用于发动机的燃料系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种供发动机使用的燃料系统。该燃料系统可具有供给液化燃料和从液化燃料汽化的气态燃料的储罐。该燃料系统还可具有与所述储罐流体地联接以用于压缩供给的气态燃料的至少一个压缩机和在该至少一个压缩机的下游流体地联接以储存经压缩的供给的气态燃料的蓄压器。
【专利说明】
用于发动机的燃料系统
技术领域
[0001]本发明总体上涉及一种燃料系统，更具体地涉及一种用于发动机的燃料系统。
【背景技术】
[0002]气态燃料动力的发动机在机车应用中很普遍。例如，机车的发动机可以单独由天然气或由天然气与柴油的混合物提供动力。由于环境和经济驱动力，用于机车发动机的燃料的主要来源正在变成液化天然气(LNG) ING具有比柴油低的体积能量密度，从而引起LNG储存在单独的燃料补给车中。为了维持LNG在常压下处于液态，LNG必须被储存在能够将LNG的温度维持在-165摄氏度以下的低温绝热储罐内。虽然大部分LNG在可长达数周的时间在不利用致冷的情况下保持液态，但储罐内的一部分LNG可能随着从环境吸热而汽化成甲烷气体。该甲烷气体作为蒸气蓄积在储罐内的LNG上方。蓄积的气体不可能被用作LNG燃料源的一部分并且通常排出到周围环境，因而降低了系统的效率。
[0003]一种提高燃料动力发动机的效率的尝试在1990年5月15日授予Asai等人的美国专利US 4，924，822(’822专利)中被公开。’822专利记载了一种用于柴油发动机的气体给送系统。从液化气体蒸发的汽化气体单独或与液化气体相结合地给送到柴油发动机。汽化的气体在经一个或多个送气管道被给送到柴油发动机之前以一股或多股流被加压。
[0004]虽然’822专利的系统可以实现部分地回收汽化的气体以用于柴油发动机中，但该系统不可能实现汽化的气体的完全回收和利用。例如，当柴油发动机怠速运转、低功率运转或未运转时，汽化的气体可能需要被排出到周围环境，这是因为发动机不可能构造成接收低压气流。
[0005]本文公开的系统针对于解决以上陈述的问题中的一个或多个问题。
【发明内容】
[0006]在一个方面中，本发明针对一种用于发动机的燃料系统。该燃料系统包括供给液化燃料和从液化燃料汽化的气态燃料的储罐。该燃料系统还包括构造成压缩供给的气态燃料的至少一个压缩机和在该至少一个压缩机的下游流体地联接并且构造成储存经压缩的供给的气态燃料的第一蓄压器。
[0007]在另一方面中，本发明针对于一种向消耗装置输送燃料的方法。该方法包括将从液化燃料汽化的气态燃料引导到压缩机、利用压缩机压缩供给的气态燃料、以及将经压缩的供给的气态燃料引导到第一蓄压器。
[0008]在又一方面中，本发明针对于一种列车编组。该列车编组包括机车和补给车，所述机车具有构造成燃烧供给的燃料的发动机，所述补给车与所述机车联接并具有构造成供给液化燃料和从液化燃料汽化的气态燃料的储罐。该列车编组还包括构造成为机车的发动机提供燃料供给的燃料系统。该燃料系统包括供给液化燃料和从液化燃料汽化的气态燃料的储罐和与储罐流体地联接并且构造成压缩供给的气态燃料的压缩机。该燃料系统还包括与压缩机流体地联接并且构造成冷却经压缩的气态燃料的中间冷却器和在中间冷却器的下游流体地联接并且构造成储存经冷却、经压缩的气态燃料的第一蓄压器。该燃料系统还包括与储罐流体地联接并且构造成从储罐抽吸液化燃料的栗、与栗流体地联接并且构造成使从储罐抽吸的液化燃料汽化的汽化器、和位于汽化器的下游并且构造成储存汽化后的液化燃料的第二蓄压器。阀与第一蓄压器、第二蓄压器和储罐流体连通。该阀构造成选择性地将经冷却、经压缩的气态燃料的供给、汽化后的液化燃料或这些燃料的混合物供给到发动机作为燃料供给。
【附图说明】
[0009]图1是示例性公开的燃料系统的概略图示；以及
[0010]图2是示出用于利用图1的燃料系统向消耗装置输送燃料的示例性公开的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0011]图1示出了示例性燃料系统10。在图1所示的实施例中，燃料系统10与移动应用、具体地列车编组12相关。列车编组12可具有一个或多个机车14和补给车16。机车14可与牵引补给车16联接，并且补给车16可构造成经由燃料系统10为机车14的一个或多个发动机18提供燃料。然而，应当注意，燃料系统10可按需与其它移动或静止应用相关。
[0012]燃料系统10可包括配合成以被调节的方式向发动机18提供汽化燃料(例如，天然气)的多个构件和/或子系统。在图示的实施例中，燃料系统10包括燃料储罐20、构造成产生第一燃料源24的第一燃料子系统22和构造成产生第二燃料源28的第二燃料子系统26。
[0013]储罐20可以是构造成保存燃料如液化天然气(LNG)的低温储罐。储罐20中的燃料可被分离成液化燃料30 (例如，LNG)和气态燃料32 (例如，甲烷)。例如，在一个实施例中，液化燃料30的一部分可保持处于液态，并且一部分可与从周围环境吸收的热成比例地汽化而产生气态燃料32。因此，气态燃料32可在液化燃料30上方的蒸气空间中蓄积在储罐20内。
[0014]在一个实施例中，储罐20是将容纳于其中的天然气的温度维持在约_165°C的沸点之下的绝热储罐。设想储罐20可按需设置有用于处理LNG的常规设备，例如冷却器、循环器、加热器、通风机等。
[0015]第一燃料子系统22构造成从储罐20中的气态燃料32产生第一燃料源24。为此，第一燃料系统22包括一个或多个压缩机34、36、中间冷却器38、后冷却器40和蓄压器42。压缩机34、36、中间冷却器38和后冷却器40构造成配合以产生处于与发动机18所需的燃料供给温度和/或压力一致的温度和/或压力下的第一燃料源24。例如，压缩机34、36可将气态燃料32压缩至高压直喷(HPDI)发动机的燃料供给压力(例如，约400bar)，并且中间冷却器38和/或后冷却器40可将经压缩的气态燃料32冷却至用于这种发动机的适当温度。
[0016]在图示的实施例中，示出了两个压缩机34、36ο每个压缩机34、36都可以是本领域中已知用于处理LNG的汽化气体的任意类型的压缩机。然而，图1所示的压缩机的数量仅为示例，并非意在限制本文设想的实施例。事实上，在其它实施例中，可利用任意数量的压缩机或压缩级来压缩气态燃料32。
[0017]中间冷却器38沿贯穿第一燃料子系统22的气态燃料32的流动路径位于压缩机34之后和压缩机36之前。因此，中间冷却器38可构造成在阀46定位在打开位置以使冷却剂44能够流经中间冷却器38时从气态燃料32向冷却剂44传热。通过从气态燃料32向冷却剂44传热，气态燃料32的温度可在气态燃料32在压缩机32中被压缩之前降低。
[0018]后冷却器40沿气态燃料32的流动路径位于压缩机36之后和蓄压器42之前。因此，后冷却器40可构造成在阀48定位在打开位置以使冷却剂44能够流经后冷却器40时从气态燃料32向冷却剂44传热。通过从气态燃料32向冷却剂44传热，可降低气态燃料32的温度以产生转移到蓄压器42的第一燃料源24。
[0019]应当注意，虽然图1所示的实施例包括中间冷却器38和后冷却器40，但在其它实施例中，可省略这些构件中的一个或多个构件，这取决于针对实施方案的考虑。此外，可通过对阀46和48进行控制来选择性地将这些构件中的一个或两个构件可置于贯穿第一燃料子系统22的气态燃料32的流动路径中或从其中移走，取决于特定应用和/或冷却剂44的可用性。
[0020]蓄压器42可体现为构造成储存将来由发动机18使用的加压天然气的高压容器。随着来自压缩机36和/或后冷却器40的第一燃料源24的压力超过蓄压器42的压力，第一燃料源24可流入蓄压器42内。由于其中的天然气是可压缩的，所以蓄压器42可像弹簧一样工作并随着更多的天然气流入而压缩。当供给管路50中的第一燃料源24的压力下降到蓄压器42的压力之下时，第一燃料源24可膨胀并离开蓄压器42。
[0021]如果需要的话，蓄压器42可替代地体现为膜片/弹簧偏压的或囊袋型的蓄压器。此夕卜，蓄压器42可包括通气孔52，该通气孔构造成选择性地允许储存在蓄压器42中的第一燃料源24以不损害通气孔52的完整性的受控方式(S卩，在控制压力和温度下)从蓄压器42排出到大气。
[0022]第二燃料子系统26构造成从储罐20中的液态燃料30产生第二燃料源28。为此，第二燃料子系统26包括构造成从储罐20吸取液化燃料30的栗54、构造成使液化燃料30汽化的汽化器56、构造成保持第二燃料源28的供给的高压蓄压器58、和与蓄压器58流体地连接的一个或多个减压装置。在所公开的实施例中，示出了实施为通气孔60的一个减压装置。通气孔60可定位成选择性地使蓄压器58与大气相通。
[0023]栗54可以是本领域中已知的用于处理处于其液态状态(LNG)和/或气体状态的天然气的任意类型的栗。特别地，LNG可在储罐20与蓄压器58之间的任意点(例如，栗54的上游和/或下游)汽化。在一个公开的实施例中，LNG在栗54的下游汽化，且栗54构造成仅处理LNG。在此实施例中，栗54包括由变速驱动装置驱动的固定排量栗送装置(例如，活塞栗、膜片栗或转子栗)。对于此构型，尽管栗54的排量可以是固定的，但仍可通过调节驱动装置的速度来调节栗54的输出。如果需要的话，可替代地采用其它类型的栗来推动天然气通过供给管路62，例如可变排量栗。
[0024]蓄压器58可实施为构造成储存将来由发动机18使用的加压天然气的高压容器。随着来自栗54的天然气的压力超过蓄压器58的压力，天然气可流入蓄压器58中，从而将第二燃料源28蓄积在其中。由于其中的天然气是可压缩的，所以蓄压器42可像弹簧一样工作并随着更多的天然气流入而压缩。当供给管路62中的天然气的压力下降到蓄压器58的压力之下时，第二燃料源28可膨胀并离开蓄压器58。
[0025]如果需要的话，蓄压器58可替代地体现为膜片/弹簧偏压的或囊袋型的蓄压器。此夕卜，蓄压器58可包括通气孔60。通气孔60可构造成选择性地允许第二燃料源28以不损害通气孔60的完整性的受控方式(S卩，在控制压力和温度下)从蓄压器58排出到大气。
[0026]由第二燃料子系统26从液化燃料30产生的第二燃料源28和由第一燃料子系统22从气态燃料32产生的第一燃料源24分别经由供给管路62和50被引导到阀64，该阀64构造成将第一燃料源24和第二燃料源28中的一者或两者引导到发动机18。例如，阀64可将第二燃料源28引导到发动机18以满足高功率燃料供给需求以及将第一燃料源24引导到发动机18以满足怠速或低功率燃料供给需求。
[0027]为此目的，阀64可以是本领域已知的用于选择第一燃料源24和第二燃料源28中的一者或两者的任意合适的阀。例如，图示的实施例将阀64描绘为第一燃料源24和第二燃料源28两者都流过其中的二位三通阀。然而，在其它实施例中，阀64可以是单向阀或混合阀，这取决于针对实施方案的考虑。在一些实施例中，阀64可以是构造成选择性地向发动机18供给第一燃料源24、第二燃料源28或第一燃料源24与第二燃料源28的混合物的混合阀。
[0028]在一些实施例中，阀64可将第一燃料源24、第二燃料源28或两者的混合物引导到消耗装置。消耗装置可以是被引导到其中的燃料源的任意下游用户。例如，该消耗装置可消耗发动机18中的燃料源，使用燃料源来为另一操作提供燃料，将燃料源分配给下游消耗装置，或以另一种合适的方式消耗或使用燃料源。
[0029]此外，在一些实施例中，阀64可以是构造成允许诸如第一燃料源24、第二燃料源28或两者的混合物的流体单向流过阀64的被动阀，例如止回阀。在这些实施例中，第一燃料源24、第二燃料源28或两者的混合物可在阀64受控制器控制的情况下流过阀64。
[0030]此外，在一些实施例中，蓄压器42和58可发生各种针对实施方案的变化。例如，在一个实施例中，可仅设置单个蓄压器。在本实施例中，汽化器56和压缩机36(或后冷却器40)的输出可在单个蓄压器中被接收。此外，在另一些实施例中，蓄压器42和58(或在组合实施例中单个蓄压器)相对于阀64位置的位置可以是变化的。例如，在一个实施例中，单个蓄压器可位于阀64的下游。
[0031]调节器66可配置在阀64的下游以实现以受控方式从蓄压器42和58经阀64排出。调节器66可经由供给管路68以所需的燃料流速将排出的燃料引导到发动机18。例如，在一个实施例中，阀64可选择第一燃料源24，并且燃料流速可与发动机18的怠速或低功率设置(例如，用于动态制动)匹配(例如，约l_20kg/hr)。在另一实施例中，阀64可选择第二燃料源28，并且燃料流速可与发动机18的运转或高功率设置匹配(例如，对于普通运转约20-70kg/hr，或对于更有效的运转约600-700kg/hr)。
[0032]第一燃料子系统22和/或第二燃料子系统26可构造成利用发动机18的运转的一种或多种副产物。例如，冷却剂回路70可利用从发动机18排出的经加热的冷却剂(例如，乙二醇、水、乙二醇/水混合物等)44。具体地，在一个实施例中，来自发动机18的经加热的冷却剂44经供给管路72被引导到汽化器56以通过向液化燃料30传热来使液化燃料30汽化。经冷却的冷却剂44然后经由供给管路74以及阀46和48被引导到中间冷却器38和后冷却器40中的一者或两者以在压缩级之间或压缩完成之后冷却气态燃料32。冷却剂44然后经由供给管路76再循环回到发动机18。
[0033]此外，第一燃料子系统22和/或第二燃料子系统26可从动力源80接收动力。在一些实施例中，动力源80可从机车14中的源如发动机18获得动力。在这些实施例中，经联接器引导以给栗54提供动力的动力/功率(例如，约40-50KW)可用于为压缩机34、36提供动力(例如，约6-10KW)。在其它实施例中，动力源80可向压缩机34、36提供从机车14的动态制动期间产生的电力获得的动力。再者，在机车14不能用作动力源的实施方案中，压缩机34、36可利用耗尽自身功率(shore power)来降低补给车16中的压位差以辅助补给燃料操作或延长从燃料装载到第一次泄压的时间。此外，尽管将单个动力源80示出为向栗54和压缩机34、36两者提供动力，但在其它实施例中，可提供任意数量的动力源并专用于任意所需数量的构件。
[0034]工业适用性
[0035]所公开的燃料系统潜在地应用于任意气体处理情形中。所公开的燃料系统尤其可应用于例如列车编组12中的移动气态燃料处理系统。所公开的燃料系统可使液化燃料30和从液化燃料30汽化的气态燃料32两者都能被用作用于发动机18的燃料源，因而提高燃料系统10的效率并抑制或消除对将气态燃料32排出到周围环境的需求。现在将说明燃料系统10的操作。
[0036]参照图2，方法82示出了燃料系统10的第一燃料子系统22的一个操作实施例。这种操作可开始于从储罐20抽吸气态燃料32并且将气态燃料32引导到压缩机34、36(步骤84)。气态燃料32还可被引导通过中间冷却器38和后冷却器40中的一者或两者以在压缩级之间或最后的压缩级之后冷却气态燃料32，以产生第一燃料源24(步骤86)。第一燃料源24然后可被引导到蓄压器42中(步骤88)以进行储存。当希望用于给定应用时，蓄积的第一燃料源24可经由供给管路50例如在低功率燃料流速下被引导到消耗装置，以满足发动机的燃料供给需求(步骤90)。
[0037]燃料系统10的第二燃料子系统26的操作可开始于栗54从储罐20抽吸液化燃料30。由栗54抽吸的液化燃料30可由汽化器56汽化以产生第二燃料源28。第二燃料源28在高压下被引导到蓄压器58中以进行储存。当特定应用需要时，蓄积的第二燃料源28可例如经由供给管路30被引导到消耗装置以满足发动机18的高功率或运转燃料供给需求。
[0038]在运转期间，阀64接收来自供给管路50的第一燃料源24和来自供给管路62的第二燃料源28并且被致动到构造成将期望的燃料源引导到发动机18的位置。例如，阀64可定位成使第二燃料源28能够在发动机18的燃料供给需求与高功率需求相关时从阀64通过。在另一示例中，阀64可定位成使第一燃料源24能够在发动机18怠速运转或处于低功率状态时从阀64通过。再者，在其它情形中，阀64可被致动以使第一燃料源24与第二燃料源28的混合物能够从阀64通过。一旦阀64已选择所需的燃料源，调节器66便以受控方式从蓄压器42和58经阀64排出以经由供给管路68向发动机18提供燃料源。
[0039]在冷却剂回路70的操作期间，来自发动机18的经加热的冷却剂44经供给管路72被引导到汽化器56以通过向液化燃料30传热来使液化燃料30汽化，因而引起冷却剂44的降温。经冷却的冷却剂44然后经由供给管路74以及阀46和48被引导到中间冷却器38和后冷却器40中的一者或两者以在压缩级之间或压缩完成之后冷却气态燃料32。例如，如果特定实施方案需要中间冷却，则阀46被致动到打开位置以使冷却剂44能够流经中间冷却器38。热从流经中间冷却器的气态燃料32传递到冷却剂44，从而提升冷却剂44的温度。
[0040]类似地，如果特定实施方案需要后冷却，则阀48被致动到打开位置以使得冷却剂44能够流过后冷却器40，在此热从经压缩的气态燃料32传递到冷却剂44。在流经中间冷却器38和后冷却器40中的一者或两者之后，冷却剂44然后经由供给管路76再循环回到发动机18。
[0041]优于现有技术的多个优点可与所公开的燃料系统相关。例如，第一燃料子系统22可实现在不将气态燃料32与发动机18直接连接的情况下使用气态燃料32，从而使得气态燃料32即使在储罐20不能维持足够用于气态燃料32用于直接为发动机供给燃料的压力的应用中也能够被利用。此外，通过设置用于呈第一燃料源24的形式蓄积经压缩和冷却的气态燃料32的蓄压器42，所公开的燃料系统10可使气态燃料32能够在气态燃料32从液化燃料30汽化时被捕集并储存但用于在今后为发动机18供给燃料。上述特征可抑制或消除对将气态燃料32排出到周围环境的需求。
[0042]此外，第一燃料子系统22可被操作成以与发动机18的怠速或低功率设定(例如，动态制动)匹配的燃料流速(例如，约l_20kg/hr)下提供第一燃料源24。此特征可实现气态燃料32用于满足第二燃料子系统26例如由于栗54的低调节比而不是很适合满足的发动机需求。此外，通过采用第二燃料子系统26来满足全功率或高功率发动机燃料消耗率需求(例如，针对有效运转的约600-700kg/hr)并利用第一燃料子系统22来满足低或怠速燃料消耗率需求，可以提尚系统效率。
[0043]通过操作利用用于冷却发动机18的经加热的冷却剂44来提高燃料系统10的效率的冷却剂回路70，可利用本文公开的燃料系统10的实施例实现另外的效率。例如，利用经加热的冷却剂44来首先使液化燃料30在汽化器56中汽化(例如，在约12KW下)并且然后在中间冷却器38和/或后冷却器40中冷却气态燃料32(例如，在约4KW下)可得到另外的效率。
[0044]对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以对所述燃料系统做出各种该型和变型。根据说明书和对所公开的燃料系统的实践，其它实施例对本领域的技术人员来说将显而易见。应该认为说明书和示例仅为示范性的，真实范围通过以下权利要求和它们的等效方案来指示。
【主权项】
1.一种用于发动机的燃料系统，包括: 储罐，所述储罐供给液化燃料和从所述液化燃料汽化的气态燃料； 流体联接到所述储罐的至少一个压缩机，所述至少一个压缩机构造成压缩供给的气态燃料;和 流体联接在所述至少一个压缩机的下游的第一蓄压器，所述第一蓄压器构造成储存经压缩的供给的气态燃料。2.根据权利要求1所述的燃料系统，还包括调节器，该调节器构造成以用于发动机的低功率运转的燃料流速向所述发动机供给所述经压缩的供给的气态燃料。3.根据权利要求2所述的燃料系统，其中，所述燃料流速介于约lkg/hr与约20kg/hr之间。4.根据权利要求1所述的燃料系统，还包括中间冷却器和后冷却器中的至少一者，所述中间冷却器和后冷却器中的至少一者构造成从所述经压缩的供给的气态燃料向冷却剂传热。5.根据权利要求1所述的燃料系统，还包括: 栗，所述栗构造成从所述储罐抽吸液化燃料； 汽化器，所述汽化器位于所述栗的下游并且构造成使所述液化燃料汽化;和 第二蓄压器，所述第二蓄压器位于所述汽化器的下游并且构造成储存汽化的燃料。6.根据权利要求5所述的燃料系统，所述燃料系统包括一阀，所述阀联接到所述第一蓄压器和所述第二蓄压器并且构造成选择性地实现向发动机输送来自所述第一蓄压器的所述经压缩的供给的气态燃料、来自所述第二蓄压器的汽化燃料或两者的混合物。7.—种向消耗装置输送燃料的方法，包括: 将从液化燃料的供给源汽化的气态燃料引导到压缩机； 利用所述压缩机压缩所述气态燃料；以及 将所述经压缩的气态燃料引导到第一蓄压器。8.根据权利要求7所述的方法，还包括冷却所述经压缩的气态燃料。9.根据权利要求7所述的方法，还包括以用于发动机的怠速运转的燃料流速将所述经压缩的气态燃料从所述第一蓄压器引导到所述发动机。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述燃料流速介于约lkg/hr与约20kg/hr之间。
【文档编号】F02D19/02GK105986936SQ201610158276
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】A·G·福奇
【申请人】易安迪机车公司