CN104703853A - 用于混合机动车辆的吸附天然气燃料系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了通过将含有天然气吸附剂的储罐作为车辆燃料系统的一部分进行配置来给混合动力车辆加燃料的方法和系统，其中天然气最初在700psia或更小的压力下储存在所述储罐中。

Description

用于混合机动车辆的吸附天然气燃料系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月24日提交的美国临时申请号61/675,039的优先权，所述申请的全部内容据此以引用的方式并入本文。
技术背景
天然气、压缩天然气(CNG)是用于车辆的其它化石燃料的更清洁替代物。尽管天然气与汽油相比具有成本优势，但天然气动力汽车在车辆市场进展有限，主要是在行驶距离有限并且中央充装站使其方便又经济的车队中。更广泛地采用天然气作为非车队车辆的燃料由于缺乏燃料加注基础设施而受限，或换句话说，天然气燃料加注存在分配问题。这在业内也被称为鸡和蛋的问题。没有CNG汽车是因为没有燃料加注基础设施，并且没有燃料加注基础设施是因为没有CNG动力汽车。缺乏燃料加注基础设施对于车辆所有者造成两个问题。首先，可能无法在车辆所有者的家附近给汽车加燃料。第二，如果车辆行驶到离燃料加注源太远处，那么车辆所有者将陷于困境，这有时被称为里程焦虑。另外，由于CNG固有的燃料密度相对于汽油来说较低(CNG是汽油的燃料密度的约1/3)，当前CNG车辆具有有限的行驶里程。为了解决里程焦虑问题，主要汽车制造商已经引入双燃料汽车。双燃料车辆允许在一段时间内用天然气给发动机供应燃料，然后切换成汽油，以进行更长的行程；双燃料车辆的CNG里程一般小于只用CNG加燃料的车辆。因此，分配问题只会加剧，这是因为在双燃料汽车中的CNG储罐的充装之间存在更短的行驶里程。因此，如果双燃料汽车所有者想要利用廉价的天然气，那么他们将不得不更频繁地装满并且因此需要甚至更多可能的充装站。另外，必须以更高的频率充装双燃料CNG，以便利用更低成本的天然气，这使得CNG不便于使用。
CNG通常在高压(3000psi至4000psi或205巴至275巴)下储存在钢容器或复合容器中。CNG燃料储罐比常规的汽油燃料储罐更大并且更贵。CNG汽车的燃料加注站与汽油和柴油加油站不同，因为CNG站分配高压气体。CNG站的大小和设计必须适应将在这些场所加燃料的车辆的燃料需求和形式。CNG站包括如气体干燥器和高压储存系统的独特组件并且被建造成符合专门针对高压气体制订的规范。希望提供对分配问题的解决方案，以使得CNG能够用作车辆的主要燃料。
发明概要
本发明的实施方案将天然气压缩机并入车辆中以便将未压缩的天然气压缩到含有天然气吸附剂的储罐中。
本发明的第一实施方案针对一种双燃料车辆，所述双燃料车辆包括由汽油燃料和在最小天然气轨道压力下供应的天然气燃料两者提供动力的内燃机。天然气储罐含有位于车辆上的天然气吸附剂。天然气储罐在处于100psia至700psia的范围内的天然气压力下是满的。吸附剂上所吸附的天然气和天然气储罐通过天然气燃料管线与发动机流动连通。汽油储罐含有通过汽油燃料管线与发动机流动连通的汽油。控制系统调节汽油和天然气到发动机的流动。压缩机与天然气储罐和天然气燃料管线流动连通。当发动机正在运转时，压缩机维持天然气的压力处于或高于最小天然气轨道压力。
第二实施方案还包括与天然气储罐和压缩机流动连通的天然气充装管线。
在第三实施方案中，修改第一或第二实施方案，其中天然气储罐含有一定数量的天然气以便提供车辆的100英里或更少的运行里程。
在第四实施方案中，修改第一至第三实施方案，其中天然气储罐含有一定数量的天然气以便提供车辆的50英里或更少的运行里程。
在第五实施方案中，修改第一至第四实施方案，其中控制系统包括开关控制模块，所述开关控制模块使供应给发动机的燃料从天然气燃料变成汽油燃料。
在第六实施方案中，修改第五实施方案，其中控制系统包括传感器，所述传感器基于预先确定的事件将信号发送至控制系统以便启动开关控制模块。
在第七实施方案中，修改第六实施方案，其中所述预先确定的事件包括车辆的快速加速。
在第八实施方案中，修改第六实施方案，其中所述预先确定的事件包括低压力阈值。
在第九实施方案中，修改第二至第八实施方案，其中控制系统包括充装控制模块，所述充装控制模块与充装压力传感器通信以便在天然气储罐的充装期间控制所述储罐的压力。
在第十实施方案中，修改第九实施方案，其中控制系统包括运转控制模块，所述运转控制模块与运转压力传感器和压缩机连通以便在发动机的运转期间控制天然气的压力。
在第十一实施方案中，修改第十实施方案，其中天然气储罐在150psia至500psia范围内是满的。
在第十二实施方案中，修改第二至第十一实施方案，其中充装压缩机装在车辆上。
在第十三实施方案中，修改第二至第十二实施方案，其中可通过使充装管线连接至常规家庭天然气管线来再充装天然气储罐。
第十四实施方案针对给双燃料车辆加燃料的方法，所述双燃料车辆包括汽油储罐和含有天然气吸附剂的天然气储罐。使气体供应源连接至车辆上与天然气储罐和压缩机流动连通的充装管线。使天然气储罐充装至700psia或更小的压力。
在第十五实施方案中，修改第十四实施方案，其中所述压力为500psia或更小。
在第十六实施方案中，修改第十四和第十五实施方案，其中至少一个压缩机位于车辆上，所述至少一个压缩机允许低压天然气源添加至含有吸附剂的储罐并且允许所述储罐加压至所需压力。
在第十七实施方案中，修改第十六实施方案，其中压缩机由车辆提供机械动力或电动力。
在第十八实施方案中，修改第十六实施方案，其中在汽车发动机不运转时，压缩机可由电力提供动力。
在第十九实施方案中，修改第十八实施方案，其中所述电力是由电池提供。
在第二十实施方案中，修改第十四至第十九实施方案，其中调节器用来控制在发动机运转时从吸附剂储罐到发动机的加压气体输送。
在第二十一实施方案中，修改第十四至第二十实施方案，其中在充装后，天然气储罐含有一定数量的天然气，所述数量的天然气允许汽车运转不超过100英里。
在第二十二实施方案中，修改第一至第二十一实施方案，其中吸附剂选自由活性炭、沸石、金属有机架构及其混合物组成的组。
第二十三实施方案针对运行双燃料车辆的方法，所述双燃料车辆包括汽油储罐和含有天然气吸附剂的天然气储罐。使气体供应源连接至车辆上与天然气储罐和压缩机流动连通的充装管线。用天然气将天然气储罐充装至700psia或更小的压力。使由天然气提供动力的车辆行驶小于100英里的有限里程，从而减小储罐中的压力。通过重复第一步骤来再充装天然气储罐。
在第二十四实施方案中，修改第二十三实施方案，其中天然气储罐中的压力在再充装天然气储罐之前下降为处于约5psia至约20psia范围内的值。
附图简述
图1是根据本发明的实施方案的双燃料车辆的示意性表示；
图2示出图1的处于天然气燃料加注模式的车辆；
图3示出图1的用天然气燃料运转的车辆；以及
图4示出图1的用汽油运转的车辆。
具体实施方式
在描述本发明的若干示例性实施方案之前，应了解，本发明不限于以下描述中所阐述的构建步骤或处理步骤的细节。本发明能够具有其它实施方案且能够以各种方式实施或进行。
当压缩天然气(CNG)被吸附于包括活性炭和金属有机架构(MOF)的各种材料上时，CNG可在35巴(500psi)下作为吸附天然气(ANG)以较低压力储存在储罐中。以与CNG类似或大于CNG的能量密度储存燃料。以此方式储存燃料的益处是，车辆可从天然气管网补给燃料而无需额外的气体压缩。此外，可使燃料储罐缩小并且由强度更低的更轻型材料制成。
定义
单词“包括”(comprising)、“具有”(having)、“含有”(containing)以及“包括”(including)及其其它形式意图具有同等含义上并且是开放性的，接在这些单词中的任何一个后面的一个或多个事项不意味这样一个或多个事项的详尽列举，也不意味着仅限于所列的一个或多个事项。
术语“沸石”是指具有微孔结构的水合铝硅酸盐材料并且包括天然类型和合成类型两者。
短语“金属有机架构”是指由金属离子或金属团簇组成的晶体化合物，所述金属离子或金属团簇与通常是刚性的有机分子配位以形成可以是多孔的一维、二维或三维结构。
短语“天然气”是指从石油井产生的或通过有机材料的厌氧消化所产生的气体，所述有机材料的组成主要是甲烷CH4，但它可含有其它烃类。
短语“活性炭”是指具有极细孔的一种形式的炭，其主要用于吸附气体或溶质，如同在用于提纯、脱臭和脱色的各种过滤器系统中一样。
术语“储罐”是指用于保存液体或气体的贮藏器、容器或结构。
术语“车辆”是指所有形式的移动运输工具，包括汽车、卡车、叉车和摩托车。
使用以下缩略语：psia磅每平方英寸大气压力；BET布鲁诺尔-艾米特-泰勒(BET)理论；CNG压缩天然气；MOF金属有机架构。
图1是根据本发明的一个或多个实施方案的具有双燃料系统11的双燃料车辆10的示意性表示。车辆10包括内燃机12，所述内燃机可由汽油燃料和/或在最小天然气轨道压力下供应的天然气燃料提供动力。因此，车辆10包括天然气储罐20和汽油储罐30。
天然气储罐20经由天然气燃料管线22与发动机10流动连通或流体连通。图中示出的天然气燃料管线22具有带各种发动机组件(例如，阀)的多个段。虽然将单独提到燃料管线的个别段，但本领域技术人员应理解的是，天然气燃料管线是指天然气从天然气储罐20流到内燃机12所穿过的完整路径。
天然气储罐20含有天然气吸附剂21以便安全地储存天然气。可用天然气将天然气储罐20装填到车辆运行所需的压力。在一些实施方案中，可将天然气储罐20装填到处于约100psia至约700psia范围内或处于约150psia至约650psia范围内或处于约200psia至约600psia范围内或处于约250psia至约550psia范围内的压力。在运行中，天然气储罐20可将天然气供应给内燃机12，直到天然气储罐20中的天然气压力减小为约5psia。在一些实施方案中，天然气储罐20中的天然气压力可减小为处于约5psia至约20psia范围内的压力。可打开/关闭燃料控制阀24以确保有充足的天然气流到汽缸。
吸附剂材料可为能够储存和释放天然气的任何合适材料。在一些实施方案中，吸附剂选自由活性炭、沸石、金属有机架构及其混合物组成的组。
可用于本发明的实施方案的活性炭包括Norit R 1Extra、BPL、Maxsorb、A10纤维和活性炭A，所有这些以及它们吸附甲烷的能力描述于以下文章中：Himeno，S；Komatsdsu，T和Fujita，S；High-PresureAdsorption of Methane and Carbon Dioxide on Several ActivatedCarbons；J.Chem.Eng.Data 2005，50，369-376，其因为公开了适用于甲烷吸附的活性炭而以引用的方式并入。
合适的吸附剂的实例包括金属有机架构和其它吸附剂材料。例如，金属有机架构材料因而描述于例如以下专利和文章中：美国专利号5,648,508；EP-A-0 709 253；M.O′Keeffe等人，J.Sol.State Chem.，152(2000)p.3-20；H.Li等人，Nature 402(1999)p.276seq.；M.Eddaoudi等人，Topics in Catalysis9(1999)p.105-111；B.Chen等人，Science 291(2001)p.1021-23；以及美国专利号7,309,380。在WO02/088148中公开了其它合适的吸附剂材料及其制备方法。本文所引用的这些出版物的内容全部并入本申请的内容中，因为它们涉及在本发明中有用的金属有机架构。
在运行期间，使天然气从天然气储罐20穿过天然气燃料管线22流到内燃机12。内燃机12中可包括一个或多个天然气燃料喷射器23以便将天然气喷射到发动机汽缸(未示出)中。天然气燃料喷射器23可在任何适合于燃烧的压力下将气体喷射到汽缸中。例如，天然气燃料喷射器23可在大于约35psia的压力或高达约90psia的压力下将天然气引入到汽缸。
天然气储罐20所保存的天然气的量可对车辆运行具有显著的影响。储存的天然气越多，发动机可用天然气运转的时间越长。然而，更多的天然气储存可导致车辆更重或需要大型天然气储罐20。在一些实施方案中，天然气储罐20含有一定数量的天然气以便提供车辆10的约100英里或更少的运行里程。在一个或多个实施方案中，天然气储罐20保存足够的天然气以便提供车辆10的约90英里或更少、或者约80英里或更少、或者约70英里或更少、或者约60英里或更少、约50英里或更少、约45英里或更少、约40英里或更少或者约35英里或更少的运行里程。当天然气储罐20中的天然气的压力处于约150psia至约500psia的范围内或处于约150psia至约400psia的范围内或处于150psia至约300psia的范围内或处于约150psia至约250psia的范围内时，所述储罐可被认为是满的。
双燃料系统11包括汽油储罐30，所述汽油储罐如本领域技术人员已知的，可用来储存汽油。汽油储罐30可含有一定数量的汽油，所述数量的汽油提供与天然气相比更大的行驶里程。例如，汽油储罐可含有一定数量的汽油，所述数量的汽油允许车辆行进450、400、350或300英里，这当然取决于车辆的燃料效率和汽油储罐的大小。汽油储罐30经由汽油燃料管线31与内燃机12流动连通或流体连通。汽油流量阀32可沿汽油燃料管线31定位以允许或阻止汽油从汽油储罐30流到发动机12。例如，可关闭汽油流量阀32以阻止汽油流到内燃机12，从而迫使发动机仅用天然气运行。其它组件(一般示出为组件33)也可沿汽油燃料管线31定位以实现多种目的。例如，可并入组件33以便维持充足的流量，测量并控制流量，或使流量分流到内燃机12内的多个燃料喷射器34。
系统11包括与天然气储罐20和天然气燃料管线22流动连通的压缩机40。当发动机12正在运转时，压缩机40维持天然气的压力处于或高于最小天然气轨道压力。压缩机40可为能够维持天然气轨道压力的任何合适的压缩机。例如，1.6马力(hp)的压缩机可能够给约5scfm的气流提供约150psia的最大输送压力。最小天然气轨道压力是高于压缩机吸力的任何压力或是足以运行车辆的任何压力。
可考虑很多类型的压缩机来加以应用，其中一些是旋转式压缩机、滚动式压缩机和往复式压缩机。另外，也可考虑气密密封式压缩机以降低天然气从压缩机泄漏的可能性，如同在很多空调和制冷系统中进行的一样。
在典型的情况下，汽车在高速公路上以60mph行进，并且在这些条件下，汽车的燃料效率为30mpg，汽车每小时将消耗2加仑或每30分钟将消耗1加仑。假设1加仑气体等效物中138标准立方英尺(scf)的天然气提供每分钟4.6scf的天然气流速。此外，如果天然气储罐处于15psia的压力下并且压缩机必须将天然气在150psia下输送至发动机，那么压缩机将需要约1hp的电动机。因此，根据本发明的一个或多个实施方案，可使用具有3hp、2.5hp、2hp、1.5hp和1hp的电动机的压缩机。
虽然上述压缩机适用于正常行驶，但在加速或爬坡时，车辆遭遇更高负载，这可能需要流量增加6倍。在这种情况下，压缩机可能需要高达6hp的功率并且可能需要输送高达30scfm的天然气。因此，根据一个或多个实施方案，可针对在高负载下行驶的车辆来确定压缩机的大小，或可选地，车辆可包括第二压缩机或高负载压缩机(未示出)。使双燃料车辆在高负载下运行的另一个替代方案是使用稳压罐(surge tank)或切换成用汽油燃料运行，这在下文进一步论述。
系统11还包括控制系统50以便调节汽油和天然气到发动机12的流动。为了清楚起见，在附图中，控制系统50并未连接至组件中的任一个。然而，本领域技术人员应理解的是，控制系统50以某种方式连接至系统的大多数组件(即使不是全部组件)。控制系统50与个别组件之间的这种连接可以是有线的或无线的。控制系统50可包括计算机，所述计算机被编程以运行发动机功能中的任一个或全部。另外，控制系统50可由连接至中央控制器的多个个别子控制器(未示出)构成。控制系统50可与车辆的其它控制系统和车载诊断装置以通常的方式整合。
控制系统50可包括开关控制模块51，所述开关控制模块使供应给发动机11的燃料从天然气燃料变成汽油燃料。开关控制模块51可为能够改变进入发动机12的燃料组成的硬件、软件或硬件与软件的组合。开关控制模块51可关闭沿着天然气燃料管线22的天然气流量阀25以阻止天然气流到发动机12，同时打开汽油流量阀32以允许汽油燃料流到发动机12。开关控制模块51还可打开并关闭系统11内的其它开关和阀。
控制系统50还可包括一个或多个传感器52。传感器可为取决于所监测的特定组件或系统的任何合适的传感器。例如，传感器52可包括压力传感器、流量传感器、温度传感器、加速度传感器。在一些实施方案中，传感器52能够响应于特定刺激或预先确定的事件将信号发送至控制系统50，所述信号可例如启动开关控制模块51。可触发控制系统的事件包括但不限于车辆10的快速加速和天然气储罐20的低压。
控制系统50还可包括充装控制模块53，所述充装控制模块与充装压力传感器54连通以便在天然气储罐20的充装期间控制所述储罐的压力。充装控制模块53和充装压力传感器54可结合使用以确保天然气储罐20被恰当充装或加压，以允许车辆从天然气获得最大行驶里程。类似地，控制系统50还可包括运转控制模块55，所述运转控制模块与运转压力传感器56和压缩机40连通以便在发动机12的运转期间控制天然气的压力。充装控制模块53和充装压力传感器54可为与运转控制模块55和运转压力传感器56相同的组件，或它们可为不同的组件。例如，充装控制模块53和运转控制模块55可为使用相同硬件(即，压力传感器)来执行不同任务的基于软件(包括固件)的系统，所述硬件用来测量充装压力和运转压力。
在一些实施方案中，系统11包括天然气充装管线60，所述天然气充装管线从车辆10的主体延伸或可以从车辆10的主体外部接入。这允许用户将天然气源连接至天然气充装管线60以便再装填天然气储罐20。天然气充装管线60与天然气储罐20和压缩机40流动连通。在一些实施方案中，充装压缩机可为用来导致天然气流到发动机的相同压缩机40，或可为主要功能是充装天然气储罐20的单独压缩机(未示出)。充装压缩机可装在车辆10上，因此其相对于天然气储罐20保持在固定位置，或可为与车辆分离的单元。
在一个或多个实施方案中，充装压缩机是与车辆10分离的组件，例如便携式压缩机单元或固定安装的压缩机。例如，用户可具有位于他们住处的永久压缩机，在车辆10停放在住处时，可使用所述永久压缩机来再装填天然气储罐20。在这种情况下，可通过使充装管线60连接至常规家庭天然气管线来再充装天然气储罐20。
以上所述的系统提供一种车辆，所述车辆可在车辆的司机或所有者的家中或住处方便且容易地补给燃料。这种车辆在解决困扰CNG车辆实施的基础设施和分配问题方面提供重要进步。具有通往他们家中的天然气供应源的消费者和房主可通过插入常规气体管线(所述管线可从任何天然气管线供应)和任何合适的连接件(如软管)、快速连接件(如气体烤架上所使用的类型)和/或调节器来简单地对他们车辆中的CNG补给燃料。随着供应源和基础设施问题得到解决，可以更广泛地制造并使用CNG动力双燃料车辆。
为了说明本发明的一个或多个实施方案的益处，考虑具有30mpg燃料评级的常规汽油汽车，并且将15加仑的储罐定义为参考情况。汽车具有450英里的里程。百分之七十的美国人每天行驶40英里或更少，这意味着如果这些汽车具有30mpg的燃料评级，那么70％或更少的汽车将需要至少每11天充装储罐一次。
具有压缩至3600psia的15加仑储罐的用压缩天然气运转的汽车将保存5.2加仑的汽油等效物。具有这种储罐的具有每加仑30英里评级的汽车将具有155英里的里程。百分之七十的美国人每天行驶40英里或更少，这意味着如果这些汽车具有30mpg的燃料评级并且正在使用CNG，那么70％或更少的汽车将需要至少每4天充装储罐一次。目前在美国用于CNG汽车的燃料加注基础设施很少，并且因此很难以这种频率对这种汽车补给燃料。
通过在家中安装压缩机，可部分消除使用针对CNG的加气基础设施。然而，购买CNG压缩机并在家中安装CNG压缩机的成本为约5000-7000美元。这将允许用户充装他们的汽车以用于本地每天上下班。然而，在仅使用CNG作为燃料的情况下，用这种汽车进行长途行程将是有问题的，因为存在非常少的天然气加气站。本发明的实施方案减少和/或消除了上述问题。
图2示出一个或多个实施方案的双燃料车辆10，其中正用天然气充装天然气储罐20。可通过任何合适的手段，包括通过某种类型的用户控制机构手动地或响应于某个刺激自动地使车辆10进入这个配置。在手动方法中，用户可按下位于车辆的车厢内或充装管线60附近的按钮或开关，这通知了控制系统50车辆即将被天然气充装。或者，天然气源至车辆的连接可触发发送至控制系统50的信号。响应于触发，控制系统50导致燃料控制阀24和天然气控制阀25关闭并且充装阀66打开。这阻止天然气从天然气储罐20中被抽出或进入发动机12，同时允许天然气流入天然气储罐20中。
在图2所示的实施方案中，使天然气供应源62连接至车辆10的充装管线60。充装管线60与天然气储罐20和压缩机40流体连通，如所示出的粗路线所指示。天然气受到压缩机40抽吸或受到气体供应源62或外部压缩机中的压力推动而流过充装管线60。天然气被示出为流过压缩机40到达燃料管线70(燃料管线70是燃料管线22的支线)，流过充装阀66并且流入天然气储罐20中，其中天然气被吸附到天然气储罐20内的吸附剂材料上。如上所述，天然气储罐20被充装至任何合适的压力。在一些实施方案中，天然气储罐20中的天然气压力被充装至小于约700psia或小于约500psia或小于约300psia。
用于充装天然气储罐20的压缩机可位于车辆上，如在附图中示出为压缩机40。这允许将低压天然气添加至天然气储罐20并且将储罐恰当地加压至所需压力。压缩机40可由不同的来源提供动力，所述来源各自在附图中以虚线示出。在一些实施方案中，压缩机40是由发动机12通过例如交流发电机或车载电池来提供机械动力或电动力。为了实现这一点，发动机可用汽油运转或不运转。
在一些实施方案中，第二电池42位于车辆上以便为压缩机40提供动力。这个电池42可远离发动机12来定位并且可仅用于天然气充装目的。电池42可在正常车辆运行期间由发动机12再充电，并且可提供充足的电力以使压缩机运转足够长的时间来完全充装天然气储罐20。
在一些实施方案中，压缩机40在充装期间由外部电源44提供动力。这个外部电源44可为外部电池或家用电力线。例如，双重电力/气体管线可连接至充装管线60并且被配置成同时对压缩机40提供动力。
在充装期间，充装控制模块53与充装压力传感器54通信以便评估天然气储罐20的状态。当充装压力传感器54和充装控制模块53检测到天然气储罐20已满时，控制系统50可通过以下操作中的任一个或全部来停止充装：关闭充装阀66；关闭压缩机40；或关闭充装管线阀61，以防止其它的天然气进入车辆。在一些实施方案中，天然气供应源62可受控制系统50控制，并且可在天然气储罐20已满时自动关闭。
图3示出本发明的实施方案，其中车辆10正用所吸附的天然气运行。在这里，控制系统50发送信号以便打开天然气流量阀25和燃料控制阀24，从而在天然气储罐20与发动机12之间形成流体连通。天然气可从天然气储罐20中的吸附剂解除吸附，流过天然气流量阀25和压缩机40。控制系统50可监测并控制压缩机以确保恰当量的天然气传递至发动机12。离开压缩机40的天然气流过燃料管线70和燃料控制阀24，进入发动机12中。在一些实施方案中，控制系统50调整调节器以便控制在发动机12运转时从天然气储罐20到所述发动机的加压气体输送。调节器可并入燃料控制阀24中或可为沿着天然气燃料管线22的单独组件。
任选的稳压罐80可定位成与介于燃料控制阀24与发动机12之间的天然气燃料管线22流动连通。不受任何特定操作理论束缚，据信稳压罐80可在短时间段(30秒或更少)内提供天然气的充足储存容量，以使得压缩机不必显著过大来处理与加速的更高燃料需求相关联的其它燃料要求。稳压罐80可包括其它吸附剂材料，所述吸附剂材料可为与天然气储罐20相同的吸附剂或为不同的吸附剂。在任一种情况下，吸附剂将相对于空储罐保存其它容量。
可使车辆10用天然气行驶有限的里程。在一些实施方案中，里程小于约100英里。在这个时段期间，天然气储罐20中的压力减小。如运转压力传感器56所测得并且传达给运转控制模块55，当压力达到预先确定的等级时，控制系统50可将系统11切换成汽油动力。在一些实施方案中，直到天然气储罐20中的压力下降为处于约5psia至约20psia范围内的值，运转压力传感器56和运转控制模块55才触发控制系统50切换成汽油。
参照图4，控制系统50可关闭天然气流量阀25，关闭压缩机40并且关闭燃料控制阀24，以防止其它的天然气进入发动机12。在一些实施方案中，仅需要关闭天然气流量阀25以防止天然气储罐20中的天然气被完全耗尽，但可能需要这样做。控制系统50打开汽油流量阀32以允许来自汽油储罐30的汽油流过汽油流量阀32和汽油燃料管线31，进入发动机12中。在一些实施方案中，如附图中所示，任选的燃料轨道33与在发动机12上游的燃料管线31流体连通。
从天然气动力发动机到汽油动力发动机的转变可以是突然的或逐渐的。在一些实施方案中，控制系统50缓慢地打开并关闭阀，以使得在进入发动机的天然气与汽油之间存在平稳的转变。这可导致发动机在一段时间内燃烧天然气与汽油的组合。
在天然气储罐20即将用尽或当车辆经历其它条件时，可发生从天然气到汽油或组合燃料供应的切换。例如，开关控制模块51结合一个或多个传感器52可向控制系统50提供指示需要更多动力的反馈。在车辆10沿陡坡向上行进或快速加速时，可能发生这种情况。在这个时段期间，控制系统50可将汽油提供给燃料混合物或切换成汽油以便产生其它的行驶动力。当不再需要其它的动力时，控制系统50则可切断对发动机的汽油供应，仅留下天然气供应。
在下文使用炭作为吸附剂来描述可能的双燃料车辆配置和运行的说明性实施例，但应理解的是，根据本发明的吸附剂不限于炭。以下实施例中的炭描述于“High-Pressure Adsorption Equilibria ofMethane and Carbon Dioxide on Several Activated Carbons”J.Chem.Eng.Data 2005 50，369-376中。表4给出所述文章中描述的材料Maxsorb的压力对吸附重量％。基于这篇文章中呈现的数据，有可能估计所储存的等效汽油量，假设空隙的理想气体为甲烷并且假设储罐等温地排气。这两种假设都是近似值，但是指示所储存的实际等效汽油。
在系统的一个实施例中，使汽车上含有Maxsorb的15加仑吸附天然气储罐充装至700psia并且随后加压至150psia以便将燃料输送至发动机。所吸附的天然气将具有可用储存量为0.95加仑的汽油等效物。具有30mpg评级的汽车将提供29英里的天然气里程。
在系统的另一实施例中，使汽车上含有Maxsorb的15加仑吸附天然气储罐充装至700psia并且随后加压至15psia以便将燃料输送至发动机。然而，这仅仅在发动机燃料可在接近大气压力的压力下被供应的情况下起作用，如同在具有汽化式发动机的燃料系统中一样。所吸附的天然气将具有可用储存量为1.58加仑的汽油等效物。具有30mpg评级的汽车将提供48英里的天然气里程。
在系统的另一实施例中，将含有Maxsorb的15加仑吸附天然气储罐放置在汽车上，所述储罐被充装至700psia并且随后加压至15psia以便将燃料输送至汽车上的压缩机，所述压缩机随后在更高压力下将天然气供应给发动机。典型的燃料压力要求是80psia至120psia。如排放控制和加速度的发动机管理要求以及改进的燃料经济学可能需要升高的燃料压力。所吸附的天然气将具有可用储存量为1.6加仑的汽油等效物。具有30mpg评级的汽车将具有48英里的天然气里程。
在另一系统实施例中，将含有Maxsorb的15加仑吸附天然气储罐放置在汽车上并充装至150psia并且随后加压至15psia以便将燃料输送至汽车上的压缩机，所述压缩机随后在更高压力下将天然气供应给发动机。典型的燃料压力要求是80psia至120psia。如排放控制和加速度的发动机管理要求以及改进的燃料经济学需要升高的燃料压力。所吸附的天然气将具有可用储存量为0.63加仑的汽油等效物。具有30mpg评级的汽车将提供19英里的天然气里程。
在另一实施例中，将汽车上含有Maxsorb的15加仑吸附天然气储罐充装至250psia并且随后加压至15psia以便将燃料输送至汽车上的压缩机，所述压缩机随后在更高压力下将天然气供应给发动机。典型的燃料压力要求是80psia至120psia。如排放控制和加速度的发动机管理要求以及改进的燃料经济学需要升高的燃料压力。所吸附的天然气将具有可用储存量为0.9加仑的汽油等效物。具有30mpg评级的汽车将提供27英里的天然气里程。
在另一实施例中，将含有Maxsorb的15加仑吸附天然气储罐放置在汽车上。使用不同的Maxsorb颗粒大小来增强体积密度。可以预期有30％的典型增强。用天然气将储罐充装至250psia并且随后将储罐加压至15psia以便将燃料输送至汽车上的压缩机，所述压缩机随后在更高压力下将天然气供应给发动机。典型的燃料压力要求是80psia至120psia。如排放控制和加速度的发动机管理要求以及改进的燃料经济学需要升高的燃料压力。所吸附的天然气将具有可用储存量为1.05加仑的汽油等效物。具有30mpg评级的汽车将提供32英里的天然气里程。
在另一实施例中，将含有吸附剂的15加仑吸附天然气储罐放置在汽车上。将低压天然气源附接至汽车并且使用汽车上的压缩机来充装吸附天然气以便对天然气加压，随后充装吸附天然气储罐，其中使用汽车发动机来提供驱动压缩机的动力。
在另一实施例中，将含有吸附剂的15加仑吸附天然气储罐放置在汽车上。将低压天然气源附接至汽车并且使用汽车上的压缩机来充装吸附天然气以便对天然气加压，随后充装吸附天然气储罐。当汽车发动机关闭时，可向汽车上的动力压缩机提供第二电接线。
在另一实施例中，在压缩机排气口处添加较小的第二储罐以便在快速加速时段内充当稳压容积，因此可以减小汽车上的压缩机的大小。
在另一实施例中，在压缩机排气口处添加较小的第二储罐以便在快速加速时段内充当稳压容积，因此可以减小汽车上的压缩机的大小。第二储罐含有吸附剂以便增强稳压容积的容量。将如汽油的第二燃料添加至汽车以便给出汽车里程，并且允许使用现有的液体燃料加注基础设施。在快速加速期间切换成如汽油的第二燃料，因此可以减小汽车上的压缩机的大小。
以下表1至表4提供各种系统配置的实施例。
表1.标准充填
储罐容积(加仑) 15 15 15 15
总空隙(ft3空隙/ft3储罐) 0.65 0.65 0.65 0.65
储罐压力(psia) 700 150 15 250
空隙储存甲烷(摩尔数) 0.16 0.04 0.00 0.06
吸附剂上的甲烷摩尔数 0.44 0.22 0.02 0.29
总储存甲烷摩尔数 0.60 0.25 0.02 0.35
总储存甲烷scf 227.1 95.8 8.2 132.2
所储存汽油的等效加仑数 1.64 0.69 0.06 0.96
表2.密实充填(多种大小的颗粒)
储罐容积(加仑) 15 15 15 15
总空隙(ft3空隙/Ft3储罐) 0.35 0.35 0.35 0.35
储罐压力(psia) 700 150 15 250
空隙储存甲烷(摩尔数) 0.09 0.02 0.00 0.03
吸附剂上的甲烷摩尔数 0.57 0.28 0.02 0.38
总储存甲烷摩尔数 0.65 0.30 0.03 0.41
总储存甲烷scf 247.9 114.4 9.7 154.9
所储存汽油的等效加仑数 1.80 0.83 0.07 1.12
表3.可用气体等效物的加仑数
表4.Maxsorb炭吸附剂
在本说明书全篇中提及“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“一实施方案”意味着结合所述实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括于本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书全篇中各个地方出现如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在一实施方案中”的短语未必指本发明的同一实施方案。此外，特定特征、结构、材料或特性可以任何适合方式在一个或多个实施方案中加以组合。
尽管在本文中已参照特定实施方案来描述本发明，但应了解，这些实施方案仅说明本发明的原理和应用。本领域技术人员将显而易知的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明的方法和装置做出各种修改和变更。因此，意图本发明包括在随附权利要求和它们的等效物的范围内的修改和变更。

Claims (19)

1.一种双燃料车辆，其包括：
内燃机，所述内燃机由汽油燃料和在最小天然气轨道压力下供应的天然气燃料两者提供动力；
位于所述车辆上的含有天然气吸附剂的天然气储罐，其中所述储罐在处于100psia至700psia范围内的天然气压力下是满的，所述吸附剂上所吸附的天然气和所述天然气储罐通过天然气燃料管线与所述发动机流动连通；
含有汽油的汽油储罐，所述汽油储罐通过汽油燃料管线与所述发动机流动连通；
控制系统，所述控制系统调节所述汽油和所述天然气到所述发动机的流动；以及
与所述天然气储罐和天然气燃料管线流动连通的压缩机，当所述发动机正在运转时，所述压缩机维持所述天然气的压力处于或高于所述最小天然气轨道压力。
2.如权利要求1所述的双燃料车辆，所述双燃料车辆还包括与所述天然气储罐和所述压缩机流动连通的天然气充装管线。
3.一种给双燃料车辆加燃料的方法，所述双燃料车辆包括汽油储罐和含有天然气吸附剂的天然气储罐，所述方法包括将气体供应源连接至所述车辆上的充装管线，所述充装管线与所述天然气储罐和压缩机流动连通并且将所述天然气储罐充装至700psia或更小的压力。
4.如权利要求1-3中任一项所述的权利要求，其中所述车辆还包括控制系统，所述控制系统包括开关控制模块，所述开关控制模块使供应给所述发动机的燃料从天然气燃料变成汽油燃料。
5.如权利要求4所述的权利要求，其中所述控制系统包括传感器，所述传感器基于预先确定的事件将信号发送至所述控制系统以便启动所述开关控制模块。
6.如权利要求5所述的权利要求，其中所述预先确定的事件是所述车辆的快速加速或低压力阈值中的一个或多个。
7.如权利要求2-6中任一项所述的权利要求，其中所述控制系统包括充装控制模块，所述充装控制模块与充装压力传感器通信以便在所述储罐的充装期间控制所述天然气储罐的压力。
8.如权利要求7所述的权利要求，其中所述控制系统包括运转控制模块，所述运转控制模块与运转压力传感器和所述压缩机通信以便在所述发动机的运转期间控制所述天然气的压力。
9.如权利要求8所述的权利要求，其中所述天然气储罐在150psia至500psia的范围内是满的。
10.如权利要求2-9中任一项所述的权利要求，其中所述充装压缩机是装在所述车辆上。
11.如权利要求2-10中任一项所述的权利要求，其中通过将所述充装管线连接至常规家庭天然气管线来再充装所述天然气储罐。
12.如权利要求1-11中任一项所述的权利要求，其中所述压缩机由所述车辆发动机提供机械动力或电动力。
13.如权利要求1-12中任一项所述的权利要求，其中在所述车辆发动机不运转时，所述压缩机可由电力提供动力。
14.如权利要求1-11中任一项所述的权利要求，其中电力是由电池提供。
15.如权利要求1-14中任一项所述的权利要求，其中调节器用来控制在所述发动机运转时从所述吸附剂储罐到所述发动机的加压气体输送。
16.如权利要求1-15中任一项所述的权利要求，其中在充装后，所述天然气储罐含有一定数量的天然气，所述数量的天然气允许所述车辆运转不超过100英里。
17.如权利要求1-16中任一项所述的权利要求，其中所述吸附剂选自由活性炭、沸石、金属有机架构及其混合物组成的组。
18.一种运行双燃料车辆的方法，所述双燃料车辆包括汽油储罐和含有天然气吸附剂的天然气储罐，所述方法包括
(a)将气体供应源连接至所述车辆上的充装管线，所述充装管线与所述天然气储罐和压缩机流动连通并且将所述天然气储罐用天然气充装至700psia或更小的压力；
(b)使由所述天然气提供动力的所述车辆行驶小于100英里的有限里程，从而减小所述储罐中的所述压力；以及
(c)通过重复步骤(a)来再充装所述天然气储罐。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述天然气储罐中的所述压力在再充装所述天然气储罐之前下降为处于约5psia至约20psia范围内的值。
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