[发明专利]向内燃机供应气体燃料的方法和装置

说明书

技术领域

本申请涉及将气体燃料从补给车(tender car)上的气体燃料储存处供应到机车的内燃机用于燃烧。

背景技术

自二十世纪八十年代初起，多个研究计划和示范项目就已尝试采用天然气作为用于机车的燃料。最初的动机是为了确定与柴油机车相比，是否可以实现排放水平的任何减少，同时维持相同功率水平。这些努力是受到环境保护署(EPA)不断发展的对于机车的排放标准的驱使：在1997年EPA为机车确立了Tier0、1和2标准，且最近在2008年他们为机车订立了Tier3和4标准。Tier3和4标准两者都要求大大减少柴油颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)的排放量。这些努力的结果中只出现了一种商业可用、经过验证和测试的以天然气作为燃料的长途运输机车，其采用低压喷射技术。在由BNSF铁路公司、美国联合太平洋铁路公司(UPRR)、美国铁路协会(统称为“铁路业界(the Railroads)”)和加州环境协会发表于2007年11月的一篇题为“An Evaluation of Natural Gas-fueled Locomotives”的论文中，表明了铁路业界对以天然气作为燃料的机车的立场。除了一些潜在的适当场所应用之外，铁路业界不相信有机会使用天然气作为机车燃料会有助于满足排放和性能目标。这一立场是基于在北美洲可得到的一种已知的市售的以天然气作为燃料的长途运输机车。此产品是用于EMD645二冲程柴油发动机的转换套件，其允许机车以液化天然气(LNG)作为主燃料而运行，同时采用柴油作为引燃燃料。LNG燃料被气化且在低压(85到125磅每平方英寸(psi))下被喷射，以使得燃料和空气在压缩期间混合。接下来，柴油“引燃”燃料的一小部分在冲程的顶部被喷射到气缸之内，在此该小部分的柴油“引燃”燃料自动点火以促使燃烧。

许多研究计划和示范项目尝试了高压喷射技术，其中天然气燃料在压缩循环后期被喷射。在1992年，UPRR在使用电动力柴油(EMD)和GE运输系统(GE)的分别项目中开始了两项上述努力，来深入研究天然气在长途运输、大马力机车发动机中的使用。这是一项重要的、多年的努力，其中UPRR花费了超过一千五百万美元来探索基础的发动机和燃料供应技术课题。在EMD和GE系统两者中采用的天然气喷射压力在3000psi到4500psi之间的范围内。由于技术上的局限，分别由EMD和GE开发的机车不能胜任有效益的运营。在这两个项目中的技术难点包括：气体喷射器故障、用于处理补给罐和机车之间的低温燃料的低温LNG泵、发动机控制系统软件、气体相变控制系统软件、以及燃料系统连接处泄漏。

用于EMD645的转换工具是从由伯灵顿北方铁路公司(BN)在1987年开始的一个计划中开发出来的，该计划涉及开发天然气燃料供应基础设施和能够以天然气运行的长途运输机车这两项漫长的努力。对于燃料供应基础设施，BN与空气化工产品有限公司(APC)合作以开发燃料供应站点和装备有低温罐的补给车，以支持使用冷冻液态甲烷(RLM)作为机车燃料，冷冻液态甲烷是一种高纯度形式的液化天然气。在由天然气研究院于1993年1月发表的一篇题为“LNG as a Fuel for Railroads:Assessment of Technology Status and Economics”的论文中，APC的Bob Kirkland指出，LNG气化可以在机车上或者在补给车上执行。“由于泵送液体比压缩气体所需的能量更少，未来的补给车设计可能会将液体递送到位于机车上且在气化器上游的泵。据空气化工产品公司的Bob Kirkland说，让补给车向机车供应高压液体是不现实的。这样的布置将会涉及长的高压管线，以及在机车和补给车之间的额外的硬件，用于给泵提供动力”。

基于铁路业界的许可以及上面引述的研究和示范项目的结果，显然在后期循环中，将天然气直接高压喷射到机车发动机中并不是一个轻而易举或简单明了的任务。有一些技术挑战妨碍了市售长途运输天然气机车产品的问世，而这些产品能够挑战和改进来自所谓的清洁柴油机车技术的排放。

本发明的方法和装置提供了一种改进的技术，用于将气体燃料从补给车上的气体燃料储存处供应到机车的内燃机用于燃烧。

发明内容