CN1564910A - 从贮存罐供应低温流体的高压泵系统 - Google Patents

Abstract

一种从贮存罐供应低温流体的中压和高压泵系统以及操纵这种系统从贮存罐排出液体和蒸气以便减少排气需求的方法。所述系统包括可操纵泵送低温液体或低温液体和蒸气的混合物的泵。根据所述方法，通过选择两种操作模式中的至少一种操作模式，通过所述泵的质量流量被控制。在第一种操作模式下，通过从贮存罐向所述泵供应低温流体，基本上用液体充满所述泵的压缩室来实现高的质量流量。在第二种操作模式下，通过有选择地同时从贮存罐向所述泵供应低温流体和蒸气，其中在第二种操作模式下的蒸气比例比第一种操作模式下的蒸气比例高，可以获得较低的质量流量。所述泵优选包括具有至少两个室的诱导器以及在所述诱导器内循环过量流体而不是使过量流体返回所述贮存罐的装置。该往复泵优选是双作用的，从而在延伸和内缩冲程期间，将流体从所述泵内排出。

Description

从贮存罐供应低温流体的高压泵系统

技术领域

本发明涉及一种从贮存罐供应低温流体的中压和高压泵系统以及一种操纵该系统以将液体和蒸气从贮存罐排出从而减少排气(venting)需求的方法。应用这种系统和方法的特殊优点在于将低温储存的燃料供给到内燃机。

背景技术

50多年来一直使用天然气作为活塞式发动机驱动车辆的燃料，但是改善效率并减少污染的动力正导致现有技术的持续变化和发展。在过去，天然气驱动车辆(NGV)被自然地烟薰(fumigated)，也就是天然气通过进气歧管被引入汽缸内，与进入的空气混合并以较低压力被输送到汽缸内。用于这种NGV的燃料供应系统相对简单。燃料以正好高于发动机进口压力的工作压力被保存并从液化天然气(LNG)车辆贮存罐被供应，或通过将压力降低到发动机进口压力的调节器从压缩天然气汽缸(CNG)被供应。

压缩天然气(CNG)通常在室温下以每平方英寸3600磅(24，925kPa)的压力被存储，由于有限的运行范围和CNG存蓄压器的沉重的重量，不适合卡车和公共汽车使用。

另一方面，液化天然气(LNG)通常以大约-240°F和-175°F之间(大约-150℃和-115℃)的温度和大约15和200psig之间(204～1477kPa)的压力被存储在低温罐内，提供的能量密度大约是CNG的四倍。

然而，如果天然气在活塞压缩冲程结束时以高压直接喷射到汽缸内，可以获得较好的效率和排放。这要求燃料供应系统可以以每平方英寸3000磅(psig)和更高的压力输送天然气。因而不可能从传统LNG车辆的贮存罐直接输送燃料，并且建造具有这样高工作压力的LNG贮存罐是不实际和不经济的。同样，由于一旦少量燃料已经从CNG贮存罐被抽出，这种贮存罐内的压力低于喷射压力，因而，不可能从普通CNG贮存罐直接输送天然气。在两种情况下，都需要一种增压泵将来自存储压力的压力增加到喷射压力。

液体天然气(LNG)泵

高压低温泵在市场上已经存在很多年了，但是事实证明将这种泵改进成适合于车辆泵的尺寸和要求是非常困难的。通常，低温泵应该具有正的抽吸压力。因此，一直以来惯例将这种泵直接设置在液体内，从而液柱压力将供应所希望的压力，这种方法的问题在于它将大量的热量泄漏到LNG存蓄压器，因而减少了存蓄压器的保持时间(holding time)。所述保持时间是使压力达到安全阀设定压力所需时间。

一些制造厂商将所述泵放置在储存罐的外部并通过使用大的第一级吸入室降低所需要的抽吸压力。被抽进该吸入室内的过量LNG再次返回LNG贮存罐，同样将额外的热量引入到LNG内，这是不期望的，其中过量的LNG为超过填充第二吸入室的过量LNG。

这种泵送LNG供应的另一个问题是，难以从LNG贮存罐中排出蒸气。利用低压气体供应系统，非常容易做到这一点。如果LNG贮存罐内的压力非常高，燃料从汽相被供应，因而降低了压力。如果压力低，则从液相供应燃料。低压系统的这种特性基本上延长了上述保持时间，如上所述，这是非常希望的。传统的LNG泵不能延长保持时间，传统的LNG泵仅从液相吸取燃料并且不能去除蒸气。

发明人为Gram、授权日为1995年5月2日的美国专利US5,411,374以及其两个分案专利，授权日为1995年12月26日的US5,477,690和授权日为1996年12月3日的US5,551,488公开了低温流体泵系统的实施例和泵送低温流体的方法。低温流体活塞泵作用为固定式分配泵、汽车燃料泵等，即使在负输送压力下，也可以有效地泵送蒸气和液体，因而，允许泵被设置在液体容器外部。通过从液体内排出蒸气，与液体在输入管路内吸收热量而蒸发并导致压力在输入管路内下降相比，活塞将流体更快地引入输入管路。在管路内的蒸汽压力和贮存罐中蒸气压力之间的压力差将液体推到泵内。活塞在整个吸入冲程以基本上恒定的速度运动，产生基本上稳定状态的吸入流，所述吸入流流过进口的限制可以被忽略。冲程排量至少比冲程转换期间保留在汽缸内的残留或死体积大两个数量级别，并比输入管路的体积大。作为燃料泵，泵从与罐连通的各个管路有选择地接收低温液体和蒸气，并泵送低温液体，以满足发动机相对高的燃料需求，当被满足时，也泵送蒸气，降低罐内的蒸气压力，同时有时满足相对少的燃料需求。

传统上，现有技术的低温泵是离心泵，其被设置在贮存罐内的液体内或在一个低于贮存罐并通过大抽吸管路与所述贮存罐相连的单独室内，其中泵和抽吸管线都被良好地隔热。由于当被存储时，低温液体处于它的沸腾温度，热泄漏到抽吸管路内以及压力降低都将导致形成蒸气。因而如果离心泵被设置在所述罐的外部，蒸气被形成，所述蒸气将导致泵抽空(cavitate)，因而停止流动。于是，现有技术的低温泵要求正的输送压力，以便阻止或减少泵抽空的趋势。在固定系统内，通常通过将泵设置的比所述罐内的最低液面低几英尺，例如5～10英尺(大约2～3米)，来获得所述正输送压力。这种设置成本很高。用于车辆的车载燃料存储系统使用其它方式提供正输送压力。离心泵不能轻易地产生高排出压力，以便适当地直接将燃料喷射到内燃机的汽缸内，也希望减少加油站的加燃料时间。

当需要或希望高排出压力时，一直使用往复活塞泵，但这种泵也要求正的输送压力，以便降低相对高速活塞泵引起的效率损失。在现有技术中，LNG活塞泵是曲轴驱动的，速度是200～500RPM，大约10立方英寸(164立方厘米)的相对小的排量。这种泵通常用于产生填充LNG汽缸所需的高压，通常具有相对较低的输送容量，大约每分钟5加仑(每分钟20升)。这种泵是单作用的，也就是它具有单独一个室，在吸气冲程后就是排气冲程，因此在活塞执行排气冲程时，进气流动在一半的时间被停止。此外，由于活塞被曲柄轴驱动，产生类似简单的谐波运动，活塞速度在整个冲程中恒定改变，在一半周期时间期间内，活塞移动70％，也就是在剩余的半个周期，一半的冲程，活塞移动30％。活塞速度波动每分钟重复200～500次，并且在输入管路中产生相应的压力脉动，导致液体快速蒸发和凝结。导致零输入流，除非重力或大于液体沸腾压力的入口压力迫使液体进入所述泵。此外，这些泵相对小的排量导致相对小的进气阀，当这种进气阀打开时，趋向于过度地限制经过所述阀的流动。因而，这种泵在往复泵的供给或进入口处要求大约5～10psig(135～170kPa)的正进气或输送压力，除非进气阀浸没在低温液体内，此时，输送压力可以被减少。已经建造了容量大约是每分钟40加仑(每分钟150升)的大低温活塞泵，但是这种泵为非常高的输送压力而设计，要求正输送压力并且造价昂贵。

发明内容

一种从贮存罐供应低温流体的中压或高压泵系统以及操纵这种系统的方法。所述系统包括作用为泵送低温液体或低温液体和蒸气混合物的泵，所述方法包括通过从贮存罐向所述泵供应低温液体或低温液体和蒸气混合物而控制质量流量，更具体地说，该方法包括：

(a)选择第一操作模式，其中，来自贮存罐的所述低温液体被供应给所述泵，从而基本上用液体充满压缩室，实现高质量流量；以及

(b)选择第二操作模式，通过选择性地同时从贮存罐向所述泵供应所述液体和所述蒸气，使质量流量小于第一操作模式的质量流量，与第一操作模式的蒸气比例(fraction)相比，第二操作模式的蒸气比例大。

所述泵系统可以包括被设置在贮存罐和泵压缩室之间的诱导器。在将流体引到泵压缩室内之前，该诱导器预压缩低温流体。当通过选择第一种操作模式使泵系统在最大容量下操作时，所述诱导器级(inducer stage)被定义为基本上所有的低温蒸气被凝结的一级，从而，仅仅低温液体被供应到泵压缩室。因此，当泵系统包括诱导器时，即使选择第一操作模式，一些蒸气也可以被供应到系统。当选择第二操作模式时，一些蒸气被供应给压缩室，在压缩周期期间，这种蒸气在压缩室内被凝结，但是随后降低了通过泵系统的质量流量。

当泵系统不包括诱导器时且选择第一操作模式时，仅从贮存罐供应液体，从而泵压缩室基本上被液体充满，来实现高质量流量。当选择第二操作模式时，低温蒸气和液体被同时供应到泵压缩室，并在压缩周期期间，蒸气在所述泵压缩室内凝结，但是，通过泵系统的流量比选择第一操作模式时的流量小。

由于将一些气态燃料在低温条件下存储是有利的，可以使用所述方法将被低温储存的燃料泵送到内燃机内。为了稳定地将高压燃料供应到发动机内，所述方法可以包括将燃料从所述泵输送到蓄压器容器(accumulatorvessel)内，并选择操作模式来控制质量流量，以将蓄压器容器内的压力保持在预定范围内。泵和发动机之间的燃料管路和歧管的容积的大小可以这样选择，使得这些管路和歧管自身充当蓄压器，取消了真实“容器”的需求。可以监视泵下游的燃料管路或歧管内或蓄压器容器(如果采用的话)内的压力。被泵系统供应的质量流量是可控制的，以便将压力维持在预定范围内，来确保向诸如内燃机的所希望用途供应燃料的足够压力。当贮存罐内的蒸汽压力比预定值高时或当所检测的泵下游的压力高于预定设定值时，该方法还可以包括增加被供应到泵的蒸气比例。也就是蒸气比例可以被增加，以便降低贮存罐内的蒸汽压力，减少或限制排气的需求，或当泵下游的压力高于预定设定值时，以更小的质量流量使泵系统连续操作。

在泵装置的优选布置中，入口与泵的第一端相关联，出口与和所述第一端相反的第二端相关联。在压缩过程被传递到低温液体内的压缩热利用被排出的流体从所述泵耗散掉。利用这种优选的泵布置，所述泵内的流体通路优选地这样设置，使得低温流体从第一端向第二端逐渐流过所述泵。采用这种布置，来自压缩过程的热并没有从排出流体被传递到被导入所述泵内的流体中，而在现有技术的泵中，入口靠近出口，或排放管路邻近引入管路或室。

当选择第二操作模式时，通过限制蒸气流过所述罐和所述泵之间的管路，被供应到所述泵的蒸气比例优选地被保持的低于预定最大蒸气比例。当所述蒸气比例太大时，往复泵不能使几乎所有低温蒸气凝结，泵将不能有效地操作。对于具体操作条件来说，最大蒸气比例可以凭经验或计算来确定，从而指定“最大”蒸气比例，该蒸气比例使可以被供应到泵的蒸气量最大化，同时确保在正常操作期间被供应到泵的蒸气几乎完全可以在泵内凝结。

例如在一些系统内，可以使用孔口限制流过所述贮存罐和所述泵之间的管路的蒸气流量。在其它实施例中，所述系统可以包括计量阀，用来控制通过所述罐和所述泵之间的管路的蒸汽流量。在这种系统内，电子控制器可以被编程以便改变所述计量阀的设定，来响应于诸如在泵下游测量的压力或在贮存罐内测量的蒸气压力等被测量的操作条件，控制通过所述管路的蒸气流量。

当选择第一操作模式时，所述方法还包括关闭阀门，以防止蒸气从所述贮存罐的空部空间(ullage space)被供应到所述泵。“空部空间”在此定义为贮存罐内的蒸气空间。所述阀最好是带有诸如电磁、机械、气动或液动驱动机构的促动器的电控阀。

在优选的操纵泵的方法中，通过使用线性液压马达，以基本上恒速操纵所述泵。例如以每分钟5～30个周期操纵所述泵。

当泵已经被关闭一定时间时，在泵开始正常工作之前，理想的是冷却泵。也就是，如果泵的温度太高，被引入泵的低温流体将立刻沸腾或蒸发，阻止泵将低温流体泵送到更大的压力。用于为泵的工作作准备的优选的冷却程序包括如下步骤：

(a)将低温流体从贮存罐引入所述泵；

(b)将泵内产生的蒸气返回贮存罐，从而增加所述罐内的压力；

(c)利用贮存罐内增加的压力迫使更多的低温流体从所述贮存罐进入所述泵。

一旦所述泵已经被冷却到正常操作温度，控制低温流体从泵流回贮存罐的阀被关闭。也就是一旦所述泵已经被冷却到泵可以工作来在所述第一或第二操作模式中一种模式下泵送低温液体和蒸气的预定温度时，阻止蒸气返回所述罐。

在第二优选实施例中，所述系统包括多级泵，具有至少三个用于压缩低温流体的室，其中第一、第二室的容积大于第三室。在第二实施例中，第一和第二室被用作诱导器级(inducer stage)，第三室被用作压缩室。在第二实施例中，所述方法包括：

(a)有选择地将低温流体或低温液体和蒸气的混合物向所述泵供应，使得低温流体通过入口流入所述第一室；

(b)在第一室内压缩和凝结低温蒸气并压缩低温液体，并且将低温流体从第一室传送到所述第二室；

(c)在第二室内压缩低温流体并将所述低温流体从所述第二室传送到所述第三室，直到所述第三室充满为止，然后将在第二室内剩余的低温流体传送到所述第一室；

(d)在第三室内压缩低温流体并将压缩后的低温流体从第三室通过出口排出。

在该方法的第二实施例中，当选择第一操作模式且通过泵的流量最大时，低温流体在第二室内被压缩，在压缩冲程结束时，在压缩冲程开始时在第二室内的所有气体或蒸气基本上已经被凝结，因此，基本上所有被传送到第三室内的流体都是低温液体。当选择第二操作模式且泵以较低流量工作时，一些蒸气可以从第二室被传送到第三室内，泵然后以减少的流量进行操作。

在第二实施例中，被引到泵内过量的低温流体优选地从第二室被循环回第一室内，从而在正常操作期间，没有蒸气从泵返回贮存罐。这是一种优于公知系统的优点，公知系统使过量低温流体返回贮存罐，因此这种系统利用返回的流体将热量引导到贮存罐内。

该方法还包括使用压力促动安全阀，用于控制低温流体从所述第二室返回第一室。

该方法还包括从所述泵将流体向蓄压器供应，当所述蓄压器内的压力降低到预定值以下时，有选择地仅将低温液体引入所述泵。所述蓄压器可以是真实的压力容器或流体管路和歧管自身，它们共同提供蓄压器容积。

当泵包括至少三个用于压缩低温流体的室以及分隔这三个室的往复活塞组件时，在一种优选方法中，泵以下述方式操作：

(a)在内缩行程期间，退回活塞，从而

增加所述泵第一室的容积并从贮存罐有选择地将低温液体或低温蒸气和液体的混合物引入所述第一室内；

减少所述泵的第二室的容积，压缩所述第二室内的低温流体，将该低温流体从所述第二室输送到所述第三室，直到第三室充满为止，然后将低温流体从所述第二室返回所述第一室，直到内缩行程被完成为止；

增加所述泵第三室的容积，并从所述第二室接收低温流体到第三室内，直至所述第三室充满为止；以及

(b)在延伸冲程期间，使所述活塞延伸，由此

减少所述第一室的容积，压缩所述第一室内的低温流体，将所述低温流体从第一室传送到所述第二室；

增加所述第二室的容积并从第一室将流体抽吸到第二室内；

减少所述第三室的容积，压缩所述第三室内的流体，将低温流体从所述第三室通过出口排出。

在所述延伸冲程结束时，所述第二室的容积优选地大约比当所述活塞在内缩行程结束时所述第三室的容积大4～10倍。此外所述内缩行程结束时所述第一室的容积优选地大于或基本上等于在所述延伸冲程结束时所述第二室的容积。利用这种布置，第一室具有足够的体积来接收从第二室被循环回第一室的基本上所有的过量低温流体。在该泵的最佳结构中，在延伸冲程结束时，第三室的容积基本上是零。

在一种操作用于从低温贮存罐泵送低温流体的往复泵的第三优选方法中，所述泵包括至少两个被往复活塞组件分隔的室，所述方法包括如下步骤：

(a)在内缩行程期间，

增加所述泵第一压缩室的容积并将从贮存罐供给的低温流体引入所述第一压缩室内；

减少所述泵的第二压缩室的容积，由此压缩所述第二压缩室内的低温流体，从第二压缩室将压缩后的流体喷出所述泵之外；以及

(b)在延伸冲程期间，

减小所述第一压缩室的容积，并将第一压缩室的流体传送到所述第二压缩室内；

增加所述第二压缩室的容积并将低温流体从第一压缩室抽吸到第二压缩室内，其中，在所述延伸冲程结束时所述第二压缩室的容积小于所述内缩行程结束时所述第一压缩室的容积，从而当第二压缩室的容积被从第一压缩室流入第二压缩室的流体充满时，剩余的流体从所述第二压缩室被喷出所述泵之外。

在这种实施例中，在延伸冲程结束时第二压缩室的容积大约是所述内缩行程结束时所述第一压缩室的容积的一半或比一半小。优选地，所述第一和第二压缩室的相对尺寸是这样的，使得在所述内缩行程和延伸冲程期间，大约相同量的流体被排出。

该方法还包括在将所述低温流体引入到所述第一压缩室之前，在诱导器级使低温蒸气凝结。

一种从所述贮存罐泵送低温流体的优选系统包括：

(a)包括抽吸入口和排放出口的往复泵；

(b)将所述抽吸入口与所述贮存罐内部的液体流体相连的第一管；

(c)将所述抽吸入口与所述贮存罐内部的蒸气流体相连的第二管；

(d)所述第二管内的节流装置，用于限制流过所述第二管，从而液体和蒸气的混合物可以从所述贮存罐被供应到所述抽吸入口。

该节流装置例如可以由孔口、第二管的狭窄部分或计量阀组成，所述节流装置优选采用这种尺寸，以便保持被供应到所述泵的蒸气比例等于或低于预定最大蒸气比例。

所述泵的一个实施例的优点是该泵可以包括被设置在油底壳内的冷端以及与所述冷端相反的暖端，所述抽吸入口与所述冷端相关联，而所述排放出口与所述暖端相关联。这种布置阻止压缩过程所产生的热量从被排出的流体传递到从油底壳被引到泵内的低温流体内。

该系统优选地还包括与所述泵的活塞相连的线性液压驱动器。所述线性液压驱动器允许所述活塞以恒速被驱动，有助于减少排放管路内产生压力波动。在另一个实施例中，通过提供一种影响通过所述系统的质量流量的额外装置，泵速可以被改变，从而提供更大范围的可选择流量。然而，这要求额外的用于改变液压驱动器和泵速度的控制和设备。所述泵优选地被所述线性液压驱动器以固定速度或在每分钟5～30个周期之间可变的速度驱动。

附图说明

附图示出本发明的具体实施例，但是不应该认为这些附图限制本发明的范围。

图1是一个LNG泵组件的剖面图，该组件根据本方法的优选实施例来工作，所述LNG泵组件包括三个用于压缩低温流体的室；

图2示出根据优选方法向发动机供应燃料的LNG供应系统的示意性流动图，在此LNG泵被设置在LNG贮存罐外部；

图3是根据本方法优选实施例工作的系统的另一优选实施例的剖面图，在此LNG泵被设置在用于低温流体的贮存罐内的油底壳内；

图4示出图3所示实施例的详细的放大剖面图，在此LNG泵被设置在用于低温流体的贮存罐内的油底壳内。LNG泵的这个实施例包括用于压缩低温流体的两个室、一与冷端相关联的入口和一与LNG泵相反端相关联的出口，其中所述冷端被插入所述油底壳内；

图5示出根据本发明优选实施例工作的系统的再一实施例的详细的放大剖面图，该系统包括被内置在LNG贮存罐内与诱导器相关联的LNG泵；

图6示出当LNG泵进行泵抽时油底壳的剖面图。

具体实施方式

燃烧天然气的发动机可以被大致区分为两个种类，也就是具有低压燃料系统的种类和具有高压燃料系统的种类。低压燃料系统被定义为发动机燃料系统，该燃料系统在低于贮存罐的最小工作压力下的燃料压力下工作。在这种类型的低压系统内，不需要燃料泵，并且贮存罐具有一从该贮存罐中排出蒸气的蒸气管路以及一从该贮存罐中排出液体的液体管路。每个管路由相应的阀控制，所述阀反过来又被至少一个压力传感器控制。除了在贮存罐压力超过特定压力，例如大约60psig(516kPa)的情况下，发动机通常通过液体管路接收燃料，在贮存罐压力超过特定压力的情况下，蒸气管路打开，从而向发动机释放一些蒸气，这会降低贮存罐内压力，确保更长的保持时间。这是一种简单的系统，该系统在一旦贮存罐内的压力超过特定压力水平时通过将燃料以汽相从罐内取出来确保贮存罐压力保持较低。

相反，根据燃料系统参数，高压燃料系统要求一种以大约3000psig(20,771kPa)压力供应燃料的燃料泵。这通常利用一种位于车辆贮存罐内且入口被浸没以便确保正输送压力的小排量活塞泵来实现。这种装置非常难以安装和维修，使燃料罐和泵组件相对大。由于泵仅可以泵送液体，由泄漏及泵工作的热量所产生的蒸气将使贮存罐的保持时间减少相当大的量，并由于向所述罐补给燃料之前应该排出蒸气，导致大的燃料损耗。所述蒸气的排出进一步减少了车辆贮存罐的有效容量，增加了在车辆贮存罐内使用LNG的难度。据信，单独一个泵不能有效地泵送液体和蒸气或泵送液体和蒸气的混合物，因此可以在发动机内排出并燃烧蒸气的系统不适合于高压燃料系统。而且，传统活塞泵要求在进气口具有净的正压力，这样就严重地限制了这种泵的位置，具体地说，这种泵不能被用于具有传统“自顶部排出的”液体出口的车辆贮存罐。如果可以研制出这样一种车辆泵，即：它可以以负抽吸压力工作，允许该车辆泵被设置在车辆贮存罐外部并设置在车辆上任何可利用的位置处，那么许多问题都可以被解决。

图1和2分别示出根据本系统优选实施例的LNG泵组件以及根据本系统优选实施例的从LNG供应系统向发动机供应的示意性流动图，其中，LNG泵被设置在LNG贮存罐的外部，图1示出了圆柱形泵2，该泵2在汽缸4内保持一个往复活塞6，活塞6由一个与外部驱动源相连的圆柱轴8驱动。汽缸4的端部盖有(capped)端头10和11以及螺栓12。Teflon或诸如UHMW(公知的，但与Teflon相比价格低廉的低温隔热材料)类似的隔热材料14围绕轴8，从而降低热损失。活塞6的与轴8相对的端部具有中空圆柱杆16，其在套筒18内往复运动，其也利用诸如Teflon或类似材料的隔热材料20隔热。这种结构形成了室21、23和25。单向阀24和27位于活塞6内，单向阀26位于轴16内，单向阀28优选位于端头10内。单通单向阀(one-way checkvalve)7也与入口5相关联地设置。虽然图1中没有显示，泵2的外部也被隔热，以阻止热传送到泵内。与现有技术相同，与泵相连的管路也被隔热。

包括被活塞6分隔的第一和第二室21和23的第一主室大约比第三室25大4～10倍。在一个实施例中，第一和第二室21和23优选地比第三室25大约大5倍。当活塞6向左侧退回时，天然气液体和蒸气通过入口5和位于汽缸4外部的单向阀7被抽吸进汽缸4的第一室21内。当活塞6伸展到右侧时，第一室21内的液体和蒸气混合物通过单向阀24被移动到第二室23内。当活塞6再次向左侧退回时，第二室23内的液体和蒸气混合物被压缩并通过中空活塞杆16内的通路和单向阀26强迫进入第三室25内。

在随着活塞6移动到左侧的回缩吸入冲程期间，第一室21内的液体和蒸气混合物处于饱和压力和温度下。在第二回缩冲程时，当这种混合物在第二室23内被压缩时，蒸气凝结，整个体积被减少，然后液体通过中空活塞杆16内的通路和单向阀26被推入第三室25内。如果最初太多的液体被抽进第二室23内。安全阀27将在给定压力下打开，让过量流体返回第一室21内，因而在正常操作条件下，没有液体返回LNG贮存罐组件30。

图2示出根据本系统的优选实施例的从LNG供应系统向发动机供应的流动图，其中LNG泵位于LNG贮存罐组件30的外部。图2示出LNG贮存罐组件30、驱动LNG泵的液压泵32、蒸发器34、蓄压器36和发动机38。泵2和发动机38之间的燃料管路的容积可以被这样确定大小，使得燃料管路自身被当作蓄压器36，而不需要一种实际的蓄压器容器。LNG贮存罐组件30具有内罐42以及位于外罐和内罐42之间用于隔热的真空。参考图1的泵2，当活塞6延伸到右侧时，通过单向阀26进入第三室25的液体被压缩到所希望的高压。然后从第三室25内通过单向阀28被喷出，流过蒸发器34，此处，液体被转换成气体，并作为被压缩的天然气进入蓄压器36。被保持在蓄压器36内的压缩后的天然气可以被保持在足以将天然气通过喷射阀直接喷射到发动机38的燃烧腔内的压力下。

在正常操作条件下，泵2将从LNG贮存罐组件30抽取蒸气和液体的混合物。抽吸管路31不仅与内罐42的底部相连，在此处管路31的端部在液面下方开口，而且与内罐42的上部相连，以便通过在内罐42内的液面上方开口的管路33抽出蒸气。蒸气通过抽吸管路31的流动被电磁阀39和计量阀40控制。在正常操作期间，电磁阀39将打开，被抽进管路31的蒸气量取决于计量阀40的设定。

低温液体和蒸气混合物中的蒸气比例被定义为供应到低温泵的蒸气的体积被供应到低温泵的低温流体的总体积除。根据具体操作条件，通过试验已经确定应该被供应到泵以确保所有蒸气可以被凝结的最少液体量。因而，为了泵的有效操作，通过供应所述最少液体量，可以实现最大蒸气比例，以便使该蒸气部分在泵内凝结。当蒸气比例高于该最大蒸气比例时，泵的效果被降低。

在图2所示布置中，计量阀40可以是一种人工控制阀，其被设定成维持蒸气比例等于或小于为大多数操作条件所确定的最大蒸气比例。计量阀40也可以电控制，以便允许所述蒸气比例根据不同的操作条件而改变，从而所述蒸气比例总是等于或小于当前操作条件下的最大蒸气比例。

如上文结合图1所述，从LNG贮存罐组件30中被排出的饱和蒸气将在LNG泵2的第二室23内被压缩和凝结并在第三室25内被进一步压缩到蓄压器36内所希望的气体压力。

当电磁阀39被打开时，泵2的容量将被减少。然而，如果泵2下游的压力太低，即过于接近发动机的喷射压力，由于发动机38需要更多的燃料，控制器43内的编程计算机控制器将关闭电磁阀39，仅仅来自罐组件30底部的LNG将流入泵2内，从而确保实现LNG泵2的最大燃料能力。

图2示出位于LNG贮存罐组件30外部的泵2。如果泵2位于LNG贮存罐组件30的外部，用传统的绝缘材料使该泵与外部隔热，由于可以实现没有燃料流入LNG贮存罐组件30，因此防止了热量泄漏回LNG贮存罐组件30。在泵2的内部被隔热材料14和20良好绝热。但是即使如此，如果车辆发动机38在长时间内未操作，例如当车辆停车时，泵2可以相对于LNG贮存罐组件30内的液体温度来说被加热。泵2内的这种残余热量将导致被抽进泵2内的LNG沸腾，从而极大地减少了泵2的容量。

为了减少泵2的冷却时间，当它再次开始工作时，控制程序可以打开第二电磁阀41。阀41的打开确保温度升高的泵2所产生的蒸气从第二室23通过气体管路45和管路33泵入内罐42的上部蒸气空间内，从而，增加内罐42内的压力，并由此迫使更多的液体从内罐42的底部进入泵2，与不打开阀41相比，它被更快地冷却。

在另一个实施例中，诸如图3～6所示，LNG泵可以位于LNG贮存罐组件30中外罐和内罐42之间的真空空间内的油底壳空间44内。在图3所示实施例中，通过将泵48的冷端设置在LNG贮存罐组件30内的真空空间内，可以获得更大的效率并减少热泄漏。然而，为了做到这一点，几种独特的特征可以被结合到为此目的设计的泵中。油底壳空间44应该设置在外罐内。

如上所述，外罐和内罐42之间的真空使LNG贮存罐组件30隔热。为了保持该目的，在不破坏使LNG贮存罐组件30隔热的高度真空的前提下，泵48可以从油底壳空间44拆卸。这可以通过将液体抽吸管路31从内罐42永久地连接到位于贮存罐组件30的外罐内扩大部分内的油底壳空间44内的小油底壳46上，并将泵48的冷端安装在油底壳46内同时压力密封件47定位成使得只有泵48在油底壳46内的部分被LNG围绕来实现。仅当内罐42中没有LNG时，泵48可以被拆卸。否则，LNG应该流过管路31。内置泵的结构具有额外的优点，也就是在起动期间，不需要泵冷却程序。只要起动泵，LNG就自由地流过管路31进入小油底壳46，当泵长时间停转时，管路31和油底壳46内的LNG将被蒸汽压力推回内罐42，从而减少热损失。

在效率的观点上看，双作用泵通常是非常理想的，这是因为泵在两个方向上工作。但是传统的双作用泵典型地在任一端具有入口和出口阀，这使得这种结构不适于用作内置泵。除非油底壳46非常大，否则难于拆卸泵48。图3到图5所示的泵的独特特征已经避免了这个困难，其中在图3到图5所示的泵中，排放阀管路连接到外端。

图3和4所示这种结构的另一个优点是与公知的往复泵相比，允许单向阀63更大，所述公知的往复泵具有入口和与同一端相关联的出口。利用这种类似于图3和4所示结构的结构，泵48的冷端也无需容置用于出口的空间。这允许泵48的整个冷端区域用来容置单向阀63。在泵入口使用更大的单向阀减少进入损失并使得泵48能够在较低的净正吸入压头(NPSH)下工作。低温泵的NPSH在此被定义为对于给定流体温度，沸腾压力和实际压力之间的差值。利用图5所示的泵149的结构可以实现相同的优点。

图3～5中所示的泵结构的另一种优点是泵出口与和所述冷端相反的泵端相关联，而泵入口位于所述泵的冷端。压缩后的低温流体的温度可能增加，希望保持排放管路远离热交换可能导致通过泵入口被引入的流体额外蒸发的入口。

图4示出本系统的第二实施例的详细的放大剖面图，其中LNG泵48被设置在LNG贮存罐组件30内。图4示出环形结构的抽吸管路31，由此提供一个气体收集器，这是一种在低温和LNG领域公知的技术。利用螺栓或一些类似保持机构，将泵48保持在抵靠形成在油底壳46端部的密封件47上的位置。通过拆下紧固螺栓，泵48可以与密封件47分开。来自内罐42的LNG(参考图3)流经抽吸管路31进入油底壳46和泵48外壳之间的空间49。油底壳空间44(参考图3)内的真空通过被油底壳46外部和套筒50所密封的油底壳空间44来保持。泵48可以从套筒50内部被拆除，而不会破坏空间44内的真空(参考图6)。油底壳46在接头52处被密封在套筒50上。

内置泵48采用下述方式操作。当活塞54回缩到左侧时，通过抽吸管路31，LNG通过单向阀63被抽进第一室51内。当活塞向右运动时，LNG被推过位于活塞54上的单向阀53并进入汽缸58和活塞杆56之间的室空间55内。活塞杆56的直径的尺寸被这样确定，使得室空间55的容积大约是第一室51容积的一半。因而，室51内的液体体积的一半将流到室55内，剩余部分将通过输出管路64和单通单向阀66(参考图3)被向左推出。一旦活塞开始向右延伸，室51和55内的压力将等于排出压力。

当活塞54再次回缩到左侧时，更多的LNG将通过管路31被抽进室51内，同时，室55内以前被传送的LNG将通过输出管路64被排出。换句话说，在每次活塞冲程，在任一个方向上，大约相同量的LNG被排出。这是平稳泵操作的优点。这种泵设计的显著的优点还在于单通单向阀可以位于输出管路64上泵48的外侧，在此它非常容易接近并容易维修。图4也显示了通路74，其确保选出轴密封件76的液体返回到油底壳46。

在图4中所示的泵将LNG泵成高压，而没有将热量引导到贮存罐组件30，但是如果操作条件是需要更长的保持时间，可以添加类似于图1和2所示的诱导器特征。图5详细显示了本系统的第三实施例的放大的剖面图，其特征是将LNG泵与诱导器相关联地设置在LNG贮存罐内。应该理解是，图5仅是示意性的，没有被准确地显示。油底壳46的狭窄的左端不得不是被层叠的(layered)，以确保泵148的诱导器可以拆卸。

在图5所示实施例中，吸气室68被连接到泵148的入口端，从而结合了泵2和泵48的新颖性特征。吸气室68的容积大约是室51容积的4倍，也就是，室68的直径是室51的直径的2倍。较小的活塞杆59延伸穿过第一底部堵头60，另一个活塞被连接到杆59的端部。该活塞61具有一对相对的单向阀70和72，其操作方式与图1和2所示的泵2内的单向阀24和27相同。管69将贮存罐42的蒸气空间连接到主抽吸管路31。蒸气通过节流孔口62被输送。该节流孔口62的操作方式与图2所示计量阀41在泵2上的操作方式相同。如上所述那样，图5所示实施例通过从内罐42内抽取蒸气以及液体，可以极大地增加在发生沸腾排气之前的保持时间。通过使用一可调节的孔口，可以确定所述节流装置62的最佳节流尺寸。如上所述，优选地保持蒸气比例等于或小于允许泵内基本上所有蒸气都凝结的所述最大蒸气比例。根据系统尺寸，节流装置62尺寸确定成，在正常操作条件期间保持蒸气比例等于或小于最大蒸气比例。

作为一个可替代的实施例，如果第一室51和第二室55之间的比例被增大到大于2∶1，图5所示吸气室68可以被取消。在此情况下，主抽吸管路31和具有节流装置62的管69可以与油底壳46相连，用于将低温流体从油底壳46直接引入第一室51内。

图6详细地显示了当LNG泵48已经与LNG贮存罐分开时的油底壳46和套筒50。当泵48已经被拆卸后，具有环形入口31的油底壳46和套筒50仍然保持在油底壳空间44内的位置上，来保持LNG贮存罐组件30的外罐和内罐42之间的真空。在密封件73处，套筒50的与油底壳46相反的端部被密封到外罐上(未示出，但是参考图3)。当被安装在套筒50和油底壳46内时，泵48抵靠在其上的压力密封47也在图6中被显示。

所包含的图1～6中所示的LNG泵2、48和148是小的，主要被应用在车辆上，向发动机提供燃料。然而应该理解是，这种结构的泵可以被用于LNG之外的低温流体，包括诸如氢气的其它燃料。还应该理解是，泵也可以被扩大，并在诸如液体-压缩气体的加油站的其它低温应用中被使用(公知的是LCNG加油站)。

在图2中，泵2被线性液压马达驱动。与通常由曲柄轴以200～500RPM速度被驱动的普通机械驱动往复泵相比，液压驱动允许泵以更低速度被驱动。然而，通常是单作用的传统LNG泵一直未被公知为适用于具有低NPSH的低速应用。

在本发明人所进行的试验中，图4所示泵48能够在每分钟5～30个周期的操作速度将罐装置中几乎所有的液体清空。这些结果显示泵48可以以零或非常接近零的NPSH操作。在被测试的操作条件下，泵48以65％～85％容积效率下工作。因而，尽管传统的单作用泵通常在高速下以明显高于零的NPSH工作更有效，但泵48显示能够以非常低的速度在零或非常接近零的NPSH下操纵往复LNG泵。

与曲柄轴驱动泵相比，液压驱动泵的另一个优点是在整个活塞冲程中可以控制活塞基本上恒速运动，降低了泵排放所造成的压力波动。

因为鉴于上述公开物，在实施本发明的过程中，本领域技术人员可以在不背离本发明的精髓或范围下作出多种替代和修改，于是本发明的范围应该根据所附权利要求书限定的实质加以理解。

Claims (37)

1一种操纵用于泵送低温流体的低温系统并控制质量流量的方法，所述系统包括作用为泵送低温液体或低温液体和蒸气的混合物的泵，由此当所述系统从贮存罐向所述泵供应低温蒸气和/或液体时，所述方法包括：

(a)选择第一操作模式，其中，所述低温液体被供应给所述泵，从而基本上用液体充满压缩室，实现高的质量流量；

(b)选择第二操作模式，以通过选择同时向所述泵供应所述液体和所述蒸气，来实现小于第一操作模式的质量流量的质量流量，其中与所述第一操作模式的蒸气比例相比，第二操作模式中的蒸气比例大。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法被用于将燃料泵送到发动机。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

(c)通过从所述泵将燃料输送到蓄压器容器并选择所述操作模式来控制质量流量，从而将所述蓄压器容器内的压力维持在预定范围内，将高压燃料稳定地供应给发动机。

4.如权利要求3所述的方法，其中，当所述蓄压器容器内的压力在所述预定范围内时，当所述贮存罐内的蒸气压力比预定值大时，控制所述系统，增加被供应到所述泵的蒸气比例。

5.如权利要求1所述的方法，还包括将所述流体通过与所述泵第一端相关联的入口引入所述泵内，将所述流体通过与所述泵第一端相反的所述泵的第二端相关联的出口从所述泵内排出。

6.如权利要求1所述的方法，其中，当选择所述第二操作模式时，通过限制蒸气通过所述罐和所述泵之间的管路的流动，被供应到所述泵的蒸气比例被保持为低于预定最大蒸气比例。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述系统包括用于限制蒸汽通过所述罐和所述泵之间的管路流动的孔口。

8.如权利要求6所述的方法，其中，所述系统包括计量阀，用于控制蒸气通过所述罐和所述泵之间的管路的质量流量。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：

(c)对电子控制器进行编程，操纵该控制器来响应于被测量的操作条件改变所述计量阀的设定，从而控制流过所述管路的蒸气量。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述被测量的操作条件包括所述泵下游的流体压力。

11.如权利要求1所述的方法，其中，当选择所述第一操纵模式时，所述方法还包括：

(c)关闭阀门，阻止蒸气从所述贮存罐的空部空间供应到所述泵。

12.如权利要求1所述的方法，还包括：

(c)通过使用线性液压马达，以基本上恒速操纵所述泵。

13.如权利要求12所述的方法，其中，以每分钟5～30周期的速度来操纵所述泵。

14.如权利要求1所述的方法，还包括用于为所述泵工作作准备的冷却程序，所述程序包括：

(a)将低温液体从所述贮存罐引入所述泵；

(b)将所述泵内产生的蒸气返回所述贮存罐，从而增加所述贮存罐内的压力；

(c)利用所述泵内增加的压力迫使更多的低温液体从所述贮存罐进入所述泵。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

(c)当所述泵已经被冷却到预定低温操作温度时，防止蒸气返回所述贮存罐，其中在该预定低温操作温度下，所述泵可作用为在所述第一或第二操作模式中一种模式下泵送所述低温液体和蒸气。

16.一种操纵用于泵送低温流体的低温系统的方法，所述系统包括多级泵，所述泵具有至少三个用于压缩所述低温流体的室，其中第一、第二室各自的体积大于第三室的，所述方法包括：

(a)有选择地将低温液体或低温液体和蒸气的混合物向所述泵供应，使得低温流体通过一入口而流入所述第一室；

(b)压缩和凝结所述第一室内的低温蒸气并压缩所述第一室内的低温液体，从而将低温流体从第一室传送到所述第二室；

(c)压缩第二室内的低温流体并将所述低温流体从所述第二室传送到所述第三室，直到所述第三室充满为止，将剩余在第二室内的低温流体传送到所述第一室；以及

(d)压缩所述第三室内的低温流体并将压缩后的低温流体从所述第三室通过出口排出。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

(e)使用压力促动的安全阀，用于控制低温流体从所述第二室返回第一室。

18.如权利要求16所述的方法，还包括：

(e)从所述泵将所述流体供向蓄压器，当所述蓄压器内的压力降低到预定值以下时，有选择地仅将低温液体引入所述泵。

19.如权利要求16所述的方法，其中，气体和蒸气中的至少一种在所述第一和第二室内被凝结，使得基本上所有从所述第二室传送到所述第三室内的所述流体是低温液体。

20.如权利要求16所述的方法，还包括用于加速使所述热的低温泵冷却的程序，所述程序包括：

(a)从贮存罐向所述泵供应低温液体；

(b)将所述泵内产生的蒸气引导到所述贮存罐的蒸气空间内，由此增加了所述贮存罐内的压力；

(c)通过利用所述贮存罐内的增加的压力，从所述贮存罐将更多的低温液体输送到所述泵内，来冷却所述泵。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述泵位于所述贮存罐的外部。

22.一种操纵从低温贮存罐泵送流体的往复泵的方法，所述泵包括至少三个用于压缩所述流体的室，所述室被往复活塞组件分隔，所述方法包括：

(a)在内缩行程期间，缩回活塞，由此

增加所述泵第一室的容积并从贮存罐有选择地将低温液体或低温蒸气和液体的混合物引入所述第一室内；

减少所述泵的第二室的容积，压缩所述第二室内的低温流体，将该低温流体从所述第二室引入所述第三室，直到第三室充满为止，然后将低温流体从所述第二室返回所述第一室，直到内缩行程被完成为止；

增加所述泵的第三室的容积，并从所述第二室接收低温流体到第三室内，直至所述第三室充满为止；以及

(b)在延伸冲程期间，使所述活塞延伸，由此

减少所述第一室的容积，压缩所述第一室内的低温流体，将所述低温流体从第一室传送到所述第二室；

增加所述第二室的容积并从所述第一室将流体抽到所述第二室内；

减少所述第三室的容积，压缩所述第三室内的流体，将低温流体从所述第三室通过出口排出。

23.如权利要求22所述的方法，其中，在所述延伸冲程结束时，所述第二室的容积大约比当所述活塞在内缩行程结束时的所述第三室的容积大4～10倍。

24如权利要求23所述的方法，其中，在所述内缩行程结束时所述第一室的容积基本上等于在所述延伸冲程结束时所述第二室的容积。

25.如权利要求22所述的方法，其中，在所述延伸冲程结束时所述第三室的容积基本上是零。

26.一种操作用于从低温贮存罐泵的油底壳供送低温流体的往复泵的方法，所述泵包括至少两个被往复活塞组件分隔的室，所述方法包括：

(a)在内缩行程期间，

增加所述泵第一压缩室的容积并将从贮存罐提供的低温流体引入所述第一压缩室内；

减少所述泵的第二压缩室的容积，并由此压缩所述第二压缩室内的低温流体，并从所述第二压缩室将压缩后的流体喷出所述泵之外；

(b)在延伸冲程期间，

减少所述第一压缩室的容积，并将第一压缩室的流体传送到所述第二压缩室内；

增加所述第二压缩室的容积并将低温流体从所述第一压缩室抽到所述第二压缩室内，其中，在所述延伸冲程结束时所述第二压缩室的容积小于所述内缩行程结束时所述第一压缩室的容积，从而当第二压缩室的容积被从所述第一压缩室流入所述第二压缩室的流体充满时，为了适应将所述第一压缩室内剩余的流体向第二压缩室内传送，压缩后的低温流体从所述第二压缩室被喷出所述泵之外。

27.如权利要求26所述的方法，其中，在所述延伸冲程结束时第二压缩室的容积小于或等于所述内缩行程结束时大约所述第一压缩室的容积的一半。

28.如权利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二室的相对尺寸是这样的，使得在所述内缩行程和延伸冲程期间，大约相同量的流体被排出。

29.如权利要求26所述的方法，还包括在将所述低温流体引到所述第一压缩室之前，在诱导器级内使低温蒸气凝结。

30.一种从所述贮存罐泵送低温流体的系统，所述系统包括：

(a)包括抽吸入口和排放出口的往复泵；

(b)将所述抽吸入口与所述贮存罐内部的液体流体相连的第一管；

(c)将所述抽吸入口与所述贮存罐内部的蒸气流体相连的第二管；

(d)所述第二管内的节流装置，用于限制流过所述第二管，从而液体和蒸气的混合物可以从所述贮存罐被供应到所述抽吸入口。

31.如权利要求30所述的系统，其中，所述泵包括被设置在油底壳内的冷端以及与所述冷端相反的暖端，所述抽吸入口与所述冷端相关联，而所述排放出口与所述暖端相关联。

32.如权利要求30所述的系统，还包括与所述泵的活塞相连的线性液压驱动器。

33.如权利要求32所述的系统，其中，所述活塞以恒速被所述线性液压驱动器驱动。

34.如权利要求32所述的系统，其中，所述泵被所述线性液压驱动器以每分钟5～30个周期的速度驱动。

35.如权利要求30所述的系统，其中，所述节流装置可以由孔口来实现。

36.如权利要求30所述的系统，其中，所述节流装置可以由计量阀来实现。

37.如权利要求30所述的系统，其中，所述节流装置尺寸定为：保持供给到所述泵的蒸气比例等于或小于预定的最大蒸气比例。

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