CN104010915A - 向内燃机供应气体燃料的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

将气体燃料从补给车供应到机车上的内燃机的方法和装置，包括：将气体燃料在低温温度下储存在所述补给车上的低温储存罐内；从所述低温储存罐泵送所述气体燃料到第一压力；在所述第一压力下气化所述气体燃料；以及将已气化的气体燃料输送到所述内燃机；由此，所述已气化的气体燃料的压力在310巴到575巴之间的范围内。

Description

向内燃机供应气体燃料的方法和装置
技术领域
本申请涉及将气体燃料从补给车(tender car)上的气体燃料储存处供应到机车的内燃机用于燃烧。
背景技术
自二十世纪八十年代初起，多个研究计划和示范项目就已尝试采用天然气作为用于机车的燃料。最初的动机是为了确定与柴油机车相比，是否可以实现排放水平的任何减少，同时维持相同功率水平。这些努力是受到环境保护署(EPA)不断发展的对于机车的排放标准的驱使：在1997年EPA为机车确立了Tier0、1和2标准，且最近在2008年他们为机车订立了Tier3和4标准。Tier3和4标准两者都要求大大减少柴油颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)的排放量。这些努力的结果中只出现了一种商业可用、经过验证和测试的以天然气作为燃料的长途运输机车，其采用低压喷射技术。在由BNSF铁路公司、美国联合太平洋铁路公司(UPRR)、美国铁路协会(统称为“铁路业界(the Railroads)”)和加州环境协会发表于2007年11月的一篇题为“An Evaluation ofNatural Gas-fueled Locomotives”的论文中，表明了铁路业界对以天然气作为燃料的机车的立场。除了一些潜在的适当场所应用之外，铁路业界不相信有机会使用天然气作为机车燃料会有助于满足排放和性能目标。这一立场是基于在北美洲可得到的一种已知的市售的以天然气作为燃料的长途运输机车。此产品是用于EMD645二冲程柴油发动机的转换套件，其允许机车以液化天然气(LNG)作为主燃料而运行，同时采用柴油作为引燃燃料。LNG燃料被气化且在低压(85到125磅每平方英寸(psi))下被喷射，以使得燃料和空气在压缩期间混合。接下来，柴油“引燃”燃料的一小部分在冲程的顶部被喷射到气缸之内，在此该小部分的柴油“引燃”燃料自动点火以促使燃烧。
许多研究计划和示范项目尝试了高压喷射技术，其中天然气燃料在压缩循环后期被喷射。在1992年，UPRR在使用电动力柴油(EMD)和GE运输系统(GE)的分别项目中开始了两项上述努力，来深入研究天然气在长途运输、大马力机车发动机中的使用。这是一项重要的、多年的努力，其中UPRR花费了超过一千五百万美元来探索基础的发动机和燃料供应技术课题。在EMD和GE系统两者中采用的天然气喷射压力在3000psi到4500psi之间的范围内。由于技术上的局限，分别由EMD和GE开发的机车不能胜任有效益的运营。在这两个项目中的技术难点包括：气体喷射器故障、用于处理补给罐和机车之间的低温燃料的低温LNG泵、发动机控制系统软件、气体相变控制系统软件、以及燃料系统连接处泄漏。
用于EMD645的转换工具是从由伯灵顿北方铁路公司(BN)在1987年开始的一个计划中开发出来的，该计划涉及开发天然气燃料供应基础设施和能够以天然气运行的长途运输机车这两项漫长的努力。对于燃料供应基础设施，BN与空气化工产品有限公司(APC)合作以开发燃料供应站点和装备有低温罐的补给车，以支持使用冷冻液态甲烷(RLM)作为机车燃料，冷冻液态甲烷是一种高纯度形式的液化天然气。在由天然气研究院于1993年1月发表的一篇题为“LNG as a Fuel for Railroads:Assessment of Technology Status and Economics”的论文中，APC的Bob Kirkland指出，LNG气化可以在机车上或者在补给车上执行。“由于泵送液体比压缩气体所需的能量更少，未来的补给车设计可能会将液体递送到位于机车上且在气化器上游的泵。据空气化工产品公司的Bob Kirkland说，让补给车向机车供应高压液体是不现实的。这样的布置将会涉及长的高压管线，以及在机车和补给车之间的额外的硬件，用于给泵提供动力”。
基于铁路业界的许可以及上面引述的研究和示范项目的结果，显然在后期循环中，将天然气直接高压喷射到机车发动机中并不是一个轻而易举或简单明了的任务。有一些技术挑战妨碍了市售长途运输天然气机车产品的问世，而这些产品能够挑战和改进来自所谓的清洁柴油机车技术的排放。
本发明的方法和装置提供了一种改进的技术，用于将气体燃料从补给车上的气体燃料储存处供应到机车的内燃机用于燃烧。
发明内容
一种将气体燃料从补给车供应到机车上的内燃机的改进方法，包括：将所述气体燃料在低温温度下储存在所述补给车上的低温储存罐内；从所述低温储存罐泵送所述气体燃料到第一压力；在所述第一压力下气化所述气体燃料；以及将已气化的气体燃料输送到所述内燃机；由此，所述已气化的气体燃料的压力在310巴到575巴之间的范围内。该气体燃料可以是天然气、甲烷或其他烃类气体燃料。所述方法还包括蓄积所述已气化的气体燃料，由此减小由于所述内燃机的不断变化的工作状态导致的所述气体燃料的压力波动。所述内燃机的质量流率在7千克/小时到600千克/小时的范围内。对所述已气化的气体燃料的所述蓄积在50升到200升的范围之内。所述方法还包括：接收关于在所述内燃机的工作条件方面的即将到来的改变的提前通知，并且进行如下至少之一：积极主动地泵送所述气体燃料以增加所述已气化的气体燃料的所述压力；增加泵送所述气体燃料的速率以增加所述已气化的气体燃料的所述压力；以及减少泵送所述气体燃料的速率以减少在预定压力阈值以上的压力波动。在所述方法中，来自所述内燃机的余热可被转移到处在所述第一压力下的所述气体燃料，以使得所述气体燃料气化。所述余热可被从发动机冷却剂转移到热交换流体，以使得所述热交换流体将热转移到处在所述第一压力下的所述气体燃料。可以用辅助热源加热所述热交换流体，所述辅助热源可以是燃气锅炉或电热器。当辅助热源是燃气锅炉时，所述燃气锅炉通过燃烧来自所述低温储存罐的所述气体燃料而产生热，而已被燃烧的所述气体燃料可以是排出气体。该方法还包括响应于所述已气化的气体燃料的所述压力减少到预定压力阈值以下，减少将所述已气化的气体到所述内燃机的输送。
所述方法还可以包括：将低压空气从所述机车上的压缩空气供给源递送到所述补给车；将所述低压空气加压到一个高压；将所述高压空气递送到所述机车；以及通过在所述机车上混合所述已气化的气体燃料和所述高压空气，形成气体燃料/空气混合物。所述气体燃料/空气混合物被直接引入所述内燃机中的燃烧室之内。
所述已气化的气体燃料可以以气体燃料/空气混合物的形式被输送到所述机车。所述方法还包括：将低压空气从所述机车上的压缩空气供给源递送到所述补给车；在所述补给车上将所述低压空气加压到一个高压；以及通过在所述补给车上混合所述已气化的气体燃料和所述高压空气，形成所述气体燃料/空气混合物。所述气体燃料/空气混合物被直接引入所述内燃机中的燃烧室内。
所述方法还可以包括：在所述机车上将低压空气加压到一个高压，以及通过在所述机车上混合所述已气化的气体燃料和所述高压空气，形成气体燃料/空气混合物。所述气体燃料/空气混合物被直接引入所述内燃机中的燃烧室内。
一种将气体燃料从补给车供应到机车上的内燃机的改进装置，包括：在所述补给车上的低温储存罐，用于将所述气体燃料在低温温度下储存；第一泵，用于从所述低温储存罐泵送所述气体燃料到第一压力；第一热交换器，用于在所述第一压力下气化所述气体燃料；导管，用于将已气化的气体燃料从所述第一热交换器输送到所述内燃机；压力传感器，操作性地与所述导管相连接，用于测量所述已气化的气体燃料的压力；以及低温控制器，操作性地与所述第一泵和所述压力传感器相连接，并被编程以从所述压力传感器接收表示所述已气化的气体燃料的所述压力的压力信号，且操作所述第一泵以将所述已气化的气体燃料的所述压力维持在310巴到575巴之间的范围内。所述导管被设定尺寸以使得该导管能够在50升到200升的范围内蓄积已气化的气体燃料。或者，具有在50升到200升的范围内的容积的蓄积器可以与所述导管相连接，用于蓄积已气化的气体燃料。一个发动机控制器被用于控制所述内燃机的工作。所述发动机控制器被编程以向所述低温控制器传输关于所述内燃机的工作条件的改变的提前通知。响应于所述提前通知，所述低温控制器被编程以改变所述第一泵的状态。当所述提前通知包括所述已气化的气体燃料的质量流率的即将到来的增加时，所述低温控制器操作所述第一泵以增加所述第一压力。当所述提前通知包括所述已气化的气体燃料的质量流率的即将到来的减少时，所述低温控制器操作所述第一泵以降低泵送速度。一个截止阀被连接在所述第一热交换器和所述导管之间。当在所述截止阀两边的压力差达到一个预定阈值时，所述截止阀减少且优选地阻止所述已气化的气体燃料在所述导管之内的输送。所述装置还包括：储液器，包括热交换流体；热转移泵，操作性地与所述储液器相连接以泵送所述热交换流体；以及第二热交换器，从所述热转移泵接收处于压力下的所述热交换流体，且运行以将来自所述内燃机的冷却剂的余热转移到所述热交换流体；以使得所述热交换流体被循环通过所述第一交换器，用于在所述第一压力下气化所述气体燃料。可以有一个辅助热源，用于加热所述热交换流体。该辅助热源可以是燃气锅炉或电热器。所述燃气锅炉通过燃烧来自所述低温储存罐的所述气体燃料而产生热，而已被燃烧的所述气体燃料可以是排出气体。还有一个转移泵，其运行以将来自所述低温储存罐的所述气体燃料泵送到比所述第一压力更低的一个中间压力。所述第一泵运行以将所述气体燃料从所述中间压力泵送到所述第一压力。所述低温储存罐可以包括一个罐端口，且所述转移泵包括一个入口和一个出口。所述转移泵被布置在所述罐端口中以使得所述入口在所述低温储存罐之内。在替代实施方案中，所述装置包括与所述低温储存罐相连接的一个辅助容器。所述辅助容器包括一个罐端口，且所述转移泵包括一个入口和一个出口。所述转移泵被布置在所述罐端口中以使得所述入口在所述辅助容器之内。所述气体燃料可以是天然气或甲烷。
所述装置可以包括在所述机车上的低压空气供给源。在所述补给车上的多级压缩装置将所述低压空气加压到一个高压。第二导管将所述低压空气递送到所述多级压缩装置。在所述机车上的混合装置通过混合所述高压空气和所述已气化的气体燃料来形成气体燃料/空气混合物。第三导管将所述高压空气从所述多级压缩装置递送到所述混合装置。所述气体燃料/空气混合物被直接引入到所述内燃机的燃烧室内。
可以将所述已气化的气体燃料以气体燃料/空气混合物的形式通过所述导管输送到所述机车。所述装置包括在所述机车上的低压空气供给源。在所述补给车上的多级压缩装置将所述低压空气加压到一个高压。第二导管将所述低压空气递送到所述多级压缩装置。在所述补给车上的混合装置通过混合所述高压空气和所述已气化的气体燃料来形成所述气体燃料/空气混合物。所述气体燃料/空气混合物被直接引入到所述内燃机的燃烧室内。
所述装置可以包括在所述机车上的低压空气供给源。在所述机车上的多级压缩装置将所述低压空气加压到一个高压。在所述机车上的混合装置通过混合所述高压空气和所述已气化的气体燃料来形成所述气体燃料/空气混合物。所述气体燃料/空气混合物被直接引入到所述内燃机的燃烧室内。
附图说明
图1是根据一个实施方案的用于将气体燃料供应到内燃机的装置的示意图；
图2是根据图1的实施方案的补给车的图片；
图3是根据图1的实施方案的补给车的图片；
图4是根据图1的实施方案的补给车的图片；
图5是根据第二实施方案的向内燃机供应气体燃料的装置的示意图。
图6是根据第三实施方案的用于向内燃机供应气体燃料的装置的示意图。
图7是根据图1的实施方案的补给车的图片。
图8a是一个补给车和两个机车的布置的示意图。
图8b是一个补给车和三个机车的布置的示意图。
图8c是三个补给车和三个机车的布置的示意图。
具体实施方式
参见图1，示出燃料装置10，其用于从将气体燃料从补给车20供应到机车40上的内燃机30。补给车20供应用于在发动机30中燃烧的气体燃料，且与机车40相连接并被机车40牵引。低温储存罐50是在低温下以液相储存气体燃料的一个ISO罐。如本文中所用的，“气体燃料”是在标准温度和压力下处于气相的任何燃料。在本实施例中，在罐50之内的气体燃料是LNG，但在其他实施方案中，气体燃料可以是冷藏液体甲烷(RLM)或其它烃类燃料。当供应用于发动机30的气体燃料时，罐50牢固地与补给车20相连接，且罐50还是可拆卸的，使得补给车上的一个空罐可被替换成一个满罐。罐50包括一个填充收纳器和一个压力释放阀，所述压力释放阀用于当罐内的压力积累超过预定的可接受水平时释放罐内的压力。低温电子控制器140与罐50通信，以接收涉及在罐内剩余的LNG的量的信息，且此信息可包括：罐内LNG水平，罐内蒸汽压力，以及罐内LNG温度。在此实施例中，低温控制器140是包括用于存储和执行程序的处理器和存储器的计算机，所述存储器包括永久性存储器(诸如FLASH或EEPROM)，以及临时存储器(诸如SRAM或DRAM)。
低压液体燃料泵60将LNG以低压从罐50转移到高压气体供应系统80中的高压液体燃料泵70。如本文所用的，“气体”指的是气体燃料。在本实施例中，低压泵60被示为定位在罐50和高压泵70之间。在其他实施方案中，泵60可以被定位成完全在罐50之内或在罐端口(tankport)中，以使得该泵的入口被布置在该罐内部且出口被布置在该罐外部。该罐端口也可设置在与罐50相连接的辅助容器中。该辅助容器将罐50联接到泵60，以使得该辅助容器充斥着来自罐60的LNG，且该泵的入口被浸没在该辅助容器中的LNG中。有利的是，将低压泵60定位以使得它可以被有效率地维持在工作温度，且可便利地接近用以维护。泵60的工作温度接近于低温流体(LNG)的沸腾温度，以使得该流体在从入口被加压到出口的同时在泵中不气化。鉴于想要的优点，泵60的优选位置是在罐端口中。然而其他因素诸如与现有ISO罐的互用性(interoperability)可能要求将泵60放置在其他位置。在其他实施方案中，泵60和辅助容器可被定位在高压气体供应系统80上。在再另外的实施方案中，泵60可能不是必需的，这样泵70就直接从罐50接收LNG。在再进一步的实施方案中，泵70可以定位在另一个辅助容器中，该另一个辅助容器充斥着直接来自罐50的或来自泵60的LNG。
高压泵70将来自低压泵60的LNG加压，并且将加压的液体燃料供应到热交换器90，该热交换器90将LNG气化成气相。气体燃料从热交换器90经过导管100、电磁阀110和导管120被输送到发动机30。低温控制器140与压力传感器150通信以接收涉及在导管120内的气体燃料的压力的信息，并且控制泵60和70工作以在导管120之内维持预定的压力阈值。导管120之内的气体燃料的压力被维持在310巴(～4500psi)和575巴(～8340psi)之间的范围，这覆盖了对于发动机30中的直接燃料喷射器(未示出)的喷射压力的范围。在此范围内的喷射压力允许气体燃料的足够的质量流率，以满足对于发动机30的满负荷工作要求。此外，随着喷射压力增加，排放量有所降低，且尤其是在颗粒物(PM)方面。
阀110受控制器140控制以根据工作和故障条件开启和闭合，从而允许或阻止气体燃料进入导管120。阀110也作为自动闭合阀而工作，该自动闭合阀在阀110的入口和出口二者间的压力差达到预定幅度时自动闭合(无需来自控制器140的指令)，以使得导管120内的气体燃料的输送被减少、最小化或者优选地停止。这在如下情况是有利的：当补给车20意外脱离机车40、且同时在补给车和机车之间连接有导管120时，在此情况下在导管120之内的压力将会陡然减小，由此在阀110两边的压力差将会增加到预定幅度以上。在其他实施方案中，阀110可以是两个阀，其中一个阀受控制器140控制以开启和闭合，而另一个阀基于从入口到出口的压力差而自动闭合。
在补给车20上还有其他阀(未示出)，它们是由压缩空气致动的。压缩空气供给源(未示出)可以被定位在机车40上、在补给车20上或在高压气体燃料系统80中。阀110的电磁线圈可以致动一个直接控制气体燃料的流动的阀，或者该电磁线圈可以致动一个控制着压缩空气到另一个阀的流动的阀，该另一个阀控制气体燃料的流动。
该压缩空气供给源可被用于在将气体燃料直接引入机车40上的发动机30中的燃烧室内之前将气体燃料富集(enriching)。气体燃料/空气混合物在发动机30的燃烧室中的燃料射流中提供了增加的当量比，导致改善燃烧特性和减少排放。有各种不同技术用于提供气体燃料/空气混合物，诸如在本申请人提交于2012年12月17日的题为"AIR-ENRICHED GASEOUS FUEL DIRECT INJECTION FOR AN INTERNALCOMBUSTION ENGINE"的共同未决加拿大专利申请中所公开的，该专利申请通过引用方式全部纳入本文。在一个这样的技术中，来自在机车40上的压缩空气供给源的空气，在该机车上的多级压缩装置之内被进一步压缩到一个高压。来自所述压缩空气供给源的空气是大约6巴，且可被视为低压空气。来自多级压缩装置的高压空气在155巴到575巴的范围内，取决于将空气与气体燃料混合的技术以及气体燃料/空气混合物的必需的喷射压力。高压空气与来自导管120的气体燃料在机车40上的一个混合装置中混合，且气体燃料/空气混合物被直接引入发动机30的燃烧室。在另一种技术中，来自在机车40上的压缩空气供给源的空气被递送到所述多级压缩装置，所述多级压缩装置现在位于补给车20上的高压气体供应系统80之内。所述多级压缩装置将空气加压到高压。在此技术中，该混合装置可以被定位在供应系统80之内以使得气体燃料/空气混合物通过导管120被递送到机车40，或可以如在先前技术中那样被定位在机车40上以使得导管120递送气体燃料且另一导管递送高压空气到机车40上的混合装置。
为了让发动机30在满负荷下工作的最大质量流率要求是非常大的，例如在600kg/hr左右。作为对比，发动机30的空载(idling)流率要求大幅度减小，例如在7kg/hr左右。取决于工作条件，瞬时质量流率可以在最大流率要求和空载流率要求之间急剧变化。为了避免在导管120之内的过大的压力波动(这导致燃烧性能和发动机工作稳定性的降低)，蓄积器130与导管100相连接并且充当气体缓冲器，该气体缓冲器将当对于发动机30的瞬时流率要求改变时发生的压力波动过滤掉。基于对发动机30的质量流率要求，蓄积器130包括在50升到200升范围内的气体缓冲容积。在其他实施方案中，可以通过相应地调整导管100和/或导管120的尺寸来替换蓄积器130。
再参见热交换器90，现在将进一步描述其工作。储液器160包含热交换流体，例如乙二醇，其在热交换器90之内循环以将LNG气化。热交换流体借助于热转移泵180转移经过热交换器170，以使得在来自发动机30的冷却剂中的余热(waste heat)增加热交换流体的温度。来自发动机30的冷却剂被输送通过导管190，并且在热交换器170之内循环，冷却剂从热交换器170返回到发动机。热交换流体通过导管200输送到高压气体供应系统80，在这里它循环通过热交换器90并将热转移到LNG且将LNG气化。取决于发动机30的瞬时质量流率如何基于变化的工作条件而改变，可能没有足够的来自发动机30的余热来满足热交换器90中的气化负荷。在这种情况下，辅助热交换系统210可以增加在导管200之内的热交换流体温度，然后该热交换流体在热交换器90之内循环。系统210包括一个具有隔离的助燃空气进气口和排气口的燃气锅炉(类似于密闭燃烧的住宅燃气壁炉或工业辐射加热器)，其燃烧导管220中的来自罐50的气体燃料。导管220将来自罐50之内的排出气体和/或气体蒸汽输送到热交换系统210。来自导管200的热交换流体被循环通过热交换系统210，在此热交换流体的温度可被提高，还通过导管230被转移到热交换器90，从该热交换器90所述热交换流体通过返回导管(未示出)回到储液器160。热转移泵180将热交换流体加压以使其能够实现如上所述的循环。本领域技术人员将会理解，热转移泵180可以定位在如图1中所示的上述组件布置中的达到相同结果的替代位置，且这样的替代位置被视为在本公开内容的范围之内。相似地，储液器160可以被定位在机车40上、补给车20上以及在高压气体供应系统80之内。
气体排出系统310包括一个燃烧器和一个具有出口调节器的低压气体蓄积器。该蓄积器捕获从罐50排出的气体。被捕获的气体经流量调节流到燃烧器，以减少温室气体排放。可采用热交换系统210以燃烧被气体排放系统310捕获的气体。
导管120和200提供了快速连接和断开特征，其允许这些导管每个都非破坏性地分成两个部分，使得机车40和补给车20能够移动离开彼此。当在机车40和补给车20之间意外脱离的情况下导管120分成两个部分时，截止阀110阻挡气体燃料的流动。在机车40上也可设置截止阀，其在导管200分成两个部分时防止热交换流体溅出。作为替代方案，导管200可以包括一个自关闭切断器，其当导管200断开为两个部分时关闭，且当导管200被连接成一个部分时打开。
低温控制器140和发动机电子控制器240通信以接收代表来自发动机30的气体需求的前馈参数，并且在对于想要的工作点燃料供给不足的情况下传输有意义的故障信息以使得能够在发动机30上做出智能决定。发动机控制器240是一个包括用于存储和执行程序的处理器和存储器的计算机，所述存储器包括永久性存储器(诸如FLASH或EEPROM)，以及临时存储器(诸如SRAM或DRAM)。发动机控制器240控制所述直接燃料喷射器开启和闭合在其内的阀，以将气体燃料喷射进发动机30之内的气缸(未示出)内，并且接收来自监视该发动机的工作参数的传感器(未示出)的信号。控制器240还响应于来自机车驾驶员通过机车电子控制器270传送的指令信号以改变发动机30的当前工作状态。响应于传感器信号和指令信号，发动机控制器240把在将要被注入到发动机30中的气缸之内的气体燃料的量的即将到来的改变以及相应的通过导管120的瞬时质量流量的改变通知低温控制器140。响应于这一提前通知，低温控制器140可采取积极主动的措施，通过调整泵60和70的当前状态来准备即将到来的改变。例如，响应于导管120内的质量流率即将到来的增加，控制器140可以积极主动地开始运行泵60和/或70，或者如果它们已经在运行则通过增加泵60和/或70的运行速度来增加泵送速率，以增加导管120之内的压力，从而使得低于预定的下压力阈值的下冲压力波动(undershoot pressure fluctuation)被减少、被最小化或优选地被防止。相似地，响应于导管120内的质量流率即将到来的减少，控制器140可以积极主动地通过减小泵60和70的运行速度来开始减少泵送的速率，以使得高于预定的上压力阈值的过冲压力波动(overshoot pressure fluctuation)被减少、被最小化或优选地被防止。低温控制器140还与遥测模块320通信，并且向该遥测模块、发动机控制器240以及机车控制器270告知：在与该低温控制器通信的组件中检测到的故障、以及由该低温控制器监视的任何工作参数是没有在预定范围内还是符合预定阈值。遥测模块320以无线方式与机车指令中心进行通信，并且该遥测模块传输其从控制器140接收的数据，诸如罐压力、罐液位以及补给车诊断数据。机车控制器270是包括用于存储和执行程序的处理器和存储器的计算机，所述存储器包括永久性存储器(诸如FLASH或EEPROM)，以及临时存储器(诸如SRAM或DRAM)。
参见图2，补给车20还包括平板车(flat car)280，在平板车上安装有低温储存罐50和高压气体燃料供应系统80。在图3中，补给车20包括两个储存罐50和两个供应系统80，其中一个储存罐和一个供应系统用于元宝车(well car)281的任一端处的一个机车。在其他实施方案中，可以有与元宝车281相关联的一个储存罐50和一个供应系统80。在图7的实施方案中，储存罐50和供应系统80都定位在元宝车281的凹形部之内。图4示出低温轨道罐车300，其已被修改以容纳高压气体供应系统80。低温轨道罐车300被常规地用于运送低温流体，而在图4中示出它被适配以充当用于机车40的补给车。如图4中所示，在上述三个主要的子系统之间的关键对接点(key interface point)包括：轨道车底盘290、低温储存罐51、以及高压气体燃料供应系统80。在其他实施方案中，轨道车底盘包括一个支撑件，该支撑件在储存罐51下方延伸并且支撑着储存罐51。现在参见图8a、8b和8c，示出(一个或多个)补给车20和(一个或多个)机车40的多种有利组合的多个实施例，其中采用了一个或多个高压气体供应系统80。在这些实施例的任一个中，补给车可以是在图2、3、4和7中所示的那些。在图8a中，一个补给车20为位于补给车的相对两端处的两个机车40供应气体燃料。在图8b中，一个补给车20为邻近补给车的一端按顺序次序定位的三个机车40供应气体燃料。在图8c中，以顺序次序布置的三个补给车20为同样以顺序次序布置的邻近所述补给车的三个机车40供应气体燃料。补给车20和机车40还有其他有利的组合。
参见图5的示意图，示出燃料装置10的第二实施方案，其类似于图1的实施方案，而相似部件具有相似的附图标记且即使有所描述也不会详细描述。热交换系统211包括一个电热器(未示出)，该电热器通过导管250接收来自发电机240的电功率。类似于热交换系统210，取决于发动机30的当前工作状态和工作历史，在系统211之内的电热器可以在热交换流体在热交换器90之内循环以前就增加在导管200之内的热交换流体的温度。在其他实施方案中，热交换系统211可以定位在机车40上。
参见图6的示意图，示出燃料装置10的第三实施方案，其类似于图1的实施方案，而相似部件具有相似的附图标记且即使有所描述也不会详细描述。高压气体供应系统80被定位在机车40上。这是有利的，因为在泵60和70之间的导管260(其现在是在补给车20和机车40之间延伸)是处在低压下的，这在总体上减少了高压导管的长度。也可作出对图5的实施方案的类似修改。
尽管已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但应理解本发明并不局限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公开内容的范围的前提下尤其是在前文的教导的启示下作出修改。

Claims (42)

1.将气体燃料从补给车供应到机车上的内燃机的方法，包括：
将所述气体燃料在低温温度下储存在所述补给车上的低温储存罐内；
从所述低温储存罐泵送所述气体燃料到第一压力；
在所述第一压力下气化所述气体燃料；以及
将已气化的气体燃料输送到所述内燃机；
由此，所述已气化的气体燃料的压力在310巴到575巴之间的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括蓄积所述已气化的气体燃料，由此减小由于所述内燃机的不断变化的工作状态导致的所述气体燃料的压力波动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述内燃机的质量流率在7千克/小时到600千克/小时的范围内，而对所述已气化的气体燃料的所述蓄积是在50升到200升的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：接收关于在所述内燃机的工作条件方面的即将到来的改变的提前通知，并且积极主动地泵送所述气体燃料以增加所述已气化的气体燃料的所述压力。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括接收关于在所述内燃机的工作条件方面的即将到来的改变的提前通知，并且增加泵送所述气体燃料的速率以增加所述已气化的气体燃料的所述压力。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括接收关于在所述内燃机的工作条件方面的即将到来的改变的提前通知，并且减少泵送所述气体燃料的速率以减少在预定压力阈值以上的压力波动。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括将来自所述内燃机的余热转移到处在所述第一压力下的所述气体燃料，由此所述气体燃料气化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述余热被从发动机冷却剂转移到热交换流体，且所述热交换流体将热转移到处在所述第一压力下的所述气体燃料。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括用辅助热源加热所述热交换流体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述辅助热源是燃气锅炉和电热器之一。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述辅助热源是所述燃气锅炉，所述燃气锅炉通过燃烧来自所述低温储存罐的所述气体燃料而产生热。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述气体燃料是来自所述低温储存罐的排出气体。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括响应于所述已气化的气体燃料的所述压力减少到预定压力阈值以下，减少将所述已气化的气体到所述内燃机的输送。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料是天然气。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将低压空气从所述机车上的压缩空气供给源递送到所述补给车；
将所述低压空气加压到一个高压；
将所述高压空气递送到所述机车；以及
通过在所述机车上混合所述已气化的气体燃料和所述高压空气，形成气体燃料/空气混合物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述气体燃料/空气混合物被直接引入所述内燃机中的燃烧室之内。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述已气化的气体燃料以气体燃料/空气混合物的形式被输送到所述机车，所述方法还包括：
将低压空气从所述机车上的压缩空气供给源递送到所述补给车；
在所述补给车上将所述低压空气加压到一个高压；以及
通过在所述补给车上混合所述已气化的气体燃料和所述高压空气，形成所述气体燃料/空气混合物。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述气体燃料/空气混合物被直接引入所述内燃机中的燃烧室内。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述机车上将低压空气加压到一个高压，以及
通过在所述机车上混合所述已气化的气体燃料和所述高压空气，形成气体燃料/空气混合物。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述气体燃料/空气混合物被直接引入所述内燃机中的燃烧室内。
21.将气体燃料从补给车向供应到机车上的内燃机的装置，包括：
在所述补给车上的低温储存罐，用于将所述气体燃料在低温温度下储存；
第一泵，用于从所述低温储存罐泵送所述气体燃料到第一压力；
第一热交换器，用于在所述第一压力下气化所述气体燃料；
导管，用于将已气化的气体燃料从所述第一热交换器输送到所述内燃机；
压力传感器，操作性地与所述导管相连接，用于测量所述已气化的气体燃料的压力；以及
低温控制器，操作性地与所述第一泵和所述压力传感器相连接，并被编程以从所述压力传感器接收表示所述已气化的气体燃料的所述压力的压力信号，且操作所述第一泵以将所述已气化的气体燃料的所述压力维持在310巴到575巴之间的范围内。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述导管被设定尺寸以使得该导管能够在50升到200升的范围内蓄积已气化的气体燃料。
23.根据权利要求21所述的装置，还包括一个蓄积器，该蓄积器与所述导管相连接以蓄积已气化的气体燃料。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述蓄积器包括在50升到200升的范围内的容积。
25.根据权利要求21所述的装置，还包括一个发动机控制器，用于控制所述内燃机的工作，所述发动机控制器被编程以向所述低温控制器传输关于所述内燃机的工作条件的改变的提前通知。
26.根据权利要求25所述的装置，其中响应于所述提前通知，所述低温控制器被编程以改变所述第一泵的状态。
27.根据权利要求26所述的装置，其中当所述提前通知包括所述已气化的气体燃料的质量流率的即将到来的增加时，所述低温控制器操作所述第一泵以增加所述第一压力。
28.根据权利要求26所述的装置，其中当所述提前通知包括所述已气化的气体燃料的质量流率的即将到来的减少时，所述低温控制器操作所述第一泵以降低泵送速度。
29.根据权利要求21所述的装置，还包括一个截止阀，该截止阀连接在所述第一热交换器和所述导管之间，其中当在所述截止阀两边的压力差达到一个预定阈值时，所述截止阀减少所述已气化的气体燃料在所述导管之内的输送。
30.根据权利要求29所述的装置，其中当在所述截止阀两边的压力差达到一个预定阈值时，所述截止阀阻止所述已气化的气体燃料在所述导管之内的输送。
31.根据权利要求21所述的装置，还包括：
储液器，包括热交换流体；
热转移泵，操作性地与所述储液器相连接以泵送所述热交换流体；以及
第二热交换器，从所述热转移接收处于压力下的所述热交换流体，且运行以将来自所述内燃机的冷却剂的余热转移到所述热交换流体；
由此，所述热交换流体被循环通过所述第一交换器，以在所述第一压力下气化所述气体燃料。
32.根据权利要求31所述的装置，还包括一个辅助热源，用于加热所述热交换流体。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述辅助热源是燃气锅炉和电热器之一。
34.根据权利要求33所述的装置，其中当所述辅助热源是所述燃气锅炉时，所述燃气锅炉通过燃烧来自所述低温储存罐的所述气体燃料而产生热。
35.根据权利要求34所述的装置，其中所述气体燃料是来自所述低温储存罐的排出气体。
36.根据权利要求21所述的装置，还包括一个转移泵，其运行以将来自所述低温储存罐的所述气体燃料泵送到比所述第一压力更低的一个中间压力，所述第一泵运行以将所述气体燃料从所述中间压力泵送到所述第一压力。
37.根据权利要求36所述的装置，其中所述低温储存罐包括一个罐端口，且所述转移泵包括一个入口和一个出口，所述转移泵被布置在所述罐端口中以使得所述入口在所述低温储存罐之内。
38.根据权利要求36所述的装置，还包括与所述低温储存罐相连接的一个辅助容器，所述辅助容器包括一个罐端口，且所述转移泵包括一个入口和一个出口，所述转移泵被布置在所述罐端口中以使得所述入口在所述辅助容器之内。
39.根据权利要求21所述的装置，其中所述气体燃料是天然气。
40.根据权利要求21所述的装置，还包括：
在所述机车上的低压空气供给源；
在所述补给车上的多级压缩装置，用于将所述低压空气加压到一个高压；
第二导管，将所述低压空气递送到所述多级压缩装置；
在所述机车上的混合装置，用于通过混合所述高压空气和所述已气化的气体燃料来形成气体燃料/空气混合物；以及
第三导管，用于将所述高压空气从所述多级压缩装置递送到所述混合装置；
其中所述气体燃料/空气混合物被直接引入到所述内燃机的燃烧室内。
41.根据权利要求21所述的装置，其中所述已气化的气体燃料以气体燃料/空气混合物的形式通过所述导管被输送到所述机车，所述装置还包括：
在所述机车上的低压空气供给源；
在所述补给车上的多级压缩装置，用于将所述低压空气加压到一个高压；
第二导管，将所述低压空气递送到所述多级压缩装置；以及
在所述补给车上的混合装置，用于通过混合所述高压空气和所述已气化的气体燃料来形成所述气体燃料/空气混合物；
其中所述气体燃料/空气混合物被直接引入到所述内燃机的燃烧室内。
42.根据权利要求21所述的装置，还包括：
在所述机车上的低压空气供给源；
在所述机车上的多级压缩装置，用于将所述低压空气加压到一个高压；以及
在所述机车上的混合装置，用于通过混合所述高压空气和所述已气化的气体燃料来形成所述气体燃料/空气混合物；
其中所述气体燃料/空气混合物被直接引入到所述内燃机的燃烧室内。
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