JPH081132B2 - ガス力によつて駆動される自由回転する圧力波過給機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は燃焼機関の排ガス流によつて駆動される自由
回転する圧力波過給機であつて、ロータケーシングと、
このロータケーシング内のセル形ロータとが設けられて
おり、セル形ロータが、ロータ軸線に対して軸平行又は
斜めに位置する又は螺旋状に巻かれたセル壁を備えてお
り、ロータケーシングの両方の端面に空気ケーシング又
はガスケーシングが設けられており、空気ケーシング内
の低圧空気の供給若しくは高圧空気の排出のための少な
くともそれぞれ１つの低圧空気通路及び高圧空気通路が
設けられており、ガスケーシング内の高圧排ガスの供給
若しくは低圧排ガスの排出のための少なくともそれぞれ
１つの高圧排気通路及び低圧排気通路が設けられてお
り、空気ケーシング内の圧縮ポケット及び膨張ポケット
が低圧空気通路及び高圧空気通路にそれぞれ隣接されて
おり、ガスケーシング内のガスポケットがそれぞれ高圧
排気通路及び低圧排気通路に隣接されており、空気ケー
シング内のロータ軸を収容する支承部材が設けられてお
り、ロータ回転方向でセル壁に作用するパルスを発生せ
しめるために高圧排ガスによつてセル形ロータのセル壁
を負荷するための手段が設けられており、この手段が高
圧排気通路と低圧空気通路とによつて形成されており、
高圧排気通路及び低圧空気通路が、ロータ周速度のベク
トルに関して鋭角を成してロータケーシング内に開口し
ており、過給導管内に過給フラツプ及び吸込み弁が設け
られており、過給フラツプが制御装置と協働しており、
制御装置は圧力波プロセスによつて導出された信号によ
つて操作されており、かつ、特に始動状態において排ガ
ス及び空気の損失を可能な限り少なくするために、圧力
波過給機の始動状態でセル形ロータの端面と空気ケーシ
ング若しくはガスケーシングとの間にできるかぎりわず
かな隙間を維持するのに適した材料対によつてセル形ロ
ータとロータケーシングとが形成されている形式のもの
に関する。

従来の技術 経済的に採算のとれる費用で圧力波過給機を配置する
自由度は排ガスターボ過給機でと同様に、実際には排ガ
スによる駆動に制限される。圧力波過給機の排ガスケー
シングに至る、制御縁及び制御通路を備えたその供給導
管は、簡単に形成される排ガス通路によつて問題なく実
現され、かつ排ガスの流れのエネルギーをロータの回転
運動へ変換するために多様な可能性が考えられる。例え
ば、ロータのセル壁を接線方向に負荷し、又はそのこと
のために特別に設けた翼車を、排ガス流の偏向のため
の、場合によつては排ガス流をロータケーシング内へ局
所的に分配して集中させる部材又はこのことのために設
けた翼車内へ集中させる部材と協働させ、これによつて
排ガス流の流入速度の接線方向の分力を得ることができ
る。

別の利点もある。軸受の横荷重が生じないために小さ
な軸受を使用することができ、これによつて、同様に既
に述べたごとく、大きな軸受を備えた圧力波過給機に比
して転動体の周速度、従つて、回転数が同じならば熱的
な負荷が僅かとなる。軸受の直径が小さいことによつ
て、圧力波過給機の外寸が同じならば、セルの流れ横断
面、要するにロータの有効流れ横断面が増大し、従つ
て、この圧力波過給機を大形の機関に使用することがで
きる。圧力波過給機の常用回転数から大きく離れた限界
回転数に関しても利点がある。ロータの充てん限界を上
まわらない限り、すべての加速状態におけるレスポンス
が良好である。機関の深い全負荷回転数では排ガスによ
つて駆動されるロータも、機関によつて一定伝達比で駆
動されるロータに比して高速で回転する。このことによ
つて、さもなければ低回転数で生ずる過給空気のパルセ
ーシヨンが軽減し、リシーバ容積が小さくて済み、従つ
てまた熱的な慣性が削減され、排ガスレシーバが安価と
なる。

ロータが動力機械に無関係に膨張ガスによつて駆動さ
れる圧力波機械が公知である。過給機として使用され機
関の排ガス内に含まれるエネルギを重量的にほぼ同じ大
きさの過給気流の圧力上昇のために変換して排ガス流の
圧力より大きな圧力を生ぜしめる圧力変換器に対比して
この種の圧力交換器では圧縮すべき空気がほぼ膨張媒体
の圧力までもたらされるが、この圧力交換器は要するに
例えば機関の排ガスに関係するか又は熱交換器によつて
加熱された空気に関する。この種の圧力交換器では排ガ
ス又は加熱された空気のエネルギは膨張ガス又は加熱空
気の量に比して多量の冷却空気を圧縮するのに役立つ。
機関においては、過給気流がほぼ排ガス流に等しいため
一般的には過剰空気のために何の要求も生じない。それ
故、圧力交換器は過給のためにはほとんど問題にならな
い。しかし、既に述べたように、ガスタービンの高圧圧
縮機としては低圧圧縮機部分としての一般的なアキシヤ
ル又はラジアル圧縮機に関連して使用されるほか、冷却
機械、熱ポンプ、化学的プロセス、加圧燃焼ボイラなど
にも使用される。

この種の圧力交換器はスイス国特許第225426号明細書
により公知である。この圧力交換器のロータでは、セル
壁が軸断面平面に対して傾いてほぼねじ面状又は翼状に
湾曲している。このように形成されたセル壁の所期の目
的は圧力交換プロセス時のロータセル内への入り口若し
くはロータセルからの出口でのガスの流れ損失を回避す
ることにある。その場合、ロータに対する絶対的な流出
速度は周方向分力を有しており、そのため、絶対流出速
度が減小し、これに対してガスの流入は衝撃をもつて行
われ、この衝撃がロータを駆動する。

別の圧力交換器がスイス国特許第550937号明細書に開
示されており、この圧力交換器は高圧圧縮器として、低
圧アキシヤル圧縮機とガスタービンとの間に配置されて
おり、そのロータはタービン軸に結合されるか又はター
ビン軸に無関係に固有の駆動装置を備えることができ
る。この明細書には自己駆動についてはなんの記載もな
い。記載されているのは、熱い膨張ガスと圧縮すべき冷
たいガスとの圧力差を低圧区域でいかにして下げること
ができるか、それと同時に圧縮機を負荷軽減して装置の
有効出力及び効率を高めるために圧力側の圧力差をいか
にして増大させないかについてである。

圧力伝達性の媒体による自己駆動を行う圧力交換器は
英国特許第921686号明細書に開示されている。この場
合、セル壁はその長さの入り口側のほぼ３分の１が湾曲
しており、その他の部分は軸平行であり、これに対し
て、所属の入り口通路はロータ端面に対して傾いて接線
方向でロータセルの湾曲部分内に開口している。ロータ
を駆動する力はロータのセル壁の湾曲部分での流入媒体
の偏向によつて生じる。

上に述べた圧力波機械は圧力交換器であり、これはす
べてに述べたように、燃焼機関の過給にはほとんど問題
とならない。この圧力波機械を圧力変換器として作用す
る圧力波過給機として使用するためには、機関排ガスに
よる駆動の実現のために一連の手段が必要である。この
手段は排ガス流の偏向のためのロータセル壁の構成より
も複雑である。このような形式の圧力波過給機は、EP−
A0205843号明細書により公知である。このEP−A0205843
号明細書には、自由回転する過給機のための基本的な前
提条件を形成するところのすべての手段について記載さ
れている。自己駆動による実際に使用可能な圧力波過給
機には、機関の申し分のないスタート及び荷重下の静止
状態からの冷間始動並びに暖気機関の再始動及び荷重下
の遅れのない出発を可能ならしめるスタート弁装置が必
要である。このスタート弁装置は、十分強力な始動トル
ク並びにそのつどの部分負荷のために必要な過給空気流
をロータが供給できるように形成されなければならな
い。冷えた機関での圧力波過給機の始動の困難は、ころ
がり軸受のグリースの固さ、及び又はロータの汚れひい
てはケーシングとロータ端面との間の摩擦の高さに起因
する。この種のスタート弁はその他の部材との協働によ
つて、申し分のない低アイドリングのためにも役立てら
れなければならない。なぜならば、さもなければロータ
回転数が低く成りすぎ、排ガス流内に含まれる粒子が空
気側に流れ出てしまうからである。全負荷範囲にわたる
過給気流の制御のために、自由回転する圧力変換器の特
性に適合する装置、例えば絞りフラツプ、ドレンポート
等が設けられる。

原理的には、別の手段なしに、常時存在する回転流に
よつて、軸平行なセル壁を備えたロータの駆動のために
排ガス流を利用することができる。しかし、この自然の
「回転流」はそのつどの負荷状態に応じてロータを十分
迅速に十分高い回転数まで加速することができない。

前記EP−A0205843号明細書により公知な手段では、本
発明が対象とするところの圧力波過給機にかせられた要
求を満たすことはできない。従つて、前記手段はこの要
求に適合されかつ効果的に形成されかつ排ガス流の集中
のための部材によつて助成されなければならない。排ガ
ス流のロータ駆動のために必要なエネルギは空気に伝達
すべき圧縮作用に欠けており、従つて、圧縮効率増大の
ために、ロータ及びケーシングの加熱の相違及び材料伸
び率によつて生じるロータ端面とガスケーシング若しく
は空気ケーシングとの間の漏れすきまの増大を、非定常
運転状態、例えばスタート及び加速時に可能な限り一様
に小さく保たなければならない。

本発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は前述の要求を満たし、コンスタントな
伝達比で機関によつて駆動される圧力波過給機の前述の
欠点を回避するような、排ガスによつて駆動され、圧力
変換器として作用する圧力波過給機を提供することにあ
る。

問題点を解決するための手段 前記課題を解決するための本発明の要旨はセル形ロー
タのセル壁を負荷するための手段が少なくとも、空気ケ
ーシング若しくはガスケーシング又はその両者に設けら
れてロータケーシングに開口した通路から成つており、
この通路の幾何学的な軸線がロータケーシング内への開
口領域でセル形ロータのこの箇所の周速度ベクトルに対
して鋭角を成しており、かつこの通路がロータケーシン
グ内へ開口する位置には正圧が生じており、高圧空気通
路内に設けた過給フラップは、特に機関の始動状態で過
給フラップを閉鎖状態に保つと共に高圧空気通路から逃
れた排ガスを前記通路に供給せしめるように高圧空気通
路の圧力の負荷を軽減する制御装置と協働していること
にある。

実施例 第１図は、本発明の理解のために、自由に回転する圧
力波過給機の主要部分、すなわちロータ、ガスケーシン
グ及び空気ケーシングをロータセルの半分の高さのとこ
ろで断面した円筒部分の展開図である。ケーシング内に
存在する２つのサイクルのうち、第１のサイクルがその
すべての部材とともに示されており、他面に於いて第２
のサイクルについては、第１のサイクルに隣合う通路だ
けが示されている。この場合、「サイクル」というの
は、圧力波機械で一般的であるように、ガス通路、空気
通路、膨張ポケット、圧縮ポケット及び圧力波プロセス
の機能のために必要なその他の補助通路の全体を指す。
２つのサイクルは互いに180度ずれて空気ケーシング５
若しくはガスケーシング６内に配置されている。その主
通路〜は空気ケーシング５もしくはガスケーシング
６の平らな端面のところでロータケーシング７の内部に
開口しており、ロータケーシング７は空気ケーシング５
内に片持ち式に支承された、セル壁９を備えたセル形ロ
ータを取り囲んでおり、セル壁９がロータセル10を制限
している。主通路は低圧空気通路、高圧空気通路、
高圧排気通路及び低圧排気通路から成り、低圧空気
通路はそれを通じて周囲圧力からロータセル10内へ空
気が吸い込まれるため吸込み空気通路と呼ぶことができ
る。高圧空気通路は過給気通路と呼ぶことができ、高
圧排気通路は機関から排出された燃焼ガスをロータセ
ル10内に誘導し、吸い込まれた空気を過給圧まで圧縮す
る。低圧排気通路は排出通路とも呼ぶことができ、こ
れを介して、ロータセル10内で膨張した排ガスを大気中
に放出する。第１のサイクルに所属する通路〜内へ
の流れを示す矢印は黒塗りで示され、第２のサイクルに
所属する流れを示す矢印は白抜きで示されている。

第１のサイクルには空気ケーシング及びガスケーシン
グ内の補助通路も所属しており、この補助通路は機関の
全運転範囲にわたつて、要するに実際に重要な運転範囲
外の範囲でも機能的な圧力波プロセスを維持するために
役立てられる。この補助通路は本実施例では空気ケーシ
ング５内で低圧空気通路と高圧空気通路との間に圧
縮ポケツト11を、ロータ回転方向でみてこれの直前に次
のサイクルの高圧空気通路と低圧空気通路との間に
膨張ポケツト12を、かつガスケーシング６内には同様に
ロータ回転方向でみて高圧排気通路の直後にガスポケ
ツト13を備えている。ロータの回転方向は太い黒の矢印
で示されている。

車両機関のための圧力波過給機の実際の運転のため
に、中央で旋回可能に支承された過給フラツプ14が過給
導管16内に配置されており、これは空気ケーシング５の
高圧空気通路を図示しない機関の空気入り口通路に接
続せしめている。過給フラツプ14の操作のために例えば
スイス国特許第2714/85−１に詳しく記載された制御装
置15が役立てられており、その調整モータがダイヤフラ
ム室17によつて形成されており、そのばね負荷されたダ
イヤフラム18が言報では高圧空気通路内の圧力によつ
て、かつ他方では制御圧導管19を介して圧縮ポケツト11
内に支配する圧力によつて負荷されている。後者の圧力
が上回ると、過給フラツプ14が高圧空気通路を遮断す
る。制御のために別のプロセス圧力又は圧力波プロセス
若しくは機関の運転状態に依存した負圧が使用されても
よい。

高圧空気通路が遮断されているこの状態では機関が
吸込みモータとして働く。なぜならば、機関は弱くばね
負荷された吸込み弁20を介して雰囲気から直に空気を吸
い込むからである。過給機のセル形ロータ８が高回転と
なり、機関が負荷されると、圧力波プロセスも機能し、
その結果、空気が圧縮され、過給フラツプ14の手前の圧
力が上昇し、それと同時に圧縮ポケツト11内の圧力が減
少し、従つてダイヤフラム18が過給フラツプ14を開放位
置へ旋回せしめる。過給気流が雰囲気圧力より上回つて
いる限り、吸込み弁20は閉じられたままであり、機関は
専ら過給機から圧縮された空気を受取る。

次に、スタート状態における始動トルクの強化につい
て説明する。ロータを始動させるために、スタート状態
において過給フラツプ14が閉じられ、過給フラツプ14の
手前の高圧空気通路が何等かの開口によつて負荷軽減
されなければならない。なぜならば、過給フラツプ14の
閉鎖状態では高圧空気通路からロータケーシング７内
へ逆流する空気が、トルクを生じる排ガス流の作用を低
下させるからである。ロータ周速度のベクトルの正の方
向と高圧排ガスの流入速度との間で測つた鋭角で流入す
る排ガス流は機関の最初の点火によつて駆動されるが、
しかし、逆流する空気によつて弱められる。前述の開口
による過給空気の負荷軽減流は空気ケーシング５の有利
に位置する箇所のところでロータの駆動のために利用さ
れ、これによつて再び圧力波プロセスに供給される。

停止状態から機関との機械的な連結なしにセル形ロー
タ８を高回転させるという本発明の課題を解決するため
の、すでに述べたスイス国特許出願第2714/85−１に開
示された制御装置15を補助装置に結合することができ
る。この補助装置は駆動導管21とこの駆動導管21内のス
ライド弁23とから成つており、駆動導管21は過給フラツ
プ14の手前の室を膨張ポケツト12と低圧空気通路１との
間のウエブの箇所に接続せしめており、このウエブ内で
ノズル22として終わつている。スライド弁23のスプール
24はロツド25を介して過給フラツプ14に結合されてい
る。ノズル22はこの場合、始動時に高圧空気通路を負
荷軽減するための前述の開口を形成している。第１図で
は駆動導管21の流れ横断面を開放する位置でスプール24
が示されている。ロータの停止状態又は低回転状態では
高圧空気通路内の圧力がノズル22の開口のところの圧
力に比して高いため、過給フラツプ14の手前にせき止め
られていた空気の一部が高圧空気通路から駆動導管21
を介してノズル22へ流出する。この空気はこの状態では
まだ高圧排気通路からの排ガスによつて汚されていな
い。ノズル22は集中した駆動噴流をロータのセル壁へ向
けて偏向し、高圧空気通路内の圧力が過給フラツプ14
を開放するに十分な大きさになるまでロータを加速す
る。これによつてレリーズされた、開放位置への過給フ
ラツプ14の旋回運動はロツド25を介してスプール24の閉
鎖運動を生ぜしめ、これによつてスプール24はノズル22
への駆動空気流を遮断する。次いでロータ回転数は主と
いて鋭角的にロータ室内に流入する高圧ガスの周方向分
力によつて維持され、負荷変動を相応して増大又は減少
せしめる。同様に鋭角的に低圧空気通路からロータ室
内に流する吸込み空気の周方向分力も僅かながら役立
つ。

駆動噴射のために膨張ポケツト12と低圧空気通路と
の間のウエブにノズル22を配置したことの利点は、流出
する空気・排ガス・混合物が最短距離で低圧排通路内
に達し、かつ低圧空気通路内に逆流しないことにあ
る。これによつて駆動噴流はロータセルから低圧排気通
路内への排ガスの掃気を促進する。

第２図に示す、同じ原理に基づく実施例が第１図に示
す実施例と異なる点は、駆動導管26が低圧排気通路と
高圧排気通路との間のウエブ内でガスケーシング６か
らロータ室内に開口していることにある。セル全高にわ
たつて延びているスリツト状のノズル27は高圧排気通路
と低圧排気通路との間のウエブ内で、負荷されたセ
ルから低圧空気通路へ向かつて圧力軽減が行われる箇
所に設けられる。なぜならば、さもなければ該セル内に
淀みが生じてしまうからである。ノズルは開口領域内で
は円筒状又は円錐状に形成されることができ、このこと
は第１図に示すノズルについても、かつこの種のその他
のすべてのノズルについても該当する。制御装置15の作
用に関しては、第１図の実施例との相違はない。

過給フラツプ14の開放後、吸込み弁20は過給気の過圧
によつて周囲空気圧力に対して閉鎖されたままとなり、
機関は圧力波過給機を介してのみ燃焼空気を受け取る。

第３図に示す実施例がこれまで説明した実施例と異な
る点は、高圧空気路から膨張ポケツト12と低圧空気通
路との間のウエブ内のノズル22への駆動媒体の流れの
制御の仕方にある。そのことのために、過給フラツプに
結合されたスライド弁23の代りに、駆動導管21内にばね
負荷されたダイヤフラム弁28が設けられている。ダイヤ
フラム29の上側は運転中に高圧空気通路からの圧力に
よつて負荷され、その下側には制御圧導管30を介して過
給導管16からの圧力によつて負荷される。過給フラツプ
14が閉じている限り、駆動導管21を介してダイヤフラム
29に作用する高圧空気通路内の圧力が上回り、ダイヤ
フラム29のそのシール座から持ち上げ、ノズル22への通
路を開放する。過給空気流が十分強い場合に過給フラツ
プ14が開放される限りにおいて、ダイヤフラム29の両側
の圧力は等しく、それゆえ、ノズル22の供給流は遮断さ
れ、従つてロータの駆動は高圧ガスによつてのみおこな
われる。

第４図に示す実施例では高圧空気通路からの圧縮空
気が、始動状態でのロータの高回転のために利用され
る。過給フラツプ14の制御のために役立つ制御装置15は
第１図の実施例にほぼ同じである。しかし、過給フラツ
プ14はその背部にフツク状のノーズ40を備えており、そ
の先端は過給フラツプ14の閉鎖時に、過給フラツプ14の
上流に配置された板弁41のばね負荷された板43の形態の
閉鎖機構を押圧し、これによつて、過給フラツプ14の手
前にせき止められていた空気が、板弁41に接続され圧縮
ポケツト11の手前でロータケーシング７内に開口した駆
動導管43を介してセル壁９に向かつて噴出する。制御圧
導管19を介してダイヤフラム18の上側に作用する圧縮ポ
ケツト11内の圧力が過給フラツプ14の手前の過給空気圧
を上回る限り板弁41は開いたままであり、過給フラツプ
14は閉じたままである。その間、燃焼空気は吸込み弁20
を介いて吸込まれる。所定のロータ回転数到達後に、機
関の過給運転のために十分高い圧力が形成されると、こ
の圧力は圧縮ポケツト11内の圧力を上回り、ダイヤフラ
ム18を上方へ押圧し、これによつてダイヤフラム18は過
給フラツプ14を開放位置へ旋回せしめる。その場合、ノ
ーズ40は同時に板42を開放し、これによつて板42は駆動
導管43内への過給空気流を遮断する。

この実施例では板弁41が、排出弁（ウエイストゲー
ト）の故障時に付加的に安全弁とし機能する。

これまで説明した実施例並びに以下に説明する実施例
において、ロータの駆動のためのノズルは、最初に述べ
た主通路及び補助通路と同様に、空気ケーシング及びガ
スケーシング内でロータセルの全高にわたつて延びてお
り、多チヤンネルロータでは相応して半径方向の中断を
伴つて、セルの高さにわたつてチヤンネル内に延びてい
る。

第５図に示す実施例では、１つの過給フラツプ44がス
タート状態において過給導管16を、かつ負荷運転時に高
圧空気通路から駆動導管45への流れを遮断する。要す
るにこの場合、過給フラツプ44は同時に、排出弁故障時
の安全弁としての機能を除いて、第４図に示す板弁41の
機能をも受け持つ。負荷運転時の過給フラツプ44のこの
位置は一点鎖線で示されている。過給導管16の壁のとこ
ろで過給フラツプ44が片側へ旋回する構成によつて、過
給空気によつて負荷される、ダイヤフラム室内のダイヤ
フラム18の下側の室47が過給フラツプ44の下流に位置す
るため、高圧空気通路からは過給フラツプ44の上流で
その上方の自由な縁の手前でエアブリード管46が分岐し
ており、このエアブリード管は室47内に開口している。
室47は過給導管16に対してゴムマンシエツト48によつて
シールされており、このゴムマンシエツト48はロツド25
をも密に取囲んでいる。駆動導管45はロータ室内への開
口の手前で細められてノズル49を形成しており、これに
よつて駆動噴流の速度が高められる。

始動状態における駆動トルクを排ガス側で高める別の
可能性は、排ガス流を絞ることにある。２つのサイクル
を備えた１チヤンネル圧力波過給機では、１つのサイク
ルの一時的な遮断によつてこのことが達成される。２チ
ヤンネル圧力波過給機では一方のチヤンネルの遮断によ
つて、必要な場合にはさらに付加的に他方のチヤンネル
の一方のサイクルの遮断によつてこのことが達成され
る。ここに「チヤンネル」というのは、ガスケーシング
若しくは空気ケーシング内に通路、ポケツト等を備えた
ロータの独立した、機能的なセルリングをいう。２チヤ
ンネル圧力波過給機では、ロータがロータハブ上に同軸
的な２つのセルリングを備えており、その排ガス側の通
路及び空気側の通路及びポケツトはそれぞれ１つのケー
シング内に設けられている。

第６図及び第７図は２つのサイクルを備えた１チヤン
ネル過給機のケーシングの断面と、第６図のVIIの方向
からみたガスケーシング55のフランジ56の側面図を示
す。下方のサイクルの高圧排気通路57内にい遮断フラツ
プ58が設けられており、これは中央の案内体にヒンジ結
合されている。図示の閉じた位置で高圧排気通路57が遮
断されており、そのため、排ガス流全体が上方のサイク
ルの高圧排気通路59内に達する。下方のサイクルにはさ
らにガスポケツト60と排出通路61とが所属しており、上
方のサイクルにはガスポケツト62と排出通路63とが所属
している。

第８図は２チヤンネル圧力波過給機のガスケーシング
64の軸断面を示す。両方のチヤンネルの２つの供給通路
65,66は仕切り壁67によつて互いに仕切られている。こ
の場合、遮断フラツプ68によつて内側のチヤンネルの供
給通路65のみならず、外側のチヤンネルの下方のサイク
ルも排ガス流から遮断されている。外側のチヤンネルの
上方のサイクルは始動状態では、チヤンネル及びサイク
ルを遮断しない実施例に対比して、数倍の排ガス流を含
んでいる。それゆえロータは４倍の排ガス速度で負荷さ
れ、それに応じて迅速に、機関が出力を放出できる回転
数まで加速される。

図示のすべての実施例において、空気を供給されたノ
ズルは始動状態で高圧排ガス噴流及び場合によつてはロ
ータ高回転のための吸込み空気噴流と協働する。後者の
２つの手段はノズルの遮断後、機関の負荷運転において
圧力波過給機を駆動する。

始動状態においては、ロータとケーシング壁と間の隙
間を可能な限り小さくして、ロータ駆動のための媒体流
を最大に利用できることが重要である。この要求のため
に、ロータとケーシング外套との材料対が規定される。
その場合、ロータがミネラルセラミツクから成り、ケー
シング外套がスチールから成るのがよい。始動状態では
ロータが迅速に加熱されるが、しかし、その寸法はミネ
ラルセラミツクの熱膨張係数が小さいために著しく変化
しない。ケーシング外套のスチールはミネラルセラミツ
クに比して熱膨張係数が著しく大きいが、しかし、始動
状態では機関に比して冷えており、従つて、わずかなケ
ーシング隙間しか形成されず、かつ漏れ損失も少ない。
ケーシング外套が定常運転温度に達すると、隙間は著し
く増大するが、しかし、負荷運転時の装入量に対して漏
れ損失は小さく、従つて甘受できる。

これまで説明したすべての実施例は大体において、圧
力波過給機の停止状態から、出力放出を伴う申し分のな
い機関回転のために十分な過給圧の到達までのセル形ロ
ータ８の始動についてのみ説明された。残りの全負荷範
囲にわたる圧力波過給機の駆動のために、この装置は他
の手段と組合わされる。このことのために最も適した手
段は、第１図で詳しく説明したように、吸込み空気によ
つて助成された高圧排ガスによる駆動である。

このことのために最も適しかつ始動状態でロータのた
めの始動補助手段として作用するとともに、低い機関回
転数、特にアイドリング回転数におけるトルクを調節す
ることのできる装置が第９図に示されている。過給フラ
ツプ14の制御のために、第１図から第３図に示すのと同
じ装置を使用することができるが、この装置は図示され
ておらず、過給フラツプ14が略示されているにとどま
る。その他の部材は形状、機能共に、すでに述べた実施
例と同じであるため、同じ符号を以て示されている。

この実施例では、空気ケーシング５内にノズル31が設
けられており、しかしこの場合ノズルは低圧空気通路
と圧縮ポケツト33との間に配置されている。このノズル
31は短いオーバフロー通路32を介して圧縮ポケツト33か
ら供給される。圧縮ポケツト33内の圧力はこれから上流
で低圧空気通路の閉鎖鎖の手前の圧力に比して高い。
このことが全運転範囲について該当するために、このノ
ズル31は全運転範囲、とくに低い機関回転数並びに圧縮
ポケツト33が特に有効である下方のアイドリング範囲で
駆動的となり、さらに、始動状態の後、高圧排ガスの駆
動作用は高圧排気通路から、かつ若干ではあるが吸込
み空気の駆動作用は低圧空気通路から生じる。

駆動トルクを生じる別の手段は、膨張ポケツト34に、
少なくともその閉鎖縁36の側に斜めの壁部分を、しかし
有利にはその開放縁38の側に斜めの壁部分37を備えるこ
とによつて実現される。いずれにしても、著しい周方向
分力を有するガスがロータセル内へ流入し、２つの斜め
の壁部分のところでこの周方向分力は一層増大する。な
ぜならば、ガスは開放縁38の後すでに大きな周方向分力
を備えて、到来するセルから膨張ポケツト34内へ流入す
るからである。

第１図から第４図に示す低圧空気通路の形状と異な
り、第９図に示す実施例では低圧空気通路はロータの
周方向に対してより鋭角的にロータ室内に開口してお
り、従つて、吸込み空気は前記実施例に比して大きな周
方向分力を備えて流入し、大きな駆動トルクを生ぜしめ
る。低圧空気通路のこのより鋭角的な開口は湾曲した
開口領域39によつて実現せられ、その側壁は開口の直前
で、効果的には膨張ポケツト34の壁部分35及び圧縮ポケ
ツト33の手前のノズル31に対してほぼ平行に形成され
る。

第10図は、負荷範囲で大きなトルクを得るために、ロ
ータ室内への開口箇所のところで高圧排気通路がノズ
ル状のネツクを備えることによつて、駆動噴流がどのよ
うにして流入速度の比較的大きな周方向分力をもつて１
方向へ偏向されるかを示す。角α又βの効果的な値は０
〜10度若しくは75〜80度である。このようにして偏向さ
れた駆動噴流は高い駆動トルクを生ぜしめ、それに応じ
て圧力波過給機の応答時間が短縮されるとともに、機関
の負荷増大が迅速となる。

これに関連して、第11図に示すくさび形ガスポケツト
供給通路50は一層良好に作用する。このくさび形ガスポ
ケツト供給通路は高圧排気通路の開口のところで高圧
排気通路から、ロータ回転方向でみて膨張ポケツト52
の開放縁53を越えるまで延びている。換言すれば、ロー
タ回転方向でみてくさび形ガスポケツト供給通路50の閉
鎖縁51は斜めの流出壁を備えた膨張ポケツト52の開放縁
53の後方に位置している。基準点としての開放縁53から
出発しかつロータ回転方向を正と仮定すれば、前述した
事項はα＞０でなければならない。この条件を維持する
ことによつて、ロータ静止状態でも、膨張ポケツト52を
介して駆動トルクの発生が保証される。さらに、必要な
らば、圧力波過給機を暖気または除氷するために、その
停止時に機関排ガスを流すこともできる。この膨張ポケ
ツト52では流入壁はロータ軸線に対して平行に位置して
いるが、第９図に示す実施例のように、斜めであつても
よく、このようにすれば、膨張ポケツト52の駆動作用が
増大する。

くさび形ガスポケツト供給通路50ではロータ軸線に対
する流出壁の傾斜角は有利にはほぼ75度である。膨張ポ
ケツト52の流出壁の傾斜角は50度であるのが効果的であ
る。

すでに述べたように、低圧空気通路から流入する吸
込み空気は特に低回転数範囲ではその量が多くかつその
密度が高いために、自由回転するロータの駆動のために
も役立つ。ロータを摩擦なく回転させるために、吸込み
空気の周方向の速度分力はいずれの箇所でも、該当箇所
におけるロータセル壁の周方向速度に少なくとも等しく
なければならない。通路軸線の所定の傾きのために、各
ロータ回転数には所定の空気装入量が対応する。空気装
入量が所定の値を超えると、空気の流入速度ひいてはそ
の周方向分力が大きくなり、そのため、ロータに衝撃的
に作用する。

第12図は、ロータセル内への流入の後、膨張した排ガ
スを大気中に吐き出すための掃気として役立つ低圧空気
通路内の吸込み空気量がさらに良好に駆動のために利
用される様子を示す。１つ又は図示したように２つの案
内リブ54によつて空気はロータ室内への流入前に加速さ
れ、駆動トルクが増大する。流れが斜めに流入するため
に生じる渦の形成を阻止するために、案内リブの前縁が
著しく丸味を有している。開口領域内での流れの縮みに
よつて、セル壁の良好な流入角の維持も、案内リブの無
い場合に比して良好に保証される。その場合とくに肝要
な点は、低圧空気通路開口縁に属する壁部分内の流れ
の剥離が妨げられることである。このことの意味は、開
口縁に隣合う案内リブは流れの剥離が阻止されるように
前述の壁部分の近くに配置されなければならないという
ことである。このことが重要なわけは、開口縁には主吸
込み波が生じ、これが良好な掃気の前提となるからであ
る。これによつて、この壁領域内での渦巻いた、方向の
定まらない流れに対して、増大した掃気量が生じ、これ
によつて駆動トルクが改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に基づく圧力波過給機の縦断
面を展開して示す略示図、第２図は別の実施例を第１図
と同様に展開して示す略示図、第３図はさらに別の実施
例を第１図と同様に展開して示す略示図、第４図はさら
に別の実施例を第１図と同様に展開して示す略示図、第
５図はさらに別の実施例を第１図と同様に展開して示す
略示図、第６図は高圧ガスを集中するためのガスケーシ
ングの断面図、第７図は第６図の矢印VIIの方向からみ
た同ケーシングのフランジの端面図、第８図は同ケーシ
ングの別の実施例の第６図同様の断面図、第９図はさら
に別の実施例を第１図と同様に展開して示す略示図、第
10図は高圧ガス通路の特別な実施例の断面図、第11図は
膨張ポケツトの１実施例を第１図と同様に展開して示す
略示図、第12図は低圧空気通路の１実施例を第１図と同
様に展開して示す略示図である。 ……低圧空気通路（吸込み空気通路）、……高圧空
気通路（過給空気通路）、……高圧排気通路、……
低圧排気通路、５……空気ケーシング、６……ガスケー
シング、７……ロータケーシング、８……セル形ロー
タ、９……セル壁、10……ロータセル、11……圧縮ポケ
ツト、12……膨張ポケツト、13……ガスポケツト、14…
…過給フラツプ、15……制御装置、16……過給導管、17
……ダイヤフラム室、18……ダイヤフラム、19……制御
圧導管、20……吸込み弁、21……駆動導管、22……ノズ
ル、23……スライド弁、24……スプール、25……ロツ
ド、26……駆動導管、27……ノズル、28……ダイヤフラ
ム弁、29……ダイヤフラム、30……制御圧導管、31……
ノズル、32……オーバフロー通路、33……圧縮ポケツ
ト、34……膨張ポケツト、35……壁部分、36……閉鎖
縁、37……壁部分、38……開放縁、39……開口領域、40
……ノーズ、41……板弁、42……板、43……駆動導管、
44……過給フラツプ、45……駆動導管、46……エアブリ
ード管、47……室、48……ゴムマンシエツト、49……ノ
ズル、50……くさび形ガスポケツト供給通路、51……閉
鎖縁、52……膨張室、53……開放縁、54……案内リブ、
55……ガスケーシング、56……フランジ、57……高圧排
気通路、58……遮断フラツプ、59……高圧排気通路、60
……ガスポケツト、61……排出通路、62……ガスポケツ
ト、63……排出通路、64……ガスケーシング、65,66…
…供給通路、67……仕切り壁、68……遮断フラツプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨーゼフ・ペレヴツニク スイス国フイスリスバツハ・アーホルンシ ユトラーセ 17 (72)発明者 フリツツ・シユピンラー スイス国アリスドルフ・イム・ブリユツグ リ ９ (72)発明者 フランソワ・ヤウシ スイス国エヒヤルレンス・モントメライ 320 (56)参考文献 特開 昭62−635（ＪＰ，Ａ)

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼機関の排ガス流によって駆動される自
   由回転する圧力波過給機であって、ロータケーシング
   （７）と、このロータケーシング内のセル形ロータ
   （８）とが設けられており、セル形ロータ（８）が、ロ
   ータ軸線に対して軸平行又は斜めに位置する又は螺旋状
   に巻かれたセル壁（９）を備えており、ロータケーシン
   グ（７）の両方の端面に空気ケーシング（５）又はガス
   ケーシング（６）が設けられており、空気ケーシング
   （５）内の低圧空気の供給若しくは高圧空気の排出のた
   めの少なくともそれぞれ１つの低圧空気通路（１）及び
   高圧空気通路（２）が設けられており、ガスケーシング
   （６）内の高圧排ガスの供給若しくは低圧排ガスの排出
   のための少なくともそれぞれ１つの高圧排気通路（３）
   及び低圧排気通路（４）が設けられており、空気ケーシ
   ング（５）内の圧縮ポケット（11）及び膨張ポケット
   （12）が低圧空気通路（１）及び高圧空気通路（２）に
   それぞれ隣設されており、ガスケーシング（６）内のガ
   スポケット（13）がそれぞれ高圧排気通路（３）及び低
   圧排気通路（４）に隣設されており、空気ケーシング
   （５）内のロータ軸を収容する支承部材が設けられてお
   り、ロータ回転方向でセル壁（９）に作用するパルスを
   発生せしめるために高圧排ガスによってセル形ロータ
   （８）のセル壁を負荷するための手段が設けられてお
   り、この手段が高圧排気通路（３）と低圧空気通路
   （１）とによって形成されており、高圧排気通路（３）
   及び低圧空気通路（１）が、ロータ周速度のベクトルに
   関して鋭角を成してロータケーシング（７）内に開口し
   ており、過給導管（16）内に過給フラップ（14）及び吸
   込み弁（20）が設けられており、過給フラップ（14,14,
   40;44）が制御装置（15）と協働しており、制御装置（1
   5）は圧力波プロセスによって導出された信号によって
   操作されており、かつ、特に始動状態において排ガス及
   び空気の損失を可能な限り少なくするために、圧力波過
   給機の始動状態でセル形ロータ（８）の端面と空気ケー
   シング（５）若しくはガスケーシング（６）との間にで
   きるかぎりわずかな隙間を維持するのに適した材料対に
   よってセル形ロータ（８）とロータケーシング（７）と
   が形成されている形式のものにおいて、セル形ロータ
   （８）のセル壁（９）を負荷するための手段が少なくと
   も、空気ケーシング（５）若しくはガスケーシング
   （６）又はその両者に設けられてロータケーシング
   （７）に開口した通路（22;27;43;49）から成ってお
   り、この通路の幾何学的な軸線がロータケーシング
   （７）内への開口領域でセル形ロータ（８）のこの箇所
   の周速度ベクトルに対して鋭角を成しており、かつこの
   通路（22;27;43;49）がロータケーシング（７）内へ開
   口する位置には正圧が生じており、高圧空気通路（２）
   内に設けた過給フラップ（14）は、特に機関の始動状態
   で過給フラップ（14）を閉鎖状態に保つと共に高圧空気
   通路から逃れた排ガスを前期通路（22;27;43;49）に供
   給せしめるように高圧空気通路（２）の圧力負荷を軽減
   する制御装置（15）と協働していることを特徴とする燃
   焼機関の排ガス流によって駆動される自由回転する圧力
   波過給機。
2. 【請求項２】各サイクル毎に１つの通路が設けられてお
   り、この通路が膨張ポケット（12）と低圧空気通路
   （１）との間のウエブ内で空気ケーシング（５）に開口
   しており、かつその場所で狭められてノズル（22）を形
   成しており、かつ、この通路が駆動導管（21）を介して
   過給フラップ（14）の上流で高圧空気通路（２）に接続
   されている特許請求の範囲第１項記載の圧力波過給機。
3. 【請求項３】各サイクル毎に１つの通路が設けられてお
   り、この通路はノズル（27）で終わっており、このノズ
   ルがガスケーシング（６）内で低圧排気通路（４）と高
   圧排気通路（３）との間のウエブ内でロータケーシング
   （７）内に開口しており、かつ駆動導管（26）を介して
   過給フラップ（14）の上流で高圧空気通路（２）に連通
   している特許請求の範囲第１項記載の圧力波過給機。
4. 【請求項４】各サイクル毎に１つの通路（32）が設けら
   れており、この通路がノズル（31）内で終わっており、
   ノズル（31）が空気ケーシング（５）の圧縮ポケット
   （33）の開放縁の直前でロータケーシング（７）内に開
   口しており、かつ通路（32）を介して圧縮ポケット（3
   3）に連通している特許請求の範囲第１項記載の圧力波
   過給機。
5. 【請求項５】各サイクル毎に１つのノズル（49）が設け
   られており、このノズルが圧縮ポケット（11）の開放縁
   の手前でロータケーシング（７）内に開口しており、か
   つ駆動導管（43;45）を介して過給フラップ（14,40;4
   4）の上流で高圧空気通路（２）に連通している特許請
   求の範囲第１項記載の圧力波過給機。
6. 【請求項６】高圧排気通路（３）がロータケーシング
   （７）への開口領域でノズルとして形成されており、通
   路（３）の開放縁側の壁部分が角75度〜80度、閉鎖縁側
   の壁部分が角０度〜10度セル形ロータ（８）の端面に対
   する垂線に対して傾いている特許請求の範囲第２項から
   第５項までのいずれか１項記載の圧力波過給機。
7. 【請求項７】高圧排気通路（３）がロータケーシング
   （７）内への開口領域で拡張されて下流のくさび形ガス
   ポケット供給通路（50）の形成しており、その閉鎖縁側
   の壁部分がセル形ロータ（８）の端面に対する垂線に対
   してほぼ角75度傾いており、くさび形ガスポケット供給
   通路（50）の閉鎖縁（51）がロータ回転方向でみて空気
   ケーシング（５）の膨張ポケット（52）の開放縁（53）
   の後方に位置している特許請求の範囲第２項から第５項
   までのいずれか１項記載の圧力波過給機。
8. 【請求項８】膨張ポケット（34若しくは52）が開放縁
   （38）並びに閉鎖縁（36）のところの傾斜した壁部分
   （37,35）を備えているか又は閉鎖縁に隣合った傾斜し
   た壁部分だけを備えており、そのいずれの場合において
   も閉鎖縁に隣合った壁部分がセル形ロータ（８）の端面
   に対する垂線に対してほぼ角50度傾斜している特許請求
   の範囲第１項記載の圧力波過給機。
9. 【請求項９】制御装置（15）がその主たる構成部材とし
   て、ダイヤフラム（18）を備えたダイヤフラム室（17）
   と、圧縮ポケット（11）に連通した制御圧導管（19）
   と、駆動導管（21;26;43）のための弁装置（23;28;41）
   とを備えており、ダイヤフラム（18）が一面では制御圧
   導管（19）内の圧力によって、かつ他面では高圧空気通
   路（２）内の圧力によって負荷されており、かつ、過給
   フラップ（14;14,40）の閉鎖時に弁装置（23,28;41）が
   駆動導管（21;26;43）を通る流れを開放しかつ過給フラ
   ップ（14;14,40）の開放時に駆動導管を通る流れを遮断
   するように、過給フラップ（14;14,40）がダイヤフラム
   （18）と弁装置（23;28;41）とに協働している特許請求
   の範囲第２項、第３項、第５項のうちのいずれか１項記
   載の圧力波過給機。
10. 【請求項１０】過給フラップ（14）と弁装置（41）と協
    働のために過給フラップ（14）にフック状のノーズ（4
    0）が設けられており、その先端が板（42）に確実に係
    合しており、この板（42）が弁装置（41）の閉鎖部材を
    形成している特許請求の範囲第９項記載の圧力波過給
    機。
11. 【請求項１１】駆動導管（21）内の弁装置がダイヤフラ
    ム弁（28）から成り、そのダイヤフラム（29）が閉鎖部
    材を形成しており、この閉鎖部材が一面において駆動導
    管（21）を介して、閉じた過給フラップ（14）の手前の
    圧力によって負荷されており、かつ他面において過給フ
    ラップ（14）の下流で過給導管（16）に連通した制御圧
    導管（30）を介して、閉じた過給フラップの後方の圧力
    によって負荷されている特許請求の範囲第９項記載の圧
    力波過給機。
12. 【請求項１２】高圧空気通路（２）の流れ横断面が全開
    した際に過給フラップ（44）が、高圧空気通路（２）か
    らの駆動導管（45）の分岐の入口横断面を完全に閉鎖す
    るように、過給フラップ（44）が高圧空気通路（２）か
    らの駆動導管（45）の分岐の直後に支承されており、か
    つ、過給フラップの制御のために制御装置（15）と、圧
    縮ポケット（11）に連通した制御圧導管（19）とが設け
    られている特許請求の範囲第５項記載の圧力波過給機。
13. 【請求項１３】セル形ロータ（８）が１チャンネルロー
    タとして形成されており、両方のサイクル（57,59）の
    ひとつ（57）の高圧排気通路内に遮断フラップ（58）が
    設けられており、この遮断フラップ（58）が圧力波過給
    機の始動状態で圧力波プロセス的な圧力差によって閉鎖
    状態に保たれる特許請求の範囲第１項記載の圧力波過給
    機。
14. 【請求項１４】セル形ロータ（８）が２チャンネルロー
    タとして形成されており、高圧排気通路内で内側のチャ
    ンネルへの供給通路（65）内に遮断フラップが設けられ
    ており、この遮断フラップが圧力波過給機の始動状態で
    圧力波プロセス的な圧力差によって閉鎖状態に保たれる
    特許請求の範囲第１項記載の圧力波過給機。
15. 【請求項１５】ロータが２チャンネルロータとして形成
    されており、高圧排気通路内に遮断フラップ（68）が設
    けられており、この遮断フラップ（68）が圧力波過給機
    の始動状態で圧力波プロセス的な圧力差によって操作さ
    れて内側のチャンネルへの供給通路（65）と、外側のチ
    ャンネルへの供給通路（66）とを閉鎖状態に保っている
    特許請求の範囲第１項記載の圧力波過給機。
16. 【請求項１６】低圧空気通路（１）の開口領域内に少な
    くとも１つの案内リブ（54）が設けられており、低圧空
    気通路（１）の開放縁に隣合った案内リブが開放縁領域
    の流れの解離を阻止するように配置されている特許請求
    の範囲第１項記載の圧力波過給機。