將氣體燃料從液體狀態(tài)供應(yīng)到發(fā)動機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及一種將以液體狀態(tài)存儲的氣體燃料供應(yīng)到高馬力應(yīng)用中所采用的內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]用以液體狀態(tài)存儲的氣體燃料供給燃料的高馬力發(fā)動機(jī)被用于多種應(yīng)用中，其中所述應(yīng)用是機(jī)車(locomotive)、海洋船舶、礦業(yè)、礦業(yè)拖運卡車和發(fā)電。雖然需求可能不同，但是在這些應(yīng)用中存在共同的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于消耗的燃料的體積相對大，燃料存儲容器可能很大且難以與發(fā)動機(jī)位于一處。尤其在機(jī)車應(yīng)用中，機(jī)車不具有足夠的空間以將液化氣體燃料存儲容器定位在火車上，液化氣體燃料存儲容器必須被定位在機(jī)車附近的替代鐵路車廂(railroad car)上。另一個挑戰(zhàn)與用于在將液化氣體燃料引入到發(fā)動機(jī)內(nèi)之前將其汽化的熱交換器的熱管理有關(guān)。通常地，廢熱是用于汽化該液化燃料的主要熱源，這導(dǎo)致最佳的發(fā)動機(jī)功率。在冷啟動時，發(fā)動機(jī)冷卻劑溫度是低的，并且由于相對大的流速而存在使汽化器(vaporizer)凍結(jié)的風(fēng)險。為了減輕此風(fēng)險，至少在發(fā)動機(jī)冷啟動期間，輔助熱源有利于防止汽化器凍結(jié)。來自預(yù)先存在的發(fā)動機(jī)的傳統(tǒng)能量源可以用于生成此熱，但是在許多應(yīng)用中，這些能量源可能不能夠供應(yīng)汽化器所需要的能量的量。
[0003]用液化氣體供給燃料的高馬力發(fā)動機(jī)的兩個研發(fā)目的是具有比等效的柴油發(fā)動機(jī)更少的排放，以及具有類似于等效的柴油發(fā)動機(jī)的功率水平。此發(fā)動機(jī)將廣泛用在前述應(yīng)用中。在機(jī)車產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)嘗試研發(fā)這樣的發(fā)動機(jī)，但是幾乎沒有成功。另一個研發(fā)目的是，可以在沒有任何或有非常少的修改或重新配置的情況下將高馬力發(fā)動機(jī)用在前述應(yīng)用中的任何一種中。高馬力應(yīng)用包括技術(shù)挑戰(zhàn)，盡管技術(shù)挑戰(zhàn)存在于較低馬力應(yīng)用中，但是在較高功率水平下被加劇。這些挑戰(zhàn)包括但不限于以某種方式與燃料壓力有關(guān)的點火和燃燒穩(wěn)定性，以及燃料供應(yīng)的熱管理。
[0004]自20世紀(jì)80年代初以來，已嘗試了若干研宄計劃和示范項目來采用天然氣作為用于機(jī)車的燃料。最初的動機(jī)是確定與柴油機(jī)車相比，是否可以獲得排放水平的任何減少，同時維持相同的功率水平。這些努力被環(huán)境保護(hù)局(EPA)針對機(jī)車的排放標(biāo)準(zhǔn)的演化驅(qū)動，針對機(jī)車的排放標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境保護(hù)局在1997年制定了 O級、I級和2級標(biāo)準(zhǔn)，并且最近在2008年，環(huán)境保護(hù)局設(shè)定3級和4級標(biāo)準(zhǔn)。3級和4級標(biāo)準(zhǔn)二者都顯著地減少柴油顆粒物質(zhì)(PM)和氮氧化物(NOx)的排放。在這些努力中僅出現(xiàn)一種經(jīng)過證明和測試的市售天然氣供給燃料的鐵路路線(I ine-haul)機(jī)車，該鐵路路線機(jī)車采用低壓注射技術(shù)。在由BNSF鐵路公司、聯(lián)合太平洋鐵路公司(UPRR)、美國鐵路協(xié)會(一起被稱為鐵路部門(Railroads))和加州環(huán)保協(xié)會于2007年11月公開的標(biāo)題為“An Evaluat1n of Natural Gas-fueledLocomotives”的論文中，提出鐵路部門在天然氣供給燃料的機(jī)車上的看法。鐵路部門表示，除了一些潛在的有利可圖的市場(niche)應(yīng)用，他們相信沒有可行的機(jī)會來將天然氣用作機(jī)車燃料來幫助滿足排放和性能目標(biāo)。這種看法基于這些研宄計劃和示范項目以及在北美可得的一種已知的市售天然氣供給燃料的鐵路路線機(jī)車。這種市售的產(chǎn)品是用于EMD 645二沖程柴油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)換套件(convers1n kit)，該產(chǎn)品使機(jī)車能夠以液化天然氣(LNG)作為主要燃料運行，同時采用柴油作為引燃燃料。該LNG燃料被汽化并且在低壓下(85-125鎊每平方英寸(Psi))被注射，使得在壓縮期間燃料和空氣混合。然后一小部分的柴油“引燃”燃料在沖程的頂部處被注射到氣缸內(nèi)，在沖程的頂部處它自動點燃以促進(jìn)燃燒。
[0005]研宄計劃和示范項目中的若干個嘗試過高壓注射技術(shù)，在所述高壓注射技術(shù)中，天然氣燃料在壓縮循環(huán)后期被注射。在1992年，UPRR在單獨的項目中通過易安迪(EMD)和GE運輸系統(tǒng)(GE)開始這些努力中的兩項努力，以研宄天然氣在鐵路線路、高馬力機(jī)車發(fā)動機(jī)中的使用。這是重大的、多年的努力，其中UPRR花費超過1500萬美元探索基本發(fā)動機(jī)和燃料供給技術(shù)問題。在EMD和GE系統(tǒng)中采用的天然氣注射壓力在3000psi和4500psi之間的范圍內(nèi)。由于技術(shù)限制，由EMD和GE單獨研發(fā)的機(jī)車不能有收益地操作。兩個項目中的技術(shù)困難包括氣體注射器的故障、用于處理煤水車罐(tender tank)與機(jī)車之間的低溫燃料的低溫LNG泵的故障、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)軟件、氣體轉(zhuǎn)變控制系統(tǒng)軟件、以及燃料系統(tǒng)連接泄漏。
[0006]在1987年，由伯靈頓北方鐵路公司(BN)開始的計劃中研發(fā)出用于EMD 645的轉(zhuǎn)換套件(上文提到的市售產(chǎn)品)，該計劃涉及兩個不同方向的努力:研發(fā)天然氣供給燃料的基礎(chǔ)設(shè)施和能夠以天然氣運行的鐵路線路機(jī)車。對于供給燃料的基礎(chǔ)設(shè)施，BN與空氣化工產(chǎn)品公司(APC)合作研發(fā)供給燃料地點和裝備低溫罐的煤水車車廂(tender car)來支持將制冷液體甲烷(RLM)(高純度形式的液化天然氣)用作機(jī)車燃料。在1993年I月由天然氣研宄院公開的標(biāo)題為“LNG as a Fuel for Railroads:Assessment of TechnologyStatus and Economics”的論文中，APC的Bob Kirkland指示，可以在機(jī)車或煤水車車廂上執(zhí)行LNG汽化。“由于泵送液體比壓縮氣體需要更少的能量，未來煤水車車廂設(shè)計將很可能遞送液體到位于機(jī)車上并且在汽化器上游的泵。根據(jù)Bob Kirkland，煤水車車廂供應(yīng)高壓液體到機(jī)車是不現(xiàn)實的。這樣的布置將包含長長度的高壓管以及在機(jī)車與煤水車車廂之間的附加硬件以為泵提供動力?！?br>[0007]基于鐵路部門的許可以及上述引用的研宄和示范計劃的結(jié)果，顯然，天然氣在機(jī)車發(fā)動機(jī)中的后期循環(huán)、高壓直接注射不是簡單的或顯而易見的任務(wù)。若干技術(shù)挑戰(zhàn)存在，已經(jīng)阻止了出現(xiàn)可挑戰(zhàn)和改進(jìn)來自所謂的清潔柴油機(jī)車技術(shù)的排放的市售天然氣機(jī)車。類似的挑戰(zhàn)存在于采用天然氣作為用于海洋應(yīng)用(其中采用發(fā)送機(jī)以用于給船提供動力且推進(jìn)船)中、礦業(yè)和礦業(yè)拖運卡車中以及發(fā)電中采用的內(nèi)燃機(jī)的燃料中。
[0008]鑒于前述內(nèi)容，需要用于高馬力發(fā)動機(jī)的低壓和高壓燃料裝置，該低壓和高壓燃料裝置可適用于不同應(yīng)用，并且其解決與燃料壓力和熱管理相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。本申請?zhí)峁┝艘环N用于將以液化狀態(tài)存儲的氣體燃料供應(yīng)到高馬力應(yīng)用中采用的內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]一種用于將氣體燃料從液體狀態(tài)供應(yīng)到內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)的方法，包括:采用第二內(nèi)燃機(jī)作為能量源；通過將來自該能量源的能量轉(zhuǎn)換成用于泵送的機(jī)械功來泵送處于液體狀態(tài)的氣體燃料；將循環(huán)通過該第二內(nèi)燃機(jī)的第一熱交換流體中的來自該第二內(nèi)燃機(jī)的廢熱交換到第二熱交換流體；用來自該第二熱交換流體的熱來汽化從液體狀態(tài)泵送的該氣體燃料；以及將從該液體狀態(tài)汽化的氣體燃料遞送到該內(nèi)燃機(jī)；其中通過該泵送將遞送到該內(nèi)燃機(jī)的氣體燃料的壓力維持在預(yù)定容差范圍內(nèi)。該能量源可以是機(jī)械能、液壓能和電能中的至少一種。在鐵路應(yīng)用中，通過第二內(nèi)燃機(jī)的操作生成的電能可以被供應(yīng)到鐵路車廂用于消耗。
[0010]該方法還可以包括用從第一熱源生成的熱來汽化從液體狀態(tài)泵送的氣體燃料。當(dāng)該能量源是電能時，第一熱源可以通過將電能轉(zhuǎn)換成熱能來生成熱。第一熱源可以替代地通過燃燒從用于將氣體燃料保持處于液體狀態(tài)的存儲容器遞送的蒸發(fā)氣體(boi 1-Offgas)來生成熱。第二內(nèi)燃機(jī)可以用氣體燃料或用不同于該氣體燃料的第二燃料供給燃料。第二內(nèi)燃機(jī)可以用來自存儲處于液體狀態(tài)的氣體燃料的蒸發(fā)氣體供給燃料。
[0011]該方法還包括用來自內(nèi)燃機(jī)的廢熱來汽化從液體狀態(tài)泵送的氣體燃料。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)啟動時，第二內(nèi)燃機(jī)也剛好啟動或已經(jīng)最近地啟動?？赡軟]有足夠的來自第二內(nèi)燃機(jī)或來自該內(nèi)燃機(jī)的廢熱來汽化氣體燃料。在此情況下，當(dāng)該內(nèi)燃機(jī)啟動時，可以采用來自第一熱源的熱來汽化氣體燃料。
[0012]一種用于將氣體燃料從液體狀態(tài)供應(yīng)到內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)的裝置，包括:第二內(nèi)燃機(jī)，用于供應(yīng)能量源；液體泵送裝置，用于泵送處于液體狀態(tài)的氣體燃料，所述液體泵送裝置包括能量轉(zhuǎn)換器，用于將來自該能量源的能量轉(zhuǎn)換為驅(qū)動該液體泵送裝置的機(jī)械能；第一熱交換器，用于用來自該第二內(nèi)燃機(jī)的廢熱來加熱熱交換流體；第二熱交換器，用于用該熱