CN1045653C - 用于阀的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于影响活塞压缩机阀的关闭元件周期性往复运动的装置，它具有至少一个通过提升柄沿行程方向作用在关闭元件上的控制缸，控制缸可通过一个控制元件周期性地用压力介质作用并松开，控制元件按已知的方式至少有一个连接在压力介质的供应和/或排放管路中并至少能分级式可变地加速或延迟压力介质的压力升高和/或降低并因而能分级式可变地加速或延迟关闭元件的往复运动的控制单元，在控制元件与在上游的压力介质源之间设有一个止回阀。本发明还公开了一种相应的方法。

Description

用于阀的装置和方法

本发明涉及一种用于影响活塞压缩机的一个阀的关闭元件的周期性往复运动的装置和方法，它至少具有一个通过提升柄在行程方向上对关闭元件作用的控制缸，该控制缸可以通过一个控制元件周期地用压力介质作用或松开。

对于相应于工作周期周期性地打开或关闭的阀有各种不同的驱动是公知的，这种驱动对于象内燃机和类似的机器以及泵、压缩机和类似设备的往复式活塞机中的工作过程的控制是基本所需的。这种驱动在两个方向延伸(即内燃机中的正向阀控制)，从由凸轮或其类似物驱动的用弹簧加载的中间元件上方的刚性的、机械的自动驱动到只在一侧沿关闭方向用弹簧加载的压缩机阀，而这个阀是通过流过的气体的压力开启的。特别后一类型的阀在用于活塞压缩机时主要为自动的，尤其是在利用一个阀环或阀板的自由运动来工作时，环或阀板仅由所作用的流体或压力和弹簧力的交替配合而工作。因此这种类型的阀的设计要考虑最小的流动损失和最大的预期寿命之间的协调并且需要大量的经验或相应的先进的计算方法，否则存在阀的不可预见的操作损坏或不希望的操作行为的危险。

在制造活塞压缩机的历史中，曾经重复尝试在例如发动机结构中使用自动控制阀，它原则上解决了各种设计要求的矛盾。

这种类型的自动控制阀由于对压缩控制所需要的可变的控制时间而产生一个较复杂的控制逻辑，并且受所使用的机械和/或液压结构的不可接近性的限制，以及受用于机械元件(例如凸轮轴、阀推杆、控制杆等)的高花费的限制，这些以前都阻碍了这种类型结构的进一步推广。

所以，例如有一段时间曾经已知一种活塞压缩机的吸气阀的电磁驱动控制，其中与吸气阀的密封元件结合的一个提升杆通过一个连接在阀盖上的电磁铁来移动，电磁铁的周期性励磁通过一个与压缩机曲轴同步旋转的集流器来产生。由于局部的作用在吸气阀的密封元件上的巨大回流压力的结果，所以需要有有相应的电流消耗的大电磁铁，这是非常不利和所不希望的。

另外，已知有一种用于在压力行程的一部分中保持吸气阀打开的气动控制单元，其中使阀保持打开的作用是通过要被压缩的气体本身来实现的。控制是通过一个旋转阀来产生的，控制活塞在其中动作的几个独立的缸周期性地由旋转阀来启动。然而，设备的复杂性显然具有限制性。

在恒速运行的活塞压缩机的供给质量控制方面，通过在一定的压缩行程范围内每个缸至少保持一个吸气阀打开，使所谓的回流控制至少得到，因此局部体现，每次在最初完成确定部分的活塞行程后，压回保持打开的吸气阀的气体的压力或流动压力能够关闭吸气阀的关闭元件，这是由于，从另一侧，这个关闭元件是由一个与所需供给量的减小对流的相反压力来动作的。此相反压力越大，吸气阀在压缩行程中关闭得越晚，从而减少了供给的总量。由于在相反压力设置过高时，吸气阀不会马上进一步关闭，因此这种类型的压缩控制的范围在上端范围内是受到限制的，以避免产生压缩机的间歇性空转和它所伴随的问题。

有关后者，在已知的实施例中，用于要保持打开的吸气阀的加载装置是用液压和气动加载的，因此，通过改变适当的预加载压力，可以影响压缩机的供应量。

最后，例如美国专利3104801、1788435或2675850已公开了一些装置，其中压力质被周期地送到控制缸中，该控制缸对中心地设置在旋转阀或系统上方的关闭元件起作用，关闭元件的结构与已知的柴油喷射泵相似，它在所需的内流进入阀的关闭元件的末尾时适当地关上。还知道有一些实施例，其中通过一个用于减轻压力的止回阀来阻止压力介质的提供，以便通过一个具有单独的、较大流动阻力的排放来调节或减少溢流。

用于周期性影响关闭元件的行程运动所需的高压，在多数相对较大的旋转速度和这样短的关闭元件行程运动周期方面会产生问题，这一条件在上面描述的已知装置中是特别不利的。很容易理解的是，对于所说的要驱动的阀的关闭元件的周期性的往复运动，高的压缩机或冷凝器速度多半仅允许非常短的时间间隔，该阀由于所需的大开口截面和相关的关闭元件的大行程而有较大的行程率，同时有例如在往复运动的末尾使关闭元件损伤和破坏的危险。这种通过控制缸作用于关闭元件的压力介质的较高的周期性压力波可能在管路中出现压力波时产生其它问题，它们迄今一般都阻碍了已知技术的应用。

本发明的目的是提供一种用于影响活塞压缩机阀的关闭元件的周期性往复运动的装置和方法，使得在施加到控制缸中的压力介质有较大压力，以及控制过程十分频繁地变化的情况下，能在长时间内保证可靠的运行。

此任务通过一个上述类型的装置这样来解决，即，控制元件按已知的方式至少具有一个与提供或释放压力介质和逐步地、可变地加速或延迟这种压力形成和/或减轻以及关闭元件的往复运动有关的控制单元，该控制单元连接在压力介质的供应和/或排放管路中；以及，在控制元件与一个在上游的压力介质源之间设一个止回阀。

另一方面，本发明提供了一种用于影响活塞压缩机阀的关闭元件周期性往复运动的方法，其中，关闭元件或一个作用在关闭元件上的控制缸周期性地用压力介质作用和松开，其特征为：关闭元件的加压和/或卸压通过其行程按已知的方式至少分级式可变地进行，使用一个止回阀隔断压缩机压力通过关闭元件对压力介质源的反作用。

例如，在最简单的情况下，控制元件可以控制压缩机的吸气阀的确定部分有较长的维持压缩的行程，以使在释放流动压力的吸气阀阀板的关闭运动开始时，这种压力的释放基本上无节流地产生，因而相应的阀板的运动产生得很快，与运动相反的压力释放节流可在阀板撞击阀座之前产生，因此阀板至少在边界上产生对阀座的缓慢和轻柔的撞击。类似的阀的关闭元件的运动影响也可在阀板的打开方向同样被感觉到，例如在要防止开启的阀板对承接装置的未受抑制的冲击时感觉到。所采用的止回阀的优点是，进口泵压不必与通过关闭元件的最大的反作用力相对应，因此可以降低所安装的泵的功率并也能降低能耗。

一般来讲，根据本发明的上述特征和方法，可以对作用在控制缸上的压力介质的压力形成和释放产生基本上是自由的影响，它提供了有关的阀的关闭元件的运动特性的广泛范围的影响可能性。例如由WO-93/14339-A1或JP-60-113008已知控制元件的设计，它具有至少一个连接在压力介质的供应和/或排放管路中并至少能分级式可变地加速或延迟压力介质的压力升高和/或降低并因而能分级式可变地加速或延迟关闭元件往复运动的控制元件。所提到的这两个文件涉及的是与控制内燃机盘阀有关的相应的设计，如前言已提及的那样，由于在那里按惯例在正常情况下实际上是强迫操纵，所以它们与活塞式压缩机阀通常只是在气体交变力作用下自动运动的阀板是不一样的。

控制元件可例如至少有一个具有多个致动位置的可变的可控致动元件，例如压电阀，它同时又构成了控制元件。但按本发明的一种最佳设计还建议，控制元件按已知的方式至少有一个具有多个致动位置的独立的致动元件，最好是一个电磁阀或压电阀，以及有一个独立于它的控制元件，后者有至少一个可借助于压力介质运动的柱塞，柱塞操纵一个转换元件，用于在至少两个不同的节流途径之间转换压力介质的流动。首先，可控致动元件本身也构成了控制元件，用于压力形成和释放的可变的加速或延迟，即经过那些可以直接受到影响的流通截面到对关闭元件起作用的控制缸，这样，根据本发明，就使一个比较简单和因此而经济又可靠的结构成为可能。第二，由于仅起动用于压力介质的不同通路，所以单独的致动元件的设计或布置是相当容易的。首先通过结构上独立于致动元件的控制元件来实现所要求的对压力形成和释放的作用，然后根据致动元件进行压力介质的供给。就装置的结构和方法过程而论，这种变化更经济和更容易用现有技术实现。总之，提供了一种机械结构非常简单的控制元件，采用这种结构，例如可以使暂时保持打开的吸气阀在到达阀座前尽可能好地实现上面所提及的阀板制动。

对于上面提到的借助通过提升柄在吸气阀的关闭元件上的压力作用，通过保持至少一个吸气阀在至少一部分压缩行程的范围内打开的情况下的活塞压缩机的回流控制方面，本发明方法的另一个结构是有利的，其中压力的瞬时减轻可在保持打开的周期性的部分范围的末端发生，这种打开在每种情况下基本上是无节流然后是有很大的节流的。这种类型的压缩调节的有利之处在于，瞬时打开的关闭元件不会在回流压力作用下以过高的速率和无抑制地撞击阀座，回流压力在该处在其释放时是巨大的并且能损坏阀座和阀板甚至弹簧连接件。

下面再借助于附图详细说明本发明。其中图1和2示意表示本发明的实施例，图3一方面表示了按本发明的吸气阀控制装置不同工作点的速度V或压力P的变化曲线，另一方面表示了先有技术。

在图1至2所示的实施例中，一个没有进一步表示的活塞压缩机阀的密封元件12的运动，借助于一个所谓的提升柄11传递给控制缸的活塞阀10。因为在这里力只应沿一个运动方向传递，所以控制缸8设计为具有工作室9的单动缸。这样一种布局，例如适用于对本发明类型的活塞压缩机的吸气阀的关闭或压力阀的开启施加影响。

一个液压系统，例如一装有一个泵、电动机、油箱和可调限压阀的液压系统，向一个二位三通的方向控制阀5，例如它是用磁铁操纵的控制阀供应压力介质，只要磁铁6保持不加载，弹簧7将阀5推向所示的开关位置。这样，压力介质流进控制缸8的工作室9中并作用于活塞阀10上。这样推动了压缩机阀的密封元件12上的压力传递装置11。

在图1所示的吸气阀中，如果密封元件12已经位于承接装置14上，阀就打开或定位在打开位置上。在与该阀相关的压缩机缸的吸气循环的末尾，即所谓当达到底部死点时，由压缩机的介质作用在密封元件12上的流动力反转方向并力图关闭密封元件12。这些流动力通过阀的通常是共用的关闭弹簧15的作用来增大。在控制缸8的工作室9中的压力增加并且随后超过了由液压系统1提供的压力，这是由于连接在三位二通方向控制阀5的前端的管路3中的止回阀4阻碍了压力介质的回流，使得活塞阀的位置保持固定。

通过向阀5的磁铁6通电流，压力介质的回流反向并释放。该回流的压力介质流向一个具有一个活塞17和工作室18、19的辅助缸16。所示例中选择了辅助缸16的工作室18，以便活塞17的往复运动集取压力介质的每个部分，直到通过一个节流阀21泄漏辅助流，由此在活塞阀的运动的开始部分中将其排出。由活塞17从工作室19排出的压力介质经一个节流阀22流出，阀22表示了整个装置的流动阻力并被设置在这里以便具有尽可能小的损失。

一旦活塞17达到其末端位置，仅仅经过节流阀21的排液可用于来自控制缸并被活塞阀10调节的压力介质，控制缸此时具有明显高于节流阀22的阻力，以便从这一点开始在活塞阀10运动时，受到一个增加了几倍的力的抵抗因而产生密封元件12的运动的显著延迟。其结果是密封元件12以大大降低的速度冲击阀座13。

传力装置11与密封元件12仅偶尔接触。因此，一旦装置11到达阀座13的末端位置，传力装置11就从密封元件往上升。由于压力介质排放的强烈节流的结果，使得传力装置11的剩余运动被抑制，由此而使传力装置11在最短的距离内停止。这样肯定可以避免活塞阀10实际上达到的规定的行程极限，因此避免了对活塞阀10或相关的控制缸8的损害。由于安全的原因这种行程极限在结构上的设计要确保末端位置的液压缓冲。在这种装置的实际操作中，活塞阀10不会达到这种末端位置，因此避免了末端位置的液压缓冲的公知缺点，即由于引入了反向运动而避免了更困难的冲击末端位置的情况。

一旦压力介质从工作室9的排放完成，活塞17开始在弹簧20的作用下返回到其出发位置。这样，弹簧20除了克服活塞17本身的惯性外，还要克服由于从工作室19通过节流阀21进入工作室18中的溢流而引起的压力。这样，就完成了装置的一个操作循环。

二位三通方向控制阀5的其余位置要按照安全的需要予以选择。比较有利的是，二位三通道方向控制阀5在无流动状态下断开了控制缸8与液压系统1的连通，使得活塞10固定在下端位置上并且压缩机在空转状态下工作。

出于完善的目的，附设以压力介质蓄能器2或23作为压力介质的流动和回流中的脉动缓冲器，用于防止流体冲击并避免不希望的对与其相关的活塞阀10的运动和对传力装置11和密封元件12的反作用。

在如图2所示的用于控制活塞压缩机的压力阀的条件下，穿过承接装置14的密封元件12的运动通过传力装置11传到活塞阀10上。在剩余位置中，二位三通方向控制阀5断开了控制缸的工作室9与辅助缸16的工作室19的连通。一旦作用在密封元件上的气体压力克服了阀的关闭弹簧的力，则压力介质开始流出。如同对图1所示的吸气阀所描述的功能一样，密封元件12最初仅较略为减慢。刚好在碰到承接装置14之前，压力介质的很弱的节流排放终止。压力介质现在必须克服节流阀21，通过它可获得一个强的密封元件12运动的延迟。与对吸气阀的描述相类似，传力装置也能受到剧烈的抑制而停止。为了起动密封元件12的关闭运动，在压缩活塞到达的上端死点前的一个适当的时间，通过向磁磁铁6通电流而使二位三通方向控制阀5反向。这样压力介质可以流进而且密封元件能够压靠在阀座13上。其意义在于，当压缩机活塞大致已到达上端死点但仍来完全到达时，传力装置11的给进运动已经开始了。这样可以避免压缩机的工作介质的再压缩和由此而引起的附加损失。另一方面，限制了密封元件12晚关闭的可能性和与其相关连的高冲击速度的危险性。通过转换压缩气体的流动方向，只有一小的剩余行程仍然可用于密封元件12，从而就可能增加的磨损和破裂而言，由一个可能的晚关闭引起的关闭速度是没有意义的。

有关图2所示的装置的其它特点和功能细节，可参考上面附图1所作的描述，以避免重复。

图3a是一个曲线图，表示在持续时间T的一个压缩循环中，一个吸气阀控制的不同工作点的传力装置11的或密封元件12的速度V的过程。曲线1.1和1.2表示满载，曲线2.1、2.2和3.1或3.2表示部分受载。该曲线涉及在阀座上的密封元件12的最大冲击速度V-max(由各种受载类型决定)。

在图3b中，表示了在压缩机工作室中的压力P与时间t的相应关系曲线。曲线1.1、2.1和3.1表示了一个压缩机等级的特性，其吸气阀装有可变的运动阻尼。虚曲线1.2、2.2和3.2表示带有恒定的运动阻尼的吸气阀(根据现有技术)的曲线，此时，阻尼要设计成使密封元件12在阀座上的最大冲击速度对于可变的和恒定的阻尼都是同样大的。

曲线1.1和1.2表示的是，通过转换控制元件，在每种情况下，密封元件12的关闭的运动都是在压缩机缸的底部死点开始的。随着活塞速度的增加并开始压缩，压缩机的工作介质对密封元件12施加一个增加的关闭力，它与关闭弹簧15的力叠加(见图1和图2)。对于可变阻尼，压力介质在开始时近似无阻尼地流出，使得关闭力主要用于加速密封元件和传力装置。对于恒定阻尼，必须选择一个比其它小很多的节流，以便要求在开始时关闭力的大部分用来克服节流的阻力。因此，本发明的可变阻尼与现有技术的恒定阻尼相比，可使密封元件更快地到达阀座。在距阀座大约20％的行程距离处，对于可变阻尼，压力介质排放的节流增加了几倍，使得运动突然遇到更大的阻力并且相应地减慢了。以后密封元件以一个明显减小的速度移向阀座，传力装置从密封元件提升并以所描述的速度快速离开。

假设在两种情况下密封元件有相同的冲击速度，则对于恒定的阻尼，关闭过程要明显长于可变阻尼。在持续的关闭过程中，要被压缩的气体回流，通过它产生了一个不需要的供应量的损失和附加的工作损失，它可以通过例如比较曲线1.1和1.2从图5b看到。

如果控制元件的激发在一个较后的时间产生(曲线2.1、2.2、3.1和3.2)，则降低了提供的总量因而相应地降低了压缩机的驱动能力。在所有描述和讨论的例示的实施例中，仅仅实现或论述了控制缸工作室的压力释放的可变节流。除了这一点，当然也可能在每种情况下同样设计在控制缸的工作室中的变化的压力形成，以便例如有可用在在此控制缸的相应工作行程的开始处的比在终止处大的调节速度。对于不同应用，与所描述的实施例，有区别也是有利的，例如在控制缸的每种情况下，在行程的开始处具有较小的调节速率并在结束时具有较大的速度。而且，根据本发明，在整个控制缸的行程上具有分级的或可变的速度增加和减小的混合形式也是可能的，并且容易实现的。另外，对压力波在压力介质中或是被消除或是恰当地受到作用或放大的情况，具有相应的快速转换控制元件或执行元件例如与适当的压力传感器配合的实施方案，对压力波是可以实现的，这样，就能对受控制的关闭元件的运动特性产生各种作用。

Claims (4)

1．用于影响活塞压缩机阀的关闭元件周期性往复运动的装置，它具有至少一个通过提升柄沿行程方向作用在关闭元件上的控制缸，控制缸可通过一个控制元件周期性地用压力介质作用并松开，其特征为：控制元件(5、16)按已知的方式至少有一个连接在压力介质的供应和/或排放管路中并至少能分级式可变地加速或延迟压力介质的压力升高和/或降低并因而能分级式可变地加速或延迟关闭元件(12)的往复运动的控制单元(16)；以及，在控制元件(5、16)与一个在上游的压力介质源(1)之间设有一个止回阀(4)。

2．按照权利要求1所述的装置，其特征为：控制元件(5、16)按已知的方式至少有一个具有多个致动位置的独立的致动元件(5)，最好是一个电磁阀或压电阀，以及有一个独立于它的控制单元(16)，后者有至少一个可借助于压力介质运动的柱塞(17)，柱塞(17)操纵一个转换元件，用于在至少两个不同的节流途径之间转换压力介质的流动。

3．用于影响活塞压缩机阀的关闭元件周期性往复运动的方法，其中，关闭元件或一个作用在关闭元件上的控制缸周期性地用压力介质作用和松开，其特征为：关闭元件的加压和/或卸压通过其行程按已知的方式至少分级式可变地进行，使用一个止回阀隔断压缩机压力通过关闭元件对压力介质源的反作用。

4．按权利要求3所述用于活塞压缩机回流控制的方法，它通过由提升柄在吸气阀关闭元件上加压，在至少压缩行程的部分范围内，保持至少一个吸气阀打开，其特征为：在每个周期性打开的部分范围的末尾，卸压起先至少基本上不受限制，然后在强烈节流的情况下进行。

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