CN109154404A - 具有受控泄漏路径的压力调节模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力调节模块，其用于使用第二流体的参考压力来调节第一流体的压力。控制流体腔和参考流体腔之间的包括可滑动地设置在气缸孔内的活塞的压力传递组件定尺寸为沿主体的预定轴向长度、在外侧壁的至少一部分和壳体的内周表面之间提供预定径向间隙。预定径向间隙和预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于活塞的至少一部分和壳体内周表面之间的一个或多个流体连通通道从一个或多个高压流体区流到低压流体区的流速和流量，低压流体区可包括将流体引导至排放和/或排气回路的泄漏孔口和/或排液孔口。

Description

具有受控泄漏路径的压力调节模块
技术领域
本公开涉及具有受控泄漏路径的压力调节模块。更具体地，涉及一种以下述方式相对于一种流体的压力调节另一种流体的压力的模块，该方式设计为在保持系统、更具体地内燃发动机系统中的偏压的同时控制压力调节模块内的一种或多种流体的泄漏路径。
背景技术
对提高燃料经济性和减少排放的需求导致了在研发高压燃油喷射系统和相关的替代性燃料供应系统方面的针对性努力。更清洁的燃烧燃料越来越多地被用于替代更常规的柴油燃料。替代的气态燃料系统输送例如天然气、纯甲烷、丁烷、丙烷、生物气、氢气、乙烷及其混合物。然而，比这些示例更广泛地，在本公开中，“气态燃料”被限定为在大气压和环境温度下处于气相的任何可燃燃料。由于气态燃料在与诸如柴油燃料之类的液态燃料一样低的温度下通常不会自动点火，因此，可以将少量液态燃料引入燃烧室中，以使其自动点火并触发气态燃料的点火。然而，开发采用两种或更多种不同燃料以及其它流体的系统以便改善燃烧和排放导致一些独特的系统挑战，包括：向发动机系统提供具有一致且均匀的流体压力的两种或多种流体，以实现可靠的发动机性能和排放控制。当一种或多种流体为气态形式而非液态形式时，对将流体供应到发动机系统的供应压力的控制能力变得更具挑战性，并且需要比以液态形式输送流体的情况所需更紧密的流体处理和控制系统。
这些替代燃料系统的另一挑战是在将两种或更多种流体输送到发动机系统时保持不同的流体相分离。同样，当一种或多种流体处于气态形式而非液态形式时、如当在与液态引燃燃料的同一喷射器内采用气态主燃料时，这甚至更具挑战性。气态燃料泄漏到液态燃料供应管线中以及替代地、液态燃料泄漏到气态燃料供应管线中通常是不符合要求并且可能导致性能变差、包括发动机中的错误喷射和/或点火问题，以及导致未燃烧的碳氢化合物排放量增加。
防止气态流体泄漏到燃料喷射器的液态流体腔和液态流体通道中可以通过将气态流体压力维持在与喷射器内的液态流体压力相比的预定较低的压力下来控制。该压差被称为偏压压力，并且该偏压可以通过压力调节模块来维持，该压力调节模块可以使用液态流体压力作为参考压力来控制输送到压力调节模块下游的气态流体的流体压力。可替选地，可以基于所需的气态流体压力来校准发动机系统，然后，可以控制液态流体压力，以维持比气态参考流体压力更高的压力。在两种替选方案中，压力调节模块与至少一种系统的流体供应装置相关联，以维持两种不同的系统流体之间的偏压。
通常，现有的压力调节模块采用压力传递组件，该压力传递组件可大体包括活塞，该活塞的一侧与参考流体供应压力连通，并且另一侧与控制流体供应压力连通。参考流体用于调节控制流体的下游输送压力。当液态流体用作参考流体来调节输送到终端使用装置(end use device)下游的气态流体的输送压力时，该气态流体为控制流体。当气态流体用作参考流体来调节输送到端部使用装置下游的液态流体的输送压力时，该液态流体为控制流体。
为了在内燃发动机系统中直接喷射气态流体，流体控制系统可以采用液态流体作为参考流体、如柴油，其也可以作为引燃点火燃料供应给喷射器。其它液态流体可用于提供参考压力，包括液压油或可用作引燃点火燃料的其它液态燃料，包括汽油、二甲醚(DME)、生物柴油、船用柴油燃料(DFM)和煤油。可替选地，流体控制系统可以采用气态流体作为参考流体、如天然气，其也可以作为主要燃料供应给喷射器。在任一流体控制系统中，总体上希望控制不同的流体使得较高粘度的流体以比较低粘度的流体的流体压力更高的流体压力输送到内燃发动机系统的喷射器。
有许多方法可以在压力调节模块中保持不同粘度的流体、如气态流体和液态流体、之间的所需的偏压。一种方法可以是通过利用活塞的两侧之间的差异表面积。另一种方法可以是通过利用一个或多个弹簧加载元件。再一种方法可以是通过利用差异表面积和施加到活塞上的一个或多个弹簧加载元件的组合，该弹簧加载元件用作控制高压流体经压力调节模块的流量的测量元件。
通常，活塞与限制元件连结，该限制元件控制控制流体从控制流体腔流到压力调节模块的已调节控制流体出口的流量。例如，活塞可以联接到位于活塞的与控制流体供应装置接触的控制流体侧的弹簧提升阀。当活塞的相反侧上的参考流体压力增加时，提升阀打开，从而允许受控流体从控制流体供应入口流到已调节控制流体出口。限制控制流体流经压力调节模块的流量的替代布置是已知的，并且大体上类似地起作用，其中，活塞在压力调节模块的气缸孔内滑动，从而可测量地打开和闭合流到压力调节模块的已调节控制流体出口的流体流。为了维持压力调节模块内的压力，并防止流体从活塞的参考流体腔侧和/或活塞的控制流体腔侧泄露到相对的流体腔内，在活塞和气缸孔之间使用采用O形环式密封件的活塞密封组件，以维持压力并保持不同的流体相分离。然而，已知这些密封件由于气缸孔内的动态压力、流体接触(fluid exposure)以及密封件和活塞的动态运动而失效，这使得来自密封件的碎屑污染流体供应管道，并且使得两种不同的流体交叉污染分离的流体的腔和供应管道。
因此，需要提供一种具有更耐用的活塞密封组件的压力调节模块，该活塞密封组件具有受控泄漏路径，该受控泄漏路径使得流体的泄漏受控，从而改善密封件的耐久性并且流体不会污染不同的流体供应管线，同时仍维持流体供应系统中的两种流体之间的所需偏压。
发明内容
公开了一种用于利用第二流体的参考压力来调节第一流体的压力的压力调节模块，其具有壳体，壳体包括流体入口、控制流体出口、参考流体端口、以及具有限定轴向延伸的气缸孔的内周表面的壳体的至少一部分。所述气缸孔流体地联接到在壳体的第一侧上的流体入口，并且流体地联接到在壳体的第二侧上的参考流体端口。压力传递组件包括可滑动地设置在气缸孔内的活塞。所述活塞包括主体，所述主体具有与控制流体腔连通的第一面、与参考流体腔连通的第二面、以及筒形外侧壁。所述活塞定尺寸为沿所述主体的预定轴向长度、在所述外侧壁的至少一部分和所述壳体的所述内周表面之间提供预定径向间隙。所述预定径向间隙和所述预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于所述活塞的至少一部分和所述壳体内周表面之间的流体连通通道从高压流体区流到低压流体区的流速。预定径向间隙和预定轴向长度也可以定尺寸为将高压流体区和低压流体区之间的流体流量限定为低于预定量。
在一些实施方式中，设置有泄露孔口，其在参考流体腔和控制流体腔之间、从壳体的内周表面延伸到壳体的外表面。泄漏孔口可以构造成流体地联接到排放和/或排气回路，以便排放压力调节模块中的流体使其例如经由供应管线返回到至少一个流体的供应储存器或者返回到诸如内燃发动机、后处理系统和辅助动力单元之类的一个或多个终端使用装置。排放和/或排气回路可以可选地包括用于分离不同粘度的流体的流体分离器；例如，在参考流体和具有不同粘度的控制流体流经相同的泄漏孔的情况下。径向沟槽可选地形成于壳体的内周表面中，或形成于活塞主体中，使得沟槽与流体泄漏孔口基本对齐，以引导流体沿流体连通通道从高压流体区、如控制流体腔和/或参考流体腔、流到低压流体区、如流体泄漏孔口。活塞主体的预定轴向长度可以基本上从活塞的第一面或第二面延伸到流体泄漏孔或者可替选地、如果当在模块中采用了径向沟槽、延伸到径向沟槽。
活塞也可以定尺寸为沿第二预定轴向长度、在活塞外侧壁的第二部分和壳体的内周表面的第二部分之间提供第二预定径向间隙。第二预定径向间隙和第二预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于活塞和壳体的内周表面的第二部分之间的第二流体连通通道从高压流体区流到较低压流体区的流速。预定径向间隙可以与第二预定径向间隙基本相同、或者根据终端用户系统要求和所采用的流体而不同。预定轴向长度可以基本上从活塞的第一面一直延伸到第二面，或者根据终端用户系统要求而从第一面和/或第二面延伸到流体泄漏孔口或径向沟槽。
防泄露密封件可以可选地定位在围绕活塞主体的环形沟槽中，以在泄漏孔口与控制流体腔之间并且在活塞的外侧壁和壳体的内周表面之间形成密封。环形沟槽可以可选地形成在活塞主体中，使得密封件与活塞一起在壳体内可滑动地移动，或者环形沟槽可以形成在壳体的内周表面中，使得密封件保持处于壳体的环形沟槽中，同时，活塞可滑动地移动经过位于壳体内的密封件。
在一些实施方式中，压力调节模块可以是非泄放压力调节模块，当用于采用如气态流体和液态流体这样不同粘度的流体的流体控制系统中时，其可以采用单独的排气阀来控制流体控制系统中其他位置的气态流体的排气。可替选地，压力调节模块可以可选地是自泄放压力调节模块，其采用被动排气和/或排液系统，该被动排气和/或排液系统在超过最大压力时允许控制流体腔中的气态流体或较轻粘度的液体旁路防泄露密封件而穿过排气和/或排液通道以离开模块壳体。在申请人的美国临时申请62/175,157中描述了示例性的流体控制系统，该申请通过参引并入本文。在采用流体分离器的流体控制系统中，被动排液和/或排气系统可以与流体泄漏孔口结合，以经由流体泄漏孔口从模块中去除排液流体。在这些系统中，之后可以使用流体分离器来分离不同的液态流体和/或气态流体，并将各流体引导到它们各自的供应储存器、后处理系统、内燃发动机和辅助动力单元中的至少一者。可替选地，压力调节模块可以可选地使用排液通道，排液通道通向单独的流体排液孔口，该流体排液孔口从壳体的内周表面延伸到模块壳体的外表面。排液孔口可以构造成流体地联接到排放或排气回路，在排放或排气回路中，来自排液孔口的流体被引导到该流体的供应储存器、后处理系统、内燃发动机和辅助动力单元中的至少一者。这里使用的术语“排液(weep)”和“以排液的方式流出(weeping)”更广泛地分别包括用于、在适当的情况下、从压力调节模块以及液态流体及其混合物中排除气态流体的排气(vent)和以排气的方式排出(venting)。
在采用与流体泄漏孔口分离的流体排液孔口的实施方式中，可以采用在流体泄漏孔口和流体排液孔口之间、定位于围绕活塞主体的环形沟槽中的第二防泄漏密封件来保持控制流体与参考流体分离。可选地，其中定位有防泄露密封件的环形沟槽可以形成在活塞主体中，使得密封件与活塞一起在壳体内可滑动地移动，或者环形沟槽可以可选地形成在模块壳体的内周表面中，使得密封件保持处于壳体的环形沟槽中而同时活塞可滑动地移动经过密封件。
在一些实施方式中，活塞还可以包括上部延伸部，该上部延伸部具有外侧壁和上部第二面。上部延伸部经上部排放孔口与流体泄漏孔口流体连通，并且定尺寸为沿第二预定轴向长度、在外侧壁的至少一部分和壳体的第二内周表面之间提供第二预定径向间隙。第二预定径向间隙和第二预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于外侧壁和第二内周表面之间的第二流体连通通道从参考流体腔的高压流体区流到上部排放孔口的低压流体区的流速。预定径向间隙可以与第二预定径向间隙基本相同。而且，活塞的上部延伸部和主体可以是各自独立的部件，并且也可以采用偏置弹簧将分离的上部延伸部偏置到活塞的主体。
在未于参考流体腔和控制流体腔之间采用泄漏孔口的实施方式中，受控泄漏路径将流体从较高压力流体区、如其中具有较高压力的流体的参考流体腔、引导至较低压力的流体区、如控制腔；从而允许在离开压力调节控制模块的控制流体出口的控制流体中夹带受控量的参考流体。在该实施方式中，活塞主体的预定轴向长度可以基本上从活塞的第一面延伸到第二面。
根据终端用户系统，参考腔中的参考流体和控制腔中的控制流体是基本上相同的流体。在其他终端用户系统中，参考腔中的参考流体和控制腔中的控制流体具有不同的粘度；例如，可以采用流体作为参考流体以便控制气态流体的出口压力。
终端用户系统可包括压力调节模块下游的内燃发动机系统，并且控制流体可以是之后被引导至发动机的液态或气态燃料。参考流体可以是由相同发动机使用的第二燃料，或者其可以为另一种系统流体。在优选实施方式中，液态参考流体控制用于喷射到发动机中的气态流体。在另一实施方式中，气态参考流体控制用于喷射到发动机中的液态流体。
控制流体和参考流体之间的偏压可以可选地通过采用下述活塞来保持，该活塞的与控制流体腔和参考流体腔接触的两侧之间具有差异表面积。可替选地、或者除了采用差异表面积，可以可选地通过采用一个或多个弹簧加载元件来保持偏压。
在可能包括直接喷射气态燃料式内燃发动机系统的终端用户系统中，优选地在参考流体腔和控制流体腔之间存在3bar或更大的偏压。预定径向间隙优选地小于0.05mm，更优选地小于0.005mm，最优选地小于0.003mm。另外，流体从壳体泄漏的速率优选地小于5.0kg/hr，更优选地小于1.0kg/hr，最优选地小于0.5kg/hr。
通过参照附图并通过用所公开的装置实践所公开的方法，可以从本公开的其他部分理解本发明的附加特征和优点。
附图说明
附图示出了本发明的特定优选的实施方式，附图并未按比例绘制，并且不应视为对本发明的精神或范围进行限制。
图1a是根据本发明的一个实施方式的压力调节模块的示例性横截面示意图示，其中，匹配配合部形成泄漏限制的流体密封件并在参考流体腔和控制流体腔之间提供受控的泄漏路径。
图1b是图1a的压力调节模块的侧部的示例性横截面视图，其示出了在活塞主体和模块壳体的气缸壁之间具有预定长度(L)和预定径向间隙(r)的匹配配合部。
图2a是根据本发明的另一实施方式的压力调节模块的示例性横截面示意图示，该压力调节模块在参考流体腔和控制流体腔之间具有流体泄漏孔口。
图2b是图2a的压力调节模块的侧部的示例性横截面视图，其示出了两个受控的匹配配合部，上述两个匹配配合部分别具有预定轴向长度(L1，L2)，并且在活塞主体和模块壳体的气缸壁之间分别具有预定径向间隙(r1，r2)。第一预定长度(L1)沿活塞40的位于泄漏孔口和参考流体腔之间的一部分延伸，并且第二预定长度(L2)沿活塞40的位于泄漏孔口和控制流体腔之间的另一部分延伸。
图3是根据本发明的另一实施方式的压力调节模块的示例性横截面示意图示，该压力调节模块在控制流体腔和流体泄漏孔口之间具有防泄漏密封件，使得仅参考流体从模块中经流体泄漏孔口泄漏。
图4是根据本发明的另一实施方式的压力调节模块的示例性横截面示意图示，该压力调节模块在活塞主体中具有排液通道，以便从模块中经流体泄漏孔口将控制流体以排气和/或排液的方式排出和/或流出。
图5是根据本发明的另一实施方式的压力调节模块的示例性横截面示意图示，其包括在活塞主体中的排液通道，以便从模块中经排液孔口将控制流体以排气和/或排液的方式排出和/或流出，该排液孔口与流体泄露孔口相分离。
图6是根据本发明的另一实施方式的压力调节模块的示例性横截面示意图示，其使用在上部参考流体活塞面上具有差异表面积的活塞而非弹簧元件来维持参考流体和控制流体之间的偏压。
图7(a、b、c和d)是本文所述的压力调节模块实施方式的侧部的示例性横截面视图，其示出了可选的密封布置。图7a示出了活塞环形沟槽中的防泄漏密封布置，同时示出了匹配配合部的预定长度(L)和预定径向间隙(r)。图7b示出了模块壳体的气缸壁环形沟槽中的防泄露密封布置。图7c示出了活塞环形沟槽中的双重防泄漏密封布置。图7d示出了模块壳体的两个气缸壁环形沟槽中的双重防泄漏密封布置。
图8是示出活塞直径对柴油流过具有预定轴向长度(横坐标轴)的匹配配合部的流速(纵坐标轴)的影响的图解说明，其中，匹配配合部在活塞和气缸壁之间的直径方向上的间隙(2r)固定为0.004mm。
图9是示出具有预定的直径方向上的间隙(2r)的匹配配合部对柴油流过具有预定轴向长度(横坐标轴)的匹配配合部的流速(纵坐标轴)的影响的图解说明，其中活塞直径固定为50mm。
具体实施方式
在整个以下描述中，公开了具体细节以提供对本发明更透彻的理解。然而，未详细示出或详细描述一些众所周知的元件，以避免模糊当前所公开的本发明。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。本文中的所有出版物均通过参引而并入，其程度如同明确且单独地指出各个出版物或专利申请通过参引而并入本文。如果术语在并入的参考文献中的定义或用法与本文提供的该术语的定义不一致或相反，则适用本文中提供的该术语的定义，而该术语在该参考文献中的定义不适用。
用于通过采用第二流体压力来控制第一流体供应管线压力的压力调节模块可以用在需要相对于一种流体压力来控制另一种流体压力的任何终端使用装置系统中。例如，当终端使用装置是以两种或多种燃料为燃料的内燃发动机时，在这种情况下，上述两种或多种燃料直接喷射到发动机的燃烧室中，可能希望根据第二燃料的供应压力来控制第一燃料的供应压力。第二燃料的供应压力可以用作用于控制第一燃料的供应压力以及用于维持两种流体之间的偏压的参考压力。
本文公开的实施方式有时通过示例的方式针对作为终端使用装置的供以气态燃料的内燃发动机系统进行描述；例如在美国专利No.6,298,833中公开的那些内燃发动机系统，该专利申请由此通过参引并入本文中。这些内燃发动机系统被供以作为主要燃料的气态燃料、如天然气、和作为引燃燃料的液态第二燃料、如柴油。然而，本发明将被理解为更广泛地应用于流体控制系统，在流体控制系统中，一种流体的供应压力至少部分地由相同模块壳体内的参考流体的压力控制，这种情况下需要控制一种流体泄漏到另一流体的腔和供应管道中的量或完全防止一种流体泄漏到另一流体的腔和供应管道中。在一些应用中，参考流体可以与其所调节的控制流体相同。在其它应用中，两种流体可以全然不同，二者具有不同的流体性质。
如图1a和图1b所示，第一实施方式涉及一种流体的供应压力至少部分地由相同模块壳体内的参考流体的压力控制的流体控制系统中的压力调节模块100。压力调节模块100可用于根据参考流体、如液态燃料、来调节控制流体、如气态燃料，从而使得控制燃料压力维持在比参考燃料压力低设定偏差值。这种偏差值可以根据特定系统的需要而设定，但在将两种或更多种不同的燃料喷射到内燃发动机的燃烧室中的内燃发动机系统中通常介于3bar至75bar之间，其中一种燃料处于气态形式，另一种燃料处于液态形式。为了获得克服内燃发动机燃烧室内的压力所必需的压力，通常需要大于100bar的燃料压力，并且对于大于350bar的压力，发现性能和操作有所改进。
压力调节模块100具有壳体20，壳体20包括流体入口22、控制流体出口24、参考流体端口26、以及限定壳体的内周表面80的轴向延伸的气缸孔90。气缸孔90流体地联接到壳体的第一侧上的流体入口22，并且流体地联接到壳体的第二侧上的参考流体端口26。
活塞40可滑动地设置在轴向延伸的气缸孔90内，并具有与控制流体腔32连通的第一面42、与参考流体腔36连通的第二面46、以及具有筒形外侧壁44的主体，该筒形外侧壁44在活塞40的第一面和第二面之间延伸。活塞40、其具有直径“d”53、可以具有上部延伸部47，该上部延伸部47具有端部凸缘48，施加偏压元件38的一端可以压靠该端部凸缘48，而另一端压靠壳体保持凸缘86，使得活塞40被偏压成抵靠壳体20的第二侧端部处的参考流体端口26。活塞主体的至少一部分的外周定尺寸为提供轴向延伸的匹配配合部50，该匹配配合部50沿壳体20的内周表面80的预定轴向长度形成泄漏限制流体密封件，以控制沿形成于控制流体腔32和参考流体腔36之间的流体连通通道的流体流。
流量控制阀60通过施加偏压元件68而被偏压成抵靠阀座66，施加偏压元件68还推动流量控制上柱塞部分64抵靠活塞面42。施加偏压元件68、其在图1a中示出为包围流量控制下柱塞部分62的弹簧元件、抵靠壳体20的第一侧端部处的保持凸缘85而加载。流量控制阀60可以是提升阀或将控制流体腔32与流体入口22隔离开的其它合适的流量控制阀。
在图1a中示出的示例性实施方式中，控制流体、如天然气、经流体入口22从控制流体供应装置流入壳体20中。控制流体填充流体进入腔34，并且流量控制阀60保持处于抵靠阀座66的闭合位置，从而密封控制流体腔32，进而防止流体从流体入口22流入压力调节模块100中。参考流体、如柴油、经通向参考流体腔36内的参考流体端口26流入壳体20中。一旦参考流体压力大于设定偏差值，参考流体压力就向下推动活塞40。活塞40又下推流量控制阀60的与活塞第一面42接触的流量控制上柱塞64。由此，流量控制阀60离开阀座66而打开，从而允许流体从流体进入腔34流到控制流体腔32并且经控制流体出口24而从壳体20中流出。流体力和弹簧力的组合产生流经阀座66的已调节的流量，使得下游控制流体压力(例如气体轨道压力)比下游参考流体压力(如柴油轨道压力)低设定偏差值。尽管这里示出的示例性实施方式示出了单一的参考流体端口26，参考流体端口26可以使得参考流体经由相同的孔口流入和流出壳体20，但是流体端口26还可以构造有与参考流体出口相分离的参考流体入口。
现在参照图1b，为了沿受控的泄漏路径控制和引导流体泄漏，活塞40定尺寸为沿活塞主体的预定轴向长度“L”、在外侧壁44的至少一部分和壳体的内周表面80之间提供预定径向间隙“r”。外侧壁44的至少一部分与壳体20的内周表面80之间的预定径向间隙“r”、连同外侧壁44的预定径向间隙部分的针对给定活塞直径而言的预定轴向长度“L”这里也被称为匹配配合部。图1b示出了压力调节模块的侧部的示例性横截面视图，该视图图示了具有预定轴向长度52(由“L”表示)和预定径向间隙54(由“r”表示)的匹配配合部。当参考流体腔36中的流体压力受到偏压而高于控制流体腔32中的流体压力时，流体通常沿形成于活塞和壳体的内周表面之间的受控泄漏通道、从高压流体区(上部参考流体腔36)朝向低压流体区(控制流体腔32)流动。因此，参考流体的受控部分沿匹配配合部50从参考流体腔36朝向控制流体腔32向下流动，以与控制流体混合，然后，被引向下游穿过控制流体出口24引导到终端使用装置。对于使用相同流体作为参考压力流体和调节压力流体二者的系统，只要不损害整体系统操作，则从参考腔到控制腔的受控的流体泄漏量是可接受的。对于其它系统、包括一些发动机喷射系统，需要在控制流体中夹带受控量的不同的参考流体。例如，在天然气(作为控制流体)中夹带受控量的柴油(作为参考流体)可以通过润滑效果改善一些喷射器的寿命。然而，在许多发动机喷射系统中，非常希望独立于第二燃料的喷射正时来控制第一燃料的喷射正时，以改善性能以及增强排放效果。在这些系统和需要保持参考流体与控制流体分离的其它系统中，可以采用一个或多个受控泄漏路径将流体从一个或多个高压流体区(流体腔32、36)引导到一个或多个低压流体区，所述低压流体区形成于流体腔32和36之间、壳体20的内周表面80中，该低压流体区之后可以将流体引导到压力调节器壳体的外侧。
图2a是一种替选实施方式，其示出了具有通向排放孔口或泄漏孔口的受控泄漏路径的压力调节模块200。与先前描述的实施方式中相同的元件在本文中由相同的附图标记表示，并且如果它们以相同的方式操作和起作用，则可以不再针对每个实施方式而再次描述。在图2a所示的示例性实施方式中，在参考腔36和控制流体腔32之间设置流体泄漏孔口28(在此也称为排放孔口)，以引导流体沿紧密地控制(tightly controlled)的匹配配合部50的长度流出模块壳体20，而非使得流体在参考流体腔36和控制流体腔32之间流动。流体泄漏孔口28与气缸孔90流体地连接，并从内周表面80延伸到壳体20的外表面88。流体泄漏孔口28可流体地联接到排放回路，以便排放压力调节模块中的流体使其例如返回到流体的供应储存器或返回到诸如内燃发动机、后处理系统或辅助动力单元之类的终端使用装置。在操作期间，与沿受控泄漏路径的较低流体压力区相比，参考流体腔36中的流体压力和控制流体腔32中的流体压力二者都是较高流体压力区，受控泄漏路径包括形成于活塞40和壳体20的内周表面80之间的一个或多个匹配配合部。因此，流体通常从参考流体腔36的较高压力流体区向下朝向流体泄漏孔口28的较低压力流体区流动；并且流体还从控制流体腔32的较高压力流体区向上朝向流体泄漏孔口28的较低压力流体区流动。
图2b是图2a的压力调节模块200的侧部的示例性横截面视图，其示出了两个各自独立的匹配配合部，两个匹配配合部分别具有预定轴向长度52、152(分别用“L1”和“L2”表示)，并且在活塞40的筒形外壁44的一部分与壳体20的内周表面80之间分别具有预定径向间隙54(用“r”表示)。如图2b所示，活塞40的外周的一部分可以可选地包括径向沟槽43，使得沟槽43与流体泄漏孔口28基本对齐，以用作从较高压力流体区、参考流体腔36和/或控制流体腔32、流到诸如泄露孔口28之类的较低压力流体区的流体的附加引导件。可替选地，可以在壳体20的内周表面中形成径向沟槽。活塞40的下部延伸部45可以具有与活塞40的上部延伸部的预定径向间隙不同的预定径向间隙“r”，从而允许实现差异泄漏率或者用于平衡参考流体和控制流体的泄漏速率。活塞40的一部分可以具有比活塞的任何预定径向间隙部分都大的放宽的径向公差。因此，活塞40的匹配配合部直径53(在图2a中用“d”表示)定大小为适合于气缸孔90的直径，以沿匹配配合部长度52、152提供预定径向间隙54，而活塞40的其它部分可以根据终端使用系统要求而具有较小的直径。
图2a和图2b示出的实施方式采用控制流体沿流体连通通道流动到流体泄漏孔口28的匹配配合部，其中流体连通通道沿预定轴向长度152形成于活塞40和内周表面80之间。为了防止任何从控制流体腔32到流体泄漏孔口的流动，需要在控制流体腔32和流体泄漏孔口28之间设置防泄漏密封件。可能的密封件包括但不限于O形环、唇形密封件和激励密封件。这些密封件需要提供可靠且一致的密封且具有良好的耐磨性和低摩擦。密封件还应能够承受快速减压，特别地在使用气态流体的情况下。
参照图3，其公开了另一示例性实施方式的压力调节模块300。在该替选实施方式中，防泄露密封件56设置在控制流体腔32和流体泄漏孔口28之间。防泄露密封件56可以定位在形成于活塞40的下部延伸部45中的环形沟槽或者环形凹部中。可替选地，防泄露密封件56可以定位在形成于壳体20的内周表面80中的环形沟槽或者环形凹部中。防泄露密封件56保持控制流体腔32中的控制流体被密封起来，以防其流到流体泄漏孔口28。如图2b中示出的示例性实施方式所示，活塞40的外周的一部分可以可选地包括沟槽43，以用作供流体从参考流体腔36的较高压力的流体区流到泄漏孔口28的较低压力的流体区的附加引导件。
特别地在高压流体控制系统中，如果需要，与压力调节模块300分离的控制流体排液阀或排气阀可以可选地被用于终端使用流体控制系统中，从而允许控制流体从流体控制系统中以排液和/或排气的方式流出和/或排出。例如，当系统在压力下关闭以及在需要维修的情况下关闭时，可能需要使控制流体以排气和/或排液的方式排出和/或流出。另一示例可能是当供应系统中的控制流体压力升高到预定安全压力之上时。
作为需要单独的排气阀的替代方案，在某些终端使用的流体控制系统中将排液和/或排气组件集成在流体控制模块中、如图4和图5中所示的示例性实施方式、是有利的。
图4示出了根据本公开的另一实施方式的压力调节模块400的示例性横截面示意图。同样，与先前描述的实施方式相同的元件由相同的附图标记表示，并且如果它们以相同的方式操作和起作用，可能不再关于本文中的其它实施方式再次描述。在该替选实施方式中，排液通道29、其也可以作为用于气态流体的排气通道而使用、形成于活塞40的主体中，并且将控制流体腔32流体地连接到流体泄漏孔口28，以便使控制流体经流体泄漏孔口28以排液的方式流出壳体20。在一些流体控制系统中，压力调节模块400下游的流体压力可以使控制流体腔32中的压力升高到高于预定压力。如果发生这种情况，上柱塞部分64与活塞第一面42分离，从而允许形成从控制流体腔32穿过排液通道29并经流体泄漏孔口28到壳体20外侧的受控排液路径，流体泄漏孔口28可流体地联接到排放回路。流体分离器76可以用于分离不同粘度的液体，或者在气态流体的情况下，流体分离器76可以是用于将气态排出流体与沿匹配配合部向下泄漏到泄漏孔口28的任何液态流体分离的气体排出分离器。然后，流体可以返回到各流体的供应储存器，或者可替选地，一种或多种流体可以被引导到排放或排气回路，该排放或排气回路将流体供应到终端使用装置、如内燃发动机、后处理系统或辅助动力单元。流体分离器76还可包括泵，在操作中所述泵在泄漏孔口28处产生压力甚至更低的流体区。活塞40的外周的一部分还可以可选地包括沟槽43以用作供流体从参考流体腔36或排液通道29的较高压力的流体区流动到泄漏孔口28的较低压力的流体区的附加引导件。
图5示出了根据本发明的另一实施方式的压力调节模块500的示例性横截面示意图。在该替选实施方式中，排液通道29(其也可以作为气态流体的排气通道而使用)形成于活塞40的主体中，并将控制流体腔32流体地连接到排液孔口30，以允许形成经专用控制排液路径到壳体20外侧的控制流体流动路径。当采用单独的流体排液孔口30以及流体泄漏孔口28时，可以采用第一防泄漏密封件156和第二防泄漏密封件158来隔离排液孔口30，以保持从排液通道29流出至排液孔口30的任何控制流体与流到泄露孔口28的任何参考流体相分离。在一些流体控制系统中采用这样的压力调节模块500可能是有利的，该压力调节模块500具有与流体泄漏孔口28分离的控制流体排液孔口30，使得例如两种流体可以经由排放或排气回路返回到它们各自的流体供应子系统而不需要流体分离器，之后可以根据系统要求将流体引导到流体的供应储存器、后处理系统、内燃发动机和动力辅助单元中的至少一者。同样，如图2b和图4中示出的示例性实施方式所示，活塞40的外周的一部分还可以可选地包括沟槽43，以用作供流体从参考流体腔36的较高压力的流体区流到泄漏孔口28的较低压力的流体区的附加引导件。
图6示出了根据本公开的另一实施方式的压力调节模块600的示例性横截面示意图。在该替选实施方式中，未设置如图1至图5中所示的弹簧38的上部施加偏压元件。相反，由与活塞40的第一面42的表面积相较而言、活塞40的第二面46上的差异表面积来设定偏差值。活塞40具有上部延伸部47，上部延伸部47具有外侧壁144和上部第二面146。上部延伸部经上部排放孔口170与流体泄漏孔口28流体连通，并且上部排放孔口170定尺寸为沿第二预定轴向长度、在外侧壁144的至少一部分和所述壳体的第二内周表面180之间提供第二预定径向间隙，使得第二预定径向间隙和第二预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于外侧壁144和第二内周表面180之间的第二流体流通通道、从参考流体腔36的高压流体区流到上部排放孔口170的低压流体区的流速。从而，参考流体泄漏路径由各自形成泄漏限制流体密封件的两个匹配配合部150控制，而不是单一的匹配配合部。上部参考流体排放孔口170沿上部匹配配合部引导参考流体，以避免在活塞40的上部第二面146上方圈闭(trapped)一定体积的流体。上部参考流体排放孔口170流体地连接到流体泄漏孔口28，在流体泄漏孔口28处，流体可以被引导到壳体20外部。上部第二面146可以采用防泄漏密封件(未示出)，以减少上部延伸部47的第二预定径向间隙与活塞40的主体部分的预定径向间隙之间的精确同心匹配配合部的需要。与本文的所有示例性实施方式的情况一样，根据应用，匹配配合部可具有不同的预定径向间隙和不同的预定轴向长度。同样，活塞40的外周的一部分还可以可选地包括沟槽43，以用作供流体从参考流体腔36的较高压力的流体区流到泄漏孔口28的较低压力的流体区的附加引导件。活塞40可以是单一的部件或者由一起作业的模块化部件组成的组件。例如，活塞40的主体可以是与上部延伸部47分离的部件。在这种情况下，施加偏压元件138可以用在上部延伸部47上方，以在操作时保持两个活塞部分之间的接触。
图7(a、b、c和d)是本文所述的压力调节模块的实施方式的侧部的示例性横截面视图，其示出了可选的防泄漏密封布置。这种密封件可包括但不限于O形环、唇形密封件和激励密封件，并且根据采用该模块的系统的要求进行选择。这些密封件需要提供可靠且一致的密封且具有良好的耐磨性和低摩擦。密封件还应能够承受快速减压，特别地在使用气态流体的情况下。
图7a示出了采用活塞环形沟槽57的密封布置，其中防泄露密封组件、包括唇形或U形杯密封件160、激励器161和密封支撑环162、定位成在活塞筒形外侧壁44和壳体20的内周表面80之间提供防泄露密封件56。活塞40的下部延伸部可以具有放宽的径向间隙55(用“c”表示)，该径向间隙55大于具有预定轴向长度52(用“L”表示)的匹配配合部的预定径向间隙54(用“r”表示)。
在图7b中，示出了替代的防泄漏密封布置，其中，防泄漏密封件56定位在模块壳体20的内周表面80的环形沟槽97中。
图7c示出了具有定位在位于流体排液孔口30和流体泄漏孔口28之间的活塞环形沟槽57中的第一防泄露密封件156以及定位在位于控制流体腔32和排液孔口30之间的活塞密封环形沟槽59中的第二防泄漏密封件158的组合密封布置。
在另一替代布置中，图7d示出了具有分别定位在模块壳体20的内周表面80的环形沟槽97和99中的第一防泄漏密封件156和第二防泄漏密封件158的组合密封布置。
可基于期望的终端使用系统要求来设定压力调节模块的偏差值。有许多因素可用于设定压力调节模块中的偏压，包括在操作中从高压流体区流到低压流体区的流体的流动特性。可以使用气隙测试来确定匹配配合部的两个表面之间的匹配配合部径向间隙距离。然后，使用该数据以及匹配配合部的长度来确定指定流体在限定温度和压力下、从高压流体区流到低压流体区的流体流速。然后，可以针对特定压力调节模块和供应的特定流体确定特定系统的偏差值。
另外，当采用本文公开的压力调节模块时，可以根据期望的终端使用系统操作要求关于匹配配合部对多个变量进行调整。可以根据终端使用系统要求和所使用的流体来调整尺寸变量、包括活塞40的直径、气缸孔90的直径、匹配配合部的径向间隙和匹配配合部的长度。图8和图9的曲线图示出了基于哈根-泊萧叶(Hagen-Poiseuille)公式、针对不同直径、长度和径向间隙、在参考流体为处于35MPa压力下的柴油的情况下沿匹配配合部的预期泄漏。
经匹配配合部的流体泄漏主要是匹配配合部长度(L)、活塞直径(d)、匹配配合部径向间隙(r)和流体粘度(μ)的函数。偏心率(e)是与活塞偏离气缸孔中心轴线的程度相关联的参数。如果活塞在气缸孔内居中，则偏心率为零，并且对流速没有影响；然而，例如，如果压力调节模块安装在其侧部，则在确定流速时将会考虑偏心率。延长匹配配合部和/或通过缩小匹配配合部的间隙来收紧匹配配合部、减小活塞的直径以及保持压力调节模块冷却也将减少沿匹配配合部的流体泄漏。这又将使对维持系统中足够流量所需的泵尺寸选择的影响最小。例如，对于在80摄氏度的典型发动机工作温度下的0.0011415kg/ms的估计柴油粘度和844kg/m3的密度而言，在匹配配合部限定长度为40mm并且直径方向上的间隙为6μm(径向间隙为3μm或0.003mm)的情况下、50mm的活塞直径将使从壳体20中经流体泄漏孔口28的泄漏率约为0.82kg/hr。在匹配配合部长度为40mm、直径方向上的间隙为4μm(径向间隙为2μm或0.002mm)的情况下、50mm的活塞直径将使从壳体20经流体泄漏孔口28的泄漏率恰好低于0.25kg/hr。流体泄漏孔口28可以附接到流体供应返回管线，以便将流体引回到流体供应储存器或者引回到终端使用装置，例如内燃发动机、后处理系统或辅助动力单元。
图8是示出活塞直径对柴油流过匹配配合部长度(横坐标轴)的流速(纵坐标轴)的影响的图解说明，其中，活塞的外筒形壁和壳体的内周表面之间的匹配配合部的直径方向上的间隙为0.004mm(径向间隙为2μm或0.002mm)。对于间隙相同且不变的情况，随着活塞的直径增大，流体的流速增大。随着匹配配合部的长度增大，流速降低。
图9是示出匹配配合部的直径方向上的间隙对柴油流过匹配配合部的长度(横坐标轴)的流速(纵坐标轴)的影响的图解说明，其中，活塞具有50mm的不变的直径。该图表示出直径方向上的间隙(2r)的影响，因为在工程规范中通常使用直径方向上的间隙的影响而不是径向间隙(r)的影响。在直径方向上的间隙为0.01mm的情况下(实线)，可以看到高流速；然而，在匹配配合部间隙减小到0.003mm(虚线)时，可以看到对流速降低的影响。
本文所述的压力调节模块可用于需要相对于一种流体压力控制另一种流体压力的任何终端使用装置系统。这种系统的另一示例是在金属、陶瓷、聚合物和/或复合系统中的混合浆料进料装置中相对于一种流体控制另一种流体的压力，其中对于因温度、压力和/或与系统和系统流体的化学不相容性而可能采用诸如O形环的密封件的替选系统设计而言，具有受控泄漏路径的泄漏限制流体密封设计是优选的。
尽管已经示出和描述了本发明的特定元件、实施方式和应用，但是应该理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下、特别是根据前述教导进行修改。

Claims (30)

1.一种压力调节模块，所述压力调节模块包括：
a)壳体，所述壳体包括流体入口、控制流体出口、参考流体端口、以及具有限定轴向地延伸的气缸孔的内周表面的所述壳体的至少一部分，所述气缸孔流体地联接到在所述壳体的第一侧上的所述流体入口并且流体地联接到在所述壳体的第二侧上的所述参考流体端口；
b)压力传递组件，所述压力传递组件包括可滑动地设置在所述气缸孔内的活塞，所述活塞包括主体，所述主体具有与控制流体腔连通的第一面、与参考流体腔连通的第二面、以及筒形外侧壁；所述活塞定尺寸为沿所述主体的预定轴向长度、在所述外侧壁的至少一部分和所述壳体的所述内周表面之间提供预定径向间隙；
其中，所述预定径向间隙和所述预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于所述活塞的至少一部分和所述内周表面之间的流体连通通道从高压流体区流到低压流体区的流速。
2.根据权利要求1所述的压力调节模块，其中，所述预定径向间隙和所述预定轴向长度定尺寸为将所述高压流体区和所述低压流体区之间的流体流量限制为低于预定量。
3.根据权利要求1或2所述的压力调节模块，其中，所述预定轴向长度基本上从所述活塞的所述第一面延伸到所述活塞的所述第二面。
4.根据权利要求1或2所述的压力调节模块，其中，所述高压流体区是所述参考流体腔，所述低压流体区是所述控制流体腔。
5.根据权利要求1或2所述的压力调节模块，还包括流体泄漏孔口，所述流体泄漏孔口在所述参考流体腔和所述控制流体腔之间从所述壳体的所述内周表面延伸到所述壳体的外表面。
6.根据权利要求5所述的压力调节模块，其中，所述预定轴向长度基本上从所述第一面或所述第二面延伸到所述流体泄漏孔口。
7.根据权利要求5所述的压力调节模块，其中，所述高压流体区是所述控制流体腔，所述低压流体区是所述流体泄漏孔口。
8.根据权利要求5所述的压力调节模块，其中，所述高压流体区是所述参考流体腔，所述低压流体区是所述流体泄漏孔口。
9.根据权利要求5所述的压力调节模块，还包括径向沟槽，所述径向沟槽与所述流体泄漏孔口基本对齐，以引导流体沿所述流体连通通道、从所述高压流体区流到所述流体泄漏孔口。
10.根据权利要求9所述的压力调节模块，其中，所述预定轴向长度基本上从所述第一面或所述第二面延伸到所述径向沟槽。
11.根据权利要求5所述的压力调节模块，还包括防泄露密封件，所述防泄露密封件设置在所述控制流体腔和所述流体泄漏孔口之间，以在所述活塞的所述外侧壁和所述壳体的所述内周表面之间形成密封。
12.根据权利要求11所述的压力调节模块，还包括形成于所述活塞的所述主体中的排液通道，所述排液通道将所述控制流体腔流体地连接到所述流体泄漏孔口。
13.根据权利要求5所述的压力调节模块，还包括形成于所述活塞的所述主体中的排液通道，所述排液通道将所述控制流体腔流体地连接到排液孔口；所述排液孔口从所述壳体的所述内周表面延伸到所述壳体的外表面。
14.根据权利要求13所述的压力调节模块，其中，所述排液孔口设置在第一防泄露密封件和第二防泄露密封件之间。
15.根据权利要求13或14所述的压力调节模块，其中，所述排液孔口构造成流体地联接到排放回路、排气回路、流体供应管线中的至少一者，以便将流体供应到流体供应储存器、后处理系统、内燃发动机和辅助动力单元中的一者或多者。
16.根据权利要求9所述的压力调节模块，其中，所述活塞还包括上部延伸部，所述上部延伸部具有外侧壁和上部第二面；所述上部延伸部经上部排放孔口与所述流体泄漏孔口流体连通，并且所述上部延伸部定尺寸为沿第二预定轴向长度、在所述外侧壁的至少一部分和所述壳体的第二内周表面之间提供第二预定径向间隙；其中，所述第二预定径向间隙和所述第二预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于所述外侧壁和所述第二内周表面之间的第二流体连通通道从所述参考流体腔的高压流体区流到所述上部排放孔口的低压流体区的流速。
17.根据权利要求16所述的压力调节模块，其中，所述预定径向间隙与所述第二预定径向间隙基本相同。
18.根据权利要求16所述的压力调节模块，其中，所述活塞的所述上部延伸部和所述主体是分离的部件。
19.根据权利要求16所述的压力调节模块，其中，采用偏置弹簧将所述上部延伸部偏置到所述活塞的所述主体上。
20.根据权利要求5至19中任一项所述的压力调节模块，其中，所述流体泄漏孔口构造成流体地联接到排放回路、排气回路和流体供应管线中的至少一者，以便将流体供应到流体供应储存器、后处理系统、内燃发动机和辅助动力单元中的一者或多者。
21.根据权利要求1或2所述的压力调节模块，其中，所述活塞定尺寸为沿第二预定轴向长度、在所述外侧壁的第二部分和所述壳体的所述内周表面的第二部分之间提供第二预定径向间隙；其中，所述第二预定径向间隙和所述第二预定轴向长度定尺寸为控制流体沿形成于所述活塞和所述内周表面的所述第二部分之间的第二流体连通通道从高压流体区流到较低压流体区的流速。
22.根据权利要求21所述的压力调节模块，其中，所述预定径向间隙与所述第二预定径向间隙基本相同。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的压力调节模块，其中，所述预定径向间隙小于0.05mm，更优选地小于0.005mm，最优选地小于0.003mm。
24.根据权利要求1至22中任一项所述的压力调节模块，其中，流体从所述壳体泄漏的速率小于5.0kg/hr，更优选地小于1.0kg/hr，最优选地小于0.5kg/hr。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的压力调节模块，其中，在参考流体腔和所述控制流体腔之间提供3bar或更大的偏压。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的压力调节模块，其中，所述压力调节模块设置在内燃发动机的上游，以控制引导至所述内燃发动机的燃料的流体压力。
27.根据权利要求26所述的压力调节模块，其中，所述参考腔中的参考流体是同样被引导到所述内燃发动机的第二燃料。
28.根据权利要求1至26中任一项所述的压力调节模块，其中，所述参考腔中的参考流体和所述控制腔中的控制流体是基本相同的流体。
29.根据权利要求1至26中任一项所述的压力调节模块，其中，所述参考腔中的参考流体和所述控制腔中的控制流体具有不同的粘度。
30.根据权利要求29所述的压力调节模块，其中，采用液体作为所述参考流体，采用气态流体作为所述控制流体。
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