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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer, mit einem Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine während des Kaltstarts und Warmlaufs.
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Zur Begrenzung der Schadstoffemissionen sind moderne Kraftfahrzeuge, welche mit Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden, mit Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystemen, meist als Tankentlüftungsvorrichtungen bezeichnet, ausgestattet. Der Zweck solcher Vorrichtungen besteht darin, Kraftstoffdampf, der sich in einem Kraftstofftank durch Verdunsten bildet, aufzunehmen und temporär zu speichern, so dass der Kraftstoffdampf nicht in die Umwelt entweichen kann. Als Speicher für den Kraftstoffdampf ist in dem Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem ein Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter vorgesehen, der z. B. Aktivkohle als Speichermedium nutzt. Das Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter weist nur eine begrenzte Speicherkapazität für Kraftstoffdampf auf. Um den Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter über einen langen Zeitraum nutzen zu können, muss dieser regeneriert werden. Hierzu ist in einer Leitung zwischen dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter und einem Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine ein steuerbares Tankentlüftungsventil angeordnet, welches zur Durchführung der Regeneration geöffnet wird, so dass einerseits die im Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter adsorbierten Kraftstoffdämpfe aufgrund des Unterdrucks im Saugrohr in dieses entweichen und so der Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine und damit der Verbrennung zugeführt und anderseits die Aufnahmefähigkeit des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters für Kraftstoffdampf wieder hergestellt wird.
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In bestimmten Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine wird das normalerweise geschlossene Tankentlüftungsventil in einer Regenerierungsleitung zwischen Aktivkohlebehälter und Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine mittels Signalen einer elektronischen Steuerungsvorrichtung geöffnet. Durch den im Saugrohr herrschenden Unterdruck gelangen die Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter in den Ansaugtrakt stromabwärts einer Drosselklappe und vermischen sich dort mit der Ansaugluft. Dieses Gemisch strömt dann bei geöffnetem Einlassventil in den oder die Zylinder, wo es mittels einer Zündeinrichtung gezündet und anschließend verbrannt wird. Zur Durchführung des Spülvorganges wird ein am Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter angeordnetes Belüftungsventil geöffnet, so dass aufgrund des Saugrohrunterdruckes Spülluft aus der Atmosphäre durch den Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter strömen und die Aktivkohle regeneriert werden kann. Ein Regenerierungsvorgang ist demnach nur dann möglich, wenn im Saugrohr gegenüber der Tankentlüftungsvorrichtung ein Unterdruck herrscht.
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Neue Fahrzeugkonzepte mit Hybridantrieb und Start/Stopp-Funktionalität sind ein Mittel, um die vom Gesetzgeber geforderten Emissionswerte einzuhalten und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Diese führen aber gleichzeitig zu einer signifikanten Verringerung der Spülraten zur Regeneration des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters, da sich durch das Abschalten der Verbrennungskraftmaschine die effektive Zeit in der gespült werden kann, verringert.
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Weiterhin führt die Entdrosselung der Verbrennungskraftmaschinen durch Downsizing, Wegfall der Drosselklappe und Steuerung der einströmenden Luftmasse mit Hilfe der Einlassventile (VVT, variabler Ventiltrieb) und/oder Abgasturboaufladung dazu, dass der für die Spülung des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters benötigte Unterdruck im Saugrohr nicht mehr ausreichend vorhanden ist.
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Bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen herrscht im aufgeladenen Betriebszustand im Saugrohr ein höherer Druck als in der Tankentlüftungsvorrichtung. Außerdem kann bei Verbrennungskraftmaschinen, die mit Kraftstoff-Direkteinspritzung betrieben werden, in bestimmten Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere während des Betriebes mit Zylinderladungsschichtung keine Spülung des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters durchgeführt werden, da die Spülgase welche in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet werden, nicht vollständig verbrennen können. Die Spülgase werden nämlich über den gesamten Brennraum homogen verteilt. Im Brennraum verbrennt jedoch nur das Gemisch, das in der Nähe der Zündkerze geschichtet ist und eine Luftzahl besitzt, bei der kein Erlöschen der Flammenfront bei der Ausbreitung auftritt. Im Rest des Brennraumes erlischt die Flammenfront, weil das Gemisch nicht innerhalb der Zündgrenzen liegt, da abhängig vom Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine sehr stark abgemagertes Gemisch bis zu reiner Luft und/oder rückgeführtes Abgas vorliegt.
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Darüber hinaus besteht bei Verbrennungskraftmaschinen, die mit Kraftstoff-Direkteinspritzung betrieben werden, im Kaltstart und Warmlauf das Problem, dass infolge der niedrigen Temperatur der Kraftstoff nur ungenügend verdampft und es damit zu erhöhten Emissionen und Partikelbildung kommen kann. Insbesondere während der sogenannten Katalysator-Aufheizfunktionen, bei denen der Kraftstoff sehr spät eingebracht wird und der Zündwinkel ebenfalls nach spät verstellt wird, treten erhöhte Emissionen auf.
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Aus der
EP 0 488 254 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und einem Tankentlüftungssystem bekannt, bei der Kraftstoffdampf in einem Kraftstoffauffangbehälter mit einer Aktivkohle gespeichert wird. Bei bestimmten Betriebszuständen wird der gespeicherte Kraftstoffdampf über eine Regenerierungsleitung und ein Tankentlüftungsventil dem Saugrohr zugeführt. Eine Spülung des Aktivkohlefilters wird unterbunden, wenn die Last der Verbrennungskraftmaschine kleiner als ein vorgegebener Grenzwert und die Temperatur des Katalysators unterhalb eines Schwellenwertes liegt. Eine Spülung wird durchgeführt, wenn die Last höher ist als der Grenzwert und zwar unabhängig von der dabei gerade herrschenden aktuellen Katalysatortemperatur. An der Anschlussleitung des Aktivkohlefilters, die mit der Atmosphäre verbunden ist, ist eine elektrisch angetriebene Pumpe vorgesehen, die im Spülbetrieb Luft durch den Aktivkohlefilter pumpt und das Tankentlüftungsgemisch über das offene Tankentlüftungsventil in das Saugrohr drückt.
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Aus der
DE 43 16 728 A1 ist eine Vorrichtung zum Sammeln und gezielten Zudosieren von flüchtigen Kraftstoffkomponenten (Fraktionen) an einem Ottomotor mit einem Sammelbehälter für die flüchtigen Kraftstoffkomponenten bekannt, die einen Kanal zur Verbindung des Speichers mit dem Saugkanal des Ottomotors und ein Dosierventil in dem Anschlusskanal aufweist. Diese Vorrichtung dient zur gezielten Zuführung des Tankentlüftungsgemisches, um den Motorbetrieb zu optimieren. Hierzu wird das Dosierventil zwischen Aktivkohlefilter und Saugrohr von einem Steuergerät entsprechend der an dem jeweiligen Betriebszustand gewünschten Zumischung der flüchtigen Kraftstoffkomponenten angesteuert. Eine elektrische Pumpe in der Regenerierungsleitung zwischen Aktivkohlefilter und Saugrohr wird über Signale des Steuergerätes angesteuert und ermöglicht so auch eine Regenerierung bei Vollastbetrieb, wenn der herrschende Saugrohrunterdruck hierzu nicht ausreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer zumindest teilweise mit Entdrosselung betreibbaren Verbrennungskraftmaschine anzugeben, das bzw. die einen emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Kaltstart und Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Steuern einer, mit einem Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine einen Kraftstoffvorratsbehälter zum Speichern von Kraftstoff aufweist und einen Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter, der mit dem Kraftstoffvorratsbehälter über eine Verbindungsleitung gekoppelt ist, um die daraus entweichenden Kraftstoffdämpfe temporär zu speichern. Ferner ist der Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter über eine Regenerierungsleitung mit einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, um bei Vorliegen bestimmter Betriebsbereiche der Verbrennungskraftmaschine die gespeicherten Kraftstoffdämpfe in den Ansaugtrakt einzuleiten. Außerdem steht der Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter über eine Belüftungsleitung mit der Atmosphäre in Verbindung, so dass zum Regenerieren des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters Spülluft durch den Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter geleitet werden kann. Bei einem Kaltstart und daran anschließendem Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine wird mittels einer in der Regenerierungsleitung angeordneten Spülluftpumpe in einer ersten Phase Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffvorratsbehälter abgesaugt und in den Ansaugtrakt geleitet, der Druck im Kraftstoffvorratsbehälter mittels eines Drucksensors überwacht und sobald sich im Kraftstoffvorratsbehälter ein Unterdruck einstellt, die Absaugung der Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffvorratsbehälter beendet und in einer zweiten Phase mittels der Spülluftpumpe die Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter abgesaugt und in den Ansaugtrakt geleitet.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der Vorrichtung ist es möglich, Kraftstoffdämpfe, welche sich sowohl im Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter, als auch im Kraftstoffvorratsbehälter befinden, während des Kaltstarts und anschließendem Warmlauf dem Ansaugtrakt und damit letztendlich der Verbrennung im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen und zwar unabhängig von dem Unterdruck im Ansaugtrakt.
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Durch die Verwendung einer elektrisch angetriebenen Spülluftpumpe kann die Spülrate, also die Anzahl der Regenerationen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erhöht werden.
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Da die Kraftstoffdämpfe, im wesentlichen gasförmige Kohlenwasserstoffe, im Gegensatz zu dem mittels der Einspritzventile zugeführten flüssigen Kraftstoff nahezu emissionsfrei, Rußfrei und Partikelfrei verbrennen, beim Kaltstart und anschließendem Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden, ergibt sich ein sehr gutes Abgasverhalten, gerade in diesem kritischen Betriebsbereich, wenn die Verbrennungskraftmaschine und der Abgaskatalysator noch nicht ihre optimale Betriebstemperatur erreicht haben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird in der ersten Phase ein in der Belüftungsleitung angeordnetes Belüftungsventil geschlossen, ein in der Verbindungsleitung angeordnetes Absperrventil geöffnet und ein in der Regenerierungsleitung stromabwärts der Spülluftpumpe angeordnetes Durchflusssteuerventil geöffnet. Damit ist es auf einfache Weise möglich, die Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffvorratsbehälter abzusaugen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird in der zweiten Phase ein in der Belüftungsleitung angeordnetes Belüftungsventil geöffnet, ein in der Verbindungsleitung angeordnetes Absperrventil geöffnet und ein in der Regenerierungsleitung stromabwärts der Spülluftpumpe angeordnetes Durchflusssteuerventil (67) geöffnet. Damit ist es auf einfache Weise möglich, die Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter abzusaugen.
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Durch die Verwendung von elektromagnetisch betätigten Ventilen, welche von Signalen einer die Verbrennungskraftmaschine steuernden und/oder regelnden Steuerungsvorrichtung angesteuert werden, ergibt sich eine schnelle und zuverlässige Möglichkeit, die Querschnitte der einzelnen Leitungen freizugeben und zu verschließen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Kohlenwasserstoff-Konzentration der Kraftstoffdämpfe aus dem Signal eines in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors ermittelt. Da dieser Abgassensor, meist in Form einer Lambdasonde ohnehin verbaut ist, ergibt sich eine sehr kostengünstige Möglichkeit die HC-Konzentration zu ermitteln. Diese ergibt sich aus der Abweichung des Lambdasondensignals zu dem Betriebszustand vor dem Beginn des Spülens. Dies trägt zu einer robusten und kostengünstigen Realisierung der Tankentlüftungsvorrichtung bei.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Kohlenwasserstoff-Konzentration der Kraftstoffdämpfe unmittelbar mit einem HC-Sensor in der Regenerierungsleitung gemessen. Dadurch ergibt sich ein sehr genauer Wert für die HC-Konzentration und damit für die Berechnung der Einspritzzeit bzw. Einspritzmasse.
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Wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der von der Spülluftpumpe geförderte Volumenstrom an Kraftstoffdämpfen durch Wahl der Drehzahl der Spülluftpumpe eingestellt, wobei deren Sollwert abhängig von der Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der Kohlenwasserstoffkonzentration der Kraftstoffdämpfe ist, ergibt sich eine einfache Möglichkeit der Dosierung der Kraftstoffdämpfe.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem und zugeordneter Steuerungsvorrichtung und
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer solchen Verbrennungskraftmaschine beim Kaltstart und Warmlauf.
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Die 1 zeigt in grob schematischer Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine mit Hochdruckkraftstoff-Speichereinspritzung (Common Rail), die abhängig vom Betriebsbereich sowohl mit homogenem Gemisch als auch mit geschichteter Ladung mit sehr stark abgemagertem Gemisch betreibbar ist. Sie weist ein Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem und eine Aufladeeinrichtung in Form eines Abgasturboladers auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind dabei nur diejenigen Teile gezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist nur ein Zylinder einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine dargestellt.
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Die Verbrennungskraftmaschine 100 umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4.
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Der Ansaugtrakt 1 umfasst in Strömungsrichtung der angesaugten Luft ausgehend von einer Ansaugöffnung 10 nacheinander vorzugsweise einen Luftfilter 11, einen Ansaugluft-Temperatursensor 12, einen Luftmassenmesser 13 als Lastsensor, einen Verdichter 14 eines Abgasturboladers, einen Ladeluftkühler 15, einen Drucksensor 16, eine Drosselklappe 17, einen weiteren Drucksensor 18 und ein Saugrohr 19, das hin zu einem Zylinder Z1 über einen Einlasskanal in den Motorblock 2 geführt ist. Bei der Drosselklappe 17 handelt es sich vorzugsweise um ein elektromotorisch angesteuertes Drosselorgan (E-Gas), dessen Öffnungsquerschnitt neben der Betätigung durch den Fahrer (Fahrerwunsch) abhängig vom Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine 100 über Signale einer elektronischen Steuerungsvorrichtung 8 einstellbar ist. Zugleich wird zur Überwachung und Überprüfung der Stellung der Drosselklappe 17 ein Signal an die Steuerungsvorrichtung 8 abgegeben.
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Der Motorblock 2 umfasst eine Kurbelwelle 21, welche über eine Pleuelstange 22 mit einem Kolben 23 des Zylinders Z1 gekoppelt ist. Die durch die Verbrennung erzeugte Antriebsenergie wird über die Kurbelwelle 21 an den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt) übertragen. Der Kolben 23 und der Zylinder Z1 begrenzen einen Verbrennungsraum 24.
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Der Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gaseinlassventil 31, einem Gasauslassventil 32 und nicht näher dargestellte Antriebsvorrichtungen für diese Ventile. Dabei handelt es sich insbesondere um einen sogenannten variablen Ventilantrieb, bei dem die Betätigung des Gaseinlassventils 31 und/oder des Gasauslassventils 32 weitgehend oder sogar völlig von der Bewegung der Kurbelwelle 21 entkoppelt ist. Der Zylinderkopf 3 umfasst ferner ein Kraftstoffeinspritzventil (Injektor) 33 und eine Zündkerze 34.
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Vom Verbrennungsraum 24 führt der Abgastrakt 4 ab, in dessen weiterem Verlauf eine Turbine 41 des Abgasturboladers, ein Abgassensor 42 in Form einer Lambdasonde und ein Abgaskatalysator 43 angeordnet ist. Der Abgaskatalysator 43 kann als Dreiwegekatalysator und/oder als NOx-Speicherkatalysator ausgeführt sein. Der NOx-Speicherkatalysator dient dazu, in Betriebsbereichen mit magerer Verbrennung die geforderten Abgasgrenzwerte einhalten zu können. Er adsorbiert aufgrund seiner Beschichtung die bei magerer Verbrennung erzeugten NOx-Verbindungen im Abgas.
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Der Verbrennungskraftmaschine 100 ist ferner eine aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Kraftstoffversorgungseinrichtung zugeordnet, welche das Kraftstoffeinspritzventil 33 mit Kraftstoff KST versorgt.
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Der Kraftstoff KST wird dabei in bekannter Weise aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 5 von einer, in der Regel innerhalb des Kraftstoffvorratsbehälters 5 angeordneten, einen Vorfilter aufweisenden Elektrokraftstoffpumpe (Intank-Pumpe) unter geringem Druck (typisch 1 bar) gefördert und anschließend über eine, ein Kraftstofffilter enthaltende Niederdruck-Kraftstoffleitung zu einem Eingang einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe geleitet. Diese Hochdruck-Kraftstoffpumpe wird entweder mechanisch durch eine Kopplung mit der Kurbelwelle 21 der Verbrennungskraftmaschine 100 oder elektrisch angetrieben. Sie erhöht den Kraftstoffdruck bei einer mit Otto-Kraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschine 100 auf einen Wert von typisch 200–300 bar und pumpt den Kraftstoff über eine Hochdruck-Kraftstoffleitung in einen Hochdruck-Kraftstoffspeicher (Common Rail), an dem eine Zuführleitung für das Kraftstoffeinspritzventil 33 angeschlossen ist und der somit das Kraftstoffeinspritzventil 33 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt, so dass Kraftstoff in den Verbrennungsraum 24 eingespritzt werden kann.
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Der Druck im Hochdruck-Kraftstoffspeicher wird durch einen Drucksensor erfasst. Abhängig von dem Signal dieses Drucksensors wird der Druck im Hochdruck-Kraftstoffspeicher entweder auf einen konstanten oder einen variablen Wert mittels eines Druckreglers eingestellt. Überflüssiger Kraftstoff wird entweder in den Kraftstoffvorratsbehälter 5 oder an die Eingangsleitung der Hochdruck-Kraftstoffpumpe zurückgeleitet.
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Der Verbrennungskraftmaschine 100 ist ferner ein Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem 6, im Folgenden vereinfacht als Tankentlüftungsvorrichtung bezeichnet, zugeordnet. Zu der Tankentlüftungsvorrichtung 6 gehört ein Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61, welches beispielsweise Aktivkohle 62 enthält und über eine Verbindungsleitung 63 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 5 verbunden ist. Die in dem Kraftstoffvorratsbehälter 5 entstehenden Kraftstoffdämpfe, insbesondere die leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffe werden somit in das Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 geleitet und dort von der Aktivkohle 62 adsorbiert. In der Verbindungsleitung 63 zwischen dem Kraftstoffvorratsbehälter 5 und dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 ist ein elektromagnetisches Absperrventil 64 eingefügt, das mittels Signalen der Steuerungsvorrichtung 8 betätigt werden kann. Dieses Absperrventil 64 wird auch als Roll Over-Ventil bezeichnet, das im Falle einer extremen Schräglage des Kraftfahrzeuges oder bei einem Überschlag des Kraftfahrzeuges automatisch geschlossen wird, so dass kein Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 5 in die Umgebung austreten kann.
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Vom Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 führt eine Regenerierungsleitung 65 zum Ansaugtrakt 1 an eine Stelle stromabwärts des Luftmassenmessers 13 und stromaufwärts des Verdichters 14. In dieser Regenerierungsleitung 65 ist eine elektrisch angetriebene Spülluftpumpe 66 angeordnet, der ein elektromagnetisches Durchflusssteuerventil 67, meist als Tankentlüftungsventil bezeichnet, und ein Sensormodul 68 nachgeschaltet ist. Das Sensormodul beinhaltet einen HC-Sensor zum Erfassen des Kohlenwasserstoffgehaltes der Spülluft und einen Luftmassenmesser zum Erfassen der Spülluftmasse. Stromaufwärts der Spülluftpumpe 66 ist in der Regenerierungsleitung 65 ein Drucksensor 69 verbaut.
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Durch entsprechende Ansteuerung der Spülluftpumpe 66 und des Durchflusssteuerventils 67 mit Signalen von der Steuerungsvorrichtung 8 kann die Durchflussmenge in der Regenerierungsleitung 65 in Abhängigkeit vom Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine 100 und vom Beladungsgrad des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters 61 eingestellt werden.
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Damit eine Spülung des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters 61 erfolgen kann, ist an dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 eine Belüftungsleitung 70 vorgesehen, die über einen Luftfilter 71 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Zum Absperren der Belüftungsleitung 70 zu Zeiten, in denen kein Spülen, also kein Regenerieren des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilters 61 erfolgt, ist in der Belüftungsleitung 70 ein elektromagnetisch betätigtes Belüftungsventil 72 vorgesehen.
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Der elektronischen Steuerungsvorrichtung 8 sind verschiedene Sensoren zugeordnet, die Messgrößen erfassen und die Messwerte der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen. Die Steuerungsvorrichtung 8 steuert abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen die Stellglieder, die der Verbrennungskraftmaschine 100 zugeordnet sind, und denen jeweils entsprechende Stellantriebe zugeordnet sind, durch das Erzeugen von Stellsignalen für die Stellantriebe an.
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Die Sensoren sind beispielsweise der Luftmassenmesser 13, welcher einen Luftmassenstrom stromaufwärts des Verdichters 14 erfasst, der Temperatursensor 12, welcher eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Temperatursensor 26, welcher die Temperatur des Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine erfasst, die Drucksensoren 16, 18 welche den Saugrohrdruck stromaufwärts bzw. stromabwärts der Drosselklappe 17 erfassen, der Drucksensor 69 in der Regenerierungsleitung 65, der Abgassensor 42, welche einen Restsauerstoffgehalt des Abgases erfasst und deren Messsignal charakteristisch ist für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder Z1 bei der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches und das Sensormodul 68 zur Erfassung des Kohlenwasserstoffgehaltes und des Spülluftmassenstromes in der Regenerierungsleitung 65. Signale von weiteren Sensoren, die zur Steuerung und/oder Regelung der Verbrennungskraftmaschine 100 und deren Nebenaggregate nötig sind, sind in der Figur allgemein mit dem Bezugszeichen ES gekennzeichnet.
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Je nach Ausgestaltung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
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Die Stellglieder, welche die Steuerungsvorrichtung 8 mittels Stellsignalen ansteuert, sind beispielsweise die Drosselklappe 17, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 31, 32, das Kraftstoffeinspritzventil 33, die Zündkerze 34, das Durchflusssteuerventil 67, das das Absperrventil 64, das Belüftungsventil 72, sowie die Spülluftpumpe 66. Stellsignale für weitere Stellglieder der Verbrennungskraftmaschine 100 und deren Nebenaggregate sind in der Figur allgemein mit dem Bezugszeichen AS gekennzeichnet.
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Neben dem Zylinder Z1 sind auch noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorgesehen, denen auch entsprechende Stellglieder zugeordnet sind.
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Die elektronische Steuerungsvorrichtung 8 kann auch als Motorsteuergerät bezeichnet werden. Solche Steuerungsvorrichtungen 8, die in der Regel einen oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten, sind an sich bekannt, sodass im Folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen wird.
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Die Steuerungsvorrichtung 8 umfasst bevorzugt eine Recheneinheit (Prozessor) 81, die mit einem Programmspeicher 82 und einem Wertespeicher (Datenspeicher) 83 gekoppelt ist. In dem Programmspeicher 81 und dem Wertespeicher 83 sind Programme bzw. Werte gespeichert, die für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 nötig sind. Unter anderem ist in dem Programmspeicher 82 softwaremäßig eine Funktion FKT_TEV zum Steuern einer Verbrennungskraftmaschine während des Kaltstarts und Warmlaufs unter Berücksichtigung der gespeicherten Kraftstoffdämpfe implementiert, wie es nachfolgend anhand der Beschreibung der 2 erläutert wird.
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Nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine 100 wird in einem Verfahrensschritt S1 abgefragt, ob es sich bei diesem Start um einen sogenannten Kaltstart handelt. Auf einen Kaltstart wird geschlossen, wenn ein die Temperatur der Verbrennungskraftmaschine 100 repräsentierendes Signal einen vorbestimmten Schwellenwert noch nicht überschritten hat. Dieser Schwellenwert wird experimentell ermittelt und ist in dem Wertespeicher 83 der Steuerungseinrichtung 6 abgelegt. Der Schwellenwert ist so ausgelegt, dass der Abgaskatalysator 43 seine Betriebstemperatur (Light Off temperator) erreicht. Insbesondere wird das Signal des Kühlmitteltemperatursensors 26 ausgewertet. Liegt kein Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine vor, liegt also die Kühlmitteltemperatur oberhalb des Schwellenwertes, so brauchen keine speziellen Aufheizmaßnahmen und Maßnahmen zur Reduzierung der Partikelemissionen beim Start eingeleitet werden und die Verbrennungskraftmaschine 100 wird mit für einen Normalbetrieb geltenden Parametern (Kraftstoffeinspritzzeit, Kraftstoffeinspritzbeginn, Gemischzusammensetzung, Zündwinkel etc.) betrieben und das Verfahren ist im Schritt S9 zu Ende. Dieser Fall tritt insbesondere bei Start/Stop-Systemen ein.
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Liegt aber ein Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 100 vor, so wird in einem Schritt 2 abgefragt, ob der Abgassensor 42 stromaufwärts des Abgaskatalysators 43 im Abgastrakt 4 schon betriebsbereit ist. In der Regel findet keine Vorheizung des Abgassensors 42 statt, so dass dieser ebenfalls beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 100 nicht seine Betriebstemperatur aufweist, bei der ein zuverlässiges Signal erwartet werden kann. Im Falle der Verwendung einer Lambdasonde als Abgassensor 42 ergibt sich abhängig von dem verwendeten Typ eine zeitliche Verzögerung von ca. 10–20 Sekunden. Die Abfrage in Schritt S2 wird in einer Schleife solange wiederholt, bis sie ein positives Ergebnis liefert. Diese Wartezeit ist notwendig, da aus der Abweichung des Signals des Abgassensors 42 (Lambdaabweichung) die Kohlenwasserstoffkonzentration (HC-Konzentration) in der Regenerierungsleitung ermittelt wird. Die HC-Konzentration wiederum wird benötigt zur Berechnung der Einspritzmenge, die sich aus dem dampfförmigen Anteil aus dem Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem und dem flüssigen Anteil an Kraftstoff zusammensetzt, der mittels des Kraftstoffeinspritzventils zugemessen wird.
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Ist der Abgassensor 42 betriebsbereit, so wird in einem Schritt S3 das in der Belüftungsleitung 70 eingefügte Belüftungsventil 72 geschlossen, das in der Verbindungsleitung 63 zwischen Kraftstoffvorratsbehälter 5 und dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 eingefügte Absperrventil 64 geöffnet, das in der Regenerierungsleitung 65 eingefügte Durchflusssteuerventil 67 geöffnet und die Spülluftpumpe 6 eingeschaltet. Das Ansteuern der genannten Ventile 72, 64, 67, sowie der Spülluftpumpe 66 erfolgt mittels entsprechender Signal der Steuerungseinrichtung 6.
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Da die Spülluftpumpe 66 etwas Zeit zum Hochlaufen benötigt, kann diese auch schon kurz vor dem Erreichen der Betriebsbereitschaft des Abgassensors 43 eingeschaltet werden. Typische Werte für solch einen Vorhalt sind für moderne Spülluftpumpen > 1 Sekunde.
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Als Folge der in Schritt S3 ergriffenen Maßnahmen fließt über den Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 keine Spülluft und es werden zunächst die im Freiraum oberhalb des Kraftstoffniveaus im Kraftstoffvorratsbehälter 5 vorhandenen Kraftstoffdämpfe abgesaugt und dem Ansaugtrakt 1 zugeführt. Der Volumenstrom in der Regenerierungsleitung 65 wird über die Drehzahl der Spülluftpumpe 66 eingestellt, wobei sich der Sollwert aus dem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 100 (Drehzahl und Last), sowie der HC-Konzentration der Kraftstoffdämpfe ergibt.
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Die Menge der Kohlenwasserstoffe aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 5 richtet sich neben der Kraftstoffzusammensetzung vor allem nach dem Füllstand des Kraftstoffes im Kraftstoffvorratsbehälter 5. In einem vollen Kraftstoffvorratsbehälter 5 ist weniger Kraftstoffdampf vorhanden als in einem leeren.
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Durch das Absaugen der Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 5 stellt sich in diesem ein Unterdruck ein. In einem Schritt S4 wird deshalb überprüft, ob der Unterdruck einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Dies erfolgt durch Auswertung des Signals des Drucksensors 69 in der Regenerierungsleitung 65. Ist der Wert für den Unterdruck erreicht, so wird in einem Schritt S5 das Belüftungsventil 72 geöffnet, so dass der Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 über die Belüftungsleitung 70 mit der Atmosphäre verbunden ist und mittels der Spülluftpumpe gespült wird und somit die in dem Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter 61 gespeicherten Kraftstoffdämpfe abgesaugt und dem Ansaugtrakt 1 zugeführt werden. Das Absperrventil 64 kann in diesem Fall offen bleiben.
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Aus der Abweichung des Signals des Abgassensors 42 von einem Wert vor dem Spülvorgang und dem Wert für den Volumenstrom durch die Spülluftpumpe 66 kann die HC-Konzentration ermittelt werden.
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Das Absaugen der Kraftstoffdämpfe wird in einem Schritt S6 beendet, sobald sich die Verbrennungskraftmaschine 100 nicht mehr im Warmlauf befindet, also eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht hat oder keine Kraftstoffdämpfe mehr vorhanden sind. Anschließend werden in einem Schritt S7 die Ventile 72, 64, 67 geschlossen und die Spülluftpumpe 66 abgeschaltet und die Verbrennungskraftmaschine 100 wird gemäß Schritt S8 mit für einen Normalbetrieb geltenden Parametern (Kraftstoffeinspritzzeit, Kraftstoffeinspritzbeginn, Gemischzusammensetzung, Zündwinkel etc.) betrieben und das Verfahren ist im Schritt S9 zu Ende.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird die HC-Konzentration in Schritt S2 nicht aus dem Signal des stromaufwärts des Abgaskatalysators 43 angeordneten Abgassensors 42 ermittelt, sondern direkt gemessen mit Hilfe eines in der Regenerierungsleitung 65 befindlichen Sensormoduls, das einen HC-Konzentrationssensor enthält (Schritt S2'). Damit entfällt die Wartezeit für die Betriebsbereitschaft des Abgassensors, wie es Eingangs beschrieben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansaugtrakt
- 10
- Ansaugöffnung
- 11
- Luftfilter
- 12
- Ansaugluft-Temperatursensor
- 13
- Luftmassenmesser
- 14
- Verdichter Abgasturbolader
- 15
- Ladeluftkühler
- 16
- Drucksensor für Druck stromaufwärts der Drosselklappe
- 17
- Drosselklappe
- 18
- Drucksensor für Druck stromabwärts der Drosselklappe
- 19
- Saugrohr
- 100
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Motorblock
- 21
- Kurbelwelle
- 22
- Pleuelstange
- 23
- Kolben
- 24
- Verbrennungsraum
- 26
- Kühlmitteltemperatursensor
- 3
- Zylinderkopf
- 31
- Gaseinlassventil
- 32
- Gasauslassventil
- 33
- Kraftstoffeinspritzventil
- 34
- Zündkerze
- 4
- Abgastrakt
- 41
- Turbine Abgasturbolader
- 42
- Abgassensor, Lambdasonde
- 43
- Abgaskatalysator
- 5
- Kraftstoffvorratsbehälter
- 6
- Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem
- 61
- Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter
- 62
- Aktivkohle
- 63
- Verbindungsleitung
- 64
- Absperrventil
- 65
- Regenerierungsleitung
- 66
- Spülluftpumpe
- 67
- Durchflusssteuerventil
- 68
- Sensormodul
- 69
- Drucksensor
- 70
- Belüftungsleitung
- 71
- Luftfilter
- 72
- Belüftungsventil
- 8
- elektronische Steuerungsvorrichtung
- 81
- Recheneinheit, Prozessor
- 82
- Programmspeicher
- 83
- Datenspeicher, Wertespeicher
- AS
- Ausgangssignale
- ES
- Eingangssignale
- FKT_TEV
- Funktion zur Regenerierung des Kraftstoffdampf-Rückhaltefilter
- KST
- Kraftstoff
- Z1–Z4
- Zylinder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0488254 A1 [0008]
- DE 4316728 A1 [0009]
