CN107532779A - 用于控制热交换器排放温度的低温泵的操作 - Google Patents

用于控制热交换器排放温度的低温泵的操作 Download PDF

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Abstract

当在热交换器中用作工作流体的发动机冷却剂的温度太低而不能提高气体燃料温度时，热交换器下游的气体燃料对于燃料系统部件来说可能太冷，并且发动机冷却剂可能会冻结。一种操作用于控制热交换器的排放温度的低温泵的方法，热交换器利用来自工作流体的热量将从低温泵接收的过程流体汽化，其中低温泵包括在气缸中可在近端气缸盖和远端气缸盖之间往复运动的活塞，所述方法包括：监测过程流体温度和工作流体温度中的至少一个；在引入冲程期间将活塞从近端气缸盖缩回到远端气缸盖；以及以多个增量排放冲程使活塞伸展，直到活塞从远端气缸盖返回到近端气缸盖。选择增量排放冲程的数量、增量排放冲程的长度和增量排放冲程之间的休止期中的至少一个，使得过程流体温度和工作流体温度中的至少一个保持在预定水平以上。

Description

用于控制热交换器排放温度的低温泵的操作
技术领域
本申请涉及一种操作用于控制来自热交换器的流体的排放温度的低温泵的技术。
背景技术
气体燃料在用作内燃发动机的燃料时可以在低温下储存。气体燃料被定义为在标准温度和压力下处于气体状态的任何燃料，标准温度和压力在本文中定义为1个大气压和20至25摄氏度。气体燃料以接近其沸点的温度储存在储存容器中。例如，甲烷在约1个大气压的储存压力下，可以在-161摄氏度的温度下以液化的形式储存。天然气是多种气体与甲烷的混合物，甲烷通常占最大部分，天然气的储存温度可以变化，但通常接近于甲烷的储存温度。液化气体以液态从储存容器中泵送向热交换器并通过热交换器，在热交换器中气体燃料温度升高。取决于热交换器入口处的气体燃料压力，气体燃料在进入热交换器时通常处于液态或超临界状态，并且在离开时处于超临界状态或气体状态。当温度和压力处于或接近临界点时，气体燃料也可处于两相状态。将气体燃料以液化状态储存具有优点。与超临界状态或气体状态相比，当气体燃料处于液态时密度增加，从而需要较小体积来储存基于能量而言等量的燃料。由于液体与气体相比是相对不可压缩的，所以与气体状态相比当处于液态时对气体燃料进行加压是更有效的。在热交换器中汽化之后，燃料喷射系统接收蒸发的气体燃料并将其直接或间接地引入发动机中的一个或多个燃烧室。如本文所用，汽化是指气体燃料通过热交换器时至少增加焓(即，温度)，并且取决于气体燃料的压力和温度，也可以指将气体燃料的状态改变为气体状态。虽然天然气(LNG)是许多高马力(海洋、采矿、机车)和重型发动机应用中使用的示例性气体燃料，但是其它气体燃料同样适用于本文所述的技术。
在热交换器中需要热源以将气体燃料的温度升高到其沸点以上。来自内燃发动机的水套的发动机冷却剂可以用作热源。发动机冷却剂通过热交换器中的单独的路径被引导，使得燃烧产生的废热从存储容器转移到液化的气体燃料，从而导致液化的气体燃料汽化。与使用从发动机输出获得的能量--例如来自由发动机驱动的发电机的电能--相比，通过利用燃烧过程产生的废热，提高了效率。
出于多种原因，控制从热交换器排出的气体燃料的温度很重要。首先，从热交换器排出的气体燃料通常需要处于特定状态，例如超临界状态。第二，温度必须高于预定的最小值，使得热交换器下游的部件免于承受可能导致部件故障的过冷温度。当热交换器下游的气体燃料的温度下降到低于预定的最小值时，或者如果预计下降到预定的最小值以下，则将气体燃料从储存容器转移到热交换器的泵必须暂停(停止)。当泵停止时，气体燃料到燃料喷射系统的输送停止，随着发动机继续消耗燃料，可用燃料喷射压力降低到必要水平以下。随着可用燃料喷射压力的降低，发动机可以被设计成以降额的功率输出继续运转，然后最终停止，或者转到备用的第二燃料。这种情况是不希望的。
当发动机冷却剂太冷时，或者当气体燃料在热交换器内部的停留时间太短或者由于这两个原因的组合，从热交换器排出的气体燃料的温度可能会降低到预定的最小值以下。在正常发动机运转条件下，发动机冷却剂温度维持在预定范围之间。然而，由于各种原因，发动机冷却剂温度可能偏离此范围。其中一个这样的原因是当发动机冷却剂温度等于或接近环境温度时发动机的冷启动，其中环境温度在正常的发动机运转条件下远远低于发动机冷却剂温度。过冷的环境温度也可能导致发动机冷却剂温度降至预定温度范围以下，或至少会使冷启动性能恶化。
热交换器内的气体燃料的体积可以小于泵的最大排量，尽管这不是必需的。例如，在使用柴油作为引燃燃料的高压直接喷射应用中，热交换器内的气体燃料的体积通常小于泵的最大排量，原因在于发动机可以在启动时用柴油作为燃料，并且当发动机冷却剂温热时发动机可以切换到气体燃料。在低压火花点火的应用中，气体燃料是通过端口或歧管注入的情况下，热交换器内的气体燃料的体积通常大于泵的最大排量，原因在于发动机在启动时立即用气体燃料作为燃料，当发动机冷却剂温度低于正常的发动机运转条件时，热交换器内的气体燃料需要更多的停留时间来增加气体燃料的焓。在正常的发动机运转条件下，发动机冷却剂和热交换器内的液化气体燃料之间的温差足以使从热交换器排出的气体燃料完全汽化。然而，当发动机冷却剂太冷时，气体燃料在热交换器内的停留时间不足以实现其汽化。根据发动机运转条件，需要增加气体燃料在热交换器内的停留时间，以将其温度升高到预定值以上，无论热交换器内部的体积是否大于或小于泵的最大排量。
增加气体燃料在热交换器内的停留时间的一种技术是降低泵速。然而，当泵速降低时，气体燃料的流量相应减少，这可能导致热交换器下游的燃料压力下降或引起不期望的燃料压力波动。通常，发动机不能满载运转，泵不需要在不暂停的情况下持续进行冲程工作。在这些条件下可以降低泵速以增加气体燃料在热交换器中的停留时间。然而，在泵从发动机直接被驱动的系统中，除了发动机转速的变化之外，不可能改变泵速。
申请人共同拥有并于2014年6月3日颁布给巴腾伯格(Batenburg)等人(以下称为巴腾伯格)的加拿大专利2,809,495公开了一种控制从热交换器排出的流体的温度的技术。以多种模式操作低温泵。在第一模式中，低温泵在每个泵循环中从热交换器排出第一量的流体。监测与热交换器下游的流体相关的温度，并且当温度降到预定水平以下时，低温泵以第二模式运转，其中在每个泵循环中第二量的流体从低温泵排出，其中第二量小于第一量。在第二模式中，通过在每个泵循环中泵送较少量的流体，低温流体在热交换器中的停留时间增加，使得更多的热量传递到流体，从而提高了排放温度。对于每个泵循环，在吸入冲程期间随着活塞缩回，低温液体通过入口止回阀被吸入泵送室中，并且在压缩冲程中随着活塞的伸展，低温液体通过活塞被泵送通过出口止回阀。在第二模式中，无论从泵和汽化器排出的低温流体的量如何，泵中的活塞都完成一个吸入冲程和一个压缩冲程，并且入口止回阀和出口止回阀在吸入冲程期间分别打开和关闭，在压缩冲程期间分别关闭和打开。当泵开始引入冲程时，随着入口止回阀的打开，低温液体填充泵的活塞和气缸盖之间的体积，并且在泵中存在低温液体的相应压力的降低。当低温液体与泵的内壁和活塞接触时，低温液体就吸收热量。由于压力降低和吸热，每次入口止回阀打开时，一部分低温流体闪蒸，这降低了泵的体积效率。希望最小化泵送预定质量的LNG所需的泵送循环次数，以减少在泵内闪蒸的LNG的量从而提高低温泵的体积效率。
需要一种操作低温泵且同时控制汽化器的排放温度的改进技术。本发明的方法和装置提供了一种用于改善用液化气体燃料作为燃料的内燃发动机的操作的技术。
发明内容
一种改进的操作用于控制热交换器的排放温度的低温泵的方法，所述热交换器利用来自工作流体的热量将从低温泵接收的过程流体汽化，其中所述低温泵包括在气缸中的可在近端气缸盖和远端气缸盖之间往复运动的活塞，所述方法包括：监测过程流体温度和工作流体温度中的至少一个；在引入冲程期间将活塞从近端气缸盖缩回到远端气缸盖；以及以多个增量排放冲程使活塞伸展，直到活塞从远端气缸盖返回到近端气缸盖。增量排放冲程的数量、增量排放冲程的长度和增量排放冲程之间的休止期中的至少一个选择为使得过程流体温度和工作流体温度中的至少一个保持在预定水平以上。
过程流体是低温流体，并且在示例性实施方式中，过程流体是气体燃料，并且工作流体是内燃发动机的发动机冷却剂。气体燃料可以是沼气、丁烷、乙烷、氢气、填埋气、甲烷、天然气、丙烷和这些燃料的混合物中的至少一种。
过程流体温度可以是热交换器下游的汽化低温流体温度和热交换器内的热交换区域的高侧温度之一。工作流体温度可以是热交换器上游的热交换流体温度和热交换器下游的热交换流体温度之一。
两个或更多个增量排放冲程的冲程长度可以在预定的公差范围内相等。每个增量排放冲程的冲程长度可以根据过程流体温度和工作流体温度中的至少一个来确定。活塞可以在至少两个相应的增量排放冲程之间处于休止状态，并且相应的增量排放冲程之间的至少两个休止期在预定的公差范围内相等。可以根据过程流体温度和工作流体温度中的至少一个来确定各个增量排放冲程之间的每个休止期时间间隔。可替换地或者另外，至少两个相应的增量排放冲程之间的活塞速度可以大于零并且小于在增量排放冲程期间的活塞速度。
用于将气体燃料供应到内燃发动机的改进的燃料供应系统包括：用于从液体状态的气体燃料供应泵送气体燃料的低温泵送装置；和接收并汽化来自低温泵送装置的气体燃料以及将气体燃料供应到内燃发动机的热交换器。低温泵送装置具有在靠近燃料入口的近端气缸盖和远离燃料入口的远端气缸盖之间往复运动的活塞。存在控制器，控制器与低温泵送装置可操作地连接，并且控制器被编程为在泵送循环中命令低温泵送装置，从而：在引入冲程期间将活塞从近端气缸盖缩回到远端气缸盖，并且以多个增量排放冲程的方式使活塞伸展，直到活塞从远端气缸盖返回到近端气缸盖，由此增量排放冲程的数量、增量排放冲程的长度和增量排放冲程之间的休止期中的至少一个被选择为，使得热交换器的下游的气体燃料温度保持在第一预定水平以上。与控制器编程为执行全排放冲程相比，可以减少热交换器的有效热交换体积。
在示例性实施方式中，热交换器使用来自内燃发动机的发动机冷却剂作为用于汽化的热源。与控制器可操作地连接的温度传感器发出代表发动机冷却剂温度的温度信号。控制器被进一步编程为根据温度信号确定代表性温度，并且控制泵送装置将代表性温度保持在第二预定水平以上。温度传感器可以布置成测量热交换器下游的发动机冷却剂的温度。
在另一示例性实施方式中，燃料供应系统还包括温度传感器，温度传感器发出代表(1)热交换器下游的气体燃料温度；(2)热交换器内的热交换区域的高侧温度之一的温度信号。控制器与温度传感器可操作地连接，并且控制器被进一步编程以根据所述温度信号确定代表性温度。并且通过控制器控制泵送循环，将代表性温度保持在预定水平以上。
控制器可以被进一步编程为控制活塞对于两个或多个增量排放冲程在预定公差范围内移动相等的距离。控制器还可进一步编程为根据代表性温度确定每个增量排放冲程的冲程长度。在示例性实施方式中，控制器被编程为控制活塞在至少两个相应的增量排放冲程之间停止，并且根据代表性温度确定各个增量排放冲程之间的每个休止期时间间隔。可替换地或者另外，控制器还可以被编程为将至少两个增量排放冲程之间的活塞速度控制在大于零且小于增量排放冲程期间的活塞速度。
附图说明
图1是根据第一实施方式的用于内燃发动机的气体燃料供应系统的示意图。
图2是根据一个实施方式的低温泵以及图1的气体燃料供应系统的热交换器的简化视图，示出了在引入冲程之后在泵中处于缩回位置的活塞。
图3是图2的低温泵和热交换器的简化视图，示出了在全压缩冲程之后处于完全伸展位置的活塞。
图4a至4f是图2的低温泵的简化视图，示出了在泵送循环期间处于休止位置的活塞。图4a示出在引入冲程开始时的活塞。图4b示出在排放冲程开始时的活塞。图4c、4d、4e和4f示出在第一、第二、第三和第四增量排放冲程结束时的活塞。在图4f所示的第四排放冲程结束时，活塞处于与图4a中所示的在引入冲程开始时相同的位置。
图5是用于操作图2的低温泵的方法的流程图。
图6是根据第二实施方式的用于内燃发动机的气体燃料供应系统的示意图。
图7是根据第三实施方式的用于内燃发动机的气体燃料供应系统的示意图，该气体燃料供应系统包括使用电加热器作为汽化热源的热交换器。
图8是根据第四实施方式的用于内燃发动机的气体燃料供应系统的示意图，该气体燃料供应系统包括使用锅炉燃烧蒸发气体作为汽化热源的热交换器。
具体实施方式
参照图1，示出了将气体燃料输送到内燃发动机110的简化气体燃料供应系统100。气体燃料在低温以液体储存在储存容器120中，并且在本文中可互换地称为低温流体。泵送装置130将液化的气体燃料从容器120通过管道240朝向热交换器140泵送通过管道250，在热交换器140中，燃料经历从液体转变为气体状态或超临界状态。在其它实施方式中，泵送装置130和热交换器140可以位于储存容器120内。在本实施方式中，热交换器140下游的气体燃料的压力和温度使得气体燃料处于气态，但是在其它实施方式中，气体燃料的压力和温度使得气体燃料处于超临界状态。热交换器也被称为汽化器，这是熟悉该技术的人所熟知的。另外，作为将更多的液化气体输送到管道250中的结果，装置130对管道190中的处于热交换器140下游的汽化气体燃料进行加压。燃料喷射系统(未示出)与管道190流体连通并将汽化的气体燃料(直接或间接)引入到内燃发动机110中的一个或多个燃烧室。管道205和210是发动机冷却剂回路的一部分，并且与发动机110中的水套(未示出)流体连通，从而允许发动机冷却剂从水套流通经过热交换器140，在热交换器140中使用燃烧产生的废热来对液化的气体燃料进行汽化。关于热交换器140，发动机冷却剂是工作流体，来自泵送装置130的气体燃料是过程流体。工作流体作用于过程流体以改变过程流体的状态。如本文所使用的，发动机冷却剂温度等于工作流体温度，并且气体燃料温度等于过程流体温度。
电子控制器150与发动机110进行通信，以接收来自内燃发动机中使用的传感器的状态信号并控制致动器，诸如处于燃料喷射器中的致动器。温度传感器160将代表管道205中的发动机冷却剂的温度的信号发送给控制器150。可替换地或另外地，可以使用温度传感器(未示出)将代表管道210中的发动机冷却剂的温度的信号发送给控制器。温度传感器170将代表管道190中汽化的气体燃料的温度的信号给控制器150，而压力传感器180将代表管道190中汽化的气体燃料的压力的信号发送给控制器150。
泵送装置130包括允许在泵的压缩冲程期间进行气体燃料可变排量的正排量泵。可以使用机械、液压和电动致动类型的正排量泵。命令和状态信号通过控制线230传输，使得控制器150命令泵送装置130进行泵送。可替换地或另外地，来自发动机110的机械驱动力220诸如动力输出等被用于致动装置130以泵送液化的气体燃料。
现在参照图2，示出了泵送装置130的局部视图，泵送装置130包括以简化形式示出的如熟悉该技术的人员所熟知的往复活塞泵300。活塞杆320连接活塞310并由已知的机械、液压或电动致动的机构驱动，以使气缸330内的活塞在气缸盖340和350之间往复运动。近端气缸盖340靠近用于气缸330的燃料入口345，并且在此实施方式中包括燃料入口，并且远端气缸盖350包括用于活塞杆320的开口。在泵300的引入冲程期间当活塞310从气缸盖340离开时，入口止回阀360允许液化的气体燃料从储存容器120进入气缸330。虽未在图2中示出，但在其它实施方式中，入口止回阀360可位于燃料入口345中。在泵300的排放冲程期间，当活塞310朝向气缸盖340移动时，出口止回阀370允许气体燃料离开缸330。如熟悉该技术的人员所熟知的，泵300的引入冲程也称为吸入冲程或回缩冲程，并且排放冲程也称为压缩冲程或伸展冲程。入口止回阀360在排放冲程期间关闭，出口止回阀370在引入冲程期间关闭。尽管出口止回阀370与导管通过气缸盖340流体连通，但是导管不需要通过气缸盖，并且在其它实施方式中，导管可以穿过气缸330的位于气缸盖附近的壁。泵300具有最大排量VD,MAX，VD,MAX是当引入冲程后活塞完全缩回到气缸盖350时活塞310与气缸盖340之间的体积，如图2所示。在完整的引入冲程期间，活塞310行进的长度是LfS。在完整的排放冲程期间，泵300通过将活塞310完全伸展到气缸盖340来排出等于排量VD,MAX的体积的气体燃料，如图3所示。在完整的排放冲程期间活塞310行进的长度也是LfS。
热交换器140包括热交换导管400，气体燃料从泵300通过该热交换导管400朝向发动机110传送。导管400代表有效的热交换区域，在该有效的热交换区域中热量在通过热交换器从供应管道205向返回管道210传送的发动机冷却剂和气体燃料之间传递。导管400内的气体燃料的体积被定义为VHE，并且在本说明书中也被称为有效热交换体积。在正常发动机运转条件期间，离开导管400的气体燃料的温度升高到预定最小值以上。管道205中的发动机冷却剂和进入导管400的气体燃料之间的温差允许发生足够的热传递，以使从热交换器140排出的气体燃料汽化并将气体燃料的温度升高到导管190中的预定最小值以上。在所有的发动机运转条件下发动机冷却剂和液化气体燃料之间的温差基本上由管道205中的发动机冷却剂的温度决定，这是因为液化气体燃料的温度处于或接近其在容器120和管道250中的沸点。
在发动机110的某些发动机运转状态期间，发动机冷却剂和液化天然气之间的温差不足以将导管190中汽化的气体燃料的温度升高到预定最小值以上。当发动机冷却剂的温度等于或接近环境温度时，在发动机冷起动期间发生一种这样的状况。在这种情况下，从发动机冷却剂传递到在排放冲程期间离开热交换器140的一定体积的气体燃料的热量不足以将气体燃料的温度升高到预定最小值以上。为了提高管道190中的气体燃料温度，对于每个泵冲程，必须增加到从热交换器140排出的一定体积的气体燃料的热传递。增加温差将提高热传递；然而，由于发动机冷却剂温度不能立即提高，所以必须采用另一种技术。在泵300的每个排放冲程期间增加从热交换器排放的一定体积的气体燃料的有效停留时间也增加到气体燃料的热传递。传递到气体燃料中的热量由传热速率(其是发动机冷却剂温度和液化气体燃料温度之间的温差的函数)和气体燃料在热交换器140的有效热交换区域中的时间量(停留时间)决定。
参见图4a至4f，现在描述用于泵300的泵循环，其通过对于活塞310的每个完整引入冲程执行多个增量排放冲程来增加低温流体在热交换器140中的有效停留时间。在图4a中，活塞310相邻于近端气缸盖340并且即将开始引入冲程，在引入冲程期间，随着活塞朝向远端气缸盖350行进，低温流体通过入口止回阀360被吸入。在完成引入冲程后，活塞310相邻于气缸盖350，如图4b所示，在此期间活塞将通过出口止回阀370开始排放低温流体。代替活塞连续行进直到活塞到达气缸盖340，通过将活塞重复地以增量朝向气缸盖340移动以及在增量之间停止，活塞以离散的步骤朝着气缸盖340前进。图4c至图4f分别示出了在已经完成第一增量排放冲程、第二增量排放冲程、第三增量排放冲程和第四增量排放冲程之后的处于休止状态的活塞310。该技术也可以参考在某些实施方式中用于致动活塞310的液压流体的压力的脉冲性质而称为脉冲式排放。例如，在图4c中，示出了活塞310在从图4b所示的位置移动之后静止。在预定时间间隔(即，休止期)之后，活塞310开始另一个脉冲式排放冲程，并移动到图4d所示的位置，并再次等待预定时间间隔，之后移动到图4e所示的位置，如此，直到活塞到达气缸盖340。对于各增量排放冲程而言，每个排放冲程的长度和排出的流体的体积可以是相同的，或者它们可以是不同的。类似地，活塞310在增量排放冲程之间停止的时间量可以是相同的，也可以是不同的。在如图4a至4f所示的实施方式中，完整的泵循环包括一个完整的引入冲程和四个增量排放冲程。通常，对于每个完整的引入冲程可以有两个或更多个增量排放冲程。在其它实施方式中，代替活塞310在增量排放冲程之间停止，活塞310可以减慢，使得在增量排放冲程之间活塞的速度大于零并且小于在增量排放冲程期间活塞的速度。
现在参照图5，描述操作泵送装置130(见图1)的方法。在步骤380中，监测过程流体温度和工作流体温度之一，以确定气体燃料在热交换器内的停留时间是否需要增加。过程流体是气体燃料，并且通常在热交换器140的下游进行测量，而工作流体是热交换器的热交换流体，在示例性实施方式中，热交换器的热交换流体是来自发动机110的发动机冷却剂。在步骤385中，将过程流体温度或工作流体温度与预定最小值进行比较以确定过程流体温度或工作流体温度何时低于该预定最小值，并且当过程流体温度或工作流体温度低于预定最小值时，在步骤390和395中执行增量排放冲程的技术。在步骤390中，在引入期间，活塞310在从靠近燃料入口止回阀360的近端气缸340向远端气缸盖350缩回。在步骤395中，活塞310以多个增量排放冲程伸展，直到活塞从远端气缸盖350行进到靠近气缸盖340。可以重复执行步骤390和395，直到过程流体温度和工作流体温度高于预定最小值。
通过对泵300采用多个增量排放冲程，低温流体在热交换器140中的停留时间增加，允许更多的热量传递到低温流体，从而增加热交换器中及热交换器下游的流体的平均温度。由于热交换器中的低温流体的平均温度升高，所以发动机冷却剂冷冻的可能性降低。热交换器140的尺寸可以减小，特别是在其中有效的热交换体积VHE常规上是低温泵300的排量VQ,MAX的大小的几倍的低压应用中，热交换器140的尺寸可以减小，以允许发动机110立即用气体燃料加燃料进行冷启动。以前，热交换体积VHE的尺寸设计为，在泵300执行其中活塞310连续行进全冲程长度LfS的完整排放冲程时，使得热交换器140下游的气体燃料温度保持在预定值以上。当执行增量排放冲程时，热交换体积VHE会小于不执行增量排放冲程时的热交换体积。较小的热交换器较便宜，并且可以集成到具有更大灵活性的发动机系统中。
与前述′495专利的部分冲程技术相比，本文教导的增量冲程技术的体积效率得到改善。与部分冲程技术相比，增量冲程技术需要更少数量的引入冲程来泵送等体积的过程流体。例如，如果部分冲程技术对于每个部分冲程泵送泵300的最大排量VD,MAX的一半，那么部分冲程技术对于增量排放冲程技术的每个引入冲程和完整的排放冲程需要两个引入冲程和排放冲程，以泵送大致相同体积的过程流体。每个部分或全引入冲程需要入口止回阀360从关闭位置打开。每当入口止回阀打开时，低温流体在填充活塞310和气缸盖340之间的体积时，少量的低温流体闪蒸。该体积包括死空间体积和由于活塞310在引入冲程开始时从入口止回阀移开的体积。死空间体积是当活塞向气缸盖完全伸展时活塞310和气缸盖340之间的体积，并且主要由于制造公差而存在。低温流体由于入口止回阀两端的压力下降并且当低温流体吸收来自活塞310的热量时而闪蒸，其中活塞310由于气缸330内的往复运动而变热。由于增量冲程技术需要较少的引入冲程来泵送相同量的过程流体，因此，与部分冲程技术相比，增量冲程技术闪蒸较少量的低温液体。气缸330中的低温流体的闪蒸减少了泵300的有效排量，原因在于在排放冲程期间在气缸330内的压力开始显著增加以打开出口止回阀370之前已经被闪蒸的流体需要再冷凝。由于在活塞310行进完整的排放冲程长度(LFs)的情况下，部分冲程技术会比增量冲程技术闪蒸更多的低温流体，因而部分冲程技术泵送较少的过程流体。由此得出，通过减少在泵300中闪蒸的低温流体的量(通过减少入口止回阀360打开的次数)，使得泵送预定量的燃料所需的泵循环次数更少，从而提高泵的体积效率。在增量冲程技术中，当活塞310在增量排放冲程结束时停止之后，如果气缸330中的气体燃料窜过对活塞与气缸进行流体密封的密封件(未示出)，则体积效率会降低，从而需要在下一个增量排放冲程中再次建立气缸中的压力。优选地减少窜气。
现在将关于图6、7和8描述气体燃料供应系统的其它实施方式。对于这些实施方式可以执行本文描述的增量冲程技术。可以存在对于熟悉本技术的人员已知的其它气体燃料供应系统，可以在这些气体燃料供应系统上执行增量冲程技术。
现在参照图6，根据第二实施方式的气体燃料供应系统200以示意形式示出，第二实施方式类似于图1的实施方式，如果有相同的部件，则相同的部件具有相同的附图标记并且不再进行详细描述。泵送装置130包括由液压回路500致动的往复运动活塞式正排量泵301。液压泵510从储存容器520泵送液压流体经过流量控制阀530。液压泵510由发动机110通过机械联动装置220驱动，使得液压泵510的速度与发动机110的速度直接相关。阀530由控制器150通过管线230致动，以将液压流体的流动方向切换为流向泵301中和从泵301流出，并将来自泵301的流动转向。管道540和550中的液压流体相对于泵301的流动方向在引入冲程和排放冲程之间交替，这将在下面更详细地解释。当泵301暂停或停止时，液压流体的流动从泵转向而流回到储存容器520。回路500中的液压流体的流率与发动机110的速度直接相关。类似地，当泵连续泵送时，由泵301泵送的气体燃料的流率也与发动机110的速度直接相关，原因在于泵301是由液压回路500驱动。在任何特定发动机转速下都不可能降低泵301的转速以增加气体燃料在热交换器140中的停留时间，除非在发动机110和液压泵510之间采用变速器，采用变速器将增加燃料系统200的成本并影响气体燃料流率。液压回路500可以被操作为指挥泵301执行关于图4a至4f所描述的增量排放技术。
现在参照图7，示出了根据第三实施方式的气体燃料供应系统700，第三实施方式类似于图1实施方式，如果存在相同的部件，则相同的部件具有相同的附图标记并且不再进行详细描述。热交换器141包括用于产生热量以汽化从泵送装置130接收的液化气体燃料的电加热器(未示出)。电加热器产生的热量由控制器150通过管线710控制，并且该热量可以独立于发动机110转速的变化而增加或减少。温度传感器720向控制器150发出代表热交换器内的热交换区域的温度的信号，例如代表电加热器的温度的信号。由于由电加热器产生的热量不能立即增加，或者不希望增加电加热器的消耗能量，所以本实施方式中的泵送装置130执行先前描述的增量排放冲程技术是有利的。在一些应用中，将热交换器141中的电加热器与在热交换器140中的发动机冷却剂的使用结合到单个热交换装置中是有利的。
现在参照图8，示出了根据第四实施方式的气体燃料供应系统800，第四实施方式类似于图1的实施方式，如果有相同的部件，则相同的部件具有相同的附图标记并且不再进行详细描述。热交换器142包括锅炉(未示出)，锅炉燃烧从储存容器120经管道830接收的蒸发气体以及来自储存容器120的液化气体燃料中的至少一种，以产生热量从而蒸发液化气体燃料。由锅炉产生的热量由控制器150通过管线810控制，并且该热量可以独立于发动机110转速的变化而增加或减少。温度传感器820向控制器150发出代表热交换器内热交换区域的温度的信号，例如代表由锅炉产生的温度的信号。由于由锅炉产生的热量不能立即增加，或者不希望增加锅炉的蒸发消耗，所以该实施方式中的泵送装置130执行先前描述的增量排放冲程技术是有利的。在一些应用中，将热交换器142中的锅炉与在热交换器140中的发动机冷却剂的使用结合到单个热交换装置中是有利的。
尽管已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方式和应用，但是应当理解，本发明不限于此，因为在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可以进行修改，特别是根据上述教导进行修改。

Claims (20)

1.一种操作用于控制热交换器的排放温度的低温泵的方法，所述热交换器利用来自工作流体的热量将从所述低温泵接收的过程流体汽化，所述低温泵包括在气缸中的可在近端气缸盖和远端气缸盖之间往复运动的活塞，所述方法包括：
监测过程流体温度和工作流体温度中的至少一个；
在引入冲程期间将所述活塞从所述近端气缸盖缩回到所述远端气缸盖；以及
以多个增量排放冲程使所述活塞伸展，直到所述活塞从所述远端气缸盖返回到所述近端气缸盖；
其中，增量排放冲程的数量、增量排放冲程的长度和增量排放冲程之间的休止期中的至少一个选择为使得所述过程流体温度和所述工作流体温度中的至少一个保持在预定水平以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，满足下列中的至少一个：
所述过程流体是低温流体中；和
所述工作流体是内燃发动机的发动机冷却剂。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过程流体温度是下列之一：
所述热交换器下游的汽化低温流体的温度；和
所述热交换器内的热交换区域的高侧温度。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述工作流体温度是下列之一：
所述热交换器上游的热交换流体温度；和
所述热交换器下游的热交换流体温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，满足下列之一：
两个或更多个增量排放冲程的冲程长度在预定的公差范围内相等；和
每个增量排放冲程的冲程长度根据在所述过程流体温度和所述工作流体温度中的至少一个来确定。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在相应的增量排放冲程之间的至少两个休止期在预定的公差范围内相等。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相应的增量排放冲程之间的每个休止期时间间隔根据所述过程流体温度和所述工作流体温度中的至少一个来确定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少两个增量排放冲程之间的活塞速度大于零并且小于在增量排放冲程期间的活塞速度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述低温流体是气体燃料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述气体燃料是沼气、丁烷、乙烷、氢气、填埋气、甲烷、天然气、丙烷及这些燃料的混合物中的至少一种。
11.一种用于向内燃发动机供应气体燃料的燃料供应系统，所述燃料供应系统包括：
低温泵送装置，所述低温泵送装置用于从液体状态的气体燃料供应泵送气体燃料，并且具有在靠近燃料入口的近端气缸盖和远离所述燃料入口的远端气缸盖之间往复运动的活塞；
热交换器，所述热交换器接收并汽化来自所述低温泵送装置的气体燃料并将气体燃料供应到所述内燃发动机；以及
控制器，所述控制器与所述低温泵送装置可操作地连接，并且所述控制器被编程为在泵送循环中命令所述低温泵送装置，从而：在引入冲程期间将所述活塞从所述近端气缸盖缩回到所述远端气缸盖，并且以多个增量排放冲程的方式使所述活塞伸展，直到所述活塞从所述远端气缸盖返回到所述近端气缸盖；
其中，增量排放冲程的数量、增量排放冲程长度和增量排放冲程之间的休止期中的至少一个选择为使得所述热交换器下游的气体燃料温度保持在第一预定水平以上。
12.根据权利要求11所述的燃料供应系统，其中，所述热交换器使用来自所述内燃发动机的发动机冷却剂作为用于汽化的热源，所述燃料供应系统还包括发送代表发动机冷却剂温度的温度信号的温度传感器，其中，所述控制器与所述温度传感器可操作地连接，并且所述控制器被进一步编程为根据所述温度信号确定代表性温度；其中，所述代表性温度保持在第二预定水平以上。
13.根据权利要求12所述的燃料供应系统，其中，所述发动机冷却剂温度在所述热交换器的下游测量。
14.根据权利要求11、12或13所述的燃料供应系统，还包括发出表示下列之一的温度信号的温度传感器：
所述热交换器下游的气体燃料温度；以及
所述热交换器内的热交换区域的高侧温度；
其中，所述控制器与所述温度传感器可操作地连接，并且所述控制器被进一步编程为根据所述温度信号确定代表性温度；
其中，所述代表性温度保持在所述第一预定水平以上。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的燃料供应系统，其中，所述控制器进一步被编程为命令所述活塞在两个或更多个所述增量排放冲程中移动在公差范围内相等的距离。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的燃料供应系统，其中，所述控制器进一步被编程为根据所述代表性温度来确定每个增量排放冲程的冲程长度。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的燃料供应系统，其中，所述控制器进一步被编程为命令所述活塞在至少两个相应的增量排放冲程之间停止。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的燃料供应系统，其中，所述控制器进一步被编程为将在至少两个相应的增量排放冲程之间的活塞速度控制为大于零且小于所述增量排放冲程期间的活塞速度。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的燃料供应系统，其中，所述控制器进一步被编程为根据所述代表性温度来确定各个增量排放冲程之间的每个休止期时间间隔。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的燃料供应系统，其中，与所述控制器被编程为执行完整的排放冲程相比，所述热交换器的有效热交换体积减小。
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