專利名稱：用于分配加壓氣體的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種加壓氣體的分配系統，更詳細地說，涉及一種用于把壓縮天然氣(“CNG”)從一個加注燃料站輸送到一個或多個車輛貯罐中的方法和設備。
壓縮和分配天然氣的系統是眾所周知的，例如以前在下述美國專利號中曾公布過3,837,377；4,515,516；4,527,600；4,966,206；5,029,622；5,169,295；5,238,030；5,259,424；和5,351,726。
由于在氣體的溫度、壓力和體積之間彼此相關，故在加注燃料期間可安全地引入一個諸如車輛貯罐之類貯罐的CNG數量就必然取決于一些因素，例如罐的體積和設計壓力，和罐中氣體的溫度和壓力。按照工業慣例，以70°F的標準溫度設置用于CNG燃料罐的壓力額定值，故標稱壓力額定值，例如2400、3000和3600psi就對應于70°F的內部氣體溫度。在快速加注燃料期間，內罐溫度由于氣體絕熱壓縮而通常要上升約70°F。在罐被裝滿以后，罐內的溫度和壓力一般會隨著氣體的冷卻而降低。在環境溫度有高于或低于標準條件70°F的大變化時，也能大大影響到在加注燃料期間和其后的罐內指示壓力。除了安全考慮之外，在開票或成本會計方面，溫度和壓力對加注燃料期間分配的氣體數量也是重要的。
現有技術的CNG加注燃料系統已有各種設備和方法，用于調節截止壓力和用于確定在重新裝滿車輛貯罐時分配的氣體數量。美國專利3,837,377透露一種裝置，用于對同要加注的罐熱接觸的一個封閉基準壓力容器中所裝給定數量的基準氣體的壓力進行傳感。把氣體注入罐中，并監測和比較基準壓力容器的壓力和罐的壓力。每當基準容器中氣體與罐中氣體之間達到某一預定的壓力差時，皆可終止加注燃料。使用內部基準壓力容器會增加制造成本和安裝成本，并且還出現一個關于檢查基準壓力容器完好性的日常維護問題。如果基準壓力容器泄漏，則無法核實基準壓力是否正確和尚未變更。此外，使用如美國專利3,837,377所透露的基準壓力容器不會提供合乎需要的快速響應時間，因為隨著接收罐的壓力開始接近基準壓力，氣體流率會逐漸降低。
美國專利4,527,600透露一種CNG分配系統，它包括一個比較高的壓力貯罐，CNG從此罐通過一個控制閥、一個壓力調節器和一個流率傳感變換器而流向要加注的罐中。貯罐中的溫度和壓力變換器把電信號發送到一臺過程控制計算機，它通過比較貯罐內CNG的初始值與最終值來計算所分配的氣體量。一個與貯罐和與車輛罐充注管線連通的差壓單元產生一個信號，計算機用此信號去操縱一個裝在充注管線中的電磁控制閥。氣體繼續流動，直至車輛貯罐中壓力達到某一預先選擇的設置點為止，在此點使調節器關閉。然而，并未按照車輛罐中溫度來調整該調節器設置點。
美國專利5,029,622透露一種氣體燃料加注設備及其操作方法，其中至少一個溫度傳感器用于傳感加注燃料設備外部的環境空氣溫度，和用于生成一個第一實際值信號；而壓力傳感器則傳感氣體分配裝置中氣流壓力，并響應此壓力而生成另一個實際值信號。據說這種加注燃料設備的一個優點在于以短的時間間隔進行壓力與溫度之間的設置/實際值比較，可以隨著上述測量的進展而校正容許設置值。然而，這又是在加注燃料期間不監測車輛貯罐內的溫度。
美國專利4,966,206透露另一個用CNG再充注罐的設備，它按照局部環境溫度調節氣態燃料的充注壓力。在設備外殼的外面安裝一個溫度傳感器，用于按照環境溫度生成一個信號。把一個壓力傳感器連接于壓縮機的吸入管線，用于按照氣體入口壓力生成一個信號。還安裝一個壓差傳感器，用于按照在外殼入口管線內燃料壓力與外殼內壓力之間的壓差來生成一個信號。把一個裝于外殼中的控制設備連接于三個傳感器中的每個傳感器，以便從每個傳感器接收信號。還把這個控制設備連接于入口閥和出口閥，用于按照從諸傳感器接收的信號控制入口閥和出口閥。
美國專利5,238,030透露一種加壓流體分配系統，它能夠自動地補償非標準的環境氣體溫度，以改進加壓貯罐的完善充注。一些連接于供應增壓器的壓力和溫度傳感器可測量CNG的滯止壓力和溫度，和一個通過分配軟管組件連通于車輛罐的流體中的壓力傳感器用于確定車輛罐中的壓力。一個第二溫度傳感器用于測量環境溫度。一個連接于諸壓力和溫度傳感器和控制閥組件的電子控制系統，根據環境溫度和根據車輛罐額定壓力，計算車輛罐截止壓力，這是已事先把其程序編入電子控制系統的；并且當車輛罐壓力達到所計算的截止壓力時，自動地停住CNG的流動。
美國專利5,259,424涉及美國專利5,238,030，透露一個類似的系統，其中壓力傳感器用于確定排出壓力；其中電子控制系統計算車輛罐的體積，以及把罐壓力提高到截止壓力所需的附加CNG質量；和其中在附加質量的CNG已分配到車輛罐中時，停住CNG的流動。
同現有技術中所透露的系統不同現有技術是測量基準容器中壓力，環境溫度，或氣體被分配時氣體溫度；而本系統是基于測量接收罐內的溫度，例如一個裝于車輛上的CNG貯罐的溫度。根據本發明的一個優選實施例，提供一種壓縮氣體分配系統，它包括一個加壓氣體源；一個接收罐；用于監測罐內溫度和引入罐內的氣體壓力的裝置；一個計算機，其程序被設計成閱讀其車輛標識號罐水體積、溫度和壓力數據，根據這樣一些數據計算氣體的體積、壓力和溫度，和根據這樣一些數據和計算值控制加壓氣體的流動；用于使車輛標識號罐水體積、溫度和壓力數據數字化并且同計算通信的裝置；和用于選擇地控制氣體從加壓氣體源流向接收罐的裝置。根據本發明的一個特別優選實施例，安裝一個常規的熱電偶或其他的溫度測量器，以探測罐中心附近的溫度變化。在一個優選的車輛CNG燃料加注系統中，罐溫度數據是通過車輛數據模件而同控制該分配系統的計算機進行通信的。在本發明的另一個實施例中，罐溫度數據是利用一個裝于車輛上的插口通過一個硬線連接而傳送到計算機的。
根據本發明的另一個實施例，提供一種用于把加壓氣體從一個加壓氣源分配到一個接收罐的方法，此方法包括下述步驟把一個同加壓氣源連通的氣流管道用可斷開的方式連接于罐；接收和存入關于罐水體積和最大額定壓力的計算機數據；計算要以額定壓力和70°F裝于罐中的氣體的體積；閱讀罐的初始溫度和壓力；計算和存儲罐中氣體的初始體積；估計最終溫度和壓力；啟動流入罐中的壓縮氣體的流動；監測罐的實際溫度和氣體壓力；又計算罐中氣體的體積；確定罐中氣體的體積是否小于或等于要用額定壓力裝入罐中的氣體的標準立方英尺值；和每當罐中氣體的體積基于要以額定壓力裝入罐中的氣體的標準立方英尺值而達到期望值時，就終止流入罐內的壓縮氣體的流動。根據本發明的一個特別優選的實施例，快速地充注接收罐，直至罐壓力達到估計最終壓力的約200psi范圍內為止，然后較慢地充注它，直至完成充注和終止氣流為止。
用此中透露的系統和方法，計算機按需要反復地調節估計的最終充注壓力，以補償在燃料充注過程中的任何絕熱熱增益。這種技術可保證每個再充注罐皆可接收最大安全燃料裝載，這會合乎需要地不超過制造商推薦的最大工作壓力。決不應該在分配周期使接收罐內的實際壓力超過制造商為這種罐確定的最大容許壓力。最好按照系統計算機計算的接收罐內最終與最初的氣體體積之間的差值，確定在再充注期間分配的氣體體積。
本發明的自動車輛充注系統的其他任選特征包括自動車輛標識和燃料加注授權；通過避免在達到最終壓力時降低流率而使充注速率最大的一個閥門系列；依照從最后加注計算的MPG(英里/加侖)顯示當前行駛路程的英里數；對在任何期望單元中分配的氣體體積進行測量的能力，包括標準立方英尺(SCF)，英制熱單位(BTU)，煤氣銷售熱量單元，十進制熱量單位，汽油加侖當量(GGE)；和所分配氣體的成本或費用確定。
根據本發明的另一個實施例，還透露一種系統和方法，用于通過連接于一個單獨歧管的多個軟管以加壓氣體同時“慢慢地充注”或“計時地充注”多個接收罐。在一個公共維修區有眾多車輛停放和檢修的情況下，例如由一名車隊操作員使用這樣一種系統。在本發明這個實施例情況下，最好是各個車輛在停靠在燃料加注區時都連接一個軟管，并且連續加注燃料，直至全部車輛的接收罐皆已達到期望的壓力值為止。當根據本發明的這個實施例慢慢地充注諸罐時，加注燃料期間任何罐內絕熱熱增益皆可通過罐壁而消散，使內罐溫度保持接近環境溫度，從而不需要調節估計的最終壓力去補償絕熱熱增益。通過根據燃料加注期間環境溫度變離70°F的程度，調節罐在標準條件下的制造商最大容許工作壓力，也可確定估計的最終壓力。在本發明的這種應用中，合乎需要地提供一些傳感器，以測量各個接收罐內的溫度和壓力，從而容許計算標準條件下的最初和最終氣體體積。
本發明以低得多的裝置成本取代常規的聲波和微動CNG分配設備。常規的分配和測量設備受限于很窄范圍的流率。微動分配器和測量設備必須合乎需要地論證一個所分配氣體的實際質量的±2％的精度。這一精度只能維持在一個約±33％的設計容量的相當窄的流率范圍之內。如果未登記的氣體速率超過儀表的設計容量，就必須用一個節流器來節流氣體。同樣，如果氣體流率下降到低于容許精度的下限，就必須停住氣體流動，直至達到足夠的氣體壓力，使流率處于精度范圍以內為止。由于此中透露的系統不需要測量氣體的流率，故它同任何流率限制完全無關。因此，它能夠測量以任何流率傳送的氣體體積，并且只在精度上受限于那些用來測量車輛燃料罐內氣體的開始和結束溫度和壓力的終端設備。
結合下述附圖進一步描述和解釋主題系統及其操作方法，在附圖中
圖1是本發明的加壓氣體分配系統的一個優選實施例的簡化示意圖，適合用作內燃機車輛的CNG燃料加注系統，還示出兩個替代設備結構，用于把溫度和壓力數據從接收罐傳送到系統計算機；圖2A、2B、2C和2D都包括一個簡化的塊流程圖，說明在實際使用圖1的系統時本發明的優選CNG燃料加注方法的步驟；圖3是本發明的壓縮氣體分配系統的另一個優選實施例的簡化示意圖，適合用于以加壓氣體慢慢地充注多個接收罐；圖4A、4B和4C都包括一個簡化的塊流程圖，說明在實際使用圖3的系統時本發明的方法的步驟，用于以CNG之類的加壓氣體再充注車輛存儲罐；圖5是適用于本發明的氣體接收罐的一端的橫截面詳圖，說明裝于氣體入口相對側的罐端的一個熱電偶套管和熱電偶；圖6是圖5所示熱電偶套管的正面詳圖，其熱電偶線從熱電偶套管向外延伸；圖7是沿著圖6的7-7線截取的橫截面立視詳圖，描述圖5和6的熱電偶套管的內面端部，說明熱電偶頭部相對于熱電偶套管內壁的安放；圖8是用于本發明的一個優選軟管連接器組件的立視詳圖，該組件包括一些天線回路，用于把車輛標識信息和溫度與壓力數據從車輛傳送到控制燃料加注系統的計算機；和圖9是本發明的壓縮氣體分配系統的又一個優選實施例的簡化示意圖，適合用于以CNG慢慢地充注多個內燃機車輛貯罐。
參照圖1，本發明的系統10最好包括加壓氣源12，它通過加壓氣流管線16和可斷開的軟管連接組件18連接于接收罐14、裝在氣流管線16中的一個供氣閥20、一個三通排氣閥45和一個壓力傳感器24，用于控制氣源12與接收罐14之間加壓氣體的流動；裝在接收罐14之內的溫度傳感器22；模-數轉換器26，36；系統計算機38；和顯示器40。供氣閥20最好是一個二位置閥，它由電子激勵螺線管28按照從計算機38接收的信號來選擇地打開和關閉。一般用于閥20的響應時間為約120微秒。螺線管28能夠用硬線連接于計算機38，如圖1所示，或者如果要求的話，能用一個遠距離發送器來激勵，雖然本發明的系統與方法的主要用途是用壓縮天然氣燃料加注車輛貯罐，但在閱讀本說明書時可知，本系統可同樣用于以加壓氣體再充注其他類型的氣體貯罐。
加壓氣源12可以是一個大體積的貯罐，一個加壓氣體供應管線，一個壓縮機排氣管線，或者這些單元的任何組合，適用于按照大到足以實現期望充注速率、充注數量和充注壓力的壓力和數量把氣體供給接收罐14。一個向接收罐14供應加壓氣體的特別優選氣源12是如圖所示的系統，并描述于美國專利5,351,726中，在此編入供參考。應當從本發明的用途去了解加壓氣源12可以包括快速充注源和慢速充注源，以及控制該源的裝置，按照計算機38生成的信號從該源供應氣體。術語“快速充注”一般被理解為，施加大于約200cfm/罐的充注速率；而術語“慢速充注”一般理解為施加小于200cfm/罐的充注速率，通常流動速率約為30cfm/罐或更低。自然明白，“快速充注”和“慢速充注”都是相對的術語，與這些術語有關的流動速率可以變化相當大，取決于氣體供應線的容量和取決于在特定應用中要充注的接收罐的數量和體積。上述的流動速率都是典型的，是在小噸位遠貨汽車或機動車CNG貯罐之類的車輛貯罐的“快速充注”或“慢速充注”中可以適當地利用的。對于涉及本發明優選實施例的在此透露的系統來說，當再充注一個單獨的罐時，主要利用“快速充注”，如此中參照圖1和2和所述；而當同時充注多個罐時，主要利用“慢速充注”，如此中參照圖3、4和9所述。
在此示出三通排氣閥45和優選的軟管連接組件18(斷開的)，并結合附圖的圖8予以進一步描述。參照圖8，軟管連接組件18最好包括一個同車輛罐供應管線58連通的凸形連接器56，管線58是用螺帽62連接于車輛面板60的；和一個連接于氣體流動管線16的承力彈簧凹形連接器54。凹形連接器54和凸形連接器56最好包括一些整裝止回閥(圖8未示出)，每當進行連接時，它們就打開鎖定。三通排氣閥45最好裝于分配島或者正好在軟管連接組件18上游處的燃料加注停車處。閥45最好包括含有一個由轉動手柄84啟動的閥件的閥體82，以便在氣體流動管線16與或者罐供應管線58或者排氣管線88之間，選擇地建立流體連通，或者換句話說，在氣體流動管線16與罐供應管線58之間，封鎖流體連通、通過在加注燃料以后選擇地轉動閥手柄84到排氣位置，操作員能夠減小軟管連接組件18內的氣體壓力，從而容許把凹形連接器54與凸形連接器54松開。三通排氣閥45和快速連接軟管連接組件18(符保NGV II規則的要求)是可在市場上從一些眾所周知的銷售商，例如Stubli、Swagelok、Parker Hannefin和Hoke Gyrolok處買到的。根據本發明的一個優選實施例，RF天線回路42，44被分別連接于凸形和凹形連接器56，54；并且當軟管連接組件18被連接時，這兩個RF天線就充分靠近，從而能夠發生數據發送，這將在下面詳述。
壓力傳感器24被合乎需要地裝于供氣閥20與三通排氣閥45之間的氣流管線16中，它生成一個相當于管線壓力的信號，使該信號通過模-數轉換器36傳送到計算機38。在通過連接軟管連接組件18和通過手工打開閥門45而使氣流管線置于與接收罐14連通的流體中以后，和打開閥門20以前，壓力傳感器24能夠測量接收罐14中的初始壓力(雖然接收罐14中初始壓力在連接軟管連接組件18以后而打開閥門45之時會稍有上升)。
本發明的一個重要特點是把溫度傳感器22置于接收罐14之內。把用于本發明的一個優選溫度傳感器22結合圖5-7進一步予以描述和說明，參照圖5-7，希望溫度傳感器22由304不銹鋼制作，并由螺紋66固定到接收罐14的端壁中的孔內，它位于燃料進入口43的相對側，如圖1所示。希望溫度傳感器22的探頭段的自由端在接收罐14內延伸到一個罐的質心點或該點附近，或者至少沿罐的中心線延伸，以得出能代表罐內氣體溫度的溫度數據。參照圖6和7，希望溫度傳感器22的探頭段64是一個有著封閉端的管件，同接收罐14的壁厚相比，其壁厚是比較薄的。包含導線70和72的布線68最好延伸到探頭段64中，并且分別連接于導線70和72的布線絲線74和76在小珠78處彼此接合，它也接地于探頭段64的端壁80的內表面。
測量接收罐14內的溫度可提供一些優于現有技術系統的優點。用此中透露的系統，能夠由計算機38在任何時間根據接收罐14內氣體的實際溫度，確定或重新計算接收罐14內氣體的體積和期望的結束壓力，如此所用，術語“結束壓力”涉及到，每當氣體充注量處于罐額定最大標準條件壓力下的標準條件體積的預定范圍以內時，最好是約1.5％的范圍以內時的接收罐14之內的壓力，如果使用一種可在市場上買到的具有0.25％精度的壓力傳感器和一種具有±4°F精度的熱電偶，則其組合誤差只會有例如在3,000psi下的約1.1％。在分配周期期間決不會使接收罐內的實際壓力超過制造商為這個罐規定的最大容許壓力。
來自溫度傳感器22的信號能夠按需要由任何一些可在市場上買到的常規設備或系統，轉送到計算機38。三個這類可替代設備示意地描述于圖1中。在圖1所示替代設備中的兩個設備中，溫度傳感器22生成的溫度數據信號是首先路由模一數轉換器26和車輛數據模件32的。(雖然分開示于圖1中，但應當知道，轉換器26可以成為車輛數據模件32電路的一部分)。根據本發明的一個優選實施例，用于數字化溫度數據的信號通過RF發送器34而引向天線42，然后由天線44接收，并且通過RF接收器46而引向計算機38。
根據本發明的另一個實施例，再參照圖1，來自溫度傳感器22的信號可以另外通過一個利用可斷開的相互可連車輛插口50和控制系統插口52的硬線連接，而傳送到系統計算機38；這兩個插口都示意地示于圖中虛線邊界48之內。插口50，52可以裝入軟管連接組件18的各個凸形和凹形連接器56，54之內，或者置于任何其他的可在加注燃料期間適當靠近操作員的地點。
根據本發明的又一個實施例，又參照圖1，來自溫度傳感器22的信號可以另外通過一個利用可斷開的相互可連車輛插口92和控制系統插口94的硬線連接，和通過一個模數轉換器96，而傳送到系統計算機38；它們示意地示于圖中虛線邊界90之內。插口92，94可以裝入軟管連接組件18的各個凸形和凹形連接器56，54之內，或者置于任何其他的在加注燃料期間適合操作員操作的地方。
在CNG燃料加注期間，可用一個信用卡或“卡鎖”系統來控制銷售核準點和自助型車隊操作中的燃料泵送安全。在某些現有技術系統中，向每個雇員或用戶都發放一個磁卡，并指定其個人身份識別號(“PIN”)。在磁卡被掃描以后，詢問個人請求燃料，以輸入PIN號。PIN號有助于防止未核準地使用磁卡，但未能滿足沒有未核準地使用燃料的要求。例如，甚至在置有卡鎖系統的情況下，一名有磁卡和PIN號的雇員能夠給一個未核準的車輛或一個未核準的輔助容器加注燃料。尤其在車輛被轉動或又指定其他操作員的情況下，作得再好也難以保持記錄。
希望此中透露的CNG燃料加注系統10適合于并入一個有銷售核準特征的車輛點，以消除任何雇員輸入數據。根據本發明的一個實施例，舉例來說，希望在程序上設計每個車輛的車輛數據模件，使一個離散的字母數字識別碼，例如14字符的制造商車輛識別號，可以發送到計算機38。接收罐14的水體積、最大容許壓力和最大工作壓力，如果尚未存入計算機的存儲器(或者作為針對存儲器中所存數值的交叉校驗)，則也可在這時發送到系統計算機38。所發送的代碼必須匹配于用來啟動燃料循環的系統計算機38中預先核準代碼表中的一個代碼，從而針對未核準的使用而提供很可靠的安全性。此外，舉例來說，能夠在程序上設計車輛數據組件，使例如下述的其他信息送回系統計算機在汽油或CNG動力下驅動的各個英里數的里程表讀數，兩種燃料的發動機小時數等。根據本發明的一個特別優選實施例，用于此目的的發送器、接收器和天線都是上述的用于發送接收罐14的溫度數據的相同的發送器34、接收器46和天線42，44。最好控制無錯傳輸距離，以便在燃料軟管從車輛斷開時，就中斷車輛與燃料軟管之間的連通。在加注燃料期間連續地監測車輛與燃料軟管之間的連通，如果信號喪失，就關掉燃料分配器。這可防止系統把CNG分配到任何除了一個核準車輛以外的其他容器。另一方面，如果一個圖1中虛線輪廓48內所示的插口系統，用于通過車輛數據模件32把溫度數據發送到計算機38，則可把其他的信息，例如車輛識別數據、罐水體積、制造商壓力額定值等，也發送到使用這個數據鏈路的系統計算機38。
在CNG的壓力、體積和溫度之間的關系決定于經過天然氣超壓縮性校正的理想氣體定律，可以陳述如下P=ZnRTV]]>式中P＝壓力Z＝超壓縮系數n＝該氣體的克分子數R＝普通氣體常數T＝溫度(°R)V＝立方英尺本發明考慮到接收罐口內的實際溫度，并且利用計算機38連續地調節最終充注壓力，以補償燃料加注過程中絕熱熱增益。最好是，計算機38接收來自接收罐14內的傳感器22的初始溫度和來自傳感器24的初始壓力，然后用下述方程計算罐14中氣體的初始體積Vi=PiZbTbVTZiTiPb]]>式中Vi＝在充注開始時接收罐內氯體的體積(SCF)Pi＝在充注開始時接收罐內氣體的壓力(PSIA)Zb＝CNG在起點條件下的超壓縮系數Tb＝溫度起點(520°R)VT＝接收罐的體積(CF)Zi＝CNG在充注開始時的超壓縮系數Ti＝在充注開始時接收罐內氣體的溫度(°R)Pb＝壓力起點(對West Texas為14.69PSIA)。
在此前結合圖1描述的設備的情況下，進一步結合圖2A、2B、2C和2D來說明本發明的方法。在加壓氣源12與接收罐14之間建立起軟管連接(并且如果采用圖1的諸替代數據傳輸實施例之一，則互相連接車輛和控制系統插口)，并且打開閥門45以后，計算機38首先從存于其存儲器中的車輛表中確認該車輛是一個核準的用戶；如果不是，就向顯示器40發送一條象“非核準用戶”之類的信息。在確認該核準以后，計算機38就從它的存儲器中閱讀，或從接收罐14的車輛數據模件32中接收，用于接收罐14的水體積和額定壓力(最好是制造商的最大容許壓力和最大操作壓力)。然后，計算機38計算接收罐14會在70°F以它的最大操作壓力盛裝的CNG的體積，讀出由溫度傳感器22測定的接收罐14內的初始溫度和由壓力傳感器24測定的初始壓力，使用罐的水體積和初始罐溫度和壓力去計算接收罐14內氣體的初始體積，估計用于接收罐14的最終溫度和壓力，向螺線管28發送打開閥門28的信號，和向加壓氣源12發送開始快速充注接收罐14的信號。
在接收罐14的燃料充注期間，溫度傳感器22和壓力傳感器24繼續把實時溫度和壓力數據傳送到計算機38，它以預定的間隔按照標準立方英尺(在標準條件下的立方英尺)重復地再計算接收罐14內的氣體體積。計算機38比較一個從接收罐14內實時溫度與壓力計算的體積，和一個接收罐14會以最大容許操作壓力和70°F盛裝的氣體的預先計算的體積。如果實際的氣體體積仍低，計算機38就計算一個新的估計結束溫度和壓力，并且確定實際的罐壓力是否在重新估計結束壓力的某一預定范圍之內，最好是在約200spi范圍之內。如果罐壓力尚未在這個范圍之內，則快速充注繼續下去，并且計算機38讀出新的實時溫度和壓力數據，和計算接收罐14內氣體的體積，重復進行上述步驟。(認為所述的約200psi的預定范圍是一個用于本發明方法的滿意值，在此，車輛貯罐以約200cfm的快速充注速率來充注。)另一方面，如果接收罐14內的壓力業已處于重新估計結壓力的200psi的范圍之內，則計算機38在下一步驟確定接收罐14內實際氣體體積是否處于，一個貯罐會以70℃下的額定壓力盛裝的體積的預定范圍之內，最好是約1.5％的范圍之內。(從溫度傳感器22和壓力傳感器24的組合誤差范圍得出1.5％的值。)如果接收罐14內氣體的體積處在約1.5％的范圍之內，則計算機38向螺線管28發送信號以關閉閥門20。如果不處于約1.5％的范圍內，則計算機38又讀出接收罐14的實時溫度和壓力，并且計算一個新的估計結束溫度和壓力，和向加壓氣源12發出信號，以便從“快速充注”轉換到“慢速充注”。如前所述，本專業普通技術人員在閱讀本公開時會知道，術語“快速充注”和“慢速充注”只用作相對的術語，與此術語有關的特定流率可以隨所用設備的容量而不同。雖然在接收罐14內氣體的體積接近它的最大容量時使用一種雙等級充注速率的概念或一種流率降低的概念是適用于本發明的，但對于根據接收罐的內部溫度和壓力來控制一個加壓氣體分配系統的本發明的方法來說，給定的應用所遵循的特殊方式不是關鍵性的。在閱讀本公開時還會知道，可以利用除了結合圖1的上述結構之外的其他硬件地構去實施本發明的方法。為安全起見，要強調估計結束壓力應該總是低于制造商為接收罐14規定的最大容許壓力；并且在按照罐14內溫度傳感器22的測量調節實際罐溫度時，只要壓力傳感器24測量的壓力超過制造商為接收罐14規定的最大容許壓力，系統計算機38就生成一個用于螺線管28的信號去關閉供應閥20。
在優選的CNG分配操作的“慢速充注”階段期間，計算機38又從溫度傳感器22和壓力傳感器24接收的實時溫度和壓力，又用實際的罐溫度和壓力計算按標準立方英尺計的接收罐14內氣體的體積，并且又確定接收罐14內的實際氣體體積是否在標準條件(在70°F的額定壓力下)體積的約1.5％的范圍以內。當已把接收罐14充注到期望數量時，計算機38計算罐內氣體的最終體積，并減去其初始體積，以確定所分配的氣體體積。能夠對燃料使用、英里數、成本或類似參數作出附加的計算；并且能夠把所算出的數據，通過一種硬線連接，例如圖1中虛線48之內選擇地示出的連接，或者通過圖1中未示出的另一個發送器和接收器，按需要來顯示，電子地存儲，或送回車輛數據模件32。然后把三通排氣閥45轉接到排氣位置，按圖8所示通過排氣管線88從軟管連接組件18排出氣體，以容許手工地分開凸形和凹部連接器56，54。置于軟管連接組件18內的止回閥，可在軟管連接組件18被斷開時，防止從接收罐14內流失加壓氣體。
根據本發明的另一個實施例，還公開一種系統和方法，用于通過連接于一個單獨歧管的多個軟管用一種加壓氣流來同時“慢速充注”或“定時充注”(在此同義地使用術語)多個接收罐。舉例來說，在帶有其壓力額定值基本相同的接收罐的許多車輛于夜間停放和保養于一個公共區的情況下，可由一名車隊操作員使用這種系統。由于其接收罐被充注的速度慢于上述本發明的實施例的速度，故可通過罐壁消散絕熱熱量，從而接收罐內氣體的溫度仍然接近于環境溫度。然而，由于罐的尺寸和初始充注數量可能會從車輛到車輛而改變，故希望對每個接收罐提供溫度和壓力傳感器，以容許對每個罐計算最初和最終氣體體積。
參照圖3所示的優選實施例，本發明的系統100最好包括由氣流管線116連接于分配歧管114的加壓氣源12；三通排氣閥170和軟管連接組件166，用于在歧管114與接收罐160、162、164之間建立氣流連通；裝于各個接收罐中的溫度傳感器122和裝于氣流管線116中的溫度傳感器180；裝于各個接收罐中的壓力傳感器178和裝于氣流管線116中的壓力傳感器124；模-數轉換器172；用于各種車輛的車輛數據模件173，174，175；RF發送器176；RF接收器134；模-數轉換器136；系統計算機138；置于氣流管線116中的閥門120，根據從計算機138接收的信號由螺線管128控制它；和顯示器140。希望軟管連接組件166是前面結合圖8所述的類型，它在該組件的凸形側和凹形側都安裝一個天線。雖然圖3只示出三個接收罐160，162，164，但要知道，在需要時能夠把多個具有大體相同壓力額定值的附加罐同樣地連接于歧管管線115。
下面結合圖4A至4C進一步描述和說明使用加壓氣體分配系統100去“慢速充注”多個接收罐的方法。當軟管連接組件166已把各個接收罐160，162，164連接于分配歧管114時，希望打開三通排氣閥170；并且為安全和可靠起見，還希望按照上面結合系統10所述，啟動核準程序。在這時，可以通過前面結合系統10描述的發送器176和接收器136，或者通過任何其他類似有效裝置(其中之一在下面結合圖9的系統200進行描述)，從車輛數據模件174，175，176把用于接收罐160，162，164的罐水體積和壓力額定值傳送到系統計算機138。還把初始罐溫度和壓力數據從溫度傳感器122和壓力傳感器178發送到計算機138，并且計算機138計算用于各個接收罐160，162，164的初始氣體體積。然后，計算機138向螺線管128發出信號以打開閥門120，容許加壓氣體流過歧管114，閥門170，和進入接收罐160，162，164。由于從加壓氣源112進入歧管114的加壓氣體會尋求最小阻力的路徑，故有著最低初始壓力的接收罐會在氣體開始進入較滿的罐之前同其他的罐取得平衡。隨著充注的進行，通過模-數轉換器136把溫度和壓力數據送到計算機138，并且計算機138計算目標化的結束壓力。每當壓力傳感器124傳感的管線壓力相當于目標化的結束壓力時，計算機138就向螺線管128發出關閉閥門120的信號，從而終止加壓氣體的流動。關閉閥門170，并且計算機138讀出從溫度傳感器122和壓力傳感器178分別接收的最終罐溫度和壓力。然后，輔助成本或英里數數據，或類似數據能夠被一個例如前面結合系統10所述的裝置生成和電存儲，向前送到顯示裝置140(包括屏、打印機、磁帶、磁盤或它們的任意組合)，或送回車輛數據模件173，174，175。然后把三通排氣閥170接到排氣位置，排出在軟管連接組件166內收集的氣體，以便容許用手工分開凸形的凹形連接器，如前面結合系統10所述。
如果需要，能夠這樣設計系統100的系統計算機138的程序如果在接收罐從燃料充注系統斷開的時間之前，由壓力傳感器124確定的壓力降低一個預定的數量(這是可能由于逐漸冷卻而經歷的)，那么計算機138會重新計算估計的結束壓力，并且會向螺線管128發出重新打開閥門120的信號，以便重新開始慢速地充注接收罐，直至達到重新估計的結束壓力為止。
結合示出加壓氣體分配系統200的圖9，描述本發明的另一個優選的實施例，該系統包括加壓氣源212，氣流管線216，氣體分配歧管214，三通排氣閥270，軟管連接組件266，接地路天線250，RF接收器234，計算機238，模-數轉換器236，顯示器240，螺線管228，閥門220，壓力傳感器224和溫度傳感器280。根據本發明的這個實施例，溫度傳感器不同供氣管線216直接熱接觸，而是安裝成在燃料充注場地測量環境溫度。(應該了解，這種溫度傳感器的安放方法還能夠用于如上所述的系統100的溫度傳感器180)。系統200的接地環路天線250是一個優選的車輛專用核準裝置，它能埋在進入燃料加注區的汽車道上，用于在這燃料加注區時從車輛數據模件273中罐載信息，例如車輛識別、英里數、罐水體積、額定壓力、初始罐溫度和壓力等。希望進入燃料加注區的車道被設計成具有一個自動門或其他類似的有效裝置，以防未核準的車輛進入燃料加注區。希望接收罐260，262，264裝有溫度傳感器222，壓力傳感器278，模-數轉換器272，車輛數據模件273和RF發送器276。在本發明的這個實施例的情況下，軟管連接組件266不包含RF天線，因此，來自溫度傳感器222和壓力傳感器278的最后罐溫度和壓力數據，或者以前未卸載到接地環路天線250的任何其他數據，都在車輛駛出燃料加注區時，從RF發送器276經過RF接收器234而發送到計算機238。然后通過比較出口數據和入口數據，確定所分配氣體的體積。系統200在其他方面都按照與上述系統100相同的方式來配置和工作。
借助在此透露的本發明，有可能根據需要通過一個自動銷售點(“POS”)系統或者一個自動車隊數據管理(“FDM”)系統，分配用于內燃機車輛貯罐燃料加注的加壓氣體，尤其是CNG。在兩種系統情況下，用計算機計算通過使用涉及氣體壓力、體積和溫度(“PVT”)關系而分配的氣體體積。對于地些絕熱加熱或其他溫度變化是重要以快速充注應用來說，能夠在燃料加注期間根據接收罐內溫度變化不斷更新結束壓力。關于車輛識別、里程表讀數、額定罐壓力、罐壓力、罐溫度、燃料利用等的數據，能夠按照如上所述方式而傳到計算機和從計算機傳出；該方式是通過車輛模件，通過RF發送器和接收器(地上或地下)，通過插入硬線連接器，或者通過其他類似的有效裝置。在自動POS系統的情況下，能夠把計算機程序設計成，通過所期望的顯示、印出和/或電子數據存儲的任何組合向買主按銷售價收費。在自動FDM系統的情況下，能夠把計算機程序設計成，利用從車輛數據模件和從裝于車輛罐中的溫度和壓力傳感器所接收的數據，向車隊管理者提供關于特定車輛性能、英里數、燃料利用、操作小時數等的定期報告。在此透露的方法還能夠用于那些利用液體和壓縮氣體燃料的更先進的車輛燃料系統，并且能夠生成關于操作時間、所用燃料數量、和每種燃料所實現英里數的報告。
本專業的普通技術人員在閱讀本透露時還會明了本發明的其他變更和修正，只打算通過最充分地解釋本發明者擁有法律權利的所附權利要求書來限制在此透露的本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于把加壓氣體從加壓氣源分配到接收罐中的系統，該系統包括一個加壓氣源；至少一個接收罐；用于把該源可斷開地連接于該罐的裝置；用于傳感罐內氣體溫度和用于生成與此相應的信號的裝置；用于傳感器罐內氣體壓力和用于生成與此相應的信號的裝置；一個計算機；用于啟動加壓氣體流入罐中的裝置；用于把由溫度和壓力傳感器裝置生成的信號按照計算機可識別的形式傳到計算機中的裝置；計算機內的裝置，用于接收和存儲制造商的罐水體積和額定壓力的數據，用于接收和存儲由溫度和壓力傳感裝置傳到計算機的溫度和壓力數據，用于根據罐的溫度和壓力定期地計算罐內氣體的體積，用于定期地計算估計的罐結束壓力，和用于把實際的罐壓力和氣體體積同估計的罐結束壓力和該罐相應的氣體體積進行比較；和每當罐內氣體體積或者罐內氣體壓力達到某一預定值時，用于終止加壓氣體流向該罐的裝置。
2.根據權利要求1所述的系統，其中加壓氣體是一種壓縮天然氣。
3.根據權利要求1所述的系統，還包括自動核準裝置。
4.根據權利要求3所述的系統，其中用于啟動加壓氣體流入該罐的裝置包括至少一個閥門，和用于根據由核準裝置生成的信號控制該閥門的裝置。
5.根據權利要求1所述的系統，其中通信裝置包括電信號生成、發送和接收裝置。
6.根據權利要求1所述的系統，其中用于終止加壓氣體流向罐的裝置每當罐內氣體體積達到某一預定值時就終止其流動。
7.根據權利要求1所述的系統，其中用于終止加壓氣體流向罐的裝置每當罐內氣體壓力達到某一預定值時就終止其流動。
8.根據權利要求1所述的系統，包括在啟動加壓氣體流入罐中以后的任何時候，用于計算和存儲一個相當于罐內氣體體積的值的裝置。
9.根據權利要求1所述的系統，包括用于計算、顯示和存儲分入罐內的氣體體積的裝置。
10.根據權利要求1所述的系統，包括用于計算、顯示和存儲分入罐內的氣體成本的裝置。
11.根據權利要求1所述的系統，包括用于把加壓氣體從加壓氣源同時分配到多個接收罐的裝置。
12.根據權利要求1所述的系統，包括用于以一個期望的流動速率控制加壓氣體從加壓氣源流向接收罐的裝置。
13.根據權利要求3所述的系統，其中接收罐是一個車輛貯罐，并且其中自動核準裝置是車輛專用的。
14.根據權利要求1所述的系統，其中用于傳感罐內氣體溫度和用于生成與此相應信號的裝置，包括一個伸入罐內的溫度傳感器。
15.根據權利要求1所述的系統，其中用于傳感罐內氣體壓力和用于生成與此相應信號的裝置，是一個與罐流體連通的壓力傳感器。
16.根據權利要求1所述的系統，其中用于可斷開地把源和罐連接的裝置，包括一個帶有可斷開連接裝置的活動軟管。
17.根據權利要求1所述的系統，其中用于可斷開地把源和罐連接的裝置，包括用于把數據傳到計算機的裝置。
18.一種用于把加壓氣體從加壓氣源分配到接收罐的方法，該方法包括下述步驟閱讀用于罐的水體積和額定壓力的制造商數據，并把它們存入計算機中；可斷開地連接一個從源到罐的氣流管道；傳感罐內的初始溫度和壓力，并把它傳到計算機；計算和存儲一個用于罐的初始氣體體積；啟動加壓氣體從源流入罐；定期地傳感罐內氣體的溫度和壓力，并把它傳到計算機；定期地重新計算罐內氣體的體積；定期地計算一個用于罐內氣體的估計結束壓力；把實際的罐壓力和氣體體積同估計的罐結束壓力和相應的罐氣體體積作比較；和每當罐內氣體體積或罐內氣體壓力達到預定值時，終止加壓氣體流向罐。
19.根據權利要求18所述的方法，其中加壓氣體是壓縮天然氣。
20.根據權利要求18所述的方法，還包括在啟動加壓氣流之前認可用戶核準的步驟。
21.根據權利要求18所述的方法，包括每當罐內氣體的體積達到預定值時，終止加壓氣體流向罐的步驟。
22.根據權利要求18所述的方法，包括每當罐內氣體的壓力達到預定值時，終止加壓氣體流向罐的步驟。
23.根據權利要求18所述的方法，包括把加壓氣體從加壓氣源同時分配到多個接收罐的步驟。
24.根據權利要求18所述的方法，包括控制加壓氣體以一個期望的流動速率從加壓氣源流向接收罐的步驟。
25.根據權利要求18所述的方法，其中接收罐是一個車輛貯罐。
26.根據權利要求18所述的方法，包括計算、存儲和顯示從源分入罐的氣體的體積的步驟。
27.根據權利要求18所述的方法，包括計算、存儲和顯示從源分入罐的氣體的成本的步驟。
28.一種用于確定從加壓氣源分配到一個具有已知水體積的接收罐中的預定加壓氣體數量的系統，該系統包括用于確定接收罐內初始溫度和壓力的裝置；用于計算和存儲接收罐內氣體初始體積的裝置；用于確定接收罐內最終溫度和壓力的裝置；用于計算接收罐內最終氣體體積的裝置；和用于確定在接收罐內初始與最終氣體體積之間差值的裝置。
29.根據權利要求28所述的系統，其中，用于確定接收罐內初始和最終溫度的裝置包括一個裝于罐壁中的溫度傳感器。
30.根據權利要求28所述的系統，其中，用于確定接收罐內初始和最終壓力的裝置包括一個裝于罐壁中的壓力傳感器。
31.根據權利要求28所述的系統，其中，用于計算罐內初始和最終氣體體積的裝置是一臺個人計算機。
32.根據權利要求28所述的系統，其中，用于確定在接收罐內初始與最終氣體體積之間差值的裝置是一臺個人計算機。
33.一種用加壓氣體加注燃料貯罐的方法，該方法包括下述步驟確定用于加壓氣體的超壓縮系數；確定貯罐的體積；確定罐內的初始溫度和壓力；在再充注之前根據對加壓氣體超壓縮性的校正用理想氣體定律，計算罐內加壓氣體的體積；啟動加壓氣體流入貯罐；確定期望的結束充注壓力；在再充注期間監測貯罐內的壓力；當貯罐內的壓力達到期望的結束充注壓力時，終止加壓氣體的流動；確定罐內的最終溫度和壓力；在再充注之后根據對加壓氣體超壓縮性的校正用理想氣體定律，計算罐內加壓氣體的體積；和通過從再充注以后的罐內氣體體積減去在再充注以前的罐內氣體體積，確定在再充注期間分配的氣體的體積。
34.根據權利要求33所述的方法，包括下述附加步驟在再充注期間監測貯罐內的溫度，和在再充注期間根據貯罐內的溫度變化重新確定期望的結束充注壓力。
35.根據權利要求34所述的方法，包括下述的附加步驟在再充注期間根據對加壓氣體超壓縮性的校正用理想氣體定律，計算罐內加壓氣體的體積。
36.根據權利要求35所述的方法，其中，每當罐內加壓氣體的體積達到預定的數量時，就終止加壓氣體的流動。
37.根據權利要求33所述的方法，包括下述附加步驟當罐內壓力接近期望的結束充注壓力時，就減少加壓氣流。
全文摘要
一種用于分配加壓氣體，特別是CNG(壓縮天然氣)的系統(10)和方法，其中，優選監測接收罐(14)內的溫度，并且由一臺計算機(38)把該溫度用于調節充注壓力，以補償由于接收罐(14)內氣體的絕熱壓縮而引起的溫度和壓力升高。系統(10)還利用接收罐(14)的溫度和壓力去計算所分配氣體的體積。
文檔編號F17C13/02GK1169132SQ96191608
公開日1997年12月31日 申請日期1996年1月24日 優先權日1995年1月25日
發明者大衛·安德魯·迪金斯, 亞克·E·布朗 申請人:尖頂Cng系統公司