[发明专利]使用液体活塞为压缩气体压力容器补给燃料的系统及方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及压缩气体输送系统。具体地，本发明涉及压缩天然气(CNG)输送系统，包括使用液体活塞在控制压力下储存和输送CNG的方法。

背景技术

在车辆中使用天然气燃料是相对环保的，因此，环保组织和政府支持在车辆应用中使用天然气燃料。基于天然气的燃料通常有三种形式：压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)以及被称为液化石油气(LPG)的天然气衍生物。

因为以天然气为燃料的车辆排放的SO₂(二氧化硫)、烟尘以及其他微粒物质的水平通常极低，所以它们具有引人注目的环保认证。与以汽油和柴油提供动力的车辆相比，由于天然气中碳-氢比例更有利，所以以天然气为燃料的车辆的CO₂(二氧化碳)排放量通常很低。天然气车辆以各种形式出现，从小型汽车到客车以及渐增到各种规格的卡车。天然气燃料还使得发动机具有较长的使用寿命和较低的维修成本。另外，当比较等量燃料能源时，CNG是最便宜的替换燃料。而且，天然气燃料能够与其他燃料(诸如柴油)结合，从而提供与上述相似的益处。

限制天然气在车辆中的使用的关键因素是天然气燃料的储存。在CNG和LNG的情况下，相对于具有等效能量的常规液态燃料所需的箱，CNG和LNG的燃料箱通常很昂贵、很大且笨重。另外，CNG和LNG燃料补给设施相对缺乏广泛可得性以及LNG的成本进一步限制了把天然气用做机动车辆燃料在。另外，在LNG的情况下，生产LNG的成本和复杂性以及与在车辆上储存低温液体相关联的问题进一步限制了这种燃料的广泛应用。

当使用LPG时，缓解了一些上述问题，并且这种燃料在高里程汽车(诸如出租车)中被广泛应用。然而，成本与利益的比较在私人汽车的情况下通常不是很有利。与燃料箱的尺寸和形状、LPG的成本变化性以及时而受限的供应相关联的问题意味着LPG同样具有限制其广泛应用的明显缺点。总之，除非对主要交通枢纽周围的LPG设备网络进行大规模投资，否则CNG是可能在不久的将来被广泛应用的唯一可行的天然气形式。

另外，虽然在世界一些区域内LNG作为液态燃料替换物已取得一定成功，但是LNG缺乏可得性及其高成本意味着在世界很多区域内使用LNG是不可行的。在CNG的情况下，其作为液态燃料替换物同样取得了一定成功，但是几乎仅限于在采用了低压碳化物端口注入感应技术的火花点火发动机中。这种应用在全世界的政府公共汽车队中很流行，其中，在替代常规柴油发动机安装的火花点火发动机内使用这种更清洁的天然燃料。该应用通常为有限范围的车队，并且包括为车队夜间补给燃料的缓冲CNG填充策略。

然而，这种缓冲填充策略限制了CNG在大型车辆中的广泛实施的环境，其实质上仅以压缩机的能力输送气体，通过将任何气体储存作为缓冲，以将压缩机打开/关闭循环降至最小。由于在燃料补给站处满足间歇性和峰值需求的电源要求以及传入气体连接件的尺寸，因而，认为CNG具有局限性。

例如，为CNG车辆补给燃料的替代要求为10加仑柴油等价物每分钟。如果要在具有4个分配器的地点同时为4辆车辆补给燃料，如果使用典型的美国工业CNG工业气体供应连接压力，那么这将需要高达2000kW的压缩以及相应的大型气体互连件。

Knowlton的第4805674号美国专利公开了一种“快速填充”的天然气储存和返回系统，其克服了上述的一些关于需要大量能源将天然气从公共供应线的相对低的压力压缩至约为3600psig的车上储存压力的问题。Knowlton使用天然气置换液体，从而有效地改变了主要CNG储存容器的体积。

然而，Knowlton的公开出现了与气体损失和气体污染有关的若干问题。例如，如果置换液是水性液体体，那么CNG会受到水的污染，当将气体排出用以使用时需要昂贵的气体干燥过程。另外，可替代的置换液会被溶解于液体中的CNG污染。然后，当将置换液从CNG储存容器中移动至低压储箱时，所溶解的CNG会丢失。

已经采用CNG置换在微型压缩机中对离子液体(即低蒸气压力的液态盐)进行过试验，但是这些溶液很昂贵，通常易燃，并且环境毒性高，因而没有扩大到大型设施。

另外，对其他各种烃类油溶液也进行了试验，结果较差，因为这些溶液中都占用了大量的溶解的气体，这在当将溶液返回低压储液箱时会出现气体回收和其他形式的损失的问题。

另外，已使用物理囊状物或机械活塞来尝试压力容器内的气体和液体的隔离；然而，成本、复杂性、规模、制造和维修的问题使得这些潜在的解决方案存在问题。

因此，需要改进的、用于对压缩气体压力容器补给燃料的系统和方法。

发明目的