圧との間の圧力差により発生される膨張波Ｗ５は、低圧排気チャンネルのほぼ中央に到達し、ここで流出を妨げる。低圧排気チャンネル開口での膨張波の影響を受けて生じる圧力波Ｗ６は、第２および第３の（the second third）空気取入口に戻り、流入を強く妨げる。この結果、低圧開口が閉じられたときの掃気作用およびロータの圧力の両方に悪影響が及ぼされる。
【００３３】
圧力（以下、予圧縮とも呼ぶ）は大幅に低下し、高圧排気チャンネルが開くときの給気の更なる圧縮が不充分になる。また、大きな低圧チャンネルおよび幅狭の高圧チャンネルを備えた従来の構成では、高速での給気圧力を高めるには、低圧空気取入チャンネルを低圧排気チャンネルより非常に遅く閉じなければならず、このため、流入する新鮮空気が阻止されることによるある種の予圧縮が依然として生じる。しかしながら、この手法は、低エネルギレベル時、すなわち、排気出口開口の早期閉鎖により掃気が強く妨げられ、従って、高い再循環範囲を受け入れる必要がある主として低速時、低温時および低流量時には逆効果である。
【００３４】
開口縁は扇形であるので、これらの開口幅は、通常角度により定められる。この点に関しては、サイクル数とは無関係に全開口幅を参照されたい。従来技術による圧力波機械では、高圧チャンネルの開口縁の全開口幅と低圧チャンネルの全ての開口縁との比率は１:３．２５より大きい。すなわち、高圧チャンネルの開口縁の全開口幅が例えば４８°になると、低圧チャンネルの全ての開口縁は１５６°以上の開口幅を有する。
【００３５】
図５〜図７では、高圧チャンネルの全開口幅は２×２０°＝４０°に等しく、低圧チャンネルの全開口幅は約２×６５°＝１３０°である。低圧チャンネル、すなわち低圧排気チャンネル若しくは低圧空気取入チャンネルの開口に対する、高圧チャンネル、すなわち高圧排気チャンネル若しくは高圧給気チャンネルの開口の全比率が１:３．２５以下に低下されるという事実、および高圧チャンネルの全開口幅が４５°以下であるという事実により、より良い掃気作用およびより高い予圧縮が得られ、従って、内燃機関の低いまたは中程度の速度、温度および負荷でより高い効率が得られる。
【００３６】
不充分なエネルギレベルの場合の掃気の中断を防止するため、低圧排気チャンネルの閉鎖縁と低圧空気取入チャンネルの閉鎖縁との間の角度差は、予圧縮の損失なくして掃気作用の妨害が排除される程度まで小さくできる。対応する計算は、圧力波機械についての既知の計算方法に従って行うことができる。
【００３７】
最大でも４５°への高圧チャンネルの全開口幅の同時的制限による、低圧チャンネルの全開口幅に対する高圧チャンネルの全開口幅の比率の１:３．２５以下への単なる低下により、既に（すなわち既知の圧力波機械においても）効率の改善が可能であるが、この効率の改善は、ハウジングまたは高圧チャンネルが調節される圧力波機械で特に有効であることが理解されよう。
【００３８】
本発明の圧力波機械は、エアハウジングおよびロータケーシングの少なくとも一部に設けられる水冷システムによる効率の他の改善がなされるけれども、この冷却は空気側でのみ有効であることが理解されよう。ロータベアリングの近くのエアハウジング３９内には概略的に示す水冷手段４４が配置されており、この例ではベアリングハウジング５８内に水冷手段４５が設けられている。従来技術による圧力波機械にも、ほぼ同じ構造を設けることができる。
【００３９】
冷却水回路は、例えば、内燃機関のモータ冷却回路に連結するか、別の冷却回路を設けることができる。この水冷により、主としてロータベアリングの有効冷却が可能であり、問題のある新鮮空気からの別の空気流の分岐はもはや不要である。
【００４０】
また、水冷によってロータとケーシングとの間に一定間隙を維持でき、これによりロータおよびケーシングに高価な材料を使用しなくても高い効率が得られる。
【００４１】
水冷は、既知の気体力学的圧力波機械の効率も本質的に向上でき、既知の気体力学的圧力波機械が上記のような圧力波機械の１つ以上の改良点と組み合わされると、効率が一層向上される。
【００４２】
高い給気圧力および高い効率が得られるようにするため、従来技術の圧力波機械は、充填度に強く依存している。内燃機関の流量が小さい場合には、圧力波機械のロータの充填度が低下し、従って給気圧力も低下する。実際、性能分野のこの領域では、機械は大き過ぎる。内燃機関の流量が大きい場合には、充填度は非常に増大し、圧縮効率は低下する。性能分野のこの領域では、圧力波機械は小さ過ぎる。
【００４３】
モータの脈動を低減させるために、従来技術による圧力波機械に使用される排気マニホルドの容積は欠点をもたらす。圧力波機械はオープンシステムを表し、これは、排気部分と新鮮空気部分とがロータにより直接連通されることを意味する。しかしながら、これは、モータの圧力脈動が排気高圧セクションから新鮮空気の高圧セクションへと伝達されることを意味する。
【００４４】
この欠点は、今や、排気チャンネルへの新鮮空気の直接供給により解消される。図３および図４には、高圧給気チャンネルから高圧排気チャンネルに通じる連通ライン４６が示されている。これにより、高圧給気チャンネル内の正の圧力衝撃が高圧排気チャンネルに伝達される。この連通部は、電子制御装置が設けられた逆止弁４７を有している。この場合、逆止弁は、これらの圧力衝撃が伝達されて、そのエネルギレベルが高圧排気チャンネル内の瞬間圧力より高くなった場合にのみ調整手段として作用する。このようにして、主として負の圧力パルスが強調される。すなわち、高圧排気チャンネル内の準負圧の状態が強調され、負の圧力パルスを平滑化することにより高圧排気チャンネルおよび高圧給気チャンネルの両チャンネル内の全圧力レベルが増大される。これにより、高圧排気チャンネルが開く前にロータ内の圧力レベルを大幅に増大でき、かつここから到達するパルスが低減される。また全プロセスが停止されるので、この手段により、熱い排気ガスがロータに入るときの損失が低減される。
【００４５】
分岐部（deviation）（図３または図４の実施形態では、この分岐部は高圧給気チャンネルの縁部とモータ入口との間の任意の入口に設けられている）が高圧給気チャンネルの開口縁の直後に設けられる場合には、別の改善が得られる。明瞭化のため、この好ましい実施形態は図３には示されていない。
【００４６】
前述のように、従来技術の圧力波機械は充填度に強く依存している。上記圧力脈動の低減に加え、連通部を設けることにより、圧力波機械の高圧排気側に給気をフィードバックさせ、これにより機械の質量流量、従って充填度を増大させることができ、従って圧力を大きく増大させることができる。かくして、調整式逆止弁による高圧給気のフィードバック量の付加的調整は、広くは給気圧力調整として、および火花点火機関の場合は付加的出力調整として使用できる。換言すれば、これは、より高いモータ流量での圧縮効率を改善するため、より低いモータ流量での給気圧力の損失をもたらすことなく、圧力波機械を幾分大きく設計できることを意味する。これはまた、例えば制御式逆止弁のような適当な既知の装置または断面積を調整する付加的装置を用いて連通通路の断面積を調整することによっても達成できる。これは、内燃機関の低領域から中領域の速度、温度および負荷範囲に特に有効である。
【００４７】
新鮮空気と排気部分との間の連通部の使用により、既知の圧力波機械の効率をかなり改善できるが、効率改善について前述した１つ以上の手段と組合せると特に有効である。
【００４８】
図８〜図１１Ａは、圧力波機械の変形例、すなわち高圧排気流に対する作用を示すものである。図２と同様に、図８は、高圧排気流に影響を与えるための手段を備えていない高圧排気チャンネルを示す。セル１８を有するロータ６は展開図で示され、更にガスハウジング２４、高圧排気チャンネル３および低圧排気チャンネル４も示されている。
【００４９】
これらの要素に加えて、図９は、例えば冒頭で引用したスイス国特許公開第681 738号に従って設けられたガスポケット２１を示す。このガスポケット並びに高圧排気チャンネルとガスポケットとの間に必然的に存在するウェブ２１Ａは、通常は放出（blow-off）が不要な、特に低領域から中領域の速度、温度および流量での付加的損失を創出する。
【００５０】
図１０、図１０Ａ、図１１および図１１Ａには、本発明による高圧排気チャンネルに影響を与えることができる要素が概略的に示されている。
【００５１】
図１０および図１０Ａはセル４１を有するロータ４０の展開図を示し、図９のガスポケットとは異なり、ガスハウジング３４には、矢印５０で示すようにスライド弁４９で改良された凹部４８が設けられている。図１０Ａによれば、スライド弁４９は矢印の方向に完全に係合しており、このため高圧排気チャンネルはウェブの存在なくして拡大される。当業者により計算されるスライド弁の適当な制御により、スライド弁は、圧力波プロセスで発生される給気圧力が所望レベルまで低下するように、高圧チャンネルを拡大させるべく変位される。
【００５２】
図１１および図１１Ａは、関節５２にヒンジ止めされかつ高圧チャンネルの拡大５３を可能にする同種の電子制御装置により作動される切換え要素５１の形態をなすスライド弁の別の変形例を示す。
【００５３】
同時に、高圧排気チャンネルが拡大されるとき、この装置は、高圧排気プロセスから低圧プロセスへの分岐を通して掃気プロセスの重要な改善を可能にし、これにより効率を大幅に改善させる。この方法は、それ自体は既知である適当な手段を用いて所望の給気圧力を調整することにより、火花点火機関にも出力調整装置として使用できる。この手段、すなわち高圧排気チャンネルの拡大およびガスポケットを防止を図る手段は、従来技術のものと同じ圧力波機械においても効率の本質的改善が可能であるが、前述の全ての改善と同様に、開示した１つ以上の改善と組み合わせることが特に有効である。
【００５４】
特にコールドスタート状態での圧力波機械の効率改善のための他の手段が、図１２に簡単化した態様で概略的に示されている。同一要素は同じ参照番号で示されている。圧力波機械３０は、高圧排気チャンネル３１および高圧給気チャンネル３２を介して内燃機関（例えば火花点火機関）６０に連結されている。また、圧力波機械は、２つの低圧チャンネル３５、３８を有し、エアフィルタ９、給気冷却器１２、スロットル６１並びにモータ出力４３が示されている。
【００５５】
火花点火機関の場合、機関の出口と高圧排気チャンネルとの間には、ラムダプローブ６３を備えた調整式三元触媒６２が配置されている。コールドスタート作動を改善するため、三元触媒６２と高圧排気チャンネル３１との間に、燃料供給部６５と空気供給部６６とを備えたバーナの形態をなす加熱装置６４が介在されている。参照番号６７は温度プローブを示す。この点で、加熱装置は触媒および圧力波機械の両方に作用し、従って、両者のコールドスタートの改善がなされる。
【００５６】
特に効率的な排気ガス浄化を行うため、低圧排気チャンネルと排気管６８との間に、別の触媒、すなわち酸化触媒が設けられている。
【００５７】
高圧排気チャンネルに作用する加熱装置の使用は、コールドスタート時に圧力波過給機が不充分なエネルギレベルで作動することを防止でき、従って、ガスポケットを使用するか、高圧排気チャンネルの拡大を必要とする。従って、加熱装置の使用により、ガスポケットに向かう流れが減少されるか、完全に妨げられ、給気圧力がかなり迅速に発生する。ガスポケットの閉鎖は、熱エネルギの一部が未使用のまま放出されることを防止できる。同じことが、三元触媒を使用しないシステム、例えば圧力波機械の上流側または下流側の位置に上記酸化触媒のみを備えたディーゼルエンジンについても当てはまる。
【００５８】
前述の例におけるように、加熱装置は高圧排気チャンネル拡大装置が設けられた圧力波機械に改善をもたらし、加熱装置が上記１つ以上の改善並びに１つまたは２つの触媒を有する（または全く備えていない）圧力波機械に適用されるならば、より大きな改善がなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術による気体力学的圧力波機械の全体を示す部分断面図である。
【図２】  従来技術による圧力波機械のロータセルを通る展開された円筒状部分を示す概略図である。
【図３】  本発明による圧力波機械を示す図１と同じ部分断面図である。
【図４】  図３の気体力学的圧力波機械を示す斜視図である。
【図５】  図３のＶ−Ｖ線に沿う断面を異なる縮尺で示す断面図である。
【図６】  図３のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面を異なる縮尺で示す断面図である。
【図７】  図６の断面の変更態様を示す断面図である。
【図８】  従来技術による圧力波機械のロータセルを通る展開された円筒状部分の細部を示す概略図である。
【図９】  従来技術による他の圧力波機械のロータセルを通る展開された円筒状部分の細部を示す概略図である。
【図１０】  本発明による圧力波機械のロータセルを通る展開された円筒状部分の細部を示す概略図である。
【図１０Ａ】  本発明による圧力波機械のロータセルを通る展開された円筒状部分の細部を示す概略図である。
【図１１】  図１０および図１０Ａによる実施形態の変更態様を示す概略図である。
【図１１Ａ】  図１０および図１０Ａによる実施形態の変更態様を示す概略図である。
【図１２】  加熱装置および触媒を備えた圧力波機械を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１２】
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