DE10126520C2 - Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Ermittlung einer Brennstoffausgasung in einer Brennstofftankanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Ermittlung einer Ausdampfung bzw. Ausgasung von Brennstoff in einem Brennstoffbehältnis gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät sowie eine Tankleckdiagnoseeinheit zur Ausführung des genannten Verfahrens.

Aus einem Kraftstoff enthaltenden Kraftstoffvorratstank eines Kraftfahrzeuges entweichen fortlaufend flüchtige Kohlenwasserstoffe. Dieser Effekt steigt mit der Temperatur und Unruhe bzw. dem Schwappen des Kraftstoffes an.

Darüber hinaus ist bei von Verbrennungsmotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen für einen einwandfreien Kraftstoffnachschub eine Belüftung des Kraftstoffvorratstanks zwingend erforderlich. Bei sich verbrauchendem Kraftstoff muss Luft in den Tank nachströmen können, da sich im Tank sonst ein Vakuum bilden und der Kraftstofffluss stocken würde. Der Tank ist aber auch zu belüften, um dem Tankinhalt ausreichend Gelegenheit zum Ausdehnen bei Erwärmung geben zu können. Zudem muss beim Betanken genügend Luft aus dem Tank austreten können, damit der eingefüllte Kraftstoff nicht wieder zum Einfüllstutzen heraussprudelt.

In Kraftfahrzeugen werden daher zunehmend Tankentlüftungsanlagen eingesetzt, bei denen der verdunstende bzw. überschüssige Kraftstoffdampf nicht ins Freie, sondern über eine Entlüftungsleitung in einen Aktivkohlefilter (AKF) geleitet wird. Der Kraftstoffdampf bzw. das Kraftstoffgas wird dort gespeichert und im Betrieb des Kraftfahrzeuges über ein getaktet ansteuerbares elektromagnetisches Tankentlüftungsventil (TEV) an ein Saugrohr des Motors und damit letztlich der Verbrennung zugeführt.

Eine solche Tankentlüftungsanlage geht bspw. aus der DE 41 09 401 A1 hervor. Diese Anlage zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Verhältnis der Zeitspannen mit und ohne Tankentlüftung nicht fest vorgegeben ist, sondern abhängig von Betriebsdaten des Motors oder der Tankentlüftungsanlage gewählt wird.

Des Weiteren geht aus der DE 43 19 772 A1 ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Tankentlüftungsanlage hervor, bei dem ein Gemischregler bei Änderung des Luftdurchsatzes durch ein Saugrohr der Brennkraftmaschine bei laufender Tankentlüftung möglichst wenig Korrekturen ausführen muss. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass das Tastverhältnis für das Tankentlüftungsventil (TEV) nicht so eingestellt wird, dass sich ein Gasdurchsatz einstellt, der einem bestimmten Prozentsatz des Luftdurchsatzes durch das Saugrohr entspricht, sondern so, dass sich ein vorgegebener Volumenstrom des Entlüftungsgases einstellt. Durch diese Maßnahme kann der Einfluss des Entlüftungsgases auf die Zusammensetzung des von der Brennkraftmaschine angesaugten Gemisches zuverlässig vorhergesehen werden und ggf. entsprechende Gegenmaßnahmen bei der Gemischregelung zu ergreifen.

Mittels einer genannten Tankentlüftungsanlage kann eine Emission der umweltschädlichen Kraftstoffdämpfe aus dem Tank in die Umgebung weitestgehend verhindert werden und gleichzeitig die dem Verbrennungsmotor zugeführten Dämpfe selbst noch als Kraftstoff eingesetzt werden, wodurch sich der Kraftstoffverbrauch erheblich reduziert.

Es wird in diesem Zusammenhang auf die in einigen Ländern, wie den USA, zukünftig geltenden verschärften gesetzlichen Bestimmungen beim Betrieb von Brennkraftmaschinen hingewiesen. Danach wird es erforderlich sein, dass in Kraftfahrzeugen, bei denen flüchtige Brennstoffe wie Benzin eingesetzt werden, eine etwa bestehende Undichtigkeit (Leckage) in der gesamten Brennstofftankanlage mit Bordmitteln aufgespürt werden kann.

Aufgrund des begrenzten Aufnahmevolumens der in dem AKF verwendeten Aktivkohle ist bekannt, den AKF zeitweilig zu regenerieren. Hierzu wird bei laufendem Motor Frischluft über den AKF angesaugt und als Gemisch dem Motor zur Verbrennung zugeführt. Die jeweilige Spülmenge wird durch das TEV über eine Kennfeldanpassung mit den Parametern Last und Drehzahl gesteuert, damit die Laufeigenschaft des Motors nicht beeinträchtigt wird. Eine Lambda- Regelung überwacht und regelt zusätzlich die Regenerierung. Die hieraus resultierende Lamdaabweichung ist ein Maß für den Beladungszustand des AKF.

Es ist nun bekannt, den Beladungszustand des AKF als Maß der Kraftstoffausgasung heranzuziehen. Dies wird sich bereits bei Tankleckdiagnosesystemen zunutze gemacht. Während einer Spülphase wird der AKF mit Umgebungsluft gespült und der Beladungszustand des AKF ermittelt. Hierbei findet jedoch die durch das AKF hindurchfließende Spülmenge keine Berücksichtigung. Bei bestehender Ausgasung und damit vorliegender AKF-Beladung sowie bei einer Spülung des AKF mit hoher Spülrate sinkt die Beladung. Bei geringer Spülmenge steigt die Beladung und somit ein etwa berechneter Beladungsfaktor. Bei fahrendem Fahrzeug wird der AKF stärker gespült und der Beladungsfaktor weist rasch einen kleinen Wert auf. Steht das Fahrzeug, wird mit einer kleineren Spülmenge gespült und der errechnete Beladungsfaktor steigt. Demnach lässt der ermittelte Beladungsfaktor nur eine unzureichende Aussage über die tatsächliche Kraftstoffausgasung zu.

Aus dem US-Patent 6,119,512 geht ein Verfahren zur genauen Bestimmung der Spülrate bei der Regeneration eines genannten AKF einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges hervor. Dem Verfahren liegt das besondere Problem zugrunde, dass der bei der Regenration zusätzlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine einströmende Kraftstoffdampf den Verbrennungsvorgang insoweit beeinflusst, als es zu einer unvollständigen Verbrennung, einem unruhigen Motorlauf und verschlechterten Abgaswerten kommen kann. Das dortige Verfahren umfasst ein entsprechendes Modell zur Kompensation dieses Einflusses, wobei eine Vorhersage hinsichtlich der Veränderung der dem Brennraum zusätzlich zugeführten Kraftstoffdampfkonzentration in Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Spülrate getroffen wird. Das genannte Modell beruht insbesondere auf einer physikalischen Modellierung des Luftmassenstroms durch ein vorgenanntes Tankentlüftungsventil (TEV). Dieser Luftmassenstrom wird dann in Abhängigkeit von der Dichte an Kohlenwasserstoffen für eine bereits gelernte Kraftstoffdampfkonzentration modifiziert.

Des Weiteren wird zur Erkennung einer Ausgasung bei den bekannten Leckdiagnosesystemen ein gefilterter Beladungsfaktor verwendet. Dieser hinkt einem ungefiltert sich ergebenden Wert stark hinterher. Daher kommt es vor, dass eine erhöhte Ausgasung nicht rechtzeitig erkannt, eine Tankleckdiagnose dennoch gestartet und wegen der Ausgasung ein Tankleck nicht erkannt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche auch unter den vorgenannten Bedingungen eine zuverlässige quantitative Ermittlung des Grades der Brennstoffausgasung in einer Brennstofftankanlage ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Grad der Kraftstoffausgasung unter Berücksichtigung der Spülmenge zu berechnen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dazu der Adsorptionsfilter mit einer ersten Spülrate gespült und die jeweilige Beladung erfasst. Bei Unterschreiten der erfassten Beladung einer unteren Beladungsschwelle wird dann mit einer zweiten, gegenüber der ersten Spülrate geringeren Spülrate gespült und wiederum die jeweilige Beladung bis zur Überschreitung einer oberen Beladungsschwelle erfasst. Aus der Zeit, welche bei der zweiten Spülrate benötigt wird, um von der unteren Beladungsschwelle zu der oberen Beladungsschwelle zu gelangen, wird die Ausgasung quantitativ ermittelt.

In einer weiteren Ausgestaltung werden die genannten Schritte wenigstens zweimal zyklisch wiederholt, wobei bei Überschreiten der Beladung der oberen Beladungsschwelle, bis zum Unterschreiten der unteren Beladungsschwelle, wieder mit erhöhter Spülrate gespült wird und die jeweilige Beladung erfasst wird. Danach wird bei Unterschreiten der Beladung der unteren Beladungsschwelle mit der zweiten, gegenüber der ersten Spülrate geringeren Spülrate gespült und wiederum die jeweilige Beladung erfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung lassen sich vorteilhaft in eine Tankleckdiagnosefunktion bzw. -einheit integrieren.

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der Zeichnungen, anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert, woraus sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben. Es zeigen

Fig. 1 eine zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. zum Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der Steuereinheit geeignete Kraftstofftankanlage eines Kraftfahrzeuges und

Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein bei einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine (BKM) eines Kraftfahrzeuges typischerweise vorgesehenes Saugrohr 10 sowie einen Abgastrakt 12. Zur Bevorratung von Kraftstoff ist ein Kraftstoffvorratstank 14 vorgesehen. Zum emissionsarmen Betrieb der BKM sind eine Tankentlüftungsanlage 16, ein Steuergerät 18, eine Abgassensorik 20, sowie eine Sensorik 22, die stellvertretend für eine Vielzahl von die Betriebsparameter der BKM ermittelnden Sensoren wie Drehzahlsensor, Strömungsmesser zur Sensierung der angesaugten Luftmenge, Temperatursensor usw. steht, vorgesehen. Auch sieht die Vorrichtung eine Kraftstoffzumesseinrichtung 24 vor, die beispielsweise als Anordnung eines oder mehrerer Einspritzventile realisiert sein kann.

Die Tankentlüftungsanlage 16 enthält einen Aktivkohlefilter (AKF) 26, der über entsprechende Leitungen 28-32 mit dem Tank 14, der Umgebungsluft 34 und dem Saugrohr 10 der BKM kommuniziert, wobei in der Leitung 32 zum Saugrohr 10 ein Tankentlüftungsventil (TEV) 36 angeordnet ist. Der AKF 26 speichert im Tank 14 verdunstenden Kraftstoff. Bei vom Steuergerät 18 öffnend angesteuertem TEV 36 wird Luft 34 aus der Umgebung durch den AKF 26 hindurch gesaugt, der dabei den gespeicherten Kraftstoff an die eingesaugte Luft 34 abgibt. Dieses als "Tankentlüftungsgemisch" oder auch als "Regeneriergas" bezeichnete Kraftstoff-Luft-Gemisch beeinflusst nun die Zusammensetzung des der BKM insgesamt zugeführten Gasgemisches, das im Übrigen durch eine der angesaugten Luftmenge angepasste Zumessung von Kraftstoff über die Kraftstoffzumesseinrichtung 24 mitbestimmt wird. Dabei kann der über die Tankentlüftungsanlage 16 dem Saugrohr 10 zugeführte Kraftstoff in Extremfällen einem Anteil von etwa einem Drittel bis zur Hälfte der Gesamtkraftstoffmenge entsprechen.

Im Betrieb des Kraftfahrzeugs bzw. der BKM oder beim Betanken des Tanks 14 bilden sich im Tank 14 flüchtige Kohlenwasserstoff(HC-)dämpfe, die über die Leitung 28 in den AKF 26 gelangen und in diesem in bekannter Weise reversibel gebunden werden. Das TEV 36 ist normalerweise geschlossen. In regelmäßigen Zeitabständen wird das TEV 36 durch die Steuereinheit 18 so angesteuert, dass ein bestimmter Teildruck des im Saugrohr 10 bestehenden Unterdrucks dem AKF 26 über die Leitung 32 zugeführt wird, was dazu führt, dass die gespeicherten HC-Dämpfe von dem AKF 26 über die Leitung 32 und über das TEV 36 in das Saugrohr 10 hineingesaugt werden, um schließlich der BKM zur Verbrennung und damit endgültigen Entsorgung zugeführt zu werden.

Zur On-Board-Diagnose der Funktionsfähigkeit bzw. Dichtheit des Tanks 14 bzw. der gesamten Tankanlage ist eine (nicht gezeigte) Leckdiagnoseeinheit vorgesehen. Diese weist eine Pumpe und ein dieser vorgeschaltetes Umschaltventil auf, um die Pumpe wahlweise mit dem Tank 14 und einem parallel zum Tank 14 angeordnetes Referenzleck verbinden zu können. Die Größe des Referenzlecks ist so gewählt, dass sie der Größe des zu erfassenden Lecks entspricht. Die genannte On-Board- Diagnose ist bspw. in der DE 196 36 431.0, auf die vorliegend in vollem Umfang inhaltlich Bezug genommen wird, ausführlich beschrieben.

In der Fig. 2 ist nun ein typischer Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In dem oberen Halbdiagramm ist die Spülmenge durch das AKF 26 über der Zeit und in dem unteren Halbdiagramm der zeitliche Verlauf der Beladung des AKF 26 mit HC-Dämpfen, in einer entsprechenden synchronen Zeitdarstellung, aufgetragen.

Während des Betriebs der BKM wird der AKF 26 zyklisch mit zwei unterschiedlichen Spülraten mit Frischluft beaufschlagt. Gezeigt sind hier beispielhaft zwei Zyklen "I" und "II" von mehreren darauf folgenden (nicht dargestellten) Zyklen. Zunächst wird mit einer bestimmten, relativ hohen Spülmenge 100 gespült und dabei der zeitliche Verlauf 102 der Beladung des AKF 26 erfasst. Unterschreitet die Beladung eine vorbestimmte erste untere Beladungsschwelle 104, wird nur noch mit einer relativ geringen, jedoch konstanten Spülmenge 106 gespült und dabei wiederum der zeitliche Verlauf 108 der Beladung des AKF 26 erfasst. Die Spülmenge 106 ist dabei so gering gewählt, dass sie sich nicht auf die Beladung selbst auswirkt.

Es ist anzumerken, dass die Spülmenge 106 alternativ durch einen in der Ausschnittvergrößerung 110 dargestellten Intervallbetrieb 112 realisiert sein kann, wobei sich die Konstanz erst durch Integration über einen gewissen Zeitraum ergibt.

Überschreitet die in der jeweiligen zweiten Hälfte der Zyklen erfasste Beladung 108 aufgrund von Kraftstoffausgasung aus dem Tank 14 und dadurch bedingter Speicherung dieser Ausgasung in dem AKF 26 eine zweite obere Beladungsschwelle 114, wird wieder mit erhöhter Spülmenge 100' gespült, und zwar solange, bis die erste untere Beladungsschwelle wieder von der entsprechenden Beladungskurve 102' unterschritten wird.

Die Zeit DELTA_t2, DELTA_t2', die bei bekanntem Spülstrom 106, 106' benötigt wird, um jeweils von der unteren Beladungsschwelle 104 zur oberen Beladungsschwelle 114 zu gelangen, ist ein Maß der Ausgasung. Das ermittelte Zeitintervall kann entweder als relatives Maß oder, bei entsprechender Eichung, sogar als absolutes Maß herangezogen werden. Wie bereits erwähnt, werden die gezeigten Zyklen vorliegend zur Erhöhung der Ermittlungsgüte entsprechend mehrfach wiederholt. Die Erhöhung der Güte ergibt sich dabei durch arithmetische Mittelung oder dergleichen.

Zur Erhöhung des Messeffektes bzw. der Messgenauigkeit kann zusätzlich die Spülmenge 100, 100', die in den Zeitintervallen DELTA_t1 und DELTA_t1' erforderlich ist, um von der oberen Beladungsschwelle 114 zur unteren Beladungsschwelle 104 zu gelangen, mittels der Steuereinheit 18 und dem TEV 36 so nachgeregelt werden, dass sie mit der Zeit DELTA t2 und DELTA t2', die für die Ausgasung benötigt wird, um von der unteren Schwelle 104 zur oberen Schwelle 114 zu gelangen, möglichst übereinstimmt. Dadurch ist insbesondere gewährleistet, dass die Beladung und die Entladung des AKF 26 stets mit vergleichbaren Raten erfolgen und die ermittelten Kurven somit vergleichbarer werden. Zudem werden dadurch nichtlineare Effekte bei der Be- und Entladung weitestgehend ausgeschlossen.

Claims (10)

1. Verfahren zur quantitativen Ermittlung einer Aus­ dampfung bzw. Ausgasung von Brennstoff in einem Brennstoffbehältnis (14), insbesondere in einer Brennstofftankanlage eines Kraftfahrzeuges, wobei etwa ausgasender Brennstoff mittels eines mit dem Brennstoffbehältnis (14) verbundenen Adsorptions­ filters (26) zwischengespeichert und der Adsorpti­ onsfilter (26) zeitweilig durch Spülen mit Frisch­ luft (34) regeneriert wird und wobei während des Spülens eine Beladung des Adsorptionsfilters (26) mit dem ausgegasten Brennstoff ermittelt wird, da­ durch gekennzeichnet, dass der Adsorptionsfilter (26) mit einer ersten Spülrate (100, 100') gespült und die jeweilige Beladung (102, 102') erfasst wird, dass bei Unterschreiten der erfassten Beladung (102, 102') einer unteren Beladungsschwelle (104) mit ei­ ner zweiten, gegenüber der ersten Spülrate (100, 100') geringeren Spülrate (106, 106') gespült und wiederum die jeweilige Beladung (108, 108') bis zur Überschreitung einer oberen Beladungsschwelle (114) erfasst wird, und dass die Zeit (DELTA_t2, DELTA_t2'), welche bei der zweiten Spülrate (106, 106') benötigt wird, um von der unteren Beladungs­ schwelle (104) zu der oberen Beladungsschwelle (114) zu gelangen, als quantitatives Maß für die Ausgasung herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Schritte wenigstens zweimal zy­ klisch wiederholt werden, wobei bei Überschreiten der Beladung (108, 108') der oberen Beladungsschwel­ le (114), bis zum Unterschreiten der unteren Bela­ dungsschwelle (104), wieder mit erhöhter Spülrate (100, 100') gespült wird und die jeweilige Beladung (102, 102') erfasst wird und dass bei Unterschreiten der Beladung (102, 102') der unteren Beladungs­ schwelle (104) mit der zweiten, gegenüber der ersten Spülrate (100, 100') geringeren Spülrate (106, 106') gespült und wiederum die jeweilige Beladung (108, 108') erfasst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Spülung mit der zweiten Spülrate (106, 106') in einem Intervallbetrieb (112) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spülrate (100, 100') an das zur Erlangung der oberen Bela­ dungsschwelle (114) erforderliche Zeitintervall (DELTA_t2, DELTA_t2') dynamisch angeglichen, insbe­ sondere entsprechend geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die quantitativ ermit­ telte Ausgasung von Brennstoff bei einer Tankleck­ diagnose insbesondere zur Messkorrektur herangezogen wird.

6. Vorrichtung zur quantitativen Ermittlung einer Aus­ dampfung bzw. Ausgasung von Brennstoff in einem Brennstoffbehältnis (14), insbesondere in einer Brennstofftankanlage eines Kraftfahrzeuges, mit ei­ nem mit dem Brennstoffbehältnis (14) verbundenen Ad­ sorptionsfilter (26) zur Zwischenspeicherung etwa ausgasenden Brennstoffs, welcher zeitweilig durch Spülen mit Frischluft (34) regeneriert und dabei ei­ ne Beladung des Adsorptionsfilters (26) mit dem aus­ gegasten Brennstoff ermittelt wird, gekennzeichnet durch Sensormittel zur Erfassung einer Spülrate des Spülens mit Frischluft und zur Erfassung einer Bela­ dung des Adsorptionsfilters mit der Ausdampfung, Mittel zur Erfassung eines Unter- bzw. Überschrei­ tens der jeweils erfassten Beladung gegenüber einer unteren bzw. oberen Beladungsschwelle, sowie Rechen­ mittel zur quantitativen Berechnung der Ausgasung aus der Zeit, welche bei einer zweiten Spülrate be­ nötigt wird, um von der unteren Beladungsschwelle zu der oberen Beladungsschwelle zu gelangen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Steuermittel (18) zur getakteten Spülung des Adsorp­ tionsfilters (26) mit der zweiten Spülrate.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Regelung zur dynamischen Anpassung der ersten Spülrate an die zur Erlangung der oberen Be­ ladungsschwelle erforderliche Zeit.

9. Steuergerät aufweisend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8.

10. Tankleckdiagnoseeinheit, umfassend ein Steuergerät gemäß Anspruch 9.