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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen
des Betankungsvorgangs des Kraftstoffstanks eines Kraftfahrzeugs
sowie die Steuerung eines Trennventils, das das Innere des Tanks über
einen Aktivkohlefilter mit der Umgebung verbindet.
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Kraftstofftanks
von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, insbesondere Hybridfahrzeuge, sind
zur Verhinderung von Geruchsbelästigungen als Drucktanks
ausgeführt, in denen ein Aktivkohlefilter (AKF) geruchsbelästigende
Stoffe aufnimmt. Bei bestimmten Betriebsarten besteht die Gefahr,
dass das Aktivkohlefilter nicht ausreichend gespült wird und/oder
durchbricht. Hierzu ist ein elektrisch schaltbares Ventil zwischen
dem Tankinneren und dem in die Umgebung führenden Aktivkohlefilter
eingebaut, wobei das schaltbare Ventil im Normalzustand geschlossen
ist. Ein derartiges Trennventil dient dazu, geruchsbelästigende
Dämpfe aus dem Tankinneren von dem Aktivkohlefilter abzutrennen.
Mit dieser Maßnahme wird das Aktivkohlefilter deutlich
weniger belastet, und auch bei geringen Spülmengen erreicht das
Aktivkohlefilter einen hohen Wirkungsgrad. Während des
gesamten Tankvorgangs muss jedoch das Trennventil geöffnet
sein, da andernfalls der Tankvorgang gestört und gegebenenfalls
automatisch von der Pumpanlage abgebrochen wird.
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Die
Patentschrift
DE 19809384
C2 offenbart ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit
einer Tankentlüftungsanlage, das einen Vergleich eines
erfassten zeitlichen Verlaufs wenigstens einer Betriebsgröße
einer Prüf-Druckquelle, mit einem zuvor bestimmten Diagnoseverlauf
umfasst, um Betankungsvorgänge zu erkennen. Mittels der
Prüf-Druckquelle, beispielsweise eine Pumpe, wird ein Prüfdruck
aufgebaut, der ausgewertet wird.
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Das
Trennventil wird gemäß dem Stand der Technik vom
Fahrer dann geöffnet, wenn eine Betankung geplant ist,
und bleibt solange offen, bis der Fahrer nach Ende des Tankvorgangs
das Ventil erneut manuell schließt.
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Die
durchgehende Betätigung des Trennventils ist jedoch mit
einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme verbunden, die das Bordnetz
des Kraftfahrzeugs belastet und zu einer signifikanten Entleerung
der Bordnetzbatterie führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht die Betätigung des Trennventils
für eine minimale Zeitdauer und verringert daher die Belastung
des Bordnetzes. Die Erfindung ermöglicht es, das Trennventil
nur dann anzusteuern, wenn dies auch tatsächlich notwendig
ist. Ferner lässt sich mittels der Erfindung das Trennventil
zu dem frühest möglichen Zeitpunkt schließen,
um so den Stromverbrauch zu verringern. Darüber hinaus
ermöglicht die Erfindung die Erfassung bzw. die Erkennung
eines Betankungsvorgangs mit einfachen Mitteln, die teilweise bereits
in Kraftfahrzeugen für andere Zwecke vorliegen, um so erfindungsgemäß den
geeigneten Schließzeitpunkt vorzusehen, um die Belastung
des Stromnetzes zu verringern. Ferner ermöglicht es die
Erfindung, den Schließzustand des Trennventils automatisch
zu steuern und bietet daher einen effektiven Schutz vor Bedienfehlern,
durch die das Trennventil während des Tankvorgangs geschlossen
wird, und vor Bedienfehlern, durch die das Trennventil vor und/oder
nach dem Betanken unnötigerweise aktiviert ist und elektrische
Energie verbraucht.
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Erfindungsgemäß wir
das Trennventil geöffnet, wenn ein tatsächlicher
Betankungsvorgang erkannt wird, beispielsweise über die
Erfassung von Druckschwankungen, die für die Betankung
typisch sind, durch die Erfassung eines geöffneten Tankdeckels
oder durch die Erfassung weiterer Signale, beispielsweise automatisch
erzeugter Signale, die einen sich im Ablauf befindlichen Betankungsprozess kennzeichnen.
Die Erkennung bzw. Erfassung eines tatsächlichen Betankungsvorgangs
findet vorzugsweise automatisch statt. Vorzugsweise ist das Trennventil
im wesentlichen nur dann geöffnet, wenn ein Betankungsvorgang
erkannt wird. „Im Wesentlichen" bedeutet in diesem Zusammenhang,
dass außerhalb von Betankungsvorgängen nur für
Zeitdauern geöffnet wird, die jeweils bzw. insgesamt kurz
sind und somit keine auf das Kfz-Bordnetz bezogene substantielle
elektrische Energiemenge oder Leistung durch Aufrechterhaltung des Öffnungszustands
außerhalb eines Betankungsvorgangs erfordern. Die Erzeugung
dieser Signale umfasst vorzugsweise die Auswertung von Sensordaten.
Erfindungsgemäß werden zur Erkennung eines Betankungsvorgangs
und somit zum Öffnen des Trennventils Signale verwendet,
die sich automatisch und in direkter Weise aus einem im Ablauf befindlichen
Betankungsvorgang ergeben, wobei diese Signale gemäß einer
Ausführung der Erfindung mit einer Betätigung
eines entsprechenden Tasters oder Schalters kombiniert werden können, mit
dem der Benutzer bzw. Fahrer des Fahrzeugs einen zukünftigen
oder beginnenden Betankungsvorgang signalisiert.
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Gemäß der
Erfindung wird daher die Belastung des Bordstromnetzes durch Aktivierung
des Trennventils verringert, indem Sensorsignale bzw. daraus abgeleitete
Signale, die den physikalischen Vorgang des Betankens kennzeichnen,
als Triggersignal bzw. Auslöser für die tatsächliche
Betätigung des Trennventils verwendet werden.
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Das
Trennventil ist zwischen einem Kraftstofftank und einem Druckausgleichsraum
vorgesehen. Der Druckausgleichraum kann die Umgebung oder eine zum
Motor führende Leitung sein, beispielsweise das Ansaugrohr
des Motors. Wenn das Tankinnere durch das Trennventil mit einer
zum Motor führenden Leitung, bsp. das Ansaugrohr, verbunden
ist, dann werden die störenden Tankgase zumindest teilweise
oder vollständig verbrannt. Ferner kann alternativ oder
in Kombination hierzu ein Aktivkohlefilter vorgesehen sein, das
zwischen Trennventil und Tank oder zwischen Trennventil und Druckausgleichraum
vorgesehen ist. Vorzugsweise ist das Trennventil zwischen einem
Kraftstofftank und einem Aktivkohlefilter vorgesehen, über
den der Kraftstofftank mit der Umgebung verbunden ist. Ferner kann der
Aktivkohlefilter auf der Frischluftseite, d. h. in einer Verbindung
zur Umgebung, positioniert sein, d. h., dass der Kraftstofftank über
eine Leitung mit dem Aktivkohlefilter verbunden ist, wobei der Aktivkohlefilter über
das Trennventil mit der Umgebung verbunden ist. Es können
ein oder mehrere dieser Trennventile in einem Kraftfahrzeug vorgesehen
sein, wobei mindestens eines der Trennventile gemäß dem erfindungsgemäßen
Steuerungsverfahren öffnet bzw. schließt. Erfindungsgemäß wird
daher mindestens ein Trennventil derart angesteuert, dass es öffnet,
wenn ein Sensor in automatischer, d. h. nicht vom Fahrer abhängiger
Weise einen Betankungsvorgang erkannt hat.
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Als
automatische Sensoren zur Erfassung eines Betankungsvorgangs können
zahlreiche Sensoren verwendet werden, die zumindest eine physikalische
Größe erfassen, die für den Betankungsvorgang
selbst kennzeichnend ist, beispielsweise Größen,
die direkte Rückschlüsse auf den Tankinhalt zulassen,
beispielsweise mittels einem optischen, akustischen oder elektrokapazitiven
Signal oder mittels eines Drucksignals. Daher eignen sich als Sensoren
Lichtschranken oder Vorrichtungen, die die optische Transmission
bzw. Reflektion erfassen, Ultraschallsensoren, die den Tankinhalt
erfassen, kapazitive oder resistive Sensoren, die dielektrische
Eigenschaften bzw. den spezifischen Widerstand des Tankinhalts erfassen,
Drucksensoren, die über Druckschwankungen bzw. Druckerhöhung
eine Volumenzunahme bzw. einen Füllvorgang innerhalb des Tanks
erfassen, oder ähnliche Sensoren. Die Sensoren können
als zusätzliche Sensoren vorgesehen werden oder können
in Form bestehender Sensoren vorgesehen werden, deren Signal bereits
eine anderen Funkti on des Kraftfahrzeugs (bsp. Erfassung des Tankfüllstands, Überwachung
des Tanks zur Fehlererkennung) zugeordnet ist. Die Erfassung eines Tankvorgangs
kann die logische Kombination mehrerer verschiedener Sensorsignale
umfassen, die vorzugsweise von verschiedenartigen Sensoren stammen.
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Zur
Erfassung derartiger automatischer Sensorsignale wird erfindungsgemäß der
Druck, der innerhalb des Tanks herrscht, erfasst, wobei erkannt wurde,
dass mit dem Tankvorgang ein geringer Überdruck bzw. geringe
Druckschwankungen einhergehen. Der Überdruck entsteht durch
den Gasvolumenausgleich, der durch das Befüllen des Tanks
hervorgerufen wird, und der an der Tanköffnung, insbesondere
durch den Zapfhahn sowie durch weitere Öffnungen des Tanks,
einen Strömungswiderstand erfährt, wodurch der
nachfließende Kraftstrom zu leichter Gasstauung und somit
zum Überdruck innerhalb des Tanks führt. In gleicher
Weise wurde erkannt, dass die mit dem Befüllen des Tanks
einhergehenden Schwapp- und Pumpbewegungen der Flüssigkeit
zu Oszillationen des Tankdrucks führen, aus denen wiederum
auf einen Tankvorgang geschlossen werden kann. Ferner führt
die Fallhöhe des Einfüllstrahls zu Oszillationen
auf der Oberfläche des flüssigen Tankinhalts.
Aus diesem Grund wird zum einen der Druck in dem Tank selbst betrachtet,
oder in Kombination mit der ersten zeitlichen Ableitung des Drucks, die
als Maß für die Oszillationen verwendet wird.
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Vorzugsweise
wird zur Umsetzung der Erfindung ein in dem Tank vorgesehener Drucksensor verwendet,
der entweder am Boden befestigt ist oder vorzugsweise an der Decke
des Tanks befestigt ist und dementsprechend entweder den Flüssigkeitsdruck
am Boden des Tanks oder den Gasdruck bzw. Luftdruck an der Decke
des Tanks bzw. in dem Gasraum über der Flüssigkeit
erfasst. Insbesondere kann hierzu der Drucksensor verwendet werden,
der gleichzeitig aus Diagnosegründen in Drucktanksystemen
vorgesehen ist, so dass bereits bestehende Systeme mit keinem zusätzlichen
Drucksensor ausgestattet werden müssen. Mit diesem Sensor
lassen sich Betankungsvorgänge erfassen, aufgrund derer erfindungsgemäß das
Trennventil geöffnet wird.
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Insbesondere
wurde erkannt, dass der Beginn der Betankung mit einem plötzlichen,
leichten Druckanstieg einhergeht, so dass insbesondere die Kombination
der zeitlichen Ableitung des Drucks und der Druck selbst erfasst
wird, insbesondere durch Feststellen, ob ein plötzlicher
Anstieg stattgefunden hat, der in einem leichten, im Wesentlichen
konstanten Überdruck übergeht. Daher wird vorzugsweise der
Druck mit einem Minimalwert verglichen, der über einem
Wert liegt, der auch bei Messrauschen, Umgebungsschall, bzw. weiteren
Fehlerursachen bei der Druckmessung übertroffen wird, der
jedoch kleiner ist als ein Wert, der sich beim Betanken ergibt,
d. h. auch bei Betankungsvorgängen mit langsamer Kraftstoffzufuhr
und geringem Strömungswiderstand für den Gasaustausch
und somit mit einem geringen Überdruck. Ferner kann der
Anstieg, d. h. die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals mit
einer typischen Druckanstiegsrate verglichen werden, die ebenfalls über
einem Schutzabstand liegt. Grundsätzlich wird erfindungsgemäß das
Drucksignal hinsichtlich eines geringen, statischen Überdrucks und/oder
hinsichtlich einem für einen Betankungsstart typischen
Druckanstieg untersucht. Hierzu wird das Drucksignal oder die Momentansteigung
des Drucksignals, d. h. die erste zeitliche Ableitung, mit einem
Minimalwert verglichen. Ferner können auch beide Größen
mit einem entsprechenden Minimalwert verglichen werden. Jeder einzelne
dieser Vergleiche liefert ein Signal, das angibt, dass eine Betankung
stattfindet, wobei jedoch diese Signale auch kombiniert werden können,
um die Fehlersicherheit zu erhöhen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst daher, neben
der Ansteuerung des Trennventils, einen Drucksignaleingang, der
mit einem externen Drucksensor, beispielsweise einem bereits zu
Diagnosezwecken vorgesehenen Drucksensor eines Tanks zusammenarbeitet,
um von diesem ein Drucksignal zu empfangen. Dieses Drucksignal wird
entweder selbst und/oder die erste zeitliche Ableitung hiervon mit
einem jeweiligen Minimalwert verglichen. Daher umfasst die Vorrichtung
vorzugsweise einen Vergleicher, der das Drucksignal, die erste zeitliche Ableitung,
oder beides mit einem jeweiligen Minimalwert vergleicht. Als Erfassungssignal,
das zur Erfassung des Betankungsvorgangs verwendet wird, dient daher
das Drucksignal und/oder die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals.
Ferner umfasst die Vorrichtung vorzugsweise eine Ableitungsvorrichtung, die
die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals aus dem Drucksignal
erzeugt, insbesondere wenn diese ausgewertet wird. Das entsprechende
Erfassungssignal (d. h. das Drucksignal und/oder die erste zeitliche
Ableitung des Drucksignals) wird dem Vergleicher zugeführt,
der wiederum ein Betankungssignal über einen Statusausgang
ausgibt. Der Statusausgang wird vorzugsweise von der Vorrichtung und/oder
von dem Vergleicher umfasst. Der Minimalwert kann über
einen weiteren Minimalwerteingang der Vorrichtung zugeführt
werden, oder kann in der Vorrichtung gespeichert sein. Im allgemeinen
kann ein für den Druckverlauf beim Betanken typischer Kurvenverlauf
zum Vergleich verwendet werden. Die Verwendung eines Druck-Schwellwerts,
d. h. Minimalwerts stellt ein besonders einfach zu prüfendes Kurvenmerkmal
dar. Ferner kann die Vorrichtung weitere Berechnungseinheiten umfassen,
die aus Hilfs-Eingangssignalen den Minimalwert errechnen. Der Minimalwert
kann konstant sein, oder kann im Allgemeinen auch eine Kurvenform
darstellen, die typisch für den Druckverlauf oder für
den Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung des Drucksignals ist,
wobei dieser typische Verlauf mit dem tatsächlich erfassten
Drucksignalverlauf bzw. Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung
des erfassten Drucksignals verglichen wird. Der erfindungsgemäß verglichene
Minimalwert kann somit auch Teil eines typischen Kurvenverlaufs
oder ein Merkmal bzw. Eigenschaft eines typischen Betankungs-Druckkurvenverlaufs
sein. Der Vergleicher kann somit ein einfacher Vergleicher für
einen Einzelmomentanwert sein, oder kann im Falle eines zu vergleichenden
Kurvenverlaufs auch ein Korrelator bzw. matched-Filter sein, das
beim Erkennen der typischen Kurvenform ein Entsprechungssignal bzw.
Korrelationssignal ausgibt. Es können ein oder mehrere
typische Druckverläufe überprüft werden,
wobei typische Druckverläufe umfassen: Druckverlauf bei
Tankbeginn, Druckverlauf bei Betankungsende und Druckverläufe
durch Schwankungen, die auf Pumpvorgänge und/oder Schwappbewegungen
zurückzuführen sind, die typisch für
einen stattfindenden Tankvorgang sind.
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Die
Auswertung des Drucksignal durch einen Vergleicher kann ferner die Überprüfung
des Übersteigens eines Maximalwerts umfassen, um so systematische
Fehler auszuschließen und falsch gemeldete Betankungsvorgänge
zu erkennen. Derartige Maximalwerte können Werte sein,
die oberhalb von Druckwerten liegen, welche auch bei hohen Flussraten
und hohem Strömungswiderstand an der Tanköffnung
nicht erreicht werden.
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Ferner
kann die erfindungsgemäße Erfassung das Betätigen
eines Tankwunschschalters berücksichtigen. Ein derartiger
Tankwunschschalter wird vor dem Betanken betätigt und gibt
an, dass in dem darauf folgenden Zeitraum der Start eines Tankvorgangs
zu erwarten ist. Anstatt das Trennventil sofort beim Betätigen
des Tankwunschschalters zu öffnen, wird vorzugsweise das
Trennventil erst dann geöffnet, wenn neben dem durch Betätigen
des Tankwunschschalters vorgesehenen Entlüftungssignals auch
das Vergleichssignal bzw. Status-Signal des Vergleichers vorliegt,
demgemäß aufgrund des Drucksignals auch ein Betankungsvorgang
stattfindet. Daher umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung zwischen dem Statusausgang, der das Betankungssignal
ausgibt, aufgrund dessen das Trennventil geschaltet wird, und dem
Vergleicher eine Logik, die das von dem Tankwunschschalter abgegebene Entlüftungssignal
mit den Ergebnissen des Vergleichers kombiniert. Vorzugsweise umfasst
die Vorrichtung eine Zeitschaltung, die ein Aktivsignal für
einen Zeitraum ausgibt, der mit der Betätigung des Tankwunschschalters
beginnt und nach einer vorbestimmten Zeitdauer endet. Während
dieses Zeitraums ist dann die erfindungsgemäße
Vorrichtung aktiv und öffnet bei Erkennen des Beginns des
Betankungsvorgangs das Trennventil. Somit wird ausgeschlossen, dass
das Trennventil versehentlich geöffnet wird, wenn fälschlicherweise,
beispielsweise durch eine starke Druckschwankung oder einen Lesefehler,
ein Betankungsvorgang erkannt wird.
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Ferner
wird vorzugsweise ein zweites Zeitintervall vorgegeben, das mit
dem Erfassen eines Betankungsvorgangs beginnt (in dem das Erfassungssignal
den mindestens einen Minimalwert übersteigt), und das einen
weiteren Zeitraum andauert, während dem ein Betan kungssignal
ausgegeben wird. Dadurch kann das Trennventil geöffnet
bleiben, auch wenn während des Betankungsvorgangs das Erfassungssignal
kurzfristig unter den Minimalwert fällt.
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Schließlich
kann eine Minimalzeitdauer eingeführt werden, für
die das Erfassungssignal durchgehend über dem Minimalwert
liegt, um kurzfristige Druckspitzen, die keinem tatsächlichen
Betankungsvorgang entsprechen, herauszufiltern, um das Betankungssignal
erst dann abzugeben, wenn gesichert ist, dass das Erfassungssignal
bereits für die minimale Zeitdauer über dem Minimalwert
liegt. Die Minimalzeitdauer entspricht dem Mechanismus des Kontaktentprellens,
wie es von Tastern bekannt ist.
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Neben
der zeitlichen Filterung bzw. den zeitlichen Schutzintervallen können
auch Schutzabstände für Druckwerte eingeführt
werden, die zwischen einem Normwert und einem Schwellwert liegen.
Beispiele für den Normwert sind der Minimalwert, auf dem
der Vergleich fußt, wobei der Minimalwert beim Drucksignal
einem Minimaldruck entspricht und bei der ersten zeitlichen Ableitung
des Drucksignals einer Druckverringerungsrate von ca. 0 entspricht.
Wie bereits bemerkt, wird zum Vermeiden von falschen Betankungssignalen
ein Schutzabstand gewählt, so dass auch Rauschen oder kleine
Störungen bei der Messung des Drucks oder weitere Störungen
toleriert werden, ohne fälschlicherweise ein Betankungssignal
auszugeben. Der tatsächlich zum Vergleich herangezogene
Schwellwert liegt daher vorzugsweise zwischen einem Wert gleich
Normzustand + Schutzabstand, der eine Rauschen bzw. fehlerbedingte
falsche Erfassung eines Betankungsvorgangs vermeidet, und der Höhe
eines Erfassungssignals, wie es bei geringen Anregungen (geringer
Strömungswiderstand, geringer Kraftstoffdurchsatz bzw.
geringe Oszillationen der Flüssigkeit) auftritt. Der Schutzabstand
berechnet sich vorzugsweise aus gegebenen Fehlertoleranzen und Rauschen
des Sensors und der Messvorrichtung, an die der Sensor angeschlossen
ist, und einem weiteren Zuschlag, der auch weite Schwankungen, beispielsweise
durch Körperschall, berücksichtigt. Vorzugsweise
wird ein Drucksensor verwendet, der eine entsprechende Auflösung
aufweist und der eine geringe Rauschleistung erzeugt. Ferner wird
der Drucksensor vorzugsweise mit einer Genauigkeit vorgesehen, die
die beschriebene Unterscheidung ermöglicht.
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Der
Druck wird vorzugsweise von einem Drucksignal wiedergegeben, welches
analog ist, zeit- und/oder wertdiskret ist, und eine ausreichende
Auflösung bzw. Genauigkeit zur oben beschriebenen Unterscheidung
ermöglicht.
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Vorzugsweise
wird der Druck bzw. das Drucksignal vorgesehen, indem ein bereits
an dem Tank befestigter Drucksensor angezapft wird, bzw. durch Abzweigung
des Drucksignals bei der Verarbeitung des Drucksignals. Vorzugsweise
wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie die Vorrichtung in Kombination mit einem Hybridantrieb verwendet.
Ferner kann die Erfindung in Kombination mit Antriebssystemen verwendet
werden, die Hochaufladung, Entdrosselung (EHVS, EMVS, Valvetronic,
Hoch-AGR, Magerbetrieb sowie weitere Verbrauchskonzepte mit kleineren
Spülmengen umfassen. Um die geeignete Präzision
zu erreichen, können auch bereits vorhandene Drucksensoren
ausgetauscht werden, die dann an eine erfindungsgemäße
Vorrichtung bzw. gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet werden, und gleichzeitig die ursprünglich
vorgesehene Funktion ausführen.
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Die
in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Vorrichtungsmerkmale,
d. h. Drucksignaleingang, Vergleicher, Statusausgang, Ableitungsvorrichtung,
Eingang für Entlüftungssignal und Logik, können
mittels diskreter Bauteile, integrierter Bauteile in Analog- oder
Digitalschaltungstechnik oder in einer Kombination hiervon sowie
mittels eines Mikroprozessors, Programmcode und entsprechenden Schnittstellen
umgesetzt werden. Die verwendeten Signale sind vorzugsweise Spannungssignale
und können ebenfalls digital oder analog sein. Die Vorrichtungsmerkmale
können mittels einer Schnittstelle, eines Prozessors und
mit zugehöriger entsprechender Software umgesetzt werden.
An die Schnittstelle kann eine Leistungsendstufe gekoppelt sein,
die das Trennventil mit elektrischer Leistung versorgt, wenn es
geöffnet sein soll.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
System zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden
erfinderischen Konzepts;
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2 den
typischen Verlauf eines Drucksignals zur Erläuterung des
der Erfindung zugrunde liegenden Konzepts und
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3 einen
Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 ist ein System dargestellt, das zur Erläuterung
des Konzepts dient, das der Erfindung zugrunde liegt. In der 1 ist
ein Tank 10 dargestellt, in dem flüssiger Kraftstoff 20 sowie
ein darüber liegendes Gasgemisch 30 (Luft/Kraftstoffdämpfe) vorgesehen
sind. Durch die nicht maßstäblich und nur skizzenhaft
dargestellte Öffnung 40 wird durch einen Einfüllstutzen
oder Füllstutzen 50 Kraftstoff in das Innere des
Tanks 10 mit einer ersten Strömung A eingebracht.
Um das zugeführte Volumen auszugleichen, ergibt sich eine
Gasausgleichsströmung B, die einen Strömungswiderstand
durch die Öffnung 40 und den Füllstutzen 50 erfährt,
der die für die Strömung B notwendige Öffnung
verringert. Es ist ersichtlich, dass sich im Inneren des Tanks 10,
insbesondere innerhalb des Gasgemischs, durch den Strömungswiderstand
der Strömung B ein leichter Überdruck aufbaut.
Mit anderen Worten ergibt sich ein Ungleichgewicht zwischen den
Strömungen A und B, deren Stärke von der Mengenflussrate
bzw. Volumenflussrate der Strömung A und dem Strömungswiderstand
für die Strömung B ergibt. Ferner führt
die Oberfläche des Kraftstoffs 20 Bewegungen aus,
die durch den Kraftstofffluss durch Strom A erzeugt werden.
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An
der Decke des Tanks 10 ist ein Drucksensor 60 angeordnet,
der den Druck des Gasvolumens 30 aufnimmt. Der Drucksensor
wandelt den Druck in ein Drucksignal um, das ausgewertet werden
kann. Das Innere des Tanks 10 ist ferner mit einem Trennventil 70 verbunden,
das das Innere des Tanks 10 elektrisch steuerbar von einem
Aktivkohlefilter 80 trennt, der das Trennventil 70 wiederum
mit der Umgebung 90 verbindet. Gemäß einer
bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Druck über
den Sensor 60 erfasst, mit einer erfindungsgemäßen
Schaltung ausgewertet, die wiederum das Trennventil 70 entsprechend
ansteuert. Das Trennventil 70 weist daher vorzugsweise
einen elektrischen Steuereingang auf, über den der Öffnungszustand
des Trennventils 70 eingestellt werden kann. Das Trennventil 70 ist
vorzugsweise ohne Ansteuerung geschlossen und öffnet sich,
wenn ein entsprechender Strom anliegt, beispielsweise an einer Aktuatorspule,
die das mechanische Öffnen hervorruft.
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Die 2 zeigt
den Verlauf eines Drucksignals, wie er durch den Drucksensor 60 von 1 erfasst
werden kann. Zwischen den Zeitpunkten 0 und t1 herrscht Überdruck
in dem Tank, der durch Öffnen des Trennventils abgebaut
werden kann. Zum Zeitpunkt t1 wird das Trennventil
oder ein anderes Ausgleichsventil bzw. Ausgleichsöffnung
geöffnet, um den Druck vom Überdruck p2 auf 0 auszugleichen. Beispielsweise wird
zum Zeitpunkt t2 die Tanköffnung geöffnet,
um einen Tankstutzen einzuführen. Zwischen dem Zeitpunkt
t2 und t3 findet
keine Betankung statt. Jedoch kann zu einem Zeitpunkt zwischen t2 und t3, beispielsweise
zum Zeitpunkt t2, vom Benutzer des Fahrzeugs,
zu dem der Tank gehört, be reits ein Tankwunschschalter
bedient werden, der gemäß dem Stand der Technik
sofort das Trennventil öffnen würde und in geöffnetem
Zustand halten würde. Die Öffnung ist jedoch nur
notwendig, wenn der Betankungszustand tatsächlich stattfindet,
so dass die elektrische Leistung, die zum Öffnen des Tanks
zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 verwendet wird, ohne weiteren Nutzen das
Bordnetz belastet.
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Gemäß der
Erfindung erfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren zwischen dem
Zeitpunkt t2 und t3,
dass kein Betankungsvorgang stattfindet und somit das Trennventil
geschlossen bleiben kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der starke
Druckabfall zwischen p2 und 0 erfasst, der
sich durch einen einmaligen Volumenausgleich ergibt, wobei die Erfassung
dieses Ausgleichs als Voraussetzung zur späteren Öffnung des
Trennventils genommen wird. Mit anderen Worten gibt die erfindungsgemäße
Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
kein Betankungssignal aus, wenn kein derartiger Druckabfall zwischen
t1 und t2 erfasst
wurde. Alternativ kann auch der hohe Druckwert p2 erfasst
werden und mit einem später erfassten Druckwert verglichen
werden, beispielsweise ein Druckwert, der in dem Zeitraum t2–t3 erfasst
wird, um somit den Druckabfall zwischen t1 und
t2 zu erkennen. Die Erkennung des Druckabfalls
von p2 auf 0 kann an die Stelle des Entlüftungssignals
treten, das sich durch die Betätigung eines Tankwunschschalters
ergibt, oder kann mit dieser logisch kombiniert werden, beispielsweise
durch eine logische UND-Verknüpfung oder eine logische
ODER-Verknüpfung. Ferner können Schutzzeitintervalle
vorgesehen werden, wie sie oben in Verbindung mit dem Erfassungssignal
beschrieben sind.
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Zum
Zeitpunkt t3 beginnt der Betankungsvorgang,
so dass das Einfüllen des Kraftstoffs (vergleiche 1 Strömung
A) zu einem sich vergrößernden Flüssigkeitsvolumen
im Tank führt. Zum Druckausgleich ergibt sich daher eine
Gasströmung aus dem Tankinneren heraus (vergleiche 1,
Strömung B), die durch verschiedene geometrische Faktoren,
beispielsweise die Tanköffnung, Tankstutzen usw., beschränkt
wird. Da das Ausgleichs-Gasvolumen nicht vollständig ungehindert
austreten kann, ergibt sich ein leichter Überdruck, der
sich in dem Zeitraum zwischen t3 und t4 als Überdruck zwischen p0 und p1 manifestiert.
p0 entspricht einem Druck, der auch bei
geringem Kraftstoffzufluss und geringem Strömungswiderstand
der Strömung B auftritt, und bildet einen Mindest-Schwellwert.
Der Druckwert p1 entspricht einem Schwellwert,
der auch bei starkem Kraftstoffzufluss, d. h. bei einer hohen Volumendurchflussrate des
Kraftstoffs und bei starkem Widerstand der Strömung B nicht
erreicht wird. Das Überschreiten des Werts p1 kann
daher als Auftreten eines Erfassungsfehlers interpretiert werden,
so dass das Übertreten des Schwellwerts p1 dazu
führt, dass kein Betankungssignal ausgegeben wird, obwohl
der Wert ebenfalls über p0 liegt.
Ferner kann zusätzlich ein Fehlersignal ausgegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird
ferner die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals untersucht,
die zwischen dem Zeitpunkt t3 und t4 aufgrund von Druckverschwankungen nicht
konstant ist. Vorzugsweise wird der Betrag der ersten Ableitung
verwendet, um auch negative Drucksteigungen mit einem Minimalwert vergleichen
zu können. Gemäß einer besonderen Ausführung
der Erfindung wird die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals
hierzu quadriert. Die so erhaltene Streuung des Drucksignals spiegelt
Schwingungen der Wasseroberfläche, Strömungen
und Turbulenzen durch Strömung A sowie Strömungen
und Turbulenzen der Strömungen B wider, die direkt mit dem
Betankungsvorgang verknüpft sind. Daher lässt sich
ebenfalls aus der ersten zeitlichen Ableitung des Drucksignals auf
das Vorliegen eines Betankungsvorgangs schließen. Ferner
kann auch die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals mit dem
Drucksignal kombiniert werden, die jeweils mit einem jeweiligen
Minimalwert verglichen werden. Als logische Kombination kann eine
UND-Verknüpfung oder eine ODER-Verknüpfung verwendet
werden. Neben dem direkten Vergleich des Drucksignals und der Ableitung
des Drucksignals kann auch eine bestimmte Kurvenform des Verlaufs
des Drucksignals betrachtet werden, beispielsweise der Anstieg des
Drucks kurz nach dem Zeitpunkt t3 auf einen
speziellen Wert. Daher kann im Allgemeinen erfindungsgemäß auch
das erfasste Drucksignal hinsichtlich des Auftretens einer speziellen
Flankenform untersucht werden, die durch die Steigung und Höhe
definiert ist. Sowohl Steigung als auch Höhe sind spezifisch
für einen Betankungsvorgang und von anderen Ursachen zu
unterscheiden. In gleicher Weise kann auch die Flanke untersucht
werden, die sich kurz vor dem Zeitpunkt t4 durch
Abschalten des Betankungsstroms ergibt. Darüber hinaus
können erfindungsgemäß, neben der ersten
zeitlichen Ableitung des Drucksignals, auch Frequenzanalysen des
Drucksignals vorgenommen werden, beispielsweise mittels einer FFT-Analyse,
da der Wechselanteil der Druckschwankung zwischen Zeitpunkt t3 und t4 spezifisch
für den in den Tank fließenden Kraftstoff und
die damit verbundenen Druckvariationen ist. Insbesondere mit einer
Frequenztransformation lassen sich die Druckänderungen,
die sich durch das Betanken ergeben, von anderen Druckschwankungen
unterscheiden. Die erste Ableitung des Drucksignals kann erfindungsgemäß mit
einem Hochpass, beispielsweise ein Hochpass erster Ordnung (beispielsweise
ein LR- oder RC-Netzwerk) auf analoge Weise oder mittels eines digitalen
Differentiators gebildet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung der Erfindung ergibt sich nach dem
Zeitpunkt t3 ein Schutzintervall, so dass
das Betankungssignal ab dem Zeitpunkt t3 während
des Schutzintervalls aufgegeben wird, auch wenn das Erfassungssignal
nach dem Zeitpunkt t3 während des
Schutzintervalls unter den jeweiligen Minimalwert fällt.
In gleicher Weise kann sich ein Schutzintervall an den Zeitpunkt
t4 anschließen, so dass trotz eines
Erfassungssignals unterhalb des Minimalwerts für das Schutzintervall
ein Betankungssignal ausgegeben wird, um kurzfristige Unterschreitungen
oder kurz darauf folgende Tankvorgänge nicht zu beeinträchtigen.
Das Drucksignal sowie dessen zeitliche Ableitung kann ferner gemittelt
werden oder über ein laufendes Zeitfenster, während dem
der Maximalwert innerhalb des Zeitfensters als Erfassungssignal
gilt, geglättet werden. Hierdurch werden kurzfristige Tankunterbrechungen
aufgefangen, wodurch ein zusätzlicher Aus/Ein-Schaltvorgang
des Trennventils vermieden wird. Ferner kann das Drucksignal und
die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals nicht nur logisch,
sondern auch arithmetisch verknüpft werden, beispielsweise über
eine gewichtete Addition.
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Die 3 zeigt
einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung umfasst einen Drucksignaleingang 100, der
eingerichtet ist, ein Drucksignal S zu empfangen. Das Drucksignal
S kann von einem Drucksensor (gestrichelt dargestellt) stammen,
oder kann von einer Druckauswertevorrichtung, wie sie beispielsweise
für Diagnosezwecke verwendet wird, abgezweigt werden. Ferner
kann S von einer Anzapfung einer Drucksignalleitung stammen. Die
Vorrichtung von 3 umfasst ferner einen Vergleicher 110,
der ein Drucksignal mit einem Minimalwert vergleicht. In der in 3 dargestellten
Vorrichtung wird vom Vergleicher 110 ein zweiteiliges Erfassungssignal
ausgewertet, das dem Drucksignal S sowie seiner Ableitung S' entspricht.
Der Vergleicher umfasst daher jeweils einen Eingang für
ein Drucksignal S und für dessen zeitliche Ableitung S'.
Der Vergleicher erhält ferner einen ersten Minimalwert
M sowie einen zweiten Minimalwert M', wobei der Vergleicher eingerichtet
ist, das Drucksignal S mit dem Wert M zu vergleichen und das abgeleitete
Drucksignal S' mit dem Minimalwert M' zu vergleichen. Folglich umfasst
der Vergleicher 110 zwei weitere Eingänge, jeweils
einen für M und für M'. In einer nicht dargestellten
Ausführung sind die Minimalwerte in dem Vergleicher 110 selbst
vorgesehen. Der Vergleicher 110 gibt in einer ersten Stufe 115 zunächst
zwei Vergleichsergebnisse über zwei Vergleichsausgänge
aus, die von einer Auswerteschaltung 120 ausgewertet werden. Die
Auswerteschaltung 120 verknüpft die beiden Vergleichsergebnisse
zu einem Betankungssignal, das an einem Betankungssignalausgang 130 ausgegeben
wird. Anstatt einer UND-Verknüpfung der Vergleichsergebnisse 120 kann
auch, wie oben bemerkt, eine arithmetische Verknüpfung
gewählt werden. Das ausgegebene Betankungssignal ist binär
und wird an eine dem Vergleicher nachgeschaltete Logik 140 weitergeleitet.
Die Logik 140 verarbeitet ferner ein Entlüftungssignal
E, das über einen Entlüftungssignal-Eingang 150 eingegeben
wird. Der Entlüftungssignal-Eingang ist vorzugsweise. mit
einem Tankwunschschalter oder mit einem Tankwunschtaster verbunden,
der ein Entlüftungssignal erzeugt. Die Logik gibt das Betankungssignal,
das am Eingang 130 anliegt, vorzugsweise nur dann weiter,
wenn ferner ein Erfassungssignal E an der Logik anliegt. Zudem kann
die Logik 140 Zeitschalter umfassen, die das Betankungssignal
am Ausgang 130 und/oder das Entlüftungssignal
zeitlich filtern, um so entsprechende Schutzintervalle vorzusehen.
Die Logik umfasst ferner einen Ausgang 160, über
den ein Steuersignal ausgegeben wird, wobei das Trennventil mit dem
Ausgang 160 verbunden ist und von dem Steuersignal angesteuert
wird. Das Trennventil ist vorzugsweise als Öffner ausgeführt,
so dass für einen geöffneten Schaltzustand das
Trennventil kontinuierlich mit Strom versorgt wird. An dem Steuerausgang der
Logik 140 ist ein Trennventil angeschlossen, wie es mit
dem Bezugszeichen 70 in der 1 dargestellt
ist. Das Trennventil 170 (gestrichelt dargestellt) öffnet
gemäß dem Steuersignal der Logik 140 die Leitung
zwischen dem Aktivkohlefilter 80, der in die Umgebung führt,
und dem Tankinneren.
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Zwischen
dem Drucksensor (gestrichelt dargestellt) und dem Drucksignaleingang 100 kann
eine Analog/Digital-Konverterschaltung vorgesehen sein, wobei in
diesem Fall der Vergleicher 115 keine analogen Signale,
sondern digitale Signale vergleicht. Der Vergleicher 110,
dessen Komponenten sowie die Logik 140 kann als Mikroprozessor
vorgesehen sein, wobei ein zwischen dem Drucksensor 180 und
dem Drucksignaleingang 100 vorgesehener Analog/Digital-Wandler
in dem gleichen Prozessor vorgesehen sein kann. Ferner können
die in 3 dargestellten Elemente als Software/Hardware-Kombination
mit einem entsprechenden Prozessor umgesetzt werden, auf den die
Software abläuft, wobei die Software das Verfahren bzw.
die Vorrichtung realisiert und der Prozessor ferner Eingänge,
Ausgänge bzw. Schnittstellen umfasst, die die Eingänge
bzw. Ausgänge der Schaltung von 3 vorsehen.
Zur Ansteuerung des Trennventils kann eine Leistungsendstufe vorgesehen
werden, die mittels Software oder Logiksignal angesteuert wird.
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Gemäß einer
Ausführung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen
eines Betankungsvorgangs vorgesehen, die einen Drucksignaleingang 100,
der eingerichtet ist, ein Drucksignal zu empfangen, das den Druck
in einem Tank wiedergibt; einen Vergleicher 110, der eingerichtet
ist, ein Erfassungssignal mit mindestens einem Minimalwert M zu
vergleichen; und einen Statusausgang 130 umfasst, der mit
dem Vergleicher 110 verbunden und eingerichtet ist, ein
Betankungssignal auszugeben, wenn das empfangene Erfassungssignal über
dem Minimalwert M liegt, wobei das Betankungssignal angibt, dass
der Betankungsvorgang stattfindet, und das Erfassungssignal dem
Drucksignal S und/oder der ersten zeitlichen Ableitung des Drucksignals
S' entspricht. Ferner wird vorzugsweise eine derartige Vorrichtung
mit einer Ableitungsvorrichtung 105 vorgesehen, die eingerichtet
ist, die erste zeitliche Ableitung des Drucksignals S' ausgehend
von dem Drucksignal S vorzusehen, wobei die Ableitungsvorrichtung
mit dem Vergleicher 110 verbunden ist, um diesen mit der
ersten zeitlichen Ableitung des Drucksignals S' zu versorgen, und
die Ableitungsvorrichtung mit dem Drucksignaleingang 100 verbunden
ist, um von diesem mit dem Drucksignal S versorgt zu werden. Hierbei
entspricht vorzugsweise der Minimalwert M, der vorgesehen ist, mit
dem Drucksignal verglichen zu werden, einem Minimaldruck, der um
einen Schutzabstand über dem Normaldruck liegt, jedoch
kleiner als ein Druck p0 ist, der sich durch
Befüllen des Tanks mit Flüssigkeit und durch Entlüftungs-Volumenausgleiche
in dem Tank minimal ergibt, und/oder wobei ein weiterer der Minimalwerte, der
vorgesehen ist, mit der zeitlichen Ableitung des Drucksignals verglichen
zu werden, einer Minimaldruckschwankung entspricht, die um einen
Schutzabstand über Null liegt, jedoch kleiner als eine
Druckschwankung ist, die sich beim Befüllen des Tanks oder
beim Beginn des Befüllens des Tanks minimal ergibt.
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Diese
Ausführung der Erfindung umfasst ferner vorzugsweise einen
Entlüftungssignal-Eingang 150 für ein
Entlüftungssignal, das den vollzogenen Druckausgleich zwischen
Tank und Umgebung angibt, wobei die Vorrichtung ferner eine zwischen
dem Vergleicher und dem Statusausgang vorgesehene Logik 140 umfasst,
die das Betankungssignal nur dann ausgibt, wenn das empfangene Erfassungssignal über
dem Minimalwert liegt und das Entlüftungssignal vorliegt.
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Gemäß einer
Realisierung der Erfindung umfasst das erfindungsgemässe
Verfahren zur Erfassung eines Betankungsvorgangs eines Tanks die Schritte:
Erfassen eines Drucks p, der in dem Tank herrscht, Vergleichen eines
Erfassungssignals S, S' mit mindestens einem Minimalwert, wobei
das Erfassungssignal dem erfassten Druck und/oder der ersten zeitlichen
Ableitung des erfassten Drucks entspricht; und Ausgeben eines Betankungssignals, wenn
das Erfassungssignal über dem Minimalwert liegt, wobei
das Betankungssignal angibt, dass der Betankungsvorgang stattfindet.
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In
einer Ausführung des Verfahrens entspricht der Minimalwert
p0, mit dem das Erfassungssignal verglichen
wird, einem Minimaldruck, der um einen Schutzabstand über
dem Normaldruck liegt, jedoch kleiner als ein Druck ist, der sich
durch Befüllen des Tanks mit Flüssigkeit und durch
Entlüftungs-Volumenausgleiche in dem Tank minimal ergibt, und/oder
wobei ein weiterer der Minimalwerte, der mit der zeitlichen Ableitung
des Drucksignals verglichen wird, einer Minimaldruckschwankung entspricht,
die um einen Schutzabstand über Null liegt, jedoch kleiner
als eine Druckschwankung ist, die sich beim Befüllen des
Tanks oder beim Beginn des Befüllens des Tanks minimal
ergibt.
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Ferner
kann das erfindungsgemäße Verfahren das Erfassen
eines Entlüftungssignals umfassen, welches den vollzogenen
Druckausgleich zwischen Tank und Umgebung angibt, wobei das Betankungssignal
nur dann ausgegeben wird, wenn das empfangene Erfassungssignal über
dem Minimalwert p0 liegt und das Entlüftungssignal
vorliegt.
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Das
erfindungsgemäße Konzept wird vorzugsweise realisiert
durch Verwenden eines Tankdrucksensors zur Erfassung eines Betankungsvorgangs
durch die Ansteuerung eines Trennventils bei Erfassung des Betankungsvorgangs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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