增壓器的製作方法

2023-10-09 20:48:54

專利名稱：增壓器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用作內燃機用增壓器的容積式空氣泵 (positivedisplacement air pump)，其包括用作增壓器的容積式空氣泵並且具有修正的 出口以改善等熵效率(isentropic efficiency)。
背景技術：
容積式空氣泵包括羅茨式增壓器(Roots-type blower)、螺旋式空氣泵和一些其 它類似於平行葉狀轉子的設備。容積式空氣泵可以包括具有直的葉(葉片)或者螺旋扭曲 狀葉的葉狀轉子。轉子可以嚙合地並行布置，橫切地重疊於由殼體限定的圓筒狀腔室。傳 統的實施例中每個轉子具有四個葉，儘管在其它的實施例中每個轉子可以具有或多或少的 葉。各個轉子的鄰近的未嚙合葉之間的空間可以從進口到出口開口傳遞大量的可壓縮流體 (例如空氣)，在傳遞體積暴露在出口開口之前，每個空間內都具有或者不具有流體的機械 壓縮。每個轉子的未嚙合葉的端部可以從圓筒狀腔室的內表面靠近地隔開，以實現它們之 間的密封協作。隨著轉子葉移動而不再相嚙合，空氣可以流入由每個轉子上鄰近的葉限定 的容積或者空間。當每個轉移體積的嚙合葉移入與圓筒狀腔室的內表面關聯的密封時，這 些容積中的空氣可能以實際進口壓處被捕獲滯留。定時齒輪可以用來使嚙合葉維持緊密間 隔的、非接觸的關係以形成進口和出口開口之間的密封。當葉移動而脫離與圓筒狀腔室內 表面的密封關係時，大量的空氣可以被傳遞或者直接地暴露到出口。通常，容積式空氣泵可以用作車輛發動機的增壓器，其中，發動機提供機械轉矩輸 入以驅動葉狀轉子。傳遞到出口的大量空氣可以以本領域普通技術人員的公知方式被用以 在車輛發動機的進氣歧管內提供壓力「增加」(boost)。在一定的工作條件下，轉移特定的空 氣體積所需要的動力或者能量可以用以評估容積式空氣泵的效率。使用增壓器泵送流體 (例如空氣)，需要將機械能置於增壓器中。需要的機械能輸入直接與各種效率(例如機械 的、等熵的等)和增壓器的工作條件(例如質量流率、壓力比等)相關。對於相同的工作條 件，如果提高了效率，則所需的機械能輸入就會降低，因此有益於增壓器所應用的整個系統 (例如內燃機)的效率。理想過程是100%的效率。然而，實際壓縮會以低於這個值的效率 運行。相對於理想過程的實際壓縮稱為等熵效率。當空氣流過增壓器時，被傳遞空氣的溫 度會增加。通過提高等熵效率，可以使較少的額外熱能投入到流體(例如空氣)中，以獲得 流體(例如空氣)的理想壓力。之前已經通過改善出口的構造做了一些改進容積式空氣泵的等熵效率的嘗試，例 如羅茨式增壓器。例如，可如被US專利號No. 5527168公開和示出地裝配羅茨式增壓器的 出口結構，這裡通過引用將其全部內容結合於此。隨著對增壓器轉子幾何結構(包括例如 螺旋扭曲度)的技術改進，流體速度與徑向方向相對更加朝著軸向方向進行轉變。然而，目 前的平行軸增壓器出口幾何結構可以繼續認為是主要造成徑向出口空氣流的原因，而並非 顯著地致力於流體速度的軸流部件。在仍然保持增壓器傳統的和/或標準特徵，例如軸向入口方向和徑向出口方向的 情況下，優化在增壓器出口端的流動幾何結構以更好的用於軸向和徑向流動速度，是值得期待的。隨著增壓器速度的增加，軸向速度部件也可以增加，並且當排出傳統增壓器設計的 出口時可以要求更急劇的速度變化。具體地，可要求所有的軸向速度向量轉換為徑向速度 向量，因此增加了在流體上必須執行的工作。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種增壓器，通過利用改進的出口，從而使得增壓器 的等熵效率總體上大於現有技術的等熵效率。提供一種增壓器(supercharger)，其可以包括具有第一端和第二端的殼體。該殼 體可以至少部分地限定一個腔室並且可以包括設置在腔室內的至少一個轉子。該增壓器還 可以包括最靠近殼體第一端的、並與腔室流體連通的進口，以及最靠近殼體第二端的、並與 腔室流體連通的出口。增壓器還可以包括與腔室流體連通的凹室(relief chamber，凹入 室)。在一個實施例中，凹室可以在軸向方向延伸，並在軸向方向上具有等於轉子的軸向長 度至少大約10%的深度。依照本實用新型的一個實施例，用於增壓器的一個改進的出口幾何結構可以允許 保持增壓器的標準或傳統特徵，其包括軸向進口和徑向出口，同時減少作用在流體上的額 外功。當流體流出增壓器時，一個改進的出口幾何結構可以用來產生流體的最佳流動路徑。 用於增壓器的一個改進的出口幾何結構對於改善增壓器工作範圍的高流動和/或高速度 部分的性能是非常有用的。通過增加工作範圍的高流動和/或高速度部分的性能，可以使 用較小的增壓器以獲得增加的性能。利用較小的增壓器可以較大地減低包裝尺寸要求和成 本。

現在通過示例和參考附圖將描述本實用新型的實施例，其中圖1是依據本實用新型實施例的增壓器的視圖。圖2是依據本實用新型實施例的增壓器的部分的橫截面圖；圖3是依據本實用新型實施例的增壓器的視圖；圖4是依據本實用新型實施例的增壓器的部分的橫截面圖；圖5是依據本實用新型實施例的增壓器的部分的橫截面圖。圖6是依據本實用新型實施例的軸承板(bearing plate，支承板)的透視圖；圖7A是包括現有技術的凹室的現有技術的軸承板的頂部俯視圖；圖7B是包括依據本實用新型實施例的凹室的軸承板的頂部俯視圖；圖8是包括現有技術的凹室的現有技術的軸承板的透視圖；圖9A是包括現有技術的凹室的現有技術的軸承板的前視圖；圖9B是包括依據本實用新型實施例的凹室的軸承板的前視圖；圖10是對比現有技術和本實用新型的等熵效率-增壓器速度的相對關係表。
具體實施方式
現在仔細參考本實用新型的實施例，這裡描述並結合附圖示出了實施例。雖然將 結合實施例描述本實用新型，可以理解這不限制本實用新型為這些實施例。相反，本實用新 型試圖覆蓋可替換方案、修正和等效方案，這些可包括在所附的權利要求所體現的本實用新型的精神和範圍之內。現在參考附圖1-2，增壓器(例如容積式空氣泵)10可以包括主殼體12和軸承板 14。增壓器10可以包括縱向軸線13。主殼體12和軸承板14可以以本領域普通技術人員 的任何公知的方式固定在一起。例如，通過具有由成對的定位銷(dowel pin)(未示出)確 保適當對齊定位的多個機器螺釘(未示出)可以將殼體12和軸承板14固定在一起。儘管 主殼體12和軸承板14被描述為包括分離的部件，但是在其它實施例的情況下可不必如此， 在其它實施例中它們可以是整體的和/或單一的部件。例如但不限於此，殼體和軸承板可 以形成整體的和/或單一的和/或單片結構。當殼體和軸承板被整合時，增壓器的出口幾 何結構與這裡描述的將是相同的，但是增壓器將包括一個部件，而不是兩個部件。例如但不 限於此，參考圖3-4，示出了增壓器100具有整體(集成)的殼體和軸承板設計112。雖然在一些實施例中，容積式空氣泵或者增壓器10、100可以包括羅茨式增壓器 或者螺旋式空氣泵，但是，在其它實施例中，容積式空氣泵10、100可以包括任何類型的具 有轉子(例如葉狀轉子)的容積式空氣泵。例如，容積式空氣泵10、100可以包括具有平行 葉狀轉子的任何空氣泵。主殼體12、112可以是單一部件，其限定內圓筒壁表面和橫向端壁18。在一些實施 例中，軸承板14可以限定軸承板端壁20。在其它的實施例中，可以不使用分離的軸承板。 代替地，可以利用一個單個的部件做為殼體和軸承板的功能，並且該單個部件可以限定與 橫向端壁18相對的端壁120。主殼體12的內圓筒壁表面和端壁18、20或120(例如是殼體 12或者殼體和軸承板結構112的)可以一起限定多個橫向交疊(重疊)的圓筒腔室22。 在一個實施例中，可以具有兩個交疊的圓筒腔室22。多個轉子23可以設置在交疊的圓筒腔室22內。每個轉子23可以具有四個葉。雖 然具體描述為四個葉，但是在其它的實施例中每個轉子23可以具有或多或少的葉。每個轉 子23可以安裝在轉子軸上用於與其旋轉。通過軸承裝置(未示出)，每個轉子軸23的每個 端部可以旋轉地支撐在軸承板14或者單個的部件殼體內。，至少一個轉子23可以利用各種 輸入驅動結構(例如但不限於此輸入軸部分和/或增速齒輪裝置)，由此增壓器10可以接 收輸入驅動轉矩。主殼體12、112可以包括第一端和第二端。主殼體12、112的第一端可以包括背板 部分M。在多個實施例中，背板部分M可以與主殼體12 —體形成，或者在其它實施例中， 可以包括分離的板部件。背板部分對，無論與殼體12、112是整體的或者是分離的，都可以 限定一個入口 26。入口沈可以與至少一個腔室22流體連通，轉子23設置在該腔室中。主 殼體12、112也可以限定出口 28。出口觀可以是與主殼體12、112的第二端最近。出口觀 還可以與至少一個腔室22流體連通，轉子23設置在該腔室中。出口觀可以包括出口端表 面30和一對相對設置的出口側表面(未示出)。在圖2示出的實施例中，出口端表面30 可大體上與增壓器10的縱向軸線13垂直。然而，在其它實施例中，出口端表面30可以成 一角度(例如大體上不與增壓器10的縱向軸線13垂直)。例如，如圖5所示，出口端表面 可以向外形成角α。在一個實施例中，角α可小於45°。儘管這裡具體提到的角α小於 45°，但是在其它實施例中也可以大於或者小於它。在一些實施例中，主殼體12可以包括端部四，其可以作為用於軸承板14的接收 部。端部四可以接近主殼體12的第一端。在其它實施例中，可以不使用分離的軸承板，殼體112可以包括在殼體112的第二端上的整體軸承板結構。在軸承板結構與殼體112形成 一體的一些其它實施例中，可以不需要在殼體112內的軸承板的接收部分。現在參看圖6，可以提供軸承板14用以組裝增壓器10。然而，如這裡描述的，軸 承板14在本實用新型的其它實施例中可以省略(例如圖3-4)。例如，在本實用新型的其它 實施例中，軸承板的結構可以與殼體112—體形成。依照本實用新型的一個可以利用分離 的軸承板14的實施例，該軸承板14可以包括第一部分31和第二部分33。第一部分31可 以連接第二部分33和/或與第二部分33 —體形成。第一部分31可以是近似矩形形狀並 且具有恆定的某一厚度。軸承板14的第一部分31可以包括多個孔用來接收多個緊固件以 將軸承板14連接在主殼體12上。軸承板的第二部分33可以是近似啞鈴的形狀並且可具 有通常比第一部分31厚的某一厚度。軸承板14的第二部分33可以包括和/或限定一個凹室32。凹室32可以輔助減 少驅動馬力並增加等熵效率。特別地，從入口沈傳遞到出口開口觀的部分流體可以從轉 子的端部軸向流出(相對於徑向流出的部分流體)。流體從轉子的端部軸向流出其中的增 壓器10的區域可以與凹室32具有相同的邊界範圍(coextensive)。凹室32可以包括和/ 或部分地由室端部表面34限定。凹室32可以向內地面向其中設置有轉子23的交疊的圓 筒腔室22。凹室32可以與其內設置有轉子23的圓筒腔室22流體連通。凹室32可以軸向 延伸，並且可以在軸向上朝殼體12的第二端延伸超過圓筒腔室22。雖然詳細描述和示出了形成於和/或設置在軸承板14中的凹室32，但是在本實 用新型的其它實施例中，凹室32也可以形成在其它結構中。例如，在另一個實施例中，凹室 32可以形成在殼體112的一個整體部分中。在其它實施例中，凹室32也可以在與包括入口 26的第一端相對的殼體的第二端處形成為任何其它適合的結構。該結構可以與殼體12為 一整體和/或分離於殼體12。在不包括分離的軸承板14的這些實施例中，凹室32的功能 可以大體上與當凹室被包括在軸承板14中時相同，出口觀的幾何結構可以大體上與凹室 被包括在軸承板14中時相同。腔室端部表面34從前沿36到後沿38大體上是彎曲的(例如，向上傾斜)。在其 它實施例中，腔室端部表面34可以具有大體上較少的彎曲幾何結構(參看例如圖4)，但是 凹室32依舊可以被構造為具有大體相同的功能。在一些實施例中，在靠近前沿36處，腔室 端部表面34可以在與軸承板14總體上垂直的表面當中。腔室端部表面34可以在靠近後 沿38處與軸承板14總體上平行的表面當中。前沿36可以包括多個曲線和凹槽。例如，在 一個實施例中，前沿36可以包括至少三條曲線並具有設置其間的兩條凹槽(identation)。 儘管詳細地提及了三條曲線和兩條凹槽，然而在其它實施例中，前沿36可以包括或多或少 的曲線和/或凹槽。前沿36的曲線和凹槽也可限定腔室端部表面34，使得腔室端部表面 34的至少一部分可以具有大體上相應數量的凸起(bump)和凹部(valley)。在本實用新型 的其它實施例中，前沿36可以是直的。至少在一些實施例中，前沿36可構造成在尺寸和/ 或形狀上大體上與設置在殼體12的交疊、圓筒狀腔室22內的葉狀轉子的相對應。凹室32 的後沿38可以包括多個曲線和凹槽。例如，在一個實施例中，後沿38可以包括至少兩條曲 線並具有設置其間的一個凹槽。雖然詳細地提及了兩條曲線和一個凹槽，但是在其它實施 例中，後沿38可以包括或多或少的曲線和/或凹槽。儘管後沿38可以包括一個或者多個 曲線和/或凹槽，靠近後沿38的腔室端部表面34可以是平的。在本實用新型的其它實施例中，後沿38可以是直的。也可以由成對的相對設置的腔室側表面40、42限定凹室32。在一個實施例中，每 個腔室側表面40、42都可從凹室32向外形成一定角度。例如，最好的顯示如圖7B，腔室側 表面40、42可以設定形成(傾斜)為β度角。根據一個實施例，角β可以大約為22°。 在一些實施例中，角β可以從約10°到約40°的範圍之內。雖然詳細地提及了這些角度， 在其它實施例中，角β可以更大或者更小。在其它實施例中，每個腔室側表面40、42大體 上可以不是如圖所示的線性。例如但不局限於此，腔室側表面40、42可大體上是彎曲的。 腔室側表面40、42可以構造為大體上相應於設置在增壓器10、110內的轉子的葉的幾何結 構。現在參看圖8，示出了現有技術的包括和/或限定凹室32'的軸承板14'。凹室 32'可以由腔室端部表面34'和成對的相對設置的腔室側表面40' ,42'限定。現在參看 圖9Α-9Β，示出了現有技術的凹室32'和本實用新型的凹室32之間的不同。特別地，依 照本實用新型可以增加凹室32在軸流方向的深度D。凹室32在軸流方向的深度D可基本 (實際)上相應於和/或相關於增壓器的工作容積(displacement)、轉子尺寸和/或轉子 長度。依照本實用新型的一個實施例，凹室32的深度D可以大約至少等於增壓器轉子長度 的10%。在一些實施例中，凹室32的深度D可以大約等於增壓器轉子長度的大約10%至 大約35%。例如但不限於此，軸承板14的凹室32可以具有大約20mm的深度D。依照本實 用新型的一些實施例，凹室32可以具有大約兩倍於現有技術的凹室32'的深度D'的深度 D。在其它實施例中，深度D可以更大或更小，尤其依賴於轉子尺寸、轉子長度和/或增壓器 工作容積。雖然詳細提及了增壓器轉子長度的某些百分比，但是在其它實施例中，凹室32 的深度D可以為較小的或者較大的增壓器轉子長度百分比。雖然詳細提及了某些深度，但 是在其它實施例中，凹室32的深度D可以更大或更小。再參看圖7A-7B，示出了現有技術的凹室32 『和本實用新型的凹室32的另一個不 同。特別地，在本實用新型的軸承板14中可以增加凹室的寬度。例如但不限於此，凹室32 可以具有寬度W，該寬度W等於其中設置有轉子23的腔室22的寬度的至少50%。另一個 例子，凹室32可以具有寬度W，該寬度W比凹室32'的寬度W'大大約50%。在其它實施 例中，寬度W可以更大或更小。凹室32的寬度W可以構造為基本上相應於設置在增壓器10 內的轉子葉的幾何結構。仍然參考圖7A-7B，示出了現有技術的軸承板14'與本實用新型的軸承板14之間 的另一個不同。例如但不局限於此，軸承板14可以具有比現有技術的軸承板14'的高度 H'小的高度H。而且，可以減少本實用新型一實施例中將軸承板14固定到主殼體12上必 需的緊固件的數量。例如但不限於此，可以使用大約六個緊固件來將軸承板14固定到主殼 體12上，然而，傳統的軸承板14'可以使用至少八個緊固件。雖然詳細提及了這些緊固件 的數量，但是在其它實施例中可以使用更多或更少的緊固件。用於增壓器10的軸承板14 的尺寸的減少，導致包裝尺寸的減小及成本的降低，但卻維持了相同數量的流體流量。現在主要參看圖10，示出了比較現有技術設備(例如具有圖8示出的凹室32') 和本實用新型(例如具有圖6示出的凹室32)的等熵效率與增壓器速度的相對關係的圖 表。圖10的圖表的測試是在相同的壓力下在成對的羅茨式增壓器上進行的，其提供關於等 熵效率(百分比)與增壓器速度(例如，輸入驅動機構和/或構造的速度)的相對關係的信息。設備的等熵效率是設備的實際性能(例如，功輸出量，work output)佔在理論的理 想條件(即，如果在系統中不發生熱損失)下將獲得性能的百分比。換句話說，就增壓器來 說，等熵效率指出了作為熱量被浪費的輸入能量的數量。如圖10所示，本實用新型和現有技術在10000RPM的中等增壓器速度下都具有大 約74%的效率。然而，當增壓器速度增加到大約18000RPM時，具有利用凹室32'的傳統 出口的現有技術設備的效率下降到大約67%，然而，本實用新型的具有改進的凹室32的 設備的效率依舊為大約73%。因此，現有技術設備在高增壓器速度時的效率只是現有技術 設備在中增壓器速度時效率的大約89%。另一方面，本實用新型的設備在高增壓器速度時 的效率依舊是本實用新型的設備在中增壓器速度時效率的98%。在一個實施例中，在大約 18000RPM時增壓器的等熵效率可以是在大約10000RPM時增壓器的等熵效率的至少95%。 在高增壓器速度(blowerspeed)(例如大約18000RPM)時-這種情形是等熵效率最值得關 注的，本實用新型的設備基本上比現有技術的設備效率高。利用改進的凹室32的本實用新 型的設備、還保持在中增壓器速度(例如大約10000RPM)時的與利用凹室32'的現有技術 的設備在相同的增壓器速度時大約相同的等熵效率。利用凹室32的改進出口也沒有降低 流動。雖然本實用新型的效率在某一壓力比(pressure ratio)(例如圖10示出的壓力 比1.6)時在大約18000RPM時的大約至少70%，本實用新型的效率依賴於增壓器的壓力比 和/或質量流量(kg/hr) (mass flow)而增加或降低。因此，在其它條件下，效率可以高於 或低於在高增壓器速度時的70%。然而，在更高增壓器速度時，即使在不同的壓力比和質量 流量時，具有利用凹室32的改進出口的增壓器的等熵效率(％ )總體上會大於具有利用現 有技術的凹室32'的出口的增壓器的等熵效率(％)。本實用新型的具體實施例的上述描述是出於示例和描述的目的。它們不是詳盡地 或者用來限制所公開的明確形式，按照上面的教導，可以進行各種修改和變化。選擇和描述 這些實施例是用於解釋本實用新型的原理和它的實際應用，因此，其它的本領域技術人員 可以利用本實用新型和各種修改的各種實施例來適用於預期的具體使用。本實用新型已在 上述說明書非常詳細地進行了描述，通過閱讀和理解本說明書，相信本實用新型的各種替 換和修改對本領域技術人員來說將變得顯而易見。各種替換和修改在落入所附的權利要求 的保護範圍之內的情況下都包括在本實用新型中。本實用新型的保護範圍由所附的權利要 求和它們的等效方案所限定。
權利要求1.一種增壓器，包括至少部分地限定一個腔室的殼體，該殼體具有第一端和第二端；設置在所述腔室內的至少一個轉子；最靠近所述殼體的所述第一端並與所述腔室流體連通的進口；最靠近所述殼體的所述第二端並與所述腔室流體連通的出口；以及與所述腔室流體連通的凹室，其中，所述凹室在軸向方向上延伸，並在所述軸向方向上 具有等於所述轉子的軸向長度的至少大約10%的深度。
2.如權利要求1所述的增壓器，其中，還包括在所述殼體的所述第二端處連接於所述 殼體的軸承板，其中所述凹室被包含在所述軸承板。
3.如權利要求1所述的增壓器，其中，凹室被包含在所述殼體。
4.如權利要求1所述的增壓器，其中，所述殼體包括多個腔室。
5.如權利要求4所述的增壓器，其中，所述多個腔室中的每個腔室都重疊著。
6.如權利要求1所述的增壓器，其中，其中，所述轉子是葉狀的並且包括至少四個葉。
7.如權利要求1所述的增壓器，其中，還包括輸入軸，該輸入軸構造成向所述轉子提供 轉矩。
8.如權利要求1所述的增壓器，其中，所述出口包括一個出口端部表面和一對相對設 置的出口側表面。
9.如權利要求8所述的增壓器，其中，所述增壓器包括縱向軸線，並且所述出口側表面 基本上垂直於所述縱向軸線。
10.如權利要求8所述的增壓器，其中，所述增壓器包括包括縱向軸線，並且所述出口 側表面基本上不垂直於所述縱向軸線。
11.如權利要求1所述的增壓器，其中，凹室構造成接收從內部設置有轉子的腔室軸向 流出的流體。
12.如權利要求1所述的增壓器，其中，所述凹室包括一個腔室端部表面，該腔室端部 表面基本上從前沿彎曲到後沿。
13.如權利要求12所述的增壓器，其中，該前沿構造成基本上相應於所述轉子的形狀。
14.如權利要求1所述的增壓器，其中，所述凹室包括一對相對設置的腔室側表面。
15.如權利要求14所述的增壓器，其中，每個所述腔室側表面包括從所述凹室向外傾 斜成一角度的部分。
16.如權利要求14所述的增壓器，其中，每個所述腔室側表面包括彎曲的部分。
17.如權利要求1所述的增壓器，其中，凹室具有等於所述轉子的軸向長度的大約10% 至大約35%的軸向深度。
18.如權利要求1所述的增壓器，其中，凹室具有等於內部設置有轉子的所述腔室的寬 度的至少大約50%的寬度。
19.如權利要求1所述的增壓器，其中，增壓器的等熵效率在至少大約18000RPM的增壓 器速度時為至少大約70%。
20.如權利要求1所述的增壓器，其中，在大約18000RPM時的所述增壓器的等熵效率是 在大約10000RPM時的所述增壓器的等熵效率的至少大約95%。
專利摘要提供一種增壓器，其包括具有第一端和第二端的殼體。該殼體可以至少部分地限定一個腔室並且可以包括設置在腔室內的至少一個轉子。該增壓器包括最靠近殼體的第一端並與所述腔室流體連通的進口，以及最靠近殼體的第二端並與所述腔室流體連通的出口。增壓器還包括與腔室流體連通的凹室。在一個實施例中，凹室可以在軸向方向延伸，並在軸向方向上具有等於轉子的軸向長度至少大約10％的深度。
文檔編號F04C29/00GK201858154SQ20092017803
公開日2011年6月8日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月7日
發明者D·R·奧文加, M·G·斯瓦茨蘭德爾 申請人:伊頓公司