Спосіб стиснення газоподібного палива для заправлення автомобіля і заправний пристрій для його реалізації

1. Спосіб стиснення газоподібного палива для заправлення автомобіля шляхом поперемінної подачі газу у дві вертикально розташовані стискувальні ємності з наступним його стисканням і витісненням у паливний резервуар автомобіля за допомогою поперемінного заповнення стискувальних ємностей рідиною під тиском, який відрізняється тим, що кожний цикл витіснення газу зі стискувальних ємностей здійснюють до повного їх заповнення рідиною, поміщеною в стискувальних ємностях, яку поперемінно перекачують з однієї стискувальної ємності в іншу. 2. Заправний пристрій для заправки автомобіля газоподібним паливом, що включає дві стискувальні ємності, під'єднані через однобічні клапани до газової мережі, що зв'язані між собою газовим і гідравлічним трубопроводами, гідравлічний насос C2 2 UA 1 3 також виділення при роботі великої кількості тепла й великі витрати на обслуговування, що компенсують зношування рухомих частин компресора, привели до появи компресорів з гідравлічним приводом, які мають ряд переваг відносно компресорів з механічним приводом. Відомий спосіб багатоступінчастого стискання газу за патентом США №5863186, де багатоступінчасте стискання газу у стискувальних ємностях компресора, які з'єднані послідовно, здійснюють подачею в них під тиском гідравлічної рідини, відділеної від газу, який стискається, поршнями, що переміщаються в ємностях протягом робочих циклів компресора. Цей спосіб знайшов застосування в газозаправних пристроях фірми ECOFUELER, у тому числі й для газозаправників індивідуального застосування типу HRA (Home Refueling Appliance), що працюють від побутової газової мережі низького тиску й від стандартної побутової електричної мережі (www.eco-fueler.com). Недоліком газозаправних пристроїв, які працюють за цим способом, є їхня висока вартість, що обмежує широке поширення в приватному секторі. Це пояснюється необхідністю високотехнологічних елементів конструкції насамперед прецизійних гідравлічних стискувальних ємностей. Відомий також спосіб гідравлічного стиску газу для заправлення автотранспортних засобів з мобільних газозаправників без розділового між газом і рідиною поршня (патент РФ №2 128 803). Описаний у цьому патенті спосіб припускає його реалізацію від магістральних газопроводів з тиском газу в 2,5МПа (25атм) і полягає в подачі газу із зазначеним тиском у розташовані вертикально (через відсутність розділового поршня) стискувальні ємності, його стискання і витіснення в накопичувальні ємності шляхом подачі в стискувальні ємності рідини під тиском з допоміжної ємності. Для нагнітання газу в накопичувальні ємності можуть використовуватися дві сполучені між собою стискувальні ємності, при цьому накопичування газу в накопичувальній ємності здійснюють і шляхом поперемінної у протифазі подачі з кожної стискувальної ємності газу, що витісняється з ємності рідиною, яка забирається з іншої стискувальної ємності. При цьому процес перекачування рідини з однієї ємності в іншу здійснюють, одночасно заповнюючи об'єм, що вивільняється від рідини, газом від магістрального газопроводу. Спосіб, описаний у патенті РФ №2 128 803, передбачає виконання умови, при якій відношення мінімального об'єму газової порожнини в робочих ємностях до об'єму між верхнім і нижнім рівнем рідини становить від 1/20 до 1/25. Ця вимога продиктована міркуваннями "підвищення продуктивності й економічності процесу одностадійного стиснення газу" і забезпечується установкою двох - верхнього і нижнього датчиків рівня рідини, так що після досягнення верхнього рівня рідини в стискувальній ємності, у ній залишається деякий об'єм не витиснутого газу. Передача газу з накопичувальних ємностей споживачеві здійснюється шляхом витиснення рідиною газу при послідовній подачі рідини з попередньої ємності в наступні. Даний спосіб застосовний в пересувних газозаправниках для забезпечення 89118 4 більших об'ємів стиснення газу при можливості підключення до газопроводу з достатньо високим, необхідним для даного способу тиском і наявності джерела електроенергії достатньої потужності (промислова електрична мережа). Крім того, передбачена цим способом умова, при якій по завершенні циклу стискання в стискувальній ємності у верхній її частині залишається деякий об'єм стиснутого газу, знижує ефективний об'єм наступного заповнення робочої ємності за рахунок істотного за об'ємом розширення невитисненого стисненого газу, що залишився. Наявність такого паразитного об'єму стисненого газу, що залишається в робочій ємності по закінченні циклу стискання, приводить, таким чином, на стадії заповнення стискувальної ємності до ефекту «пружини, що розпрямляється» (стиснений газ, що залишився, починає багаторазово збільшуватися в об'ємі). Підсумовуючи відомі способи стиснення природного газу з метою заправлення транспортних засобів, можна говорити про те, що технічний рівень рішень у даній області обмежується двома переважними варіантами, один з них забезпечує заправлення автомобілів від побутової газової мережі низького тиску при високій вартості апаратурного забезпечення, другий не може бути застосований як індивідуальний засіб заправлення автомобілів газовим паливом. Задачею даного винаходу є забезпечення можливості індивідуального заправлення автомобілів від побутової газової мережі низького тиску з використанням індивідуального заправного пристрою, що має прийнятну для масового споживача вартість. Досягається ця задача тим, що в способі стиснення газу для заправлення автомобіля шляхом поперемінної подачі газу у дві вертикально розташовані стискувальні ємності, його стискання і витіснення в ємності високого тиску за допомогою заповнення стискувальних ємностей рідиною під тиском з використанням гідроприводу новим є те, що згідно з винаходом, кожен цикл стискання й витіснення газу з стискувальних ємностей здійснюють до повного їх заповнення рідиною, уміщеною в стискувальних ємностях і такою, що поперемінно передавлюється з однієї стискувальної ємності в іншу за сигналом від датчика повного заповнення стискувальної ємності. Для підвищення продуктивності способу, тобто зменшення часу, необхідного для заправлення транспортного засобу, може бути передбачено підвищення тиску газу за допомогою його попередньої компресії на вході стискувальних ємностей. Для зменшення часу заправлення автомобіля пристрій може бути оснащений додатковою накопичувальною ємністю, до якої підключається паливний резервуар автомобіля під час його заправки. Приклад 1 реалізації способу Газом від джерела з тиском 2,0КПа (200мм вод. стовпа) повністю заповнюють першу стискувальну ємність (стандартний металевий балон високого тиску ємністю 50л) у режимі усмоктування, перекачуючи з неї рідину в другу ємність. При поперемінному перекачуванні рідини з однієї ємності в іншу газ повністю витісняється в паливний 5 резервуар автомобіля. При використанні гідроприводу із продуктивністю 10л/хв паливний резервуар автомобіля об'ємом в 50л (що відповідає в бензиновому еквіваленті 10-11 літрам бензину) заповнюється до тиску в 20МПа (200атм) за 17 годин. Приклад 2 реалізації способу. Для підвищення продуктивності заправного пристрою використовується попередній компресор, що підвищує тиск газу побутової мережі на вході заповнюваної стискувальної ємності до 2-х атм. У цьому випадку час одержання такої ж кількості стисненого газу скорочується в 2 рази. Приклад 3 реалізації способу Підвищення зручності користування заправним пристроєм може бути забезпечене застосуванням накопичувальної, наприклад 50-літрової, ємності, яка може бути заповнена попередньо (при відсутності автомобіля) стислим до 200атм газом. У цьому випадку заправлення автомобіля, що підключається до накопичувальної ємності, може бути здійснена протягом 5 хвилин гідравлічним витисненням з неї газу. Приклади реалізації способу можуть бути проілюстровані варіантами виконання заправного пристрою, представленими кресленнями (Фіг.1- 4), де: на Фіг.1 зображене заправний пристрій, оснащений попереднім компресором і стискувальними ємностями, які мають один вихідний отвір (одну горловину); на Фіг.2 - заправний пристрій з накопичувальною ємністю й двома стискувальними ємностями, які мають по два вихідні отвори; на Фіг.3 - запірний пристрій, сполучений з датчиком граничного рівня робочої рідини, застосовуваний для заправного пристрою за Фіг.1; на Фіг.4 - запірний пристрій, сполучений з датчиком граничного рівня робочої рідини, застосовуваний для заправного пристрою за Фіг.2. Заправний пристрій (Фіг.1) включає дві стискувальні ємності 1 й 2, у горловинах яких установлені запірні пристрої 3, сполучені з датчиками 4 повного заповнення рідиною стискувальних ємностей 1 й 2. Гідронасос 5 з електроприводом 6 забезпечені лінією 7 високого й лінією 8 низького тиску, які з'єднані з стискувальними ємностями 1 й 2 через чотири запірних електромагнітних клапани 9, 10, 11 й 12 і трубки 13 й 14, що знаходяться усередині стискувальних ємностей 1 й 2, а між собою - перепускним клапаном 15. Робочі порожнини кожної стискувальної ємності 1 й 2 через запірні пристрої 3 і зустрічно включені односторонні клапани 16-17 й 18-19 з'єднані, з одного боку, через клапани 16 й 18, із вхідним трубопроводом 20 подачі газу в стискувальні ємності 1 й 2, а з іншого, через клапани 17 й 19, з вихідним трубопроводом 21 нагнітання газу в паливний резервуар автомобіля 22 через з'єднувальний пристрій 23. На вихідному трубопроводі встановлений електроконтактний манометр 24, вихід якого з'єднаний із входом електронного блоку 25 керування. Вхід електронного блоку 25 керування зв'язаний також з виходами датчиків 4, а його виходи - із чотирма електромагнітними клапанами 9-12, електродвигуном 6, а також із попереднім компресором 26, який через фільтр 89118 6 осушувач 27 з'єднаний з побутовим газопроводом 28 низького тиску. У вихідному стані одна з стискувальних ємностей 1 або 2 заповнена газом 29, а друга - повністю заповнена робочою рідиною 30, при цьому невелика кількість робочої рідини 30 знаходиться й у стискувальній ємності 1 з газом для компенсації можливої розбіжності фактичних робочих об'ємів використовуваних стискувальних ємностей 1 та 2. Заправний пристрій (Фіг.2) з накопичувальною ємністю, що забезпечує "швидке" заправлення автомобіля без використання попереднього компресора, у порівнянні із заправним пристроєм за Фіг.1 додатково оснащений щонайменше однією накопичувальною ємністю 31, дренажною трубкою 32 із пропускним клапаном 33. Такий пристрій зображений у варіанті, коли стискувальні ємності 1 й 2, а також накопичувальна ємність 31 мають по дві - верхню й нижню - горловини. Газова й гідравлічна магістралі в цьому випадку рознесені між верхніми (газовими) і нижніми (гідравлічними) горловинами стискувальних ємностей 1 й 2 і накопичувальної ємності 31. При відсутності попереднього компресора впускні газові однобічні клапани 16 й 18 (на Фіг.1) кожної з стискувальних ємностей 1 й 2 повинні бути замінені на електромагнітні клапани 34 й 35, тому, що тиск газу побутової мережі не достатній для подолання опору однобічних клапанів. Накопичувальна ємність 31 забезпечена гідравлічними електромагнітними клапанами 36 й 37. Запірний пристрій 3 (Фіг.3) призначений для заправного пристрою на Фіг.1, оснащеного стискувальними ємностями 1 й 2 з однією горловиною в їхній верхній частині. Цей запірний пристрій 3 має впускний газовий канал 38, випускний газовий канал 39, трубку 40, що з'єднується Т-подібним каналом 41 з гідравлічними лініями високого 7 і низького 8 тиску електромагнітними клапанами 9-12. Між зовнішньою стінкою трубки 40 і корпусом 42 запірного пристрою 3 з немагнітного матеріалу є кільцевий зазор 43, який є загальним для впускного 38 і випускного 39 газових каналів. У випускному газовому каналі 39 є клапан, що складається з рухливого замикаючого елемента 44, забезпеченого магнітною вставкою 45, і сідла 46 у фітингу 47. Датчик 4 повного заповнення стискувальної ємності рідиною 30, розташований на зовнішній стороні корпуса 42 запірного пристрою 3, і магнітна вставка 45 знаходяться на одному рівні при нижньому положенні рухливого замикаючого елемента 44. Запірний пристрій 3 (Фіг.4) заправного пристрою на Фіг.2 подібно із запірним пристроєм 3 по Фіг.3, у якому виключена трубка 40 і Т-подібний канал 41, але доданий додатковий канал 48 (тільки в запірному пристрої 3 для стискувальної ємності 2) для з'єднання із дренажною трубкою 32. Заправний пристрій працює в такий спосіб. У вихідному стані, показаному на Фіг.1, стискувальна ємність 1, крім невеликої кількості рідини, заповнена за допомогою попереднього компресора 26 газом від газопроводу 28 низького тиску. Друга стискувальна ємність 2 повністю заповнена рідиною 30 для гідравлічних систем. При запуску за 7 правного пристрою для заправлення автомобіля 22, приєднаного до заправного пристрою через з'єднувальний пристрій 23, активізується електронний блок 25 керування, який запускає робочу програму; одночасно включаються попередній компресор 26 і привод 6 гідронасоса 5, а електромагнітні клапани 9-12 приводяться в стан, при якому стискувальна ємність 1 підключена через відкритий клапан 9 до лінії 7 високого тиску, а стискувальна ємність 2 через відкритий клапан 12 - до лінії 8 низького тиску. При роботі гідронасоса 5 рідина з стискувальної ємності 2 через трубку 14 Т-подібний канал 41 запірного пристрою (Фіг.3) відкритий електромагнітний клапан 2 - лінію низького тиску 8 - гідронасос 5 - лінію високого тиску 7 відкритий електромагнітний клапан 9 - трубку 13 перекачується в стискувальну ємність 1, з якої газ через кільцевий зазор 43 запірного пристрою 3, зазор між рухливим замикаючим елементом 44 і стінками випускного газового каналу 39 запірного пристрою 3 (Фіг.3) через вихідний трубопровід 21 і з'єднувальний пристрій 23 витісняється в паливний резервуар автомобіля 22. Цей процес супроводжується заповненням вивільнюваного об'єму стискувальної ємності 2 газом, який надходить із попереднього компресора 26 по вхідному трубопроводу 20 подачі газу через односторонній клапан 18 у впускний канал 38 запірного пристрою 3 (Фіг.3). При досягненні рідиною 30 нижньої крайки рухливого замикаючого елемента 44 він зміщується з нижнього положення нагору й замикає своєю конусною частиною сідло 46 клапана у фітингу 47. Одночасно магнітна вставка 45 виходить із зони датчика 4 повного заповнення робочої ємності 1, який подає сигнал на електронний блок 25 керування для переводу гідравлічного потоку в реверсний режим: закриваються електромагнітні клапани 9 й 12, а клапани 10 й 11 відкриваються й рідина з повністю заповненої стискувальної ємності 1 починає надходити в стискувальну ємність 2. Процес видавлювання газу з стискувальної ємності 2 і заповнення газом стискувальної ємності 1 аналогічний описаному вище. Повторення циклів "заповнення-витиснення" газу й перекачування рідини 29 приводить до поступового підвищенню тиску газу у вихідному трубопроводі 21 (заповнення паливного резервуара автомобіля 22). Тиск у вихідному трубопроводі 21 контролюється електроконтактним манометром 24. При досягненні заданого тиску у вихідному трубопроводі 21 манометр 24 подає сигнал на електронний блок 25, після чого, при спрацьовуванні датчика 4 повного заповнення стискувальної ємності 1 або 2 рідиною 30, електронний блок 25 подає команду на зупинку роботи заправного пристрою - у положенні, що є вихідним для початку наступного заправлення. Реалізуючи спосіб, що заявляється, за допомогою описаного пристрою при продуктивності гідронасоса 5 у 10л/хв і продуктивності попереднього компресора 26 у 40л/хв заповнення паливного балона автомобіля ємністю в 50 літрів до тиску в 200атм відбувається за 5-5,5 годин, що дозволяє зробити заправлення автомобіля, наприклад, у нічний час. Цей час визначається в основному продуктивністю попереднього компресора. 89118 8 Час, необхідний для повного заправлення паливного резервуара автомобіля, може бути скорочений варіантом виконання заправного пристрою, що реалізує спосіб, який заявляється, навіть після виключення зі схеми пристрою попереднього компресора. Це може бути забезпечено введенням у заправний пристрій накопичувальної ємності, що входить у єдині газову й гідравлічну системи пристрою, описаного вище. Нижче описана робота такого пристрою у варіанті виконання, коли в якості стискувальних і накопичувальної ємностей застосовані стандартні балони високого тиску із двома, у торцевих частинах ємностей, вихідними горловинами (Фіг.2). У цьому варіанті виконання заправного пристрою газова й гідравлічна магістралі розділені: газова приєднана до верхніх горловин ємностей, а гідравлічна - до нижніх. Працює пристрій у такий спосіб. Вихідне положення газу й рідини в першій і другій стискувальних ємностях аналогічно вихідному положенню, описаному в першому варіанті реалізації способу: перша стискувальна ємність 1 наповнена газом 29 (при невеликій кількості рідини в нижній її частині), а стискувальна ємність 2 - гідравлічною рідиною 30. У накопичувальній ємності 31, також є деяка кількість рідини, необхідна для компенсації можливих допусків фактичного об'єму балонів при їхньому виготовленні. Робота заправного пристрою включає дві стадії: режиму заповнення накопичувальної ємності 31 і режиму передачі накопиченого стисненого газу з накопичувальної ємності 31 у паливний резервуар автомобіля 22, що заправляється. Режим заповнення накопичувальної ємності 31 відбувається в наступній послідовності. Після запуску заправного пристрою активізується електронний блок 25 керування, що запускає робочу програму: одночасно включаються привод гідронасоса 6 і відкривається електромагнітний клапан 35, електромагнітні клапани 9-12 приводяться в стан, коли стискувальна ємність 1 підключена через відкритий клапан 9 до лінії 1 високого тиску, а стискувальна ємність 2 через відкритий клапан 12 - до лінії 8 низького тиску. При роботі гідронасоса 5 рідина з стискувальної ємності 2 через нижню горловину стискувальної ємності 2 і відкритий клапан 12 - лінію низького тиску 8 - гідронасос 5 - лінію високого тиску 7 - відкритий електромагнітний клапан 9 - нижню горловину стискувальної ємності 1 перекачується в стискувальну ємність 1, з якої газ через випускний газовий канал 39 - зазор між рухливим замикаючим елементом 44 і стінками випускного газового каналу 39 запірного пристрою 3 (Фіг.4) - через однобічний клапан 17 і вихідний трубопровід 21 витісняється в накопичувальну ємність 31. Цей процес супроводжується заповненням вивільнюваного об'єму стискувальної ємності 2 газом, що надходить із газопроводу низького тиску 28 через відкритий електромагнітний клапан 35. При досягненні рідиною 30 нижньої крайки рухливого замикаючого елемента 44 він зміщується нагору з нижнього положення й замикає своєю конусною частиною сідло 46 клапана у фітингу 47. Одночасно магнітна вставка 45 вихо 9 дить із зони датчика 4 повного заповнення стискувальної ємності 1, який подає сигнал на електронний блок 25 керування для переводу гідравлічного потоку в реверсний режим: закриваються електромагнітні клапани 9 й 12, а клапани 10 й 11 відкриваються й рідина з повністю заповненої стискувальної ємності 1 починає надходити в стискувальну ємність 2. Процес видавлювання газу з стискувальної ємності 2 і заповнення газом стискувальної ємності 1 аналогічний описаному вище. Повторення циклів "заповнення-витиснення" газу й перекачування рідини 29 приводить до поступового підвищення тиску газу у вихідному трубопроводі 21 (заповнення накопичувальної ємності 31). Тиск у вихідному трубопроводі 21 контролюється електроконтактним манометром 24. При досягненні заданого тиску у вихідному трубопроводі 21 манометр 24 подає сигнал на електронний блок 25, після чого, при спрацьовуванні датчика 4 повного заповнення стискувальної ємності 2 рідиною, електронний блок 25 подає команду на зупинку роботи заправного пристрою - у положенні, що є вихідним для початку режиму заправлення паливного резервуара автомобіля 22. Режим заправлення автомобіля 22 здійснюється після з'єднання паливного резервуара автомобіля 22 через з'єднувальний пристрій 23 з накопичувальної ємністю 31 шляхом активізації заправної програми на електронному блоці 25 керування: відкривається електромагнітний клапан з'єднувального пристрою 23, з'єднуючий вихідний трубопровід 21 з паливним резервуаром автомобіля 22, з одночасним запуском електропривода 6 гідронасоса 5 і приведенням електромагнітних клапанів у положення, що забезпечує подачу рідини з стискувальної ємності 2 у накопичувальну ємність 31, у результаті чого газ із накопичувальної ємності 31 повністю витісняється в паливний балон автомобіля 22 до спрацьовування датчика 4 повного заповнення накопичувальної ємності 31. У момент спрацьовування датчика 4 накопичувальної ємності 31 гідравлічна система перемикається в реверсний режим; рідина з накопичувальної ємності 31 повертається в стискувальну ємність 2. Вивільнюваний від рідини об'єм накопичувальної ємності 31 заповнюється газом, що розширюється, який знаходиться під високим тиском у дренажній трубці 32. Система переходить у стан, вихідний для наступного заповнення накопичувальної єм 89118 10 ності 31. У випадку, якщо паливний резервуар автомобіля 22 повністю заповнився до робочого тиску в 200атм, а в накопичувальної ємності 31 залишився невитиснений газ, електроконтактний манометр 24 подає сигнал на електронний блок 25 керування, з якого надходить сигнал на закриття електромагнітного клапана в з'єднувальному пристрої 23. Заповнення накопичувальної ємності 31 рідиною 30 триває, але газ по дренажній трубці 32, через пропускний клапан 33, що відкривається тиском газу, надходить не в паливний резервуар автомобіля 22, а в стискувальну ємність 2 до моменту повного заповнення накопичувальної ємності 31 рідиною, спрацьовування датчика 4 повного заповнення й повного видавлювання стисненого газу з накопичувальної ємності 31 у стискувальну ємність 2. Після спрацьовування датчика 4 повного заповнення накопичувальної ємності 31 гідравлічна система по сигналу з електронного блоку 25 керування переводиться в режим повернення рідини з накопичувальної ємності 31 у стискувальну ємність 2, газ із якої витісняється в накопичувальну ємність 31 по вихідному трубопроводі 21. Система приводиться в стан, вихідний для початку заповнення накопичувальної ємності 31. Застосування цього варіанта виконання заправного пристрою для реалізації заявленого способу дозволяє підготувати пристрій до "швидкого" заправленню автомобіля стисненим газом високого тиску з накопичувальної ємності. Швидкість заправлення в цьому випадку визначається продуктивністю гідронасоса й може бути здійснена протягом декількох хвилин, необхідних для повного витиснення накопиченого в накопичувальній ємності газу незалежно від співвідношення тисків у паливному баці й у накопичувальній ємності 31. Запропонований спосіб у сукупності з варіантами виконання заправного пристрою дозволяє робити автономне (індивідуальне) заправлення персонального автомобіля в зручному режимі для власника автомобіля. Винахід забезпечує, таким чином, можливість заправлення автомобіля від джерела газоподібного палива низького тиску, наприклад, побутового природного газу або біометану, за допомогою газового заправника, конструкція якого заснована на застосуванні компонентів масового виробництва без використання дорогих прецизійних елементів. 11 89118 Фіг.1 Фіг.2 12 13 89118 14 Фіг.3 Фіг.4 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601