用于分配加压气体的系统和方法

专利名称：用于分配加压气体的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种加压气体的分配系统，更详细地说，涉及一种用于把压缩天然气(“CNG”)从一个加注燃料站输送到一个或多个车辆贮罐中的方法和设备。
压缩和分配天然气的系统是众所周知的，例如以前在下述美国专利号中曾公布过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。
由于在气体的温度、压力和体积之间彼此相关，故在加注燃料期间可安全地引入一个诸如车辆贮罐之类贮罐的CNG数量就必然取决于一些因素，例如罐的体积和设计压力，和罐中气体的温度和压力。按照工业惯例，以70°F的标准温度设置用于CNG燃料罐的压力额定值，故标称压力额定值，例如2400、3000和3600psi就对应于70°F的内部气体温度。在快速加注燃料期间，内罐温度由于气体绝热压缩而通常要上升约70°F。在罐被装满以后，罐内的温度和压力一般会随着气体的冷却而降低。在环境温度有高于或低于标准条件70°F的大变化时，也能大大影响到在加注燃料期间和其后的罐内指示压力。除了安全考虑之外，在开票或成本会计方面，温度和压力对加注燃料期间分配的气体数量也是重要的。
现有技术的CNG加注燃料系统已有各种设备和方法，用于调节截止压力和用于确定在重新装满车辆贮罐时分配的气体数量。美国专利3,837,377透露一种装置，用于对同要加注的罐热接触的一个封闭基准压力容器中所装给定数量的基准气体的压力进行传感。把气体注入罐中，并监测和比较基准压力容器的压力和罐的压力。每当基准容器中气体与罐中气体之间达到某一预定的压力差时，皆可终止加注燃料。使用内部基准压力容器会增加制造成本和安装成本，并且还出现一个关于检查基准压力容器完好性的日常维护问题。如果基准压力容器泄漏，则无法核实基准压力是否正确和尚未变更。此外，使用如美国专利3,837,377所透露的基准压力容器不会提供合乎需要的快速响应时间，因为随着接收罐的压力开始接近基准压力，气体流率会逐渐降低。
美国专利4,527,600透露一种CNG分配系统，它包括一个比较高的压力贮罐，CNG从此罐通过一个控制阀、一个压力调节器和一个流率传感变换器而流向要加注的罐中。贮罐中的温度和压力变换器把电信号发送到一台过程控制计算机，它通过比较贮罐内CNG的初始值与最终值来计算所分配的气体量。一个与贮罐和与车辆罐充注管线连通的差压单元产生一个信号，计算机用此信号去操纵一个装在充注管线中的电磁控制阀。气体继续流动，直至车辆贮罐中压力达到某一预先选择的设置点为止，在此点使调节器关闭。然而，并未按照车辆罐中温度来调整该调节器设置点。
美国专利5,029,622透露一种气体燃料加注设备及其操作方法，其中至少一个温度传感器用于传感加注燃料设备外部的环境空气温度，和用于生成一个第一实际值信号；而压力传感器则传感气体分配装置中气流压力，并响应此压力而生成另一个实际值信号。据说这种加注燃料设备的一个优点在于以短的时间间隔进行压力与温度之间的设置/实际值比较，可以随着上述测量的进展而校正容许设置值。然而，这又是在加注燃料期间不监测车辆贮罐内的温度。
美国专利4,966,206透露另一个用CNG再充注罐的设备，它按照局部环境温度调节气态燃料的充注压力。在设备外壳的外面安装一个温度传感器，用于按照环境温度生成一个信号。把一个压力传感器连接于压缩机的吸入管线，用于按照气体入口压力生成一个信号。还安装一个压差传感器，用于按照在外壳入口管线内燃料压力与外壳内压力之间的压差来生成一个信号。把一个装于外壳中的控制设备连接于三个传感器中的每个传感器，以便从每个传感器接收信号。还把这个控制设备连接于入口阀和出口阀，用于按照从诸传感器接收的信号控制入口阀和出口阀。
美国专利5,238,030透露一种加压流体分配系统，它能够自动地补偿非标准的环境气体温度，以改进加压贮罐的完善充注。一些连接于供应增压器的压力和温度传感器可测量CNG的滞止压力和温度，和一个通过分配软管组件连通于车辆罐的流体中的压力传感器用于确定车辆罐中的压力。一个第二温度传感器用于测量环境温度。一个连接于诸压力和温度传感器和控制阀组件的电子控制系统，根据环境温度和根据车辆罐额定压力，计算车辆罐截止压力，这是已事先把其程序编入电子控制系统的；并且当车辆罐压力达到所计算的截止压力时，自动地停住CNG的流动。
美国专利5,259,424涉及美国专利5,238,030，透露一个类似的系统，其中压力传感器用于确定排出压力；其中电子控制系统计算车辆罐的体积，以及把罐压力提高到截止压力所需的附加CNG质量；和其中在附加质量的CNG已分配到车辆罐中时，停住CNG的流动。
同现有技术中所透露的系统不同现有技术是测量基准容器中压力，环境温度，或气体被分配时气体温度；而本系统是基于测量接收罐内的温度，例如一个装于车辆上的CNG贮罐的温度。根据本发明的一个优选实施例，提供一种压缩气体分配系统，它包括一个加压气体源；一个接收罐；用于监测罐内温度和引入罐内的气体压力的装置；一个计算机，其程序被设计成阅读其车辆标识号罐水体积、温度和压力数据，根据这样一些数据计算气体的体积、压力和温度，和根据这样一些数据和计算值控制加压气体的流动；用于使车辆标识号罐水体积、温度和压力数据数字化并且同计算通信的装置；和用于选择地控制气体从加压气体源流向接收罐的装置。根据本发明的一个特别优选实施例，安装一个常规的热电偶或其他的温度测量器，以探测罐中心附近的温度变化。在一个优选的车辆CNG燃料加注系统中，罐温度数据是通过车辆数据模件而同控制该分配系统的计算机进行通信的。在本发明的另一个实施例中，罐温度数据是利用一个装于车辆上的插口通过一个硬线连接而传送到计算机的。
根据本发明的另一个实施例，提供一种用于把加压气体从一个加压气源分配到一个接收罐的方法，此方法包括下述步骤把一个同加压气源连通的气流管道用可断开的方式连接于罐；接收和存入关于罐水体积和最大额定压力的计算机数据；计算要以额定压力和70°F装于罐中的气体的体积；阅读罐的初始温度和压力；计算和存储罐中气体的初始体积；估计最终温度和压力；启动流入罐中的压缩气体的流动；监测罐的实际温度和气体压力；又计算罐中气体的体积；确定罐中气体的体积是否小于或等于要用额定压力装入罐中的气体的标准立方英尺值；和每当罐中气体的体积基于要以额定压力装入罐中的气体的标准立方英尺值而达到期望值时，就终止流入罐内的压缩气体的流动。根据本发明的一个特别优选的实施例，快速地充注接收罐，直至罐压力达到估计最终压力的约200psi范围内为止，然后较慢地充注它，直至完成充注和终止气流为止。
用此中透露的系统和方法，计算机按需要反复地调节估计的最终充注压力，以补偿在燃料充注过程中的任何绝热热增益。这种技术可保证每个再充注罐皆可接收最大安全燃料装载，这会合乎需要地不超过制造商推荐的最大工作压力。决不应该在分配周期使接收罐内的实际压力超过制造商为这种罐确定的最大容许压力。最好按照系统计算机计算的接收罐内最终与最初的气体体积之间的差值，确定在再充注期间分配的气体体积。
本发明的自动车辆充注系统的其他任选特征包括自动车辆标识和燃料加注授权；通过避免在达到最终压力时降低流率而使充注速率最大的一个阀门系列；依照从最后加注计算的MPG(英里/加仑)显示当前行驶路程的英里数；对在任何期望单元中分配的气体体积进行测量的能力，包括标准立方英尺(SCF)，英制热单位(BTU)，煤气销售热量单元，十进制热量单位，汽油加仑当量(GGE)；和所分配气体的成本或费用确定。
根据本发明的另一个实施例，还透露一种系统和方法，用于通过连接于一个单独歧管的多个软管以加压气体同时“慢慢地充注”或“计时地充注”多个接收罐。在一个公共维修区有众多车辆停放和检修的情况下，例如由一名车队操作员使用这样一种系统。在本发明这个实施例情况下，最好是各个车辆在停靠在燃料加注区时都连接一个软管，并且连续加注燃料，直至全部车辆的接收罐皆已达到期望的压力值为止。当根据本发明的这个实施例慢慢地充注诸罐时，加注燃料期间任何罐内绝热热增益皆可通过罐壁而消散，使内罐温度保持接近环境温度，从而不需要调节估计的最终压力去补偿绝热热增益。通过根据燃料加注期间环境温度变离70°F的程度，调节罐在标准条件下的制造商最大容许工作压力，也可确定估计的最终压力。在本发明的这种应用中，合乎需要地提供一些传感器，以测量各个接收罐内的温度和压力，从而容许计算标准条件下的最初和最终气体体积。
本发明以低得多的装置成本取代常规的声波和微动CNG分配设备。常规的分配和测量设备受限于很窄范围的流率。微动分配器和测量设备必须合乎需要地论证一个所分配气体的实际质量的±2％的精度。这一精度只能维持在一个约±33％的设计容量的相当窄的流率范围之内。如果未登记的气体速率超过仪表的设计容量，就必须用一个节流器来节流气体。同样，如果气体流率下降到低于容许精度的下限，就必须停住气体流动，直至达到足够的气体压力，使流率处于精度范围以内为止。由于此中透露的系统不需要测量气体的流率，故它同任何流率限制完全无关。因此，它能够测量以任何流率传送的气体体积，并且只在精度上受限于那些用来测量车辆燃料罐内气体的开始和结束温度和压力的终端设备。
结合下述附图进一步描述和解释主题系统及其操作方法，在附图中

图1是本发明的加压气体分配系统的一个优选实施例的简化示意图，适合用作内燃机车辆的CNG燃料加注系统，还示出两个替代设备结构，用于把温度和压力数据从接收罐传送到系统计算机；图2A、2B、2C和2D都包括一个简化的块流程图，说明在实际使用图1的系统时本发明的优选CNG燃料加注方法的步骤；图3是本发明的压缩气体分配系统的另一个优选实施例的简化示意图，适合用于以加压气体慢慢地充注多个接收罐；图4A、4B和4C都包括一个简化的块流程图，说明在实际使用图3的系统时本发明的方法的步骤，用于以CNG之类的加压气体再充注车辆存储罐；图5是适用于本发明的气体接收罐的一端的横截面详图，说明装于气体入口相对侧的罐端的一个热电偶套管和热电偶；图6是图5所示热电偶套管的正面详图，其热电偶线从热电偶套管向外延伸；图7是沿着图6的7-7线截取的横截面立视详图，描述图5和6的热电偶套管的内面端部，说明热电偶头部相对于热电偶套管内壁的安放；图8是用于本发明的一个优选软管连接器组件的立视详图，该组件包括一些天线回路，用于把车辆标识信息和温度与压力数据从车辆传送到控制燃料加注系统的计算机；和图9是本发明的压缩气体分配系统的又一个优选实施例的简化示意图，适合用于以CNG慢慢地充注多个内燃机车辆贮罐。
参照图1，本发明的系统10最好包括加压气源12，它通过加压气流管线16和可断开的软管连接组件18连接于接收罐14、装在气流管线16中的一个供气阀20、一个三通排气阀45和一个压力传感器24，用于控制气源12与接收罐14之间加压气体的流动；装在接收罐14之内的温度传感器22；模-数转换器26，36；系统计算机38；和显示器40。供气阀20最好是一个二位置阀，它由电子激励螺线管28按照从计算机38接收的信号来选择地打开和关闭。一般用于阀20的响应时间为约120微秒。螺线管28能够用硬线连接于计算机38，如图1所示，或者如果要求的话，能用一个远距离发送器来激励，虽然本发明的系统与方法的主要用途是用压缩天然气燃料加注车辆贮罐，但在阅读本说明书时可知，本系统可同样用于以加压气体再充注其他类型的气体贮罐。
加压气源12可以是一个大体积的贮罐，一个加压气体供应管线，一个压缩机排气管线，或者这些单元的任何组合，适用于按照大到足以实现期望充注速率、充注数量和充注压力的压力和数量把气体供给接收罐14。一个向接收罐14供应加压气体的特别优选气源12是如图所示的系统，并描述于美国专利5,351,726中，在此编入供参考。应当从本发明的用途去了解加压气源12可以包括快速充注源和慢速充注源，以及控制该源的装置，按照计算机38生成的信号从该源供应气体。术语“快速充注”一般被理解为，施加大于约200cfm/罐的充注速率；而术语“慢速充注”一般理解为施加小于200cfm/罐的充注速率，通常流动速率约为30cfm/罐或更低。自然明白，“快速充注”和“慢速充注”都是相对的术语，与这些术语有关的流动速率可以变化相当大，取决于气体供应线的容量和取决于在特定应用中要充注的接收罐的数量和体积。上述的流动速率都是典型的，是在小吨位远货汽车或机动车CNG贮罐之类的车辆贮罐的“快速充注”或“慢速充注”中可以适当地利用的。对于涉及本发明优选实施例的在此透露的系统来说，当再充注一个单独的罐时，主要利用“快速充注”，如此中参照图1和2和所述；而当同时充注多个罐时，主要利用“慢速充注”，如此中参照图3、4和9所述。
在此示出三通排气阀45和优选的软管连接组件18(断开的)，并结合附图的图8予以进一步描述。参照图8，软管连接组件18最好包括一个同车辆罐供应管线58连通的凸形连接器56，管线58是用螺帽62连接于车辆面板60的；和一个连接于气体流动管线16的承力弹簧凹形连接器54。凹形连接器54和凸形连接器56最好包括一些整装止回阀(图8未示出)，每当进行连接时，它们就打开锁定。三通排气阀45最好装于分配岛或者正好在软管连接组件18上游处的燃料加注停车处。阀45最好包括含有一个由转动手柄84启动的阀件的阀体82，以便在气体流动管线16与或者罐供应管线58或者排气管线88之间，选择地建立流体连通，或者换句话说，在气体流动管线16与罐供应管线58之间，封锁流体连通、通过在加注燃料以后选择地转动阀手柄84到排气位置，操作员能够减小软管连接组件18内的气体压力，从而容许把凹形连接器54与凸形连接器54松开。三通排气阀45和快速连接软管连接组件18(符保NGV II规则的要求)是可在市场上从一些众所周知的销售商，例如Stubli、Swagelok、Parker Hannefin和Hoke Gyrolok处买到的。根据本发明的一个优选实施例，RF天线回路42，44被分别连接于凸形和凹形连接器56，54；并且当软管连接组件18被连接时，这两个RF天线就充分靠近，从而能够发生数据发送，这将在下面详述。
压力传感器24被合乎需要地装于供气阀20与三通排气阀45之间的气流管线16中，它生成一个相当于管线压力的信号，使该信号通过模-数转换器36传送到计算机38。在通过连接软管连接组件18和通过手工打开阀门45而使气流管线置于与接收罐14连通的流体中以后，和打开阀门20以前，压力传感器24能够测量接收罐14中的初始压力(虽然接收罐14中初始压力在连接软管连接组件18以后而打开阀门45之时会稍有上升)。
本发明的一个重要特点是把温度传感器22置于接收罐14之内。把用于本发明的一个优选温度传感器22结合图5-7进一步予以描述和说明，参照图5-7，希望温度传感器22由304不锈钢制作，并由螺纹66固定到接收罐14的端壁中的孔内，它位于燃料进入口43的相对侧，如图1所示。希望温度传感器22的探头段的自由端在接收罐14内延伸到一个罐的质心点或该点附近，或者至少沿罐的中心线延伸，以得出能代表罐内气体温度的温度数据。参照图6和7，希望温度传感器22的探头段64是一个有着封闭端的管件，同接收罐14的壁厚相比，其壁厚是比较薄的。包含导线70和72的布线68最好延伸到探头段64中，并且分别连接于导线70和72的布线丝线74和76在小珠78处彼此接合，它也接地于探头段64的端壁80的内表面。
测量接收罐14内的温度可提供一些优于现有技术系统的优点。用此中透露的系统，能够由计算机38在任何时间根据接收罐14内气体的实际温度，确定或重新计算接收罐14内气体的体积和期望的结束压力，如此所用，术语“结束压力”涉及到，每当气体充注量处于罐额定最大标准条件压力下的标准条件体积的预定范围以内时，最好是约1.5％的范围以内时的接收罐14之内的压力，如果使用一种可在市场上买到的具有0.25％精度的压力传感器和一种具有±4°F精度的热电偶，则其组合误差只会有例如在3,000psi下的约1.1％。在分配周期期间决不会使接收罐内的实际压力超过制造商为这个罐规定的最大容许压力。
来自温度传感器22的信号能够按需要由任何一些可在市场上买到的常规设备或系统，转送到计算机38。三个这类可替代设备示意地描述于图1中。在图1所示替代设备中的两个设备中，温度传感器22生成的温度数据信号是首先路由模一数转换器26和车辆数据模件32的。(虽然分开示于图1中，但应当知道，转换器26可以成为车辆数据模件32电路的一部分)。根据本发明的一个优选实施例，用于数字化温度数据的信号通过RF发送器34而引向天线42，然后由天线44接收，并且通过RF接收器46而引向计算机38。
根据本发明的另一个实施例，再参照图1，来自温度传感器22的信号可以另外通过一个利用可断开的相互可连车辆插口50和控制系统插口52的硬线连接，而传送到系统计算机38；这两个插口都示意地示于图中虚线边界48之内。插口50，52可以装入软管连接组件18的各个凸形和凹形连接器56，54之内，或者置于任何其他的可在加注燃料期间适当靠近操作员的地点。
根据本发明的又一个实施例，又参照图1，来自温度传感器22的信号可以另外通过一个利用可断开的相互可连车辆插口92和控制系统插口94的硬线连接，和通过一个模数转换器96，而传送到系统计算机38；它们示意地示于图中虚线边界90之内。插口92，94可以装入软管连接组件18的各个凸形和凹形连接器56，54之内，或者置于任何其他的在加注燃料期间适合操作员操作的地方。
在CNG燃料加注期间，可用一个信用卡或“卡锁”系统来控制销售核准点和自助型车队操作中的燃料泵送安全。在某些现有技术系统中，向每个雇员或用户都发放一个磁卡，并指定其个人身份识别号(“PIN”)。在磁卡被扫描以后，询问个人请求燃料，以输入PIN号。PIN号有助于防止未核准地使用磁卡，但未能满足没有未核准地使用燃料的要求。例如，甚至在置有卡锁系统的情况下，一名有磁卡和PIN号的雇员能够给一个未核准的车辆或一个未核准的辅助容器加注燃料。尤其在车辆被转动或又指定其他操作员的情况下，作得再好也难以保持记录。
希望此中透露的CNG燃料加注系统10适合于并入一个有销售核准特征的车辆点，以消除任何雇员输入数据。根据本发明的一个实施例，举例来说，希望在程序上设计每个车辆的车辆数据模件，使一个离散的字母数字识别码，例如14字符的制造商车辆识别号，可以发送到计算机38。接收罐14的水体积、最大容许压力和最大工作压力，如果尚未存入计算机的存储器(或者作为针对存储器中所存数值的交叉校验)，则也可在这时发送到系统计算机38。所发送的代码必须匹配于用来启动燃料循环的系统计算机38中预先核准代码表中的一个代码，从而针对未核准的使用而提供很可靠的安全性。此外，举例来说，能够在程序上设计车辆数据组件，使例如下述的其他信息送回系统计算机在汽油或CNG动力下驱动的各个英里数的里程表读数，两种燃料的发动机小时数等。根据本发明的一个特别优选实施例，用于此目的的发送器、接收器和天线都是上述的用于发送接收罐14的温度数据的相同的发送器34、接收器46和天线42，44。最好控制无错传输距离，以便在燃料软管从车辆断开时，就中断车辆与燃料软管之间的连通。在加注燃料期间连续地监测车辆与燃料软管之间的连通，如果信号丧失，就关掉燃料分配器。这可防止系统把CNG分配到任何除了一个核准车辆以外的其他容器。另一方面，如果一个图1中虚线轮廓48内所示的插口系统，用于通过车辆数据模件32把温度数据发送到计算机38，则可把其他的信息，例如车辆识别数据、罐水体积、制造商压力额定值等，也发送到使用这个数据链路的系统计算机38。
在CNG的压力、体积和温度之间的关系决定于经过天然气超压缩性校正的理想气体定律，可以陈述如下P=ZnRTV]]>式中P＝压力Z＝超压缩系数n＝该气体的克分子数R＝普通气体常数T＝温度(°R)V＝立方英尺本发明考虑到接收罐口内的实际温度，并且利用计算机38连续地调节最终充注压力，以补偿燃料加注过程中绝热热增益。最好是，计算机38接收来自接收罐14内的传感器22的初始温度和来自传感器24的初始压力，然后用下述方程计算罐14中气体的初始体积Vi=PiZbTbVTZiTiPb]]>式中Vi＝在充注开始时接收罐内氯体的体积(SCF)Pi＝在充注开始时接收罐内气体的压力(PSIA)Zb＝CNG在起点条件下的超压缩系数Tb＝温度起点(520°R)VT＝接收罐的体积(CF)Zi＝CNG在充注开始时的超压缩系数Ti＝在充注开始时接收罐内气体的温度(°R)Pb＝压力起点(对West Texas为14.69PSIA)。
在此前结合图1描述的设备的情况下，进一步结合图2A、2B、2C和2D来说明本发明的方法。在加压气源12与接收罐14之间建立起软管连接(并且如果采用图1的诸替代数据传输实施例之一，则互相连接车辆和控制系统插口)，并且打开阀门45以后，计算机38首先从存于其存储器中的车辆表中确认该车辆是一个核准的用户；如果不是，就向显示器40发送一条象“非核准用户”之类的信息。在确认该核准以后，计算机38就从它的存储器中阅读，或从接收罐14的车辆数据模件32中接收，用于接收罐14的水体积和额定压力(最好是制造商的最大容许压力和最大操作压力)。然后，计算机38计算接收罐14会在70°F以它的最大操作压力盛装的CNG的体积，读出由温度传感器22测定的接收罐14内的初始温度和由压力传感器24测定的初始压力，使用罐的水体积和初始罐温度和压力去计算接收罐14内气体的初始体积，估计用于接收罐14的最终温度和压力，向螺线管28发送打开阀门28的信号，和向加压气源12发送开始快速充注接收罐14的信号。
在接收罐14的燃料充注期间，温度传感器22和压力传感器24继续把实时温度和压力数据传送到计算机38，它以预定的间隔按照标准立方英尺(在标准条件下的立方英尺)重复地再计算接收罐14内的气体体积。计算机38比较一个从接收罐14内实时温度与压力计算的体积，和一个接收罐14会以最大容许操作压力和70°F盛装的气体的预先计算的体积。如果实际的气体体积仍低，计算机38就计算一个新的估计结束温度和压力，并且确定实际的罐压力是否在重新估计结束压力的某一预定范围之内，最好是在约200spi范围之内。如果罐压力尚未在这个范围之内，则快速充注继续下去，并且计算机38读出新的实时温度和压力数据，和计算接收罐14内气体的体积，重复进行上述步骤。(认为所述的约200psi的预定范围是一个用于本发明方法的满意值，在此，车辆贮罐以约200cfm的快速充注速率来充注。)另一方面，如果接收罐14内的压力业已处于重新估计结压力的200psi的范围之内，则计算机38在下一步骤确定接收罐14内实际气体体积是否处于，一个贮罐会以70℃下的额定压力盛装的体积的预定范围之内，最好是约1.5％的范围之内。(从温度传感器22和压力传感器24的组合误差范围得出1.5％的值。)如果接收罐14内气体的体积处在约1.5％的范围之内，则计算机38向螺线管28发送信号以关闭阀门20。如果不处于约1.5％的范围内，则计算机38又读出接收罐14的实时温度和压力，并且计算一个新的估计结束温度和压力，和向加压气源12发出信号，以便从“快速充注”转换到“慢速充注”。如前所述，本专业普通技术人员在阅读本公开时会知道，术语“快速充注”和“慢速充注”只用作相对的术语，与此术语有关的特定流率可以随所用设备的容量而不同。虽然在接收罐14内气体的体积接近它的最大容量时使用一种双等级充注速率的概念或一种流率降低的概念是适用于本发明的，但对于根据接收罐的内部温度和压力来控制一个加压气体分配系统的本发明的方法来说，给定的应用所遵循的特殊方式不是关键性的。在阅读本公开时还会知道，可以利用除了结合图1的上述结构之外的其他硬件地构去实施本发明的方法。为安全起见，要强调估计结束压力应该总是低于制造商为接收罐14规定的最大容许压力；并且在按照罐14内温度传感器22的测量调节实际罐温度时，只要压力传感器24测量的压力超过制造商为接收罐14规定的最大容许压力，系统计算机38就生成一个用于螺线管28的信号去关闭供应阀20。
在优选的CNG分配操作的“慢速充注”阶段期间，计算机38又从温度传感器22和压力传感器24接收的实时温度和压力，又用实际的罐温度和压力计算按标准立方英尺计的接收罐14内气体的体积，并且又确定接收罐14内的实际气体体积是否在标准条件(在70°F的额定压力下)体积的约1.5％的范围以内。当已把接收罐14充注到期望数量时，计算机38计算罐内气体的最终体积，并减去其初始体积，以确定所分配的气体体积。能够对燃料使用、英里数、成本或类似参数作出附加的计算；并且能够把所算出的数据，通过一种硬线连接，例如图1中虚线48之内选择地示出的连接，或者通过图1中未示出的另一个发送器和接收器，按需要来显示，电子地存储，或送回车辆数据模件32。然后把三通排气阀45转接到排气位置，按图8所示通过排气管线88从软管连接组件18排出气体，以容许手工地分开凸形和凹部连接器56，54。置于软管连接组件18内的止回阀，可在软管连接组件18被断开时，防止从接收罐14内流失加压气体。
根据本发明的另一个实施例，还公开一种系统和方法，用于通过连接于一个单独歧管的多个软管用一种加压气流来同时“慢速充注”或“定时充注”(在此同义地使用术语)多个接收罐。举例来说，在带有其压力额定值基本相同的接收罐的许多车辆于夜间停放和保养于一个公共区的情况下，可由一名车队操作员使用这种系统。由于其接收罐被充注的速度慢于上述本发明的实施例的速度，故可通过罐壁消散绝热热量，从而接收罐内气体的温度仍然接近于环境温度。然而，由于罐的尺寸和初始充注数量可能会从车辆到车辆而改变，故希望对每个接收罐提供温度和压力传感器，以容许对每个罐计算最初和最终气体体积。
参照图3所示的优选实施例，本发明的系统100最好包括由气流管线116连接于分配歧管114的加压气源12；三通排气阀170和软管连接组件166，用于在歧管114与接收罐160、162、164之间建立气流连通；装于各个接收罐中的温度传感器122和装于气流管线116中的温度传感器180；装于各个接收罐中的压力传感器178和装于气流管线116中的压力传感器124；模-数转换器172；用于各种车辆的车辆数据模件173，174，175；RF发送器176；RF接收器134；模-数转换器136；系统计算机138；置于气流管线116中的阀门120，根据从计算机138接收的信号由螺线管128控制它；和显示器140。希望软管连接组件166是前面结合图8所述的类型，它在该组件的凸形侧和凹形侧都安装一个天线。虽然图3只示出三个接收罐160，162，164，但要知道，在需要时能够把多个具有大体相同压力额定值的附加罐同样地连接于歧管管线115。
下面结合图4A至4C进一步描述和说明使用加压气体分配系统100去“慢速充注”多个接收罐的方法。当软管连接组件166已把各个接收罐160，162，164连接于分配歧管114时，希望打开三通排气阀170；并且为安全和可靠起见，还希望按照上面结合系统10所述，启动核准程序。在这时，可以通过前面结合系统10描述的发送器176和接收器136，或者通过任何其他类似有效装置(其中之一在下面结合图9的系统200进行描述)，从车辆数据模件174，175，176把用于接收罐160，162，164的罐水体积和压力额定值传送到系统计算机138。还把初始罐温度和压力数据从温度传感器122和压力传感器178发送到计算机138，并且计算机138计算用于各个接收罐160，162，164的初始气体体积。然后，计算机138向螺线管128发出信号以打开阀门120，容许加压气体流过歧管114，阀门170，和进入接收罐160，162，164。由于从加压气源112进入歧管114的加压气体会寻求最小阻力的路径，故有着最低初始压力的接收罐会在气体开始进入较满的罐之前同其他的罐取得平衡。随着充注的进行，通过模-数转换器136把温度和压力数据送到计算机138，并且计算机138计算目标化的结束压力。每当压力传感器124传感的管线压力相当于目标化的结束压力时，计算机138就向螺线管128发出关闭阀门120的信号，从而终止加压气体的流动。关闭阀门170，并且计算机138读出从温度传感器122和压力传感器178分别接收的最终罐温度和压力。然后，辅助成本或英里数数据，或类似数据能够被一个例如前面结合系统10所述的装置生成和电存储，向前送到显示装置140(包括屏、打印机、磁带、磁盘或它们的任意组合)，或送回车辆数据模件173，174，175。然后把三通排气阀170接到排气位置，排出在软管连接组件166内收集的气体，以便容许用手工分开凸形的凹形连接器，如前面结合系统10所述。
如果需要，能够这样设计系统100的系统计算机138的程序如果在接收罐从燃料充注系统断开的时间之前，由压力传感器124确定的压力降低一个预定的数量(这是可能由于逐渐冷却而经历的)，那么计算机138会重新计算估计的结束压力，并且会向螺线管128发出重新打开阀门120的信号，以便重新开始慢速地充注接收罐，直至达到重新估计的结束压力为止。
结合示出加压气体分配系统200的图9，描述本发明的另一个优选的实施例，该系统包括加压气源212，气流管线216，气体分配歧管214，三通排气阀270，软管连接组件266，接地路天线250，RF接收器234，计算机238，模-数转换器236，显示器240，螺线管228，阀门220，压力传感器224和温度传感器280。根据本发明的这个实施例，温度传感器不同供气管线216直接热接触，而是安装成在燃料充注场地测量环境温度。(应该了解，这种温度传感器的安放方法还能够用于如上所述的系统100的温度传感器180)。系统200的接地环路天线250是一个优选的车辆专用核准装置，它能埋在进入燃料加注区的汽车道上，用于在这燃料加注区时从车辆数据模件273中罐载信息，例如车辆识别、英里数、罐水体积、额定压力、初始罐温度和压力等。希望进入燃料加注区的车道被设计成具有一个自动门或其他类似的有效装置，以防未核准的车辆进入燃料加注区。希望接收罐260，262，264装有温度传感器222，压力传感器278，模-数转换器272，车辆数据模件273和RF发送器276。在本发明的这个实施例的情况下，软管连接组件266不包含RF天线，因此，来自温度传感器222和压力传感器278的最后罐温度和压力数据，或者以前未卸载到接地环路天线250的任何其他数据，都在车辆驶出燃料加注区时，从RF发送器276经过RF接收器234而发送到计算机238。然后通过比较出口数据和入口数据，确定所分配气体的体积。系统200在其他方面都按照与上述系统100相同的方式来配置和工作。
借助在此透露的本发明，有可能根据需要通过一个自动销售点(“POS”)系统或者一个自动车队数据管理(“FDM”)系统，分配用于内燃机车辆贮罐燃料加注的加压气体，尤其是CNG。在两种系统情况下，用计算机计算通过使用涉及气体压力、体积和温度(“PVT”)关系而分配的气体体积。对于地些绝热加热或其他温度变化是重要以快速充注应用来说，能够在燃料加注期间根据接收罐内温度变化不断更新结束压力。关于车辆识别、里程表读数、额定罐压力、罐压力、罐温度、燃料利用等的数据，能够按照如上所述方式而传到计算机和从计算机传出；该方式是通过车辆模件，通过RF发送器和接收器(地上或地下)，通过插入硬线连接器，或者通过其他类似的有效装置。在自动POS系统的情况下，能够把计算机程序设计成，通过所期望的显示、印出和/或电子数据存储的任何组合向买主按销售价收费。在自动FDM系统的情况下，能够把计算机程序设计成，利用从车辆数据模件和从装于车辆罐中的温度和压力传感器所接收的数据，向车队管理者提供关于特定车辆性能、英里数、燃料利用、操作小时数等的定期报告。在此透露的方法还能够用于那些利用液体和压缩气体燃料的更先进的车辆燃料系统，并且能够生成关于操作时间、所用燃料数量、和每种燃料所实现英里数的报告。
本专业的普通技术人员在阅读本透露时还会明了本发明的其他变更和修正，只打算通过最充分地解释本发明者拥有法律权利的所附权利要求书来限制在此透露的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于把加压气体从加压气源分配到接收罐中的系统，该系统包括一个加压气源；至少一个接收罐；用于把该源可断开地连接于该罐的装置；用于传感罐内气体温度和用于生成与此相应的信号的装置；用于传感器罐内气体压力和用于生成与此相应的信号的装置；一个计算机；用于启动加压气体流入罐中的装置；用于把由温度和压力传感器装置生成的信号按照计算机可识别的形式传到计算机中的装置；计算机内的装置，用于接收和存储制造商的罐水体积和额定压力的数据，用于接收和存储由温度和压力传感装置传到计算机的温度和压力数据，用于根据罐的温度和压力定期地计算罐内气体的体积，用于定期地计算估计的罐结束压力，和用于把实际的罐压力和气体体积同估计的罐结束压力和该罐相应的气体体积进行比较；和每当罐内气体体积或者罐内气体压力达到某一预定值时，用于终止加压气体流向该罐的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中加压气体是一种压缩天然气。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括自动核准装置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中用于启动加压气体流入该罐的装置包括至少一个阀门，和用于根据由核准装置生成的信号控制该阀门的装置。
5.根据权利要求1所述的系统，其中通信装置包括电信号生成、发送和接收装置。
6.根据权利要求1所述的系统，其中用于终止加压气体流向罐的装置每当罐内气体体积达到某一预定值时就终止其流动。
7.根据权利要求1所述的系统，其中用于终止加压气体流向罐的装置每当罐内气体压力达到某一预定值时就终止其流动。
8.根据权利要求1所述的系统，包括在启动加压气体流入罐中以后的任何时候，用于计算和存储一个相当于罐内气体体积的值的装置。
9.根据权利要求1所述的系统，包括用于计算、显示和存储分入罐内的气体体积的装置。
10.根据权利要求1所述的系统，包括用于计算、显示和存储分入罐内的气体成本的装置。
11.根据权利要求1所述的系统，包括用于把加压气体从加压气源同时分配到多个接收罐的装置。
12.根据权利要求1所述的系统，包括用于以一个期望的流动速率控制加压气体从加压气源流向接收罐的装置。
13.根据权利要求3所述的系统，其中接收罐是一个车辆贮罐，并且其中自动核准装置是车辆专用的。
14.根据权利要求1所述的系统，其中用于传感罐内气体温度和用于生成与此相应信号的装置，包括一个伸入罐内的温度传感器。
15.根据权利要求1所述的系统，其中用于传感罐内气体压力和用于生成与此相应信号的装置，是一个与罐流体连通的压力传感器。
16.根据权利要求1所述的系统，其中用于可断开地把源和罐连接的装置，包括一个带有可断开连接装置的活动软管。
17.根据权利要求1所述的系统，其中用于可断开地把源和罐连接的装置，包括用于把数据传到计算机的装置。
18.一种用于把加压气体从加压气源分配到接收罐的方法，该方法包括下述步骤阅读用于罐的水体积和额定压力的制造商数据，并把它们存入计算机中；可断开地连接一个从源到罐的气流管道；传感罐内的初始温度和压力，并把它传到计算机；计算和存储一个用于罐的初始气体体积；启动加压气体从源流入罐；定期地传感罐内气体的温度和压力，并把它传到计算机；定期地重新计算罐内气体的体积；定期地计算一个用于罐内气体的估计结束压力；把实际的罐压力和气体体积同估计的罐结束压力和相应的罐气体体积作比较；和每当罐内气体体积或罐内气体压力达到预定值时，终止加压气体流向罐。
19.根据权利要求18所述的方法，其中加压气体是压缩天然气。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括在启动加压气流之前认可用户核准的步骤。
21.根据权利要求18所述的方法，包括每当罐内气体的体积达到预定值时，终止加压气体流向罐的步骤。
22.根据权利要求18所述的方法，包括每当罐内气体的压力达到预定值时，终止加压气体流向罐的步骤。
23.根据权利要求18所述的方法，包括把加压气体从加压气源同时分配到多个接收罐的步骤。
24.根据权利要求18所述的方法，包括控制加压气体以一个期望的流动速率从加压气源流向接收罐的步骤。
25.根据权利要求18所述的方法，其中接收罐是一个车辆贮罐。
26.根据权利要求18所述的方法，包括计算、存储和显示从源分入罐的气体的体积的步骤。
27.根据权利要求18所述的方法，包括计算、存储和显示从源分入罐的气体的成本的步骤。
28.一种用于确定从加压气源分配到一个具有已知水体积的接收罐中的预定加压气体数量的系统，该系统包括用于确定接收罐内初始温度和压力的装置；用于计算和存储接收罐内气体初始体积的装置；用于确定接收罐内最终温度和压力的装置；用于计算接收罐内最终气体体积的装置；和用于确定在接收罐内初始与最终气体体积之间差值的装置。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，用于确定接收罐内初始和最终温度的装置包括一个装于罐壁中的温度传感器。
30.根据权利要求28所述的系统，其中，用于确定接收罐内初始和最终压力的装置包括一个装于罐壁中的压力传感器。
31.根据权利要求28所述的系统，其中，用于计算罐内初始和最终气体体积的装置是一台个人计算机。
32.根据权利要求28所述的系统，其中，用于确定在接收罐内初始与最终气体体积之间差值的装置是一台个人计算机。
33.一种用加压气体加注燃料贮罐的方法，该方法包括下述步骤确定用于加压气体的超压缩系数；确定贮罐的体积；确定罐内的初始温度和压力；在再充注之前根据对加压气体超压缩性的校正用理想气体定律，计算罐内加压气体的体积；启动加压气体流入贮罐；确定期望的结束充注压力；在再充注期间监测贮罐内的压力；当贮罐内的压力达到期望的结束充注压力时，终止加压气体的流动；确定罐内的最终温度和压力；在再充注之后根据对加压气体超压缩性的校正用理想气体定律，计算罐内加压气体的体积；和通过从再充注以后的罐内气体体积减去在再充注以前的罐内气体体积，确定在再充注期间分配的气体的体积。
34.根据权利要求33所述的方法，包括下述附加步骤在再充注期间监测贮罐内的温度，和在再充注期间根据贮罐内的温度变化重新确定期望的结束充注压力。
35.根据权利要求34所述的方法，包括下述的附加步骤在再充注期间根据对加压气体超压缩性的校正用理想气体定律，计算罐内加压气体的体积。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，每当罐内加压气体的体积达到预定的数量时，就终止加压气体的流动。
37.根据权利要求33所述的方法，包括下述附加步骤当罐内压力接近期望的结束充注压力时，就减少加压气流。
全文摘要
一种用于分配加压气体，特别是CNG(压缩天然气)的系统(10)和方法，其中，优选监测接收罐(14)内的温度，并且由一台计算机(38)把该温度用于调节充注压力，以补偿由于接收罐(14)内气体的绝热压缩而引起的温度和压力升高。系统(10)还利用接收罐(14)的温度和压力去计算所分配气体的体积。
文档编号F17C13/02GK1169132SQ96191608
公开日1997年12月31日 申请日期1996年1月24日 优先权日1995年1月25日
发明者大卫·安德鲁·迪金斯, 亚克·E·布朗 申请人:尖顶Cng系统公司