CN101493148B

CN101493148B - 低噪音阀组件

Info

Publication number: CN101493148B
Application number: CN2009100052486A
Authority: CN
Inventors: 董愚; 凯文·普莱梅尔; 穆罕默德·乌斯曼
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: US7815164B2; JP2009174538A; CN101493148A; US20090188573A1

Abstract

本发明提供了一种低噪音阀组件(24)，其减小由近音速气流在阀(24)的区域中遭遇滞流而引发的噪音。入口管(10)终止于环形腔室(12)中。出口管(17)具有设置在腔室(12)内的总体为环形的阀座(14)。阀(24)朝向和远离与阀座(14)直接接触的关闭状态移动。阀(24)包括插入体(26)，该插入体在空间上隔离与出口管(17)的直接接触，同时当阀(24)处于其关闭状态时，该插入体部分地填充出口管(17)的流道(16)。插入体(26)具有总体为圆形的基部，该基部的直径大于喉部直径(T)，喉部直径是流道(16)的邻近阀(24)处的内径。

Description

低噪音阀组件

技术领域

本发明一般涉及电磁致动的阀组件，并且更具体地涉及一种用于控制燃料蒸汽从燃料箱至内燃机的流动的类型的过滤罐净化阀组件。

背景技术

过滤罐净化阀(CPV)是电磁驱动阀，其允许在一定工作模式和条件下利用发动机进气歧管的抽吸来净化从过滤罐的燃料箱中收集到的燃料蒸汽。图1示出了一种典型的现有技术的CPV。如图所示，该结构包括通向腔室的入口管。出口管具有设置于腔室内的直立部，并且显示出总体为环形的阀座，从而与具有平的阀底表面的提升阀接触，以在处于关闭状态时密封阀座。提升阀由在图1中以传统方式示意性地示出的电磁驱动器控制。

当阀在电磁驱动器的时控影响下工作时，其非常快地(典型地在5-20Hz的频率范围内)振动。当阀以这种方式工作时，可觉察到两种类型的噪音。一种是由阀的打开和关闭引起的滴答作响的噪音。此滴答作响的噪音通过牢固的蒸汽管线安装传入乘客室。特别地，如果蒸汽管线安装位于底盘的前部，则会发生觉察到滴答作响噪音的情况。另一种类型的噪音是嘶嘶的噪音，这种噪音由气体被吸入发动机进气歧管时流过阀而引起。

嘶嘶的噪音被认为是尤其麻烦的。车辆运行过程中的噪音、振动和刺耳(NVH)问题会极大地影响顾客对车辆的满意度。NVH特性会影响车辆的购买决定。因此，所有杂乱的、令人不快的噪音是车辆设计者和制造者尤其关心的问题。

目前的假设是，存在于燃料蒸汽流(该燃料蒸汽流穿过阀)中的冲击波会扩展入蒸汽管线(对于内嵌安装)或者扩展入歧管(对于直接安装)。一些车辆具有较好的在引擎罩下方的隔离层，当引擎罩放下时或者在乘客室内部时，该隔离层防止噪音被听到。然而，一种典型的抱怨是当车辆引擎盖打开并且人站在发动机旁边时，会听到这种突出的嘶嘶的噪音。

在关闭阀的过程中，还会出现一种令人讨厌的噪音，阀的关闭活动产生一种在蒸汽管线中回荡的爆裂噪音。此爆裂噪音现象在正常工作过程中发生，在正常工作中发动机进气歧管将阀的出口管侧拉成真空。机械分析(包括流动分析和试验)已经证明了阀中由流动引发的不稳定性会导致故障。具体地，在气体在阀的平底下方以及在阀与阀座之间的窄隙中流动时动能转化为势能的过程中，出现了流动停滞和分离。阀下面的停滞和分离区非常不稳定，从而导致局部压力脉动和噪音。这些现象在图2和图3中用图形示出。在能量转化过程中，即动能转化为势能的过程中，能量损耗导致气动噪音和机械的阀振动。

虽然现有技术认识到了令人讨厌的噪音现象，但是它们也使用各种措施来规避该问题。现有技术中找到的主要解决方案包括将来自声源的发声与进气歧管隔离的措施。例如，有的建议是避免将蒸汽管线牢固地安装至乘客室，以作为一种隔离流动噪音的手段。这不是一个旨在防止噪音发生的解决方案，而仅仅是掩盖或最小化传递并放大了噪音的振动的方法。另一种现有技术解决方案试图通过在阀的下游出口处插入泡沫或其它声吸收材料来吸收声能。这种建议稍微有些效果，但不能消除问题，并且增加了整个系统的成本。

同样地，可添加阻尼器以减小声柱共振的可能性。这种消声器和声音衰减策略不是很适合实际的、真实世界的应用。此外，成本和设计复杂性问题极大地阻挠了这种方法。

发明内容

本发明通过提供一种类型的低噪音阀组件克服了在现有技术系统中发现的缺点和劣势，该类型的低噪音阀组件用于控制气体通过管道的流动，同时减轻由近音速气流在阀区中遭遇滞流而引发的噪音。该组件包括终止于一个腔室中的入口管和具有总体为环形的阀座的出口管，阀座设置在入口管腔室中。一条流道延伸穿过阀座并在紧邻阀座的下游处具有最小喉部直径。一个阀设置在入口管腔室中，以朝向和远离与阀座直接接触的关闭状态移动。该阀包括插入体，该插入体在空间上隔离与出口管的直接接触并当阀处于其关闭状态时部分地填充流道。插入体具有总体为圆形的基部，该基部的直径大于喉部直径。

根据本发明的另一个更具体的方面，为如下类型的内燃机提供过滤罐净化阀组件，所述类型的内燃机以储存在燃料箱中的挥发性液体燃料为动力。该组件包括燃料蒸汽入口管，该燃料蒸汽入口管从燃料箱伸出并终止于总体为环形的腔室中。出口管具有设置在入口管腔室中的总体为环形的阀座和穿过阀座中心延伸的流道。流道在紧邻阀座的下游处具有最小喉部直径。出口管可操作地连接至发动机的真空入口。弹性阀被设置于入口管腔室中，以朝向和远离与阀座直接接触的关闭状态移动。阀包括插入体，该插入体在空间上隔离与出口管的直接接触并当阀处于其关闭状态时部分地填充流道。插入体具有总体为环形的基部，该基部的直径大于喉部直径。此外，插入体从基部朝着终端延伸，基部与终端之间的距离由关系式1.0≤D/H≤2.0控制，其中D是基部的直径而H是基部与终端之间的正常距离。根据本发明制造的阀组件消除了紧邻阀下游的气流的气动停滞和分离，从而消除或基本上减少了运行过程中令人讨厌的噪音的产生。

附图说明

当结合下列的详细描述和附图进行考虑时，本发明的这些和其它特征及优点将变得更加容易理解，其中：

图1是典型的现有技术CPV阀的横截面视图；

图2是示出了当燃料蒸汽横穿阀座进入出口管时现有技术CPV阀的横截面流动区域中的压力分布的示意图；

图3是三维描述性速度量级剖面图，其示出了现有技术CPV阀出口管的下游的流动再循环和分离；

图4是根据本发明的CPV阀的局部横截面视图，该CPV阀包括固定至阀元件下侧的插入体；

图5是示出了根据本发明的插入体的基本上放大的局部视图，该插入体具有总体为环形的抛物线回转体的表面结构；

图6是与图5相同的视图，但其示出了具有替换结构的插入体，其在此处为半球形；

图7是与图5相同的视图，但其示出了本插入体的又一替换形状，其采用截头圆锥的形式；以及

图8是与如图5相同的视图，其示出了本发明的另一实施方式，其中本插入体具有总体为倒转的钟罩形状。

具体实施方式

参照附图，其中在所有附图中，相同的标号表示相同或相应的部件，图1中总体上示出了一种典型的现有技术CPV阀，其包括入口管10，虽然未示出，但该入口管是以流体传导方式延伸至容纳有挥发性液体燃料的燃料箱类型的。一般地，收集过滤罐在CPV阀与燃料箱之间成一线地设置。入口管终止于总体为环形的腔室12中。出口管17具有设置于入口管腔室12内的总体为环形的阀座14。流道16穿过阀座14的中心而延伸。流道16在紧邻阀座14下游处具有最小喉部直径T。当气流最终流至内燃机的真空入口时，喉部直径T最终以类似扩散体的方式加宽。电磁阀组件包括围绕电枢20的电磁线圈18。由线圈18产生的电磁场导致电枢20轴向地朝向和远离阀座14移动。弹性的、平底的提升阀类型的阀22被承载于电枢20的端部上，并且被定位成与阀座14直接接触，从而关闭入口管10与出口管之间的燃料蒸汽流。然而，当电磁线圈18被激励以推动阀22远离阀座14时，燃料蒸汽从入口管10中被抽吸，进而经过阀座14进入流道16，最终以众所周知的方式被吸入发动机的进气歧管。腔室12与流道16之间的气流的流速典型地接近于近音速级，即0.8-0.9马赫数。在这些近音速速度下，流动燃料蒸汽中的动量相当大。

因此，当阀22移动至打开状态时，正在运行的发动机在流道16中形成真空。在此情况下，阀22与阀座14之间的流道16中的速度向量处于朝向阀座14的轴向对称中心的径向方向上。当亚音速空气/蒸汽混合射流(大概的马赫数为0.5-0.9)沿径向从阀间隙喷射阀座中心区域时，在阀22底部下面在阀座空腔中的发生流动停滞。典型地，在以突然的方式进行的从动能向势能的能量转换过程中，会发生急速的能量耗散。这种急速的能量耗散形成气动噪音和/或机械振动。如图3中的典型NVH分析所示，阀22下游的流动再循环分离导致大规模的涡流(eddy vortex)，该涡流是不稳定的并且引起流动范围内的气动波动。如果此波动被传递至大的空腔或腔室，则可能会产生令人讨厌的嘶嘶的噪音。

现在参考图4-5，本发明是基于对这些气动原理和声学现象的认识上的。根据本发明，弹性阀元件(通常以24指示)装配有插入体26，插入体在空间上隔离与出口管17的直接接触，同时当阀24处于其关闭状态时部分地填充流道16。该插入体被构造为像一个回转体，其具有总体为环形的基部28，该基部的直径D大于喉部直径T。因此，不论什么时候，插入体26都被防止与出口管17及其阀座14接触。然而，插入体26的基部28比流道16的喉部直径T大。插入体26与出口管17之间的最小距离M(即，当阀元件与所述阀座14直接接触时)优选地由关系式：0.2≤M/H≤0.6控制，其中H是插入体26的从其基部28到其末端30测得的高度。另一优选的尺寸关系存在于所述基部28的直径D与插入体26的高度H之间。更具体地，通过根据数学公式：1.0≤D/H≤2.0来控制直径D和高度H的尺寸，可以有效地控制插入体26周围的流动特性。

因为插入体26被添加至阀24的下侧以封闭滞流区并引导燃料蒸汽平稳地流过阀座14并顺着阀座流下，所以可以以最小的成本并且不需改变CPV阀组件的整体设计的方式来制造插入体。

本插入体26可以以不同的几何结构来制造。图4和图5中示出的形状表示了一种总体为圆形的抛物线结构。可替代的形状包括如图6中所示的半球形设计(其中用包含前缀“1”来表示相似的参考标号)，以及如图7中所示的圆锥形设计(其中用前缀“2”来表示相似的参考标号)。图7的圆锥形设计可是截头圆锥，以形成所提供的平的末端230，然而，末端230的总体圆形的直径由关系式0≤d/H≤0.6控制，其中d是末端230的直径而H是插入体226的高度。

图6的半球形插入体126，和前面的实施方式中的一样，占据了阀124中心处的声速滞流的空间。因此，沿着由该半球形与出口管17的内边缘形成的流道引导燃料蒸汽的流动。

阀座14与流道16之间的过渡可包括倒角(chamfer)32，以帮助控制气流。针对此目的倒角32可以是辐射式的，如附图中所描绘的一样。半径优选地由关系式：0.3≤R/H≤1.5控制，其中R是倒角32的半径而H是插入体26的高度。通过控制这些参数，下游流速可快速达到均匀流动状态，其可有利地减少嘶嘶的噪音的产生。

图7中所描绘的圆锥形插入体226具有与图6的半球形设计的插入体相似的功能。然而，圆锥形设计包括多个参数，可以调整这些参数以获得最佳性能，这些参数包括基部直径D、末端直径d和高度H。因此，其具有更大的灵活性以优化更多流动状态，例如流动速率、真空度、空气燃料蒸汽浓度等。然而，如果下游末端直径d太大，则可能发生逆转流动区域，从而使阀座处的再循环不稳定，进而导致产生令人不快的嘶嘶的噪音。

现在参考图8，其示出了总体为钟罩形的插入体326，其具有大体上与倒角332匹配的凹面。在此第三替换实施方式中，用前缀“3”来表示相似的参考标号。在此实施方式中，可更容易地控制下游流动模式，这对减小令人不快的嘶嘶的噪音是很重要的。因此，插入体326形状的改变(同时改变或不改变倒角332)可导致下游流速的燃料的分布以及对更下游的涡流形成的控制。亚音速涡流被认为在嘶嘶的噪音中起着重要作用，因此需要避免。本发明的实验已证明基本上减少了嘶嘶的噪音的产生。

在图8的第三替换实施例中描述的本发明的原型方案中进行的实验得到了非常有利的结果。在75％的占空因数下运行，现有技术类型的CPV(作为基准或控制样本)在整个时域内产生了频率范围在8000-11000Hz内的超过50db的声压等级。然而，图8结构中的本发明在相同频率范围内展现出处于40db等级的声压等级，该声压等级实质上降低了。这是声压产生的显著降低——接近20％的改进。同样地，检验显示出对于其它的占空因数，噪音级也类似地降低。

已经根据相关法律标准描述了上述发明，因此该说明在本质上是示例性的而不是限制性的。对于本领域的技术人员来说，对公开的实施例做出的变化和修改可变得显而易见，并且这些变化和修改属于本发明的范围之内。因此，赋予本发明的法律保护范围只能通过下列权利要求来确定。

Claims

1.一种低噪音阀组件，所述阀组件用于控制气体通过管道的流动，同时减小由近音速气流在阀区域中遭遇滞流而引发的噪音，所述组件包括：

入口管，终止于一腔室；

出口管，具有设置在所述入口管的腔室中的总体为环形的阀座和延伸穿过所述阀座的流道，所述流道在紧邻所述阀座的下游处具有最小喉部直径T；

阀，设置在所述入口管的腔室中以朝向和远离与所述阀座直接接触的关闭状态移动；

所述阀包括插入体，所述插入体在空间上隔离与所述出口管的直接接触，同时当所述阀处于所述关闭状态时，所述插入体部分地填充所述流道，所述插入体具有总体为环形的基部，所述基部具有直径D，所述基部的直径D大于所述喉部直径T，其中所述插入体与所述出口管和所述阀座均不接触；其中，插入体从所述基部朝着下游的末端延伸，所述基部与所述末端之间的正常距离H由关系式：1.0≤D/H≤2.0控制，其中D是所述基部的直径，H是所述基部与所述末端之间的正常距离；其中，所述出口管包括形成了所述阀座与所述流道之间的过渡的曲率半径，所述曲率半径R由关系式：0.3≤R/H≤1.5控制。

2.根据权利要求1所述的阀组件，其中，所述末端具有总体圆形的直径d，所述直径由关系式：0≤d/H≤0.6控制。

3.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述插入体具有总体为圆锥形的表面构造。

4.根据权利要求1所述的阀组件，其中，插入体具有总体为半球形的表面构造。

5.根据权利要求1所述的阀组件，其中，插入体具有总体为抛物线形的表面构造。

6.根据权利要求1所述的阀组件，其中，插入体具有总体为钟罩形的表面构造。

7.根据权利要求1所述的阀组件，其中，当所述阀与所述阀座直接接触时，所述插入体与所述出口管之间的最小距离M由关系式：0.2≤M/H≤0.6控制。

8.根据权利要求1所述的阀组件，其中，阀是弹性的并包括环形密封唇缘，所述环形密封唇缘被构造成与所述出口管的所述阀座直接压紧接触，所述环形密封唇缘与所述插入体隔开并相对所述插入体同心地设置。

9.根据权利要求1所述的阀组件，进一步包括电磁阀驱动器，所述电磁阀驱动器操作性地与所述阀关联，以使所述阀朝向和远离与所述出口管的所述阀座直接压紧接触的关闭状态移动。

10.一种用于内燃机的过滤罐净化阀组件，所述内燃机以储存在燃料箱中的挥发性液体燃料为动力，所述组件包括：

燃料箱；

燃料蒸汽入口管，从所述燃料箱伸出并终止于总体为环形的腔室；

出口管，具有设置在所述入口管的腔室中的总体为环形的阀座和穿过所述阀座中心而延伸的流道，所述流道在紧邻所述阀座下游处具有最小喉部直径T，所述出口管操作性地连接至内燃机的真空入口；

弹性阀，设置于所述入口管的腔室中，以朝向和远离与所述阀座直接接触的关闭状态移动；

所述阀包括插入体，所述插入体在空间上隔离与所述出口管的直接接触，同时当所述阀处于所述关闭状态时，所述插入体部分地填充所述流道，所述插入体具有总体为环形的基部，所述基部具有的直径D大于所述喉部直径T，所述插入体从所述基部朝向末端延伸，所述基部与所述末端之间的正常距离H由关系式：1.0≤D/H≤2.0控制，其中D是所述基部的直径，H是所述基部与所述末端之间的正常距离，其中所述插入体与所述出口管和所述阀座均不接触；其中，所述出口管包括形成了所述阀座与所述流道之间的过渡的曲率半径，所述曲率半径R由关系式：0.3≤R/H≤1.5控制。

11.根据权利要求10所述的阀组件，其中，阀包括环形密封唇缘，所述环形密封唇缘被构造成与所述出口管的所述阀座直接压紧接触，所述环形密封唇缘与所述插入体隔开并相对所述插入体同心地设置。

12.根据权利要求11所述的阀组件，进一步包括电磁阀驱动器，所述电磁阀驱动器操作性地与所述阀关联，以使所述阀朝向和远离与所述出口管的所述阀座直接压紧接触的关闭状态移动。

13.根据权利要求12所述的阀组件，其中，所述末端具有总体圆形的直径d，所述直径由关系式：0≤d/H≤0.6控制。

14.根据权利要求13所述的阀组件，其中，所述插入体具有总体为圆锥形的表面构造。

15.根据权利要求12所述的阀组件，其中，插入体具有总体为半球形的表面构造。

16.根据权利要求12所述的阀组件，其中，插入体具有总体为抛物线形的表面构造。

17.根据权利要求12所述的阀组件，其中，插入体具有总体为钟罩形的表面构造。