CN104165103A - 内燃机和供给气态燃料给这种机器的方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机具有用于液化气体燃料的至少一个第二燃料储存装置、燃料供给系统和用于喷射气态气体燃料的喷射系统，所述燃料供给系统具有用于以至少200巴的压强提供气体的气体燃料泵。在第一热媒流动路径中，用于来自第二燃料储存装置的汽化气体的出口管线经由压缩器装置连接至换热器，该第一热媒流动路径具有在换热器上的与入口管线连接的出口，该入口管线向下延伸通过第二燃料储存装置的上部分至位于所述至少一个第二燃料储存装置中的至少一个膨胀喷嘴装置。

Description

内燃机和供给气态燃料给这种机器的方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机，该内燃机具有用于引燃燃料的至少一个第一燃料储存装置、用于液化气体燃料的至少一个第二燃料储存装置、燃料供给系统和用于喷射引燃燃料和喷射气态气体燃料的喷射系统，所述燃料供给系统具有引燃燃料泵和用于以至少200巴的压强提供气体的气体燃料泵，所述气体燃料泵至少部分地位于所述至少一个第二燃料储存装置中并且通过高压气体管道与喷射系统连接，所述高压气体管道具有用于将液化气体燃料蒸发成气态气体燃料的至少一个换热器。

背景技术

DK PA200900434公开了一种内燃机，其中气体燃料泵输送液化气体燃料，而换热器供应周边空气形式的热媒，而且在换热器的下游，冷却后的空气被输送至内燃机上涡轮增压器的压缩器入口。作为替换实施例，建议热媒取自压缩器的空气出口，在空气出口由于压缩作用空气更热。

EP1990272B1描述了用于具有LNG储存箱的LNG运输舰中的内燃机的燃料气体供应系统。第一泵安装在LNG储存箱中或者在箱外部附近并且在泵出口处执行对LNG的初始压缩，压缩至大约27巴的压强。接着LNG经过换热器，并且在其出口处，LNG具有约–100℃的温度和约27巴的压强。在换热器的下流处，LNG在第二泵中被加压至约250巴的压强并且通过第二换热器并传递至内燃机的喷射系统，作为液体LNG。将来自第二燃料储存装置的上部分并且回到在第二燃料储存装置的下部分的一侧的汽化气体供应至第一换热器。压缩器和冷却器位于汽化气体管线中换热器上游。在换热器的下游，汽化气体是液体。管线中的压强控制阀膨胀管线中的压强以与第二燃料储存装置中的压强加上储存器中LNG的液体容积的头部的压强对应。

发明内容

本发明的一个目的在于改善内燃机工作时的能量利用。

为此，根据本发明的内燃机的特征在于，在第一热媒流动路径中，用于来自第二燃料储存装置的汽化气体的出口管线经由压缩器装置连接至换热器，所述第一热媒流动路径具有在换热器上与入口管线连接的出口，该入口管线向下延伸通过第二燃料储存装置的上部分至位于所述至少一个第二燃料储存装置中的至少一个膨胀喷嘴装置。

高压气体管道在200巴以上的压强条件下将液态LNG输送至换热器，并且汽化气体被用作第一热媒以温热气体燃料。通过温热气体燃料，汽化气体本身被冷却，并且当汽化气体被压缩时，换热器的上游可以膨胀汽化气体并且因而更加地冷却它。离开换热器的汽化气体经由入口管线被输送至第二燃料储存装置，而在第二燃料储存装置内气体压强的膨胀造成第二燃料储存装置内汽化气体的冷却。

在一个实施例中，所述至少一个换热器具有连接至液体源的至少一个第二热媒流动路径，诸如在船上的空调系统中的流体回路、船上的水冷器、冷冻器中的冷却流体回路、或者内燃机的油冷却器或进气冷却器。液体源输送热至气体燃料并且同时自身被冷却，因此避免通过通常耗电的其它装置进行冷却。

在一个实施例中，所述至少一个换热器具有连接至气态源的至少一个第三热媒流动路径，诸如连接至内燃机的进气流动路径。可以在没有任何第二热媒流动路径的情况下应用第三热媒流动路径。气态源输送热至气体燃料并且同时自身被冷却，因此有利地获得降低发动机的具体燃料消耗率（每产生一个kWh所消耗的燃料质量）的冷却状态，或者仅避免通过通常耗电的其它装置进行冷却。

在结合之前两个实施例的优点的实施例中，所述至少一个换热器具有连接至液体源的至少一个第二热媒流动路径和连接至气态源的至少一个第三热媒流动路径。

在一个实施例中，位于第二燃料气体储存装置中的气体燃料泵具有两级，其中第一级是启动泵进料级而第二级是离心泵压力级。活塞泵进料级的优点是允许离心泵安装在距离第二燃料气体存储装置内壁一定距离处并且还能将几乎所有液态LNG泵送到储存装置之外，原因在于活塞泵进料级可以将LNG经由具有靠近储存装置底部的入口的吸入管线从储存装置底部汲取LNG。

另一方面，本发明涉及一种用于以至少200巴的压强将喷射系统中的气态气体燃料供应给内燃机的方法，所述内燃机包括用于引燃燃料的至少一个第一燃料储存装置和用于液化气体燃料的至少一个第二燃料储存装置，所述喷射系统用于喷射引燃燃料和喷射气态气体燃料，气体燃料泵至少部分地位于所述至少一个第二燃料储存装置中并且通过高压气体管道与喷射系统连接，所述高压气体管道具有用于将液化气体燃料蒸发成气态气体燃料的至少一个换热器。

根据本发明，来自第二燃料储存装置的第一热媒流动路径中的汽化气体在压缩器装置中被压缩至设定压强并且被输送至换热器用于加热气体燃料；并且，位于至少一个第二燃料储存装置中的至少一个膨胀喷嘴装置被供给来自换热器的汽化气体，并将此汽化气体膨胀成在第二燃料储存装置的上部分中的汽化气体。使用汽化气体以加热气体燃料节约能源，并且节约用于液化汽化气体的单独的能源消耗。将冷却后的汽化气体膨胀成在第二燃料储存装置的上部分中的气体提供对汽化气体的进一步有效冷却。

在一个示例中，汽化气体的设定压强在2巴至5巴的范围中，诸如约3巴，这允许汽化气体在所述设定压强下处于大约在-153℃至-138℃内的温度下并且当被膨胀到1巴的压强时由此冷却至-163℃的温度。也可以是更大的设定压强，但是该压强不应该大于所需的压强，原因在于压缩消耗能源。

在一些情况下，有利的是，如果当入口管线中的汽化气体的温度高于设定温度时，则旁通管线中的流动控制阀或流量控制阀打开，用于汽化气体从入口管线旁通至出口管线。如果气体燃料消耗太低，有利地是使第二燃料储存装置旁通并且让汽化气体从入口管线循环至出口管线，并且这可以用流动控制阀或流量控制阀控制。

附图说明

下面结合高示意性的附图更加详细地描述本发明的实施例的示例，其中，

图1显示具有根据本发明的内燃机的LNG运输船，

图2显示图1中的内燃机的端部视图；

图3显示图2中的内燃机的燃料供应和喷射系统；

图4更加详细地显示图3中的系统，从内燃机中的单个气缸看；

图5显示甲烷的雷诺图；和

图6显示图2中的内燃机的第二燃料储存装置和换热器。

具体实施例

图1中的LNG运输船具有位于上层结构2下方的发动机室1中的主推进发动机。发动机驱动用于推进运输舰的推进器3。LNG运输船具有多个（在图示实施例中为四个）LNG储存箱，每个是用于提供给内燃机的液化气体燃料的第二燃料储存装置4。虽然LNG运输船的用途是将LNG从生产地运输至用于LNG的使用地，但是LNG储存箱在运输过程中还用作内燃机的燃料储存装置。

运输舰不必是LNG运输船，也可以是任何其它类型的运输舰，其中第二燃料储存装置4仅用作燃料储存装置，独立于运输舰的货物区域。这些其它类型的运输舰的示例是RoRo运输舰、集装箱船、油轮、车辆运输船、散货船、成品油轮、转运船等。

在图2中，主推进发动机更加详细地显示为内燃机。内燃机是活塞发动机，并且优选地是二冲程十字头内燃机，大致由5表示。发动机可以具有4至15个汽缸。发动机可以是例如制造商MAN Diesel&Turbo的ME或MC类型的、或者制造商或者制造商Mitsubishi的机器。汽缸可以具有在例如25至120cm的范围内、优选从60至120cm范围内的内径。用作主推进发动机的二冲程十字头活塞内燃机通常具有用rpm表示的在60至200

rpm的范围内的速度。这些发动机就是所谓的低速发动机。要求低速经由推进器将推进力传输至跟随运输舰的水。为了将推力传输至水，推进器需要大的面积，因而需要大的直径。由于在推进器处的气穴现象是不想要的，所以要求将推进发动机的速度限制至低速范围，例如从60至200rpm。

发动机5具有多个汽缸，每个汽缸具有在汽缸中的往复活塞。在二冲程十字头活塞内燃机中，汽缸通常是直流扫气式，其中排气阀6位于汽缸顶部并且扫气端口（未显示）位于汽缸的下端。从汽缸排出的废气被传递至废气接收器7并且进而至涡轮增压器8的涡轮部分，涡轮增压器8的压缩器部分将压缩的进气供应至进气室9。离开该室，进气可以传输穿过进气冷却器10至汽缸中围绕扫气端口的区域。

发动机具有用于喷射引燃燃料和用于喷射气态燃料的喷射系统，并且基于安全原因，用于喷射气态燃料的系统设有进气系统和惰性或无活力气体系统。进气系统设置在围绕气体燃料管16的管15中，并且在这两个管之间的环形空间允许监控内部的管的气体泄漏。在11处实现进气，并且如果系统正常运行，那么在12处实现出气。一对碳氢化合物探测器13放置在导向出口12的管道中发动机的下游。加压惰性或无活力气体源14连接至气体燃料管16，并且在发动机的关闭的条件下，惰性或无活力气体被供应至气体燃料管用于净化气体燃料管的气体。

第一燃料储存装置17供应引燃燃料至在内燃机的每个汽缸19上的燃料喷射器。引燃燃料在例如300巴的压强下供应并且被用以启动汽缸中的每个燃料喷射顺序。引燃燃料可以是燃油并且能够在燃烧室中在燃烧冲程结束或末端在燃烧室内可获得的压缩压强条件下自燃。每个汽缸19上的气体喷射器20在检测到所需引燃燃油压强时被提供来自泵21的控制油，并且在气体喷射器20处要求的控制油的压强以便喷射气体。控制油确保在引燃燃油没有喷射时气体不被喷射到汽缸中。气体喷射器20还经由密封油路管线22被供给有加压密封油。密封油防止气体不是通过喷射喷嘴而是从气体喷射器其它地方逃逸。

来自第二燃料储存装置4的气体被供应至气体燃料管16并且流入积蓄器23，并且当发生气体喷射时，控制阀24打开使气体进入喷射器20。在气体燃料管16和喷射器20之间可以有共轨管（common rail pipe），并且在此情况下，可以用积蓄器23分配。

在第二燃料储存装置4(图6)处的气体燃料泵25被安装通过储存装置的上部分。泵可以是单级泵，但是优选地它具有至少两级，其中第一级是启动泵，诸如活塞泵，而第二级是离心泵。离心泵可以具有多个泵级。所述泵是低温泵，示例有来自Cryogenic Industries,CA,USA的TC-34型泵，以及在Hydrocarbon Processing（2011年七月,第37-41页）中公开的高压离心LNG泵。气体燃料泵25在至少200巴的压强条件下，例如在200巴至500巴的范围内的压强条件下，并且优选为约300巴的压强条件下将液体LNG气体燃料输送至高压气体管道26。

用于气体燃料的高压气体管道26连接至换热器27以及第二换热器28，并且延续到气体燃料管16。换热器27具有第一热媒流动路径，第一热媒流动路径包括用于来自第二燃料储存装置4的汽化气体的出口管线29。出口管线29从第二燃料储存装置的上部分延伸至压缩器30，并且从压缩器延伸至换热器27。出口管线29以汽化气体与高压气体管道26中的气体燃料反向流的方式连接至换热器。第一热媒流动路径具有入口管线31，入口管线31从换热器27上的出口向下延伸通过第二燃料储存装置4的上部分至位于第二燃料储存装置4的通常填充有汽化气体的区域的最上部分中的膨胀喷嘴32。

第一热媒流动路径还具有旁通管线33，旁通管线33设有通常是关闭的流动控制阀或流量控制阀34。如果通过换热器26的气体燃料流太少以致于汽化气体可以被再次使用以加热气体燃料，则控制阀34可以打开用于汽化气体从出口管线29至入口管线31的再次循环。

第二换热器具有连接至液体源36的第二热媒流动路径35，例如在船中的空调单元中的冷却液流体回路。第二换热器具有连接至气态源38的第三热媒流动路径37，例如连接至内燃机的进气流动路径。气态源因而可以是进气冷却器10的一部分。当气体燃料流出换热器28时，它可以被加热至气态状态并且温度在30℃至60℃的范围中，优选是45℃。

图5中的雷诺图显示此过程的一个示例。此图以对数标尺显示压强（单位为巴），和甲烷的热焓（单位为kJ/kg），以及温度曲线。倒U形曲线显示了甲烷是部分气态且部分液态的区域。第二燃料储存装置4的温度为大约-163℃并且压强为大约1巴。依赖于第二燃料储存装置4在舰中相对于压缩器30的位置，出口管线29可以具有相当大的长度，例如从几米至400米。假设出口管线29具有相当大的长度，就如压缩器位于发动机室附近并且第二燃料储存装置在舰的前端的情形，汽化气体在其抵达压缩器时可能或多或少被加热。在图5中，假设汽化气体在压缩器入口处具有-100℃的温度，如点40所示。压缩器升高汽化气体的压强，例如3巴的压强，如点41所示。在换热器27中，汽化气体被冷却，这由3巴压强条件下的水平线表示。如果这种冷却不能液化此汽化气体并且此汽化气体膨胀至1巴的压强，那么汽化气体可具有-163℃的温度，如点42所示。如果这种冷却完全液化此汽化气体并且此汽化气体膨胀至1巴的压强，那么汽化气体可具有-163℃的温度，如点43所示。如果冷却进行到大约-150℃的温度，并且汽化气体膨胀至1巴的压强，那么汽化气体可具有-163℃的温度，如点44所示。气体燃料泵25将液态气体燃料从点45所示的-163℃下1巴的压强加压至点46所示的约-150℃温度例如300巴的压强。在换热器27中，气体燃料可以被加热至例如-50℃的温度，如点47所示，并且在第二换热器28中，气体燃料可以被加热至例如45℃的温度，如点48所示。

第一燃料储存装置、引燃燃料泵和用于喷射引燃燃料的喷射系统用以点燃燃烧室内的燃烧以使得喷射时被喷射的气态燃料燃烧。引燃燃料具有对气态燃料的点燃辅助器的作用。根据本发明的一个方面，可以用另一点燃辅助器替换第一燃料储存装置、引燃燃料泵和用于喷射引燃燃料的喷射系统，例如电源供应并且由控制单元和电开关装置控制的电火花点燃器。在此情况下，一种内燃机包括用于液化气体燃料的至少一个第二燃料储存装置和燃料供给系统，燃料供给系统具有用于在至少200巴的压强下提供气体的气体燃料泵、用于喷射气态气体燃料的喷射系统和气体点燃辅助器。气体燃料泵至少部分地位于至少一个第二燃料储存装置内并且通过高压气体管道与喷射系统连接。高压气体管道具有用于将液化的气体燃料蒸发成气态气体燃料的至少一个换热器。在第一热媒流动路径中，用于来自第二燃料储存装置的汽化气体的出口管线经由压缩器装置连接至换热器，该第一热媒流动路径具有在换热器上与入口管线连接的出口，该入口管线将向下延伸通过第二燃料储存装置的上部分至位于至少一个第二燃料储存装置中的至少一个膨胀喷嘴装置。

所描述的各种实施例的细节可以结合到权利要求范围内的其他实施例中。换热器27和28可以例如结合到单个换热器中，或者换热器28可以被分成若干换热器。

Claims (10)

1.一种内燃机，包括用于引燃燃料的至少一个第一燃料储存装置、用于液化气体燃料的至少一个第二燃料储存装置、燃料供给系统和喷射系统，所述燃料供给系统具有引燃燃料泵和用于在至少200巴的压强下提供气体的气体燃料泵，所述喷射系统用于喷射引燃燃料和喷射气态气体燃料，所述气体燃料泵至少部分地位于所述至少一个第二燃料储存装置中并且通过高压气体管道与喷射系统连接，所述高压气体管道具有用于将液化气体燃料蒸发成气态气体燃料的至少一个换热器，其特征在于，

在第一热媒流动路径中，用于来自第二燃料储存装置的汽化气体的出口管线经由压缩器装置连接至换热器，所述第一热媒流动路径具有在换热器上的与入口管线连接的出口，该入口管线向下延伸通过第二燃料储存装置的上部分至位于所述至少一个第二燃料储存装置中的至少一个膨胀喷嘴装置。

2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：

所述至少一个换热器具有连接至液体源的至少一个第二热媒流动路径，诸如在船上的空调系统中的流体回路。

3.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：

所述至少一个换热器具有连接至气态源的至少一个第三热媒流动路径，诸如连接至内燃机的进气流动路径。

4.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：

所述至少一个换热器具有连接至液体源的至少一个第二热媒流动路径，例如在船上的空调系统中的流体回路；和连接至气态源的至少一个第三热媒流动路径，例如连接至内燃机的进气流动路径。

5.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：

旁通管线从入口管线延伸至出口管线并且设有流动控制阀或流量控制阀。

6.如权利要求1至5中任一所述的内燃机，其特征在于：

气体燃料泵具有两级，其中第一级是启动泵进料级而第二级是离心泵压力级。

7.如权利要求1至5中任一所述的内燃机，其特征在于：

所述内燃机是二冲程十字头活塞内燃机。

8.一种用于以至少200巴的压强将喷射系统中的气态气体燃料供应给内燃机的方法，所述内燃机包括用于引燃燃料的至少一个第一燃料储存装置和用于液化气体燃料的至少一个第二燃料储存装置，所述喷射系统喷射引燃燃料和喷射气态气体燃料，气体燃料泵至少部分地位于所述至少一个第二燃料储存装置中并且通过高压气体管道与喷射系统连接，所述高压气体管道具有用于将液化气体燃料蒸发成气态气体燃料的至少一个换热器，其特征在于，

来自第二燃料储存装置的在第一热媒流动路径中的汽化气体在压缩器装置中被压缩至设定压强并且被输送至换热器用于加热气体燃料，位于至少一个第二燃料储存装置中的至少一个膨胀喷嘴装置被供给来自换热器的汽化气体，并将此汽化气体膨胀成在第二燃料储存装置的上部分中的汽化气体。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

该设定压强在从2巴至5巴的范围中。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于：

当入口管线中的汽化气体的温度高于设定温度时，旁通管线中的流动控制阀或流量控制阀打开，用于汽化气体从入口管线旁通至出口管线。