DE69430310T2

DE69430310T2 - System und verfahren zum verdichten von erdgas

Info

Publication number: DE69430310T2
Application number: DE69430310T
Authority: DE
Inventors: Andrew Diggins
Original assignee: Pinnacle CNG Systems LLC
Current assignee: Pinnacle CNG Systems LLC
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2014-09-23
Also published as: ATE215470T1; AU7955994A; WO1995009105A1; EP0717699B1; DK0717699T3; EP0717699A1; PT717699E; US5694985A; US5351726A; DE69430310D1; US5538051A; ES2174881T3; EP0717699A4

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Erdgas-Nachtanksystem und insbesondere auf ein System und Verfahren zum Komprimieren von Erdgas und zum Nachtanken von Kraftfahrzeugen.
Die Verwendung von Druckerdgas als Alternativtreibstoff für Kraftfahrzeuge ist allgemein bekannt. Erdgas ist in den meisten Fällen ein Treibstoff, der kostengünstiger und sauberer verbrennbar als Benzin ist. Ein Nachteil von Erdgas als Treibstoff für Kraftfahrzeuge besteht im Volumen, das erforderlich ist, um die Menge an Gas zu speichern, die benötigt wird, um eine vergleichbare Wegstrecke, wie man sie von Benzin gewöhnt ist, zurücklegen zu können. Um ein ausreichendes Volumen an Erdgas zu speichern, damit eine vernünftige Wegstrecke zurückgelegt werden kann, wurde als wünschenswert erachtet, das Erdgas auf einen Druck von etwa 3.000 bis 3.600 psi (20,7 · 10&sup6; Pa bis 24,8 · 10&sup6; Pa) oder darüber zu komprimieren.
Da die Drücke in Fahrzeugtanks, die erforderlich sind, um ausreichend Erdgas zu speichern, um eine vernünftige Wegdistanz zurücklegen zu können, im Vergleich zu verfügbaren Haushalts-Leitungsdrücken relativ hoch sind, stellt das Nachtanken eines Fahrzeugspeichertanks ein weiteres Problem dar. Das Nachtanken von Fahrzeugspeichertanks mit Druckerdgas innerhalb eines Zeitraums, der mit jenem Zeitraum vergleichbar ist, der benötigt wird, um einen konventionellen Fahrzeug-Treibstofftank mit Benzin zu befüllen, kann die Verwendung von großen, teuren, mehrstufigen Kompressoren erforderlich machen. Alternativ dazu wurden eigene oder angebaute Druckerdgas-Nachtanksysteme entwickelt, welche das Druckerdgas mit dem erforderlichen Druck abgeben, aber solche Systeme sind durch sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten gekennzeichnet, wodurch lange Zeitspannen (wie z. B. über Nacht) für das Nachtanken benötigt werden.
Von den verschiedenen Systemen zum Nachtanken eines Fahrzeugspeichers, die vorher offenbart wurden, verwendet ein konventionelles System einen großen mehrstufigen Kompressor, um das Erdgas auf etwa 4.000 psi (27,6 · 10&sup6; Pa) oder darüber zu komprimieren und danach das Druckerdgas in Zwischenspeichertanks mit großen Volumina bei diesem Druck zu halten. Während des Nachtankens darf das Druckerdgas in den Fahrzeugspeichertank einströmen, bis der Fahrzeugtank-Druck etwa 3.000 psi (20,7 · 10&sup6; Pa) beträgt. Nach dem Nachtanken wird der Zwischenspeicher mit ausreichend Erdgas nachbefüllt, um erneut den Speicherdruck auf etwa 4.000 psi (27,6 · 10&sup6; Pa) zu erhöhen. Dieses System ist insofern nicht ausreichend, als ein wiederholter Bedarf besteht, die Speichertanks auf etwa 4.000 psi (27,6 · 10&sup6; Pa) zu befüllen.
Ein weiteres System, das in der US-A-4.646.940 offenbart ist, verwendet eine Vorrichtung zum Messen des Druckunterschieds, um das Nachtanken mit Druckerdgas zu steuern. Das Patent offenbart ein bevorzugtes Nachtanken des Druckerdgas-Tanks eines Fahrzeugs zuerst aus Niederdruck-, danach Mitteldruck- und schließlich Hochdruck- Speichertanks. Ein Referenzzylinder wird bei 2.750 psi (19,0 · 10&sup6; Pa) verwendet, um den Vorgang des Nachtankens zu unterbrechen.
Die US-A-4.501.253 offenbart einen kleinvolumigen (etwa 0,02832 m³ pro Minute), angebauten, automatischen Methankompressor zum Nachtanken eines Fahrzeugspeichertanks, indem das Erdgas von einem herrschenden Leitungsdruck auf etwa 2.000 bis etwa 3.000 psi (13,3 · 10&sup6; Pa bis 20,7 · 10&sup6; Pa) komprimiert wird.
Die US-A-4.515.516 und 5.169.295 offenbaren Systeme, in welchen Flüssigkeitsdruck dazu dient, Druckerdgas-Drücke in einem Speicher-/Nachtankvorgang zu erhöhen. US- A-4.515.516 offenbart ein eigenes Erdgas-Nachtanksystem, in welchem eine Flüssigkeit verwendet wird, um den Gasdruck von Leitungsdruck auf mehr als 2.000 psi (27,6 · 10&sup6; Pa) zu erhöhen. Das System verwendet eine Pumpe mit variabler Geschwindigkeit, die die Kompressionsflüssigkeit unter niedrigen Drücken mit hoher Geschwindigkeit und unter hohen Drücken mit geringer Geschwindigkeit pumpt (eine beispielhafte Strömungsgeschwindigkeit beträgt etwa 1 Gallone pro Minute der Kompressionsflüssigkeit bei über 600 psi (4,14 · 10&sup6; Pa)).
US-A-5.169.295 offenbart ein Kompressionssystem mit größerem Volumen auf Flüssigkeitsbasis, die auf einem Auto, einem Lastwagen, einem Boot, einem Zug oder einem Flugzeug montiert werden kann, aber vorzugsweise auf einem Sattelschlepperzug montiert ist, wobei die hydraulischen Pumpen über ein Verteilergetriebe mit dem Motor des Sattelschleppers verbunden sind. Der maximale Druck der Flüssigkeit, die aus dem Flüssigkeits-Abgabemittel abgegeben wird, ist geringer als der minimale Druck des Erdgases aus einer Gasabgabe-Leitung. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Abgabepumpe einen maximalen Ausgangsdruck von etwa 350 psi (2,41 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) auf, während der maximale Druck der Gasabgabe-Leitung im Bereich von etwa 400 bis etwa 2.900 psig (2,76 bis 20 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) liegt. Beispielhafte Pumpgeschwindigkeiten für die Druckflüssigkeit erreichen bis zu 200 gpm (12,61 l/s).
Andere früher offenbarte Druckerdgas-Nachtanksysteme verwenden Adsorbens-gefüllte Zylinder, um den Tankdruck, der erforderlich ist, um eine vorbestimmte Menge eines Erdgases zu speichern, zu reduzieren. Solche Systeme sind beispielsweise in den US-A- 4.522.159; 4.531.558; und 4.749.384 offenbart.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug-Nachtanksystem bereitgestellt, das ein kombiniertes Kraftfahrzeug-Nachtanksystem umfasst, das eine Kombination aus einem Kompressor, der an einen Vorrat anschließbar ist, der Erdgas mit einem Druck von etwa 330 bis 1.000 psig (2,28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zuführt und der bei Ansaugdrücken im Bereich von etwa 330 bis 3.600 psig (2,28 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und bei Abgabedrücken im Bereich von etwa 330 bis 4.500 psig (2,28 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) arbeiten kann, Zwischenspeichermitteln zur vorübergehenden Speicherung von Erdgas, das aus dem Kompressor abgegeben wird, bei Zwischenspeicherdrücken im Bereich von bis zu etwa 3.600 psig, Mittel zum gleichzeitigen Zuführen von Druckerdgas zum Kraftfahrzeug-Speichermittel aus dem Zwischenspeichermittel und aus dem Kompressor, bis der Fahrzeug-Speicherdruck gleich hoch wie der Zwischenspeicherdruck ist, und Mittel zum selektiven Zuführen von Druckerdgas aus dem Zwischenspeichermittel zum Kompressor zum weiteren Komprimieren bis zu einem maximalen beabsichtigten Fahrzeugspeicher-Fülldruck im Bereich von etwa 3.000 bis etwa 4.500 psig (20,6 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck).
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Nachtanken eines Fahrzeugspeichertanks von einem Ausgangsdruck zu einem beabsichtigten Fülldruck mit Druckerdgas bereitgestellt, wobei dieses Verfahren die Stufen der Bereitstellung eines Erdgasvorrats mit einem Zufuhrdruck im Bereich von etwa 330 bis etwa 1.000 psig (2,28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck), weiters des Bereitstellens eines Zwischenspeichertanks, welcher selektiv Erdgas aus dem Vorrat oder aus dem Zwischenspeichertank dem Fahrzeugspeichertank zuführt, bis der Tankdruck des Fahrzeugspeichers gleich hoch ist wie der Abgabedruck, wobei selektiv Erdgas aus dem Vorrat einem Kompressor zugeführt wird, der bei Ansaugdrücken im Bereich von etwa 330 bis etwa 3.600 psig (2,28 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) bei gleichzeitigen Abgabedrücken im Bereich von etwa 4.500 psig (31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) arbeiten kann, des Komprimierens des Erdgases und des selektiven Speicherns des Druckerdgases, das aus dem Kompressor abgegeben wird, im Zwischenspeichertank, bis ein Zwischenspeicher- Druck im Bereich von etwa 3.600 psig (24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) erreicht ist, des gleichzeitigen Abgebens von Druckerdgas aus dem Kompressor und aus dem Zwischenspeichertank an den Fahrzeugspeichertank, bis der Druck im Fahrzeugspeichertank gleich hoch wie der Druck des Zwischenspeichertanks ist, des selektiven Abgebens von Druckerdgas aus dem Zwischenspeichertank zum Kompressor und des weiteren Komprimierens des Erdgases, des selektiven Abgebens des weiter komprimierten Erdgases aus dem Kompressor an den Fahrzeugspeichertank, bis der Druck des Fahrzeugspeichertanks den beabsichtigten Fülldruck erreicht.
Ein bevorzugter Druck für den Zwischenspeicher des Druckerdgases liegt im Bereich von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10 Pa Manometerdruck) und insbesondere bei etwa 2.300 bis etwa 2.400 psig (15,9 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) (basierend auf einer Speichertemperatur von etwa 70ºF (21ºC). Da der effizienteste Speicherdruck für Erdgas bei 70ºF (21%) im Bereich von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) liegt, kann innerhalb dieses Druckbereichs das größte Volumen an Gas aus dem Speicher abgezogen werden, wobei die geringste damit verbundene Verringerung des Speichergefäßdrucks erfolgt. Indem die Einlass-Gaszufuhr zum Kompressor zwischen einer externen (mit relativ niedrigem Druck) Zufuhrleitung und Zwischenspeichergefäßen selektiv gesteuert wird, wodurch der Vorteil der höheren Dichte von Gas, das von den Zwischenspeichergefäßen abgezogen wird, genützt wird, kann ein Anstieg in der Kompressorkapazität erzielt werden, ohne dass Leistung oder Energieverbrauch erhöht werden. Wenn der maximale Fahrzeugtank- Druck etwa 3.000 psig (20,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) übersteigt, können die Nachtankgeschwindigkeiten erhöht und die Leistungsanforderungen reduziert werden, indem zuerst Druckerdgas gleichzeitig aus dem Kompressor und aus den Zwischenspeichertanks zum Fahrzeugspeichertank zugeführt wird, bis der Druck des Fahrzeugtanks gleich hoch ist wie der Zwischenspeicherdruck, und indem weiters die Tanks mit Druckerdgas "überschichtet" werden, das dem Kompressor aus dem Zwischenspeicher bei Drücken im bevorzugten Bereich von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zugeführt wird, oder noch bevorzugter im Bereich von etwa 2.300 bis etwa 2.400 psig (15,9 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck). Während ein Kompressor mit 20 PS beispielsweise etwa 97 cm Erdgas von einem Ansaugdruck von etwa 800 psig (5,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) auf einen Abgabedruck von etwa 3.000 psig (20,6 · 10 Pa Manometerdruck) komprimieren kann, kann derselbe Kompressor mit den 20 PS etwa 345 cfm Erdgas von einem Ansaugdruck von etwa 2.500 psig (17,2 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) auf einen Abgabedruck von etwa 3.000 psig (20,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) komprimieren. Diese gesteigerte Zufuhrgeschwindigkeit des Druckerdgases bei höheren Drücken ermöglicht es dem benutzer, die Fahrzeugspeichertanks schnell und effizient auf Drücke, die über 3.000 psig (20,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) liegen, zu füllen.
Das Nachtanksystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann Mittel zum selektiven Zuführen von Erdgas, das aus einem externen Vorrat erhalten wurde, direkt zu einem Kraftfahrzeug-Speichertank bei einem herrschenden Leitungsdruck umfassen, sowie Mittel zum gleichzeitigen Zuführen eines Teils des Erdgases, der aus einem externen Vorrat erhalten wurde, direkt zu einem Kraftfahrzeug-Speichertank, und Mittel zum Komprimieren des aus einem externen Vorrat erhaltenen Erdgases und Zuführen des Druckerdgases zu einem Zwischenspeicher bei einem Druck, der höher als der herrschende Leitungsdruck ist.
Das Nachtanksystem kann einen einstufigen Kompressor umfassen, der über den Bereich von Ansaugdrücken mit einem Abgabedruck von bis zu etwa 4.500 psig (31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) arbeiten kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Erdgas-Komprimiersystem zum Komprimieren von Erdgas aus einem Erdgasvorrat mit niedrigem Druck, der einen Druck im Bereich von etwa 330 bis etwa 1.000 psig (2,28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) aufweist, auf einen gewünschten höheren Druck im Bereich von bis zu etwa 4.500 psig (31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) bereit gestellt, wobei das System einen einstufigen Gaskompressor umfasst, der über einen Bereich von Ansaugdrücken, der sich von etwa 330 bis etwa 3.600 psig (2,28 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) erstreckt, und einen Bereich von Abgabedrücken, der sich von etwa 330 bis etwa 4.500 psig (2,28 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) erstreckt, arbeiten kann, weiters Mittel zum Leiten von Druckerdgas aus dem Kompressor zu Mitteln zum Zwischenspeichern von Druckerdgas bei einem Druck im Bereich zwischen etwa 1.700 und etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und Mittel zum selektiven Unterbrechen des Gasstroms zum Kompressor aus dem Niederdruckvorrat und zum Zurückführen von Druckerdgas zum Kompressor aus dem Mittel zum vorübergehenden Speichern, um die Kompressionsrate aus dem Mittel zum vorübergehenden Speicherdruck auf den gewünschten höheren Druck zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann der Fahrzeugspeichertank- Druck gleich hoch wie der herrschende Leitungsdruck vor dem Zuführen von Druckerdgas zu den Fahrzeugspeichertanks entweder aus dem Kompressor oder aus den Zwischenspeichertanks werden, wenn der Fahrzeugspeichertank-Druck niedriger als der herrschende Leitungsdruck ist, bei welchem Erdgas zur Kompressoransaugung zu Beginn des Nachtankens zugeführt wird.
Ist der Druck in den Zwischenspeichertanks unter einem vorbestimmten gewünschten Wert, wie er oben angeführt wurde, so kann der Kompressor verwendet werden, um die Zwischenspeichertanks auf dieses Druckniveau nachzutanken, während der Fahrzeugspeichertank-Druck gleich hoch wie der herrschende Leitungsdruck ist. Wie hierin verwendet, wird der Terminus "herrschender Leitungsdruck" verwendet, um jeden Vorrat (andere als die Speichertanks des Fahrzeuges, das nachgetankt wird) von Erdgas bei einem Druck im Bereich von etwa 330 bis etwa 1.000 psig (2,28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zu umfassen. Dort, wo der tatsächlich herrschende Leitungsdruck niedriger als 330 psig (2,28 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) ist, kann die Verwendung einer Booster-Pumpe oder anderer, ähnlicher, zufriedenstellender Mittel erforderlich sein, um den Leitungsdruck auf einen Wert von zumindest etwa 330 psig (2,28 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zu erhöhen.
Die Vorrichtung der Erfindung wird unter Bezug auf die folgenden Figuren der Zeichnungen näher beschrieben und erklärt, wobei
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockflussdiagramm ist, welches das Druckerdgas-Nachtanksystem der Erfindung darstellt; und
Fig. 2 ein Diagramm ist, das die Abgaberaten des Kompressors, aufgetragen über Ansaugdrücken bei einem Abgabedruck von 3.600 psig (24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) für Kompressoren mit 20 und 40 PS (15 und 30 kW), die für eine Verwendung in diesem System und diesem Verfahren der Erfindung geeignet sind, grafisch veranschaulicht.
Bezugnehmend auf Fig. 1 umfasst das Nachtanksystem 10 der Erfindung vorzugsweise einen Einlassvorrat 12; einen Kompressor 14; einen Zwischenspeichertank 18; Ventile 22, 24, 26, 39, 32; Steuerventile 34, 36 und Strömungsleitungen 38, 40, 42, 44, 46. Das Nachtanksystem 10 ist vorzugsweise für eine Verwendung zum Nachtanken eines Fahrzeugspeichertanks 16 mit Druckerdgas beabsichtigt. Obwohl der Zwischenspeichertank 18 und der Fahrzeugspeichertank 16 in Fig. 1 als einzelne Tanks dargestellt sind, werden Fachleute auf dem Gebiet der Technik bei Lektüre dieser Offenbarung erkennen, dass innerhalb des Umfangs der Erfindung eine Vielzahl von miteinander verbundenen Tanks gegeneinander austauschbar ist.
Einlassvorrat 12 stellt dem Nachtanksystem 10 vorzugsweise Erdgas unter einem Druck im Bereich von etwa 330 bis etwa 1.000 psig (2,28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zur Verfügung. Wie hierin verwendet, kann der Einlassvorrat 12 eine Rohrleitung mit einem herrschenden Leitungsdruck von zumindest etwa 330 psig (2,28 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) sein oder jeder andere, ähnlich effektive Gasvorrat bei diesem Druck, so z. B. ein Hilfsspeichertank, eine Abgabeleitung aus einem Booster-Kompressor oder dergleichen. Vorzugsweise werden Mittel zum selektiven Anordnen des Einlassvorrats 12 in Fluidkommunikation mit dem Kompressor 14 und/oder mit dem Fahrzeugspeichertank 16 bereitgestellt. Solche Mittel können z. B. solche Strömungsleitungen, Ventile, Manometer und Messinstrumente sein, wie sie erwünscht sein können, um den Druckerdgas-Strom zwischen Einlassvorrat 12, Kompressor 14, Fahrzeugspeichertank 16 und Zwischenspeichertank 18 gemäß dem Verfahren der Erfindung selektiv zu steuern. Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Fig. 1 offenbart und nachfolgend detaillierter beschrieben wird, werden Fachleute auf dem Gebiet der Technik bei Lektüre dieser Offenbarung erkennen, dass andere Rohr- und Ventilanordnungen ähnlich genutzt werden können, ohne von der beanspruchten Erfindung abzuweichen. Wenn bestimmte Ventilarten gezeigt, beschrieben oder als Referenz hierin angeführt werden, versteht sich ebenfalls, dass auch andere Ventilarten in ähnlicher Weise innerhalb des Umfangs der Erfindung verwendet werden können. Somit können beispielsweise elektrisch oder pneumatisch betriebene Ventile durch händisch betriebene Ventile ersetzt werden, und händisch betriebene Ventile können durch Steuerventile ersetzt werden und dergleichen. Ventile und andere Steuerungsmittel, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind, können ebenso hinzugefügt werden, falls gewünscht wird, den Strom zwischen den einzelnen Fahrzeugspeichertanks, Zwischenspeichertanks oder dergleichen weiter zu steuern und zu regeln. Temperatur- und Druckmanometer können gegebenenfalls verwendet werden, und das gesamte System kann so installiert werden, dass es computergesteuert oder anders automatisiert in Reaktion auf gemessene Temperaturen, Drücke, Strömungsraten oder dergleichen im System betrieben wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung offenbart Fig. 1 einen Einlassvorrat 12, der über die Strömungsleitung 38 mit dem Fahrzeugspeichertank 16 kommuniziert. Da Fig. 1 ein vereinfachtes Blockflussdiagramm ist, wird die mechanische Verbindung zwischen Strömungsleitung 38 und Fahrzeugspeichertank 16 nicht gezeigt. In einer tatsächlichen Installation des Nachtanksystems 10 könnte die mechanische Verbindung zwischen der Strömungsleitung 38 des Nachtanksystems und dem Fahrzeug, das nachgetankt wird, eine Gewindeverbindung sein, die z. B. zwischen Ventil 24 und Fahrzeugspeichertank 16 positioniert ist, oder jedes andere, ähnlich wirkende Verbindungsmittel. Obwohl in Fig. 1 nur ein Fahrzeugspeichertank 16 gezeigt ist, können in ähnlicher Weise mehrere Tanks verwendet werden, abhängig von Faktoren wie Tankgröße, Fahrzeugkonfiguration, gewünschte Wegstrecke und dergleichen.
Das Ventil 22 steuert vorzugsweise den Strom von Druckerdgas in das Nachtanksystem 10 aus einem Einlassvorrat 12. Die Steuerventile 34, 36 steuern vorzugsweise die Strömungsrichtung durch die Leitung 38 in Richtung Fahrzeugspeichertank 16 und verhindern einen unerwünschten Rückfluss, der aufgrund von unerwarteten Druckänderungen, Lecks, technischen Gebrechen oder dergleichen sonst auftreten könnte. Das Ventil 24 steuert den Strom des Druckerdgases in den Fahrzeugspeichertank 16.
Der Kompressor 14 ist vorzugsweise in einer solchen Weise angeordnet und angeschlossen, dass die Leitung 38 mit der Kompressor-Einlassleitung 40 stromab des Steuerventils 34 und stromauf des Steuerventils 36 kommuniziert. Der Kompressor 14 ist vorzugsweise ein einstufiger hydraulischer Kompressor, der so konstruiert und ausgeführt ist, dass er bei Ansaugdrücken im Bereich von etwa 330 bis zu etwa 3.600 psig (2,28 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und bei Abgabedrücken im Bereich von etwa 330 psig bis zu etwa 4.500 psig (2,28 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) arbeiten kann. Solche Kompressoren sind im Handel beispielsweise von Hydro Pac, Inc. of Fairview, Pennsylvania, USA, erhältlich. Im Handel erhältliche Fahrzeugspeichertanks sind typischerweise mit entweder 3.000 oder 3.600 psig (20,6 oder 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) bemessen. Unter dem von der Natural Gas Vehicle Coalition festgelegten NGV- 2-Standard können solche Tanks um 25% ihres bemessenen Druck überfüllt werden. Ein Tank, der für 3.000 psig (20,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) bemessen ist, könnte somit auf bis zu 3.750 psig (25,9 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und ein Tank, der für 3.600 psig (24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) bemessen ist, könnte auf 4.500 psig (31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) gefüllt werden. Aus diesem Grund werden 4.500 psig (31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) als bevorzugte Obergrenze für den Abgabedruck des im System und Verfahren der Erfindung verwendeten Kompressors 14 genannt. Kompressoren wie der in der vorliegenden Erfindung verwendete Kompressor 14 sind im Allgemeinen fähig, Gase wie etwa Erdgas in einem Verhältnis von etwa 8 : 1 zu komprimieren, es können sogar Verhältnisse von bis zu etwa 10 : 1 erzielt werden.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das Ansaugdruck gegen Abgaberate für Druckerdgas-Kompressoren zeigt, die mit 20 und 40 PS mit einem Abgabedruck von 3.600 psig (24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) arbeiten. Aufgrund des weitgestreuten Bereichs von akzeptablen Ansaugdrücken für einen solchen Kompressor kann dieser selektiv mit Erdgas entweder aus einem Einlassvorrat 12 bei einem niedrigen Druck wie etwa 330 psig (2,28 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) beliefert werden, oder aus Gründen, die detaillierter nachfolgend im Verfahren der Erfindung beschrieben werden, bei Zwischenspeicher-Drücken, die sogar etwa 3.600 psig (24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) betragen. Wenn ein Druckerdgas-Nachtanksystem 10 der Erfindung für eine Verwendung in einem Druckerdgas-Nachtanksystem mit großem Volumen vorgesehen ist, wie z. B. einem Wagenpark oder einer kommerziellen Druckerdgas-Nachtankstation, ist es selbstverständlich möglich, zwei oder mehrere Kompressoren 14 paraffelzuschließen, was erforderlich ist, um eine Nachtankkapazität für jene Fälle bereitzustellen, wo einer der Kompressoren aus Wartungs- oder Reparaturgründen außer Betrieb ist.
Die Kompressor-Abgabeleitung 42 kommuniziert vorzugsweise mit der Strömungsleitung 38 stromab des Steuerventils 36 und zumindest mit einem Zwischenspeichertank 18 über die Leitung 44. Der Gasstrom durch die Leitung 42 wird vorzugsweise durch das Ventil 26, das stromab von der Verbindung zwischen der Leitung 42 und der Leitung 44 angeordnet ist, geregelt. Der Strom durch die Leitung 44 wird vorzugsweise durch das Ventil 30 gesteuert. Die Leitung 46 verbindet vorzugsweise den Zwischenspeichertank 18 durch das Ventil 32 mit der Strömungsleitung 38 und mit der Kompressor-Einlassleitung 40 zwischen den Steuerventilen 34 und 36.
Das Verfahren der Erfindung wird in Bezug auf die Strukturelemente des Nachtanksystems 10 wie oben beschrieben genauer ausgeführt und erklärt. Beginnt das Nachtanken, wird zuerst der Fahrzeugspeichertank 16 mit der Strömungsleitung 38 stromab des Ventils 24 verbunden. Ist zu Beginn des Nachtankens der Druck im Fahrzeugspeichertank 16 geringer als der herrschende Leitungsdruck beim Einlassvorrat 12, werden die Ventile 22, 24 geöffnet, und Gas darf durch die Strömungsleitung 38 in den Tank 16 strömen, bis sich der Druck ausgleicht. Wenn während dieser Zeit der Druck im Zwischenspeichertank 18 bereits gleich ist wie der bevorzugte maximale Zwischenspeicherdruck, oder sogar darüber liegt, bleiben die Ventile 26, 30, 32 geschlossen. Wenn andererseits der Druck im Zwischenspeichertank 18 niedriger als der bevorzugte maximale Zwischenspeicherdruck ist, wird der Kompressor 14 aktiviert, und das Ventil 30 wird geöffnet, wodurch aus dem Kompressor 14 abgegebenes Druckerdgas in den Tank 18 strömen kann. Erreicht der Druck im Speichertank 18 den vorbestimmten erwünschten Maximalwert, bevor der Fahrzeugtank-Druck gleich hoch wie der Einlassvorrat-Druck ist, unterbricht der Kompressor 14 diesen Vorgang, und das Ventil 30 schließt sich wünschenswerterweise.
Obwohl Zwischenspeichertank-Drücke im Bereich von etwa 330 psig bis etwa 3.600 psig (2,85 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) bei Verwendung dieser Erfindung erreicht werden können, liegt der bevorzugte maximale Zwischenspeicherdruck bei etwa 2.700 psig (18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck), da die größte Speichereffizienz bei Zwischenspeicherdrücken im Bereich von etwa 1.700 psig bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) (bei einer angenommenen Temperatur von etwa 70ºF (21ºC)) gegeben ist, und insbesondere bei etwa 2.300 psig bis 2.400 psig (15,4 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck).
Ist der Druck im Fahrzeugspeichertank 16 gleich hoch wie der Druck im Einlassvorrat, bevor der Druck im Zwischenspeichertank 18 den vorbestimmten Maximalwert erreicht, oder wenn der Druck im Fahrzeugspeichertank 16 zu Beginn größer ist als der Druck im Einlassvorrat, wird der Fahrzeugspeichertank 16 vorzugsweise gleichzeitig durch das Zuführen von Druckerdgas zum Tank 16 aus dem Kompressor 14 und aus dem Zwischenspeichertank 18 befüllt, bis der Druck im Fahrzeugspeichertank 16 gleich hoch wie der Druck im Zwischenspeicher ist. Bei dieser Vorgangsweise sind die Ventile 22, 24, 26 und 30 vorzugsweise geöffnet und das Ventil 32 geschlossen, wodurch Druckerdgas zum Fahrzeugspeichertank 16 gleichzeitig aus dem Kompressor 14 durch die Leitungen 42, 38 und aus dem Zwischenspeichertank 18 durch die Leitungen 44, 42 und 38 zugeführt wird. Druckerdgas, das aus dem Kompressor 14 in dieser Stufe des Nachtankens zum Fahrzeugspeichertank 16 zugeführt wird, wird nur auf den vorherrschenden Fahrzeugspeichertank-Druck komprimiert, und die Nachtankgeschwindigkeit wird vorzugsweise dadurch beschleunigt, indem auch Druckerdgas zum Fahrzeugspeichertank 16 aus dem Zwischenspeichertank 18 beim Zwischenspeicherdruck zugeführt wird. Der Zwischenspeicherdruck liegt zu Beginn des Nachtankens vorzugsweise im Bereich von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck), und insbesondere im Bereich von etwa 2.300 bis etwa 2.400 psig (15,9 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck), da die Speichereffizienz für Druckerdgas bei 70% (21ºC) in diesem Druckbereich am höchsten ist. Druckerdgas, das dem Fahrzeugspeichertank 16 aus dem Zwischenspeichertank 18 zugeführt wird, stellt aufgrund der eigenen Effizienz der Druckerdgas-Speicherung bei Drücken im Bereich zwischen etwa 1.700 und etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) ein maximales Abgabevolumen pro Pfund Druckabfall im Zwischenspeicherdruck bereit. Um den Fahrzeugspeichertank 16 nachzutanken, werden vom Kompressor 14 aufgrund des aus dem Zwischenspeichertank 18 zugeführten Druckerdgases weniger Durchgang und weniger Leistung erfordert als dies ansonsten der Fall wäre.
Ist der Druck im Fahrzeugspeichertank 16 gleich hoch wie der Druck im Zwischenspeichertank 18, wird das Ventil 30 geschlossen und das Ventil 32 geöffnet. Druckerdgas wird daraufhin vorzugsweise zum Kompressor 14 aus dem Zwischenspeichertank 18 durch das Ventil 32 bei einem Ansaugdruck zugeführt, der gleich hoch ist wie der vorherrschende Zwischenspeicherdruck, und der Kompressor 14 gibt weiter Druckerdgas in den Fahrzeugspeichertank 16 durch die Ventile 26, 24 und die Leitungen 42, 38 ab, bis der gewünschte volle Fahrzeugtank-Druck erreicht ist. Indem Druckerdgas zur Ansaugseite des Kompressor 14 bei einem Zwischenspeicherdruck vorzugsweise im Bereich von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und insbesondere von etwa 2.300 bis etwa 2.400 psig (15,1 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zugeführt wird, und nicht bei einem Druck des Einlassvorrats, wird die Abgaberate des Kompressors (CFM) beträchtlich erhöht, ohne dass sich die notwendige Leistung erhöht.
Die letzte Stufe des Nachtankverfahrens der Erfindung erfolgt, wenn der Fahrzeugspeichertank 16 bis zum beabsichtigen Volltankdruck gefüllt ist, und die Kompressoransaugung durch Schließen des Ventils 32 zum Druck des Einlassvorrats zurückgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt sind die Ventile 24, 26 und 32 geschlossen, während die Ventile 22 und 30 geöffnet sind. Der Kompressor 14 arbeitet wünschenswerterweise weiter, bis der Zwischenspeichertank 18 erneut zum bevorzugten Zwischenspeicherdruck im Bereich von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und insbesondere von etwa 2.300 bis etwa 2.400 psig (15,9 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zurückgeführt ist.
Mit dem hierin offenbarten Fahrzeug-Nachtanksystem und Verfahren ist es weder notwendig, das Nachtanken eines Fahrzeugspeichers zu vervollständigen, indem Erdgas vom Druck des Einlassvorrats auf den maximalen beabsichtigten Fahrzeug-Volldruck komprimiert wird, noch ist es erforderlich, Erdgas auf Zwischenspeicherdrücke zu komprimieren, die so hoch wie der maximale beabsichtigte Fahrzeug-Volldruck sind.
Die hierin angeführten bevorzugten Drücke basieren auf der Komprimierbarkeit von Erdgas bei etwa 70º F (21ºC), und Fachleute auf dem Gebiet der Technik werden erkennen, dass diese Drücke variieren können, wenn die Umgebungstemperaturen wesentlich über oder unter den Standardbedingungen liegen. In ähnlicher Weise versteht sich, dass in der Beschreibung des Systems und des Verfahrens der Erfindung, wie hierin offenbart, intervenierende Druckabfälle durch Strömungsleitungen, Ventile, Manometer und dergleichen nicht angesprochen werden, aber im Allgemeinen aufgrund der kurzen Leitungslängen im System relativ unbedeutend sind. Obwohl das System und das Verfahren der Erfindung hierin unter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform zum Komprimieren von Erdgas und zum Nachtanken von Fahrzeugspeichertanks mit Erdgas offenbart sind, ist dennoch klar, dass das gegenständliche System und das gegenständliche Verfahren auch für andere Gase und Verwendungszwecke anwendbar sind.
Auch andere Veränderungen und Modifikationen der Erfindung sind für Fachleute auf dem Gebiet der Technik beim Lesen der vorliegenden Offenbarung augenscheinlich, und der Umfang der hierin offenbarten Erfindung soll nur auf die weiteste Interpretation der beiliegenden Ansprüche, auf welche der Erfinder legalen Anspruch hat, beschränkt werden.

Claims

1. Kraftfahrzeug-Nachtanksystem, umfassend eine Kombination aus:

einem Kompressor (14), der an einen Vorrat (12) anschließbar ist, der Erdgas mit einem Druck von etwa 330 bis etwa 1.000 psig (2,28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zuführt, und der bei Ansaugdrücken im Bereich von etwa 330 bis 3.600 psig (2, 28 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und bei Abgabedrücken im Bereich von etwa 330 bis etwa 4.500 psig (2, 28 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) arbeiten kann;

Zwischenspeichermitteln (18) zur vorübergehenden Speicherung von Erdgas, das vom Kompressor abgegeben wird, bei Zwischenspeicherdrücken im Bereich von bis zu etwa 3.600 psig;

Mittel (38, 42) zum gleichzeitigen Zuführen von Druckerdgas zum Kraftfahrzeug- Speichermittel (16) aus dem Zwischenspeichermittel und aus dem Kompressor, bis der Fahrzeug-Speicherdruck gleich hoch wie der Zwischenspeicherdruck ist; und

Mittel (32, 46) zum selektiven Zuführen von Druckerdgas aus dem Zwischenspeichermittel zum Kompressor zum weiteren Komprimieren bis zu einem maximalen beabsichtigten Fahrzeugspeicher-Fülldruck im Bereich von etwa 3.000 bis zu etwa 4500 psig (20,6 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck).

2. System nach Anspruch 1, das Mittel (38) umfasst, um Erdgas aus dem Vorrat (12) ohne weitere Komprimierung an das Kraftfahrzeugspeichermittel (16) abzugeben, während der Druck im Kraftfahrzeug-Speichermittel unter dem Vorratsdruck liegt.

3. System nach Ansprüch 1 oder 2, worin der Kompressor (4) ein Hydraulikkompressor ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Kompressor (14) ein Kompressionsverhältnis von bis zu etwa 10 : 1 aufweist.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Kompressor (14) ein Verdichtungsverhältnis von zumindest etwa 8 : 1 aufweist.

6. Erdgas-Kompressionssystem zum Komprimieren von Erdgas aus einem Niederdruck-Erdgasvorrat (12) mit einem Druck im Bereich von etwa 330 bis etwa 1.000 psig (2, 28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) auf einen gewünschten höheren Druck im Bereich von bis zu etwa 4.500 psig (31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck), wobei das System Folgendes umfasst: einen Gaskompressor (14), der über einen Bereich von Ansaugdrücken, der sich von etwa 330 bis etwa 3.600 psig (2, 28 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) erstreckt, und einen Bereich von Abgabedrücken, der sich von etwa 330 bis etwa 4.500 psig (2, 28 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) erstreckt, betrieben werden kann, Mittel (30, 44), um Druckerdgas aus dem Kompressor zu Mittel (18) zum vorübergehenden Speichern des Druckerdgases unter einem Druck im Bereich zwischen etwa 1.700 und etwa 2.700 psig (11,7 und 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) zu leiten, sowie Mitte) (22, 32, 34) zum selektiven Unterbrechen des Gasstroms zum Kompressor aus dem Niederdruckvorrat und zum Zurückführen von Druckgas zum Kompressor aus dem Mittel zum vorübergehenden Speichern, um die Kompressionsrate vom vorübergehenden Speicherdruck auf den gewünschten höheren Druck zu erhöhen.

7. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Kompressor (14) ein einstufiger Kompressor ist.

8. Verfahren zum Auffüllen eines Fahrzeug-Speichertanks (16) mit Druckerdgas von einem Anfangsdruck auf einen beabsichtigten Fülldruck, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

das Bereitstellen eines Erdgasvorrats (32) mit einem Zufuhrdruck im Bereich von etwa 330 bis etwa 1.000 psig (2,28 bis 6,89 · 10&sup6; Pa Manometerdruck);

das Bereitstellen eines Zwischenspeichertanks (18),

das selektive Abgeben von Erdgas aus dem Vorrat oder aus dem Zwischenspeichertank an den Fahrzeug-Speichertank, bis der Druck des Fahrzeug-Speichertanks gleich hoch wie der Zufuhrdruck ist;

das selektive Abgeben von Erdgas aus dem Vorrat an einen Kompressor (14), der bei Ansaugdrücken im Bereich von etwa 330 bis etwa 3.600 psig (2,28 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) bei gleichzeitigen Abgabedrücken im Bereich von bis zu etwa 4.500 psig (31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) arbeiten kann;

das Komprimieren des Erdgases und das selektive Speichern des aus dem Kompressor abgegebenen Erdgases im Zwischenspeichertank, bis ein Zwischenspeicherdruck im Bereich von bis zu etwa 3.600 psig (24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) erreicht ist;

das gleichzeitige Abgeben von Druckerdgas an den Fahrzeug-Speichertank aus dem Kompressor und aus dem Zwischenspeichertank, bis der Druck im Fahrzeug-Speichertank gleich hoch wie der Druck im Zwischenspeichertank ist;

das selektive Abgeben von Druckerdgas an den Kompressor aus dem Zwischenspeichertank und das weitere Komprimieren des Erdgases;

das selektive Abgeben des weiter komprimierten Erdgases aus dem Kompressor an den Fahrzeugspeichertank, bis der Druck im Fahrzeugspeichertank den beabsichtigten Fülldruck erreicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin das Druckerdgas im Zwischenspeichertank (18) unter einem Druck im Bereich von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und vorzugsweise im Bereich von etwa 2.300 bis etwa 2.400 psig (15,9 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) gespeichert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin der beabsichtigte Fülldruck im Bereich von etwa 3.000 bis etwa 4.500 psig (20,6 bis 31,0 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und vorzugsweise von etwa 3.000 bis etwa 3.600 psig (20,6 bis 24,8 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, umfassend den zusätzlichen Schritt des Auffüllens des Zwischenspeichertanks (18) mit Druckerdgas bis zu einem Zwischenspeicherdruck im Bereich von bis zu etwa 3.600 psig (24,8 · 10&sup6; Pa Manometerd ruck).

12. Verfahren nach Anspruch 11, worin der Zwischenspeichertank (18) bis zu einem Zwischenspeicherdruck von etwa 1.700 bis etwa 2.700 psig (11,7 bis 18,6 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) und vorzugsweise von etwa 2.300 bis etwa 2.400 psig (15,9 bis 16,5 · 10&sup6; Pa Manometerdruck) aufgefüllt wird.