[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasbetankungsgerät für Kraftfahrzeuge mit Kompressoreinheit,
Gasverteilereinheit, Steuerung und Bedienungseinheit. Gasbetankungsgeräte für Kraftfahrzeuge
werden vorläufig im Versuchsbetrieb in Gebieten mit billig erhältlichem Erdgas eingesetzt.
Die Kraftfahrzeuge werden mit einer Umschalteinheit für Gasbetrieb und mit einem
Drucktank, der Drücke bis 200 bar zulässt, ausgerüstet und mit komprimiertem Gas betankt.
Komponenten zu solchen Tankstationen sind in den folgenden Patentgesuchen enthalten:
- Sulzer-Patentgesuch CH 02810/87-0
- Sulzer-Patentgesuch CH 00582/88-0
- Sulzer-Patentgesuch CH 02209/88-9
- Sulzer-Patentgesuch CH 04560/86-6
- Honeywell-Lucifer-Patentgesuch CH 00882/88-0.
[0002] Den aufgeführten Anmeldungen ist gemeinsam, dass es sich um Komponenten, wie Kompressoren,
Ventile, Steuerungselemente und Bauteile handelt, die Teillösungen für die Herstellung
von seriemässigen Betankungsgeräten darstellen. Sie sind noch nicht in einem Konzept
zusammengefasst, das die Veränderung der thermodynamischen Eigenschaften des Gases
in Abhängigkeit von den äusseren Bedingungen berücksichtigt, noch decken die Sicherheitsmassnahmen
am Gerät selbst einen Gebrauch durch ungeübte Privatpersonen ab.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Konzept für die Verknüpfung von Manipulationen
und der Steuerung an einem Gasbetankungsgerät für Kraftfahrzeuge zu entwickeln, das
die Vermietung von seriemässigen Gasbetankungsgeräten an Privathaushalte möglich macht,
ohne dass eine unnötige Gefährdung von Menschenleben und Eigentum und/oder rechtlich
unklare Situationen zwischen Vermieter und Mieter entstehen. Dies bedingt, dass im
Gasbetankungsgerät Kriterien vorhanden sind, nach denen Fehlmanipulationen und wechselnde
Randbedingungen beim Betanken selbsttägig beurteilt werden, um das Gerät zwangsläufig
und jederzeit in einem der Situation angepassten Betriebszustand zu halten.
[0004] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst, indem das Gasbetankungsgerät mindestens
je einen Temperatursensor und einen Drucksensor mit Verbindungen zu einer Steuereinheit
aufweist und die Steuereinheit Sollwertspeicher für den Bereich der zulässigen Werte
der Signale mindestens des einen Temperatursensors und des einen Drucksensors umfasst
und mit Mitteln zum Vergleich der Istwertsignale mindestens dieses einen Temperatursensors
und dieses einen Drucksensors mit den Sollwerten versehen ist, und indem die Steuerung
Schaltmittel und Signalgeber aufweist, welche beim Abweichen von Istwerten von ihrem
Sollwertbereich den Betriebszustand des Gasbetankungsgerätes ändern.
[0005] Es werden beispielsweise die vier Betriebszustände Betrieb, betriebsbereit, nichtbetriebsbereit
und Servicemode vorgesehen, die sich dadurch unterscheiden, dass der Benutzer jederzeit
mit einem Startsignal den Uebergang aus dem Zustand betriebsbereit in den Zustand
Betrieb und mit einem Stoppsignal den Uebergang aus dem Zustand Betrieb in den Zustand
betriebsbereit bewirkt, während er den Uebergang von nichtbetriebsbereit in betriebsbereit
nur indirekt durch Beseitigen der von der Steuerung angezeigten Mängel erreicht.
Die Steuerung ändert selbsttätig vom Zustand Betrieb in den Zustand betriebsbereit,
wenn ein höchster, von der Aussentemperatur abhängiger Betankungsdruck erreicht ist,
während die Verletzung von Randbedingungen, wie z.B. das Schliessen eines Absperrventils
in der Gasanschlussleitung, den Zustand nichtbetriebsbereit auslöst. Alle schwerwiegenden
Veränderungen, wie das Ueberschreiten eines zulässigen Sollwertbereiches für Druckänderungen
und/oder das Versagen von Komponenten des Gerätes, führen zum Uebergang in den Betriebszustand
Servicemode durch die Steuerung, wobei dieser Zustand nur mit Hilfsgeräten durch
ausgebildetes Personal wieder in den Zustand betriebsbereit zurückversetzt werden
kann.
[0006] Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine konsequente Ueberwachung des Betankens
erst dadurch möglich wird, dass in kurzen Zeitabständen Soll/Istwertvergleiche zwischen
Drücken und Temperaturen vorgenommen werden, wobei die zulässigen Sollwerte entsprechend
der Entwicklung der vorangehenden Messungen korrigiert werden. Durch den kurzen Zeitabstand
und die Ueberwachung der Aenderungen des Gradienten einer Funktion sind sehr schnelle
Reaktionen möglich. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei niedrigen Drücken zu
Beginn des Betankens der Nichtdruckanstieg überprüft wird, um nicht angeschlossene
oder defekte Tankschläuche zu detektieren und eine Zwangabschaltung zu veranlassen.
Um die Umgehung von Servicearbeiten an der Kompressorbaugruppe zu verhindern, sind
die Betankungsgeräte mit Betriebsstundenzählern ausgerüstet, deren Zählspeicher als
Bestandteil vom Kompressor mit dem Kompressor ausgebaut wird und nur mit Hilfsgeräten
auf Null zurückgesetzt werden kann. Durch eine voreingestellte Begrenzung der Betriebsstunden
pro Kompressor, nach deren Ueberschreitung sich das Gerät selbständig blockiert,
wobei Vorwarnungen erfolgen und die effektive Betriebsstundenzahl abrufbar ist, wird
die Kontrolle über die Geräte sichergestellt. Als vorteilhaft hat sich weiterhin erwiesen,
beim Start eines Gasbetankungsgerätes das Schaltverhalten von Elementen des Gasverteilnetzes,
die ausserhalb des Gerätes liegen, bei der Auswertung der Ueberwachung mit einzubeziehen.
Weiterhin ist das Verhalten des Gerätes so geregelt, dass kurzzeitige Stromunterbrüche
den Betankungsvorgang nur unterbrechen, während nach längeren Stromunterbrüchen ein
neues Startsignal gegeben werden muss. Somit gelingt es mit der Erfindung, ein seriemässiges
Gasbetankungsgerät herzustellen, das ein hohes Mass an Sicherheit aufweist, mit den
notwendigen Mess- und Auswertesystemen für die Kompensation der Umgebungseinflüsse
auf die thermodynamischen Zustandsgrössen versehen ist, und für die Verwendung von
Privatpersonen zum Betanken von Kraftfahrzeugen geeignet ist.
[0007] Die Erfindung wird im folgenden anhand von einem Ausführungsbeispiel mit der Zeichnung
näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Gastankungsgerätes,
in der die wesentlichen Komponenten und ihre Verknüpfung für das Durchführen eines
Betankungszyklus aufgeführt sind.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von vier Betriebszsutänden eines Gasbetankungsgerätes
mit den möglichen Uebergängen und den dafür verantwort lichen Auslösern.
Fig. 3 ist ein Diagramm für den maximal zulässigen Betankungsdruck pmaxin Abhängigkeit von der Aussentemperatur T.
Fig. 4 ist ein Diagramm, in dem ein Druckanstieg des Betankungsdruckes p in Abhängigkeit
von der Zeit t während des Betankens dargestellt ist.
Fig. 5 ist ein Diagramm, in dem über der Betankungszeit t mögliche Sollwerte für die
Druckabweichungen des Betankungsdruckes bei konstanten Abfrageintervallen dargestellt
sind.
[0008] In den Figuren ist schematisch ein Gasbetankungsgerät für Kraftfahrzeuge dargestellt,
wobei ausserhalb des Gehäuses 1 ein Betankungsschlauch 8 mit Kupplung 27 und eine
Anzeigetafel 21a mit einem Sensor 22 für die Aussentemperatur T sowie eine Bedienungstafel
21b mit einer Start- und einer Stopptaste angebracht sind, und das Gerät an eine elektrische
Anschlussleitung 4,an eine Gasanschlussleitung 5 und an eine Entlüftungsleitung 6
angeschlossen ist, während innerhalb des Gehäuses 1 der Kompressor 2 mit einem Sensor
für die Kühllufttemperatur 23 und mit einem Speicher 25 für einen Betriebsstundenzähler,
der Elektromotor 3 mit einem Sensor 24 für die Wicklungstemperatur und mit einem
Ventilator für die Kühlluft, eine Gasansaugleitung 9 zum Kompressor 2, eine Gasdruckleitung
7 zum Betanken, verschiedene elektrische Verbindungsleitungen 26 und eine Steuerung
11 mit Steuereinheit 20, mit Berstscheibe 15, mit Sensor 16 für den Betankungsdruck
p, mit Umschaltventil 14, mit Differenzdruckschalter 17, mit Druckbegrenzungsventil
18, mit Entlüftungsdrossel 13 und mit Ansaugfilter 12 angebracht sind.
[0009] Erfindungsgemäss weist das Gasbetankungsgerät je einen Temperatursensor 22 und einen
Drucksensor 16 mit Verbindungen zu einer Steuereinheit 20 auf und umfasst die Steuereinheit
20 Sollwertspeicher für den Bereich der zulässigen Werte der Signale der angeschlossenen
Sensoren und die Mittel zum Vergleich der Istwertsignale mit den Sollwerten. Die Steuerung
11 weist Schaltmittel und Signalgeber auf, welche beim Abweichen von Istwerten von
ihrem Sollwertbereich den Betriebszustand des Gasbetankungsgerätes ändern. Als Betriebszustände
sind nichtbetriebsbereit 33, betriebsbereit 34, Betrieb 35 und Servicemode 36 aufgeführt,
wobei die Wechsel 30 durch Soll/Istvergleiche in der Steuerung 11 ausgelöst werden,
während ein Wechsel 29 vom Servicemode 36 in betriebsbereit 34 nur mit Hilfsgeräten
beim Service vorgenommen werden kann. Der Benutzer löst mit einer Starttaste auf einer
Bedienungstafel 21b den Wechsel 31 von betriebsbereit 34 zu Betrieb 35 aus und mit
einer Stopptaste den frühzeitigen Abbruch des Betankens durch Wechsel 32 zurück in
den Zustand betriebsbereit 34, während er den Wechsel 28 von nichtbetriebsbereit 33
in den Zustand betriebsbereit 34 nur indirekt durch Behebung der von der Steuerung
angezeigten Mängel auslöst. Eine Sollwertkorrektur für den vorgegebenen Maximaldruck
p
max in Abhängigkeit von der Aussentemperatur T beim Betanken zeigt in Fig. 3 einen linearen
Anstieg bis zu einer Temperatur T
* und bei Temperaturen grösser als T
* einen konstanten, dem Druck von T
* entsprechenden Wert.
[0010] Eine Sollwertkorrektur für den Bereich der der zulässigen Druckänderungen für den
Betankungsdruck p während des Betankens wird in Fig. 4 gezeigt mit einem Druckanstieg
in der Zeit von t₀ bis t₂, der gestrichelt für konstante Randbedingungen bis über
die Zeit t₀ + z hinaus dargestellt ist, während die mit den Umgebungsbedingungen
und mit der Betankungszeit veränderlichen Druckabweichungen 37 in einem Zeitintervall
t₂ - t₁ durch unterschiedliche Spreizung des zulässigen Kurvenverlaufs zu den Zeiten
t₀, t₂ und t₀ + z in Fig. 4 angedeutet sind. Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung
für eine laufende Berechnung der Sollwerte für die Druckabweichungen des Betankungsdruckes
während des Betankens, wobei bei konstanter Aussentemperatur und bei Berücksichtigung
des anfänglichen Betankungsdruckes p₀ im Wert B und eines konstanten Abfrageintervalls
t₂ - t₁ die zulässigen Druckabweichungen innerhalb der schraffierten Fläche liegen
müssen. Veränderungen der Aussentemperatur in einem Zeitintervall t₂ - t₁ verschieben
die zulässigen Sollwerte für Druckabweichungen um einen Wert C, der unter anderem
auch vom Druck p₁ zur Zeit t₁ abhängt. Diese Schiebung ist mit den Linien C′ = konstant
und C′′= konstant angedeutet.
1. Gasbetankungsgerät für Kraftfahrzeuge mit Kompressoreinheit (2, 3), Gasverteilereinheit
(10, 7, 8, 9, 27, 6, 5), Steuerung (11) und Bedienungseinheit (21a, 21b), dadurch
gekennzeichnet, dass das Gasbetankungsgerät mindestens je einen Temperatursensor
(22) und einen Drucksensor (16) mit Verbindungen zu einer Steuereinheit (20) aufweist
und die Steuereinheit (20) Sollwertspeicher für den Bereich der zulässigen Werte der
Signale mindestens des einen Temperatursensors (22) und des einen Drucksensors (16)
umfasst und mit Mitteln zum Vergleich der Istwertsignale mindestens dieses einen Temperatursensors
(22) und dieses einen Drucksensors (16) mit den Sollwerten versehen ist, und dass
die Steuerung (11) Schaltmittel und Signalgeber aufweist, welche beim Abweichen von
Istwerten von ihrem Sollwertbereich den Betriebszustand des Gasbetankungsgerätes ändern.
2. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeber
der Steuereinheit (20) in Abhängigkeit von der Abweichung der Istwerte der Sensoren
(16, 17, 22, 23, 24) von den Sollwerten die Schaltmittel (14, 19) derart verschieden
beeinflussen, dass das Gasbetankungsgerät in unterschiedliche Betriebstzustände übergeht.
3. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasbetankungsgerät
selbsttätig mindestens die zwei Betriebszustände Betrieb (35) und Nichtbetrieb einnimmt.
4. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung
(11) im Zusammenwirken von Steuereinheit (20) mit Temperatursensoren (22, 23, 24)
und mit Drucksensoren (16, 17) zwischen vier Betriebsarten nichtbetriebsbereit (33),
betriebsbereit (34), Betrieb (35) und Servicemode (36) unterscheidet, wobei der Zustand
Servicemode (36) nur aufgrund von internen Soll/Istwert-Vergleichen der Steuerung
erreicht wird und nur mit Hilfe von Zusatzgeräten verlassen wird, während der Zustand
nichtbetriebsbereit (33) nach der Behebung von Mängeln durch den Benutzer in den Zustand
betriebsbereit (34) übergeht.
5. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler
Betankungsdruck p von der Höhe der Unmgebungstemperatur T abhängig gemacht wird.
6. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während
des Betankens der Betankungsdruck mit einem Drucksensor (16) ständig gemessen und
mit einem vorgegebenen Maximaldruck verglichen wird und bei dessen Ueberschreitung
zum Abbruch des Betankungsvorganges führt, indem der vorgegebene Maximaldruck nach
der Formel pmax = a + b . T im Bereich T ≦ T* und nach der Formel pmax = a + b . T* im Bereich T > T* bestimmt wird, wobei T die gemessene Aussentemperatur ist, das Vorzeichen vom Koeffizienten
b positiv ist und die Werte von den Konstanten a, b, T* durch die thermodynamischen Zustandsgrössen der verwendeten Gasmischung bestimmt
sind.
7. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsstundenzähler
(25) in dem Gerät eingebaut ist, wobei mindestens die Betriebstundenregistrierung
als fester kohärenter Bestandteil vom Kompressor (2) ausgführt ist, im Zusammenwirken
mit einer Steuereinheit (20) ablesbar ist und nur mit Hilfsgeräten eine Rücksetzung
auf 0 zulässt.
8. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ueberschreiter
einer wählbaren Anzahl von Betriebszustunden eines Kompressors (2) das Gerät ausser
Betrieb setzt.
9. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem
Ueberschreiten einer gewählten Anzahl von Betriebsstunden eine Warnanzeige auf die
bevorstehende Abschaltung aufmerksam macht.
10. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während
des Betankens laufend in Zeitintervallen t₂ - t₁ eine effektive Druckänderung für
den Betankungsdruck mit einer Drucksonde (16) für die Zeit t₂ - t₁ gemessen wird,
mit einem zur Zeit t₂ zulässigen Bereich von Druckänderungen (37) verglichen wird
und bei Abweichungen das Gerät ausser Betrieb setzt.
11. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zulässige
Druckanderungen für die Zeit t₂ aus dem Messwert der Aussentemperatur T₂ mit einem
Temperatursensor (22) zur Zeit t₂ und aus den Messwerten für den Betankungsdruck
t₁ mit einem Drucksensor (16) und der Aussentemperatur T₁ mit einem Temperatursensor
(22) zur Zeit t₁ sowie aus dem Messwert für den Betankungsdruck p₀ mit dem Drucksensor
(16) zur Zeit t₀ bei Tankbeginn von einer Steuereinheit (20) berechnet werden.
12. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die
laufende Berechnung des Sollwertbereiches für die zulässigen Druckänderungen eine
Formel verwendet wird vom Typ
die sich bei konstantem Zeitintervall t₂ - t₁ vereinfacht zu:
mit der Bedingung, dass für t₂> z t₂ = z gesetzt ist, mit den Definitionen:
T: Aussentemperatur
p: Betankungsdruck
t: Zeit
Index 0: Zeitpunkt Beginn des Tankvorganges
Index 1: Zeitpunkt letzte Messung
Index 2: Zeitpunkt neue Messung
Index 2th: neu begrenzter Sollwert
z: Zeitspanne für den ungefähren Temperaturausgleich zwischen Fahrzeugtank und Aussentemperatur
zeitabhängiger Druckanstieg, der sich aus dem Volumen des des Kraftfahrzeugtanks
und dem Fördervolumen des Kompressors ergibt;
maximale relative Druckänderung, die aufgrund eines grössten Temperaturunterschiedes
ΔT
max zu Beginn des Tankvorganges zwischen Fahrzeugtank und Umgebung auftreten darf;
grösste relative Druckänderung, die aufgrund der Veränderung der Aussentemperatur
um ΔT
K mit dem Tagesklima inerhalb von einer üblichen Betankungszeit auftreten darf;
s: Streuungszugabe für Messunsicherheiten, linearisierte Berechnungsvorgänge und schwankende
Gaszusammensetzungen.
13. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor
(16) bei einem Betankungsdruck p< 20 bar in kleinen Zeitintervallen t₂ - t₁ den Nichtdruckanstieg
für den Betankungsdruck p₂ gegenüber p₁ erfasst, dass eine Steuereinheit (20) kontrolliert,
ob p₂ ≦ p₁ zutrifft und bei Zutreffen das Gasbetankungsgerät ausser Betrieb setzt.
14. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer
Bedienungstafel (21b) mindestens ein Startsignal für den Beginn des Tankvorganges
und ein Stoppsignal für den Abbruch des Tankvorganges durch den Benutzer erzeugt wird.
15. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer
Anzeigetafel (21a) mindestens zwei der Betriebszustände nichtbetriebsbereit (33),
betriebsbereit (34), Betrieb (35) und Servicemode (36) angezeigt werden, wobei die
Anzeige erfolgt, sobald das Gerät elektrisch mit Strom versorgt ist.
16. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Start
des Betankungsvorganges von den Messungen der Sensoren (16, 17, 22, 23, 24) und vorgewählten
Vergleichswerten abhängig ist.
17. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass während
des Anlaufens des Gerätes für eine kurze Zeit, die von Elementen des Gasverteilnetzes
ausserhalb des Gerätes abhängig ist, eine Unterdrückung der Auswertung der Messwerte
von Sensoren (16, 17, 22) stattfindet.
18. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankvorgang
entsprechend dem grössten üblichen Tankvolumen von betankten Kraftfahrzeugen zeitlich
limitiert ist.
19. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem
kurzzeitigen Stromausfall während des Betankens im Zustand Betrieb (35) der Betankungsvorgang
fortgesetzt wird bis andere Kriterien zu einer Abschaltung führen und dass bei längeren
Stromunterbrüchen das Gerät sich für eine Stromwiederkehr ausser Betrieb setzt.
20. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit
(20) als digitaler Rechner ausgeführt ist.
21. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem
Ausfall der Funktion von Elementen wie Sensoren, Ventilen und Bauteilen das Gerät
sich in abgeschaltetem Zustand blockiert.
22. Gasbetankungsgerät nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verwendung
an Gasnetzen zum Betanken von Kraftfahrzeugen durch Privatpersonen stattfindet.