具有渦輪泵的氣體燃料系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及一種氣體燃料系統(tǒng)，更具體地涉及具有渦輪栗的氣體燃料系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]用氣體燃料提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)車應(yīng)用中是常見的。例如，機(jī)車的發(fā)動(dòng)機(jī)可單獨(dú)由天然氣提供動(dòng)力，或由天然氣和柴油燃料的混合物提供動(dòng)力。用機(jī)車運(yùn)輸?shù)奶烊粴獾膬?yōu)選形式是液化天然氣(LNG)，這是因?yàn)槠涓叩哪芰棵芏取Ｌ烊粴馔ㄟ^冷卻到約-162°C (-260° F)可凝結(jié)為液體，并隨后被儲(chǔ)存在冷藏或加壓的容器或罐中。液化天然氣隨后可在輸送到機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)前通過加熱轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。
[0003]隨著對(duì)減排和增效的需求的提高，以越來越高的壓力向發(fā)動(dòng)機(jī)輸送天然氣(即，高壓直接噴射)成為優(yōu)選。將天然氣轉(zhuǎn)換和加壓至期望的壓力可由氣體壓縮機(jī)、線性活塞栗或其它高壓栗完成。然而，這些方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體功效(大小或品質(zhì)方面)帶來不可接受的附加損失，削弱了天然氣作為燃料源的經(jīng)濟(jì)可行性。因此，希望獲得對(duì)天然氣轉(zhuǎn)換和加壓的能效高的方法。
[0004]1994年12月27日授權(quán)給Stolz等人的美國(guó)專利N0.5，375，580 (“ ’ 580專利”)中描述了一種嘗試將液體燃料轉(zhuǎn)換和加壓為用于輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮的氣體燃料的方法。’ 580專利描述了由利用串聯(lián)的高壓栗和汽化器轉(zhuǎn)換和加壓的冷藏液體燃料驅(qū)動(dòng)的機(jī)車。
[0005]盡管’ 580專利的方法可能能夠?qū)⒗洳氐囊后w燃料轉(zhuǎn)換和加壓為加壓的氣體燃料，但其仍不太理想。具體地，’580專利中描述的高壓栗的操作可能產(chǎn)生大量附加損失。由此，機(jī)車的能量效率以及使用天然氣的優(yōu)勢(shì)都會(huì)削弱。
[0006]所公開的燃料系統(tǒng)旨在克服上述的一個(gè)或多個(gè)問題和/或現(xiàn)有技術(shù)的其它問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—方面，本發(fā)明涉及一種用于機(jī)器的氣體燃料系統(tǒng)。所述燃料系統(tǒng)可包括栗，所述栗具有限定有入口和出口的主體、與所述入口流體連通的壓縮機(jī)部分、與所述出口流體連通的渦輪部分以及形成在所述壓縮機(jī)部分的出口和所述渦輪部分的入口之間的導(dǎo)管。所述燃料系統(tǒng)還可包括結(jié)合于所述導(dǎo)管的換熱器、與所述入口連通的液體燃料供應(yīng)源以及與所述出口連通并配置為接收氣體燃料的蓄集器。
[0008]另一方面，本發(fā)明涉及一種操作燃料系統(tǒng)的方法，所述燃料系統(tǒng)包括栗，所述栗具有壓縮機(jī)部分、渦輪部分和導(dǎo)管。所述方法可包括在所述壓縮機(jī)部分內(nèi)對(duì)液體燃料加壓并使所述液體燃料通過所述導(dǎo)管。所述方法還可包括在所述導(dǎo)管內(nèi)加熱所述液體燃料以使所述液體燃料氣化為氣體燃料。所述方法還可包括允許所述氣體燃料在所述渦輪部分內(nèi)膨脹以給所述渦輪部分提供動(dòng)力，用所述渦輪部分驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)部分以及將所述氣體燃料引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0009]另一方面，本發(fā)明涉及一種組合列車(train consist)。該組合列車可包括配置為保持液體燃料供應(yīng)源的補(bǔ)給車箱、具有發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)車和配置為從液體燃料供應(yīng)源吸取液體燃料并將液體燃料引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)的栗。所述栗可包括限定有入口和出口的主體，所述入口與液體燃料供應(yīng)源連通，所述出口與發(fā)動(dòng)機(jī)連通。壓縮機(jī)部分與所述栗的入口流體連通。所述栗還可包括與所述出口流體連通的渦輪部分以及形成在壓縮機(jī)部分的出口和渦輪部分的入口之間的導(dǎo)管。所述組合列車還可包括結(jié)合于所述導(dǎo)管并配置為從發(fā)動(dòng)機(jī)接收冷卻劑以加熱所述導(dǎo)管中的液體燃料的換熱器。
【附圖說明】
[0010]圖1是具有示例性公開的燃料系統(tǒng)的可動(dòng)式機(jī)器的概要圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]圖1示出與可動(dòng)式機(jī)器(具體為組合列車12)相關(guān)的示例性燃料系統(tǒng)10。組合列車12可具有一個(gè)或多個(gè)機(jī)車14和補(bǔ)給車箱16。機(jī)車14可聯(lián)接成牽引補(bǔ)給車箱16，并且補(bǔ)給車箱16可配置為保持液體燃料供應(yīng)源。液體燃料可經(jīng)由燃料系統(tǒng)10被提供到機(jī)車14的一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)18。然而應(yīng)注意，燃料系統(tǒng)10可根據(jù)需要與其它可動(dòng)的或靜止的設(shè)備相關(guān)聯(lián)。
[0012]燃料系統(tǒng)10可包括協(xié)作配合成向發(fā)動(dòng)機(jī)18提供例如為加壓的天然氣(CNG)的加壓氣體燃料的多個(gè)組成部分。這些組成部分可尤其包括液體燃料的罐20和栗22，該液體燃料例如為液化天然氣(LNG)，該栗22配置為將來自罐20的液體燃料加壓并氣化為加壓的氣體燃料。燃料系統(tǒng)10還可包括配置為保持從栗22接收的加壓的氣體燃料供應(yīng)的蓄集器24、換熱器26和流體連接到蓄集器24的一個(gè)或多個(gè)壓力調(diào)節(jié)裝置。在所公開的實(shí)施例中，示出了兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)裝置，包括排放裝置28和調(diào)節(jié)器30。排放裝置28可設(shè)置成選擇性地使蓄集器24與大氣相通，而調(diào)節(jié)器30可布置在將蓄集器24連接到發(fā)動(dòng)機(jī)18的供應(yīng)線路32內(nèi)。調(diào)節(jié)器30可配置為調(diào)節(jié)向發(fā)動(dòng)機(jī)18供應(yīng)的加壓氣體燃料的壓力。
[0013]罐20可實(shí)施為配置成將液體燃料保持為液化狀態(tài)的低溫貯罐。在示例性實(shí)施例中，罐20是將液體燃料的溫度保持在沸點(diǎn)(例如對(duì)于LNG約-165°C )以下的絕熱罐。可設(shè)想，罐20可根據(jù)需要具有用于處理LNG的常規(guī)設(shè)備，例如冷卻器、循環(huán)器、加熱器、通風(fēng)機(jī)等。
[0014]蓄集器24可實(shí)施為配置成儲(chǔ)存供發(fā)動(dòng)機(jī)18將來使用的壓縮的氣體燃料的高壓容器。當(dāng)來自栗22的壓縮的氣體燃料的壓力超過蓄集器24的壓力時(shí)，壓縮的氣體燃料可流動(dòng)到蓄集器24中。由于其中的壓縮的氣體燃料可壓縮，它可像彈簧一樣工作并將盡可能多的氣體壓入其中?？稍O(shè)想，蓄集器24在需要時(shí)可替換地實(shí)施為隔膜/彈簧偏壓的或囊袋式的蓄集器。
[0015]排放裝置28和調(diào)節(jié)器30盡管用于不同目的，但能以類似的方式工作。具體地，排放裝置28可配置為以不危害排放裝置28的完好性的受控方式(S卩，以受控的壓力和溫度)選擇性地允許壓縮的氣體燃料從蓄集器24排放到大氣中。調(diào)節(jié)器30可類似地以受控的方式允許壓縮的氣體燃料從蓄集器24排放。然而，與排放裝置28相比，調(diào)節(jié)器30可將排放的氣體燃料經(jīng)由供應(yīng)線路32引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)18。
[0016]換熱器26可結(jié)合于栗22或鄰近栗22，并配置為加熱通過栗22的燃料。在一個(gè)實(shí)施例中，換熱器26可與使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑循環(huán)通過發(fā)動(dòng)機(jī)18的冷卻劑回路流體連通。換熱器26可配置為使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑循環(huán)，從而使得來自發(fā)動(dòng)機(jī)18的熱量能由換熱器26轉(zhuǎn)移。換熱器26的構(gòu)型可變化。例如，換熱器可以是殼體和管式、板和框架式或其它類似的換熱器。可設(shè)想，如果需要，換熱器26內(nèi)用于加熱燃料的熱量可來自其它來源。例如，熱量可來自由機(jī)車再生制動(dòng)系統(tǒng)供給能量的電阻式加熱元件。
[0017]栗22可配置為接收來自罐20的液體燃料，對(duì)液體燃料加壓并氣化以產(chǎn)生加壓的氣體燃料。栗22可包括限定有入口 36和出口 38的主體34。栗22還可包括壓縮機(jī)部分40、渦輪部分42以及位于壓縮機(jī)部分40和渦輪部分42之間并將它們連接的導(dǎo)管44。
[0018]壓縮機(jī)部分40可與入口 36流體連通并配置為從罐20接收液體燃料并將液體燃料壓縮到期望的壓力以產(chǎn)生加壓的液體燃料。在一個(gè)示例中，壓縮機(jī)部分40是多級(jí)壓縮機(jī)，其例如具有四個(gè)壓縮級(jí)。每個(gè)壓縮級(jí)都可增大液體燃料的壓力，例如在每級(jí)使壓力翻倍?？稍O(shè)想，壓縮機(jī)部分40可具有多于或少于四個(gè)的壓縮級(jí)。還可設(shè)想，每個(gè)壓縮級(jí)的輸出壓力可大于或小于輸入壓力的兩倍。可基于供應(yīng)到壓縮機(jī)部分40的液體燃料的壓力和/或發(fā)動(dòng)機(jī)18的燃料噴射設(shè)計(jì)壓力來確定級(jí)數(shù)。
[0019]導(dǎo)管44可形成在壓縮機(jī)部分40的出口和渦輪部分42的入口之間。導(dǎo)管44例如可以是收縮-擴(kuò)張型噴嘴。導(dǎo)管44可具有收縮部分、擴(kuò)張部分和它們之間的喉部。導(dǎo)管44可配置為在導(dǎo)管44的收縮部分中接收來自壓縮機(jī)部分40的加壓的液體燃料，并且將其引導(dǎo)通過喉部并從擴(kuò)張部分導(dǎo)出。導(dǎo)管44的橫截面積可在收縮部分中朝向喉部變窄。喉部的橫截面積可表示導(dǎo)管44的最小橫截面積。橫截面積可隨著遠(yuǎn)離喉部而經(jīng)過導(dǎo)管44的擴(kuò)張部分增大。由于導(dǎo)管44的橫截面積在收縮部分中變窄，所以加壓的液體燃料的速度在質(zhì)量流率保持不變的同時(shí)可增大。在導(dǎo)管44的喉部?jī)?nèi)，加壓的液體燃料的速度可成為音速?？稍O(shè)想，導(dǎo)管4