专利名称：减少排放物的燃料系统和方法
技术领域：
本发明涉及燃机或燃烧室以及更具体地涉及一个用于减少燃机或燃烧室之不希望排放物的燃料(油)系统配置。
背景技术：
传统的液态供油的燃机或燃烧室一般地包括一个向燃烧室提供液体燃料的燃油系统。液体燃料与氧化剂或几种氧化剂发生反应以产生一种快速膨胀的气体，其运动一个活塞或涡轮叶片例如以推动一种运输工具或产生其他应用目的的热量。不利的是，这种燃烧可能导致不希望之排放物的产生，例如氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃烧的燃油(UHC)和炭烟。
传统的燃机或燃烧室没有满意地解决这些不希望的排放物。许多传统的燃机组件通过使液体燃料在压缩空气或氧化剂中更有效地燃烧以求减少排放物。这个只能减少由于液体燃料之不完全燃烧所造成排放物的一部分。然而有些例如NOx排放物的生成相比燃烧效率而言是更紧密地相关到燃烧温度的。因此，提高燃烧效率不能满意地减少NOx排放物。
一个建议的使不希望排放物最小化的解决方案是使液体燃料在压缩空气或氧化剂中于较低温度下燃烧从而减小排放物的生成。然而，这个可以减少某些排放物的生成，却增加了未燃烧燃油的数量(亦即减小了燃烧效率)。这种未燃烧燃油的增加可能否定从排放物生成的减少中获取利益的相当部分。
发明内容
因此，存在一个如此燃油系统配置方案的需求，其提供较低温度的燃烧以减小排放物的生成，同时保持燃烧效率和燃烧室可操作性。燃烧室可操作性涉及一种持久的稳定燃烧过程的维持问题。具有不良可操作性的燃烧室可能遭受“熄火”事件，其中火焰被熄灭。由此不良可操作性将会异致大的燃烧室压力振荡，它可能引起噪声和振动问题并减少燃烧室使用寿命。本发明就致力于解决这些需求并提供增强的性能，同时避免现有技术的缺陷及不足。
本发明是一种燃料系统，其包括一个燃料除氧装置(减少积炭装置)和一个汽化器以用于向燃烧室提供汽化的燃料。
本发明一个示范性燃料系统包括一个燃料脱氧器以从液体燃料中除氧和(包括)一个与燃料脱氧器流体连通的汽化器。汽化器汽化至少一部分从燃料脱氧器接收的液体燃料以产生汽化的燃料。
在另一个示例中，该燃料系统另外包括一个或一些与汽化器流体连通的混合器以使汽化燃料与一定量氧化剂相混合。一个控制器与汽化器和混合器相连接以控制从混合器排出之燃料/氧化剂混合物比率。
一种根据本发明减少不希望燃烧产物之排放的示例方法包括汽化至少一部分液体燃料以产生汽化燃料并且将汽化燃料与氧化剂相混合产生汽化燃料和氧化剂的混合物。然后，汽化燃料和氧化剂的混合物在燃烧室中反应。汽化燃料和氧化剂混合物的火焰温度是低于由其制成汽化燃料之液体燃料在氧化剂中直接燃烧的温度的。这样可减少至少一部分不希望燃烧产物的生成。液体燃料向燃烧室的局部喷射可被应用于“导控”燃烧过程以便确保良好的燃烧室可操作性。另外，液体燃料流率对汽化燃料流率的比率可以被调节以确保良好的可操作性。燃油喷射程序是由控制器管理的，该控制器控制汽化的和液体的燃料两者到一个或多个燃料喷嘴和/或混合器的分配。燃料流量的分配和液体燃料流率对汽化燃料流率之比率是关键的控制参数，并且通过该控制器可以被改变以便使考虑污染排放和可操作性两者的成本函数最小化。这个控制器可以按“开环”或“设定点”型式操作，其中燃料分配和流率比率被事先地确定，或者可以按“闭环”或“主动”型式操作，其中燃油分配和流率比率根据由测量燃烧室之排放物和可操作性的传感器所接收的信息被确定。
本发明的各种特征和优点将从下面对当前优选实施例的详细描述中使本领域的普通技术人员变得显而易懂了。下面即对伴随详细说明书的附图作一简述。
图1是一个具有本发明燃油系统的燃机组件的示意图，图2是一个本发明示范性燃油系统之第二实施例的示意图，图3是一个示范性汽化器之示意图，
图4是图3之汽化器在运行期间的示意图，图5是一个示范性汽化器之第二实施例的示意图。
具体实施例方式
图1表明了一个示范性燃机组件10、例如一个用于飞机的燃气涡轮发动机的选定部分。在这个实施例中，燃机组件10包括一个压缩机12，一个燃烧室14和一个涡轮16。该燃机组件10以公知的方式运行，将来自压缩机12的压缩空气或氧化剂提供到燃烧室14中。压缩空气或氧化剂与燃油混合并发生反应以产生一种高温燃气流18。涡轮16将这高温燃气流18转换为机械能以驱动压缩机12。一个排气喷管20将高热燃气从该燃机组件中喷出以为飞机或其他运输工具提供推力。
一个燃油系统22将燃料提供到燃烧室14。一个燃料贮存器24保存液体燃料。液体燃料通过一个燃料脱氧器26从燃料箱24被接收，借助或不用一个燃料泵28的辅助。燃料脱氧器26在液体燃料由泵28接收前从液体燃料除去或还原溶解的氧。
燃料泵28从脱氧器26接收低含氧的液体燃料并给液体燃料加压以便使液体燃料通过燃油系统22运动到一个汽化器30去。汽化器30给被加压了的液体燃料加热到一个汽化温度上。在汽化器30中的加热被控制得使液体燃料全部汽化或者作为另一选择使液体燃料的一部分汽化。在一个实施例中，汽化器30通过从其他部件或热燃气吸收了废热以辅助加热该液体燃料和冷却这些部件或热燃气，而用作运输工具的散热装置。这个相比以前公知的燃油系统就提供了减少能量消耗的优点，因为废热可被应用于加热该液体燃料。
在一个实施例中，燃料脱氧器26减少了液体燃料中相当数量的溶氧。最好是，氧水平是低于1ppm。如已知的那样，液体燃料可以溶解一些大气中如氧的气体。这种溶解氧当被加热了时可能导致被称为“积炭”的炭沉积生成，其可能导致沉积物的堆积并妨害燃油系统的功能。如果液体燃料的溶解氧水平明显地高于1ppm，则可能在汽化器30中液体燃料的汽化期间发生明显的积炭并需要不断地清除沉积物。利用燃料脱氧器26将溶解氧水平减小到小于1ppm就可使积炭最小化并允许液体燃料被加热到一个高于325的温度以将液体燃料汽化而不会明显地积炭。
作为优选，燃料脱氧器26包括一个公知方案，其利用一个多孔膜过滤器31两侧的氧气分压差以从液体燃料中除去氧。一个示例被揭示在US专利6315815中，然而，给出了这个说明，一个本领域的普通技术人员就将知道其他满足他们具体需求的脱氧器方案。作为选择，或与这种公知的脱氧器方案相组合，一个已知的反积炭的添加剂被掺加到液体燃料中以减小积炭。
汽化的燃料从汽化器30运动到一个混合器或一些混合器32中。该混合器或一些混合器32将汽化的燃料与氧化剂混合，或换句话说预混合，然后将汽化的燃料和氧化剂的混合物移送到燃烧室14中。
这个被公开的实施例之汽化的燃料可在相对高燃烧效率和完全燃烧状态下燃烧，即使在相对低的燃烧温度下也如此。在以前公知的燃油系统中，使适当数量的压缩空气或氧化剂与液体燃料相混合以发生完全燃烧是困难的。然而，利用汽化的燃料，就实现了压缩空气或氧化剂和气态的汽化燃料之间的均匀混合，其就达到了在相对低的燃烧温度下相对高的燃烧效率和完全地燃烧。正如上面所述的，在相对低的燃烧温度下的燃烧可减少例如在相对高的燃烧温度下产生的NOx排放物的生成。因此，本公开的示范性燃油系统22提供了较低温度的燃烧从而减少了NOx、CO、UHC和炭烟排放物的生成，同时保持或提高了燃烧效率。在一个实施例中，燃烧温度在1400和3000之间以便减小排放物。
压缩空气或氧化剂和汽化燃料的均匀混合就在燃烧室14中提供了相比以前公知液体燃料系统更均匀地产生燃烧热的优点。在燃烧室14中的这种均匀产生的燃烧热则又在涡轮16的区域上提供了更均匀的气体温度从而例如提高了涡轮的寿命。在燃烧室14中较低的燃烧温度和燃烧热的均匀产生还例如提高了燃烧室的寿命。
作为选择，燃油系统22包括一个控制器34以用于控制燃油系统22的运行。控制器34连接有燃料脱氧器26，泵28，汽化器30，(一个或一些)混合器32，和燃料喷嘴(一个或一些)37a，37b，39a，39b。控制器34如在下面示范性描述地那样控制该燃油系统22以实现提高的燃烧室14可操作性。
燃烧室14的可操作性涉及一种持续的稳定燃烧过程的维持能力。燃烧室14可能遭受一个“熄火”事件(其中火焰被熄灭)或者在燃烧室14中相对大的压力振荡。这类燃烧室14事件起因于液体燃料和氧化剂之不希望的比率，汽化燃料和氧化剂之不希望的比率或不希望的液体燃料被汽化之百分比(例如导致“熄火”或压力振荡的比率或百分比)。为了应对这类事件，控制器34则调节液体燃料和氧化剂的比率，汽化的燃料和氧化剂的比率以及液体燃料被汽化的百分比或它们中的一些或全部。这样就提供了形成或维持一种持续并稳定燃烧过程的优点。液体燃料可被输送到燃烧室14中的液体(油)喷嘴39a，39b去，其可以与或也可以不与汽化燃料喷嘴37a及37b相组合。
在一个实施例中，控制器34监视并控制燃烧室14或一些燃烧室中的压力及温度。然后控制器34响应于该压力和温度改变在混合器或一些混合器32中与汽化的燃料相混合之氧化剂的数量从而增强可操作性和优化排放物。
在另一实施例中，控制器34可有选择地对不同的混合器32(由32a和32b表示)调节氧化剂和汽化燃料的比率以增加可操作性和减小排放物。
在又一个实施例中，控制器34控制该汽化器30或被输送到汽化器30中液体燃料的数量以有选择地调节液体燃料被汽化的百分比从而提高可操作性和优化排放物。
在另一实施例中，控制器34向燃油系统22发出指令以产生用于一个燃料喷嘴37a之第一比率的汽化燃料及氧化剂并且产生一个不同的第二比率的汽化燃料和氧化剂以用于另一个燃料喷嘴37b。虽然只表明了两个喷嘴，但可以理解，到另外喷嘴或喷嘴组的汽化燃料和氧化剂的比率也是可以被控制的。这样就提供了精确地定制被供到不同喷嘴之氧化剂与汽化燃料的比率的优点，从而使燃烧室可操作性最大化和排放物最优化。
在另一实施例中，控制器34给燃油系统22发指令以产生用于一个液体(油)喷嘴39a的第一流率的液体燃料并产生一个不同的第二流率的液体燃料用于另一个液体喷嘴39b。虽然只表明了两个液体喷嘴，但可以理解，到其他液体喷嘴或液体喷嘴组的流率也可以被控制。这样就提供了精确地定制不同液体燃料喷嘴之液体燃料流率的优点以使燃烧室可操作性最大化和排放物最优化。
作为选择，燃料脱氧器26包括一个氧传感装置35用于指示进入汽化器之液体燃料的溶解氧水平。氧传感装置35将基于氧水平发送信号到控制器34。控制器34就根据氧水平改变汽化器30中的温度以使积炭最小化。这就是说，如果氧水平是靠近一个氧水平范围的上端时，该控制器则减小汽化器30中的温度并且如果氧水平是靠近该氧水平范围的下端时则使汽化器30增高温度。
图2表明了另一示范性燃油系统10’的被选出部分，其包括一个压缩机46代替了图1之实施例中的泵28。在这个实施例中，压缩机46被安置在汽化器30和混合器或一些混合器32之间。压缩机46接收来自汽化器30处在第一压力的汽化燃料并且压缩该汽化燃料到大于第一压力的第二压力。然后加压的汽化燃料与氧化剂33在混合器或一些混合器32相混合，如上面已述那样并且被提供到燃烧室14去。利用压缩机46加压该汽化燃料就提供了定制汽化燃料的压力以与燃烧室14中内部压力相适配的优点。
图3表明了一个包括一个热交换器54的示范性汽化器30的被选出部分。在被展示的实施例中，热交换器54包括与出口部分58流体连通的一个进口部分56。脱氧液体燃料或具有低浓度溶解氧的液体燃料从该燃料脱氧器26进入该进口部分56并且流经一系列流体连接的管道部分60。该管道部分60是通过散热片62被相互分开的。在管道部分60和散热片62之间的空间提供了一个敞开区域用于一加热流体的流动，其例如是在图4之热交换器54的侧视图中表示的空气。
在图4所示的实施例中，相对热的流体64被在管道部分60之间吹过，因此通过管道部分60的管壁，热量从热流体64被传输到流动在管道部分60中的液体燃料中。当在管道部分60中的液体燃料达到对应压力下的汽化温度时，液体燃料就汽化为气体。然后汽化的燃料通过出口部分58排出该热交换器54。
图5表明了另一个汽化器30之被选出的部分，其包括一个具有外圆周74的管道72，其被一个多孔金属泡沫76所包围。在这个实施例中，邻近管道72的一个热源或一些热源78提供热量。多孔金属泡沫76将热量传输给管道72，其将热量传导给通过管道72流动的液体燃料。当液体燃料达到对应压力下的汽化温度时，液体燃料就汽化为如上所述的气体。
在本描述之实施例中，多孔金属泡沫76包括许多小孔80。在燃料从管道72中泄漏的情况下，多孔金属泡沫76和小孔80提供了允许燃料泄漏而不会在金属泡沫中产生压力的优点。小孔80还防止了从管道72中泄漏的燃油与金属泡沫76中的氧化剂燃烧。
这些公开的实施例提供了减少排放物的优点，因为减少了液体燃料中的氧水平以能使液体燃料被汽化且无明显的积炭。与氧化剂预混合的汽化燃料在相对低的燃烧温度下燃烧，其减少了NOx排放物的生成，还使该温度足够地高从而减小了CO，UHC和炭烟排放物。在不同的燃料喷嘴中汽化的燃料和液体燃料两者之受控的分配就确保维持充足的燃烧室可操作性。
虽然已经披露了本发明的一个优选实施例，但本领域的普通技术人员应该知道，一些修改方案确定地落入本发明的保护范围内。为此，下面的权利要求应被分析以确定本发明的真实保护范围和内容。
权利要求
1.一种燃料系统，包括用于从液体燃料中除氧的燃料脱氧器；和与燃料脱氧器流体连通以用于使至少一部分液体燃料汽化产生汽化的燃料的汽化器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于汽化器包括热交换器，此热交换器具有将热量从热源传输到液体燃料去的导管，该导管具有至少一部分被嵌入多孔金属泡沫中。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于导管包括具有外圆周的管道并且该多孔金属泡沫环绕着该外圆周。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于汽化器包括将热量从热源传输到液体燃料的多个管道部分和将该管道部分相互地分开的散热片。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于包括与汽化器流体连通以至少使汽化的燃料燃烧的燃烧室。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于包括至少一个在汽化器和燃烧室之间流体连通的混合器以用于将至少一部分汽化的燃料与氧化剂相混合。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于包括在汽化器和燃烧室之间流体连通的压缩机。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于包括在燃料脱氧器和汽化器之间流体连通的泵。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于燃料脱氧器包括多孔膜片过滤器，其将溶解氧从液体燃料中除去。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于燃料脱氧器包括燃料添加剂以用于当液体燃料被加热时钝化液体燃料中积炭。
11.一种燃料系统，包括燃料脱氧器以用于从液体燃料中除氧而产生脱氧的液体燃料；与燃料脱氧器流体连通的汽化器以用于汽化至少一部分的脱氧液体燃料而产生一定量的汽化燃料；与汽化器流体连通的混合器以用于将该量的汽化燃料与一定量的氧化剂相混合；和与汽化器和混合器连接的控制器以用于根据汽化燃料量控制氧化剂量。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于控制器根据期望的汽化燃料量有选择地改变汽化器中的加热温度。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于控制器与燃料脱氧器相连接。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于控制器根据来自燃料脱氧器指示液体燃料之氧水平的信号有选择地改变汽化器中的加热温度。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于还包括燃烧室以接收来自混合器或一些混合器之混合的汽化燃料和氧化剂和来自液体燃料喷嘴的液体燃料并且使混合的汽化燃料和液体燃料燃烧。
16.一种减少不希望燃烧产物之排放的方法，包括(a)汽化至少一部分液体燃料以形成汽化燃料；(b)使汽化燃料与氧化剂混合以形成汽化燃料和氧化剂的混合物；(c)将汽化燃料和氧化剂的混合物输送到燃烧室；和(d)使汽化燃料和氧化剂的混合物发生燃烧。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于在步骤(a)中的汽化发生在步骤(b)中之混合以前。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括在所述步骤(a)之前从液体燃料中除去溶解氧的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括在所述步骤(a)之前向液体燃料添化学添加剂的步骤以便在步骤(a)期间阻止液体燃料中积炭形成。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述步骤(a)包括加热液体燃料到325以上。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括在所述步骤(a)以后和所述步骤(c)之前使汽化燃料从第一压力压缩到第二压力的步骤，其中第二压力大于第一压力。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括在步骤(a)之前使液体燃料从第一压力加压到第二压力的步骤，其中第二压力大于第一压力。
23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括使汽化燃料和氧化剂的混合物在小于液体燃料在同一氧化剂中之燃烧温度的温度下燃烧的步骤。
24.根据权利要求24所述的方法，其特征在于包括使汽化燃料和氧化剂之混合物在1400和3000之间的温度下燃烧的步骤。
25.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括响应于燃烧室的温度及压力中的至少一个控制汽化燃料和氧化剂之比率的步骤。
26.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括控制步骤(a)中被汽化之液体燃料的量或步骤(b)中汽化燃料和氧化剂之间比率中的至少一个以响应燃烧室火焰熄灭事件。
27.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括控制步骤(a)中被汽化之液体燃料的量或步骤(b)中汽化燃料和氧化剂之间比率中的至少一个以响应燃烧室压力振荡。
28.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括将第一比率的汽化燃料及氧化剂提供到一第一燃料喷嘴和将不同于第一比率之第二比率的汽化燃料和氧化剂提供到第二燃料喷嘴。
29.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括将第一流率的液体燃料提供到第一燃料喷嘴和将不同于第一流率的第二流率之液体燃料提供到第二燃料喷嘴。
全文摘要
一种燃料系统包括一个从液体燃料中除氧的燃料脱氧器。一个汽化器与燃料脱氧器流体连通。汽化器汽化至少一部分液体燃料以形成汽化燃料。至少一部分汽化燃料与氧化剂预先混合以减小不希望排放物的生成。
文档编号F02C7/224GK1948835SQ200610131820
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月11日 优先权日2005年10月11日
发明者A·G·陈, J·M·科亨 申请人:联合工艺公司