Gasbetankungsgerät für Kraftfahrzeuge

Abstract

 Bei diesem Gasbetankungsgerät für Kraftfahrzeuge sind eine Kompressoreinheit (2, 3), eine Gasverteilereinheit (10, 7, 8, 9, 27, 6, 5) und eine Steuerung (11) im Innern eines Gehäuses (1) und aussen eine Bedienungseinheit (21a, 21b) untergebracht. Zur Betankung von Kraftfahrzeu­gen durch Privatpersonen ist ein Konzept entwickelt wor­den, in dem mindestens ein Temperatursensor (22) und ein Drucksensor (16) Messwerte an eine Steuereinheit (20) liefern, die mit gespeicherten und entsprechend den wech­selnden Umgebungs- und Betriebsbedingungen angepassten Sollwerten versehen ist, wobei eine Steuerung (11) Schaltmittel und Signalgeber aufweist, welche beim Abwei­chen von Istwerten von ihren Sollwerten den Betriebszu­stand des Gasbetankungsgerätes ändern. Die Betriebszu­stände sind so gewählt, dass sich das Gerät bei schwer­wiegenden Fehlmanipulationen und Ausfall von Komponenten selbst blockiert und nur mit Hilfsgeräten wieder in Be­triebsbereitschaft zu bringen ist. Entscheidend für den Gebrauch durch Privatpersonen ist die ständige automati­sche Korrektur der Sollwerte für die zulässigen Abwei­chungen der thermodynamischen Zustandsgrössen während des Betankungsvorganges, welche in Kombination mit anderen Sicherheitsmassnahmen die unmittelbare Präsenz neben dem Gerät nicht notwendig macht und z.B. ein nicht vom Benut­zer überwachtes Betanken über Nacht ermöglicht.

Beschreibung

[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 p_maxin 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.

Ansprüche

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 p_max = a + b . T im Bereich T ≦ T_* und nach der Formel p_max = 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.

Zeichnung