CN112638687A - 用于控制压强差的阀门 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过调节燃料储箱与碳罐之间的流体流量来控制压强差的阀门(1)，包括：‑阀门开口(10)；‑带有用于实现防漏密封的第一密封装置(309、408)的第一运动元件(306、404)，该第一运动元件(306、404)可相对于所述阀门开口(10)在关闭位置与打开位置之间移动，该打开位置允许实现所述燃料储箱与所述碳罐之间的穿过具有第一尺寸的第一通道(20、21)的第一流量；‑与所述第一运动元件(306、404)不同的、带有用于实现防漏密封的第二密封装置(305、409)的第二运动元件(304、405)，该第二运动元件(304、405)可相对于所述阀门开口(10)在关闭位置与打开位置之间移动，该打开位置允许实现所述燃料储箱与所述碳罐之间的穿过具有第二尺寸的第二通道(21、31)的第二流量，其中所述第二尺寸不同于所述第一尺寸；其中：‑所述第二运动元件(304)包括具有部分地限定所述第一通道(20、21)的截头圆锥形表面的中央孔(308)；并且，‑所述第一密封装置(309)具有构造为与所述第二运动元件(304)的中央孔(308)的截头圆锥形表面协作以实现防漏密封的互补截头圆锥形表面。

Description

用于控制压强差的阀门
技术领域
本发明涉及一种用于控制两个室之间的流体的阀门和控制这样的阀门的方法。具体地说，本发明涉及一种用于控制车辆中的燃料储箱与碳罐之间的流体联通的比例控制阀。更具一般性地，本发明涉及常规车辆和混合动力车辆的领域。
背景技术
已知使用通常是电动阀的阀门来控制燃料储箱与碳罐的入口之间的流体联通，特别是用来阻止蒸气进入碳罐。困难在于，由于蒸气处于高压下，突然打开阀门会输送具有高流率(flow rate)的大量蒸气，使得难以控制蒸气流，导致燃料系统中进一步堵塞(corking)的风险。为了避免该情况，已知使用两个组合的阀门以在燃料系统上实施两个具体功能，一个是为了以快速打开和高流率给燃料储箱减压的目的提供大的通风路径，另一个是提供能够精确地控制穿过所述孔的蒸汽流的更小的通风路径。例如，文献US2015068498披露了一种用于车辆的系统，其包括联接在燃料储箱与燃料蒸气碳罐之间的第一通道中的储箱压强控制阀门和联接在燃料储箱与燃料蒸气碳罐之间的不同的第二通道中的加燃料阀门，其中第二通道与第一通道平行，并且两个分离的阀门分别实现两个流型(flow profile)，以避免堵塞问题。该构造需要为每个阀门提供控制装置，由此，该类型的燃料系统需要空间并且成本相当高。
例如由文献US6553975还已知一种储箱压强控制阀门，该阀门包括具有内O形圈密封件的第一运动元件和具有大致平坦的表面的第二运动元件。内O形圈密封件与该平坦的表面协作，以在第一运动元件处于打开位置时限定第一通道，第一通道比由第二运动元件在其打开位置限定的第二通道更小。然而，当密封装置正交于密封表面的平面打开时，它限定一通道，该通道具有与该通道的周长和密封装置与所述密封表面之间的距离这两者成正比的流率。由此，难以实现良好的流量分辨率(resolution of the flow)，控制精度也不是最优的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更加紧凑、流量(flow)控制更加精确的具有两个不同的流型(即两个打开形状)的阀门系统。
相应地，本发明的一个目的在于提供一种通过调节燃料储箱与碳罐之间的流体流量来控制压强差的阀门，包括：
-阀门开口；
-带有用于实现防漏密封的第一密封装置的第一运动元件，该第一运动元件可相对于阀门开口在关闭位置与打开位置之间移动，该打开位置允许实现燃料储箱与碳罐之间的穿过具有第一尺寸的第一通道的第一流量；
-与第一运动元件不同的、带有用于实现防漏密封的第二密封装置的第二运动元件，该第二运动元件可相对于阀门开口在关闭位置与打开位置之间移动，该打开位置允许实现燃料储箱与碳罐之间的穿过具有第二尺寸的第二通道的第二流量，其中所述第二尺寸不同于所述第一尺寸；
第一和第二运动元件构造为由共同的致动器来致动，其中：
-第二运动元件包括具有部分地限定第一通道的截头圆锥形表面的中央孔；
-第一密封装置具有构造为与第二运动元件的中央孔的截头圆锥形表面协作以实现防漏密封的互补截头圆锥形表面。
换句话说，在系统中设置了单个阀门，用共同的致动器来致动第一和第二运动元件这两者。由此，该阀门能够实现两个不同的流量分辨率，即两个不同的精度水平，系统需要更少的构件。系统因此更加紧凑，成本更低。而且，有利地通过锥形使得流动偏向，这实现了更佳的流量分辨率和更精确的控制。如在上文解释的，当密封装置正交于密封表面的平面打开时，通过改变密封装置与密封表面之间的距离，流率非常快速地改变，使得非常难以控制流量。相反地，如果密封装置和密封表面相互平行，则改变密封装置与密封表面之间的距离不会改变流率。有利地，截头圆锥形表面允许通过借助于线性致动器(例如：使丝杠旋转的步进致动器，其中丝杠与形成于螺母件中的螺纹接合，以将丝杠的旋转转换成密封装置的线性移动，以精细调节密封装置相对于密封表面的位置)改善相对于阀门打开高度的流量分辨率，来进一步利用根据本发明的比例控制阀。
要指出的是，该阀门通常是比例控制阀，即它的打开程度以成比例的方式来控制。该阀门优选地是电动阀，但可以是任何其它类型的阀门。
还要指出的是，“由共同的致动器致动”通常应理解为“由共同的马达轴致动”。
致动器可以是步进致动器，包括步进式马达，或与编码器或位置传感器组合的简单的DC马达(将直流电能转换成机械能)。
优选地，第一通道的第一尺寸比第二通道的第二尺寸小。
“燃料储箱”这个词应理解为意指可在各种且多变的环境和使用条件下存储燃料的不可渗透的储箱。该储箱的一个例子是机动车辆所配备的储箱。
“堵塞(corking)”这个词应理解为定义了当冲出的燃料蒸气的力物理地抬升阀门的浮子抵着基座，从而阻止自由蒸气输出时发生的情况。
所述阀门可以还包括单独或组合的采用的一个或更多个以下特征：
-致动器包括具有轴线A的轴，第一和第二运动元件共轴地布置在轴线A上。这是使用共同的致动器来致动两个运动元件的一种非常有效的方式。有利的是，在它们移动期间提供了更好的构件平衡并减小了所需要的空间。
-第一运动元件安装为永久固定到致动器，第二运动元件可动地安装在致动器上使得它可以相对于致动器、由此相对于第一运动元件处于至少两个位置。这允许独立于第二运动元件地打开第一运动元件。
-致动器包括止挡部，该止挡部构造为与第二运动元件协作以使得第二运动元件一旦与止挡部接触之后就与致动器一起移动。这允许仅在第二运动元件与止挡部接触之后才移动第二运动元件并由此打开第二通道。
-所述阀门包括偏置装置，该偏置装置构造为在第二运动元件上提供轴向力以确保第二密封装置在第一运动元件移动期间保持密封。使用这样的偏置装置允许在第一运动元件移动期间仅打开第一通道。
-第二运动元件至少部分地限定第一通道和第二通道两者。更确切地说：
·第二运动元件包括在第一运动元件处于打开位置时至少部分地限定第一通道的贯穿孔；并且
·第二密封装置与阀门开口协作以在第二运动元件处于打开位置时限定第二通道。
这是阀门的特别紧凑的构造。
-在第一和第二运动元件之间设置有偏置装置。
本发明的另一目的在于提供一种燃料系统，其包括燃料储箱、用于添加液体燃料的充装管、用于在加燃料操作期间收集来自燃料储箱的燃料蒸气的碳罐，以及如上所述的阀门。
本发明的另一目的在于提供一种车辆，其包括如上所述的燃料系统。
本发明的另一目的在于提供一种控制如上所述的阀门的方法，其包括以下步骤：
-通过串行通讯接收来自发动机控制器的流率请求；
-如果请求的是低流率，则在非零的第一轴向移动范围内平移致动器，以使得第一运动元件相对于第二运动元件移动；
-如果请求的是高流率，则在大于第一轴向移动范围的非零的第二轴向移动范围内平移致动器，以使得第一运动元件和第二运动元件两者均移动；
-如果没有请求流率，则将致动器保持在阀门密封关闭的位置。
附图说明
以下说明所述阀门的一些特征。该说明基于附图，在附图中：
图1是示出第一已知流体控制系统的纵向剖视图；
图2、图3和图4是使用处于不同位置的阀门的第二已知流体控制系统的纵向剖视图；
图5、图6和图7是使用处于不同位置的根据本发明的一个实施例的阀门的流体控制系统的纵向剖视图；
图8中的图示出了分别根据第一已知现有技术、第二已知现有技术和本发明的相对于流体控制系统中的打开百分比的流量曲线；
图9是示出控制根据本发明的阀门的方法的图；
图10a至图10d中的截面图示出了四个不同的、显示为处于打开和关闭位置的第二运动元件；
图11中的图示出了相对于在图10a至图10d中显示的开口高度的流量线。
具体实施方式
将对于具体实施例并参照某些图来说明本发明，但本发明不限于此，而是仅由权利要求限定。所描述的附图仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，为了示意的目的，一些元件的尺寸可能会被夸大，没有按比例尺绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明的实际实施。
而且，说明书和权利要求书中的“上”、“下”、“第一”、“第二”等词用于区分类似元件，不一定用于描述无论是时间、空间、排序或其它任何方式的顺序。要理解的是，如此使用的词在合适的情况下可互换，并且本文描述的本发明的各实施例能够以与在本文所述或示出的顺序不同的顺序来运作。
图1示出一个根据第一已知流体控制系统的流体控制系统。它包括具有输入端口101和输出端口102的阀门、驱动提升阀104(或运动元件)通过轴向密封打开和关闭阀门开口108的马达轴103。由提升阀限定的开口和所述阀门开口限定一区域，在该区域中，流体从输入端口101流到输出端口102。由于该区域仅由开口高度和该区域的周长限定，阀门的流量控制的分辨率非常有限。如在图8中所示，由曲线a)代表的流量从阀门刚开始打开起，就非常快速地增大，这可能会导致燃料系统中堵塞的风险。
图2、图3和图4披露了第二已知的流体控制系统，该系统使用了包括输入端口401、输出端口402、阀门开口10和具有轴线A的马达轴403的阀门。马达轴403构造为由如上所述的马达驱动。马达轴403与马达一起形成致动器。该阀门还包括第一运动元件404，该第一运动元件被安装为永久固定到马达轴403，带有用于与第二运动元件405之间实现防漏密封的第一密封装置408。第二运动元件405具有用于与阀门开口10之间实现防漏密封的第二密封装置409。如在第一实施例中那样，第二密封元件409是轴向密封元件，例如构造为压缩在第二运动元件405与阀门开口10之间的用于实现阀门开口10的防漏密封的O形圈密封件409。而且，第二密封元件409具有设置在与轴向密封元件相对的表面上的内O形圈密封件408。
如在图2、图3和图4中所示，第二运动元件405是包括偏心孔407的类似面板的零件。第一运动元件404也是类似面板的零件，并具有面对第二运动元件405的大致平坦的表面。该平坦的表面形成第一密封装置408，并构造为与第二运动元件405的内O形圈密封件408协作以在O形圈密封件409被压缩时实现阀门开口10的防漏密封。
第一运动元件404轴向和径向固定到马达轴403以与马达轴403一起运动。第二运动元件405可动地安装在同一马达轴403上，使得它可相对于马达轴403处于至少两个位置。为此，马达轴403包括止挡部，该止挡部构造为与第二运动元件405协作以使得第二运动元件405一旦与止挡部接触之后，就与马达轴403一起运动。第一运动元件404和第二运动元件405共轴地布置在轴线A上。
阀门1包括偏置装置406，该偏置装置在所述实施例中可以是压缩弹簧406。根据第二实施例，压缩弹簧406设置在第一运动元件404与第二运动元件405之间，以在第二运动元件405上提供轴向力，以确保第二密封装置409在第一运动元件404运动期间保持密封。
图2示出完全回撤位置，在该位置上，阀门开口10被第一运动元件404和第二运动元件405两者关闭。第二运动元件405被压缩弹簧406的力维持在关闭位置上。由于马达轴403处于其最低位置，第一运动元件404也处于关闭位置上。
图3示出第一运动元件404的打开位置，在该位置上，第一运动元件404已与马达轴403一起轴向移动了，以允许在燃料储箱与碳罐之间实现穿过具有第一尺寸的第一通道21的第一流量。第一通道21由第二运动元件405的偏心孔407限定。第二运动元件405仍被压缩弹簧406的力维持在关闭位置上。
图4示出第二运动元件405的打开位置，在该位置上，第二运动元件405与马达轴403上的止挡部接触，这使得第二运动元件405与马达轴403一起轴向移动，以允许在燃料储箱与碳罐之间实现穿过具有比第一尺寸更大的第二尺寸的第二通道31的第二流量。第二通道31由第二密封装置409与阀门开口10之间的空间限定。
在图5、图6和图7中示出了本发明的一个实施例。根据本发明，阀门包括输入端口301、输出端口302、阀门开口10和具有轴线A的马达轴303。马达轴303构造为由马达驱动。马达轴303与马达一起形成致动器。该阀门还包括安装为永久性地固定到马达轴303的第一运动元件306，该第一运动元件306带有用于实现与第二运动元件304之间的防漏密封的第一密封装置309。第二运动元件304具有用于实现与阀门开口10之间的防漏密封的第二密封装置305。更确切地说，第二密封元件305是轴向密封元件，例如构造为压缩在第二运动元件304与阀门开口10之间以实现阀门开口10的防漏密封的O形圈密封件305。
如图5、图6和图7所示，第二运动元件304包括具有截头圆锥形表面的中央孔308。第一运动元件306具有截头圆锥形的形状，并且第一运动元件306的外表面形成第一密封装置309，第一密封装置309具有构造为与第二运动元件304的中央孔308的截头圆锥形表面协作以在O形圈密封件305被压缩时实现阀门开口10的防漏密封的互补截头圆锥形表面。
第一运动元件306轴向和径向地固定到马达轴303以与马达轴303一起运动。第二运动元件304可动地安装在同一马达轴303上，使得它能够相对于马达轴303处于至少两个位置。为此，马达轴303包括止挡部310，止挡部310构造为与第二运动元件304协作以使得第二运动元件304一旦与止挡部310接触之后就与马达轴303一起运动。第一运动元件306和第二运动元件304共轴地布置在轴线A上。
阀门1包括在所述实施例中可以是压缩弹簧307的偏置装置307。压缩弹簧307设置在阀门1的静止的壁与第二运动元件304之间，以在第二运动元件304上提供轴向力，以确保第二密封装置305在第一运动元件306运动期间保持密封。
图5示出致动器轴完全回撤的位置，在此对应于阀门的完全关闭的位置，在该位置上，阀门开口10被第一运动元件306和第二运动元件304两者关闭。第二运动元件304被压缩弹簧307的力维持在关闭位置上。由于马达轴303处于其最低位置，第一运动元件306也处于关闭位置上。
图6示出第一运动元件306的打开位置，在该位置上，第一运动元件306已与马达轴303一起轴向移动了，以允许在燃料储箱与碳罐之间实现穿过具有第一尺寸的第一通道20的第一流量。第一通道20由第二运动元件304的中央孔308限定。第二运动元件304仍被压缩弹簧307的力维持在关闭位置上。
图7示出第二运动元件304的打开位置，在该位置上，第二运动元件306与马达轴303上的止挡部310接触，这使得第二运动元件306与马达轴403一起轴向移动，以允许在燃料储箱与碳罐之间实现穿过具有比第一尺寸更大的第二尺寸的第二通道30的第二流率。第二通道30由第二密封装置305与阀门开口10之间的空间限定。
图8中的图示出了在分别根据第一已知现有技术、第二已知现有技术和本发明的流体控制系统中，相对于与提升阀的轴向运动直接相关的阀门开口程度百分比的流量曲线。曲线a)代表第一已知流体控制系统，曲线b)代表第二已知流体控制系统，曲线c)代表根据本发明的流体控制系统。在所示例子中，最初的完全打开程度的2％对应于第一通道打开的开端。明显地，在该百分比的打开程度之内，本发明(曲线c)允许获得比第二已知流体控制系统(曲线b)更小的流量变化，这意味着流量得到了更好的控制，并且获得更好的流量控制分辨率，而第一已知流体控制系统(曲线a)则不允许发生任何流量。而且，根据本发明的流体控制系统提供更加稳定的流量分辨率，这意味着当阀门继续移动到其完全打开位置时，流量持续地增大(在本例子中，直至完全打开程度的13％)，而在第二已知流体控制系统(曲线b)的情况下，流量变化在完全打开程度的2％与7％之间停滞，这对应于第一通道的打开结束。
图9是示出控制根据本发明的阀门的方法的图。根据该方法，经由串行通讯接收来自发动机控制器的流量请求。如果请求的是低流率，则致动器在非零的第一轴向移动范围内平移，以使得第一运动元件相对于第二运动元件移动；如果请求的是高流率，则致动器在非零的比第一轴向移动范围更大的第二轴向移动范围内平移，以使得第一运动元件和第二运动元件两者移动；如果没有请求流量，则致动器保持在阀门密封关闭的位置上。
图10a至图10d从几何角度示出当密封表面移动离开中央孔时，流动区域的横截面。在图10a中，轴线A与密封表面之间的角度为0°，中央孔11与第二运动元件12平行，导致两者之间的流动面积没有与一个在另一个内的竖直运动成比例的变化。轴线A与密封表面之间的角度在图10b中为30°，在图10c中为45°，相应的中央孔13、15为截头圆锥形，对应的第二运动元件14和16也是截头圆锥形的，因此，由于第二运动元件相对于中央孔的竖直运动造成的流动面积与所导致的两者之间的距离乘以最小开口直径的周长成比例。在代表第一已知流体控制系统的图10d中，轴线A与密封表面之间的角度为90°，第二运动元件17的运动与其相对于中央孔18的竖直运动直接相关，导致每单位竖直运动的流量增长比图10b或图10c更大，这使得更加难以精确地控制流量。
图11示出随打开高度(单位为毫米)变化的流动面积。对于图10a，可见无论打开高度为多少，线22保持为零。在线23和24中，流动面积与打开高度的关系对应于图10b和图10c。最后，在代表对于图10d的现有技术的线25中，可见打开高度与流动面积之间的关系是最强的，换句话说，每打开一毫米的流动面积增长是最大的。
本发明不限于所示实施例，尤其是在第二实施例中，内O形圈密封件408可固定到第一运动元件404并构造为与第二运动元件405协作以实现防漏密封。

Claims (10)

1.一种通过调节燃料储箱与碳罐之间的流体流量来控制压强差的阀门(1)，包括：
阀门开口(10)；
第一运动元件(306、404)，带有用于实现防漏密封的第一密封装置(309、408)，该第一运动元件(306、404)能相对于所述阀门开口(10)在关闭位置与打开位置之间移动，所述打开位置允许实现所述燃料储箱与所述碳罐之间的穿过具有第一尺寸的第一通道(20、21)的第一流量；
第二运动元件(304、405)，不同于所述第一运动元件(306、404)且带有用于实现防漏密封的第二密封装置(305、409)，该第二运动元件(304、405)能相对于所述阀门开口(10)在关闭位置与打开位置之间移动，所述打开位置允许实现所述燃料储箱与所述碳罐之间的穿过具有第二尺寸的第二通道(21、31)的第二流量，其中所述第二尺寸不同于所述第一尺寸；
所述第一运动元件(306、404)和第二运动元件(304、405)构造为由共同的致动器(303、403)来致动，其中：
所述第二运动元件(304)包括具有截头圆锥形表面的中央孔(308)，所述截头圆锥形表面部分地限定所述第一通道(20、21)；并且
所述第一密封装置(309)具有构造为与所述第二运动元件(304)的中央孔(308)的截头圆锥形表面协作以实现防漏密封的互补截头圆锥形表面。
2.如权利要求1所述的阀门，其中，所述致动器(303、403)包括具有轴线(A)的轴(303、403)，并且所述第一运动元件(306、404)和第二运动元件(304、405)共轴地布置在所述轴线(A)上。
3.如上述权利要求中任一项所述的阀门，其中，
所述第一运动元件(306、404)被安装为永久固定到所述致动器(303、403)，并且
所述第二运动元件(304、405)可动地安装在所述致动器(303、403)上，使得它能够相对于所述致动器(303、403)处于至少两个位置。
4.如权利要求3所述的阀门，其中，所述致动器(303、403)包括止挡部(310)，所述止挡部构造为与所述第二运动元件(304、405)协作以使得所述第二运动元件(304、405)一旦与所述止挡部接触之后就与所述致动器(303、403)一起移动。
5.如上述权利要求中任一项所述的阀门，所述阀门包括偏置装置(307、406)，所述偏置装置构造为在所述第二运动元件(304、405)上提供轴向力以确保所述第二密封装置(305、409)在所述第一运动元件(306、404)移动期间保持密封。
6.如上述权利要求中任一项所述的阀门，其中，所述第二运动元件(304、405)至少部分地限定所述第一通道(20、30)和所述第二通道(21、31)这两者，更确切地说：
所述第二运动元件(304、405)包括贯穿孔(308、407)，所述贯穿孔在所述第一运动元件(306、404)处于打开位置时至少部分地限定所述第一通道(20、21)；并且
所述第二密封装置(305、409)与所述阀门开口(10)协作以在所述第二运动元件(304、405)处于打开位置时限定所述第二通道(30、31)。
7.如上述权利要求中任一项所述的阀门，其中，在所述第一运动元件和第二运动元件之间设置有偏置装置(307、406)。
8.一种燃料系统，包括燃料储箱、用于添加液体燃料的充装管、用于在加燃料操作期间收集来自所述燃料储箱的燃料蒸气的碳罐，以及如上述权利要求中任一项所述的阀门。
9.一种车辆，包括如权利要求8所述的燃料系统。
10.一种控制如权利要求1至7中任一项所述的阀门的方法，包括以下步骤：
通过串行通讯接收来自发动机控制器的流率请求；
如果请求的是低流率，则在非零的第一轴向移动范围内平移所述致动器，以使得所述第一运动元件相对于所述第二运动元件移动；
如果请求的是高流率，则在大于所述第一轴向移动范围的非零的第二轴向移动范围内平移所述致动器，以使得所述第一运动元件和所述第二运动元件两者均移动；
如果没有请求流率，则将所述致动器保持在所述阀门密封关闭的位置。
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