将气体燃料递送至内燃发动机的进气系统中的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及用于将低温贮存的燃料递送至燃气内燃发动机(gaseousfuelled internal combust1n engine)的进气系统中的方法和系统。
【背景技术】
[0002]用于供以气体燃料(如天然气)的内燃发动机的燃料贮存和递送系统是特别适用于所公开的方法和系统的应用的一个实施例。天然气已被用于给车辆发动机供燃多年。供应至天然气驱动车辆的燃料被贮存在液化天然气(LNG)罐或压缩天然气(CNG)缸中。
[0003]CNG通常以高达3600镑每平方英寸的压力被贮存在室温中，而LNG通常以约-240° F和-175° F(约-150°C和_115°C)之间的温度以及15和200psig之间的压力被贮存在低温贮存容器中。CNG是更广泛采用的燃料贮存形式，但是与LNG相比，其具有更低的能量密度。既然天然气作为用于交通运输的燃料获得了更广泛的接受，则LNG的更高的能量密度的益处对于在再加燃料之间需要较长路程的车辆是有吸引力的。在上述贮存条件下，LNG提供的能量密度为CNG的能量密度的约四倍。对于天然气发动机的增多的需求增加了研发将天然气贮存为LNG而非CNG的改进的车载燃料供应系统的需要。
[0004]供以天然气的发动机能够通过将燃料喷射至发动机的进气歧管中或通过将燃料直接喷射至发动机的燃烧室中而运作。在燃料被喷射至发动机的进气系统中的系统中，所需的燃料供应压力相对低，例如，约lOOpsig。在燃料被直接喷射至发动机的燃烧室中以及燃料喷射压力需要高于气缸中压力的系统中，燃料供应系统必须在较高的压力下(例如，在至少3000psig的压力下)递送天然气至喷射器。
[0005]现有技术中描述的LNG低压供燃系统通常包括一个液体导管，该液体导管通过包括汽化器的供应线路将液体燃料从贮存容器供应至发动机。燃料以约150psi的压力被贮存在贮存容器中，该约150psi的压力高于至发动机的燃料递送压力，该燃料递送压力可以在70至10psi之间。
[0006]在这些系统中，热被传递至LNG燃料贮存容器，并且所贮存的液体燃料的一部分能够汽化，从而增大容器内侧的压力。减轻LNG贮存容器内侧的压力的一种方法是将气体排放至大气中。然而，此方法是浪费的，并能够代表一种危险。作为替代方案，用于低压发动机的现有递送系统设有包括蒸汽导管的节约器(economizer)回路，蒸汽能够通过该蒸汽导管从贮存容器中的蒸汽顶部空间被抽出，并能够被供应至发动机。在设有节约器回路的发动机供应系统中，大多时候，发动机用从贮存容器中的液体空间供应的LNG燃料运作，并且仅当贮存容器中的压力上升高于一个预定极限时，蒸汽从蒸汽顶部空间被吸出，所述预定极限由位于蒸汽导管中的一个调节器设定。这样的系统的一个实施例在美国专利N0.5，421，161中进行了描述，该美国专利例示了一个节约器回路，该节约器回路包括用于在液体抽出导管中提供固定回压(back pressure)的装置，从而当贮存容器中的压力增大到一个预定量之上时，具有最小阻抗力的路径通过蒸汽导管，并且蒸汽优选地从贮存容器的蒸汽顶部空间被抽出，从而更快地降低LNG贮存罐中的压力。
[0007]已知的使用LNG贮存容器来将燃料供应至供以天然气的低压内燃发动机的系统依靠贮存容器中的高饱和压力将燃料推出贮存容器的液体空间并且至发动机。当热从周围环境被传递至贮存容器时，LNG的饱和压力增大，并且足以将燃料推出容器。当发动机在高负载下运作时，贮存容器中的LNG的饱和压力会下降到低于将燃料推出罐所需的水平。在这些情况下，发动机变得燃料匮乏且会在性能欠佳的状况下运行。在这些情况下，驾驶员不得不停止车辆，并等待贮存容器中的压力增大至能够重新启动车辆为止。
[0008]一种已知的增大LNG贮存容器中的压力的方法是使用插入在双壁低温罐的壁之间的压力积聚线圈(pressure building coil)，该压力积聚线圈使来自罐的低温燃料循环。通过LNG贮存容器的壁从外部被传递至压力积聚线圈的热使液体燃料汽化，并且当顶部空间中的压力变得低于一个预定的值时，所形成的蒸汽能够通过调节器被直接供应至贮存容器的顶部空间中。在美国专利N0.4，947，651中描述了这样的一个压力积聚回路。在通常用于低温罐的其他压力积聚回路中，如美国专利N0.5，937，655中描述的一个，压力积聚管线在低温罐外部。在这种系统中，来自罐的低温液体被供给至压力积聚器热交换器，液体在该压力积聚器热交换器中被汽化，并且所产生的气体被递送至储罐以被加压。
[0009]使用压力积聚回路来加压低温流体贮存容器的方法的缺点在于，用于产生被供应至贮存容器的顶部空间以压缩该容器的蒸汽的热也被传递至容器中所包含的液体，从而降低了容器的流体保存时间并需要更频繁的排放。
[0010]现有的依靠贮存容器中的燃料饱和压力来将燃料供应至发动机的低压燃料供应系统的另一缺点是，它们不能在过渡状况下为发动机充足地供应燃料，在所述过渡状况下，所需的燃料供应压力在用于低负载运作所需的低压和用于高负载运作所需的高压之间动态地改变。如果这种天然气燃料系统被安装在较大的车辆(如具有以较高速率消耗燃料的较大发动机的重型卡车)上，此问题变得更加重要。
[0011]因此，需要一种在低压下可靠地将燃料从低温贮存容器递送至燃气内燃发动机的进气系统中的方法，以保证燃料始终并且在包括过渡期间的不同的发动机运作模式过程中以所需的燃料喷射压力被递送至发动机。
【发明内容】
[0012]公开了一种用于将气体状态的燃料递送至燃气内燃发动机的进气系统中的方法。所述方法包括:
[0013]根据发动机的运作状况确定所需的燃料供应压力；
[0014]测量贮存所述燃料的贮存容器的蒸汽空间中的压力；
[0015]将测量压力与所需的燃料供应压力进行比较；以及
[0016]当测量压力等于或高于所需的燃料供应压力时，将气体状态的燃料从所述贮存容器中的蒸汽空间供应至发动机，或者
[0017]当蒸汽空间中的测量压力低于所需的燃料供应压力时，致动燃料泵并且将燃料从所述贮存容器中的液体空间递送至发动机。
[0018]在此方法中，确定所需的燃料供应压力的步骤包括首先将所需的发动机进口压力(engine intake pressure)确定作为发动机运作状况的一个函数，并且之后将一个预定的压力阈值添加至所述所需的发动机进口压力。因为所需的燃料供应压力优选地高于发动机进口压力，所以通过系统压力能够轻易满足动态发动机需求。在优选的实施方案中，被添加至发动机进口压力以确定所需的燃料供应压力的所述预定的压力阈值也被确定作为发动机运作状况的一个函数。发动机运作状况能够从储存在控制器的存储器中的一个图来确定，所述图将发动机速度与表示发动机状况的一个参数(例如，表示燃料需求的参数，如油门位置)相关联。
[0019]在本方法中，致动燃料泵的步骤包括将液压流体从液压泵供应至液压驱动单元，所述液压驱动单元驱动所述燃料泵。所述液压泵优选地由电马达驱动，并且所述电马达独立于所述内燃发动机的运作而被驱动，使得所述燃料泵可独立于发动机状况而被致动。
[0020]在一些实施方案中，至少两个液压泵能够供应液压流体至驱动燃料泵的液压驱动单元，并且本方法进一步包括当被指示的液压流体流速高于能够由仅一个液压泵供应的液压流体流速时，同时电致动至少两个液压泵以将液压流体递送至所述液压驱动单元。
[0021]在优选的实施方案中，通过使燃料流过热交换器来增大燃料的温度。该方法可包括，与当燃料从燃料贮存容器的蒸汽空间被供应时相比，当燃料从燃料贮存容器的液体空间被供应时，增大所述热交换器中的热交换率。在其他实施方案中，热交换器中的热交换率不受系统控制器的控制，并且被设置为恒定。
[0022]如果燃料递送系统包括多个贮存容器，所述多个贮存容器中的每一个都具有对应的蒸汽空间和液体空间，将燃料递送至发动机的本方法进一步包括:
[0023]测量多个贮存容器中的每一个的蒸汽空间中的压力；
[0024]将多个贮存容器中的每一个的蒸汽空间中的测量压力与所需的燃料供应压力进行比较；
[0025]从多个贮存容器中的、蒸汽压力高于所需的系统燃料供应压力的任一个贮存容器的蒸汽空间供应燃料；或者
[0026]当多个贮存容器的蒸汽压力都不高于所需的系统燃料供应压力时，致动燃料泵并且从多个贮存容器中的一个供应所述燃料。
[0027]涉及从多个贮存容器中的一个供应燃料的此方法能够进一步包括测量多个贮存容器的每一个中的燃料的量，以及当致动燃料泵时，从多个贮存容器中的、具有最多的燃料的一个贮存容器供应燃料。
[0028]如果燃料递送系统包括多个贮存容器，所述多个贮存容器中的每一个都具有对应的蒸汽空间和液体空间，并且每一个都具有对应的燃料泵，则本方法进一步包括:
[0029]测量多个贮存容器中的每一个的蒸汽空间中的压力；
[0030]将多个贮存容器中的每一个的蒸汽空间中的测量压力与所需的燃料供应压力进行比较；
[0031]从多个贮存容器中的、蒸汽压力高于所需的系统燃料供应压力的任一个贮存容器的蒸汽空间供应燃料；或者
[0032]当多个贮存容器的蒸汽压力都不高于所需的系统燃料供应压力时，选择且致动燃料泵中的一个，并且从多个贮存容器中相关联的一个贮存容器供应燃料。
[0033]在此方法中，选择燃料泵中的待被致动的一个的步骤是通过