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部的流體體積來界定。
【專利說明】低壓低溫泵組件
【技術領域】
[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
式活塞栗。
【背景技術】
[0002]往復式活塞泵是用于在各種應用中輸送加壓流體。例如，往復式活塞泵正被應用到汽車應用中，以便將如液化天然氣(LNG)的燃料輸送至內燃機。
[0003]在已知的汽車氣體燃料系統中，已由 申請人:開發(fā)出用于發(fā)動機的往復式活塞泵，所述往復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，以便克服汽缸內壓并允許所需量的燃料在有限量的時間內注入。這類高壓系統在至少3000psi的壓力下并且有時在可達4000或5000psi的壓力下將燃料輸送至發(fā)動機。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束時排出。當活塞縮回以開始進氣沖程時，如果流體是可壓縮流體，或是接近其沸點的流體，那么流體的體積會膨脹并且使新流體經由進氣閥的進入延遲，從而延遲進入到活塞缸中。對于低溫泵來說，流體常常處于接近其沸點的溫度，并且較大的死體積通常對應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來減小死體積。為實現更精確的構造與減小的死體積，許多用于制造高壓低溫泵的解決方案采用了制作達到嚴格制造公差的部件，這增加了制作的成本，并且組件被設計來允許制造期間的調整，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，以便可通過調整螺紋連接來對部件之間的尺寸做出精細調整。對于高壓泵來說，避免了焊接構造，因為這種構造將更大的可變性引入所組裝的泵的最終幾何結構中，因為焊接在一起的每個零件增加了由個別零件中的尺寸偏差引入的可變性，即使當每個零件都是在指定公差內制作時也是如此。一定量的死體積是不可避免的，因為即使是高壓泵組件也需要對如熱膨脹與收縮的可變作用留有一些余量(allowance)。雖然實現零死體積是不切實際的，但是已知的高壓泵設計教導了使死體積減小而接近于零的技術。
[0006]天然氣作為用于汽車應用的燃料正變得更加流行，并且現在的不同類型的發(fā)動機都在針對消耗天然氣來加以設計。當燃料在進氣沖程期間被引入發(fā)動機的進氣系統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)動機相比，所需的燃料供應壓力是相對低的。例如，介于約lOOpsi與可達300psi之間的氣體燃料壓力足以用于這種類型的大多數發(fā)動機。
[0007]存在對低壓低溫泵的需要，與被設計來用于高壓燃料系統的高壓低溫泵相比，所述低壓低溫泵滿足對低壓燃料系統的性能要求并且制造較為廉價。實用新型內容
[0008]公開了一種低壓低溫泵組件，其允許在壓縮沖程結束時較大的死體積。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移動，以便在活塞缸中界定出排量(sw印t 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，當所述制造公差彼此疊加時，共同地導致得到其中所述死體積不超過所述排量的20%的一個組裝活塞缸。在優(yōu)選實施方案中，這些部件的所述制造公差被指定來產生介于所述排量的5%與10%之間的死體積。在其它實施方案中，所述制造公差被指定來產生介于所述排量的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動裝置相關聯的法蘭和與泵裝置相關聯的法蘭，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。
[0011]所述低壓低溫泵組件可用小于負100攝氏度的溫度來操縱流體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖示出了本實用新型的特定優(yōu)選實施例，但所述實施例不應視為以任何方式限制本實用新型的精神或范圍。
[0013]圖1展示本實用新型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示意性表示了圖2示出的泵組件的橫截面視圖。
[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性的圖表。
【具體實施方式】
[0017]圖1至圖3中展示的優(yōu)選實施方案所示出的低壓低溫泵是一種往復式活塞泵組件，其在低壓下操縱流體，所述往復式活塞泵組件在本公開中被定義來意指可排出流體而達到約lOOpsi至300psi的壓力并且可被設計來允許可達約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燃機，然而，這種泵可應用于適于低壓泵的其它應用并且尤其適于泵送流體而達到低壓的低溫泵。
[0018]現在參閱圖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包括往復式泵110，所述往復式泵通過伸長管114連接至驅動裝置112。因為通過泵來泵送的流體是在低溫下儲存，所以往復式泵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借助于其長度和結構設計來減少暖端與冷端之間的傳熱。流體經由進氣管118進入往復式泵110，并且經由排出管120從往復式泵110排出。如圖2所示，驅動裝置112可以是通過使用液壓流體壓力以引起驅動活塞127在驅動裝置內移動來產生往復運動的液壓驅動裝置，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內往復移動并且與界定活塞缸128的泵汽缸126的內部壁形成動態(tài)流體密封。往復式泵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。在進氣沖程期間，當泵活塞124在方向130上移動時，流體在方向123上經由進氣管118從流體供應流出并且流到直通閥進氣口 119上，進入活塞缸128中。在壓縮沖程期間，當活塞在方向132上移動時，加壓流體退出活塞缸128并且經由泵出口 121輸送，并且經由排出管120進一步輸送至使用者。
[0019]如關于高壓泵所注意到的，已知的是:當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”)之間的相關性。如圖4所示，死體積越小，容積效率越高。雖然實現零死體積是不切實際的，因為死體積接近0%，容積效率接近100%，這意味著在進氣沖程開始時活塞缸中不存在流體，并且在進氣沖程期間被吸入活塞缸中的所有流體在壓縮沖程結束時都被排出。
[0020]圖4中繪制的線連接了使用模型而獲得的數據點，所述模型使用行業(yè)中已知的數學公式和假設計算了泵活塞達到排出壓力所行進的距離，并且分析了在隨后的泵進氣循環(huán)結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準化的進氣尺寸的一些參數并且考慮以下一些假設來計算容積效率:例如沒有活塞密封件滲漏、沒有經由泵壁的吸熱或散熱、進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系。
[0021]線410示出應用于低壓泵(500psi)的模型的結果，而線420、430和440對應于工作壓力分別為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，當死體積增加時容積效率下降得更快。
[0022]這些結果表明: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，可實現約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%的死體積的泵來實現約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%才能實現80%的容積效率。 申請人:擁有的被設計成具有約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計成具有遠小于排量的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示為A1至A7和B1至B3。A1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是驅動活塞127的寬度；B1是沿泵的縱軸測量的介于驅動活塞127的末端與固定在驅動活塞127上的軸122的末端之間的驅動活塞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聯。當組裝泵時，部件之間的一些尺寸可變性可以具有補償作用或疊加作用，除非泵被設計成具有允許調整的特征。如已提及的，螺紋連接是允許一定的調整的連接的實例。使用主題低壓低溫泵時，因為具有可達排量的20%的死體積的泵仍可實現約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，所述制造技術包括焊接構造，當需要更大精密度時，所述焊接構造對高壓低溫泵來說將會是不切實際的。例如，在優(yōu)選實施方案中，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，從而實現約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的泵的特征，在圖中，與構成所述泵的已知元件有關的一些細節(jié)已被簡化。泵的實際工作布置包括更多構造細節(jié)。
[0026]雖然已經展示和描述了本實用新型的具體元件、實施方案和應用，但是應理解，本實用新型不限于所述的具體元件、實施方案和應用，因為在不脫離本公開的范圍、尤其是依據前述教導的情況下，本領域技術人員可以進行修改。
【權利要求】
1.一種低壓低溫泵組件，其特征在于，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，當所述制造公差彼此疊加時，共同地導致得到其中所述死體積不超過所述排量的20%的一個組裝活塞缸。
2.根據權利要求1所述的低壓低溫泵組件，其特征在于，所述制造公差被指定來產生介于所述排量的5%與10%之間的死體積。
3.根據權利要求1所述的低壓低溫泵組件，其特征在于，所述制造公差被指定來產生介于所述排量的10%與20%之間的死體積。
4.根據權利要求1所述的低壓低溫泵組件，其特征在于，進一步包括伸長管，所述伸長管連接與驅動裝置相關聯的法蘭和與泵裝置相關聯的法蘭，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.根據權利要求1所述的低壓低溫泵組件，其特征在于，所述流體是液化氣。
6.根據權利要求5所述的低壓低溫泵組件，其特征在于，所述液化氣是天然氣。
7.根據權利要求1所述的低壓低溫泵組件，其特征在于，所述流體具有小于負100攝氏度的溫度。
8.根據權利要求1所述的低壓低溫泵組件，其特征在于，所述低壓低溫泵組件是將燃料輸送至發(fā)動機的燃料泵。
【文檔編號】F04B15/00GK203548093SQ201320412997
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權日: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