CN103362805A - 具有可变进气口几何结构的旋转式鼓风机 - Google Patents

Abstract

一种具有进口适配器(120)的旋转式鼓风机(100)，其中进口适配器(120)能够被致动以改变进口(107)几何结构并因此改变停留时间。在第一位置处，进口适配器(120)使得停留时间为大。这样的位置提供了高鼓风机(100)速度时的最高效率。在第二位置处，进口适配器(120)使得停留时间相对较小。这样的位置提供了在低鼓风机(100)速度时的最高效率。可操作进口适配器(120)以在一个鼓风机(100)转速范围内增加鼓风机(100)效率。

Description

具有可变进气口几何结构的旋转式鼓风机

优先权

本申请是2012年4月5日提交的美国临时申请61/620533的连续申请。

技术领域

本发明涉及用于内燃机的增压器。

背景技术

吸气式发动机的充气受制于大气压下发动机气缸的容纳程度。能通过强迫吸气来加强充气，这就是对发动机进气进行增压的过程。增压器就是适于这个目的的压缩机。

一种类型的增压器是罗茨型鼓风机。罗茨型鼓风机是具有两个转子的旋转式鼓风机，其中两个转子具有啮合叶片。转子在具有进口和出口的腔室中旋转。来自进口的空气被捕获在由相邻的转子叶片限界的空间内。这些空间被称为传送容积(transfer volume)。被捕获在一个传送容积中的空气从进口向出口转移。最后，传送容积朝向出口打开。在传送容积的限界叶片与相对的转子的叶片啮合时，空气从传送容积驱出。啮合迫使空气通过出口并且防止传送容积将空气带到进口。

罗茨型鼓风机在1860年代被作为鼓风炉的通风装置提出。在1930年代罗茨型鼓风机被用作增压器。早期的罗茨型鼓风机采用具有两个叶片的转子，其中叶片几乎没有螺旋角。进口相对于转子是径向的，且出口相对于转子同样是径向的、与进口正对。早期的罗茨型鼓风机具有相对差的热效率。此后作出了显著改善并且导致了增压器在汽车领域中更为广泛的应用。改善包括三个以及四个叶片的转子、为转子提供螺旋弯曲、以及改变鼓风机进出口。进出口方面的改变包括进口穿过鼓风机壳体(102)的轴向端部形成。这些改善的一部分设法最佳化传送密封时间。

一般而言，对于旋转式鼓风机，传送密封时间就是转子旋转周期，表示为用角度或弧度来表征的弧度测量，传送容积与鼓风机进口和出口之间被有效地密封(隔开)。与进口和出口之间有效地密封隔开意味着传送容积既不直接地与进口或出口连通、也不间接地经由不受限的连通(方式)与其它传送容积连通，但不排除由于不完全的密封导致的渗漏。传送密封时间被作为一单值设计参数对待。

美国专利5078583(‘593专利)描述了一种改进的罗茨型鼓风机进口开口。背景部分指出：在低鼓风机速度下增加传送密封时间改善鼓风机效率、然而在高鼓风机速度下降低传送密封时间改善鼓风机效率。‘593专利提出了一种能在高速时改善鼓风机性能同时不会降低低速时的性能的进口开口形状。

过去对增压器效率的改善使得增压器在汽车工业中得到广泛应用。增压器消耗动力，但它们使得能够利用较小的发动机并最终提高了燃料经济性。增压器仍然消耗了大量的能量并且燃料经济性始终是一个问题。因此，还需要摸索更有效的增压器。

进口密封时间为传送容积与进口连通的时间。进口密封时间通常包括膨胀时间。膨胀时间为一个时间段，在该时间段内传送容积由于转子叶片脱离啮合而吸气。进口密封时间还包括停留时间。停留时间为一个时间段，在该时间段内传送容积与进口连通同时完全脱离与相对转子叶片的啮合并且不再由于传送容积的膨胀而吸气。

发明内容

本发明教导的一方面是一种旋转式鼓风机，其具有进口适配器来改变进口几何结构并且因此改变停留时间。致动器构造成在多个位置之间移动进口适配器。在第一位置，进口适配器使得停留时间相对较大。这样的位置提供了高鼓风机转速下的最高效率。在第二位置，进口适配器使得停留时间相对较小。这样的位置提供了低鼓风机转速下的最高效率。通常有两个进口适配器，一个与第一转子协作以及另一个与第二转子协作。进口适配器能够被操作，使得相比于具有固定进口几何结构的鼓风机，这样的鼓风机在操作范围内更为有效。

本发明教导的另一方面是一种旋转式鼓风机，其包括具有进口和出口的腔室。腔室内有具有啮合叶片的第一和第二转子。转子操作从而将流体从进口输送到出口。提供了进口适配器。进口适配器构造成被致动从而改变进口几何结构并且由此改变停留时间。

本发明教导的另一方面是一种旋转式鼓风机，其包括具有进口和出口的腔室、进口适配器以及致动器。腔室内有具有啮合叶片的第一和第二转子。鼓风机具有传送容积，其是相对于相邻转子叶片限定的空间。传送容积具有一面向进口侧，其跨越相邻转子叶片之间的空间。进口适配器的形状、尺寸和位置可以在第一转子每次旋转期间的至少某一刻完全地密封每个第一转子传送容积的面向进口侧。进口适配器可以在多个位置之间移动。进口适配器完成传送容积的面向进口侧的密封的角位置随着进口适配器位置而变化。致动器构造成在鼓风机运行时在多个位置之间移动进口适配器。通常，移动进口适配器会改变停留时间。移动进口适配器还可改变传送密封时间。

在本发明教导的各个方面中，转子叶片的端部可扫过一邻近进口的表面。进口适配器可具有一面，该面平行于并靠近上述扫过平面。进口适配器的运动可被限制为维持该平行度和靠近度。这种类型的限制与将进口适配器保持在一组位置(在该组位置上，进口适配器能够与转子叶片形成密封关系)之内的目的一致。在进口适配器的可能位置之间，停留时间变化。为了制成该构造，有利地，采用具有处在与转子轴垂直并且靠近进口的单个平面内的平坦端部的叶片的转子。叶片端部扫过的表面和进口适配器的面然后都是平坦的，并且进口适配器的运动被限制为将该进口适配器的面维持在与扫过表面平行的平面内。

在本发明教导的多个方面中，进口适配器安装成绕转子的旋转轴枢转。即使进口适配器移动以改变停留时间，这样的构造也保持了转子叶片和进口适配器前缘之间的迎角。典型地，有两个转子和两个进口适配器，其中第二个进口适配器安装成绕第二转子的旋转轴枢转。两个进口适配器齿轮啮合以同步它们的运动，由此一个进口适配器的旋转引起另一个进口适配器的大小相等方向相反的旋转。

本发明教导的其它方面包括操作配备有进口适配器的旋转式鼓风机的方法。所述方法包括在低速下运行鼓风机。增加鼓风机转速。致动进口适配器从而减小停留时间。减小鼓风机转速。致动进口适配器从而增加停留时间。该方法采用进口适配器来改善高鼓风机转速下以及低鼓风机转速下的鼓风机效率。

本发明教导的另外方面包括操作配备有进口适配器的旋转式鼓风机的方法。该方法包括通过致动进口适配器以增加进口打开时间来提高以第一速度运行的鼓风机的效率、以及通过致动进口适配器以减小进口打开时间来提高以低于第一速率的第二速率运行的鼓风机的效率。

进一步的适用范围将从下文的说明书变得明显。应当理解，说明书和具体实例仅仅是示范目的而不打算限定本发明教导的范围。

附图说明

图1所示为根据本发明教导的示范性旋转式鼓风机。

图2所示为图1中移除支承板后的旋转式鼓风机。

图3为图1中的支承板、进口适配器、致动器的分解图。

图4为图3中的支承板从面向腔室一侧观察的视图，进口适配器位于其第一(最打开)位置。

图5为与图4相同的视图，不过进口适配器位于第二(最关闭)位置。

图6为图3中的支承板从鼓风机外侧观察的视图，进口适配器位于其第一位置。

图7为与图6相同的视图，不过进口适配器位于第二位置。

具体实施方式

图1-7示出了示范性的旋转式鼓风机100，其为一增压器。鼓风机100可以是轴向进口径向出口的罗茨型鼓风机。鼓风机100包括容置在壳体(102)102的腔室106中的啮合的转子101。壳体(102)102包括螺接到靠近腔室106的进口107一侧的支承板104。穿过壳体(102)102的开口103能够通向腔室106的出口108。支承板104上的开口105能够通向腔室106的进口107。可以通过装配到支承板104上的进口适配器120来改变进口107的几何结构。开口105的尺寸可设计为：即使当进口适配器120使进口107尽可能大时，也最小程度地阻挡进口107。

图中所示的两个转子101分别为转子101a和转子101b。转子101a和101b以及相应的结构在绝大部分方面互为镜像，除了转子101a和101b具有相位差。对于重复部件，跟随在附图标记后面的字母“a”表示转子101a侧的部件，而跟随在附图标记后面的字母“b”表示转子101b侧的相应部件。不带字母的附图标记既适合于“a”元件也适合于“b”元件。

图中所示的进口适配器120a和120b不是十分对称。进口适配器120b能够被直接致动，而进口适配器120a能够经由进口适配器120b致动。通常，成对提供进口适配器120，并且与转子101b相联系的传送容积112b的停留时间可以和与转子101a相联系的传送容积112a的停留时间一起改变。

每个转子101a和101b可都具有分别围绕它们相应的轴110a和110b对称布置的四个叶片109。各叶片109可以具有平坦的并且靠近进口107的端部114。叶片109的轮廓可以在转子101的长度方向上没有变化，除了给叶片109赋予螺旋形状的弯曲。从端部114a观察且从该端部开始，图1所示的实例的转子101a逆时针方向弯曲160度。转子101b的各叶片109b同样地但是以相反的方向弯曲。转子101将会被构造成与它们的叶片109的弯曲相反的方向旋转。例如如图1所示，转子101a将会被构造成以顺时针方向旋转，而转子101b将会被构造成以逆时针方向旋转。当弯曲叶片式样的转子101在正常操作下旋转时，靠近进口107的叶片端部114领先它们的相对端。

转子101可被安装到轴承上从而在腔室106内绕其轴110旋转。在支承板104内的圆柱形结构113可接纳转子101的端部111。当转子101旋转时，它们的叶片109可扫过一圆柱形的容积。扫过容积可以是平行的、对齐的以及重叠的。两个转子101一共扫过的容积(包括叶片109的扫过容积)在腔室106内狭窄/恰好地匹配。该匹配足够狭窄从而使得腔室106能够与叶片109形成密封关系，但要足够宽从而即使转子101的形状因热膨胀改变(这对增压器操作来说是正常的)也可避免对转子101造成阻碍。正时齿轮(未示出)协调转子101a和101b的运动，保持它们稍微间隔开但仍然足够接近从而构成密封关系。

在腔室106的周边，壳体(102)102与叶片109的顶面118之间形成密封关系。在腔室106的一端处，壳体(102)102和与支承板104相对的叶片端部形成密封关系。进口适配器120与叶片端部114形成密封关系。壳体(102)102也与叶片端部114形成密封关系。在图1所示的实例中，支承板104的上升区域135是壳体(102)102的与叶片端部114形成密封关系的那个部分。壳体(102)102确定腔室106的进口107的形状。该形状被进口适配器120更改。叶片端部114可以是平坦的并且能够位于垂直于转子轴110的单个平面内。该定向能够便于与叶片端部114成密封关系地布置进口适配器120以及上升区域135。

进口适配器120可包括位于支承板104的面对腔室侧136的密封件139和位于支承板104的外侧137的支撑件140。支承板104可以具有凹槽138以用于接纳和支撑密封件139。凹槽138可包括一个缘142。缘142与鼓风机壳体(102)102相配合能锁住密封件139的周边。密封件139的尺寸可如此地设计：其与缘142配合以与缘142的侧面143以及周边144形成密封关系。密封件139的厚度能够允许其与叶片端部114和凹槽138形成密封关系。

支撑件140可以通过柱141联接到密封件139。柱141能够在形成于支承板104内的狭槽129中移动。狭槽129可以被定位成：在进口适配器120的整个运动范围内都通过密封件139与腔室106隔开(见图4和图5)。密封件139可在凹槽138内紧密地抵靠支承板104地配合，部分地为了封闭狭槽129。支承板104能够装配有轴承以支撑密封件139并帮助它移动。

密封件139a的前缘123a的形状可以与叶片109a的前缘124a一致。同样地，密封件139b的前缘123b的形状可以与叶片109b的前缘124b一致。可以理解，这样的形状有助于使得进口107的开口区域最大化。按照本发明，可以理解这有利于使得进口面积在进口打开时间受限时尽可能大。

支撑件140可以抵靠支承板104地保持住密封件139，并且因此能够有利于在密封件139和叶片端部114之间维持狭窄的隔开(距离)。该隔开(距离)要充分狭窄，由此使得在旋转期间叶片端部114与密封件139实现密封关系。

支承板104的面对腔室侧136可以包括上升区域135。上升区域135的位置与形状如此地设计：正好在顶面118到达上尖点131时或在之稍前时与叶片端部114形成密封关系。上升区域135可保持住该密封，直到叶片109两边的两个传送容积112中的前一个开始其膨胀相。在本文中，上升可仅仅是没有凹入。上升区域135可以与密封件139齐平/一样高。

支撑件140可围绕结构113并绕着结构113旋转，结构113形成在支承板104中以用于接纳转子端部111。这种构造能够限制进口适配器120的转动，使得其绕转子101的轴线110的转动。支撑件140能进一步包括啮合齿122。啮合齿122可以调节进口适配器120a、120b的运动，使得适配器120a的转动能够引起适配器120b相等并且相反的转动。在图1所示的实例中，适配器120可以自由旋转30度弧。一个方向的旋转可由缘142的长度限制。相反方向的转动可由进口适配器支撑件140彼此之间的干涉限制。

致动器127可被安装在支承板104的外侧137。致动器127可以具有能够与形成在支撑件120b上的齿130啮合的齿轮128。致动器127可以在多个位置之间移动进口适配器120b。此处可以至少有3个不同位置以提供对停留时间的宽泛选择。致动器127也可以被构造成移动进口适配器120a。进口适配器120a和120b的移动可以是同步的或耦合的。例如，进口适配器120的移动可以通过啮合齿122耦合以及协调。

在鼓风机100运行期间，空气被捕获于传送容积112内。在图1所示的实例中，从限定传送容积112的一对叶片中的后叶片109的前缘124到达进口适配器120的后缘123的那一刻开始空气就被捕获在传送容积112中。在那一刻，后叶片109进入与进口适配器120的密封关系。前叶片与后叶片109的顶面118然后都与腔室106成密封关系。空气最开始被捕获于其中的空间的尺寸定义出传送容积112。

在一个旋转周期内，空气能够保持被捕获于传送容积112中，该旋转周期被定义为传送密封时间。最后，捕获/密封打开/解除。在图中所示的实例中，当前叶片109的顶面118到达其不再与腔室106沿其整个长度成密封关系的位置时捕获/密封被解除。从那个角坐标起并在此后的一个时间段内，传送容积112不再在它的所有周边处都被物理地限界。然而为了方便起见这些叶片间区域在转子101的整个旋转期间仍可称为传送容积。在图1所示的实例中，具有8个传送容积112。其中4个为位于相邻的叶片对109a之间的空间、4个为位于相邻的叶片对109b之间的空间。

出口108可以大致为三角形。三角形的基部/底边132可以与进口107相对。三角形的顶点133可接触上尖点131。尖点可被定义为腔室106的遵循一个气缸形状的那部分与腔室106的遵循另一气缸形状的该部分接触的位置。在图1所示的实例中，存在两个尖点：上尖点131和下尖点145。上尖点131可以与出口108位于同一侧。出口108的侧面134的形状可以设计为与顶面118的曲率匹配。侧面134a的形状可以与面118a匹配并且侧面134b的形状可以与面118b匹配。

当前叶片109的顶面118通过出口108的侧面134时，传送容积112开始直接与出口108连通。但是，传送容积112可以在这之前开始与出口108连通。与出口108的连通可以在前叶片109的顶面118通过尖点131、建立与出口108的间接路径时开始。在图1所示的实例中，由于转子转动的方向，该路径首先在靠近进口107处打开。间接路径能够通过前叶片109并且通过在旋转周期中更靠前的一个或多个传送容积112。在与出口108直接连通之前打开的间接路径被称为通风孔。在图1中的实例中示出的类型的鼓风机100中，如果叶片弯曲足够，则会出现通风孔。通风孔能够减慢传送容积112内的压力与出口压力均衡的速度，这提供了包括降低噪音和增加鼓风机效率的优点。

在轴向进口、径向出口的罗茨型鼓风机中，除了由高的叶片弯曲引起的类型外，鼓风机还可以设置有其它的通风孔，包括允许流过腔室106的周边的通风孔以及由阀控制的通风孔。这种通风孔能够导致关于传送密封时间的模糊度。在这种情况下，传送密封时间根据上面提到的从进口107到出口108的直接以及间接打开通路来定义。这些通路具有共同点，那就是它们完全位于腔室106内部并且完全经由落在转子叶片109扫过范围之内的空间。

随着转子101持续旋转，一个转子101的叶片109开始与相对转子101上的叶片109啮合。叶片109的啮合驱使空气从传送容积112前往出口108。随着进一步旋转，限定传送容积112的叶片对的前叶片109进入与相对转子101的第一叶片109、然后是第二叶片109的密封结合。限定传送容积112的叶片对变得与相对转子101的叶片109完全啮合。对于具有弯曲叶片的转子，完全啮合最初发生在紧邻进口107处。完全啮合区域然后朝着出口108迁移。啮合将传送容积112分成两个通过叶片彼此密封的空间。随着完全啮合区域从进口端的迁移，传送容积空间的分开的部分中远离进口107的那个部分缩小、同时靠近进口107的那个部分变大。当靠近进口107的那个分开空间开始变大时，传送容积112可朝向进口107打开。

图1所示实例中的鼓风机100的传送密封时间为转子从第一点到第二点的旋转量，其中第一点为一相邻叶片对的后叶片109的前缘124到达进口适配器120的前缘123，第二点为叶片对的前叶片109的顶面118通过临近支承板104的上尖点131。在进口适配器120a(其处于第一位置)顺时针旋转的限制下，传送密封时间最小，在实例中为零，停留时间为最大，在实例中为30度。通过致动器127的操作，进口适配器120a可以被调整到一个新的更加逆时针位置。进口适配器120b的相应调整可以通过轮齿122的啮合实现。在新的位置，停留时间减少。进口适配器120的运动改变了进口107的几何结构并且能够把停留时间减小到最小，在本实例中为零。进口密封时间改变的程度与停留时间相同。在下面的说明中，传送密封时间改变一个相等但相反的程度。

当进口适配器120a逆时针旋转时，它能空出位于支承板104上的凹槽区域138一部分。当前叶片109通过该空出区域时，捕获在传送容积112中的空气能够泄露通过前叶片109、经过一位于叶片端部111和支承板104之间的路径。泄露能够到达在旋转周期中靠前的并且已经与出口108连通的传送容积。取决于密封件139的厚度，该泄露路径可以是显著的并且作为通风孔。这样的通风孔可以是有益的，如果它直到传送容积112不再与进口107连通才开放。进口适配器120可以跨越相邻叶片109之间的距离，从而使得进口适配器120可在每个转子旋转期间于进口侧至少密封/封闭传送容积片刻。可以表明，该几何结构保证了在任何给定时间，至少一个转子叶片109与密封件129处于密封关系并且因此防止这样的一个通风孔在传送容积112不再与进口107连通之前形成。

致动器127可以通过多个合适机构实施。用于致动器127的合适机构可以包括液压的、机械的以及电子的机构。电子致动机构的例子可以包括螺线管和电动机。电动机可以转动一驱动齿轮128的心轴。螺线管可以通过齿条和小齿轮转动齿轮128。

液压致动机构的例子可以包括这样的例子：其中致动器位置由弹簧位置决定而其中弹簧张力与液压力平衡。液压力由致动室中的液压流体的压力决定。在该实例中，弹簧可以足够地偏移以平衡液压，并且偏移量可以决定进口适配器120的位置。进口适配器120的位置可以因此由致动室内的液压流体压力决定。

可以通过操作液压泵来增加致动室内的流体压力。进入致动室的流体可选地由一个阀控制，如同一个液压泵为多个独立受控的致动器提供压力的情形。阀或者孔口或者两者都能限制从致动室流出的流速。致动室压力以及因此进口致动器位置可以例如通过增加泵送速度来增加进入致动室内的流速或者例如通过关闭阀来减小流出致动室的流速而改变。

致动器127可以与各种形式的控制一起实施。合适的控制类型可以包括电子控制、手动控制以及自发控制。电子控制可由被编程以控制致动器127的发动机控制单元或具有存储器内的合适指令的单独电子控制器来提供。电子控制单元能够接收与控制参数有关的数据。一个这样的控制参数可以是鼓风机转速。发动机转速可以经常是鼓风机转速的替代并且能够代替鼓风机转速、或者当两者为独立参数时与增压器转速一起提供给控制器。其它示范性的控制参数可以包括进气歧管压力、发动机扭矩以及环境温度，以及其它合适的车辆控制参数。可以采用多种合适的控制方法来编程控制器。这种控制方法的例子可以包括前馈控制算法、反馈控制算法以及利用了上述两种控制类型的算法。

自发控制指的是既不电控也不手控的控制。一个实例就是能对鼓风机驱动时的速度作出响应的液压系统。例如，液压泵可以耦联到能够驱动转子的输入轴。该液压泵能够在轴转速增加时增加往致动室的液压流体的流速。从致动室的流出可以利用孔口或阀或两者来限制。流入和流出速度平衡时的致动室压力可以取决于鼓风机转速，并且能够充当致动器位置、以及因此进口适配器120位置的替代。

示范性的自发系统可以执行一基础控制方法。该基础控制方法包括根据鼓风机转速或其替代(值)来设定进口适配器的位置。进口适配器能够被设置成在高速运转下增加停留时间并且在低速运转下减少停留时间。

停留时间对鼓风机效率的影响取决于鼓风机转速和鼓风机100两侧的压降。压降会受鼓风机转速的影响并且可定义为一个应变量。在停留期间，会发生两个相关的过程：(1)填充和(2)泄漏。在停留期开始时，传送容积112不再由于膨胀而吸气并且已经朝进口107打开了一段时间。尽管如此，传送容积在停留开始时仍然被填充，特别是如果鼓风机速度很高的话。增加停留时间能够增加填充量并且因此也增加了每个周期被每个传送容积112运输的空气量。

在停留期间，存在通过不完全密封从出口108到传送容积112的泄漏。与在高鼓风机转速下相比，在低鼓风机转速下，每个周期内该泄漏会进行更长的时间。从另一个角度来看，相比于高鼓风机速度，低鼓风机转速下该泄漏与鼓风机总风量之间的比值更大。该泄漏足以造成从出口108到进口107的流动，这降低了鼓风机效率。减少停留时间能够减少该泄漏。因此在限制泄漏和允许适当填充时间之间存在一个折衷方案。根据本发明可以认为该折衷能被平衡以获得一随着鼓风机速度和进出口压降变化的最优停留时间。当要求巅峰鼓风机效率时，可以采用进口适配器120将停留时间设到最优值。

根据本发明教导的控制方法可以是这样的方法，当需要高鼓风机效率时，如果是低鼓风机转速，进口适配器120设定到这样的一个位置——在该位置停留时间较小，并且如果是高鼓风机转速，则进口适配器120设定到如下的位置——在该位置停留时间较长。在低鼓风机转速，通常需要最佳效率，除非发动机空转。在高鼓风机转速，仅仅当需要高扭矩时需要最佳效率。例如，内燃机能够具有其中发动机高速运行的高扭矩模式和低扭矩模式。在高扭矩模式，通常需要最高的增压器效率。在低扭矩模式，根据例如发动机结构、发动机调整、发动机是否空转、是否正在进行换档等这些因素可能需要也可能不需要最高增压器效率。因此，即使具有一进口适配器120——其能最优化鼓风机效率且其位置实质上仅仅为鼓风机转速的函数，在决定将进口适配器120定位在哪里或是是否重新配置进口适配器120时，考虑除了鼓风机转速之外的因素是有利的。

在本发明教导的一方面，提供一个控制器来检测当前致动器位置并且逐渐调整致动器位置以靠近选定位置。选定位置能够从一映射(例如一查找表格)中确定，该映射提供与鼓风机转速有关的位置，或者替代地为例如发动机转速、以及可选择地其它参数例如进气歧管压力和扭矩。发动机转速在例如换挡事件期间迅速改变。逐渐增量调整策略可以防止过度急速或过度频繁地改变进口适配器的位置。可以执行多种类型的控制方法。例如可以是微积分形式的方法。这样的方法可以将进口适配器位置的调整速度选择为当前进口适配器位置和选定位置之间的差、在一个周期内该差的积分、以及该差的变化速度的线性组合。该方法还包括一个滤波器，从而使得所有的调整都可以在预定幅度的离散步骤内进行。当进口适配器仅具有有限个位置或者如果控制器仅仅能够记录有限个离散的进口适配器位置时，这样的一个滤波器可能是适用的。

在多个实例中，选定位置为鼓风机效率最高时的进口适配器位置。最佳效率位置主要取决于鼓风机转速，但也可能受其它因素的较大影响。这些可能因素包括鼓风机两侧的压降和进气温度。虽然鼓风机两侧的压降为鼓风机转速的函数，它还可能受其它因素的影响。如果鼓风机是具有允许鼓风机转速独立于发动机转速地改变的驱动机构的增压器，则发动机转速就可独立地影响压降。在一些情况下，增压器入口配置有节气门。这种节气门的位置同样可以影响压降并且因此影响效率最大时的进口适配器位置。

根据本发明教导的鼓风机100可以包括或被构造成具有一个旁通阀。增压器通常配备有旁通阀来避免寄生损失。一个常见增压器旁通阀可以利用真空致动器来自发地操作，其中在发动机怠速时真空致动器能够使得旁通阀打开。当节气门负载低时致动器打开旁通阀，当节气门负载高时致动器关闭旁通阀。当旁通阀打开时增压器两侧只有一点或没有压降，这允许增压器能在强迫吸气无益的条件下以微不足道的寄生损失运行。在另一实例中，旁通阀受螺线管控制，其可允许对旁通阀的更多的选择性控制。如果提供了旁通阀，则旁通阀位置的定位可以作为选择进口适配器位置的一个参数。

根据本发明教导的多个方面，进口适配器120可以具有停留时间最大的第一位置和停留时间最小的第二位置。第二位置可以被构造成使得停留时间非常小，例如10度或更小，5度或更小，或者理论上大致为零。这种小的停留时间在低鼓风机转速时很有用。本发明教导允许使用这些小的停留时间，而不损失在高鼓风机转速时的性能。即使在非常低的鼓风机转速下，也通常避免进口适配器120运动越过停留时间为零的位置，因为这会导致在传送容积112仍然进行吸气时传送容积与进口密封(隔开)。这样会限制由每个传送容积112传送的空气的量，并且会迫使鼓风机100抵抗内部真空地工作。

当第一传送容积112以及其它任何与第一传送容积112连通的传送容积112由于叶片109脱离啮合而停止膨胀时，第一传送容积112的停留时间开始。对于图1所示的实例，这是限定第一传送容积112的叶片对的后叶片109的顶面118通过下尖点145的点。尽管在此之前相对转子101的叶片109将完全从第一传送容积112脱开，然而直到抵达该点，第一传送容积112与旋转周期中处于早期并且仍然在膨胀的另一传送容积112连通。

可以理解，根据本发明，除了抵抗真空做功的问题外，将图1实例中的鼓风机100进口适配器120致动越过停留时间为零的位置以试图进一步减小进口开启时间也不是有效的。这是因为直到抵达停留期，传送容积112才与本身与进口107连通的其它传送容积112连通。直到与其它传送容积112的连通终止，进口适配器120才能有效地密封(隔离)进口107和传送容积112。只有当后叶片109的顶面118通过下尖点145，与这些其它传送容积112的连通才能终止，这还标志膨胀时间的结束以及停留时间的开始。

进口适配器120的第一位置可以使得停留时间大并且传送密封时间很小，例如10度或更小，5度或更小，或者理论上大致为零。传送密封时间从停留时间结束开始、一直延续到传送容积112开始与出口108连通。大的停留时间在高鼓风机转速下是有益的。本发明教导允许采用非常大的停留时间而不损失在低鼓风机转速下的性能。通过使得传送密封时间小(例如为10度或更小)而有助于获得大的停留时间。对于图1实例中的鼓风机，10度或更少的传送密封时间允许停留时间持续到限定传送容积112的叶片对的前叶片109的顶面118位于上尖点131的10度的范围内。如果停留时间直到顶面118位于上尖点131的5度的范围内才结束，则提供了更大的停留时间。理论上，进口适配器120允许停留时间延长到顶面118抵达或接近上尖点131。这提供了在不打开连通进口107和出口108的通路的情况下最长的停留时间。

当进口适配器120位于第一位置时，进口适配器120的运动范围可以与停留时间相应。从本发明可以理解，能够相当大程度地改变停留时间允许在广泛的操作条件范围内改善鼓风机效率。允许停留时间至少减半的范围就被认为是大范围。对于给定的最大停留时间，允许停留时间减少至少四分之三的进口适配器120提供了一个更大的范围。此外，可理解，具有最大有效运动范围的进口适配器120允许停留时间被减少到零或接近零。

上文反映出这样的愿望：希望使得停留时间可以在尽可能大的运动范围内可调。大的范围是20度或更多。通常，该范围可以为至少30度。这些范围反映出这样的愿望，希望能够将停留时间增加到这样程度：其在鼓风机转速范围内提供明显的效率效益。能实现的范围可能受鼓风机100设计的其它方面的限制。利用进口适配器120可实现的停留时间的典型上限为60度或更少。对于其转子101具有高弯曲度的叶片109，可以得知，在弯曲角度和停留时间能够变化多大之间是有关系的。大的弯曲角(其另外还能够有助于实现高鼓风机效率)可将停留时间范围限制在例如40度或更少。

为了避免泄漏，有利地，将进口适配器120的尺寸设计为维持与每个转子叶片的密封接合、直到后叶片109实现与进口适配器120的密封接合。这要求进口适配器120足够大以跨越相邻转子叶片109之间的间距。在其面向进口侧，每个传送容积112需要封闭从底面119的弧到顶面118的弧。进口适配器120可全部密封此径向范围或部分地密封此径向范围。例如，进口适配器120能够密封从径向位置R1(其位于底面119的弧的上方)到径向位置R2(其沿着由顶面118所扫过的弧)的范围。在图1所示的实例中，从底面119到位置R1的密封由支承板104的上升区域135实现。进口适配器120能够密封传送容积112的几乎整个径向区域，而通过移动进口适配器112生成的另外的进口打开区域尽可能大。

进口适配器120跨越相邻叶片109之间的间距，这使得可在每个转子101的叶片数目和要求的进口适配器尺寸之间建立一关系。对于四叶转子101，跨度几乎为90度。由于转子叶片109的非零的宽度，需要的进口适配器的跨度可以稍微小一些。对于图1实例中的鼓风机100，这将停留时间限制在大约30度左右。如果转子叶片109的数目增加到5个，则要求的跨度将会减小到72度并且停留时间会被增加到大约48度。

进口适配器120能够通过这样的方式来支撑，它与叶片端部114形成密封接合而不实际地接触叶片109。在图1实例中的进口适配器120示出了几个可选的支撑机构。一个机构包括进口适配器120的越过/超出顶面118的延伸部分，从而使得鼓风机壳体(102)102能够支撑进口适配器120的周边。这个支撑区域可用于相对精确地维持进口适配器120和叶片端部114之间的最小间距。另一个支撑机构可以是支承板104，其可用于限制进口适配器120和叶片端部114之间的间距。另一个支撑结构可以是设置用于容置转子端部111的圆柱形结构113。用该结构来支撑可以有助于限制进口适配器120绕转子轴110的旋转运动。

另一支撑结构可以是与定位在支承板104外侧的支撑件140(连接)的一个或多个连接件。该一个或多个连接件能由一个或多个柱141形成、或在一个或多个狭槽129内或在支承板104的其它开口中移动的其它连接部件。任何这种开口可被定位成：不管进口适配器位置如何都由进口适配器120遮盖。

将进口适配器120的一部分定位在支承板104外部能够在不妨碍与叶片端部114形成要求的密封关系的情况下允许实现某些功能。这样的功能包括控制进口适配器120的运动以及协调一对进口适配器120的运动。

叶片109可以具有螺旋状弯曲。弯曲角可以是大的，从而使得当前叶片109的顶面118通过上尖点131时传送容积112首先与出口107连通。弯曲角可以足够大，从而使得小的增加将会导致在后叶片109与位于其第一(最打开)位置的进口适配器120形成密封关系之前前叶片109的顶面118通过上尖点131。这样的增加将会使得进口107与出口108直接连通。小的增加可以是10度或更少。小的增加还可以是5度或更小。理想地，弯曲角最大，并且不能够显著地增加而不导致当进口适配器120位于第一位置时进口107周期性地与出口108直接连通。可以得知，通过这样的方式最佳化弯曲角能改善鼓风机效率。

本发明教导的许多方面都适用于其中较大进口在高转速下提供高效率而较小进口在相对的低转速下提供高效率的任何旋转式鼓风机。例子包括罗茨型、涡旋型、螺旋型、滑动叶片、以及柔性叶片的泵和鼓风机。作为在此用到的术语，术语鼓风机包括适于移动气流的泵。罗茨型鼓风机是具有二个或更多转子101、其中啮合叶片109容置在带有进口107和出口108的腔室106内的任何旋转式鼓风机100，并且用于在由相邻的叶片109和腔室106定义的离散的传送容积112内将流体从进口107传送到出口108。本发明教导特别适合于增压器。而且，通过引入根据本发明教导的增压器，发电系统和车辆能更有效率。

本发明教导还可以用于涡轮增压器，但更可能/适于被用于由增压式发动机的曲轴的机械传动装置驱动的增压器。涡轮增压器是由废气驱动的增压器。然而，当存在在增压器和增压式发动机之间提供一个固定传动比的机械传动装置时，本发明教导特别有用。机械传动装置可以是直接传动、带传动、齿轮传动或链传动。这些传动装置通常在发动机转速和增压器转速之间提供一个固定关系。可选地，传动比可以受例如离合器、变速器或电力传动器的装置的控制。

腔室106是位于壳体(102)102内的空间。腔室106部分地由壳体(102)102和进口适配器120界定。规定进口107和出口108为腔室106周围的二维表面。进口107和出口108是腔室106的未受限制/未被界定的区域。对于罗茨型鼓风机，腔室106限定为被限制在转子101扫过范围内的空间以及足够接近该扫过范围以与转子叶片109形成密封关系的附加空间。密封关系通常要求间隙小于1毫米，各转子101之间的空隙一般小于300微米。而且，转子101和腔室106之间的空隙通常小于150微米。发现减小空隙可以改善性能。为此，能够通过在制造期间在转子101或者其它鼓风机部件或者两者上施加耐磨涂层来实现非常小的空隙。涂层厚度为大约100微米。涂层厚度可以足够厚，从而在最开始完全填满空隙空间。部分涂层将会在鼓风机试运行期间被磨损掉。

提供空隙以容许热膨胀和制造公差。因此，密封和密封关系以及在本发明使用的那些术语指的是不完全的密封。因此合理限制的泄露量不会否定密封的存在/使密封无效。

本发明教导所应用的增压器通常具有1000-20000转/分(每分钟转数RPM)的运行速度。它们的压缩比范围通常为从1∶1到1∶3。运行速度和压缩比通常受限制以防止出口温度超过150摄氏度。每个转子101的叶片109的数目通常为4个。根据鼓风机效率，每个转子101具有三个或更多个叶片109是合乎需要的。每个转子101的叶片109的数目从3个增加到4个提高了效率，但是在本发明教导以前，将叶片109的数目增加到5个或更多不会带来足够的优点。使用进口适配器120，将每个转子101的叶片109数目从4个增加到5个显著地增加了停留时间可以改变的程度。因此，本发明教导将转子101制成具有5个叶片109是合乎需要的。叶片弯曲通常的范围为从60度到最大叶片弯曲减去20度。罗茨型鼓风机的最大叶片弯曲(TAmax)是叶片数目(N)、从转子轴到顶面的距离(OD)以及转子轴之间的距离(CD)的函数。

最大叶片弯曲仅仅当停留时间和传送密封时间两者都接近零时才可以获得。在罗茨型鼓风机中，叶片弯曲可以通过最大叶片弯曲减去要求的最大停留时间和最小的传送密封时间决定。最小传送密封时间可以很小。然而，本发明教导显示：当进口适配器120位于其第一位置时，能够实现大的最大停留时间是期望的。能够设定这个大的停留时间的需求限制了叶片弯曲，使得其比当停留时间被固定为一个较小的值时要小。对于鼓风机效率，在该限制下，叶片弯曲尽可能或几乎尽可能地大是有利的。这意味着当进口适配器120位于第一位置时叶片弯曲有利地落在最大叶片弯曲减去停留时间的10度范围内。

在说明书描述和附图中图示了具体方面，应该理解在不脱离本发明教导的如权利要求限定的范围内，本领域技术人员能够进行多种变化，以及适于其中元件和部件的同等替换。而且，本发明多个方面之间的特征、元件、部件和/或功能的结合及匹配在本文中被清楚地预期，以致于本领域技术人员能从本发明教导想到本发明教导的一方面的那些特征、元件、部件和/或的功能可以适当地结合到另一方面中，除非另有描述。而且，可以进行多种改进来使得特别情况、结构或材料适应于本发明而不脱离其本质范围。因此，不意欲将本发明教导限定在图中所示的特别方面，而是本发明教导的范围包括多方面以及在上文描述和附加权利要求之内。

工业实用性

本发明教导提供了一种改善的增压器，其可被用于给内燃机提供增压空气。

Claims (15)

1.一种旋转式鼓风机(100)，包括：

具有进口(107)和出口(108)的腔室(106)；

位于腔室(106)内的具有啮合叶片(109)的第一和第二转子(101)，所述第一和第二转子(101)操作以将流体从进口(107)传送到出口(108)；

停留时间，所述停留时间为弧长、由腔室(106)和转子(101)中的至少一个的几何结构决定，所述几何结构包括进口(107)的几何结构；

进口适配器(120)，所述进口适配器(120)构造成被致动而改变进口(107)的几何结构并因此改变停留时间。

2.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中：

第一转子(101)的叶片(109)具有一端部(114)，所述端部(114)扫过一邻近进口(107)的平面；

进口适配器(120)具有一平的面，所述平的面位于一平行于并靠近扫过平面的平面内；以及

进口适配器(120)的运动被限制为将该平的面维持在平行的所述平面内。

3.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中进口适配器(120)受限制地仅仅在与第一转子(101)的轴线(110)垂直的平面内运动。

4.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中进口适配器(120)安装成绕第一转子(101)的旋转轴(110)枢转。

5.根据权利要求4所述的鼓风机(100)，其中：

具有两个进口适配器(120)，一个与第一转子(101)的叶片(109)成密封关系，另一个与第二转子(101)的叶片(109)成密封关系；

第二进口适配器(120)安装成绕第二转子(101)的旋转轴(110)枢转；以及

两个进口适配器(120)齿轮啮合以同步它们的运动，由此一个进口适配器(120)的旋转引起另一个进口适配器(120)的大小相等方向相反的旋转。

6.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中进口适配器(120)提供对停留时间的三个或多个不同值的选择。

7.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中：

进口适配器(120)具有第一位置和第二位置，在第一位置处停留时间最大，在第二位置处停留时间最小；

在第一位置处，停留时间为20度或更大；

在第二位置处，停留时间为10度或更小。

8.根据权利要求7所述的鼓风机(100)，其中在第一位置处传送密封时间为5度或更小。

9.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中：

进口适配器(120)具有第一位置，在第一位置处停留时间最大；

转子叶片(109)具有螺旋弯曲；以及

叶片弯曲角是大的，以致于如果叶片弯曲角再大10度，则当进口适配器(120)位于第一位置时进口(107)和出口(108)将通过腔室(106)连通。

10.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中进口适配器(120)是一对中的一个，一个与第一转子(101)协作，另一个与第二转子(101)协作。

11.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中：

腔室(106)由壳体(102)限定；以及

进口适配器(120)的至少一部分位于壳体(102)内。

12.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中：

腔室(106)由壳体(102)限定；

壳体(102)包括支承板(104)；以及

进口适配器(120)安装到支承板(104)。

13.根据权利要求1所述的鼓风机(100)，其中：

鼓风机(100)包括传送容积(112)，传送容积(112)为相对于第一转子(101)的相邻叶片(109)所限定的空间；

传送容积(112)具有面向进口(107)侧，由相邻转子叶片(109)之间的空间限定；

进口适配器(120)的形状、尺寸和位置足以跨过相邻转子叶片(109)之间的距离，并且在每次转子旋转期间的至少某一刻密封传送容积(112)的面向进口(107)侧。

14.一种操作旋转式鼓风机(100)的方法，其中所述旋转式鼓风机(100)具有进口(107)适配器和传送容积(112)，所述方法包括：

低速运行鼓风机(100)；

增加鼓风机(100)转速；

致动进口适配器(120)以增加传送容积(112)的停留时间；

减小鼓风机(100)转速；

致动进口适配器(120)以减小停留时间。

15.一种操作旋转式鼓风机(100)的方法，其中所述旋转式鼓风机(100)包括限定有进口(107)和出口(108)的腔室(106)、构造成改变进口(107)打开面积的进口适配器(120)、以及位于腔室(106)内的具有啮合叶片(109)的第一和第二转子(101)，所述方法包括：

通过致动进口适配器(120)增加进口(107)打开时间来提高以第一速度运行的鼓风机(100)效率；

通过致动进口适配器(120)减小进口(107)打开时间来提高以低于第一速率的第二速率运行的鼓风机(100)效率。

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