CN101128691A - 卸压阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及卸压阀。该卸压阀(20)包括：限定有入口(44)的阀体(22)，该入口构造成用于接纳来自流体系统的流体；终止于阀座(50)的压力控制节流孔；以及从阀座伸出的导槽(51)。该卸压阀还包括：阀关闭元件(66)，其构造成在关闭位置抵靠阀座，而在开启位置从该阀座移置，由此对流体系统进行卸压。该卸压阀还包括具有柄(70)和流动板(74)的流动元件(68)。该柄与阀关闭元件可操作地连接，并构造成在导槽中往复运动。卸压阀还包括与阀体可操作地连接的阀弹簧(78)。

Description

卸压阀
技术领域
本发明总体涉及一种卸压阀，更具体地涉及一种具有压力控制节流孔的卸压阀。
背景技术
在许多流体系统的应用中，可能希望对该流体系统进行卸压，例如，为防止对流体系统的部件造成损坏和/或为避免发生异常状况。例如，包括在内燃机中用于向燃烧室供给加压燃料以使燃烧组分充分雾化和混合的燃料系统。通常被称为共轨式燃料喷射系统的燃料系统即是此类燃料系统的一个示例。
在共轨式燃料喷射系统中，例如是变量活塞泵的泵在例如约为1,600bar的高压下将燃料供至管道，该管道将燃料供入与每个燃烧室相连的喷嘴中，所述管道有时也被称为共轨。在某些情况下，燃料系统中的压力可非常大以至损坏燃料系统的部件。
为避免此类事件发生，可在燃料系统中设置卸压阀，该卸压阀构造成用于当燃料系统中的压力高于最大期望值时(例如发生过高的压力状态时)对其进行卸压。例如，可选择高压卸压阀以在压力达到约2,000bar时即进行卸压。另外，在高压燃料系统中，可能希望进行相对稳定的卸压。尤其通常可能希望高压卸压阀在分别响应于压力的升高和降低而开启和关闭时的操作不会使燃料系统的压力显著波动。
为实现相对稳定的操作，有些常规的卸压阀具有复杂的阀座和阀关闭元件构造。但是，这种复杂的阀座和阀关闭元件构造比所期望的昂贵。
具有球形阀关闭单元的卸压阀是一种花费较少的替换的卸压阀。但是，这种不那么复杂且通常花费较少的阀关闭元件由于其卸压特性相对不稳定而可能不适合。特别地，具有球形阀关闭元件的卸压阀可包括用于对流体卸压的卸压孔，该卸压孔可通过联结有弹簧的阀关闭元件关闭，所述弹簧构造成用于抵抗流体压力并将该阀关闭元件保持在阻隔所述卸压孔的位置。当流体系统中的压力足够大以至克服弹簧的将阀关闭元件保持在卸压孔之上的力时，则将阀关闭元件移置(移开)以允许流体流过卸压孔，从而进行卸压。
但是，在这种装置中，使球形阀关闭元件被移去和移置以对流体系统进行卸压，卸压完成后，为使阀关闭元件复位和中断卸压操作，则需要将流体系统的压力降至极低，因为当降压孔开启时流过其中的流体阻止球形阀关闭元件复位，直至压力显著降低。但是，压力的显著降低可能阻止流体系统的正确运行。例如，在内燃机的燃料系统中，如果燃料系统的压力降低过多，则内燃机将接收不到足够的燃料以正确运行。特别地，因为流体系统的压力趋于在极高压和极低压之间上下波动，所以卸压将不稳定和/或不适合，从而干扰流体系统按预定运行和/或由于压力的迅速变化而对流体系统的部件造成不希望的应力。
2004年1月13日授予Frank等人的美国专利No.6,675,774(′774专利)描述了一种用于对流体系统进行卸压的卸压阀。’774专利所述的卸压阀结合有用于向多个喷嘴供应燃料的贮油箱。该卸压阀包括球形阀体。尽管’774专利所述的卸压阀可对比希望压力高的压力进行卸压，但是，由于其存在上述问题而不能对流体系统实现稳定的卸压。
根据本发明的卸压阀可克服一个或多个上述问题。
发明内容
本发明一方面涉及一种卸压阀，该卸压阀包括限定有入口的阀体，该入口构造成接纳来自流体系统的流体。该入口限定有一横断面积。所述阀体还包括压力控制节流孔，其终止于阀座。压力控制节流孔限定有一小于入口的横断面积的横断面积。所述阀体还可包括从阀座伸出的导槽。卸压阀还包括阀关闭元件，其构造成在关闭位置抵靠阀座，而在开启位置从该阀座移置，由此对流体系统进行卸压。卸压阀还包括具有柄和流动板的流动元件。该柄与阀关闭元件可操作地连接，并构造成在导槽中往复运动。卸压阀还包括与阀体可操作地连接的阀弹簧。该阀弹簧构造成经由阀板施加偏压力，以将阀关闭元件保持在关闭位置，并使阀关闭元件当其在开启位置时回到关闭位置。
本发明另一方面涉及一种流体系统，该流体系统包括构造成用于对流体加压的泵和构造成用于调节流体系统的压力的卸压阀。该卸压阀包括限定有入口的阀体，该入口构造成用于接纳来自流体系统的流体。该入口限定有一横断面积。所述阀体还包括压力控制节流孔，其终止于阀座。压力控制节流孔限定有一小于入口的横断面积的横断面积。所述阀体还可包括从阀座伸出的导槽。卸压阀还包括阀关闭元件，其构造成在关闭位置抵靠阀座，而在开启位置从该阀座移置而对流体系统进行卸压。卸压阀还包括具有柄和流动板的流动元件。该柄与阀关闭元件可操作地连接，并构造成在导槽中往复运动。卸压阀还包括与阀体可操作地连接的阀弹簧。该阀弹簧构造成经由阀板施加偏压力，以将阀关闭元件保持在关闭位置，并使阀关闭元件当其在开启位置时回到关闭位置。
本发明在又一方面涉及一种用于向内燃机提供加压燃料的共轨式燃料系统。该燃料系统包括构造成用于对燃料加压的泵和构造成用于调节系统压力的卸压阀。该卸压阀包括限定有入口的阀体，该入口构造成用于接纳来自流体系统的流体。该入口限定有一横断面积。所述阀体还包括压力控制节流孔，其终止于阀座。压力控制节流孔限定有一小于入口的横断面积的横断面积。所述阀体还可包括从阀座伸出的导槽。卸压阀还包括阀关闭元件，其构造成在关闭位置抵靠阀座，而在开启位置从该阀座移置，由此对流体系统进行卸压。卸压阀还包括具有柄和流动板的流动元件。该柄与阀关闭元件可操作地连接，并构造成在导槽中往复运动。卸压阀还包括与阀体可操作地连接的阀弹簧。该阀弹簧构造成经由阀板施加偏压力，以将阀关闭元件保持在关闭位置，并使阀关闭元件当其在开启位置时回到关闭位置。
附图说明
图1是示例性的流体系统的示意图；
图2是卸压阀的示例性实施例的局部断面的示意图；
图3是图2所示的示例性实施例中部分局部断面的示意图；
图3A是图3中A-A剖面的局部示意图；
图4A是示出为关闭状态的卸压阀的示例性实施例的局部断面示意图；
图4B是示出为全开状态的卸压阀的示例性实施例的局部断面示意图；
图4C是示出为半开状态的卸压阀的示例性实施例的局部断面示意图。
具体实施方式
图1表示示例性的流体系统10。该流体系统10是用于将燃料输送至内燃机12的燃料系统，可包括用于贮存燃料的贮油箱14和用于将燃料从贮油箱14经由管道8送至内燃机12的泵16。可将燃料系统10构造成将加压的燃料输送至内燃机12，所述压力例如从约300bar至约2,000bar(例如从约1,000bar至约2,000bar(例如约1,600bar))。为防止流体系统10的压力达到极高，可为该流体系统10设置卸压阀20，例如高压卸压阀。尽管(本文)出于示例性的目的结合燃料系统对流体系统10进行了说明，本发明所包含的原理可被应用于本领域的技术人员所知的其他的流体系统。
图2示例表示了一种用于流体系统中以调节其压力的卸压阀20，例如高压卸压阀。可以设想本领域技术人员所知的卸压阀20的其他用途。根据某些实施例，卸压阀20可包括阀体22和阀端部24。阀体22可构造成例如经由设在阀体22上的外螺纹26配合在流体系统的一部分中。阀体22还可包括设有内螺纹30的内径28和限定有环形凹槽34的肩部32。阀端部24可包括限定有肩部38的颈部36。可在颈部36上设置外螺纹40。在装配时，阀端部24经由内螺纹30和外螺纹40之间的螺纹连接旋入阀体22的内径28中，直到阀体22的肩部32与阀端部24的肩部38彼此相接。可在凹槽34中设置O环密封42，从而使得阀体22和阀端部24之间的连接基本流体密封。也可在阀端部24的肩部38设置环形凹槽，而不在阀体22的肩部32设置凹槽34(或在两处均设置凹槽)。
阀体22可包括入口44，该入口44构造成与流体系统流体连通。入口44在另一方面与压力控制节流孔46流体连通。可将入口44的尺寸确定为大于压力控制节流孔46的横断面积，并可在入口44和压力控制节流孔46之间设置斜面48。压力控制节流孔46可在阀座50处终止，而阀座50在压力控制节流孔46和导槽52之间提供流体连通，所述导槽52与阀体22的内径28流体连通。
阀端部24可限定第一内径54和第二内径56，它们分别限定基本光滑的圆柱形内表面。阀端部24还可限定有与所述第二内径56流体连通的第三内径58和出口内径60。出口内径60可具有内螺纹62，该内螺纹62用于按螺纹连接的方式接纳用于例如在示例性的卸压阀20开启时使流体返回到流体系统中的返程管路。出口内径60可终止在斜面部分64。
如图3所示，压力控制节流孔46限定了长度尺寸l和直径尺寸d。长度尺寸l的范围从斜面48邻近压力控制节流孔46的端部至位于压力控制节流孔46端部的阀座50。选取长度尺寸l和直径尺寸d使其满足如下关系：自入口44流过压力控制节流孔46的流体在经过压力控制节流孔46时发生气蚀，而在阀座50处离开压力控制节流孔46并进入导槽52时容纳气蚀区域(例如充分发展的气蚀区域)。直径尺寸d沿几乎整个长度尺寸l恒定，但是，只要自入口44流经压力控制节流孔46的流体当其在阀座50处离开压力控制节流孔46时发生气蚀，则可设想直径尺寸d沿长度尺寸l变化。例如，长度尺寸l和直径尺寸d可按比率约2∶1至约5∶1(例如约4∶1)相关。例如，长度尺寸l可以是约3.25mm，而直径尺寸d可以是0.75mm。这种关系及这些尺寸仅是示例性的，可以设想，本领域的技术人员也可确定其它关系和其它尺寸。
卸压阀20还可包括例如是球形阀关闭元件的阀关闭元件66和流动元件68。流动元件68可构造有在导槽52中往复运动的柄70。柄70和导槽52构造成防止流动元件68不与阀端部24的第一内径54对齐和/或在其中弹起。柄70可包括例如由一个或多个凹面72限定的一个或多个通路(例如图3A所示)，这些通路在导槽52和阀体22的内径28之间提供流体连通。流动元件68还可包括限定一个或多个孔76(例如4个孔)的流动板74(例如参见图2和图4A-4C)，这些孔构造成在阀体22的内径28和阀端部24的第一内径54之间提供流体连通。阀关闭元件66和流动元件构造成使得阀关闭元件66与流动元件68的柄70相接，并使得阀关闭元件66安装成在压力控制节流孔46的出口处支靠阀座50。
参考图2，卸压阀20还可构造有弹簧78和垫片80以提供挤靠流动板74的偏压力，从而使得阀关闭元件66支靠阀座50。垫片80可限定一个或多个孔82，并被构造位于第二内径56与第一内径54相对的、由肩部84限定的端部。弹簧78可在流动板74和垫片80之间进行压缩。
工业适用性
本发明的卸压阀可适用于任何流体系统，例如燃料系统、液力系统或该技术领域所知的其他任何需用卸压阀的系统。对于较高的压力环境例如内燃机用共轨式燃料喷射系统，卸压阀20可提供一种简易、花费较少的办法，从而降低用于该环境的卸压阀的成本和/或复杂性。
例如，在图1中示意示出的示例性的流体系统10中，泵16将加压的燃料从贮油箱14经由管道18输送至内燃机。例如，该流体系统10可构造成在约300bar至约2,000bar的压力下工作(例如从约1,000bar至约2,000bar(例如约1,600bar))。卸压阀20可以是高压卸压阀，并可构造成防止流体系统10的压力达到过高的压力状态(例如高于预定的最大期望压力，例如约2,000bar)。卸压阀20构造成当流体系统10的压力达到最大期望压力时即进行卸压，直到压力降低至低于最大期望压力。
参考图2，卸压阀20例如可经由设在阀体22上的外螺纹26配合在流体系统的一部分中，从而使得卸压阀20与流体系统流体连通，所述流体系统例如是图1所示的流体系统10。只要流体系统的压力保持低于最大期望压力，则卸压阀20保持完全关闭状态，此时，阀关闭元件66保持位于阀座50中，如示意图4A所示。
当流体系统的压力达到高于最大期望压力的程度，则来自流体系统位于入口44和压力控制节流孔46处的流体压靠阀关闭元件66，其压靠力足以使阀关闭元件66被移置，从而克服弹簧78经由流动板74施加的偏压力，从而例如使得卸压阀20处于完全开启状态，如示意图4B所示。
当阀关闭元件66被移置一定距离x，则来自流体系统的流体得以通过阀座50和阀关闭元件66之间，并进入导槽52。流体一旦进入导槽52，即可通过柄70的例如由凹面72限定的一个或多个通路进入内径28。流体一旦进入内径28，即可流过流动板74的一个或多个孔76进入第一内径54，穿过第二内径56和第三内径58，并从阀端部24的出口内径60流出，从而使流体系统的压力降低。
通过使流体流过卸压阀20，流体系统的压力可被降低至低于最大期望压力的程度。弹簧78提供的偏压力取决于其压缩量，该压缩量约等于阀关闭元件66的移置距离x。当流体流过卸压阀20时，流体作用于阀关闭元件66上的力随流体系统压力的降低而减小。当流体力减小时，弹簧78的偏压力与施加成压靠阀关闭元件66的流体力反作用，从而使阀关闭元件66的移置距离x减小，直至流体力和弹簧78的偏压力之间达到平衡。其结果使得卸压法呈现部分开启的状态，如示意图4C所示。
如果流体系统继续按此方式工作，假设不进行卸压则必将导致该流体系统的压力高于其最大期望压力，将使得大量的流体继续流过卸压阀20，以防止阀关闭元件66完全复位至阀座20上并使卸压阀20完全关闭。另外，压力控制节流孔46限定的长度尺寸l和直径尺寸d可根据如下关系选取：使得来自入口44流过压力控制节流孔46的流体在离开压力控制节流孔46时发生气蚀。当压力控制节流孔46的长度尺寸l和直径尺寸d的关系使得流体离开阀座50时在流体流中发生气蚀，则会形成在流体流中产生真空区(void)的气蚀区域，从而使得阀关闭元件66至少被暴露于气蚀区域的一部分，并且阀关闭元件66此时所受来自流体的力小于不存在气蚀时的受力。由于发生气蚀的流体压靠阀关闭元件66的力相对减小，所以，阀关闭元件66或者移动至位移x相对减小的位置(参见例如图4C)，或者在流体系统的压力相对较高时返回并被置于阀座50中(参见例如图4A)，所述相对较高的压力高于无气蚀时阀关闭元件66所承受的来自流体流的开启力。其结果使得阀关闭元件66趋于返回至阀座50，从而使得卸压阀20允许流体系统在允许压力下继续工作(例如流体系统的压力低于其最大期望压力，但又足够高以按可被接受的稳态的方式继续工作)。
由于可在部分开启的状态下工作，卸压阀20可实现对流体系统压力的更加稳定的控制。例如，假设流体系统的最大期望压力为约2,000bar，那么，一旦流体系统的压力达到2,000bar，则由于流体的压力克服了弹簧78的偏压力而使阀关闭元件66从阀座50移开。一旦阀关闭元件66被移置，则流体将流过压力控制节流孔46并离开阀座50。长度尺寸l和直径尺寸d之间的关系将使离开阀座50的流体发生气蚀，从而产生真空区。由于真空区的存在，作用于弹簧78的偏压力小于当流体在离开阀座50时不发生气蚀的力。由于保持阀关闭元件66离开阀座50的力相对较小，因此，在阀关闭元件66回到部分开启状态(如图4C所示)或回到如图4A所示的完全关闭状态而使阀关闭元件66支靠阀座50并停止对流体系统卸压之前，流体系统的压降较小。由于压降较小，则可使流体系统的压力所经历的波动相对较小，从而使卸压更加稳定。
由于卸压更加稳定，即使在流体系统的压力超过最大期望压力的现象反复发生而使卸压阀20被开启时，流体系统也可以继续按可被接受的方式工作。例如，在通常构造成在约300bar至约2,000bar(例如约1,000bar至约2,000bar)的压力下工作的内燃机用燃料系统中，可能发生某些情况而导致该燃料系统的压力达到2,000bar，从而迫使卸压阀20开启并对过高的压力状态进行卸压。如果所述某些情况持续存在或反复发生，则卸压阀20将反复经历如下过程：完全开启以卸压(参见图4B)和压力降低至允许值即关闭。但是，为使燃料系统在足够高和/或足够稳定的压力下提供燃料以使内燃机按希望的方式连续工作，必须使燃料系统至少维持一定的最小工作压力。因此，卸压阀20可构造成在燃料系统的压力降低到最小工作压力之前间断卸压。由于具有压力控制节流孔，该压力控制节流孔可减小阀关闭元件66回到部分开启状态或回到阀座50所需的压降量，因此，当流体系统的压力高于流体系统的最小工作压力时，卸压阀20可减小卸压或使卸压不连续，从而使得内燃机可按允许的方式连续工作。
另外，由于流体流在卸压阀20卸压时施加于阀关闭元件66的力较小，所需的反作用于流体力的偏压力也较小。因此，可选择弹簧78使其具有相对较小的弹性系数，从而该弹簧78的应力可能被减小。此外，由于弹性系数较小，使得阀关闭元件返回阀座50时的冲击力被减小，从而可以延长阀关闭元件66和/或阀座50的使用寿命。
根据图2所示的示意性实施例，卸压阀20可构造成在预定压力下通过选择具有特定弹性系数的弹簧78和选择具有特定厚度的垫片80中的至少一种(办法)对流体系统进行卸压。例如，通过选择具有特定弹性系数的弹簧、和/或通过选择具有一定厚度的垫片80而对弹簧78预加负荷以使弹簧78具有期望量的预加偏压力，可以确定弹簧78对流动板74施加的偏压力。
可以显见，本领域的技术人员可做出本发明的卸压阀的多种改进和变型。例如，尽管本文结合燃料系统对卸压阀进行了说明，该卸压阀也可被用于可从卸压阀中受益的其他流体系统。参考说明书和公开的实施例，本领域的技术人员可以显见卸压阀的其他实施例。本说明书和示例仅应被认为示例性的，其真实范围在所附权利要求加以说明。

Claims (10)

1.一种卸压阀(20)，包括：
阀体(22)，该阀体限定有
构造成用于接纳来自流体系统(10)的流体的入口(44)，该入口限定一横断面积，
压力控制节流孔(46)，该压力控制节流孔在阀座(50)处终止，并限定一小于所述入口的横断面积的横断面积，以及
从所述阀座伸出的导槽(52)；
阀关闭元件(66)，该阀关闭元件构造成在关闭位置抵靠所述阀座并在开启位置从所述阀座移置，由此对流体系统卸压；
流动元件(68)，该流动元件包括柄(70)和流动板(74)，所述柄与所述阀关闭元件可操作地连接并构造成在所述导槽中往复运动；以及
阀弹簧(78)，该阀弹簧与所述阀体可操作地连接，并构造成经由所述流动板施加偏压力，以使所述阀关闭元件压靠阀座而被保持在关闭位置，并使该阀关闭元件当其在开启位置时返回关闭位置。
2.根据权利要求1所述的卸压阀，其特征在于，所述压力控制节流孔构造成使所述阀关闭元件返回关闭位置所需的偏压力减小。
3.根据权利要求1所述的卸压阀，其特征在于，所述压力控制节流孔限定有长度尺寸和直径尺寸，其中，该长度尺寸和直径尺寸按比率从约2∶1至约5∶1相关。
4.根据权利要求1所述的卸压阀，其特征在于，所述压力控制节流孔构造成流过所述压力控制节流孔的流体在所述阀关闭元件处于开启位置时发生气蚀，由此在该流过所述压力控制节流孔的流体中产生包含真空区的气蚀区域，从而使得所述阀关闭元件暴露于所述气蚀区域的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的卸压阀，其特征在于，所述流动板包括构造有允许流体流过所述卸压阀的至少一个孔(76)。
6.根据权利要求1所述的卸压阀，其特征在于，所述柄限定至少一个通路，所述通路构造成经由所述导槽在所述压力控制节流孔和所述流动板之间提供流体连通。
7.根据权利要求1所述的卸压阀，其特征在于，所述导槽和所述柄构造成使得所述柄在所述导槽中往复运动而不会未对齐所述导槽。
8.一种具有根据权利要求1所述的卸压阀的流体系统。
9.一种调节流体系统(10)的压力的方法，所述流体系统与一设备可操作地连接，该方法包括：
经由流体泵(16)对流体系统中的流体加压至高于足以操作所述设备的最小工作压力的压力；以及
当流体系统中的压力升高至高于所述设备的最大工作压力时，经由卸压阀(20)对流体系统卸压，所述卸压阀包括终止于阀座(50)的压力控制节流孔(46)和从该阀座伸出的导槽(52)，
其中，所述卸压阀将流体系统的压力保持在最小工作压力和最大工作压力之间，从而使得所述设备能连续工作。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述流体系统包括含燃料的燃料系统，所述设备包括内燃机(12)，所述燃料系统构造成将加压的燃料供给到所述内燃机；所述方法包括对该燃料加压至高于1,000bar的压力。
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