CN100590296C - 旋转容积式机械 - Google Patents

Abstract

机壳(1)，其具有用来划定操作室的圆柱形内表面(3)。转子(4)，其绕操作室轴线作轨道运动，所述轴线是所述内表面(3)的轴线。转子(4)具有圆柱外表面(11)，与内表面(3)相邻的母线，完全相对的母线与内表面(3)分离。叶片元件(17)，其安装于机壳(1)并且可绕与操作室轴平行的旋转轴线旋转，所述叶片元件容纳于机壳的流体入口/出口孔内，该叶片元件具有使机壳外部和操作室连通的通道(17a)。叶片元件(17)具有与旋转轴共轴的弓形表面(17b)，至旋转轴的端面(17b)和从弓形表面(17b)的各自侧端突出端面(17c)，和与转子(4)相邻的顶面(17g)，这些表面(17b、17c、17g)对于孔(18)和转子(4)对应表面是密封面。连接件(28)，其将叶片(17)连接到转子(4)以使顶面(17g)与转子的外表面(11)密封接触，连接件通过具有铰链轴线(30)的铰链与叶片元件相铰接，以使包括链接轴线(30)和外表面(11)的轴线的表面通过密封接触区。

Description

旋转容积式机械

技术领域

本发明总体上涉及一种旋转容积式机械。更具体地，本发明涉及一种包括机壳、轨道旋转转子和叶片元件的机械。

背景技术

火花点燃式发动机通常通过控制经过进气系统的气体量来控制自身的功率输出。节流阀控制气流量：在最大功率时节流阀完全打开，在空转时节流阀充分关闭。当节流阀部分关闭时，发动机的进气集气管低于周围气体的压力，发动机不得不工作而抽入气体。

火花点燃式发动机在压缩冲程末端的最大温度受合适的燃烧和燃烧时间需要的限制，借助传统的压缩比能很容易达到所述最大压缩温度。当发动机被增压时，通过增压器压缩效率通常比发动机的压缩效率低，这导致了给定压力下的发动机温度比靠自身自然吸气的发动机的温度高。增压发动机通常具有增压气体，所述增压气体在热交换器内被冷却，并且压缩温度的限制通常要求降低发动机压缩比。借助增压和减压比率发动机，在工作行程末端的压力通常比自然吸气发动机的压力高；为了降低这部分能量的浪费，排放的气体通常穿过涡轮机。

私人机动车辆大部分时间处于部分功率状态，并且对火花点燃式发动机来说，这意味着处于部分节流状态，伴随着节流损失。如果能排除节流损失，发动机的效率将会得到提高。有两种方法可排除节流损失：一是通过在入口处放置涡轮机恢复损失，另一个是通过不使循环的任一部分处于低于环境压力而排除节流过程。为了实现后一个目的并使其具有合适的功率范围，发动机必须：

具有气缸，该气缸在空转状态时充满具有环境压力的气体；

处于空转状态时具有降低的压缩比；

逐渐地增加压缩比的量，直到达到最大功率。

可以理解，由于传统的发动机的气缸在最大功率时充满具有环境压力的气体，为了具有这样的发动机，其气缸在低速或空转状态时充满具有环境压力的气体，并且仅提供空转功率，则对于相同的低功率需要，所述发动机必须略微小些是重要的。或者可选择地，必须控制空气流动。

控制进入发动机气体的流动和增压程度是困难的，而且效率低。困难是因为增压器在超过所需范围内不能准确的控制增压的程度；效率低是因为压缩效率和气流控制很差且不经济。

对于火花点燃式发动机，只有当燃料和气体之比在很窄的范围内才能发生燃烧。汽油直接喷射(GDI)用于为发动机汽缸内的特定区域提供易燃混合物，同时使其它区域空气的比例升高，从而降低需要节流的量。另一个排除节流损失的方法是改变阀门定时和阀门升程(VVT)，这将允许一些进入气缸的气体在阀门关闭之前被活塞推出。直接喷射汽油和特别地改变阀门定时和阀门升程都增加了成本和发动机结构的复杂性。

在过去的几年，提出了混合型发动机，所述混合型发动机将电动机和相对小的发动机组合，该小的发动机无论何时使用都能在接近最大功率的情况下运转。最近有利用高压电气系统的趋势，这样当车辆停止时可使发动机停止；因此，车辆使用电动机开始离开。

发明内容

本发明建议使用增压器(该增压器可能用作节流损失回收涡轮机)、内燃机和排气涡轮的组合。所述废气涡轮机可能驱动压缩机或发电机或是这两者。可以更有效利用这种部件组合的启动技术是使用包括如下所述特征的旋转容积式机械。这类机械可以使内燃机的气流受到控制。这样可以完全控制每次旋转时的气流并排气，而不需要通过一个或多个测流口将其推出，并且使剩余的气体排至发动机。

如果大量的气体被排出，剩余的气体体积小于由具有环境压力的空气填充发动机需要的体积时，这样气缸的压力会低于环境压力和增压器出口侧的压力。环境空气压力与增压器出口的压力差驱动增压器，因此回收发动机利用的能量在汽缸内产生部分真空(节流损失)。这样，增压器能从低于环境压力增加到最大增加压力提供气体。该种类型的增压器压缩效率可以与发动机内的压缩效率相比，并且具有准确控制气流的能力。各种构件的组合不需要应用昂贵的GDI和VVT系统，并且除增压器外，只需要传统的组成部件和燃料系统，虽然应用GDI可提高功率范围。在组合机上热交换机能使1升的发动机具有和2升的发动机相同的功率输出，而大大降低了重量和燃料的消耗。

具有通常的内燃机的工作容积，该种类型的增压器设计成特殊的增压器最大压力，并且入口用来控制增压器的出口压力使其能从低于环境压力变化到最大压力。这些条件下，增压器的一个或多个出口孔的位置和尺寸固定，并且不需要改变。

本发明提供一种旋转容积式机械，其包括：

机壳，其具有圆柱形内表面，所述内表面划定操作室；

操作室内的转子，所述转子被安装以绕操作室轴线做轨道运动，所述操作室轴线是所述内表面的轴线，所述转子具有圆柱形的外表面，所述操作室轴线穿过转子，所述外表面的母线接近所述内表面，并且完全相反的母线与所述内表面隔开；

叶片元件，所述叶片元件安装在机壳上并且是绕平行于操作室轴线的旋转轴可旋转的，所述叶片元件安装在机壳中流体入口/出口孔内，叶片元件具有通道，所述通道在壳的外部和操作室之间连通，所述叶片元件具有弓形端面，所述弓形端面与所述旋转轴共轴，并且该弓形端面具有的长度大体上与转子的长度相等，叶片元件具有侧面，所述侧面从弓形面的各个侧端向枢轴线延伸，并且叶片元件具有紧临转子的弓形顶端面，所述弓形端面、所述侧面和所述弓形顶端相对机壳孔和转子的对应面是密封表面，所述通道在叶片元件的旋转轴和弓形顶端面之间穿过叶片元件；和

连接件，其将叶片元件与转子连接，以使叶片元件的顶端面与转子的外表面保持密封接触，该连接件通过铰链被连接于叶片元件；

其特征在于：所述转子包括旋转内部分和非旋转外部分；所述外部分具有浅的弓形凹槽，该凹槽容纳叶片元件的弓形顶端面；以及所述连接件包括附属件，该附属件在叶片元件旋转轴和所述弓形凹陷凹槽之间的位置处连接到所述外部分的附属件，并且通过所述铰链连接到叶片元件。

旋转容积式机械可被用作：用于内燃机的增压器；用于从进气集气管低压回收能量的涡轮；用于从废气回收能量的涡轮；或用于热泵中的压缩机或膨胀器。

附图说明

下面将通过实例的方法参照附图对本发明进行说明，其中：

图1-3是说明根据本发明的机械的一个实施例的各种透视图；

图4是说明机壳和叶片元件剖面的透视图；

图5是说明转子及其附件的透视图；

图6是说明叶片元件放大的透视图；

图7-8是说明转子及其附件的另一个实施例的透视图；

图9-14是通过各种旋转容积式机械的可能实施例的轴向剖面透视图，其说明流体的流动路径；

图15是说明根据本发明的机械的另一个实施例的横截面图；

图16是说明图15所示的机械的机壳的剖面透视图。

图17是说明叶片元件的另一个实施例的透视图。

图18是说明旋转容积式机械的透视图。

图19-22是说明四种不同发动机系统的图表，所述的四种发动机系统包含用作增压器/节流阀损失回收涡轮机的旋转容积式机械。

图23是说明阀门典型的截面图，所述阀门用来控制气流从一个增压器/涡轮机进入发动机进气集气管的方向。

图24与图23类似，但其说明了将气流引导至大气的阀门；

图25是说明与图23对应的透视图；

图26是说明与图24对应的透视图；

图27所示是带有平衡环的旋转容积式机械的另一个实施例的部分透视图；

图28是旋转容积式机械的另一个实施例的末端视图，说明了平衡环的不同布置；

图29是说明转子的外表面和机壳的内表面之间关系的示意图；

图30是图29放大的详细示意图，其说明了迷宫式密封；

图31是转子和相关部件的透视图，其说明了迷宫式密封；

图32是说明用作增压器的旋转容积式机械的另一个实施例的透视图；

图33是说明图32所示机械的另一个透视图；

图34是说明根据本发明的旋转容积式机械的另一个实施例的透视图，其中叶片构件布置与上一个实施例的叶片构件布置不同；

图35与图34类似，但是除去了端盖和侧盘；

图36是与图35类似的放大的透视图，但是除去了机壳；

图37是说明叶片元件与转子外部分结构之间关系的透视图；

图38是说明包括转子的内部分与两个侧盘的组件的透视图；

图39和图38类似，但是除去了一个侧盘；

图40是转子外部分的透视图；

图41是叶片元件的透视图；

图42是说明一对旋转容积式机械的端视图，其中叶片元件相互结合；

图43是说明一对旋转容积式机械的端视图，其中叶片元件相互分离；

图44是说明具有覆盖物质涂层的转子的局部透视图；

图45和图44类似，但是说明了覆盖物质涂层的不同形式；

图46是说明用于热泵的组合式的压缩机和膨胀机的透视图；和

图47是说明组合式的压缩机和膨胀机的轴结构的透视图。

具体实施方式

图1-6所示的旋转容积式机械可用作增压器和节流损失回收涡轮，并且具有定子或带有外围壁2的机壳1，所述外围壁2具有圆柱形内表面3。布置在定子内的转子4在每个末端设置凸缘形式或盘6形状的遮蔽物，所述凸缘或盘6具有圆柱形外周7，所述外周7和内表面3之间有小的间隔。盘6和内表面在其间延伸3的部分一起划定圆柱形操作室，在所述圆柱形操作室内，转子4能绕内表面3作轨道运动。转子4设有驱动轴9。转子4具有带轴线的圆柱形外表面11，所述轴线偏离定子的内表面3的轴线。后一个轴线穿过转子4。外表面11的一条母线13只具有很小的间隔。直接相对的母线与内表面3隔开。所述类型的机械在专利WO02/04787中有进一步描述。

图1-6所述的机械一个重要特征是叶片元件17安装在机壳1的孔18内，所述孔18充当流体的进/出口孔。所述叶片元件17具有通道17a，所述通道17a连接机壳外部和操作室。

通过开启或多或少孔区域很容易控制进口或出口。转子盘6、机壳1和外环16中都具有孔，更容易实现该目的。外环16滑过插入的机壳1，可以开启或多或少的机壳孔；当转子盘孔接近开启的机壳孔时，如果滑动位置合适，气体可通过。通过这种方法，可以控制压强和质量流。

随着在车辆内的高压电系统的广泛引进，外周将逐渐由电动机驱动而不是直接由内燃机驱动。利用电动机并改变旋转容积式机械相对于发动机的速度能额外地控制气流。

类似的机械可用来压缩其它流体，例如制冷剂。压缩制冷剂的机械通常指热泵。热泵通常以恒速运转，并且在一定的时间段内，热泵停止和启动多次来控制平均热量输出。通过利用滑环改变开启的孔的尺寸和位置，使得热泵改变压力和热量输出成为可能。通过加设一个变速电动机，不需要“停止和开启”设备，可以实现全程加热和冷却输出。使用所述滑环16的控制系统的进一步后果是通过控制压缩器出口和/或入口条件来控制膨胀器的入口条件的能力。因此，不仅可以控制速度、压力和从压缩器输出的热量的参数，还可以通过控制一个或多个压缩器出口参数，直接的控制涡轮膨胀器的膨胀入口条件。

可以理解，膨胀器入口的滑环也能用作膨胀器入口控制。控制膨胀器入口的益处可能被制冷剂的突然膨胀和喷溅引起的流体性能的降低超过。因此，通过控制压缩机的流体来直接控制流体有很大的好处，并且利用恒定膨胀孔和宽转子侧盘6逐渐地增加孔区域以便于稳定膨胀。

当所述旋转或滚动活塞机械用作压缩器时，通过使填充物在压缩之前重新穿过排气孔14b，转子4与叶片元件17拦住的流体体积可从完全填充变化至最小填充。在这种情况下增压器的最大填充是充满内燃机的汽缸所需的预设压力的空气量，最小填充是在环境压力下充满汽缸所需的体积，或者如果需要部分真空，在所述压力下所需的体积。

通过具有在滑环16和转子4之间插入的机壳1，当机壳1、滑环16和转子4上的孔成一直线时，流体能流进或流出机械。

为了维持高的热力学效率，制作大约0.02mm数量级的间隔，由于离心力、惯性力或压力的作用，所述间隔允许较小的变形。增压器的压力约为2巴，燃料电池压缩机的压力约为3巴和热泵的压力范围约是15到90巴。

在汽车的使用中，最大转速可能是6000转/分钟，热泵的最大转速可能是3600转/分钟。汽车使用的所述速度和尺寸增加了惯性载荷，并且热泵具有高压力负载。所述两种负载会引起传统叶片形状的变形及由此带来的间隔增大，进而使流体泄漏，造成效率损失。这种情况下，叶片元件17发生变形以提供最大的抗变形能力，所述变形由惯性和压力导致。叶片的形状和相对于机壳的位置以及降低负载的启动机构意味着在叶片下和进入机械时存在流体流动的限制区域。如果为克服入口流动的限制而增加入口孔的周长，会降低机械的性能。使流体通过叶片元件17进入可以避免任何入口流体限制。因此，叶片构件17的形状提供提高抗惯性和压力负荷的性能，降低抗入口流体流动的能力。叶片构件17具有：弓形的端壁17b；横壁17c，其从所述的端壁17b延伸至可旋转地安装的端片17d；和顶面17g，所述顶面17d相对转子4是封闭的表面。

当所述机械用作增压器时，体积流由内燃机的汽缸的物理尺寸固定，而质量流由内燃机功率需要所决定。改变增压器的出口压力可改变质量流。在此情况下，增压器开始充满环境气体，并且随着转子4向叶片构件17的弓形表面17e旋转，气体被压缩。通过使部分气体在压缩前排除可以改变压缩气体的量(因此其压力也会改变)。所述过程通过在侧盘6安装出口23在机壳1上设置排气孔14b实现。当滑环16开启机壳1上的孔14b时，气体能通过出口23和机壳孔14b从机械中流出。随着转子4向叶片构件17前进，气体压力的稍微上升提供必需的低压以排除空气。

气体的出口体积不可能需要改变，因此，没有必要在出口处设置滑环，并且出口孔14a可以固定，压缩的气体通过其排除。然而，如果改变出口体积孔的面积是有必要的，滑环可以通过与用于排气的滑环类似的方式安装。

侧盘6在轴向上相对较长，并且泄漏由压降、径向间隔、表面粗糙度、轴向长度和流体的性质决定。所述泄漏相对轴向长度和径向间隔的变化是不敏感的，所述轴向长度和径向间隔的变化由改变机械的温度引起，并且不存在由压力引起的末端载荷。径向出口的设计使转子传递孔体积随盘的宽度的增加而增加，同时造成传递损失。

通过将侧盘6的径向截面制成L型，所述机械在盘6(如图7-8)上带有径向出口23’，并且使机壳1环绕L型轮廓，可以降低该盘的泄漏。侧盘的齿侧隙和操作体积通过盘的出口相互直接连通；因此，两个流体泄漏的通道是可用的。通过在滑环和转子之间插入机壳和设置表面滑动控制，流体和压强可以通过与如上所述的方法相似的方式得到控制。

所述类型的所有机械的效率主要由泄漏量决定；接触密封将产生不可接受的高摩擦损失，除非是大机械，其中产生的摩擦比在可接受范围内。采用轴向入口和出口，由热影响导致的轴向间隙的变化会影响机械的效率，并且在机械的长度上产生限制。这和准确加工、组装和紧固这些部件、以及所要求的总的间隙低于0.02mm都会造成很大的设计困难。采用径向出口和入口，两个圆型部件的加工方法是容易控制的。共心固定部件的简便加工方法是在一个部件上设置内衬层或摩擦涂层，例如聚合物材料，所述聚合物材料在旋转时首先摩损，从而得到由热膨胀造成的最大间隔。

轴向入口和出口及表面滑动控制，需要在将滑环保持在合适位置，使其旋转，并且完全反抗将其提升脱离表面的压力。对于径向滑环，其直径与机壳的直径几乎一致，所述径向滑环自动反抗任何压力载荷，因此，只需要进行旋转。

对于所述机械，当孔随着机械旋转排成一条直线时，气体或流体从机械中流出。不需要通常的阀门，并且加工成本降低，可靠性提高。虽然该简化设计会存在一些困难。排出机械内的流体会在孔上产生压降，并且额外的压强是固有的损失。通过增加孔面积，降低所述损失，但从由高压到低压传递流体的损失增加。对于具有很小压力损失的径向出口，传递流体的压力损失是10％。压力和流体传递的损失折衷会导致5％的总损失。采用轴向出口，传递损失小但泄漏严重，盘边缘的轴向延伸降低了泄漏出量，但是准确控制轴向间隔需产生5％总体损失。所产生的滑动控制的成本增加的弊端使得该设计不尽人意。然而，对于内燃机的出口，一些车辆的安装需要使轴向出口变得令人满意。因此，在某些情况下，轴向及径向出口和排除物的组合可能是令人满意的。

参考图4和图6的详细说明，叶片元件17的弧形端面17e和枢轴轴线同轴，并且和机壳1的静均匀面18e一起构成一个密封面。叶片的平面侧17f也和机壳形成密封面。杠杆19可能和叶片构件17呈一整体或附在叶片元件17上。可选择的重量减小孔21也被说明。

图4说明的是机壳中的排出孔14a和排气孔14b与叶片元件17和转子的转动方向(箭头22)之间的关系。转子未示出。流体入口孔18典型地从叶片元件的端面17e与箱内表面3(0°)及排空区域(孔14b)进一步140°的交叉点延伸40°(但是可选择地至70°)。出口区域(孔14a)典型地角度为240°到360°。每一区域的角度将随机械尺寸的改变而变化，并且决定于流体压力损失和流体改变损失的优化。

图5是说明在侧盘6上具有一种类型出口和排气孔23的转子4的示意图。为了使作用在转子4两面的压力相等和防止轴向末端载荷，设置一个小的流体传递孔26。为了减少转子内部固留的流体体积，大的减重孔27和任意其他重量或物质减小部件都可能被廉价的轻质材料代替或制成中空。

如图1所示，连接杆28具有：一个末端28a，所述末端28a通过与外表面11的轴一致的轴线链接至转子4的突出物29；和另一个末端28b，所述另一个末端28b与链接轴30上的杠杆19链接，以使包括链接轴30和外表面11的轴的平面通过叶片元件的顶面17g与外表面11之间的密封接触区域。

图7和图8是说明转子4的两个视图，所述转子4修改成通过L型侧盘6′向转子的一侧提供轴向出口。

图9-14是说明不同结构的流体流动和流体泄漏流动通道的示意图。字母C表示流体处于压缩状态的区域，字母A表示流体处于最低压力状态。图9和图10是说明轴向出口和径向排空图。图11和图12是说明径向出口和径向排空的示意图。图13和图14是说明轴向出口和排空的示意图。

图9说明充气压力大于机械内压力的情况。泄漏进机械的流体可从端隙流下，并通过侧盘6的轴向狭槽直接进入工作体积。另一个入口在突出的L型盘6′的的相对长的径向间隙更长并在宽盘6上，宽盘6通过压力相等传递孔现对。除机械排空时，图10和图9一样。至低压区的泄漏在所述两盘的相对角长的径向间隙上。图11和图12是说明具有滑环16的机械的情况，所述滑环16用于排空和控制质量流。图11和图12所示的泄缝在两盘上的相对较长的径向间隙上。

图13和14也包含了借助滑环16的排空控制。可以理解，泄漏在相对窄的侧盘6′上将很大，并且加长盘将增加传递损失。然而，在低压送风机中，所述设计控制空气流动是有利的。

在如上所述的增压器中，当机壳的孔(狭槽)被开启时，从增压器至发动机的气体出口是通孔(或狭槽)。随着汽油直接喷射(GDI)、强烈燃烧、电驱动、再生制动和如上所述的增压器的发展，内燃机可能在不降低性能的条件下进一步缩小尺寸。1.6升的组合发动机可由500cc发动机代替。起到1.6升的发动机的作用的500cc发动机的尺寸将会产生很小或不生产节流损。对于小或没有节流损失的发动机，如上所述的增压器可以通过免除回收节流损失能力而提高效率。用于从增压器向发动机提供流体的转子的排空管或传递通道用于储蓄空气，所储藏的空气旋转时传递至增压器并且使效率损失上升至10％。如果所述传递通道只需控制气压从环境压力向上升，其体积可以减小并且提高增压器的效率。虽然发动机设置一个可选择的出口；但这必须具有比减少传递体积所得到的要小，否则将没有益处。

一种办法(图15-18)是在机壳1内侧盘6的平面之间安装一个或多个阀门。机壳1的内表面3弯曲，使传统的提升阀加工困难且成本高。簧片型阀31通常会导致一定的余隙容积(附加损失)和一些回流流体重新流入机械(进一步的附加损失)。弹簧载荷阀在其打开之前需要克服弹力。并且气体必须以大于发动机需要的量受压，进而进一步增加效率损失。

在所述情况下，在簧片阀31允许回流，转子4完全的覆盖出口孔32，并与机壳的内表面非常一致。这将为结束簧片阀惯性提供时间，用于在任意物质流出现之前使其由回流空气的压力降克服，轻微的弹簧载荷有助于进一步结束。

因此进入发动机集气管的机壳出口通道由增压器机壳上的移动阀门代替，当增压器内的压力升高并超过发送机集气管内的压力时，所述移动阀门打开。转子4的传递通道23体积减小，为增压器的入口的回流流体提供足够的体积和压力降，使之仅回流至增加器入口。

图15是说明簧片阀(可能安装一个、两个或多个)的位置示意图。图16是说明具有典型的簧片阀位置。图17是说明具有加固梁33的改进的叶片元件17的示意图。图18是说明滑环16和一些排气孔14b的示意图。

可以理解，从以前所述及出口阀门推理来看，相同的内容可以应用于热泵的制冷剂的压缩过程。

然而，以上尺寸减小用于给定的功率输出的所述发动机的结构具有最大功率输出。所述的最大输出功率由在最低功率输出要求下没有节流的需要所限制。汽车发动机的大部分功率用来加速。现在的车辆具有较大的发动机以加速更快，但是这意味着在低功率时存在更大的节流和更低的功率。对于目前传统车辆的重量，所述的发动机结构具有足够的功率使其在8～10秒内从0千米/小时加速至100千米/小时。而要使加速时间更少，则需要更大的功率。这可以由电动机或更高功率的大发动机来提供，但是高功率发动机会出现低功率时发动机节流，并且需要回收以避免损失。如果所述增压器是设计用于较大的发动机尺寸，并且也回收节流损失，在高的发动机入口集气管真空条件下，带有传统的间隙的结合部件之间泄漏掉的空气量将占大尺寸发动机集气管中空气量的很大比例。降低齿侧隙会增加加工成本。一个可选方案是提供多增压器/节流损失加收涡轮，所述可选方案可以减小齿侧隙，同时降低延伸的节流损失回收带来的复杂性和成本。如果两个增压器/涡轮用于向一个发动机提供气体并且只有一个发动机在低功率情况下应用，余隙容积减少了一半，并同时提供了发动机的入口集气管真空条件。

本发明提供了一种通过用两个或更多的增压器/节流损失回收涡轮向内燃机提供气流的方法，提供的气流压力范围从增压器的压力到环境压力。建议使用两个或更多的增压器/涡轮机的组合，所述增压器/涡轮机带有内燃机和废气涡轮。热交换器用以改变进入内燃机的气体温度。废气涡轮可驱动压缩机或发电机或两者。使构件的组合得到高效利用的启用技术是所述类型的增压器/涡轮的使用，并将如上所述的兼容特征合并。所述的兼容特征定义为本领域普通技术人员合并于一起的特征。例如：总体的效率或加工成本可决定是否安装簧片阀。

增压器的气流控制使增压器的输送压力从高于环境压力变化至低于环境压力。如果有两部增压器，只有一台发动机提供气体并控制使其为发动机提供环境传输压力，发动机具有气缸和处于环境压力下的入口集气管。如果阻止从一个增压器提供的气体进入发动机，则气流的体积将减半，并且气缸和入口集气管的压力减小至大约38KPa。(发动机的和两增压器相互的或直接)增压器由发动机、和相互、或直接由发动机单独地驱动；如果为发动机提供气体的增压器之一被单独的驱动，诸如电动机，其相对发动机的速度会减小，并且因此产生较低的输送压力。不向发动机提供气体的增压器可设置成环境压力，并继续旋转，因此，使空气循环进出大气而没有任何压力上升或起作用，否则气体将是不连续的。

增压器的叶片构件17通过往复运动启动。这将产生一个不平衡的力。初始的非平衡力可以平衡，所剩余的第二个力能接受的低。然而，设计的转子的偏移量越大和速度较高，需要对第二个非平衡力进行平衡。这可以通过给增压器加两个连接件臂(平衡臂)来实现。为发动机提供双增压器的后果是对其进行定位的能力，以使非平衡力方向相对，因此，消除了安装连接平衡臂的必要。然而，安装的需要可能意味着不能把两个或更多的增压器放置在平衡的最佳位置，当多个增压器用于消除任意一对非平衡力时进行平衡环是必需的。

图19是说明具有两个增压器/回收节流损失的涡轮42(如前面所述)的发动机41的顶部示意图，所述涡轮42的其中之一通过阀门43连接至发动机入口集气管44。图20是说明具有四个增压器/涡轮42的发动机41的前部示意图。图21是说明具有两个增压器/回收节流损失的涡轮42按照另一种方法布置的发动机41前部的另一个示意图。图22是说明具有两个增压器/回收节流损失的涡轮42的另一种方法布置的发动机41的前部示意图。图23是说明阀门43的典型横截面图，所述阀门43是用来控制从增压器/涡轮机42到发动机入口集气管44的气流方向。图24是说明将气流从增压器/涡轮机42引导至大气的阀门43的示意图。图25是说明输送管46的一部分和典型的阀门43的示意图，所述述阀门43用于控制从增压器/涡轮机42到发动机入口集气管的气流方向。图26是说明将气流从增压器/涡轮机42引导至大气的阀门43的示意图。图27是说明典型的连接平衡臂51，52和固定臂53的示意图。图28是说明另一种平衡布置方式的典型连接平衡臂54，56。

示意图19～22只介绍了许多可能结构中的四种。增压器/涡轮机的位置将受车辆的安装需要、增压器的驱动类型和位置以及中间平衡需要的影响。

图23和24是说明阀门43的典型横截面图，所述阀门43将气流从增压器/涡轮机42传递至大气或发动机入口集气管44。许多通常的阀门都能实现该目的。阀门的主要作用是提供具有最小空气动力学和热力学损失的流体并为来自发动机集气管和增压器/涡轮的气体的进出口提供密封。所示阀门可能是最容易加工并成本最低的。上述阀门是圆形和管状的并且具有相当大的周长以便于密封，并且需要向前和向后旋转约130°。

图28所示的增压器/涡轮界具有两个相互连接的平衡臂54和56，所述平衡臂54和56为任意第二非平衡力提供平衡。从成本和与第二非平衡面的紧密接触来看，将一个臂安装在连接杆中心而另一个安装在叶片元件的枢轴上是非常方便的。图27是说明可供选择的位置用于定位一个平衡臂末端之一。

一个或多个所述的用作增压器的机械可用来回收节流损失，如美国专利NO.6,226,986所述，转子通过环境和入口集气管的压差进行驱动。所述机械可操作地连接至能消耗设备。

根据本发明的机械的优选实施例提供了提高增压模式和回收节流损失涡轮模式的压缩机的效率的方法。所述机械的应用延伸到柴油发动机的充气和排气处理。

迷宫式密封在技术上是众所周知的，并且当一部分和另一部分紧密接触时能降低气体和蒸汽的流动。在这种情况下(如图29～31所示)，转子4的顶端和结合面3紧密接触。通过在转子4和可选择地在侧盘6上形成迷宫式密封61，并且扩展活塞顶部的拖尾侧和头部的弓形距离，活塞和机壳之间以及暂时活塞和铰接的叶片之间的流体泄漏减小。如果迷宫式密封在侧盘外围的四周形成，泄漏穿过侧盘外围的长度将被减小。如果凹槽的宽度x和凹槽的深度相等并且凹槽之间的翅片的宽度于凹槽的宽度，迷宫式密封是最有效的。迷宫式密封的角度α典型为40°，如图30所示。

现代柴油发动机被察知会产生太多的氮氧化物和太多的颗粒物质，所述颗粒物质从柴油机的排气中进入大气。柴油机通常是压燃式发动机。发动机的压缩比率决定于在冷天产生足够的压缩温度以启动发动机的需要。当发动机达到运行温度，启动所需的高压可以降低并且将降低气缸内的压力。随着气缸的压力降低，发动机材料的疲劳寿命将提高，因此，相对于具有相同疲劳寿命的发动机，该发动机可制造得更轻。

通过利用所述类型的增压器，为发动机提供可变的升压，使所述发动机提供冷启动和通常运转的压力条件。上述增压器通过排气孔或发动机的集气管的出口孔传送气体的能力意味着上述出口之一可能用于直接向排气系统提供气体，以用来处理废气排放。一种可能的废气处理是吸收氮化物和颗粒随后使其燃烧，为所述目的提供加压气体是最合适的。

图32是说明提供气体以用于废气处理的排气孔14b的示意图。图33是说明提供气体以用于废气处理的排出孔14a的示意图。

当转子4绕轨道旋转时，从排气孔14b推出的气体进入排气系统以提供氧用于处理废气。如果空气提供压力要求低，诸如高于大气压20kPa，将气体的压力提升至达到排气系统的压力的效率将相当高大约是80％，但是，因为这种类型的压缩器类似不具有内部压缩的罗茨压缩机，如果所需压力高于大气压诸如100kPa，功率大约是40％。因此，对于较高的压力，从机械的集气管出口侧提供气体是更有效的，因为存在内部压缩为气体增压，压缩功率接近90％。

通过合并控制泄漏流的迷宫式密封，减小高低压区域的泄漏，从而提升机械的功率。

在所述机械中，与叶片元件17有关的绕轨道运转的转子4的位置总是改变的。转子4的表面11上的单点总是扫过机壳1的内腔或着叶片元件的顶部。机壳1和转子4之间的流体泄漏由两构件之间的间隙、间隙的周长和任意迷宫式密封效果来控制。叶片构件和转子之间的泄漏主要由间隙和间隙的周长控制。因为叶片顶端半径在与转子面11相对的方向上弯曲，而机壳面3向着在和转子面11相同的方向上弯曲，所以叶片构件和转子之间的间隙的周长比机壳和转子之间的间隙的周长小。转子、机壳和叶片元件之间的最小狭缝的尺寸由考虑热膨胀和偏差的需要决定，所述偏差是由构件的操作应力造成。寻找增加叶片构件和转子之间的间隙的周长的方法和降低热和构件载荷偏差的影响将是值得的。

在本发明的实施例中(图34-41)，与机壳和叶片紧密接触的转子部分4a直径减小，在所述直径减小的部件4a内部安装支撑件(未示出)，在支撑件的外直径设置环形的外部件4b和附属件71，环4b附于叶片元件17。支撑件允许环4b的附属件和叶片元件17相对旋转。因为它们之间的旋转，环或外部转子部分4b能在叶片构件17的所在位置变形成弯曲凹槽72，以提供叶片构件的顶端面17g和环之间圆周间隙长度。环4b和机壳1之间的间隙通过支撑件和环的安装基本不能有大的改变。

在整个环的周围产生迷宫式密封可能会减小环和机壳之间的泄漏。

另外或作为迷宫式密封代替物，在环的外表面涂有覆盖材料73、74，如图44或45所示。覆盖涂敷层73、74可能是类似于车辆的轮胎一样的橡胶。热膨胀和机械应力偏差量可能低于200微米，因此，覆盖涂敷层73、74被压缩200微米的量是足够的；构件可能装配有这样的固定压缩。如图44和图45所示，覆盖涂敷层73、74设有轴向凹槽75，所述轴向凹槽75提高了涂敷层的变形度。图44中，每一个凹槽75具有一个陡峭的侧壁75a和逐渐倾斜的侧壁75b。

具有连接至叶片构件17的外部转子件4b的布置在环形件4b和机壳外转子部分4b之间产生滚动运动，并且与所述运动相关的的机械损失和车轮的滚动阻力损失类似，并由覆盖涂敷层的循环压缩造成。所述损失比通过降低泄漏获得的功率小。叶片顶端和环之间的联系是滑动运动，并且如果不是正向间隙所述运动会产生一些摩擦；间隙的周长的增加和在该点提供迷宫式密封的可能性会将大大减小该点的泄漏。

图40是说明带有固定附件71和沿着叶片顶端曲线的局部凹槽72的环形外部件4b的示意图。图41是说明叶片元件17的示意图。图37是说明环和叶片元件的装配的示意图。图39是说明去掉一个盘的内转子部件4a的示意图。图36是说明叶片构件、环、内部件和环支撑件4c的装配的示意图。图35是说明图36所示的装配基础上再安装上机壳1的装配的示意图。图38是说明带有两个侧盘6的内转子部件4a的示意图。图34是说明在图35所示的装配基础上再安装上侧盘6和末端盖73的装配示意图。图42是说明两个单元相互关联布置的示意图。图43是说明可代替图42中的布置方式布置的示意图。

如图36所示，随着活塞的旋转，距机壳孔最近的环4b的位置随偏心内部分4a旋转，环受其与叶片元件17连接的限制，以在叶片元件17所限定的范围内移动，所述叶片元件17绕至机壳1的连接和旋转部分4a的偏轴的中心旋转。

图42是说明旋转叶片元件17处的两个单元的结构的示意图，两单元可能是一个组件，并且来自两个弹簧运动的作用在连接至机壳的单轴承上的应力可能相互抵消，并且大大减小了承压应力。图43是说明两个单元的另一种布置的示意图，所述布置中叶片至机壳旋转承压应力大于图42所示的情况。

图46和图47是说明组合的压缩机81和涡轮机82的示意图，所述压缩机81和涡轮机82都是由如上所述的旋转容积式机械组成。每一个单独的压缩机或涡轮机都具有基本非平衡力，并需要通过每个机械上的受力连接或者用相互抵消的非平衡力操作两个机械进行平衡一如上所述的汽车增压器的应用。

对于汽车增压器/回收节流损失机械，所述机械一次只起到一种作用，而不是同时起到两种作用。对于热泵，压缩和膨胀是同时执行的。

通过将压缩机轴承中心轴在与涡轮膨胀器的中心轴相对的方向上偏离旋转中心，单元可以被平衡，如图47所示。这对热泵是特别有用的，并且可对增压器提供更大的灵活性。

如图46所示的另一个附件是滑环83。所述滑环38对于热泵来说充当与增压器中滑环16相同的作用，即，它可使压缩的流体流量在任意速度或压力下改变。因为随加热或冷却的变化，滑环可以满足该需要并且同时保持稳定的速度和传递压力，所以上述特征对热泵是特别重要的。

Claims (27)

1.一种旋转容积式机械，包括：

机壳，其具有圆柱形内表面，所述内表面划定操作室；

操作室内的转子，所述转子被安装以绕操作室轴线做轨道运动，所述操作室轴线是所述内表面的轴线，所述转子具有圆柱形的外表面，所述操作室轴线穿过转子，所述外表面的母线接近所述内表面，并且完全相反的母线与所述内表面隔开；

叶片元件，所述叶片元件安装在机壳上并且是绕平行于操作室轴线的旋转轴可旋转的，所述叶片元件安装在机壳中流体入口/出口孔内，叶片元件具有通道，所述通道在壳的外部和操作室之间连通，所述叶片元件具有弓形端面，所述弓形端面与所述旋转轴共轴，并且该弓形端面具有的长度大体上与转子的长度相等，叶片元件具有侧面，所述侧面从弓形面的各个侧端向旋转轴延伸，并且叶片元件具有紧临转子的弓形顶端面，所述弓形端面、所述侧面和所述弓形顶端面相对机壳孔和转子的对应面是密封表面，所述通道在叶片元件的旋转轴和弓形顶端面之间穿过叶片元件；和

连接件，其将叶片元件与转子连接，以使叶片元件的顶端面与转子的外表面保持密封接触，该连接件通过铰链被连接于叶片元件；

其特征在于：

所述转子包括旋转内部分和非旋转外部分；

所述外部分具有浅的弓形凹槽，该凹槽容纳叶片元件的弓形顶端面；以及

所述连接件包括附属件，该附属件在叶片元件旋转轴和所述弓形凹陷凹槽之间的位置处连接到所述外部分，并且通过所述铰链连接到叶片元件。

2.根据权利要求1所述的旋转容积式机械，在转子的各个末端包括一对盘，所述盘与绕轨道运转的转子同步绕操作室轴线旋转，并划定操作室的各个末端。

3.根据权利要求2所述的旋转容积式机械，其中至少盘之一形成遮蔽物，所述遮蔽物覆盖机壳的至少一个入口/出口，所述遮蔽物具有至少一个通道，所述通道带有位于操作室内的第一末端和位于操作室之外的第二末端，所述第二末端随遮蔽物的旋转周期性地重叠所述入口/出口。

4.根据权利要求3所述的旋转容积式机械，其中所述通道的第二末端位于遮蔽物的周边，所述通道是在内表面和遮蔽物周边打开的狭缝形式。

5.根据权利要求3所述的旋转容积式机械，其中多个所述的通道在圆周方向连续地布置。

6.根据权利要求3所述的旋转容积式机械，其中多个所述的入口/出口在圆周方向连续地布置。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转容积式机械，其中所述机壳具有多个流体入口/出口。

8.根据权利要求7所述的旋转容积式机械，其包括可选择地关闭流体入口/出口的工具，关闭工具包括滑动件，所述滑动件是围绕机壳周围延伸的环的形式。

9.根据权利要求1所述的旋转容积式机械，其中所述机壳内的所述孔从0°到70°的角度范围从与叶片元件的弓形端面对应的表面延伸。

10.根据权利要求9所述的旋转容积式机械，其中所述机壳内的所述孔从与叶片元件的弓形端面对应的表面延伸40°。

11.根据权利要求9所述的旋转容积式机械，用作压缩机，其中流体通过叶片元件内的通道进入，并且机壳从所述孔的末端开始在140°的角度范围内至少具有一个排气孔。

12.根据权利要求9所述的旋转容积式机械，其中机壳在240°到360°的角度范围内至少具有一个排出孔。

13.根据权利要求1所述的旋转容积式机械，其中机壳具有至少一个设有篝片阀的排出孔。

14.根据权利要求1所述的旋转容积式机械，其中转子的外表面具有轴向槽，所述轴向槽在转子与机壳之间形成迷宫式密封，槽的深度大体与槽宽度相等，相邻的槽之间限定一个翅片，所述翅片的宽度小于槽的宽度。

15.根据权利要求1所述的旋转容积式机械，其中转子的外部分的外表面具有覆盖材料的涂层。

16.根据权利要求15所述的旋转容积式机械，其中所述覆盖材料是橡胶。

17.根据权利要求15所述的旋转容积式机械，其中涂层具有轴向延伸槽，所述槽中的每个具有一个倾斜侧壁和一个逐渐倾斜的侧壁。

18.根据权利要求1所述的旋转容积式机械，其中所述连接件包括连杆，所述连杆的一个末端在与所述外表面轴线相一致的轴线上铰接至转子的突出物上，并且另一端在所述铰链轴线上铰接杆臂，所述杆臂固定有叶片元件，并且可绕所述旋转轴旋转。

19.根据权利要求18所述的旋转容积式机械，其中连接件进一步包括连接在所述转子突出物和旋转轴之间的平衡连杆。

20.一种发动机系统，其包括：内燃机，该内燃机具有入口集气管；和与入口集气管相连的至少一个如权利要求1所述的机械。

21.根据权利要求20所述的发动机系统，其中至少两个所述机械与入口集气管相连。

22.根据权利要求21所述的发动机系统，其中至少一个所述机械通过阀门与入口集气管相连，或者所述阀门可选择地引导来自所述一个所述机械的气流至入口集气管或至大气。

23.根据权利要求21所述的发动机系统，其中一对所述机械以非平衡力的方式彼此相对。

24.根据权利要求20所述的发动机系统，其中至少一个所述机械与能量消耗设备相连，并且所述机械的转子可以由环境空气和入口集气管的空气之间的压差来驱动。

25.根据权利要求20所述的发动机系统，进一步包括废气涡轮，驱动压缩机和/或发电机，所述废气涡轮由权利要求1至10和13至17中任一项所述的机械组成。

26.一种热泵，其包括压缩机和膨胀器，所述压缩机和膨胀器至少其中之一由根据权利要求1所述的机械构成。

27.一种组合式压缩机和膨胀器，其包括根据权利要求1所述的机械，所述两个机械的机壳首尾相连，并且具有公共轴线，并且所述两个机械的转子可操作地与轨道同步连接，所述两个机械的转子轨道相对公共轴线在相反方向上偏移。

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