Способ компримирования газообразного топлива для заправки автомобиля и заправочное устройство для его реализации

010697 Изобретение относится к подготовке природного газа для последующей его передачи под давлением в топливный резервуар автомобиля и может быть использовано для создания газозаправочных устройств индивидуального пользования, работающих от бытовой сети природного газа. В настоящее время в этой области нашли применение газозаправочные многоступенчатые компрессоры как с механическим, так и с гидравлическим приводом, обеспечивающие компримирование природного газа до уровня эффективного использования в качестве автотранспортного топлива. Сложность компрессоров с механическим приводом в конструктивном отношении, большие затраты потребляемой энергии при их эксплуатации, а также выделение при работе большого количества тепла и большие затраты на обслуживание, компенсирующие износ подвижных частей компрессора, привело к появлению компрессоров с гидравлическим приводом, обладающих рядом преимуществ по отношению к компрессорам с механическим приводом. Известен способ многоступенчатого сжатия газа по патенту США 5863186, где многоступенчатое сжатие газа в соединнных последовательно компримирующих емкостях компрессора осуществляют подачей в них под давлением гидравлической жидкости, отделнной от сжимаемого газа поршнями, перемещающимися в емкостях в течение рабочих циклов компрессора. Этот способ нашл применение в газозаправочных устройствах фирмы ECOFUELER, в том числе и для газозаправщиков индивидуального применения типа HRA (Home Refueling Appliance), работающих от бытовой газовой сети низкого давления и от стандартной бытовой электрической сети (www.eco-fueler.com). Недостатком газозаправочных устройств, работающих на этом способе, является их высокая стоимость, ограничивающая широкое распространение в частном секторе. Это объясняется необходимостью высокотехнологических элементов конструкции, прежде всего прецизионных гидравлических компримирующих емкостей. Известен также способ гидравлического сжатия газа для заправки автотранспортных средств с мобильных газозаправщиков без разделительного между газом и жидкостью поршня (патент РФ 2128803). Описанный в этом патенте способ предполагает его реализацию от магистральных газопроводов с давлением газа в 2,5 МПа (25 атм) и заключается в подаче газа с указанным давлением в расположенные вертикально (из-за отсутствия разделительного поршня) компримирующие мкости, его сжатие и передавливание в накопительные мкости путм подачи в компримирующие мкости жидкости под давлением из вспомогательной мкости. Для нагнетания газа в накопительные мкости могут использоваться две сообщнные между собой компримирующие мкости, при этом накопление газа в накопительной мкости осуществляют путм попеременной в противофазе подачи из каждой компримирующей мкости газа, вытесняемого из этой мкости жидкостью, забираемой из другой компримирующей мкости. При этом процесс перекачивания жидкости из одной мкости в другую осуществляют, одновременно заполняя освобождающийся от жидкости объм газом от магистрального газопровода. Способ, описанный в патенте РФ 2128803, предусматривает выполнение условия, при котором отношение минимального объма газовой полости в рабочих емкостях к объму между верхним и нижним уровнем жидкости составляет величину от 1/20 до 1/25. Это требование продиктовано соображениями "повышения производительности и экономичности процесса одностадийного компримирования газа" и обеспечивается установкой двух - верхнего и нижнего - датчиков уровня жидкости, так что после достижения верхнего уровня жидкости в компримирующей мкости, в ней остатся некоторый объм невытесненного газа. Передача газа из накопительных емкостей потребителю производится путм вытеснения жидкостью газа при последовательной подаче жидкости из предыдущей мкости в последующие. Данный способ применим в передвижных газозаправщиках для обеспечения больших объмов компримирования газа при возможности подключения к газопроводу с достаточно высоким, необходимым для данного способа давлением и наличия источника электроэнергии достаточной мощности (промышленная электрическая сеть). Кроме того, предусмотренное этим способом условие, при котором по завершении цикла сжатия в компримирующей мкости в верхней е части остатся некоторый объм сжатого газа, снижает эффективный объм последующего заполнения рабочей мкости за счт существенного по объму расширения оставшегося невытесненного объма сжатого газа. Наличие такого паразитного объма сжатого газа, остающегося в рабочей мкости по окончании цикла сжатия, приводит, таким образом, на стадии заполнения компримирующей мкости к эффекту распрямляющейся пружины (оставшийся сжатый газ начинает многократно увеличиваться в объме). Суммируя известные способы компримирования природного газа в целях заправки транспортных средств, можно говорить о том, что технический уровень решений в данной области ограничивается двумя преобладающими вариантами: один из них обеспечивает заправку автомобилей от бытовой газовой сети низкого давления при высокой стоимости аппаратурного обеспечения, второй не может быть применн как индивидуальное средство заправки автомобилей газовым топливом. Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности индивидуальной заправки автомобилей от бытовой газовой сети низкого давления с использованием индивидуального заправочного устройства, имеющего приемлемую для массового потребителя стоимость. Достигается эта цель тем, что в способе компримирования газа для заправки автомобиля путм попеременной подачи газа в две вертикально расположенные компримирующие мкости, его сжатие и передавливание в мкости высокого давления при помощи заполнения компримирующих емкостей жидко-1 010697 стью под давлением с помощью гидропривода новым является то, что согласно изобретению каждый цикл сжатия и передавливания газа из компримирующих емкостей осуществляют до полного их заполнения жидкостью, заключнной в компримирующих емкостях и попеременно передавливаемой из одной компримирующей мкости в другую по сигналу от датчика полного заполнения компримирующей мкости. Для повышения производительности способа, т.е. уменьшения времени, необходимого для заправки транспортного средства, может быть предусмотрено повышение давления газа при помощи его предварительной компрессии на входе компримирующих емкостей. Для уменьшения времени заправки автомобиля устройство может быть снабжено дополнительной накопительной мкостью, к которой подключается топливный резервуар автомобиля во время его заправки. Пример 1 реализации способа. Газом от источника с давлением 2,0 КПа (200 мм вод. столба) полностью заполняют первую компримирующую мкость (стандартный металлический баллон высокого давления мкостью 50 л) в режиме всасывания, перекачивая из не жидкость во вторую мкость. Попеременно перекачивая жидкость из одной мкости в другую, газ полностью вытесняется в топливный резервуар автомобиля. При использовании гидропривода с производительностью 10 л/мин топливный резервуар автомобиля объмом в 50 л(что соответствует в бензиновом эквиваленте 10-11 л бензина) заполняется до давления в 20 МПа(200 атм) за 17 ч. Пример 2 реализации способа. Для повышения производительности заправочного устройства используется предкомпрессор, повышающий давление газа бытовой сети на входе заполняемой компримирующей мкости до 2 атм. В этом случае время получения такого же количества сжатого газа сокращается в 2 раза. Пример 3 реализации способа. Повышение удобства пользования заправочным устройством может быть обеспечно применением накопительной, например 50-литровой, мкости, которая может быть заполнена предварительно (в отсутствие автомобиля) сжатым до 200 атм газом. В этом случае заправка автомобиля, подключаемого к накопительной мкости, может быть осуществлена в течение 5 мин гидравлическим вытеснением из не газа. Примеры реализации способа могут быть проиллюстрированы вариантами исполнения заправочного устройства, представленными чертежами, где на фиг. 1 изображено заправочное устройство, снабжнное предкомпрессором и компримирующими емкостями, имеющими одно выходное отверстие (одну горловину); на фиг. 2 - заправочное устройство с накопительной мкостью и двумя компримирующими емкостями, имеющими по два выходных отверстия; на фиг. 3 - запорное устройство, совмещнное с датчиком предельного уровня рабочей жидкости,применяемое для заправочного устройста по фиг. 1; на фиг. 4 - запорное устройство, совмещнное с датчиком предельного уровня рабочей жидкости,применяемое для заправочного устройства по фиг. 2. Заправочное устройство (фиг. 1) включает две компримирующие мкости 1 и 2, в горловинах которых установлены запорные устройства 3, совмещнные с датчиками 4 полного заполнения жидкостью компримирующих емкостей 1 и 2. Гидронасос 5 с электроприводом 6 снабжены линией 7 высокого и линией 8 низкого давления, которые соединены с компримирующими емкостями 1 и 2 через четыре запорных электромагнитных клапана 9, 10, 11 и 12 и трубки 13 и 14, находящиеся внутри компримирующих емкостей 1 и 2, а между собой - перепускным клапаном 15. Рабочие полости каждой компримирующей мкости 1 и 2 через запорные устройства 3 и встречно включнные односторонние клапаны 16-17 и 18-19 соединены, с одной стороны, через клапаны 16 и 18 с входным трубопроводом 20 подачи газа в компримирующие мкости 1 и 2, а с другой - через клапаны 17 и 19 с выходным трубопроводом 21 нагнетания газа в топливный резервуар автомобиля 22 через соединительное устройство 23. На выходном трубопроводе установлен электроконтактный манометр 24, выход которого соединн с входом электронного блока 25 управления. Вход электронного блока 25 управления связан также с выходами датчиков 4,а его выходы - с четырьмя электромагнитными клапанами 9-12, электродвигателем 6, а также с предкомпрессором 26, который через фильтр-осушитель 27 соединн с бытовым газопроводом 28 низкого давления. В исходном состоянии одна из компримирующих емкостей 1 или 2 заполнена газом 29, а вторая полностью заполнена рабочей жидкостью 30, при этом небольшое количество рабочей жидкости 30 находится и в компримирующей мкости 1 с газом для компенсации возможного несовпадения фактических рабочих объмов используемых компримирующих емкостей 1 и 2. Заправочное устройство (фиг. 2) с накопительной мкостью, обеспечивающей "быструю" заправку автомобиля без использования предкомпрессора, по сравнению с заправочным устройством по фиг. 1 дополнительно снабжено по меньшей мере одной накопительной мкостью 31, дренажной трубкой 32 с перепускным клапаном 33. Такое устройство изображено в варианте, когда компримирующие емкости 1 и 2, а также накопительная мкость 31 имеют по две - верхнюю и нижнюю - горловины. Газовая и гидравлическая магистрали в этом случае разнесены между верхними (газовыми) и нижними (гидравлическими) горловинами-2 010697 компримирующих 1 и 2 и накопительной 31 емкостей. При отсутствии предкомпрессора впускные газовые односторонние клапаны 16 и 18 (на фиг. 1) каждой из компримирующих емкостей 1 и 2 должны быть заменены на электромагнитные клапаны 34 и 35, т.к. давление газа бытовой сети не достаточно для преодоления сопротивления односторонних клапанов. Накопительная мкость 31 снабжена гидравлическими электромагнитными клапанами 36 и 37. Запорное устройство 3 (фиг. 3) предназначено для заправочного устройства на фиг. 1, снабжнного компримирующими емкостями 1 и 2 с одной горловиной в их верхней части. Это запорное устройство 3 имеет впускной газовый канал 38, выпускной газовый канал 39, трубку 40, соединяемую Т-образным каналом 41 с гидравлическими линиями высокого 7 и низкого 8 давления электромагнитными клапанами 9-12. Между наружной стенкой трубки 40 и корпусом 42 запорного устройства 3 из немагнитного материала имеется кольцевой зазор 43, являющийся общим для впускного 38 и выпускного 39 газовых каналов. В выпускном газовом канале 39 имеется клапан, состоящий из подвижного запирающего элемента 44, снабжнного магнитной вставкой 45, и седла 46 в фитинге 47. Датчик 4 полного заполнения компримирующей мкости жидкостью 30, расположенный на внешней стороне корпуса 42 запорного устройства 3, и магнитная вставка 45 находятся на одном уровне при нижнем положении подвижного запирающего элемента 44. Запорное устройство 3 (фиг. 4) заправочного устройства на фиг. 2 сходно с запорным устройством 3 по фиг. 3, в котором исключена трубка 40 и Т-образный канал 41, но добавлен дополнительный канал 48(только в запорном устройстве 3 для компримирующей мкости 2) для соединения с дренажной трубкой 32. Заправочное устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, показанном на фиг. 1, компримирующая мкость 1, кроме небольшого количества жидкости, заполнена с помощью предкомпрессора 26 газом от газопровода 28 низкого давления. Вторая компримирующая мкость 2 полностью заполнена жидкостью 30 для гидравлических систем. При запуске заправочного устройства для заправки автомобиля 22, подсоединнного к заправочному устройству через соединительное устройство 23, активизируется электронный блок 25 управления, запускающий рабочую программу, одновременно включаются предкомпрессор 26 и привод 6 гидронасоса 5, а электромагнитные клапаны 9-12 приводятся в состояние, при котором компримирующая мкость 1 подключена через открытый клапан 9 к линии 7 высокого давления, а компримирующая мкость 2 через открытый клапан 12 - к линии 8 низкого давления. При работе гидронасоса 5 жидкость из компримирующей мкости 2 через трубку 14 - Т-образный канал 41 запорного устройства (фиг. 3) - открытый электромагнитный клапан 12 - линию низкого давления 8 гидронасос 5 - линию высокого давления 7 - открытый электромагнитный клапан 9 - трубку 13 перекачивается в компримирующую мкость 1, из которой газ через кольцевой зазор 43 запорного устройства 3,зазор между подвижным запирающим элементом 44 и стенками выпускного газового канала 39 запорного устройства 3 (фиг. 3) через выходной трубопровод 21 и соединительное устройство 23 вытесняется в топливный резервуар автомобиля 22. Этот процесс сопровождается заполнением освобождающегося объма компримирующей мкости 2 газом, поступающим из предкомпрессора 26 по входному трубопроводу 20 подачи газа через односторонний клапан 18 во впускной канал 38 запорного устройства 3(фиг. 3). При достижении жидкостью 30 нижней кромки подвижного запирающего элемента 44 он смещается из нижнего положения вверх и запирает своей конусной частью седло 46 клапана в фитинге 47. Одновременно магнитная вставка 45 выходит из зоны датчика 4 полного заполнения рабочей мкости 1,который подат сигнал на электронный блок 25 управления для перевода гидравлического потока в реверсный режим: закрываются электромагнитные клапаны 9 и 12, а клапаны 10 и 11 открываются и жидкость из полностью заполненной компримирующей мкости 1 начинает поступать в компримирующую мкость 2. Процесс выдавливания газа из компримирующей мкости 2 и заполнения газом компримирующей мкости 1 аналогичен описанному выше. Повторение циклов "заполнения-вытеснения" газа и перекачивания жидкости 29 приводит к постепенному повышению давления газа в выходном трубопроводе 21 (заполнения топливного резервуара автомобиля 22). Давление в выходном трубопроводе 21 контролируется электроконтактным манометром 24. При достижении заданного давления в выходном трубопроводе 21 манометр 24 подат сигнал на электронный блок 25, после чего при срабатывании датчика 4 полного заполнения компримирующей мкости 1 или 2 жидкостью 30, электронный блок 25 подат команду на остановку работы заправочного устройства - в положении, являющемся исходным для начала последующей заправки. Реализуя заявляемый способ с помощью описанного устройства при производительности гидронасоса 5 в 10 л/мин и производительности предкомпрессора 26 в 40 л/мин, заполнение топливного баллона автомобиля мкостью в 50 л до давления в 200 атм происходит за 5-5,5 ч, что позволяет произвести заправку автомобиля, например, в ночное время. Это время определяется в основном производительностью предкомпрессора. Время, необходимое для полной заправки топливного резервуара автомобиля, может быть сокращено вариантом исполнения заправочного устройства, реализующего заявляемый способ, даже после исключения из схемы устройства предкомпрессора. Это может быть обеспечено введением в заправочное устройство накопительной мкости, входящей в единые газовую и гидравлическую системы устрой-3 010697 ства, описанного выше. Ниже описана работа такого устройства в варианте исполнения, когда в качестве компримирующих и накопительной емкостей применены стандартные баллоны высокого давления с двумя, в торцевых частях емкостей, выходными горловинами (фиг. 2). В этом варианте выполнения заправочного устройства газовая и гидравлическая магистрали разделены: газовая присоединена к верхним горловинам мкостей, а гидравлическая - к нижним. Работает такое устройство следующим образом. Исходное положение газа и жидкости в первой и второй компримирующих емкостях аналогично исходному положению, описанному в первом варианте реализации способа: первая компримирующая мкость 1 наполнена газом 29 (при небольшом количестве жидкости в нижней е части), а компримирующая мкость 2 - гидравлической жидкостью 30. В накопительной мкости 31 также имеется некоторое количество жидкости, необходимое для компенсации возможных допусков фактического объма баллонов при их изготовлении. Работа заправочного устройства включает две стадии: режим заполнения накопительной мкости 31 и режим передачи накопленного сжатого газа из накопительной мкости 31 в топливный резервуар заправляемого автомобиля 22. Режим заполнения накопительной мкости 31 происходит в следующей последовательности. После запуска заправочного устройства активизируется электронный блок 25 управления, запускающий рабочую программу: одновременно включаются привод гидронасоса 6 и открывается электромагнитный клапан 35, электромагнитные клапаны 9-12 приводятся в состояние, когда компримирующая мкость 1 подключена через открытый клапан 9 к линии 7 высокого давления, а компримирующая мкость 2 через открытый клапан 12 - к линии 8 низкого давления. При работе гидронасоса 5 жидкость из компримирующей мкости 2 через нижнюю горловину компримирующей мкости 2 и открытый клапан 12 - линию низкого давления 8 - гидронасос 5 - линию высокого давления 7 - открытый электромагнитный клапан 9- нижнюю горловину компримирующей мкости 1 перекачивается в компримирующую мкость 1, из которой газ через выпускной газовый канал 39 - зазор между подвижным запирающим элементом 44 и стенками выпускного газового канала 39 запорного устройства 3 (фиг. 4) - через односторонний клапан 17 и выходной трубопровод 21 вытесняется в накопительную мкость 31. Этот процесс сопровождается заполнением освобождающегося объма компримирующей мкости 2 газом, поступающим из газопровода низкого давления 28 через открытый электромагнитный клапан 35. При достижении жидкостью 30 нижней кромки подвижного запирающего элемента 44 он смещается вверх из нижнего положения и запирает своей конусной частью седло 46 клапана в фитинге 47. Одновременно магнитная вставка 45 выходит из зоны датчика 4 полного заполнения компримирующей мкости 1, который подат сигнал на электронный блок 25 управления для перевода гидравлического потока в реверсный режим: закрываются электромагнитные клапаны 9 и 12, а клапаны 10 и 11 открываются и жидкость из полностью заполненной компримирующей мкости 1 начинает поступать в компримирующую мкость 2. Процесс выдавливания газа из компримирующей мкости 2 и заполнения газом компримирующей мкости 1 аналогичен описанному выше. Повторение циклов "заполнения-вытеснения" газа и перекачивания жидкости 29 приводит к постепенному повышению давления газа в выходном трубопроводе 21 (заполнения накопительной мкости 31). Давление в выходном трубопроводе 21 контролируется электроконтактным манометром 24. При достижении заданного давления в выходном трубопроводе 21 манометр 24 подат сигнал на электронный блок 25, после чего при срабатывании датчика 4 полного заполнения компримирующей мкости 2 жидкостью электронный блок 25 подат команду на остановку работы заправочного устройства - в положении, являющимся исходным для начала режима заправки топливного резервуара автомобиля 22. Режим заправки автомобиля 22 осуществляется после соединения топливного резервуара автомобиля 22 через соединительное устройство 23 с накопительной мкостью 31 путм активизации заправочной программы на электронном блоке 25 управления: открывается электромагнитный клапан соединительного устройства 23, соединяющий выходной трубопровод 21 с топливным резервуаром автомобиля 22, с одновременным запуском электропривода 6 гидронасоса 5 и приведением электромагнитных клапанов в положение, обеспечивающее подачу жидкости из компримирующей мкости 2 в накопительную мкость 31, в результате чего газ из накопительной мкости 31 полностью передавливается в топливный баллон автомобиля 22 до срабатывания датчика 4 полного заполнения накопительной мкости 31. В момент срабатывания датчика 4 накопительной мкости 31 гидравлическая система переключается в реверсный режим: жидкость из накопительной мкости 31 возвращается в компримирующую мкость 2. Освобождающийся от жидкости объм накопительной мкости 31 заполняется расширяющимся газом,находящимся под высоким давлением в дренажной трубке 32. Система переходит в состояние, исходное для последующего заполнения накопительной мкости 31. В случае, если топливный резервуар автомобиля 22 полностью заполнился до рабочего давления в 200 атм, а в накопительной мкости 31 остался невытесненный газ, электроконтактный манометр 24 подат сигнал на электронный блок 25 управления,с которого поступает сигнал на закрытие электромагнитного клапана в соединительном устройстве 23. Заполнение накопительной мкости 31 жидкостью 30 продолжается, но газ по дренажной трубке 32 через окрывающийся давлением газа перепускной клапан 33 поступает не в топливный резервуар автомобиля-4 010697 22, а в компримирующую мкость 2 до момента полного заполнения накопительной мкости 31 жидкостью, срабатывания датчика 4 полного заполнения и полного передавливания сжатого газа из накопительной мкости 31 в компримирующую мкость 2. После срабатывания датчика 4 полного заполнения накопительной мкости 31 гидравлическая система по сигналу с электронного блока 25 управления переводится в режим возврата жидкости из накопительной мкости 31 в компримирующую мкость 2, газ из которой передавливается в накопительную мкость 31 по выходному трубопроводу 21. Система приводится в состояние, исходное для начала заполнения накопительной мкости 31. Применение этого варианта исполнения заправочного устройства для реализации заявленного способа позволяет подготовить устройство к "быстрой" заправке автомобиля сжатым газом высокого давления из накопительной мкости. Скорость заправки в этом случае определяется производительностью гидронасоса и может быть осуществлена в течение нескольких минут, необходимых для полного вытеснения накопленного в накопительной мкости газа независимо от соотношения давлений в топливном баке и в накопительной мкости 31. Предлагаемый способ в совокупности с вариантами исполнения заправочного устройства позволяет производить автономную (индивидуальную) заправку персонального автомобиля в удобном режиме для владельца автомобиля. Изобретение обеспечивает, таким образом, возможность заправки автомобиля от источника газообразного топлива низкого давления, например бытового природного газа или биометана,с помощью газового заправщика, конструкция которого основана на применении компонентов массового производства без использования дорогостоящих прецизионных элементов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ компримирования газообразного топлива для заправки автомобиля путм попеременной подачи газа в две вертикально расположенные компримирующие мкости с последующим его сжатием и передавливанием в топливный резервуар автомобиля посредством попеременного заполнения компримирующих емкостей жидкостью под давлением, отличающийся тем, что каждый цикл передавливания газа из компримирующих емкостей осуществляют до полного их заполнения жидкостью, заключнной в компримирующих емкостях и попеременно перекачиваемой из одной компримирующей мкости в другую. 2. Заправочное устройство для заправки автомобиля газообразным топливом, включающее две подключаемые через односторонние клапаны к газовой сети компримирующие мкости, связанные между собой газовым и гидравлическим трубопроводами, гидравлический насос и электронный блок управления, причм гидравлический трубопровод соединн с гидравлическим насосом, а газовый трубопровод снабжн соединительным узлом заправки автомобиля, отличающееся тем, что каждая компримирующая мкость снабжена запорным устройством, совмещнным с датчиком уровня жидкости и установленным в горловине компримирующей емкости. 3. Заправочное устройство по п.2, отличающееся тем, что запорное устройство снабжено подвижным запирающим элементом, имеющим магнитную вставку и расположенным в выпускном газовом канале запорного устройства, корпус которого выполнен из немагнитного материала, причм подвижный запирающий элемент расположен с кольцевым зазором между ним и стенками выпускного газового канала. 4. Заправочное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что оно снабжено накопительной мкостью, подключнной к газовому и гидравлическому трубопроводам компримирующих емкостей и имеющей запорное устройство, которое связано дренажной трубкой и перепускным клапаном с запорным устройством одной из компримирующих емкостей. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ из компримирующих емкостей передавливают в накопительную мкость, из которой накопленный газ при заправке автомобиля передавливают в его топливный резервуар до полного заполнения накопительной мкости жидкостью. 6. Заправочное устройство по п.2 или 4, отличающееся тем, что как компримирующие мкости, так и накопительная мкость выполнены с двумя горловинами, причм верхние горловины соединены с газовыми трубопроводами, а нижние - с гидравлическим трубопроводом.