CN104279135B - 低压低温泵组件 - Google Patents

Abstract

一种低压低温泵组件具有界定泵的排量和死体积的大小的部件，所述部件都被制作成具有制造公差，当所述制造公差彼此叠加时共同地得到不超过所述排量的20%的死体积。所述泵组件包括泵活塞，所述泵活塞可在活塞缸中在完全缩回位置与完全伸展位置之间往复移动以便界定出排量。所述死体积由所述泵活塞处于其完全伸展位置时残留在所述活塞缸内部的流体体积来界定。

Description

低压低温泵组件

技术领域

本公开涉及一种低压低温泵组件，更具体来说，涉及一种用于泵送液化气的往复式活塞泵。

背景技术

往复式活塞泵是用于在各种应用中输送加压流体。例如，往复式活塞泵正被应用到汽车应用中，以便将如液化天然气（LNG）的燃料输送至内燃机。

在已知的汽车气体燃料系统中，已由申请人开发出用于发动机的往复式活塞泵，所述往复式活塞泵在压缩冲程后期或在动力冲程早期将燃料直接注入燃烧室中。对于这类型的直接燃料注入来说，燃料必须在高压下输送，以便克服汽缸内压并允许所需量的燃料在有限量的时间内注入。这类高压系统在至少3000psi的压力下并且有时在可达4000或5000psi的压力下将燃料输送至发动机。使燃料压力升高至这些水平的低温泵需要精密的制造并且通常是昂贵的。

活塞泵的一个特征称为死体积，所述死体积是占据活塞缸中没有被泵活塞扫过的部分的体积。在泵活塞完全伸展时，残留在死体积中的流体不会在压缩冲程结束时排出。当活塞缩回以开始进气冲程时，如果流体是可压缩流体，或是接近其沸点的流体，那么流体的体积会膨胀并且使新流体经由进气阀的进入延迟，从而延迟进入到活塞缸中。对于低温泵来说，流体常常处于接近其沸点的温度，并且较大的死体积通常对应于在新流体被吸入活塞缸中之前的更久延迟，因此这造成了较低的泵送效率。

因此，已知的低温泵使用各种技术来减小死体积。为实现更精确的构造与减小的死体积，许多用于制造高压低温泵的解决方案采用了制作达到严格制造公差的部件，这增加了制作的成本，并且组件被设计来允许制造期间的调整，这增加了组件的成本。例如，螺纹连接可用于将泵零件接合在一起，以便可通过调整螺纹连接来对部件之间的尺寸做出精细调整。对于高压泵来说，避免了焊接构造，因为这种构造将更大的可变性引入所组装的泵的最终几何结构中，因为焊接在一起的每个零件增加了由个别零件中的尺寸偏差引入的可变性，即使当每个零件都是在指定公差内制作时也是如此。一定量的死体积是不可避免的，因为即使是高压泵组件也需要对如热膨胀与收缩的可变作用留有一些余量（allowance）。虽然实现零死体积是不切实际的，但是已知的高压泵设计教导了使死体积减小而接近于零的技术。

天然气作为用于汽车应用的燃料正变得更加流行，并且现在的不同类型的发动机都在针对消耗天然气来加以设计。当燃料在进气冲程期间被引入发动机的进气系统中或在压缩冲程早期被引入燃烧室中时，与直接燃料注入式发动机相比，所需的燃料供应压力是相对低的。例如，介于约100psi与可达300psi之间的气体燃料压力足以用于这种类型的大多数发动机。

存在对低压低温泵的需要，与被设计来用于高压燃料系统的高压低温泵相比，所述低压低温泵满足对低压燃料系统的性能要求并且制造较为廉价。

发明内容

公开了一种低压低温泵组件，其允许在压缩冲程结束时较大的死体积。所述低泵组件包括泵活塞，所述泵活塞可在活塞缸中在完全缩回位置与完全伸展位置之间往复移动，以便在活塞缸中界定出排量（swept volume）。所述低压低温泵组件具有死体积，所述死体积是由所述泵活塞处于所述完全伸展位置时残留在泵内部的流体体积来界定。所述低压低温泵组件的界定所述排量和所述死体积的大小的部件都被制作成具有制造公差，当所述制造公差彼此叠加时共同地得到组装活塞缸，其中所述死体积不超过所述排量的20%。在优选实施方案中，这些部件的所述制造公差被指定来产生介于所述排量的5%与10%之间的死体积。在其它实施方案中，所述制造公差被指定来产生介于所述排量的10%与20%之间的死体积。

所述低压低温泵组件可包括伸长管，所述伸长管连接与驱动装置相关联的法兰和与泵装置相关联的法兰，其中所述伸长管的至少一端焊接至这些法兰中的各个法兰。

在优选实施方案中，所描述的低压低温泵组件操纵液化气，例如天然气。所述泵可将如液化气的燃料输送至发动机。

所述低压低温泵组件可用小于负100摄氏度的温度来操纵流体。

附图说明

附图示出了本发明的特定优选实施例，但所述实施例不应视为以任何方式限制本发明的精神或范围。

图1展示本发明的低压低温泵组件的透视图。

图2是图1示出的泵组件的横截面视图。

图3是图2示出的泵组件的横截面视图的示意图示。

图4示出表示不同类型的泵的泵容积效率与死体积之间的相关性的图表。

具体实施方式

图1至图3中展示的优选实施方案所示出的低压低温泵是一种往复式活塞泵组件，其在低压下操纵流体，所述往复式活塞泵组件在本公开中被定义来意指可排出流体而达到约100psi至300psi的压力并且可被设计来允许可达约600psi的最大排出压力的泵。本公开中所描述的低压低温泵的实施例被制作来用于将如LNG的燃料从燃料箱输送至以天然气做燃料供给的内燃机，然而，这种泵可应用于适于低压泵的其它应用并且尤其适于泵送流体而达到低压的低温泵。

现在参阅图1和图2，主题低压低温泵分别以透视图和横截面视图来展示。泵组件100包括往复式泵110，所述往复式泵通过伸长管114连接至驱动装置112。因为通过泵来泵送的流体是在低温下储存，所以往复式泵110位于在本文中被称为冷端的位置处，并且位于相反端的驱动装置112在本文中被称为暖端。伸长管114借助于其长度和结构设计来减少暖端与冷端之间的传热。流体经由进气管118进入往复式泵110，并且经由排出管120从往复式泵110排出。如图2所示，驱动装置112可以是通过使用液压流体压力以引起驱动活塞127在驱动装置内移动来产生往复运动的液压驱动装置，例如，如申请人共同拥有的美国专利申请号7,739,941中所述。驱动活塞127通过轴122连接至泵活塞124。泵活塞124在泵汽缸126内往复移动并且与界定活塞缸128的泵汽缸126的内部壁形成动态流体密封。往复式泵110优选浸入储存在存储容器中或贮槽（未示出）中的流体中。在进气冲程期间，当泵活塞124在方向130上移动时，流体在方向123上经由进气管118从流体供应流出并且流到直通阀进气口119上，进入活塞缸128中。在压缩冲程期间，当活塞在方向132上移动时，加压流体退出活塞缸128并且经由泵出口121输送，并且经由排出管120进一步输送至使用者。

如关于高压泵所注意到的，已知的是：当死体积增加时泵送效率显著地下降。这在图4中示出，图中展示了表示成排量的百分比的死体积与泵的容积效率（“VE”）之间的相关性。如图4所示，死体积越小，容积效率越高。虽然实现零死体积是不切实际的，因为死体积接近0%，容积效率接近100%，这意味着在进气冲程开始时活塞缸中不存在流体，并且在进气冲程期间被吸入活塞缸中的所有流体在压缩冲程结束时都被排出。

图4中绘制的线连接了使用模型而获得的数据点，所述模型使用行业中已知的数学公式和假设计算了泵活塞达到排出压力所行进的距离，并且分析了在随后的泵进气循环结束时获得的容积效率。所述模型基于如压缩压力的量值和标准化的进气尺寸的一些参数并且考虑以下一些假设来计算容积效率：例如没有活塞密封件渗漏、没有经由泵壁的吸热或散热、进气流的等焓膨胀以及活塞缸中大部分流体的等熵压缩。所绘制的线展示：死体积与容积效率之间存在几乎线性的关系。

线410示出应用于低压泵（500psi）的模型的结果，而线420、430和440对应于工作压力分别为2,500psi和4,500psi以及6,700psi的泵。图表展示：与高压泵相比，死体积对低压泵的容积效率的影响更小。也就是说，与用相对低的工作压力（例如500psi的工作压力）操作的泵相比，对于较高压的泵来说，当死体积增加时容积效率下降得更快。

这些结果表明：与高压泵相比，低压泵具有用于较大死体积的较高容限，并且低压泵可在使用较大死体积的情况下保持可接受的容积效率。例如，在使用为排量的约10%的死体积的情况下，可实现约90%的容积效率。使用用于估算容积效率的相同模型时，线410可加以延长来表明：可通过具有为排量的约20%的死体积的泵来实现约80%的容积效率，这是针对工作压力为约500psi的泵来说。约80%的容积效率是可接受的效率水平，但是对于高压低温泵来说，在工作压力为2500psi的情况下，死体积必须小于排量的4%才能实现80%的容积效率。申请人拥有的被设计成具有约2500psi的工作压力的高压低温泵以及其它已知的高压泵全部被设计成具有远小于排量的4%的死体积。

图3是图1和图2示出的泵的示意图示，其展示低压低温泵组件的主要部件。每个这些部件的尺寸被标示为A1至A7和B1至B3。A1是压缩汽缸126的长度；A2是将压缩汽缸126连接至伸长管114的法兰138的尺寸，所述尺寸是沿泵的纵轴测量；A3是伸长管114的长度；A4、A5以及A6是插入在伸长管114与驱动汽缸116之间的法兰140、142和144的部分的各自的尺寸，所述尺寸是沿泵的纵轴测量；A7是驱动活塞127的宽度；B1是沿泵的纵轴测量的介于驱动活塞127的末端与固定在驱动活塞127上的轴122的末端之间的驱动活塞127的尺寸；B2是轴122的长度；并且，B3是沿泵的纵轴测量的介于泵活塞124的末端与固定在泵活塞124上的轴122的末端之间的泵活塞124的尺寸。

在制造工艺期间，每个部件被制作成一种规格，所述规格规定了可允许制造公差。较低公差通常得到较精确的尺寸，但是还是与较高的制作成本相关联。当组装泵时，部件之间的一些尺寸可变性可以具有补偿作用或叠加作用，除非泵被设计成具有允许调整的特征。如已提及的，螺纹连接是允许一定的调整的连接的实例。使用主题低压低温泵时，因为具有可达排量的20%的死体积的泵仍可实现约80%的容积效率，所以这允许具有较大制造公差的规格和不同制造技术，所述制造技术包括焊接构造，当需要更大精密度时，所述焊接构造对高压低温泵来说将会是不切实际的。例如，在优选实施方案中，法兰138和140被焊接至伸长管114，焊缝在图3中以数字150示出。在主题低压低温泵中，计算所有泵部件的尺寸的指定制造公差，以便它们的组合叠加作用共同地得到不超过排量的约20%的死体积，从而实现约80%的容积效率。此外，虽然对高压泵来说，为排量的约5%或更大的死体积将导致较差的容积效率，但是介于排量的5%与10%之间的死体积产生介于90%与95%之间的容积效率。虽然制造具有较高容积效率的低压泵需要较低的制造公差，但是介于排量的5%与10%之间的死体积仍允许本公开所教导的较为廉价的制造方法中的一些方法，这些方法在高压低温泵中是不合需要的。

为较好地示出要求保护的泵的特征，在图中，与构成所述泵的已知元件有关的一些细节已被简化。泵的实际工作布置包括更多构造细节。

虽然已经展示和描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但是应理解，本发明不限于所述的具体元件、实施方案和应用，因为在不脱离本公开的范围、尤其是依据前述教导的情况下，本领域技术人员可以进行修改。

Claims (8)

1.一种低压低温泵组件，其包括：泵活塞，所述泵活塞可在活塞缸中在完全缩回位置与完全伸展位置之间往复移动，以便在所述活塞缸中界定出排量；所述低压低温泵组件进一步包括死体积，所述死体积由所述泵活塞处于所述完全伸展位置时残留在所述活塞缸内部的流体体积来界定，并且所述低压低温泵组件的界定所述排量和所述死体积的大小的部件都被制作成具有制造公差，当所述制造公差彼此叠加时，共同地导致得到其中所述死体积介于所述排量的5％与20％之间的一个组装活塞缸。

2.根据权利要求1所述的低压低温泵组件，其中所述制造公差被指定来产生介于所述排量的5％与10％之间的死体积，其中所述泵活塞在泵汽缸内往复移动并且与界定所述活塞缸的所述泵汽缸的内部壁形成动态流体密封。

3.根据权利要求1所述的低压低温泵组件，其中所述制造公差被指定来产生介于所述排量的10％与20％之间的死体积，其中所述泵活塞在泵汽缸内往复移动并且与界定所述活塞缸的所述泵汽缸的内部壁形成动态流体密封。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的低压低温泵组件，其进一步包括伸长管，所述伸长管连接与驱动装置相关联的法兰和与泵装置相关联的法兰，其中所述伸长管的至少一端焊接至所述与驱动装置相关联的法兰和所述与泵装置相关联的法兰中的各个法兰。

5.根据权利要求1至3中的一项所述的低压低温泵组件，其中所述流体是液化气。

6.根据权利要求5所述的低压低温泵组件，其中所述液化气是天然气。

7.根据权利要求1至3中的一项所述的低压低温泵组件，其中所述流体具有小于负100摄氏度的温度。

8.根据权利要求1至3中的一项所述的低压低温泵组件，其中所述低压低温泵组件是将燃料输送至发动机的燃料泵。