低壓低溫泵組件的制作方法
【專利摘要】一種低壓低溫泵組件具有界定泵的排量和死體積的大小的部件，所述部件都被制作成具有制造公差，當(dāng)所述制造公差彼此疊加時共同地得到不超過所述排量的20%的死體積。所述泵組件包括泵活塞，所述泵活塞可在活塞缸中在完全縮回位置與完全伸展位置之間往復(fù)移動以便界定出排量。所述死體積由所述泵活塞處于其完全伸展位置時殘留在所述活塞缸內(nèi)部的流體體積來界定。
【專利說明】 低壓低溫泵組件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種低壓低溫泵組件，更具體來說，涉及一種用于泵送液化氣的往復(fù)式活塞栗。

【背景技術(shù)】
[0002]往復(fù)式活塞泵是用于在各種應(yīng)用中輸送加壓流體。例如，往復(fù)式活塞泵正被應(yīng)用到汽車應(yīng)用中，以便將如液化天然氣(LNG)的燃料輸送至內(nèi)燃機(jī)。
[0003]在已知的汽車氣體燃料系統(tǒng)中，已由 申請人:開發(fā)出用于發(fā)動機(jī)的往復(fù)式活塞泵，所述往復(fù)式活塞泵在壓縮沖程后期或在動力沖程早期將燃料直接注入燃燒室中。對于這類型的直接燃料注入來說，燃料必須在高壓下輸送，以便克服汽缸內(nèi)壓并允許所需量的燃料在有限量的時間內(nèi)注入。這類高壓系統(tǒng)在至少3000psi的壓力下并且有時在可達(dá)4000或5000psi的壓力下將燃料輸送至發(fā)動機(jī)。使燃料壓力升高至這些水平的低溫泵需要精密的制造并且通常是昂貴的。
[0004]活塞泵的一個特征稱為死體積，所述死體積是占據(jù)活塞缸中沒有被泵活塞掃過的部分的體積。在泵活塞完全伸展時，殘留在死體積中的流體不會在壓縮沖程結(jié)束時排出。當(dāng)活塞縮回以開始進(jìn)氣沖程時，如果流體是可壓縮流體，或是接近其沸點(diǎn)的流體，那么流體的體積會膨脹并且使新流體經(jīng)由進(jìn)氣閥的進(jìn)入延遲，從而延遲進(jìn)入到活塞缸中。對于低溫泵來說，流體常常處于接近其沸點(diǎn)的溫度，并且較大的死體積通常對應(yīng)于在新流體被吸入活塞缸中之前的更久延遲，因此這造成了較低的泵送效率。
[0005]因此，已知的低溫泵使用各種技術(shù)來減小死體積。為實(shí)現(xiàn)更精確的構(gòu)造與減小的死體積，許多用于制造高壓低溫泵的解決方案采用了制作達(dá)到嚴(yán)格制造公差的部件，這增加了制作的成本，并且組件被設(shè)計來允許制造期間的調(diào)整，這增加了組件的成本。例如，螺紋連接可用于將泵零件接合在一起，以便可通過調(diào)整螺紋連接來對部件之間的尺寸做出精細(xì)調(diào)整。對于高壓泵來說，避免了焊接構(gòu)造，因?yàn)檫@種構(gòu)造將更大的可變性引入所組裝的泵的最終幾何結(jié)構(gòu)中，因?yàn)楹附釉谝黄鸬拿總€零件增加了由個別零件中的尺寸偏差引入的可變性，即使當(dāng)每個零件都是在指定公差內(nèi)制作時也是如此。一定量的死體積是不可避免的，因?yàn)榧词故歉邏罕媒M件也需要對如熱膨脹與收縮的可變作用留有一些余量(allowance)。雖然實(shí)現(xiàn)零死體積是不切實(shí)際的，但是已知的高壓泵設(shè)計教導(dǎo)了使死體積減小而接近于零的技術(shù)。
[0006]天然氣作為用于汽車應(yīng)用的燃料正變得更加流行，并且現(xiàn)在的不同類型的發(fā)動機(jī)都在針對消耗天然氣來加以設(shè)計。當(dāng)燃料在進(jìn)氣沖程期間被引入發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)中或在壓縮沖程早期被引入燃燒室中時，與直接燃料注入式發(fā)動機(jī)相比，所需的燃料供應(yīng)壓力是相對低的。例如，介于約10psi與可達(dá)300psi之間的氣體燃料壓力足以用于這種類型的大多數(shù)發(fā)動機(jī)。
[0007]存在對低壓低溫泵的需要，與被設(shè)計來用于高壓燃料系統(tǒng)的高壓低溫泵相比，所述低壓低溫泵滿足對低壓燃料系統(tǒng)的性能要求并且制造較為廉價。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]公開了一種低壓低溫泵組件，其允許在壓縮沖程結(jié)束時較大的死體積。所述低泵組件包括泵活塞，所述泵活塞可在活塞缸中在完全縮回位置與完全伸展位置之間往復(fù)移動，以便在活塞缸中界定出排量(s^pt volume)。所述低壓低溫泵組件具有死體積，所述死體積是由所述泵活塞處于所述完全伸展位置時殘留在泵內(nèi)部的流體體積來界定。所述低壓低溫泵組件的界定所述排量和所述死體積的大小的部件都被制作成具有制造公差，當(dāng)所述制造公差彼此疊加時共同地得到組裝活塞缸，其中所述死體積不超過所述排量的20%。在優(yōu)選實(shí)施方案中，這些部件的所述制造公差被指定來產(chǎn)生介于所述排量的5%與10%之間的死體積。在其它實(shí)施方案中，所述制造公差被指定來產(chǎn)生介于所述排量的10%與20%之間的死體積。
[0009]所述低壓低溫泵組件可包括伸長管，所述伸長管連接與驅(qū)動裝置相關(guān)聯(lián)的法蘭和與泵裝置相關(guān)聯(lián)的法蘭，其中所述伸長管的至少一端焊接至這些法蘭中的各個法蘭。
[0010]在優(yōu)選實(shí)施方案中，所描述的低壓低溫泵組件操縱液化氣，例如天然氣。所述泵可將如液化氣的燃料輸送至發(fā)動機(jī)。
[0011]所述低壓低溫泵組件可用小于負(fù)100攝氏度的溫度來操縱流體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖示出了本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，但所述實(shí)施例不應(yīng)視為以任何方式限制本發(fā)明的精神或范圍。
[0013]圖1展示本發(fā)明的低壓低溫泵組件的透視圖。
[0014]圖2是圖1示出的泵組件的橫截面視圖。
[0015]圖3是圖2示出的泵組件的橫截面視圖的示意圖示。
[0016]圖4示出表示不同類型的泵的泵容積效率與死體積之間的相關(guān)性的圖表。

【具體實(shí)施方式】
[0017]圖1至圖3中展示的優(yōu)選實(shí)施方案所示出的低壓低溫泵是一種往復(fù)式活塞泵組件，其在低壓下操縱流體，所述往復(fù)式活塞泵組件在本公開中被定義來意指可排出流體而達(dá)到約10psi至300psi的壓力并且可被設(shè)計來允許可達(dá)約600psi的最大排出壓力的泵。本公開中所描述的低壓低溫泵的實(shí)施例被制作來用于將如LNG的燃料從燃料箱輸送至以天然氣做燃料供給的內(nèi)燃機(jī)，然而，這種泵可應(yīng)用于適于低壓泵的其它應(yīng)用并且尤其適于泵送流體而達(dá)到低壓的低溫泵。
[0018]現(xiàn)在參閱圖1和圖2，主題低壓低溫泵分別以透視圖和橫截面視圖來展示。泵組件100包括往復(fù)式泵110，所述往復(fù)式泵通過伸長管114連接至驅(qū)動裝置112。因?yàn)橥ㄟ^泵來泵送的流體是在低溫下儲存，所以往復(fù)式泵110位于在本文中被稱為冷端的位置處，并且位于相反端的驅(qū)動裝置112在本文中被稱為暖端。伸長管114借助于其長度和結(jié)構(gòu)設(shè)計來減少暖端與冷端之間的傳熱。流體經(jīng)由進(jìn)氣管118進(jìn)入往復(fù)式泵110，并且經(jīng)由排出管120從往復(fù)式泵110排出。如圖2所示，驅(qū)動裝置112可以是通過使用液壓流體壓力以引起驅(qū)動活塞127在驅(qū)動裝置內(nèi)移動來產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動的液壓驅(qū)動裝置，例如，如 申請人:共同擁有的美國專利申請?zhí)?，739，941中所述。驅(qū)動活塞127通過軸122連接至泵活塞124。泵活塞124在泵汽缸126內(nèi)往復(fù)移動并且與界定活塞缸128的泵汽缸126的內(nèi)部壁形成動態(tài)流體密封。往復(fù)式泵110優(yōu)選浸入儲存在存儲容器中或貯槽(未示出)中的流體中。在進(jìn)氣沖程期間，當(dāng)泵活塞124在方向130上移動時，流體在方向123上經(jīng)由進(jìn)氣管118從流體供應(yīng)流出并且流到直通閥進(jìn)氣口 119上，進(jìn)入活塞缸128中。在壓縮沖程期間，當(dāng)活塞在方向132上移動時，加壓流體退出活塞缸128并且經(jīng)由泵出口 121輸送，并且經(jīng)由排出管120進(jìn)一步輸送至使用者。
[0019]如關(guān)于高壓泵所注意到的，已知的是:當(dāng)死體積增加時泵送效率顯著地下降。這在圖4中示出，圖中展示了表示成排量的百分比的死體積與泵的容積效率(“VE”)之間的相關(guān)性。如圖4所示，死體積越小，容積效率越高。雖然實(shí)現(xiàn)零死體積是不切實(shí)際的，因?yàn)樗荔w積接近0%，容積效率接近100%，這意味著在進(jìn)氣沖程開始時活塞缸中不存在流體，并且在進(jìn)氣沖程期間被吸入活塞缸中的所有流體在壓縮沖程結(jié)束時都被排出。
[0020]圖4中繪制的線連接了使用模型而獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述模型使用行業(yè)中已知的數(shù)學(xué)公式和假設(shè)計算了泵活塞達(dá)到排出壓力所行進(jìn)的距離，并且分析了在隨后的泵進(jìn)氣循環(huán)結(jié)束時獲得的容積效率。所述模型基于如壓縮壓力的量值和標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)氣尺寸的一些參數(shù)并且考慮以下一些假設(shè)來計算容積效率:例如沒有活塞密封件滲漏、沒有經(jīng)由泵壁的吸熱或散熱、進(jìn)氣流的等焓膨脹以及活塞缸中大部分流體的等熵壓縮。所繪制的線展示:死體積與容積效率之間存在幾乎線性的關(guān)系。
[0021]線410示出應(yīng)用于低壓泵(500psi)的模型的結(jié)果，而線420、430和440對應(yīng)于工作壓力分別為2，500psi和4，500psi以及6，700psi的泵。圖表展示:與高壓泵相比，死體積對低壓泵的容積效率的影響更小。也就是說，與用相對低的工作壓力(例如500psi的工作壓力)操作的泵相比，對于較高壓的泵來說，當(dāng)死體積增加時容積效率下降得更快。
[0022]這些結(jié)果表明:與高壓泵相比，低壓泵具有用于較大死體積的較高容限，并且低壓泵可在使用較大死體積的情況下保持可接受的容積效率。例如，在使用為排量的約10%的死體積的情況下，可實(shí)現(xiàn)約90%的容積效率。使用用于估算容積效率的相同模型時，線410可加以延長來表明:可通過具有為排量的約20%的死體積的泵來實(shí)現(xiàn)約80%的容積效率，這是針對工作壓力為約500psi的泵來說。約80%的容積效率是可接受的效率水平，但是對于高壓低溫泵來說，在工作壓力為2500psi的情況下，死體積必須小于排量的4%才能實(shí)現(xiàn)80%的容積效率。 申請人:擁有的被設(shè)計成具有約2500psi的工作壓力的高壓低溫泵以及其它已知的高壓泵全部被設(shè)計成具有遠(yuǎn)小于排量的4%的死體積。
[0023]圖3是圖1和圖2示出的泵的示意圖示，其展示低壓低溫泵組件的主要部件。每個這些部件的尺寸被標(biāo)示為Al至A7和BI至B3。Al是壓縮汽缸126的長度；A2是將壓縮汽缸126連接至伸長管114的法蘭138的尺寸，所述尺寸是沿泵的縱軸測量；A3是伸長管114的長度；A4、A5以及A6是插入在伸長管114與驅(qū)動汽缸116之間的法蘭140、142和144的部分的各自的尺寸，所述尺寸是沿泵的縱軸測量；A7是驅(qū)動活塞127的寬度；B1是沿泵的縱軸測量的介于驅(qū)動活塞127的末端與固定在驅(qū)動活塞127上的軸122的末端之間的驅(qū)動活塞127的尺寸；B2是軸122的長度；并且，B3是沿泵的縱軸測量的介于泵活塞124的末端與固定在泵活塞124上的軸122的末端之間的泵活塞124的尺寸。
[0024]在制造工藝期間，每個部件被制作成一種規(guī)格，所述規(guī)格規(guī)定了可允許制造公差。較低公差通常得到較精確的尺寸，但是還是與較高的制作成本相關(guān)聯(lián)。當(dāng)組裝泵時，部件之間的一些尺寸可變性可以具有補(bǔ)償作用或疊加作用，除非泵被設(shè)計成具有允許調(diào)整的特征。如已提及的，螺紋連接是允許一定的調(diào)整的連接的實(shí)例。使用主題低壓低溫泵時，因?yàn)榫哂锌蛇_(dá)排量的20%的死體積的泵仍可實(shí)現(xiàn)約80%的容積效率，所以這允許具有較大制造公差的規(guī)格和不同制造技術(shù)，所述制造技術(shù)包括焊接構(gòu)造，當(dāng)需要更大精密度時，所述焊接構(gòu)造對高壓低溫泵來說將會是不切實(shí)際的。例如，在優(yōu)選實(shí)施方案中，法蘭138和140被焊接至伸長管114，焊縫在圖3中以數(shù)字150示出。在主題低壓低溫泵中，計算所有泵部件的尺寸的指定制造公差，以便它們的組合疊加作用共同地得到不超過排量的約20%的死體積，從而實(shí)現(xiàn)約80%的容積效率。此外，雖然對高壓泵來說，為排量的約5%或更大的死體積將導(dǎo)致較差的容積效率，但是介于排量的5%與10%之間的死體積產(chǎn)生介于90%與95%之間的容積效率。雖然制造具有較高容積效率的低壓泵需要較低的制造公差，但是介于排量的5%與10%之間的死體積仍允許本公開所教導(dǎo)的較為廉價的制造方法中的一些方法，這些方法在高壓低溫泵中是不合需要的。
[0025]為較好地示出要求保護(hù)的泵的特征，在圖中，與構(gòu)成所述泵的已知元件有關(guān)的一些細(xì)節(jié)已被簡化。泵的實(shí)際工作布置包括更多構(gòu)造細(xì)節(jié)。
[0026]雖然已經(jīng)展示和描述了本發(fā)明的具體元件、實(shí)施方案和應(yīng)用，但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所述的具體元件、實(shí)施方案和應(yīng)用，因?yàn)樵诓幻撾x本公開的范圍、尤其是依據(jù)前述教導(dǎo)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行修改。
【權(quán)利要求】
1.一種低壓低溫泵組件，其包括:泵活塞，所述泵活塞可在活塞缸中在完全縮回位置與完全伸展位置之間往復(fù)移動，以便在所述活塞缸中界定出排量；所述低壓低溫泵組件進(jìn)一步包括死體積，所述死體積由所述泵活塞處于所述完全伸展位置時殘留在所述泵活塞缸內(nèi)部的流體體積來界定，并且所述低壓低溫泵組件的界定所述排量和所述死體積的大小的部件都被制作成具有制造公差，當(dāng)所述制造公差彼此疊加時共同地得到組裝活塞缸，其中所述死體積不超過所述排量的20%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓低溫泵組件，其中所述制造公差被指定來產(chǎn)生介于所述排量的5%與10%之間的死體積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓低溫泵組件，其中所述制造公差被指定來產(chǎn)生介于所述排量的10%與20%之間的死體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓低溫泵組件，其進(jìn)一步包括伸長管，所述伸長管連接與驅(qū)動裝置相關(guān)聯(lián)的法蘭和與泵裝置相關(guān)聯(lián)的法蘭，其中所述伸長管的至少一端焊接至所述法蘭中的各個法蘭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓低溫泵組件，其中所述流體是液化氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低壓低溫泵組件，其中所述液化氣是天然氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓低溫泵組件，其中所述流體具有小于負(fù)100攝氏度的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓低溫泵組件，其中所述低壓低溫泵組件是將燃料輸送至發(fā)動機(jī)的燃料泵。
【文檔編號】F04B15/00GK104279135SQ201310290493
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】R·A·薩恩斯, 任子元 申請人:西港能源有限公司