CN109690059B - 用于向内燃活塞式发动机供给气体燃料的燃料系统和操作内燃活塞式发动机的方法 - Google Patents

用于向内燃活塞式发动机供给气体燃料的燃料系统和操作内燃活塞式发动机的方法 Download PDF

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Abstract

发明涉及一种用于向内燃活塞式发动机供给气体燃料的燃料系统(10)，该燃料系统包括：一个或更多个燃料喷射器，该一个或更多个燃料喷射器被构造为将液态气体燃料喷射到发动机中；燃料入口管路(26)，该燃料入口管路从燃料箱(18)经由高压泵(28)延伸到一个或更多个燃料喷射器(20)；以及燃料返回管路(30)，该燃料返回管路用于处理来自一个或更多个燃料喷射器的所谓返回燃料，其特征在于：燃料返回管路(30)包括：‑分离单元，该分离单元被构造为分离返回燃料的气态部分和液态部分；‑第一返回管路段(30.1)，该第一返回管路段被构造为返回来自分离单元的返回燃料的液态部分，以便用于高压泵(28)中；‑第二返回管路段(30.2)，该第二返回管路段被构造为将返回燃料的气态部分引导到发动机的进气系统(12)，以与增压空气一起供给到发动机。

Description

用于向内燃活塞式发动机供给气体燃料的燃料系统和操作内 燃活塞式发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于向内燃活塞式发动机供给气体燃料的燃料系统，该系统包括：一个或更多个燃料喷射器，该一个或更多个燃料喷射器被构造为将液态气体燃料喷射到发动机中；燃料入口管路，该燃料入口管路从燃料箱经由高压泵延伸到一个或更多个喷射器；以及燃料返回管路，该燃料返回管路用于处理来自一个或更多个喷射器的所谓返回燃料。
发明还涉及一种操作内燃发动机的方法。
背景技术
内燃活塞式发动机广泛用于使用各种液态和气态燃料。燃料的种类至少部分由于减少中的石油资源而具有增加的趋势。
用于内燃活塞式发动机中的燃料对燃料段设置技术要求，以便按需操作。作为关于内燃发动机的不同燃料段的示例，引用以下公报。
W02013127526 Al公开了一种动力装置，该动力装置包括被构造为用基于热解油的燃料操作的内燃发动机。动力装置可以允许在连续操作内燃发动机的同时切换燃料，并且提供用于用基于热解油的燃料操作内燃发动机的停止和启动过程。
W02008065238 Al示出了一种船舶机械，该船舶机械包括用于向至少两个燃烧单元供给燃料的燃料供给系统、用于第一燃料的单独第一燃料箱和用于第二燃料的第二燃料箱。燃料供给系统设置有连接到第一燃料箱和第二燃料箱的燃料混合单元。
在US2014109866 Al中，示出了一种内燃发动机，该内燃发动机包括：一个主燃烧室，该主燃烧室用于燃烧第一燃烧混合物；一个预燃烧室，该预燃烧室用于燃烧第二燃烧混合物的各相应主燃烧室；第一燃料气体混合器，该第一燃料气体混合器用于提供第一燃料混合物；第二燃料气体混合器，该第二燃料气体混合器用于提供第二燃烧混合物；空气供给管路和合成气体供给管路；第一混合物管路，该第一混合物管路连接到第一燃料气体混合器和主燃烧室；以及第二混合物管路，该第二混合物管路连接到第二燃料气体混合器和预燃烧室。第一燃料气体混合器连接到合成气体供给管路，以便混合合成气体，并且设置开环或闭环控制装置，用于开环或闭环控制第一燃烧混合物和/或第二燃烧混合物中的燃料、空气以及合成气体的混合比。
W02004097196A1公开了燃料返回管路中的压力调节器(压力减小装置)的使用。在这种情况下，由高压泵在燃料箱内部给予燃料足够的压力增大，以使燃料在经过喷射器之后保持处于液态形式。
EP2985443 Al公开了一种用于内燃活塞式发动机的燃料系统，借助于该燃料系统，可以用低粘度燃料(具体为气体冷凝燃料)成功操作发动机。发动机包括第一燃料段和第二燃料段，其中，第二燃料段被设置为将燃料喷射到用于点燃第一燃料的燃烧室中，并且其中，第一燃料段的燃料返回管路从各个喷射器延伸到箱，并且燃料返回管路包括压力增大装置，该压力增大装置设置到喷射器与箱之间的第一燃料段的燃料返回管路。
由于许多原因，但特别是因为恒定限制排放要求，内燃活塞式发动机中潜在可用的燃料的种类近来已经增加。到目前为止，惯例是即使气态燃料将以液化形式储存或递送，它们也以气态形式在活塞式发动机中燃烧。这对于特定气体是合适且方便的，诸如天然气、纯丙烷或液化石油气。
然而，需要开发用否则将可能浪费的特定碳氢化合物操作内燃发动机的燃料系统和方法。
本发明的目的是提供操作内燃发动机的燃料系统和方法，借助于该燃料系统和方法，特别可以高效燃烧液态气体燃料。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，一种用于向内燃活塞式发动机供给气体燃料的燃料系统，所述燃料系统包括：一个或更多个燃料喷射器，该一个或更多个燃料喷射器被构造为将液态气体燃料喷射到发动机中；燃料入口管路，该燃料入口管路从燃料箱经由高压泵延伸到一个或更多个喷射器；以及燃料返回管路，该燃料返回管路用于处理来自一个或更多个喷射器的所谓返回燃料。燃料返回管路还包括：分离单元，该分离单元被构造为分离返回燃料的气态部分和液态部分；第一返回管路段，该第一返回管路段被构造为返回来自分离单元的返回燃料的液态部分，以便用于高压泵中；以及第二返回管路段，该第二返回管路段被构造为将返回燃料的气态部分引导到发动机的进气系统，以与增压空气一起供给到发动机。
这样，可以获得液态气体燃料的高效使用。
根据本发明的一个实施方式，第一返回管路段设置有液态燃料泵，该液态燃料泵被构造为在将返回燃料供给到燃料箱中之前增大返回燃料的液态部分的压力。这样，可以在分离单元中更独立地控制压力，并且仍然可以将返回燃料的液态部分供给到燃料供给系统的入口侧。
根据本发明的一个实施方式，第二返回管路段设置有气体压缩机，该气体压缩机被构造为在将返回燃料的气态部分引导到发动机的进气系统之前增大返回燃料的气态部分的压力。这样，可以更独立地控制燃料返回管路的背压并将其维持在期望的水平，使得返回燃料的气态部分的生成处于期望水平。
根据本发明的一个实施方式，第二返回管路段被构造为在安装到发动机中时控制返回燃料的气态部分到进气系统中的允许进入。由此，第二返回管路段设置有允许进入控制阀，该允许进入控制阀被构造为将返回燃料的气态部分供给到进气系统的空气接收器。
本发明的效果可以通过提供一种内燃活塞式发动机来有利地获得，该内燃活塞式发动机包括上述燃料系统，该燃料系统被设置为将燃料直接喷射到发动机的燃烧室。
一种操作内燃活塞式发动机的方法，该内燃活塞式发动机设置有用于供给液态气体燃料的燃料系统，该方法包括以下步骤：
-将来自燃料箱的加压液态气体燃料经由燃料入口管路引导到发动机的一个或更多个喷射器；
-将来自发动机的一个或更多个喷射器的加压液态气体燃料的一部分作为返回燃料返回到燃料返回管路中的分离单元；
-在分离单元中将返回燃料的气态部分和液态部分彼此分离；
-返回所述返回燃料的液态部分，以便重新用作所述加压液态气体燃料；
-将返回燃料的气态部分引导到进气系统，以便将返回燃料的气态部分与增压空气一起供给到发动机。
根据本发明的一个实施方式，返回燃料的气态部分临时储存在气体储存器中，并且监测气体储存器中的气体的压力，并且在所述压力超过预定压力时，允许返回燃料的气态部分进入到发动机的进气通道，并且基于返回燃料的气态部分的允许进入速率来调节被喷射到发动机的液态气体燃料的喷射量。
根据本发明的一个实施方式，通过控制燃料返回管路中的压力来控制返回燃料的流速。
根据本发明的一个实施方式，通过控制燃料返回管路中的压力来控制返回燃料的气态部分的量。返回燃料的气态部分由于返回燃料的状况的变化由蒸发形成，并且可以通过控制返回管路中的压力来控制蒸发。
根据本发明的一个实施方式，使用操作模式来操作发动机，这些操作模式包括：
-第一操作模式，在该第一操作模式下，在发动机中燃烧的燃料包括引燃燃料和液态气体燃料；
-第二操作模式，在该第二操作模式下，在发动机中燃烧的燃料包括引燃燃料、液态气体燃料以及返回燃料的气态部分。
根据本发明的一个实施方式，在第一操作模式下，液态气体燃料的量是被燃烧的总燃料质量的95％至99.5％。
根据本发明的一个实施方式，在第二操作模式下，液态气体燃料的组合量在减去返回燃料的气态部分的量的情况下是被燃烧的总燃料质量的95％至99.5％。
根据本发明的一个实施方式，增大返回燃料的液态部分的压力，随后，将返回燃料的液态部分供给到燃料箱。
根据本发明的一个实施方式，在将返回燃料的气态部分返回到进气系统(12)中之前将返回燃料的气态部分的压力增大至比进气系统中的增压空气的压力高的压力。
液态气体燃料在这一点上意指燃料混合物，这些燃料混合物在大气条件或正常条件下具有1％至100％的气态形式的燃料的部分，但该部分可以通过改变燃料的温度和/或压力进入液态形式。这种燃料例如是液化天然气LNG和液化石油气LPG。正常条件可以被定义为正常温度和压力条件NTP，该NTP被定义为20℃和101.325kPa。
气体的再循环比使它燃烧更环保，并且仅压缩气态部分比将整个返回燃料流压缩并冷却至液态形式更经济。
作为在100％发动机负载下使用液态气体燃料的示例，返回燃料流可以具有在燃烧室中喷射的燃料量的4％至10％的大小。在更低发动机负载下，返回燃料流甚至可以多达所喷射燃料量的25％。因此，本发明提供了一种在发动机中使用返回燃料流的高效方式。
在本专利申请中提出的本发明的示例性实施方式不被解释为对本发明的适用性造成限制。动词“包括”在本专利申请中用作不排除此外未列举特征的存在的开放限制。
附图说明
在下文中，将参照示例性示意附图来描述本发明，附图中：
图1例示了根据本发明的一个实施方式的燃料系统。
具体实施方式
图1示意性描绘了根据本发明的一个实施方式的、用于向内燃发动机供给液态气体燃料的燃料系统10。发动机本身未示出，而是仅在图1中公开对于理解本发明相关的发动机的一些零件。这些零件即是发动机的进气歧管12(这里被称为空气接收器)、涡轮增压器14以及燃烧室16。
燃料系统被构造为向发动机供给液态气体燃料。燃料系统首先包括液态气体燃料箱18，为了简单起见，该液态气体燃料箱在下文中被称为箱。箱中的燃料在压力和温度情况下储存，其中，气体至少存在有液相，但通常液态气体的液相和气相这两者存在于箱18中。燃料系统包括一个或更多个燃料喷射器20。在图1中，燃料喷射器 20被设置到喷射器主体22。喷射器主体还设置有第二喷射器24。第二喷射器属于第二共轨燃料系统，该第二共轨燃料系统用于喷射引燃燃料，该引燃燃料用于点燃发动机的燃烧室16中的液态气体燃料。如果点燃由诸如火花点火或等离子点火的其他手段来实现，则不必需要第二共轨燃料系统。与喷射器主体有关的虚线描绘了有利地集成到喷射器主体的系统的零件，即，喷射器20、流量保险器23、蓄能器21以及喷射器的控制阀25。而且，第二喷射器在这里集成到喷射器主体22。
燃料系统包括燃料入口管路26，该燃料入口管路在其第一端处连接到液态气体燃料箱18，使得它与箱的下部连通，以便接收液态形式的燃料。存在设置到在燃料箱18后面(即，在燃料箱的下游)的燃料入口管路26的高压泵28。泵将燃料压力升高至喷射所需的水平。燃料入口管路可以设置有为燃料系统中的所有燃料喷射器20共用的所谓蓄压器，为了清楚的原因，这里未示出该蓄压器。燃料入口管路26设置有分支管路27，借助于这些分支管路，喷射器20彼此平行地连接到燃料入口管路。
燃料喷射系统供给管路包括被设置到各分支管路27的专用蓄能器21。还存在所谓的流量保险器23，该流量保险器设置在专用蓄能器21与喷射器20之间，被构造为仅允许预定量的燃料恒定地流过流量保险器23。
喷射器的操作如在共轨燃料喷射领域中已知的通过控制喷射器的喷射器针上的力平衡来控制。燃料系统(具体是燃料喷射器20)包括控制燃料室29。内部燃料的压力支配针的位置和移动，由此支配燃料喷射器20的操作。
燃料系统还包括燃料返回管路30。控制燃料室29连接到燃料返回管路30。燃料返回管路被设置为处理来自喷射器20的所谓返回燃料。由于喷射器的操作和/或喷射器的零件之间的间隙，一定量的燃料借助喷射器流至以稍后说明的方式处理的更低压力。这种燃料被称为返回燃料。通常，存在返回燃料的大致连续流。返回管路连接到喷射器20中的每一个。喷射器设置有控制阀25，借助于该控制阀，控制室连接到燃料返回管路，该燃料返回管路处于比燃料入口管路26中的燃料显著更低的压力。通过打开控制阀25，控制燃料室中的压力快速降低，并且改变在阀针上实现的力平衡，使得阀打开。相应地，关闭控制阀25使得控制室29中的压力增大，最终关闭喷射器 20。返回管路在图1的实施方式中还设置有压力调节阀31，该压力调节阀被设置到在控制阀25下游的返回管路30，以便确保返回燃料在控制阀25中处于足够的压力下，以便保持在液态形式。
另外，返回管路设置有分离单元32，喷射器20连接到该分离单元，使得来自喷射器的返回燃料流到分离单元32中。分离单元包括被构造为将返回燃料的气态部分与液态部分彼此分离的分离器。分离单元32设置有入口34，返回燃料经由该入口引导到分离单元32中。气态部分与液态部分彼此分离。返回燃料的液态部分经由第一出口36从分离单元32去除，而返回燃料的气态部分经由分离单元32的第二出口38 从分离单元32去除。
第一出口36连接到第一返回管路段30.1。第一返回管路段30.1从分离单元32 的第一出口36通向液态气体燃料箱18。第一返回管路段30.1在第一出口与液态气体燃料箱18之间设置有液态燃料泵40。借助于泵40，返回燃料的液态部分的压力增大，以便将燃料在适当的压力下转移到箱18中。这样，返回燃料的液态部分被使得可用于燃料入口管路26中的高压泵28中。作为可选的另选方案，第一返回管路段30.1 可以直接连接到由图1中的虚线描绘的高压泵28的入口侧。液态燃料泵40有利地被设置为取决于情况将液态气体燃料的压力增大至1Mpa至8MPa压力的压力。
第二出口38连接到燃料系统10的第二返回管路段30.2。第二返回管路段30.2 从分离单元32的第二出口38通向发动机的进气系统12。这样，第二返回管路段30.2 被构造为将返回燃料的气态部分引导到发动机的进气系统12，以与增压空气一起供给到发动机。第二返回管路段30.2设置有气体压缩机42，该气体压缩机被构造为在将返回燃料的气态部分引导到发动机的进气系统12之前增大返回燃料的气态部分的压力。如图所示，第二返回管路段30.2将分离单元32连接到在涡轮增压器14的下游且有利地在增压空气冷却器(未示出)上游的进气系统的空气接收器，该增压空气冷却器用于冷却返回燃料的已压缩气态部分。另选地，第二返回管路段30.2可以连接到在涡轮增压器之前的进气系统。还设想将返回燃料的气态部分引导到发动机的各气缸的专用进气通道。空气接收器中的压力被维持在大约0.2MPa至1MPa。压缩机 42被构造为将返回燃料的气态部分的压力增大至至少是在进气系统12中流行的压力或在引入返回燃料的气态部分的位置处的压力。
第二返回管路段30.2还设置有允许进入控制阀44，该允许进入控制阀被构造为控制返回燃料的气态部分到进气系统12的允许进入。
根据本发明的一个实施方式，返回燃料的气态部分的压力被维持在高于进气系统12中的压力的压力，在这种情况下，不需要操作压缩机42，甚至可以从系统省略压缩机。
通过调节返回燃料的背压，可以改变并调节返回燃料的气态部分的份额，使得背压越高，被蒸发的返回燃料的气态部分的量越小。通常，返回管路中的压力为0至1 MPa。背压例如可以通过控制来自分离单元32的气体的排放(即，控制第二返回管路段30.2的液态燃料泵40和/或42、气体压缩机以及允许进入控制阀44)来调节。
因为返回燃料的气态部分的流速经常不恒定，而是例如取决于发动机负载变化，所以有利的是控制返回燃料的气态部分的压力以及返回燃料的气态部分到进气系统 12中的引入。分离单元32以及第二返回管路段30.2还可以操作为可以临时储存返回燃料的气态部分的气体储存器。可行的是向系统提供单独的气体储存器(如果情况这样需要)，并且分离单元可以设置有或构成一体气体储存器。
关于供给返回气体的气态部分的基本操作思想是临时储存或收集它，直到达到正确的预定压力和/或数量为止。
燃料系统10的操作至少包括以下步骤。在操作期间，连续或间歇测量或以其他方式确定返回燃料的已储存气态部分的压力和/或量。在图1中，分离单元32设置有压力传感器46，该压力传感器用于测量返回燃料的气态部分的压力。还连续或间歇测量或以其他方式确定被允许进入到进气系统12的返回燃料的气态部分的量或流速。在图1中，第二返回管路段30.2设置有流量传感器45，该流量传感器用于测量返回燃料的气态部分到进气系统12中的流速。进气系统12中的气体量被限制为低于其自燃水平，以避免在气缸外部的燃烧或避免气缸内部的太早燃烧。
根据本发明的燃料系统或发动机设置有控制单元100，该控制单元设置有数据处理单元，该数据处理单元包括可执行指令，诸如计算机程序，这些可执行指令用于控制在各燃烧循环中的液态气体燃料和返回燃料的气态部分及其部分的份额和/或量。控制单元100被设置为与至少气体压缩机42、液态燃料泵40、压力传感器46、允许进入控制阀44以及流量传感器45进行数据传输通信。
控制单元100借助于可执行指令构造为控制燃料系统10的操作，以便：
-连续或间歇地定义针对是返回燃料的已储存气态部分的压力和/或量的预设控制变量的值；
-将预设控制变量的所述值与控制变量的设定值进行比较；以及
-在控制变量的实际值大于控制变量的设定值的情况下，
ο允许返回燃料的已储存气态部分进入到进气系统12；
ο连续或间歇地测量或以其他方式确定被允许进入到进气系统12的返回燃料的气态部分的量或流速；
ο管理被喷射器20喷射的液态气体燃料，使得从液态气体燃料的量减去被允许进入到进气系统的返回燃料的气态部分的量或流速。
根据本发明的一个实施方式，发动机使用操作模式来操作，这些操作模式包括：第一操作模式，在该第一操作模式下，燃料借助于为了点燃目的由第二喷射器24喷射的引燃燃料和由燃料喷射系统10的喷射器20喷射作为主燃料的液态气体燃料在发动机中燃烧，在返回气体的气态部分在停止使用气态部分进行燃烧的同时临时储存或采集期间实践第一操作模式；和第二操作模式，在该第二操作模式下，在发动机中燃烧的燃料包括由第二喷射器24为了点燃目的喷射的引燃燃料、由燃料喷射系统10 的喷射器20喷射的液态气体燃料以及被允许进入到进气系统12中的返回燃料的气态部分。
有利地，在第一操作模式期间，液态气体燃料的量是被燃烧的总燃料质量的95％至99.5％，并且剩余部分由引燃燃料形成。换言之，被供给到发动机的燃料例如包含 99％的液态气体燃料和1％的轻燃料油引燃燃料。
在第二操作模式下，液态气体燃料的量在减去返回燃料的气态部分的量的情况下是被燃烧的总燃料质量的95％至99.5％。换言之，被供给到发动机的燃料例如包含 90％的液态气体燃料和9％的返回燃料的气态部分以及1％的轻燃料油引燃燃料。作为示例，所产生的返回燃料的气态部分的量在100％发动机负载下可以是液态气体燃料的喷射量的4％至10％。
虽然这里关于目前被认为是最优选实施方式的内容用示例的方式描述了本发明，但将理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改以及被包括在本发明的范围内的若干其他应用。关于上述任意实施方式提及的细节可以结合另一个实施方式使用(在这种组合在技术上可行时)。

Claims (15)

1.一种用于向内燃活塞式发动机供给液态气体燃料的燃料系统(10)，所述燃料系统包括：位于所述内燃活塞式发动机中的一个或更多个燃料喷射器，该一个或更多个燃料喷射器被构造为将液态气体燃料喷射到所述内燃活塞式发动机中；燃料入口管路(26)，该燃料入口管路从燃料箱(18)经由高压泵(28)延伸到所述一个或更多个燃料喷射器(20)；以及燃料返回管路(30)，该燃料返回管路连接到所述内燃活塞式发动机的所述一个或更多个燃料喷射器(20)并用于处理来自所述一个或更多个燃料喷射器的所谓返回燃料，其特征在于：所述燃料返回管路(30)包括：
-分离单元，该分离单元被构造为分离所述返回燃料的气态部分和液态部分；
-第一返回管路段(30.1)，该第一返回管路段被构造为返回来自所述分离单元的所述返回燃料的液态部分，以便用于所述高压泵(28)中；
-第二返回管路段(30.2)，该第二返回管路段被构造为将所述返回燃料的所述气态部分引导到所述内燃活塞式发动机的进气系统(12)，以与增压空气一起供给到所述内燃活塞式发动机。
2.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于：所述第一返回管路段设置有液态燃料泵(40)，该液态燃料泵被构造为在将所述返回燃料供给到所述燃料箱(18)中之前增大所述返回燃料的所述液态部分的压力。
3.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于：所述第二返回管路段设置有气体压缩机(42)，该气体压缩机被构造为在将所述返回燃料的所述气态部分引导到所述内燃活塞式发动机的所述进气系统(12)之前增大所述返回燃料的所述气态部分的压力。
4.根据权利要求3所述的燃料系统，其特征在于：所述第二返回管路段(30.2)被构造为在安装到内燃活塞式发动机中时控制所述返回燃料的所述气态部分到所述进气系统(12)中的允许进入。
5.根据权利要求3所述的燃料系统，其特征在于：所述第二返回管路段(30.2)设置有允许进入控制阀(44)，该允许进入控制阀被构造为在安装到内燃活塞式发动机中时将所述返回燃料的所述气态部分供给到所述进气系统(12)的空气接收器。
6.一种内燃活塞式发动机，该内燃活塞式发动机包括根据前述权利要求中的任一项所述的燃料系统，该燃料系统被设置为将燃料直接喷射到所述内燃活塞式发动机的燃烧室。
7.一种操作内燃活塞式发动机的方法，该内燃活塞式发动机包括用于供给液态气体燃料的燃料系统，该方法包括以下步骤：
-将来自燃料箱的加压液态气体燃料经由燃料入口管路引导到所述内燃活塞式发动机的一个或更多个喷射器；
-将来自所述内燃活塞式发动机的所述一个或更多个喷射器的所述加压液态气体燃料的一部分作为返回燃料返回到燃料返回管路中的分离单元；
-在所述分离单元中将所述返回燃料的气态部分和液态部分彼此分离；
-返回所述返回燃料的所述液态部分，以便重新用作所述加压液态气体燃料；
-将所述返回燃料的所述气态部分引导到所述内燃活塞式发动机的进气系统，并且将所述返回燃料的所述气态部分与增压空气一起供给到所述内燃活塞式发动机。
8.根据权利要求7所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：所述返回燃料的所述气态部分临时储存在气体储存器中，并且监测所述气体储存器中的气体的压力，并且在所述压力超过预定压力时，允许所述返回燃料的气态部分进入到所述内燃活塞式发动机的进气通道，并且基于所述返回燃料的所述气态部分的允许进入速率来调节被喷射到所述内燃活塞式发动机的所述液态气体燃料的喷射量。
9.根据权利要求7所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：通过控制所述燃料返回管路中的压力来控制所述返回燃料的流速。
10.根据权利要求7所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：通过控制所述燃料返回管路中的压力来控制所述返回燃料的已蒸发气态部分的量。
11.根据权利要求7所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：使用操作模式来操作所述内燃活塞式发动机，这些操作模式包括：
-第一操作模式，在该第一操作模式下，在所述内燃活塞式发动机中燃烧的燃料包括引燃燃料和所述液态气体燃料；
-第二操作模式，在该第二操作模式下，在所述内燃活塞式发动机中燃烧的燃料包括引燃燃料、所述液态气体燃料以及所述返回燃料的所述气态部分。
12.根据权利要求11所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：在所述第一操作模式下，液态气体燃料的量是被燃烧的总燃料质量的95％至99.5％。
13.根据权利要求11所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：在所述第二操作模式下，液态气体燃料的组合量在减去所述返回燃料的所述气态部分的量的情况下是被燃烧的总燃料质量的95％至99.5％。
14.根据权利要求7所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：增大所述返回燃料的所述液态部分的压力，随后，将所述返回燃料的所述液态部分供给到燃料箱。
15.根据权利要求7所述的操作内燃活塞式发动机的方法，其特征在于：在将所述返回燃料的所述气态部分返回到所述进气系统(12)中之前将所述返回燃料的所述气态部分的压力增大至比所述进气系统中的所述增压空气的压力高的压力。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023147652A1 (en) * 2022-02-01 2023-08-10 Westport Fuel Systems Canada Inc. Apparatus and method for regulating gaseous fuel pressure and mitigating emissions in an internal combustion engine system

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08508173A (ja) * 1992-11-02 1996-09-03 メディケーション デリバリー デバイシイズ インク 医療用点滴ポンプ、点滴バッグ及びこれらの使用法
JP4338866B2 (ja) * 1999-08-05 2009-10-07 株式会社日本自動車部品総合研究所 内燃機関の燃料噴射システム
KR100482573B1 (ko) * 2002-09-25 2005-04-14 현대자동차주식회사 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템
ITRM20030208A1 (it) 2003-04-30 2003-07-29 I Co M S P A Impianto di alimentazione con gpl per motori ad iniezione a benzina.
DE10332484A1 (de) * 2003-07-17 2005-02-10 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffeinspritzsystem für Verbrennungskraftmaschinen
KR100589187B1 (ko) * 2004-06-14 2006-06-12 현대자동차주식회사 디젤엔진의 연료공급 시스템
JPWO2007049370A1 (ja) * 2005-10-28 2009-04-30 和徳 山元 石油系燃料の供給方法および回路
CN101371032A (zh) * 2006-01-20 2009-02-18 博世株式会社 内燃发动机的燃料喷射系统
JP2006250149A (ja) * 2006-05-08 2006-09-21 Nikki Co Ltd エンジンのｌｐｇ供給装置
FI119319B (fi) 2006-11-30 2008-10-15 Waertsilae Finland Oy Vesialuksen koneisto ja menetelmä pakokaasupäästöjen kontrolloimiseksi vesialuksessa
CA2767369C (en) * 2009-07-21 2017-10-24 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Method for treating a multi-phase hydrocarbon stream and an apparatus therefor
US8251046B2 (en) * 2009-07-30 2012-08-28 Ford Global Technologies, Llc Fuel system for an internal combustion engine
JP5913106B2 (ja) * 2009-10-01 2016-04-27 エクセン ホールディングス エルエルシー 燃料均質化向上システム
US20140060110A1 (en) * 2011-03-11 2014-03-06 Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co., Ltd. Fuel supply system for marine structure having reliquefaction apparatus and high-pressure natural gas injection engine
SE537360C2 (sv) * 2011-12-28 2015-04-14 Scania Cv Ab Arrangemang och förfarande för att uppskatta en bränsleblandnings halt av ett tillsatsbränsle
EP2634400B1 (en) 2012-02-28 2015-08-12 Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG Operating a power plant with alternative fuels
AT512922B1 (de) 2012-10-24 2013-12-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Og Verbrennungsmotor
US9080518B2 (en) * 2013-08-19 2015-07-14 Ford Global Technologies, Llc System and method for operating an engine combusting liquefied petroleum gas
JP5746301B2 (ja) * 2013-10-11 2015-07-08 三井造船株式会社 液化ガス運搬船用燃料ガス供給システム
EP2985443B1 (en) * 2014-08-15 2017-02-22 Wärtsilä Finland Oy A fuel system for an internal combustion piston engine and a method of operating an internal combustion engine
KR20160021678A (ko) * 2014-08-18 2016-02-26 대우조선해양 주식회사 엔진의 배기가스 재순환시스템 및 방법

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