液压驱动多元件低温泵的制作方法

文档序号:13985121
液压驱动多元件低温泵的制作方法

本专利公开总体涉及泵,并且更具体地,涉及用于移动应用的低温燃料泵。



背景技术:

许多大型移动机械,比如矿用卡车、机车、船舶应用等,近来已经开始单独或者结合传统燃料使用替代燃料来为其发动机提供动力。例如,大排量发动机可以单独地或者结合诸如柴油的传统燃料使用气态燃料来运转。由于它们密度相对较低,例如天然气或石油气之类的气体燃料以液态形式在车辆上携载。这些液体最常见地包括液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG),被低温储存在车辆上的隔热箱中,从该隔热箱所需量的燃料被泵送、蒸发并提供为为发动机提供燃料。

通常用来将LNG输送至机器的发动机的泵包括活塞,活塞将LNG输送至发动机。此类活塞泵,有时也被称为低温泵,通常可以包括往复地安装在缸膛中的单个活塞。活塞在汽缸中前后移动以吸入并随后压缩LNG。用来移动该活塞的动力可以通过不同的手段来提供,最常见的是电力、机械动力或液压动力。

低温泵的一个实例可以在美国专利US 7,293,418('418专利)中找到,其描述了用于在车辆中使用的低温单元件泵。泵排入位于箱内的蓄液器,并且使用通过活塞杆连接至驱动部分的单活塞泵。驱动部分设置在箱的外部。

诸如在'418专利中描述的泵那样的泵通常是大型、沉重并复杂的,这部分是由于用来操作大排量发动机的较大工作压力和必须输送的高容量流体所引起的。由于它们运转的本质,因为由每次冲程来输送一定量的流体,典型的系统还需要各种压力蓄能器和调节器来平滑对发动机的气体燃料供应,这进一步以附加的部件、成本和复杂性加重了车辆的负担。



技术实现要素:

本发明一般涉及液压驱动低温泵,其包括多个柱塞泵送元件。低温泵可以至少部分设置在LNG箱内。所公开的系统及方法一般比先前提出的系统更节省成本,因为它们可以配置为不再需要使用蓄能器、调节器和升压泵。该方面以及其他方面允许整体减少气体输送系统的尺寸、重量和复杂度,以及还可以获得耐久性。

因此,在一个方面,本发明描述了一种低温泵。低温泵包括多个泵送元件,每个泵送元件具有致动器部分,该致动器部分与推杆的一端相关联,并配置为响应于电子控制器的命令启动推杆的一端。每个泵送元件进一步包括与推杆的相对端关联的启动部分,并且泵送部分与启动部分相关联。对于多个泵送元件的每个,泵送部分由启动部分启动以用于泵送流体,启动部分由致动器部分启动。电子控制器配置为选择性地启动多个泵送元件的每个,以使得来自低温流体泵的流体流由多个泵送元件在选定的启动间停留时间上的连续启动而产生。

在另一个方面,本发明描述了一种用于操作低温泵的方法,该低温泵具有随其包含的多个泵送元件,多个泵送元件的每个可以响应于来自电子控制器的对应泵送命令。该方法包括:在电子控制器中确定由低温泵泵送的流体的期望流率,并且还在电子控制器中基于期望流率确定泵送元件启动的频率和停留时间。该方法进一步包括:利用电子控制器命令多个泵送元件的每个执行对应的泵送冲程,使得通过每个对应泵送冲程泵送的流体的聚集接近期望流率。

在又另一个方面,本发明描述了一种泵送系统,用于提供用来用作发动机燃料的低温流体。该泵送系统包括电子控制器、可操作地与该电子控制器关联的液压泵以及具有多个泵送元件的低温泵,其中液压泵的操作可以响应于来自电子控制器的泵送命令。多个泵送元件的每个泵送元件包括致动器部分,该致动器部分与推杆的一端相关联,并配置为响应于电子控制器的命令启动推杆的一端。致动器部分由液压流体提供动力,该液压流体由液压泵在一定压力下提供。多个泵送元件的每个进一步包括与推杆的相对端关联的启动部分,并且泵送部分与启动部分相关联。对于多个泵送元件的每个,泵送部分由启动部分启动以用于泵送流体,启动部分由致动器部分启动。电子控制器配置为选择性地启动多个泵送元件的每个,以使得来自低温流体泵的流体流由多个泵送元件在选定的相继泵送元件的启动间停留时间上的连续启动而产生。

附图说明

图1是根据本发明的具有压缩气体燃料系统的发动机系统的示意图,该压缩气体燃料系统包括气体燃料储存箱和对应的燃料泵。

图2是根据本发明的安装到低温流体储存箱内的低温泵的截面图。

图3是根据本发明的多元件泵的轮廓图,而图4是其片断图。

图5是根据本发明的单元液压致动器的截面图。

图6和图7是根据本发明的滑阀处于两种操作位置的截面图。

图8是根据本发明的液压梃杆和推杆组件。

图9和图10是显示根据本发明的泵操作参数的曲线图。

图11是根据本发明的多元件泵的操作方法的流程图。

具体实施方式

本发明涉及使用气体燃料源的发动机,比如柴油或火花点火的直接喷射气体(DIG)或间接喷射气体发动机。更具体地,本发明涉及用于发动机系统的实施例,该发动机系统包括具有泵的气体燃料储存箱,泵供应低温储存的流体以向发动机提供燃料。图1中显示了DIG发动机系统100的示意图,其在所说明的实施例中使用柴油作为点火源,但是应当理解的是,可以构想间接喷射发动机和/或使用不同的点火模式的发动机。发动机系统100包括发动机102(在图1中大体示出),其具有与每个发动机汽缸103相关联的燃料喷射器104。燃料喷射器104可以是双止喷射器,其配置为独立地将预定量的两种分离的燃料喷射入发动机汽缸,在本情况下为柴油和气体。

燃料喷射器104通过高压气体燃料供应管线108连接至高压气体燃料轨106,并通过液体燃料供应管线112连接至高压液体燃料轨110。在所示实施例中,气体燃料是通过高压气体燃料供应管线108在约10-50MPa的压力下提供的天然气或石油气,而液体燃料是在约15-100MPa下保持在高压液体燃料轨110内的柴油,但是取决于每种发动机应用的操作条件,可以使用任何其他压力或类型的燃料。应当注意的是,尽管使用了词语“气体的”或“液体的”来引用高压气体燃料供应管线108和高压液体燃料轨110中存在的燃料,这些名称并不旨在限制燃料存在于相应轨中的相,而是仅用于讨论所示实施例的目的。例如,在高压气体燃料供应管线108内受控压力下提供的燃料,取决于其所保持的压力,可以是液体、气体或超临界相。此外,液体燃料可以是任何碳氢化合物基燃料;例如,DME(二甲醚)、生物燃料、MDO(船用柴油)或HFO(重燃油)。

无论发动机系统100是安装在移动应用中或固定应用中,其每一种均可以设想,气体燃料可以以液态储存在箱114中,箱114可以是在相对低的压力下(例如,大气压)或在更高的压力下加压的低温储存箱。在所示实施例中,箱114被隔热以在约-160℃(-256℉)的温度下和在约100至1750kPa之间的压力下储存液化天然气(LNG),但是也可以使用其他储存条件。箱114进一步包括压力释放阀116。在以下说明书中,DIG发动机系统实施例被用来进行说明,但是应当理解的是,本文所公开的系统及方法适用于任何使用低温储存气体的机械、车辆或应用,例如机车,其中箱114可以携载在煤水车厢中。

关于所示的具体实施例,在操作期间,仍然在液相下将来自箱的LNG在泵118中加压,这提高了LNG的压力而同时将LNG保持在液相。泵118配置为选择性地将LNG的压力增大为某压力,该压力可以响应于从电子控制器120提供给泵118的压力命令信号而改变。为了说明,泵118在图1中显示为在箱114的外部,但是可以设想的是,泵118可以至少部分设置在箱114内,如在之后的附图中示出的那样,例如在图2中。尽管LNG在箱中以液态存在,为简单起见,当提及以超过大气压力的压力存在的LNG时,本发明将参考压缩或加压LNG。

由泵118提供的加压LNG在热交换器122中被加热。热交换器122向压缩LNG提供热量以降低密度和粘度,而同时增高其焓和温度。在一个示范性应用中,LNG可以以约-160℃的温度、约430kg/m3的密度、约70kJ/kg的焓以及约169μPa.s的粘度作为液体进入热交换器122,并且以约50℃的温度、约220kg/m3的密度、约760kJ/kg的焓以及约28μPa.s的粘度作为液体离开热交换器。应当理解的是,取决于正在使用的燃料的具体成分,此类代表性状态参数的值可以有所不同。一般来说,希望燃料以低温液态进入热交换器,而以超临界气态离开热交换器,超临界气态在本文中被用来描述燃料为气态但是具有在其汽相和液相的密度之间的密度的状态。

热交换器122可以是用于和LNG一起使用的任何已知类型的热交换器或加热器。在所示实施例中,热交换器122是套管水加热器,其从发动机冷却剂提取热量。在替代实施例中,热交换器122可以实现为主动式加热器,例如燃料火焰或电加热器,或者可以替代地为使用不同热源的热交换器,比如从发动机102、属于同一系统的不同发动机(比如在机车中通常是此种情形)的废气回收的热量、来自工业处理的废热,以及其他类型的加热器或热交换器。在图1中所示的实施例中,其使用发动机冷却剂作为用于热交换器122的热源,一对温度传感器121A和121B被设置为测量进入和离开热交换器122的发动机冷却剂的温度并且向电子控制器120提供对应的温度信号123。

液体燃料或者在所示实施例中的柴油燃料被储存在燃料储器136中。从那里,燃料通过过滤器140被吸入燃料泵138。燃料泵138可以具有可变流量能力,用来根据发动机的操作模式以可变速率向发动机提供燃料。由燃料泵138提供的燃料的速率可以响应于来自电子控制器120的命令信号得到控制。来自燃料泵138的加压燃料被提供至高压液体燃料轨110。类似地,泵118具有响应于来自电子控制器120的信号的可变供应能力。

离开热交换器122的气体可以通过过滤器124去除污染物。如可以理解的,经过过滤器124的气体可包括以一种以上相存在的气体,比如气态或液态。任选的气体蓄能器126可以在压力调节器128的上游采集经过滤的气体,压力调节器可以选择性地控制提供至高压气体燃料轨106的气体的压力,高压气体燃料轨连接至高压气体燃料供应管线108。为了操作泵118,使用泵150,其具有可变排量并选择性地通过阀系统152向泵118提供加压液压流体。液压泵150的操作由对来自电子控制器120的命令做出响应的致动器154来控制。阀系统152还响应于来自控制器120的命令来操作。

图2中示出了箱114的截面图,其具有至少部分设置在其中的泵118。箱114可以包括内壁202和外壁204,内壁202限定了含有加压LNG的腔室212。可以任选地使用隔热层206,和/或可以沿内壁202和外壁204之间的间隙形成真空。内壁202和外壁204两者在箱的一端处具有公用开口208,其围绕延伸到箱内部212内的圆柱形壳体210.圆柱形壳体210是中空的并且在其中限定了泵插口214,泵插口从安装凸缘216延伸到箱腔室212内并将泵118容纳在其中。密封件218将泵插口214的一部分的内部与箱腔室212隔开。

在所示实施例中的泵118具有大体圆柱形形状并且包括泵凸缘220,泵凸缘220将泵118支撑在箱114的安装凸缘216上。在图3中还示出了从箱114移开的泵118的轮廓图,并且在图4中被部分剖开以暴露内部部件。泵118大体上包括致动器部分302,其操作为选择性地启动一个或多个推杆304。推杆304围绕压缩管306,压缩管306还可以任选地操作为用于泵118的出口通道。在操作期间通过致动器部分302引起往复运动的推杆304,从致动器部分302延伸到与泵送部分310相关联的启动部分308。在操作期间,可以浸没在低温流体中的泵送部分310,操作为将来自箱内部212的流体泵送出箱并通过出口,或者在一些实施例中,通过压缩管306,以向发动机供应燃料,如之前所描述的。泵送部分310被启动以用于通过启动部分308泵送流体,启动部分依次将推杆304的往复运动转换成操作泵送部分310的泵送动作。推杆304的往复运动的传递可以通过任何合适的结构或方法来实现,包括通过固体结构或通过其他方法,比如可以传递位移的封闭液压或启动体积。

在所示实施例中,在图4中以截面示出并且还在图8中以放大细节示出的推杆304通过挺杆314沿图4中所示的泵的方向向下,该挺杆通过在挺杆314后方的压力下通过启动通道318提供的液压流体在孔口316中操作。当在挺杆后方的液压流体的加压被去除时,或者换句话说,当挺杆314后方的空间排空时,复位弹簧320通过上推杆部分312使推杆304复位,并由此使挺杆314复位。

用来启动挺杆314的加压液压流体,通过滑阀322的可选择定位,被提供在挺杆后方的空间中和被排空,滑阀在图6和图7中显示为处于两种操作位置。在图6中,滑阀322显示为处于填充位置,其利用高压油填充挺杆314后方的空间来促使挺杆延伸,而在图7中滑阀显示为处于排放位置,其排空挺杆314后方的空间以允许挺杆314通过复位弹簧320(图8)的力而复位,并由此缩回。

滑阀322在所示实施例中包括滑阀元件324,该滑阀元件往复安装在孔口326内并在孔口内操作。容纳该滑阀元件324的孔口326被流体连接至流体供应通道328,该流体供应通道供应加压流体以移动挺杆314。例如,如图1中所示,加压流体可以是由像液压泵150那样的液压泵供应的液压流体。液压流体的流率和压力可以例如由同样在图1中示出的阀系统152响应于来自电子控制器120(图1)的命令来控制。

孔口326还流体连接至排放通道330(在图6和图7中部分示出),排放通道按照已知的方式向流体储器打开以用于排出加压流体。挺杆供应通道332将孔口326流体连接至挺杆314后方的区域,在图8中显示的实施例中意味着该挺杆供应通道332向启动通道318流体打开。在操作期间,当滑阀元件324被设置成处于图6中所示的填充位置时,滑阀元件324流体供应通道328处于和挺杆供应通道332流体连通且排放通道330与挺杆供应通道332流体隔离。在该操作位置,来自高压下的流体供应通道328的流体被引导到挺杆供应通道332,其继而将流体提供给启动通道318,从此处流体通过液压压力推动挺杆314,挺杆延伸推杆304以启动在泵118的另一端的泵送元件,如先前所描述的。在排放位置,如图7中所示,滑阀元件移动到流体阻塞流体供应通道328并继而将挺杆供应通道332与排放通道330流体连接。在该操作位置,流体从挺杆314后方流出,通过启动通道318和挺杆供应通道332,并流入排放通道330,从此处其被排出。这些运动由复位弹簧320促进,其推动上推杆部分312,并由此使挺杆314缩回。

在所示实施例中,在激励状态下的滑阀元件324被设置在填充位置(图6),而当去激励时,呈现为排放位置(图7)。滑阀元件324的启动需要沿滑阀元件324往复运动所沿的轴线的相同位移。该位移由致动器334提供,其在图5中以截面示出。致动器334是电子机械导向致动器,但是也可以使用其他类型的致动器,比如利用压电元件的致动器。致动器334包括螺线管336并且包括复位弹簧340,当螺线管受到激励时缩回销338,该销至少部分往复设置在螺线管336中。在所示实施例中,销338是紧固件。筒管可以包括铁芯342。销338包括电枢344并且在形成中空孔口348的销引导件346内往复运动。中空孔口348与液压油供应通道350、滑阀供应出口352和排放出口354流体隔离。液压油供应通道350可以直接地或通过阀系统152与液压泵150(图1)的出口连接。销引导件346形成两个提升阀座,它们根据螺线管336的启动状态,流体连接或隔离各个流体通道。

更具体地,在操作期间,根据螺线管336的启动状态,在销引导件346内的销338的位置在启动位置和排放位置之间操作。在启动位置,下座阀347随着电枢344向上移动而打开,将滑阀供应出口352置于与排放出口354流体连通,如图6和图7中所示,排放出口被连接到孔口326的内部并对滑阀元件324下方的区域加压,而通过液压力促使滑阀元件在孔口内从排放位置(图7)向上移动到填充位置(图6),并且由此如之前所述的通过向启动通道318供应加压流体通过挺杆供应通道332来启动挺杆314(图8)。因此,当销338处于启动位置时,滑阀元件324处于填充位置。类似地,当销338停用或处于排放位置时,滑阀供应出口352被置于与液压油供应通道350流体连通,其排放滑阀元件324下方的流体,而导致其在孔口326中延伸并由此排空启动通道318(图8)。因此,当销338处于停用时,滑阀元件324处于排放位置(图7)。流体供应通道328可以直接连接至液压泵150的出口,或者可以替代地通过阀系统152连接至液压泵150的出口。在所示实施例中,流体供应通道328始终与液压油供应通道350流体连接,但是两个通道可以根据泵118和/或液压泵150的操作状态不时分开或在不同的压力下操作。

致动器334的操作取决于线管336中电力的存在,电力选择性地由电子控制器120(图1)提供,使得可以选择性地执行泵118的可选择泵送动作。泵118有利地包括六个可单独启动的泵送元件400(两个以截面示出),但是也可以使用其他数目的泵送元件,例如,一个、两个、三个、四个、五个或多于六个,这取决于泵对特定的系统的应用。参考图4,其中沿着直径横贯泵118的大体圆柱形形状延伸的某个位置截取了泵118的截面,可以看到,六个泵送元件如图5-8中所描述和示出的那样各自具有其自己的部件组,以直径相对的方式成对堆成围绕泵设置。也可以使用以规则的角度间隔围绕泵设置的奇数个泵送元件。挺杆被容纳在挺杆壳体401中,该挺杆壳体形成对称围绕泵的孔口,并且支撑或者以其他方式容纳泵118的各种其他部件。电子控制器120被配置和编程为,通过在期望时间和在期望持续时间上向相应泵送元件400的每个致动器334发送适当的命令,来选择性地启动每个泵送元件。

工业实用性

本发明适用于涉及液化气体储存罐的任何类型的应用。在所示实施例中,具有在机载箱中携载的CNG或LPG燃料源的机械被用于说明,但是本领域普通技术人员可以认识到,本文所述的方法及系统具有对任何类型的压缩气体箱的通用性,这些类型的压缩气体箱包括用于泵送来自箱的液化气体的泵,以向注入发动机的系统供应气体。

图9和图10中显示了两个图表,它们示出了在根据本发明的多元件泵中的排量和供应的流体流。在图9中,曲线图显示了例如泵送元件的挺杆314(图8)位移或柱塞位移,它们的运动相对于时间沿垂直轴绘制,时间沿水平轴绘制。显示了两条曲线402和404,各自表示多个泵送元件,比如泵送元件400(图4)的相应一个的运动。以实线示出,第一曲线402包括从零位置到最大活塞或柱塞冲程距离408的大体线性上升406。延伸的挺杆或柱塞随后在从最大柱塞冲程距离408回到零的位移上遵照第一曲线沿着大体线性下降410。取决于泵的流要求,挺杆可以在其返回至零时立即沿着大体线性增大再次延伸,该大体线性增大可以和线性下降的斜率不同,这表明柱塞延伸和缩回,或者换句话说,泵的填充和泵送冲程可以选择性的在不同速度下执行。如果泵送元件没有立即被启动或激励,其可能停留在零处一段停留时间412。类似地,第二曲线404示出了线性上升406'、线性下降410'和第二停留412'。

在所示实施例中,延伸速度显示为约1.25m/s,而缩回速度为约0.25m/s,作为填充和泵送冲程在不同的柱塞速度下执行的一组示范性操作参数。这些速度,尽管它们影响液化气体被提供给发动机的速率,也同样是泵送元件能密封用于有效泵送操作的泵送体积的能力的贡献性因素,特别是用于密封泵柱塞和它们相应孔口之间的滑动界面。此外,相对更慢的填充冲程促进流体有效收回到封闭泵送柱塞的泵送体积内。

由图9中示出的柱塞或挺杆位移所引起的泵送液化气体流在图10中绘出,其中流率沿垂直轴延伸,而时间与图9的时间尺度相一致地沿水平轴线延伸。从图中可见,在第一挺杆或柱塞的上升406期间出现大体方波形的曲线414,其由图9的第一泵送元件的运动引起。在第二挺杆或柱塞的上升406'期间出现第二曲线414'。两个流414和414'之间的延迟416取决于系统的需求和泵的元件的数目。

可以基于各种参数选择性的设置延迟416。例如,停留时间412和第二停留412'可能有助于该延迟,并且可以动态地改变以实时调节该延迟。例如,对于发动机系统,其中流414和414'表示对发动机的燃料供应,在怠速下或在低负载下的操作需要低加燃料速率,该延迟可以被调节为确保没有多余的燃料泵送到发动机。同样地,减少或消除停留时间412可以降低延迟416。为了提供最大流量能力,泵可以被设计为具有任意数目的泵送元件,并且冲程长度和启动的速度可以被选择为使得方波彼此邻近而提供零延迟,如果需要的话。应当理解的是,由于泵送元件可以独立地启动,它们可以以重叠或同时的方式由控制器启动,以进一步增大所提供的流率和最小化对发动机的压力波动(即,产生负延迟416)。

图11中显示了根据本发明的多元件泵的操作方法的流程图。根据该方法,其中多个泵送元件,每个泵送元件可以响应于来自控制器的相应启动信号,在502处控制器接收多个发动机操作参数。发动机参数可以包括足够确定发动机加燃料的期望速率的信息以及可以包括指示发动机速度、发动机负载等的信息或信号,控制器基于该发动机操作参数,在504处确定期望发动机加燃料速率。期望加燃料速率在控制器中可以体现为任何数目的参数,包括在气体蓄能器或与发动机相关联的气体歧管中的期望气体压力。不管怎样,期望加燃料速率驱动泵送元件启动的频率。基于泵中泵送元件的数目和每个泵送元件的流量能力,以及还基于期望燃料率,在506处控制器可以确定频率,或者类似地,各个泵送元件的启动之间的停留时间或延迟。取决于其确定,在508处控制器可以命令多个泵送元件的每个执行泵送冲程。

在一个实施例中,每个泵送冲程可以包括在510处向液压单元致动器发布命令以启动。在512处单元致动器的启动可以促使滑阀元件在填充位置和排放位置之间移动,在514处这促使推杆往复移位,并且由此在516处于启动柱塞或其他泵送元件,在518处导致预定的流体流被提供给发动机。在发动机操作期间通过适当改变启动之间的频率和停留时间重复该过程,使得在发动机操作期间维持到发动机的流体的期望流率。除了控制泵送元件启动的频率和持续时间之外,控制器还可以控制器泵元件的启动的持续时间,使得在需要比泵送流体的完全冲程小的情况下可以实现较短的泵送冲程,这可以通过部分柱塞位移来实现。

应当认识到,以上说明书提供了所公开系统及技术的实例。尽管如此,可以设想的是本发明的其他实施方式在细节上可以与前述实例不同。对本发明或其实例的参考旨在引用就该点讨论的特定实例,而并不旨在暗示对本发明更一般的范围的任何限制。关于某些特征的区别和贬低的所有语言旨在表明对这些特征缺少偏好,而并不是将此类特征从本发明的范围完全排除,除非另有所指。

除非本文中另有说明,本文中所述的数值的范围仅仅用作分别指代该范围内的每个独立的值的简化方法,并且每个独立的值与它在本文中被单独引述一样结合到说明书中。在本文中所描述的所有方法可以按照任何合适的次序来执行,除非在本文中另有所指或另外与上下文明显矛盾。

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