勒罗伊·罗杰斯的改型压缩空气汽车系统
本帖最后由 能量海 于 2017-8-10 13:34 编辑
第八章：无燃油引擎
勒罗伊•罗杰斯的改型压缩空气汽车系统
这里所示的勒罗伊•罗杰斯(Leroy Rogers)电机没有声称有什么惊人的运行，但尽管如此，但勒罗伊在一个采访中承认，这台电机确实有一个比应用输入更大的输出，只要不让电机只是空转。该电机就像下面所示的希伯•冯•法肯伯格（Eber Van Valkinburg）的美国专利3,744,252的“应用压缩流体的封装动力系统”。然而，这里显示的罗杰斯专利具有独特的优势，它使用现成的电机和容易买到的硬件，而且对于罗杰斯引擎没有什么是真正奇特的或麻烦的——即一个人无法从阀门供应商或从金属制造公司获得的构造。
然而，虽然勒罗伊说过他的设计在每小时超过30英里时是自维持的，一个关键的设计特点是他的非常高性能的压缩机组，后来他申请了专利，如下所示。现今汽车发动机是低传动的，在相当低的转速运行。如果给它们不同的传动系统，这些同样的引擎能在更高的转速下高效运行。以罗杰斯电机，高压气瓶中所载的空气是足以驱动活塞向上和向下。空气可以被具有更高得多的传动装置和低得多的每活塞冲程量的压缩机抽回高压气瓶。引擎退出的膨胀空气的温度比环境空气低得多，而如果它在一个缓冲罐内被捕获，并用于压缩机的输出，那么重新充入的气瓶效率会更高，假如气瓶从周围环境吸收热量，在瓶内提高其温度，因而使瓶内压力得到额外提升，远远超过由压缩机提供的压缩。
勒罗伊设计的一个实际细致要素是他设想要适应普通车辆引擎，并提供了大量实用的详细信息，作为如何适应方能实施。
用罗特伏特（RotoVerter，如第 2 章中所述） 驱动压缩机将降低压缩机驱动的功率需求，在某种程度上，这种电机的适应应该是自我维持的。罗特伏特凭其本身的条件提供了主要的能源增益，而且特别适于驱动像压缩机一类的机械载荷，而且它尤其“'喜欢”恒负载应用，如压缩机。
专利中的适应引擎是这样的：
这项专利显示了如何可以在压缩空气上处理运行的引擎的具体细节。它没有显示的是实际能量流动的背景细节和压缩空气的效应，然后让它膨胀。这些东西都不是我们日常生活中通常遇到的，所以像这一类的系统将如何运作的，我们并没有一个实时直观的感受。考虑膨胀的影响。虽然大家都熟知让压缩气体膨胀会导致冷却，而其实际效应却很少被意识到。
勒罗伊的压缩机专利如下所示：
梗概：
一台为发动机提供增压空气的增压器，组成了一台闭式轴向压缩机，一台径向式压缩机处于轴向式压缩机和外壳的下游。外壳由四个部分组成，包括一个高度聚集的部分，“截头锥形”的过渡管道利于引导轴向式压缩机的排放到径向式压缩机的入口，而一个中空的、高度聚集的、尾喷口整流锥部分直接下行至径向式压缩机，由它聚集进入增压器的排气口。环流分布器用于引导径向式压缩机的排放进入尾喷口整流锥。
描述：
增压器给引擎的气体或/燃料混合物施加附加压力，使得气缸收到空气或空气/燃料混合物的、每体积单位比之用其它的方法所供应的，有更大的重量。结果，引擎的容积效率和功率输出得到改进。
根据以往的做法，增压器一般包括一个单一的鼓风机，迫使空气或空气/燃料混合物进入引擎汽缸。通常情况下，风机是由连接到引擎机轴的传动机构驱动的，其齿轮齿数比约为6∶1。这些早先的增压器类型曾广泛用于赛车发动机和径向式飞机发动机。然而，由于其高运行速度和传动机构的原因，这些增压器被认为太复杂、太沉重、太昂贵，难以应用于发动机的大规模生产，如轿车和卡车。
最近，一些汽车制造商纷纷推出涡轮增压发动机，通过涡轮机驱动径向式压缩机扩充引擎的排气。虽然涡轮增压器在涡轮机可以提供大量的功率给压缩机上有优势，但其极度的运行速度需要有特殊的轴承、润滑和维护。此外，涡轮增压器需要特殊的管道，如旁路配置，这只会增加它们的成本和维护要求。因此，涡轮增压器在汽车行业里只是作为一个昂贵的选项提供。
此外，在一种新型的汽车引擎中还有近期兴趣，其运行从压缩气罐到影响其活塞的往复运动。这种引擎的一个例子，可以在美国专利号4,292,804、由本发明的同一个发明人发布的专利中找到。在引用的专利中，至少气缸的部分扩充排气被引到压缩机再压缩，然后返回到它所来自的储罐。如果不是上述排气的全部再压缩，至少有一部分，能以皮带驱动、旋转器来来实现，这样容易制造和维护，还能提供充足的再压缩。
本发明的目标：
因此，本发明的一个目标是提供适合于提高汽车、直升机或类似工具的引擎性能的增压器，这种增压器是可以廉价生产的和易于维护的。
本发明的另一个目标是提供一种增压器，它无需诉诸极端的运行速度而能提供足够的提升，因此可以避免伴随着高速运行所带来的高昂代价的难题。
本发明还有一个目标是提供一个相对小巧、轻便的增压器，便于廉价制造和维护。
本发明的另一个目的是提供一个皮带驱动的增压器，具有一个在相对低的运行速度上提供增压压缩的设计。
本发明还有一个目标是提供一种增压器，它可以很容易拆卸和重新装配，其目的是低成本的保养和维修。
本发明还有一个目标是提供一种增压器，它可以大批量生产组装配件，从而降低制造成本。
本发明的另一个目标是提供一种皮带驱动增压器，它提供增压压缩而无需压缩机的多级压缩。
而本发明的另一个目标是为气体运行的引擎提供一个旋转的增压器，这种增压器容易制造和维护，而且能对再循环传动液提供充分的再压缩。
发明摘要：
通过本发明实现这些和其它目标是提供一个增压器，它包括一个有着入口和出口的外壳，一台闭式轴向压缩机和一台径向式压缩机可转动地安装在外壳内，一个高度收敛的、浅的截头圆锥过渡管顺利地引导轴向式压缩机的排气进入径向式压缩机的入口。
根据本发明的另外一个方面，上述增压器还包括一个尾喷口整流锥在径向式压缩机的下游位置，而导流器用于径向式压缩机向尾喷口整流锥排气。
在优选的实施中，外壳本身由四个部分组成：一个柱形前端的外壳部分，它规定一个轴向的直接入口；第二，柱形管道部分封装轴向式压缩机；一个尾段外壳部分规定过渡管以及径向式压缩机的入口和套管；而尾喷口整流锥部分规定其外壳出口的终点。为驱动压缩机传动轴，一个双面滑轮被安在普通轴的前端，其滑轮适于接收引擎的曲轴轮的一条或多条传动皮带。外壳部分的前端的边孔用于连接传动皮带。
以此披露的配置，压缩的实现可以通过增压作用而无需诉诸多级压缩机和高运行速度。此外，披露的增压器设计可避免轴向式压缩机和径向式压缩机之间的导向叶片的要求。尾喷口整流锥部分同样有利于避免对径向压缩机的背压的积累。设计也很简单，由此得以廉价地制造和维护。
本发明的其它目标、优势和新颖特征将从下面的发明详述并与图示相配时变得清晰可见。
图示简介：
本发明的一个优选实施以相关配图而得以更详尽的描述，其中以相关数字表示相关元件，而这里：
图.1 是依照本发明的优选实施的一个增压器的剖视图的侧视图；
图.2 是图.1的增压器的侧视图；
图.3 是图.1增压器叶轮的前视图；
图.4 是图.1沿4—4线所取的剖视图；
图.5 是图.1沿5—5线所取的剖视图；
图.6 是图.1沿6—6线所取的剖视图；
图.7是图.1增压器叶轮的一个部分的透视图；而
图.8 是图.1带有衔接头的增压器的局部视图。
优选实施的详细说明：
参考图.1 和图.2，增压器10用于提供超动力空气给汽车引擎类似器械，以使引擎接收到每单位体积的空气、或燃料/空气混合物，比用其它方式提供的有着更大的分量。根据本发明的优选实施，增压器10由外壳12构成，外壳有一用于接收环境空气的轴向导入口14和一个用于传送增压的空气到汽车引擎入口的轴向导出口16。可旋转的安装在外壳12内的是轴18，其上是固定的轴向压缩机24和位于轴向压缩件下游的径向压缩机26。皮带轮28锁在轴的前端30以接收传动皮带31，传动皮带连接轴18到引擎机轴上的皮带轮（未显示）。传动皮带31传送扭矩到轴18作为所需驱动增压器10的压缩机24和26。
外壳12由四个部分构成，它们最好用法兰以端对端连接的形式用螺栓连接在一起。它们包括外壳前端部分32，径向压缩机管道部分34，外壳尾段部分36和尾喷口整流锥部分38。轴18沿着外壳12的纵轴延伸。
外壳前端部分32是一个空心圆筒，向前延伸到前轴承座40。外壳前端部分32封装轴18的前端30，并配有皮带轮28。在其前端，外壳前端32部分规定入口14接收来自外部源（未显示）的空气。
特别参考图.2，外壳前端部分32包括在侧面上的边孔44，使得传动皮带31由此连接到皮带轮28。外壳前端部分32还包括前法兰46，用于连接空气滤清器、汽化器，导气罩或类似的增压器10的上游——根据特定的引擎布局。
这是可以理解的，即在平时的引擎布局中，增压器10通过其入口14从外部源接收空气或燃料/空气混合物，压缩的空气或燃油/空气混合物，然后传送到引擎入口。
再次参考图.1，皮带轮28 被过盈配合在轴18的前端30上，而插销134用于锁定皮带轮28就位。皮带轮28最好是双轨设计，这样适合于双传动皮带，虽然单带式皮带轮也已足够。皮带轮28最好大小可调，以便其直径对引擎曲轴的主动轮的直径的比提供一个有效的传动比，范围在大约二又二分之一到四又二分之一。因此在空转时，当汽车引擎运行在大约每分钟700转时，增压器10运行在大约每分钟2,400转，而在定速运行时，当引擎运行在约每分钟2,500转时，增压器10最好在每分钟6,000转到每分钟8,000转的范围内转动。必须指出，虽然皮带轮28的直径可能会大大减小，以达到所需的传动比，双轨轮28提供了足够的表面积总和，以避免皮带31的打滑。
外壳12的下一个相邻部分是轴向式压缩机管道34，它是一个同轴辅助相关的轴向式压缩机24的短的圆桶。最好轴向式压缩机管道34是由铸铝制造，其内表面48经机加工以确保管道34和轴向式压缩机24的屏蔽物50之间的余隙一致。与外壳12的其它部分一样，轴向式压缩机导管34有着法兰52和54，用于有效连接相邻的外壳部分。轴向式压缩机导管34引导空气从外壳前端部分32向轴向式压缩机24传递。
现在参见图.1和图.4，前轴承支座40置于外壳前端部分32和轴向压缩机导管34之间。前轴承支座40包括外圈56和三个辐臂58。辐臂之间规定为通道60，用于让空气通过轴承支座40。外圈56通过螺栓连接前外壳32部分的后部法兰64和轴向式压缩机导管34。通过这个配置，前轴承支座40被牢牢地固定在外壳12上，这样载荷和对轴18的冲击可以通过前轴承支座40转移到外壳12。
在优选实施中，轴承支座40的外圈56延伸到外壳前端部分32的入口14处，其方式为它的内缘68与轴向式压缩机24的屏蔽物50的内缘70一致。这样，外圈56有助于气流向轴向式压缩机24的定向。
前滚球轴承组件76的外滚道74锁紧在前轴承支座40和轴承承托护圈片78之间，通过可移动的螺栓80拧紧。在这个优选实施中，前轴承组件76是密封高速类型的。合适的商业产品轴承组件是市场上销售的美国Fafnir 405KDD型。最好，前轴承组件76的下滚道82以过盈配合锁紧在轴18上。隔圈84置于下滚道82的一侧，隔圈84还与轴向式压缩机24的轮毂86毗连，以定位轴向式压缩机24在轴承座40的预定下游距离上。类似地，隔圈88置于下滚道84的另一侧，并与皮带轮28毗连，以把皮带轮28和前轴承座40隔开，以确保在它们之间有足够的余隙。
应当意识到轴承承托片78使得可以随时进入前轴承组件76进行维护和维修。要检修前轴承组件76，在轴18的前端30上的螺母90和锁紧垫圈92被松开，然后与皮带轮28和隔圈88一起移开。然后螺栓42和轴承承托片76被移开，暴露出下整个轴承组件76，以便于维修和/或移走。
外壳尾段36通过螺栓连接到轴向式压缩机管道34的下游端。最好，外壳尾段36是一个单一的铸铝段，并包括外部纵向肋条94以增加外壳尾段36的刚性。外壳尾段36的壁定义增压器10的三个要素：一个高度锥形过渡管96，利于引导轴向式压缩机的输出到径向式压缩机26的入口98；径向式压缩机26的入口98本身；和一个径向式压缩机26的外壳100。
过渡管96是一个中空的、截头圆锥体部分有一个近似35°的半顶角（从母线到对称轴）。角度的选定使其入口到径向压缩机26尽可能接近轴向压缩机的出口，而不会造成不应有的回压。在优选实施中，过渡管96在轴向压缩机24的一个短距离开始，并在径向压缩机26的入口98的刚进入之处结束。过渡管96的高度锥形被认为卷入更高容量的空气，从轴向式压缩机24的更多向外辐射部分排放。这种滚入作用被认为是促进了径向压缩机26的入口98的一个有利的流态。同时还相信过渡管96的高度圆锥形影响上游轴向压缩机24的流动条件，其方式是促进了其性能。还发现对于轴向式压缩机24无需定子（或出口导叶）。
实质上，相信过渡管96执行轴向式压缩机出口叶片和径向压缩机进口导叶的功能，而没有通常的压力损失。避免这些压力损失并预期改善轴向压缩机性能，使增压器10比无过渡管96给出更高的总压比。结果，在中速运行上实现了充分压缩，而无需诉诸几个轴向压缩机组。但是，应该理解当增压器10连接相对缓慢的往复式柴油机或一个非常大的引擎时，也许可取的做法是包含两个或更多的轴向压缩机以提高增压器的总压比。这样，本发明于是将至少包含最后一个轴向压缩机过渡管下游的放置。
在径向压缩机26的入口98，后外壳36的壁是圆柱形和绕着轴18同轴定位的。应该指出的是在优选实施中，从过渡管96到入口98的表面过渡102是完美的。
外壳尾段36的套管部分100严格遵循径向压缩机26的桨叶缘104的外形定义以一种无空隙、实质密封的方式，在径向压缩机的技术中是众所周知的。外壳尾段78的套管部分100的在径向压缩机26的旋转叶片之间的通道空气使叶片可以传递做功给经过的空气。套管部分100还规定了径向压缩机26的排放出口106。
刚刚超过径向压缩机26的排放出口106，外壳尾段36的内表面立刻开始内弯曲，以过渡进入外壳12的下一个相邻部分，尾喷口整流锥38。以这种方式，在外壳尾段36的最后面部分的内表面上和尾喷口整流锥92界定了一个内变形导流片108。在优选实施中，导流片108严密地、并同轴地围绕着径向压缩机26的出口106定位，以便从径向压缩机26所排放的空气不会在到达环状流导流片108之前显著弥散。通过提供了一个从外壳尾段36到尾喷口整流锥38的内部的平滑过渡，环状流导流片108导向径向压缩机26的输出进入尾喷口整流锥38。
尾喷口整流锥38是个高度会聚、中空的锥形截面，直接置于径向压缩机26下游，以从环状流导流片108接收径向压缩机26的输出。在优选实施中，尾喷口整流锥38是一个单一的铸铝件，它以法兰接头110附加到外壳尾段36的下游末端。最好，尾喷口整流锥92依照一个近似35°的半顶点会聚，并规定排气口16在终点上。排气口一个线状图案的部分112使得合适的外部管（未显示）的附件引入到引擎的入口。
增压器10运行过程中，被尾喷口整流锥92封闭的空间防止高层回压的积累，否则可能会出现并减损运行和径向压缩机26的效率。尾喷口整流锥92封闭的空间也同时有足够的容积吸收脉冲并达到非定常流的平均值条件，以促进增压器10的一个平滑而连续的输出。
现在参照图.1和图.6，尾喷口整流锥38包括一个后轴承座114，它由部件116组成，它从尾喷口整流锥38的外壁放射状地向内延伸。在靠近轴18的径向向内的位置，部件116内聚形成一个杯形的环面，成为后轴承组件120的壳体118。壳体118对径向压缩机26的后表面是敞开的，便于增压器10的拆卸。后侧轴承组件120与前轴承组件76的类型和尺寸都相同。轴承组件120的内圈122通过隔片124和126与轴18的后端132上的螺母128和垫圈130结合，恰当地设在轴18上。在这个优选实施中，构件116与尾喷口整流锥38的壁形成一个整体。
参照图.1和图.5，旋转时，轴向压缩机24通过入口14吸入空气，而当它迫使空气进入后壳体段36的过渡导管96时，给了空气一个初始量的压缩。在这个优选实施中，轴向压缩机24由轮毂86、护罩50和系列的十（10）个等距的径向叶片136组成。理想的情况下，每个叶片136从根部138到顶端140呈渐开线，并包括叶后缘142和叶前缘144，两端的叶缘都略微弯曲。叶片斜度从根部138的约12°逐渐增加到末端140的约36°。不过，叶片136的斜度和其它几何方面的特定值可能会根据不同的运行速度或其它参数而不同，这对于相关技术熟练和对本披露熟悉的人来说是显而易见的。
轴向式压缩机24最好是用一个单一的铸铝部分组成，有着轮毂86的两个面143和145，要加工精确，以利相对于壳体12上的轴18上的轴向压缩机24的轴向定位。护罩72的两个面146和148也要机加工成平的。另外，护罩的外缘150的加工要保证护罩和相邻的轴向压缩机导管34的内表面48之间的间隙是一致的。最好，轴向压缩机24通过与轴18的台阶部152的干涉配合被固定到轴18上。隔垫84和154分别轴向定位轴向压缩机24相对于前轴承座40与径向压缩机26的位置。
常规类型的动平衡试验机可用于测试安装之前的轴向式压缩机24的平衡。如果检测到不平衡，可以移除护罩50的外缘150，从而达到适用的平衡。
现在参照图.1、图.3和图.7，径向压缩机26由一个单一的铸铝部分构成，并且包括轮毂156和弧形叶片158。介于每对叶片158之间的是第二组叶片160是被截短了的径向压缩机26的入口162，使得入口162不会因为两组叶片而拥挤。于是，径向压缩机26的特点是既有大的总量的叶片，又有一个相对小直径的入口，而这些特点提高了压缩机26的性能。在入口162的区域内，叶片158含有前缘164并向旋转方向扭曲，以有利于防止在入口162上的一个有利冲角。
最好是在径向压缩机26定位于轴18的台阶部128，与其干涉配合，并通过一个键166锁定其旋转滑移。隔片124确保径向压缩机26的后面和后轴承组件120之间的间隙。
轴18的构成是硬化钢，并在分别在两端30和132为螺母90和128攻丝。除了中间的台阶部152外，它还收纳压缩机24和26，轴18也有台阶部170和172，分别用于收纳前后轴承组件76和120。轴18的台阶配置便于装配和拆卸，最大直径的台阶部152位于轴18的中间，而所有的台阶部的直径都大于两端的30和132的螺纹直径。
请注意，轴承支撑件40和114是在一个相对于壳体12的固定的位置，而压缩机24和26则由有着预定的长度的隔件84、124和154固定在轴承支撑件22和40之间。因此，压缩机24和26相对于壳体12的纵向轴的安置是通过隔件，而不是通过相对于壳体12的轴18的轴向位置。还请注意，在轴18的台阶部152、170和172每个都有着额外的长度，使各部件（轴承组件和压缩机）在各自的台阶部都有一个相对宽范围的位置。因此，轴18不需要在沿壳体12的纵向轴线上被精确定位，以达到增压器10的适当装配。比如，如果螺母90和128与它们出现在图.1中拧紧得有所不同，则轴18会在图.1所示的在轴向方向上稍微移位。然而，轴18上的各个组件的相对定位，即，皮带轮28、压缩机24和26以及轴承组件76和120，将保持自己与壳体12的相对位置是相同的。这个特点简化了制造过程，并且相应地降低了成本。
在运行中，增压器10在其出口16适当地连接的汽车发动机的入口，用传动皮带31从发动机曲轴连接到增压器10的皮带轮28。然后，随着发动机运行，扭矩由传动带31传递到皮带轮28，驱动压缩机24和26。旋转时，轴向压缩机24通过入口14吸入空气，赋予空气一个压缩的初始量，并以旋流的形式排入到过渡管96。由于其设计，轴向压缩机24被认为在叶梢140区域中比起其径向向内的位置移动更大体积的空气。于是，处于轴向压缩机24背后的外环区域有着比内环区域更大的空气质量。当轴向压缩机24排放时，使得离开轴向压缩机管道34，高度会聚，过渡管96被认为能使从轴向压缩机24排出的空气的环状外围大量滚入。这一作用被认为有两个有利的结果。首先，滚入作用导致在径向压缩机26的入口98建立起一个流态，这样就完全避免了导向叶片的需要。其次，并且同等重要，滚动作用，与过渡管96的密闭空间的大容积结合，被认为对轴向压缩机24的性能是有利的影响，以此从而获得更高的压力比。
由于增压器10的总压比是两个压缩机的压力比的乘积，可以看出，轴向压缩机24的性能的增加会导致增压器总体性能的相应提高。还应当注意，对于径向压缩机26的去除入口导向叶片和对轴向压缩机24去除出口叶片，大大简化了后壳体部36的设计，因此可节省制造成本。这也避免了有关这种导向叶片的通常还是相当显著的压力损失。
在离开过渡管96时，空气的进气预旋流进入径向压缩机26的入口98，然后进入压缩机26本身。在通过在径向压缩机26中，空气飞快旋转并移动，使得以一个可观的径向速度分量离心排放，于是由此产生的气流由于环形导流器108而突然转向，并使其进入尾喷口整流锥38。正如前面所解释的，由尾喷口整流锥38封闭的大容积空间导致流动条件落后于径向压缩机26，使得避免升高的背压，否则压力可能损害径向压缩机26的性能。径向压缩机26的输出中的脉冲也缓和了。然后空气在压缩状态下传递到尾喷口整流锥38的排气口16。增压空气然后向下流动到适当的发动机进气系统，直到它到达气缸或发动机的气缸。
谈到增压器10应用于空气罐动力引擎，如在美国专利4,292,804号中披露的，增压器10起的作用与上述那样是同样的方法，但以不同的方式连接到发动机。在气罐动力引擎中，引擎的排气集管至少有一个传递部分膨胀的空气到连接到增压器10的入口14的管线。参照图.8，在大多数这样的应用中，这条管线将会在直径上小于在增压器入口14的壳体12，这样就需要一个转接头173。转接头173包括一个螺纹孔176以接纳配套件，管线180的螺纹端178。板174由多个螺栓固定在前壳体部分32的法兰36上。因为来自管线180的空气通常少于增压器的全容量，补充空气由前壳体部分32的侧边孔44引入。在这个应用中，边孔44因此即起着一个进气孔的作用，又能用于调节传动皮带31，为此其尺寸必须作为附加要求，使它不至于太大而扰乱管线180里进入的空气的流动。通过增压器的通道后，空气被导入到排气口16，并进入到连接到它的一个合适的管线，这个管线可能直接导入引擎，或引擎的储罐。如果导入到储罐，这个再压缩后的空气被用于补充储罐所需的再充气要求。
可以体会到，达到节省增压器10的制造成本的原因是壳体12、轴承支撑件40和114、轴向压缩机24和径向压缩机26都是用铸铝件做的，并且只要求最少量的机加工。此外，滚柱轴承组件76和120是市售的元件，以及增压器10也是很容易装配的。这些方面，进一步降低了制造成本，并使所披露的增压器可以便宜地去维护和检修。更重要的是增压器10尽管其简单的设计，却能在相对低的运行速度下增压。以其较低的运行速度，增压器10的使用寿命延长，和遇到机械故障的风险降低。需要特殊轴承的设计和润滑也避免了。因此，增压器10非常适于是为大规模生产和在汽车、卡车、直升机或诸如此类中的应用。
第八章：无燃油引擎
勒罗伊•罗杰斯的改型压缩空气汽车系统
这里所示的勒罗伊•罗杰斯(Leroy Rogers)电机没有声称有什么惊人的运行，但尽管如此，但勒罗伊在一个采访中承认，这台电机确实有一个比应用输入更大的输出，只要不让电机只是空转。该电机就像下面所示的希伯•冯•法肯伯格（Eber Van Valkinburg）的美国专利3,744,252的“应用压缩流体的封装动力系统”。然而，这里显示的罗杰斯专利具有独特的优势，它使用现成的电机和容易买到的硬件，而且对于罗杰斯引擎没有什么是真正奇特的或麻烦的——即一个人无法从阀门供应商或从金属制造公司获得的构造。
然而，虽然勒罗伊说过他的设计在每小时超过30英里时是自维持的，一个关键的设计特点是他的非常高性能的压缩机组，后来他申请了专利，如下所示。现今汽车发动机是低传动的，在相当低的转速运行。如果给它们不同的传动系统，这些同样的引擎能在更高的转速下高效运行。以罗杰斯电机，高压气瓶中所载的空气是足以驱动活塞向上和向下。空气可以被具有更高得多的传动装置和低得多的每活塞冲程量的压缩机抽回高压气瓶。引擎退出的膨胀空气的温度比环境空气低得多，而如果它在一个缓冲罐内被捕获，并用于压缩机的输出，那么重新充入的气瓶效率会更高，假如气瓶从周围环境吸收热量，在瓶内提高其温度，因而使瓶内压力得到额外提升，远远超过由压缩机提供的压缩。
勒罗伊设计的一个实际细致要素是他设想要适应普通车辆引擎，并提供了大量实用的详细信息，作为如何适应方能实施。
用罗特伏特（RotoVerter，如第 2 章中所述） 驱动压缩机将降低压缩机驱动的功率需求，在某种程度上，这种电机的适应应该是自我维持的。罗特伏特凭其本身的条件提供了主要的能源增益，而且特别适于驱动像压缩机一类的机械载荷，而且它尤其“'喜欢”恒负载应用，如压缩机。
专利中的适应引擎是这样的：
这项专利显示了如何可以在压缩空气上处理运行的引擎的具体细节。它没有显示的是实际能量流动的背景细节和压缩空气的效应，然后让它膨胀。这些东西都不是我们日常生活中通常遇到的，所以像这一类的系统将如何运作的，我们并没有一个实时直观的感受。考虑膨胀的影响。虽然大家都熟知让压缩气体膨胀会导致冷却，而其实际效应却很少被意识到。
勒罗伊的压缩机专利如下所示：
美国专利 4,693,669 汽车发动机增压器
发明人：大罗杰斯•勒罗伊•K (佛罗里达州，33908，迈尔斯堡，布赖尔克利夫路，815-DD，Rte.13)
发布日期：1987年9月15日
发明人：大罗杰斯•勒罗伊•K (佛罗里达州，33908，迈尔斯堡，布赖尔克利夫路，815-DD，Rte.13)
发布日期：1987年9月15日
梗概：
一台为发动机提供增压空气的增压器，组成了一台闭式轴向压缩机，一台径向式压缩机处于轴向式压缩机和外壳的下游。外壳由四个部分组成，包括一个高度聚集的部分，“截头锥形”的过渡管道利于引导轴向式压缩机的排放到径向式压缩机的入口，而一个中空的、高度聚集的、尾喷口整流锥部分直接下行至径向式压缩机，由它聚集进入增压器的排气口。环流分布器用于引导径向式压缩机的排放进入尾喷口整流锥。
描述：
增压器给引擎的气体或/燃料混合物施加附加压力，使得气缸收到空气或空气/燃料混合物的、每体积单位比之用其它的方法所供应的，有更大的重量。结果，引擎的容积效率和功率输出得到改进。
根据以往的做法，增压器一般包括一个单一的鼓风机，迫使空气或空气/燃料混合物进入引擎汽缸。通常情况下，风机是由连接到引擎机轴的传动机构驱动的，其齿轮齿数比约为6∶1。这些早先的增压器类型曾广泛用于赛车发动机和径向式飞机发动机。然而，由于其高运行速度和传动机构的原因，这些增压器被认为太复杂、太沉重、太昂贵，难以应用于发动机的大规模生产，如轿车和卡车。
最近，一些汽车制造商纷纷推出涡轮增压发动机，通过涡轮机驱动径向式压缩机扩充引擎的排气。虽然涡轮增压器在涡轮机可以提供大量的功率给压缩机上有优势，但其极度的运行速度需要有特殊的轴承、润滑和维护。此外，涡轮增压器需要特殊的管道，如旁路配置，这只会增加它们的成本和维护要求。因此，涡轮增压器在汽车行业里只是作为一个昂贵的选项提供。
此外，在一种新型的汽车引擎中还有近期兴趣，其运行从压缩气罐到影响其活塞的往复运动。这种引擎的一个例子，可以在美国专利号4,292,804、由本发明的同一个发明人发布的专利中找到。在引用的专利中，至少气缸的部分扩充排气被引到压缩机再压缩，然后返回到它所来自的储罐。如果不是上述排气的全部再压缩，至少有一部分，能以皮带驱动、旋转器来来实现，这样容易制造和维护，还能提供充足的再压缩。
本发明的目标：
因此，本发明的一个目标是提供适合于提高汽车、直升机或类似工具的引擎性能的增压器，这种增压器是可以廉价生产的和易于维护的。
本发明的另一个目标是提供一种增压器，它无需诉诸极端的运行速度而能提供足够的提升，因此可以避免伴随着高速运行所带来的高昂代价的难题。
本发明还有一个目标是提供一个相对小巧、轻便的增压器，便于廉价制造和维护。
本发明的另一个目的是提供一个皮带驱动的增压器，具有一个在相对低的运行速度上提供增压压缩的设计。
本发明还有一个目标是提供一种增压器，它可以很容易拆卸和重新装配，其目的是低成本的保养和维修。
本发明还有一个目标是提供一种增压器，它可以大批量生产组装配件，从而降低制造成本。
本发明的另一个目标是提供一种皮带驱动增压器，它提供增压压缩而无需压缩机的多级压缩。
而本发明的另一个目标是为气体运行的引擎提供一个旋转的增压器，这种增压器容易制造和维护，而且能对再循环传动液提供充分的再压缩。
发明摘要：
通过本发明实现这些和其它目标是提供一个增压器，它包括一个有着入口和出口的外壳，一台闭式轴向压缩机和一台径向式压缩机可转动地安装在外壳内，一个高度收敛的、浅的截头圆锥过渡管顺利地引导轴向式压缩机的排气进入径向式压缩机的入口。
根据本发明的另外一个方面，上述增压器还包括一个尾喷口整流锥在径向式压缩机的下游位置，而导流器用于径向式压缩机向尾喷口整流锥排气。
在优选的实施中，外壳本身由四个部分组成：一个柱形前端的外壳部分，它规定一个轴向的直接入口；第二，柱形管道部分封装轴向式压缩机；一个尾段外壳部分规定过渡管以及径向式压缩机的入口和套管；而尾喷口整流锥部分规定其外壳出口的终点。为驱动压缩机传动轴，一个双面滑轮被安在普通轴的前端，其滑轮适于接收引擎的曲轴轮的一条或多条传动皮带。外壳部分的前端的边孔用于连接传动皮带。
以此披露的配置，压缩的实现可以通过增压作用而无需诉诸多级压缩机和高运行速度。此外，披露的增压器设计可避免轴向式压缩机和径向式压缩机之间的导向叶片的要求。尾喷口整流锥部分同样有利于避免对径向压缩机的背压的积累。设计也很简单，由此得以廉价地制造和维护。
本发明的其它目标、优势和新颖特征将从下面的发明详述并与图示相配时变得清晰可见。
图示简介：
本发明的一个优选实施以相关配图而得以更详尽的描述，其中以相关数字表示相关元件，而这里：
图.1 是依照本发明的优选实施的一个增压器的剖视图的侧视图；
图.2 是图.1的增压器的侧视图；
图.3 是图.1增压器叶轮的前视图；
图.4 是图.1沿4—4线所取的剖视图；
图.5 是图.1沿5—5线所取的剖视图；
图.6 是图.1沿6—6线所取的剖视图；
图.7是图.1增压器叶轮的一个部分的透视图；而
图.8 是图.1带有衔接头的增压器的局部视图。
优选实施的详细说明：
参考图.1 和图.2，增压器10用于提供超动力空气给汽车引擎类似器械，以使引擎接收到每单位体积的空气、或燃料/空气混合物，比用其它方式提供的有着更大的分量。根据本发明的优选实施，增压器10由外壳12构成，外壳有一用于接收环境空气的轴向导入口14和一个用于传送增压的空气到汽车引擎入口的轴向导出口16。可旋转的安装在外壳12内的是轴18，其上是固定的轴向压缩机24和位于轴向压缩件下游的径向压缩机26。皮带轮28锁在轴的前端30以接收传动皮带31，传动皮带连接轴18到引擎机轴上的皮带轮（未显示）。传动皮带31传送扭矩到轴18作为所需驱动增压器10的压缩机24和26。
外壳12由四个部分构成，它们最好用法兰以端对端连接的形式用螺栓连接在一起。它们包括外壳前端部分32，径向压缩机管道部分34，外壳尾段部分36和尾喷口整流锥部分38。轴18沿着外壳12的纵轴延伸。
外壳前端部分32是一个空心圆筒，向前延伸到前轴承座40。外壳前端部分32封装轴18的前端30，并配有皮带轮28。在其前端，外壳前端32部分规定入口14接收来自外部源（未显示）的空气。
特别参考图.2，外壳前端部分32包括在侧面上的边孔44，使得传动皮带31由此连接到皮带轮28。外壳前端部分32还包括前法兰46，用于连接空气滤清器、汽化器，导气罩或类似的增压器10的上游——根据特定的引擎布局。
这是可以理解的，即在平时的引擎布局中，增压器10通过其入口14从外部源接收空气或燃料/空气混合物，压缩的空气或燃油/空气混合物，然后传送到引擎入口。
再次参考图.1，皮带轮28 被过盈配合在轴18的前端30上，而插销134用于锁定皮带轮28就位。皮带轮28最好是双轨设计，这样适合于双传动皮带，虽然单带式皮带轮也已足够。皮带轮28最好大小可调，以便其直径对引擎曲轴的主动轮的直径的比提供一个有效的传动比，范围在大约二又二分之一到四又二分之一。因此在空转时，当汽车引擎运行在大约每分钟700转时，增压器10运行在大约每分钟2,400转，而在定速运行时，当引擎运行在约每分钟2,500转时，增压器10最好在每分钟6,000转到每分钟8,000转的范围内转动。必须指出，虽然皮带轮28的直径可能会大大减小，以达到所需的传动比，双轨轮28提供了足够的表面积总和，以避免皮带31的打滑。
外壳12的下一个相邻部分是轴向式压缩机管道34，它是一个同轴辅助相关的轴向式压缩机24的短的圆桶。最好轴向式压缩机管道34是由铸铝制造，其内表面48经机加工以确保管道34和轴向式压缩机24的屏蔽物50之间的余隙一致。与外壳12的其它部分一样，轴向式压缩机导管34有着法兰52和54，用于有效连接相邻的外壳部分。轴向式压缩机导管34引导空气从外壳前端部分32向轴向式压缩机24传递。
现在参见图.1和图.4，前轴承支座40置于外壳前端部分32和轴向压缩机导管34之间。前轴承支座40包括外圈56和三个辐臂58。辐臂之间规定为通道60，用于让空气通过轴承支座40。外圈56通过螺栓连接前外壳32部分的后部法兰64和轴向式压缩机导管34。通过这个配置，前轴承支座40被牢牢地固定在外壳12上，这样载荷和对轴18的冲击可以通过前轴承支座40转移到外壳12。
在优选实施中，轴承支座40的外圈56延伸到外壳前端部分32的入口14处，其方式为它的内缘68与轴向式压缩机24的屏蔽物50的内缘70一致。这样，外圈56有助于气流向轴向式压缩机24的定向。
前滚球轴承组件76的外滚道74锁紧在前轴承支座40和轴承承托护圈片78之间，通过可移动的螺栓80拧紧。在这个优选实施中，前轴承组件76是密封高速类型的。合适的商业产品轴承组件是市场上销售的美国Fafnir 405KDD型。最好，前轴承组件76的下滚道82以过盈配合锁紧在轴18上。隔圈84置于下滚道82的一侧，隔圈84还与轴向式压缩机24的轮毂86毗连，以定位轴向式压缩机24在轴承座40的预定下游距离上。类似地，隔圈88置于下滚道84的另一侧，并与皮带轮28毗连，以把皮带轮28和前轴承座40隔开，以确保在它们之间有足够的余隙。
应当意识到轴承承托片78使得可以随时进入前轴承组件76进行维护和维修。要检修前轴承组件76，在轴18的前端30上的螺母90和锁紧垫圈92被松开，然后与皮带轮28和隔圈88一起移开。然后螺栓42和轴承承托片76被移开，暴露出下整个轴承组件76，以便于维修和/或移走。
外壳尾段36通过螺栓连接到轴向式压缩机管道34的下游端。最好，外壳尾段36是一个单一的铸铝段，并包括外部纵向肋条94以增加外壳尾段36的刚性。外壳尾段36的壁定义增压器10的三个要素：一个高度锥形过渡管96，利于引导轴向式压缩机的输出到径向式压缩机26的入口98；径向式压缩机26的入口98本身；和一个径向式压缩机26的外壳100。
过渡管96是一个中空的、截头圆锥体部分有一个近似35°的半顶角（从母线到对称轴）。角度的选定使其入口到径向压缩机26尽可能接近轴向压缩机的出口，而不会造成不应有的回压。在优选实施中，过渡管96在轴向压缩机24的一个短距离开始，并在径向压缩机26的入口98的刚进入之处结束。过渡管96的高度锥形被认为卷入更高容量的空气，从轴向式压缩机24的更多向外辐射部分排放。这种滚入作用被认为是促进了径向压缩机26的入口98的一个有利的流态。同时还相信过渡管96的高度圆锥形影响上游轴向压缩机24的流动条件，其方式是促进了其性能。还发现对于轴向式压缩机24无需定子（或出口导叶）。
实质上，相信过渡管96执行轴向式压缩机出口叶片和径向压缩机进口导叶的功能，而没有通常的压力损失。避免这些压力损失并预期改善轴向压缩机性能，使增压器10比无过渡管96给出更高的总压比。结果，在中速运行上实现了充分压缩，而无需诉诸几个轴向压缩机组。但是，应该理解当增压器10连接相对缓慢的往复式柴油机或一个非常大的引擎时，也许可取的做法是包含两个或更多的轴向压缩机以提高增压器的总压比。这样，本发明于是将至少包含最后一个轴向压缩机过渡管下游的放置。
在径向压缩机26的入口98，后外壳36的壁是圆柱形和绕着轴18同轴定位的。应该指出的是在优选实施中，从过渡管96到入口98的表面过渡102是完美的。
外壳尾段36的套管部分100严格遵循径向压缩机26的桨叶缘104的外形定义以一种无空隙、实质密封的方式，在径向压缩机的技术中是众所周知的。外壳尾段78的套管部分100的在径向压缩机26的旋转叶片之间的通道空气使叶片可以传递做功给经过的空气。套管部分100还规定了径向压缩机26的排放出口106。
刚刚超过径向压缩机26的排放出口106，外壳尾段36的内表面立刻开始内弯曲，以过渡进入外壳12的下一个相邻部分，尾喷口整流锥38。以这种方式，在外壳尾段36的最后面部分的内表面上和尾喷口整流锥92界定了一个内变形导流片108。在优选实施中，导流片108严密地、并同轴地围绕着径向压缩机26的出口106定位，以便从径向压缩机26所排放的空气不会在到达环状流导流片108之前显著弥散。通过提供了一个从外壳尾段36到尾喷口整流锥38的内部的平滑过渡，环状流导流片108导向径向压缩机26的输出进入尾喷口整流锥38。
尾喷口整流锥38是个高度会聚、中空的锥形截面，直接置于径向压缩机26下游，以从环状流导流片108接收径向压缩机26的输出。在优选实施中，尾喷口整流锥38是一个单一的铸铝件，它以法兰接头110附加到外壳尾段36的下游末端。最好，尾喷口整流锥92依照一个近似35°的半顶点会聚，并规定排气口16在终点上。排气口一个线状图案的部分112使得合适的外部管（未显示）的附件引入到引擎的入口。
增压器10运行过程中，被尾喷口整流锥92封闭的空间防止高层回压的积累，否则可能会出现并减损运行和径向压缩机26的效率。尾喷口整流锥92封闭的空间也同时有足够的容积吸收脉冲并达到非定常流的平均值条件，以促进增压器10的一个平滑而连续的输出。
现在参照图.1和图.6，尾喷口整流锥38包括一个后轴承座114，它由部件116组成，它从尾喷口整流锥38的外壁放射状地向内延伸。在靠近轴18的径向向内的位置，部件116内聚形成一个杯形的环面，成为后轴承组件120的壳体118。壳体118对径向压缩机26的后表面是敞开的，便于增压器10的拆卸。后侧轴承组件120与前轴承组件76的类型和尺寸都相同。轴承组件120的内圈122通过隔片124和126与轴18的后端132上的螺母128和垫圈130结合，恰当地设在轴18上。在这个优选实施中，构件116与尾喷口整流锥38的壁形成一个整体。
参照图.1和图.5，旋转时，轴向压缩机24通过入口14吸入空气，而当它迫使空气进入后壳体段36的过渡导管96时，给了空气一个初始量的压缩。在这个优选实施中，轴向压缩机24由轮毂86、护罩50和系列的十（10）个等距的径向叶片136组成。理想的情况下，每个叶片136从根部138到顶端140呈渐开线，并包括叶后缘142和叶前缘144，两端的叶缘都略微弯曲。叶片斜度从根部138的约12°逐渐增加到末端140的约36°。不过，叶片136的斜度和其它几何方面的特定值可能会根据不同的运行速度或其它参数而不同，这对于相关技术熟练和对本披露熟悉的人来说是显而易见的。
轴向式压缩机24最好是用一个单一的铸铝部分组成，有着轮毂86的两个面143和145，要加工精确，以利相对于壳体12上的轴18上的轴向压缩机24的轴向定位。护罩72的两个面146和148也要机加工成平的。另外，护罩的外缘150的加工要保证护罩和相邻的轴向压缩机导管34的内表面48之间的间隙是一致的。最好，轴向压缩机24通过与轴18的台阶部152的干涉配合被固定到轴18上。隔垫84和154分别轴向定位轴向压缩机24相对于前轴承座40与径向压缩机26的位置。
常规类型的动平衡试验机可用于测试安装之前的轴向式压缩机24的平衡。如果检测到不平衡，可以移除护罩50的外缘150，从而达到适用的平衡。
现在参照图.1、图.3和图.7，径向压缩机26由一个单一的铸铝部分构成，并且包括轮毂156和弧形叶片158。介于每对叶片158之间的是第二组叶片160是被截短了的径向压缩机26的入口162，使得入口162不会因为两组叶片而拥挤。于是，径向压缩机26的特点是既有大的总量的叶片，又有一个相对小直径的入口，而这些特点提高了压缩机26的性能。在入口162的区域内，叶片158含有前缘164并向旋转方向扭曲，以有利于防止在入口162上的一个有利冲角。
最好是在径向压缩机26定位于轴18的台阶部128，与其干涉配合，并通过一个键166锁定其旋转滑移。隔片124确保径向压缩机26的后面和后轴承组件120之间的间隙。
轴18的构成是硬化钢，并在分别在两端30和132为螺母90和128攻丝。除了中间的台阶部152外，它还收纳压缩机24和26，轴18也有台阶部170和172，分别用于收纳前后轴承组件76和120。轴18的台阶配置便于装配和拆卸，最大直径的台阶部152位于轴18的中间，而所有的台阶部的直径都大于两端的30和132的螺纹直径。
请注意，轴承支撑件40和114是在一个相对于壳体12的固定的位置，而压缩机24和26则由有着预定的长度的隔件84、124和154固定在轴承支撑件22和40之间。因此，压缩机24和26相对于壳体12的纵向轴的安置是通过隔件，而不是通过相对于壳体12的轴18的轴向位置。还请注意，在轴18的台阶部152、170和172每个都有着额外的长度，使各部件（轴承组件和压缩机）在各自的台阶部都有一个相对宽范围的位置。因此，轴18不需要在沿壳体12的纵向轴线上被精确定位，以达到增压器10的适当装配。比如，如果螺母90和128与它们出现在图.1中拧紧得有所不同，则轴18会在图.1所示的在轴向方向上稍微移位。然而，轴18上的各个组件的相对定位，即，皮带轮28、压缩机24和26以及轴承组件76和120，将保持自己与壳体12的相对位置是相同的。这个特点简化了制造过程，并且相应地降低了成本。
在运行中，增压器10在其出口16适当地连接的汽车发动机的入口，用传动皮带31从发动机曲轴连接到增压器10的皮带轮28。然后，随着发动机运行，扭矩由传动带31传递到皮带轮28，驱动压缩机24和26。旋转时，轴向压缩机24通过入口14吸入空气，赋予空气一个压缩的初始量，并以旋流的形式排入到过渡管96。由于其设计，轴向压缩机24被认为在叶梢140区域中比起其径向向内的位置移动更大体积的空气。于是，处于轴向压缩机24背后的外环区域有着比内环区域更大的空气质量。当轴向压缩机24排放时，使得离开轴向压缩机管道34，高度会聚，过渡管96被认为能使从轴向压缩机24排出的空气的环状外围大量滚入。这一作用被认为有两个有利的结果。首先，滚入作用导致在径向压缩机26的入口98建立起一个流态，这样就完全避免了导向叶片的需要。其次，并且同等重要，滚动作用，与过渡管96的密闭空间的大容积结合，被认为对轴向压缩机24的性能是有利的影响，以此从而获得更高的压力比。
由于增压器10的总压比是两个压缩机的压力比的乘积，可以看出，轴向压缩机24的性能的增加会导致增压器总体性能的相应提高。还应当注意，对于径向压缩机26的去除入口导向叶片和对轴向压缩机24去除出口叶片，大大简化了后壳体部36的设计，因此可节省制造成本。这也避免了有关这种导向叶片的通常还是相当显著的压力损失。
在离开过渡管96时，空气的进气预旋流进入径向压缩机26的入口98，然后进入压缩机26本身。在通过在径向压缩机26中，空气飞快旋转并移动，使得以一个可观的径向速度分量离心排放，于是由此产生的气流由于环形导流器108而突然转向，并使其进入尾喷口整流锥38。正如前面所解释的，由尾喷口整流锥38封闭的大容积空间导致流动条件落后于径向压缩机26，使得避免升高的背压，否则压力可能损害径向压缩机26的性能。径向压缩机26的输出中的脉冲也缓和了。然后空气在压缩状态下传递到尾喷口整流锥38的排气口16。增压空气然后向下流动到适当的发动机进气系统，直到它到达气缸或发动机的气缸。
谈到增压器10应用于空气罐动力引擎，如在美国专利4,292,804号中披露的，增压器10起的作用与上述那样是同样的方法，但以不同的方式连接到发动机。在气罐动力引擎中，引擎的排气集管至少有一个传递部分膨胀的空气到连接到增压器10的入口14的管线。参照图.8，在大多数这样的应用中，这条管线将会在直径上小于在增压器入口14的壳体12，这样就需要一个转接头173。转接头173包括一个螺纹孔176以接纳配套件，管线180的螺纹端178。板174由多个螺栓固定在前壳体部分32的法兰36上。因为来自管线180的空气通常少于增压器的全容量，补充空气由前壳体部分32的侧边孔44引入。在这个应用中，边孔44因此即起着一个进气孔的作用，又能用于调节传动皮带31，为此其尺寸必须作为附加要求，使它不至于太大而扰乱管线180里进入的空气的流动。通过增压器的通道后，空气被导入到排气口16，并进入到连接到它的一个合适的管线，这个管线可能直接导入引擎，或引擎的储罐。如果导入到储罐，这个再压缩后的空气被用于补充储罐所需的再充气要求。
可以体会到，达到节省增压器10的制造成本的原因是壳体12、轴承支撑件40和114、轴向压缩机24和径向压缩机26都是用铸铝件做的，并且只要求最少量的机加工。此外，滚柱轴承组件76和120是市售的元件，以及增压器10也是很容易装配的。这些方面，进一步降低了制造成本，并使所披露的增压器可以便宜地去维护和检修。更重要的是增压器10尽管其简单的设计，却能在相对低的运行速度下增压。以其较低的运行速度，增压器10的使用寿命延长，和遇到机械故障的风险降低。需要特殊轴承的设计和润滑也避免了。因此，增压器10非常适于是为大规模生产和在汽车、卡车、直升机或诸如此类中的应用。
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