动力系统及列车组的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种动力系统及列车组，所述动力系统可具有用于容纳液体燃料的低温罐和被配置成燃烧气体燃料的发动机。所述动力系统也可具有用于冷却所述发动机的冷却剂回路和与所述冷却剂回路隔离并用于接收通过所述发动机的流体的至少一个热交换器。所述动力系统还可具有从所述低温罐延伸到所述至少一个热交换器的第一燃料供应管道和从所述至少一个热交换器延伸到所述发动机的第二燃料供应管道。本实用新型可利用通常被浪费的热量来汽化液体燃料，同时可以对不同流所需的温度进行控制，提高了所述动力系统的效率。
【专利说明】
动力系统及列车组
技术领域
[0001]本实用新型总体涉及一种动力系统，更具体地，涉及一种具有基于燃料冷却的动力系统。
【背景技术】
[0002]内燃机例如柴油发动机、汽油发动机和气体燃料动力发动机，燃烧燃料和空气的混合物以产生机械功率输出，其可以为了各种目的以不同的方式去使用。不幸的是，传统发动机是低效率的，并且大量燃烧燃料产生的能量都被以热量的形式浪费了。例如，在燃烧空气进入到发动机期间或者在液体(例如，燃料、空气、润滑剂等)栗送穿过发动机期间，会产生热量。附加热量的产生直接来自燃料和空气的燃烧，并且被传送到发动机缸体，使液体(油、冷却剂、排气等)循环通过缸体。这种热能中的大部分最终被排放或者以其他方式消散到环境中。
[0003]除了与热量浪费有关联的效率损失外，额外的能量必须消耗掉以保护发动机的部件免于热量之害和/或避免发动机的性能由于热量而下降。例如，进入的空气必须被冷冻、水套冷却剂必须循环通过发动机缸体、发动机油必须是冷却的以及排气温度可能需要降低以便充分地保护发动机和/或确保期望的性能。每个这样的动作需要额外的能量，这样降低了发动机的机械功率输出，并且进一步降低了它的效率。
[0004]在气体燃料动力发动机中，例如天然气或双燃料(天然气和柴油)发动机中，燃料的部分或全部在非常冷的温度下可以以液体的方式存储。该液体在发动机内部燃烧之前必须被加热到汽化状态。这个热量需要额外的能量，这可能进一步降低发动机的效率。
[0005]—种提高气体燃料动力发动机的效率的尝试被公开在第7，360，368号美国专利(以下称’368专利)里。特别地，’368专利公开了一种燃烧从低温的燃料罐吸出的燃料的发动机。该发动机具有排气循环装置和基于冷媒的散热器，所述冷媒定向的通过发动机冷却剂回路到排气循环装置。该发动机还具有通过燃料加热回路连接到燃料罐的汽化器。发动机冷却剂和燃料加热回路通过热交换器相互热连接，使得在发动机燃烧燃料之前来自排气循环装置的热量在汽化器内汽化燃料。
[0006]尽管’368专利的发动机可通过降低从排气循环装置到汽化器的热量的损耗来增加效率，但它仍然不是最优的。特别的，因为排气循环装置是热连接到发动机冷却剂回路的，所以除了燃料加热回路，可能难以控制排气循环装置或燃料的温度。
【发明内容】
[0007]本实用新型致力于解决上述的一个或者多个问题和/或现有技术的其他问题。
[0008]一方面，本实用新型提出了一种动力系统，所述动力系统包括用于容纳液体燃料的低温罐以及配置为燃烧气体燃料的发动机;所述动力系统还包括用于冷却发动机的冷却剂回路以及与冷却剂回路隔离并且用于接收通过发动机的流体的至少一个热交换器;所述动力系统还进一步包括从低温罐延伸到至少一个热交换器的第一燃料供应管道以及从至少一个热交换器延伸到发动机的第二燃料供应管道。
[0009]其中，由所述热交换器接收的所述流体为发动机排气。
[0010]进一步的，所述发动机具有进气歧管、排气歧管和从所述排气歧管延伸到所述进气歧管的排气再循环通道;所述至少一个热交换器设置在所述排气再循环通道中。
[0011]优选的，所述至少一个热交换器包括用于接收所述流体的第一芯体和在所述第一燃料供应管道与所述第二燃料供应管道之间连接的第二芯体;所述动力系统还包括连接所述第一芯体与第二芯体的中间回路。
[0012]进一步的，所述至少一个热交换器包括排气再循环冷却器;所述动力系统还包括空气冷却器，所述第一燃料供应管道和第二燃料供应管道中的至少一者还被配置成通过所述空气冷却器，或者，所述第二燃料供应管道被配置成在所述空气冷却器下游的某一位置连接到所述发动机。
[0013]又进一步的，所述动力系统还包括与所述第二燃料供应管道流体连通的蓄能器。
[0014]再进一步的，所述动力系统还包括位于所述蓄能器下游的调节器。
[0015]优选的，所述动力系统还可包括用于将环境空气通过所述至少一个热交换器以进行热传递的风扇。
[0016]另一方面，本实用新型还提出了一种列车组，所述列车组包括动力系统，所述动力系统包括用于容纳液体燃料的低温罐以及配置为燃烧气体燃料的发动机;所述动力系统还包括用于冷却发动机的冷却剂回路以及与冷却剂回路隔离并且用于接收通过发动机的流体的至少一个热交换器;所述动力系统还进一步包括从低温罐延伸到至少一个热交换器的第一燃料供应管道以及从至少一个热交换器延伸到发动机的第二燃料供应管道;此外，所述列车组还包括具有所述低温罐的煤水车和具有所述发动机的机车。
[0017]上述技术方案利用通常浪费的热量来汽化液体燃料，同时可以对不同流所需的温度进行控制，由此提高了动力系统的效率。
【附图说明】
[0018]图1为示例性的公开的机器的示例图；
[0019]图2和图3为示例性的公开的动力系统的示例图，其可组成图1的机器的一部分。
【具体实施方式】
[0020]图1示出了示例性动力系统1。在这个实施例中，动力系统1与移动的应用有关联，特别是列车组12。列车组12可具有一个或多个机车14和煤水车16，机车14可连接两个煤水车16，并且煤水车16可被配置成为一个或多个机车14的发动机18提供燃料。然而，应该注意的是，根据需要，动力系统10可以与其他移动的或固定的应用有关联。
[0021]多个部件可相互配合以调控方式将气体燃料(例如，天然气)运送到(多个)发动机18。除了其他部件之外，这些部件还可包括:位于车载煤水车16的液体燃料罐20、配置为从罐20吸出燃料的栗22、配置为容纳气体燃料供给的高压蓄能器24以及一个或多个与蓄能器24流体连接的压力调节装置。在公开的实施例中，示出了两个压力调节装置，包括通风孔26和调节器28。通风孔26可定位成选择性地使蓄能器24通向大气，而调节器28可设置在燃料供应管道30中，以将蓄能器24与(多个)发动机18连通。调节器28可配置为调节引导到(多个)发动机18的气体燃料的压力。
[0022]燃料罐20可表现为低温罐，该低温罐20配置成用于容纳处于液化状态的天然气。在示例性实施例中，燃料罐20是能将天然气温度保持在低于沸点温度(大约-165° C)的绝热罐。可以设想到的是，燃料罐20可以根据需求设置用于处理液化天然气(LNG)的传统设备，例如制冷机、循环器、加热器、通风设备等。
[0023]栗22可以为本领域已知的任何类型的栗，以用于处理处于液体状态的天然气(LNG)和/或气体状态下的天然气。具体地，在燃料罐20与蓄能器24之间的任意点处，部分或所有的LNG可气化。在公开的示例性实施例中，LNG在栗22的下游处气化，且栗22被配置成用于仅仅处理LNG。在该实施例中，栗22包括由变速驱动器提供动力的定排量栗送装置(例如，活塞、隔膜或转子栗)。在该配置下，尽管栗22的排量可以被固定，但是栗22的输出仍可通过选择性地调节驱动器的速度来改变。可以设想到的是，如果需要的话，其它类型的栗(例如可变排量栗)也可可选地被使用来推动天然气使其穿过燃料供应管道30。
[0024]蓄能器24可以表现为高压容器，其被配置成用于储存供(多个)发动机18未来使用的加压天然气。当从栗22输出的天然气的压力超过蓄能器24的压力时，天然气可流入蓄能器24。由于蓄能器24的天然气是可压缩的，当更多天然气流入时，它可以像弹簧一样被压缩。当位于燃料供应管道30中的天然气的压力低于蓄能器24的压力时，被压缩的天然气可膨胀并从蓄能器24排出。可以设想到的是，倘若需要的话，蓄能器24可以可选地表现为薄膜/弹簧偏置式或气囊式蓄能器。
[0025]当用于不同的目的时，通风孔26和调节器28可以类似的方式起作用。具体地，通风孔26可被配置成用于可选择地允许气体燃料以受控的方式(S卩，以控制压力和温度的方式)从蓄能器24排出至大气中，其不会危害通风孔26的整体性。调节器28可同样地允许气体燃料以受控的方式从蓄能器24中排出。然而，与通风孔26相比，调节器28可经由燃料供应管道30将所排出的气体燃料引导至发动机18。可以设想到的是，根据需求，通风孔26和调节器28可控制气体燃料在同样的速率和压力或在不同的速率和压力下被排出。
[0026]图2和图3示出了动力系统10的示例性布置，其示出了与发动机18相关联的各个流体流。为了本实用新型的目的，发动机18被示出和描述为四冲程天然气发动机。然而，本领域技术人员将认识到，发动机18可以是任何类型的内燃机，例如，两冲程天然气发动机、配置成用于燃烧另一类型气体燃料(例如，氢气、甲烷等)的两冲程或四冲程发动机或配置成用于燃烧柴油燃料和气体燃料的两冲程或四冲程发动机。除其它之外，发动机18可包括发动机组32，其至少部分地限定多个汽缸34。活塞(未示出)可滑动地设置在每个汽缸34中，以在上止点位置和下止点位置之间往复运动，且一个或多个汽缸盖(未示出)可连接至发动机组32，以封闭每个汽缸34的端部。每个汽缸34、活塞以及汽缸盖可一起限定燃烧室。在所示出的实施例中，发动机18包括六个这样的燃烧室。然而，可以设想到的是，发动机18可包括更多个或更少个燃烧室，并且燃烧室可以以“成列”配置、“V型”配置、“相对活塞”配置或任何其它传统配置方式被设置。发动机18可配备有进气系统36和排气系统38，其可引导流体进入或流出燃烧室。
[0027]进气系统36可包括被配置成用于引导冲入空气至汽缸34的部件。例如，进气系统36可包括进气歧管40，该进气歧管40沿着其长度方向连接至每个汽缸34;与进气歧管40流体连通的一个或多个压缩机42以及在一些实施例中，位于压缩机42的下游和/或压缩机之间的冷却器44。可以设想到的是，如果需要的话，在进气系统36中可包括附加的部件，例如阀、空气净化器、废气门、控制系统、旁路回路和用于调节和引导冲入空气至发动机18的其它装置。还可设想到的是，如果需要的话，压缩机42和/或冷却器44可以被省略。
[0028]在公开的实施例中，动力系统10中的每个压缩机42为固定几何形状的离心式压缩机，其可被机械地驱动以压缩流进汽缸34的空气至预定的压力水平。然而，可以设想到的是，倘若需要的话，另一类型的压缩机可可选地或另外地与动力系统10相结合使用。如果进气系统36中包括多于一个的压缩机42，压缩机42可被设置成串联或并联的关系，且经由进气歧管40流体地连接至发动机18。
[0029]冷却器44可表现为单级热交换器(图2中示出)或双级热交换器(图3中示出)，且被配置成有助于热能从引导至发动机18的汽缸34中的压缩空气中传递出来。从压缩空气传递出来的热能可被吸收至冷却剂流，例如，空气、乙二醇、水、水/乙二醇混合物、混合空气混合物或本领域已知的另一种却剂。
[0030]排气系统38可被配置成用于引导排气从汽缸34至大气中。例如，排气系统38可包括排气歧管46，该排气歧管46沿着其长度方向流体地连接至汽缸34;以及与排气歧管46流体连通的一个或多个涡轮机48。倘若在排气系统38中包括多于一个的涡轮机，涡轮机48可以以串联或并联的关系连接。
[0031]排气系统38中的每个涡轮机48可借助于轴件50机械地连接到进气系统36中的一个或多个压缩机42以形成涡轮增压器52。随着离开汽缸34的热排气流动通过排气歧管46进入涡轮机48中并且冲击其叶片，涡轮机48可旋转并且驱动所连接的压缩机42以压缩进气使其经由进气歧管40返回到汽缸34中。
[0032]在一些实施例中，排气再循环(EGR)通道54可连接在进气系统36与排气系统38之间。EGR通道54可允许受控量的排气在动力系统10内循环，从而改进发动机18的排气排放。在所公开的实施例中，EGR通道54形成具有位于涡轮机48下游的入口和位于压缩机42上游的出口的低压环路。然而，可以设想的是EGR通道54必要时可替代地形成高压环路(S卩，入口位于涡轮机48上游且出口位于压缩机42上游或下游的环路)。进一步可以设想，其他流动促进装置(例如，鼓风机、文氏管等)和/或排气调节装置(例如，柴油氧化催化剂、微粒过滤器等)可与EGR通道54相关。还可以设想的是，必要时阀门(未示出)(例如，单向阀或簧片阀)可位于EGR通道54内以将单向排气流输送到进气系统36中。
[0033]EGR冷却器56可位于EGR通道54内以在循环的排气进入进气系统36之前将其冷却。EGR冷却器56(如冷却器44)可为单级热交换器(图2中示出)或双级热交换器(图3中示出)，可被配置成促进热能远离循环排气的传递。远离循环排气传递的热能可被吸收到低压冷却剂(例如，空气、乙二醇、水、水/乙二醇混合物、混合空气混合物或本领域中已知的另一种冷却剂)流中。
[0034]动力系统10在一些实施例中可包括更多个冷却器，例如，动力系统10可尤其包括水套冷却器58。水套冷却器58可为被配置成将热传递远离通过发动机组32的冷却剂的单级(图2中示出)或双级(图3中示出)类型的冷却器，其他类型的冷却器还可或替代地结合动力系统10使用。远离发动机组32传递的热能可被吸收到低压冷却剂(例如，空气、乙二醇、水、水/乙二醇混合物、混合空气混合物或本领域中已知的另一种冷却剂)流中。
[0035]应当注意，当特定的热交换器(例如，空气冷却器44、EGR冷却器56和/或水套冷却器58，参照图2)被描述为双级热交换器时，特定的热交换器可具有借助于中间回路互连的多个芯体。具体地说，中间回路可连接两个芯体以允许中间冷却剂在芯体之间传递热量。在这个实施例中，中间冷却剂与通过相同芯体的任何其他流体隔离。
[0036]如上所述，存放在罐20内的液体燃料在存放到蓄能器24中之前汽化，并且随后被发动机18消耗。用于汽化燃料的热可借助于上述一个或多个热交换器来提供。例如，液体燃料可被引导通过热交换器并且用作冷却剂，从主流体(例如，从排气、空气或水套水)吸收热量，并且因此冷却主流体。然后这种吸收的热可用于汽化液体燃料。
[0037]在第一实例中，液体燃料由栗22引导通过第一燃料供应管道60且只引导到热交换器56，且热交换器56可与其他热交换器隔热。随着液体燃料通过热交换器56，液体燃料吸收足够多的热量，以使燃料在燃料进入第二燃料供应管道30且被收集在蓄能器24内之前汽化。
[0038]在另一个实例中，随着液体燃料通过热交换器56，液体燃料吸收足够多的热量，以在排气与通过压缩机42的进气混合之前将排气冷却到所需温度。在一些实施例中，这个过程期间吸收的热量与足以汽化燃料的量相同。然而，在其他实施例中，可能需要另外的热量。当需要另外的热量来完全汽化液体燃料时，燃料可按顺序引导到多个热交换器。例如，在汽化的燃料被收集在蓄能器24内之前，燃料可从热交换器56引导到冷却器44和/或热交换器58。另外或替代地，即使热交换器56内吸收的热量足以完全汽化液体燃料，离开热交换器的汽化的燃料可仍然具有低温。因此，汽化的燃料必要时可用作另外的热交换器内侧的冷却剂。
[0039]当来自于栗22的燃料按顺序通过多个热交换器时，热交换器的顺序可能非常重要。具体地说，使燃料首先通过最热的热交换器可能非常重要。因此，在所公开的实施例中，燃料可首先通过冷却器56、然后通过冷却器58并且最后通过冷却器44。然而，可以设想替代地采用其他策略。例如，燃料必要时可基于热负载而非温度而通过热交换器。
[0040]在一些实施方案中，通过特定热交换器的燃料不足以适当地冷却通过同一热交换器的主流体。在这些实施方案中，需要额外的冷却来源。例如，如需要，风扇62可与冷却器44、56、58中的一者或所有相关。如需要，每个热交换器可具有其自身的专用风扇62(图2和图3中所示)或堆叠在一起(例如，并联或串联)以接收来自共用风扇62的空气流。风扇62可被配置成使环境空气通过相关的热交换器，以将额外热量从主流体中转移。
[0041 ] 工业实用性
[0042]所公开的动力系统可在任意机器中有潜在应用。所公开的动力系统在移动气体燃料处理系统中有特定应用，例如在列车组12中。所公开的动力系统可通过使用通常被浪费的热量来汽化液体燃料以提高系统的效率。通过循环此热量，与热量相关的能量可有助于减少机器的操作成本。此外，所公开的流体流布置可提供对不同流所需的温度控制。
【主权项】
1.一种动力系统，其特征在于，包括: 低温罐，其用于容纳液体燃料； 发动机，其被配置成燃烧气体燃料； 冷却剂回路，其用于冷却所述发动机； 至少一个热交换器，其与所述冷却剂回路隔离并用于接收通过所述发动机的流体； 第一燃料供应管道，其从所述低温罐延伸到所述至少一个热交换器；以及 第二燃料供应管道，其从所述至少一个热交换器延伸到所述发动机。2.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，由所述热交换器接收的所述流体为发动机排气。3.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于， 所述发动机具有进气歧管、排气歧管和从所述排气歧管延伸到所述进气歧管的排气再循环通道；以及 所述至少一个热交换器设置在所述排气再循环通道中。4.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于， 所述至少一个热交换器包括用于接收所述流体的第一芯体和在所述第一燃料供应管道与所述第二燃料供应管道之间连接的第二芯体;以及 所述动力系统还包括连接所述第一芯体与第二芯体的中间回路。5.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于， 所述至少一个热交换器包括排气再循环冷却器；以及 所述动力系统还包括空气冷却器；以及 所述第一燃料供应管道和第二燃料供应管道中的至少一者还被配置成通过所述空气冷却器。6.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于， 所述至少一个热交换器包括排气再循环冷却器； 所述动力系统还包括空气冷却器；以及所述第二燃料供应管道被配置成在所述空气冷却器下游的某一位置连接到所述发动机。7.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，还包括与所述第二燃料供应管道流体连通的蓄能器。8.根据权利要求7所述的动力系统，其特征在于，还包括位于所述蓄能器下游的调节器。9.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，还包括用于将环境空气通过所述至少一个热交换器以进行热传递的风扇。10.一种列车组，其特征在于，包括: 根据权利要求1至9中任一项所述的动力系统； 安装所述低温罐的煤水车；以及 安装所述发动机和所述冷却剂回路的机车。
【文档编号】F02M26/00GK205477920SQ201620119253
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月14日
【发明人】A·G·福格
【申请人】易安迪机车公司