專利名稱：具有以液態(tài)形式儲存的氣體燃料的雙引擎系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種具有以液態(tài)形式儲存的氣體燃料的雙引擎系統(tǒng)。在具體的實(shí)施方式中，氣體燃料是在低溫下以液態(tài)形式隨車儲存在交通工具上的天然氣。公開的方法和裝置還涉及防止將蒸發(fā)氣體釋放到大氣中。
背景技術(shù)：
使用內(nèi)燃機(jī)來產(chǎn)生動力和驅(qū)動機(jī)器已經(jīng)超過一個世紀(jì)。歷史上，汽油和柴油已經(jīng)是優(yōu)選的燃料選擇，因?yàn)樗鼈兪秦S富、便宜并且易于儲存的。雖然將天然氣用作用于交通工具的燃料已經(jīng)超過五十年，但是廣泛應(yīng)用已出于各種原因而受到限制，所述各種原因包括燃料儲存密度、基礎(chǔ)設(shè)施、燃料可用性以及與常規(guī)的由液態(tài)燃料供給的運(yùn)輸工具相比通常更高的資本成本。然而，替代性的燃料選擇因?yàn)橐恍┮蛩囟艿郊颖蛾P(guān)注，這些因素包括改變經(jīng)濟(jì)條件、期望減少污染以及期望減小對逐漸減少且越來越昂貴的石油資源的依賴性。用天然氣或在內(nèi)燃機(jī)中可燃的且在大氣壓力和溫度下為氣相的其他氣體燃料來替代液態(tài)燃料具有許多優(yōu)點(diǎn)。天然氣本身是可燃?xì)怏w的混合物，但是其主要是甲烷。其他的氣體燃料包括乙烷、丙烷以及其他較輕的可燃碳?xì)浠衔镅苌锖蜌湟约捌浠旌衔?。例如，已?jīng)將氫與天然氣的混合物用作用于內(nèi)燃機(jī)的燃料，并且這種混合物有時稱為“氫能壓縮天然氣燃料”(“HCNG”)。相比于常規(guī)的液體燃料，公開的氣體燃料通常更清潔地燃燒并且能夠從可再生資源產(chǎn)生。天然氣是目前能夠獲得的最豐富的氣體燃料之一，并且在本公開所探討的示例中天然氣被命名為燃料，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，公開的主題可由在公開的內(nèi)燃機(jī)中可燃的任何適當(dāng)?shù)臍怏w燃料所利用。在過去，大多數(shù)由天然氣供燃料的交通工具(“NGV”)是自然熏蒸的，S卩，不直接將天然氣引入到汽缸中，而是噴射到進(jìn)氣歧管中，在該進(jìn)氣歧管中，燃料與進(jìn)氣混合并且借助于進(jìn)氣輸送到汽缸中，進(jìn)入通過進(jìn)氣口并且打開進(jìn)氣閥。相比于在壓縮沖程末期直接將燃料噴射到燃燒室中的引擎中，需要克服進(jìn)氣歧管中的壓力的噴射壓力是相對低的。因此，用于自然熏蒸的NGV的燃料供給系統(tǒng)是相對簡單的。將燃料保持在液態(tài)天然氣(LNG)儲存罐中并且從其供給，所述液態(tài)天然氣儲存罐具有剛好在引擎入口壓力之上的工作壓力，或者將燃料保持在壓縮天然氣(“CNG”)儲氣瓶中并且通過壓力調(diào)節(jié)器從其供給，所述壓力調(diào)節(jié)器將壓力降低至期望的噴射壓力。CNG通常在至多250bar的壓力下以環(huán)境溫度儲存，但是CNG的缺點(diǎn)是相比于傳統(tǒng)的液體燃料或LNG較低的能量密度以及通常與CNG儲存罐相關(guān)聯(lián)的相對重的重量，需要將CNG儲存罐設(shè)計(jì)成承受高的儲存壓力。另一方面，通常在大約_160°C與_130°C之間的溫度下并且相比于CNG在較低的壓力下、例如在小于IObar并且通常在大約2bar與8bar之間來儲存LNG，LNG具有大約是CNG的能量密度的四倍的能量密度。LNG儲存罐提供用于將足夠體積的天然氣隨車儲存在NGV上的適當(dāng)?shù)难b置。然而，將LNG用作燃料供給把一些復(fù)雜之處引入到燃料處理和供給系統(tǒng)中。一個復(fù)雜之處在于，在將液態(tài)天然氣供給至引擎之前必須將其加熱并且轉(zhuǎn)化成氣態(tài)形式。同樣地，為了以液態(tài)形式儲存這種燃料，必須將其保持為低溫，這需要儲存罐是隔熱的以減少將熱量傳遞到儲存空間中。然而，因?yàn)榈蜏貎Υ婀扌枰糜谔畛浜头峙淙剂系慕Y(jié)構(gòu)元件和管道系統(tǒng)，因此始終存在將一定數(shù)量的熱量傳遞到儲存空間中，并且當(dāng)熱量被儲存的液態(tài)氣體吸收時，液態(tài)氣體中的一部分能夠轉(zhuǎn)化成具有比液態(tài)氣體更低的密度的蒸汽，從而引起儲存壓力的增加。該蒸汽作為蒸發(fā)氣體(“BOG”)是已知的并且需要將其重新液化或從儲存空間中移走以防止儲存壓力升高到儲存罐的壓力極限之上。如果BOG的壓力高于進(jìn)氣壓力，一些熏蒸引擎能夠獲取BOG并且將其噴射到進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣口中。已經(jīng)發(fā)展了用于NGV的新型的、更有效的引擎，在下文中被稱作高壓直接噴射(“HPDI”)引擎，該高壓直接噴射引擎在壓縮沖程的后期在高壓下噴射氣體燃料以盡量趕上柴油引擎的性能和效率。用于HPDI引擎的燃料噴射壓力典型地為至少200bar。為了將儲存的液態(tài)氣體的壓力從儲存壓力升高至至少200bar，通常使用低溫泵。需要適當(dāng)?shù)尿?qū)動器以驅(qū)動該增壓系統(tǒng)中的低溫泵。在運(yùn)輸工具應(yīng)用中，驅(qū)動器典型地由電馬達(dá)推動或借助于通過工作流體傳遞至泵驅(qū)動器的動力以液壓的方式被推動。在后者的情況下，液壓動力通常從交通工具引擎中得到，交通工具引擎本身由來自LNG儲存罐的天然氣燃料來供給。由于HPDI引擎所需要的高壓噴射壓力，這種引擎不能夠使用從儲存罐排放的B0G,因?yàn)锽OG壓力太低并且將蒸汽壓縮至用于直接噴射到燃燒室中所需要的高壓而言是無效且不實(shí)際的。對于HPDI引擎而言，已使用若干方法來減少BOG的數(shù)量，這些方法包括:減小傳遞到儲存罐中的熱量、設(shè)計(jì)如在共有的美國專利N0.5，884，488中所公開的能夠泵送蒸汽和液態(tài)氣體兩者的泵、將BOG引入到引擎的進(jìn)氣歧管中以補(bǔ)償直接噴射到燃燒室中的一部分燃料，以及通過在加熱器或一些其他的非引擎裝置中燃燒B0G。借助于一部分所述方法，有時，仍然能夠有少量的BOG不能夠針對有用應(yīng)用，從而導(dǎo)致BOG從儲存罐中排放。需要組織BOG的排放，因?yàn)檫@意味著浪費(fèi)，同時也構(gòu)成排放和安全問題。

發(fā)明內(nèi)容
對于使用由以液態(tài)形式儲存的氣體燃料供燃料的HPDI引擎的交通工具而言，利用單獨(dú)的、輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)是有利的，例如以便為低溫燃料泵或燃料供給系統(tǒng)中的其他部件提供機(jī)械驅(qū)動。然而，HPDI主引擎需要高壓氣體，輔助熏蒸引擎能夠由BOG供燃料。熏蒸引擎的效率通常低于HPDI引擎的效率，但是如果輔助引擎比主引擎小得多并且輔助引擎為BOG提供有用的應(yīng)用，那么這能夠是適當(dāng)?shù)?。也就是說，整個運(yùn)輸工具的總效率仍然能夠是高的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的動力需要通過HPDI主引擎來滿足并且沒有浪費(fèi)B0G。此外，輔助引擎能夠代替更復(fù)雜且容易出現(xiàn)維修問題的液壓系統(tǒng)，這引起整個系統(tǒng)的簡化以及提高的可靠性。用于這種交通工具的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)因而包括低溫燃料儲存罐，該低溫燃料儲存罐是隔熱的以將氣體燃料保持為液態(tài)形式。儲存罐具有第一出口和第二出口，其中，第一出口與儲存罐的下部部分相聯(lián)接以用于傳送液態(tài)形式的氣體燃料，第二出口與儲存罐的上部部分相聯(lián)接以用于傳送汽化的氣體燃料。系統(tǒng)還包括:低溫泵，該低溫泵包括流體地連接至儲存罐的第一出口的吸入口 ；用于低溫泵的驅(qū)動器，該驅(qū)動器包括動力供給裝置；以及汽化器，該汽化器具有流體地連接至低溫泵的排出口的入口。氣體燃料從汽化器出口導(dǎo)向第一引擎中的一個或多個燃料噴射器，該第一引擎為高壓的、直接噴射的由氣體燃料供給的內(nèi)燃機(jī)，在該內(nèi)燃機(jī)中，燃料噴射器在高于200bar以及更優(yōu)選地在至少250bar的噴射壓力下將氣體燃料直接噴射到燃燒室中。交通工具還包括第二引擎，該第二引擎是熏蒸的由氣體燃料供給的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)包括用于將氣體燃料噴射到進(jìn)氣歧管中的燃料噴射器，進(jìn)氣歧管將進(jìn)氣傳送至第二引擎的燃燒室。供給至第二引擎的氣體燃料能夠從儲存罐的第二出口提供。第二熏蒸引擎是用于低溫泵驅(qū)動的動力供給裝置。在示例性的使用中，將系統(tǒng)安裝在具有第一直接噴射引擎的運(yùn)輸工具上，該第一直接噴射引擎是運(yùn)輸工具的機(jī)動動力的主要來源并且因而尺寸設(shè)計(jì)成用于發(fā)動目的。用在這種運(yùn)輸工具中的優(yōu)選的氣體燃料是天然氣。第二熏蒸引擎可以包括進(jìn)氣通道中的節(jié)流閥以及在其燃燒室中用于引燃?xì)怏w燃料的火花塞。如所提到的，第二熏蒸引擎為低溫泵驅(qū)動器提供動力并且因而尺寸典型地設(shè)計(jì)成用于此目的。然而此外，第二熏蒸引擎能夠是用于附加的輔助設(shè)備一例如，舉例來說，水泵/冷卻劑泵、空調(diào)、制冷裝備、液壓驅(qū)動器、或發(fā)電機(jī)一的動力供給裝置。在這樣的其他的實(shí)施方式中，輔助引擎優(yōu)選地用來為在交通工具不運(yùn)動時也能夠運(yùn)行的設(shè)備提供動力，使得其借助于輔助引擎來驅(qū)動，不必使對輕載荷可能不太高效的較大的直接噴射引擎運(yùn)行。由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)能夠附加地包括蓄能器，該蓄能器與汽化器出口流體地連通以儲存已通過低溫泵抽吸成高壓的汽化氣體。蓄能器用來減少汽化的天然氣中的壓力波動。如果BOG的供給不足以使第二熏蒸引擎按照期望的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，那么熏蒸引擎的燃料入口也能夠流體地連接至蓄能器和/或汽化器出口以便補(bǔ)充可用的B0G。因?yàn)樵撊剂显刺幱谙鄬Ω叩膲毫ο?，對于該方法通常需要進(jìn)行減壓。例如，系統(tǒng)還能夠包括與此相關(guān)聯(lián)的管道系統(tǒng)和減壓閥以用于將氣體燃料的一部分從蓄能器或從汽化器出口下游的另一位置導(dǎo)向至第二引擎。替代性地，系統(tǒng)可以包括第二汽化器，該第二汽化器的入口與儲存罐的下部部分中的液態(tài)燃料直接地流體地連通并且該第二汽化器的出口流體地連接成將汽化的氣體燃料供給至第二引擎。如果該實(shí)施方式中的汽化的燃料處于相對低的壓力下并且對于該方法，能夠?qū)⑷剂显诓恍枰瑯佣嗟臏p壓的情況下就直接供給至第二引擎。燃料供給系統(tǒng)中的低溫泵能夠?yàn)橥鶑?fù)式活塞泵。然而，熏蒸引擎能夠直接驅(qū)動往復(fù)式活塞泵，從而不需要液壓管道、儲液器等等。此外，熏蒸引擎的速度能夠根據(jù)燃料噴射引擎的需要來進(jìn)行控制。否則將會是從第二熏蒸引擎產(chǎn)生的廢熱能夠用來使系統(tǒng)中的任何汽化器中的液態(tài)的氣體燃料汽化。一種方法將冷卻劑子系統(tǒng)用于輔助熏蒸引擎，該冷卻劑子系統(tǒng)包括與汽化器中的一個熱連通的冷卻回路。在另一方法中，第二引擎以物理的方式與汽化器中的一個熱接觸，使得由第二引擎產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)而傳遞至汽化器。在具體的實(shí)施方式中，公開的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)為交通工具提供動力并且該系統(tǒng)包括第一引擎，該第一引擎是在運(yùn)輸工具運(yùn)動時平均提供系統(tǒng)的至少90%的總動力輸出的高壓直接噴射內(nèi)燃機(jī)。因?yàn)樾枰膭恿敵鰧⒏鶕?jù)例如為交通工具載荷、速度以及諸如由地形或風(fēng)引起的運(yùn)動阻力而發(fā)生改變，有些時候，第一引擎將提供更大比例的動力，其他時候，當(dāng)該比例較低時，運(yùn)輸工具是滑行的。然而，平均上，第一引擎將是提供大部分動力的引擎。在該系統(tǒng)中，第二引擎是熏蒸內(nèi)燃機(jī)并且平均提供系統(tǒng)的至多約10%的總動力輸出。燃料儲存罐在低溫下以液態(tài)形式儲存氣體燃料，并且低溫泵和管道系統(tǒng)將燃料儲存罐的下部部分連接至燃料噴射器以用于將燃料直接噴射到第一引擎的燃燒室中。附加的管道系統(tǒng)將燃料儲存罐的上部部分連接至低壓燃料噴射器以將氣體燃料噴射到與第二引擎的燃燒室相聯(lián)接的進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣口中。公開的裝置特別適合用在較大的運(yùn)輸裝置中，例如船舶、機(jī)車或諸如越野礦用卡車的大卡車。


圖1示出了具有以液態(tài)形式儲存的氣體燃料的現(xiàn)有技術(shù)的HPDI單引擎系統(tǒng)的示意圖，該單引擎系統(tǒng)具有借助于由引擎機(jī)械地驅(qū)動的液壓馬達(dá)來驅(qū)動的低溫泵。該類型的系統(tǒng)與在共有的美國專利N0.5，884，488中所公開的系統(tǒng)相似。圖2為具有以液態(tài)形式儲存的氣體燃料的雙引擎系統(tǒng)的示意圖，該雙引擎系統(tǒng)具有借助于由氣體燃料供燃料的輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)來驅(qū)動的低溫泵。該實(shí)施方式包括用于輔助熏蒸引擎的冷卻劑子系統(tǒng)，其中，該冷卻劑子系統(tǒng)包括與汽化器熱連通的冷卻回路。圖3是具有以液態(tài)形式儲存的氣體燃料的雙引擎系統(tǒng)的示意圖，該雙引擎系統(tǒng)具有借助于由氣體燃料供燃料的輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)來驅(qū)動的低溫泵。示出的實(shí)施方式示出了用于補(bǔ)充供給至輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)的燃料的若干可選方案；來自蓄能器或高壓汽化器或第二低壓汽化器。
具體實(shí)施例方式公開的雙引擎系統(tǒng)包括用于發(fā)動目的的燃料噴射HPDI內(nèi)燃機(jī)，其中，該燃料噴射HPDI內(nèi)燃機(jī)由以液態(tài)形式隨車儲存的氣體燃料供燃料。燃料供給系統(tǒng)將儲存的液態(tài)氣體轉(zhuǎn)化成氣態(tài)形式并且將其在用于直接噴射到HPDI內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中的噴射壓力下進(jìn)行傳送。例如，如果液態(tài)的氣體燃料是天然氣，那么在大約-130攝氏度與-160攝氏度之間的儲存壓力通常小于大約lObar。用于HPDI內(nèi)燃機(jī)的噴射壓力典型為至少200bar。在典型系統(tǒng)中，卸壓閥的設(shè)定值能夠是大約17bar (大約250磅/平方英寸)。根據(jù)公開的系統(tǒng)，將也由氣體燃料供燃料的單獨(dú)的輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)用來驅(qū)動燃料供給系統(tǒng)中的低溫泵。能夠在典型地大約為5bar、并且通常小于IObar的壓力下將氣體燃料傳送至輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)。因此，雖然低溫泵能夠用來將儲存的液態(tài)燃料有效地傳送至HPDI引擎，但是儲存壓力對于BOG是太低的以至于在沒有使用遠(yuǎn)不如低溫泵有效率的壓縮機(jī)的情況下BOG不能由HPDI引擎使用。然而，儲存壓力方便地足夠用于將燃料傳送至輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)，并且輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)有助于將儲存罐之內(nèi)的蒸汽壓力維持在卸壓閥的設(shè)定值之下。以此方式，公開的雙引擎系統(tǒng)有效地使用來自低溫燃料儲存罐的BOG。輔助引擎代替了現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動器，諸如更復(fù)雜且容易出現(xiàn)維修問題的液壓系統(tǒng)或電子驅(qū)動器(它們并不優(yōu)選用于常規(guī)交通工具，因?yàn)樾枰蟮慕涣靼l(fā)電機(jī)來提供足夠的電力)。因此，公開的雙引擎系統(tǒng)能夠引起系統(tǒng)簡化以及改進(jìn)的總體可靠性。如果天然氣是供給燃料，那么公開的雙引擎系統(tǒng)尤其適合用在較大的交通工具中，例如船舶、火車機(jī)車或礦用卡車。為了比較，圖1示出了用于交通工具的現(xiàn)有技術(shù)的單引擎系統(tǒng)的示意圖，其中，該單引擎系統(tǒng)由以液態(tài)形式儲存的氣體燃料供燃料。交通工具包括低溫儲存罐30、液壓泵驅(qū)動器32、低溫泵2、汽化器34、蓄能器36以及直接噴射內(nèi)燃機(jī)38。液壓泵32將液壓流體傳送至驅(qū)動低溫泵2的汽缸。雖然在該示意圖中未示出液壓泵32與引擎38之間的連接，但是典型地，液壓泵32例如通過傳動帶機(jī)械地耦聯(lián)至引擎38，由此液壓泵32由引擎38機(jī)械地驅(qū)動。該設(shè)置的缺點(diǎn)在于，存在由與將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓能并且然后將液壓能轉(zhuǎn)化回機(jī)械能以驅(qū)動低溫泵2相關(guān)聯(lián)的能量損失所引起的低效率。由于引擎38與液壓泵32之間的帶傳動，存在由在低溫泵空轉(zhuǎn)時導(dǎo)致寄生載荷的持續(xù)耦聯(lián)所引起的額外的能量損失。根據(jù)在圖1中所示出的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，低溫泵2從儲存罐30中汲取蒸汽與液體的混合物。隔熱的抽吸管道31不僅連接至罐底部附近的液相區(qū)域，而且也通過管道33連接至儲存罐30上部中的氣相區(qū)域。隨著更多的蒸汽導(dǎo)向低溫泵2，泵送效率以及從泵流出的質(zhì)量流率減小，因此，當(dāng)需要高的質(zhì)量流率時，電磁閥39用作截止閥來停止蒸汽的任何流動，并且當(dāng)電磁閥39打開時，計(jì)量閥40操作用于控制導(dǎo)向低溫泵2的蒸汽的量。在該現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，低溫泵2優(yōu)選為多級泵，其中，該多級泵包括比用于再壓縮蒸汽的其他級的體積更大的進(jìn)口級以及當(dāng)對多于蒸汽的液體進(jìn)行處理時用于使汲取到泵中的過多的流體返回的裝置。從低溫泵2流出的流體為泵送至汽化器34的超臨界流體，其中，該汽化器34為加熱超臨界流體以使其汽化的熱交換器。離開汽化器34的燃料作為壓縮的天然氣儲存在蓄能器36中。蓄能器確保在期望的噴射壓力下引擎38能夠獲得氣體燃料的穩(wěn)定供給。低溫泵2能夠位于儲存罐30的外部或在其他的實(shí)施方式中(未圖示)能夠安裝在儲存罐之內(nèi)。圖1也示出了諸如氣體管道45的其他管路，該氣體管道45在美國專利N0.5，884，488中被更加詳細(xì)地描述，但是在正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，電磁閥7正常地關(guān)閉。氣體管道45涉及用于減少將低溫泵2冷卻至其運(yùn)轉(zhuǎn)壓力所需要的時間的特征，但是這是不涉及到作為本公開的主題的發(fā)明的特征。用于汽化器34的熱量通常從流過管路50的冷卻劑中獲得，其中，管路50連接至用于減少直接噴射引擎38的熱量的冷卻系統(tǒng)。對燃料供給系統(tǒng)中的所有的不同部件的控制由已編程的計(jì)算機(jī)控制器43來提供，并且該計(jì)算機(jī)控制器通過虛線示出的信號線發(fā)出指令。如對引擎技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的，控制器43也從測量不同的系統(tǒng)參數(shù)和操作者輸入的傳感器接收數(shù)據(jù)輸入，使得控制器43發(fā)送響應(yīng)于這些輸入的指令。在示出的簡化的示意圖中，大多數(shù)指令信號線、傳感器以及操作者輸入未示出，但是示出壓力傳感器5來代表傳感器輸入。壓力傳感器5測量燃料的壓力，使得控制器43能夠確定何時需要更多的燃料以及何時使低溫泵2運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2是用于由以液態(tài)形式隨車儲存的氣體燃料供燃料的交通工具的雙引擎系統(tǒng)的示意圖。為了簡化與圖1中所示出的系統(tǒng)的比較，在圖2中的相同元件用相同的附圖標(biāo)記來識別。如果標(biāo)記相同的元件以已關(guān)于圖1描述的大致相同的方式運(yùn)行，為了避免重復(fù)，除非有助于對在圖2中示出的系統(tǒng)的說明，否則在對圖2中示出的系統(tǒng)進(jìn)行描述時不會重復(fù)描述標(biāo)記相同的元件。不同于在圖1中所示出的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)需要管道系統(tǒng)和閥來控制蒸汽向低溫泵2的流動，該低溫泵優(yōu)選地為能夠有效地處理液體和蒸汽的混合物的多級泵，該多級泵具有用于使過多的流體返回的裝置，在圖2中所示出的系統(tǒng)具有更簡單的管道系統(tǒng)并且能夠使用僅需要處理液體的更簡單的泵。在圖2中，引擎38仍然用作為發(fā)動目的提供動力的主引擎并且為直接噴射HPDI內(nèi)燃機(jī)。然而，引擎38不為該系統(tǒng)提供全部動力，其中，該系統(tǒng)還包括用來給低溫泵2提供動力的輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)52來代替在圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)所使用的液壓泵。像圖1 一樣，圖2是示意性的表示并且因此系統(tǒng)元件沒有按比例進(jìn)行繪制。輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)52優(yōu)選地比HPDI內(nèi)燃機(jī)38小得多。這是因?yàn)橛糜诎l(fā)動目的的動力需求比用于低溫泵的動力需求大得多，對一些系統(tǒng)而言，用于低溫泵的動力需求通常至多為系統(tǒng)所需要的總動力的大約2%至3%。對于HPDI內(nèi)燃機(jī)而言，大于輔助熏蒸引擎也是更有利的，因?yàn)檫@些類型的引擎之間的根本差異能夠使HPDI內(nèi)燃機(jī)比輔助熏蒸引擎更有效地向交通工具提供動力。在交通工具應(yīng)用中，用于汽化器34的熱量的主要來源可以來自直接噴射主引擎38并且可以通過使用適當(dāng)?shù)臒峤粨Q子系統(tǒng)(未圖示)來進(jìn)行交換。然而，來自輔助熏蒸引擎52的廢熱也可以適當(dāng)?shù)赜脕硎蛊?4中的燃料汽化。圖2示出了用于使用包括冷卻回路56的冷卻系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所述目的的一個可選方案。在此，來自輔助引擎52的熱的冷卻劑通過冷卻回路56循環(huán)至汽化器34并且一旦冷卻劑的熱量被適當(dāng)?shù)亟粨Q則再次返回。該示意圖簡單地示出了經(jīng)由流過管道56的冷卻劑流體將熱量從輔助熏蒸引擎52傳遞至汽化器54，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，在可行的實(shí)施方式中，冷卻劑管道系統(tǒng)將是包括泵的較大的冷卻系統(tǒng)的一部分，所述泵用于將冷卻劑流體泵送至與引擎52和38相聯(lián)接的冷卻套管以及需要冷卻的任意其他設(shè)備，以用于減少其熱量并且將該熱量傳遞至汽化器以及需要加熱的其他設(shè)備，或者傳遞至用于消散過剩熱量的設(shè)備。公開的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，輔助熏蒸引擎52所產(chǎn)生的熱量能夠被其他的例如為汽化器34的設(shè)備有效地利用。在圖2中，使用輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)52有助于排除對液壓泵32以及對驅(qū)動低溫泵2所需要的所有高壓液壓管道系統(tǒng)和閥的需要。因?yàn)橥ㄟ^燃料管道54傳送至輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)52的燃料處于相對低的壓力下、即處于循環(huán)通過冷卻劑管道56的引擎冷卻劑的壓力下，并且因?yàn)檠粢媸且阎獮槟陀玫某墒旒夹g(shù)，在圖2中示出的公開的系統(tǒng)與例如在圖1中示出的高壓液壓系統(tǒng)相比能夠是更便宜且更可靠的。雖然引擎技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解熏蒸引擎不如HPDI引擎有效，然而對于公開的使用了與熏蒸引擎結(jié)合的較大的HPDI引擎的雙引擎系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)效率的影響并非僅基于HPDI引擎與熏蒸引擎之間的效率差異。在較大的諸如機(jī)車、船舶以及大型越野礦用卡車的交通工具中，具有對較輕負(fù)載而言與較大的主引擎相比更有效地運(yùn)行的輔助動力單元能夠是有利的。在公開的雙引擎系統(tǒng)中，特別是當(dāng)燃料是以液態(tài)形式隨車儲存的氣體燃料時，通過將作為主引擎的HPDI引擎與作為輔助引擎的熏蒸引擎相結(jié)合而產(chǎn)生一些特定優(yōu)點(diǎn)。在公開的系統(tǒng)中，這些優(yōu)點(diǎn)中的一些也是彌補(bǔ)熏蒸引擎的較低的效率的因素。這些優(yōu)點(diǎn)和因素中的一些包括:(a)熏蒸引擎對整個系統(tǒng)的動力貢獻(xiàn)是相對小的，從而限制了熏蒸引擎的較低效率的影響；(b)消除了用于低溫泵的液壓驅(qū)動以及與在液壓驅(qū)動器中將主引擎的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能以及隨后在低溫泵中將液壓能轉(zhuǎn)換回機(jī)械能相關(guān)聯(lián)的能量損失；(c)由于可以以其他的方式從儲存罐排放的廢B0G，能量損失減少；(d)與更簡單的系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的降低的維修成本，具體地，將熏蒸引擎與液壓驅(qū)動器相比較，以及將僅處理液體的低溫泵與能夠處理液體和蒸汽兩者的低溫泵相比較；以及(e)通過使用從輔助引擎恢復(fù)的熱量來改進(jìn)汽化器34的性能和效率而獲得的性能利益。在該系統(tǒng)中，低溫儲存罐30設(shè)計(jì)成將液態(tài)的氣體燃料保持在允許BOG具有足夠高到使其由輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)52使用的壓力的壓力下。對于像這樣的儲存罐，用于觸發(fā)卸壓設(shè)備的設(shè)定值能夠設(shè)置在大約17bar。不同于諸如在圖1中所示出的單引擎系統(tǒng)，其中，在例如小于5bar的最低的實(shí)際壓力下儲存燃料以減小將任何蒸發(fā)氣體排放至大氣的可能性是更合乎需要的，對于在圖2中示出的系統(tǒng)，將蒸汽壓力維持在正常儲存壓力范圍的上端附近、例如維持在大約IObar是更合乎需要的，因?yàn)橥ㄟ^輔助引擎對蒸汽的穩(wěn)定使用，減小了儲存壓力升高至卸壓閥的設(shè)定值的可能性。在一些實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)具有較高的壓力等級的儲存罐是合乎需要的，作為交換接收一些額外的重量，以允許較高的儲存壓力以及卸壓閥的較高的設(shè)定值。然而，將儲存罐30之內(nèi)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)壓力的上限優(yōu)選地保持在燃料補(bǔ)給站中的燃料的正常飽和壓力之下，以便在重新填滿車載的儲存罐之前減小從其的排放。此夕卜，優(yōu)選地是，將熏蒸引擎設(shè)計(jì)成能以低燃料供給壓力操作以確保其在啟動時便具有足夠燃料。此外，在一些實(shí)施方式中，也能夠利用壓力構(gòu)建回路。為了簡化示出公開的系統(tǒng)，圖2未示出全部的壓力調(diào)節(jié)器或簡單的壓力構(gòu)建回路、或簡單的低壓泵，其中，全部的壓力調(diào)節(jié)器或簡單的壓力構(gòu)建回路或簡單的低壓泵能夠用在本發(fā)明的不同的實(shí)施方式中。這種壓力構(gòu)建回路對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員是已知的，因?yàn)檠粢嬖趩我嫦到y(tǒng)中是眾所周知的。此外，BOG可能對于由引擎52立刻使用表現(xiàn)為是太冷的，必要時可將適當(dāng)?shù)臒峤粨Q裝置用來對其進(jìn)行加熱。再者，這種硬件對于熟悉單引擎系統(tǒng)的技術(shù)人員也是眾所周知的。汽化器34通常位于靠近低溫泵2。在另一實(shí)施方式(未圖示)中，因?yàn)檩o助熏蒸引擎52是相對小的，因此其能夠與汽化器34熱接觸，使得存在從引擎至汽化器的傳導(dǎo)的熱傳遞，這能夠?qū)囊粋€或兩個引擎循環(huán)至汽化器34的冷卻劑進(jìn)行補(bǔ)充。要注意違背傳統(tǒng)的思維的是，在一定程度上引擎52的低效能夠是有利的，以便額外的廢熱可用于汽化器34。BOG并非總能以充足的數(shù)量來滿足輔助熏蒸內(nèi)燃機(jī)52為對低溫泵2提供動力以及用來提供動力的任何其他的附加設(shè)備所需要的要求。為了說明的目的，圖3中的實(shí)施方式示出用于補(bǔ)充供給至輔助熏蒸引擎的燃料的若干不同的可選方案，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，可行的實(shí)施方式僅需要使用一個可選方案。一個可選方案在于經(jīng)由管道55來提供補(bǔ)充的低壓燃料，其中，管道55能夠連接至蓄能器36。減壓閥57將壓力減小至用于傳送至熏蒸輔助內(nèi)燃機(jī)52所需要的較低壓力。注意燃料管道54上的單向止回閥定向在與圖1中的管道33上的止回閥相反的位置中。如同在圖2的實(shí)施方式中示出的，單向閥阻止任何燃料流回到儲存罐30中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將進(jìn)一步理解的是，補(bǔ)充的低壓燃料管道55不需要連接至蓄能器36并且能夠連接至汽化器34與HPDI內(nèi)燃機(jī)38之間的高壓燃料管道的任何部分，例如，其能夠連接至汽化器的例如通過管道59以及減壓閥61示出的出口附近。然而，每當(dāng)在儲存罐中存在充足的蒸汽壓力時，優(yōu)選地從BOG傳送用于輔助熏蒸引擎內(nèi)燃機(jī)的燃料，因?yàn)檫@減小了對于排放的要求并且存在與將氣體燃料抽吸成高壓(如用于噴射到HPDI引擎38中所需要的)并且隨后將其用于傳送的壓力減小至熏蒸引擎52所需要的壓力相關(guān)聯(lián)的一些低效率。在圖3中示出的又一可選方案在于提供低壓燃料管道62，該低壓燃料管道與儲存罐30的液體部分流體地連通并且通向第二汽化器63，以產(chǎn)生在能夠由引擎52立刻使用的壓力下的汽化的燃料。當(dāng)像這樣使用兩個汽化器時，在一些實(shí)施方式中可有利的是，使其各自的熱交換盤管通過同一熱交換套管(未圖示)，從而使兩者彼此一體化并且減少了用于冷卻劑的管道系統(tǒng)的數(shù)量。輔助熏蒸引擎52能夠是簡單節(jié)流的、火花點(diǎn)火式引擎、尺寸設(shè)計(jì)成用于給低溫泵2提供動力。至泵2的驅(qū)動連接能夠包括速度減小或改變設(shè)備并且能夠典型地是機(jī)械的，但是也能夠是液壓的。(如果使用液壓連接，該液壓連接是自足式的，包括儲液罐、泵以及在一體化單元中的控制裝置，從而通過使用公開的雙引擎系統(tǒng)仍然獲得確定的效率益處)此外，輔助熏蒸引擎52能夠是用于交通工具中的一個或多個附加的輔助設(shè)備——諸如氣體探測系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、空調(diào)單元、水泵/冷卻劑泵等等(未圖示)——的動力供給裝置。圖2中所示出的系統(tǒng)的又一優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)檩o助熏蒸引擎52是獨(dú)立于直接噴射HPDI主引擎38的，因此輔助熏蒸引擎52能夠用來僅在需要的時候驅(qū)動低溫泵2，并且能夠根據(jù)直接噴射HPDI引擎38的燃料需要來對輔助熏蒸引擎52的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于在圖1中示出的系統(tǒng)，如果液壓驅(qū)動器32由直接噴射HPDI引擎38機(jī)械地驅(qū)動，那么針對HPDI主引擎38的載荷和燃料供應(yīng)需求不能總是與速度相匹配。即，取決于引擎?zhèn)鲃友b置并且該引擎?zhèn)鲃友b置選定為齒輪傳動裝置，對相同的速度能夠存在不同的引擎載荷。因此，就與在圖1示出的單引擎系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的該方面而言能夠存在一些低效。在交通工具啟動期間，輔助引擎52能夠首先起動并且運(yùn)行，以便加熱用于傳遞至汽化器34的引擎冷卻劑并且為低溫泵提供動力以汲取液態(tài)氣體以在將更高的流量傳送至主HPDI引擎38之前對其進(jìn)行預(yù)冷卻。與單引擎系統(tǒng)相比較，本發(fā)明公開的雙引擎系統(tǒng)需要附加的熏蒸引擎以及其他的相關(guān)聯(lián)的硬件。雖然這通常可引起本領(lǐng)域的技術(shù)人員不考慮那種太復(fù)雜且低效率的系統(tǒng)，但是這未必是在本文中所描述的情況。本發(fā)明公開的系統(tǒng)以及在本文中公開的實(shí)施方式能夠具有許多優(yōu)點(diǎn)。難于將由引擎驅(qū)動的液壓泵封裝在發(fā)動主引擎上，并且通常需要用于液壓流體的大的儲液器。此外，大量的液壓流體軟管通常需要連接在液壓泵32與低溫泵2之間，其中，液壓泵32需要靠近引擎38，低溫泵2優(yōu)選地位于燃料儲存罐附近。事實(shí)上，在某些應(yīng)用(例如，礦山運(yùn)輸卡車以及機(jī)車)中可能難以對液壓流體軟管規(guī)定路線、進(jìn)行保護(hù)和支承。如果將多個小LNG低溫泵用在交通工具中，那么會出現(xiàn)對更多液壓流體軟管的相應(yīng)的需要。此外，現(xiàn)有技術(shù)的液壓致動的低溫泵以高的循環(huán)速率運(yùn)行，這能夠引起對常規(guī)服務(wù)和維修的需要，從而增加了在維修方面的操作成本和交通工具的停機(jī)時間。公開的系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)在于，能夠?qū)⑤o助引擎、低溫泵以及汽化器封裝成能夠重復(fù)使用且容易更換的模塊。示例下面的說明性的示例描述了由于使用公開的系統(tǒng)在寄生動力方面的可能改進(jìn)。然而，該示例不應(yīng)當(dāng)解釋成以任何方式進(jìn)行限制。基于按比例放大往復(fù)式液壓致動低溫泵的系統(tǒng)性能，對使用4900KW的引擎的交通工具而言，預(yù)測的寄生動力是大約115KW或2.3%。然而，基于在低溫流體上做的功以及機(jī)械驅(qū)動器的典型效率，對使用相似效率的附加熏蒸引擎來代替液壓驅(qū)動器的相同的交通工具而言，預(yù)測的寄生動力是大約0.8%。如果較小的輔助熏蒸引擎具有較低的效率(具體地，30%制動熱效率相比于40%用于交通工具的HPDI主引擎)，預(yù)測的寄生燃料流量將是直接噴射流量的1.2%)。根據(jù)前述的公開內(nèi)容對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯的是，在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，許多變型形式和改進(jìn)形式在本發(fā)明的實(shí)施中都是可能的。因此，根據(jù)由下面的權(quán)利要求所限定的主旨對本發(fā)明的范圍進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
1.一種由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，包括: 儲存罐，所述儲存罐是隔熱的以用于保存液態(tài)形式的氣體燃料； 第一出口，所述第一出口與所述儲存罐的下部部分相聯(lián)接以傳送液態(tài)形式的所述氣體燃料； 第二出口，所述第二出口與所述儲存罐的上部部分相聯(lián)接以傳送汽化形式的所述液體燃料； 低溫泵，所述低溫泵包括流體地連接至所述第一出口的吸入口； 用于所述低溫泵的驅(qū)動器，所述驅(qū)動器包括動力供給裝置； 汽化器，所述汽化器具有流體地連接至所述低溫泵的排放口的燃料入口 ；以及 第一引擎，所述第一引擎為由氣體燃料供給的直接噴射內(nèi)燃機(jī)，所述直接噴射內(nèi)燃機(jī)包括用于在大于200bar的壓力下將所述氣體燃料直接噴射到燃燒室中的燃料噴射器，所述燃料噴射器通過與汽化器燃料出口流體地連通的管路來接收所述氣體燃料；以及 第二引擎，所述第二引擎為由氣體燃料供給的熏蒸(fumigated)內(nèi)燃機(jī)，所述熏蒸內(nèi)燃機(jī)包括用于將所述氣體燃料噴射到進(jìn)氣歧管中的燃料噴射器，所述進(jìn)氣歧管將進(jìn)氣傳送至所述第二引擎的燃燒室，其中，供給至所述第二引擎的所述氣體燃料通過與所述第二出口流體地連通的管路而傳送，并且其中所述第二引擎是用于所述低溫泵驅(qū)動器的所述動力供給裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，其中，所述第二引擎包括在進(jìn)氣通道中的節(jié)流閥 以及在所述燃燒室中的用于引燃所述氣體燃料的火花塞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)安裝在具有所述第一引擎的交通工具上，所述第一引擎是對所述交通工具的機(jī)動動力的主要來源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，其中，所述第二引擎也是用于從下述組中選出的至少一個其他的輔助設(shè)備的動力供給裝置:發(fā)電機(jī)、空調(diào)、制冷裝備以及液壓驅(qū)動器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，所述雙引擎系統(tǒng)還包括與所述汽化器出口流體地連通以用于儲存汽化氣體的蓄能器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，所述雙引擎系統(tǒng)還包括用于將所述氣體燃料的一部分從所述蓄能器導(dǎo)向所述第二引擎的管路和與所述管路相聯(lián)接的減壓閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，所述雙引擎系統(tǒng)還包括用于將所述氣體燃料的一部分從所述汽化器出口導(dǎo)向所述第二引擎的管路和與所述管路相聯(lián)接的減壓閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，所述雙引擎系統(tǒng)還包括第二汽化器，所述第二汽化器包括入口和出口，所述入口與所述儲存罐的所述下部部分直接地流體地連通，所述出口流體地連接成將氣體燃料供給至所述第二引擎。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，其中，所述第二引擎處于與所述汽化器熱接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，其中，所述氣體燃料是天然氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，包括用于所述第二引擎的冷卻劑子系統(tǒng)，所述冷卻劑子系統(tǒng)包括與所述汽化器熱連通的冷卻回路。
12.一種交通工具，所述交通工具包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的交通工具，其中，所述交通工具是船舶、火車機(jī)車或礦用卡車。
14.一種在根據(jù)權(quán)利要求1所述的由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)中供給氣體燃料的方法，所述方法包括: 用來自所述儲存罐的汽化燃料向所述第二引擎供燃料； 用由所述第二引擎供給的動力來驅(qū)動所述低溫泵； 使所述燃料在所述汽化器中汽化；以及 用由所述低溫泵從所述儲存罐泵送的汽化燃料向所述第一引擎供燃料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，所述方法還包括用借助于所述低溫泵從所述儲存罐泵送的所述氣體燃料以補(bǔ)充的方式向所述第二引擎供燃料。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，所述方法還包括用由所述第二引擎產(chǎn)生的熱量來加熱所述汽化器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第二引擎處于與所述汽化器熱接觸，因此由所述第二引擎產(chǎn)生的熱 量通過傳導(dǎo)而傳遞至所述汽化器。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，所述方法還包括根據(jù)所述由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)對所述氣體燃料的需求來對所述第二引擎的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
19.一種靠由氣體燃料供給的雙引擎系統(tǒng)提供動力的交通工具，包括: 第一引擎，所述第一引擎為高壓直接噴射內(nèi)燃機(jī)，所述高壓直接噴射內(nèi)燃機(jī)在所述交通工具運(yùn)動時平均提供所述系統(tǒng)的至少90%的總動力輸出； 第二引擎，所述第二引擎為熏蒸內(nèi)燃機(jī)，所述熏蒸內(nèi)燃機(jī)在所述交通工具運(yùn)動時平均提供所述系統(tǒng)的至多10%的總動力輸出； 燃料儲存罐，所述燃料儲存罐在低溫下儲存液態(tài)形式的氣體燃料； 低溫泵和管道系統(tǒng)，所述低溫泵和所述管道系統(tǒng)將所述燃料儲存罐的下部部分連接至燃料噴射器，以將燃料直接噴射到所述第一引擎的燃燒室中； 管道系統(tǒng)，所述管道系統(tǒng)將所述燃料儲存罐的上部部分連接至低壓燃料噴射器，以將所述氣體燃料噴射到與所述第二引擎的燃燒室相聯(lián)接的進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣口中。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的交通工具，其中，所述交通工具是船舶、機(jī)車或卡車中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由氣態(tài)燃料供給的雙引擎系統(tǒng)，該雙引擎系統(tǒng)包括作為主動力源的高壓直接噴射引擎以及輔助熏蒸引擎，所述輔助熏蒸引擎能夠由從儲存罐移走的蒸汽供燃料，所述儲存罐能夠在低溫下以液態(tài)形式儲存氣體燃料。燃料供給系統(tǒng)包括用于將燃料的壓力提高到高壓直接噴射引擎所需要的噴射壓力的低溫泵，并且低溫泵由輔助熏蒸引擎來提供動力。
文檔編號F02B73/00GK103189618SQ201180047826
公開日2013年7月3日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月1日
發(fā)明者馬克·E·鄧恩, 瓦萊麗·N·勒布朗克 申請人:西港能源有限公司