DE4224950A1

DE4224950A1 - Verfahren zur Bewertung der Emissionen von Gasrückführsystemen in Betankungsanlagen

Info

Publication number: DE4224950A1
Application number: DE4224950A
Authority: DE
Inventors: Fritz Curtius
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-03
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: DE4224950C2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Bewertung der Emissionen bei Betankungsvorgängen mit Gasrückführung.

Die Erfindung betrifft speziell ein Verfahren zur Ermittlung der verfahrensbedingten Emissionen bei der Betankung von Fahrzeugen mit Ottokraftstoffen unter Einsatz der Gasrückführung. Aufgrund des erfindungsgemäßen Berechnungsverfahren ergibt sich ein Hinweis, die obigen Emissionen beim Tanken in Grenzen zu halten.

Ein Verfahren zur Bewertung der Emissionen beim Tanken wird von Dr. H. Waldeyer, in "Emissionsverminderung beim Tanken", Verlag TÜV Rheinland, 1990, vorgestellt. Die Grundlage für diese Arbeit bildet ein gemeinsames Forschungsvorhaben des TÜV Rheinland mit dem Umweltbundesamt in Berlin.

Anläßlich eines Seminars des Fortbildungszentrum, Gesundheits- und Umweltschutz Berlin e.V., 253. Seminar, am 14. Januar 1992, zur Umsetzung der Gespendel-Verordnung auf Tankstellen hat H. Waldeyer über "Meßverfahren für die Zulassung, die Zulassungsverfahren, und regelmäßige Überprüfung der Funktionsfähigkeit" zu dem aktuellen Stand der Technik berichtet. Das vorgestellte Meßprinzip arbeitet mit einem gravimetrischen Meßverfahren für Kohlenwasserstoffe zur Feststellung der Basisemission, nämlich der Emission ohne Gasrückführung und ermittelt hieraus einen Wirkungsgrad für ein Verfahren zur Gasrückführung, mittels der Messung der verbliebenen Restemission.

Dieses Verfahren von H. Waldayer hat den prinzipiellen Nachteil, daß die gemessene Basisemission nicht reproduzierbar ist und unter anderem auch von dem Betrieb und der Konstruktion des jeweils zu betankenden Fahrzeuges abhängt.

Die Meßmethode zur Beurteilung eines Verfahren mit oder ohne Gasrückführung hat den weiteren Nachteil, daß der Partialdruck im leeren Tank nicht berücksichtigt wird. Deshalb kann z. B. für die Beurteilung von Passivsystemen, entsprechend 6.3 der Unterlagen zu dem Symposion festgestellt werden:

"Zu einer Verlagerung der Emissionen auf die Entlüftungsleitung des Erdtankes kann es bei Passivsystemen prinzipbedingt nicht kommen".

Unter Anhang 1 der Veröffentlichung im TÜV Verlag wird ein Berechnungsverfahren für die Emissionen vorgestellt. Bei dieser theoretischen Betrachtung wird der Partialdruck des Benzin im leeren Tank ebenfalls nicht berücksichtigt. Einem möglicherweise aus dem Lagertank ausströmenden Gasvolumen wird die spezifische Benzinemission eines normalen Tankvorgang zugerechnet. Diese Emission ist jedoch bezogen auf gr/ltr-Flüssigkeit und kann in dieser Konzentration in dem, aus dem Tank austretenden Gas, aus physikalischen Gründen nicht enthalten sein.

Eine Beurteilung von neuen Verfahren zur Gasrückführung im Rahmen eines Zulassungsverfahren mit der beschriebenen Methode und unter Vernachlässigung der tatsächlichen physikalischen Gegebenheiten beinhaltet die Gefahren, daß

- sich für die Hersteller der Anlagen Wettbewerbsverzerrungen ergeben und
- die Anlagenbetreiber möglicherweise mit erhöhtem Aufwand installierte Anlagen nachrüsten müssen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die beschriebenen Nachteile bei der Beurteilung von Gasrückführsystemen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gasseitige Volumenentwicklung des durch das eingefüllte Benzin verdrängten Gasvolumen,

- ausgehend von einem Zustand 1 und einer Gaszusammensetzung in dem leeren Tank über dem Restbenzin,
- bei einem Zustand 2 und nach der Sättigung über dem Benzin im Lagertank, berücksichtigt wird.

Weiter wird in den Unteransprüchen ein Weg aufgezeichnet, um unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Partialdrücke im Restbenzin und Benzinzulauf, die Volumenentwicklung eines Tankvorganges zu berechnen.

Der Erfindung liegt die prinzipielle Idee zugrunde, daß die im Verlaufe des Tankvorganges verdrängten inerten Anteile bei der Installation einer Gasrückführung im Lager- oder Liefertank ein Volumen einnehmen, das proportional und zwar umgekehrt propor tional zu dem Partialdruck der inerten Anteile ist. Dies ist aus Gleichung (1) gemäß Anspruch (2) ersichtlich.

Der Partialdruck hängt wiederum vom Partialdruck des Benzin ab. Es ist bekannt, daß bei dem Betrieb der Fahrzeuge in dem Benzintank Verdunstungsverluste auftreten. Dadurch ist der Partialdruck über dem Restbenzin im allgemeinen niedriger als derjenige der frischen Benzinmenge aus dem Lagertank. (Fig. 2) Hierdurch nehmen die inerten Anteile bei der Gasrückführung in dem Lagertank ein größeres Volumen ein und verursachen systembedingte Emissionen. Die Bewertung und Berücksichtigung dieser Emissionen ist bei der Bewertung der Gasrückführsysteme deshalb wichtig, weil diese Emissionen nicht von der Funktion des Gasrückführsystems abhängen und ist weiter wichtig, um bei der Einführung der verschiedenen Systeme, nämlich die Passiv-Systeme ohne Unterdruckunterstützung und die Aktiv-Systeme mit Unterdruckunterstützung, vergleichbar zu bewerten.

Weiter ist die richtige Beurteilung wichtig, um vor allem für die Hersteller und Betreiber dieser Anlagen wettbewerbsverzerrende Nachteile infolge falscher Beurteilung zu vermeiden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Betankungsanlage mit Gasrückführung. Der zu füllende Tank 1 ist über die Benzin leitung 4 und die Gasrückführleitung 3 mit dem Lagertank 2 verbunden. Die Leitung 5 an der lösbaren Verbindung zwischen dem Tank 1 und der Leitung 3 symbolisiert den Gasaustausch im Bereich des Tankstutzen 6 mit der Umgebung.

Bei der Installation von Aktivsystemen, gekennzeichnet durch den Index (a) ist eine Pumpe 7 zur Erzeugung eines Unterdruckes in die Leitung 3 installiert. In diesem Fall kann über die Leitung 5 sowohl zuwenig abgesaugtes Gas entweichen, wie auch Frischluft zusätzlich angesaugt werden.

Bei der Installation von Passivsystemen, gekennzeichnet durch den Index (p), soll mittels einer nicht gezeigten Dichtmanschette zwischen der Leitung 3 und dem Tankstutzen 6 eine Abdichtung erzeugt werden, um beim Einfüllen von Benzin den Gasanteil aus dem Tank 1 in den Lagertank 2 zu verdrängen. Besonders bei Tankbeginn kann es jedoch infolge von Volumenspitzen zu einem erheblichen Druckanstieg und zu einem Freisetzen von benzinhaltigen Dämpfen über die symbolisierte Leitung 5, d. h. die nicht gezeigte Dichtstelle kommen.

Im Tank 1 ist das Flüssigkeitsniveau vor dem Tanken mit 8 und nach dem Tanken mit 9 bezeichnet.

Im Tank 2 ist das Flüssigkeitsniveau vor dem Tanken mit 10 und nach dem Tanken mit 11 bezeichnet.

Der Abzug der Flüssigkeitsmenge aus dem Tank 2 über die Leitung 4 mit der Pumpe 12 entspricht der Zunahme an Flüssigkeit in dem Tank 1.

Nach dem Gedanken der Erfindung bleibt dagegen das aus dem Tank 1 in den Tank 2 zurückgeführte Gasvolumen nicht konstant, sondern ändert sich entsprechend den geänderten Partialdrücken und Temperaturen des Benzin aus dem Tank 2 gegenüber dem Restbenzin im Tank 1.

Die entsprechende Berechnung zur Berücksichtigung einer Volumenänderung sowie die mögliche Emission aus dieser Volumenänderung wird im folgenden beschrieben.

Zum Ausgleich der Volumenänderung ist im Tank 2 die Leitung 13 als Verbindung mit der Atmosphäre eingezeichnet.

Bei Tankbeginn oder vor Herstellung der Verbindung zwischen dem leeren Tank 1 und dem Lagertank 2 besteht über den Flüssigkeitsniveaus 8 und 10 Atmosphärendruck. Über der Flüssigkeit ist ein Gemisch aus Luft und Benzindämpfen, wobei die Luftanteile gegenüber den kondensierbaren Dämpfen als inert zu bezeichnen sind. Der zusätzlich in der Luft enthaltene Wasserdampf ist gering und wird bei der folgenden Betrachtung nicht berücksichtigt.

Die Stoffaustauschvorgänge im Verlaufe des Tankvorganges und ihr Einfluß auf das Volumen in den einzelnen Tankkammern 1 und 2 unterliegen also den Gesetzen der allgemeinen Gasgleichung und dem Gesetz nach DALTON. Nach dem Gedanken der Erfindung ist also festzustellen, welchen Raum oder welches Volumen die Inerten aus dem Tank 1 über dem Benzingemisch aus dem Tank 2 einnehmen. Die allgemeine Gasgleichung lautet wie folgt:

p_*V = m_*R_*T; oder m_*R = p_*V/T.

Die obigen Gleichungen gelten für das Gasgemisch und nach DALTON auch für die einzelnen Komponenten mit den entsprechenden Partialdrücken.

Bezogen auf die Inerten im Tank 1 gilt also:

m_(i1) _*R_(i1) = p_(i1) _*V_(i1)/T_(i1); und

bezogen auf den Tank 2 gilt entsprechend:

m_(i2) _*R_(i2) = p_(i2) _*V_(i2)/T_(i2).

Da die Inerten sich bei der idealen, 100%-igen Gasrückführung über den Tankvorgang nicht verändern, ist auch das Produkt von mi_*Ri konstant. Somit gilt für die Volumenentwicklung die folgende Gleichung:

V₍₂₎ = V₍₁₎ _*p_(i1)/p_(i2) _*T_(i2)/T_(i1). (1)

T₁ ist die Temperatur im Tank 1 in Kelvin, T₂ ist die Temperatur im Tank 2. Je nach der Art des Betankungsvorganges, mit einem kalten oder warmen Fahrzeug, sind die Temperaturen nur gering unterschiedlich.

Die Partialdrücke p_(i1) und p_(i2) sind die Drücke der Inerten im Tank 1 und Tank 2.

Das Volumen V₁ entspricht bei einem Auffüllen des Tank 1 dem getankten Flüssigkeitsvolumen.

Da sich über dem Benzin mehrheitlich nur Luftanteile und Benzinanteile befinden, gilt nach DALTON folgende Gleichung:

p_(i) = p_(gesamt) - P_(Benzin). (2)

Bei Kenntnis der Partialdrücke über den Flüssigkeiten können also die Partialdrücke p_(i) der Inerten nach Gleichung (2) berechnet werden.

Gleichung (2) zeigt weiter, daß, wenn die Partialdrücke des Benzines sich ändern, auch die Partialdrücke der Inerten p_(i) sich entsprechend ändern werden. Der Gesamtdruck p_(g) bleibt bei den üblichen Betriebsbedingungen konstant, nämlich ca. 1 bar bis 1 atm je nach Aufstellungsort der Tankanlage und den momentanen Wetterbedingungen.

Entsprechend dem Gedanken der Erfindung ergibt sich also durch die betriebsbedingte Verdunstung der Leichtsieder im Tank 1 ein erhöhter Partialdruck p_(i) der Inerten. Somit entsteht nach Gleichung (1) eine Volumenzunahme bei der Gasrückführung.

Während der Dampfdruck des Benzin im Tank 2 vom Lieferanten aufgrund der Kenntnis der Benzinzusammensetzung ermittelt werden kann, hängt der Dampfdruck des Benzin im Tank 1 von dem Betrieb des Fahrzeuges und der Kraftstoffanlage im Fahrzeug ab. Erfindungsgemäß nach den Ansprüchen (4) und (5) gibt es mehrere Möglichkeiten, die nicht bekannten Partialdrücke im Tank 1 zu ermitteln.

Ein solches Verfahren führt über die Messung der Sauerstoff anteile über dem Benzin. Sauerstoff Analysaten vom Typ 755, die auf den paramagnetischen Eigenschaften von Sauerstoff basieren, werden von der Fa. Rosemount GmbH in Weßling angeboten. Aufgrund des Sauerstoffanteiles ist auch der entsprechende Luftanteil bekannt. Dieser Luftanteil kann in Volumen-% oder Gewicht-% und in m_(i) als kg/m³ umgerechnet werden.

Unter Verwendung dieser Größe gilt die folgende Gleichung:

p_(i) = m_(i) _*R_(i) _*T_(i)/V. (3)

Wird das Volumen V = 1 gesetzt, so kann über eine Sauerstoff messung der Partialdruck der Inerten bei der Tankkammer 1 und 2 berechnet werden. R_(i), die Gaskonstante der Luft, und T_(i) sind jeweils bekannt.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung oder Kontrolle der Partialdrücke besteht über eine Messung der organischen Anteile mittels Flammionisationsdetektor (FID).

Bei einer Auswertung der Analysen erhält man ebenfalls eine Benzinkonzentration m_(b), angegeben als kg/m³.

Unter Verwendung dieser Größe gilt die folgende Gleichung:

p_(b) = m_(b) _*R_(b) _*T_(b)/V. (4)

Die Gaskonstante R_(b) der Benzindampfmischung ist nicht konstant und hängt von der Zusammensetzung der Benzindämpfe über der Flüssigkeit und deren mittlerem Molekulargewicht ab. Allgemein enthalten diese Dämpfe ca. 60-80% C4 und als Rest eine Mischung aus C5 bis C8. Überschlägig kann mit einem mittleren Molekulargewicht von 65 kg/Mol gerechnet werden.

Die Partialdruckbestimmung mittels FID ist also ohne die Kenntnis des mittleren Molekulargewichtes der Benzindämpfe nicht so genau als die Methode über die O₂-Messung.

Mittels Gleichung (1) läßt sich also das Volumen V₂ des rückgeführten Gases berechnen. Mittels der gezeigten Gleichungen (2)-(4) ist es möglich, die Variablen in Gleichung (1) zu ermitteln.

Der mögliche Volumenüberschuß V₃ läßt sich nach der folgenden Gleichung berechnen:

V₍₃₎ = V₍₂₎ - V₍₁₎. (5)

Dieses bei der Gasrückführung überschüssige Volumen ist im allgemeinen gesättigt. Es kann aus dem Tankstutzen 6 oder der Entlüftungsleitung 13 in die Atmosphäre entweichen.

Für die mit dem Volumen freigesetzte Emission gilt die folgende Gleichung:

m_(b3) = k_*p_(b2) _*V₍₃₎/R_(b) _*T_(b3). (6)

Mit k ist der Sättigungsfaktor beschrieben. Bei einer Entlüftung über den Tank 2 beschreibt er die Sättigung in diesem Tank, von der Große kleiner/gleich 1.

Ist das Volumen V₃ negativ, so entstehen unter den gegebenen Bedingungen eines Tankvorganges keine verfahrensbedingten Emissionen.

Die Höhe der Emission läßt sich also für den üblichen Tank vorgang mit Gleichung (6) berechnen. Um diesen Anteil m_(b3) sind also die Restemissionen, die bei einem Tankvorgang mit der bekannten Technik ermittelt wurden, zu reduzieren, wenn man verschiedene Verfahren miteinander vergleichen will. Aufgrund des gerechneten Beispieles beträgt dieser verfahrens bedingte Anteil, über den Jahres Mittelwert gerechnet, bereits 0,151 g bezogen auf einen Liter Benzin.

Wie oben erwähnt, gilt das Berechnungsverfahren für das übliche Volltanken.

Bei einem Tankvorgang wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Tank 1 nur bis auf das Niveau 9 aufgefüllt. Darüber befindet sich ebenfalls ein Dampf-/Luftgemisch mit dem Volumen Vr, welches den oben geschilderten Gesetzen und den Stoffaustauschvorgängen unterliegt.

Durch das Nachfüllen von Benzin hat sich also auch der Partial druck p_(b) des Benzin im Tank 1 geändert. Dadurch ist der Partialdruck p_(i) der Inerten entsprechend Gleichung (2) gesunken.

Also unterliegt auch das im Tank 1 verbliebene gasförmige Restvolumen Vr den Gesetzen nach Gleichung (1).

Es kann sich also ausdehnen, und über den Stutzen 6 mittels Druckausgleich entweichen.

Die Volumenvergrößerung errechnet sich also nach Gleichung (1) und die verfahrensbedingte Volumenfreisetzung über die Gleichung (5). Die entsprechenden Emissionen dieser Volumenvergrößerung sind zu den Emissionen aus der verdrängenden Wirkung des Benzinzulaufes zu addieren.

Die Größe des Volumens Vr über dem Niveau 9 läßt sich rechnerisch und meßtechnisch für den laufenden Tankvorgang schwer erfassen. Die Anwendung der Gleichung (1) auf das Volumen Vr zeigt aber, daß durch die Stoffaustauschvorgänge wegen der vergleichbaren Druckparameter p₍₁₎ und p₍₂₎, dieses Restvolumen Vr verfahrensbedingte Emissionen erzeugt, die in der gleichen Höhe liegen, wie die durch die verdrängende Wirkung des umgefüllten Benzin.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist es sinnvoll, bei vergleichbaren Untersuchungen von Gasrückführsystemen die Pkwtanks vollzutanken.

Im praktischen Tankbetrieb ist es zur Minimierung der verfahrensbedingten Emissionen sinnvoll, das Fahrzeug voll zu tanken.

Ein entsprechender Hinweis in der Betriebsanleitung für das Fahrzeug kann lauten:

"Beim Tanken mit Gasrückführsystemen ist es sinnvoll, zur Reduzierung der Emissionen, den Tank bis zur automatischen Abschaltung durch die Zapfpistole anzufüllen." Dieser Hinweis kann zum Schutze der Umwelt erfindungsgemäß auch an den Tankstellen angebracht werden.

Die entsprechende Betankung, nämlich "Volltanken", ist bei vergleichenden Untersuchungen von Gasrückführsystemen zur Reduzierung der Fehlerquellen sinnvoll.

Die beschriebene Erfindung zeigt ein Berechnungsverfahren, um die verfahrensbedingte Restemission eines Tankvorganges mit Gasrückführung zu berechnen und zu bewerten.

Dieses Verfahren ist heute z. B. für die Schweiz aus Wettbewerbsgründen von Bedeutung. Bei der Installation der Gasrückführsysteme besteht die gesetzliche Forderung nach 90% Wirkungsgrad. Während bestimmte amerikanische Komponenten und Verfahren ohne entsprechende Prüfung zugelassen wurden, so können die neuen, noch nicht zugelassenen Aktivsysteme diese geforderte Abscheideleistung ohne die vorliegende Erfindung nicht nachweisen. Sie wären also chancenlos.

Die Erkenntnis oder Folgerung aus der Erfindung, nämlich "Volltanken" ist für die Allgemeinheit von Bedeutung, weil hierdurch kostenfrei die Umweltbelastung reduziert wird.

Die Erfindung wurde anhand des Betankens von Fahrzeugen mit Ottokraftstoff erläutert. Sie gilt in gleicherweise und ist in gleicherweise beim Befüllen und Auffüllen von industriellen Tanklagern mit anderen Flüssigkeiten und Gemischen von Flüssigkeiten anwendbar.

Beispiel

Fig. 2 zeigt den Verlauf des Dampfdruckes in mbar von 3 Benzingemischen mit jeweils abnehmenden Leichtsiederanteilen, aufgetragen über der Temperatur.

Mischungsverhältnis der konstanten Anteile

Gew.-%
C6
20
C7	40
C8	40

Benzinzulauf
Kurve C4: 10
Dampfdruck bei 37,5°C	ca. 0,8 bar

Zusammensetzung einer Winterqualität

Gew.-%
C4
10
C5	10
C6	16
C7	32
C8	32

Benzinzulauf
Kurve C4: 7,5
Dampfdruck bei 37,5°C	ca. 0,65 bar

Zusammensetzung einer Sommerqualität

Gew.-%
C4
7,5
C5	7,5
C6	17
C7	34
C8	34

Restbenzin
Kurve C4: 3,5
Dampfdruck bei 37,5°C	ca. 0,42 bar

Zusammensetzung für Restbenzin im Tank

Gew.-%
C4
3,5
C5	6,5
C6	18
C7	36
C8	36

1.1 Berechnung der Volumenzunahme unter Berücksichtigung der Jahresmittelwerte
Restbenzin im Tank
Kurve C4: 3,5
Temperatur	20°C
Partialdruck des Benzins	220 mbar
Partialdruck der Inerten	780 mbar
Benzinzulauf @	Temperatur	15°C
Partialdruck des Benzins als Mittelwert der Kurven C4 7,5 und C4 10	340 mbar
Partialdruck der Inerten	660 mbar

Volumenberechnung über Gl. (1)

V₂ = 1_*780/660_*288/293 = 1,1617 m³/m³.

Aufgrund des obigen Zahlenbeispieles werden also im Jahresdurchschnitt bedingt durch die vorgegebenen Betriebsparameter bei idealer Gasrückführung 0,1617 ltr-Gas je ltr Kraftstoff freigesetzt.

1.2 Berechnung der Benzinanteile unter Berücksichtigung der Jahresmittelwerte
Benzinzulauf
Temperatur	15°C
Partialdruck - (Mittel)	340 mbar (ca. 3400 mm WS)
Molekulargewicht des Dampfes	64 kg/Mol
Gaskonstante	13,25 mkp/K,kg

Benzindampfmenge im Abgas nach Gl. (6):

m_(b) = 3400_*1/13,25_*288 = 0,891 kg/m³.

Im austretenden Gas befinden sich also 0,891 kg-Benzinanteile pro m³-Abgas. Auf den ltr Benzin bezogen sind das

0,1617_*0,891 = 0,1512 gr-Benzindämpfe,

welche verfahrensbedingt emittiert werden.

Die vorstehend erwähnte gesetzliche Auflage in der Schweiz mit 90% Rückgewinnung kann also mit den bereits zugelassenen Systemen nicht erfüllt werden.

Bezüglich der neuen, noch nicht zugelassenen Systeme, ist ohne die vorliegende Erfindung für die Hersteller und Betreiber der Anlagen eine Wettbewerbsgleichheit nicht gegeben.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung und unter Berücksichtigung der Teilvolumen im Tank nämlich V₁ und Vr kann die spezifische Volumenentwicklung in Abhängigkeit von der getankten Menge oder dem gezahlten Geldbetrag abgeleitet werden. Das folgende Beispiel 2 zeigt diese Abhängigkeit bei Sommer- und Winterbetrieb. Es wird die für Wohngebiete typische Betankung von kalten Fahrzeugen zugrunde gelegt.

Die Ausbildung des gasförmigen Volumens ist in Fig. 3 graphisch dargestellt und über der Höhe des Tankbeleges in DM (Deutsche Mark) aufgetragen. Als Preis für einen ltr. Benzin ist 1,5 DM angesetzt.

Für den Tankvorgang nach Beispiel 2 werden die folgenden Parameter zugrunde gelegt:

Weitere Annahme

Durch die Vermischung des Restbenzines mit dem Benzinzulauf steigt der Partialdruck im Tank 1 beginnend mit dem Tankbeginn an und es stellt sich in dem Fahrzeugtank über dem eingefüllten Benzin bereits bei einer Tankmenge von 10 ltr oder einem Beleg über 15 DM der gleiche Partialdruck ein wie in dem Bodentank. Wenn die Befüllung mit 40 ltr/min durchgeführt wird, so ist bereits nach 15 sec der Unterschied zwischen den Partialdrücken im Tank 1 und Tank 2 aufgehoben.

Das vorstehende Beispiel und die Abhängigkeiten zeigen also die gasseitige Volumenentwicklung für die typischen Betankungen von wenig gefahrenen Zweit-Fahrzeugen, nämlich das Nachfüllen von Benzin für z. B. 10 DM oder 20 DM in einen noch kalten Fahrzeugtank.

Diese Art des Tanken wird außerdem in den Tankanlagen mit Geldscheinautomat dem Kunden nahegelegt oder aufgezwungen. Das Beispiel zeigt weiter, daß ein Tankvorgang mit einem kalten Fahrzeug und bei nur teilweisem Befüllen eine besonders große Volumenvergrößerung zur Folge hat. Mit Hilfe des Verfahrens zur Berechnung gemäß der Erfindung läßt sich also eindeutig die Empfehlung an den Fahrzeuglenker für die Durchführung eines Tankvorganges ableiten:

"Tanken Sie, wenn Ihr Fahrzeug warm ist. Sie vermeiden zusätzliche Emissionen, wenn Sie voll tanken."
Das Berechnungsverfahren zeigt also, daß die Emissionen eines Tankvorganges von den Tankgewohnheiten der Fahrzeuglenker abhängen und von diesem ganz erheblich beeinflußt werden können. Um diese Emissionen im Interesse der Umwelt zu reduzieren, ist es deshalb erforderlich, die vielen Fahrzeuglenker über die gezeigten Abhängigkeiten zu informieren und zu überzeugen, damit sie dann entsprechend handeln können. Auf diesem Wege und aufgrund des Berechnungsverfahren ist es möglich, zukünftig die Emissionen beim Tanken zu verringern.

Bei einer Auswertung der Graphik in Fig. 3 zeigt sich, daß

- unter den gegenwärtigen Bedingungen beim Betrieb der Kraftfahrzeuge beim Tanken mit Gasrückführung generell ein Volumenüberschuß V₃ entsteht,
- der Überschußanteil gegenüber der eingefüllten Benzinmenge zu Beginn des Tankvorganges aus dem Tank 1 entweicht,
- im Verlaufe des Tankvorganges mit zunehmendem Partialdruck im Tank 1 der momentane Überschuß V₃ gegen null geht.

Aufgrund des Berechnungsverfahren ergibt sich für den Tankvor gang also eine instationäre Gasentwicklung mit einem nahezu konstanten Gasvolumen im Verlaufe des 2 ten Teiles eines Tankvorganges, namlich dann, wenn der Tank voll gefüllt wird.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung bildet das Verfahren zur Berechnung die theoretische Grundlage für ein einfaches Kontrollverfahren zur Überwachen der Funktion der Installationen zur Gasrückführung auf Tankstellen.

Dies gilt für Aktiv- und für Passiv-Systeme.

Aktiv-Systeme, die mit einer konstanten Absaugleistung arbeiten, dürfen im zweiten Teil eines Tankvorganges nicht mehr gasför miges Volumen als das eingefüllte Benzinvolumen absaugen. Zusätzliche Ansaugung von Falschluft gegen Ende eines Tank vorganges und Zufuhr in den Tank 2 wurde dort zusätzliche Atmungsverluste und Benzinemissionen erzeugen.

Der Volumenstrom in der Leitung 13 aus dem Bodentank soll zur Minimierung der Emissionen also für diesen zeitlichen Abschnitt eines Tankvorganges null sein. Aus diesem Grund ist in dem deutschen Verordnungsentwurf festgelegt, daß das zurückgeführte Gas 100-105 Volumenteile bezogen auf 100 Volumenteile getankter Kraftstoff betragen darf.

Nach dem weiteren Gedanken der Erfindung können also diese Betriebsmerkmale von Aktiv-Systemen und damit die Funktion der Anlage durch eine einfache Volumenmessung FIR (flow indication recorder) in der Leitung 13 zeitweise oder permanent überwacht werden. Die Volumenmessung erfolgt z. B. über ein Anemometer. Über einen Vergleich des Meßwertes in einem bestimmten Zeitraum, z. B. 4-8 Stunden mit der verkauften Benzinmenge aus dem Tank 1, kann die Wirkung einer Einrichtung zum Gasrückführung beurteilt werden. Das gemessene Volumen darf in diesem Fall nicht mehr als 5% der getankten Benzinmenge betragen.

Der restliche verfahrensbedingte Volumenüberschuß V₃ entweicht in diesem Fall im Bereich der Zapfpistole. Er wird ausschließ lich von den unterschiedlichen Bedingungen im Fahrzeug bestimmt und kann durch fahrzeugseitige Maßnahmen entscheidend reduziert werden. Ein entsprechendes Verfahren ist unter P 42 05 433.8 als "Verfahren zur Reduzierung der Emissionen beim Tanken" beschrieben.

Passiv-Systeme, bei denen durch einen Druckanstieg im Tank 1 das gasförmige Volumen in den Bodentank gedrückt wird, haben systembedingt an der Zapfpistole keine Falschluftzufuhr. Wegen der Volumenspitzen zu Tankbeginn und der hieraus resultierenden Druckspitzen können Teilmengen an den Dichtgrenzen der Zapfpistole entweichen.

Solange in der Entlüftungsleitung 13 aber keine Falschluft in den Tank 2 angesaugt wird, ist für das Passiv-System aus der Sicht der Umwelt die optimale Gasrückführung gegeben. Diese Bedingung für die Funktion der Gasrückführung kann eben falls durch eine Volumenmessung in der Leitung 13 kontrolliert werden. Der Anzeigewert für das austretende Gas soll dabei kontinuierlich größer null sein. Die Erfassung der Meßdaten kann, wie vorstehend bei den Aktiv Systemen beschrieben, erfolgen.

Im Rahmen von Meß- und Abnahmeverfahren können Undichtheiten im Bereich der Tankkammer 2 eine Rolle spielen. Bei einer Betriebs weise unter Atmosphärendruck und freier Austrittsöffnung in der Leitung 13 sind diese Einflüsse gering. Es ist deshalb sinnvoll die Leitung 13 nicht mit dem bekannten Druck-vakuumventil zu verschließen, wegen des relativ hohen Ansprechdruckes dieses Ventil.

Bei Betrieb mit einem Druck-vakuumventil muß eine kontinuier liche Druckmessung (PI) erfolgen. Durch die Installation einer zusätzlichen, verschließbaren Meßleitung kann der Aufbau größerer Druckunterschiede gegenüber der Atmosphäre im Tank 2 verhindert werden.

Im folgenden wird ein solches Verfahren zur Messung des über schüssigen Gasvolumen im Tank 2 anhand von Fig. 4 beschrieben. Hierzu ist die Entlüftungsleitung 13 mit dem Druckvakuumventil 14 verschlossen.

In dem als Fall A vorgestellten Meßverfahren ist eine weitere Leitung 15 als Verbindung zur Umgebung vorgesehen. Sie ist ebenfalls durch ein verstellbares Ventil 16 geschlossen, das von Hand oder mechanisch betätigt werden kann.

Das gasseitige Volumen im Tank 2 ist also konstant. Der Druck in dem geschlossenen Tank 2 wird z. B. an der Druckmeßstelle PI in der Entlüftungsleitung 13 gemessen.

Bei einem Auftreten von überschüssigem Volumen infolge der Gaspendelung bildet sich in dem geschlossenen Tank ein Überdruck aus. Dieser Druckanstieg ist eindeutig definierbar. Kleine Druckunterschiede können exakt gemessen werden. Der Druckanstieg ist eine reine Funktion der zusätzlichen zugeführten Luftanteile und der gegebenen Sättigung des Benzindampf-/Luftgemisches aus dem Tank 1.

Für den Druckanstieg in dem geschlossenen Tank 2 bzw. für den Partialdruckanteil des überschüssigen Gasgemisch gilt nach DALTON:

V_* _(delta)p = (m_i _*R_i + m_b _*R_b) T.

Für die Volumenentwicklung im offenen Tank 2 bzw. für das tatsächliche Volumen des überschüssigen Gasgemisch bei Atmosphärendruck gilt nach DALTON:

_(delta)V_*p = (m_i _*R_i + m_b _*R_b) T.

In beiden Gleichungen ist die rechte Seite identisch, somit gilt für die Umrechnung der Druckdifferenz bei einem geschlossenen System in die Volumenentwicklung eines offenen System:

_(delta)V = V_* _(delta)p/p. (7)

Das Volumen V ist der Freeboard im geschlossenen Tank 2. Die Druckdifferenz _(delta)p wird über einen bestimmten Zeitraum gemessen, in welchem eine bekannte Benzinmenge getankt wurde. Der Druck p ist der barometrische Gesamtdruck in der Umgebung.

Zur Durchführung einer Messung wird, wie in Fig. 4 dargestellt, die Entlüftungsleitung 13 verschlossen.

Für den Fall A der einfachen Kontrollmessung wird die Druckdifferenz über einen bestimmten Zeitraum z. B. während der Entnahme von 500 ltr Benzin gemessen. Das gasseitige Volumen V im Tank 2 ist das Volumen V_o vor Tankbeginn zusätzlich dem entnommenen Benzinvolumen V_b z. B. insgesamt 10 m³. Eine Kontrol le kann vor und nach der Druckmessung über die Füllstandsmessung erfolgen.

Der barometrische Gesamtdruck p ist bekannt. Erfindungsgemäß kann also über die Abhängigkeit der Gleichung (7) aufgrund einer einfachen Druckmessung (z. B. 25 mmWS) der sich ergebende Volumenüberschuß bei Öffnen des Ventiles 16 berechnet werden. Bei den oben angegebenen Daten und einem Umgebungsdruck von 100 kPa errechnet sich ein Gasvolumen von 25 ltr also gerade 5% des getankten Flüssigvolumen. Nach der Messung wird durch Öffnen des Ventiles 16 die Atmos phäre im Tank 2 wieder auf den Ausgangsdruck entspannt.

Dieses durch die Druckmessung einfache Meßverfahren ist speziell für die erstmalige und wiederkehrende Kontrolle der Installation auf den Tankstellen geeignet. Diese Kontrollen werden gemäß dem deutschen Verordnungsentwurf notwendig.

Durch die Verwendung dieses einfachen Meßprinzipes ist es möglich, bei Inbetriebnahme der Anlage die rückgeführte Gasmenge richtig einzustellen und den Funktionsnachweis gemäß § 6 der Verordnung zu bringen.

Ein ansteigender Druck in der Leitung 13 zeigt, daß eindeutig nicht zu wenig Gas zurückgeführt wird. Ein negativer Druckgradient zu Beginn einer Messung ist demnach ein Hinweis, daß die Emissionen an der Zapfpistole durch eine erhöhte Absaugleistung verringert werden können.

Die mathematische Ableitung der Zusammenhänge zwischen meßbaren, kleinen Druckänderungen und daraus entstehenden überschüssigen Gasvolumen hat für die Anlagenbauer und -betreiber den Vorteil, daß klare Leistungsgarantien formuliert und bei Inbetriebnahme kontrolliert werden können.

Mit dem beschriebenen Meßprinzip ist es auch möglich, das theoretisch berechnete überschüssige Gasvolumen zu messen. Bei diesem als Fall B dargestellten Meßverfahren ist die Leitung 17 zur Umgebung als volumetrische Meßstrecke ausgeführt. Hierzu ist in die Leitung ein Stellventil 18 und eine Absaugpumpe 19 eingebaut. Zur Erzeugung einer meßbaren Geschwindigkeit wird das überschüssige Gasvolumen bei Öffnen des Ventiles mittels einer Pumpe solange abgezogen, bis der Ausgangsdruck im Tank 2 wieder erreicht ist. Anschließend wird das Ventil 18 in der Leitung 17 beim Abstellen der Pumpe wieder geschlossen.

Die Betriebszeit der Pumpe oder eine Volumenmessung FI in der Leitung 17 z. B. mittels Anemometer ergeben den direkten Wert für das überschüssige Gasvolumen.

Die Kontrollmessung unter B ist gegenüber der Messung im Fall A etwas aufwendiger. Die Messung unter B liefert aber einen Meß wert der bereits als Volumen angegeben wird. Durch die Messung über mehrere Tankvorgänge und die Zuordnung des Meßwertes zu der verkauften Benzinmenge kann dieser Wert für die Regelung der zurückgeführten Gasmenge verwendet werden.

Der Abzug des überschüssigen Volumens in Abhängigkeit von der Druckdifferenz, wie in dem Fall B geschildert, kann auch bei der Gasrückführung mittels Passivsystem verwendet werden. Momentan läuft in Europa die Diskussion, die Zapfpistole mittels eines Bajonett Verschlusses gasdicht mit dem Fahrzeugtank 1 zu verbinden. Aufgrund der vorstehenden Berechnungen kann man sagen, daß in diesem Fall sich in Abhängigkeit von Tankgewohnheit, Tageszeit, Kraftfahrzeugtyp . . . ein unterschied licher Volumenüberschuß in dem Tank 2 einstellen wird. Dann ist das unter B geschilderter Verfahren besonders geeignet, den Druck im Tank 2 zu kontrollieren, den Volumenüberschuß zu messen und das überschüssige Gas einer weiteren Reinigung zuzuführen.

Durch den Abschluß der Entlüftungsleitung 13 in Verbindung mit der Gasrückführung und mit einem Meßverfahren, das eine Druckregelung beinhaltet, kann eine weitere Reduzierung der Emissionen an Kohlenwasserstoffen erreicht werden.

Bei barometrischen Druckschwankungen werden in Deutschland infolge der Tankatmung tausende Tonnen Benzin und Benzol auf Tankstellen freigesetzt. Als Technikfolge der Gasrückführung wird der Benzingehalt in der Tankatmosphäre teilweise erheblich zunehmen. Somit ist zukünftig mit einer Zunahme der Atmungs verluste zu rechnen.

Erfindungsgemäß können diese Verluste auf Tankstellen mit Gasrückführung durch eine kontinuierliche Regelung des Druckes im Tank 2 vermieden werden.

Bei einem Absinken des Luftdruckes entsteht zwar im Tank 2 ein Überdruck und es strömt mehr Gas aus. Aber in der anschließenden Wetterperiode mit Luftdruckanstieg steigt der Druck im Tank 2 langsamer an. Bei einem Betrieb mit Gasrückführung kann vorübergehend von dem insgesamt vorhandenen Volumenüberschuß V₃ mehr in den Tank 2 zurückgeführt werden. Hierdurch reduzieren sich insgesamt die Emissionen aus dem Tanken.

Im Falle der Regelung der Gasrückführung über die Druckmessung im Bodentank können also die Emissionen aus der barometrischen Druckänderung ausgeglichen werden.

Unter Verwendung des Berechnungsverfahren ist es also möglich, die Funktion der einzelnen Anlagen einfach zu überwachen.

Man rechnet in Deutschland mit der Installation von Anlagen zur Gasrückführung für ca. 120 000 Zapfpistolen. Im Falle der Aktiv- Systeme treten sicherlich technische Störungen durch Leckagen an den gasseitigen Ventilsitzen auf, wenn über eine gemeinsame Gaspumpe 7 mehrere Zapfpistolen bedient werden. Diese Undicht heiten können über die vorstehend beschriebene Sauerstoffanalyse und zwar der Falschluft in der Gasrückführleitung hinter dem Ventil herausgefunden werden.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die systembe dingte Volumenvergrößerung V₃ eines Tankvorganges zu ermitteln, die systembedingten Emissionen zu berechnen und deshalb verschiedene Verfahren vergleichend zu bewerten.

Es ist weiter möglich, die Abhängigkeiten bei der Bildung der Emissionen aufzuzeigen und damit die Basis für eine breite Information zur Reduzierung der Emissionen zu schaffen.

Die rechnerische Bewertung der Gasrückführsysteme hat gegenüber den praktischen Emissionsmessungen des TÜV Rheinland den Vorteil, daß die systembedingten Abhängigkeiten wie Volumen zunahme und instationärer Volumenstrom erkannt werden und dadurch ein einfaches Kontroll- und Meßverfahren in den Tankanlagen mit Gasrückführung verwendet werden kann.

Die Kombination der aufgezeigten Meß- und Regeltechnik mit der Anlagentechnik zur Gasrückführung bringt eine wesentliche Verringerung der Atmungsverluste auf Tankstellen. Dies ist besonders wichtig, da sich als Folge der Gaspendelung die Benzingehalte in der Atmosphäre der Lagertank teilweise verdoppeln werden.

Claims

1. Verfahren zur Bewertung von Gasrückführsystemen in Betankungsanlagen und zur Berechnung der durch die äußeren Betriebsparameter bedingten Emissionen, dadurch gekennzeichnet, daß

- die gasseitige Volumenentwicklung des durch das eingefüllte Benzin verdrängten Gasvolumen,
- ausgehend von einem Zustand 1 und einer Gaszusammensetzung in dem leeren Tank über dem Restbenzin,
- bei einem Zustand 2 und nach der Sättigung über dem Benzin im Lagertank, berücksichtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß

- bei der physikalischen Betrachtung des Vorganges, das Verhalten der inerten Anteile berücksichtigt wird,
- das Verhalten der inerten Anteile mit der allgemeinen Gasgleichung und dem Gesetz von DALTON beschrieben wird und
- hieraus für die Volumenentwicklung die folgende Gleichung V₍₂₎ = V₍₁₎ _*p_(i1)/p_(i2) _*T_(i2)/T_(i1) (1)abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch (1-2), dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck p_(i) der Inerten über den Partialdruck des Restbenzin p_(b) nach der Gleichung p_(i) = p_(gesamt) - P_(Benzin) (2)berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch (1-3), dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck p_(i) der Inerten über die meßtechnische Ermittlung der Luftanteile z. B. mittels Sauerstoffmessung und über die Berechnung nach der Gleichung p_(i) = m_(i) _*R_(i) _*T_(i)/V (3)ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch (1-4), dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Benzines über die meßtechnische Ermittlung der Benzinanteile z. B. mit einem Verfahren nach FID und nach der Gleichung p_(b) = m_(b) _*R_(b) _*T_(b)/V (4)berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch (1-5), dadurch gekennzeichnet, daß das überschüssige Volumen V₃ eines Tankvorganges als die Differenz zwischen dem Volumen im Zustand 2 und dem getankten Benzinvolumen V₁ nach der Gleichung V₍₃₎ = V₍₂₎ - V₍₁₎ (5)berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch (1-6), dadurch gekennzeichnet, daß die Emission m_(b3) eines Tankvorganges infolge eines überschüssigen Volumen V₃ mit Hilfe des Partialdruckes des frischen Benzines p_(b2) nach der Gleichung m_(b3) = k_*p_(b2) _*V₍₃₎/R_(b) _*T_(b3) (6)berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch (1-7), dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Tankvorgang mit nicht vollständiger Befüllung des Tankes, auch die gasseitige Volumenentwicklung des Teiles im leeren Tanke berücksichtigt wird, der nicht durch das eingefüllte Benzin verdrängt wird.

9. Verfahren nach Anspruch (1-8), dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenentwicklung und die damit verbundene Emission unter Verwendung der Gleichungen (1)-(6) berechnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch (1-9), dadurch gekennzeichnet, daß die sich gemäß Anspruch (9) ergebenden Emissionen zu den Emissionen durch die verdrängende Wirkung des eingefüllten Benzines addiert werden.

11. Verfahren nach Anspruch (1-10), dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse und Erkenntnisse aus dem Berechnungsverfahren für den praktischen Tankbetrieb verwendet werden und der Fahrzeughalter oder Tankstellenkunde über die Betriebsanweisung im Handbuch des Kraftfahrzeuges und/oder für die Betankungsanlage auf die Möglichkeit zur Emissionsverminderung durch Volltanken verwiesen wird.

12. Verfahren nach Anspruch (11), dadurch gekennzeichnet, daß der betreffende Personenkreis auch auf die Möglichkeit der Emissionsverminderung durch die Betankung eines warmen Fahrzeuges verwiesen wird.

13. Verfahren nach Anspruch (1-12), dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse und Erkenntnisse aus dem Berechnungsverfahren für den praktischen Tankbetrieb und zwar zur Überwachung der Anlagenfunktion verwendet werden und durch den Einbau einer Volumenmessung in die Entlüftungsleitung des Erdtankes (Tank 2) die Funktion des Gasrückführsystems überwacht wird.

14. Verfahren nach Anspruch (1-13), dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Volumenbestimmung die Entlüftungs leitung z. B. mit einem Druckvakuumventil verschlossen wird, die Bestimmung der volumetrischen Überschüsse als Folge der Gaspendelung über eine Druckmessung in dem gasförmigen Tankvolumen erfolgt und die Volumendifferenz entsprechend der Gleichung _(delta)V = V_* _(delta)p/p (7)berechnet wird.

15. Verfahren nach Anspruch (1-14), dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des volumetrischen Überschuß durch die Regelung des Druckes in dem Tank erfolgt, der Volumenüberschuß über eine Meßleitung abgezogen wird und das durchgesetzte Volumen in der Leitung gemessen wird.

16. Verfahren nach Anspruch (1-15), dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewertung der Gasrückführung der gemessene Gasdurchsatz in das Verhältnis zum getankten Benzinvolumen gesetzt wird.

17. Verfahren nach Anspruch (1-16), dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der barometrischen Verluste aus der Tankatmung, der Druck im Tank 2 geregelt wird und bei steigendem Luftdruck der zusätzliche Volumenbedarf im Tank 2 durch die zusätzliche Rückführung von Benzindampf-/Luftgemisch aus dem Fahrzeugtank ausgeglichen wird.

18. Verfahren nach Anspruch (1-17), dadurch gekennzeichnet, daß bei Aktiv-Systemen und der Installation von mehreren Zapfpistolen die gasseitige Dichtheit der einzelnen Leitung mittels einer Sauerstoffmessung in der jeweils nicht-benützten Leitung überwacht wird.

19. Verfahren nach Anspruch (1-18), dadurch gekennzeichnet,
daß anstelle von Ottokraftstoffen andere Lösungsmittel oder Gemische derselben umgesetzt werden,
anstelle von Gasrückführsystemen in den Tankanlagen für Fahrzeuge diejenigen andere Lager- oder Transportbehälter betrachtet werden, und
anstelle des Benzindampf-/Luftgemisches die Volumenentwicklung der Gemische der Lösungsmitteldämpfe mit den inerten Anteilen bewertet wird.

20. Vorrichtung zur Anwendung und Durchführung des Verfahrens nach Anspruch (1-20) und zur Behandlung eines überschüssigen Gasvolumens, das besonders bei der möglichen Verwendung des Bajonettverschlusses für die Abdichtung des Tankstutzen auftritt, wobei die Entlüftungsleitung z. B. mit einem Druckvakuumventil verschlossen ist, bestehend aus,

- einer Druckanzeige in dem Tank 2,
- einer Regelung dieses Druckes über eine weitere Entlüftungs leitung mit einem verstellbaren Ventil zur diskontinuierlichen Abfuhr des überschüssigen Volumens oder
- einer Regelung des Druckes über eine Entlüftungsleitung mit einer volumetrischen Volumenmessung, wobei zur Abfuhr des überschüssigen Volumens und zur Unterstützung des Förderstromes in die Leitung eine Förderpumpe für Gase eingebaut ist.