DE19705601A1 - Natural gas refueling process - Google Patents

Natural gas refueling process

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Uwe Koslowsky
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Abstract

The invention relates to a method for refuelling a motor vehicle or the like with natural gas, methane, hydrogen or a similar gas which is pumped into a tank in the gaseous state of aggregation and stored in the tank of a motor vehicle. After a refuelling hose has been attached to the tank of the motor vehicle, a connection is made to a pressure sensor (9) which is linked to the fuel dispenser. The gas pressure in the vehicle tank (1) is measured with the pressure sensor (9) and stored as a first pressure value in a memory, where a defined test mass is given for the gas in the tank. After the pressure in the tank has stabilized, said gas pressure is measured again and stored in a second memory. The remaining mass of gas needed to arrive at the final pressure in the tank is calculated and subsequently provided by relating both pressure values and a temperature value taken with a thermometer (10), using either a stored gas-specific table or a gas-specific status equation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Kraftfahrzeuges oder dergleichen mit in gasförmigem Aggregatzustand getankten und im Tank des Kraftwagens aufbewahrten Gas.The invention relates to a method for refueling a Motor vehicle or the like with in gaseous Physical state fueled and in the tank of the motor vehicle stored gas.

Bei einem bekannten Gasbetankungsverfahren, bspw. für Gas oder Wasserstoff wird der Druck im Fahrzeugtank vor Beginn der Betankung bemessen. Danach wird in einer Vielzahl von Einzelschritten jeweils eine bestimmte Gasmenge eingefüllt und jeweils erneut der Druck im Fahrzeugtank gemessen, bis nach einem letzten Tank­ schritt der Enddruck gemessen worden ist. Zwischen dem Abbrechen der Gaszufuhr und dem Messen des Tankdruckes muß eine bestimmte Zeit verstreichen, damit sich der Druck im Tank und in dem Betankungssystem ausgleichen kann. Diese Unterbrechungen der Betankung bewirken Druckstöße, die sich negativ auf die Haltbarkeit der Betankungskomponenten auswirken können. Es ist bekannt, daß beim Einfüllen einer größeren Menge von Erdgas an den Engstellen, bspw. an den Ventilen Abkühlungen auf­ treten. Im Tank selbst kommt es dann zu einer Erwär­ mung. Nach dem Einfüllen einer größeren Menge von Erd­ gas kommt es deshalb bei diesem Verfahren bei der Be­ stimmung des Füllzustandes zu falschen Meßergebnissen. Dies hat zur Folge, daß trotz Erreichen des Enddrucks der Tank im Fahrzeug nie richtig voll wird.In a known gas refueling method, for example for Gas or hydrogen is the pressure in the vehicle tank before Dimensioned the beginning of the refueling. Then in one A large number of individual steps Filled with gas and again the pressure in the Vehicle tank measured until after a last tank step the final pressure has been measured. Between the Stop gas supply and measure tank pressure must pass a certain time for the Equalize pressure in the tank and in the refueling system can. These interruptions in refueling cause Pressure surges that affect the durability of the Refueling components can affect. It is known, that when filling a larger amount of natural gas cooling, for example at the valves to step. The tank itself then heats up mung. After filling a large amount of earth gas therefore occurs in this process at the Be adjustment of the filling status to incorrect measurement results. This means that despite reaching the final pressure the tank in the vehicle never gets really full.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betank­ ungsverfahren anzugeben, welches handhabungstechnisch günstiger ist und zu einem höheren Befüllungsgrad im Kraftfahrzeugtank führt. The invention has for its object a tank to indicate which method of handling is cheaper and to a higher degree of filling in Motor vehicle tank leads.  

Gelöst wird die Aufgabe durch das in den Ansprüchen angegebene Verfahren.The task is solved by the claims specified procedures.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß nach dem Anschlie­ ßen der Füllkupplung bspw. durch den Kunden am Fahrzeug und Betätigen einer Starttaste eine geöffnete Verbin­ dung zwischen dem Kraftfahrzeugtank und einem in der Zapfanlage vorgesehenen Drucksensor hergestellt wird. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, daß ein kurzer Druck­ stoß (ca. 1 sec) in den Zapfschlauch gegeben wird, so daß alle Rückschlagventile bis zum Tank geöffnet wer­ den. Nach dem Öffnen dieser Strömungsverbindung und einer kurzen Wartezeit (ca. 3 sec) wird der im Fahrzeug­ tank bestehende Druck durch den in der Zapfanlage vorge­ sehenen Drucksensor gemessen. Dieser erste Druckwert wird in einem ersten Speicher einer Speicher- und Re­ chenanordnung, bspw. einem Mikrocomputer gespeichert. Sodann wird in den Tank eine definierte Gasmasse, bspw. 0,5 oder 1 Kilogramm abgegeben. Diese Prüfmasse wird mittels eines Massendurchflußzählers definiert abgege­ ben. Sodann wird kurz gewartet, bis der Druck im Tank und am Drucksensor, welcher über dem Zapfschlauch mit dem Tank verbunden ist, gleich ist bzw. der gemessene Druckwert sich stabilisiert hat. Der dann dort gemesse­ ne Druck wird in einem zweiten Speicher abgespeichert. Durch In-Beziehung-setzen dieser beiden Druckwerte und eines mittels eines Thermometers aufgenommenen Tempera­ turwertes der Umgebungstemperatur der Zapfsäule, wird sodann die noch fehlende Gasmasse zum Erreichen eines Enddruckes im Tank ermittelt. Diese Gasmasse wird an­ schließend ohne weitere Zwischenmessungen abgegeben. Bevorzugt wird diese Gasmasse auch ohne weitere Unter­ brechung in den Tank abgegeben. In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Betankung mit einer begleitenden Druckmessung erfolgt. According to the invention it is provided that after connecting by the customer on the vehicle and pressing a start button an open connection between the motor vehicle tank and one in the Dispenser provided pressure sensor is manufactured. This can be done, for example, by a short pressure thrust (approx. 1 sec) into the dispensing hose, see above that all check valves are opened up to the tank the. After opening this flow connection and a short waiting time (approx. 3 sec) in the vehicle tank existing pressure by the pre in the dispensing system seen pressure sensor measured. This first pressure value is stored in a first memory and Re chenanordnung, for example. A microcomputer stored. Then a defined mass of gas, e.g. 0.5 or 1 kilogram delivered. This test mass will defined by means of a mass flow meter ben. Then there is a short wait until the pressure in the tank and on the pressure sensor, which is above the dispensing hose connected to the tank is the same or the measured Pressure value has stabilized. Then measured there ne print is saved in a second memory. By relating these two pressure values and a tempera recorded by means of a thermometer value of the ambient temperature of the petrol pump then the still missing gas mass to reach a Final pressure in the tank determined. This mass of gas is on finally delivered without further intermediate measurements. This gas mass is also preferred without further sub Refracted into the tank. In a preferred one Further development of the method is provided that the Refueling is carried out with an accompanying pressure measurement.  

Diese Druckmessung kann über den Drucksensor erfolgen, welcher auch die ersten und zweiten Druckwerte ermit­ telt hat. Wird bei dieser Druckmessung ein nicht zu überschreitender Maximalwert, bspw. 250 Bar gemessen, so schaltet die Gasabgabe automatisch ab, um ein Ber­ sten des Kraftfahrzeugtanks zufolge Überdruck zu verhin­ dern. Das Gewicht der eingegeben Prüfmasse wird von einem Rechenprogramm in Abhängigkeit der Höhe des gemes­ senen Erstdruckes bestimmt. Bei einem niedrigen Erst­ druck wird eine hohe Prüfmasse, bspw. 1 Kilogramm einge­ geben. Bei einem hohen Erstdruck wird eine geringere Prüfmasse, bspw. 0,5 Kilogramm zugegeben. Die Ermitt­ lung der zum Erreichen eines Enddruckes, bspw. 200 Bar noch fehlende Gasmasse erfolgt entweder durch In-Bezie­ hung-setzen der beiden Druckwerte und des Temperaturwer­ tes in Form einer hinterlegten gasspezifischen Tabelle, das als Ergebnis die fehlende Gasmasse liefert. Es ist aber auch vorgesehen, daß in einem Rechenprogramm unter Berücksichtigung einer gasspezifischen Zustandsglei­ chung die noch fehlende Gasmasse aus den beiden Druck­ werten und dem Temperaturwert errechnet wird. Als gas­ spezifische Zustandsgleichung kommt bspw. die bekannte van-der-Waalssche Zustandgleichung realer Gase in Be­ tracht. Die beiden van-der-Waals Konstanten a und b sind dann gastypische Werte. Mit dieser Gleichung läßt sich bspw. mittels der beiden gemessenen Druckwerte, der gemessenen Temperatur und der bekannten Prüfmasse das Volumen des Tanks ermitteln. Aus dem zweiten Druck­ wert, dem Enddruckwert, dem Volumen des Tanks und der Temperatur kann dann mit eben dieser Gleichung die bis zum Erreichen des Enddrucks noch fehlende Masse berech­ net werden.This pressure measurement can take place via the pressure sensor, which also determines the first and second pressure values telt. If this is not a pressure measurement exceeding maximum value, e.g. measured 250 bar, so the gas supply switches off automatically to a Ber Most of the motor vehicle tank to prevent overpressure other. The weight of the entered test mass is from a computer program depending on the amount of gemes determined its first print. With a low first pressure, a high test mass, for example 1 kilogram give. With a high initial pressure, a lower one becomes Test mass, e.g. 0.5 kg added. The investigators to achieve a final pressure, e.g. 200 bar the missing gas mass is either by in-relation hung-set the two pressure values and the temperature value tes in the form of a gas-specific table, which as a result provides the missing gas mass. It is but also provided that in a computer program under Consideration of a gas-specific condition the missing gas mass from the two pressures values and the temperature value is calculated. As gas specific equation of state comes, for example, the well-known van-der-Waals equation of state of real gases in Be dress. The two van der Waals constants a and b are then typical gas values. With this equation lets e.g. by means of the two measured pressure values, the measured temperature and the known test mass determine the volume of the tank. From the second print value, the final pressure value, the volume of the tank and the Temperature can then be calculated using this equation Calculate missing mass to reach the final pressure be net.

Eine Vorrichtung, an welcher das erfindungsgemäße Ver­ fahren angewandt werden kann, ist in beigefügter Zeich­ nung erläutert.A device on which the Ver driving can be applied is in the attached drawing explained.

Ein Kraftfahrzeugtank 1 ist über ein am Tankeinlaßstut­ zen vorgesehenes Rückschlagventil 2 mit einem Zapf­ schlauch 3 verbunden. Der Zapfschlauch 3 geht von einer Zapfsäule 4 aus.A motor vehicle tank 1 is connected via a check valve 2 provided on the tank inlet pipe 2 to a dispensing hose 3 . The dispensing hose 3 is based on a dispenser 4 .

In der Zapfsäule 4 befindet sich eine Recheneinheit 5 mit einer Anzeige 6 zur Anzeige der getankten Gasmasse.In the dispenser 4 there is a computing unit 5 with a display 6 for displaying the fueled gas mass.

In den Zapfschlauch 3 ragt ein Drucksensor 9 ein, der damit gemessene Wert wird der Recheneinheit 5 zugelei­ tet. In der Zapfsäule ist ferner ein Thermometer 10 vorgesehen, dessen gemessener Temperaturwert ebenfalls der Recheneinheit 5 zugeführt wird. In der Zapfsäule ist ferner ein Massendurchflußzähler 11 vorgesehen, welcher beidendseitig mit einem Magnetventil 8, 12 verbunden ist. Die Magnetventile 8, 12 sind mit der Recheneinheit 5 verbunden, ebenso der Massendurchfluß­ zähler 11. Zum Magnetventil 12 welches druckseitig vom Massendurchflußzähler 11 angeordnet ist, führt eine Zuleitung 13 eines Vorratshochdrucktanks 14.A pressure sensor 9 protrudes into the dispensing hose 3 , and the value measured in this way is supplied to the computing unit 5 . A thermometer 10 is also provided in the dispenser, the measured temperature value of which is also supplied to the computing unit 5 . A mass flow meter 11 is also provided in the fuel dispenser and is connected on both sides to a solenoid valve 8 , 12 . The solenoid valves 8 , 12 are connected to the computing unit 5 , as is the mass flow meter 11 . A supply line 13 of a high-pressure storage tank 14 leads to the solenoid valve 12 which is arranged on the pressure side of the mass flow meter 11 .

Wird von einem Kunden der Zapfschlauch 3 mit dem Ventil 2 des Kraftfahrzeugtanks druckfest verbunden und die Starttaste 7 gedrückt, so bewirkt ein kurzes Öffnen der beiden Ventile 8, 12 oder eines nicht dargestellten Beipaßventils, welches einen Gasfluß um den Massendurch­ flußzähler ermöglicht ein Gasstoß gegen das Rückschlag­ ventil 2, so daß dieses öffnet. Sodann expandiert der Restdruck im Tank 1 gegen das geschlossene Magnetventil 8. Am Drucksensor 9 stellt sich der Tankdruck ein. Dieser Druck wird als erster Druckwert in der Rechenein­ heit 5 gespeichert. Dieser Druck kann auf eine normier­ te Temperatur von bspw. 15°C umgerechnet werden. Sollte dieser normierte Druck größer als 200 Bar sein, d. h. der Fahrzeugtank noch voll sein, so wird der Betank­ ungsvorgang bereits zu diesem Zeitpunkt abgebrochen. Ist der Druck kleiner als 200 Bar, so erfolgt die Be­ tankung. Es öffnen die Magnetventile 8 und 12 solange, bis durch den Massendurchflußzähler 11 eine Prüfmasse angegeben worden ist. Das Gewicht der Prüfmasse wird von der Recheneinheit 5 festgelegt. Nach Abgabe der Prüfmasse schließt das Ventil 8. Sobald sich der Druck am Druckmeßgerät 9 stabilisiert hat, wird dieser dann dort herrschende Druckwert in einem zweiten Speicher der Recheneinheit 5 gespeichert. Die am Thermometer 10 gemessene Temperatur wird ebenfalls dort gespeichert. Auch hier wird nach einer Haltezeit von ungefähr 3 Sekunden der besagte Druckwert gemessen, um dann auf eine normierte Temperatur von 15°C umgerechnet zu wer­ den. Auch dieser Druck wird mit dem Maximaldruck von 200 Bar verglichen, um ggf. den Betankungsvorgang abzu­ brechen, wenn der Tank voll ist.If a customer connects the dispensing hose 3 to the valve 2 of the motor vehicle tank in a pressure-tight manner and the start button 7 is pressed, then a brief opening of the two valves 8 , 12 or a bypass valve, not shown, which enables a gas flow around the mass flow meter to cause a gas surge against the Check valve 2 so that it opens. Then the residual pressure in the tank 1 expands against the closed solenoid valve 8 . The tank pressure is set at the pressure sensor 9 . This pressure is stored as the first pressure value in the computing unit 5 . This pressure can be converted to a standardized temperature of 15 ° C, for example. If this standardized pressure is greater than 200 bar, ie the vehicle tank is still full, the refueling process is stopped at this point. If the pressure is less than 200 bar, fueling takes place. The solenoid valves 8 and 12 open until a test mass has been specified by the mass flow meter 11 . The weight of the test mass is determined by the computing unit 5 . After the test mass has been dispensed, valve 8 closes. As soon as the pressure on the pressure measuring device 9 has stabilized, this pressure value prevailing there is stored in a second memory of the computing unit 5 . The temperature measured on the thermometer 10 is also stored there. Here, too, the pressure value is measured after a holding time of approximately 3 seconds, in order to then be converted to a standardized temperature of 15 ° C. This pressure is also compared with the maximum pressure of 200 bar, in order to possibly stop the refueling process when the tank is full.

Die Recheneinheit 5 ermittelt nun mittels eines Compu­ terprogrammes entweder an hinterlegten Tabellen oder mittels eines Rechenalgorithmus basierend auf einer spezifischen Zustandsgleichung des Gases, bspw. der van-der-Waals Gleichung, das Volumen des Kraftfahrzeug­ tanks 1 und ermittelt sodann unter Berücksichtigung des zu erzielenden Enddrucks die noch fehlende Gasmasse. Sodann öffnen die Magnetventile 8 und 12 solange, bis durch den Massendurchflußzähler die ermittelte Gasmasse abgegeben worden ist. Mittels des Drucksensors 9 wird stetig der im Zapfschlauch herrschende Druck gemessen. Überschreitet dieser Druck einen zulässigen Höchst­ druck, so wird eine Sicherheitsabschaltung dadurch eingeleitet, daß die Magnetventile 8 und 12 schließen.The computing unit 5 now determines the volume of the motor vehicle tank 1 using a computer program either on stored tables or using a computing algorithm based on a specific equation of state of the gas, for example the van-der-Waals equation, and then determines taking into account the final pressure to be achieved the still missing gas mass. Then the solenoid valves 8 and 12 open until the determined mass of gas has been released by the mass flow meter. The pressure prevailing in the dispensing hose is continuously measured by means of the pressure sensor 9 . If this pressure exceeds a permissible maximum pressure, a safety shutdown is initiated in that the solenoid valves 8 and 12 close.

Die tatsächlich abgegebene Gasmasse wird auf der Anzei­ ge 6 dargestellt.The gas mass actually discharged is shown on the display 6 .

Es ist möglich, den Tankvorgang während der Abgabe der noch fehlenden Gasmasse zu unterbrechen. Es ist aber nicht nötig, während dieser Unterbrechungen Messungen durchzuführen.It is possible to refuel while dispensing the interrupt the missing gas mass. But it is not necessary to take measurements during these interruptions perform.

In einer Variante der Erfindung öffnet das Ventil bei der eigentlichen Betankung nur so lange, bis entweder 90% oder 97% der zuvorberechneten Gasmasse erreicht ist.In a variant of the invention, the valve opens the actual refueling only until either 90% or 97% of the previously calculated gas mass is reached is.

In einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, daß der Betankungsvorgang auch dann abgebrochen wird, wenn der Massestrom unter einem Grenzwert von bspw. 0,2 kg/sec tritt. Es kann auch vorgesehen sein, daß beim Unterschreiten eines Grenz-Massestroms auf einen ande­ ren Vorratsbehälter umgeschaltet wird, um so eine höhe­ re Druckdifferenz zwischen Vorratsbehälter und Fahrzeug­ tank zu erzielen. Vorzugsweise sind insgesamt drei ver­ schiedene Vorratsbehälter vorgesehen, welche nacheinan­ der aktivierbar sind. Das Umschalten von einem Vorrats­ behälter zum nächsten Vorratsbehälter erfolgt immer dann, wenn der Massestrom einen vordefinierten Grenz­ wert unterschritten hat. Sinkt auch der Massestrom des letzten Vorratsbehälters unter den Grenzwert, so wird der Betankungsvorgang für eine gewisse Zeit, bspw. 10 Sekunden unterbrochen, um eventuell stattgefundene Vereisungen abzutauen. In a further variant it can be provided that the refueling process is stopped even if the mass flow below a limit of, for example, 0.2 kg / sec occurs. It can also be provided that the Falling below one limit mass flow to another ren storage container is switched over, so a height right pressure difference between reservoir and vehicle to achieve tank. A total of three are preferred Different storage containers are provided, which one after the other that can be activated. Switching from a supply Container to the next storage container is always done then when the mass flow has a predefined limit has fallen below the value. If the mass flow of the last storage container below the limit, so the refueling process for a certain time, e.g. 10 Seconds interrupted to take place To defrost icing.  

Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.All the features disclosed are essential to the invention. In the disclosure of the application is hereby also the Disclosure content of the associated / attached priori full documents (copy of the pre-registration) Lich included, also for the purpose of characteristics of this Documents in claims of the present registration with to record.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betanken eines Kraftfahrzeuges oder dergleichen mit Erdgas, Methan, Wasserstoff oder einem ähnlichen, im gasförmigem Aggregatzustand getankten und im Tank des Kraftfahrzeuges aufbewahrten Gases, bei dem nach dem Anschluß eines Zapfschlauches an den Kraftfahr­ zeugtank eine Verbindung zu einem der Zapfanlage zuge­ ordneten Drucksensor (9) hergestellt wird und dann mit dem Drucksensor (9), der im Kraftfahrzeugtank (1) herrschen­ de Gasdruck gemessen und als erster Druckwert in einem ersten Speicher gespeichert wird, bei dem dann eine definierte Prüfmasse des Gases in den Tank abgegeben wird und nach Stabilisierung des Drucks im Tank selbi­ ger erneut gemessen und in einem zweiten Speicher ge­ speichert wird, wobei durch In-Beziehung-setzen der beiden Druckwerte und eines mittels eines Thermometers 10 aufgenommenen Temperaturwertes durch Verwendung entweder einer hinterlegten gasspezifischen Tabelle oder einer gasspezifischen Zustandsgleichung die noch fehlende Gasmasse zum Erreichen eines Enddrucks im Tank ermittelt wird und anschließend abgegeben wird.1. A method of refueling a motor vehicle or the like with natural gas, methane, hydrogen or a similar gas, in the gaseous state of aggregation and stored in the tank of the motor vehicle, in which, after connecting a fuel nozzle to the motor vehicle, a connection to one of the fuel dispensers is assigned Pressure sensor ( 9 ) is produced and then with the pressure sensor ( 9 ), the prevailing gas pressure in the motor vehicle tank ( 1 ) is measured and stored as a first pressure value in a first memory, in which a defined test mass of the gas is then released into the tank and after stabilization of the pressure in the tank selbi ger is measured again and stored in a second memory, whereby by relating the two pressure values and a temperature value recorded by means of a thermometer 10 using either a stored gas-specific table or a gas-specific equation of state missing gasma is determined to reach a final pressure in the tank and is then released. 2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabgabe bis zum End­ druck ohne Unterbrechung erfolgt.2. The method according to claim 1 or in particular according thereto, characterized in that the gas delivery to the end printing without interruption. 3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine die Betankung begleitende Druckmessung zur Überwachung eines nicht zu überschreitenden Maximal­ drucks, wobei die Betankung bei Erreichen des Maximal­ drucks abgebrochen wird. 3. Procedure according to one or more of the preceding the claims or in particular according thereto through a pressure measurement accompanying the refueling Monitoring a maximum that cannot be exceeded pressure, the refueling when reaching the maximum pressure is canceled.   4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gewicht der Prüfmasse abhängig von der Höhe des ersten Druckwertes gewählt wird.4. Procedure according to one or more of the preceding the claims or in particular according thereto, thereby shows that the weight of the proof mass depends on the amount of the first pressure value is selected. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gewicht der Prüfmasse zwischen 0, 5 und 1 Kilogramm liegt.5. Procedure according to one or more of the preceding the claims or in particular according thereto, thereby indicates that the weight of the test mass is between 0, 5 and is 1 kilogram. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Betankung bei Unterschreiten eines Massestrom-Grenzwertes auf einen anderen Vorrats­ behälter umgeschaltet wird, welcher andere Vorratsbehäl­ ter einen höheren Gasdruck aufweist, als der zuvor verwendete.6. Procedure according to one or more of the preceding the claims or in particular according thereto, thereby records that during refueling when falling below a mass flow limit to another supply container is switched, which other storage container ter has a higher gas pressure than that before used.
DE19705601A 1997-02-14 1997-02-14 Natural gas refueling process Withdrawn DE19705601A1 (en)

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