CN107850011A - 低温泵加热器 - Google Patents

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Abstract

用于泵送低温流体的泵(118)包括启动部分(302)，该启动部分包括至少一个致动器(154)。启动部分(302)含有可由低温流体冷却的油。泵(118)还包括泵送部分(310)和加热器(156)，该泵送部分包括至少一个泵送元件，该至少一个泵送元件由该至少一个致动器(154)操作，该加热器与该启动部分(302)相关联并且被配置为当该加热器(156)启动时，将热能传递到该启动部分(302)，使得容纳在该启动部分(302)中的油被加热。

Description

低温泵加热器
技术领域
本专利总体涉及泵，尤其涉及适于移动应用的低温燃料泵。
背景技术
近来许多大型移动机械，例如采矿卡车、机车、船舶应用等开始单独使用或与传统燃料联合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使用或与传统燃料(如柴油)联合使用气体燃料进行操作。由于气体燃料(例如天然气或石油气)的密度较低，所以它们以液态形式装载在车辆上。这些液体(最常见的包括液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG))低温储存在车辆上的保温油罐中，所需量的燃料从保温箱泵送、蒸发并提供至发动机。
通常用于向发动机提供LNG的泵包括活塞，它们将LNG输送到发动机。例如，虽然LNG可以在约300psi的压力下储存，但发动机使用的CNG可以在约35MPa或更高的压力下提供。这种活塞泵有时也被称为低温泵，它们通常包括以往复运动的方式安装在气缸孔内的单个活塞。活塞在气缸内来回移动，吸入气体，然后压缩气体。可以通过不同的方式提供活塞移动的动力，最常见的是电动、机械或液压动力。
低温泵的一个例子可以参见美国专利No.7,293,418('418专利)，它描述了一种用于汽车的低温单元件泵。这种泵放入位于油罐内的蓄能器，使用通过活塞杆连接到驱动部分的单个活塞泵。驱动部分设置在油罐外部。
在这些泵(如'418专利中所描述的泵)中，当泵不工作时，进入与泵的一端接触的低温流体的传导性热损失可能导致泵的致动部分发生热问题，特别是在加压液压流体用于启动泵的泵送部分的情况下。在非液压应用中，热问题也可能表现为存在于泵的各种运动部件之间的润滑油凝结。这种润滑能力的损失以及用于致动泵的流体的退化可以至少暂时导致泵部件的性能降低，磨损增加，特别是在泵致动器没有达到其正常工作温度的操作情况下，例如在低温适应后的启动过程中。
发明内容
本发明主要涉及与用于泵送低温流体的泵相关联的辅助加热器。加热器可以设置在泵的温热部分与泵的低温部分之间，泵的温热部分包括润滑油或致动油，泵的低温部分与低温流体接触。
因此，在一个方面，本发明描述了一种用于泵送低温流体的泵。该泵包括启动部分，该启动部分包括至少一个致动器并容纳油。该泵还包括泵送部分，该泵送部分包括至少一个泵送元件和加热器，该至少一个泵送元件由至少一个致动器操作，该加热器与启动部分相关联。该加热器被配置为将热能传递到启动部分，由此当加热器启动时，容纳在启动部分中的油被加热。
在另一方面，本发明描述了一种用于操作泵的方法。该方法包括提供包括至少一个致动器的启动部分(该启动部分容纳油)，提供包括至少一个泵送元件的泵送部分(该至少一个泵送元件由该至少一个致动器操作)，并且提供与该启动部分相关联的加热器。该泵放置在低温流体储罐中，使泵送部分浸入低温流体中，通过启动加热器对容纳在泵的启动部分中的油进行加热，以防止容纳在泵的启动部分中的油冷却。
在又另一方面，本发明描述了一种用于发动机的燃料系统。该燃料系统包括含有燃料的低温流体储罐，延伸到低温燃料储罐内部的中空套筒，以及设置在中空套筒内的大致圆柱形的泵。该泵形成包括至少一个致动器的启动部分、包括至少一个泵送元件的泵送部分、以及与启动部分相关联的加热器，该启动部分容纳油，该至少一个泵送元件由该至少一个致动器操作并且延伸到燃料中。该加热器被配置为将热能传递到启动部分，由此当加热器启动时，容纳在启动部分中的油被加热。该燃料系统还包括电子控制器，该电子控制器与加热器相关联并且被编程为在泵操作前启动加热器以预热泵。
附图说明
图1是根据本发明的发动机系统的框图，该发动机系统具有压缩气体燃料系统，该压缩气体燃料系统包括气体燃料储罐以及对应的燃料泵。
图2是根据本发明安装在低温流体储罐中的低温泵的截面图。
图3是根据本发明的具有加热器的泵的轮廓图。
图4是根据本发明的操作泵的方法的流程图。
具体实施方式
本发明适用于泵送以液体形式储存在适于各种移动或固定应用的机器上的流体(例如低温或其他加压气体燃料)的泵。在所公开的示例性泵实施例中，泵的结构允许其使用用于润滑和/或致动的油，例如当泵不工作时，这种油的粘度可能受热效应的影响，例如被与泵的至少一部分接触的低温流体冷却。在某些应用中，需要在紧靠被泵送的低温流体附近安装泵，例如将泵安装在延伸到低温流体储罐中的套筒内。通过这种方式，可以减少传递到低温流体的总热量，并且可以通过提高泵的泵送元件的汽蚀余量来增加泵效率。设想几种低温泵的变型，包括具有以机械或电力方式启动的单个泵送元件的泵、具有为泵送低温流体的泵的柱塞提供动力的液压致动结构的单个或多个泵送元件、和/或具有由章动器或旋转斜盘和挺杆/从动件装置启动的单个或多个泵送元件的机械致动泵。在任何泵类型中，可以在泵的致动机构中使用油，仅用于润滑或者移动和/或滑动部件，或者另外还用于为泵送元件提供液压致动力。
本发明涉及使用气体燃料源的发动机，例如使用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，该发动机系统包括气体燃料储罐，该气体燃料储罐具有供应低温储存的流体以向发动机提供燃料的泵。所示的泵可以是液压致动式泵，但是本文所讨论的各种实施例同样适用于具有其他致动机构的泵。
在图示的实施例中使用柴油作为点火源的DIG发动机系统100的框图如图1所示，但是应该理解的是，可以设想有间接喷射式发动机和/或使用不同点火模式的发动机。发动机系统100包括发动机102(如图1总体示出)，该发动机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可以是双止回喷射器，其被配置成将预定量的两种不同的燃料(在这种情况下为柴油和燃气)独立喷入发动机汽缸中。
燃料喷射器104通过高压气体燃料供应管线108连接到高压气体燃料轨道106，并通过液体燃料供应管线112连接到高压液体燃料轨道110。在所示的实施例中，气体燃料是天然气或石油气，其在约10-50MPa之间的压力下通过高压气体燃料供应管线108提供，液体燃料是柴油，其在约15-100MPa的压力下保持在高压液体燃料轨道110中，但也可以使用任何其他压力或类型的燃料，这取决于每个发动机应用的操作条件。应当注意的是，虽然使用词语“气体”或“液体”对存在于高压气体燃料供应管线108和高压液体燃料轨道110中的燃料进行说明，但这些名称并不旨在限制燃料存在于相应的轨道中并且仅仅是为了讨论所示实施例的目的。例如，在受控压力下提供的高压气体燃料供应管线108内的燃料(这取决于其保持的压力)可以处于液相、气相或超临界相。此外，液体燃料可以是任何烃基燃料，例如DME(二甲醚)、生物燃料、MDO(船用柴油)或HFO(重燃料油)。
无论发动机系统100是否安装在移动或固定应用中(其中的每一种情况都是可预期的)，气体燃料可以以液体状态储存在油罐114中，该油罐可以是低温储罐，该低温储罐在较低的压力下加压，例如大气压或者更高的压力。在所示的实施例中，油罐114是保温的，以便在约-160℃(-256oF)温度和约100与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。油罐114还包括减压阀116和填充口144。填充口144可以包括用于与压缩天然气(CNG)和/或液化石油气(LPG)或液化天然气(LNG)填充软管或阀门对接的专用或适当特征件。在以下说明中，使用DIG发动机系统实施例来进行说明，但是应当理解的是，本文所公开的系统和方法适用于任何使用低温储存气体的机器、车辆或应用，例如，其中油罐114可以装载在煤水车中的机车。
相对于所示的具体实施例，在操作过程中，在泵118中对来自油罐的仍处于液相的LNG进行加压，使得LNG的压力升高，同时使LNG仍保持在液相。泵118被配置为选择性地将LNG的压力增加到可响应于从电子控制器120提供给泵118的压力指令信号而变化的压力。为了说明的目的，如图1所示，泵118在油罐114外部，但是可以设想的是，泵118可以至少部分地设置在油罐114内部，如以下图(如图2)所示。虽然LNG以液态存在于油罐中，但是当涉及在超过大气压的压力下存在的气体时，为了简便起见，本发明将参照压缩或加压气体。
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，以便降低密度和粘度，同时增加其焓和温度。在一个示例性应用中，LNG可以在约-160℃温度下，以约430kg/m3密度、约70kJ/kg焓和约169μPa粘度，作为液体进入热交换器122，并在约50℃温度下，以约220kg/m3密度、约760kJ/kg焓和约28μPa s粘度离开热交换器。应当理解的是，根据所使用的燃料的具体组成，这种代表性状态参数的值可能不同。通常，设想燃料以低温液态进入热交换器，并且以超临界气体状态离开热交换器，在本文中其用于说明燃料是气态但密度介于其汽相与液相之间。
热交换器122可以是用于LNG的任何已知类型的热交换器或加热器。在所示的实施例中，热交换器122是从发动机冷却剂中吸收热量的夹套热水器。在替代实施例中，热交换器122可以体现为有源加热器，例如燃料加热器或电加热器，或者可替代地可以是使用不同热源(例如从发动机102(属于同一体系的不同发动机(例如机车中常见的情况))的排气中回收的热量、来自工业过程的废热)的热交换器，以及其他类型的加热器或热交换器，例如环境空气翅片或管式热交换器。如图1所示的实施例，使用发动机冷却剂作为热交换器122的热源，设置一对温度传感器121A和121B，用于测量进入和离开热交换器122的发动机冷却剂的温度，并向电子控制器120提供相应的温度信号123。
液体燃料或者所示实施例中的柴油燃料被储存在燃料储罐136中。根据发动机的操作模式，通过过滤器140，从燃料储罐以可变速率将燃料吸入可变排量泵138中。响应于来自电子控制器120的指令信号，通过泵的可变排量性能来控制由可变排量泵138提供的燃料速率。来自可变排量泵138的加压燃料被提供给高压液体燃料轨道110。同样，泵118具有响应于来自电子控制器120的信号的可变供应性能。
离开换热器122的气体在过滤器124处进行过滤。可以理解的是，通过过滤器124的气体可以包括以多于一个相存在的气体，例如气体相或液体相。可选的气体蓄积器126可以收集压力调节器128上游的过滤气体，该压力调节器可选择性地控制提供给气体歧管106的气体的压力，该气体歧管连接到高压气体燃料供应管线108。为了操作泵118，使用液压泵150，该液压泵具有可变排量并且通过阀门系统152选择性地将加压液压流体提供给泵118。液压泵150的操作由致动器154控制，该致动器响应来自电子控制器120的指令。
油罐114的局部视图如图2所示，其具有至少部分地设置在其中的泵118。油罐114可以包括内壁202和外壁204，该内壁含有加压LNG。可以沿内壁202与外壁204之间的间隙设置保温层206。内壁202和外壁204在油罐的一端都具有公共开口208，其围绕延伸至油罐内部212的圆柱形壳体210。圆柱形壳体210是中空的，并且在其中限定有泵孔214，该泵孔从安装凸缘216延伸至油罐内部212并且将泵118容纳在其中。如图所示，密封件218围绕安装凸缘216，沿着共有泵孔214将油罐内部212与公共开口208隔开。
在所示实施例中，泵118具有大致圆柱形的形状，并且包括泵法兰220，其将泵118支撑在油罐114的安装凸缘216上。图3还示出了从油罐114除去泵118的轮廓图。泵118通常包括致动器部分302，其操作用于选择性地致动一个或多个推杆304。在由致动器部分302操作期间被驱动做往复运动的推杆304从致动器部分302延伸至致动部分308，该致动部分与泵送部分310相关联。在操作期间，可以浸入低温流体的泵送部分310操作用于将来自油罐内部212的流体泵出油罐并通过出口或泵排出口向发动机供应燃料，如前所述。泵送部分310被致动部分308致动，用于泵送流体，进而将推杆304的往复运动转化为操作泵送部分310的泵送动作。
有利地的是，泵118包括六个泵送元件，但是根据应用，可以使用其他数量的泵送元件(例如可以是一个、两个、三个、四个、五个、七个等)。在所示实施例中，六个泵送元件(每个都具有其自己的一组部件)以围绕泵对称的方式径向相对成对设置。致动推杆的挺杆可以容纳在挺杆壳体401中，该挺杆壳体围绕泵对称地形成孔并且支撑或以其他方式容纳泵118的各种其他部件。电子控制器120被配置并被编程为通过发送适当指令在所需时间选择性地致动每个泵送元件并持续所需的一段时间。在机械致动泵实施例中，可以通过一个章动器顺序致动各种泵送元件。
如图2所示，包括泵送部分310的泵的底部可以浸入低温流体中，该流体的液面可以进一步露出一定长度的推杆304直至密封件218。可以理解的是，低温流体与泵118底部的直接接触会使那些与流体接触的泵部分的温度降低至与流体的低温温度大致相同或略高的温度。温度降低将会导致(至少通过传导)从包括致动器部分302的泵的上部吸收热量。在操作期间，在压力下向致动器部分302提供的摩擦和致动流体将热量提供给致动器部分302。然而，当泵不工作时，特别是对于寒冷环境的情况，泵的上部可能冷饱和，这可能导致存在于其中的润滑和/或致动流体(例如油和/或液压流体)变得更加粘稠，并且在某些条件下发生凝结。
现在参照图1，为了有助于对泵的润滑部分进行加热，加热器156设置在泵118的液压致动部分附近(同样参见图2)。在所示实施例中，加热器156被体现为液体热交换器，该液体热交换器连接到冷却剂供应管线158和冷却剂返回管线160，这些管线被配置为使冷却剂循环流过加热器156。当冷却剂被加热时，冷却剂可以通过加热器156的热传递来加热泵的致动部分。在所示实施例中，冷却剂管线158和160连接到发动机102，使得它们能够经通过流量调节器162从发动机的冷却剂系统吸收热量。流量调节器162可以将来自发动机102的冷却剂引导至加热器156或从加热器156引出，或者可替代地形成闭合冷却剂回路，该闭合冷却剂回路包括加热器156以及冷却剂加热器164和循环泵166。在发动机102的冷启动情况下，在发动机冷却剂已被充分加热之前，流量调节器162可以隔离包括加热器156的回路并且启动冷却剂加热器164以加热通过冷却剂泵166循环流过加热器156的冷却剂。冷却剂加热器164连接到诸如电池165等电源，该电源提供电力以加热通过冷却剂加热器164的冷却剂。
图2示出了用于放置加热器156的具体实施例。在这个实施例中，加热器156形成为板，并且设置在挺杆壳体401与推杆304之间。支撑杆306在推杆304之间延伸。在加热系统操作期间，当发动机可以操作时或者在发动机操作之前，加热的冷却剂或者在替代实施例中电加热元件可以以传导的方式加热启动部分302和挺杆壳体401中的各种内部部件。在这个位置放置加热器156使加热器位于沿泵118的冷部分和热部分相遇的交界处。具体而言，泵的下冷部分312设置在油罐内并且至少部分地与低温流体接触，使得它被流体冷却，充当散热器。上热部分314包括启动部分302和操作推杆304的其他结构。热部分314与冷部分312之间的界面316是泵118上的最低点，此处可能有油，例如，用于润滑与推杆304的可滑动界面的油，并且此处可以设置加热器156，可以最有效地避免低温问题。因此，如图所示，加热器156可以形成保温和加热区318，以缓冲热传递并且还有助于将热能加入泵的加热区320中的致动部分302中。
图3示出了加热器400的替代实施例，其设置在泵118上，为了清楚起见，其示出为从油罐中移除。加热器400是电力加热器，其从电源模块402获得电力，该电源模块可以包括诸如电池等电源以及合适的开关和监测器，这些开关和监测器响应于控制器指令以在需要时启动加热器400。如图所示，加热器400可以包括将电流转换成热量的电阻材料，但也可以使用其他加热器类型。
如图3所示，加热器400具有大体上圆柱形的形状，其围绕挺杆壳体401的下部部分，并且围绕泵118周向延伸以向各种泵部件提供大致均匀的热通量。加热器的启动可以作为发动机起动序列的一部分来执行，以便加热泵的各个部分和内部部件，优选地在泵开始操作之前，还可选地在泵操作的初始阶段。
工业实用性
本发明适用于涉及低温储罐的任何类型的应用。在所示实施例中，为了说明的目的，使用具有装载在车载油罐中的LNG或LPG燃料源的陆地车辆，但是本领域普通技术人员应该理解的是，本文所描述的方法和系统对于任何类型的低温燃气油罐都具有普遍适用性，这些低温燃气油罐包括泵，该泵用于从油罐泵送液化气以便向诸如发动机等系统供应燃气。
通常，本文所述的加热器的使用及其在泵上的位置旨在防止冻结、粘性或凝结的油和/或液压流体堵塞泵。所描述的加热器位于泵中油可以到达的最低点附近。在操作冷浸泵之前，加热器将使用预定的一段时间，使泵中的油液化，由此一旦油粘度降低至足以流动时，泵就可以正常运行了。
图4示出了操作具有加热器的泵的方法的流程图。根据该方法，在502处，用户可以给出发动机的启动指示，在504处，开始起动步骤。作为起动步骤的一部分，在506处，可以启动加热器。在508处，加热器可操作用于加热低温泵的各个部件，包括那些其中可能存在油和/或液压流体的泵的部分。当油和/或液压流体已被充分加热并由此可以自由流动时，在510处，泵可以被启动，并且在512处，在泵启动之前或之后，加热器可以被停用。该方法的可选实施例包括当泵和发动机处于启动或停用状态时连续监测与内部泵部件相关的温度，并且启动加热器以维持内部泵部件的温度高于低阈值温度，这可以缩短发动机的起动步骤，因为泵几乎不需要预热。
应当理解的是，前述内容提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可以想到的是，本发明的其他实施方式可以在细节上与前述示例不同。对本发明或其示例的所有引用旨在引用本文所讨论的具体示例，而非旨暗示对本发明的范围有更一般性的任何限制。所有关于某些特征的区别和褒贬语言都是旨在表示缺乏对这些特征的偏好，但是除非另有说明，否则不完全将其从本发明的范围中排除。
除非本文另有说明，否则本文所述的数值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被单独引述一样引用到说明书中。本文所述的所有方法可以任何合适的次序来执行，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾。

Claims (12)

1.一种用于泵送低温流体的泵(118)，包括：
启动部分(302)，其包括至少一个致动器(154)，所述启动部分(302)包含油；
泵送部分(310)，其包括至少一个泵送元件，所述至少一个泵送元件由所述至少一个致动器(154)操作；以及
加热器(156)，其与所述启动部分(302)相关联，被配置为当所述加热器(156)启动时将热能传递给所述启动部分(302)，使得容纳在所述启动部分(302)中的油被加热。
2.如权利要求1所述的泵(118)，还包括设置在所述至少一个致动器(154)与所述至少一个泵送元件之间的至少一个推杆(304)，所述至少一个推杆操作用于传递来自所述至少一个致动器(154)的运动，用于操作所述至少一个泵送元件。
3.如权利要求1所述的泵(118)，其中容纳在所述启动部分(302)中的所述油是用于润滑所述启动部分(302)内的移动部件和滑动部件的油。
4.如权利要求1所述的泵(118)，其中所述至少一个致动器(154)是液压致动器(154)，并且其中容纳在所述致动部分(302)中的所述油是用于向所述至少一个致动器(154)提供液压力输入的液压油。
5.如权利要求1所述的泵(118)，其中所述加热器(156)是电操作加热器(156)，其连接到电源模块(402)并且被配置为由控制器(120)启动。
6.如权利要求5所述的泵(118)，其中所述控制器被编程为在所述泵(118)的起动序列期间启动所述加热器(156)。
7.如权利要求1所述的泵(118)，其中所述加热器(156)是液体加热器(156)，其操作用于将来自发动机(102)冷却剂流的热量传递到所述启动部分(302)。
8.如权利要求7所述的泵(118)，其中所述发动机(102)冷却剂在闭合回路(158、160)中循环，所述闭合回路包括循环泵(166)以及操作用于向所述冷却剂流提供热量的冷却剂加热器(164)。
9.如权利要求1所述的泵(118)，其中所述泵(118)具有大致细长圆柱形的形状，并且其中所述泵(118)被配置为设置在套筒(210)内，所述套筒设置在低温流体储罐(114)内，使得所述泵送部分(310)浸入低温流体中。
10.如权利要求9所述的泵(118)，其中所述加热器(156)具有空心圆柱形状，当所述泵(118)安装在所述套筒内时，所述空心圆筒形状设置在所述启动部分(302)的最靠近所述泵送部分(310)的部分周围。
11.如权利要求1所述的泵(118)，其中所述低温流体是液化天然气(LNG)。
12.一种用于操作如前述权利要求中任一项所述的泵(118)的方法，所述方法包括：
将所述泵(118)放置在低温流体储罐(114)内，使得所述泵送部分(310)浸入低温流体中；并且
通过启动所述加热器(156)来加热容纳在所述泵(118)的启动部分(302)中的油，以防止容纳在所述泵(118)的启动部分(302)中的油冷却。
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