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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betankung eines
Fahrzeugtankes, der eine Betriebsentlüftung mit einem Filter aufweist,
wobei eine Zapfpistole in den Tankeinfüllstutzen des Fahrzeugtankes
eingeführt
und hierüber
die gewünschte Kraftstoffmenge
abgegeben wird. Die Erfindung umfaßt ferner eine Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens sowie die Verwendung dieser Vorrichtung.
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Es
ist seit langem bekannt, daß durch
die Verdunstung von Kraftstoff aus den Tanks von Fahrzeugen erhebliche
umweltbelastende Emissionen an Kohlenwasserstoffen entstehen. Moderne
Kraftfahrzeugtanks für
flüssige
Betriebsstoffe haben daher zur Vermeidung solcher Emissionen dichte
Tankverschlüsse
und eigens vorgesehene Betriebsentlüftungen. Üblicherweise sind die Betriebsentlüftungen über einen
Aktivkohlefilter geführt,
dessen Aufgabe es ist, insbesondere beim Stillstand des Kraftfahrzeuges
auftretende Verdampfungen innerhalb des Fahrzeugtanks zu adsorbieren,
so daß keine
Benzindämpfe
ungefiltert aus dem Kraftfahrzeugtank in die Umgebung entweichen
können.
Beim Betanken des Fahrzeuges wird die Betriebsentlüftung in
der Regel abgesperrt, d.h. im wesentlichen verschlossen, um einerseits
den Aktivkohlefilter nicht zu stark mit Dämpfen zu belasten, und um andererseits
einen niedrigeren Füllgrad
des Tanks zu sichern. Trotz dieser Maßnahme entweichen die Dämpfe beim
Tanken üblicherweise
nicht vollständig
in die Umwelt, da moderne Zapfpistolen mit einer Dampfabsaugung
versehen sind. Diese Maßnahmen
können
allerdings nicht eine Reduzierung der Emissionen während des Tankens
auf Null sicherstellen, was insbesondere beim Tanken in geschlossenen
Räumen
zu Problemen führen
kann, da sich hier die Emissionen anreichern können.
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Eine
Betankung von Kraftfahrzeugen in geschlossenen Räumen mit insgesamt hohen Durchsätzen an
Kraftstoff findet bei der sogenannten Erstbetankung von Fahrzeugen
in der Montage statt. Dabei ergeben sich durch die oben beschriebenen
Restemissionen von Kohlenwasserstoffen im direkten Arbeitsbereich
der Werker erhebliche Probleme.
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Die
Emissionen sind bedingt durch das Zurückströmen von teilweise gesättigten
Benzin-/Luftdämpfen aus
dem fahrzeugseitigen Kraftstoffsystem (Kraftstofftank, Einfüllstutzen)
in die Atmosphäre.
Dabei ist das entstehende Volumen der belasteten Dämpfe proportional
zur Kraftstoffmenge, die in die Fahrzeuge getankt wird. Nach dem
Stand der Technik wird in den Montagehallen von Automobilwerken der
notwendige Emissionsschutz dadurch erreicht, dass die Benzindämpfe mittels
Ventilatoren oder Radialverdichtern an den Zapfpistolen abgesaugt
und – teilweise
durch Aktivkohlefilter – über Dach
geleitet werden. Nachteilig sind dabei allerdings die erheblichen
Investitions- und Betriebskosten für derartige Absauganlagen,
die aufwendige ordnungsgemäße Entsorgung
der Aktivkohlefilter sowie eine mögliche Überschreitung von MAK-Werten
bei Betriebsstörungen.
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Aus
der
DE 43 35 276 C1 ist
bereits ein Verfahren zur Betankung eines Verfahrzeugtankes mit einer
Betriebsentlüftung
mit einem Filter zu entnehmen, wobei eine Zapfpistole in den Tankeinfüllstutzen
des Fahrzeugstanks eingeführt
und hierüber
die gewünschte
Kraftstoffmenge abgegeben wird. Die Zapfpistole ist gas- und flüssigkeitsdicht
mit den Tankeinfüllstutzen
gekoppelt. Ferner ist bereits ein Verfahren zur Erkennung von Betankungsvorgängen an Behältnissen
bekannt, bei dem aufgrund eines für den Betankungsvorgang charakteristischen
Druckverlauf auf den Betankungsvorgang geschlossen werden kann,
wobei ein Sensor für
den Tankinnendruck vorgesehen ist.
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Aufgabe
der Erfindung war es daher, diese Nachteile zu vermeiden und ein
Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit welchen ein emissionsarmes
und vorzugsweise emissionsfreies Betanken von Fahrzeugen insbesondere
in geschlossenen Räumen
möglich
ist, wobei die erforderlichen Investitions- und Betriebskosten gering
sind. Insbesondere sollte das Verfahren und die Vorrichtung auch
für die industrielle
Erstbetankung von Fahrzeugen geeignet sein, d.h. weitgehend automatisierbar
sein und kurze Tankzeiten erlauben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugtankes,
der eine Betriebsentlüftung
mit Filter aufweist, gelöst,
bei welchem in bekannter Weise eine Zapfpistole in den Tankeinfüllstutzen
des Fahrzeugtankes eingeführt,
danach die gewünschte
Treibstoffmenge in den Tank eingeleitet wird und die Zapfpistole
gas- und flüssigkeitsdicht
mit dem Tankeinfüllstutzen
gekoppelt. Dabei wird erfindungsgemäß die Tankrate (d.h. die Volumen-
oder Massenflussrate des Kraftstoffes) derart gesteuert oder geregelt,
dass ein maximal zulässiger
Tankinnendruck nicht überschritten
wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist die (ganz oder nahezu) emissionsfreie Betankung von solchen
Kraftfahrzeugen möglich,
deren Fahrzeugtank eine gefilterte Betriebsentlüftung aufweist. Eine solche
Betriebsentlüftung
ist bei nahezu allen modernen Kraftfahrzeugen vorhanden. Sie wird
allerdings in der Regel nur während
des Fahrzeugbetriebes verwendet und während des Tankens abgeschaltet.
Die vorliegende Erfindung macht sich diese Betriebsentlüftung jedoch
zunutze, um bei bestimmten Tankvorgängen in geschlossenen Räumen, insbesondere
der Erstbetankung des Fahrzeuges während der Montage, mit vergleichsweise
einfachen und kostengünstigen
Mitteln das Auftreten von Emissionen zu verhindern. Zu diesem Zweck
wird die Zapfpistole gas- und flüssigkeitsdicht
mit dem Tankeinfüllstutzen
gekoppelt. Dadurch wird jegliches Austreten von Dämpfen aus
dem Tankeinfüllstutzen heraus
an der Zapfpistole vorbei verhindert. Eine solche Kopplung der Zapfpistole
an den Tankeinfüllstutzen
ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
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So
beschreibt z.B. die DE-A1-41 02 961 eine Tankanordnung, bei welcher
die Zapfpistole von einer Dichtmanschette umgeben ist, welche auf Dichtauflagen
des Einfüllstutzens
aufsitzt und so für eine
Abdichtung sorgt.
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Auch
die DE-A1-196 42 308 beschreibt eine Tankeinrichtung, bei welcher
die Zapfpistole rundum von Dichtlippen innerhalb des Einfüllstutzens
umgeben und somit zur Umgebung hin abgedichtet wird. Bei diesem
System findet während
des Tankens eine Entlüftung
des Fahrzeugtankes über
eine eigene Betankungsentlüftung
statt. Diese ist eingangsseitig mit dem Tankinnenraum und dem oberen
Ende des Tankeinfüllstutzens
gekoppelt und führt über einen
Adsorber ins Freie. Bei der Betankungsentlüftung handelt es sich somit
um eine zusätzliche,
mit Kopplungsventilen und dergleichen versehene Anlage, die ins
Kraftfahrzeug separat eingebaut werden muß. Für den normalen Betrieb hat
das Fahrzeug daneben noch die bekannte Betriebsentlüftung. Diese
wird bei der DE-A1-196
42 308 jedoch beim Einführen
der Zapfpistole in den Einfüllstutzen
verschlossen und damit ausgeschaltet.
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Im
Gegensatz hierzu wird bei der vorliegenden Erfindung die Betriebsentlüftung beim
Einführen der
Zapfpistole in den Einfüllstutzen
gerade nicht verschlossen bzw. ausgeschaltet, sondern vielmehr für die Vermeidung
von Emissionen während
des Betankens ausgenutzt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn es nur um die Vermeidung von Emissionen bei sehr wenigen Tankvorgängen geht,
d.h. bei Betankung in geschlossenen Räumen. Im besonders wichtigen
Fall der Erstbetankung bei der Montage findet eine solche Ausnutzung
der Betriebsentlüftung sogar
nur ein einziges Mal während
der gesamten Lebensdauer des Fahrzeuges statt. Die normalerweise
unerwünschten
höheren
Belastungen des Adsorbers der Betriebsentlüftung während eines Tankvorganges fallen
bei einem oder wenigen Tankvorgängen
nicht ins Gewicht, so daß die
Vorteile überwiegen.
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Die
erfindungsgemäße Betankung
unter Ableitung der verdrängten
Tankinnengase über
die fahrzeuginterne Betriebsentlüftung
mit ihren Filtern, insbesondere mit einem Aktivkohlefilter, setzt
eine Erhöhung
des Tankinnendruckes voraus, um den Strömungswiderstand der Filter
zu überwinden.
Dabei ist zu beachten, daß der
Tankinnendruck einen maximalen Wert nicht übersteigen darf, da es oberhalb
eines solchen Wertes zu Beschädigungen
des Tanks kommen könnte.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
daher die Tankrate (Flußrate
des Kraftstoffes) so gesteuert oder geregelt, daß der genannte maximal zulässige Tankinnendruck
nicht überschritten
wird.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
machen sich insbesondere bei der Erstbetankung von Fahrzeugen während der
Montage bemerkbar. Dabei liegt die besondere Situation vor, daß in einem
industriellen Produktionstakt sehr viele identische Fahrzeugtypen
hintereinander mit einer vergleichsweise geringen Kraftstoffmenge
von z.B. 10 l betankt werden müssen.
Die Gleichheit der Fahrzeugtypen hat den Vorteil, daß das Betankungsverfahren
hierauf optimal abgestimmt werden kann. So kann z.B. die Zapfpistole
als ein Befülladapter
ausgestaltet sein, welcher eine genau an den jeweiligen Fahrzeugtyp
angepaßte
Schnittstelle darstellt. Für Tankeinfüllstutzen
sind im Stand der Technik verschiedene Ausgestaltungen bekannt (vgl.
z.B. DE-A1-196 30 130, EP-A1-0 718 140, EP-A2-0 504 558 und WO 98/04427).
Der Befülladapter
kann auf den jeweils vorliegenden Einfüllstutzen genau abgestimmt
werden, so daß er
einerseits den gas- und flüssigkeitsdichten
Verschluß gewährleistet
und andererseits schnell anzukoppeln bzw. abzukoppeln ist. Ferner
kann bei seiner Ausgestaltung berücksichtigt werden, daß die Betriebsentlüftung des
jeweiligen Fahrzeugtankes nicht mit der Einführung der Zapfpistole ausgeschaltet
werden darf.
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Die
Betankung identischer Fahrzeugtypen macht sich weiterhin dadurch
positiv bemerkbar, daß die
wichtigen Tankparameter wie das Fassungsvermögen des Tanks und der Strömungswiderstand
der Betriebsentlüftung
bekannt sind und gleich bleiben. Hierdurch wird es möglich, den
Ablauf des Tankens (d.h. die Flußrate des Kraftstoffes) immer
gleich zu gestalten, da der Druckaufbau im Tank im wesentlichen
immer gleich verläuft.
Es genügt
daher, eine Steuerung der Tankrate vorzusehen, welche ohne Sensoren
und ohne eine Rückkopplung
auskommt. Die Steuerung kann im einfachsten Falle darin bestehen,
daß für eine bestimmte
Zeitdauer eine bestimmte Tankrate konstant aufrecht erhalten wird.
Ebenso ist es denkbar, daß mit
einer maximalen Tankrate begonnen wird und diese kontinuierlich
zurückgefahren wird,
sobald der Druck im Tankinnenraum den maximal zulässigen Druck
angenommen hat oder sich diesem nähert. Eine flexiblere Betankung
und ein schnelleres Füllen
des Tanks erreicht man, wenn die Tankrate geregelt wird, d.h. wenn
ein relevanter Parameter gemessen und die Tankrate in einer Rückkopplungsschleife
in Abhängigkeit
hiervon verändert wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden verschiedene Vorteile erreicht. So können die Kohlenwasserstoff-Emissionen
an Montagelinien und damit gleichzeitig die MAK-Werte reduziert
werden. Dies ist sogar bei einer gleichzeitigen Reduzierung der
Kosten für
die Investition, den Betrieb und die Entsorgung möglich.
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Die
Kopplung zwischen der Zapfpistole und dem Tankeinfüllstutzen
wird vorzugsweise nach Abschluß des
Einleitens von Kraftstoff noch so lange aufrecht erhalten, bis der
Tankinnendruck unter einen vorgegebenen geringen Wert gesunken ist.
Auf diese Weise wird dem Tank Zeit gegeben, einen Dampfüberdruck über die
Betriebsentlüftung
und damit gefiltert abzubauen. Würde
man die Kopplung sofort lösen,
so würde
sich der Tankinnendruck durch den Einfüllstutzen in die Umgebung hin
abbauen und dabei Emissionen in die Umgebungsluft eintragen. Die genannte
Wartezeit bis zur Abkopplung der Zapfpistole kann eine konstante
Dauer sein, nach der erfahrungsgemäß der Tankinnendruck einen
gewünschten Wert
angenommen hat. Eine solche konstante Wartezeit bietet sich wiederum
dann besonders an, wenn identische Fahrzeugtypen mit bekannten Parametern nacheinander
befüllt
werden sollen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, daß der Tankinnendruck überwacht
wird, so daß das
Erreichen des gewünschten geringen
Wertes jeweils genau festgestellt wird. Hierbei kann z.B. ein akustisches
oder optisches Signal anzeigen, daß die Kopplung der Zapfpistole
gelöst werden
kann. Mit einer Überwachung
des Tankinnendruckes wird der Tankvorgang gegenüber dem Abwarten einer festen
Zeit insofern verbessert, als die Dauer des Tankvorganges auf das
Minimum reduziert werden kann. Ferner ist es im Gegensatz zum Fall
bei einer konstanten Wartezeit ausgeschlossen, daß die Kopplung
zwischen Zapfpistole und Einfüllstutzen
zu früh
gelöst
wird.
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Bei
einer geregelten Tankrate wird vorzugsweise der Tankinnendruck gemessen.
Dieser läßt sich
z.B. durch einen Sensor am Kopf der Zapfpistole feststellen. Damit
kann man auch im Falle eines außergewöhlichen
Verhaltens der Tankanlage ausschließen, daß der zulässige Tankinnendruck überschritten
wird und damit Zerstörungen
auftreten können.
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Vorzugsweise
wird die Tankrate so eingestellt, daß sich der Tankinnendruck während des
Tankens möglichst
dicht am maximal zulässigen
Wert einstellt. Auf diese Weise kann die schnellstmögliche Tankbefüllung erreicht
werden, was insbesondere bei industriellen Prozessen zur Einhaltung
der Produktions-Taktrate vorteilhaft ist. Aus Sicherheitsgründen wird
eine solche maximale Tankrate vorzugsweise von einem rückgekoppelten
Regelungskreis überwacht,
da dieser ein möglichst
dichtes Herangehen an den maximalen Tankinnendruck erlaubt.
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Um
auch bei abweichendem oder fehlerhaften Verhalten des Tanksystems
im Fahrzeug die Abgabe von Emissionen an die Umgebung zu vermeiden,
arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren
vorzugsweise mit einer Notentlüftung über die
Zapfpistole, welche bei Überschreitung
eines vorgegebenen Tankinnendruckes geöffnet wird. Sollte also z.B.
die Betriebsentlüftung
des Tanks aus irgendeinem Grunde nicht ordnungsgemäß funktionieren
und sich somit durch das einlaufende Benzin ein Tankinnendruck aufbauen,
der über
dem maximal zulässigen Wert
liegt, so öffnet
sich die Notentlüftung
in der Zapfpistole. Diese Öffnung
kann mit einfachen Mitteln (z.B. einem Überdruckventil in der Notentlüftung) erfolgen.
Wenn die Tankrate indes ohnehin über
eine Messung des Tankinnendruckes geregelt wird, kann auch diese
Regelung verwendet werden, um die Notentlüftung zu öffnen. Selbstverständlich kann
ein Regelungssystem für
die Tankrate auch mit einer Reduzierung oder einem Stop des Tankens
auf eine Überschreitung
des Tankinnendruckes reagieren und auf diese Weise die gewünschte Sicherheit
garantieren.
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Die
Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
oben beschriebenen Tankverfahrens. Diese Vorrichtung enthält eine
Zapfpistole, welche gas- und
flüssigkeitsdicht
mit dem Tankeinfüllstutzen
gekoppelt werden kann, wobei die Zapfpistole im gekoppelten Zustand
sicherstellt, dass die Betriebsentlüftung des Fahrzeugtankes geöffnet ist.
D.h., dass die Zapfpistole (anders als in vielen Fällen) mit
dem Einführen
in den Tankeinfüllstutzen die
Betriebsentlüftung
nicht schließt.
Sollte dagegen eine Konstruktion vorliegen, bei der die Betriebsentlüftung bereits
geschlossen ist, so müsste
die Zapfpistole diese mit dem Einführen in den Tankeinfüllstutzen öffnen. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung enthält weiterhin
eine Steuerung oder eine Regelung des Treibstoffflusses, welche
derart ausgelegt ist, dass die Tankrate derart steuerbar oder regelbar
ist, dass ein maximal zulässiger
Tankinnendruck nicht überschritten
wird.
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Mit
einer derartigen Vorrichtung lässt
sich das oben genannte vorteilhafte Verfahren durchführen. Anders
als bei herkömmlichen
Tanksystemen führt
das Einführen
der Zapfpistole in den Tankeinfüllstutzen
nicht zu einem Verschließen
der Betriebsentlüftung.
Wenn z.B. bei einer industriellen Produktion identische Fahrzeugtypen
nacheinander zu betanken sind, kann der gas- und flüssigkeitsdichte Verschluß der Zapfpistole
optimal auf den jeweiligen Einfüllstutzen
des Fahrzeuges abgestimmt sein.
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Eine
Steuerung des Treibstoffflusses ist dann ausreichend, wenn die Parameter
des Füllvorganges
für den
vorliegenden Fahrzeugtyp bekannt sind. In diesem Falle kann ohne
Rückkopplung
ein bestimmter Verlauf des Treibstoffflusses ausgeführt werden,
da die Reaktion des zu befüllenden
Systems, d.h. insbesondere der Verlauf des sich aufbauenden Tankinnendruckes,
bekannt ist.
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Der
Einsatz einer Regelung des Treibstoffflusses hat dagegen den Vorteil,
daß damit
flexibel und ohne Vorkenntnisse auf verschiedene Tankanlagen von
verschiedenen Fahrzeugtypen reagiert werden kann und daß der einzelne
Tankvorgang mit maximaler Geschwindigkeit erfolgen kann, da keine
Sicherheitsmargen wie bei einer Steuerung einzuhalten sind. Die
Steuerung bzw. die Regelung werden vorzugsweise von einem Mikroprozessor
bzw. einem Computer ausgeführt
und überwacht.
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Vorteilhafterweise
enthält
die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen Sensor für
den Tankinnendruck. Dieser kann insbesondere an der Spitze der Zapfpistole
angeordnet sein. Er erfaßt
dann den Druck im Tankeinfüllstutzen,
welcher mit dem Tankinnendruck gleichgesetzt werden kann bzw. in
bekannter Weise mit diesem zusammenhängt und daher einen Rückschluß auf den
Tankinnendruck erlaubt. Durch einen solchen Drucksensor wird eine
Regelung des Treibstoffflusses möglich,
welche sicherstellt, daß der
maximal zulässige
Tankinnendruck niemals überschritten
wird.
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Die
Zapfpistole der erfindungsgemäßen Vorrichtung
enthält
vorzugsweise eine Notentlüftung. Diese
Notentlüftung
tritt in Aktion, wenn der Tankinnendruck einen vorgegebenen Wert überschreitet, wobei
dieser vorgegebene Wert in der Regel oberhalb des maximal zulässigen Tankinnendruckes
liegt. Die Notentlüftung
erfolgt daher nur, wenn Störungen des
normalen Tankablaufes aufgetreten sind. Zur Notentlüftung gehört eine
Ableitung für
Dämpfe
aus dem Tankinnenraum sowie ein Verschlußventil für diese Leitung, welches sich
nur im Notfalle öffnet.
Dabei kann es sich z.B. um ein mechanisches Druckhalteventil handeln,
welches bis zum maximalen Tankinnendruck geschlossen ist. Ebenso
kann das Ventil von der Regelung des Tankvorganges geöffnet werden,
wenn z.B. über
Sensoren ein entsprechender Tankinnendruck festgestellt wird. Die
Notentlüftung kann
auch bereits dann geöffnet
werden, wenn der beobachtete Verlauf des Tankinnendruckes nicht dem
entspricht, was unter normalen Bedingungen in Reaktion auf die Betankung
zu erwarten wäre.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird vorzugsweise für
die Betankung von Fahrzeugen in geschlossenen Räumen, insbesondere für die Erstbetankung
bei der Fahrzeugmontage, verwendet. Mit der Vorrichtung lassen sich
nämlich
jegliche Emissionen beim Tankvorgang verhindern, indem die verdrängten Tankinnengase über die
Betriebsentlüftung geleitet
und dabei von einem Filter (Adsorber) gereinigt werden. Es kann
daher nicht zu einer Anreicherung von Kohlenwasserstoffen mit Überschreitung der
MAK-Werte in dem geschlossenen Raum kommen. Bei dem geschlossenen
Raum handelt es sich in diesem Falle um die Halle, in der die Erstbetankung
bei einer Fahrzeugmontage durchgeführt wird. In solchen Hallen
werden einerseits erhebliche Mengen an Kraftstoff vertankt, so daß der Ausschaltung auch
kleiner Restemissionen hier eine wichtige Bedeutung zukommt. Andererseits
sind bei der Montage immer wieder dieselben Fahrzeugtypen zu betanken,
so daß die
entsprechende Vorrichtung konstruktiv optimal hierauf abgestimmt
werden kann.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung beispielhaft mit Hilfe
der Figuren beschrieben.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Tankanlage.
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2 zeigt
schematisch einen Versuchsaufbau zur Messung des Tankinnendruckes.
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3 zeigt
die gemessene Druckabfallkurve.
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In 1 ist
schematisch der Tank 4 eines Kraftfahrzeuges dargestellt.
Am oberen Ende des Tanks ist ein Einfüllstutzen 3 angeordnet.
Weiterhin enthält
die fahrzeugseitige Tankanlage eine Betriebsentlüftung 6, welche je
einen Eingang 5 im Tankinnenraum sowie 7 im Einfüllstutzen 3 aufweist.
Diese beiden Eingänge
führen
Tankdämpfe über einen
Adsorber 9 zur Umgebung (Pfeilspitze).
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Die
Zapfpistole 1 wird von außen in den Einfüllstutzen 3 eingeführt. Mit
den nur schematisch angedeuteten Dichtmitteln 2 wird das
Füllrohr
der Zapfpistole 1 gas- und flüssigkeitsdicht rundum abgedichtet.
Es ist somit nicht möglich,
daß Dämpfe aus
dem Innenraum des Tanks 4 an der Zapfpistole 1 vorbei nach
außen
austreten. Der Treibstofffluß durch
die Zapfpistole 1 kann durch das Regelventil 12 eingestellt
werden. Im dargestellten Beispiel erfolgt dabei eine rückgekoppelte
Regelung, bei welcher ein Drucksensor 8 an der Spitze des
Füllrohres
angeordnet ist und über
eine Leitung 10 den gemessenen Tankinnendruck an eine Regelung 11,
z.B. einen PC, weitergibt. Die Regelung 11 verstellt dann
das Drosselventil 12 so, daß ein maximaler Treibstofffluß eingehalten
wird, ohne daß der
Druck im Tankinnenraum einen maximal zulässigen Wert überschreitet.
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Beim
Einsatz einer derartigen Anlage im Zusammenhang mit der Erstbetankung
von Fahrzeugen in Montagehallen stellt die Ankopplung der Zapfpistole 1 an
den Einfüllstutzen 3 einen
Befülladapter dar,
welcher eine optimal an den jeweils zu befüllenden Fahrzeugtyp angepaßte Schnittstelle
bietet. Für die
Durchführung
der erfindungsgemäßen Betankung
ist sicherzustellen, daß:
die
zu befüllenden
Fahrzeuge über
einen eigenen Aktivkohlefilter verfügen;
dieser fahrzeugseitige
Aktivkohlefilter ordnungsgemäß verbaut
und angeschlossen ist;
die Verbindung vom Befülladapter
zum Fahrzeug gas- und flüssigkeitsdicht
ist;
während
der Befüllung
mit Kraftstoff der Systemdruck online gemessen wird;
eine Regelung
den Kraftstoffzufluß verringert
bzw. stoppt, wenn ein Schwellenwert im System überschritten wird, und
die
eingesetzten Komponenten der erforderlichen Explosions-Schutz-Klassifizierung
entsprechen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
der Druckbetankung mit Ableitung der verdrängten Tankinnengase über den
fahrzeuginternen Aktivkohlefilter setzt eine Erhöhung des Tankinnendruckes voraus,
um Strömungswiderstände zu überwinden.
Da es jedoch bei Tankinnendrücken
von typischerweise mehr als 60 mbar zu Beschädigungen der Tankbefestigung
kommen kann, darf der Tankinnendruck einen solchen maximalen Wert
nicht überschreiten.
Bei einem typischen 60 l-Tank darf der Kraftstoff aus diesem Grunde
nur mit einem Volumenstrom von maximal ca. 0,3 l/s eingefüllt werden.
Alternativ hierzu kann auch eine durch den Tankinnendruck geregelte Füllpumpe
eingesetzt werden.
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Die
technische Realisierung der erfindungsgemäßen Druckbefüllanlage
setzt die mechanische Ankopplung eines gasdicht abschließenden Befülladapters
an den Einfüllstutzen 3 des
Fahrzeugs voraus. Der Befülladapter
betätigt
hierbei das fahrzeugseitige Entlüftungsventil
im Einfüllstutzen
und gibt hierdurch die Gaspendelleitung frei. Findet ein Druckausgleich infolge
fehlerhafter Bauteile oder falscher Montage nicht statt, so muß als Notstrategie
die Entlüftung durch
den Befülladapter
stattfinden. Hierbei darf kein Kraftstoff aus dem Tank mitgerissen
werden. Die Notentlüftung
muß gedrosselt
und explosionsgeschützt ins
Freie abgeführt
werden. Auf diese Weise kann auch die Funktion des Tanklüftungssystems überprüft werden.
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Ein
typischer Betankungsprozeß kann
folgendermaßen
ablaufen:
- a) Befülladapter aus seiner Halterung
entnehmen, am Fahrzeug anbringen, verriegeln und Prozeß starten
(Zeitbedarf ca. 5 s).
- b) Kraftstoff bis zum Erreichen von 60 mbar mit 0,75 l/s einfüllen, Restmenge
druckgeregelt nachfüllen
(Zeitbedarf maximal 20 s).
- c) Warten bis zum Absinken auf einen Tankinnendruck von 1 bis
2 mbar (Zeitbedarf ca. 30 s).
- d) Befülladapter
entriegeln, entnehmen und in seine Halterung zurücklegen (Zeitbedarf ca. 5 s).
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Für die Auswertung
des Tankinnendruckes, die Prozeßsteuerung
und die Kommunikation mit Datenträgern empfiehlt sich der Einsatz
einer SPS oder eines Industrie-PC. Der Volumenstrom des Kraftstoffes
sollte kontinuierlich geregelt werden, um den Kraftstoff nicht durch
Druckstöße aufzuwirbeln.
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In 2 ist
ein Versuchsaufbau dargestellt, mit dem das Verhältnis zwischen Volumenstrom
und Tankinnendruck sowie die Druckabfallkurve des Tankinnendruckes
bei verschlossener Luftzufuhr gemessen werden kann. Aus diesen Größen kann
der Strömungswiderstand
z des fahrzeugseitigen Aktivkohlefilters 9 und seiner Verbindungsleitungen 6 bestimmt werden.
Der Strömungswiderstand
z dient zur Ermittlung des Druck/Zeit-Verlaufes des Tankinnendruckes bei
Druckbetankungsvorgängen.
Bei dem Versuchsaufbau nach 2 wird aus
einer Druckluftquelle 16 Druckluft über ein Drosselventil 15 und
ein Durchflußmeßgerät 14 (Bereich
0 bis 30 l/min) sowie das Füllrohr 13 ins
Innere des Fahrzeugtankes 4 geleitet. Ebenfalls im Fahrzeugtank
befindet sich die Druckmeßsonde 19,
welche über
den Drucksensor 18 (Bereich 0 bis 100 mbar) an einen Meß-PC 17 gekoppelt ist.
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Im
Laufe eines Versuches wird zunächst
ein stationärer
Luftvolumenstrom so eingestellt, daß sich im Tankinneren ein Überdruck
von ca. 60 mbar aufbaut. Der zu einem konstanten Innendruck p gehörende Wert
des Luftvolumenstromes Q wird aufgeschrieben und dient zur Ermittlung
des Strömungswiderstandes
z. Hierfür
gilt die Formel: z = (p – pa)/Q × ρmit pa = Atmosphärendruck, ρ = Luftdichte.
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Ein
typischer Wert für
z beträgt
16,25 × 106 l/sm
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Nach
dem Aufrechterhalten eines konstanten Innendruckes wird die Luftzufuhr
auf der Niederdruckseite des Druckminderers unterbrochen und zeitgleich
die Aufzeichnung der Druckabfallkurve am Meß-PC gestartet. Diese Kurve
ist in 3 dargestellt.
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Unter
der Annahme, daß im
Tankinnenraum die Zustandsgleichung für Gase pV
= mRTgilt (mit p = Tankinnendruck, V = Tankvolumen, m = Masse
des Gases im Tank, R = 287 Nm/kgK, T = 293 K) ergibt sich für die Druckabfallkurve
ein exponentieller Verlauf gemäß p = pa + (p0 – pa) exp(–t/T)mit pa = Atmosphärendruck;
p0 = Anfangsdruck im Tankinneren.
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Der
Verzögerungsfaktor
T berechnet sich dabei aus der Formel T = zV/RTund
hat typischerweise einen Wert von 193.2 s/m3 × V [s],
mit V = Tankvolumen in m3.
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Mit
dem dargestellten Versuchsaufbau lassen sich somit die für den Betankvorgang
relevanten Parameter der Tankanlage eines Fahrzeuges ermitteln.
Diese Parameter können
sodann verwendet werden, um den Tankvorgang zu steuern.
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Die
Versuche haben gezeigt, daß der Druckabbau
von 60 zu ca. 2 mbar Überdruck
typischerweise etwa 30 s dauert. Bei einer Taktzeit der Produktion
von 60 s und einem 60 l-Tank ergibt sich somit ein maximales Füllvolumen
von ca. 10 l, wenn man davon ausgeht, daß schon während der Betankung ein Druckausgleich
stattfindet. Durch Einsatz einer Druckregelung läßt sich diese Füllmenge
noch erhöhen.
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- 1
- Zapfpistole
- 2
- Dichtmittel
- 3
- Tankeinfüllstutzen
- 4
- Fahrzeugtank
- 5
- Eingang
- 6
- Verbindungsleitung
- 7
- Eingang
- 8
- Drucksensor
- 9
- Adsorber
- 10
- Leitung
- 11
- Regelung
- 12
- Drosselventil
- 13
- Füllrohr
- 14
- Durchflußmeßgerät
- 15
- Drosselventil
- 16
- Druckluftquelle
- 17
- Meß-PC
- 18
- Drucksensor
- 19
- Druckmeßsonde