專利名稱：減少排放物的燃料系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃機或燃燒室以及更具體地涉及一個用于減少燃機或燃燒室之不希望排放物的燃料(油)系統(tǒng)配置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的液態(tài)供油的燃機或燃燒室一般地包括一個向燃燒室提供液體燃料的燃油系統(tǒng)。液體燃料與氧化劑或幾種氧化劑發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生一種快速膨脹的氣體，其運動一個活塞或渦輪葉片例如以推動一種運輸工具或產(chǎn)生其他應(yīng)用目的的熱量。不利的是，這種燃燒可能導(dǎo)致不希望之排放物的產(chǎn)生，例如氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃燒的燃油(UHC)和炭煙。
傳統(tǒng)的燃機或燃燒室沒有滿意地解決這些不希望的排放物。許多傳統(tǒng)的燃機組件通過使液體燃料在壓縮空氣或氧化劑中更有效地燃燒以求減少排放物。這個只能減少由于液體燃料之不完全燃燒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燒效率而言是更緊密地相關(guān)到燃燒溫度的。因此，提高燃燒效率不能滿意地減少NOx排放物。
一個建議的使不希望排放物最小化的解決方案是使液體燃料在壓縮空氣或氧化劑中于較低溫度下燃燒從而減小排放物的生成。然而，這個可以減少某些排放物的生成，卻增加了未燃燒燃油的數(shù)量(亦即減小了燃燒效率)。這種未燃燒燃油的增加可能否定從排放物生成的減少中獲取利益的相當(dāng)部分。

發(fā)明內(nèi)容
因此，存在一個如此燃油系統(tǒng)配置方案的需求，其提供較低溫度的燃燒以減小排放物的生成，同時保持燃燒效率和燃燒室可操作性。燃燒室可操作性涉及一種持久的穩(wěn)定燃燒過程的維持問題。具有不良可操作性的燃燒室可能遭受“熄火”事件，其中火焰被熄滅。由此不良可操作性將會異致大的燃燒室壓力振蕩，它可能引起噪聲和振動問題并減少燃燒室使用壽命。本發(fā)明就致力于解決這些需求并提供增強的性能，同時避免現(xiàn)有技術(shù)的缺陷及不足。
本發(fā)明是一種燃料系統(tǒng)，其包括一個燃料除氧裝置(減少積炭裝置)和一個汽化器以用于向燃燒室提供汽化的燃料。
本發(fā)明一個示范性燃料系統(tǒng)包括一個燃料脫氧器以從液體燃料中除氧和(包括)一個與燃料脫氧器流體連通的汽化器。汽化器汽化至少一部分從燃料脫氧器接收的液體燃料以產(chǎn)生汽化的燃料。
在另一個示例中，該燃料系統(tǒng)另外包括一個或一些與汽化器流體連通的混合器以使汽化燃料與一定量氧化劑相混合。一個控制器與汽化器和混合器相連接以控制從混合器排出之燃料/氧化劑混合物比率。
一種根據(jù)本發(fā)明減少不希望燃燒產(chǎn)物之排放的示例方法包括汽化至少一部分液體燃料以產(chǎn)生汽化燃料并且將汽化燃料與氧化劑相混合產(chǎn)生汽化燃料和氧化劑的混合物。然后，汽化燃料和氧化劑的混合物在燃燒室中反應(yīng)。汽化燃料和氧化劑混合物的火焰溫度是低于由其制成汽化燃料之液體燃料在氧化劑中直接燃燒的溫度的。這樣可減少至少一部分不希望燃燒產(chǎn)物的生成。液體燃料向燃燒室的局部噴射可被應(yīng)用于“導(dǎo)控”燃燒過程以便確保良好的燃燒室可操作性。另外，液體燃料流率對汽化燃料流率的比率可以被調(diào)節(jié)以確保良好的可操作性。燃油噴射程序是由控制器管理的，該控制器控制汽化的和液體的燃料兩者到一個或多個燃料噴嘴和/或混合器的分配。燃料流量的分配和液體燃料流率對汽化燃料流率之比率是關(guān)鍵的控制參數(shù)，并且通過該控制器可以被改變以便使考慮污染排放和可操作性兩者的成本函數(shù)最小化。這個控制器可以按“開環(huán)”或“設(shè)定點”型式操作，其中燃料分配和流率比率被事先地確定，或者可以按“閉環(huán)”或“主動”型式操作，其中燃油分配和流率比率根據(jù)由測量燃燒室之排放物和可操作性的傳感器所接收的信息被確定。


本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點將從下面對當(dāng)前優(yōu)選實施例的詳細描述中使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員變得顯而易懂了。下面即對伴隨詳細說明書的附圖作一簡述。
圖1是一個具有本發(fā)明燃油系統(tǒng)的燃機組件的示意圖，圖2是一個本發(fā)明示范性燃油系統(tǒng)之第二實施例的示意圖，圖3是一個示范性汽化器之示意圖，
圖4是圖3之汽化器在運行期間的示意圖，圖5是一個示范性汽化器之第二實施例的示意圖。
具體實施例方式
圖1表明了一個示范性燃機組件10、例如一個用于飛機的燃氣渦輪發(fā)動機的選定部分。在這個實施例中，燃機組件10包括一個壓縮機12，一個燃燒室14和一個渦輪16。該燃機組件10以公知的方式運行，將來自壓縮機12的壓縮空氣或氧化劑提供到燃燒室14中。壓縮空氣或氧化劑與燃油混合并發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生一種高溫燃氣流18。渦輪16將這高溫燃氣流18轉(zhuǎn)換為機械能以驅(qū)動壓縮機12。一個排氣噴管20將高熱燃氣從該燃機組件中噴出以為飛機或其他運輸工具提供推力。
一個燃油系統(tǒng)22將燃料提供到燃燒室14。一個燃料貯存器24保存液體燃料。液體燃料通過一個燃料脫氧器26從燃料箱24被接收，借助或不用一個燃料泵28的輔助。燃料脫氧器26在液體燃料由泵28接收前從液體燃料除去或還原溶解的氧。
燃料泵28從脫氧器26接收低含氧的液體燃料并給液體燃料加壓以便使液體燃料通過燃油系統(tǒng)22運動到一個汽化器30去。汽化器30給被加壓了的液體燃料加熱到一個汽化溫度上。在汽化器30中的加熱被控制得使液體燃料全部汽化或者作為另一選擇使液體燃料的一部分汽化。在一個實施例中，汽化器30通過從其他部件或熱燃氣吸收了廢熱以輔助加熱該液體燃料和冷卻這些部件或熱燃氣，而用作運輸工具的散熱裝置。這個相比以前公知的燃油系統(tǒng)就提供了減少能量消耗的優(yōu)點，因為廢熱可被應(yīng)用于加熱該液體燃料。
在一個實施例中，燃料脫氧器26減少了液體燃料中相當(dāng)數(shù)量的溶氧。最好是，氧水平是低于1ppm。如已知的那樣，液體燃料可以溶解一些大氣中如氧的氣體。這種溶解氧當(dāng)被加熱了時可能導(dǎo)致被稱為“積炭”的炭沉積生成，其可能導(dǎo)致沉積物的堆積并妨害燃油系統(tǒng)的功能。如果液體燃料的溶解氧水平明顯地高于1ppm，則可能在汽化器30中液體燃料的汽化期間發(fā)生明顯的積炭并需要不斷地清除沉積物。利用燃料脫氧器26將溶解氧水平減小到小于1ppm就可使積炭最小化并允許液體燃料被加熱到一個高于325的溫度以將液體燃料汽化而不會明顯地積炭。
作為優(yōu)選，燃料脫氧器26包括一個公知方案，其利用一個多孔膜過濾器31兩側(cè)的氧氣分壓差以從液體燃料中除去氧。一個示例被揭示在US專利6315815中，然而，給出了這個說明，一個本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員就將知道其他滿足他們具體需求的脫氧器方案。作為選擇，或與這種公知的脫氧器方案相組合，一個已知的反積炭的添加劑被摻加到液體燃料中以減小積炭。
汽化的燃料從汽化器30運動到一個混合器或一些混合器32中。該混合器或一些混合器32將汽化的燃料與氧化劑混合，或換句話說預(yù)混合，然后將汽化的燃料和氧化劑的混合物移送到燃燒室14中。
這個被公開的實施例之汽化的燃料可在相對高燃燒效率和完全燃燒狀態(tài)下燃燒，即使在相對低的燃燒溫度下也如此。在以前公知的燃油系統(tǒng)中，使適當(dāng)數(shù)量的壓縮空氣或氧化劑與液體燃料相混合以發(fā)生完全燃燒是困難的。然而，利用汽化的燃料，就實現(xiàn)了壓縮空氣或氧化劑和氣態(tài)的汽化燃料之間的均勻混合，其就達到了在相對低的燃燒溫度下相對高的燃燒效率和完全地燃燒。正如上面所述的，在相對低的燃燒溫度下的燃燒可減少例如在相對高的燃燒溫度下產(chǎn)生的NOx排放物的生成。因此，本公開的示范性燃油系統(tǒng)22提供了較低溫度的燃燒從而減少了NOx、CO、UHC和炭煙排放物的生成，同時保持或提高了燃燒效率。在一個實施例中，燃燒溫度在1400和3000之間以便減小排放物。
壓縮空氣或氧化劑和汽化燃料的均勻混合就在燃燒室14中提供了相比以前公知液體燃料系統(tǒng)更均勻地產(chǎn)生燃燒熱的優(yōu)點。在燃燒室14中的這種均勻產(chǎn)生的燃燒熱則又在渦輪16的區(qū)域上提供了更均勻的氣體溫度從而例如提高了渦輪的壽命。在燃燒室14中較低的燃燒溫度和燃燒熱的均勻產(chǎn)生還例如提高了燃燒室的壽命。
作為選擇，燃油系統(tǒng)22包括一個控制器34以用于控制燃油系統(tǒng)22的運行。控制器34連接有燃料脫氧器26，泵28，汽化器30，(一個或一些)混合器32，和燃料噴嘴(一個或一些)37a，37b，39a，39b?？刂破?4如在下面示范性描述地那樣控制該燃油系統(tǒng)22以實現(xiàn)提高的燃燒室14可操作性。
燃燒室14的可操作性涉及一種持續(xù)的穩(wěn)定燃燒過程的維持能力。燃燒室14可能遭受一個“熄火”事件(其中火焰被熄滅)或者在燃燒室14中相對大的壓力振蕩。這類燃燒室14事件起因于液體燃料和氧化劑之不希望的比率，汽化燃料和氧化劑之不希望的比率或不希望的液體燃料被汽化之百分比(例如導(dǎo)致“熄火”或壓力振蕩的比率或百分比)。為了應(yīng)對這類事件，控制器34則調(diào)節(jié)液體燃料和氧化劑的比率，汽化的燃料和氧化劑的比率以及液體燃料被汽化的百分比或它們中的一些或全部。這樣就提供了形成或維持一種持續(xù)并穩(wěn)定燃燒過程的優(yōu)點。液體燃料可被輸送到燃燒室14中的液體(油)噴嘴39a，39b去，其可以與或也可以不與汽化燃料噴嘴37a及37b相組合。
在一個實施例中，控制器34監(jiān)視并控制燃燒室14或一些燃燒室中的壓力及溫度。然后控制器34響應(yīng)于該壓力和溫度改變在混合器或一些混合器32中與汽化的燃料相混合之氧化劑的數(shù)量從而增強可操作性和優(yōu)化排放物。
在另一實施例中，控制器34可有選擇地對不同的混合器32(由32a和32b表示)調(diào)節(jié)氧化劑和汽化燃料的比率以增加可操作性和減小排放物。
在又一個實施例中，控制器34控制該汽化器30或被輸送到汽化器30中液體燃料的數(shù)量以有選擇地調(diào)節(jié)液體燃料被汽化的百分比從而提高可操作性和優(yōu)化排放物。
在另一實施例中，控制器34向燃油系統(tǒng)22發(fā)出指令以產(chǎn)生用于一個燃料噴嘴37a之第一比率的汽化燃料及氧化劑并且產(chǎn)生一個不同的第二比率的汽化燃料和氧化劑以用于另一個燃料噴嘴37b。雖然只表明了兩個噴嘴，但可以理解，到另外噴嘴或噴嘴組的汽化燃料和氧化劑的比率也是可以被控制的。這樣就提供了精確地定制被供到不同噴嘴之氧化劑與汽化燃料的比率的優(yōu)點，從而使燃燒室可操作性最大化和排放物最優(yōu)化。
在另一實施例中，控制器34給燃油系統(tǒng)22發(fā)指令以產(chǎn)生用于一個液體(油)噴嘴39a的第一流率的液體燃料并產(chǎn)生一個不同的第二流率的液體燃料用于另一個液體噴嘴39b。雖然只表明了兩個液體噴嘴，但可以理解，到其他液體噴嘴或液體噴嘴組的流率也可以被控制。這樣就提供了精確地定制不同液體燃料噴嘴之液體燃料流率的優(yōu)點以使燃燒室可操作性最大化和排放物最優(yōu)化。
作為選擇，燃料脫氧器26包括一個氧傳感裝置35用于指示進入汽化器之液體燃料的溶解氧水平。氧傳感裝置35將基于氧水平發(fā)送信號到控制器34。控制器34就根據(jù)氧水平改變汽化器30中的溫度以使積炭最小化。這就是說，如果氧水平是靠近一個氧水平范圍的上端時，該控制器則減小汽化器30中的溫度并且如果氧水平是靠近該氧水平范圍的下端時則使汽化器30增高溫度。
圖2表明了另一示范性燃油系統(tǒng)10’的被選出部分，其包括一個壓縮機46代替了圖1之實施例中的泵28。在這個實施例中，壓縮機46被安置在汽化器30和混合器或一些混合器32之間。壓縮機46接收來自汽化器30處在第一壓力的汽化燃料并且壓縮該汽化燃料到大于第一壓力的第二壓力。然后加壓的汽化燃料與氧化劑33在混合器或一些混合器32相混合，如上面已述那樣并且被提供到燃燒室14去。利用壓縮機46加壓該汽化燃料就提供了定制汽化燃料的壓力以與燃燒室14中內(nèi)部壓力相適配的優(yōu)點。
圖3表明了一個包括一個熱交換器54的示范性汽化器30的被選出部分。在被展示的實施例中，熱交換器54包括與出口部分58流體連通的一個進口部分56。脫氧液體燃料或具有低濃度溶解氧的液體燃料從該燃料脫氧器26進入該進口部分56并且流經(jīng)一系列流體連接的管道部分60。該管道部分60是通過散熱片62被相互分開的。在管道部分60和散熱片62之間的空間提供了一個敞開區(qū)域用于一加熱流體的流動，其例如是在圖4之熱交換器54的側(cè)視圖中表示的空氣。
在圖4所示的實施例中，相對熱的流體64被在管道部分60之間吹過，因此通過管道部分60的管壁，熱量從熱流體64被傳輸?shù)搅鲃釉诠艿啦糠?0中的液體燃料中。當(dāng)在管道部分60中的液體燃料達到對應(yīng)壓力下的汽化溫度時，液體燃料就汽化為氣體。然后汽化的燃料通過出口部分58排出該熱交換器54。
圖5表明了另一個汽化器30之被選出的部分，其包括一個具有外圓周74的管道72，其被一個多孔金屬泡沫76所包圍。在這個實施例中，鄰近管道72的一個熱源或一些熱源78提供熱量。多孔金屬泡沫76將熱量傳輸給管道72，其將熱量傳導(dǎo)給通過管道72流動的液體燃料。當(dāng)液體燃料達到對應(yīng)壓力下的汽化溫度時，液體燃料就汽化為如上所述的氣體。
在本描述之實施例中，多孔金屬泡沫76包括許多小孔80。在燃料從管道72中泄漏的情況下，多孔金屬泡沫76和小孔80提供了允許燃料泄漏而不會在金屬泡沫中產(chǎn)生壓力的優(yōu)點。小孔80還防止了從管道72中泄漏的燃油與金屬泡沫76中的氧化劑燃燒。
這些公開的實施例提供了減少排放物的優(yōu)點，因為減少了液體燃料中的氧水平以能使液體燃料被汽化且無明顯的積炭。與氧化劑預(yù)混合的汽化燃料在相對低的燃燒溫度下燃燒，其減少了NOx排放物的生成，還使該溫度足夠地高從而減小了CO，UHC和炭煙排放物。在不同的燃料噴嘴中汽化的燃料和液體燃料兩者之受控的分配就確保維持充足的燃燒室可操作性。
雖然已經(jīng)披露了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知道，一些修改方案確定地落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。為此，下面的權(quán)利要求應(yīng)被分析以確定本發(fā)明的真實保護范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種燃料系統(tǒng)，包括用于從液體燃料中除氧的燃料脫氧器；和與燃料脫氧器流體連通以用于使至少一部分液體燃料汽化產(chǎn)生汽化的燃料的汽化器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于汽化器包括熱交換器，此熱交換器具有將熱量從熱源傳輸?shù)揭后w燃料去的導(dǎo)管，該導(dǎo)管具有至少一部分被嵌入多孔金屬泡沫中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于導(dǎo)管包括具有外圓周的管道并且該多孔金屬泡沫環(huán)繞著該外圓周。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于汽化器包括將熱量從熱源傳輸?shù)揭后w燃料的多個管道部分和將該管道部分相互地分開的散熱片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于包括與汽化器流體連通以至少使汽化的燃料燃燒的燃燒室。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于包括至少一個在汽化器和燃燒室之間流體連通的混合器以用于將至少一部分汽化的燃料與氧化劑相混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于包括在汽化器和燃燒室之間流體連通的壓縮機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于包括在燃料脫氧器和汽化器之間流體連通的泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于燃料脫氧器包括多孔膜片過濾器，其將溶解氧從液體燃料中除去。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于燃料脫氧器包括燃料添加劑以用于當(dāng)液體燃料被加熱時鈍化液體燃料中積炭。
11.一種燃料系統(tǒng)，包括燃料脫氧器以用于從液體燃料中除氧而產(chǎn)生脫氧的液體燃料；與燃料脫氧器流體連通的汽化器以用于汽化至少一部分的脫氧液體燃料而產(chǎn)生一定量的汽化燃料；與汽化器流體連通的混合器以用于將該量的汽化燃料與一定量的氧化劑相混合；和與汽化器和混合器連接的控制器以用于根據(jù)汽化燃料量控制氧化劑量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于控制器根據(jù)期望的汽化燃料量有選擇地改變汽化器中的加熱溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于控制器與燃料脫氧器相連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于控制器根據(jù)來自燃料脫氧器指示液體燃料之氧水平的信號有選擇地改變汽化器中的加熱溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括燃燒室以接收來自混合器或一些混合器之混合的汽化燃料和氧化劑和來自液體燃料噴嘴的液體燃料并且使混合的汽化燃料和液體燃料燃燒。
16.一種減少不希望燃燒產(chǎn)物之排放的方法，包括(a)汽化至少一部分液體燃料以形成汽化燃料；(b)使汽化燃料與氧化劑混合以形成汽化燃料和氧化劑的混合物；(c)將汽化燃料和氧化劑的混合物輸送到燃燒室；和(d)使汽化燃料和氧化劑的混合物發(fā)生燃燒。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于在步驟(a)中的汽化發(fā)生在步驟(b)中之混合以前。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括在所述步驟(a)之前從液體燃料中除去溶解氧的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括在所述步驟(a)之前向液體燃料添化學(xué)添加劑的步驟以便在步驟(a)期間阻止液體燃料中積炭形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述步驟(a)包括加熱液體燃料到325以上。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括在所述步驟(a)以后和所述步驟(c)之前使汽化燃料從第一壓力壓縮到第二壓力的步驟，其中第二壓力大于第一壓力。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括在步驟(a)之前使液體燃料從第一壓力加壓到第二壓力的步驟，其中第二壓力大于第一壓力。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括使汽化燃料和氧化劑的混合物在小于液體燃料在同一氧化劑中之燃燒溫度的溫度下燃燒的步驟。
24.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于包括使汽化燃料和氧化劑之混合物在1400和3000之間的溫度下燃燒的步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括響應(yīng)于燃燒室的溫度及壓力中的至少一個控制汽化燃料和氧化劑之比率的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括控制步驟(a)中被汽化之液體燃料的量或步驟(b)中汽化燃料和氧化劑之間比率中的至少一個以響應(yīng)燃燒室火焰熄滅事件。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括控制步驟(a)中被汽化之液體燃料的量或步驟(b)中汽化燃料和氧化劑之間比率中的至少一個以響應(yīng)燃燒室壓力振蕩。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括將第一比率的汽化燃料及氧化劑提供到一第一燃料噴嘴和將不同于第一比率之第二比率的汽化燃料和氧化劑提供到第二燃料噴嘴。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于包括將第一流率的液體燃料提供到第一燃料噴嘴和將不同于第一流率的第二流率之液體燃料提供到第二燃料噴嘴。
全文摘要
一種燃料系統(tǒng)包括一個從液體燃料中除氧的燃料脫氧器。一個汽化器與燃料脫氧器流體連通。汽化器汽化至少一部分液體燃料以形成汽化燃料。至少一部分汽化燃料與氧化劑預(yù)先混合以減小不希望排放物的生成。
文檔編號F02C7/224GK1948835SQ200610131820
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者A·G·陳, J·M·科亨 申請人:聯(lián)合工藝公司