DE102006036785A1

DE102006036785A1 - Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Gastank

Info

Publication number: DE102006036785A1
Application number: DE102006036785A
Authority: DE
Inventors: Werner Gruenwald; Thorsten Allgeier; Kai Oertel; Ian Faye; Stephan Leuthner; Jan-Michael Graehn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2008017534A1; US20100162792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Gastank mit einem vorgegebenen Tanknennvolumen, welches mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: (a) Bestimmung eines theoretischen Druckabfalles im Gastank aus einer tatsächlich entnommenen Menge an Gas und Vergleich mit einem gemessenen Druckabfall im Gastank, wobei ein höherer gemessener Druckabfall ein Vorhandensein von Verunreinigungen anzeigt, (b) Bestimmung eines theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens aus gemessenem Druck und gemessener Temperatur im Gastank und Vergleich des theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens mit dem Tanknennvolumen zur Bestimmung eines von vorhandenen Verunreinigungen eingenommenen Volumens.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Gastank mit einem vorgegebenen Tanknennvolumen.
Die Speicherkapazität eines Druckgastanks nimmt bei steigendem Druck und fallender Temperatur zu. Bei Vorhandensein von Verunreinigungen nimmt sie jedoch ab. Solche Verunreinigungen sind zum Beispiel Öl oder Wasser im Druckgastank. Bei Vorhandensein solcher Verunreinigungen steht dem Gas nicht mehr das gesamte Leervolumen des Tanks zur Verfügung. Für die Füllstandsermittlung wie sie derzeit durchgeführt wird, werden der Druck und die Temperatur im Gastank gemessen und daraus wird auf die verbleibende Gasmenge geschlossen. Ist jedoch die tatsächliche Kapazität des Gastanks aufgrund von stehender Flüssigkeit eingeschränkt, wird eine größere Gasmenge berechnet als tatsächlich vorhanden ist. Wird der Gastank zum Beispiel in einem gasbetriebenen Kraftfahrzeug eingesetzt wird dem Fahrer bei vorhandener Verunreinigung ein zu hoher Tankfüllstand bzw. eine zu große Reichweite angezeigt.
Neben Druckgastanks werden auch Sorptionsspeicher eingesetzt. Auch bei Sorptionsspeichern führen Verunreinigungen zu einer Abnahme der Speicherkapazität. Während bei Druckspeichern lediglich flüssige Verunreinigungen, zum Beispiel in Form von langkettigen Kohlenwasserstoffen oder Wasser, die einen Sumpf im Speicher ausbilden, das zur Verfügung stehende Gasvolumen verringern, können bei Sorptionsspeichern auch gasförmige Verunreinigungen die Speicherkapazität verringern, da derartige gasförmige Verunreinigungen zum Beispiel Dämpfe von Wasser, Öl oder anderen langkettigen Kohlenwasserstoffen sich im Tank anreichern. Weiterhin hat das Sorbens eines Sorptionsspeichers auch eine hohe Affinität für Flüssigkeiten und steht dem zu speichernden Gas dann nicht mehr mit der gewünschten Kapazität zur Verfügung.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Gastank mit einem vorgegebenen Tanknennvolumen umfasst mindestens einen der vorliegenden Schritte:

(a) Bestimmung eines theoretischen Druckabfalles im Gastank aus einer tatsächlich entnommenen Menge an Gas, und Vergleich mit einem gemessenen Druckabfall im Gastank, wobei ein höherer gemessener Druckabfall ein Vorhandensein von Verunreinigungen anzeigt,
(b) Bestimmung eines theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens aus gemessenem Druck und gemessener Temperatur im Gastank und Vergleich des theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens mit dem Tanknennvolumen zur Bestimmung eines von vorhandenen Verunreinigungen eingenommenen Volumens.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass bei konventioneller Messung von Druck und Temperatur im Gastank die tatsächliche Menge des im Tank enthaltenen Gases berechnet werden kann. Bei Anwendung der Erfindung in einem Kraftfahrzeug kann so die tatsächlich noch einsetzbare Gasmenge dem Fahrer angezeigt werden.
In einer ersten Ausführungsform wird zur Bestimmung des theoretischen Druckabfalles bzw. zur Bestimmung des theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens die Van-der-Waals-Gleichung für reale Gase
verwendet. Darin bedeutet:

p: = Druck
V: = Volumen
n: = Anzahl der Moleküle
R: = Gaskonstante
T: = Temperatur
a: = Binnendruck des Speichergases
b: = Covolumen des Speichergases.

Der durch Gleichung I berechnete Inhalt des Gastankes entspricht dem Speicherinhalt bei nicht verunreinigtem Tank. Das Tankvolumen wird dabei als konstant angenommen. Der Gasverbrauch wird dadurch bestimmt, dass die Gasmenge zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt wird. Die verbrauchte Gasmenge entspricht der Differenz der zu den beiden Zeitpunkten bestimmten Gasmenge.
Im Unterschied zu einem Drucktank ist bei einem Sorptionsspeicher, bei dem sich zusätzlich ein Sorbens im Tank befindet das freie Gasvolumen kleiner.
Alternativ ist es auch möglich, den theoretischen Druckabfall mit Hilfe eines Realgasfaktors, der die Abweichungen eines realen von einem idealen Gas beschreibt, derart zu berechnen, dass zu einem ersten Zeitpunkt eine im Gastank enthaltene Gasmenge m₁ bestimmt wird und zu einem zweiten Zeitpunkt der theoretisch im Gastank herrschende Druck durch folgende Gleichung berechnet wird:
wobei

m₁: = Masse im Gastank zum ersten Zeitpunkt
m_v: = verbrauchte Masse
M_gas: = Molare Masse des Gases
T₂: = Temperatur im Gastank zum zweiten Zeitpunkt
V_nenn: = Nennvolumen des Gastanks
Z: = Realgasfaktor

Bei dem Realgasfaktor Z handelt es sich um eine stoffspezifische Größe, die die Abweichungen eines realen Gases zum idealen Gas beschreibt und die von Druck und Temperatur abhängig ist. Aus diesem Grund kann Z als Kennfeld zum Beispiel im Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine abgelegt werden und ist damit für jeden sich aus Druck und Temperatur bestimmenden Zustand des Gastanks bekannt.
Um zu bestimmen, ob Verunreinigungen im Gastank vorliegen, wird zu einem ersten Zeitpunkt eine im Gastank enthaltene Gasmenge m₁ bestimmt. Zu einem zweiten Zeitpunkt wird unter Berücksichtigung der Gasmenge m₁ im ersten Zeitpunkt der Druck p₂ berechnet, der nach der Entnahme von einer bekannten Menge an Gas m_v und einer erneuten Temperaturmessung zum zweiten Zeitpunkt theoretisch im Gastank herrscht. Dieser theoretische Druck wird mit einem tatsächlich zum zweiten Zeitpunkt im Gastank herrschenden Druck verglichen. Der tatsächlich im Gastank herrschende Druck wird durch eine Messung bestimmt. Durch die im Vergleich des berechneten theoretischen Druckes mit dem tatsächlich herrschenden Druck kann festgestellt werden, ob das Nennvolumen des Gastanks tatsächlich in vollem Umfang dem Gas zur Verfügung steht. Wenn der zum zweiten Zeitpunkt gemessene Druck kleiner ist als der berechnete Druck, ist der Gastank verunreinigt.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einem gasbetriebenen Kraftfahrzeug eingesetzt wird, so ist es bevorzugt, dass der Realgasfaktor als Kennfeld in Abhängigkeit von Druck und Temperatur in einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine abgelegt ist. In diesem Fall kann vom Steuergerät auf einfache Weise auf den Realgasfaktor zugegriffen werden und der theoretisch im Gastank herrschende Druck berechnet werden.
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kraftfahrzeug wird die tatsächlich verbrauchte Menge an Gas vorzugsweise zum Beispiel aus Daten der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Die Daten, aus denen die tatsächlich verbrauchte Menge bestimmt wird, sind Einspritzzeit, Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, Einspritzdruck und Einspritztemperatur. Die Einspritzzeit ist dabei der Zeitraum, in dem Gas in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine während eines Taktes eingespritzt wird.
Mit den Daten der Verbrennungskraftmaschine lässt sich die tatsächlich verbrauchte Menge an Gas für einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zum Beispiel nach folgender Gleichung berechnen:
wobei

m ._KS: = Massenstrom pro Zylinder in kg/h
m ._KS0: = stationärer Massenstrom durch den vollständig geöffneten Injektor in kg/h
T₀: = Referenztemperatur = 273 K
T_KS: = Absolute Gastemperatur in K
p₀: = Referenzdruck = 1,013 bar
p_KS: = Gasdruck am Injektor in bar
t_i: = Einspritzzeit in ms
n_mot: = Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine in l/min

Um den Gesamtmassenstrom für alle Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zu bestimmen muss der nach Gleichung III berechnete Massenstrom mit der Anzahl der Zylinder multipliziert werden.
Zur Bestimmung der verbrauchten Gasmasse kann der nach Gleichung III berechnete Gasmassenstrom über die Zeit integriert werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die von der Verbrennungskraftmaschine verbrauchte Gasmasse auch über die Erfassung der Luftmasse, die zur Verbrennung benötigt wird, und die Luftzahl λ ermittelt werden. Die tatsächlich zugeführte Luftmasse wird zum Beispiel mit einem Heißfilmluftmassensensor gemessen und liegt als Information im Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine vor. Das Verhältnis des tatsächlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird über eine Lambdasonde aus der Sauerstoffkonzentration im Abgas gemessen. Um eine Luftzahl λ = 1 zu erzielen, werden zum Beispiel zur vollständigen Verbrennung von 1 kg Methan 17,2 kg Luft benötigt. Die für die vollständige Verbrennung benötigte Luftmenge von Gasen lässt sich auf einfache Weise ermitteln. Dies ist dem Fachmann bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
In der Ausführungsform, bei der die Daten der Verbrennungskraftmaschine die Luftmasse und die Luftzahl sind, berechnet sich die tatsächlich verbrauchte Menge an Gas aus
wobei,

m_KS(tats.): = tatsächlich verbrauchte Kraftstoffmasse
m_KS(stöch.): = stöchiometrisch benötigte Kraftstoffmasse
m_Luft(tats.): = tatsächlich verbrauchte Luftmasse
m_Luft(stöch.): = stöchiometrisch benötigte Luftmasse
λ: = Luftzahl

Neben der Berechnung der aus dem Gastank entnommenen Gasmenge mit Hilfe von zum Beispiel Kenngrößen einer Verbrennungskraftmaschine ist es auch möglich, zum Beispiel mit einem Gasdurchflussmessgerät die entnommene Gasmenge zu bestimmen. Dies ist zum Beispiel dann sinnvoll, um auftretende Verunreinigungen in einem Vorratsspeicher einer Gastankstelle zu bestimmen. Da bei einer solchen Gastankstelle lediglich Gas aus dem Vorratsspeicher an einen Gastank eines Kraftfahrzeugs abgegeben wird, ist es nicht möglich die entnommene Gasmenge über Verbrauchskenngrößen zu berechnen.
Durch Bildung der Differenz zwischen dem tatsächlichen Verbrauch, der aus den Kenngrößen der Verbrennungskraftmaschine berechnet wurde oder gemessen wurde, und dem mit Gleichung I bestimmten theoretischen Volumen lässt sich das durch die Verunreinigung verkleinerte wirksame Speichervolumen des Gastanks bestimmen.
Erfindungsgemäß kann zwischen einer qualitativen Erkennung eines verringerten Tankvolumens und einer quantitativen Bestimmung unterschieden werden.
Eine qualitative Information, dass Verunreinigungen vorhanden sind, liegt zum Beispiel vor, wenn der gemessene Druckabfall schneller verläuft als der Druckabfall der sich aus der tatsächlich entnommenen Gasmenge ergibt. Hierzu wird aus Gleichung I der theoretische im Gastank herrschende Druck berechnet. Für n, die Anzahl der Moleküle, wird die Menge eingesetzt, die sich durch Umrechnung aus der tatsächlich entnommenen Gasmenge ergibt. Hierzu kann zum Beispiel bei einer bestimmten entnommenen Gasmasse die Gasmasse durch die molare Masse des Gases dividiert werden.
Aus Gleichung I ergibt sich nun bei bekannter entnommener Gasmenge ein Druck, der im Gastank herrschen müsste, wenn keine Verunreinigungen im Gastank vorhanden sind. Wenn jedoch Verunreinigungen im Gastank enthalten sind, sinkt der Druck im Gastank stärker ab. Der gemessene Druck ist somit niedriger als der berechnete Druck.
Um eine möglichst einfache Berechnung zu erhalten, die zum Beispiel auch in einem Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann, ist es bevorzugt, anstelle der Van-der-Waals-Gleichung (Gleichung I) die Berechnung mit Hilfe des Realgasfaktors, auch Kompressibiltiätsfaktor genannt, durchzuführen. Für den Realgasfaktor gilt:
wobei

Z: der Realgasfaktor ist,
p: der Druck,
V: das Volumen,
n: die Anzahl der Moleküle des Gases bedeutet,
R: die Gaskonstante und
T: die Temperatur.

Z ist eine stoffspezifische Größe, die die Abweichungen eines realen Gases vom idealen Gas beschreibt. Z ist vom Druck und der Temperatur abhängig. Der Realgasfaktor Z kann als Kennfeld in einem Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine abgelegt werden und ist hierdurch für jeden Zustand des Gastankes, der durch Druck und Temperatur bestimmt wird, bekannt.
Wenn nun für einen vorgegebenen ersten Zeitpunkt die im Tank vorhandene Gasmenge m₁ im Tank bestimmt wird und zu einem zweiten Zeitpunkt der Druck p₂ berechnet wird, der sich nach der Entnahme einer bekannten Menge an Gas m_v ergibt, wobei zur Berechnung die im zweiten Zeitpunkt vorliegende Temperatur verwendet wird, kann der berechnete Druck mit dem tatsächlichen Druck verglichen werden. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob das Nennvolumen des Tanks tatsächlich in vollem Umfang dem Gas zur Verfügung stand.
Um die quantitative Verunreinigung des Gastankes zu bestimmen, ist es notwendig, das Volumen des Gases zu bestimmen, das bei kumuliertem Gasverbrauch und einer Messung von Druck und Temperatur unter Beachtung des realen Gasgesetzes (Gleichung I) vorhanden sein müsste und dieses mit dem tatsächlichen Tanknennvolumen V_Tank zu vergleichen. Die Differenz von Gasvolumen V_Gas und Gasnennvolumen V_Tank bestimmt dann die Menge an Verunreinigungen im Tank. Hierbei kann gegebenenfalls eine Toleranz abgezogen werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass zum Beispiel durch Vergleich mit einem Stellwert, der Systemtoleranten berücksichtigt, bei unzulässig starker Verunreinigung der Fahrer eines gasbetriebenen Kraftfahrzeuges gewarnt werden kann und über die damit verbundene Reduzierung der Reichweite informiert werden kann. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe einer Warnlampe erfolgen. Auch ist es möglich, durch einen entsprechenden Eintrag im Zusatzspeicher des Steuergerätes auf eine notwendige Tankreinigung hinzuweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen qualitativen Verlauf des gemessenen Drucks mit sauberem und verschmutztem Tank.
Ausführungsformen der Erfindung
Im oberen Diagramm in 1 ist eine Kurve 1 dargestellt, die den momentanen Verbrauch in Abhängigkeit von der Zeit darstellt. Hierbei ist der Verbrauch auf der Ordinate 3 und die Zeit auf der Abszisse 5 dargestellt. Sobald aus dem Gastank Gas entnommen wird, schlägt die Kurve nach oben aus. Dies ist in der Figur mit Bezugszeichen 7 dargestellt. Ein Ausschlag der Kurve nach unten, wie mit Bezugszeichen 9 bezeichnet, bedeutet ein Befüllen des Gastanks.
Das untere Diagramm in der Figur zeigt den gemessenen Druck im Gastank für den im oberen Diagramm dargestellten Momentanverbrauch. Zu Beginn ist der Tank gefüllt, der auf der Ordinate dargestellte Druck p hat einen Maximalwert angenommen. Sobald aus dem Gastank Gas entnommen wird sinkt der gemessene Druck p im Gastank. Sobald die Entnahme beendet ist, das heißt der Momentanverbrauch in Abhängigkeit von der Zeit Null beträgt, bleibt der gemessene Druck im Tank konstant. Die Bereiche, in denen der Druck durch Gasentnahme abfällt, sind für einen Tank ohne Verunreinigungen mit Bezugszeichen 11 und für einen Tank mit Verunreinigungen mit Bezugszeichen 13 bezeichnet. Die Bereiche konstanten Drucks, das heißt die Bereiche zu den Zeiten, zu denen kein Gas aus dem Gastank entnommen wird, sind für einen nicht verschmutzten Tank mit Bezugszeichen 15 und für einen verschmutzten Tank mit Bezugszeichen 17 bezeichnet.
Wie in der Figur auch zu sehen ist, nimmt der Druck im Gastank wieder zu, wenn der Gastank befüllt wird. Für einen sauberen Gastank ist die Druckzunahme mit Bezugszeichen 19 und für einen verschmutzten Tank mit Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Aus der Figur ist zu sehen, das bei gleicher Gasentnahme der Druck im Gastank bei verunreinigtem Tank stärker absinkt als bei sauberem Tank. Dies führt dazu, dass über Druck und Temperatur ein zu hoher Verbrauch gegenüber dem tatsächlichen Verbrauch berechnet wird. Dieser Fehler lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmen und damit kompensieren.
Sobald der Fehler einen vorgegebenen Sollwert überschreitet kann zum Beispiel ein Hinweis erfolgen, dass eine Reinigung des Gastanks erforderlich ist.

Claims

Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Gastank mit einem vorgegebenen Tanknennvolumen, welches mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: (a) Bestimmung eines theoretischen Druckabfalles im Gastank aus einer tatsächlich entnommenen Menge an Gas, und Vergleich mit einem gemessenen Druckabfall im Gastank, wobei ein höherer gemessener Druckabfall ein Vorhandensein von Verunreinigungen anzeigt, (b) Bestimmung eines theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens aus gemessenem Druck und gemessener Temperatur im Gastank und Vergleich des theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens mit dem Tanknennvolumen zur Bestimmung eines von vorhandenen Verunreinigungen eingenommenen Volumens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des theoretischen Druckabfalles bzw. zur Bestimmung des theoretisch im Gastank vorhandenen Gasvolumens die Van-der-Waals-Gleichung für reale Gase
verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der theoretische Druckabfall mit Hilfe eines Realgasfaktors, der die Abweichungen eines realen von einem idealen Gas beschreibt, derart berechnet wird, dass zu einem ersten Zeitpunkt eine im Gastank enthaltene Gasmenge m₁ bestimmt wird und zu einem zweiten Zeitpunkt der theoretisch im Gastank herrschende Druck durch folgende Gleichung berechnet wird:
wobei m₁ = Masse im Gastank zum ersten Zeitpunkt m_v = verbrauchte Masse M_gas = Molare Masse des Gases T₂ = Temperatur im Gastank zum zweiten Zeitpunkt V_nenn = Nennvolumen des Gastanks Z = Realgasfaktor bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Realgasfaktor als Kennfeld in Abhängigkeit von Druck und Temperatur in einem Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine abgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächlich verbrauchte Menge an Gas aus Daten einer Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Verbrennungskraftmaschine Einspritzzeit, Drehzahl, Einspritzdruck und Einspritztemperatur sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die tatsächlich verbrauchte Menge an Gas für einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine nach folgender Gleichung berechnet:
wobei m ._KS = Massenstrom pro Zylinder in kg/h m ._KS0 = stationärer Massenstrom durch den vollständig geöffneten Injektor in kg/h T₀ = Referenztemperatur = 273 K T_KS = Absolute Gastemperatur in K p₀ = Referenzdruck = 1,013 bar p_KS = Gasdruck am Injektor in bar t_i = Einspritzzeit in ms n_mot = Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine in l/min bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Verbrennungskraftmaschine die Luftmasse und die Luftzahl sind, wobei sich die tatsächlich verbrauchte Menge an Gas aus
berechnet, wobei m_KS(tats.) = tatsächlich verbrauchte Kraftstoffmasse m_KS(stöch.) = stöchiometrisch benötigte Kraftstoffmasse m_Luft(tats.) = tatsächlich verbrauchte Luftmasse m_Luft(stöch.) = stöchiometrisch benötigte Luftmasse λ = Luftzahl bedeuten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächlich verbrauchte Gasmenge mittels eines Gasdurchflußmessgerätes bestimmt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bestimmung von Verunreinigungen im Gastank eines gasbetriebenen Kraftfahrzeuges.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 9 zur Bestimmung von Verunreinigungen in einem Vorratsspeicher einer Gastankstelle.