CN109906314A - 用于液化气体的无气泡低压泵 - Google Patents

用于液化气体的无气泡低压泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于提供无气泡的液化气体(1)的低压泵(2)，所述低压泵包括用于提高所述气体(1)压力的压缩机单元(4)，所述压缩机单元能够与用于所述气体(1)的存储容器(3)连接，其中，在所述压缩机单元(4)的输出侧布置有压力密封的缓冲容器(5)，其中，所述缓冲容器(5)在一区域(52)中具有能够以阀组件(54)关闭的出口(55)，在所述气体(1)的液相(1c)中含有的气泡(1c)由于该气泡在所述液相(1c)中的浮力(53)而力求到达所述区域，其中，所述阀组件(54)构造为用于，至少当在所述缓冲容器(5)中所述气体(1)的液相(1a)的液位(1d)超过预给定的高度(56)时，所述阀组件自动地关闭。一种对应的系统(9)，其用于在高压pH下提供无气泡的液化气体(1)，和一种喷射或吹入系统(10)，用于以液化天然气(1)运行的内燃机(8)。

Description

用于液化气体的无气泡低压泵
技术领域
本发明涉及一种用于液化气体、尤其液化天然气(LNG)的低压泵，该液化天然气用作发动机燃料。
背景技术
对于商用车而言，柴油发动机在过去已经被改装成汽油发动机式的气体运行。这通过移除整个柴油系统、降低压缩比以及安装汽油发动机部件如点火系统和节气门(单一方案)以及安装气体系统来实现。
因为最初设置为用于柴油运行的发动机不设计为用于化学计量的汽油发动机式运行而提高的热负荷，所以采用稀薄燃烧或稀薄混合燃烧。直到以EURO VI(欧6)为目标才很大程度地朝化学计量的运行过渡，其中，通过结构措施或通过AGR(废气再循环)承受热负荷。
特别在长途交通中，现在寻求用于针对柴油运行而弥补效率损失、以及功率和扭矩缺点的方案。
然而在复杂的系统环境中，最有前景的潜能属于借助用于高压直接喷射的气体阀的扩散燃烧。所期待的优点是：高的柴油发动机的发动机效率、在动力性方面短的响应时间、和与其它燃气发动机相比更高的低速扭矩、以及相对于小甲烷数值的稳定性(尽管天然气质量的差异仍有低的爆震倾向)、与柴油发动机相比减少颗粒排放、和相对于均匀的混合物形成通过减少气体进入到燃烧室的死点容积中来减少CH4排放。
在扩散燃烧时，气体喷射如在柴油发动机中在小的曲柄角范围内直接在燃烧中进行。EP 1 546 548 B1、US 2004 011 323 A1和WO 2014 037 068 A1给出了与此相关的一般现有技术的概况。
对于扩散燃烧需要明显高于燃烧压力的气体压力，由此导出术语：高压直接喷射(HP-DI)。燃烧例如可以通过前述柴油喷射被引入。
为了提供高气压，US 2014 230 458 A1、US 2014 290 280 A1以及WO 2016 112462 A1公开了不同的方案。在此，相应地在高压泵上游连接有预输送泵，该预输送泵以几bar到几十bar的压力将气体燃料的液相输送到高压泵中。
发明内容
在本发明的范畴内，已经研发出一种用于提供无气泡的液化气体的低压泵。该低压泵包括用于提高气体压力的压缩机单元，该压缩机单元能够与用于气体的存储容器连接。该压缩机单元可以有利地具有可变化的工作容积，其中，气体的液相能够通过增大工作容积被吸入到该工作容积中并且能够通过减小工作容积从该工作容积中被排出。压缩机单元例如可以是活塞泵，但也可以是旋转的泵。例如也能够使用齿轮泵。
根据本发明，在压缩机单元的输出侧布置有压力密封的缓冲容器。该缓冲容器在一区域中具有能够以阀组件关闭的出口，在气体的液相中含有的气泡由于该气泡在所述液相中的浮力而力求到达所述区域。在此，阀组件构造为用于，至少当在缓冲容器中气体的液相的液位超过预给定的高度时，该阀组件自动地关闭。
已经认识到：缓冲容器基本上完全补偿低压泵原则上倾向于的气泡形成。鉴于地球的重力场而在下方聚集在缓冲容器中的液相是无气泡的，并且因此例如可以被连接在缓冲容器下游的高压泵以特别高的效率被进一步压缩。
用作发动机燃料的、特别是液化的天然气通常在一定的温度和压力下存放在低温的存储容器中，所述温度和压力组合地位于沸点特性曲线上。这意味着，温度的略微升高、压力的略微降低或它们的组合能够导致形成气泡。将气体吸入到低压泵的工作室中不可避免地伴随着压力的降低。与此无关地，液态气体能够从泵吸收热量，使得液态气体的温度升高。尽管通过压缩液态气体能够实现与沸点特性曲线的更大距离，但是能够暂时局部地保留气泡。因此，如果根据现有技术的低压泵被用作预输送泵，以防止在通过高压泵吸入气体时形成气体气泡并且提高高压泵的效率，则该效率能够由于在预输送泵中形成气泡最终越变越糟。
缓冲容器负责将气体的液相和气相安全地彼此分离。在此，通过缓冲容器的容积能够调节，多少时间可用于将气体气泡从气体的液相中排出。需要多少时间尤其取决于气体类型、质量流、温度和压力。通过能够借助缓冲容器将气体气泡从气体的液相安全地分离的方式，低压泵最终能够充分满足其预期的功能，即如此程度地提高气体的压力，使得气体状态在通过压力和温度展开的状态空间中向离开沸点特性曲线方向运动。
与此相关的“储备”在气体在连接在下游的高压泵中被进一步压缩时具有以下作用：在那里由于吸入和热量吸收不再形成气泡。在高压泵中的气泡形成是潜在地自增强的效应，因为所述气泡形成使效率变差，使得高压泵相应地产生更多损失热，所述损失热又提高了气体的温度并且进一步激发气泡形成。
如果在整体上观察气体从存储容器直至在高压下喷射的路径，则不可避免的是，在吸入气体的液相时任何时候都会形成气泡。将该气泡形成转移到低压泵的压缩机单元中能量上是有利的。虽然气泡形成使压缩机单元的效率变差，但因为压缩机单元仅须产生较低的几bar的压力，所以由此损失较少的能量。在产生几百bar压力的高压泵中，任何效率损失都产生明显更强的影响。
对于在缓冲容器中将气相与液相分离而言重要的是在缓冲容器出口处的阀组件。该阀组件在一定方式上与溢流装置相反：如果存在大量液相，则该阀组件自动关闭，以便无液体通过出口被排出。如果存在少量液相，则阀组件打开，以便气体的气相从缓冲容器中逸出并且能够为液相释放空间。因此，阀组件负责仅气体从出口排出。
在液化气体相应于周围大气的主要成分、例如氧气或氮气的应用中，出口可以将由被分离的气体气泡形成的气相排出到大气中。这在液化天然气的情况下是不希望的，因为在其中含有的甲烷具有比CO2强25倍的温室效应并且还能够在封闭空间中与空气中的氧气形成可燃的混合物。
因此，在本发明的一个特别有利的构型中，出口与回流管路耦合，该回流管路能够与存储容器的含有气体的气相区域连接。回流管路包括回流阀，该回流阀构造为过压阀或止回阀并且在超过预给定的压力pR时朝存储容器的方向打开。在此，一旦在缓冲容器的出口处形成相对于存储容器的超压，即一旦超过压力极限pR＝0，简单的止回阀就打开。相反地，可以灵活地如此调节过压阀，使得当超过不为零的压力极限pR时，所述过压阀才打开。此外，压力极限pR可以被预选为绝对值或相对于存储容器中压力的相对值。
在存储容器中，回流的气体又可以冷凝。压力pR有利地调节为略低于在缓冲容器内部通过压缩机单元产生的压力pV。
根据回流阀构造为止回阀还是构造为过压阀，以不同方式启动低压泵。如果使用止回阀，则在以气体的液相充注缓冲容器时，首先气相优先地经由回流管路被引导到存储容器中，直至液相达到预给定的液位并且关闭阀组件。相反地，如果使用过压阀，则优先在缓冲容器中形成压力并且气相在那里被压缩。然后，例如更快地提供预给定的预输送压力，连接在下游的高压泵需要该预输送压力用于工作。
在本发明的另一特别有利的构型中，缓冲容器与安全管路耦合，该安全管路能够与存储容器连接。安全管路绕过在出口处的阀组件并且包括安全阀，该安全阀构造为过压阀并且在超过预给定的压力pS时朝存储容器的方向打开。以这种方式在缓冲容器中避免了不允许的压力形成。
有利地，安全管路通到缓冲容器的气体的液相聚集在其中的区域中。因为液相具有比气相明显更大的密度，以这种方式，在不允许的压力形成的情况下，能够快速地将尽可能大的气体量输送到存储容器中并且快速地减小压力。
有利地，设置有用于压缩机单元的控制装置和/或调节装置，所述控制装置和/或调节装置构造为用于将缓冲容器中的压力pV保持在压力pS以下。如果气体通过安全管路卸载到存储容器中时，则失去之前用于压缩的能量。事先及时地调低压缩机单元并且因此首先根本不消耗多余的能量是更有效率的。
阀组件能够以任意适合对缓冲容器中的液相的液位产生反应的方式实施。例如，可以以电子方式测量缓冲容器中的充注液位，并且需要时可以激活电磁阀。在本发明的一个特别有利的构型中，阀组件包括浮子阀，该浮子阀具有能够通过气体的液相操纵的浮子。该不需要辅助电能的简单的解决方案是特别防故障的。
对于压缩机单元和缓冲容器彼此的相对结构布置，存在两个可能的构型，它们分别具有特别的优点。
压缩机单元可以布置在缓冲容器外。这具有以下优点：该压缩机单元的损失热被排放给周围环境而不是给气体。对此，来自周围环境的更多热量可以被输入到气体中。
替代地，压缩机单元可以布置在缓冲容器内。这使来自周围环境的热输入最小化，其代价是压缩机单元的损失热直接被排放给气体。
另一可能的组合包括将压缩机单元的泵布置在缓冲容器中并且将配属的驱动源布置在缓冲容器外。因此，由驱动源引起的这部分损失热不再直接被排放给气体。驱动源例如可以是发动机，该发动机的旋转能通过轴被引导到在缓冲容器中的压缩机单元中。
在本发明的另一特别有利的构型中，缓冲容器和/或压缩机单元构造为用于在存储容器内运行。以这种方式可以节省管路路程并且可以使到气体中的热输入最小化。存储容器仅少量地失去热平衡。另一方面，将压缩机单元和存储容器布置在缓冲容器外提供了更大的自由度。
压缩机单元有利地构造为用于产生5bar或更小的、优选地3bar或更小的压力pV。该压力值可以是绝对值或也可以是相对值、例如关于存储容器中压力的相对值。因此，在由温度和压力展开的气体状态空间中获得到沸点特性曲线的足够距离，不会由于压缩机单元的效率因气泡形成变差而为此消耗过多的能量。有利地在使用控制器的情况下，另一可能性是产生相对于存储容器中压力的恒定压力差。由此安全地遵循到沸点特性曲线所希望的距离。
根据本发明的低压泵可以被单独地使用并且在压力pV下提供无气泡的液化气体。然而，主要使用目的是用作高压泵的预输送泵。
因此，根据之前所说明的内容，本发明也涉及一种用于在高压pH下提供无气泡的液化气体的系统。该系统包括高压泵，所述高压泵构造为用于产生压力pH。根据本发明，该高压泵在输入侧与缓冲容器的气体液相聚集在其中的区域连接。
高压泵有利地构造为用于产生300bar或更高的、优选地500bar或更高的压力pH。在当前的HP-DI-喷射系统中力求达到这些压力，在所述喷射系统中气体燃料被直接引入到发动机汽缸的燃烧室中。
因此，本发明也涉及一种用于以液化天然气运行的内燃机的喷射或吹入系统。该喷射或吹入系统包括至少一个喷射器，在气态中的天然气在高压pH下在输入侧被供应给所述喷射器。根据本发明设置有所说明的由高压泵和低压泵构成的、用于产生高压pH的系统。
附图说明
下面将根据附图与本发明的优选实施例的说明一起详细地示出另外的改进本发明的措施。附图示出了：
图1具有布置在缓冲容器5外的压缩机单元4的低压泵2的实施例；
图2具有布置在缓冲容器5内的压缩机单元4的低压泵2的实施例；
图3用于产生高压的系统9和喷射或吹入系统10的示例性地示意的总视图。
具体实施方式
根据图1，气体1存放在存储容器3中。气体1的液相1a聚集在区域31中。气体1的气相1b聚集在位于该区域上方的区域32中。
气体1的液相1a被引导到压缩机单元4中。压缩机单元4实施为活塞泵并且包括具有工作容积41的泵壳体40，该工作容积能够通过可沿着泵壳体40的纵轴线移动的活塞42增大和减小。通过旋转的驱动源43驱动活塞42的移动。如果活塞42向右运动，则工作容积41增大并且液态气体1a被进入阀44吸入，其中形成气泡1c。如果活塞42向左运动，则工作容积减小并且包含所形成的气泡1c的液态气体1a被排出阀45排出。由液态气体1a和气泡1c组成的混合物以压力pV被供应给缓冲容器5。压力pV在操控旋转的驱动源43的控制单元46中被调节。
在缓冲容器5中，气体1的液相1a聚集在区域51中。在该液相1a中，气泡1c经受浮力53并且因此上升到区域52中，以便在那里形成连续的气相1b。
气体1的气相1b通过出口55从缓冲容器5的区域52中被排走，所述出口设有阀组件54。阀组件54包含具有浮子54b的浮子阀54a，该浮子随着气体1的液相1a的液位1d在缓冲容器5中运动。如果该液位1d达到预给定的高度56，则浮子阀54a关闭。
回流管路57从出口55引回到存储容器3的区域32中，气体1的气相1b在那里聚集在该区域中。回流管路57设有回流阀57a，该回流阀在超过预给定的压力pR时朝存储容器3的方向打开。压力pR调节得略小于pV。回流阀57a主要用于允许气体流仅从缓冲容器5的区域52流到存储容器3的区域32中，却不能沿相反的方向流动。
气体1的液相1a能够在压力pV下通过底部出口59从缓冲容器5的区域51中排走。
缓冲容器5为了避免不允许的压力形成附加地还经由安全管路58与存储容器3连接。该安全管路58包含安全阀58a，该安全阀在超过压力pS时打开。该压力pS调节得大于由压缩机单元4产生的压力pV。安全管路58通到缓冲容器5的区域51中，气体1的液相1a在那里聚集在该区域中，以便能够在需要的情况下快速地导出气体1的大物质量。在存储容器3的侧面上，安全管路58又通到气体1的液相1a所聚集的区域31中。以这种方式，当气体1a通过安全管路58被供应给存储容器3时，所述存储容器尽可能少地失去平衡。
压缩机单元4和缓冲容器5与回流管路57和安全管路58一起构成低压泵2。为了运行低压泵2，压缩机单元4的吸入阀44的输入接口必须与存储容器3的气体1的液相1a聚集的区域31连接。在图1所示的示例中，安全管路58也与该区域31连接。相反地，在图1所示的示例中，回流管路57与存储容器3的区域32连接，气体1的气相1b在那里聚集在该区域中。
缓冲容器5的底部出口59能够与每一任意连接在下游的器具连接，该器具需要在压力pV下的液化气体1a。
图2示出低压泵2的另一实施例。与图1不同地，压缩机单元4在这里布置在缓冲容器5内。因此，从存储容器3的区域31到压缩机单元4的进入阀44的输入接口的输送被引入到缓冲容器5中。压缩机单元4的排出阀45将由气体1的液相1a和气泡1c组成的、压缩到压力pV的混合物直接释放到气体1的位于缓冲容器的区域51中的液相1a中。通过浮力53，气泡1c运动到缓冲容器5的区域52中，并且在那里形成连续的气相1b。用于压缩机单元4的旋转的驱动源43的控制单元46布置在缓冲容器5外，并且经由线缆与该驱动源43连接。
图3直观示出低压泵2嵌入到系统9中，液化天然气la被从存储容器3中取出并且被加载到高压pH。从缓冲容器5的底部出口59以压力pV取出的液态气体1a被供应给高压泵6并且在高压泵6中加载到高压pH。在液态气体1a经由喷射器7转移到发动机8的汽缸81中之前，该液态气体在蒸发器71中被转化为气态。系统9与蒸发器71和喷射器7一起构成用于发动机8的燃料供给的喷射或吹入系统10。

Claims (15)

1.一种用于提供无气泡的液化气体(1)的低压泵(2)，所述低压泵包括用于提高所述气体(1)压力的压缩机单元(4)，所述压缩机单元能够与用于所述气体(1)的存储容器(3)连接，其特征在于，在所述压缩机单元(4)的输出侧布置有压力密封的缓冲容器(5)，其中，所述缓冲容器(5)在一区域(52)中具有能够以阀组件(54)关闭的出口(55)，在所述气体(1)的液相(1a)中含有的气泡(1c)由于该气泡在所述液相(1a)中的浮力(53)而力求到达所述区域，其中，所述阀组件(54)构造为用于，至少当在所述缓冲容器(5)中所述气体(1)的液相(1a)的液位(1d)超过预给定的高度(56)时，所述阀组件自动地关闭。
2.根据权利要求1所述的低压泵(2)，其特征在于，所述压缩机单元具有能够变化的工作容积(41)，其中，所述气体(1)的液相(1a)能够通过增大所述工作容积(41)被吸入到所述工作容积(41)中，并且能够通过减小所述工作容积(41)从所述工作容积(41)被排出。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，所述出口(55)与回流管路(57)耦合，所述回流管路能够与所述存储容器(3)的含有所述气体(1)的气相(1b)的区域(32)连接，其中，所述回流管路(57)包括回流阀(57a)，所述回流阀构造为过压阀或止回阀并且在超过预给定的压力pR时朝所述存储容器(3)的方向打开。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，所述缓冲容器(5)与安全管路(58)耦合，所述安全管路能够与所述存储容器(3)连接，其中，所述安全管路(58)绕过在所述出口(55)处的阀组件(54)并且包括安全阀(58a)，所述安全阀构造为过压阀并且在超过预给定的压力pS时朝所述存储容器(3)的方向打开。
5.根据权利要求4所述的低压泵(2)，其特征在于，所述安全管路(58)通到所述缓冲容器(5)的所述气体(1)的液相(1a)聚集在其中的区域(51)中。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，设置用于所述压缩机单元(4)的控制装置和/或调节装置(46)，所述控制装置和/或调节装置构造为用于保持所述缓冲容器(5)中的压力pV低于所述压力pS。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，所述阀组件(54)包括浮子阀(54a)，所述浮子阀具有能够通过所述气体的液相操纵的浮子(54b)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，所述压缩机单元(4)布置在所述缓冲容器(5)外。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，所述压缩机单元(4)布置在所述缓冲容器(5)内。
10.根据权利要求9所述的低压泵(2)，其特征在于，所述压缩机单元(4)的驱动源(43)至少部分地布置在所述缓冲容器(5)外。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，所述缓冲容器(5)和/或所述压缩机单元(4)构造为用于在所述存储容器(3)内运行。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的低压泵(2)，其特征在于，所述压缩机单元(4)构造为用于产生5bar或更低的、优选地3bar或更低的压力pV。
13.一种用于在高压pH下提供无气泡的液化气体(1)的系统(9)，所述系统包括高压泵(6)，所述高压泵构造为用于产生压力pH，其特征在于，根据权利要求1至12中任一项所述的低压泵(2)连接在所述高压泵(6)上游，其中，所述高压泵(6)在输入侧与所述缓冲容器(5)的所述气体(1)的液相(1a)聚集在其中的区域(51)连接。
14.根据权利要求13所述的系统(9)，其特征在于，所述高压泵(6)构造为用于产生300bar或更高的、优选地500bar或更高的压力pH。
15.一种用于以液化天然气(1)运行的内燃机(8)的喷射或吹入系统(10)，所述喷射或吹入系统包括至少一个喷射器(7)，气态的天然气在高压pH下在输入侧被供应给所述喷射器，其特征在于，设置有根据权利要求13至14中任一项所述的系统(9)，用于产生所述高压pH。
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