DE10337800A1 - Verfahren zum korrektiven Steuern eines Gasrückführungssystems an einer Tankstelle - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum korrektiven Steuern eines Gasrückführungssystems an einer Tankstelle wird bei einem Betankungsvorgang mittels des Kraftstoff-Volumenstromsignals (13) und des Gas-Volumenstromsignals (14) sowie optional weiterer Signale in einer Steuereinrichtung (15) ein für den nächsten Betankungsvorgang zu verwendendes korrektives Steuersignal (19) erzeugt, mit dem das Gasrückführungssystem zum Steuern des Gas-Volumenstroms angesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum korrektiven Steuern eines Gasrückführungssystems an einer Tankstelle.
  • Beim Betanken eines Kraftfahrzeugs auf einer Tankstelle wird mit Hilfe eines Zapfventils von der Zapfsäule aus Kraftstoff in den Tank des Kraftfahrzeugs eingefüllt. Gleichzeitig wird das Gasgemisch, das sich über dem Flüssigkeitsspiegel des Kraftstoffs im Tank des Kraftfahrzeuges befindet, über eine separate Leitung abgesaugt und in den Kraftstofflagertank zurückgeführt. Das hierfür verwendete Gasrückführungssystem muss so gesteuert werden, dass das pro Zeiteinheit abgesaugte Volumen des Gasgemischs gleich dem pro Zeiteinheit in den Tank des Kraftfahrzeugs eingefüllten Volumen des Kraftstoffs ist.
  • Nach dem Stand der Technik wird dazu eine Kalibrationsprozedur durchgeführt, bei der Luft als Vergleichsgas durch das Gasrückführungssystem gepumpt wird. Es wird ein Gasdurchflusszähler an die Gaseintrittsöffnung des Zapfventils angeschlossen und ein Steuerparameter so bestimmt, dass das zurückgeführte Gasvolumen dem angenommenen Kraftstoffvolumen entspricht. Dieser Steuerparameter wird für verschiedene angenommene Kraftstoffdurchflüsse ermittelt, und die sich ergebenden Kalibrationsdaten werden in der Betriebselektronik des Gasrückführungssystems abgespeichert. Im Tankbetrieb wird mit Hilfe der Kalibrationsdaten die Förderleistung des Gasrückführungssystems eingestellt.
  • Änderungen im Gasrückführungssystem, z.B. durch Alterung, können erhebliche Abweichungen des Gas-Volumenstroms vom Kraftstoff-Volumenstrom herbeiführen, was zu einer erhöhten Umweltbelastung führt. Diese Abweichungen wurden in der Vergangenheit in der Regel erst bei den jährlichen Routinekontrollen entdeckt. Daher sind in verschiedenen Ländern automatische Überwachungseinrichtungen bereits vorgeschrieben oder werden es in Kürze sein. Derartige automatische Überwachungseinrichtungen messen bei jedem Tankvorgang den Gas-Volumenstrom und vergleichen diesen mit dem Kraftstoff-Volumenstrom. Bei einer Abweichung über die jeweils vorgeschiebenen Grenzen hinaus wird ein Alarmsignal erzeugt. Derartige Überwachungseinrichtungen sind z.B. beschrieben in DE 100 31 813 A1 , DE 100 35 645 A1 , EP 1 077 197 A1 sowie WO 98/31628. In der beschriebenen Konfiguration arbeiten das Gasrückführungssystem und die automatische Überwachungseinrichtung unabhängig voneinander.
  • Da Degradation vorkommt, bei der sich die Gasrückführungsrate nur moderat und langsam ändert, aber trotzdem die vorher definierten Grenzen überschritten werden, wird in weiterentwickelten Systemen der Messwert der Gasrückführungsrate zur Korrekur des Gasrückführungssystems ausgenutzt. Derartige Vorrichtungen sind in WO 96/06038, DE 295 21 160 A1 und DE 199 18 926 A1 beschrieben.
  • In WO 96/06038 und DE 295 21 160 A1 wird eine Regelung dargestellt, die jedoch den Nachteil hat, dass der Gas-Volumenstrommesser und das Regelsystem kurze Zeitkonstanten haben müssen, um eine zeitnahe Regelung zu gewährleisten.
  • Dieser Nachteil wird aufgehoben durch die Vorrichtung gemäß DE 199 18 926 A1 . Hierbei wird nach jedem Tankvorgang aus den Gasvolumenstrom-Messwerten ein neuer Satz an Kalibrationsdaten berechnet, der dann auf das Gasrückführungssystem übertragen und dort gespeichert wird. Bei dem jeweils nachfolgenden Tankvorgang steht dann ein neuer Kalibrationsdatensatz zur Verfügung, der eine eventuell eingetretene Abweichung der Gasrückführungsrate von der Sollrate von 100% ausgleicht. Der Vergleich mit dem Kraftstoff-Volumenstrom wird durch dieses Gasrückführungssystem jedoch nach wie vor unabhängig durchgeführt; der Gas-Volumen strommesser dient praktisch nur zur Auswahl der geeigneten Kalibrationsdaten. Der Nachteil dieser in der DE 199 18 926 A1 beschriebenen Lösung besteht darin, dass nur ein kleiner Teil der installierten Gasrückführungssysteme dafür eingerichtet ist, ein ständiges Nachladen der geänderten Kalibrationsdaten zuzulassen. Es gibt verschiedene herstellerspezifische Kalibrationsdatenformate, die nicht offengelegt sind.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren zum Steuern/Regeln eines Gasrückführungssystems an einer Tankstelle zu schaffen, das sich durch kostengünstige Nachrüstung bestehender Anlagen durchführen lässt, ohne dass herstellerspezifische Änderungen an den existierenden Gasrückführungssystemen erforderlich werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum korrektiven Steuern eines Gasrückführungssystems an einer Tankstelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem Betankungsvorgang mittels des Kraftstoff-Volumenstromsignals und des über den vorhandenen Gas-Volumenstrommesser erzeugten Gas-Volumenstromsignals sowie gegebenenfalls weiterer Signale in einer Steuereinrichtung ein für den nächsten Betankungsvorgang zu verwendendes korrektives Steuersignal erzeugt, mit dem das Gasrückführungssystem zum Steuern des Gas-Volumenstroms angesteuert wird. Anders als im Stand der Technik ( DE 199 18 926 A1 ) wird der Gas-Volumenstrommesser also nicht verwendet, um einen geeigneten Satz von Kalibrationsdaten (Zusammenhang zwischen Gas-Volumenstrom als Funktion des direkt gemessenen Kraftstoff-Volumenstroms) auszuwählen, über den dann die Gaspumpe angesteuert wird, sondern das Gas-Volumenstromsignal wird unmittelbar verwendet, quasi wie in einer Regelung. Regelschwankungen, wie sie beim Stand der Technik gemäß WO 96/06038 und DE 295 21 160 A1 auftreten können, werden jedoch vermieden, da das erzeugte kor rektive Steuersignal erst beim nächsten Betankungsvorgang angewendet wird. Das Verfahren ist also eine Steuerung, aber eine korrektive Steuerung.
  • Wenn das für den nächsten Betankungsvorgang zu verwendende korrektive Steuersignal durch Mittelwertbildung von Abweichungssignalen bei mehreren Tankvorgängen berechnet wird, ergeben sich besonders stabile Verhältnisse, und kurzfristige Schwankungen können nicht zu Problemen führen.
  • Das erfindungsgemäße verfahren eignet sich gut zum preisgünstigen Nachrüsten vorhandener Gasrückführungssysteme. Je nach den vorhandenen Gegebenheiten können in einem Nachrüstsatz z.B. die Steuereinrichtung oder Austauschteile für eine vorhandene Steuereinrichtung (Steckkarten, Programmmodule) oder auch ein Gas-Volumenstrommesser enthalten sein.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die Zeichnung zeigt in
  • 1 eine schematische Ansicht eines Gasrückführungssystems an einer Tankstelle mit den zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Komponenten.
  • In einem Betankungssystem wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, Kraftstoff aus einem Kraftstofflagertank 1 durch eine Leitung 2 mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe 3 durch einen Kraftstoff-Volumenstrommesser 4, einen Zapfschlauch 5 und ein Zapfventil 6 gefördert, bis er durch eine Öffnung 7 austritt und in den Vorratstank des zu betankenden Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt). läuft. Das über dem Kraftstoff in dem zu befüllenden Tank stehende Gasgemisch wird durch den Kraftstoff aus dem Vorratstank verdrängt und über eine Ansaugöffnung 8 des Zapfventils 6 angesaugt. Die Stärke des Gas-Volumenstromes wird bestimmt durch die Förderleistung der verwendeten Gaspumpe 10. Diese Förderleistung wird z.B. eingestellt über die Drehzahl des elek trischen Antriebsmotors 12 der Gaspumpe 10. Das Gasgemisch fließt durch eine Leitung innerhalb des Zapfschlauches 5 über eine Rückführungsleitung 11 in den Kraftstofflagertank 1 zurück. Üblich ist es auch, die Förderleistung durch ein Drosselventil einzustellen, dass in der Gasrückführungsleitung vor der Gaspumpe 10 eingebaut ist (nicht dargestellt). In diesem Fall arbeitet der Antriebsmotor 12 der Gaspumpe 10 mit konstanter Drehzahl. Die Ansteuerung des Antriebsmotors 12 erfolgt durch eine Betriebselektronik 20.
  • Nach dem Stand der Technik wird ein Kraftstoff-Volumenstromsignal 13 auf diese Betriebselektronik 20 gegeben. Dies ist in der 1 durch die gestrichelt eingezeichnete Verbindung 17 gezeigt. Die Betriebselektronik 20 steuert den Antriebsmotor 12 der Gaspumpe 10 über eine Steuerleitung 22 so, dass im Idealfall die Drehzahl des Antriebsmotors 12 mit der Gaspumpe 10 einen Gas-Volumenstrom erzeugt, der gleich dem Kraftstoff-Volumenstrom ist.
  • Im Stand der Technik wird dies durch eine Kalibrationsprozedur erreicht, bei der an die Ansaugöffnung 8 ein Gas-Durchflusszähler mit Hilfe eines Adapters angeschlossen wird (nicht dargestellt). Dieser Gas-Durchflusszähler ist an ein Steuergerät angeschlossen, das über eine elektrische Verbindung mit einem Kalibrationsanschluss 21 der Betriebselektronik 20 verbunden wird. Das Steuergerät stellt verschiedene Gas-Volumenströme des Gasrückführungssystems ein, die mit dem angeschlossenen Gasdurchflusszähler gemessen werden. Mit diesen Messwerten erzeugt das Steuergerät die Kalibrationsdaten, die einen Zusammenhang zwischen dem Steuersignal 22 und dem von dem Gas-Durchflusszähler bestimmten Gasdurchfluss (Gas-Volumenstrom) herstellen. Am Ende des Kalibrationsvorganges werden diese Kalibrationsdaten über den Anschluss 21 an die Betriebselektronik 20 übertragen und dort nichtflüchtig gespeichert. Das Steuergerät und der Gas-Durchflusszähler werden nach diesem Vorgang aus dem Aufbau entfernt.
  • Damit ist die Betriebselektronik 20 in der Lage, bei einem Tankvorgang den dazu notwendigen Gas-Volumenstrom einzustellen. Dies erfolgt nach dem Stand der Technik über die gestrichelt eingezeichnete Verbindung 17. Die weiter unten erläuterte Verbindung 19 ist nach dem Stand der Technik nicht vorhanden. Der Aufbau gemäß dem Stand der Technik ist nicht so zuverlässig, wie es erforderlich ist, da bei Veränderungen, z.B. durch Alterung, nicht mehr der erforderliche Gas-Volumenstrom erzeugt wird.
  • In dem erfindungsgemäßen Aufbau befindet sich eine automatische Überwachungseinrichtung mit einem Steuergerät 15 und einem Gas-Volumenstrommesser 9 in der Gasrückführungsleitung 11. Das Gas-Volumenstromsignal 14 wird zusammen mit dem Kraftstoff-Volumenstromsignal 13 auf das Steuergerät 15 geführt. Dieses erzeugt ein korrektives Steuersignal 19, dass die Betriebselektronik 20 für die Gasrückführung ansteuert. Die gestrichelt gezeichnete Verbindung 17 ist in diesem Fall nicht vorhanden. Das korrektive Steuersignal 19 kann eine Pulsfolge sein oder eine Folge von Datenworten und ist angepasst an die Art des Einganges der Betriebselektronik 20; vorzugsweise hat es eine Form wie das Kraftstoff-Volumenstromsignal 13.
  • In dem Fall einer Differenz zwischen dem Kraftstoff-Volumenstromsignal 13 und Gas-Volumenstromsignal 14 nach einem Tankvorgang wird. für die folgenden Tankvorgänge das korrektive Steuersignal 19 so erzeugt, dass die Betriebselektronik 20 einen veränderten Gas-Volumenstrom 14 erzeugt, der dann wieder genauer dem Kraftstoff-Volumenstrom 13 entspricht. Das korrektive Steuersignal 19 entspricht also einem Pseudovolumenstrom.
  • Es treten in der Folge von Tankvorgängen unterschiedliche Kraftstoff-Volumenströme auf, da das Zapfventil 6 unterschiedliche Rasten aufweist. Die Korrektur kann bei den unterschiedlichen Kraftstoff-Volumenströmen unterschiedlich ausfallen. Daher kann als eine weitere Verbesserung eine vom Kraftstoff-Volumenstrom abhängige Korrekturcharakteristik bestimmt werden.
  • Der Gas-Volumenstrom wird von Tankvorgang zu Tankvorgang dem Kraftstoff-Volumenstrom nachgeführt, was über einen längeren Zeitraum eine aufwändige Wartung vermeidet. Es kann der Fall eintreten, dass z.B. bei einem Totalausfall der Gaspumpe 10 keine Übereinstimmung mehr zu erreichen ist. Für diesen Fall kann das Steuergerät 15 an einen Alarmausgang 16 ein Alarmsignal und nach Ablauf einer konfigurierbaren Toleranzfrist zur Behebung des Fehler ein Signal ausgeben, dass zur automatischen Abschaltung des betroffenen Zapfpunktes genutzt werden kann.
  • Zur Reduktion von den Differenzen, die bei einem statistischen Fehler bei der Messung eines einzelnen Tankvorganges auftreten können, wird das Steuergerät 15 vorzugsweise so gestaltet, dass nicht nur die Differenz zwischen dem Kraftstoff-Volumenstrom 13 und dem Gas-Volumenstrom 14 des unmittelbar vorangegangenen Tankvorganges zur Berechnung der Korrektur herangezogen wird, sondern dass eine geeignete Mittelwertbildung von mehreren Tankvorgängen zu Grunde gelegt wird. Insbesondere kann dies eine gleitende Mittelwertbildung nach dem folgenden Ansatz sein: AN+1 = ((M – 1)/M)AN–1 + (1/M)AN
  • Hierbei ist M die Anzahl der Werte, über die gleitend gemittelt wird (z.B. M = 10), AN+1 ist das Abweichungssignal für den zeitlich folgenden Tankvorgang, AN das für den gegebenen Betankungsvorgang ermittelte Abweichungssignal und AN–1 das beim letzten Betankungsvorgang verwendete Abweichungssignal.
  • Diese Mittelwertbildung kann noch verbessert werden zu einer dynamisch gleitenden Mittelwertbildung, indem aus der Folge der Einzelabweichungssignale AN eine gleitende Varianz gebildet wird, die in geeigneter Weise den Mittelungsparameter M festlegt. Insbesondere wird bei einer größeren Varianz der Mittelungsparameter M größer gewählt werden müssen.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Differenzen zwischen dem Kraftstoff-Volumenstromsignal 13 und dem Gas-Volumenstromsignal 14 möglichst zu minimieren, ist die Verwendung von unscharfen Logiken (Fuzzy Logic). Hierbei werden die Verstellungskriterien für das Abweichungssignal von den das System näherungsweise repräsentierenden linguistischen Variablen gegeben. Insbesondere können noch weitere Kriterien angegeben und ausgewertet werden, z.B. wie weit schon nachgestellt werden musste. Dieser Parameter kann genutzt werden, um schon im Vorfeld eines möglichen Ausfalls einen Wartungshinweis zu geben.
  • Ein weiterer Vorteil, den das Verfahren zur korrektiven Steuerung bietet, besteht darin, die oben beschriebene Möglichkeit der durchflussabhängigen Korrektur zu nutzen, um die Kalibration durch einen externen Gas-Durchflusszähler und ein externes Steuergerät überflüssig zu machen. In diesem Fall wird nur im Herstellerwerk eine Grundkalibration durchgeführt. Nach der Installation in der Zapfsäule führt die Elektronik nach einem entsprechenden Befehl eine vollständige Kalibration durch, indem verschiedene Gas-Volumenströme eingestellt werden und die Werte des gemessenen Gas-Volumenstromes (Gas-Volumenstromsignal 14) gespeichert werden. Das Steuergerät 15 kann dann bei einem nachfolgenden Tankvorgang den Gas-Volumenstrom 14 entsprechend dem Kraftstoff-Volumenstrom 13 einstellen. Damit kann also die sonst übliche Kalibrationsprozedur entfallen. Die im weiteren Tankbetrieb evtl. auftretenden Degradationen des Gasrückführungssystems werden so korrigiert, wie oben bereits beschrieben.

Claims (11)

  1. Verfahren zum korrektiven Steuern eines Gasrückführungssystems an einer Tankstelle, an der bei einem Betankungsvorgang eines Kraftfahrzeugs flüssiger Kraftstoff mittels einer Kraftstoffpumpe (3) aus einem Vorratstank (1) in den zu befüllenden Tank des Kraftfahrzeugs gefördert und das über dem Kraftstoff in dem zu befüllenden Tank stehende Gasgemisch mittels einer Gaspumpe (10) in den Vorratstank (1) rückgeführt wird, mit den Schritten – Messen des Kraftstoff-Volumenstroms mit einem Kraftstoff-Volumenstrommesser (4) und Erzeugen eines für den Kraftstoff-Volumenstrom charakteristischen Kraftstoff-Volumenstromsignals (13), das an eine Steuereinrichtung (15) angelegt wird, – Messen des Gas-Volumenstroms mit einem Gas-Volumenstrommesser (9) und Erzeugen eines für den Gas-Volumenstrom charakteristischen Gas-Volumenstromsignals (14), das an die Steuereinrichtung (15) angelegt wird, – Erzeugen eines für den nächsten Betankungsvorgang zu verwendenden korrektiven Steuersignals (19) mittels des Kraftstoff-Volumenstromsignals (13) und des Gas-Volumenstromsignals (14) sowie optional weiterer Signale in der Steuereinrichtung (15), – Ansteuern des Gasrückführungssystems zum Steuern des Gas-Volumenstroms mittels des bei dem vorherigen Betankungsvorgang erzeugten korrektiven Steuersignals (19).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das korrektive Steuersignal (19) in Abhängigkeit vom Absolutwert des Kraftstoff-Volumenstroms erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das für den nächsten Betankungsvorgang zu verwendende korrektive Steuersignal (19) in der Steuereinrichtung (15) berechnet wird, wobei als weitere Signale das korrektive Steuersignal (19) mindestens eines vorhergehenden Betankungsvorgangs berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das für den nächsten Betankungsvorgang zu verwendende korrektive Steuersignal (19) durch Mittelwertbildung von Abweichungssignalen bei mehreren Tankvorgängen berechnet wird, wobei ein für einen einzelnen Tankvorgang charakteristisches Abweichungssignal vorzugsweise aus der Differenz des jeweiligen Kraftstoff-Volumenstromsignals (13) und Gas-Volumenstromsignals (14) gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein für einen einzelnen Tankvorgang charakteristisches Abweichungssignal als zeitlicher Mittelwert über diesen Tankvorgang gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung eine gleitende Mittelwertbildung nach dem Ansatz AN+1 = ((M – 1)/M)AN–1 + (1/M)AN ist, wobei AN+1 das für den nächsten Betankungsvorgang zu verwendende Abweichungssignal, AN das für den gegebenen Betankungsvorgang ermittelte Abweichungssignal, AN–1 das beim letzten Betankungsvorgang verwendete Abweichungssignal und M die Anzahl der für die gleitende Mittelwertbildung benutzten Werte ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Folge einzelner Abweichungssignale AN eine gleitende Varianz gebildet wird, mit deren Hilfe ein Wert für M berechnet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch linguistische Variable ein Zusammenhang zwischen dem Kraftstoff-Volumenstromsignal (13), dem Gas-Volumenstromsignal (14) sowie optional weiteren Größen und dem korrektiven Steuersignal (19) hergestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Volumenstrom über die Drehzahl der Gaspumpe (10, 12) und/oder ein Drosselventil in einer Gasrückführungsleitung gesteuert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn das korrektive Steuersignal (19) außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
  11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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