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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Gasvolumenstroms
bei der Gasrückführung an einer Tankstelle sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Wenn
Vergaserkraftstoffe auf einer Tankstelle umgefüllt werden,
dampfen Kohlenwasserstoffe ab, und zwar etwa in einer Masse, die
etwa 1 Promille der Flüssigkeitsmasse entspricht. Früher
wurden diese Kohlenwasserstoffdämpfe als Verlust an die
Atmosphäre abgegeben. Da die in dem Kohlenwasserstoffgas
enthaltenen Benzole gesundheitsschädlich sind und die Kohlenwasserstoffe
als Treibhausgase wirken, müssen derartige Emissionen reduziert
werden. Dies wurde in der Direktive 94/63/EC für alle europäischen
Länder im Grundsatz festgelegt. In den meisten europäischen
Ländern wurde diese Direktive in nationale Vorschriften
umgesetzt. Vergleichbare Vorschriften gibt es auch noch in anderen
Ländern, z. B. in den USA.
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Die
Reduktion des Emissionen wird bewirkt durch eine Rückführung
der Kohlenwasserstoffgase bei dem jeweiligen Umfüllvorgang.
Bei der Befüllung eines Tankfahrzeuges an der Raffinerie
und bei der Befüllung eines Lagertanks (Erdtanks) an einer
Tankstelle wird ein zusätzlicher Gasrückführungsschlauch (Gaspendelleitung)
angeschlossen. Dies wird mit "Gasrückführung Stage
I" bezeichnet.
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Die
Gasrückführung bei der Befüllung eines Kraftfahrzeugs
an einer Tankstelle wird "Gasrückführung Stage
II" genannt. Da dabei das Zapfventil nicht gasdicht am Tankstutzen
des zu befüllenden Kraftfahrzeugs anliegt, werden die Kohlenwasserstoffgase
am Einlass des Zapfventils durch eine Pumpe angesaugt (aktive Gasrückführung).
Das Volumen der rückgeführten Gasmischung an der
Ansaugstelle sollte gleich dem in den Tank des Kraftfahrzeugs eingefüllten
Flüssigkeitsvolumen sein, damit möglichst wenig
Kohlenwasserstoffgase in die Atmosphäre entweichen. Es
darf auch nicht zu viel abgesaugt werden, da sonst ein größeres
Gasvolumen in den Lagertank zurückgeführt würde,
als Flüssigkeitsvolumen entnommen wurde, was zu einem Druckanstieg im
Lagertank führen würde. Dadurch würden
am Lüftungsmast des Lagertanks Emissionen entstehen, was
ebenso vermieden werden muss.
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Eine
aktive Gasrückführung wird überwiegend
als autonomes System ausgeführt, d. h. unabhängig
von einer Überwachungseinrichtung, die die Gasrückführrate
kontrolliert. Die Steuerelektronik der Gasrückführung
für eine Zapfsäule ist mit einem Ausgang des Zapfsäulenrechners
verbunden, der eine Impulsrate liefert, die proportional zum Momentanfluss
des Kraftstoffs ist, also zur Förderrate des bei einem
Betankungsvorgang in den Tank des zu betankenden Kraftfahrzeugs
gepumpten flüssigen Kraftstoffs, was ein Flüssigkeitsvolumenstrom
ist. Mit einer auf Kalibrierungsdaten beruhenden Abgleichkurve berechnet
die Steuerelektronik der Gasrückführung entweder
ein Steuersignal für ein Proportionalventil oder aber erzeugt
ein Steuersignal, das die Drehzahl des Elektromotors einer Gasförderpumpe beeinflusst.
In beiden Fällen wird damit der Gasdurchfluss (also der
Gasvolumenstrom) in Abhängigkeit vom Kraftstoffdurchfluss
(also vom Kraftstoffvolumenstrom) so eingestellt, dass die Rückführrate
(definiert als Gasdurchfluss/Kraftstoffdurchfluss) in etwa bei 100
liegt.
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Der
Abgleich der Gasrückführung, d. h. die Bestimmung
der erwähnten Kalibrierungsdaten, erfolgt in der Regel
mit einem Hilfsaufbau. Hierbei wird ein Volumenstrommesser (z. B.
ein Balgenzähler) gasdicht an die Ansaugöffnung
eines Zapfventils angeschlossen. Dann wird ein Steuersignal für
die Förderrate der Gasrückführung erzeugt
und der zugehörige Gasdurchfluss gemessen. Dies wird in
einer Folge für den gesamten Durchflussbereich durchgeführt.
Die auf diese Weise gewonnenen Kalibrierungsdaten (Zuordnung der
Steuersignale zu dem jeweiligen Gasdurchfluss) werden in einer Tabelle
in einem nichtflüchtigen Speicher in der Steuerelektronik der
Gasrückführung abgelegt. Nach der Entfernung des
Hilfsaufbaus arbeitet das Gasrückführungssystem
im normalen Tankbetrieb mit der nach diesem Verfahren erzeugten
Abgleichtabelle.
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Gasrückführsysteme
der beschriebenen Art werden durch automatische Überwachungssysteme auf
ihre korrekte Funktion überwacht. Dabei ist ein in die
Gasrückführungsleitung eingefügter Gasdurchflusssensor
an eine Auswerteelektronik der Gasrückführungsüberwachung
angeschlossen. Ferner werden die erwähnten Kraftstoffvolumenstromimpulse, die
zur Ansteuerung der Steuerelektronik der Gasrückführung
dienen, an die Auswerteelektro nik der Gasrückführungsüberwachung
angelegt. Diese bestimmt hieraus und aus dem gemessenen Gasdurchfluss
die Rückführrate.
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Aus
der
US 6,170,539 B1 ist
ein Gasrückführsystem bekannt, bei dem der Gasstrom
gemessen und zum Regeln der Gasrückführung verwendet wird.
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Für
eine genaue Überwachung der Gasrückführung
ist es erforderlich, den Gasvolumenstrom im Bereich des Zapfventils
zu kennen, denn beim Betanken eines Kraftfahrzeugs soll pro Zeiteinheit
gerade so viel Gasvolumen aus dem Tank des Fahrzeugs abgesaugt werden,
wie Kraftstoffvolumen eingefüllt wird. Das abgesaugte Gas
wird im Inneren des mit einer Koaxialleitung versehenen Zapfschlauches
geführt und dann innerhalb der Zapfsäule in einer
eigenen Leitung weitertransportiert. Dort befindet sich die Gasförderpumpe,
die für eine Druckdifferenz sorgt, um den Gasdurchfluss
zu bewirken. Das Gas strömt dann weiter zu den Vorratstanks
der Tankstelle. Der Gasdurchflusssensor kann z. B. vor dem erwähnten Proportionalventil
eingebaut sein, aber auch z. B. hinter der Gasförderpumpe
(dies insbesondere, wenn in einer Zapfsäule mit mehreren
Zapfstellen nur ein Gasdurchflusssensor vorgesehen ist).
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In
der beschriebenen Leitungsführung finden mannigfache Wärmeaustauschprozesse
statt. Zum Beispiel strömt der Kraftstoff mit der Temperatur
des Vorrats- oder Lagertanks (Erdtank) von ca. 15°C zum Zapfventil,
so dass das im Inneren des Zapfschlauches zurückströmende
Gas, das im Wesentlichen die Temperatur des Kraftfahrzeugtanks hat,
im Winter aufgeheizt und im Sommer abgekühlt wird. Dadurch ändert
sich der Gasvolumenstrom. Es treten weiterhin erhebliche dynamische
Druckabfälle in den Leitungen auf, die den Gasvolumenstrom
ebenfalls beeinflussen. Dabei kann es auch zu adiabatischen Prozessen
kommen, was wiederum die Gastemperatur beeinflusst. Dies alles bewirkt,
dass der Gasvolumenstrom am Ort des Gasdurchflusssen sors nicht mit
dem eigentlich zu bestimmenden Gasvolumenstrom im Bereich der Zapfventile übereinstimmt.
Der Einfluss dieser vielfältigen Effekte auf den Gasvolumenstrom
lässt sich nicht besonders genau erfassen, so dass eine
Messung des Gasvolumenstroms im Inneren der Zapfsäule zu
erheblichen Unsicherheiten fuhrt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, den Gasvolumenstrom bei der Gasrückführung
an einer Tankstelle mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, so dass
sich eine zuverlässige Überwachung des Gasrückführsystems
an einer Tankstelle erreichen lässt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen des
Gasvolumenstroms bei der Gasrückführung an einer
Tankstelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs
11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben aus den Unteransprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Messwerte
erfasst, die den Massestrom des bei Betankungsvorgängen
von dem jeweiligen Tank des zu betankenden Kraftfahrzeugs in einen
Vorratstank der Tankstelle rückgeführten Gases
repräsentieren. Dazu dient ein thermischer Durchflusssensor,
der in dem Gasrückführsystem einer Zapfsäule
installiert ist. Ferner wird Information über die Zusammensetzung
des rückgeführten Gases erfasst. Mittels der durch
den thermischen Durchflusssensor erhaltenen Messwerte und der Information über
die Zusammensetzung des rückgeführten Gases wird
unter Verwendung von Kalibrierungsdaten der Massestrom bestimmt.
Der Massestrom wird in einen für den Bereich der Zapfventile
der Zapfsäule charakteristischen Gasvolumenstrom umgewandelt.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine direkte Messung des
Massestroms des rückgeführten Gases erheblich
zu verlässiger ist als die Messung des Gasvolumenstroms
an einer Stelle weit weg vom Zapfventil und auf der Erkenntnis,
wie man den Massestrom genau bestimmen kann. Aus Gründen
der Kontinuität bleibt bei der Gasrückführung
der Massestrom des rückgeführten Gases, also die
pro Zeiteinheit durch die Gasrückführungsleitung abgepumpte
Masse an Gas, konstant und erfährt nicht solche Änderungen
wie der Gasvolumenstrom.
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Der
Massestrom wird im Prinzip mit Hilfe eines thermischen Durchflusssensors
erfasst. Ein thermischer Durchflusssensor ist z. B. aus der
DE 199 13 968 A1 bekannt.
Das Messprinzip beruht darauf, dass eine Fluidströmung
ein Heizelement kühlt. Je größer der
Durchfluss, um so mehr Wärme wird von dem Heizelement abgeführt,
d. h. um so mehr sinkt die Temperatur des Heizelements (falls die
Heizleistung konstant ist) oder um so größer wird
die erforderliche Heizleistung (falls das Heizelement auf einer konstanten
Temperatur gehalten werden soll). Die Wärme wird über
die Menge, also die Masse, des vorbeiströmenden Gases oder
Fluids von dem Heizelement weg transportiert. Deshalb reagiert ein
thermischer Durchflusssensor grundsätzlich auf den Massestrom.
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Allerdings
hängt die Wärmeabführung von dem Heizelement
nicht nur von dem Massestrom, sondern auch von der Zusammensetzung
des strömenden Gases ab. Aus diesem Grund wird bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Zusammensetzung des rückgeführten
Gases erfasst, um mittels der mit dem thermischen Durchflusssensor
erhaltenen Messwerte und der Information über die Zusammensetzung
des rückgeführten Gases den Massestrom zu bestimmen.
Die direkt mit dem thermischen Durchflusssensor erhaltenen Messwerte
sind z. B. die gemessene Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement
und der Umgebungstemperatur oder die gemessene Heizleistung, um
eine vorgegebene konstante Temperaturdifferenz zu erhalten, siehe
z. B.
DE 199 13 968
A1 . Die Information über die Zusammensetzung des
rückgeführten Gases liegt z. B. in Form einer
Wärmeleitfähigkeit (z. B. wiederum ausgedrückt
durch eine Temperatur oder eine Heizleistung) oder einer Temperatur
vor. Um diese Messwerte in Beziehung zu setzen, werden Kalibrierungsdaten
verwendet, die z. B. in Form einer Tabelle in einer Steuerelektronik
abgelegt sind. Es ist nicht erforderlich, die jeweiligen Messwerte
oder Daten in üblichen Einheiten auszudrücken,
denn vordefinierte maschinenlesbare Formate erfüllen denselben Zweck
und lassen sich in der Praxis leichter handhaben.
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Wie
bereits erwähnt, kann zum Erfassen von Information über
die Zusammensetzung des rückgeführten Gases die
Wärmeleitfähigkeit des rückgeführten
Gases gemessen werden. Dazu kann eine Wärmeleitfähigkeits-Messzelle
dienen, wie in der
DE 199
13 968 A1 beschrieben. Eine derartige Wärmeleitfähigkeits-Messzelle
funktioniert im Prinzip wie ein thermischer Durchflusssensor, aber
die Wärme wird von dem in der Messzelle enthaltenen Heizelement nicht
durch ein vorbeiströmendes Medium abgeführt, sondern
durch die Wärmeleitung des in der Messzelle enthaltenen
Gases, das im Wesentlichen ruht. Das bei der Gasrückführung
an Zapfsäulen geförderte Gas ist ein Gemisch aus
Kohlenwasserstoffen und Luft, wobei die Kohlenwasserstoffkomponente
im Wesentlichen durch die im Vergaserkraftstoff enthaltenen leichtflüchtigen
Butane und Pentane bestimmt wird. Da Butangas und Pentangas keine
großen Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit
zeigen, lässt sich mit Hilfe einer Wärmeleitfähigkeits-Messzelle der
Luftanteil in dem rückgeführten Gas recht genau erfassen,
was für die erläuterte Bestimmung des Massestromes
völlig ausreicht.
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Eine
andere oder zusätzliche Möglichkeit zum Erfassen
von Information über die Zusammensetzung des rückgeführten
Gases besteht darin, eine für die Temperatur des Tanks
eines zu betankenden Kraftfahrzeugs charakteristische Temperatur,
vorzugsweise die äußere Umgebungstemperatur, zu messen
und den Koh lenwasserstoffanteil des rückgeführten
Gases über den Dampfdruck des beim Betanken verwendeten
Kraftstoffs zu bestimmen. Dabei kann der Kohlenwasserstoffanteil
des rückgeführten Gases als der für die
charakteristische Temperatur von der Dampfdruckkurve abgelesene
Kohlenwasserstoff-Partialdruck, normiert auf den Umgebungsdruck,
bestimmt werden, wobei als Umgebungsdruck vorzugsweise der durch
Messung ermittelte äußere Luftdruck verwendet
wird. Wie dies im Einzelnen durchgeführt werden kann, ist
z. B. in der
DE 100
31 813 A1 beschrieben. Das Prinzip beruht darauf, dass in
dem sich über dem flüssigen Kraftstoff im Tank
eines zu betankenden Kraftfahrzeugs befindenden Gasgemisch aus leichtflüchtigen
Kohlenwasserstoffen und Luft der Partialdruck der Kohlenwasserstoffe durch
ihren Dampfdruck gegeben ist, der bei bekannter Zusammensetzung
des Kraftstoffs und somit bei bekannter Dampfdruckkurve des Kraftstoffs
im Wesentlichen nur von der Temperatur abhängt. In der Praxis
reicht es aus, zwischen den Dampfdruckkurven für "Sommerkraftstoff"
(weniger leichtflüchtige Bestandteile) und "Winterkraftstoff"
(mehr leichtflüchtige Bestandteile) zu unterscheiden.
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Erfindungsgemäß wird
der in der erläuterten Weise erhaltene Massestrom in einen
für den Bereich der Zapfventile der Zapfsäule
charakteristischen Gasvolumenstrom umgewandelt. Beim Umwandeln des
Massestroms in einen für den Bereich der Zapfventile der
Zapfsäule charakteristischen Gasvolumenstrom kann eine
Umrechnung unter Verwendung von Messwerten für die Temperatur und/oder
den Druck erfolgen, die für den Bereich der Zapfventile
charakteristisch sind. Dabei lässt sich als Messwert für
die Temperatur die äußere Umgebungstemperatur
und/oder als Messwert für den Druck der äußere
Luftdruck verwenden. Bei der Umrechnung können die ideale
Gasgleichung oder eine reale Gasgleichung benutzt werden.
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Dies
soll am Beispiel der idealen Gasgleichung verdeutlicht werden:
Die
Zustandsgleichung für ein ideales Gas aus n Molen bei einem
Druck p in einem Volumen V und bei einer absoluten Temperatur T
lautet p V = n R T. R ist die Gaskonstante.
Durch zeitliche Ableitung erhält man daraus p
(dV/dt) = (dn/dt) R T,was den Gasvolumenstrom (dV/dt) beschreibt.
Wenn man für die Umgebung eines Zapfventils den Index Z und
für den Gasdurchflusssensor den Index S einführt,
gilt am Eingang des Zapfventils pZ (dV/dt)Z = (dn/dt)Z R TZ und im Durchflusssensor pS (dV/dt)S = (dn/dt)S R TS.
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Wegen
der Kontinuität im stationären Zustand ist (dn/dt)Z = (dn/dt)S, und
es ergibt sich für den Gasvolumenstrom am Zapfventil (dV/dt)Z = R (TZ/pZ) (dn/dt)S. (1) (dn/dt)S entspricht dem Massestrom im Durchflusssensor.
Genau genommen müsste man noch mit dem (mittleren) Molekulargewicht
multiplizieren, um aus (dn/dt)S den Massestrom
zu erhalten. Das (mittlere) Molekulargewicht ist aber im Prinzip
aus der Information über die Zusammensetzung des rückgeführten
Gases bekannt oder abschätzbar, so dass die Berücksichtigung
des Molekulargewichts bereits automatisch durch die Verwendung von
Kalibrierungsdaten erfolgt, zumal es auf die Verwendung üblicher Einheiten
hier nicht ankommt.
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Man
erkennt an (1), dass eine Umwandlung auf den Gasvolumenstrom am
Zapfventil mit Hilfe der Temperatur TZ am
Zapfventil und des Drucks pZ (der bei belüftetem
Kraftfahrzeugtank mit dem äußeren Luftdruck übereinstimmt)
leicht durchgeführt werden kann, insbesondere wenn für
eine bestimmte Temperatur TZ und einen bestimmten
Druck pZ eine Kalibrierung erfolgt ist.
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Dämpfe
von Kohlenwasserstoffen wie Butanen und Pentanen verhalten sich
bei Umgebungstemperatur eher wie reale Gase als wie ideale Gase, wenn
sie nicht stark mit Luft verdünnt sind. Man erreicht daher
eine höhere Genauigkeit, wenn man anstelle der idealen
Gasgleichung eine reale Gasgleichung benutzt. Der Zusammenhang zwischen
dV/dt und dn/dt ist aber auch in diesem Fall linear.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der erfindungsgemäß bestimmte
Gasvolumenstrom, der für den Bereich der Zapfventile einer
Zapfsäule charakteristisch ist, zur Überwachung
des Gasrückführsystems der Zapfsäule
verwendet wird. Das Grundprinzip einer solchen Überwachung
wurde eingangs erläutert. Ein weiteres Beispiel für
die Überwachung eines Gasrückführsystems
findet sich in
DE
103 37 800 A1 (entsprechend
US 2005/0045243 A1 ).
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Der
erfindungsgemäß bestimmte, für den Bereich
der Zapfventile charakteristische Gasvolumenstrom kann als Referenz
bei einer automatischen Kalibrierung des Gasrückführsystems
der Zapfsäule verwendet werden. Dabei werden die von einem
Kraftstoff-Durchflussmesser erhaltenen Messwerte für den
Kraftstoffvolumenstrom mit Steuerdaten für die Gasrückführung
in Beziehung gesetzt, um eine Übereinstimmung des Kraftstoffvolumenstroms mit
dem Gasvolumenstrom zu erreichen.
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Diese
Möglichkeit besteht wegen der hohen Genauigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Der oben beschriebene herkömmliche Abgleichvorgang,
der mit Hilfe eines zusätzlichen, extern zu verbindenden
Volumenstrommessers und einer zusätzlichen Elektronik (die
in der Regel als Handgerät ausgeführt ist) erfolgt,
lässt sich also durch ein Verfahren ersetzen, das von einer
automatischen Überwachungseinrichtung der Gasrückführung
selbst durchgeführt werden kann, wenn diese zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Der
Abgleichvorgang wird dabei von der Elektronik der Überwachungseinrichtung
gesteuert. Zum Kalibrieren (Abgleichen) wird die Gasrückführung
durch Ansteuern mit Steuersignalen stufenweise auf verschiedene
Gasdurchflüsse eingestellt. Der zugehörige Gasvolumenstrom
wird jeweils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit hoher Genauigkeit bestimmt und als Referenz benutzt. Damit kann
eine Wertetabelle aufgebaut werden, die die Zuordnung zwischen Ansteuerung
der Gasrückführung (also z. B. eines Proportionalventils
oder des Motors einer Gasförderpumpe, wie oben erläutert)
und dem damit bewirkten Gasvolumenstrom angibt. Diese Wertetabelle
kann auf die Steuerelektronik der Gasrückführung übertragen
werden, um damit einen normalen Tankbetrieb durchzuführen.
Dazu wird z. B. der einer gegebenen Frequenz von Kraftstoffzählimpulsen (ausgegeben
von einem Kraftstoff-Durchflussmesser) entsprechende Kraftstoffvolumenstrom
dem rückzuführenden Gasvolumenstrom gleichgesetzt, und aus
der Wertetabelle ergibt sich das entsprechende Ansteuersignal für
die Gasrückführung.
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Um
den beschriebenen Abgleichvorgang mit einer vorhandenen Überwachungseinrichtung
eines Gasrückführsystems durchführen
zu können, sind in der Regel außer der Fähigkeit,
das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des
Gasvolumenstroms durchführen zu können, lediglich
eine zusätzliche Datenverbindung zwischen der Auswerteelektronik
der Gasrückführungsüberwachung und der Steuerelektronik
der Gasrückführung sowie eine Ergänzung
der Betriebssoftware erforderlich.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Gasvolumenstroms
kann auch dann durchgeführt werden, wenn die Zapfsäule
mehrere Zapfpunkte hat, wobei jedem Zapfpunkt mindestens ein eigener
Kraftstoff-Durchflussmesser und den Zapfpunkten ein gemeinsamer
thermischer Durchflusssensor zugeordnet ist, der hinter einer Zusammenführung
der Gasströme der Zapfpunkte angeordnet ist. Als der für
den Bereich der Zapfventile der Zapfsäule charakteristischen
Gasvolumenstrom wird in diesem Fall die Summe der Gasvolumenströme der
einzelnen Zapfpunkte benutzt, wie aus den Messwerten des thermischen
Durchflusssensors und der Information über die Zusammensetzung
des rückgeführten Gases bestimmt. Dies ist ohne
weiteres möglich, da der auf den Massestrom reagierende
thermische Durchflusssensor unempfindlich gegenüber Druckschwankungen
im Gasrückführsystem ist, wie sie bei gleichzeitigen
Tankvorgängen an mehreren Zapfpunkten auftreten. Der Druck
in der Gasrückführungsleitung steigt auch stark
an, wenn eine Befüllung des Vorratstanks erfolgt oder wenn
im Fehlerfall ein am Lüftungsmast des Vorratstanks angeordnetes Gaspendelventil
nicht korrekt arbeitet. Ferner hat ein thermischer Durchflusssensor
eine große Dynamik, so dass höhere Gasvolumenströme
bei gleichzeitiger Betankung auf beiden Seiten einer Zapfsäule
problemlos bestimmt werden können. Die Zusammensetzung
des rückgeführten Gases än dert sich nur
unwesentlich von Kraftfahrzeug zu Kraftfahrzeug, weil sie im Wesentlichen
von der Außentemperatur und der Kraftstoffart (Vergaserkraftstoff
für Sommerbetrieb oder Winterbetrieb) abhängt,
wie oben erläutert. Deshalb braucht die Information über
die Zusammensetzung des rückgeführten Gases nicht
für jeden Zapfpunkt der Zapfsäule einzeln erfasst
zu werden. Auch wenn nur ein einziger thermischer Durchflusssensor
vorhanden ist, der bei gleichzeitigen Betankungsvorgängen
einen gesamten Gasvolumenstrom erfasst, können den einzelnen
Zapfpunkten der Zapfsäule individuelle Gasvolumenströme
zugeordnet werden, wie in
DE 10 2006 050 634 A1 beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren, mit dem sich der Gasvolumenstrom
bei der Gasrückführung an einer Tankstelle mit
hoher Genauigkeit bestimmen lässt, wird in einer vorteilhaften
Ausgestaltung mit Hilfe der Überwachungseinrichtung des
Gasrückführsystems einer Zapfsäule durchgeführt.
Wenn bereits ein thermischer Durchflusssensor vorhanden ist, ist ein
zusätzlicher apparativer Aufwand gering, wie bereits im
Zusammenhang mit der automatischen Kalibrierung des Gasrückführsystems
erläutert. In der Regel sind nur eine Erweiterung der Software
und Änderungen bei den Datenleitungen erforderlich. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist also nicht nur genau,
sondern auch kostengünstig.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
weiter erläutert. Die Zeichnung zeigt in
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1 eine
schematische Ansicht einer Zapfsäule, mit der das erfindungsgemäße
Verfahren durchgeführt werden kann.
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In 1 ist
in schematischer Weise ein Zapfsäule 1 auf einer
Tankstelle mit den wichtigsten darin angeordneten oder der Zapfsäule 1 zugeordneten Teilen
dargestellt, einschließlich der Komponenten eines Gasrückführsystems
und dessen Überwachung.
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Beim
Betrieb der Zapfsäule 1 gelangt Kraftstoff aus
einem unterirdischen Lagertank 2 über eine Kraftstoffleitung 4 und
gefördert von einer Kraftstoffpumpe 6 durch einen
zum Messen des Kraftstoffvolumenstroms dienenden Kraftstoff-Durchflussmesser 8 und
einen Zapfschlauch 10 zu einem Zapfventil 12, von
dem aus der Kraftstoff in den Tank eines Kraftfahrzeugs abgefüllt
wird, wie durch große Pfeile angedeutet. Gleichzeitig werden
die über dem flüssigen Kraftstoff im Tank des
Kraftfahrzeugs stehenden Kraftstoffdämpfe (Gas, das in
der Regel ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Luft ist) abgesaugt, was
durch die beiden kleinen Pfeile am Zapfventil 12 angezeigt
ist. Dieses Gas wird über eine innerhalb des Zapfschlauchs 10 geführte
getrennte Leitung von einer Gaspumpe 14 abgesaugt und gelangt
durch eine Gasleitung 15 zurück in den Lagertank 2.
Die Gaspumpe 14 wird von einem Antriebsmotor 16 angetrieben.
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Um
den Gasdurchfluss (Gasvolumenstrom) zu steuern, ist eine Ansteuerelektronik 18 vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel wirkt ein Ausgangssignal der Ansteuerelektronik 18 auf
den Antriebsmotor 16 der Gaspumpe 14, um dessen
Drehzahl zu steuern. Alternativ dazu (oder auch zusätzlich)
kann ein Proportionalventil 19 mit einem Stellmotor vorgesehen
sein, der von der Ansteuerelektronik 18 angesprochen wird,
um den Gasvolumenstrom zu steuern.
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Bei
dem erläuterten Gasrückführsystem wird der
Gasvolumenstrom dem Kraftstoffvolumenstrom angepasst. Dazu werden
die Signale (Zählimpulse) des Kraftstoff-Durchflussmessers 8 einer
Steuer- und Überwachungsvorrichtung zugeführt,
um die Ansteuerelektronik 18 so anzusteuern, dass die Volumenförderrate
(Volumenstrom) der Gaspumpe 14 möglichst mit der
der Kraftstoffpumpe 6 übereinstimmt. Im Ausführungsbeispiel
erfolgt dies über eine durch Kalibrierung ermittelte Wertetabelle,
wie oben erläutert.
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Damit
das Überwachungssystem auf Fehler in der Gasförderung
reagieren kann, wird die Volumenförderrate der Gaspumpe
14 überwacht.
Zum Bestimmen des Gasvolumenstroms dient ein thermischer Durchflusssensor
20.
Der thermische Durchflusssensor
20 kann im Prinzip so aufgebaut
sein, wie in der
DE
199 13 968 A1 (entsprechend dem
US-Patent 6,536,273 ) beschrieben.
Der thermische Durchflusssensor
20 liefert Messwerte, die
den Massestrom des rückgeführten Gases repräsentieren,
an eine Überwachungseinheit
22. Dass ein thermischer Durchflusssensor
auf den Massestrom reagiert, wurde bereits erläutert.
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Die Überwachungseinheit
22 empfängt
ferner Informationen über die Zusammensetzung des rückgeführten
Gases. Im Ausführungsbeispiel wird diese Information mit
Hilfe einer Wärmeleitfähigkeits-Messzelle erfasst,
die mit dem thermischen Durchflusssensor
20 eine Baueinheit
bildet und daher in
1 nicht gesondert eingezeichnet
ist. In der
DE 199
13 968 A1 ist eine solche Baueinheit im Detail beschrieben.
Alternativ dazu kann die Information über die Zusammensetzung
des rückgeführten Gases auch mittels der Dampfdruckkurve
des Kraftstoffs und einer Temperatur erhalten werden, wie bereits erläutert.
Die Information über die Zusammensetzung des rückgeführten
Gases wird zusammen mit den Messwerten des thermischen Durchflusssensors
20 verwendet,
um den Massestrom zu bestimmen. Dies geschieht mit Hilfe von Kalibrierungsdaten,
wie weiter unten beschrieben. Die dazu erforderlichen Schritte werden
im Ausführungsbeispiel in der Überwachungseinheit
22 durchgeführt.
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Die 1 zeigt
ferner einen Zapfsäulenrechner 24, wie er standardmäßig
in der Zapfsäule 1 eingebaut ist. Der Zapfsäulenrechner 24 empfängt
die von der Ansteuerelektronik 18 benötigten Kraftstoffzählimpulse
von dem Kraftstoff-Durchfluss messer 8 und gibt sie an die
Ansteuerelektronik 18 und die Überwachungseinheit 22 weiter,
wie durch die Pfeile in 1 angedeutet.
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Wie
weiter oben ausführlich beschrieben, muss für
eine möglichst genaue Überwachung des Gasrückführsystems
der Zapfsäule 1 der Gasvolumenstrom verwendet
werden, wie er am Zapfventil 12 in den Zapfschlauch 10 eingesaugt
wird. Dieser Gasvolumenstrom wird mit Hilfe des Massestroms durch
den thermischen Durchflusssensor 20 ermittelt, wozu die
Messwerte des thermischen Durchflusssensors 20 und Information über
die Zusammensetzung des rückgeführten Gases benutzt
werden. Dabei werden Kalibrierungsdaten verwendet.
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Die
Kalibrierungsdaten können z. B. in der folgenden Weise
gewonnen werden. In diesem Beispiel dient eine Wärmeleitfähigkeits-Messzelle
zum Erfassen von Information über die Zusammensetzung des
rückgeführten Gases.
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Zunächst
wird die Wärmeleitfähigkeits-Messzelle kalibriert.
Dazu wird ein Gasvolumenstrom mit einer bestimmten Kohlenwasserstoffkonzentration
(Kohlenwasserstoffanteil, also einem bestimmten vorgegebenen Verhältnis
von Kohlenwasserstoff und Luft) in die Wärmeleitfähigkeits-Messzelle
geleitet, und bei praktisch ruhendem Gas wird mittels der einem
Heizelement zugeführten Leistung oder einer gemessenen
Temperaturerhöhung des Heizelements die Wärmeableitung
von dem Heizelement durch das Gas erfasst. Da die Wärmeleitfähigkeit
von der Temperatur abhängt, wird vorzugsweise auch die
Temperatur des Gases gemessen, möglichst in oder an der
Wärmeleitfähigkeits-Messzelle. Dies wird für
den Anwendungstemperaturbereich bei mehreren Temperaturen und bei verschiedenen
Kohlenwasserstoffkonzentrationen eines für den Anwendungsfall
repräsentativen Gases durchgeführt.
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Man
erhält so als Messwerte eine Heizleistung oder eine Temperaturerhöhung
als Maß für die Wärmeleitfähigkeit
eines Gases mit vorgegebener Konzentration, wobei die Temperatur
als zusätzlicher Parameter dient. Für eine vorgegebene
Temperatur kann man also umgekehrt aus dem Messwert die Kohlenwasserstoffkonizentration
im Gas ablesen. Um eine schnelle Datenerfassung zu ermöglichen und
nicht zu viel Speicherplatz zu belegen, werden an die Messwerte
zweckmäßig mathematische Funktionen mit Parametern
angepasst (z. B. in Form einer Spline-Interpolation). Die so erhaltenen
Parameter werden in einem nichtflüchtigen Speicher der Überwachungseinheit 22 oder
auch in zugeordneter Elektronik zu dem thermischen Durchflusssensor 20 abgelegt.
Die Parameteranpassung ist gleichzeitig eine Mittelung, z. B. über
Exemplarstreuungen, und man erreicht eine wesentliche höhere
Genauigkeit. Im späteren Messbetrieb wird mit diesen Parametern und
den Momentanwerten der Wärmeleitung (ausgedrückt
durch die Heizleistung oder die Temperaturänderung in der
Wärmeleitfähigkeits-Messzelle) und der Temperatur
in oder an der Wärmeleitfähigkeits-Messzelle ein
Maß für die Gaskonzentration, d. h. die Konzentration
der Kohlenwasserstoffe, bestimmt.
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In
einem zweiten Schritt wird zum Kalibrieren des thermischen Durchflusssensors 20 ein
Gasstrom mit vorgegebener Kohlenwasserstoffkonzentration durch den
thermischen Durchflusssensor 20 geleitet, und zwar bei
verschiedenen Gasvolumenströmen, die unabhängig
mit einer Zusatzapparatur gemessen werden. Die direkten Messwerte
des thermischen Durchflusssensors 20 sind wiederum eine
Heizleistung oder eine Temperaturänderung. Man erhält
so für jeden Wert der Kohlenwasserstoffkonzentration eine
Messkurve, die z. B. die Abhängigkeit der Heizleistung
des Heizelements des thermischen Durchflusssensors 20 als
Funktion des unabhängig bestimmten Gasvolumenstroms darstellt.
Aus der Kurvenschar für eine Anzahl repräsentativer
Kohlenwasserstoffkonzentrationen lässt sich über
die mit Hilfe der Wärmeleitfä higkeits-Messzelle
ermittelte Information über die Zusammensetzung des Gases
(also die Kohlenwasserstoffkonzentration) die geeignete Messkurve
auswählen.
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Um
den mittels der auf diese Weise gewonnenen Kalibrierungsdaten ermittelten
Massestrom in den Gasvolumenstrom am Zapfventil 12 umzuwandeln,
ist noch eine Umrechnung auf den Druck und gegebenenfalls die Temperatur
in der Nähe des Zapfventils 12 erforderlich, wie
weiter oben am Beispiel der idealen Gasgleichung beschrieben. Der
Druck kann hierfür außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs
mit einem preisgünstigen Drucksensor, z. B. in der Überwachungseinheit 22,
bestimmt werden, die sich im Ausführungsbeispiel außerhalb
des explosionsgeschützten Bereichs befindet.
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Wie
eine automatische Kalibrierung des Gasrückführsystems
der Zapfsäule 1 durchgeführt werden kann,
wurde weiter oben bereits beschrieben. Eine hierfür benötigte
Datenverbindung zwischen der Überwachungseinheit 22 und
der Ansteuerelektronik 18 ist in 1 nicht
eingezeichnet.
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Die 1 zeigt
ferner einen Lüftungsmast 26 zum Be- und Entlüften
des Lagertanks 2, der an seinem oberen Ende mit einem Gaspendelventil 28 versehen
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6170539
B1 [0008]
- - DE 19913968 A1 [0015, 0016, 0017, 0019, 0037, 0038]
- - DE 10031813 A1 [0018, 0019]
- - US 6536273 [0019, 0037]
- - US 6629455 [0019]
- - DE 10337800 A1 [0025]
- - US 2005/0045243 A1 [0025]
- - DE 102006050634 A1 [0029]