CN104114821B - 改进的低温发动机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温发动机系统以及将制冷剂传输至低温发动机的方法。该低温发动机系统包括用于存储液体制冷剂的一存储罐、一低温发动机、用于对来自存储罐的制冷剂加压的泵体、用于在泵体和低温发动机之间传输制冷剂的第一导管、用于将制冷剂从泵体传输回存储罐的第二导管，以及用于控制制冷剂从泵体返回至存储罐的流动、并且设于第二导管内的第一阀。本发明还提供了一种低温发动机的预混系统和用于混合制冷剂和热交换流体的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用低温液体燃料的低温发动机系统。
背景技术
在发动机内使用低温液体燃料，以及向发动机内注入燃料之前对制冷剂预先加压是众所周知的。本发明是对US6983598B2中描述的低温发动机系统的改进。低温发动机是指由低温燃料的膨胀驱动的发动机。
在现有的低温发动机系统中，如US6983598B2中描述的低温发动机系统中，问题出现在传输低质量(几乎全为液相)的制冷剂至发动机时，会由于周围环境的热量传递至供给管而导致沸腾。对于亚临界的供给压强，这一现象则会导致液体的特定容积出现显著的增长。
在现有的系统中存在的其他问题包括：
液体制冷剂的移除会致使存储罐的压力下降；存储罐压力的下降会降低低温泵或注入系统的入口的供给压力，还有可能降低流速。因此需要解决这个问题来使发动机得以连续运行，否则存储罐的压力会下降至某一数值点，从而使得泵体入口处的气蚀(cavitation)现象阻碍理想的功率输出所需的充足的液体流至发动机。气蚀现象还有可能会破坏泵装置。
降低低温液体存储时所处的压力还可能引起液体出现不希望的沸腾。流速的增加会减少在存储罐和泵体、泵体和发动机之间的液氮的不希望的沸腾。
低温泵和注入阀的周期运转会引起供给管中的流量脉动。由注入阀入口引起的脉动可能与由泵体引起的脉动相互作用，并且这种脉动还可能会被气蚀现象所放大，最终可能会影响液体流入发动机的流速，致使发动机运行不稳定。
在由发动机的运行速率决定的短时段期间，引入制冷剂和热交换流体(HEF)的难度会影响发动机的运行效率；以及
仅在有限的时间段内允许制冷剂和热交换流体之间产生热交换。这同样会影响发动机的运行效率。
US2008/0271455A1涉及一种连续流体低温发动机系统的热交换子系统，该低温发动机系统能够规避传统的低温发动机中存在的因周围空气中的湿气导致结冰的问题，这会降低在运行中热交换的效率。热量由烃基燃料(例如丙烷)的燃烧产生。通过在一腔室内将加热的空气和燃烧产物与低温液体燃料混合，该子系统能够提供接近环境温度的高压气体的连续流，该连续流可用于一相连接的膨胀装置以从中获取功。然而，燃烧所需的气态氧来源于燃烧室内制冷剂的汽化，并没有考虑到可燃燃料的燃点决定了燃料是否会燃烧。而且，温度的降低和由制冷剂的汽化和加热导致的可燃气体的压缩会减缓制冷剂的膨胀，因此也会减小压力的积聚。
因此，需要更好的低温发动机系统来克服上述问题。
发明内容
本发明的低温发动机系统旨在克服上述技术问题。
考虑到前述事项，并依据本发明的第一方面，提供一低温发动机系统，包括：
用于存储液体制冷剂的一存储罐；
一低温发动机；
配置为对来自存储罐的制冷剂进行加压的一泵体；
用于在泵体和低温发动机之间传输制冷剂的一第一导管；
用于将制冷剂从泵体传输回存储罐的一第二导管；
以及用于控制制冷剂从泵体返回至存储罐的流动、且设置在第二导管内的一第一阀。
本发明还提供一种用于将制冷剂传输到低温发动机的方法，该方法包括：
提供用于存储液体制冷剂的一存储罐；
提供一低温发动机；
提供用于对来自存储罐的制冷剂进行加压的一泵体；
通过一第一导管将制冷剂从泵体传输至低温发动机；
通过一第二导管将制冷剂从泵体传输回存储罐；
以及，提供用于控制制冷剂从泵体返回至存储罐的流动的一第一阀，该第一阀设置在第二导管内。
因此，没有传输至低温发动机的制冷剂能够以气态或多相态经由第二导管返回至存储罐内。以气态形式返回到存储罐内的制冷剂能够维持存储罐内的压强。以多相态的形式返回到存储罐内的制冷剂能够保持流向低温发动机的流速，其可以是通过用于将制冷剂和热交换流体混合的预混器，同时保证快速的传输以使得低热力学性质(最小气相分率，minimalvapourfraction)的制冷剂传输至发动机或预混器。
第二导管可包括一第一通道和一第二通道，该第一通道和该第二通道并行设置为沿着第二导管至少一部分长度的方向，其中第一阀设置在第一通道或者第二通道内。在本发明的上下文中，术语“并行”并不表示其严格的几何含义，而是用来表示第二导管分成该第一通道和该第二通道，且该第一通道和该第二通道沿该第二导管的长度的至少一部分，即与电学中的术语“并联”的定义相类似。
该低温发动机系统还可包括设置在第一通道和第二通道中的另外一个内的一第二阀，其中第一阀和第二阀是独立可控的。
当第一阀设置在第一通道内，第二阀设置在第二通道内，且第二阀关闭时，留在第二通道中的气态制冷剂起到流体阻尼器的作用，减小由泵体与阀门的周期工作造成的制冷剂流体的脉动。
第一通道可以是绝热的，以减少由空气传递而来的热量。
第二通道可以是非绝热的，以促进与由空气向第二通道的热量传递。第二通道可以长于第一通道。第二通道可以配置为是蜿蜒曲折的。因此，第二通道可以形成一加热回路。
第一导管可以是绝热的，以减少由空气传递而来的热量。
第一阀和第二阀可以采用一控制输入，实现持续的独立或联合可控。
该控制输入可以包括一电磁执行器、一气动执行器、一液压执行器、一机械执行器和一电动执行器中的至少一种。
该控制输入可以使用一控制算法。
该低温发动机系统还可以包括一调节器，该调节器用于调节返回至存储罐内的气体/液体的压强、并防止回流至存储罐内的气体/液体的速率过高。
该方法还可以包括提供一调节器。
该调节器可以设置在第二导管中位于a)第一阀和第二阀与b)存储罐之间的位置。
该低温发动机系统还可包括位于泵体和低温发动机之间的第一导管处的至少一预混室，预混室可以用于混合制冷剂和热交换流体。
该方法还可包括提供位于泵体和低温发动机之间的第一导管处的至少一预混室，预混室可以用于混合制冷剂和热交换流体。
根据本发明的第二方面，提供用于低温发动机的预混系统，该预混系统包括：
一工作流体(workingfluid)源，其中工作流体包括一液体制冷剂；
一热交换流体(HEF)源；
至少一预混室，该预混室具有：
配置为将工作流体注入至该至少一预混室的第一入口；
配置为将热交换流体注入至该至少一预混室的第二入口；
配置为将工作流体从该至少一预混室注入至一膨胀室的至少一出口。
其中，至少一预混室、第一入口和第二入口设置为使得工作流体和热交换流体在该至少一预混室内沿相反方向流动。
本发明的第二方面还提供了用于将制冷剂和热交换流体混合的方法，该方法包括：
提供一工作流体源，其中工作流体包括一液体制冷剂；
提供一热交换流体源；
提供至少一预混室；
通过一第一入口将工作流体注入至该至少一预混室；
通过一第二入口将热交换流体注入至该至少一预混室；
其中，至少一预混室、第一入口和第二入口设置为使得工作流体和热交换流体在至少一预混室内沿相反方向流动；
以及，通过至少一出口将工作流体从该至少一预混室注入至一膨胀室。
本方面的第二方面在一些情况下能够用于使制冷剂和热交换流体在注入预混室时的相对速率最大化，以加强由开尔文-亥姆霍兹不稳定性引起的发散性，并提高制冷剂和热交换流体的混合程度。
该至少一出口可以设置为将工作流体和热交换流体从该至少一预混室注入至膨胀室内。
该至少一预混室可具有一第一出口和一第二出口，该第一出口配置为将工作流体从该至少一预混室注入至膨胀室，该第二出口配置为将热交换流体从该至少一预混室中喷出。
该至少一预混室可在大体上呈圆柱形。该至少一预混室、该第一入口和该第二入口可设置为使得工作流体和热交换流体中的一种在该至少一预混室内沿顺时针方向流动，另外一种在该至少一预混室内沿逆时针方向流动。
该预混系统还包括若干预混室，其中每一预混室分别有着各自的第一入口、第二入口和至少一出口。
该方法还包括提供若干预混室，其中每一预混室分别有着各自的第一入口、第二入口和至少一出口。
至少一预混室可以安装在膨胀室上，并且至少一出口可以包括一旋转阀。
根据本发明的第三方面，提供一种用于低温发动机的预混系统，包括：
工作流体源，其中工作流体包括一液体制冷剂；
热交换流体源；
至少一预混室，每一预混室具有：
配置为可并行运行的、将工作流体注入至该至少一预混室的若干第一入口；
配置为将热交换流体注入至该至少一预混室的第二入口；以及
至少一出口，配置为将工作流体从该至少一预混室注入至一膨胀室内；
其中每一个第一入口包括一第一阀。
本发明的第三方面还提供了用于将制冷剂和热交换流体混合的一种方法，该方法包括：
提供工作流体源，其中工作流体包括一液体制冷剂；
提供热交换流体源；
提供至少一预混室；
通过并行运行的若干第一入口将工作流体注入至该至少一预混室，其中每一个第一入口包括一第一阀；
通过一第二入口将热交换流体注入至该至少一预混室；以及
通过至少一出口将工作流体从该至少一预混室注入至一膨胀室。
通过直接的热传递过程，实现非常高的增压速率是有可能的。因此，一种可能的情况是，当需要转移大量制冷剂时，沸腾过程在制冷剂向预混室的注入完成之前可将预混室的压强升高至第一导管内的压强之上。由于流速将受到可获取的阀直径的限制，通过采用多个可以并行方式运行的入口阀，从而就能够解决这个问题。
在某些情况下，多组多个阀同时打开，使得制冷剂得以以需要的速率流入预混室内。
然而，当需要较小的功率输出时，每组中的多个并行的阀也可以单独运行，以达到使得较少的制冷剂流入到预混室内的目的。阀可以以某种方式打开以执行调节器的功能，即使得剩余的制冷剂流体在泵体的速率降低的短暂时间段内返回到存储罐中。
该至少一出口可以设置为将工作流体和热交换流体从该至少一预混室注入至膨胀室内。
该至少一预混室可具有一第一出口和一第二出口，该第一出口配置为将工作流体从该至少一预混室注入至膨胀室，该第二出口配置为将热交换流体从该至少一预混室喷出。
该些第一阀可以是彼此独立可控的。
该至少一预混室可大体上呈圆柱形。该至少一预混室、该些第一入口和该第二入口可设置为使得工作流体和热交换流体中的一种在该至少一预混室内沿顺时针方向流动，另一种则在该至少一预混室内沿逆时针方向流动。
该预混系统还可包括若干预混室，其中每一预混室分别具有各自的若干第一入口、一第二入口和至少一出口。每个预混室的若干第一阀中的对应的第一阀可设置为彼此并行地运行。或者，每个预混室的若干第一阀中的对应的第一阀可设置为彼此独立地运行。
至少一预混室可以安装在膨胀室上，至少一出口可以包括一旋转阀。
根据本发明的第四方面，提供了一种低温发动机的预混系统，该预混系统包括：
工作流体源，其中工作流体包括一液体制冷剂；
热交换流体源；以及
并行设置的若干预混室，该若干预混室与一膨胀室流体连通，每一预混室具有：
配置为将制冷剂注入到各自的预混室的一第一入口；
配置为将热交换流体注入到各自的预混室内的一第二入口；
和至少一出口，配置为将工作流体从各自的预混室注入至一膨胀室内。
本发明的第四方面还提供了一种用于混合制冷剂和热交换流体的方法，该方法包括：
提供工作流体源，其中工作流体包括一液体制冷剂；
提供热交换流体源；
提供并行设置的若干预混室，该若干预混室与膨胀室流体连通，每一预混室具有：
配置为将制冷剂注入到各自的预混室的一第一入口；
配置为将热交换流体注入到各自的预混室的一第二入口；
和至少一出口，配置为将工作流体从各自的预混室注入至一膨胀室。
可以将若干预混室与单个低温发动机的膨胀室连接使用。由此，每一预混室的运行周期可以是膨胀室周期的数倍，其中膨胀室可以是一发动机气缸，(膨胀室周期由发动机的转速决定)，这样就允许流体的引入和热量传递占用更多的时间。
该至少一出口可配置为将工作流体和热交换流体从该至少一预混室注入至膨胀室。
该至少一预混室可具有一第一出口和一第二出口，该第一出口配置为将工作流体从该至少一预混室注入至该膨胀室，该第二出口配置为将热交换流体从该至少一预混室喷出。
每一预混室可在大体上呈圆柱形。每一预混室、第一入口和第二入口可以设置为使得工作流体和热交换流体中的一种在预混室内沿顺时针方向流动，另一种则在预混室内沿逆时针方向流动。
每一预混室可以包括若干第一入口。
至少一预混室可以安装在膨胀室上，并且至少一出口可以包括一旋转阀。
本发明的第一至第四方面中的每一个均可以独立于其他方面运行，也可以与本发明的其他一个或多个方面相结合地运行。
附图说明
以下将通过参照附图的方式对本发明进行举例说明。
图1为本发明一实施例的低温发动机系统的示意图。
图2为如图1所示的实施例的低温发动机系统的预混室的水平剖面图。
图3为如图1所示的实施例的低温发动机系统的预混室的竖直剖面图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例的低温发动机系统1。
液体制冷剂在高压下存储在一合适的存储容器里，例如一存储罐10。通常，存储压强大约为3巴。制冷剂由存储罐10供给至低温泵12，并在低温泵12加压，然后加入至一第一导管14。通常，制冷剂由低温泵12加压至150巴的压强，然后再以25克/秒的速率加入至第一导管14。
在进入低温发动机16之前，来自泵体12的部分或全部制冷剂流体经由第一导管14被引至预混室18、20中的至少一个预混室，其中第一导管14包括绝热性能良好的管道。在图1所示的实施例中，该系统包括两个预混室18、20。然而，同样可以采用任意数量的预混室。在图1所示的实施例中，来自第一导管14中的制冷剂会以定时的方式经由阀22、24以大约每秒10克的速率转移到各个预混室18、20中。
引入到每一预混室18、20内的制冷剂的质量可以通过控制阀22、24开启的持续时间来改变，或者通过对低温泵12的控制来改变第一导管14内的压强来改变，或者以前两种方式结合的方式改变。因此，直接通过发动机16的一驱动轴(图中未示出)驱动低温泵12或者使用电动或液压马达来驱动低温泵12来获得更好的控制是方便的。
来自低温泵12的部分制冷剂可经由第二导管26循环返回存储罐10内，其中如图1所示的，第二导管26为第一导管14的分支。第二导管包括一第一通道28和一第二通道32，第一通道28和第二通道32沿着第二导管至少一部分长度的方向。第一通道28和第二通道32并行工作。在返回存储罐10(通常以每秒5克的速率)中的那部分制冷剂中，一部分制冷剂可以通过一检查控制阀30的开启经由第一通道28直接返回至存储罐10内。这种情况要求第二通道32上的另一检查控制阀34处于关闭状态。检查控制阀30、34可以始终(onacontinuousscale)彼此独立地开启和关闭。通常，随着检查控制阀30的部分开启和检查控制阀34的关闭，流经第一通道28、并处于150巴的压强下的制冷剂随后就以多相状态流回压强为3巴的存储罐10内。这样可以保持流体流至预混室18、20的速率，同时保证快速的传输以实现低热力学性质(最小气相分率，minimalvapourfraction)。
另一种情况下，或者与通过第一通道28和阀30直接返回的情况相结合的，制冷剂可通过检查控制阀34的开启被引导通过第二通道32，其中第二通道32通常包括由一段非绝热管组成的一加热回路。这部分的流体以完全气相的状态返回至存储罐10，因此当液体制冷剂从存储罐10移除时，这部分的流体可以用于维持存储罐10的压强。
由于一些低温泵需要至少达到最小供给气压才能够运行，且存储罐10内压强的显著变化会改变存储在存储罐内的低温液体的沸点，因此维持存储罐10内的压强是很有益的。
举例来说，在图1所示的实施例中，若存储罐10内的压强降至3巴以下，检查控制阀34部分地打开且检查控制阀30部分或完全关闭，以使得第一通道28和第二通道32的流速的总和保持在每秒5克。第二通道34内的流体会由于第二通道内的空气的热传递而几乎全部呈气相状态，这会导致更大部分的气态制冷剂重新进入存储罐10内。这导致的结果是存储罐10很快地再次加压到3巴，且检查控制阀34可以返回到关闭位置。
在图1所示的实施例中，阀30、34的性质可以是这样的，它们由一控制输入(如一电磁执行器、一气动执行器、一液压执行器、一机械执行器或一电动执行器)打开，但是当下游的压强超过上游的压强时会作为一个止回阀而自动关闭。可选地，一调节器安置在下游以保证返回的制冷剂处于减压的状态且存储罐10不会被过度加压。而且，作为一种替代情况，在多种情况下对阀部分打开的操作能够执行一个调节器的功能。
对阀30、34的操作通常由一控制算法来决定。阀34开启的程度与测得的存储罐10的压强和预先确定的存储罐10的压强之差成正比。阀30开启的程度与测得的制冷剂回路的流速和预先确定的最优流速之差成正比。最终的结果是，如果存储罐10的压强降得太低，阀34将全部或者部分开启，如果包括第一导管14和第二导管26的供给回路的流速降至保证流动特性所需的最小流速以下，则阀30全部或者部分地打开。
当阀34关闭时，位于其中的气态制冷剂能够起到流体阻尼器的作用，减小由低温泵12和阀30、34周期性运转所造成的流体脉动，由此带来额外的优势。
而且，在瞬态工况下，制冷剂供给回路的压强可以通过阀30、34的部分或者完全关闭而增大。这样做的结果是，能够在发动机16的负荷快速上升的短时间段内，增大流体流向预混室18、20的有效流速。
现在通过图2和图3对本发明实施例中预混室18、20中的至少一个预混室的运行情况进行详细的描述。图2为本发明一实施例的低温发动机系统1的预混室18的水平剖面图。图3为本发明一实施例的低温发动机系统1的预混室18的竖直剖面图。
大量的热交换流体(HEF)经一入口流进预混室18，该入口如图2和图3中的阀40所示。每一个额外的预混室20具有至少一个用于将热交换流体注入到预混室20的一入口(如图1中的阀42)。在制冷剂进入预混室18、20之前，热交换流体处于低压状态(大约1巴)且处于周期内的最高温度(例如为环境温度、接近环境温度或高于环境温度)。
制冷剂通过如图中阀22所示的一入口注入到如图2和图3所示的预混室18中，其一般处于第一导管14的压强下(即150巴)且近乎完全处于液相的状态。此外，每一个额外的预混室20具有至少一个用于将制冷剂注入到预混室20的一入口(如图1中的阀24)。
在预混室18、20中，制冷剂与压缩性较低的热交换流体直接混合。从较热的热交换流体转移而来的热能会加热制冷剂，从而使得预混室16、18内的压强迅速增大。
预混室18、20被设计成使得制冷剂和热交换流体在预混室18、20内沿大体相反的方向流动并相遇，从而使制冷剂和热交换流体能够最大程度地混合。为此，在图2和图3所示的实施例中，每一预混室18的内部容积大致呈圆柱形，以使得引入的热交换流体得以在一个方向(如在水平剖面上的逆时针方向)上形成最大的涡流，而制冷剂则在相反方向(顺时针方向)上注入。或者，使热交换流体以顺时针方向流动，同时制冷剂以逆时针方向流动。可以理解的，任何使得热交换流体和制冷剂的混合最大化的技术都可以采用。
这样就使制冷剂和热交换流体在注入时的相对速率最大化，以增强由开尔文-亥姆霍兹不稳定性引起的发散性。
一种典型的预混室18、20的容积大约为20毫升，其中通常大约18毫升将用来填充热交换流体。大约1到2克的低温液体的注入就能使预混室18、20内的压强上升至超过500巴。
因此，高压的接近环境温度的制冷剂气体和热交换流体在周期的适当时刻通过一出口传输至低温发动机16内，该出口如图中所示的阀36。此外，每一额外的预混室20具有一实现上述功能的出口(如图1中的阀38)。
在未以该些图示出的实施例中，预混室位于尽可能靠近发动机的位置。这样设置的原因是，如果高压气体和热交换流体的混合物经一通道流至发动机，很可能产生压强下降和/或摩擦损失。另外，这些通道会形成“死区容积”(deadvolume)，气体会扩散至死区容积中，浪费所做的功。
在发动机的缸盖直接安装至少一个预混室也是很有益的。旋转阀(如开有小孔的旋转圆盘)可用于将高压气体/热交换流体混合物直接加入至发动机内。
在沸腾过程和气体注入之后，热交换流体得以经由另一出口从预混室18流出，该另一出口如图2和图3所示的阀44。再者，每一个额外的预混室20具有为此目的设置的一出口(如图1中的阀46所示)。由于排出的热交换流体在沸腾过程中释放了热量，因此排出的热交换流体的温度比注入预混室18、20之前的热交换流体的温度低几度。
尽管图1-3中仅示出了单个的用于将制冷剂从供给回路注入到各个预混室18、20的阀22、24，但是以并行方式运行的若干定时控制的入口或阀均可用于各个预混室18、20。
通过直接的热传递过程，可以实现非常大的增压速率。因此，当需要大量质量的转移时，沸腾过程能够在注入完成之前将预混室18、20的压强升高至第一导管14的压强(150巴)之上。由于流速将受到可获取的阀直径的限制，通过采用多个可以并行方式运行的入口阀22、24，从而就能够解决这个问题。
在某些情况下，多组多个阀同时打开使得制冷剂得以以需要的速率流入预混室18、20内。
然而，当需要较小的功率输出时，每组中的多个并行的阀也可以单独控制，以达到使得较少的制冷剂(如以每秒5克的流速流入到各个预混室)流入至各个预混室18、20内的目的。这种情况下，阀30以这样一种方式打开以执行一调节器的功能，使得剩余的制冷剂流体得以在低温泵12的速率降低的短暂时间段内返回至存储罐10中。
在一进一步的实施例中，如图1所示，若干如上所述的预混室18、20可用于与单个的低温发动机的气缸连接。由此，各个预混室18、20的运行周期可能是发动机16的气缸的周期(由发动机的转速决定)的数倍，从而得以允许流体的引入和热量的传递占用更多的时间。
本发明参照示出单个实施例的附图以上述方式进行了示例形式的阐述。应当理解，本发明可以有多种不同的实施方式，但这些实施方式均落入本发明的权利要求限定的范围内。
Claims (10)
1.一种低温发动机系统，包括：
一工作流体源，其中的工作流体包括一液体制冷剂；
一热交换流体源；
至少一预混室，预混室具有：
第一入口，用于将工作流体注入该至少一预混室；
第二入口，用于将热交换流体注入该至少一预混室；
第一出口，用于将工作流体从该至少一预混室注入至一膨胀室；
第二出口，用于在热量从该预混室转移走后允许至少部分的热交换流体从该预混室中排出，
其中，该至少一预混室、该第一入口和该第二入口设置为使得工作流体和热交换流体在该至少一预混室内沿相反方向流动。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该第一出口用于将工作流体和至少部分热交换流体从该至少一预混室注入至该膨胀室。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中该至少一预混室大体呈圆柱形。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一预混室、该第一入口和该第二入口设置为使得工作流体和热交换流体中的一种在该至少一预混室内沿顺时针方向流动，另外一种在该至少一预混室内沿逆时针方向流动。
5.如权利要求1所述的系统，另外还包括若干预混室，其中的每一预混室分别具有各自的第一入口、第二入口和至少一出口。
6.如权利要求1所述的系统，其中，至少一预混室安装在该膨胀室上，且至少一出口包括一旋转阀。
7.一种用于混合制冷剂和热交换流体的方法，包括：
提供一工作流体源，其中的工作流体包括一液体制冷剂；
提供一热交换流体源；
提供具有第一入口、第二入口、第一出口和第二出口的至少一预混室；
通过第一入口将工作流体注入该至少一预混室；
通过第二入口将热交换流体注入该至少一预混室，其中将该至少一预混室、该第一入口和该第二入口设置为使得工作流体和热交换流体在该至少一预混室内沿相反方向流动；
通过至少一出口将工作流体从该至少一预混室注入至膨胀室；
在热量从该预混室转移走后，将至少部分的热交换流体从该预混室中排出。
8.如权利要求7所述的方法，包括使得工作流体和热交换流体在该预混室内以相反的顺时针方向和逆时针方向移动的步骤。
9.一种运行如权利要求1所述的低温发动机系统的方法，该方法包括以下步骤：
a)打开该第一入口并将一定量的热交换流体引入至该预混室；
b)打开该第二入口并将一定量的液体制冷剂引入至该预混室；
c)使该热交换流体和该液体制冷剂混合，并使该热交换流体得以向该液体制冷剂传递热量；
d)打开该第一出口并使该液体制冷剂传入一膨胀室；
e)打开该第二出口并使任何残留的热交换流体从该预混室流出。
10.如权利要求9所述的方法，热交换流体包括低压缩性液体。
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|---|---|---|---|---|
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| DK178668B1 (en) * | 2015-02-10 | 2016-10-24 | Man Diesel & Turbo Filial Af Man Diesel & Turbo Se Tyskland | A fuel gas supply system for an internal combustion engine |
| GB2537175B (en) | 2015-04-10 | 2019-09-18 | Dearman Engine Company Ltd | Improved Cryogenic Engine System |
| US10378535B2 (en) | 2016-11-02 | 2019-08-13 | Caterpillar Inc. | Damping assembly |
| WO2018213806A1 (en) * | 2017-05-18 | 2018-11-22 | Rolls-Royce North American Technologies Inc. | Two-phase thermal pump |
| GB2586439B (en) * | 2019-05-29 | 2023-06-07 | Epicam Ltd | A cryogen engine and a method of operating a cryogen engine |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3570261A (en) * | 1969-04-14 | 1971-03-16 | Everett H Schwartzman | Cryogenic pumping system |
| DE10040679A1 (de) * | 2000-08-19 | 2002-02-28 | Messer Griesheim Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur druckgeregelten Versorgung aus einem Flüssiggastank |
| CN2553129Y (zh) * | 2002-05-24 | 2003-05-28 | 重庆宗申技术开发研究有限公司 | 摩托车用lpg钢瓶恒温结构 |
| CN1732338A (zh) * | 2002-12-26 | 2006-02-08 | 株式会社博世汽车系统 | 用于柴油机的液化气燃料供给系统 |
| CN2791285Y (zh) * | 2004-12-10 | 2006-06-28 | 上海中茂新能源应用有限公司 | 轻烃lpg燃料汽车燃料回油冷却装置 |
| CN1847636A (zh) * | 2005-04-08 | 2006-10-18 | 爱信精机株式会社 | 发动机用混合器、发动机驱动式空气调节装置、发动机驱动式发电装置 |
| CN101265859A (zh) * | 2006-12-22 | 2008-09-17 | 曼柴油机欧洲股份公司 | 驱动装置的燃气供应系统 |
| CN101382099A (zh) * | 2007-09-05 | 2009-03-11 | 曼柴油机欧洲股份公司 | 用于由气态燃料驱动的内燃机的燃气供给设备 |
| CN201407075Y (zh) * | 2009-05-20 | 2010-02-17 | 陈尊山 | 太阳能、燃料能混合热源的二氧化碳动力输出装置 |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3710770A (en) * | 1970-10-16 | 1973-01-16 | American Environmental Res | Fuel system |
| US3692459A (en) * | 1971-05-24 | 1972-09-19 | America Velcro Inc | Production of heated gaseous materials from cryogenic liquids |
| FR2188094B1 (zh) * | 1972-06-08 | 1977-02-11 | Union Carbide Uk Ltd | |
| US4178761A (en) * | 1977-06-17 | 1979-12-18 | Schwartzman Everett H | Heat source and heat sink pumping system and method |
| US4430978A (en) | 1981-09-28 | 1984-02-14 | The Bendix Corporation | Direct liquid injection of liquid petroleum gas |
| US4430971A (en) | 1981-12-28 | 1984-02-14 | Norman Holding | Internal combustion engine |
| US4893471A (en) * | 1988-04-04 | 1990-01-16 | The Boeing Company | Inlet air demoisturizing system for a cryogenic engine and method for operation thereof |
| DE19524171A1 (de) * | 1995-07-03 | 1997-01-09 | Rauscher Georg | Niedertemperaturmotor (NTM), Tieftemperaturmotor (TTM) bzw. Kältekraftmaschine (KKM) |
| US6205981B1 (en) | 1999-03-24 | 2001-03-27 | Siemens Automotive Corporation | Fuel recirculation for direct injection fuel system using a high pressure variable venturi pump |
| GB0004007D0 (en) | 2000-02-22 | 2000-04-12 | Dearman Peter T | Engines driven by liquified gas |
| FR2814530A1 (fr) * | 2000-09-22 | 2002-03-29 | Jean Andre Justin Coton | Alimentation de moteurs pneumatiques autonomes avec stockage du gaz en phase liquide |
| US7047744B1 (en) | 2004-09-16 | 2006-05-23 | Robertson Stuart J | Dynamic heat sink engine |
| US7584602B2 (en) * | 2005-04-21 | 2009-09-08 | Honeywell International Inc. | Augmentor flow control with thermal recirculation function using augmentor valves |
| US20070163261A1 (en) * | 2005-11-08 | 2007-07-19 | Mev Technology, Inc. | Dual thermodynamic cycle cryogenically fueled systems |
| US8220439B2 (en) | 2006-09-25 | 2012-07-17 | DGC Industries Pty. Ltd. | Dual fuel system |
| US20080271455A1 (en) * | 2007-02-20 | 2008-11-06 | Karpf Daniel J | Hybrid/cryo power chamber |
| US20080276627A1 (en) | 2007-05-08 | 2008-11-13 | Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co., Ltd. | Fuel gas supply system and method of a ship |
| US8468829B2 (en) * | 2008-10-01 | 2013-06-25 | Edward Mark De Reyes | Liquid nitrogen engine |
| PL2411736T3 (pl) * | 2009-02-26 | 2019-11-29 | 8 Rivers Capital Llc | Aparat i sposób spalania paliwa pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze oraz powiązana instalacja i urządzenie |
| US8596075B2 (en) * | 2009-02-26 | 2013-12-03 | Palmer Labs, Llc | System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid |
| US20100242921A1 (en) * | 2009-03-30 | 2010-09-30 | Gregory Harper | Method And System For Controlling Fluid Flow From A Storage Tank Through A Supply Line To An End User |
-
2011
- 2011-12-22 GB GB1122191.8A patent/GB2497952A/en not_active Withdrawn
-
2012
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Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3570261A (en) * | 1969-04-14 | 1971-03-16 | Everett H Schwartzman | Cryogenic pumping system |
| DE10040679A1 (de) * | 2000-08-19 | 2002-02-28 | Messer Griesheim Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur druckgeregelten Versorgung aus einem Flüssiggastank |
| CN2553129Y (zh) * | 2002-05-24 | 2003-05-28 | 重庆宗申技术开发研究有限公司 | 摩托车用lpg钢瓶恒温结构 |
| CN1732338A (zh) * | 2002-12-26 | 2006-02-08 | 株式会社博世汽车系统 | 用于柴油机的液化气燃料供给系统 |
| CN2791285Y (zh) * | 2004-12-10 | 2006-06-28 | 上海中茂新能源应用有限公司 | 轻烃lpg燃料汽车燃料回油冷却装置 |
| CN1847636A (zh) * | 2005-04-08 | 2006-10-18 | 爱信精机株式会社 | 发动机用混合器、发动机驱动式空气调节装置、发动机驱动式发电装置 |
| CN101265859A (zh) * | 2006-12-22 | 2008-09-17 | 曼柴油机欧洲股份公司 | 驱动装置的燃气供应系统 |
| CN101382099A (zh) * | 2007-09-05 | 2009-03-11 | 曼柴油机欧洲股份公司 | 用于由气态燃料驱动的内燃机的燃气供给设备 |
| CN201407075Y (zh) * | 2009-05-20 | 2010-02-17 | 陈尊山 | 太阳能、燃料能混合热源的二氧化碳动力输出装置 |
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| Publication number | Publication date |
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