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氢内燃机系统中基于成本的替代率控制的制作方法

  • 国知局
  • 2024-07-29 09:42:12

本发明总体上涉及操作内燃机系统,并且更具体地涉及以基于排放和氢燃料成本值的替代率混合氢和碳氢化合物气体燃料。

背景技术:

1、内燃机在世界各地广泛用于许多不同的用途,从车辆推进、泵和压缩机的运行到发电。在石油和天然气工业中,内燃机对于为现场气体压缩、流体输送和发电提供旋转动力是不可或缺的。石油和天然气行业正在经历一场革命,投资者、市场和广大公众越来越希望生产商和服务提供商限制该领域作业产生的某些排放。例如,许多井主和服务公司正在审查与其作业相关的碳排放,并制定减少碳排放的规划策略。

2、采用氢气作为传统碳氢化合物发动机系统的燃料来源,有望减少某些排放,特别是碳排放,而不会对转换为电动设备产生潜在影响。然而,传统的往复式内燃机通常是针对碳氢化合物燃料而设计的。

3、近年来,各制造商已经开始探索使用氢气或富氢燃料运行传统往复式发动机的策略。一种典型的传统发动机配置采用内燃机,该内燃机被配置成以气态碳氢化合物燃料运行,通常但不排他地是甲烷,其可以在井场或其他操作地点获取。为了控制某些排放并优化效率,多年来已经开发出采用多种燃料的各种策略。美国专利第7,467,621号涉及一种发动机和用于操作发动机的方法,其中供应给燃烧室的反应物的可燃组合可以包括第一碳氢化合物燃料、氢燃料和第二碳氢化合物燃料。'621专利中公开的策略显然有利于防止发动机失火。本领域存在大量机会改进和发展替代策略。

技术实现思路

1、一方面,一种操作内燃机系统的方法包括在发动机的多个气缸中以第一h2与hc替代率燃烧包含气态氢燃料(h2)和气态碳氢化合物燃料(hc)的混合物。该方法还包括向发动机的燃料混合控制系统输入排放成本值和氢成本值,并通过燃料混合控制系统的电子控制单元确定基于排放成本值和氢成本值的燃料混合控制项。该方法还包括基于燃料混合控制项,改变用于发动机的进气系统的h2或hc中的至少一种的进气,以及通过在发动机的多个气缸中,由h2或hc中的至少一种的改变的进气产生的第二h2至hc替代率来燃烧包含h2和hc的混合物。

2、另一方面,一种内燃机系统包括发动机,该发动机具有形成于其中的多个燃烧气缸,以及多个活塞,每个活塞可在多个燃烧气缸中的一个中往复运动。该发动机系统还包括气态氢燃料(h2)进气阀和气态碳氢化合物燃料(hc)进气阀,以及进气系统,该进气系统被构造成将包含h2、hc和空气的混合物输送到多个燃烧室气缸中。该发动机系统还包括燃料混合控制系统,该燃料混合控制系统具有与h2进气阀和hc进气阀进行控制通信的电子控制单元。电子控制单元被构造成接收输入的排放成本值和氢成本值,并且基于排放成本值和氢成本值确定燃料混合控制项。电子控制单元还被构造成控制h2进气阀和hc进气阀,以基于燃料混合控制项的h2与hc替代率将h2和hc供应到进气系统。

3、在又一方面,一种操作内燃机系统的方法包括接收排放成本值和氢成本值作为燃料混合控制系统的输入,以及通过燃料混合控制系统的电子控制单元控制气态氢燃料(h2)进气阀和气态碳氢化合物燃料(hc)进气阀每一个的位置。该方法还包括基于h2进气阀和hc进气阀的每一个的受控位置,以基于排放成本值和氢成本值的h2与hc替代率形成包含h2和hc的发动机中的燃烧冲量,以及燃烧发动机中的燃烧冲量。

技术特征:

1.一种操作内燃机系统(10,110)的方法,包括:

2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述发动机(12,112)是在工作现场具有固定操作位置的固定式发动机(12,112),并且还包括将包括所述hc的管线气体甲烷进料供应到位于所述固定操作位置的所述发动机(12,112)的所述进气系统(28);

3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,改变所述h2或所述hc中的至少一种的进气包括调节h2进气阀(48)以改变通过熏蒸供应给所述进气系统(28)的包含所述hc的进料流中允许进入的所述h2的量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其中:

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法,还包括液体燃料引燃以h2至hc的所述第一替代率的所述混合物和以h2至hc的所述第二替代率的所述混合物中的每一个。

6.一种内燃机系统(10,110),包括:

7.根据权利要求6所述的系统(10,110),其中:

8.根据权利要求6或7所述的系统(10),其中,所述h2进气阀(48)和所述hc进气阀(50)中的每一个被布置成在压缩机(30)流体上游的位置处,分别将h2和hc供应至所述进气系统(28)。

9.根据权利要求6或7所述的系统(110),其中,所述hc进气阀(150)被布置成在压缩机流体下游的位置处将所述hc供应到所述进气系统。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统(10),还包括可操作地耦接到所述发动机(12)的驱动轴(36)的压裂泵(42)。

技术总结操作内燃机系统(10)包括在发动机(12)的多个气缸(16)中以第一替代率燃烧气态氢燃料和气态碳氢化合物燃料、将排放成本值和氢成本值输入到用于发动机(12)的燃料混合控制系统(60),并通过燃料混合控制系统(60)的电子控制单元(62)基于各个成本值确定燃料混合控制项。操作发动机系统(12)还包括基于燃料混合控制项,改变用于发动机(12)的进气系统(28)的氢燃料或碳氢化合物燃料中的至少一种进气,以及燃烧由在发动机(12)的多个气缸(16)中改变进气产生的以第二替代率的氢燃料和碳氢化合物燃料。技术研发人员:S·J·比克特,M·R·戴克德受保护的技术使用者:卡特彼勒公司技术研发日:技术公布日:2024/7/23

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