專利名稱：氣體壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體壓縮機(jī)，尤其是涉及一種往復(fù)式氣體壓縮機(jī)，在該氣體壓縮機(jī)中，在壓縮期間液體被噴射入壓縮腔中以便控制氣體的溫度。
將液體噴射入壓縮缸中的構(gòu)思已經(jīng)在一些公開文獻(xiàn)中作為一種用于吸收壓縮熱的方法進(jìn)行描述過，并且該方法在現(xiàn)有技術(shù)中被稱之為“濕壓縮”。該技術(shù)涉及通過一將液體分離成霧化的微小液滴的噴嘴將液體噴射到氣缸中。這些液滴穿過氣體空間并最終與該氣缸表面緊密接觸。當(dāng)液滴在氣體空間中，這些液滴提供了冷源，該冷源與正受壓縮的氣體緊密接觸并且該冷源具有較大的表面積能夠有效地從氣體中吸收熱量，從而限制了氣體溫度的上升并降低了壓縮所需的功。
噴射液體通過一機(jī)械容積式泵被推動(dòng)經(jīng)噴嘴，正如例如GB722524、FR903471、以及WO98/16741中所披露的那樣。另一方面，噴射液體可以通過來自于壓縮機(jī)的壓縮氣體被推動(dòng)，如DE375858中所述。在該文獻(xiàn)中所述的壓縮機(jī)包括一暫時(shí)儲(chǔ)存壓縮氣體和抽吸入壓縮缸中的噴射液體的收集器。該收集器的下部與用于冷卻噴射液體的熱交換器相連，并且一位于該熱交換器之下的用于容納冷卻液體的貯存器與通過一管該壓縮缸中的一噴射孔相連。液體噴射通過該收集器中的壓力來驅(qū)動(dòng)和控制，而不需要任何主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。液體在吸氣沖程和壓縮沖程中被噴射到氣缸中并在壓縮缸中的壓力達(dá)到收集器中的壓力時(shí)停止。
盡管通過消除對(duì)額外機(jī)械泵的需求而使得來自于壓縮機(jī)中的壓縮氣體提供一種用于將液體注入壓縮缸中的具有吸引力的驅(qū)動(dòng)裝置，但是這種方法與采用容積式泵提供的控制相比其具有的缺點(diǎn)就是其減弱了對(duì)流進(jìn)氣缸中的流量的控制。例如收集器中的壓力被限制在壓縮缸中的最終壓力。而且可以得到的驅(qū)動(dòng)噴射液體的壓力是收集器中的壓力和氣缸中的壓力之間的差值，且該差值減弱了壓縮沖程并且該差值在氣缸壓力接近其最終值時(shí)迅速下降到零。因此，流量依賴于經(jīng)噴嘴的壓差，該流量在壓縮沖程期間還會(huì)下降并在氣缸壓力接近其最終值時(shí)迅速下降到零。但是，大部分熱量在壓縮末端產(chǎn)生，因此，在壓縮期間需要增加流量以滿足這種增加的冷卻需求。盡管這種要求可以采用容積式泵而得以滿足，但是由于其使得噴射壓力和流量能獨(dú)立于氣缸壓力進(jìn)行控制，因此該方案涉及額外的設(shè)備和動(dòng)力源。
在柴油機(jī)中，液體噴射系統(tǒng)通常是在循環(huán)中在該氣缸中的燃燒空氣處于較高壓力時(shí)的某一點(diǎn)處將一控制量的液體燃料噴射到燃燒缸中。燃料噴射通常是由一凸輪操作的機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)以便獲得所需的較高的噴射壓力。另一種方法是采用“共同線路噴射”，其中燃料了被泵送到一共有的高壓貯存器中并隨后通過較小的快速動(dòng)作的閥再供給到每個(gè)氣缸中。最近，已經(jīng)提出采用“水錘”效應(yīng)來驅(qū)動(dòng)燃料噴射。C.Stan以及E.Hilliger在1998年哥本哈根CIMAC會(huì)議上發(fā)表的“內(nèi)燃機(jī)的采用電子控制的壓頭調(diào)諧的柴油機(jī)噴射的引燃噴射系統(tǒng)”(“Pilot InjectionSystem for Gas Engines using Electronically Controlled Ram TunedDiesel Injection”)中的1429-1438頁描述了一種用于內(nèi)燃機(jī)的引燃噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一閉環(huán)回路，柴油機(jī)燃料循環(huán)通過其中；一燃料噴射器，該噴射器的入口接入該回路中；以及一位于該回路中的電子控制閥，該閥位于該噴射器的接頭的下游，用于控制燃料的流量。為了操作該噴射器，該閥開啟且燃料在一壓力源的作用下受到驅(qū)動(dòng)經(jīng)過該回路，該壓力源包括一燃料泵和蓄壓器。在該階段，因?yàn)榛芈分械娜剂系膲毫Φ陀趪娚淦鞯拈撝?，因此沒有噴射燃料。為了操作該噴射器，該閥快速關(guān)閉，迅速阻止回路中的流動(dòng)并產(chǎn)生一壓力波，并且壓力快速增加到足以驅(qū)動(dòng)燃料通過噴射器。該峰值壓力尤其依賴于回路中的流體的在剛要關(guān)閉該閥之前的速度，該速度隨該閥開啟的時(shí)間段的改變而改變。由于該壓力波持續(xù)過程是不變的且與壓力幅度無關(guān)，因此該系統(tǒng)使得噴射量能夠通過改變液壓回路中的壓力而方便地進(jìn)行控制。然而，該系統(tǒng)既不能容易地控制噴射持續(xù)過程也不能容易地控制噴射狀態(tài)，并且需要一機(jī)械泵來操作。
按照本發(fā)明，提供了一種氣體壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一用于使得壓縮氣體從該壓縮腔中抽出的閥裝置；一用于將液體噴射到該壓縮腔中以便在壓縮期間吸收所述氣體中的熱量的噴霧器；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該噴霧器的管，其中，該加壓源布置成使得液體加速經(jīng)過該噴霧器進(jìn)入該壓縮腔，并且該管的尺寸確定成，以限定其內(nèi)的液體的慣性，以便在壓縮期間控制經(jīng)過該噴霧器的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得進(jìn)入該壓縮腔中的液體的流量在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較高時(shí)大致減小，而在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較低時(shí)大致增大。
有利的是，本發(fā)明利用壓力源和噴霧器之間的流動(dòng)管路中的液體的慣性來控制液體進(jìn)入壓縮腔中的流量。例如，該慣性可限定成，以控制壓縮期間液體通過噴霧器的加速和減速的速率。因此，在壓縮的初始階段，當(dāng)壓力源和壓縮腔之間的壓差比較大但是放熱速度較低時(shí)，液體的慣性限定成，以緩和或限制液體通過噴霧器的加速的速率并限制流體進(jìn)入壓縮腔中的流量。有利的是，這使得流量控制成在該氣體中剛好有足量的液體來提供以前的壓縮階段中所需的最合適的吸熱能力。有利的是，這種慣性提供了一種降低質(zhì)量流量而不會(huì)消耗和浪費(fèi)能量的方法，該能量?jī)?chǔ)存在液體中并且用來繼續(xù)驅(qū)動(dòng)液體通過噴霧器，以防止壓縮腔中的壓力的增加。該慣性還提供一種的方法，其拖延經(jīng)噴霧器的最高流量，直到當(dāng)壓力達(dá)到其最終值時(shí)壓縮腔中的壓力以及壓縮熱快速上升為止。當(dāng)流動(dòng)阻力在較高流量下快速上升時(shí)，在某種程度上限制流量的增大。而且，該慣性還控制液體經(jīng)過噴霧器的減速的速率。例如，不管壓力源和壓縮腔之間的壓差是否減小，較高的慣性導(dǎo)致在接近壓縮末端時(shí)以相對(duì)較高的速度保持繼續(xù)流動(dòng)。
如上所述，通過限定慣性可以提供某種程度對(duì)液體的加速和減速的控制。然而，為了增強(qiáng)這種流動(dòng)控制，優(yōu)選是提供一種閥以便對(duì)流過噴霧器的時(shí)間安排進(jìn)行控制。因此，該閥能夠用來防止水在吸氣過程中被噴射到壓縮腔中。在該時(shí)間內(nèi)，沒有熱量產(chǎn)生，且沒有執(zhí)行有效冷卻的水只不過會(huì)在壓縮機(jī)活塞必須作功時(shí)增加額外的功率損失，以便以較高的壓力將水排出氣缸。通過閥可以將噴射的啟動(dòng)推延，直到處于壓縮下的空氣的溫度上升到能有效地進(jìn)行熱量的傳遞的那一點(diǎn)為止。在壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在吸氣階段開始噴射水比較有利，以便在溫度開始上升時(shí)水能夠分布在氣缸中。在這種情況下，該閥還用來控制噴射的啟動(dòng)以便利用最少用量的水使得有益的冷卻效果最大化。該閥還可以用于在壓縮階段的末端時(shí)迅速地結(jié)束流動(dòng)。這可能會(huì)使得管中流動(dòng)的一些動(dòng)能損失掉。然而，這會(huì)防止噴射行為不必要地延長(zhǎng)到排氣階段。
管中液體的慣性與其長(zhǎng)度成正比而與該管的流動(dòng)通道的橫斷面積成反比，因此，該慣性通常可以根據(jù)這些參數(shù)容易地進(jìn)行控制。
優(yōu)選的是，管的尺寸的確定成，將該慣性限定成通過噴霧器的質(zhì)量流量在驅(qū)動(dòng)活塞的名義曲柄軸的曲柄角為至少30°、優(yōu)選至少為45°、更優(yōu)選至少為60°的時(shí)間段內(nèi)增加。
有利的是，本發(fā)明能夠在壓縮期間對(duì)流量進(jìn)行控制而不需要容積式泵且不需要壓力高于從壓縮腔中抽出的壓縮氣體的壓力的壓力源。方便的是，壓力源可以包括一通過壓縮氣體對(duì)液體加壓的貯存器，且方便的是，該壓縮氣體可以通過壓縮腔來供給。
優(yōu)選的是，該貯存器為一收集器，且該壓縮機(jī)還包括位于收集器上游的分離器，該收集器接收來自于壓縮腔的氣體和液體；用于將分離器中的液體輸送給收集器的裝置；以及對(duì)從分離器輸送到收集器的液體進(jìn)行冷卻的冷卻器。該收集器的用途是將泵送系統(tǒng)和上游管路隔離開來。沒有該收集器，上游管路的慣性就會(huì)通過噴霧器對(duì)泵送作用產(chǎn)生影響。而且，通過提供獨(dú)立的收集器和分離器，就可以獲得用于該冷卻器的空間，該冷卻器用于排出液體中的從壓縮腔中吸收來的熱量。
優(yōu)選的是，還設(shè)置有另一管，以將液體從貯存器輸送給噴霧器。該另一管的尺寸優(yōu)選如此確定，即，能夠?qū)⒃摴苤械囊后w的慣性限定成不同于第一管的尺寸限定的慣性。優(yōu)選還設(shè)有另一閥，以用于控制通過該另一管中液體的流量。通過這種結(jié)構(gòu)，在該閥和該另一閥的控制下，具有較低慣性的管有助于更高質(zhì)量的流體較早地通過該噴霧器，而具有較高慣性的管有助于更高流量的流體較晚地流過該噴霧器。
該氣體壓縮機(jī)還包括一用于將液體噴射到壓縮腔中的另一噴霧器，通過該噴霧器的流體受到另一閥的控制。當(dāng)噴霧器布置成將液體引向沿活塞運(yùn)動(dòng)的方向布置在壓縮腔中的不同位置時(shí)，這種結(jié)構(gòu)尤其有利。例如，一個(gè)噴霧器布置成將液體噴射到與壓縮腔的末端相鄰的容腔中，而另一噴霧器可以布置成將液體噴射到遠(yuǎn)離壓縮腔的末端的容腔中。具有不同慣性輸送給不同噴霧器的管的使用使得可對(duì)液體流過噴霧器并流進(jìn)壓縮腔中的流量進(jìn)行單獨(dú)的控制，以便通過各個(gè)噴霧器的流量在壓縮期間會(huì)有差別。
如上所述，該管和該另一管可以完全彼此獨(dú)立設(shè)置。然而，優(yōu)選的是，它們可以通過一條支管連接起來。這就能切斷流過其中一個(gè)噴霧器的流體，于是流向被切斷的噴霧器的流體就會(huì)通過該支管流向另一個(gè)噴霧器。因此，當(dāng)其中一個(gè)噴霧器被壓縮機(jī)活塞封蓋住時(shí)，該噴霧器就會(huì)被切斷而卻不會(huì)失去該支管上游的水的動(dòng)能所具有的益處。如果采用一支管的話，優(yōu)選在該支管連接到該管的位置處的上游的所述管的其中一個(gè)中設(shè)置第三閥，而該閥和該另一閥位于該支管的下游。通常該第三閥會(huì)置于具有較低慣性的上游管中。在這種情況下，第三閥起到了控制較低慣性的管中流動(dòng)開始的點(diǎn)的功能。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種在壓縮過程中控制氣體壓縮機(jī)中的氣體溫度的方法，該氣體壓縮機(jī)包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該壓縮腔的管，該方法包括以下步驟通過該加壓源使液體加速經(jīng)過該噴霧器，以將液體噴射入該壓縮腔中，并且通過確定該管的尺寸，以限定其內(nèi)的液體的慣性，以便在壓縮期間控制進(jìn)入該壓縮腔的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得進(jìn)入該壓縮腔中的液體的流量在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較高時(shí)大致減小，而在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較低時(shí)大致增大。
或者，本發(fā)明可以從其最寬泛的意義上來限定一種氣體壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一用于使得壓縮氣體從該壓縮腔中抽出的閥裝置；一用于將液體噴射到該壓縮腔中以便在壓縮期間吸收所述氣體中的熱量的噴霧器；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該噴霧器的管，其中，該加壓源布置成使得所述液體加速經(jīng)過該噴霧器進(jìn)入該壓縮腔，并且該管的尺寸確定成，以限定其內(nèi)的所述液體的慣性，以便在壓縮期間控制經(jīng)過該噴霧器的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得當(dāng)該壓縮腔中的壓力高于所述源的壓力時(shí)液體可被噴射入該壓縮腔中。
通過克服壓力源和壓縮腔之間存在負(fù)壓力梯度使液體噴射，本發(fā)明使得液體在壓縮腔的壓力處于最高并且壓縮熱因此也處于最高時(shí)被噴向活塞行程的后部分。
本發(fā)明的這方面還延伸及一種在壓縮過程中控制氣體壓縮機(jī)中的氣體溫度的方法，該氣體壓縮機(jī)包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該壓縮腔的管，該方法包括以下步驟通過該加壓源使液體加速經(jīng)過該噴霧器，以將液體噴射入該壓縮腔中，并且通過確定該管的尺寸，以限定其內(nèi)的液體的慣性，以便在壓縮期間控制進(jìn)入該壓縮腔的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得當(dāng)該壓縮腔中的壓力高于所述源的壓力時(shí)液體可被噴射入該壓縮腔中。
優(yōu)選的是，該慣性如此確定，即，使得液體噴射而同時(shí)該壓縮腔中的壓力高于所述源的壓力的時(shí)間段為驅(qū)動(dòng)該活塞的名義曲柄軸的曲柄角至少5°、優(yōu)選至少10°、更優(yōu)選至少15°的時(shí)間段。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的上述優(yōu)選特征將會(huì)等同地應(yīng)用到本發(fā)明的上述替代限定上。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中這些附圖為

圖1所示的是作為曲柄角的函數(shù)的液體流量的變化曲線圖，其中液體的慣性可以忽略；圖2所示的是作為曲柄角的函數(shù)的經(jīng)過噴嘴的壓差的變化曲線圖，其中液體的慣性可以忽略；圖3所示的是作為曲柄角的函數(shù)的流量的變化曲線圖，其中液體的慣性增加；圖4所示的是作為曲柄角的函數(shù)的經(jīng)過噴嘴的壓差的變化曲線圖，其中液體的慣性增加；圖5表示出了對(duì)于兩個(gè)限定相同液體慣性的不同的管阻力值，作為曲柄角的函數(shù)的經(jīng)過噴嘴的壓差的變化；圖6所示的是本發(fā)明的一實(shí)施例；圖7A所示的是圖6中所示實(shí)施例中作為曲柄角的函數(shù)的壓力的變化曲線圖；和圖7B所示的是圖6中所示實(shí)施例中作為曲柄角的函數(shù)的質(zhì)量流量的變化曲線圖。
圖1和2所示的分別是作為曲柄角的函數(shù)的流過噴嘴的液體流量和經(jīng)過噴嘴的壓差的示例圖，其中液體源處于壓縮機(jī)的排氣壓力，而在壓力源和噴嘴之間的流動(dòng)路徑中的液體的慣性是忽略不計(jì)的。壓縮活塞在下死點(diǎn)處其曲柄角為-180°，而在上死點(diǎn)處曲柄角為0°，且在該實(shí)施例中，排氣閥在曲柄角為-30°處開啟。如這些附圖所示，在壓縮過程開始時(shí)液體的噴射速度最大，即在-180°的曲柄角時(shí)最大，壓縮腔中的壓力在壓縮期間會(huì)上升。在上死點(diǎn)之前的大約30°時(shí)壓縮機(jī)達(dá)到理想的壓力，并由該點(diǎn)向前，壓縮腔中的壓力與壓力液體源的壓力相同。因此壓力源和壓縮腔之間的壓差會(huì)降為零，且流量也因此會(huì)降為零并從該點(diǎn)到上死點(diǎn)始終保持為零。
然而這種噴射形式對(duì)于確保近似等溫壓縮而言并不是最優(yōu)的。在往復(fù)壓縮機(jī)中，當(dāng)壓力迅速上升且伴隨有壓縮熱的產(chǎn)生速度快速增加時(shí)，壓縮功的主要部分是到達(dá)壓縮沖程的末端作出的。因此，重要的是，噴射液體的冷卻能力和穿過壓縮腔的冷卻液體的質(zhì)量足以吸收由于氣缸中的壓力接近其最終值而導(dǎo)致的熱能的快速增加。然而，在圖1中，液體的噴射速度在到達(dá)壓縮的末端時(shí)迅速下降。還有，在圖1中，在壓縮功和放熱相對(duì)較低且不需要噴射液滴提供較大的冷卻能力時(shí)，該流量在整個(gè)壓縮的初始階段都比較高。盡管可以采用一個(gè)閥來限制壓縮初期階段的流量，但是該閥會(huì)導(dǎo)致不希望的能量浪費(fèi)。而且當(dāng)壓力源與氣缸之間的壓差變得過小時(shí)，以這種方式使用該閥不利于在該過程后期的噴射速度。
圖3和4所示的分別是作為曲柄角的函數(shù)的流過噴嘴的液體流量和經(jīng)過噴嘴的壓差的示例圖，其中壓力源和噴嘴之間的流動(dòng)路徑具有的慣性足以改變流量曲線。壓力源的壓力與壓縮腔中的最終壓力相同，且排氣閥在上死點(diǎn)之前大約30°處開啟。在圖3中，流動(dòng)路徑中的液體的慣性在曲線A至C之間增加，并且在圖4中，在壓縮階段的后期，經(jīng)過噴嘴的壓差從曲線D到曲線F增加。參見圖3和4，當(dāng)氣體壓力作用在液體上時(shí)，流動(dòng)路徑中的液體以一速率而加速，該速率隨著慣性增加而減小。因此在流動(dòng)開始時(shí)，在壓縮的早期階段，由于降低了經(jīng)過噴嘴的流量和壓差，慣性產(chǎn)生了有效的壓力降。因此，在壓縮過程中該慣性可用于控制液體流過噴霧器的增加速度。
由于管路系統(tǒng)和噴霧器造成的阻力損失也會(huì)在壓力源和壓縮腔之間產(chǎn)生壓力降。這會(huì)導(dǎo)致液體在壓縮腔到達(dá)壓力源的壓力之前開始減速，且這種效果如圖3所示，當(dāng)排氣閥在上死點(diǎn)之前30°處開啟時(shí)之前開始降低流量。然而，在由于壓縮腔中的壓力增加導(dǎo)致的減速過程中，相對(duì)于沒有慣性的情況，液體的慣性會(huì)降低減速的速率，使得經(jīng)過噴霧器的壓差有效地增加，由此當(dāng)壓縮腔中的壓力達(dá)到其最終值時(shí)延長(zhǎng)和保持噴霧器的相對(duì)較高的質(zhì)量流量，并且在氣體壓力已經(jīng)達(dá)到其最終值之后保持進(jìn)入壓縮腔中的質(zhì)量流量。
在長(zhǎng)度為L(zhǎng)、內(nèi)橫斷面積為A的管中，液體的慣性I可由表達(dá)式I＝L/A給出。
由于慣性導(dǎo)致的管上的壓力降為P2-P1＝I dW/dt m-1其中，W是質(zhì)量流量kg/s，以及P是壓力N/m2因此，當(dāng)液體在壓力源的作用下加速時(shí)，慣性導(dǎo)致有效的壓力降并減小質(zhì)量流量的加速度，而當(dāng)液體由于壓縮腔中的壓力的上升和管路系統(tǒng)中的摩擦損失而減速時(shí)，慣性使得液體克服導(dǎo)致有效壓力上升的減速力。
改變管的長(zhǎng)度或孔徑將會(huì)影響管的阻力，這樣慣性效應(yīng)會(huì)改變噴射斷面的形狀，這種阻力會(huì)影響噴霧器壓力降和流量的量級(jí)。
圖5所示的是兩種情況，其中，壓力源和壓力腔之間的連接管中的液體在兩種情況下具有相似的慣性，但是，下部曲線H與曲線G相比具有較高的流動(dòng)阻力并因此具有較低的流量和較低的噴霧器壓力降。
該阻力與管長(zhǎng)度成正比而與管直徑的五次方成反比，并因此以一種不同于慣性的方式變化。因此，通過選擇適當(dāng)?shù)墓荛L(zhǎng)和橫斷面積，并且通過選擇閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間，可以獲得理想的斷面。流量還能夠通過對(duì)于來自于蓄水器的壓力進(jìn)行節(jié)流而降低，這樣就提供了一種使得流動(dòng)阻力上升而有不會(huì)影響慣性特性的方法。
對(duì)流量進(jìn)行節(jié)流或具有較高的流動(dòng)阻力導(dǎo)致了液體供給系統(tǒng)中的損失。這在有些時(shí)侯是可以接受的，因?yàn)橐后w供給貯存器將會(huì)處于較高的壓力，并且不希望始終采用經(jīng)過噴霧器的全壓。然而，在到達(dá)行程的末端時(shí)，損失應(yīng)被最小化，且慣性效應(yīng)用于確保良好的壓力降和流量。為了使得損失最小化，管的橫斷面積不應(yīng)過小，并因此確保高的慣性，管路系統(tǒng)和管長(zhǎng)應(yīng)該相對(duì)長(zhǎng)一些。
將參照附圖6對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。氣缸1限定了一壓縮腔2，氣體在該壓縮腔中受到往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞3的壓縮。待壓縮的氣體在進(jìn)氣閥5的控制下通過進(jìn)氣管路4輸送給壓縮腔2。
在壓縮操作過程中，水以噴霧微滴形式通過上下間隔開的環(huán)形的上多支噴嘴6和下多支噴嘴7進(jìn)行噴射。該噴嘴的結(jié)構(gòu)在WO96/16741中進(jìn)行了更為詳細(xì)的描述。
較冷的壓縮氣體與噴射進(jìn)來的水一起在排氣閥9的控制下經(jīng)過排氣管路8被抽出壓縮腔2。壓縮氣體和水被輸送給分離器10，氣體和水在該分離器中被分離。被分離出來的氣體隨后用于加熱和膨脹。水被輸送給熱交換器12，水在該熱交換器中冷卻?；厥盏臒崃靠梢杂糜谠撗h(huán)的另一部分，也或用于空間加熱或排放掉。離開熱交換器12的水被輸送給收集器13。收集器13中含有可壓縮的氣體，該收集器能夠在短時(shí)間內(nèi)向慣性管路系統(tǒng)釋放較高的流量流。該收集器起到了提供慣性流的管路系統(tǒng)的上游限制的作用。
如下所述，液體通過管路和閥的系統(tǒng)被輸送給多支噴嘴6、7。第一管14將收集器13連接到第二管15，第二管通向上多支噴嘴6。通過第一管14的流量受到第一控制閥16的控制，而流過第二管15的流量受到在第一控制閥的下游的第二控制閥17的控制。第一管14具有相對(duì)較低的慣性，這樣，當(dāng)閥16開啟時(shí)，第一管14中的流動(dòng)會(huì)迅速加速。第三管18包括一較大的U彎曲部分，該彎曲部分具有來自收集器13的相對(duì)較高的慣性，并且長(zhǎng)度比第三管18短的第四管19將第三管18連接到下多支噴嘴7上。流過第四管19的流量受到第三控制閥20的控制。在第三管18中部不需要閥，因?yàn)樵谠摴苤械牧鲃?dòng)的開始早于第一管14中的流動(dòng)并因此能夠由第二控制閥17和第三控制閥20進(jìn)行控制。一支管21將第一管14和第二管15連接到第三管18和第四管19上。
第一到第三控制閥16、17、20為快速動(dòng)作閥，例如為液壓滑閥。另一方面，氣缸1上的閥5、9通常為提升閥。
在噴射開始之前，所有三個(gè)控制閥16、17、20都是關(guān)閉的。噴射通常緊接于壓縮開始之后通過開啟第二控制閥17和第三控制閥20而啟動(dòng)。在圖7A和7B中所示的的啟動(dòng)在大約-165°。控制閥17、20可以同時(shí)開啟，或一個(gè)在另一個(gè)開啟之前的開啟。例如，第三控制閥20可以開啟的稍早一些，因?yàn)檫@會(huì)使水具有更長(zhǎng)的時(shí)間穿透到氣缸1的下部。因此，在壓縮的早期階段期間，水流向兩個(gè)多支噴嘴6、7，其中流量如圖7B所示地上升。由于第一控制閥此時(shí)還被關(guān)閉著，因此流動(dòng)相對(duì)較慢地增長(zhǎng)，這是因?yàn)榈谌?8中的慣性較高。
當(dāng)活塞3在氣缸上升時(shí)，功率以及由此對(duì)氣缸的熱量輸出會(huì)上升。因此更迅速地增加水的噴射量是希望的，因此第一控制閥16在曲柄角-130°時(shí)開啟。由于在第一控制閥16上游的第一管14的慣性較低，因此兩個(gè)多支噴嘴中的流量會(huì)迅速增加。圖7B所示的是流量的由此獲得的增加量，尤其是在上多支噴嘴6中，更直接的路徑從收集器13連接到該上多支噴嘴上。通過開啟第一控制閥16而產(chǎn)生的流量的增大有助于克服噴嘴和相應(yīng)管路系統(tǒng)產(chǎn)生的流動(dòng)阻力的增加。
在壓縮階段的末端附近，當(dāng)輸入的功和熱量接近其最大值時(shí)，活塞1開始阻擋或完全阻止來自于下多支噴嘴7的流動(dòng)。這通常在曲柄角約-50°處。來自于下多支噴嘴7的水的噴射會(huì)被浪費(fèi)掉，因?yàn)樗鼈兇蠖鄡H僅是撞擊到活塞上而不會(huì)對(duì)冷卻有太大的幫助。此時(shí)，第三控制閥20關(guān)閉以便阻止流向該下多支噴嘴7的流動(dòng)。這還具有迫使所有水流向該上多支噴嘴6的作用，該作用使得如圖7A所示的該壓力增大。如該圖清楚可見，在該階段之后的下多支噴嘴7中的壓力將僅僅跟隨該氣缸中的壓力。此時(shí)，因?yàn)樵谏嫌喂?4、15、18、19、21中依然存在較大的動(dòng)能，因此第三控制閥的關(guān)閉會(huì)使得上多支噴嘴6的噴嘴的流量進(jìn)一步增大，該噴嘴布置成將該流體引向氣缸1的頂部的相對(duì)較窄的空間。由于第三控制閥20的關(guān)閉所導(dǎo)致的壓力上升足以克服快速上升的氣缸壓力，因此上多支噴嘴的較高的流量一直推延到如圖7A中所示的曲柄角-30°處的壓縮末端。該壓力增大到這樣一種程度，即，曲柄角為在上死點(diǎn)之前的40°和20°之間，即使氣缸壓力高于壓力源的壓力，水還能噴射出。
當(dāng)排氣閥9開啟時(shí)，在不產(chǎn)生由于水錘導(dǎo)致的不可接受的壓力的情況下盡可能迅速地切斷水流是所希望的。這可以通過在一段適當(dāng)時(shí)間內(nèi)關(guān)閉第二控制閥16而實(shí)現(xiàn)。最后，第一控制閥也關(guān)閉以備用于下一循環(huán)。
需要指出的是，該實(shí)施例采用分離器10中的壓縮空氣作為壓力源來驅(qū)動(dòng)液體的噴射。然而，同樣能夠從不同的壓力源中產(chǎn)生用于泵送系統(tǒng)的壓力，例如傳統(tǒng)的泵。另一方面，收集器12的作用是為了消除壓力波動(dòng)，因此在分離器和收集器之間所有上游管路系統(tǒng)的慣性都不會(huì)影響慣性泵送系統(tǒng)的特性。在采用傳統(tǒng)泵的這種替代系統(tǒng)中可能仍然會(huì)需要收集器。
作為冷卻器12和收集器13的一種替代方式，可以將一冷卻器設(shè)置在罐子10的底部。該冷卻器可以采用螺旋管的形式，冷卻劑流過其中。和消除對(duì)冷卻器12的需要一樣，這種結(jié)構(gòu)也能夠消除對(duì)收集器13的需要。在這種情況下，分離器10將必須足夠地接近氣缸1，以使得管路系統(tǒng)依然布置成能夠提供所需的慣性。
盡管圖6表明第三管8所需的慣性能夠通過一單獨(dú)的U型彎管來實(shí)現(xiàn)，但是這樣在有些應(yīng)用場(chǎng)合并不夠。在限定空間內(nèi)獲得理想的管路慣性的一些替代方式包括在管路中形成一些螺旋，或者將多個(gè)U型彎管和直管串聯(lián)在一起形成一種類似于用于某種熱交換器結(jié)構(gòu)中的蛇形結(jié)構(gòu)。
附加的多支噴嘴上可以設(shè)有附加閥，以便控制通過該噴嘴的流量。附加的管還可以與收集器13相連。這些附加管可以具有不同的慣性并且還具有閥，以控制那些管中的流動(dòng)以便在不同時(shí)候啟動(dòng)。單一支管能將所有從收集器13引出的管連接到通向不同噴霧器的所有管上?；蛘?，有選擇地形成一些接頭，例如一個(gè)以上的支管。
權(quán)利要求
1.一種氣體壓縮機(jī)，其包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一用于使得壓縮氣體從該壓縮腔中抽出的閥裝置；一用于將液體噴射到該壓縮腔中以便在壓縮期間吸收所述氣體中的熱量的噴霧器；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該噴霧器的管，其中，該加壓源布置成使得所述液體加速經(jīng)過該噴霧器進(jìn)入該壓縮腔，并且該管的尺寸確定成，以限定其內(nèi)的所述液體的慣性，以便在壓縮期間控制經(jīng)過該噴霧器的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得進(jìn)入該壓縮腔中的液體的流量在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較高時(shí)大致減小，而在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較低時(shí)大致增大。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體壓縮機(jī)，其中，設(shè)有一閥，以控制經(jīng)過該噴霧器的流動(dòng)的時(shí)間安排。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氣體壓縮機(jī)，其中，該管的尺寸確定成以限定該慣性，以使經(jīng)過該噴霧器的質(zhì)量流量在驅(qū)動(dòng)所述活塞的名義曲柄軸的曲柄角為至少30°、優(yōu)選至少為45°、更優(yōu)選至少為60°的時(shí)間段內(nèi)增大。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的氣體壓縮機(jī)，其中，該加壓源包括由壓縮氣體進(jìn)行加壓的貯存器。
5.如權(quán)利要求4所述的氣體壓縮機(jī)，其還包括布置成供給來自于壓縮腔的壓縮氣體以便對(duì)該貯存器中的液體加壓的裝置。
6.如權(quán)利要求4或5所述的氣體壓縮機(jī)，其中，該貯存器為一收集器，并且該壓縮機(jī)還包括位于該收集器上游的分離器，該分離器接收來自于該壓縮腔的氣體和液體；用于將該分離器中的液體輸送給該收集器的裝置；以及對(duì)從該分離器輸送到該收集器的液體進(jìn)行冷卻的冷卻器。
7.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其還包括布置成將液體從該貯存器輸送給該噴霧器的另一管。
8.如權(quán)利要求6所述的氣體壓縮機(jī)，其中，該另一管的尺寸確定成，以將其中的液體的慣性限定成不同于由所述管的尺寸限定的慣性。
9.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其還包括用于將液體噴射到該壓縮腔中的另一噴霧器，經(jīng)過該另一噴霧器的流動(dòng)由另一閥來控制。
10.如權(quán)利要求9所述的氣體壓縮機(jī)，其中，支管將該管與該另一管連接起來。
11.如權(quán)利要求10所述的氣體壓縮機(jī)，其中，在該支管連接到該管的位置處的上游的所述管的其中一個(gè)中設(shè)置第三閥，而該閥和該另一閥位于該支管的下游。
12.一種在壓縮過程中控制氣體壓縮機(jī)中的氣體溫度的方法，該氣體壓縮機(jī)包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該壓縮腔的管，該方法包括以下步驟通過該加壓源使液體加速經(jīng)過該噴霧器，以將液體噴射入該壓縮腔中，并且通過確定該管的尺寸，以限定其內(nèi)的液體的慣性，以便在壓縮期間控制進(jìn)入該壓縮腔的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得進(jìn)入該壓縮腔中的液體的流量在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較高時(shí)大致減小，而在所述源和所述壓縮腔之間的壓差較低時(shí)大致增大。
13.一種氣體壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一用于使得壓縮氣體從該壓縮腔中抽出的閥裝置；一用于將液體噴射到該壓縮腔中以便在壓縮期間吸收所述氣體中的熱量的噴霧器；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該噴霧器的管，其中，該加壓源布置成使得所述液體加速經(jīng)過該噴霧器進(jìn)入該壓縮腔，并且該管的尺寸確定成，以限定其內(nèi)的所述液體的慣性，以便在壓縮期間控制經(jīng)過該噴霧器的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得當(dāng)該壓縮腔中的壓力高于所述源的壓力時(shí)液體可被噴射入該壓縮腔中。
14.如權(quán)利要求13所述的氣體壓縮機(jī)，其中，該慣性如此確定，即，使得液體噴射而同時(shí)該壓縮腔中的壓力高于所述源的壓力的時(shí)間段為驅(qū)動(dòng)活塞的名義曲柄軸的曲柄角至少5°、優(yōu)選至少10°、更優(yōu)選至少15°的時(shí)間段。
15.一種在壓縮過程中控制氣體壓縮機(jī)中的氣體溫度的方法，該氣體壓縮機(jī)包括一容納待壓縮氣體的壓縮腔；一壓縮活塞，通過該壓縮活塞在該壓縮腔中的運(yùn)動(dòng)來壓縮所述氣體；一液體加壓源；以及布置成將液體從該加壓源輸送到該壓縮腔的管，該方法包括以下步驟通過該加壓源使液體加速經(jīng)過該噴霧器，以將液體噴射入該壓縮腔中，并且通過確定該管的尺寸，以限定其內(nèi)的液體的慣性，以便在壓縮期間控制進(jìn)入該壓縮腔的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使得當(dāng)該壓縮腔中的壓力高于所述源的壓力時(shí)液體可被噴射入該壓縮腔中。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，該慣性如此確定，即，使得液體噴射而同時(shí)該壓縮腔中的壓力高于所述源的壓力的時(shí)間段為驅(qū)動(dòng)該活塞的名義曲柄軸的曲柄角至少5°、優(yōu)選至少10°、更優(yōu)選至少15°的時(shí)間段。
全文摘要
一種往復(fù)式氣體壓縮機(jī)，其中活塞(3)在壓縮腔(1)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)以便壓縮氣體。水通過噴嘴(6、7)噴射到壓縮腔中以便在壓縮過程中冷卻氣體。加壓液體源(13)布置成使通過噴嘴(6，7)的流動(dòng)加速。至少一個(gè)管(14，17，19)將壓力源(13)連接到噴嘴(6，7)上。管(14，17，19)的尺寸確定成能限定液體的慣性，以便在壓縮過程中控制流過噴嘴的液體的質(zhì)量流量的加速的速率，從而使當(dāng)壓縮腔中的壓力接近其最終值時(shí)，壓縮腔中的液體的冷卻能力增加。
文檔編號(hào)F04B49/06GK1432109SQ01810520
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
發(fā)明者M·W·E·科尼, R·A·赫克斯利, R·E·摩根 申請(qǐng)人:因諾吉公眾有限公司