CN104704229B - 将气体燃料从液体状态供应到发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的改进的方法，包括：采用第二内燃机作为能量源；通过将来自所述能量源的能量转换成用于泵送的机械功来泵送处于所述液体状态的气体燃料；将循环通过所述第二内燃机的第一热交换流体中的来自所述第二内燃机的废热交换到第二热交换流体；用来自所述第二热交换流体的热来汽化从所述液体状态泵送的所述气体燃料；以及将从所述液体状态汽化的所述气体燃料递送到所述内燃机；其中通过所述泵送将递送到所述内燃机的所述气体燃料的压力维持在预定容差范围内。

Description

将气体燃料从液体状态供应到发动机
技术领域
本申请涉及一种将以液体状态存储的气体燃料供应到高马力应用中所采用的内燃机的技术。
背景技术
用以液体状态存储的气体燃料供给燃料的高马力发动机被用于多种应用中，其中所述应用是机车(locomotive)、海洋船舶、矿业、矿业拖运卡车和发电。虽然需求可能不同，但是在这些应用中存在共同的技术挑战。由于消耗的燃料的体积相对大，燃料存储容器可能很大且难以与发动机位于一处。尤其在机车应用中，机车不具有足够的空间以将液化气体燃料存储容器定位在火车上，液化气体燃料存储容器必须被定位在机车附近的替代铁路车厢(railroad car)上。另一个挑战与用于在将液化气体燃料引入到发动机内之前将其汽化的热交换器的热管理有关。通常地，废热是用于汽化该液化燃料的主要热源，这导致最佳的发动机功率。在冷启动时，发动机冷却剂温度是低的，并且由于相对大的流速而存在使汽化器(vaporizer)冻结的风险。为了减轻此风险，至少在发动机冷启动期间，辅助热源有利于防止汽化器冻结。来自预先存在的发动机的传统能量源可以用于生成此热，但是在许多应用中，这些能量源可能不能够供应汽化器所需要的能量的量。
用液化气体供给燃料的高马力发动机的两个研发目的是具有比等效的柴油发动机更少的排放，以及具有类似于等效的柴油发动机的功率水平。此发动机将广泛用在前述应用中。在机车产业中已经尝试研发这样的发动机，但是几乎没有成功。另一个研发目的是，可以在没有任何或有非常少的修改或重新配置的情况下将高马力发动机用在前述应用中的任何一种中。高马力应用包括技术挑战，尽管技术挑战存在于较低马力应用中，但是在较高功率水平下被加剧。这些挑战包括但不限于以某种方式与燃料压力有关的点火和燃烧稳定性，以及燃料供应的热管理。
自20世纪80年代初以来，已尝试了若干研究计划和示范项目来采用天然气作为用于机车的燃料。最初的动机是确定与柴油机车相比，是否可以获得排放水平的任何减少，同时维持相同的功率水平。这些努力被环境保护局(EPA)针对机车的排放标准的演化驱动，针对机车的排放标准，环境保护局在1997年制定了0级、1级和2级标准，并且最近在2008年，环境保护局设定3级和4级标准。3级和4级标准二者都显著地减少柴油颗粒物质(PM)和氮氧化物(NOx)的排放。在这些努力中仅出现一种经过证明和测试的市售天然气供给燃料的铁路路线(l ine-haul)机车，该铁路路线机车采用低压注射技术。在由BNSF铁路公司、联合太平洋铁路公司(UPRR)、美国铁路协会(一起被称为铁路部门(Railroads))和加州环保协会于2007年11月公开的标题为“An Evaluation of Natural Gas-fueled Locomotives”的论文中，提出铁路部门在天然气供给燃料的机车上的看法。铁路部门表示，除了一些潜在的有利可图的市场(niche)应用，他们相信没有可行的机会来将天然气用作机车燃料来帮助满足排放和性能目标。这种看法基于这些研究计划和示范项目以及在北美可得的一种已知的市售天然气供给燃料的铁路路线机车。这种市售的产品是用于EMD 645二冲程柴油发动机的转换套件(conversion kit)，该产品使机车能够以液化天然气(LNG)作为主要燃料运行，同时采用柴油作为引燃燃料。该LNG燃料被汽化并且在低压下(85-125磅每平方英寸(psi))被注射，使得在压缩期间燃料和空气混合。然后一小部分的柴油“引燃”燃料在冲程的顶部处被注射到气缸内，在冲程的顶部处它自动点燃以促进燃烧。
研究计划和示范项目中的若干个尝试过高压注射技术，在所述高压注射技术中，天然气燃料在压缩循环后期被注射。在1992年，UPRR在单独的项目中通过易安迪(EMD)和GE运输系统(GE)开始这些努力中的两项努力，以研究天然气在铁路线路、高马力机车发动机中的使用。这是重大的、多年的努力，其中UPRR花费超过1500万美元探索基本发动机和燃料供给技术问题。在EMD和GE系统中采用的天然气注射压力在3000psi和4500psi之间的范围内。由于技术限制，由EMD和GE单独研发的机车不能有收益地操作。两个项目中的技术困难包括气体注射器的故障、用于处理煤水车罐(tender tank)与机车之间的低温燃料的低温LNG泵的故障、发动机控制系统软件、气体转变控制系统软件、以及燃料系统连接泄漏。
在1987年，由伯灵顿北方铁路公司(BN)开始的计划中研发出用于EMD 645的转换套件(上文提到的市售产品)，该计划涉及两个不同方向的努力：研发天然气供给燃料的基础设施和能够以天然气运行的铁路线路机车。对于供给燃料的基础设施，BN与空气化工产品公司(APC)合作研发供给燃料地点和装备低温罐的煤水车车厢(tender car)来支持将制冷液体甲烷(RLM)(高纯度形式的液化天然气)用作机车燃料。在1993年1月由天然气研究院公开的标题为“LNG as a Fuel for Railroads:Assessment of Technology Status andEconomics”的论文中，APC的Bob Kirkland指示，可以在机车或煤水车车厢上执行LNG汽化。“由于泵送液体比压缩气体需要更少的能量，未来煤水车车厢设计将很可能递送液体到位于机车上并且在汽化器上游的泵。根据Bob Kirkland，煤水车车厢供应高压液体到机车是不现实的。这样的布置将包含长长度的高压管以及在机车与煤水车车厢之间的附加硬件以为泵提供动力。”
基于铁路部门的许可以及上述引用的研究和示范计划的结果，显然，天然气在机车发动机中的后期循环、高压直接注射不是简单的或显而易见的任务。若干技术挑战存在，已经阻止了出现可挑战和改进来自所谓的清洁柴油机车技术的排放的市售天然气机车。类似的挑战存在于采用天然气作为用于海洋应用(其中采用发送机以用于给船提供动力且推进船)中、矿业和矿业拖运卡车中以及发电中采用的内燃机的燃料中。
鉴于前述内容，需要用于高马力发动机的低压和高压燃料装置，该低压和高压燃料装置可适用于不同应用，并且其解决与燃料压力和热管理相关的技术挑战。本申请提供了一种用于将以液化状态存储的气体燃料供应到高马力应用中采用的内燃机的改进的技术。
发明内容
一种用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的改进的方法，包括：采用第二内燃机作为能量源；通过将来自该能量源的能量转换成用于泵送的机械功来泵送处于液体状态的气体燃料；将循环通过该第二内燃机的第一热交换流体中的来自该第二内燃机的废热交换到第二热交换流体；用来自该第二热交换流体的热来汽化从液体状态泵送的该气体燃料；以及将从该液体状态汽化的气体燃料递送到该内燃机；其中通过该泵送将递送到该内燃机的气体燃料的压力维持在预定容差范围内。该能量源可以是机械能、液压能和电能中的至少一种。在铁路应用中，通过第二内燃机的操作生成的电能可以被供应到铁路车厢用于消耗。
该方法还可以包括用从第一热源生成的热来汽化从液体状态泵送的气体燃料。当该能量源是电能时，第一热源可以通过将电能转换成热能来生成热。第一热源可以替代地通过燃烧从用于将气体燃料保持处于液体状态的存储容器递送的蒸发气体(boi l-offgas)来生成热。第二内燃机可以用气体燃料或用不同于该气体燃料的第二燃料供给燃料。第二内燃机可以用来自存储处于液体状态的气体燃料的蒸发气体供给燃料。
该方法还包括用来自内燃机的废热来汽化从液体状态泵送的气体燃料。当内燃机启动时，第二内燃机也刚好启动或已经最近地启动。可能没有足够的来自第二内燃机或来自该内燃机的废热来汽化气体燃料。在此情况下，当该内燃机启动时，可以采用来自第一热源的热来汽化气体燃料。
一种用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的改进的装置，包括：第二内燃机，用于供应能量源；液体泵送装置，用于泵送处于液体状态的气体燃料，所述液体泵送装置包括能量转换器，用于将来自该能量源的能量转换为驱动该液体泵送装置的机械能；第一热交换器，用于用来自该第二内燃机的废热来加热热交换流体；第二热交换器，用于用该热交换流体来汽化从该泵送装置接收的气体燃料；以及控制器，被编程为操作该液体泵送装置以将供应到该内燃机的气体燃料的压力维持在预定范围内。该能量源是机械能、液压能和电能中的至少一种。第二内燃机可以用气体燃料或用不同于该气体燃料的第二燃料供给燃料。第二内燃机可以用从存储处于液体状态的气体燃料的存储容器递送的蒸发气体供给燃料。当该装置用于铁路应用中时，可采用电导体以用于将电能供应到铁路车厢。
该装置还可以包括第三热交换器，用于用来自第一热源的热选择性地加热热交换流体。第一热源可以包括电加热器、燃烧器和锅炉中的至少一种。当该能量源是电能时，电加热器将电能转换成热能。当采用燃烧器时，该燃烧器可以燃烧从存储处于液体状态的气体燃料的存储容器递送的蒸发气体。
该装置还可以包括第四热交换器，用于用来自第二热源的热选择性地加热热交换流体。第二热交换源可以是电加热器、燃烧器、锅炉和来自内燃机的废热中的至少一种。
附图说明
图1是根据第一实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图2是根据第二实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图3是根据第三实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图4是根据第四实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图5是根据第五实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图6是根据第六实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图7是根据第七实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图8是根据第八实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图9是根据第九实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图10是根据第十实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图11是根据第十一实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图12是根据第十二实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图13是根据第十三实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图14是根据第十四实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图15是根据一个实施方案的用于将电能供应到图1-图14的实施方案的能量供应。
图16是根据另一实施方案的用于将电能供应到图1-图14的实施方案的能量供应。
图17是根据另一实施方案的用于将电能供应到图1-图14的实施方案的能量供应。
图18是根据第十五实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图19是根据第十六实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图20是根据第十七实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图21是根据第十八实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图22是根据第十九实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图23是根据第二十实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图24是根据第二十一实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图25是根据第二十二实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图26是根据第二十三实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到根据内燃机的燃料装置的示意图。
图27是根据第二十四实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图28是根据第二十五实施方案的用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的燃料装置的示意图。
图29是采用图1到图14和图18到图28中的任意一个的燃料装置的机车实施方案的示意图。
具体实施方式
参考附图，并且首先参考图1，示出了用于将气体燃料从存储容器50供应到内燃机30的燃料装置10。存储容器50在低温温度下将气体燃料存储为多相流体。如在这里所使用的，气体燃料是在标准温度和压力(STP)下处于气相的燃料。一种示例性气体燃料是天然气，但是其他类型的气体燃料被认为在本公开内容和技术的范围内，诸如乙烷、甲烷、丙烷、生物气、填埋气、二甲醚、氢气以及它们的混合物。如在这里所使用的，术语气体燃料和气体可交换使用，并且术语液化气体或液化气体燃料指的是处于液体状态的气体燃料。如本领域技术人员所理解的，当气体燃料被存储在接近沸点的低温温度下时，该气体燃料作为多相流体存在。发动机30包括与气体供给燃料的内燃机相关联的常规部件。燃料装置10可以用于高马力应用中，诸如机车、海洋船舶、矿业、矿业拖运卡车和发电。如这里所使用的，高马力发动机可以递送至少900马力，并且当气体燃料是天然气时，高马力发动机需要燃料装置10以提供至少130kg/hr的气体燃料。装置10可以被配置为在低压和/或高压下将气体燃料递送到发动机30。更详细地描述燃料装置10：泵装置70将液化气体从容器50泵送朝向热交换器90，气体燃料在热交换器90处被转变为气相并且经导管120被运送到内燃机30。蓄能器(accumulator)130存储预定体积的气体，以减小导管120中由于改变发动机30的操作条件而引起的燃料压力波动。在其他实施方案中，导管120被选择为具有等于气体的预定体积的体积，使得不需要蓄能器130。当递送高压气体到发动机30时，泵装置70可以包括低压液体燃料泵，接着是高压液体燃料泵。也就是，泵装置70可以是单级泵、具有串联的多个级的单个泵装置，或者串联或并联连接的多个泵。热交换器90是采用热交换流体的汽化器，该热交换流体在装置10的回路(loop)400内循环，以将来自泵70的液化气体汽化。回路400中的热交换流体循环通过热交换器410和泵420。热交换器410通过例如电加热器将电能转换为热能来提升回路400中的热交换流体410的温度，所述热交换流体之后被用于加热流体。可以采用任何常规类型的电加热器，诸如电阻加热器、感应加热器和介电加热器。泵420使流体围绕回路400循环并且可以位于回路400中不同于图1中示出的位置的位置处。能量供应430通过导体435提供电能，以为泵装置70、热交换器410和泵420提供动力。导体435可以提供一个或多个电势的电能，在单独且电气独立的导体上或者在一个或多个彼此电气连接的导体上。泵装置70和泵420包括各自的能量转换器以将电能转换成机械能，所述机械能可被用于做机械功(泵送)。用电能代替机械能来为燃料装置10中的部件提供动力存在很多优势。当用电能提供动力时，泵装置70和泵420不需要被机械地同步到发动机30，或者装置10中的任何其他的内燃机。这简化和减少了燃料装置10的成本。在常规液化气体发动机系统中，来自发动机的废热被用于汽化液化气体。通常，废热包括转移到来自发动机缸体的发动机冷却剂的热和/或来自从废气收集的热。在这些系统中，由于到液化气体的不充分热交换，因此存在在启动阶段和在发动机的操作图中的其他点处冻结汽化器的风险。例如，当发动机30启动时，发动机冷却剂可能未处于将流经汽化器90的、会冻结汽化器和阻塞燃料流动的液化气体充分汽化的足够高的温度。这种风险通过在热交换器410中采用电能来加热回路400中的流体(该流体然后被用于汽化气体燃料)而被降低。至少对于在发动机冷却剂温度不足以用于汽化器的加热要求时发动机30的操作图中的那些点，通过将用于汽化汽化器90中的气体燃料的能量源与发动机30断开，汽化器冻结的风险被降低。温度传感器460和470在汽化器90之前和之后测量回路400中的热交换流体的温度，使得可以控制热交换器410中流体的加热。在其他实施方案中，采用温度传感器460和470中的至少一个。压力传感器150测量导管120中的气体燃料的压力，使得可以控制泵装置70以将导管120中的气体燃料加压到预定范围内。电子控制器200与燃料装置10中的前述部件通信，用于接收所测量的参数和状态信息并且相应地用于控制它们的操作。在其他实施方案中，另一电子控制器(例如发动机30内的另一电子控制器)可以替代控制器200。燃料装置10可以包括其他部件，诸如电子阀、压力释放阀、计量阀、压力调节器和圆顶加载式调节器(dome-loadedregulator)。在一些应用中，方便的是，当燃料装置10中的部件位于平台480上的一处使得装置10可以以模块化方式被安装。例如在机车上、在煤水车车厢上、在海洋船舶的发动机隔间内、在矿业拖运卡车上以及在发电设施内。平台480可包括围绕装置10的外壳。该外壳可以包括：百叶窗，其防止空气俘获在该外壳内；门板，使得能够接近装置10的部件以用于维修；以及，举升连接件，以移除该外壳或该外壳的盖以用于接近举升起的部件。
现在参考图2，示出了根据第二实施方案的燃料装置10，该第二实施方案类似于图1的实施方案，并且关于该第二实施方案和所有随后描述的实施方案，如果有的话，相同的部分具有相同的参考数字并且可以不被详细描述。回路400中的热交换流体循环通过热交换器411，热交换器411通过燃烧从容器50经导管140递送的蒸发气体来提升回路400中的热交换流体的温度。热交换器411包括燃烧器或锅炉。蓄能器(未示出)可以与导管140连接，或者导管140可被定尺寸以存储预定体积的蒸发气体，使得气体的供应可用于热交换器411。在其他实施方案中，当蒸发气体的供应低于汽化器90操作所需要的水平(基于发动机30的操作条件)时，来自导管120的加压气体可以被转向到导管140(或所述蓄能器)或被直接转向到热交换器411。容器50内的液化气体通常接近其沸腾温度。由于热泄漏到容器50内，随着时间的过去，液化燃料可以沸腾，这增大了容器内的蒸汽压力。通常，容器内的蒸汽以某种方式被排出，使得蒸汽压力可以被维持在预定值之下。容器50内的蒸汽常常被排出到大气，这很浪费并且增大了温室气体浓度。有利的是，在热交换器411中燃烧来自容器的蒸汽，以产生用于将汽化器90内的液化气体汽化的热是有利的。
现在参考图3，示出了根据第三实施方案的燃料装置10。回路400中的热交换流体循环通过热交换器412，热交换器412通过采用来自发动机30的发动机冷却剂中的废热来提升回路400内的热交换流体的温度。发动机冷却剂回路401循环通过热交换器412，以将热能转移到回路400中的流体。有利的是，在汽化器90中采用来自发动机30的废热，因为它通过采用已由来自容器50的气体燃料的燃烧所产生的热能，增大了燃料装置10的效率。在机车中采用的发动机冷却剂常规上是水。因此，当发动机30被用在机车中且回路401中的发动机冷却剂是水时，重要的是，监控水的温度以使水不冻结。在采用来自发动机30的废热汽化气体燃料的实施方案中，有利的是，采用辅助热交换来协助汽化，以使得降低来自发动机30的水冻结的风险。
现在参考图4，示出了根据第四实施方案的燃料装置10。回路400中的热交换流体循环通过热交换器410和412。在操作中，来自容器50的液化气体主要通过来自发动机30的废热被汽化，该废热通过热交换器412被转移到回路400中的流体。然而，在发动机冷却剂不具有足够高的温度来支持通过汽化器90的燃料流动要求以及防止冻结期间，则可以选择性地采用热交换器410，以增大回路400中流体的温度。例如，在发动机30的启动和高燃料流速操作期间，以及在寒冷天气操作期间当发动机冷却剂温度低于正常温度时，可以采用热交换器410。
现在参考图5，示出了根据第五实施方案的燃料装置10。回路400中的热交换流体循环通过热交换器411和412。在操作中，液化气体主要通过来自发动机30的废热被汽化，该废热通过热交换器412被转移到回路400中的流体。然而，在回路401中的发动机30的发动机冷却剂不具有足够高的温度来支持通过汽化器90的燃料流动要求以及防止冻结期间，则可以选择性地采用热交换器411，以增大回路400中的流体的温度。例如，在发动机30的启动和高燃料流速操作期间，以及在寒冷天气操作期间当冷却剂温度低于正常温度时，可以采用热交换器411。
现在参考图6，示出了根据第六实施方案的燃料装置10。回路400中的热交换流体循环通过热交换器410和411。在此实施方案中，可以采用热交换器410和411中的任一个来提升回路400中的热交换流体的温度。在一个优选的操作模式中，主要采用热交换器411来加热回路400中的流体。当容器50内的蒸发气体的压力降至太低而不能支持通过汽化器90的燃料流速要求以及防止冻结时，采用热交换器410来协助或替代热交换器411。在另一优选模式中，主要采用热交换器410来加热回路400中的流体，并且当蒸发气体的压力上升到预定值之上时采用热交换器411来加热该流体，使得减小该压力。
现在参考图7，示出了根据第七实施方案的燃料装置10。回路400中的热交换流体循环通过热交换器410、411和412。在操作中，来自容器50的液化气体主要通过来自发动机30的废热被汽化，该废热通过热交换器412被转移到回路400中的流体。然而，在发动机冷却剂不具有足够高的温度来支持通过汽化器90的燃料流动要求以及防止冻结期间，则可以采用热交换器410和411中的任一个，以增大回路400中的流体的温度。优选地，当容器50中的蒸发气体的压力在预定值之上时，采用热交换器411来协助汽化，使得防止气体排出至大气。
现在参考图8，示出了根据第八实施方案的燃料装置10。回路401内的发动机冷却剂循环通过汽化器90，以转移来自发动机30的废热，用于汽化液化气体。采用回路401代替图1-7中的热交换回路400，使装置10的管道系统简化。例如，在图8的实施方案中不需要如图3中最佳所见的热交换器412和泵420。然而，根据应用，可能有益的是，在回路401中采用泵420以协助发动机冷却剂的循环。
现在参考图9，示出了根据第九实施方案的燃料装置10。类似于图4的实施方案，根据发动机冷却剂的温度和发动机30的发动机操作条件，可以采用热交换器410来提升回路401中的发动机冷却剂的温度。
现在参考图10，示出了根据第十实施方案的燃料装置10。类似于图5的实施方案，根据发动机冷却剂的温度和发动机30的发动机操作条件，可以采用热交换器411来提升回路401中的发动机冷却剂的温度。
现在参考图11，示出了根据第十一实施方案的燃料装置10。类似于图7的实施方案，根据发动机冷却剂的温度和发动机30的发动机操作条件，可以采用热交换器410和411来提升回路401中的发动机冷却剂的温度。
现在参考图12，示出了根据类似于先前的实施方案的第十二实施方案的燃料装置10，并且如果有的话，相同的部分具有相同的参考数字且不详细描述。此实施方案结合了图1和图8的优点。汽化器90采用热交换回路400和401来转移热以汽化来自泵装置70的气体燃料。回路400中的热交换流体循环通过热交换器410、泵420和汽化器90。回路401中的热交换流体循环通过发动机30和汽化器90。在其他实施方案中，汽化器90可以包括两个热交换器；针对热交换回路400和401各自一个。回路401中例示了附加的温度传感器475，用于测量热交换流体的温度。此实施方案相对于图3、图4和图9的实施方案的优点是回路400和401中的改进的热交换流体流动特性，因为各自的热交换流体不必行进通过附加的热交换器。此实施方案相对于图3和图4的实施方案的另一优点是将废热从回路401中的发动机冷却剂直接转移到汽化器90中的气体燃料，而没有将废热通过图3和图4中的热交换器412转移到回路400中的热交换流体的中间步骤。在图4和图9的实施方案中，当主要采用发动机冷却剂来汽化气体燃料时，当没有足够的热时，仍然可以存在一些操作模式。在这些模式中，热交换器410必须将热交换流体的温度提升到发动机冷却剂的温度之上。相反，在此实施方案中，当来自发动机冷却剂的热不足够时，热交换器410必须将回路400中的热交换流体的温度提升到汽化器90中的气体燃料的温度之上，汽化器90中的气体燃料的温度明显小于发动机冷却剂的温度。这减小了热交换器410的加热要求。在其他实施方案中，可以根据应用要求以串联和并联组合布置在此公开的热交换器。冗余是并联操作的热交换器的另一个优点，使得如果一个热交换器未能使热交换流体循环，其他并联的热交换器不受影响。在并联操作的热交换器中，在热交换回路中存在较小的压力降。
现在参考图13，示出了根据第十三实施方案的燃料装置10。此实施方案类似于图12的实施方案，除了在回路400中采用热交换器411代替热交换器410。图13的实施方案的优点类似于图12的实施方案的优点。
现在参考图14，示出了根据第十四实施方案的燃料装置10。此实施方案类似于图12和图13的实施方案，除了在热交换回路400中采用热交换器410和411。
参考图15、图16和图17，现在更详细地描述电能供应430。在图15中，例示了根据一个实施方案的供应430。供应430包括内燃机440、燃料供应442和发电机444。发动机440用来自供应442的可燃燃料供给燃料，并且驱动发电机444生成电能，该电能通过导体435供应到下游消费者。供应430将存储在可燃燃料中的化学能转换成导体435中的电能。发动机440可以是消耗任何常规燃料的任何常规类型的内燃机。在优选实施方案中，发动机440用天然气、乙烷、甲烷、丙烷、生物气、填埋气，二甲醚、氢气和它们的混合物，以及汽油、乙醇-汽油共混物和柴油中的任何一种供给燃料。在一个优选实施方案中，发动机440用来自经管425递送的处于液体状态的气体燃料的蒸发气体供给燃料，如图1中示出。虽然仅仅关于图1中的实施方案示出了管425，但是该管可以用于在此公开的实施方案中的任何一个和其他类似的实施方案中。当发动机440开始操作时，热交换器410加热回路400和401中的流体以防止汽化器90的冻结所需要的电能的供应是可得的。燃料装置10可采用发动机440的电子控制器代替控制器200(图1中示出)，以用于控制装置10的部件。
参考图16，例示了根据另一实施方案的电能供应430。供应430包括电池模块446，该电池模块通过导体435向下游消费者供应电能。电池模块446包括一个或多个可再充电电池，根据应用要求，所述可再充电电池可以是任何常规的类型。供应430将存储在电池中的化学能转换成经导体435运送的电能。来自发动机30的电能可以经导体448被供应到模块446，以在发动机操作期间对电池再充电。如果需要，电池模块446可以包括电子产品来控制和监控电池的再充电。经导体448供应的电能可以是来自与发动机30相关联的动态制动系统(例如电阻制动和再生制动)，诸如在机车应用中发现的，或来自由于容器50的燃料的燃烧导致的机械功所生成的电能。
参考图17，例示了根据另一实施方案的电能供应430。图17的实施方案中的供应430结合了图15和图16的实施方案中的供应430的特征。电池模块446经导体435供应电能到下游的消费者。可以通过发电机444或通过由发动机30经导体448供应的电能对模块446中的电池再充电。有利的是，采用发动机30对模块446中的电池再充电从而使燃料供应442的供应要求最小化。然而，根据发动机30的当前操作条件，可能没有足够的电能可用于对模块446中的电池再充电。在这些操作条件期间，采用发动机440来驱动发电机444，以生成用于对电池再充电的电能。
现在参考图18，示出了根据第十五实施方案的燃料装置10。热交换回路402的热交换流体循环通过汽化器90和能量供应430，热交换流体在能量供应430处收集来自内燃机440的废热(关于此实施方案和其他实施方案提到的，且在图15和图17中最佳示出的)。在一个优选实施方案中，热交换流体是发动机440的发动机冷却剂，并且回路402与发动机440的水套系统(water jacket system)相互连接，使得发动机440的散热器接收来自汽化器90的热交换流体。此实施方案可以基于发动机30的燃料流动要求，通过改变发动机440上的负载来改变汽化气体燃料所生成的热量。经导体435递送的电能可以是来自由发动机440生成的电能和/或由发动机30供应的电能。
现在参考图19，示出了根据第十六实施方案的燃料装置10。类似于图18的实施方案，燃料装置10还包括热交换器410，用于根据流体的温度以及发动机30和440的发动机操作条件，提升回路402中热交换流体的温度。
现在参考图20，示出了根据第十七实施方案的燃料装置10。类似于图18的实施方案，燃料装置10还包括热交换器411，用于根据流体的温度以及发动机30和440的发动机操作条件，提升回路402中的热交换流体的温度。
现在参考图21，示出了根据第十八实施方案的燃料装置10。类似于图18的实施方案，燃料装置10还包括热交换器410和411，用于根据流体的温度以及发动机30和440的发动机操作条件，提升回路402中的热交换流体的温度。燃料装置10结合了图18和图19的实施方案的优点。
现在参考图22，示出了根据第十九实施方案的燃料装置10。燃料装置10包括热交换回路401和402。根据应用要求，热交换器410和411中的每个都是可选的。类似于图12的实施方案，在其他实施方案中，汽化器90可以包括两个热交换器；针对热交换回路401和402各自一个。
现在参考图23，示出了根据第二十实施方案的燃料装置10。燃料装置10包括热交换回路401和402。在回路401中，热交换流体循环通过热交换器410和411以及汽化器90。根据应用要求，热交换器410和411中的每个都是可选的。在回路402中，热交换流体循环通过发动机440和汽化器90。参考图22和图23，热交换器410和411中的每个都可以位于回路401和402中的任一个内，或位于两个回路内。
现在参考图24，示出了根据第二十一实施方案的燃料装置10。装置10包括热交换回路403，在该回路403中，热交换流体经由泵420循环通过热交换器413和汽化器90。回路403中的热交换流体接收来自热交换器413的热以用于汽化汽化器90中的液化气体。当热交换回路402是发动机440的水套系统的一部分时(图15和图17中示出的)，有利的是，在一些应用中，将回路402从汽化器90断开。例如，当由发动机440的功率输出器驱动的水泵(未示出)将发动机冷却剂(热交换流体)泵送通过回路402时，发动机冷却剂通过回路402的流动取决于发动机440的速度。通过采用由热交换器413联接的单独的热交换回路402和403，热交换流体通过汽化器90的流动是由泵420控制的且与发动机440的速度断开联系。以这样的方式驱动泵420使得它与发动机400的速度断开联系。
现在参考图25，示出了根据第二十二实施方案的燃料装置10。类似于图24的实施方案，燃料装置10还包括热交换器410，该热交换器将电能转换成热能，以用于根据流体的温度以及发动机30和440的发动机操作条件，提升回路403中的热交换流体的温度。
现在参考图26，示出了根据第二十三实施方案的燃料装置10。类似于图24的实施方案，燃料装置10还包括热交换器411，该热交换器包括燃烧器或锅炉，以例如从来自容器50的蒸发气体生成热能，以用于根据流体的温度以及发动机30和440的发动机操作条件，提升回路403中的热交换流体的温度。先前已经讨论了热交换器411的优点。
现在参考图27，示出了根据第二十四实施方案的燃料装置10。类似于图24的实施方案，燃料装置10还包括热交换器410和411，以用于根据流体的温度以及发动机30和440的发动机操作条件，提升回路403中的热交换流体的温度。燃料装置10结合了图25和图26的实施方案的优点。
现在参考图28，示出了根据第二十五实施方案的燃料装置10。类似于图24的实施方案，燃料装置10还包括热交换器412，以用于根据流体的温度以及发动机30和440的发动机操作条件，用来自发动机30的废热来提升回路403中的热交换流体的温度。先前已经讨论了热交换器412的优点。虽然在图28中未示出，但是除了热交换器412和413，热交换器410和411中的任一个或两个可以用在热交换回路403中。
现在参考图29，示出了采用燃料装置10的先前实施方案中的任何一个的机车应用实施方案。煤水车车厢500为机车510提供燃料且通常位于机车与一般由参考数字520指代的其他铁路车厢之间。在其他实施方案中，可能的是，煤水车车厢500可以位于其他位置。煤水车车厢500包括燃料装置10和燃料供应50。燃料装置10通过将以液体状态存储在供应50中的气体燃料汽化并且加压来将燃料递送到发动机30。附加地，装置10以电能形式将前端功率(HEP)经导体535提供到铁路车厢520。仅仅作为一个实施例，当铁路车厢520包括乘客车厢时，经导体535供应的电能可用于向乘客提供服务(餐饮、空调、照明、供暖)的设备和用于由消费者电子设备(膝上型电脑、平板PC、蜂窝电话、智能电话、MP3播放器、相机等)消耗。常规地，位于机车上的专用柴油/电动发电机组提供可用于在铁路车厢520上消耗的电能。通过采用燃料装置10，不再需要常规柴油/电动发电机组，并且可以将其从机车上移除，从而为其他用途腾出空间。例如，该机车上释放的空间可被利用于后处理系统，诸如采用选择性催化还原(SCR)和柴油颗粒过滤器(DPF)来实现排放的附加减少的系统。在一个优选实施方案中，当能量供应430中采用发动机440时(图15和图17中最佳所见的)，发动机440消耗来自供应50的气体燃料并且驱动发电机444，发电机444经导体535向铁路车厢和向装置10的其他部件提供电能。
现在参考所有先前的实施方案，在一些应用中，有利的是，不通过来自导体435的电能驱动泵装置70和/或泵420。例如，可以采用来自发动机440或其他来源的液压驱动，或来自发动机440的功率输出器或其他来源的直接机械驱动，来驱动泵装置70和/或泵420。根据应用要求，这样的优点可以包括经济和性能相关的益处。在这里描述的实施方案中和在其他类似的实施方案中，可以由电能、液压能、机械能以及它们的组合来驱动泵装置70和/或泵420。在这些实施方案中，附图中可见的导体435可以被一般化为能量运送器，依照需要，该能量运送器将电能、液压能和机械能中的任何一种从能量装置430运送到各自的能量消费者，诸如泵420和泵装置70。
虽然已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但是应当理解，本发明并不限于此，因为在不偏离本公开内容的范围的情况下，本领域技术人员尤其根据前述教导可以做出修改。例如。许多实施方案证明，在本发明要求保护的范围内，可以对部件进行不同的组合，并且这些描述的实施方案是说明性的，并且可以采用相同或类似部件的组合来以基本上相同的方式实现基本上相同的结果。

Claims (20)

1.一种用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的方法，包括：
采用第二内燃机作为能量源；
通过将来自所述能量源的能量转换成用于泵送的机械功来泵送处于所述液体状态的所述气体燃料；
将循环通过所述第二内燃机的第一热交换流体中的来自所述第二内燃机的废热交换到第二热交换流体；
用来自所述第二热交换流体的热和用从第一热源生成的热来汽化从所述液体状态泵送的所述气体燃料；
将从所述液体状态汽化的所述气体燃料递送到所述内燃机；
其中通过所述泵送将递送到所述内燃机的所述气体燃料的压力维持在预定容差范围内；以及
还具有至少以下特征之一：
用从第一热源生成的热来汽化从所述液体状态泵送的所述气体燃料；以及
其中所述第二内燃机用不同于所述气体燃料的第二燃料供给燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量源是机械能、液压能和电能中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述电能供应到铁路车厢。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量源是电能，并且所述第一热源通过将所述电能转换成热能来生成热。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一热源通过燃烧从用于保持所述气体燃料处于所述液体状态的存储容器递送的蒸发气体来生成热。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括当所述内燃机启动时，采用所述第一热源来汽化所述气体燃料。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括用来自所述内燃机的废热来汽化从所述液体状态泵送的所述气体燃料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二内燃机用所述气体燃料供给燃料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二内燃机用来自存储处于所述液体状态的所述气体燃料的蒸发气体供给燃料。
10.一种用于将气体燃料从液体状态供应到内燃机的装置，包括：
第二内燃机，用于供应能量源；
液体泵送装置，用于泵送处于所述液体状态的所述气体燃料，所述液体泵送装置包括能量转换器，用于将来自所述能量源的能量转换为驱动所述液体泵送装置的机械能；
第一热交换器，用于用来自所述第二内燃机的废热来加热热交换流体；
第二热交换器，用于用所述热交换流体来汽化从所述泵送装置接收的所述气体燃料；
控制器，被编程为操作所述液体泵送装置以将供应到所述内燃机的所述气体燃料的压力维持在预定范围内；以及
还具有至少以下特征之一：
第三热交换器，用于用来自第一热源的热来选择性地加热所述热交换流体；以及
其中所述第二内燃机用不同于所述气体燃料的第二燃料供给燃料。
11.根据权利要求10所述的装置，还包括第四热交换器，用于用来自第二热源的热来选择性地加热所述热交换流体。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一热源包括电加热器。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述能量源是电能，并且所述电加热器将所述电能转换成热能。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一热源包括燃烧器。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述燃烧器燃烧从存储处于所述液体状态的所述气体燃料的存储容器递送的蒸发气体。
16.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一热源是来自所述内燃机的废热。
17.根据权利要求10所述的装置，其中所述能量源是机械能、液压能和电能中的至少一种。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括电导体，用于将所述电能供应到铁路车厢。
19.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二内燃机用所述气体燃料供给燃料。
20.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二内燃机用从存储处于所述液体状态的所述气体燃料的存储容器递送的蒸发气体供给燃料。
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