DE4103115A1 - Verfahren und vorrichtung zur rueckfuehrung des gasvolumen beim tanken - Google Patents

Description

Aus Gründen des Umweltschutzes versucht man heute den Ver­ brauch von flüssigem Kraftstoff zu reduzieren. Ein wesentli­ cher Anteil des Kraftstoffverbrauch wird bereits durch Verluste in dem bestehenden Verteilsystem verursacht. Die dampfförmigen Anteile im Kraftstoff und speziell die leichter siedenden Fraktionen sättigen das Gasvolumen über dem Flüssigkeitsspiegel in einem Tank auf. Bei Vergaserkraft­ stoffen beträgt der Benzinanteil in dem Gas je nach Jahreszeit zwischen 43% und 72% (Gew.).

Beim Nachfüllen von Flüssigkeit wird dieses benzinhaltige Gas aus dem Tank in die Atmosphäre verdrängt und verursacht auf diese Weise Verluste, die im Prozentbereich liegen. Gleichzeitig entsteht dadurch in Ballungsräumen und speziell beim Betanken von PkW eine erhebliche Umweltbelastung.

Zur Vermeidung dieser Emissionen ist in Kalifornien seit Jahren ein Verfahren mittels Gaspendelung bekannt. Hierbei wird durch einen Balg über der Zapfpistole der Anschluß zwischen Pistole und Fahrzeugtank abgedichtet und beim Einfül­ len von Kraftstoff in das Fahrzeug das Gasvolumen über eine separate Gasrückführleitung in den Lagertank der Tankstelle zurückgedrückt.

In Deutschland ist ein weiteres Verfahren zur Absaugung des Gasvolumen ebenfalls über eine Gasrückführleitung in den Lagertank entwickelt worden.

Beide Verfahren wurden in der BRD vom Umweltministerium auf ihre Funktionsweise hin untersucht und sind von H. Waldeyer beschrieben.

Der Abschlußbericht des Versuchsvorhabens ist die Basis für eine Buch von H. Waldeyer, "Emissionsminderung beim Tanken", Köln, Verlag TÜV Rheinland, ISBN 3-88585-845-2.

Die Absaugung des Gasvolumens erfolgt nach dem "deutschen" System Salzkotten über eine mechanische Gasförderpumpe oder nach anderen Verfahren mit einer Flüssigkeitsstrahlpumpe, betrieben mit der Tankflüssigkeit.

Waldeyer beschreibt als Nachteil der vorhandenen Systeme den schlechten Wirkungsgrad bei der Gasrückführung:

beim Gaspendeln mit ca 62%,
beim Absaugen mit 74%.

Es ist die Aufgabe der Erfindung die Rückgewinnung von organischen Anteilen im Gasvolumen bei der Befüllung von Tanks und speziell bei der Betankung von Fahrzeugen mit Ottokraft­ stoff zu verbessern.

Prozeßtechnisch ist diese Aufgabe wie folgt zu beschreiben:
Umfüllen von einer Flüssigkeit aus einem großen Tank in einen kleinen Tank und gleichzeitige Rückführung des Gasvolumen aus dem kleinen Tank in den großen Tank, wobei beide Tanks unter atmosphären Druck stehen und durch mindestens je eine Öffnung mit der Atmosphäre verbunden sind.

Das kalifornische System hat dabei den Nachteil, daß das Gas­ pendeln nur durch eine 100%ige Abdichtung des Tankes mit der Manschette am Zapfventil erfolgen kann, da das Gas in den Lagertank zurückgedrückt wird.

Die Abdichtung zwischen Manschette und Fahrzeugstutzen ist nicht einheitlich genormt und außerdem hängt die Dichtwirkung der Manschette von der Sorgfalt der vielen tankenden Einzel­ personen ab.

Das Absaugsystem Salzkotten hat den Nachteil,

• - daß die Gasförderpumpe zwischen Tank und Lagertank auf ein bestimmtes Fördervolumen für eine bestimmte Gaszusammensetzung eingestellt ist,
• - daß sich aber die Gaszusammensetzung zwischen Sommer- und Winterbetrieb und zwischen Tag- und Nachtbetrieb je nach Temperatur und der verbrauchten Benzinmischung im Fahrzeugtank stark ändern kann und
• - daß sich zusätzlich die Dichte des geförderten Gasvolumen zwischen dem Fahrzeugtank und der Ansaugöffnung der Förder­ pumpe in Abhängigkeit von den Druckverlusten in der Ansauglei­ tung ändert.

Dadurch wird für dieses System nur der Wirkungsgrad von 74% gemessen.

Gemäß der Erfindung wird die Rückführung des Gasvolumens in den Lagertank dadurch gelöst, daß gemäß dem Hauptanspruch

• - in die Benzin- und Gasrückführleitung zwischen Tank und Lagertank ein Vorlagebehälter für Flüssigkeit eingebaut wird,
• - dieser Vorlagebehälter zur Umgebung gasdicht abgeschlossen ist,
• - beim Tanken in einem ersten Prozeßschritt aus dem gefüllten Vorlagebehälter das Benzin in den Tank fließt und durch den entstehenden Unterdruck im Vorlagebehälter das Gasvolumen aus dem Tank angesaugt wird,
• - beim Beenden des Tankvorgangs, durch die Ansaugung des Gasvolumens, in dem Vorlagebehälter sich wieder ein Druckaus­ gleich mit der Umgebung einstellt,
• - in einem 2ten Schritt der Vorlagebehälter über die geöff­ nete Gasrückführungsleitung mit dem Lagertank verbunden ist und beim Befüllen des Vorlagebehälters das Gasvolumen in den Lagertank zurückgedrückt wird.

Dieser Betrieb hat den Vorteil, daß in beiden Arbeitsschrit­ ten, dem Absaugen des Gasvolumens aus dem Tank und dem Ver­ drängen des Gasvolumens in den Lagertank über den gasdichten Vorlagebehälter jeweils ein Kreislauf ausgebildet ist, der entsprechend dem geförderten Flüssigkeitsvolumen das gleich­ große Gasvolumen in der Gasrückführleitung fördert.

In dem ersten Arbeitsschritt bewirkt die Abnahme der Flüssig­ keit in dem Vorlagebehälter eine volumetrische Gasansaugung aus dem Tank.

In dem zweiten Schritt bewirkt die Zunahme der Flüssigkeit im Vorlagebehälter eine volumetrische Förderung des Gasvolumens in den Lagertank.

Der Betrieb hat den weiteren Vorteil, daß Flüssigkeit- und Gasförderung volumetrisch erfolgen und daß durch den Druck­ ausgleich am Ende eines Fördervorganges die geförderte Flüs­ sigkeit und das geförderte Gasvolumen den gleichen Raum einnehmen.

Das Verfahren wird im folgenden anhand von Fig. 1 beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Schema des Verfahrens zur Gasrückführung bei der Betankung von Pkw.

Auf dem Schema sind der zu füllende Tank mit 1, der Lagertank für Flüssigkeit mit 2 und der Vorlagebehälter mit 3 bezeich­ net.

Das Schema zeigt weiter den Prozeßkreislauf I, der beim Betrieb des ersten Prozeßschritt gebildet wird. Hierbei fließt das Benzin über die Leitung 4, die Pumpe 5 und die Leitung 6 in den Benzintank 1 und das Gasvolumen strömt über die Leitung 9, das geöffnete Absperrventil 10 und die Leitung 13 in den Vorlagebehälter 3.

Das Schema zeigt weiter den Prozeßkreislauf II, der beim Betrieb des zweiten Prozeßschritt gebildet wird. Hierbei wird der Vorlagebehälter 3 mit Flüssigkeit aus dem Lagertank 2 über die Leitung 14, die Pumpe 15 und die Leitung 16 wieder angefüllt und simultan wird das Gasvolumen über die Leitung 13 den geöffneten Absperrschieber 17 und die Leitung 18 als Ausgleich für das abgezogene Benzin in den Lagertank 2 zurückgeführt.

Erfindungsgemäß laufen beide Prozeßschritte zeitlich nachein­ ander ab.

Am Beginn des Prozeßschritt I beginnt die Pumpe 5 Benzin zu fördern und der Absperrschieber 10 wird geöffnet. Durch die Benzinentnahme senkt sich der Flüssigkeitsspiegel vom Niveau 11 ab und es entsteht ein Unterdruck, durch den über die Leitung 9 aus dem Tank 1 das Gasvolumen angesaugt wird. Am Ende des Tankvorgang ist der Flüssigkeitsspiegel auf das Niveau 12 abgesunken und in dem Vorlagebehälter 2 wurde das gleiche Volumen als Gas angesaugt wie als Benzin in den Tank 1 eingefüllt wurde.

Beim Abschalten der Pumpe 5 kommt auch auf der Gasseite der Strömungsvorgang in der Leitung 9 und 13 zur Ruhe, sodaß sich auch in dem Vorlagebehälter 3 der gleiche Druck wie in dem Benzintank 1 einstellt. Damit sind die Bedingungen erfüllt, daß das gleiche Volumen aus dem Benzintank 1 zeitgleich abgesaugt wird, wie Benzin in den Tank eingefüllt wurde. In dem Benzintank findet somit auch kein Stoffaustausch über den offenen Stutzen 8 mit der Atmosphäre statt.

Die Benzinleitung 6 und die Gasrückführungsleitung 9 können in der Zapfpistole 7 integriert werden, die in Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Beide stecken in dem Einfüllstutzen 8 des Tan­ kes 1 über dem Flüssigkeitsspiegel 19. Die Zapfpistole 7 kann mit einer verschiebbaren Manschette 20 versehen sein, welche die Tanköffnung abdeckt. Die Gasrückführleitung 9 kann auch außerhalb der Zapfpistole geführt werden, sollte aber in den Tankstutzen hineinragen, um bereits bei Beginn des Absaug­ vorgangs ein Gas, das nicht durch Falschluft verdünnt ist, zu erfassen.

Der Prozeßschritt I ist abgeschlossen, wenn der Tank gefüllt ist, die Pumpe 5 abschaltet und der Schieber 10 wieder ge­ schlossen ist. Anschließend kann der Prozeßschritt II begin­ nen.

Beim Prozeßschritt II wird mit Einschalten der Pumpe 15 der Absperrschieber 17 in der Gasleitung 13 und 18 geöffnet. Das Benzin fließt über die Leitung 14 und 16 in den Vorlagebehäl­ ter 3. Dadurch steigt der Flüssigkeitsspiegel 12 an und es entsteht ein Überdruck. Durch den Druckausgleich mit dem Lagertank 2 über die offene Gasrückführleitung 13 und 18 wird das ursprüngliche Gasvolumen aus dem Tank 1 von dem Vorlage­ behälter 3 in den Lagertank 2 gedrückt. Sobald der Flüssig­ keitsspiegel in dem Vorlagebehälter auf das Niveau 11 gestie­ gen ist, wird die Pumpe 15 abgeschaltet. Anschließend erfolgt der Druckausgleich zwischen Behälter 3 und dem Lagertank 2 über die Gasrückführleitungen 13 und 18. Anschließend wird auch der Absperrschieber geschlossen. ln dem Prozeßkreislauf II ist die Strömung bei Druckausgleich zur Ruhe gekommen und im Vorlagebehälter 3 wie im Lagerbehälter 2 herrscht der gleiche Druck. Der Prozeßschritt II ist somit beendet.

Auch für den Prozeßschritt II gilt das für den Prozeßschritt I gesagte. Dem Lagertank 2 wurde als Benzin das gleiche Volumen entnommen, wie diesem als Gasvolumen über den Vorlagebehälter 3 und die Leitungen 13 und 18 zugeführt wurde. In dem Lagertank 2 findet somit kein Stoffaustausch mit der Umgebung statt.

Der Lagertank 2 wird im folgenden beschrieben:
Die Flüssigkeitsleitung 14 beginnt unterhalb des Flüssig­ keitsspiegel über dem Tankboden. Die Gasrückführleitung 18 endet oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 21. Über die offene Druckausgleichsleitung 22 ist der Lagertank mit der Umgebung verbunden und es herrscht ständig Atmosphärendruck. Die Lei­ tungsdurchführung aus dem Tank erfolgt gasdicht durch den Tankdeckel, sodaß der Tank nur durch die Druckausgleichslei­ tung 22 mit der Umgebung verbunden ist.

Die einzelnen Apparate des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in Fig. 1 so angeordnet, daß sie in die Tanksäule eingebaut werden können.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist es möglich den Vorlagebehälter über den vorhandenen Tanksäulen unter einer möglichen Überdachung anzuordnen. In diesem Fall hat die Flüssigkeit in dem Vorlagebehälter 3 eine höhere statische Energie und die Antriebsleistung für die Förderpumpe 5 kann verringert werden bzw. die Pumpe 5 kann ganz entfallen. Die Flüssigkeitsmenge zum Betanken müßte dann über ein nicht gezeigtes Regelventil in der Leitung 4, 6 dosiert werden.

Bei der Anpassung von bestehenden Tankeinrichtungen an die Umweltauflagen ist es sinnvoll, möglichst wenige Änderungen an der Tankanlage vorzunehmen. Es ist dann möglich, den Vorlage­ behälter 3 in der Nähe des Lagertankes 2 zu installieren. Die Leitung 4 führt dann zu einer bestehenden Tanksäule mit der eingebauten Pumpe 5. In diesem Fall ist nur die Gasrückführ­ leitung 9 neu zu verlegen, die einzige Maßname, welche die gesamte Tankstelle betrifft.

Aus Platzgründen kann der Vorlagebehälter 3 auch in den Lagertank 2 eingebaut werden. Die Leitungen 4, 16 und 13 tre­ ten in diesem Fall mit den Leitungen 22, 14 und 18 durch den Tankdeckel des Lagertank 2.

Die Durchflußventile 10 und 17 in Fig. 1 sind oben mit Schie­ berfunktionen beschrieben worden. Es können aber auch andere Ventile z. B. Einwegeventile mit Rückflußabsicherung oder ein einziges Dreiwegeventil eingesetzt werden.

Die optimale Größe des Vorlagebehälters 3 liegt bei der Betan­ kung von PkW zwischen 50 und 100 ltr. Damit kann bei dem PkW mit üblicher Größe in einem Arbeitsgang ein Tank gefüllt wer­ den. Ist der nutzbare Inhalt des Vorlagebehlter 3 nur 25 ltr, so arbeitet das Verfahren, wie in Fig. 1 beschrieben, bei einem Tankvorgang von mehr als 25 ltr bezüglich der Gasrück­ führung chargenweise.

Die Arbeitsgänge sind dann:

Ansaugen des Gases in den Vorlagebehälter,
Verdrängen des Gases aus dem Vorlagebehälter,
Ansaugen . . ., Verdrängen . . .

Dieser Prozeß kann als kontinuierlicher Absaugprozeß betrieben werden, wenn in das obige Leitungssystem 2 Vorlagebehälter eingebaut werden, die parallel geschaltet sind.

Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, das bezüglich der Flüssigkeitsdosierung und der Gasabsaugung kontinuierlich arbeitet.

Fig. 2 wird im folgenden beschrieben.

Die Leitung 25 ist eine gemeinsame Leitung für Benzin von dem Lagertank zur mehreren Tanksäulen.

Die Leitung 26 ist eine gemeinsame Gasrückführleitung von mehreren Tanksäulen in den Lagertank 2.

Der Prozeßkreislauf I geht über die Gasrückführleitung 37, ein Dreiwegeventil 38 und in der Leitung 37 zum Vorlagebehälter 30, sowie in der Flüsssigkeitsleitung 34, über das Dreiwege­ ventil 36 und die Flüssigkeitspumpe 35 in den gemeinsamen Schlauch 41 zu dem nicht gezeigten Tank.

Der Prozeßkreislauf II geht in der Flüssigkeitsleitung 27, über die Pumpe 28, das Dreiwegeventil 29 in den 2ten Vorlage­ behälter 31, sowie in der Gasrückführleitung 32, über das Dreiwegeventil 33 in die Leitung 26, die zu dem Lagertank führt.

Durch den Abzug der Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter 30 senkt sich der Flüssigkeitsspiegel 40 ab und es wird das Gas in der Leitung 37 angesaugt. Im Vorlagebehälter 31 steigt durch Flüssigkeitszufuhr der Flüssigkeitsspiegel 39 an, und es wird das Gasvolumen über die Leitung 32 in den nicht gezeigten Lagertank gedrückt.

Bei Absinken des Flüssigkeitsniveau im Behälter 30 auf die Niveauhöhe 39 ist im Behälter 31 das Niveau des Flüssigkeits­ spiegel auf die Höhe 40 angestiegen. Bei diesem Zustand schal­ tet das Dreiwegeventil 36 in der Leitung 34 auf die Stellung 35-36-31 und es kann weiter kontinuierlich Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter 31 abgezogen werden. Auch die 3 anderen Drei­ wegeventile 29, 33, 38 schalten in die andere Stellung derart, daß der Vorlagebehälter 31 jetzt in dem Prozeßkreislauf I arbeitet und Flüssigkeit liefert und der Vorlagebehälter 30 in dem Prozeßkreislauf II angebunden ist und mit Flüssigkeit gefüllt wird.

Wie bei der Beschreibung von Fig. 1 erwähnt, können auch in dem Verfahren nach Fig. 2 die Dreiwegeventile 38 und 33 in den Gasrückführleitungen 37 und 32 durch jeweils 2 einfache Einwegeventile ersetzt werden.

Das kontinuierliche Verfahren zur Betankung nach Fig. 2 kann vorteilhaft in eine Tanksäule integriert werden. Durch Aus­ wechseln der alten Tanksäule kann es einfach in einer beste­ henden Tankstelle eingebaut werden. Als weitere Montagearbeit ist nur die gasführende Leitung 32, 26 zu verlegen.

Waldeyer beschreibt die Probleme bei der Ermittlung des Wir­ kungsgrades der Gasrückführung bezüglich der organischen Anteile. Bei den 2 Systemen nach dem Stand der Technik muß zunächst die gesamte Gasmenge erfaßt werden, die über die Gasrückführleitung gefördert wurde, anschließend ist noch der Anteil an organischen Bestandteilen in der Gasmenge zu ermit­ teln. Diese Methode hat vor allem den Nachteil, daß sie für eine laufende Funktionskontrolle sehr aufwendig ist.

Da die vorliegende Erfindung eine Volumengleichheit von geförderter Flüssigkeit und abgesaugtem Gasvolumen aufweist, ist es nach dem Anspruch 4, 5 möglich, allein durch eine ver­ gleichende Gasanalytik zwischen dem leeren Tank 1 und dem mit Gas gefüllten Vorlagebehälter 3 am Ende des ersten Prozeß­ schrittes den Wirkungsgrad der Rückgewinnung zu bestimmen. Dabei läßt sich eine mögliche Vermischung mit Außenluft auch durch die einfache Analytik auf Sauerstoff (O2) oder Stick­ stoff (N2) feststellen.

Mit einer Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung zur Betan­ kung von Fahrzeugen ist es also möglich, nicht nur das ben­ zinhaltige gasförmige Tankvolumen gesicherter zurückzuführen, sondern im Interesse der Umwelt kann auch die Funktion der Anlage mit einfachen meßtechnischen Mitteln überwacht werden.

Das Verfahren läßt sich aber auch beim Befüllen von anderen Tanks einsetzen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Absaugung des gasförmigen Leervolumens beim Befüllen eines Tankes mit Flüssigkeit aus einem Lagertank und zur Rückführung des abgesaugten Volumens in den Lagertank für die Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in die Gasrückführungsleitung und die Flüssigkeitsleitung zwischen dem Lagertank und dem zu füllenden Tank ein gasdich­ ter Vorlagebehälter eingebaut ist,
• - in einem ersten Prozeßschritt I, in einem Prozeßkreislauf von dem Tank über den Vorlagebehälter, die Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter in den zu füllenden Tank geführt wird und simultan durch den Unterdruck das gasförmige Volumen aus dem Tank über die Gasrückführleitung in den Vorlagebehälter gesaugt und dort gepuffert wird und,
• - in einem zweiten Prozeßschritt II, in einem Prozeßkreislauf von dem Vorlagebehälter über den Lagertank, die getankte Flüs­ sigkeit über die Flüssigkeitsleitung aus dem Lagertank in dem Vorlagetank wieder ergänzt wird und dadurch das gepufferte gasförmige Volumen über die Gasrückführleitung in den Lager­ tank gedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderung der Flüssigkeit von dem Lagertank in den Vorlagebehälter und von dem Vorlagebehälter in den Tank jeweils über eine Pumpe erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlagebehälter über dem Tank angeordnet ist und die Flüssigkeit mittels Schwerkraft über ein Dosierventil in den Tank fließt.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionskontrolle des Gasrückführsystem durch einen Vergleich zwischen der Gaszusammensetzung im Tank und der Zusammensetzung des zurückgeführten Gasvolumens erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich mit einem der einfach zu messenden Bestandteile der Luft wie Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den zu tankenden Flüssigkeiten um Ottokraftstoff und bei den zurückgeführten Gasvolumen um das Tankvolumen aus Fahrzeugen handelt.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß 2 Vorlagebehälter, parallel geschaltet, in die Flüssigkeits­ leitung und die Gasrückführleitung eingebaut werden und zur kontinuierlichen Gasrückführung die Arbeitstakte Flüssigkeits­ abzug und Flüssigkeitszufuhr in den Behältern gegenläufig und ständig wechselnd ausgeführt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in die Gasrückführleitung und die Flüssigkeitsleitung ein Vorlagebehälter eingebaut ist,
• - über den in einem 1. Prozeßschritt ein Prozeßkreislauf über den Tank und den Vorlagebehälter aufgebaut ist und der zur Absaugung des Gasvolumens führt und
• - über den in einem 2. Prozeßschritt ein Prozeßkreislauf über den Lagertank und den Vorlagebehälter aufgebaut ist und der zur Verdrändung des Gasvolumens in den Lagertank führt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in die Gasrückführleitung und die Flüssigkeitsleitung 2 Vorlagebehälter, parallel geschaltet, eingebaut sind, und
• - zur kontinuierlichen Gasrückführung die Arbeitstakte Flüs­ sigkeitsabzug und Flüssigkeitszufuhr in den Behältern gegen­ läufig und ständig wechselnd ausgeführt werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung ein Bestandteil einer Tanksäule ist.