CN103256115A - 带有两级罗茨鼓风机的空气供应系统 - Google Patents

带有两级罗茨鼓风机的空气供应系统 Download PDF

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Abstract

一种采用位于同一组轴上的两组转子对空气进行两级增压的空气供应系统。该空气供应系统(10，110，210，310，410)包括壳体(12，112)和第一旋转轴(22)和第二旋转轴(24)。还包括第一转子对(33)和第二转子对(35)，转子对具有支撑在第一轴上旋转的第一转子(34，48)，和支撑在第二轴上旋转的第二转子(36，40)。壳体具有位于第一转子对处的入口(66)、位于第二转子对处的出口(80)、以及位于第一转子对和第二转子对之间的内腔室(72)。空气流具有从入口至内腔室的第一次增压以及从内腔室至出口的第二次增压。

Description

带有两级罗茨鼓风机的空气供应系统
技术领域
本发明总体上包括一种具有鼓风机的空气供应系统，其具有两组转子。
背景技术
小尺寸节能发动机在燃料经济性和降低成本方面是理想的。小型发动机提供的扭矩少于大型发动机。有时使用增压器来增加发动机的可用扭矩。增压器向发动机进气歧管提供额外的空气，从而提供增加的扭矩，在低发动机速度下尤其如此。
发明内容
提供一种空气供应系统，其采用位于同一组轴上的两组转子对空气进行两级增压。该空气供应系统包括壳体以及至少部分地位于壳体内的第一旋转轴和第二旋转轴。还包括第一转子对和第二转子对。每个转子对具有支撑在第一轴上旋转的第一转子和支撑在第二轴上旋转的第二转子。壳体具有位于第一转子对处的入口、位于第二转子对处的出口、以及位于第一转子对和第二转子对之间的内腔室。因此从入口往出口的空气流具有从入口至内腔室的第一次增压以及从内腔室至出口的第二次增压。如果在内腔室处设置一出口，则也可从壳体以通过第一次增压确定的压力供应空气。电机能驱动第一轴，或可被皮带传动所驱动。
通过下面结合附图对实施本发明的最佳模式进行的详细说明能容易理解本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点。
附图说明
图1示意性地示出空气供应系统的第一实施例沿图3的1-1线的局部剖视图。
图2示意性地示出图1的空气供应系统沿图3的2-2线的剖视图。
图3示意性地示出图1和图2的空气供应系统的透视图。
图4示意性地示出空气供应系统的第二实施例的局部剖视图。
图5示意性地示出示出图1的空气供应系统的空气流动。
图6示意性地示出空气供应系统的第三实施例。
图7示意性地示出由发动机通过皮带传动驱动的空气供应系统的第四实施例。
图8示意性地示出空气供应系统的第五实施例。
具体实施方式
参见附图，其中所有附图中相同的附图标记表示相同的部件，图1示出了空气供应系统10，其被构造为对空气流进行两级增压。空气供应系统10包括多件式壳体12。壳体12包括中间壳体部分14、第一盖罩16、第二盖罩18和第三盖罩20。壳体12形成第一大致圆筒形的腔室13和第二大致圆筒形的腔室15，如图2所示。壳体12支撑第一转轴22和基本平行于第一转轴22设置的第二转轴24。所述轴22和24延伸穿过两个腔室13，15。盖26覆盖第一转轴22的末端并附接到第二盖罩18，如图1和2所示。在图3中，盖26被移走。第一轴22和第二轴24延伸穿过第二盖罩18中的开口27，28，并在轴承30，32处通过中间壳体部分14支撑。另外，滚针轴承或其他适合的轴承(未示出)被分别定位在第一轴22和第二盖罩18之间以及第二轴24和第二盖罩18之间。
第一轴和第二轴22，24支撑第一转子对33和第二转子对35。第一转子对33位于第一腔室13内，第二转子对35位于第二腔室15内。第一转子对33包括安装在第一轴22上以随第一轴22旋转的第一转子34。第一转子对33还包括安装在第二轴24上以随第二轴24旋转的第二转子36。第二转子对35包括安装在第一轴22上以随第一轴22旋转的第一转子38，以及安装在第二轴24上以随第二轴24旋转的第二转子40。
在一个实施例中，每个转子34，36，38，40包含有多个螺旋叶片，空气供应系统10是一种用于发动机的固定排量增压组件，比如罗茨式鼓风机(又称为罗茨鼓风机)，其通过第一转子对33的旋转输出固定体积的空气、并通过第二转子对35的旋转输出另一固定体积的空气。当两组转子33，35以相同的速度旋转时，第一转子对33以第一流率进行输出，第二转子对35以第二流率进行输出。罗茨式鼓风机是一种容积式设备，因此增压并不取决于转速。当被驱使进入壳体12后，每个转子对33，35的输出空气就被加压。罗茨式鼓风机通过增压器转子的每一圈旋转所输送的空气体积是恒定的(也就是不随转速改变)。因为罗茨式鼓风机起到泵而不是压缩机的作用，所以罗茨式鼓风机能被用作发动机上的增压器，它能够在低发动机速度下提高压力。在每个转子对33，35的下游对罗茨式鼓风机输送的空气进行压缩。例如，壳体12的中间部分14引起离开第一转子对33的空气的压缩。壳体12的第一盖罩16引起离开第二转子对35的空气的压缩。可选地，第二转子对35可被构造为压缩机，比如在经过转子时对空气进行压缩的离心式增压器。为了提供所需的增压，压缩机式增压器必须以较高速度运行。
第一轴22通过齿轮系45由电机44驱动。电机44在图1中标示为M，并仅以局部剖视图示出为具有转子轴46(其以剖视图示出)，而电机盖48没有以剖视图示出。定子、转子、电气绕组和本领域技术人员已知的其他电机零件容置在电机盖48内，并可操作以旋转电机轴46。电机控制器50被示意性地示出为安装在电机盖48上从而和电机44成为整体。可选地，电机控制器50可被安装在其他位置并通过导电器可操作地连接到电机44。当需要通往空气消耗部件比如发动机的额外空气流时，电机控制器50使得电源比如电池给电机44供电。
齿轮系45包括第一齿轮51、第二齿轮52和第三齿轮54。第一齿轮51安装在电机轴46上以随电机轴46旋转。第二齿轮52和第一齿轮51啮合并被安装在从壳体12的第二盖罩18延伸的毂56上。第三齿轮54和第二齿轮52啮合并被安装在第一轴22上以与第一轴22一起旋转。电机44通过齿轮系45驱动第一轴22。
图2中示出的单组彼此啮合正时齿轮58被用于将第一轴22的旋转运动传递给第二轴24。正时齿轮组58包括安装在第一轴22上以与第一轴22一起旋转的第一正时齿轮60。第一正时齿轮60和第二正时齿轮62啮合，第二正时齿轮62安装在第二轴24上以与第二轴24一起旋转。因为转子组33，35的第一转子34，38安装成在相同的第一轴22上旋转，而转子组33，35的第二转子36，40安装成在相同的第二轴24上旋转，所以只需要单组的正时齿轮58来将扭矩从第一轴22传递到第二轴24。由于避免了每个转子对33，35都有各自的正时齿轮组，所以空气供应系统10实现了较小的轴向宽度并减少了部件。
壳体12和转子组33，35被构造为使得第一转子对33用作第一级罗茨式鼓风机，第二转子对35用作第二级罗茨式鼓风机。也就是说，流过壳体12的空气流经历两级增压。壳体12构造为使得由第一转子对33输送的空气在离开第一转子对33后被第一次增压。如下面所述，第一转子对33输送的空气中至少有一部分流过第二转子对35并被第二次增压。
空气通过形成在第二盖罩18中的空气入口66进入空气供应系统10。如图3所示，空气入口66位于壳体12的上侧。第二盖罩18形成通道67，其引导空气流从入口66前往容置第一转子对34，36的腔室13的进入区68。如图3最好地示出的、以及如图5示意性地示出的，通道67在最靠近电机44的转子34的一侧上引导入口空气。在图1中用箭头70表示空气从入口66流到进入区68。转子34，36的旋转将固定体积的空气输送到形成在壳体12内的内腔室72。内腔室72位于第一转子对33的气流出口处。被第一转子对33泵入壳体12的空气流和内腔室72上游的空气压力使得内腔室72处的空气的压力大于进入区68处的压力。因此第一转子对33和壳体12对从进入区68到内腔室72的空气进行第一次增压，增压比例为内腔室72中的空气压力P1比进入区68处的空气压力P0。空气压力P0可以是大气压力。
在图1的实施例中，第三壳体部分20形成中间出口74，这里也称为附加出口，在该出口处，第一转子对33所泵出的具有第一压力P1的空气流的一部分73可以被供应到一空气消耗部件，如图5所示。例如，出口74处的空气可被供应到发动机78(标识E)的空气进气歧管75，如图5所示。在本文中，“发动机”可以是内燃机、柴油发动机、燃料电池或任意其他已知的动力设备。在一个实施例中，发动机78是固体氧化物燃料电池或聚合物电解质隔膜(PEM)燃料电池，也被称为质子交换膜燃料电池。这些燃料电池可能需要两个不同压力的空气流，由本文中所描述的空气供应系统10和210提供。
内腔室72构造为使得固定体积的空气流76通过内入口84前往通向第二转子对35的通道79。空气流进入转子对35，并且通过轴22，24的旋转将固定体积(的空气)从第二转子对35输送到通向出口80的离开通道77。离开通道77从第二转子对35以不同于通道79的截面延伸，在图1的剖视图中从通道79下面穿过、以虚线示出。出口80也可通过通道或管道(未示出)与图5中发动机78的空气进气歧管75流体连通。出口74，80之间的一个或多个阀(未示出)控制哪个出口74，80提供往歧管75的空气流。发动机78可以是内燃机。当需要较小的发动机输出扭矩时(比如在高发动机速度下)，空气供应系统10可被用于从中间出口74以第一压力P1给内燃机78供应空气。当需要大的扭矩时(比如在低行车速度加速时)，空气供应系统10可被用于从出口80以较高的第二压力P2低速地给内燃机78供应空气。
安装在中间壳体部分14上、介于正时齿轮60和第二转子对35之间的中间板82形成一个高压密封屏障，以防止空气通过第二转子对35的表面泄漏到正时齿轮所设置的正时齿轮腔室中。内入口84的尺寸、出口74的尺寸以及内腔室72的尺寸和形状决定了通过内入口84进入第二转子对35的空气流部分76。通过转子对33，35的旋转，固定体积的空气流前进到第二转子对35。
如图5所示，第二转子对35输送到第一出口80的空气流的体积以通道77内的空气压力P2比通道79内的空气压力P1的比例被第二次增压。所以，空气供应系统10通过独立出口74，80以两个不同的压力P1和P2提供空气。类似于图7中的换热器可以被设置在内腔室72附近，以在空气部分76流到第二转子对35之前冷却内腔室72中的空气。
对于某些应用而言，需要经过两级增压的具有压力P2的空气流，却不需要中间压力P1的空气流。图4示出了空气供应系统110的可选实施例，很多方面都与图1的空气供应系统10相同，除了没有和内腔室72流体连通的中间出口。壳体112的中间部分114是封闭的，或者第三盖罩被用于封闭中间部分114。不管是哪种情况，在内腔室72处，两个转子对33，35之间没有出口。相反地，内腔室72起到通道的作用，将流过第一转子对33的所有空气引导到内入口84并流过第二转子对35。在出口80处的所有空气流从初始入口压力P0被加压到P2。空气流在内腔室72中被第一次增压到P1，然后在出口80处被进一步增压到P2。
图6示出了空气供应系统210的另一个实施例，除了电机44被定位成使得电机轴46平行于第一轴22并直接驱动第一轴22以外，其他方面都和图1的空气供应系统10类似。空气供应系统210占据较大的轴向组装空间，但是具有较小的深度。某些场合的组装要求可能更适合这种设计。由于电机44安装成直接驱动第一轴22，所以不需要图1中空气供应系统10的齿轮系45。因此第二盖罩18可以更小，而且不需要齿轮系盖26。
图7示出了空气供应系统310，除了第一轴22由发动机378通过皮带传动382驱动以外，其他方面都和图4的空气供应系统110类似。流出出口80的空气通过通道(未示出)被引导到发动机歧管375。空气供应系统310中不包含电机。本实施例中的发动机378可以是但不限于非混合柴油发动机。发动机378具有通过离合器384的接合而选择性地连接到皮带传动382的曲轴383。当离合器384接合时，曲轴383通过皮带387将扭矩传递给第一轴22和一组皮带轮385，386，皮带轮385，386被安装为分别与皮带传动轴388和第一轴22一起旋转。当离合器384接合时，皮带传动轴388随曲轴383旋转。皮带传动轴388和皮带轮385，386由静止构件比如发动机气缸体支撑在轴承上。发动机皮带传动系统对本领域技术人员来说是容易理解的。
空气供应系统310还包括和中间壳体部分114热连通的换热器390。换热器390具有使恒定量的冷却剂从入口流到出口的通道。入口冷却剂流392被示出进入换热器390，出口冷却剂流394离开换热器390。冷却剂流一直冷却相邻的中间壳体部分114的内腔室72。内腔室72温度的降低导致出口80处的输出温度较低，这对高效燃烧是有利的。
图8示出了空气供应系统410的另一个实施例，除了电机44定位成使得电机轴46平行于第一轴22并直接驱动第一轴22以外，其他方面都和图4的空气供应系统110类似。空气供应系统410占据较大的轴向组装空间，但是具有较小的深度。某些场合的组装要求可能更适合这种设计。由于电机44安装成直接驱动第一轴22，所以不需要图4中空气供应系统110的齿轮系45。因此第二盖罩18可以更小，而且不需要齿轮系盖26。空气供应系统410可被用于给柴油混合发动机提供两级增压的空气流，但不限于所述应用。
虽然已经详细描述了实施本发明的多个方面的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及的领域的技术人员可意识到用于实施本发明的替换的方面，其都落入所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种空气供应系统(10，110，210，310，410)，包括：
壳体(12，112)；
第一旋转轴(22)和第二旋转轴(24)，第一旋转轴(22)和第二旋转轴(24)至少部分地位于壳体内；
第一转子对(33)和第二转子对(35)，每个转子对具有支撑在第一轴上旋转的第一转子(34，48)和支撑在第二轴上旋转的第二转子(36，40)；
其中，壳体具有位于第一转子对处的入口(66)、位于第二转子对处的出口(80)、以及位于第一转子对和第二转子对之间的内腔室(72)，因此从入口往出口的空气流具有从入口至内腔室的第一次增压以及从内腔室至出口的第二次增压。
2.根据权利要求1的空气供应系统，其中至少一个转子对构造为罗茨式鼓风机。
3.根据权利要求1的空气供应系统，其中壳体具有位于内腔室处的附加出口(74)，在附加出口处，部分空气流在被第一转子对第一次增压后排出壳体而没有流到第二转子对。
4.根据权利要求3的空气供应系统，其中壳体包括中间板(82)，中间板(82)构造为至少部分地密封其中设置有第二转子对的腔室。
5.根据权利要求1的空气供应系统，还包括：
电机(44)，电机(44)以可操作的方式连接到第一轴并能够操作以驱动第一轴旋转。
6.根据权利要求5的空气供应系统，还包括：
齿轮系(45)，齿轮系(45)以可操作的方式将电机连接到第一轴，从而使得电机通过齿轮系驱动第一轴旋转。
7.根据权利要求5的空气供应系统，其中壳体构造为支撑电机，从而使得电机的电机轴(46)布置为基本平行于第一轴和第二轴。
8.根据权利要求5的空气供应系统，还包括：
和电机一体的电机控制器(50)。
9.根据权利要求1的空气供应系统，还包括：
换热器(390)，其和内腔室流体连通并能够操作以冷却内腔室中的空气。
10.根据权利要求1的空气供应系统，还包括：
单组彼此啮合的正时齿轮(58)，其以可操作的方式连接第一轴和第二轴。
11.一种用于具有空气进气口(75，375)的发动机(78，378)的增压器组件(10，110，210，310，410)，增压器组件包括：
壳体(12，112)；
第一旋转轴(22)和第二旋转轴(24)，第一旋转轴(22)和第二旋转轴(24)至少部分地位于壳体内；
第一转子对(33)和第二转子对(35)，每个转子对具有支撑在第一轴上旋转的第一转子(34，48)和支撑在第二轴上旋转的第二转子(36，40)；
其中每个转子对构造为通过轴的旋转来输送各自的预定体积的空气；
其中，壳体具有位于第一转子对处的入口(66)、位于第二转子对处的出口(80)、以及将空气流从第一转子对引导到第二转子对的内腔室(72)；其中，第一出口构造为以可操作的方式连接到发动机的进气口；因此将空气流供应给发动机的增压器组件经历从入口至内腔室的第一次增压和从内腔室至出口的第二次增压。
12.根据权利要求11的增压器组件，其中发动机是内燃机；其中壳体限定有中间出口(74)，中间出口(74)位于介于第一转子对和第二转子对之间的通道处、且以可操作的方式连接到发动机的进气口，因此经过第一次增压的空气流能从中间出口进入发动机，而经过第一次增压和第二次增压的空气流能从第一出口进入发动机。
13.根据权利要求11的增压器组件，还包括：
换热器(390)，其和内腔室流体连通、且能够操作以冷却内腔室中的空气。
14.根据权利要求11的增压器组件，其和发动机组合，其中发动机是燃料电池。
15.一种空气供应系统(10，110，210，310，410)，包括：
壳体(12，112)；
第一旋转轴(22)和第二旋转轴(24)，第一旋转轴(22)和第二旋转轴(24)至少部分地位于壳体内；
位于壳体内的第一转子对(33)和第二转子对(35)，每个转子对具有支撑在第一轴上旋转的第一转子(34，48)和支撑在第二轴上旋转的第二转子(36，40)；
互相啮合的单对正时齿轮(58)，其以可操作的方式连接第一轴和第二轴；
齿轮系(45)；
电机(44)，其通过齿轮系以可操作的方式连接到第一轴、并能够操作以驱动第一轴旋转；
其中，壳体具有位于第一转子对处的空气入口(66)、在第一转子对和第二转子对之间延伸的内腔室(72)、位于内腔室处的第一出口(74)、以及从内腔室穿过第二转子对的第二出口(80)，从入口至第一出口的空气流具有第一次增压，从内腔室至第二出口的空气流具有附加的增压；以及
燃料电池，其以可操作的方式连接到壳体以接受来自第一出口和第二出口的空气流。
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