专利名称：用于阀的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于影响一个阀的关闭元件，特别是活塞压缩机的一个阀的阀板的周期性往复运动的装置和方法，它至少具有一个在行程方向上对关闭元件作用的控制缸，该控制缸可以通过一个控制元件周期地用压力介质作用或松开。对于相应于工作周期周期性地打开或关闭的阀有各种不同的驱动是公知的，这种驱动对于象内燃机和类似的机器以及泵、压缩机和类似设备的往复式活塞机中的工作过程的控制是基本所需的。这种驱动在两个方向延伸(即内燃机中的正向阀控制)，从由凸轮或其类似物驱动的用弹簧加载的中间元件上方的刚性的、机械的自动驱动到只在一例沿关闭方向用弹簧加载的压缩机阀，而这个阀是通过流过的气体的压力开启的。特别后一类型的阀在用于活塞压缩机时主要为自动的，尤其是在利用一个阀环或阀板的自由运动来工作时，环或阀板仅由所作用的流体或压力和弹簧力的交替配合而工作。因此这种类型的阀的设计要考虑最小的流动损失和最大的预期寿命之间的协调并且需要大量的经验或相应的先进的计算方法，否则存在阀的不可预见的操作损坏或不希望的操作行为的危险。
在制造活塞压缩机的历史中，曾经重复尝试在例如发动机结构中使用自动控制阀，它原则上解决了各种设计要求的矛盾。
这种类型的自动控制阀由于对压缩控制所需要的可变的控制时间而产生一个较复杂的控制逻辑，并且受所使用的机械和/或液压结构的不可接近性的限制，以及受用于机械元件(例如凸轮轴、阀推杆、控制杆等)的高花费的限制，这些以前都阻碍了这种类型结构的进一步推广。
所以，例如有一段时间曾经已知一种活塞压缩机的吸气阀的电磁驱动控制，其中与吸气阀的密封元件结合的一个提升杆通过一个连接在阀盖上的电磁铁来移动，电磁铁的周期性励磁通过一个与压缩机曲轴同步旋转的集流器来产生。由于局部的作用在吸气阀的密封元件上的巨大回流压力的结果，所以需要有有相应的电流消耗的大电磁铁，这是非常不利和所不希望的。
另外，已知有一种用于在压力行程的一部分中保持吸气阀打开的气动控制单元，其中使阀保持打开的作用是通过要被压缩的气体本身来实现的。控制是通过一个旋转阀来产生的，控制活塞在其中动作的几个独立的缸周期性地由旋转阀来启动。然而，设备的复杂性显然具有限制性。
在恒速运行的活塞压缩机的供给质量控制方面，通过在一定的压缩行程范围内每个缸至少保持一个吸气阀打开，使所谓的回流控制至少得到，因此局部体现，每次在最初完成确定部分的活塞行程后，压回保持打开的吸气阀的气体的压力或流动压力能够关闭吸气阀的关闭元件，这是由于，从另一侧，这个关闭元件是由一个与所需供给量的减小对流的相反压力来动作的。此相反压力越大，吸气阀在压缩行程中关闭得越晚，从而减少了供给的总量。由于在相反压力设置过高时，吸气阀不会马上进一步关闭，因此这种类型的压缩控制的范围在上端范围内是受到限制的，以避免产生压缩机的间歇性空转和它所伴随的问题。
有关后者，在已知的实施例中，用于要保持打开的吸气阀的加载装置是用液压和气动预加载的，因此，通过改变适当的预加载压力，可以影响压缩机的供应量。
最后，上面提到的类型的装置已从美国专利3,104,801、1,788,435或2,657,850中知道，其中压力介质被周期地送到控制缸中，该控制缸对中心地设置在旋转阀或系统上方的关闭元件起作用，关闭元件的结构与已知的柴油喷射泵相似，它在所需的内流进入阀的关闭元件的末尾时适当地关上。还知道有一些实施例，其中通过一个用于减轻压力的止回阀来阻止压力介质的提供，以便通过一个具有单独的、较大流动阻力的排放来调节或减少溢流。
用于周期性影响关闭元件的行程运动所需的高压，在多数相对较大的旋转速度和这样短的关闭元件行程运动周期方面会产生问题，这一条件在上面描述的已知装置中是特别不利的。
很容易理解的是，对于所说的要驱动的阀的关闭元件的周期性的往复运动，高的压缩机或冷凝器的速度多半仅允许非常短的时间间隔，该阀由于所需的大开口截面和相关的关闭元件的大行程而有较大的行程率，同时有例如在往复运动的末尾使关闭元件损伤和破坏的危险。这种通过控制缸作用于关闭元件的压力介质的较高的周期性压力波可能在管路中出现压力波时产生其它问题，它们迄今一般都阻碍了已知技术的应用。
本发明的目的是提供一种改进的上面提到的类型的设备和方法，用以避免已知设备和方法中的提到的缺点，并且用特别简单的装置对关闭元件的周期性往复运动产生作用，以便即使对于作用在控制缸上的压力介质的较大的所需压刀和高的动态控制过程，也能获得一个可靠的装置，该装置不会在较长时间操作下产生所述的破坏。
通过带有一个上述类型的装置的本发明来解决这个问题是由于，控制元件至少具有一个与提供或释放压力介质和逐步地、可变地加速或延迟这种压力形成和/或减轻以及关闭元件的往复运动有关的控制元件。本发明的方法的相应的结构要使得关闭元件的压力冲击和/或减轻要通过行程可变地，至少是逐渐地产生。例如，在最简单的情况下，控制元件可以控制压缩机的吸气阀的确定部分有较长的维持压缩的行程，以使在释放流动压力的吸气阀阀板的关闭运动开始时，这种压力的释放基本上无节流地产生，因而相应的阀板的运动产生得很快，与运动相反的压力释放节流可在阀板撞击阀座之前产生，因此，阀板至少在边界上产生对阀座的缓慢和轻柔的撞击。类似的阀的关闭元件的运动影响也可在阀板的打开方向同样被感觉到，例如在要防止开启的阀板对承接装置的未受抑制的冲击时感觉到。
一般来讲，根据本发明的上述特征和方法，可以对作用在控制缸上的压力介质的压力形成和释放产生基本上是自由的影响，它提供了有关的阀的关闭元件的运动特性的广泛范围的影响可能性。
在本发明的装置的一个进一步优选实施例中，控制元件具有至少一个可变的可控致动元件，例如一个具有几个致动位置的压电阀，它同时又构成了控制元件。根据本发明的另一个特征，该控制元件可具有至少一个单独的致动元件，最好是一个具有几个致动位置和一个独立控制元件的磁力或压电阀。首先，可控致动元件本身也构成了控制元件，用于压力形成和释放的可变的加速或延迟，即经过那些可以直接受到影响的流通截面到对关闭元件起作用的控制缸，这样，根据本发明，就使一个比较简单和因此而经济又可靠的结构成为可能。第二，由于仅起动用于压力介质的不同通路，所以单独的致动元件的设计或布置是相当容易的。首先通过结构上独立于致动元件的控制元件来实现所要求的对压力形成和释放的作用，然后根据致动元件进行压力介质的供给。就装置的结构和方法过程而论，这种变化更经济和更容易用现有技术实现。
在一个根据本发明的装置的特殊优选实施例中，控制元件至少具有一个置放活塞，它可以由压力介质移动并驱动一个移动元件以便在至少两个不同节流的通路之间转换压力介质的流动。这是控制元件的一个非常简单的机械结构，例如用它可以在撞击阀座之前很好的完成上面提到的抑制暂时还保持打开的吸气阀阀板。
在本发明装置的另一个优选实施例中，在控制元件和一个压力介质的连接源之间提供一个止回阀，它提供的优点是泵的初始压力可不必与作用在关闭元件上的最大压力相对应，这样，就可降低所安装的泵的功率和能量的消耗。
对于上面提到的借助吸气阀的关闭元件的压力作用，通过保持至少一个吸气阀在至少一部分压缩行程的范围内打开的情况下的活塞压缩机的回流控制方面，本发明方法的另一个结构是有利的，其中压力的瞬时减轻可在保持打开的周期性的部分范围的末端发生，这种打开在每种情况下基本上是无节流然后是有很大的节流的。这种类型的压缩调节的有利之处在于，瞬时打开的关闭元件不会在回流压力作用下以过高的速率和无抑制地撞击阀座，回流压力在该处在其释放时是巨大的并且能损坏阀座和阀板甚至弹簧连接件。
在本发明的方法的另一结构中，至少是逐渐变化的关闭元件和对其有影响的控制缸的压力作用也可在行程的两个方向上产生。这样，在每种情况下，都产生阀的关闭元件的实际自动控制，它可认为更具柔性并比例如机械的自动控制更适用于活塞压缩机。对于在两个行程方向上对关闭元件起作用，以便能够以直接的方式对压力的形成和/或减小和对关闭元件的周期性行程运动起作用来说，本发明的方法的优点自然仍旧得到保持。
图1到图4是本发明的示意实施例，其中通过一个带有几个致动位置的磁力阀或压电阀和一个独立的控制元件来实现压力介质的不同流通截面的控制和随之而变的压力形成和减小的加速或延迟。
图5a和5b是与现有技术相比，根据本发明的吸气阀控制的不同工作点的速度V或压力P的曲线图。
在图1至图4所示的实施例中，将一个阀的密封元件12，例如将没有更详细描述的活塞压缩机的运动通过一个适当的装置11(例如在图1和图中称为提升柄)传递到一个控制缸8的活塞阀10上。根据是否将压力在一个运动方向或可能的两个运动方向传送，将该控制缸8设计成具有图1和图2的工作室9的单动缸或具有图3和图4的工作室9a的双动缸。下面，首先描述仅仅工作简单的变化功能，其中仅上端工作室9受压力介质的作用(图1和图2)。这样一种布置适用于，例如对本发明类型的活塞压缩机的吸气阀关闭或压力阀的开启起作用。
一个液压系统，例如一装有一个泵、电动机、油箱和可调限压阀的液压系统，向一个二位三通的方向控制阀5，例如它是用磁铁操纵的控制阀供应压力介质，只要磁铁6保持不加载，弹簧7将阀5推向所示的开关位置。这样，压力介质流进控制缸8的工作室9中并作用于活塞阀10上。这样推动了压缩机阀的密封元件12上的压力传递装置11。
在图1所示的吸气阀中，如果密封元件12已经位于承接装置14上，阀就打开或定位在打开位置上。在与该阀相关的压缩机缸的吸气循环的末尾，即所谓当达到底部死点时，由压缩机的介质作用在密封元件12上的流动力反转方向并力图关闭密封元件12。这些流动力通过阀的通常是共用的关闭弹簧15的作用来增大。在控制缸8的工作室9中的压力增加并且随后超过了由液压系统1提供的压力，这是由于连接在三位二通方向控制阀5的前端的管路3中的止回阀4阻碍了压力介质的回流，使得活塞阀的位置保持固定。
通过向阀5的磁铁6通电流，压力介质的回流反向并释放。该回流的压力介质流向一个具有一个活塞17和工作室18、19的辅助缸16。所示例中选择了辅助缸16的工作室18，以便活塞17的往复运动集取压力介质的每个部分，直到通过一个节流阀21泄漏辅助流，由此在活塞阀的运动的开始部分中将其排出。由活塞17从工作室19排出的压力介质经一个节流阀22流出，阀22表示了整个装置的流动阻力并被设置在这里以便具有尽可能小的损失。
一旦活塞17达到其末端位置，仅仅经过节流阀21的排液可用于来自控制缸并被活塞阀10调节的压力介质，控制缸此时具有明显高于节流阀22的阻力，以便从这一点开始在活塞阀10运动时，受到一个增加了几倍的力的抵抗因而产生密封元件12的运动的显著延迟。其结果是密封元件12以大大降低的速度冲击阀座13。
根据每个实施例，传力装置11与密封元件12刚性连接或如图1和图2仅表面与表面接触。在后一条件下，一旦装置11到达阀座13的末端位置，传力装置11就以密封元件往上升。由于压力介质排放的强烈节流的结果，使得传力装置11的剩余运动被抑制，由此而使传力装置11在最短的矩离内停止。这样肯定可以避免活塞阀10实际上达到的规定的行程极限，因此避免了对活塞阀10或相关的控制缸8的损害。由于安全的原因这种行程极限在结构上的设计要确保末端位置的液压缓冲。在这种装置的实际操作中，活塞阀10不会达到这种末端位置，因此避免了末端位置的液压缓冲的公知缺点，即由于引入了反向运动而避免了更困难的冲出末端位置的情况。
一旦压力介质从工作室9的排放完成，活塞17开始在弹簧20的作用下返回到其出发位置。这样，弹簧20除了克服活塞17本身的惯性外，还要克服由于从工作室19通过节流阀21进入工作室18中的溢流而引起的压力。这样，就完成了装置的一个操作循环。
二位三通方向控制阀5的其余位置要按照安全的需要予以选择。比较有利的是，二位三通道方向控制阀5在无流动状态下断开了控制缸8与液压系统1的连通，使得活塞阀10固定在下端位置上并且压缩机在空转状态下工作。
出于完善的目的，附设以压力介质蓄能器2或23作为压力介质的流动和回流中的脉动缓冲器，用于防止流体冲击并避免不希望的对与其相关的活塞阀10的运动和对传力装置11和密封元件12的反作用。
在如图2所示的用于控制活塞压缩机的压力阀的条件中，穿过承接装置14的密封元件12的运动通过传力装置11传到活塞阀10上。在剩余位置中，二位三通方向控制阀5断开了控制缸的工作室9与辅助缸16的工作室19的连通。一旦作用在密封元件上的气体压力克服了阀的关闭弹簧的力，则压力介质开始流出。如同对图1所示的吸气阀所描述的功能一样，密封元件12最初仅较略为减慢。刚好在碰到承接装置14之前，压力介质的很弱的节流排放终止。压力介质现在必须克服节流阀21，通过它可获得一个强的密封元件12运动的延迟。与对吸气阀的描述相类似，传力装置也能受到剧烈的抑制而停止。为了起动密封元件12的关闭运动，在压缩活塞到达的上端死点前的一个适当的时间，通过向磁铁6通电流而使二位三通方向控制阀5反向。这样压力介质可以流进而且密封元件能够压靠在阀座13上。其意义在于，当压缩机活塞大致已到达上端死点但仍未完全到达时，传力装置11的给进运动已经开始了。这样可以避免压缩机的工作介质的再压缩和由此而引起的附加损失。另一方面，限制了密封元件12晚关闭的可能性和与其相关连的高冲击速度的危险性。通过转换压缩气体的流动方向，只有一个小的剩余行程仍然可用于密封元件12，从而就可能增加的磨损和破裂而言，由一个可能的晚关闭引起的关闭速度是没有意义的。
有关图2所示的装置的其它特点和功能细节，可参考上面附图1所作的描述，以避免重复。
图3和图4表示的是具有双动控制缸的实施例，此外，活塞阀10与驱动工作室9a和9b相配合工作。这里，密封元件12、传力装置11和活塞阀10是刚性连接在一起的，并在控制缸8中的活塞阀10在两个运动方向时承受变化的缓冲。通过同步转换二位三通的方向控制阀5a、5b或通过转换图4中的五位二通方向控制阀5来产生每种情况下的位置移动。在每种情况下，受到压力介质冲击的控制缸的工作室的定位力都加在作用在密封元件12上的气体压力上。这样，密封元件12的运动可以基本上独立于气体力的定时过程而建立，这样，就可以获得例如压缩机阀的完全的自动控制。
有关图3和图4所示的实施例的其它特点和功能细节，可参考对图1和图2所作的相应的说明，以避免重复。用放大的图示部分a或b来表示各种实施例或用于吸气阀或压力阀的密封元件12的布置。
图5a是一个曲线图，表示在持续时间T的一个压缩循环中，一个吸气阀控制的不同工作点的传力装置11的或密封元件12的速度V的过程。曲线1.1和1.2表示满载，曲线2.1、2.2和3.1或3.2表示部分受载。该曲线涉及在阀座上的密封元件12的最大冲击速度V-max(由各种受载类型决定)。
在图5b中，表示了在压缩机工作室中的压力P与时间t的相应关系曲线。曲线1.1、2.1和3.1表示了一个压缩机等级的特性，其吸气阀装有可变的运动阻尼。虚曲线1.2、2.2和3.2表示带有恒定的运动阻尼的吸气阀(根据现有技术)的曲线，此时，阻尼要设计成使密封元件12在阀座上的最大冲击速度对于可变的和恒定的阻尼都是同样大的。
曲线1.1和1.2表示的是，通过转换控制元件，在每种情况下，密封元件12的关闭的运动都是在压缩机缸的底部死点开始的。随着活塞速度的增加并开始压缩，压缩机的工作介质对密封元件12施加一个增加的关闭力，它与关闭弹簧15的力叠加(见图1和图2)。对于可变阻尼，压力介质在开始时近似无阻尼地流出，使得关闭力主要用于加速密封元件和传力装置。对于恒定阻尼，必须选择一个比其它小很多的节流，以便要求在开始时关闭力的大部分用来克服节流的阻力。因此，本发明的可变阻尼与现有技术的恒定阻尼相比，可使密封元件更快地到达阀座。在距阀座大约20％的行程距离处，对于可变阻尼，压力介质排放的节流增加了几倍，使得运动突然遇到更大的阻力并且相应地减慢了。以后密封元件以一个明显减小的速度移向阀座，传力装置从密封元件提升并以所描述的速度快速离开。
假设在两种情况下密封元件有相同的冲击速度，则对于恒定的阻尼，关闭过程要明显长于可变阻尼。在持续的关闭过程中，要被压缩的气体回流，通过它产生了一个不需要的供应量的损失和附加的工作损失，它可以通过例如比较曲线1.1和1.2从图5b看到。
如果控制元件的激发在一个较后的时间产生(曲线2.1、2.2、3.1和3.2)，则降低了提供的总量因而相应地降低了压缩机的驱动能力。在所有描述和讨论的例示的实施例中，仅仅实现或论述了控制缸工作室的压力释放的可变节流。除了这一点，当然也可能在每种情况下同样设计在控制缸的工作室中的变化的压力形成，以便例如有可用在在此控制缸的相应工作行程的开始处的比在终止处大的调节速度。对于不同应用，与所描述的实施例，有区别也是有利的，例如在控制缸的每种情况下，在行程的开始处具有较小的调节速率并在结束时具有较大的速度。而且，根据本发明，在整个控制缸的行程上具有分级的或可变的速度增加和减小的混合形式也是可能的，并且容易实现的。另外，对压力波在压力介质中或是被消除或是恰当地受到作用或放大的情况，具有相应的快速转换控制元件或执行元件例如与适当的压力传感器配合的实施方案，对压力波是可以实现的，这样，就能对受控制的关闭元件的运动特性产生各种作用。
权利要求
1.用于影响阀的关闭元件，特别是活塞压缩机阀的阀板的周期性往复运动的装置，它具有至少一个在行程方向上作用在关闭元件上的控制缸，该控制缸至少可以通过一个控制元件周期性地用压力介质作用并松开，其中的控制元件与一个压力介质的供应或排放管路相连并且能可变地至少能逐渐地加速或减慢它的压力形成或释放并相应地加速或减慢关闭元件的往复运动。
2.如权利要求1的装置，其中控制元件具有至少一个包括一个具有几个致动位置的压电阀的可变的可控致动元件，它同时构成控制元件。
3.如权利要求1的装置，其中控制元件具有至少一个包括具有几个致动位置的电磁阀和另一个独立的控制元件的独立致动元件。
4.如权利要求3的装置，其中另一个控制元件具有至少一个可由压力介质移动的节流活塞，它驱动一个转换元件以便在至少两个不同节流通路之间转换压力介质的流动。
5.如权利要求1的装置，它包括两个控制元件，在其间提供一个压力介质的预加载源和一个止回阀。
6.用于影响一个阀的关闭元件，特别是活塞压缩机阀的阀板的周期性往复运动的方法，由此，对其工作的关闭元件或控制缸是由压力介质周期性地作用和松开的，它包括至少能逐渐地对关闭元件的压力冲击和/或释放行程起作用的步骤。
7.如权利要求6的用于活塞压缩机的回流控制方法，它通过吸气阀的关闭元件的压力作用在压缩行程的至少的一部分范围内保持至少一个吸气阀打开，它包括另一瞬间至少基本无节流并在保持周期性打开的部分范围的末尾很强地节流地影响压力释放的步骤。
8.如权利要求6的方法，其中作用在关闭元件或作用在控制缸上的可变压力作用至少在两个行程方向上都逐渐地产生。
全文摘要
为了影响阀的关闭元件的周期性往复运动，提供了一个在行程方向上作用于关闭元件的控制缸，它可以用压力介质通过控制元件周期性地作用或松开。控制元件与压力介质的供应或排放管路相连，并且可能可变地至少能逐渐地加速或减慢其压力形成或释放并由此加速或减慢关闭元件的往复运动。由此，例如能够以简单的方式使压缩机阀的部分或完全的自动控制成为可能。
文档编号F04B7/00GK1118048SQ9511581
公开日1996年3月6日 申请日期1995年7月28日 优先权日1994年7月29日
发明者彼得·斯坦鲁克 申请人:霍尔格阀门工厂股份公司