从热交换器排放的流体的温度控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及一种控制来自热交换器的流体的排放温度的技术。在优选实施方案 中，所述流体是气体燃料。
[0002] 发明背景
[0003] 当气体燃料用作内燃机的燃料时，气体燃料可以在低温下储存。气体燃料的定义 是任何在气体状态下处于标准温度和压力下的燃料，标准温度和压力在本文中的定义是1 个大气压和20摄氏度与25摄氏度之间。气体燃料接近其沸点储存在储存容器中。例如，对 于处于大约1个大气压的储存压力下的甲烷而言，它可以用液化形式在大约-161摄氏度的 温度下储存。天然气是一种气体混合物，其中甲烷通常占最大部分，储存温度可以变化，但 是一般来说接近甲烷的储存温度。液化气以液体状态从储存容器朝热交换器栗吸，并且通 过热交换器，在热交换器中，液化气转变成超临界状态或气体状态，这取决于离开交换器的 气体燃料的温度和压力。以液化状态储存气体燃料有一些优点。与要求用较小体积来储存 能量基础上的等效燃料量的超临界状态或气体状态相比，气体燃料处在液体状态时能量密 度增加。由于与气体相比液体相对无法压缩，所以在处于液体状态时给气体燃料加压，比超 临界或气体状态时效率更高。在热交换器中发生汽化之后，燃料喷射系统接收汽化的气体 燃料，并且将汽化的气体燃料直接地或间接地引入到发动机中的一个或更多个燃烧室。在 本说明书中，汽化是指将液体状态的流体转换成超临界状态或气体状态。虽然天然气（LNG) 是一种示例性气体燃料，用于许多高马力（船舶、采矿、机动）和重载（牵拉）发动机应用， 但是其它气体燃料同样适用于本文中说明的技术。
[0004] 在热交换器中必需有热源以使气体燃料的温度增加到其沸点以上。来自内燃机的 水套的发动机冷却液可以用作热源。在热交换器中通过单独的路径传送发动机冷却液，从 而使得燃烧产生的废热被传递到来自储存容器的液化气体燃料，使得液化气体燃料蒸发。 通过利用燃烧过程产生的废热，相比利用从发动机输出得到的能量（例如诸如通过发动机 驱动的发电机提供的电能），效率得到了改善。
[0005] 出于几点原因，控制从热交换器排放的气体燃料的温度颇为重要。首先，从热交换 器排放的气体燃料一般必需处于特定状态，例如超临界状态。其次，温度必须高于预定最小 值，从而使得热交换器下游的部件受到保护，以免因温度过冷可能导致部件故障。当热交换 器下游的气体燃料的温度下降到预定最小值以下时，或者如果预计会下降到预定最小值以 下，则将气体燃料从储存容器传递到热交换器的栗必须暂停（停止）。当栗停止时，停止向 燃料喷射系统递送气体燃料，并且随着发动机继续消耗燃料，可用的燃料喷射压力降低到 必需水平以下。当可用的燃料喷射压力降低时，发动机可以设计成用降额功率输出继续操 作，然后最终停止，或者启用备用辅助燃料。这种情况是不期望的。
[0006] 当发动机冷却液过冷时，或者当气体燃料在热交换器内部的停留时间过短时，或 者由于这两种原因的联合，从热交换器排放的气体燃料的温度可能会降低到预定最小值以 下。在正常发动机操作条件期间，发动机冷却液温度维持在预定范围之间。然而，出于多种 原因，发动机冷却液温度可能偏离这个范围。一个这样的原因是，周围温度远低于正常发动 机操作条件期间的发动机冷却液温度，而在发动机冷却液温度等于或接近这个周围温度时 发生发动机冷启动。周围温度过低，还可能导致发动机冷却液温度降低到预定温度范围以 下，或者至少使冷启动性能恶化。
[0007] 热交换器内部的气体燃料的体积一般小于栗的最大排代体积。在每一次栗冲程期 间，在热交换器内出口处排放的热交换器内的气体燃料的完整体积加上气体燃料的额外体 积，等于栗排代体积与热交换器体积之间的差。在正常发动机操作条件下，发动机冷却液与 热交换器内部的液化气体燃料之间的温差足以使从热交换器排放的气体燃料完全汽化。然 而，当发动机冷却液过冷时，额外体积的气体燃料在热交换器内部的停留时间不足以实现 其汽化。
[0008] -种增加气体燃料在热交换器内部的停留时间的技术是降低栗的速度。然而，当 栗的速度降低时，气体燃料的流速相应降低，这样可能导致热交换器下游的燃料压力降低， 或者导致燃料压力发生不期望的波动。一般而言，发动机不是在全负荷下运转，而栗也不需 要不停地持续执行冲程。在这些条件下，可以降低栗速以增加气体燃料在热交换器中的停 留时间。然而，在从发动机直接驱动栗的系统中，不可能与发动机速度变化分开地改变栗 速。
[0009] Batenburg等人的2006年4月20日公布的加拿大专利No. 2, 523, 732 (下文中称 为Batenburg)公开了一种流体递送系统和方法，其从低温储存容器栗吸工艺流体，并将其 作为加压气体传送给最终使用者。所述技术包括，在工艺流体压力低于预定低压阈值时，启 动栗并且栗吸工艺流体，并且在工艺流体压力高于预定高压阈值时，停止栗。将工艺流体引 导到汽化器，在汽化器中，通过热交换流体发出的热量使工艺流体汽化。在汽化器的下游测 量工艺流体温度，并且当工艺流体的温度低于预定阈值温度时，临时暂停栗，基于预定义的 启用条件再重新启动栗。
[0010] 需要一种改善的技术，能够在导致汽化气体燃料的温度降低到预定最小值以下的 不利的发动机操作条件期间防止栗暂停。本发明的方法和装置提供一种用于改善用液化气 体燃料提供燃料的内燃机的操作的技术。 发明概要
[0011] -种控制使流体汽化的热交换器的排放温度的改善的方法包括监测与所述热交 换器下游的流体温度相关的温度。栗在多种模式中操作。在第一模式中，当所述温度高于 预定最小值时，在通过所述热交换器的每一循环中栗吸第一量的流体。在第二模式中，当所 述温度等于或小于所述预定最小值时，在通过所述热交换器的每一循环中栗吸第二量的流 体。第二量小于第一量，借此流体在热交换器内部的平均停留时间增加，从而使得热交换器 下游的流体温度增加。依据操作条件，热交换器可以将流体转换成超临界状态和气体状态 中的一种。流体可以是气体燃料，诸如天然气、甲烷、丙烷、乙烷、生物气、填埋气体、氢气和 这些燃料的混合物。依据与热交换器下游的流体温度相关的温度、热交换器下游的流体压 力、栗的效率和栗的速度中的至少一个确定第二量。栗可以是正排量栗，诸如往复活塞栗。 与栗吸第一量的流体时相比，在栗吸第二量的流体时，栗的操作频率更高。
[0012] 在优选实施方案中，与第一量相关的第一体积大于热交换器内部的热交换区域内 的总体积，并且与第二量相关的第二体积等于或小于热交换区域内的总体积。
[0013] 在另一个优选实施方案中，所述方法还包括利用来自内燃机的发动机冷却液中的 废热作为热源使流体汽化。与热交换器下游的流体温度相关的温度是下面中的一个：发动 机冷却液温度、发动机冷却液温度与流体温度之间的温差，以及热交换器下游的流体温度。
[0014] 在又另一个优选实施方案中，往复活塞栗是液压致动的栗，所述方法还包括减少 在排放冲程期间用于延伸活塞的液压流体的体积，从而减少排放冲程长度。替代地或另外 地，所述方法可以包括减少在吸入冲程期间用于缩回活塞的液压流体的体积，从而减少随 后的排放冲程的排放冲程长度。依据与热交换器下游的流体温度相关的温度、热交换器下 游的流体压力、往复活塞栗的效率、往复活塞栗中的活塞的速度和液压流体流速中的至少 一个确定所述液压流体的体积。
[0015] 在又另一个优选实施方案中，第一量是目标量。当在第一模式中时，所述方法还包 括：将在通过所述热交换器的每一循环中有待栗吸的所述流体的当前预定量初始化成小于 所述目标量的值；以及在栗吸循环之间使所述当前预定量递增，直到所述当前预定量等于 所述目标量为止。可以依据所述温度和热交换器下游的流体的压力中的至少一个来确定第 一量。可以通过选择往复活塞栗的冲程长度来确定初始化时的当前预定量。当在第二模式 中时，将当前预定量设置成第二量，并且所述方法还包括在栗吸循环之间使所述当前预定 量递增，直到所述当前预定量等于所述目标量为止。
[0016] -种控制使流体汽化的热交换器的排放温度的改善的方法包括监测热交换器下 游的流体温度。通过从期望的流体温度减去所述流体温度在预定公差范围内确定温度误 差。通过控制每一循环中栗吸的量来操作栗。当温度误差大于零时减少所述量。当温度误 差小于零时增加所述量。依据温度误差来确定所述量。可以进一步依据热交换器下游的流 体压力、栗效率和栗速