DE102007012200A1

DE102007012200A1 - Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Lecks

Info

Publication number: DE102007012200A1
Application number: DE102007012200A
Authority: DE
Inventors: Armin Köhler; Ludger HÖLSCHER; Uwe Finis
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-18
Also published as: EP2122151A1; US8751174B2; EP2122151B1; CN101646858A; CN101646858B; WO2008110381A1; US20110307195A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Lecks in einer eine Flüssigkeit enthaltenen Tankeinrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Flüssigkeit durch Verdampfen den Druck in der Tankeinrichtung beeinflusst, mit folgenden Schritten: - Erzeugen eines ersten Drucks als Referenzdruck in der Tankeinrichtung zu einem ersten Zeitpunkt (t1), - Erfassen eines ersten auftretenden Druckverlaufs bis zu einem zweiten Zeitpunkt (t2); - Erzeugen eines zweiten Drucks zu einem dritten Zeitpunkt (t4), wobei der erste Druck und der zweite Druck unterschiedlich hoch gewählt werden, - Erfassen eines zweiten auftretenden Druckverlaufs bis zu einem vierten Zeitpunkt (t5), - Bestimmen des Druckgradienten des ersten Druckverlaufs zum zweiten Zeitpunkt (t2) und des Druckgradienten des zweiten Druckverlaufs zum dritten Zeitpunkt (t4), - Bestimmen einer ersten Druckdifferenz des Drucks zum zweiten Zeitpunkt (t2) zu dem Referenzdruck, - Bestimmen einer zweiten Druckdifferenz des Drucks zum dritten Zeitpunkt (t4) zu dem Referenzdruck, - Berechnung der Größe des Lecks in Abhängigkeit von den bestimmten Druckgradienten und Druckdifferenzen und der Annahme, dass die Verdampfungsrate in der Tankeinrichtung konstant ist und dass sich eine Leckrate einstellt, die proportional zu der Wurzel aus der jeweiligen Druckdifferenz ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Lecks in einer eine Flüssigkeit enthaltenden Tankeinrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Flüssigkeit durch Verdampfen den Druck in der Tankeinrichtung beeinflusst.
Verfahren zur Erfassung und Bestimmung eines Lecks in einer Tankeinrichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 102 54 986 A1 ein Verfahren zur Tankleckdiagnose in einer Tankentlüftungsvorrichtung, bei der eine Druckerhöhung in der Tankentlüftungsvorrichtung aufgrund von ausgasendem beziehungsweise verdampfendem Kraftstoff mittels einer Massenbilanz berechnet und bei der Bestimmung eines Lecks mitberücksichtigt wird. Wobei zur Tankleckdiagnose die Tankentlüftungsvorrichtung "evakuiert" wird, sodass ein Unterdruck entsteht.
Heutige Verfahren zur Erkennung beziehungsweise Bestimmung eines Lecks bei Motorlauf, also während des Betriebs einer die Tankeinrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine, sind aufgrund der physikalischen Randbedingungen nicht in der Lage, ein Leck von 0,5 mm sicher zu detektieren. In diesen Fällen ist immer eine nachgeschaltete Diagnose nach "engine-off", also bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine, notwendig, die sensitiver ist als gefordert und zu einer hohen Ruhestrombelastung im Fahrzeug führt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Leck von bis zu 0,5 mm Größe sicher zu detektieren, wobei die Größe des Lecks durch einen Durchmesser (zum Beispiel d = 0,5 mm) definiert wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:
Zunächst wird in der Tankeinrichtung zu einem ersten Zeitpunkt ein erster Druck erzeugt, der für das weitere Verfahren als Referenzdruck dient. Anschließend wird bis zu einem zweiten Zeitpunkt ein erster auftretender Druckverlauf erfasst, der durch das Verdampfen der in der Tankeinrichtung enthaltenen Flüssigkeit entsteht. Anschließend wird ein zweiter Druck zu einem dritten Zeitpunkt eingestellt, wobei sich der zweite Druck von dem ersten Druck unterscheidet. Die Erzeugung des ersten oder zweiten Drucks zu dem ersten beziehungsweise dem dritten Zeitpunkt ist so zu verstehen, dass zu dem jeweiligen Zeitpunkt (dem ersten oder dritten) der erzeugte erste beziehungsweise zweite Druck in der Tankeinrichtung vorliegt. Anschließend wird ein zweiter auftretender Druckverlauf von dem dritten Zeitpunkt bis zu einem vierten Zeitpunkt erfasst. Auch hierbei beschreibt der auftretende Druckverlauf die Druckveränderung in der Tankeinrichtung aufgrund der Verdampfung der in der Tankeinrichtung enthaltenen Flüssigkeit. Nach Erfassung des ersten und des zweiten Druckverlaufs werden der Druckgradient des ersten Druckverlaufs zum zweiten Zeitpunkt und der Druckgradient des zweiten Druckverlaufs zu dem dritten Zeitpunkt bestimmt. Außerdem wird eine erste Druckdifferenz des in der Tankeinrichtung vorliegenden Drucks zum zweiten Zeitpunkt und zum dritten Zeitpunkt zu dem Referenzdruck bestimmt. In Abhängigkeit von dem bestimmten Druckgradienten und Druckdifferenzen, und der Annahme, dass die Verdampfungsrate in der Tankeinrichtung konstant ist, und dass sich eine Leckrate einstellt, die proportional zu der Wurzel aus der jeweiligen Druckdifferenz ist, wird abschließend die Größe des Lecks bestimmt. Aufgrund der Annahme, dass die Verdampfungsrate in der Tankeinrichtung zu jedem Zeitpunkt konstant ist, kann die Größe des Lecks mit den oben genannten Werten auf einfache Art und Weise mittels der folgenden Formel bestimmt werden:
Hierbei wird also der Druckgradient des zweiten Druckverlaufs ((dp/dt)₅) ins Verhältnis zu dem Druckgradienten des ersten Druckverlaufs ((dp/dt)₂) gesetzt und auf die Druckdifferenzen zum zweiten Zeitpunkt (Δp₂) und dem dritten Zeitpunkt (Δp₅) normiert. Als Konstanten werden dabei das Volumen (V) der Tankeinrichtung, die das Leck als Blende kennzeichnende Durchflusskennzahl (α), die Dichte des in der Tankeinrichtung befindlichen Gases (ρ) sowie die Temperatur des Gases (T) verwendet. Grundlage für diese Formel ist die Annahme, gemäß der Blendenformel, dass sich eine Leckrate einstellt, die proportional zu der Wurzel aus der jeweiligen Druckdifferenz ist:
Die Indices 1 und 2 stehen jeweils für die erste Phase (vom ersten Zeitpunkt zum zweiten Zeitpunkt) und die zweite Phase (vom dritten Zeitpunkt zum vierten Zeitpunkt) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Die jeweilige Leckrate (V ._1L, V ._2L ₎ entspricht dabei dem Volumenstrom, der durch das als Blende verstandene Leck strömt.
Zweckmäßigerweise wird als erster Druck in der Tankeinrichtung Umgebungsdruck erzeugt, also ein (Gas-)Druck, der dem Umgebungsdruck der Tankeinrichtung entspricht. Von diesem Druck ausgehend wird dann der erste auftretende Druckverlauf, der aufgrund der Verdampfung beziehungsweise Ausgasung der Flüssigkeit entsteht, erfasst.
Vorteilhafterweise wird als zweiter Druck ein Unterdruck erzeugt. Bevorzugt beträgt der Unterdruck bis zu –16 mbar. Dadurch wird der zweite auftretende Druckverlauf bei einem anderen Druckniveau erfasst, als der erste Druckverlauf, und aufgrund der unterschiedlichen Druckniveaus kann eine genauere Aussage über das Leck getroffen werden.
Vorteilhafterweise wird der erste Druck durch Öffnen eines Lüftungsventils der Tankeinrichtung erzeugt. Das Lüftungsventil ermöglicht also durch Öffnen einen Druckausgleich zwischen der Tankeinrichtung und ihrer Umgebung. Das Ventil ist vorteilhafterweise so lange geöffnet, bis sich in der Tankeinrichtung der Umgebungsdruck eingestellt hat. Der erste Zeitpunkt entspricht somit dem Zeitpunkt, an dem das Ventil geschlossen wird und sich der Druck in der Tankeinrichtung aufgrund der Verdampfung der Flüssigkeit verändert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der zweite Druck durch Öffnen eines eine Verbindung zu einem Ansaugtrakt einer die Tankeinrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine herstellenden Regenerierventils erzeugt. Es ist also ein Regenerierventil an einer Tankeinrichtung vorgesehen, das eine Verbindung von der Tankeinrichtung zu dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine in geöffnetem Zustand herstellt. Im Betrieb entsteht dadurch ein Sog, der zu einem Unterdruck in der Tankeinrichtung führt. Das Regenereierventil wird erfindungsgemäß zu dem dritten Zeitpunkt geschlossen, wonach sich der Druck in der Tankeinrichtung allein aufgrund des Lecks und der Verdampfung der Flüssigkeit verändert.
Zweckmäßigerweise wird der zweite und/oder der vierte Zeitpunkt so gewählt, dass der jeweils bestimmte Druckgradient den Druckverlauf in der jeweiligen Phase des Verfah rens ausreichend beschreibt, sodass eine zutreffende Aussage über die Größe des Lecks möglich ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen
1a und b schematisch das erfindungsgemäße Verfahren.
Die 1a und b beschreiben ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dazu zeigt die 1a ein Diagramm, bei dem der in einer Tankeinrichtung vorliegende Druck p über die Zeit t in Sekunden aufgetragen ist. Die 1b zeigt die Schaltzustände von einem Lüftungsventil 1 und von einem Regenerierventil 2 der Tankeinrichtung, wobei das Lüftungsventil 1 beziehungsweise das Regenerierventil 2 in einem ersten Zustand 3 beziehungsweise 4 geschlossen und in einem zweiten Zustand 5 beziehungsweise 6 geöffnet sind. Die Schaltzustände 3, 4, 5, 6 sind dabei ebenfalls über die Zeit t aufgetragen.
Die in der 1a fett gezeichnete Kurve 7 kennzeichnet den gemessenen Druckverlauf in der Tankeinrichtung. Zu einem ersten Zeitpunkt t₁ wird das Lüftungsventil 1 geschlossen, sodass der in der Tankeinrichtung vorliegende Druck lediglich durch die Verdampfung beziehungsweise das Ausgasen der in der Tankeinrichtung befindlichen Flüssigkeit und einem Leck in der Tankeinrichtung beeinflusst wird. Die Verdampfung beziehungsweise das Ausgasen wird hierbei als ein Volumenstrom beziehungsweise als Verdampfungsrate verstanden. Ebenfalls wird das durch das Leck ausströmende Gas als Volumenstrom beziehungsweise Leckrate verstanden, wobei das Leck als eine Blende verstanden wird. Zu dem Zeitpunkt t₁ gleicht der Druck in der Tankeinrichtung dem Umgebungsdruck p₀. Dieser eingestellte erste Druck p₁ dient als Referenzdruck für das weitere Verfahren. Ab dem Zeitpunkt t₁ steigt der Druck p in der Tankeinrichtung entsprechend der Verdampfung und der Größe des Lecks beziehungsweise entsprechend der Verdampfungsrate und der Leckrate, und, wobei er aufgrund eines sich einstellenden Gleichgewichts zwischen Tankinnerem und Umgebung mit zunehmender Zeit weniger steigt. Eine von dem Zeitpunkt t₁ ausgehende Kurve 8 zeigt den theoretischen Druckanstieg für den Fall, dass kein Leck in der Tankeinrichtung vorhanden ist. Zu dem Zeitpunkt t₂ wird das Lüftungsventil 1 geöffnet und es stellt sich in der Tankeinrichtung wieder der Umgebungsdruck p₀ ein. Zu dem darauf folgenden Zeitpunkt t₃ wird das Regenerierventil 2 geöffnet, sodass eine Verbindung zu dem Ansaugtrakt der die Tankeinrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine hergestellt wird, sodass ein Sog entsteht und in der Tank einrichtung ein Unterdruck p₄ erzeugt wird, wobei der Unterdruck p₄ dem Druck entspricht, der vorliegt, wenn das Regenerierventil 2 zu dem Zeitpunkt t₄ verschlossen wird. Ab diesem Zeitpunkt steigt der Druck p in der Tankeinrichtung wieder aufgrund der Verdampfungsrate und der Leckrate an. Aufgrund des Unterdrucks strömt Umgebungsluft in den Tank ein, sodass der nur auf der Verdampfung drohende Druckanstieg geringer ausfallen würde, wie durch die Kurve 9 dargestellt. Zu einem Zeitpunkt t₅ wird das Lüftungsventil 1 wieder geöffnet und es findet ein Druckausgleich statt, sodass in der Tankeinrichtung der Umgebungsdruck p₀ vorliegt.
Die Größe des Lecks wird nun wie folgt bestimmt:
Zunächst gilt nach der Blendenformel, dass sich eine Leckrate einstellt, die proportional zu der Wurzel aus der jeweiligen Druckdifferenz ist. Betrachtet werden dazu die Zeitpunkte t₂ und t₄, wobei nach der Blendenformel gilt, dass das Verhältnis der Leckraten zu dem Zeitpunkt t₂ und dem Zeitpunkt t₄ dem Verhältnis aus der Wurzel der Druckdifferenz zu dem Zeitpunkt t₂ zu der Wurzel der Druckdifferenz zu dem Zeitpunkt t₄ entspricht:
Als Druckdifferenz wird jeweils der in der Tankeinrichtung zu dem Zeitpunkt t₂ beziehungsweise t₄ vorliegende Druck p₂ beziehungsweise p₄ zu dem Ausgangsdruck p₀, der dem Umgebungsdruck entspricht, bestimmt.
Unter der Annahme einer konstanten Verdampfungsrate V . ergibt sich: V .2D = V .4D
Wobei der Gesamtvolumenstrom V ._G in der ersten Phase (t₁ bis t₂) aus der Verdampfungsrate aus V ._D2 abzüglich der Leckrate V ._L2 ergibt. In der zweiten Phase (t₄ bis t₅) ergibt sich der Gesamtvolumenstrom V ._G4 aus der Summe der Verdampfungsrate und der Leckrate. Dies führt zu dem Folgenden: V .2G + V .2L = V .4G – V .4L
Anschließend wird die Leckrate V ._4L in der zweiten Phase, also von dem Zeitpunkt t₄ bis t₅, aus der folgenden Formel ermittelt, wobei sich diese aus den vorhergehenden Gleichungen ergibt:
Da die gemessenen Drücke und die zu ermittelnden Volumenströme in direktem Zusammenhang stehen, kann zur Ermittlung der Leckage in der zweiten Phase V ._4L der Volumenstrom durch den Druckgradienten ersetzt werden:
Damit berechnet sich die Querschnittsfläche des Lecks auf Basis des Volumenstroms durch eine Blende mit obiger Leckrate wie folgt:
Hierbei steht α für die Durchflusskennzahl des als Blende verstandenen Lecks, A für die Querschnittsfläche des Lecks, R für die Gesakonstante, T für die Temperatur und ρ für die Dichte des ein- beziehungsweise ausströmenden Gases. Aus dieser Formel ergibt sich:
Wobei zur Vereinfachung der in Klammern stehende Term zusammengefasst wird:
Daraus ergibt sich für die Querschnittsfläche und somit für die Größe des Lecks:
Mittels dieses vorteilhaften Verfahrens können Lecks mit einem Durchmesser ab 0,5 mm bestimmt werden. Voraussetzung dafür ist die Annahme dass während der Überdruckphase (t₁ bis t₂) und der Unterdruckphase (t₄ bis t₅) eine konstante Verdampfungsrate (V ._D) vorliegt.

1: Zustands-Lüftungsventil
2: Zustands-Regenerierventil
3: geschlossen
4: geschlossen
5: geöffnet
6: geöffnet
7: Kurve
8: Kurve
p: Druck
t: Zeit
t₁: Erster Zeitpunkt
t₂: Zweiter Zeitpunkt
t₄: Dritter Zeitpunkt
t₅: Vierter Zeitpunkt
p₀: Umgebungsdruck
p₁: erster Druck
^p4: zweiter Druck
V ._1L: Leckrate Phase 1
V ._2L: Leckrate Phase 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10254986 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Lecks in einer eine Flüssigkeit enthaltenen Tankeinrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Flüssigkeit durch Verdampfen den Druck in der Tankeinrichtung beeinflusst, mit folgenden Schritten: – Erzeugen eines ersten Drucks als Referenzdruck in der Tankeinrichtung zu einem ersten Zeitpunkt (t₁), – Erfassen eines ersten auftretenden Druckverlaufs bis zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂); – Erzeugen eines zweiten Drucks zu einem dritten Zeitpunkt (t₄), wobei erste Druck und der zweite Druck unterschiedlich hoch gewählt werden, – Erfassen eines zweiten auftretenden Druckverlaufs bis zu einem vierten Zeitpunkt (t₅), – Bestimmen des Druckgradienten des ersten Druckverlaufs zum zweiten Zeitpunkt (t₂) und des Druckgradienten des zweiten Druckverlaufs zum dritten Zeitpunkt (t₄), – Bestimmen einer ersten Druckdifferenz des Drucks zum zweiten Zeitpunkt (t₂) zu Referenzdruck, – Bestimmen einer zweiten Druckdifferenz des Drucks zum dritten Zeitpunkt (t₄) zu dem Referenzdruck, – Berechnung der Größe des Lecks in Abhängigkeit von den bestimmten Druckgradienten und Druckdifferenzen, und der Annahme, dass die Verdampfungsrate in der Tankeinrichtung konstant ist, und dass sich eine Leckrate einstellt, die proportional zu der Wurzel aus der jeweiligen Druckdifferenz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Druck Umgebungsdruck erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Druck ein Unterdruck erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck durch Öffnen eines Lüftungsventils der Tankeinrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck durch Öffnen eines eine Verbindung zu einem Ansaugtrakt einer die Tankeinrichtung aufweisenden Brennkraftmaschine herstellenden Regenerierventils erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und/oder der vierte Zeitpunkt so gewählt werden, dass der jeweils bestimmte Druckgradient den Druckverlauf ausreichend beschreibt.