CN105190007A - 从热交换器排放的流体的温度控制 - Google Patents

Abstract

往复活塞低温泵在从汽化器的工艺流体排放温度降低到阈值以下时暂停执行冲程，以防循环通过所述汽化器的热交换流体冻结并损害下游部件。所述泵的暂停会导致汽化器下游的工艺流体压力降低，这是不期望的。在本发明的技术中，监测与汽化器下游的工艺流体温度相关的温度。依据所述温度来调整每一循环中从所述泵排放的工艺流体量，从而使得随着排放量降低，所述工艺流体在所述汽化器中的平均停留时间增加，从而提高工艺流体排放温度。无论泵的排放量如何，通过所述汽化器的所述工艺流体的平均质量流速不变，从而得以维持所述汽化器下游的工艺流体压力。

Description

从热交换器排放的流体的温度控制

技术领域

本申请涉及一种控制来自热交换器的流体的排放温度的技术。在优选实施方案中，所述流体是气体燃料。

发明背景

当气体燃料用作内燃机的燃料时，气体燃料可以在低温下储存。气体燃料的定义是任何在气体状态下处于标准温度和压力下的燃料，标准温度和压力在本文中的定义是1个大气压和20摄氏度与25摄氏度之间。气体燃料接近其沸点储存在储存容器中。例如，对于处于大约1个大气压的储存压力下的甲烷而言，它可以用液化形式在大约-161摄氏度的温度下储存。天然气是一种气体混合物，其中甲烷通常占最大部分，储存温度可以变化，但是一般来说接近甲烷的储存温度。液化气以液体状态从储存容器朝热交换器泵吸，并且通过热交换器，在热交换器中，液化气转变成超临界状态或气体状态，这取决于离开交换器的气体燃料的温度和压力。以液化状态储存气体燃料有一些优点。与要求用较小体积来储存能量基础上的等效燃料量的超临界状态或气体状态相比，气体燃料处在液体状态时能量密度增加。由于与气体相比液体相对无法压缩，所以在处于液体状态时给气体燃料加压，比超临界或气体状态时效率更高。在热交换器中发生汽化之后，燃料喷射系统接收汽化的气体燃料，并且将汽化的气体燃料直接地或间接地引入到发动机中的一个或更多个燃烧室。在本说明书中，汽化是指将液体状态的流体转换成超临界状态或气体状态。虽然天然气(LNG)是一种示例性气体燃料，用于许多高马力(船舶、采矿、机动)和重载(牵拉)发动机应用，但是其它气体燃料同样适用于本文中说明的技术。

在热交换器中必需有热源以使气体燃料的温度增加到其沸点以上。来自内燃机的水套的发动机冷却液可以用作热源。在热交换器中通过单独的路径传送发动机冷却液，从而使得燃烧产生的废热被传递到来自储存容器的液化气体燃料，使得液化气体燃料蒸发。通过利用燃烧过程产生的废热，相比利用从发动机输出得到的能量(例如诸如通过发动机驱动的发电机提供的电能)，效率得到了改善。

出于几点原因，控制从热交换器排放的气体燃料的温度颇为重要。首先，从热交换器排放的气体燃料一般必需处于特定状态，例如超临界状态。其次，温度必须高于预定最小值，从而使得热交换器下游的部件受到保护，以免因温度过冷可能导致部件故障。当热交换器下游的气体燃料的温度下降到预定最小值以下时，或者如果预计会下降到预定最小值以下，则将气体燃料从储存容器传递到热交换器的泵必须暂停(停止)。当泵停止时，停止向燃料喷射系统递送气体燃料，并且随着发动机继续消耗燃料，可用的燃料喷射压力降低到必需水平以下。当可用的燃料喷射压力降低时，发动机可以设计成用降额功率输出继续操作，然后最终停止，或者启用备用辅助燃料。这种情况是不期望的。

当发动机冷却液过冷时，或者当气体燃料在热交换器内部的停留时间过短时，或者由于这两种原因的联合，从热交换器排放的气体燃料的温度可能会降低到预定最小值以下。在正常发动机操作条件期间，发动机冷却液温度维持在预定范围之间。然而，出于多种原因，发动机冷却液温度可能偏离这个范围。一个这样的原因是，周围温度远低于正常发动机操作条件期间的发动机冷却液温度，而在发动机冷却液温度等于或接近这个周围温度时发生发动机冷启动。周围温度过低，还可能导致发动机冷却液温度降低到预定温度范围以下，或者至少使冷启动性能恶化。

热交换器内部的气体燃料的体积一般小于泵的最大排代体积。在每一次泵冲程期间，在热交换器内出口处排放的热交换器内的气体燃料的完整体积加上气体燃料的额外体积，等于泵排代体积与热交换器体积之间的差。在正常发动机操作条件下，发动机冷却液与热交换器内部的液化气体燃料之间的温差足以使从热交换器排放的气体燃料完全汽化。然而，当发动机冷却液过冷时，额外体积的气体燃料在热交换器内部的停留时间不足以实现其汽化。

一种增加气体燃料在热交换器内部的停留时间的技术是降低泵的速度。然而，当泵的速度降低时，气体燃料的流速相应降低，这样可能导致热交换器下游的燃料压力降低，或者导致燃料压力发生不期望的波动。一般而言，发动机不是在全负荷下运转，而泵也不需要不停地持续执行冲程。在这些条件下，可以降低泵速以增加气体燃料在热交换器中的停留时间。然而，在从发动机直接驱动泵的系统中，不可能与发动机速度变化分开地改变泵速。

Batenburg等人的2006年4月20日公布的加拿大专利No.2,523,732(下文中称为Batenburg)公开了一种流体递送系统和方法，其从低温储存容器泵吸工艺流体，并将其作为加压气体传送给最终使用者。所述技术包括，在工艺流体压力低于预定低压阈值时，启动泵并且泵吸工艺流体，并且在工艺流体压力高于预定高压阈值时，停止泵。将工艺流体引导到汽化器，在汽化器中，通过热交换流体发出的热量使工艺流体汽化。在汽化器的下游测量工艺流体温度，并且当工艺流体的温度低于预定阈值温度时，临时暂停泵，基于预定义的启用条件再重新启动泵。

需要一种改善的技术，能够在导致汽化气体燃料的温度降低到预定最小值以下的不利的发动机操作条件期间防止泵暂停。本发明的方法和装置提供一种用于改善用液化气体燃料提供燃料的内燃机的操作的技术。

发明概要

一种控制使流体汽化的热交换器的排放温度的改善的方法包括监测与所述热交换器下游的流体温度相关的温度。泵在多种模式中操作。在第一模式中，当所述温度高于预定最小值时，在通过所述热交换器的每一循环中泵吸第一量的流体。在第二模式中，当所述温度等于或小于所述预定最小值时，在通过所述热交换器的每一循环中泵吸第二量的流体。第二量小于第一量，借此流体在热交换器内部的平均停留时间增加，从而使得热交换器下游的流体温度增加。依据操作条件，热交换器可以将流体转换成超临界状态和气体状态中的一种。流体可以是气体燃料，诸如天然气、甲烷、丙烷、乙烷、生物气、填埋气体、氢气和这些燃料的混合物。依据与热交换器下游的流体温度相关的温度、热交换器下游的流体压力、泵的效率和泵的速度中的至少一个确定第二量。泵可以是正排量泵，诸如往复活塞泵。与泵吸第一量的流体时相比，在泵吸第二量的流体时，泵的操作频率更高。

在优选实施方案中，与第一量相关的第一体积大于热交换器内部的热交换区域内的总体积，并且与第二量相关的第二体积等于或小于热交换区域内的总体积。

在另一个优选实施方案中，所述方法还包括利用来自内燃机的发动机冷却液中的废热作为热源使流体汽化。与热交换器下游的流体温度相关的温度是下面中的一个：发动机冷却液温度、发动机冷却液温度与流体温度之间的温差，以及热交换器下游的流体温度。

在又另一个优选实施方案中，往复活塞泵是液压致动的泵，所述方法还包括减少在排放冲程期间用于延伸活塞的液压流体的体积，从而减少排放冲程长度。替代地或另外地，所述方法可以包括减少在吸入冲程期间用于缩回活塞的液压流体的体积，从而减少随后的排放冲程的排放冲程长度。依据与热交换器下游的流体温度相关的温度、热交换器下游的流体压力、往复活塞泵的效率、往复活塞泵中的活塞的速度和液压流体流速中的至少一个确定所述液压流体的体积。

在又另一个优选实施方案中，第一量是目标量。当在第一模式中时，所述方法还包括：将在通过所述热交换器的每一循环中有待泵吸的所述流体的当前预定量初始化成小于所述目标量的值；以及在泵吸循环之间使所述当前预定量递增，直到所述当前预定量等于所述目标量为止。可以依据所述温度和热交换器下游的流体的压力中的至少一个来确定第一量。可以通过选择往复活塞泵的冲程长度来确定初始化时的当前预定量。当在第二模式中时，将当前预定量设置成第二量，并且所述方法还包括在泵吸循环之间使所述当前预定量递增，直到所述当前预定量等于所述目标量为止。

一种控制使流体汽化的热交换器的排放温度的改善的方法包括监测热交换器下游的流体温度。通过从期望的流体温度减去所述流体温度在预定公差范围内确定温度误差。通过控制每一循环中泵吸的量来操作泵。当温度误差大于零时减少所述量。当温度误差小于零时增加所述量。依据温度误差来确定所述量。可以进一步依据热交换器下游的流体压力、泵效率和泵速中的至少一个来确定所述量。

一种用于向内燃机供应气体燃料的改善的燃料供应系统包括用于从液体状态的气体燃料的供应源泵吸气体燃料的泵吸装置。热交换器从泵吸装置接收气体燃料并且使其汽化，并且向内燃机供应所述气体燃料。热交换器利用来自电加热器、锅炉和来自内燃机的发动机冷却液中的至少一个的热使气体燃料汽化，所述锅炉燃烧来自气体燃料供应源的沸腾气体和液体状态的气体燃料中的至少一个。温度传感器发射代表下面中的一项的温度信号：热交换器下游的气体燃料温度，热交换器上游的发动机冷却液温度，以及热交换器内部的热交换区域的高侧温度。控制器与泵吸装置和温度传感器操作性地连接，并且经过编程以依据温度信号确定温度，并且在多种模式中操作泵吸装置。在第一模式中，当温度高于预定最小值时，所述泵吸装置被致动以在通过热交换器的每一循环中泵吸第一量的气体燃料。在第二模式中，当温度等于或小于预定最小值时，所述泵吸装置被致动以在通过热交换器的每一循环中泵吸第二量的气体燃料。所述第二量小于所述第一量，并且气体燃料在热交换器内部的平均停留时间增加，从而使得热交换器下游的气体燃料温度增加。所述泵吸装置可以包括诸如往复活塞泵的正排量泵。在优选实施方案中，往复活塞泵是液压致动的泵。在另一个优选实施方案中，与所述第一量相关的第一体积大于热交换器内部的热交换区域内的气体燃料的总体积，并且与所述第二量相关的第二体积等于或小于热交换器内部的热交换区域内的气体燃料的总体积。

一种用于向内燃机供应气体燃料的改善的燃料供应系统包括用于从液体状态的气体燃料的供应源泵吸气体燃料的泵吸装置。热交换器从泵吸装置接收气体燃料并且使其汽化，并且向内燃机供应所述气体燃料。所述热交换器与内燃机的发动机冷却液回路连接，并且利用来自内燃机的发动机冷却液中的废热来增加气体燃料温度。第一温度传感器发射代表热交换器下游的气体燃料温度的温度信号。第二温度传感器发射代表热交换器上游的发动机冷却液温度的温度信号。控制器与泵吸装置以及第一和第二温度传感器操作性地连接，并且经过编程以依据来自第一温度传感器的温度信号和来自第二温度传感器的温度信号中的至少一个来确定温度。控制器在多种模式中操作泵吸装置。在第一模式中，当温度高于预定最小值时，所述泵吸装置被致动以在通过热交换器的每一循环中泵吸第一量的气体燃料。在第二模式中，当温度等于或小于预定最小值时，所述泵吸装置被致动以在通过热交换器的每一循环中泵吸第二量的气体燃料。所述第二量小于所述第一量，并且气体燃料在热交换器内部的平均停留时间增加，从而使得热交换器下游的气体燃料温度增加。所述泵吸装置可以包括诸如往复活塞泵的正排量泵。

在优选实施方案中，所述泵吸装置是液压致动的往复活塞泵。所述燃料系统还包括液压泵、液压流体储器、流量控制阀和液压回路，所述液压回路连接液压致动的往复活塞泵、流量控制阀、液压泵和液压流体储器。所述控制器与流量控制阀操作性地连接，并且还经过编程以致动流量控制阀以控制用于在排放冲程期间延伸液压致动的往复活塞泵中的活塞的液压流体的体积，从而控制排放冲程长度。替代地或另外地，所述控制器可以致动流量控制阀以控制用于在吸入冲程期间缩回液压致动的往复活塞泵中的活塞的液压流体的体积，从而控制随后的排放冲程的排放冲程长度。

在另一个优选实施方案中，所述燃料系统还包括压力传感器，其发射代表热交换器下游的气体燃料压力的压力信号。所述控制器接收压力信号，并且依据压力信号确定热交换器下游的气体燃料压力。所述控制器还经过编程以依据下面中的至少一项来确定用于延伸活塞的液压流体的体积：所述温度、热交换器下游的气体燃料压力、往复活塞泵的效率、往复活塞泵中的活塞的速度和液压流体流速。替代地或另外地，所述控制器可以依据下面中的至少一项来确定用于缩回活塞的液压流体的体积：所述温度、热交换器下游的气体燃料压力、往复活塞泵的效率、往复活塞泵中的活塞的速度和液压流体流速。

附图简要说明

图1是根据第一实施方案的内燃机的气体燃料供应系统的示意图。

图2是根据一个实施方案的正排量泵和图1的气体燃料供应系统的热交换器的简化图，示出了在吸入冲程之后泵中的活塞处在缩回位置。

图3是图2的正排量泵和热交换器的简化图，示出了活塞在完整压缩冲程之后处在完全延伸的位置。

图4是图2的正排量泵和热交换器的简化图，示出了活塞在部分压缩冲程之后处在部分延伸的位置。

图5是根据第二实施方案的内燃机的气体燃料供应系统的示意图。

图6是图5的气体燃料供应系统的液压致动的往复活塞正排量泵和热交换器的简化图，示出了在吸入冲程之后泵中的活塞处在缩回位置。

图7是图6的液压致动的往复活塞正排量泵和热交换器的简化图，示出了活塞在完整压缩冲程之后处在完全延伸的位置。

图8是图6的液压致动的往复活塞排量泵和热交换器的简化图，示出了活塞在部分压缩冲程之后处在部分延伸的位置。

图9是根据第三实施方案的内燃机的气体燃料供应系统的示意图，所述气体燃料供应系统包括利用电加热器作为汽化用的热源的热交换器。

图10是根据第四实施方案的内燃机的气体燃料供应系统的示意图，所述气体燃料供应系统包括利用燃烧沸腾气体的锅炉作为汽化用的热源的热交换器。

图11是根据第一实施方案的用于控制热交换器的排放温度的算法的流程图，其控制方式是通过操作一个泵，所述泵泵吸液体状态的气体燃料使其通过本文中说明的气体燃料供应系统的实施方案的热交换器。

图12是根据第二实施方案的用于控制热交换器下游的流体温度的算法的示意图。

图13是根据第三实施方案的用于控制热交换器的排放温度的算法的流程图，其控制方式是通过操作一个泵，所述泵泵吸液体状态的气体燃料使其通过本文中说明的气体燃料供应系统的实施方案的热交换器。

优选实施方案的详细说明

参照图1，其中示出了简化的气体燃料供应系统100，其递送燃料到内燃机110。气体燃料在低温下作为液体储存在储存容器120中。泵吸装置130通过管道240从容器120泵吸液化的气体燃料，通过管道250朝热交换器140泵吸，在热交换器140中，燃料从液体转变成超临界状态。在本实施方案中，热交换器140下游的气体燃料的压力和温度使得气体燃料处在超临界状态，但在其它实施方案中，气体燃料的压力和温度使得气体燃料处在气体状态。另外，由于递送更多液化气到管道250中，所以装置130在管道190中给热交换器140下游的汽化气体燃料加压。燃料喷射系统(未示出)与管道190流体地连通，并且(直接地或间接地)将汽化气体燃料引入到内燃机110中的一个或更多个燃烧室。管道205和210是发动机冷却液回路的一部分，并且与发动机110中的水套(未示出)流体连通，从而允许发动机冷却液从水套循环通过热交换器140，在热交换器140中，利用燃烧产生的废热使液化的气体燃料汽化。

电子控制器150与发动机110连通，以从内燃机中使用的传感器接收状态信号，并且控制致动器，诸如燃料喷射器中设置的致动器。温度传感器160发送代表管道205中的发动机冷却液的温度的信号到控制器150。替代地或另外地，可以利用温度传感器(未示出)发送代表管道210中的发动机冷却液的温度的信号到控制器。温度传感器170发送代表管道190中的汽化气体燃料的温度的信号，并且压力传感器180发送代表管道190中的汽化气体燃料的压力的信号到控制器150。

泵吸装置130包括正排量泵，其允许气体燃料在泵的压缩冲程(也称为排放冲程)期间可变地位移。可以利用机械地、液压地和电气地致动的类型的正排量泵。经由控制线路230传输命令和状态信号，从而使得控制器150命令泵吸装置130执行泵吸。替代地或另外地，利用从发动机110的机械驱动220(诸如动力输出等等)来致动装置130以泵吸液化的气体燃料。

现在参照图2，其中示出了泵吸装置130的部分示意图，包括以简化形式示出的往复活塞泵300，这是本领域技术人员已知的。活塞杆320与活塞310连接，并且通过已知的机械、液压或电气致动的机构受到驱动，以使活塞在汽缸330内在汽缸头340与350之间往复运动。吸入止回阀360在泵300的吸入冲程期间当活塞310离开汽缸头340时，允许液化的气体燃料从储存容器120进入汽缸330。排放止回阀370在泵300的排放冲程(也称为压缩冲程)期间当活塞310朝汽缸头340移动时允许液化的气体燃料从汽缸330流出。吸入止回阀360在排放冲程期间关闭，并且排放止回阀370在吸入冲程期间关闭，这是本领域技术人员已知的。泵300的最大排代体积是V_P,MAX，这是在吸入冲程之后活塞完全缩回汽缸头350(如图2中图解的)时活塞310与汽缸头340之间的体积。活塞310在完整吸入冲程期间行进的长度是L_id。在排放冲程期间，泵300通过使活塞310完全延伸到汽缸头340而排放等于排代体积V_P,MAX的气体燃料体积，如图3所示。活塞310在完整吸入冲程期间行进的长度也是L_id。

热交换器140包括热交换导管400，气体燃料通过热交换导管400从泵300朝发动机110传递。导管400表示有效热交换区域，在这里，通过热交换器从供应管道205传到返回管道210的发动机冷却液与气体燃料之间传热。导管400内的气体燃料的体积定义为V_HE，并且在本说明书中也称为有效热交换体积。在正常发动机操作条件期间，气体燃料在液体状态下从管道250进入导管400，并且在超临界状态下从导管流到管道190中。管道205中的发动机冷却液与进入导管400的液化的气体燃料之间的温差允许发生充分的传热，以使从热交换器140排放的气体燃料汽化，并且在导管190中使其温度上升到预定最小值以上。在所有发动机操作条件下发动机冷却液与液化的气体燃料之间的温差基本上取决于管道205中的发动机冷却液的温度，这是因为在容器120和管道250中液化的气体燃料的温度处在或接近其沸点。优选的是在正常的发动机操作条件期间，发动机冷却液温度足够高，以允许泵300的每一排放冲程时，从热交换器140排放大于V_HE的体积的气体燃料，从而使得导管190中的气体燃料的温度高于预定最小值。也就是说，热交换器有目的地设计成当热交换器体积V_HE与泵300的最大排代体积V_P,MAX相比时“尺寸过小。这些体积根据下面的等式1相关，其中n表示任何大于1的实数。对于泵300的每一完整排放冲程，离开导管400进入导管190的气体燃料的体积等于最大排代体积V_P,MAX。这个体积由停留体积V_R与通过体积V_T构成，停留体积V_R是排放冲程之前热交换器中存在的气体燃料的体积，并且通过体积V_T是在排放冲程期间进入和完全通过导管400通过的气体燃料的体积。停留体积V_R等于热交换器体积V_HE，通过等式2表示，并且通过体积V_T等于排代体积V_P,MAX与热交换器体积V_HE之间的差值，通过等式3表示。

V_P,MAX＝n*V_HE等式1

V_R＝V_HE等式2

V_T＝V_P,MAX-V_HE等式3

在发动机110的某些发动机操作条件期间，发动机冷却液与液化天然气之间的温差不足以使导管190中的汽化气体燃料的温度上升到预定最小值以上。一个这样的条件发生在发动机冷却液的温度等于或接近周围温度时的发动机冷启动期间。在这个情形中，没有足够的热从发动机冷却液传递到排放冲程期间离开热交换器140的气体燃料体积，以使气体燃料的温度上升到预定最小值以上。为了提高导管190中的气体燃料温度，必须增加对每一泵冲程从热交换器140排放的气体燃料体积的传热。提高温差将增加传热；因为发动机冷却液温度不能立即提高，所以必须利用另一种技术。增加泵300的每一排放冲程期间从热交换器排放的气体燃料体积的有效停留时间，也会增加对气体燃料的传热。传递到气体燃料中的热量取决于传热速率(依据发动机冷却液温度与液化的气体燃料温度之间的温差而变)和气体燃料在热交换器140的有效热交换区域中花费的时间量(停留时间)。通过执行活塞310的部分排放和吸入冲程，可以实现有效停留时间的增加。例如，图4图解一个这样的部分排放冲程结束时的活塞310。可以使所述活塞在图4和图2中图解的位置之间往复运动。部分吸入和排放冲程的长度是L_psl，其小于完整吸入和排放冲程的长度L_id。在另一个实施方案中，可以通过使活塞310在图3和图4中图解的位置之间往复运动来完成部分冲程。这些部分吸入和排放冲程的长度是L_ps2，其小于完整吸入和排放冲程的长度L_id。在又一实施方案中，可以通过使活塞310在汽缸330内的任何两个位置之间往复运动来完成部分冲程。对于任何部分排放冲程，停留体积V_R占通过体积V_T的比例增加。也就是说，在部分冲程期间，通过体积减小。在限度以内，通过体积可能降低为零，而停留体积随每一部分排放冲程朝零降低。通过降低穿过导管400的气体燃料的体积，从热交换器排放的气体燃料的有效停留时间增加。当泵300在执行部分排放和吸入冲程时，由于泵速在部分冲程期间不变，所以气体燃料通过热交换器140时的流速不变。在部分冲程期间活塞310的往复运动频率增加，但是每一冲程从泵300位移的体积降低，从而在预定公差范围内，维持泵的恒定整体气体燃料流速。在理想的泵中，当每个冲程位移体积降低并且冲程频率增加且活塞310的速度保持不变时，整体气体燃料流速保持不变，然而在不理想的泵中，由于循环之间的切换延迟的缘故，气体燃料流速降低。对于理想的泵和不理想的泵，排放冲程期间瞬时气体燃料流速都不变。

现在参照图5，以示意图形式示出根据第二实施方案的气体燃料供应系统200，第二实施方案类似于图1的实施方案，并且相似的部分用相似的元件符号表示，并且可能不予详细说明，甚至根本不予说明。泵吸装置130包括往复活塞正排量泵301，其通过液压回路500致动。液压泵510通过流量控制阀530从储器520泵吸液压流体。通过发动机110经由机械连锁220驱动液压泵510，从而使得液压泵510的速度与发动机110的速度直接相关。控制器150经由线路230致动阀530，以切换液压流体从泵301进出的流向，并且将流从泵301完全转向。液压流体在管道540和550中相对于泵301的流向在吸入冲程与排放(压缩)冲程之间交替，下文将更具体地予以解释。当泵301暂停或停止时，液压流体流从泵转向回到储器520。液压流体在回路500中的流速与发动机110的速度直接相关。类似地，泵在持续地泵吸时泵301所泵吸的气体燃料的流速也与发动机110的速度直接相关，因为泵301受到液压回路500的驱动。在任何特定发动机速度下无法降低泵301的速度以增加气体燃料在热交换器140中的停留时间，除非在发动机110与液压泵510之间利用传动设备，而这样会增加燃料系统200的成本并影响气体燃料流速。

现在参照图6，更具体地说明泵301。汽缸331类似于前一个实施方案中的汽缸330，在活塞310的吸入冲程期间吸入气体燃料，且在排放冲程期间排放气体燃料。在吸入冲程和排放冲程期间利用液压气缸332和液压活塞312驱动活塞杆320和活塞310。液压端口600和610分别与管道540和550连接，并且依据图5中看到的流量控制阀530的当前位置允许液压流体在活塞312的任一侧上进入汽缸332。在吸入冲程期间，液压流体通过端口610进入汽缸332，从而使得活塞312朝汽缸头620移动，因而通过端口600排空汽缸头620与活塞312之间的任何液压流体。在完整吸入冲程之后，活塞312邻近于汽缸头620，并且活塞310邻近于汽缸头350。活塞312在完整吸入冲程期间行进的长度是L_hid。在排放冲程期间，液压流体通过端口600进入汽缸332，从而使得活塞312朝汽缸头350移动，因而通过端口610排空汽缸头350与活塞312之间的任何液压流体。在完整排放冲程之后，活塞312邻近于汽缸头350，并且活塞310邻近于汽缸头340，如图7中图解。活塞312在完整排放冲程期间行进的长度也是L_hid。

现在参照图6和图8，可以使泵301执行部分冲程以增加气体燃料在热交换器140中的停留时间。在活塞310和312完成完整吸入冲程之后，如图6中图解，控制器150命令流量控制阀530使液压流体流到端口600中，直到活塞312达到图8中图解的位置为止，在这之后，控制器命令阀530使液压流体在端口600和610中交替流动，从而使得活塞312返回图6中图解的位置。可以使活塞310和312在图6和图8中图解的位置之间往复运动。液压活塞312在部分冲程期间行进的长度是L_hps1，其小于完整吸入冲程和排放冲程的长度L_hid。在另一个实施方案中，可以通过使活塞310和312在图7和图8中图解的位置之间往复运动而使泵301执行部分冲程，并且液压活塞312在这个部分冲程期间行进的长度是L_hps2，其小于完整吸入冲程和排放冲程的长度L_hid。在又一个实施方案中，可以通过使活塞312在汽缸332内的任何两个位置之间往复运动而使泵301执行部分冲程。图8中的部分冲程长度L_hps1和L_hps2对于本实施例是任意的，并且活塞312在汽缸头620与350之间的任何部分冲程都是可能的。部分冲程期间允许进入汽缸332的液压流体的体积决定了部分冲程之后活塞310和312的位置，这个体积依据包括下面至少一项在内的发动机操作条件而变：热交换器140下游的气体燃料温度、发动机冷却液温度、发动机冷却液温度与气体燃料温度(热交换器140上游或下游)之间的温差，以及气体燃料从泵301的排放流速。当发动机冷却液温度增加时，汽化气体燃料的温度也增加。气体燃料从泵301的排放流速随下面至少一项而变：管道190中的气体燃料压力、泵301的预测或实际效率，以及活塞310的速度(它依据液压流体到泵301的流速而变)。

现在参照图9，图中示出了根据第三实施方案的气体燃料供应系统700，第三实施方案类似于图1的实施方案，并且相似的部分用相似的元件符号表示，并且可能不予详细说明，甚至根本不予说明。热交换器141包括电加热器(未示出)，用于发热使从泵吸装置130接收的液化的气体燃料汽化。控制器150经由线路710控制电加热器发出的热量，并且这个热量可以与发动机110的速度变化无关地增加或减少。温度传感器720向控制器150发射信号，这些信号代表热交换器内部的热交换区域的温度，例如代表电加热器的温度。有利的是在本实施方案中执行前面关于泵吸装置130说明的部分冲程的技术，因为从电加热器发出的热无法立即增加，或者可能不期望增加电加热器的耗能。在一些应用中，有利的是将热交换器141中的电加热器与在热交换器140中利用发动机冷却液组合成单个热交换装置。

现在参照图10，图中示出了根据第四实施方案的气体燃料供应系统800，第四实施方案类似于图1的实施方案，并且相似的部分用相似的元件符号表示，并且可能不予详细说明，甚至根本不予说明。热交换器142包括锅炉(未示出)，所述锅炉燃烧下面中的至少一个：经由管道830从储存容器120接收的沸腾气体，以及从储存容器120接收的液化的气体燃料以便发热使液化的气体燃料汽化。控制器150经由线路810控制锅炉发出的热量，并且这个热量可以与发动机110的速度变化无关地增加或减少。温度传感器820向控制器150发射信号，这些信号代表热交换器内部的热交换区域的温度，例如代表锅炉产生的温度。有利的是在本实施方案中执行前面关于泵吸装置130说明的部分冲程技术，因为从锅炉发出的热无法立即增加，或者可能不期望增加锅炉的沸腾气体消耗。在一些应用中，有利的是将热交换器142中的锅炉与在热交换器140中利用发动机冷却液组合成单个热交换装置。

现在参照图11，图解用于通过操作泵吸装置130来控制热交换器140、141和142下游的气体燃料温度的第一实施方案中的算法900。在步骤910中，监测与热交换器下游的气体燃料温度相关的温度。所述相关温度可以是热交换器下游的实际气体燃料温度、发动机冷却液温度、热交换器141内部因电加热器引起的热交换区域的高侧温度、热交换器142内部因锅炉引起的热交换区域的高侧温度，或气体燃料温度与这些其它温度之间的温差。热交换器内部的高侧温度是指在热交换区域边界用来使气体燃料汽化的相应热源的温度。低侧温度对应于通过热交换器的气体燃料的最低温度。发动机冷却液温度与热交换器140下游的气体燃料温度直接相关，因为当发动机冷却液温度增加时，气体燃料温度增加。因热交换器141中的电加热器或热交换器142中的锅炉引起的热交换区域的高侧温度也与气体燃料温度直接相关。在步骤920中，比较监测到的温度和预定最小值T_M。在步骤930中，当监测到的温度大于预定最小值T_MIN时，命令泵吸装置130对于装置130的每一排放冲程泵吸第一量的气体燃料，使其通过热交换器140、141和142。在步骤940中，当监测到的温度小于或等于预定最小值T_MIN时，命令泵吸装置130对于装置130的每一排放冲程泵吸第二量的气体燃料，使其通过热交换器140、141和142。依据与热交换器下游的下游气体燃料温度相关的温度和热交换器下游的气体燃料压力中的至少一项确定第二量。第二量小于第一量，从而使得气体燃料在热交换器140、141和142的热交换区域中的平均停留时间增加，因而增加热交换器下游的气体燃料温度。可以在开环模式或闭环模式中利用算法900。在开环模式中，基于监测与热交换器下游的气体燃料温度相关的温度来控制泵吸装置130。在闭环模式中，算法900可以通过驱动监测到的温度与预定最小值T_MIN之间的误差信号来控制与下游温度相关的温度。

现在参照图12，图解第二实施方案中用于通过操作泵吸装置130来控制热交换器140、141和142下游的气体燃料温度的算法950。算法950图解控制热交换器下游的气体燃料温度的第一闭环技术。测量热交换器下游的气体燃料的实际温度T_A。在步骤960中，通过从热交换器下游的气体燃料的期望温度T_D减去实际温度T_A来确定温度误差T_E。泵吸量控件970接收温度误差T_E，并且控制泵吸装置130的操作，其控制方式是通过在T_E大于零时减少每一循环的泵吸量并在T_E小于零时增加每一循环的泵吸量。泵吸量控件970依据至少温度误差T_E确定泵吸量，并且可以进一步利用热交换器140、141和142下游的气体燃料压力和前面说明的其它参数。

现在参照图13，图解第三实施方案中用于通过操作泵吸装置130来控制热交换器140、141和142下游的气体燃料温度的算法1000。算法1000利用控制热交换器下游的气体燃料温度的第二闭环技术，其中选择针对每一冲程要泵吸的目标气体燃料量，并且针对每一冲程泵吸的实际气体量递增，直到达到目标量为止。虽然是针对泵吸装置130包括往复活塞型泵说明算法1000，但是在其它实施方案中有类似的技术。在步骤1010中，选择初始冲程长度作为当前预定冲程长度。当发动机110冷启动时，所选择的初始冲程长度小于最大冲程长度，因为发动机冷却液温度较低，并且泵吸大量气体燃料可能会导致热交换器下游的气体燃料温度降低到预定最小值T_MIN以下，这可能导致用作热交换器中的热交换流体的发动机冷却液冻结。在步骤1020中，确定泵吸装置130的每次冲程时有待位移的目标气体燃料量。在优选实施方案中，依据发动机冷却液温度和热交换器140、141和142下游的气体燃料的压力来选择目标量。在其它实施方案中，可以利用其它发动机操作条件和温度来选择目标量，诸如上文相对于图11的实施方案说明的相关温度之一。在步骤1030中，命令泵吸装置130在当前预定冲程长度中执行冲程。在步骤1040中，比较上文关于图11的实施方案说明的监测到的温度与预定最小值T_MIN。当监测到的温度低于预定最小值T_MIN时，在步骤1050中，缩短当前预定冲程长度，并且控制返回步骤1020。当在步骤1030中泵吸的气体燃料的质量和热交换器中的温度梯度足够大，使得监测到的温度降低到预定最小值T_MIN以下时，会发生上述情况。当前预定冲程长度的减小量可以用多种方式选择，诸如通过预定量和预定因素之一。通过降低当前预定冲程长度，每一冲程泵吸的气体燃料质量降低，因而气体燃料在热交换器内的停留时间增加，并且气体燃料在从热交换器出来时的温度也增加。在本文中的所有实施方案中，当监测到的温度低于预定最小值T_MIN时，可以说泵吸装置130是在第二模式中操作，否则泵吸装置是在第一模式中操作。返步回骤1040，当监测到的温度高于预定最小值T_MIN时，控制前进到步骤1060，在这个步骤中，确定是否已经冲程了目标气体燃料量。气体燃料的实际冲程(位移)量可以根据下面的等式4确定，其中dm表示位移质量，V表示位移质量所进入的泵吸装置下游的体积，dP和dT表示分别在热交换器下游的气体燃料压力和温度的变化，R是理想的或通用的气体常数，并且z是正被压缩(泵吸)的流体(气体燃料)的可压缩性因子。在优选实施方案中，可以通过测量泵吸装置130冲程之前和之后热交换器下游的气体燃料蓄积器中的温差来确定dT。如果未冲程目标气体燃料量，则在步骤1070中冲程长度递增预定量，否则控制返回步骤1020，其中重复所述算法。通过逐渐增加所冲程的气体燃料量，可以调节热交换器下游的气体燃料温度，并且可以减少热交换器利用的热交换流体发生冻结的可能性。当在步骤1020中选择的新的目标量小于当前预定量时(这可能是因为多种原因，诸如下游气体燃料压力)，则相应地调整冲程长度。

$dm=\frac{dP\×V}{z\×R\×dT}$ 等式4

虽然已经示出和说明了本发明的特定元件、实施方案和应用，但是应理解，本发明不限于这些，因为在不背离本公开的范围的情况下，尤其是鉴于前述教导，本领域的技术人员可以进行修改。

Claims (25)

1.一种控制使流体汽化的热交换器的排放温度的方法，所述方法包括：

监测与所述热交换器下游的所述流体温度相关的温度；

在多个模式下操作泵，第一模式在所述温度高于预定最小值时在通过所述热交换器的每一循环中泵吸第一量的所述流体；以及

第二模式在所述温度等于或小于所述预定最小值时在通过所述热交换器的至少一个循环中泵吸第二量的所述流体，其中所述第二量小于所述第一量，借此所述流体在所述热交换器内部的所述平均停留时间增加，从而使得所述热交换器下游的所述流体温度增加。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述热交换器将所述流体转换成超临界状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体是气体燃料。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述气体燃料是天然气、甲烷、丙烷、乙烷、生物气、填埋气体、氢气和这些燃料的混合物中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的方法，其中依据与所述热交换器下游的所述流体温度相关的所述温度、所述热交换器下游的所述流体压力、所述泵的效率和所述泵的速度中的至少一个确定所述第二量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述泵是正排量泵。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述正排量泵是往复活塞泵。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述往复活塞泵是液压致动的泵，所述方法还包括下面中的至少一项：

减少用于在排放冲程期间延伸活塞的液压流体的体积，从而减少所述排放冲程长度；以及

减少用于在吸入冲程期间缩回活塞的液压流体的体积，从而减少随后的排放冲程的所述排放冲程长度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中依据与所述热交换器下游的所述流体温度相关的所述温度、所述热交换器下游的所述流体压力、所述往复活塞泵的效率、所述往复活塞泵中的活塞的速度和液压流体流速中的至少一项确定液压流体的所述体积。

10.根据权利要求1所述的方法，其中与泵吸所述第一量的所述流体时相比，当泵吸所述第二量的所述流体时，所述泵的操作频率更高。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一量相关的第一体积大于所述热交换器内部的热交换区域内的总体积，并且与所述第二量相关的第二体积等于或小于所述热交换区域内的所述总体积。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括利用来自内燃机的发动机冷却液中的废热作为热源使所述流体汽化，其中，与所述热交换器下游的所述流体温度相关的所述温度是所述发动机冷却液温度、所述发动机冷却液温度与所述流体温度之间的温差以及所述热交换器下游的所述流体温度中的一项。

13.根据权利要求1所述的方法，其中依据所述温度和所述热交换器下游的所述流体的压力中的至少一项确定所述第一量。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一量是目标量，当在所述第一模式中时，所述方法还包括：

将在通过所述热交换器的每一循环中有待泵吸的所述流体的当前预定量初始化成小于所述目标量的值；以及

在泵吸循环之间递增所述当前预定量，直到所述当前预定量等于所述目标量为止。

15.根据权利要求14所述的方法，其中通过选择往复活塞泵的冲程长度来确定初始化时的所述当前预定量。

16.根据权利要求14所述的方法，其中当在所述第二模式中时，将所述当前预定量设置成所述第二量，所述方法还包括：

在泵吸循环之间递增所述当前预定量，直到所述当前预定量等于所述目标量为止。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二量是当前预定量，当在所述第二模式中时，所述方法还包括：

在泵吸循环之间递增所述当前预定量，直到所述当前预定量等于所述第一量为止。

18.一种用于向内燃机供应气体燃料的燃料供应系统，其包括：

泵吸装置，用于从液体状态下的气体燃料供应源泵吸所述气体燃料；

热交换器，其从所述泵吸装置接收所述气体燃料并使所述气体燃料汽化，并且向所述内燃机供应所述气体燃料，所述热交换器利用来自下面中的至少一个的热量使所述气体燃料汽化：

电加热器；

锅炉，其燃烧来自所述气体燃料供应源的沸腾气体和液体状态下的所述气体燃料中的至少一个；以及

来自所述内燃机的发动机冷却液；

温度传感器，其发射代表下面中的一项的温度信号：所述热交换器下游的所述气体燃料温度，所述热交换器上游的所述发动机冷却液温度，以及所述热交换器内部的热交换区域的高侧温度；以及

控制器，其与所述泵吸装置和所述温度传感器操作性地连接，并且经过编程以：

依据所述温度信号确定温度；

在多个模式中操作所述泵吸装置：

在第一模式中，当所述温度高于预定最小值时，致动所述泵吸装置以在通过所述热交换器的每一循环中泵吸第一量的所述气体燃料；以及

在第二模式中，当所述温度等于或小于所述预定最小值时，致动所述泵吸装置以在通过所述热交换器的每一循环中泵吸第二量的所述气体燃料，其中所述第二量小于所述第一量，并且所述气体燃料在所述热交换器内部的所述平均停留时间增加，从而使得所述热交换器下游的所述气体燃料温度增加。

19.根据权利要求18所述的燃料系统，其中，与所述第一量相关的第一体积大于所述热交换器内部的所述热交换区域内的气体燃料的总体积，并且与所述第二量相关的第二体积等于或小于所述热交换器内部的所述热交换区域内的气体燃料的所述总体积。

20.根据权利要求18所述的燃料供应系统，其中所述泵吸装置包括正排量泵。

21.根据权利要求20所述的燃料供应系统，其中所述正排量泵是往复活塞泵。

22.根据权利要求21所述的燃料供应系统，其中所述往复活塞泵是液压致动的泵。

23.根据权利要求18所述的燃料供应系统，其中所述第一量是目标量，当在所述第一模式中时，所述控制器还经过编程以：

将在通过所述热交换器的每一循环中有待泵吸的所述流体的当前预定量初始化成小于所述目标量的值；以及

在泵吸循环之间递增所述当前预定量，直到所述当前预定量等于所述目标量为止。

24.根据权利要求23所述的燃料供应系统，其中当在所述第二模式中时，将所述当前预定量设置成所述第二量，所述控制器还经过编程以：

在泵吸循环之间递增所述当前预定量，直到所述当前预定量等于所述目标量为止。

25.根据权利要求18所述的燃料供应系统，其中所述第二量是当前预定量，当在所述第二模式中时，所述控制器还经过编程以：

在泵吸循环之间递增所述当前预定量，直到所述当前预定量等于所述第一量为止。