CN107532543B - 用于改善引擎性能和减少排放物的包括燃料温度均化的集成式天然气流调节系统 - Google Patents

用于改善引擎性能和减少排放物的包括燃料温度均化的集成式天然气流调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于改善引擎性能和减少排放物的包括燃料温度均化的集成式天然气流调节系统，具体地，涉及一种流体压力调节和管理模块，包括：金属歧管，所述金属歧管包括流体入口与流体出口之间的流体流动路径；调压器，所述调压器组装到所述金属歧管且沿着所述流体流动路径设置，用于调节离开所述模块的所述流体的压力；以及过滤器组件。所述金属歧管还包括在热交换介质入口与热交换介质出口之间延伸的热交换介质流动路径以利用外部供给的热交换介质加热所述金属歧管。所述过滤器组件包括金属过滤器外壳和包含在所述金属过滤器外壳内的过滤器元件，所述金属过滤器外壳与所述金属歧管直接热接触，由此来自所述金属歧管的热能够流向所述金属过滤外壳以不仅加热所述金属歧管中的所述流体，而且加热所述金属过滤器外壳内的所述流体。

Description

用于改善引擎性能和减少排放物的包括燃料温度均化的集成 式天然气流调节系统
相关申请数据
本申请要求2015年4月20日递交的美国临时申请No.62/149,889的权益，该美国临时申请的全部内容通过引用并入在本文中。
技术领域
本发明涉及将多个部件集成到用于燃料压力调节和天然气(Natural Gas， NG)温度调节的系统中，用以在以天然气为燃料的内燃机中改善引擎性能和减少排放物。
背景技术
作为用于天然气车辆(Natural Gas Vehicle，NGV)的燃料的天然气(NG) 可以以液态(Liquefied State，LNG)或压缩气态(Compressed Gaseous State， CNG)存储在车辆上。为了与燃料输送、注入和燃烧兼容，必须将NG从存储态(高密度)调节到压力减小、足够高温和非破坏性清洁度的气态。调节可以包括蒸发、过滤、减压和加热。
当前，NGV系统包括通过管件和软管连接的一系列非集成式燃料调节设备。该方法已导致使用包含大量泄漏点的复杂的、大封装的、NGV燃料系统的工业实践。
燃料加热通常仅发生在调压器主体内，其中重点是压力调节点下游的燃料加热。尽管该燃料温度调节的方法可以解决在下游设备的低温操作限制的约束上的关注，但是该区分加热方法无法限制提供给引擎的燃料密度的范围。
在典型NGV中，NG以特定的相对稳定的压力被供应给喷油器。当前市场将好的燃料管理系统定义为在与预期的预设压力的偏差最小下提供NG的系统。该方法用以减小两个关键因素之一对燃料密度的影响。在燃料轨道上测量压力，以及该值连同燃料需求决定每个喷油器打开的持续时间。对于燃料密度的另一因素(温度)被解释，但是受引擎校准的精确度限制且在引擎的瞬态燃料需求下受燃料轨道温度传感器的响应时间限制。因此，引擎校准中的缺陷连同温度传感的非瞬时性质致使非理想燃料/空气比的间歇性发作，导致功率损耗、差的驾驶性能、和不完全燃烧(增加排放物)。
发明内容
本发明提供NGV燃料管理系统，该NGV燃料管理系统将过滤(高压和低压)、加热、断流、压力调节、压力感测、温度感测和保护燃料轨道免受超压的功能中的一些功能或全部功能集成到单个系统中。另外，该系统被设计使得主动地将离开模块的天然气的温度控制在更严格的范围内，实现用于改善性能和减少排放物的引擎校准的最优化。
根据本发明的集成式燃料管理系统的特征在于如下特征中的一者或多者：
集成式NGV燃料管理系统的特征在于歧管块，其它部件直接安装到该歧管块；
用于改善引擎性能的燃料温度管理和协调；
利用散热器流体加热的高压凝聚式过滤器；
加热的燃料管理模块；
模块内的NG的高压预热；
利用紧密耦合的模块对NG的低压后期加热；
系统内的天然气和散热器流体流动路径，其被设计使得系统内的重要部件 (诸如静态密封件和动态密封件)在最优的温度环境下操作，用以改善设备的性能和耐久性；和/或
系统内的引擎机套流体流动路径使得流体与天然气隔离而不使用密封件、紧固件、接合件、连接件或任何这类可渗透边界。
本发明提供将如下功能中的一些功能或全部功能集成到单个系统中的NGV 燃料管理系统。
过滤：模块可以包括在入口连接器的紧邻的下游的高压凝聚式过滤器，且可以包括在减压调节器的紧邻的下游的低压凝聚式过滤器。
加热：模块可以包括针对引擎冷却液专门设计的流动路径。热引擎冷却液从引擎机套到达模块且提供能量源，该能量源提高模块的温度且因此提高流经模块的天然气以及模块内的内部密封件的温度，因此保护密封件免受低温的负面影响。散热器流体流动路径包括入口和出口连接器以及可配置的通道，该通道可以提供用于引擎冷却液与歧管的铝(或不锈钢)歧管主体之间的能量传递的优化表面区域。引擎冷却液路径优选地沿着其在模块内的整个范围、通过模块的内壁而与NG流体路径隔离，这消除了对于引擎冷却液与天然气之间的密封件的需求且消除了两种流体的交叉污染的可能性。
断流：模块可以包括螺线管，该螺线管可以在12V或24V上操作。该螺线管阀优选地被直接提供在高压边界中的调压器的上游。
压力调节：模块可以包括单级活塞调节器。
压力感测：模块可以包括在调压器的上游和/或下游的压力传感器。
温度感测：模块可以包括对于在调压器的上游和/或下游的温度传感器的供应。
保护燃料轨道免受超压：模块可以包括在调压器的下游的减压阀(PressureRelief Valve，PRV)或等效物，确保低压边界不被超压。
将过滤器集成到单元中，其中过滤器外壳与加热的歧管外壳热传导，用以在比之前完成的任何路径都长的路径上加热进入的气体。而且，通过实心壁而不使用密封件来使热交换流体与气体隔离。
因此，本发明提供一种流体压力调节和管理模块，所述模块包括：金属歧管，所述金属歧管包括流体入口、流体出口以及在所述流体入口与所述流体出口之间的流体流动路径，以及所述金属歧管还包括热交换介质入口、热交换介质出口以及在所述热交换介质入口与所述热交换介质出口之间的热交换介质流动路径以利用外部供给的热交换介质加热所述金属歧管；调压器，所述调压器组装到所述金属歧管且沿着所述流体流动路径设置，所述调压器用于调节离开所述模块的所述流体的所述压力；以及所述调压器的上游的过滤器组件，所述过滤器组件包括金属过滤器外壳和包含在所述金属过滤器外壳内的过滤器元件，所述金属过滤器外壳与所述金属歧管直接热接触，由此来自所述金属歧管的热能够流向所述金属过滤器外壳以不仅加热所述金属歧管中的所述流体，而且加热所述金属过滤器外壳中的所述流体。
根据本发明的另一方面，一种流体压力调节和管理模块，包括：歧管，所述歧管包括流体入口、流体出口以及在所述流体入口与所述流体出口之间的流体流动路径，以及所述歧管还包括热交换介质入口、热交换介质出口以及在所述热交换介质入口与所述热交换介质出口之间的热交换介质流动路径以利用外部供给的热交换介质加热沿着所述流体流动路径流动的流体；调压器，所述调压器组装到所述歧管且沿着所述流体流动路径设置，所述调压器用于调节离开所述模块的所述流体的所述压力；以及所述调压器的上游的过滤器组件，所述过滤器组件包括过滤器外壳和容纳在所述过滤器外壳内的过滤器元件；以及组装到所述歧管的流量控制阀，所述流量控制阀用于控制从所述过滤器组件到所述调压器的流体流动。
根据本发明的又一方面，一种天然气车辆包括内燃机、用于液化的或压缩的天然气的储存器、以及流体压力调节和管理模块，其中，所述模块在从所述储存器接收的所述液化的或压缩的天然气通往所述内燃机之前调节和管理所述液化的或压缩的天然气。
在下文中全面描述且尤其在权利要求中指出本发明的上述特征和其它特征，如下描述和附图详细地提出本发明的一个或多个说明性实施方式。然而这些实施方式为可采用本发明的原理的各种方式中的仅几个方式。当结合附图考虑时，本发明的其它目标、优势和特征从本发明的如下详细描述将变得显而易见。
附图说明
图1为根据本发明的示例性燃料管理模块的主视图。
图2为模块的侧面主视图。
图3为模块的俯视图。
图4为沿着图3的线A-A截取的模块的横截面视图。
图5为与图表相关的模块的示意性图示，这些图表示出该模块对燃料温度均化的影响。
具体实施方式
现在详细参照附图以及首先参照图1至图4，根据本发明的示例性燃料管理模块总体用附图标记10来指示。该模块意图随天然气车辆(NGV)(在图4中用间断的轮廓线12表示)机载使用，该模块用于燃料压力调节和天然气(NG) 温度调节，用以在车辆中改善引擎性能和减少排放物。尽管模块10及相关联的系统和方法在本文中关于调节NGV中的NG来描述，但是本领域的技术人员将领会到，该模块、系统和方法可以具有其它应用，包括与除了NG以外的流体一起使用。
模块10包括歧管20(或更具体地，整体歧管块)，该歧管20容纳用于调节 NG燃料的部件和子系统。歧管12优选地由铝或另一合适材料制成，该另一合适材料优选地在25℃下具有至少15W/(m·K)的热导率，诸如例如不锈钢。
过滤器组件24集成到模块20中，该过滤器组件24包括过滤器元件26和安装到歧管12的过滤器外壳28(也称为杯状物)。该过滤器外壳优选地可移除地附接到歧管，从而可以按需更换过滤器元件。在图示实施方式中，过滤器外壳在其上端为螺纹状，用于螺接到歧管的下侧的螺纹孔中。
出于下文更详细讨论的原因，过滤器外壳28优选地由铝或另一合适材料制成，该另一合适材料优选地在25℃下具有至少15W/(m·K)的热导率，诸如例如不锈钢。此外，过滤器外壳与歧管具有热传导关系，从而热可以从歧管流向过滤器外壳，用于高压天然气的热调节以及提供高压过滤。
过滤器元件26可以为凝聚式过滤器元件。在图示实施方式中，NG流从过滤器元件的内部到外部。NG内包含的任何水将凝聚并流向过滤器外壳28的底部。过滤器外壳可以配备有底塞30，该底塞30可以被移除以使捕获的水从过滤器外壳排出。
具体参照图4，歧管20具有用于天然气的入口30和出口32。入口和出口可以具有螺接在其中的配件34和配件36，以提供与气流管线的便捷连接。入口通常将通过线路40连接到液化的或压缩的天然气的供给器/储存器38，而出口将通过线路44连接到天然气内燃机42。
入口30与中心管48相联通，该中心管48延伸进入过滤器元件26的内部，从而进入该过滤器元件的天然气将在沿着过滤器元件的管状过滤介质部分的长度的大约中间处被引入。中心管可以螺接到歧管20中的底部钻孔中或以其它方式固定到歧管。
过滤器元件26在其上端具有环状密封件50，该环状密封件50密封到中心管48的外直径。该密封件使过滤器元件的内部54与环形区域56隔离，该环形区域56形成在过滤器元件的外部与包围过滤器元件的过滤器外壳28的径向向外间隔的壁之间。
过滤器元件26的下端具有截头圆锥形的底部封闭构件60，该底部封闭构件 60邻接过滤器外壳28的下壁。截头圆锥形封闭构件的上端限定狭窄环形通道，该狭窄环形通道用于使水从过滤器外壳的上部区域流向过滤器外壳的下部区域，同时使下部区域中的水最少地溅入环形区域56中，否则该溅入可以发生在天然气车辆在不平的路面上行进的时候。
环形区域56与歧管20中的开向歧管的底部的通道62相连通。NG将从过滤器组件24流向可为传统类型的调压器组件66。流向调压器的速率可以受流量控制阀68且尤其受电磁操作阀控制，该电磁操作阀可以连接到车辆中的合适控制器。离开调压器的流传送到将连接到NG内燃机42的出口32。
在一些应用中，流量控制阀68可以简单地用作用于切断流向内燃机的NG 的切断阀。流量控制阀优选地为螺接到歧管中的插装式阀。
在另一方面，调压器组件66可以直接被组装到开向歧管20的顶部的孔72 中。特别地，调压器组件可以包括导向成在歧管的孔72中轴向移动的活塞74，该活塞操作调压器的计量阀76。孔的外(上)端可以被罩盖78封闭，以及调节器弹簧80可以被插入罩盖与该活塞之间，如所示。
另外，模块10可以在其中集成有减压阀84，该减压阀84优选地为螺接到歧管中的螺纹孔内的插装式减压阀，该螺纹孔与通过歧管的气流通道相连通。减压阀可以保护引擎的燃油轨道免受超压。
另外，各种传感器可以被集成到模块10中，包括用于将反馈提供给控制 NG传送系统的控制器的压力传感器和温度传感器。特别地，将插装式压力传感器86螺接到歧管中，用以感测流量控制阀与调压器之间的线路中的压力。可以提供另一插接式传感器88，用于感测调压器阀76的下游的减小的压力。
进一步根据本发明，模块10设置有用于控制天然气的低温的集成式加热系统。该加热系统包括歧管中的热交换流体(在本文中也称为热交换介质)流动路径90，该路径90在入口92和出口94之间延伸。热交换介质流动路径可以配置成在热交换介质与歧管之间提供用于歧管的有效加热的预期量的表面区域。
注意，通过歧管20的内部金属壁将形成流动路径90的一个或多个热交换介质通道与通过歧管的天然气流动通道介质隔离，从而一方面防止天然气对热交换流体的任何污染以及另一方面防止热交换流体对天然气的任何污染。在无需任何密封的情况下实现这一点。
歧管中的热交换路径90可以接受来自引擎42的水套的引擎冷却液。水套水或引擎冷却液在相对恒定的温度(受引擎恒温器控制)下提供能量源。该能量源用于建立且保持用于歧管的高温。该能量被传导通过金属歧管20且被传递到模块的平衡件以及与歧管接触的天然气。如上所述，散热器流体流动路径通过模块的内壁而与NG轨道隔离且被设计使得流体与天然气隔离而不使用密封件、紧固件、接合件、连接件或任何这类可渗透边界。
另外，也使系统内传导的热可用于模块内的内部密封件(诸如活塞密封件 96)的特定区域，使得密封件提供密封且保护免受低温的负面影响(密封性能 (可靠性和耐久性)的降低)的功能。
特别有意义的是，将过滤器组件24集成到模块10中使得发生直接从加热的歧管块20到过滤器外壳28的热传递。
在操作中，从车载燃料存储基础设施38将压缩的或液化的天然气供应到模块10的入口30。此时，在燃料系统中，天然气的温度接近周围温度(对于CNG 系统)、或NG的沸点(对于LNG系统)。
作为调节器系统的集成部分的过滤器组件24使得发生从加热的歧管20到过滤器外壳28的热传递。通过连接歧管和过滤器外壳这两个部件的螺纹连接件将热形式的能量从歧管传递到过滤器外壳。然后以高速率将该能量传递到NG，这由于滤杯的大的内表面区域。结果是温度的有效提高，这建立多个设计优点：
1、在压力调节点之前通过受控温度热源对NG的实质性加热用以将NG的温度提高到接近所述热源(引擎水套水)的温度，具有最小方差，不管环境温度如何。
2、用于在螺线管阀和座椅组件过滤器处的冻结成冰的可能性减小。
3、模块具有向气体的等级提高的热传递，而不具有附加的热源，诸如电加热器。
4、如果未消除，则过滤器元件内的气体中存在的任何水分的冻结减少。
5、如果未消除，则引擎气体喷射器下游的冰粒形成和行进减少。
现在参照图5，示出了车载燃料管理模块对燃料温度均化的效果。在上部的温度图表中的左侧，上层带100表示进入的压缩气体的预期温度范围，而下层带102表示进入的液化气体的预期温度范围。如所示，随着NG流经加热的过滤器组件且然后流经加热的歧管，这些带大幅变窄，从而离开模块的较低压NG 的温度在图表的右侧的大幅变窄的范围中。
同样地，在更低密度图表中的左侧，下层带106表示进入的压缩气体的预期密度范围，而上层带108表示进入的液化气体的预期密度范围。如所示，随着NG流经加热的过滤器组件，这些带汇聚，从而在图表中的右侧，离开模块的较低压NG的密度是基本上相同的，不管模块是接收更高温度压缩气体还是接收更低温度液化气体。
尽管相对于特定优选实施方式示出且描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说，在阅读和理解该说明书和附图之后显而易见的是，能够想到等效的变型和修改。特别地，关于由上文描述的部件所执行的各种功能，用于描述这类部件的术语(包括对“部件”的引用)意图对应于执行所描述部件的指定功能的任何部件(即，功能上等效)，除非另有指示，即使结构上不等同于执行本文中图示的本发明的示例性实施方式中的功能的所公开结构。另外，尽管可以相对于多个实施方式中的仅一个实施方式公开本发明的特定特征，但是这类特征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征组合，这对于任一给定或特定应用可以为预期的且有利的。

Claims (6)

1.一种流体压力调节和管理模块(10)，包括：
歧管(20)，所述歧管(20)包括流体入口(30)、流体出口(32)以及在所述流体入口(30)与所述流体出口(32)之间的流体流动路径，以及所述歧管(20)还包括热交换介质入口(92)、热交换介质出口(94)以及在所述热交换介质入口(92)与所述热交换介质出口(94)之间的热交换介质流动路径(90)以利用外部供给的热交换介质加热沿着所述流体流动路径(90)流动的流体；
调压器(66)，所述调压器(66)组装到所述歧管(20)且沿着所述流体流动路径(90)设置，所述调压器(66)用于调节离开所述模块(10)的流体的压力；以及
在所述调压器(66)的上游的过滤器组件(24)，所述过滤器组件(24)包括过滤器外壳(28)和容纳在所述过滤器外壳(28)内的过滤器元件(26)；以及
组装到所述歧管(20)的流量控制阀(68)，所述流量控制阀(68)用于控制从所述过滤器组件(24)到所述调压器(66)的流体流动，
其中，所述流量控制阀(68)在所述过滤器组件(24)的下游以及在所述调压器(66)的上游；
其中，所述过滤器组件(24)是高压过滤器组件；以及
其中，所述过滤器元件(26)是高压凝聚式过滤器元件。
2.根据权利要求1所述的流体压力调节和管理模块(10)，其中，所述调压器(66)被组装在所述歧管(20)中的孔(72)内，所述孔(72)被可移除罩盖封闭。
3.根据权利要求1或2所述的流体压力调节和管理模块(10)，其中，所述流量控制阀(68)为螺接到所述歧管(20)中的插装式螺线管阀。
4.根据权利要求1所述的流体压力调节和管理模块(10)，其中，至少一个传感器(86，88)被螺接到所述歧管(20)中的孔内。
5.根据权利要求1所述的流体压力调节和管理模块(10)，其中，所述歧管(20)为金属的整体块。
6.一种天然气车辆，所述天然气车辆包括内燃机(42)、用于液化的或压缩的天然气的储存器(38)、以及根据权利要求1至5中任一项所述的流体压力调节和管理模块(10)，其中，所述模块(20)在从所述储存器(38)接收的所述液化的或压缩的天然气通往所述内燃机(42)之前，调节和管理所述液化的或压缩的天然气。
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