JPH0123653B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の過給のための圧力波機械で
あつて、ロータケーシング、このロータケーシン
グ内に配置されて内燃機関の排ガスによつて燃焼
空気を圧縮するためのロータ、このロータに結合
されたロータ軸並びにロータケーシングの両側に
外方から接続されるガスケーシング及びエアケー
シングを備えた形式のものに関する。

圧力波機械の効率を改善するためにはロータと
端面とガスケーシング若しくはエアケーシングと
の間の遊びを軽減することも１つの手段である。
漏れ損失をできるだけわずかにするために、この
遊びをできるだけ小さくし、かつ全運転範囲にわ
たつてできるだけコンスタントにすることが必要
である。

この条件を維持するために、熱膨張係数に関連
して互いに規定されている材料を選ばなければな
らない。この材料は同時に、運転中に生じる熱的
なかつ動的な負荷に十分耐え得なければならな
い。このことは、特に耐熱性材料しか使用できな
いロータについて妥当する。

このような材料としては高い耐熱性を有するイ
ンバール合金及び約350℃（キリー点）までは熱
膨張係数の小さな材料が適している。しかしこの
材料でも、この温度以上では熱膨張係数が急激に
増大し、そのため、製作費の増加を伴う構成的な
手段を施さない限り、効率が著しく低下する。要
するに、このような高温では、この合金もある限
度でしか適さない。より高い排ガス温度、例えば
オツト機関での排ガス温度に耐え得るようにする
ためには、この種の合金又は超合金はすでに述べ
た要求に適しない。

回転する部分と定置の部分との間の遊びを機関
の全負荷範囲にわたつてできるだけ小さくすると
いう要求は従来そのことのために使用された材料
ではもはや十分に満足されない。なんとなれば、
負荷交番が迅速な場合、ロータが極めて迅速な熱
変化にさらされ、これによつて直径及び長さが変
化するからである。他の部分も温度変化にさらさ
れ、これによつて寸法が変化し、加速時には遊び
がまつたく失われてロータが擦れ始め、機関出力
減少時にはロータが迅速に冷却して遊びが著しく
大きくなり、効率が相応に減少する。

この遊びの変化をできるだけ狭い範囲に抑える
ためには、ロータケーシングの壁厚をできるだけ
薄くして、負荷交番時に迅速し加熱若しくは冷却
されるようにして、ロータの長さ及び直径の変化
に十分迅速に追従できるようにすることは可能で
ある。しかし、ロータケーシングの壁厚が薄いと
いうことは、熱損失が大きく、従つて効率が低下
することを意味する。

本発明の課題は、これら欠点を回避し、要する
にあらゆる運転状態でしかも負荷交番時に、すで
に述べたロータ端面とガスケーシング若しくはエ
アケーシングの端面との間の遊びを常に小さく保
つて漏れ損失及びロータの擦れを回避するととも
に、高い熱的な負荷によつて効率が改善されかつ
加速性能が増大するように、冒頭に述べた圧力波
機械のロータ及びロータケーシングを改良するこ
とにある。

この課題を解決した本発明の要点は少なくとも
前記ロータと、これを取囲む前記ロータケーシン
グとがセラミツク材料から成り、かつ、ロータの
ボスを金属製のロータ軸に結合するための結合部
材及びロータケーシングをガスケーシング若しく
はエアケーシングに結合させるための結合部材
が、運転時に生じる温度範囲全体にわたつてロー
タ軸の軸線に対して平行に作用するプレロード
を、結合すべき両部分に負荷する、セラミツクに
比して弾性係数の小さい材料から成る部材を有し
ており、かつ、ボスとロータ軸との結合部材が、
ボスに半径方向の力を作用する部材を含んでいる
ことにある。

次に図示の実施例につき本発明を具体的に説明
する。

第１図、第３図及び第４図に、ロータ内へ機関
の排ガスを供給しかつ同ロータから排ガスを排出
するためのガスケーシングを符号２で、燃焼空気
を吸込んで、圧縮された過給空気を機関内へ供給
するエアケーシングを符号３で示す。ロータ１は
そのロータ軸４によつてエアケーシング３内に片
持式に支承されている。エアケーシングの外部に
はロータ軸４の端部にＶベルト円板５が固定され
ており、これによつてロータ１が機関によつて強
制的に回転される。

ロータ１はこれを取囲むロータケーシング６と
同様にセラミツク材、例えば反応焼結されたシリ
ジウムニトリツドセラミツク又はシリジウムカー
バイドから成る。これらの材料は、半製品−要す
るに生の成形品を−プレス、鋳造又は押出し及び
乾燥した後に焼入れしかつ化学的な硬化処理され
て形成される。金属製のロータケーシングに対し
てこのセラミツク製のロータケーシング６の問題
点は、ロータケーシング材料の熱膨張係数と、ロ
ータケーシング６を金属製のガスケーシング２及
びエアケージング３に結合せしめる金属製の結合
部材の熱膨張係数とが互いに異なるために、この
熱膨張係数の相違に基づく許容できない大きな熱
応力、特にセラミツク内の引張応力を回避するよ
うに結合部材を形成しなければならないことにあ
る。

第１図に示すケーシングの実施例では、この結
合部材が、周方向で均一間隔で分配された抗張ボ
ルト７から成り、この抗張ボルト７は両端にねじ
部を備え、ねじ込み端部に、スパナ当付け面を備
えたつば８を有している。このスパナ当付け面に
よつてこの抗張ボルトをガスケーシング２に緊張
させることができる。エアケーシング３をロータ
ケーシング６にねじ固定するためのねじ部自由端
には、第２図に拡大図示したように、ナツト９の
下に皿ばね１０が設けられており、この皿ばね１
０によつて、運転時に抗張ボルト７とロータケー
シング６との間に生じる膨張の相違が補償され
る。

この弾性的な結合手段７，９，１０によつて、
ロータケーシング６の端面と、ガスケーシング２
の端面並びにエアケーシングの端面との間に、軸
方向での確実な結合が常時保証され、かつ許容で
きない大きな応力の発生が回避されるとともに、
ガスケーシング及びエアケーシングの端面と、ロ
ータケーシング６の両方の端面との間の相対的な
移動が著しく阻止されない。ロータケーシング６
はこの実施例では、抗張ボルト７のための縦孔を
備えた単純な円筒状外套から成つている。セラミ
ツクからこの種の外套を製作するのに困難はな
い。

大量生産では経済的な押出し成形法が効果的で
ある。

シールのために、ロータケーシング６の両端面
に、延性を有する金属製のシールリング１１が設
けられており、これによつて、ガスケーシング若
しくはエアケーシングの金属的な座面に対するシ
ールリング面の半径方向の妨げのない移動が可能
となる。別体のこのようなシールリングの代わり
に、ロータケーシング６の端面に、延性を有する
金属層を被覆することもできる。相互の半径方向
の移動性を簡単に行わせるために、この座面を滑
り材料によつて処理しておくこともできる。これ
によつて、金属製のガスケーシング若しくはエア
ケーシングとセラミツク製のロータケーシングと
の半径方向の膨張の相違に基づく有害な応力が回
避される。

第３図に示す実施例では、セラミツク製のロー
タケーシング１２の製作はさらに簡単である。こ
のロータケーシング１２は単純な円筒管から成つ
ている。このロータケーシング１２とガスケーシ
ング２及びエアケーシング３との結合のために、
２部分から成る締付ジヤケツト１３が役立てられ
ており、各ジヤケツト半部はそのフランジ１４を
介して一点鎖線で示すようにねじ結合されてお
り、これによつて、締付ジヤケツトの弾性力によ
つてガスケーシング２及びエアケーシング３がロ
ータケーシング１２に引寄せられている。運転時
の熱膨張を補償するために、締付ジヤケツト１３
の両方のジヤケツト半部は弾性的な周方向の張出
し成形部１５を備えており、これによつて、許容
されない縦方向の応力の発生が回避される。ガス
ケーシング及びエアケーシングの組付けを可能な
らしめるために、両方のジヤケツト半部は、縦方
向に沿つた分割継目によつても分割されている。
この分割継目の両縁は図示しないが公知形式通り
例えばねじ又は締付バンドによつて互いに結合さ
れている。

第４図に示す実施例では、同様に円筒状のロー
タケーシング１２が設けられており、かつ縦方向
に沿つた分割継目に沿つて２分割された同様に２
部分から成る締付ジヤケツト１６が設けられてい
る。この締付ジヤケツト１６は、縦方向の膨張を
補償するために周方向の１つの張出し成形部を有
している。この締付ジヤケツトの固定は締付線材
８１によつて行われており、この締付線材１８
は、締付ジヤケツトの両方の縁に設けたカール部
１９内に位置しておりかつ図示しない手段、例え
ば引締ねじ又はターンバツクルによつて、ガスケ
ーシング２若しくはエアケーシング３の接続フラ
ンジの周りを抱締めており、これによつて、ガス
ケーシング２及びエアケーシング３がロータケー
シング１２に軸方向で緊定されている。

締付けジヤケツト１３、若しくは１６は、セラ
ミツクから成る衝撃に弱いロータケーシングの保
護の役目も果している。

第５図及び第６図はロータケーシング６とガス
ケーシング２若しくはエアケーシング３との間の
継目のシール手段を示し、このシール手段は第６
図から判るように、ロータケーシング６の内側に
設けられた溝４７内に挿入されたダブルリツプ付
きのシールリング４６から成つている。このシー
ルリングはその弾性が大きいために溝４７の寸法
の熱的なあらゆる変化に適合するとともに、ガス
ケーシング若しくはエアケーシングとロータケー
シング６との熱膨張の相違による両部分の半径方
向の移動を妨げない。

第７図に示す実施例のシール手段は補償リング
４８を有しており、この補償リング４８の一部を
第８図に展開して示す。補償リング４８はロータ
ケーシング６に面した周辺部に１列のスリツト４
９を備えており、これによつて、周辺部が弾性的
な舌片５０に分割されており、この弾性的な舌片
５０によつて、ガスケーシング若しくはエアケー
シングとロータケーシングとの間の半径方向の軽
やかな移動性が可能となる。この移動性は、ロー
タケーシングの端面とエアケーシング若しくはガ
スケーシングの端面との間に〓間５１を明けるス
ペーサリングとして補償リングが機能することに
よつて助成される。これによつて、端面間の摩擦
が排除される。

第９図及び第１０図は２分流式のセラミツク製
ロータ２０の１実施例を示し、このロータ２０は
セラミツク製のロータケーシングと組合わされ
る。第９図はロータ２０の縦断面を、第１０図は
その端面を示すが、第１０図では図面簡略のため
に若干の通路を示すにとどめた。

このロータ２０ではボスが一体的に結合されて
いる。重量軽減のために、ボスはウエブ２１及び
孔２２を備えている。ボス２０と軸との結合につ
いては、第１１図〜第１３図で説明する。

このロータではボスがロータ本体とは別体に製
作されて、後でロータ本体に焼結によつて結合さ
れており、それゆえ、このロータ本体は大量生産
において経済的に押出成形によつて製作可能であ
る。

第１１図に示すロータ２３のボス５９と軸６１
との結合は抗張ねじ５３とナツト５７とによつて
行われている。符号２６は結合継目を示す。軸６
１の定心ピン６０にボス５９を定心するために、
市販の「誤差補正リング」６２が使用されてお
り、この誤差補正リング６２を第１２図に拡大し
て示す。この誤差補正リング６２は軸平行でかつ
半径方向で弾性的な縦方向のひだを有しており、
このひだの全体の横断面は第１２図に示すような
波形である。この横断面の外接円及び内接円はボ
ス孔若しくは軸に対して若干大きく若しくは小さ
い。ひだの内側及び外側の丸味部は組付け時に変
形して弾性的な圧迫で定心を生ぜしめ、これによ
つて、ボスのセラミツク材がすでに述べた要求通
りわずかな引張応力にしかさらされない。ロータ
の側方の遊び及び軸上でのロータの軸方向の固定
位置を調節するために、調節円板５５、ナツト５
７及びワツシヤ５８が役立てられる。

第１３図は軸２７とロータ２３との別の結合例
を示す。ロータ２３は２分流式のロータ本体２４
とボス３３とから成り、かつ同様に抗張ねじ３４
が結合のために使用されている。ボス３３に対す
る軸２７の定心は、ボス３３の孔に対して遊びを
有する長細い定心ピン３５と、この定心ピン３５
上に遊びなく支持された、内円錐を備えた円板３
６と、ナツト３７とによつて行われており、この
円板３６はナツト３７によつてボス３３の截頭円
錐状の突出部３８に緊定される。

ボス３３は重量軽減のために孔３９又はその他
の切欠を備えることができる。

これまで述べた構成によつて、冒頭に述べたサ
ーモダイナミツクな利点の他に、現行のロータに
使用されている金属の比重のわずか30〜40％に相
当するρ＝2.4〜3.2ｇ／cm³に比重を有するセラミ
ツク材で十分であるという利点が得られる。同じ
比率でセラミツク製ロータの慣性モーメントが減
少する。従つてモータの加速性能が改善される。
それに相応して、ベルト張力及びスリツプ、要す
るにベルトの負荷及び本圧力機械の軸受負荷が軽
減する。

圧力波機械では、熱いガスと冷たい空気とが同
一ロータによつて接触するので、ロータと過給空
気との間に熱交換が生じ、これが効率の悪化の原
因となる。セラミツク製のロータでは、セラミツ
ク材の比熱容量が小さいため、ロータと過給空気
との間の熱交換が小さくなり、ひいては効率の低
下がわずかとなる。

一般には大量生産のためにセラミツク材を使用
すれば、金属的な超合金の場合に比して材料費も
安くつくものと見込まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の部分断面側面
図、第２図は第１図のＡで示す円の部分の拡大断
面図、第３図は本発明の第２実施例の部分断面側
面図、第４図は本発明の第３実施例の部分断面側
面図、第５図は本発明の第４実施例の部分断面側
面図、第６図は第５図の円内の拡大部分図を示す
とともに本発明の第５実施例を示す部分断面図、
第７図は本発明の第６実施例の部分断面図、第８
図は第７図に示す補償リングの部分展開図、第９
図は本発明の第７実施例の縦断面図、第１０図は
第９図の端面図、第１１図はロータと駆動軸との
結合形式の第１実施例の断面図、第１２図は第１
１図のXII−XII線に沿つた断面図、第１３図は同結
合形式の第２実施例の断面図である。 １……ロータ、２……ガスケーシング、３……
エアケーシング、４……ロータの軸、６……ロー
タケーシング、７……抗張ボルト、９……ナツ
ト、１０……皿ばね、１２……ロータケーシン
グ、１３……締付ジヤケツト、１４……フラン
ジ、１５，１７……周方向の張出し成形部、１８
……締付線材、１９……カール部、２３……ロー
タ、２４……ロータ本体、２５……ボス、３０，
３１……ワツシヤ、３２……ナツト、３３……ボ
ス、３５……定心ピン、３６……円板、３７……
ナツト、４１……ロータの軸、４２……定心ピ
ン、４３……抗張ねじ、４４……円板、４５……
ナツト、４６……シールリング、４８……補償リ
ング、４９……スリツト、５０……舌片、５５…
…調節円板、５７……ナツト、５８……ワツシ
ヤ、６０……定心ピン、６１……軸、６２……誤
差補正リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の過給のための圧力波機械であつ
   て、ロータケーシング、このロータケーシング内
   に配置されて内燃機関の排ガスによつて燃焼空気
   を圧縮するためのロータ、このロータに結合され
   たロータ軸並びにロータケーシングの両側に外方
   から接続されるガスケーシング及びエアケーシン
   グを備えた形式のものにおいて、少なくとも前記
   ロータ１と、これを取囲む前記ロータケーシング
   ６とがセラミツク材料から成り、かつ、ロータ１
   のボス３３，５９を金属製のロータ軸６１，２７
   に結合するための結合部材５３，５７；３４，３
   ７及びロータケーシング６をガスケーシング２若
   しくはエアケーシング３に結合させるための結合
   部材７，９，１０，１３，１６が、運転時に生じ
   る温度範囲全体にわたつてロータ軸の軸線に対し
   て平行に作用するプレロードを、結合すべき両部
   分に負荷する、セラミツクに比して弾性係数の小
   さい材料から成る部材７，１０，１３，１６，５
   ３，３４を有しており、かつ、ボスとロータ軸と
   の結合部材５３，５７；３４，３７が、ボス３
   ３，５９に半径方向の力を作用する部材３６，６
   ２を含んでいることを特徴とする内燃機関の過給
   のための圧力波機械。 ２ 前記ロータケーシング６が、軸平行な孔を備
   えた円筒状の外套として形成されており、かつ、
   前記ガスケーシング２若しくはエアケーシング３
   にロータケーシング６を結合させる前記結合部材
   が、ロータ軸軸線に対して平行に位置してロータ
   ケーシング６の前記孔内に受容される抗張ボルト
   ７を備えており、かつ、この抗張ボルト７が、別
   の結合部材としてそれぞれ１つの皿ばね１０及び
   ナツト９を有している特許請求の範囲第１項記載
   の圧力波機械。 ３ ロータケーシング１２が円筒状外套として形
   成されており、前記ガスケーシング２若しくはエ
   アケーシング３にロータケーシングを結合させる
   結合部材が、２部分から成る締付ジヤケツト１３
   を有しており、この締付ジヤケツト１３が、縦方
   向に沿つた分割面によつて２分割されており、両
   方の締付ジヤケツト半部がそれぞれ少なくとも１
   つの周方向の張出し成形部１５を有しており、分
   割個所の両縁が縦方向で互いに結合されており、
   さらに両方の締付ジヤケツト半部がそれぞれ１つ
   の半径方向内向きのカール部と１つの半径方向外
   向きのフランジ１４とを備えており、前記カール
   部がガスケーシング若しくはエアケーシングの接
   続フランジに当付けられており、かつ両方の締付
   ジヤケツト半部がそのフランジ１４のところで縦
   方向で互いに締付けられている特許請求の範囲第
   １項記載の圧力波機械。 ４ ロータケーシング１２が円筒状外套として形
   成されており、ロータケーシング１２とガスケー
   シング２若しくはエアケーシング３とを結合させ
   る結合部材が、縦方向のスリツトを備え少なくと
   も１つの周方向の張出し成形部１７を有しかつ半
   径方向内向きに曲げられたカール部を備えた１材
   料から成る締付ジヤケツト１６から成り、前記カ
   ール部がガスケーシング若しくはエアケーシング
   の接続フランジに当付けられており、かつ、カー
   ル部１９に締付線材１８が挿入されており、この
   締付線材１８を周方向で緊張させる締付部材が設
   けられている特許請求の範囲第１項記載の圧力波
   機械。 ５ ロータケーシング６，１２とロータ２３のロ
   ータ本体２４とが押出し成形品として形成されて
   おり、かつ、ロータ２３のボス２５，３３，４０
   が別体として形成されてロータ本体２４に焼結に
   よつて結合されている特許請求の範囲第１項から
   第４項までのいずれか１項記載の圧力波機械。 ６ セラミツク製のロータ２３にロータ軸６１を
   結合せしめる部材が、ロータ軸６１と一体に形成
   された定心ピン６０と、誤差補正リング６２と、
   ナツト及びワツシヤを備えた抗張ねじと、調節円
   板５５とから成る特許請求の範囲第１項記載の圧
   力波機械。 ７ ダブルグリツプ付きシールリング４６がロー
   タケーシング６の溝４７内に設けられている特許
   請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項
   記載の圧力波機械。 ８ 前記ダブルグリツプ付きシールリング４６を
   外側から取囲む補償リング４８が設けられてお
   り、それの、ロータケーシング６に面した側が、
   その周方向にわたつて均一間隔で配置されたスリ
   ツト４９によつて、弾性的にたわみ可能な舌片５
   ０に分割されている特許請求の範囲第７項記載の
   圧力波機械。 ９ ロータ軸２７とセラミツク製のロータ２３と
   の結合のために、ロータ軸２７の、ロータ２３の
   ボス孔のための定心ピン３５を備えた端面に、抗
   張ねじ３４と、円錐孔を備えた円板３６とが設け
   られており、円板３６の孔が遊びなく定心ピン３
   ５に座着しており、円板の円錐孔がナツト３７に
   よつてボス３３の截頭円錐状の突出部３８に締付
   けられている特許請求の範囲第１項記載の圧力波
   機械。