用于混合机动车辆的吸附天然气燃料系统的制作方法
【专利说明】用于混合机动车辆的吸附天然气燃料系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 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
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 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IOOpsia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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 在第^ 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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1〇〇英里。
[0027] 在第二十二实施方案中，修改第一至第二^^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。
[0028] 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1〇〇英里的有限里程，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。
[0029] 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。
[0030] 附图简述
[0031] 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；
[0032] 图2示出图1的处于天然气燃料加注模式的车辆；
[0033] 图3示出图1的用天然气燃料运转的车辆；以及
[0034] 图4示出图1的用汽油运转的车辆。
【具体实施方式】
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 定义
[0038] 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。
[0039] 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。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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。
[0043] 术语"储罐"是指用于保存液体或气体的贮藏器、容器或结构。
[0044] 术语"车辆"是指所有形式的移动运输工具，包括汽车