本申请要求2016年1月13日提交的澳大利亚临时专利申请第2016900094号的优先权，该临时专利申请的内容应理解为通过该引用并入本说明书中。
本发明总体上涉及使用碳质含水浆料(carbonaceousaqueousslurries)的柴油型发动机的燃料系统。本发明特别适用于使用碳质含水浆料的柴油型发动机的喷射器装置的受控排放系统和冲洗系统，并且在下文中关于该示例性应用公开本发明将是便利的。
发明背景
本发明的背景的以下讨论意图促进对本发明的理解。然而，应当理解，该讨论不是认可或承认提到的任何材料截至本申请的优先权日被公布、已知或是公知常识的一部分。
用于柴油型发动机中的常规柴油和重燃料油的当前喷射技术采用相对低粘度燃料的压力雾化。对于重燃料油，在其进入发动机高压喷射器泵之前，通过加热(高达165℃)将燃料粘度控制在5mpa.s至20mpa.s。低压燃料以相对恒定的压力提供给燃料系统，以提供燃料油的稳定循环和排放以经由喷射器中的减压阀和弹簧加载阀发生返回到热供给箱(servicetank)，一旦来自每次喷射事件的压力降低到低于来自低压输送泵的压力时，该减压阀和弹簧加载阀突然打开。这种循环将燃料系统保持在高温下，有助于空气的移除，并减少燃料切换的时间。
一种新兴技术是使用碳质含水浆料燃料代替用于柴油型发动机的重燃料油，例如如在国际专利公开第wo2015048843号中教导的，其内容应当理解为通过该引用并入本说明书中。碳质含水浆料燃料通常包括细磨含碳颗粒的含水胶体悬浮液。因此，浆料燃料的性质与柴油和燃料油显著不同，特别是具有高得多的粘度以及不稳定和沉降而形成淤渣的倾向，并且在系统中具有浆料燃料的情况下，如果发动机停止，则浆料燃料可能在喷射器喷嘴中干燥。
这些燃料的生产、运输、储存和使用可能导致已经阻碍商业化的许多技术问题。一个重要的问题是无论是在发动机操作期间还是在发动机已经停止时，防止浆料中的含碳颗粒沉降在油箱和燃油管线中，以及防止堵塞燃油喷射设备的较小孔口。避免这一问题的现有技术一直是采用使用燃料循环总管上的弹簧加载减压阀在相对恒定的燃料输送压力下在燃料系统周围持续循环预热的燃料的重燃料油系统。这允许燃料系统在喷射事件之间经由减压阀从燃料喷射器的高压回路排放燃料。然而，减压阀易于损坏并且在浆料燃料的情况下加速磨损。此外，使用预热的供给箱需要将相对大量的燃料(例如，8小时至24小时消耗量)保持在喷射温度。这对于含水浆料燃料而言是有问题的，含水浆料燃料易于随着延长的高温处理而沉降和不稳定。聚结对含水浆料的雾化也特别有害，导致点火延迟增加和燃烧不完全——所有这些均可能造成活塞环损坏和发动机寿命严重缩短，加上燃烧效率降低。
虽然现有技术可以通过使用可变流量输送泵来减少循环流而在一定程度上解决该问题，但是这可能引起其它问题，因为燃料输送压力可能不足以最佳地致动燃料喷射器泵，并且更具体地说，是利用燃料输送压力来缩回高压(喷射)燃料喷射器泵柱塞的柱塞式燃料喷射器泵。
现有技术的另一个问题是，在发动机没有长时间操作的情况下，不能够使用冲洗流体在供给箱之后执行燃料系统的完全和快速的冲洗。
因此，将需要的是提供一种燃料系统，特别是用于柴油型发动机的燃料喷射系统，该燃料喷射系统构造成使用碳质含水浆料燃料，该碳质含水浆料燃料减少了燃料系统中碳质含水浆料燃料的劣化、不稳定和聚结。还将优选的是，在供给箱之后提供燃料系统的更有效的和受控的冲洗。
发明概述
本发明提供了一种改进的燃料喷射系统和相关方法，其用于控制使用碳质含水浆料燃料的柴油型发动机中的燃料加热和循环，该碳质含水浆料燃料包括悬浮在含水介质(例如由煤、焦炭、炭黑和沥青形成的含水介质)中的碳质颗粒。本发明的实施方案可以构造成使用碳质含水浆料燃料，其被表征为一种微粉化精制碳燃料(mrc)。
本发明的第一方面提供了一种构造成使用碳质含水浆料燃料的柴油型发动机的燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括：至少一个燃料喷射器，该至少一个燃料喷射器包括燃料穿过其被雾化的喷射器喷嘴和用于对燃料加压以供应到喷射器喷嘴的燃料喷射器泵；和受控排放阀，其流体地连接每个燃料喷射器并定位成允许受控量的碳质含水浆料燃料从燃料喷射器流动。
在燃料喷射系统的每个喷射器上使用受控排放阀提供了穿过燃料喷射器系统的受调节的循环流碳质含水浆料燃料，并且还提供了来自每个喷射器的碳质含水浆料燃料的排放流的受控定时。因此，本发明通过控制碳质含水浆料燃料穿过燃料系统且更具体地穿过发动机的燃料喷射系统的排放和循环速率，有助于减少碳质含水浆料燃料的劣化、不稳定和聚结。
受控排放阀的使用代替了使用减压阀的需要，并且从而减少了如果燃料被系统中的密封油污染时喷射器中任何燃料的停留时间，并减少了燃料在高温下度过的时间。该布置还可以增加喷射器排放阀的使用寿命，并可以通过减少燃料喷射系统内碳质颗粒的堵塞来帮助优化发动机效率。使用受控排放阀还允许在供给箱后更快速地和受控地冲洗燃料系统。
使用受控排放阀还可以有利地消除对燃料的传统的单独预热循环总管的需要。与重燃料油相比，碳质含水浆料燃料可以被良好地喷射和燃烧，而不需要使用预热来控制粘度。这减少了对在所有条件下(例如，在燃料改变期间，其中单独的浆料燃料系统可能比优选的更冷)确保精确温度控制的需要。
应当理解，本发明的燃料喷射系统和燃料再循环系统适合在柴油型压燃式发动机中使用。
还应当理解，柴油型发动机包含制造成、构造成或改造成使用包括悬浮在含水介质中的碳质颗粒的燃料操作的任何发动机。合适的发动机包括常规的压燃式或柴油型发动机、使用碳质燃料的直接喷射的双燃料发动机、或由常规的压燃式或柴油型发动机改进、改造或以其它方式衍生以使用包括悬浮在含水介质中的碳质颗粒的燃料操作的发动机。一个示例是直喷式碳发动机(dice)——一种柴油型发动机，其已经被改造成能够燃烧微粒化精制碳燃料(mrc)的水基浆料。
本发明适合在各种燃料喷射系统中使用。举例来说，本发明适合在常规的喷射装置中使用，其中包括柱塞的燃料泵送元件容纳在泵室内。在这些系统中，泵室经由将喷嘴连接到泵室的燃料管道或燃料导管与喷射器喷嘴连通。喷射器喷嘴通常包括喷射器阀，该喷射器阀偏置到常闭位置，以调节燃料向燃烧室中的喷射。在这种布置中，柱塞的向下移动减小了泵室的容积，导致占据泵室和燃料管道的燃料容积内的压力增大。这对燃料加压以用于供给到喷射器喷嘴。这种压力增加克服了常闭喷射器阀中的偏置，该常闭喷射器阀移动到允许燃料从喷射器喷嘴喷洒到燃烧室中的打开位置。燃料释放到燃烧室中降低了喷射器喷嘴上游的压力，导致喷射器喷嘴阀返回到其常闭位置，由此终止穿过喷射器喷嘴的喷洒。由柱塞产生的加压燃料流经由喷射路径远离柱塞并朝向喷射器喷嘴行进，喷射路径因此由泵室和燃料管道的总容积界定。
如上所指出的，本发明适合与利用柱塞型燃料泵送元件和压力致动喷射器喷嘴的现有燃料喷射装置一起使用。然而，应当理解，这些仅仅是可以与本发明一起使用的燃料泵送元件和喷射器喷嘴的一些示例。各种可选燃料泵送系统和喷射器喷嘴适合与本发明一起使用。例如，根据所需的喷射压力，本发明的泵室和泵送元件可包括任何类型的适当的流产生装置，例如移动腔泵，或正排量泵，例如隔膜泵。在燃料泵送元件包括活塞或柱塞型泵送元件的本发明的实施方案中，活塞/柱塞可由各种致动系统(例如凸轮装置、液压装置)操作，或通过电子螺线管系统来操作。类似地，本发明的喷射器喷嘴可以是常规类型的喷射器喷嘴(即，通过增加喷射路径内的压力而致动到其打开位置)，或者可选地，可以由单独的系统(例如，液压或电子系统)选择性地致动，以提供对进入燃烧室中的喷射事件的增加的控制，在一些发动机系统中，该喷射事件被精确地定时以实现增加的燃烧效率。
用于本发明的柴油型发动机中的碳质含水浆料燃料包括悬浮在含水介质中的碳质颗粒。这种燃料通常包括细磨碳质颗粒的含水胶体悬浮液。悬浮液可以具有糊状稠度。此外，优选地，碳质颗粒是疏水性的，因为它改善了颗粒在介质中的分散。国际专利公开第wo2015048843a1号中教导了一个合适的示例，其内容应理解为通过该引用并入本说明书中。
受控排放阀可以具有任何合适的构造。在优选实施方案中，受控排放阀包括电子控制的排放阀或液压控制的排放阀中的至少一个。在一些实施方案中，受控排放阀包括moog品牌的电子控制阀/致动器，其优选地适合于与碳质含水浆料燃料一起使用，例如阀座材料的改造或诸如此类。
优选地，受控排放阀选择成提供快速打开和关闭，以在一个喷射事件结束和另一个喷射事件开始之间的时段期间，并且更优选地在燃料泵的再填充和下一个喷射事件开始之间的时段期间，能够实现完全打开和关闭周期。例如，在发动机以120转/分钟运转的情况下，该时段将是约200ms至400ms长(取决于其是否包括再填充时间)，并且阀的打开和关闭持续时间将理想地是约20ms。应当理解，更快的发动机速度将需要成比例地更快地打开阀。
如上面所指出的，操作受控排放阀以使碳质含水浆料燃料循环穿过喷射器，以减少碳质含水浆料燃料的劣化、不稳定和聚结。优选地，排放阀被操作以在燃料喷射泵将燃料吸入喷射器中之后并且在燃料喷射器使燃料穿过喷射器喷嘴喷射之前，允许来自燃料喷射器的流动。这允许喷射器正常操作，以将所必需量的燃料吸入喷射器中，并通过喷射器喷嘴喷出/雾化该燃料。对于给定的燃料输送压力，优选地，排放流由排放阀的占空比控制。
受控排放阀可以在任何合适的位置处流体地连接到喷射器。优选地，受控排放阀在燃料喷射器泵和喷射器喷嘴周围或在燃料喷射器泵和喷射器喷嘴之间通过喷射器流体地连接。这使得该系统能够用于常规的泵-管线-喷嘴喷射系统。
在一些实施方案中，喷射器喷嘴包括用于控制穿过喷射器喷嘴的流量的流量阀，并且受控排放阀在所述流量阀处或在所述流量阀周围流体地连接到喷射器。流量阀通常包括阀座，并且更优选地，因此受控排放阀在流量阀的阀座处或在其周围流体地连接到喷射器。将受控排放阀流体地连接到截止阀座有利地消除了阀座附近的任何死体积中的沉降，并使任何冲洗作用的效率(完整性)最大化。应当理解，流量阀可以包括任何合适的压力致动阀。在一些实施方案中，流量阀包括针型阀。
在其它实施方案中，受控排放阀流体地连接到燃料喷射器泵。在特定实施方案中，燃料喷射器泵包括柱塞泵，该柱塞泵包括缸和用于将燃料泵送到喷射器喷嘴的从动柱塞，并且受控排放阀流体地连接到缸中在柱塞和柱塞泵的燃料入口之间的泵容积。设想的是，通过将喷射器和燃料喷射器之间的流体连接相对于喷射器喷嘴的位置移动得更靠近燃料喷射器泵，这种布置将有利地用于具有较小横截面的喷射器。
应当理解，排放流率取决于碳质含水浆料燃料的流变性，并且可以根据发动机负载以及是否需要冲洗而在流过喷射器喷嘴的满负载流率的1％至100％之间变化。在一些实施方案中，排放流率在满负载流率的1％至20％之间，优选地在1％至5％之间。在其它实施方案中，排放流率是满负载流率的3％至15％，优选地是满负载流率的3％至10％，并且在一些实施方案中约是满负载流率的5％。例如，包括满负载流率的1％的排放流率将适合于具有良好流变特性的碳质含水浆料燃料，其中颗粒沉降和淤渣形成是最小的。在燃料易于形成淤渣的位置，排放流率将更高。
优选地，排放阀的占空度根据燃料的性质进行调节。在一些实施方案中，排放阀的占空度是不良流变燃料打开的时间的10％至20％，但是在喷射期间不打开，即同步。优选地，排放阀的导管或管尺寸比碳质含水浆料燃料中的最大含碳颗粒大至少5倍，以最小化腐蚀/磨损。在一些实施方案中，占空度可以包括排放周期和冲洗周期之间的循环周期。在实施方案中，该周期可以包括开关方波型周期，其用于清除任何碎屑或颗粒积聚，特别是在燃料易于形成淤渣的位置。在一些实施方案中，该系统包括至少一个传感器或测试系统，该至少一个传感器或测试系统可操作以确定煤浆料性质并将性质与最佳占空度设置相关联。
在一些实施方案中，排放阀的打开和关闭占空比也可用于控制喷射到发动机中的燃料量。例如，对于液压致动泵，排放阀可以用于控制从动柱塞例如在用于将燃料泵送到喷射器喷嘴的下行冲程中移动多远。
喷射器喷嘴可包括可与碳质含水浆料燃料一起使用的任何合适的燃料雾化器喷嘴。同一申请人在国际专利公开wo2013142921a1和wo2015048843a1中教导了形成鼓风雾化器型喷射器的一部分的一个合适喷射器喷嘴的示例，该国际专利公开的内容应当理解为通过该引用并入本说明书中。
本发明的燃料喷射器系统可以在整个系统内包括多个流体地连接的单元。在一些实施方案中，燃料喷射器系统还包括用于将燃料泵送到燃料喷射器的燃料输送泵。燃料输送泵通常与每个喷射器的入口流体连通。
优选地，每个受控排放阀流体地连接到燃料再循环系统。优选地，燃料再循环流流体地连接在受控排放阀的出口和燃料输送泵的入口之间。因此，在正常操作期间，来自受控排放阀的排放流被重引导到燃料输送泵的入口，以避免热劣化/污染燃料污染供给箱或日用箱，并减少热劣化燃料喷射到发动机中之前的时间。
在发动机正常操作期间，燃料喷射器系统和/或再循环流中的压力通常在10巴至50巴之间，更优选地在20巴至30巴之间。再循环流中燃料的温度通常在50℃至150℃之间，优选地在70℃至130℃之间。
燃料喷射器系统的一些实施方案还可以包括燃料循环总管，其中来自燃料循环总管的返回管道流体地连接到燃料输送泵的入口。优选地，每个受控排放阀流体地连接到燃料再循环系统。在该实施方案中包括燃料循环总管的燃料再循环流连接到燃料输送泵的入口，而不是供给箱的入口。这消除了热燃料与供给箱中较冷燃料的混合，并减少了不稳定的趋势。
燃料再循环流可以包括具有多个可选连接的回路。如上所指出的，优选地，燃料再循环流连接到燃料输送泵，以便将排放燃料直接再循环到喷射器。然而，优选地，也可以从再循环中转移或选择性地移除流体，例如污染的燃料、劣化的燃料、冲洗流体或诸如此类，使得该流体不被再循环回到燃料喷射器中。因此，在一些实施方案中，燃料再循环流包括与废物流的连接，流动可以选择性地转移到废物流中以从再循环流中移除流体。可以使用任何合适的流体连接。在一些实施方案中，废物流使用受控三通阀流体地连接到再循环流。燃料系统设有阀，以在系统冲洗或异常操作时段期间将排放流引导至废物箱或冲洗流体回收系统。
在一些实施方案中，燃料喷射器系统还包括供给箱，新鲜碳质含水浆料燃料供给到供给箱中，供给箱流体地连接到燃料输送泵的入口。优选地，供给箱在燃料喷射系统的较低温度下操作。供给箱的这种较低的工作温度进一步减少了浆料的不稳定。在实施方案中，在20℃至50℃之间，更优选在25℃至40℃之间的供给箱温度将适用于大多数燃料。应注意，这大约是比较常规的柴油型发动机中当前使用的温度的一半。优选地，控制阀流体地连接在供给箱的出口、冲洗流体管线的出口和燃料输送泵的入口之间。控制阀可用于中断来自供给箱的流动，并使冲洗流体能够泵送到发动机燃料系统中。有利地，该阀可以是三通阀或两个单独的阀。
在一些实施方案中，燃料喷射器系统还包括流体地连接到喷射器系统的入口的燃料预处理系统，燃料预处理系统包括用于将燃料加热到工作温度的燃料预热器。预处理系统还可以包括带有滤网的燃料过滤器，以从燃料舱箱中去除外来的粗物质，例如铁锈薄片。优选地，燃料预热器位于燃料过滤器之前，以在穿过过滤器筛分之前降低燃料粘度。优选地，燃料预热根据燃料的性质和返回的排放流而变化，以使喷射燃料的温度最大化，同时使燃料处于高温的平均时间最小化。预热器通常将流过其中的燃料加热到50℃至150℃之间，优选地70℃至130℃之间的温度。对于不同的燃料，可接受的时间-温度曲线将是不同的。
通过允许对发动机的燃料输送条件进行严格控制，以实现最佳燃烧和热效率(最大燃料预热)，同时在导致燃料不稳定的条件下大体上降低时间-温度，本发明与现有技术有很大不同。
在一些实施方案中，燃料喷射器系统还包括控制阀，控制阀流体地连接在燃料预处理系统和废物箱或流体回收系统之间。该控制阀可在系统冲洗或异常操作时段期间选择性地操作，以将流体从燃料预处理系统引导至废物箱或流体回收系统。有利地，使用该控制阀减少了冲洗时间。可以使用任何合适的阀配置。在一些实施方案中，该控制阀包括三通阀。
本发明的燃料喷射系统可以在多种应用中使用。在一些实施方案中，燃料喷射系统用于固定式发电发动机中。在这些实施方案中，发动机包括主要用于发电的大型发动机，其通常固定在建筑物或其它外壳内的适当位置中。在其它实施方案中，燃料喷射系统用于运输发动机中，通常用于推进船舶。运输发动机的示例包括使用发动机来驱动和推进机车、远洋船舶，例如轮船、远洋班轮、驳船或诸如此类。然而，应当理解，诸如卡车或诸如此类的其它交通工具发动机可以利用使用本发明的燃料喷射系统的合适尺寸和动力的发动机。
本发明的第二方面提供了一种柴油型发动机的燃料再循环系统，柴油型发动机构造成使用碳质含水浆料燃料，该柴油型发动机包括燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括至少一个燃料喷射器，该至少一个燃料喷射器包括燃料穿过其被雾化的喷射器喷嘴和用于对燃料加压以供应到喷射器喷嘴的燃料喷射器泵。燃料再循环系统包括与每个燃料喷射器流体地连接的至少一个受控排放阀，该至少一个受控排放阀定位成允许受控量的碳质含水浆料燃料从相应喷射器流动。
应当理解，本发明的第二方面的燃料再循环系统优选包括根据本发明的第一方面的燃料喷射系统。应当理解，先前关于本发明的第一方面讨论的所有特征可以同样地并入本发明的第二方面中。
本发明的第三方面提供了一种构造成使用碳质含水浆料燃料的柴油型发动机，其包括燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括至少一个燃料喷射器，每个喷射器包括：
燃料穿过其被雾化的喷射器喷嘴和用于对燃料加压以供应到所述喷射器喷嘴的燃料喷射器泵；和
受控排放阀，其流体地连接到每个燃料喷射器并定位成允许受控量的碳质含水浆料燃料从相应喷射器流动。
应当理解，优选地，本发明的第三方面的柴油型发动机包括根据本发明的第一方面的燃料喷射系统。应当理解，先前关于本发明的第一方面讨论的所有特征同样可以并入本发明的第三方面中。
还应当理解，本发明的第三方面的柴油型发动机可以包括能够使用碳质含水浆状燃料运行的任何发动机，例如直接喷射式发动机、压燃式发动机或柴油型发动机。在优选形式中，发动机包括改造的柴油型发动机，例如，具有鼓风喷射器/鼓风雾化器型喷射器的柴油型发动机。
本发明的第四方面提供了一种用于控制使用碳质含水浆料燃料的柴油型发动机中的燃料加热和循环的方法，该柴油型发动机包括根据本发明的第一方面的燃料喷射系统，燃料喷射器操作以将燃料喷射到发动机的燃烧室中，该方法包括以下步骤：操作排放阀以允许在燃料喷射事件之间从燃料喷射器进入燃烧室中的流动。
优选地，受控排放阀被操作以在燃料喷射泵将燃料吸入喷射器中之后并且在燃料喷射器使燃料穿过喷射器喷嘴喷射之前，允许来自燃料喷射器的流动。在实施方案中，燃料喷射器泵包括柱塞泵，该柱塞泵包括缸和用于将燃料泵送到喷射器喷嘴的从动柱塞，并且燃料喷射器泵通过柱塞的缩回将燃料吸入喷射器中。
对于给定的燃料输送压力，优选地，排放流由排放阀的占空比控制。在实施方案中，每个受控排放阀流体地连接到燃料再循环系统。这里，优选地，再循环流中的压降在电子控制的排放阀之前和之后由喷射器中的内部流动通道中的压降控制。该压降被控制以降低通过节流阀的排放流所经受的剪切强度。
在正常发动机操作期间，优选地，燃料再循环流将燃料从排放阀引导至燃料输送泵的入口。这种排放和再循环流直接将排放流再循环到燃料喷射系统，从而避免热劣化/污染燃料污染供给箱或日用箱，并减少热劣化燃料喷射到发动机中之前的时间。
本发明还能够在供给箱之后用冲洗流体完全地和快速地冲洗燃料系统，而不需要发动机的延长时间的操作。优选地，用于碳质含水浆料的冲洗流体是大体上不可燃的流体，例如，水或合适的洗涤剂混合物，并因此即使对于双燃料喷射系统，对于使用常规油燃料的单独燃料系统，由于稀释的浆料燃料的可能的不良燃烧，过度使用冲洗流体/延长冲洗持续时间可能是不希望的。
本发明的第五方面提供了一种冲洗使用碳质含水浆料燃料的柴油型发动机的喷射器系统的方法，该柴油型发动机包括根据本发明的第一方面的燃料喷射系统，该方法包括以下步骤：操作排放阀以允许来自燃料喷射器的连续流动。
在实施方案中，每个受控排放阀流体地连接到燃料再循环系统。优选地，再循环流构造成将冲洗流体流从排放阀引导至废物流。
在一些实施方案中，燃料喷射器在燃料系统冲洗操作结束时操作至少一个周期，优选地数个周期。这允许冲洗流体围绕喷射器中的所有通路流动，以确保完全冲洗每个喷射器。在这方面，每个喷射器中的通路在喷射器喷嘴的流量阀下方被冲洗，包括流量阀的阀座和喷射器喷嘴的表面。该冲洗周期可以定期地操作，例如，发动机每进行二十转，以便减少和/或防止燃料喷射系统中的污垢颗粒的疯狂积聚。
附图简述
现在将参考附图中的图描述本发明，附图中的图图示本发明的特别优选的实施方案，其中：
图1提供了根据本发明的一个实施方案的燃料喷射和再循环系统的示意图，该燃料喷射和再循环系统为流体地连接到发动机入口的燃料输送泵提供约5％的返回流，其包含至少一个受控排放阀，如图2至图5中所图示。
图1a提供了来自图1中所示的燃料喷射系统的柴油型发动机的横截面，其图示了喷射器在该发动机中的位置。
图2提供了根据本发明的受控排放系统的一个实施方案的示意图，该受控排放系统构造成用于液压齿轮式单体泵-喷射器，其中排放流获取自截止阀座或针型阀阀座周围。
图3提供了根据本发明的受控排放系统的一个实施方案的示意图，所述受控排放系统构造成用于非齿轮式单体泵-喷射器，其中排放流获取自截止阀座或针型阀阀座周围。
图4提供了根据本发明的受控排放系统的一个实施方案的示意图，该受控排放系统构造成用于液压齿轮式单体泵-喷射器，其中排放流获取自泵容积。
图5提供了根据本发明的受控排放系统的一个实施方案的示意图，该受控排放系统构造成用于非齿轮式单体泵-喷射器，其中排放流获取自泵容积。
详细描述
本发明包括燃料喷射系统和相关方法，其用于控制使用碳质含水浆料燃料的柴油型发动机中的燃料加热和循环。
本发明的燃料喷射系统(图1)在每个喷射器150(见图2至图5)上使用电子控制的排放阀(v1，图1)，排放阀可用于调节循环流和来自每个喷射器的排放流的定时。与重燃料油相比，碳质含水浆料燃料可以被喷射并良好燃烧，而不需要通过预热进行粘度控制，从而消除或减少了在所有条件下(例如，在燃料改变期间，其中单独的浆料燃料系统可能比优选的更冷)确保精确温度控制的需要。
不希望局限于任何一种理论，发明人已经发现碳质含水浆料燃料对例如通过减压阀和节流阀所经历的高剪切或空化条件通常表现不利。问题包括颗粒爆裂和颗粒聚结。这些效应随升高的温度而显著增加。由于使用密封用油来保护燃料喷射器泵柱塞和阀轴而污染循环的浆料，聚结进一步增大。发明人已经发现，这种污染的燃料需要尽快使用，以减少聚结趋势(油导致煤-水浆料中的煤和沥青-水浆料中的沥青聚结)。因此，将循环流返回到供给箱的现有技术将导致不稳定的浆料燃料的积聚，这可能导致燃料过滤器堵塞和燃料管线中的固体脱落(soliddropout)(特别是在配件处和流道面积的突然增加的情况下)。
应当理解，碳质含水浆料燃料包括含水浆料或悬浮型燃料，其包括悬浮在含水介质中的碳质颗粒。碳质颗粒可以来源于任何合适的碳源，包括但不限于各种煤、煤焦、沥青、木炭、木材、各种碳氢化合物和有机物，无论是生物性质的还是有机化合物等。优选地，碳质材料是煤。可以使用任何类型的煤，例如，无烟煤、烟煤，或者可以使用褐炭或褐煤。这是特别有利的，因为煤作为碳源是容易获得的。优选地，碳源具有低灰含量，优选小于2％(重量)，更优选小于1％(重量)，最优选小于0.5％(重量)。国际专利公开第wo2015048843a1号中教导了一种合适类型的碳质含水浆料燃料的示例，该国际专利公开的内容应当再次理解为通过该引用并入本说明书中。
在碳质颗粒是煤的情况下，优选地，煤已经经历某种形式的预处理。预处理可以包括去除大量的矿物灰污染，并且在低等级煤的情况下，表面性质的某种形式的致密化和改变使得煤更疏水，以能够实现具有更高煤装载的燃料。例如，烟煤脱矿质可以通过选择性聚结、浮选和旋风分离器来实现。同一申请人在国际专利公开wo2013142921a1和wo2015048843a1中教导了形成鼓风雾化器型喷射器的一部分的一种合适喷射器喷嘴的示例，该国际专利公开的内容应当再次理解为通过该引用并入本说明书中。
碳质含水浆料燃料可用于替代用于柴油型发动机、特别是用于大于5mw规模的固定发电和用于大型航运的重燃料油。煤水浆料燃料的流体性质与柴油和燃料油明显不同，特别是煤浆料具有高得多的剪切稀化非牛顿粘度，并且煤颗粒和污染物矿物颗粒对低硬度钢具有研磨作用，阻止了燃料对燃料系统的润滑。煤水浆料燃料已在多项示范项目中在改装的柴油型发动机中成功地进行了示范，前提是使用了硬化的燃料系统部件，并且燃料具有足够低的粘度。
本发明的实施方案可以构造成使用表征为一种微粉化精制碳燃料(mrc)的碳质含水浆料燃料。微粉化涉及将固体碳质(含碳)材料细磨至约10微米至60微米。精制包括物理清洁碳质材料，以便除去大部分矿物质，以产生矿物质含量约为1％的燃料。将精细碳质材料和水组合以产生含有40％-50％水的含水浆料/悬浮液。
应当理解，本发明适合用于压燃式发动机或柴油型发动机的直接喷射燃烧室。因此，特定的发动机可以包括常规的压燃式发动机或柴油型发动机，或者从常规的压燃式发动机或柴油发动机改进、改造或以其它方式衍生的发动机，以使用包括悬浮在含水介质中的碳质颗粒的燃料操作。
一个示例是直喷式碳发动机(dice)–它是柴油型发动机112的一种类型，其已经被改造以能够燃烧微粉化精制碳燃料(mrc)的水基浆料，如图1和图1a中所示。
图1提供了根据本发明的燃料喷射系统100的一个实施方案的示意图，该燃料喷射系统100在排放流期间将从1％至20％、优选3％至10％、更优选约5％的返回流提供至流体地连接到发动机112的入口的燃料输送泵120，其包含至少一个受控排放阀v1，如图2至图5中所图示。然而，应当理解(如下面所描述的)，在冲洗模式中，返回流可以高达100％。类似地，排放流也可以被调节以保持系统温度。所图示的燃料喷射系统100包括燃料循环回路，该燃料循环回路将新鲜燃料从供给箱110供应到柴油型发动机112。供给箱110通过预处理回路114连接到发动机，预处理回路114包括燃料输送泵120、预热器122和燃料过滤器124。使用适当的压力和温度传感器125、126、127，监测该回路114中的燃料的压力和温度。来自发动机112中的喷射器120(关于喷射器120的进一步细节，参见图2至图5)的燃料排放流在正常操作中经由燃料再循环流130再循环到预处理回路114。流量计132监测经由排放流135的来自发动机112的流体流。流量计138监测经由供给流139供给到发动机112中的流体流。
如前所指出的，优选地，受控排放阀v1选择成提供快速打开和关闭，以在一个喷射事件结束和另一个喷射事件开始之间的时段期间，更优选地在燃料泵的再填充和下一个喷射事件开始之间的时段期间，能够实现完全打开和关闭周期。应当理解，受控排放阀v1可以包括任何合适的排放阀。多种阀构造将是合适的，包括向内打开和向外打开的阀，这些阀或者使用起作用以拉开弹簧加载的阀轴的螺线管直接地操作，或者使用小型高速伺服液压阀(其控制液压油流以经由附接到浆料阀的液压活塞来打开或关闭阀)间接地操作。许多商业致动设备是可用的，例如，moog牌致动设备，但是在所有情况下，切换浆料流的阀应当设置有硬阀表面，例如碳化钨或陶瓷插入件，以抵抗浆料中的颗粒的磨损和擦伤，并且具有保护任何滑阀轴免受浆料进入的设置(provision)。在实施方案中，这可以有利地通过为阀轴施加高压密封流体来提供，其方式类似于被提供以保护其它喷射器部件，特别是泵柱塞和截止针的方式，并且因此将通过将高速浆料阀合并到同一单体喷射器组件中而被有利地促进。在一些实施方案中，受控排放阀v1包括moog品牌的电子控制阀/致动器，例如72系列伺服阀，其优选地适用于如上面所指出的碳质含水浆料燃料。
参照图1，新鲜燃料经由供给箱110供应到所图示的燃料喷射系统100中。供给箱110通常是位于发动机112附近的封闭箱，其包含用于该发动机112的燃料储器。有利地，供给箱112在比用于发动机112中的喷射的温度低得多的温度下操作，这进一步减少了浆料的不稳定。发明人认为，25℃至40℃的供给箱温度将可能适用于发动机112中使用的大多数碳质含水浆料燃料。提供阀v2(图1)以中断来自供给箱110的流，并且使冲洗流体173能够泵入发动机燃料系统中(如下面所概述)。有利地，该阀v2可以是三通阀或两个单独的阀。
供给箱110为燃料预处理回路114的燃料输送泵120供给燃料。燃料输送泵120可以包括任何合适的泵，包括本领域已知的用于柴油发动机的泵，例如机械式泵、液压泵、直列式泵、单体喷射器或诸如此类。燃料预处理回路114用于在将燃料供给到发动机112的燃料喷射器系统中之前将燃料调节到合适的性质(温度、压力、粘度以及诸如此类)。如所图示的，主燃料预热器122位于燃料过滤器127之前，从而允许过滤器127利用预热浆料的降低的粘度。燃料预热器122可以包括任何合适的燃料预热单元，包括本领域中已知的用于柴油发动机的燃料预热单元，其将燃料加热到选定的温度。类似地，燃料过滤器127可以包括任何合适的燃料过滤器或过滤单元，包括本领域中已知的用于柴油发动机的燃料过滤器或过滤单元。燃料预热应根据燃料的性质和返回的排放流而变化，以最大化喷射燃料的温度，同时使燃料处于高温的平均时间最小化。预热器通常将流过其中的燃料加热到50℃至150℃之间，优选地70℃至130℃之间的温度。对于不同的燃料，可接受的时间-温度曲线将是不同的。本发明与现有技术有很大不同，它允许对发动机的燃料输送条件进行严格控制，以实现最佳燃烧和热效率(最大燃料预热)，同时在导致燃料不稳定的条件下大体上降低时间-温度。
应当理解，燃料预处理回路114的部件在本领域中是公知的，并且可以从已知的部件中选择，例如在k.nicol的2014年12月的iea洁净煤中心报告ccc/243“thedirectinjectioncarbonengine”-https：//www.usea.org/sites/default/files/122014_the％20direct％20injection％20carbon％20engine_ccc243.pdf中所讨论的部件，其内容应当理解为通过该引用并入本说明书中。
预处理回路114经由阀v3(图1)连接到供给流139。阀v3可用于在系统冲洗或异常操作时段期间，将燃料流从燃料预处理回路114转移到连接到废物箱或冲洗流体回收系统170的废物流174，以有利地减少冲洗时间。有利地，阀v3可以是三通阀。
所图示的发动机112(图1和图1a)可以包括能够使用碳质含水浆料燃料运行的任何发动机，例如直接喷射发动机、压燃式发动机或柴油型发动机。在优选的形式中，发动机包括改造的柴油型发动机，例如具有鼓风喷射器的柴油型发动机。使用鼓风雾化器喷射器可以是有利的，因为它直接应用动能强度来雾化高固体含量燃料，该高固体含量燃料是高粘性的，具有宽尺寸分布，包含高比例的精细材料以及较大的最大尺寸(topsize)。直接应用来自鼓风流体的动能避免了燃料内的摩擦能量损失，允许有效地使用更多雾化能量(即，克服表面张力效应)。更低的燃料速度和更大的燃料通路使处理燃料的摩擦损失最小化，并允许比否则将可能的更大的燃料颗粒的最大尺寸。同一申请人在国际专利公开wo2013142921a1和wo2015048843a1中教导了一种合适的鼓风雾化器喷射器的示例，其内容应当理解为通过该引用并入本说明书中。
图1a提供了可以包含本发明的燃料喷射系统的示例性二冲程dice发动机112的横截面图。wibberleylj(2013)coalbase-loadpowerusingmicronisedrefinedcoal(mrc).energygeneration,pp35-39(2011年1月-3月)中教导了这些发动机的示例，其内容应理解为通过该引用并入本说明书中。该发动机是柴油型发动机，其改造成具有类似于图2至图5所图示的喷射器的直接燃料喷射器150。如图1a中所示，燃料喷射器150，更具体地，喷射器喷嘴152位于活塞壳体151上方，并且具有与燃料喷射器泵155的流体连接。
图2至图5图示了包括流体地连接的受控排放阀v1的发动机112的燃料喷射器150的四个不同实施方案。应当理解，虽然在所图示的实施方案中使用电子控制的排放阀v1，但是同样地可以使用其它类型的控制排放阀，例如液压控制的排放阀，而不脱离本发明的精神或范围。
在图2至图5所图示的每个实施方案中，所图示的燃料喷射器系统118包括燃料喷射器150，燃料喷射器150具有燃料穿过其被雾化的喷射器喷嘴152和用于对燃料加压以供应到喷射器喷嘴152的燃料喷射器泵154。喷射器喷嘴152包括流量阀，通常是针型阀(未示出)，用于控制穿过喷射器喷嘴152的流量。流量阀通常包括阀座(未图示出)。图示的燃料喷射器泵154包括柱塞泵，该柱塞泵包括缸和用于将燃料泵送到喷射器喷嘴152的从动柱塞155。
在图2至图5所示的每个实施方案中，受控排放阀v1然后在允许受控量的碳质含水浆料燃料从燃料喷射器150流动到流体地连接的燃料再循环流130(图1)的位置处流体地连接到每个燃料喷射器150。在燃料喷射器泵155将燃料吸入喷射器152之后以及在燃料喷射器150使燃料穿过喷射器喷嘴152喷射之前，排放阀v1被操作以允许流从燃料喷射器150进入再循环流130中。这允许喷射器150正常操作，以将所必需量的燃料吸入喷射器150中，并通过喷射器喷嘴152喷出/雾化该燃料。对于给定的燃料输送压力，优选地，排放流由排放阀v1的占空比控制。在发动机112的正常操作期间，排放流经由再循环流130被重定向到燃料低压输送泵120(图1)的入口，以避免热劣化/污染燃料污染供给箱或日用箱和/或以减少热劣化燃料喷射到发动机112中之前的时间。从受控排放阀v1到燃料输送泵120的排放返回可以是约1吨每小时。
受控排放阀可以在任何合适的位置处流体地连接到喷射器。如图2和图3中所示，受控排放阀v1可以在喷射器喷嘴152的流量阀的阀座处或在该阀座周围流体地连接到喷射器150。将受控排放阀v1流体地连接到截止阀座有利地消除了阀座附近的任何死体积中的沉降，并使任何冲洗作用的效率(完整性)最大化。图2和图3示出了使用齿轮式和非齿轮式液压致动喷射器150的该实施方案的示意图。图2示出了一个实施方案，其中燃料喷射器泵154是液压齿轮式单体泵-喷射器150a，并且排放阀v1连接在喷射器喷嘴152的截止阀座或针型阀阀座周围。图3示出了一个实施方案，其中燃料喷射器泵154是非齿轮式单体泵-喷射器，并且排放阀v1连接在喷射器喷嘴152的截止阀座或针型阀阀座周围。这些优选的布置从截止阀座(即针型阀阀座)周围获取排气流，以消除在该死体积中的沉降，并使冲洗的效率(完整性)最大化。
在其它实施方案中，受控排放阀v1流体地连接到燃料喷射器泵154，并因此从燃料喷射器泵154的泵容积中获取排放流以用于再循环流130。图4和图5示出了使用齿轮式和非齿轮式液压致动喷射器150的该实施方案的示意图。图4示出了一个实施方案，其中燃料喷射器泵154是液压齿轮单体泵-喷射器150a，并且排放阀v1连接到燃料喷射器泵154的泵容积。图5示出了一个实施方案，其中燃料喷射器泵154是非齿轮式单体泵-喷射器，并且排放阀v1连接到燃料喷射器泵154的泵容积。可设想的是，这种布置通过升高排放导管的位置将有利地用于具有较小横截面的喷射器。
来自喷射器150的排放流的压降在电子控制的排放阀v1之前和之后有利地由喷射器150中的传导通道中的压降控制，以与经过节流阀的类似流相比，降低排放流所经受的剪切强度。
来自发动机112中的喷射器120(关于喷射器120的进一步细节，参见图2至图5)的燃料排放流在正常操作中经由燃料再循环流130再循环到预处理回路114。在冲洗期间，燃料再循环流130经由阀v4(图1)的操作连接到废物转移流175。因此，阀v4可用于在系统冲洗或异常操作时段期间将燃料流从燃料再循环流130转移到废物箱或冲洗流体回收系统171，以有利地减少冲洗时间。有利地，该阀v4可以是三通阀。
在燃料系统冲洗期间，电子控制的排放阀v1可以有利地以延长的占空度操作，包括连续打开，以提供快速的系统冲洗。为了确保完全冲洗，喷射器可以有利地操作数个周期，优选地，在燃料系统冲洗时段结束时。这种方法将冲洗阀(即针型阀)的中断部(cut)下方的喷射器通路，包括截止阀座和喷射器喷嘴152。在冲洗周期期间，阀v2被操作以供给冲洗流体173，并且阀v3和/或阀v4被操作以从燃料喷射系统100和整个回路移除废液。这允许发动机112，并且特别是燃料喷射系统100定期地被冲洗和清洁，以移除该系统中的任何污泥或沉积物。另外，这提供了冲洗燃料系统以及包括用于关闭的燃料喷射系统100的能力。
虽然未图示出，但是如果循环总管是所需要的并且用于燃料喷射系统中，则来自该总管的返回管道应返回到低压燃料输送泵120的入口，而不是供给箱110的入口。这消除了热燃料与供给箱110中的较冷燃料的混合，并减少了燃料不稳定的趋势。
应当理解，燃料喷射系统100和发动机112可用于多种应用中，包括作为固定式发电发动机,和运输发动机，例如远洋船舶中的发动机。
对于远洋船舶来说，使用碳质浆料燃料可以有利地解决远洋船舶的硫排放限制，在许多管辖区，远洋船舶已经限于使用含硫量不超过0.5％的船上燃料油，并且在某些情况下限于使用不超过0.10％的船上燃料油。碳质浆料燃料，特别是微粉化精制碳燃料(mrc)的硫含量可以被调整以满足这种特定的硫含量限制。因此，使用这种燃料的发动机，例如关于本发明所公开的发动机，可以帮助满足这些要求。
本领域技术人员将理解，本文描述的发明容许不同于具体描述的那些的变型和修改。应理解，本发明包括落入本发明的精神和范围内的全部的此类变型和修改。
术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包括(comprising)”在本说明书(包括权利要求)中被使用，它们应被解释为列举陈述的特征、整体、步骤或部件存在，但不排除一个或更多个其它的特征、整体、步骤、部件或其组的存在。