DE102016225870A1

DE102016225870A1 - Brennkraftmaschine mit einer Ansaugleitung, einem Kraftstofftank sowie einer von dem Kraftstofftank in die Ansaugleitung führenden Tankentlüftungsleitung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016225870A1
Application number: DE102016225870.2A
Authority: DE
Inventors: Marcel Leise; Jens Wodausch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer durch einen Verdichter (26) eines Abgasturboladers (24) zu einem Brennraum (12) führenden Ansaugleitung (14), mindestens einem Kraftstofftank (30) sowie einer Tankentlüftungsleitung (32). Die Tankentlüftungsleitung (32) führt von dem Kraftstofftank (30) zu dem Verdichter (26). In der Tankentlüftungsleitung (32) ist zwischen dem Kraftstofftank (30) und dem Verdichter (26) ein Adsorptionsfilter (36) angeordnet, insbesondere ein Aktivkohlebehälter. In der Tankentlüftungsleitung (32) ist ferner eine elektrisch angetriebene Spülluftpumpe (38) zur Förderung von Spülluft angeordnet. Die Spülluftpumpe (38) ist dabei insbesondere stromabwärts des Adsorptionsfilters (36) angeordnet. Die Spülluftpumpe (38) ist derart angeordnet, dass mit der Spülluftpumpe (38) Spülluft zumindest teilweise in Richtung eines Verdichterrades (60) des Verdichters (26) förderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer zu einem Brennraum führenden Ansaugleitung, mindestens einem Kraftstofftank sowie einer von dem Kraftstofftank in die Ansaugleitung führenden Tankentlüftungsleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Im Zuge des Downsizings von Motoren zeigen diese, insbesondere aufgeladene Ottomotoren, einen starken Gradienten im Drehmomentaufbau im unteren Drehzahlbereich zwischen 0 U/min und 2.000 U/min. Insbesondere steht bei niedrigen Drehzahlen nur ein geringes Drehmoment zur Verfügung, wodurch - wenn die Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird - die Beschleunigungsfähigkeit des Kraftfahrzeuges in diesem Drehzahlbereich vermindert ist. Der Drehmomentaufbau wird primär durch den Ansaugluftstrom und die Ansauglufttemperatur beeinflusst.
Aus DE 10 2007 033 411 A1 und aus DE 10 2010 064 239 A1 sind Tankentlüftungssysteme für Kraftstofftanks von Kraftfahrzeugen mit einem zwischen dem Kraftstofftank und einer Brennkraftmaschine angeordneten Filter bekannt. Zwischen dem Filter und der Brennkraftmaschine soll eine Fördereinrichtung in Form einer Pumpe bzw. Saugstrahlpumpe angeordnet sein. Wie die jeweilige Fördereinrichtung im Detail beschaffen und angetrieben sein soll, ist in den Dokumenten nicht beschrieben. Die mit der Fördereinrichtung gemäß DE 10 2007 033 411 A1 geförderte Luft wird einer Ansaugluftleitung vor einem Abgasturbolader zugeführt. Die mit der Saugstrahlpumpe gemäß DE 10 2010 064 239 A1 geförderte Luft wird einem Saugrohr stromabwärts eines Abgasturboladers und stromabwärts einer Drosselklappe zugeführt.
Aus DE 10 2013 223 454 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Ventilelements bekannt, mittels welchem ein Druckgasstrom von einer Druckgas-Speichereinrichtung eines Abgasturboladers mit Verdichterrad zu einem zu dem Verdichterrad führenden Frischluftkanal des Abgasturboladers steuerbar ist. Mit dem Ventilelement kann abhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bedarfsweise ein dem Frischluftkanal zuzuführender Druckgasstrom eingestellt werden, um ein zusätzliches Antriebsmoment an dem Verdichterrad des Abgasturbaladers zu erzeugen.
Aus DE 10 2009 011 155 A1 ist eine Vorrichtung zur Tankentlüftung bekannt, wobei ein Tank über eine erste Tankentlüftungsleitung mit einem Adsorptionsfilter und der Adsorptionsfilter über eine zweite Tankentlüftungsleitung mit einer Ansaugleitung verbunden ist. Ferner ist eine fluidbetriebene Antriebsvorrichtung mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad vorgesehen, wobei das Turbinenrad in einer Überbrückungsleitung angeordnet ist, welche von der Ansaugleitung abzweigt. Dabei ist das Pumpenrad in der zweiten Ansaugleitung angeordnet. Durch die Vorrichtung soll eine Entlüftung des Tanks bedarfsweise erfolgen können, um einen unerwünschten Drehmomentverlust am Verdichter zu vermeiden. Dazu wird der Frischluftstrom nur bei Bedarf durch die Überbrückungsleitung geführt, um dort das Turbinenrad für die Antriebsvorrichtung zur Entlüftung des Tanks anzutreiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die - insbesondere bei niedrigen Drehzahlen - einen verbesserten Drehmomentverlauf aufweist und vorteilhaft betreffend die Erfüllung der Kriterien der SHED-Zulassungskriterien nutzbar ist. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und vorzugsweise mindestens als Teil-Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug, weist mindestens eine durch einen Verdichter eines Abgasturboladers zu einem Brennraum führende Ansaugleitung, mindestens einen Kraftstofftank sowie eine Tankentlüftungsleitung auf. Die Tankentlüftungsleitung führt von dem Kraftstofftank zu dem Verdichter. In der Tankentlüftungsleitung ist zwischen dem Kraftstofftank und dem Verdichter ein Adsorptionsfilter, insbesondere ein Aktivkohlebehälter, angeordnet. In der Tankentlüftungsleitung ist ferner eine elektrisch angetriebene Spülluftpumpe zur Förderung von Spülluft angeordnet. Die Spülluftpumpe ist dabei insbesondere stromabwärts des Adsorptionsfilters angeordnet.
Die Spülluftpumpe ist derart angeordnet, dass mit der Spülluftpumpe Spülluft zumindest teilweise in Richtung eines Verdichterrades des Verdichers förderbar ist. Eine elektrisch angetriebene Spülluftpumpe ist dabei insbesondere mit einer externen Energiequelle funktional verbunden und ermöglicht es, durch entsprechende Auslegung bedarfsweise oder permanent während des Betreibens der Brennkraftmaschine Spülluft zu fördern. Dabei ist die Spülluftpumpe aufgrund des elektrischen Antriebes unabhängig von etwaigen Fluidströmungen oder sonstigen Parametern, wie beispielsweise einem Unterdruck in einer Ansaugleitung. Mit Hilfe der externen Energiequelle können auch bei niedrigen Drehzahlen bedarfsweise ausgelegte Spülluftströme erzeugt und über eine Einleitstelle und eine Ansaugleitung und/oder über einen separaten Tankentlüftungskanal bzw. einen Tankentlüftungskanal und einen Ansaugluftkanal im Gehäuse eines Verdichters zunächst dem Verdichterrad und später dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt werden, um den Ansaugluftstrom zu verstärken. Durch eine geeignete Steuerung oder Regelung der Spülluftpumpe kann so durch eine bedarfsweise Erhöhung eines Spülluftstromes über die Tankentlüftungsleitung der Ansaugluftstrom bewirkt und somit auch bei niedrigen Drehzahlen bedarfsweise ein erhöhtes Drehmoment zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die Spülluft zumindest teilweise in Richtung eines Verdichterrades des Verdichters förderbar ist, so dass sich - insbesondere bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten der Ansaugluft durch die aktive Förderung von Spülluft - das Verdichterrad mittels des Spülluftstromes zusätzlich antreiben lässt.
Mit zumindest teilweise in Richtung des Verdichterrades förderbar ist in diesem Zusammenhang insbesondere gemeint, dass die Tankentlüftungsleitung im Bereich einer Einleitstelle in eine Ansaugleitung zumindest teilweise in Hauptströmungsrichtung orientiert ist, so dass der durch die Tankentlüftungsleitung geförderte Luftstrom bereits eine in Richtung Verdichterrad weisende Richtungskomponente aufweist. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn durch die Tankentlüftungsleitung geförderte Luft von einer Einleitstelle aus in Hauptströmungsrichtung geradlinig und ohne eine weitere erforderliche Umlenkung auf Schaufeln eines Verdichterrades geführt wird. Alternativ kann ein durch die Tankentlüftungsleitung mittels eines im Gehäuse des Verdichters ausgebildeten Tankentlüftungskanals auch unabhängig von einer Ansaugleitung unmittelbar auf ein Verdichterrad geführt werden.
Eine Erhöhung des Spülluftstromes mittels der Spülluftpumpe trägt somit zusätzlich zum Antrieb eines Verdichterrades des Verdichters bei. Dies trägt zu einer Erhöhung der Drehzahl des Verdichterrades, einer verbesserten Wirkung des Verdichters und letztlich einem erhöhten Motordrehmoment bei. Diese Wirkung kann besonders vorteilhaft genutzt werden, wenn - wie unmittelbar nach dem Start eines Fahrzeuges - ein nur geringer Abgasmassenstrom zur Verfügung steht, um die Turbine des Turboladers anzutreiben und/oder wenn die Brennkraftmaschine in Betriebspunkten mit niedriger Drehzahlen betrieben wird, insbesondere mit Drehzahlen von maximal 2.000 U/min.
Durch den somit erhöhten Anteil von Spülluft, die in den Verdichter geleitet wird, ergibt sich zudem eine insgesamt niedrigere Temperatur der durch den Verdichter geführten Luft, die dem Brennraum zugeführt wird. Die Spülluft weist insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine und beim Anfahren des Kraftfahrzeuges eine Temperatur Tu nahe der Umgebungstemperatur auf, die im Gegensatz zur Ansaugluft, die über die Ansaugstrecke durch Kontakt mit heißen Bauteilen regelmäßig eine Temperatur von 10°C bis 15°C oberhalb der Raumtemperatur aufweist, vergleichsweise kühl ist. Die resultierende kühlere Ansaugluft weist eine höhere Dichte auf, wodurch in der Folge ein erhöhter Sauerstoffanteil im Brennraum ermöglicht wird, die zur Erzeugung eines erhöhten Drehmoments beträgt. Auch die thermische Belastung von Bauteilen in der Ansaugleitung beginnend ab dem Verdichterrad ist entsprechend reduziert, insbesondere die thermische Belastung eines Verdichterrades eines etwaig vorhandenen Abgasturboladers, die thermische Belastung einer Drosselklappe und/oder die thermische Belastung von Platinen.
Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist, dass mit einer elektrisch angetriebenen Spülluftpumpe - wiederum unabhängig von den Druckverhältnissen im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine - in der Tankentlüftungsleitung eine ausreichende Belüftung bzw. Spülung des Adsorptionsfilters realisiert werden kann. Ein Adsorptionsfilter, beispielsweise in Form eines Aktivkohlebehälters, weist eine nur begrenzte Speicherkapazität von aus dem Tank diffundierenden Kohlenwasserstoffen auf und muss regelmäßig gespült werden. Durch die Anordnung einer - insbesondere jederzeit und unabhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine antreibbaren - elektrischen Spülluftpumpe können auch strenge gesetzliche Vorgaben eingehalten werden, die aktuell und insbesondere zukünftig nur eine sehr geringe Emission von Kohlenwasserstoffen an die Umgebung zulassen. Diesbezüglich wird insbesondere auf den sogenannten SHED-Test verwiesen. Mittels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die eine elektrische Spülluftpumpe in der Tankentlüftungsleitung und einen Adsorptionsfilter aufweist, kann die Emission von Kohlenwasserstoffen in die Umgebung sicher auf weniger als 54 mg pro 48 Stunden reduziert werden. Dies entspricht den zukünftig vorgesehenen Zulassungsanforderungen des SHED-Tests.
Ein weiterer Vorteil der Einleitung von Spülluft in die Ansaugleitung ist, dass in der Spülluft gasförmiger Kraftstoff bzw. Kohlenwasserstoffe enthalten sind, welche über die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine zugeführt und dort durch Verbrennung in Antriebsenergie umgewandelt werden. Somit geht diffundierter Kraftstoff nicht verloren, sondern wird durch die Verbrennung für seinen vorgesehenen Zweck eingesetzt.
In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die Tankentlüftungsleitung selbst unmittelbar in ein Gehäuse des Verdichters geführt. In diesem Fall sind ein separater Tankentlüftungskanal und ein separater Ansaugluftkanal in dem Gehäuse ausgebildet.
Dabei kann der Tankentlüftungskanal entweder in den Ansaugluftkanal geführt sein, so dass eine Einleitstelle der mittels Tankentlüftungskanal fortgeführten Tankentlüftungsleitung in dem Gehäuse des Verdichters ausgebildet ist.
Alternativ kann der Tankentlüftungskanal unabhängig von dem Ansaugluftkanal unmittelbar zu dem Verdichterrad geführt sein, die Tankentlüftungsleitung und die Ansaugleitung an verschiedenen Stellen und/oder in verschiedenen Winkeln unmittelbar vor dem Verdichterrad des Verdichters enden. Im zuletzt genannten Fall ist der durch die Tankentlüftungsleitung geführte Luftstrom vollständig unabhängig von dem durch die Ansaugleitung geführten Luftstrom, so dass der Anströmwinkel für den durch die Tankentlüftungsleitung geförderten Luftstrom frei gewählt und in Bezug auf einen Antrieb des Verdichterrades optimiert werden kann. Bevorzugt wird der Tankentlüftungskanal in diesem Fall so ausgerichtet, dass sich zwischen der Hauptströmungsrichtung durch die Tankentlüftungsleitung (Mittelachse des Tankentlüftungskanals im Bereich der Austrittsöffnung) und der Drehachse des Verdichterrades ein Anströmwinkel ergibt, der zwischen 10° und 80° liegt, bevorzugt zwischen 20° und 70° und besonders bevorzugt zwischen 30° und 60°.
Wenn eine Einleitstelle vorgesehen ist, d.h. wenn der Tankentlüftungskanal vor dem Verdichterrad in die Ansaugleitung mündet, ist es vorteilhaft, wenn die Einleitstelle maximal 10 cm stromaufwärts des Verdichters angeordnet ist. Bevorzugt ist die Einleitstelle maximal 5 cm und weiter bevorzugt nur maximal 2 cm stromaufwärts des Verdichters angeordnet. Insbesondere ist die Einleitstelle zur Einleitung von Spülluft in die Ansaugleitung derart angeordnet, dass ein zusätzliches Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen durch den Spülluftstrom am Verdichter dadurch erzeugt wird, dass der resultierende Ansaugluftstrom in der Ansaugleitung durch die Einleitung des aus der Tankentlüftungsleitung einströmenden Fluidstroms die Geschwindigkeit der resultierenden Ansaugluftströmung erhöht.
Durch eine geeignete Anordnung der Einleitstelle, insbesondere unmittelbar vor dem Verdichterrad eines Verdichters eines Abgasturboladers kann in dem Drehzahlbereich von Brennkraftmaschinen unter 2.000 U/min eine zusätzliche Drehmomentsteigerung von 1%, 3% oder sogar bis zu 5% erreicht werden.
Zur Erzielung eines besonders hohen zusätzlichen Drehmoments ist die Einleitstelle oder eine Austrittsöffnung der Tankentlüftungsleitung in Form einer in Hauptströmungsrichtung der Ansaugleitung gerichteten Düse ausgebildet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Tankentlüftungsleitung auch in Form eines Tankentlüftungskanals in das Gehäuse eines Verdichters hineingeführt sein kann. In diesem Fall kann mit der Austrittsöffnung der Tankentlüftungsleitung auch eine in dem Gehäuse des Verdichters ausgebildete Austrittsöffnung unmittelbar vor einem Verdichterrad gemeint sein.
Unabhängig davon, wo eine Düse ausgebildet ist, ist eine solche Düse bevorzugt so ausgebildet, dass die mittels der Düse beschleunigte Strömung aus der Tankentlüftungsleitung unmittelbar auf ein Verdichterrad eines Verdichters eines Abgasturboladers gerichtet ist. In diesem Fall kann ein unmittelbarer Zusatzantrieb des Verdichterrades mit Hilfe der Düse selbst erzielt werden. Die Düse ist vorzugsweise so in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung in der Ansaugleitung ausgerichtet, dass das aus der Düse ausströmende Fluid in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung einen Winkel von maximal 45° aufweist, bevorzugt einen Winkel von maximal 30°. Wenn die Düse unmittelbar auf ein Verdichterrad gerichtet ist, ist die aus der Düse ausströmende Fluidströmung vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie in einem Winkel von ungefähr 90° der Schaufelmitte von Schaufeln des Verdichterrades auftrifft. Mit ungefähr 90° ist insbesondere 90° +/- 15° gemeint, bevorzugt 90° +/- 10 ° und besonders bevorzugt 90° +/- 5°.
Grundsätzlich sind als Spülluftpumpe jede Verdrängerpumpe, Strömungsmaschine und Pumpe sonstiger Konstruktionsart geeignet. Möglich ist es auch, zwei oder mehr Pumpen gleicher oder verschiedener Typen einzusetzen.
In einer praktischen Ausführungsform mit einer Verdrängerpumpe ist die Spülluftpumpe als Flügelzellenpumpe ausgebildet. Eine Flügelzellenpumpe kann dabei vorwärts und rückwärts betrieben werden, wobei der Rückwärtsbetrieb unter anderem zu Diagnosezwecken genutzt werden kann, beispielsweise zur Überprüfung der Dichtheit eines Tankentlüftungssystems. Zur Bereitstellung des zusätzlichen Drehmoments bzw. zur Erzeugung eines ausreichend großen Spülluftstroms (Spülleistung), sind nur geringe Drehzahlen der Flügelzellenpumpe notwendig, wodurch drehzahlbedingte Störgeräusche vermieden werden.
Alternativ zu einer Flügelzellenpumpe wird in einer weiteren besonders praktischen Ausführungsform als Pumpe eine Strömungsmaschine in Form einer Radialpumpe verwendet, welche vergleichsweise kostengünstig ist und nur geringen Bauraum benötigt.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform weist die Spülluftpumpe eine Förderleistung von mindestens 25 l/min auf, weiter bevorzugt eine Spülleistung von mindestens 30 l/min und besonders bevorzugt von mindestens 50 l/min. Eine derartige Förderleistung ist für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine vorteilhaft, um einen Adsorptionsfilter eines Kraftfahrzeuges mit ausreichend Spülluft zu versorgen, um die meisten der aktuell geplanten gesetzlichen Grenzwerte sicher einzuhalten. Ferner kann mit einer solchen Förderleistung bei niedrigen Drehzahlen auch bereits ein spürbares Zusatzdrehmoment erzeugt werden.
Alternativ oder in Ergänzung dazu ist die Spülluftpumpe dazu ausgelegt, einen Unterdruck zwischen der Saugseite (in Richtung Adsorptionsfilters) und der Förderseite (in Richtung Verdichter) von mindestens 50 mbar zu erzeugen, bevorzugt einen Unterdruck von mindestens 70 mbar und besonders bevorzugt einen Unterdruck von mindestens 100 mbar.
Wie vorstehend bereits erläutert, ist in dem Spülluftstrom, der mit der Ansaugluft in den Brennraum gelangt, regelmäßig gasförmiger Kraftstoff bzw. Kohlenwasserstoffe enthalten. Für einen sauberen Verbrennungsprozess in einer Brennkraftmaschine und auch für die Abgasnachbehandlung ist es wichtig, dass ein stöchiometrisches Verhältnis von Kraftstoff zu Sauerstoff im Brennraum eingehalten wird. Um einen zu hohen Kraftstoffanteil oder einen zu hohen Sauerstoffanteil im Brennraum zu vermeiden, kann die Spülluftpumpe mit einer Steuerung und/oder Regelung gekoppelt sein, um den (entweder über die Einleitstelle in die Ansaugleitung oder über einen Tankentlüftungskanal unmittelbar in das Gehäuse eines Verdichters) eingeleiteten Spülluftstrom zu steuern bzw. zu regeln. Mittels einer λ-Sonde, die in einer Abgasleitung angeordnet ist, wird das Verhältnis von Sauerstoff und Kraftstoff im Abgas gemessen. Um ein von einem Soll-Verhältnis abweichendes Ist-Verhältnis von Kraftstoff zu Sauerstoff zu verändern, kann einerseits die Menge des eingespritzten Kraftstoffs mittels der Einspritzventile der Brennkraftmaschine variiert werden und andererseits der Spülluftstrom über die Förderleistung der Spülluftpumpe (insbesondere die Drehzahl) variiert werden. Ein diesbezügliches Regelungsverfahren und eine damit verbundene Ausbildung einer Steuerung bzw. Regelung wird im Folgenden in Verbindung mit einem Verfahren noch näher erläutert.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die Tankentlüftungsleitung funktional mit mindestens einem Filter-Überwachungsmittel gekoppelt, mittels welchem Informationen bezüglich des Zustandes des Adsorptionsfilters ermittelbar sind. Bei einem solchen Filter-Überwachungsmittel kann es sich insbesondere um einen HC-Sensor oder um einen Temperatursensor handeln. Mit dem Zustand des Adsorptionsfilters ist insbesondere der Füllgrad des Adsorptionsfilters mit Kohlenwasserstoffen gemeint. Informationen über den Zustand des Adsorptionsfilters werden insbesondere nach dem Start der Brennkraftmaschine benötigt, um die Förderleistung der Spülluftpumpe zu bestimmen. Um einen zu starken und plötzlichen Anstieg an Kraftstoff im Brennraum zu vermeiden, wird bei einem Adsorptionsfilter mit hohem Füllgrad die Spülluftpumpe zunächst nicht oder nur mit einer geringen Förderleistung betrieben, insbesondere mit einer festgelegten Minimum-Förderleistung (Grund-Förderleistung). Wird von dem Filter-Überwachungsmittel ein geringer Füllgrad des Adsorptionsfilters detektiert, kann die Spülluftpumpe unmittelbar mit einer höheren Förderleistung oder sogar mit der maximalen Förderleistung betrieben werden.
Um einen Überdruck in der Spülentlüftungsleitung auch dann zu vermeiden, wenn die Spülluftpumpe ausgeschaltet ist, nur mit geringer Förderleistung betrieben wird oder defekt ist, kann die Tankentlüftungsleitung stromabwärts des Adsorptionsfilters und stromaufwärts der Spülluftpumpe eine Teilentlüftungsleitung umfassen, welche stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des mindestens einen Brennraums in die Ansaugleitung mündet. Wenn ein Rückströmen von Luft der Ansaugleitung in die Teilentlüftungsleitung vermieden werden soll, kann ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, in der Teilentlüftungsleitung angeordnet sein. Durch Auslegung des Rückschlagventils kann auch festgelegt werden, ab welchem Überdruck in der Tankentlüftungsleitung sich das Ventil öffnen soll, um durch Ausströmen von Fluid aus der Teilentlüftungsleitung in die Ansaugleitung einer weiteren Druckerhöhung in der Tankentlüftungsleitung entgegenzuwirken.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer wie vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschine, wobei eine Regelung zur Erzielung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Kraftstoff vorgesehen ist und wobei ein Mindestverhältnis von durch Einspritzventile in einen Brennraum eingespritztem Kraftstoff zu über die Tankentlüftungsleitung zugeführtem Kraftstoff vorgegeben ist, wobei das Mindestverhältnis von der Regelung als Soll-Bedingung permanent überwacht und eingehalten wird und wobei mit der Regelung folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

a) Sofortiges Betreiben der elektrischen Spülluftpumpe zur Förderung eines Spülluftstromes durch einen Adsorptionsfilter zumindest mit einer Minimum-Förderleistung von durch Einspritzventile in einen Brennraum eingespritztem Kraftstoff zu über die Tankentlüftungsleitung zugeführtem Kraftstoff vorgesehen unmittelbar ab Start der Brennkraftmaschine;
b) Messen des Ist-Verhältnisses von Sauerstoff zu Kraftstoff im Abgas mittels einer λ-Sonde;
c) Bei einem von dem stöchiometrischen Soll-Verhältnis von Sauerstoff zu Kraftstoff abweichenden Ist-Verhältnis mit einem zu hohen Kraftstoffanteil, Reduzieren der Einspritzmenge an Kraftstoff durch die Einspritzventile, bis das Soll-Verhältnis erreicht ist oder bis das Mindestverhältnis erreicht ist; falls nach Erreichen des Mindestverhältnisses noch immer der Kraftstoffanteil zu hoch ist, gleichzeitiges Reduzieren der Förderleistung der Spülluftpumpe und der Einspritzmenge an Kraftstoff durch die Einspritzventile unter Einhaltung des Mindestverhältnisses, bis das Soll-Verhältnis erreicht ist.
d) Bei einem von dem stöchiometrischen Soll-Verhältnis zwischen Sauerstoff zu Kraftstoff abweichenden Ist-Verhältnis mit einem zu niedrigen Kraftstoffanteil, Erhöhen der Förderleistung der Spülluftpumpe zur Herstellung des Soll-Verhältnisses oder bis zur Maximal-Förderleistung der Spülluftpumpe falls nach Erreichen der Maximal-Förderleistung der Spülluftpumpe noch immer nicht das Soll-Verhältnis erreicht ist, Erhöhen des durch die Einspritzventile eingespritzten Kraftstoffs, bis das Soll-Verhältnis erreicht ist.

Als Mindestverhältnis von durch Einspritzventile in einen Brennraum eingespritztem Kraftstoff zu über die Tankentlüftungsleitung zugeführtem Kraftstoff kann beispielsweise vorgegeben sein, dass mindestens 50 Prozent, mindestens 55 Prozent oder mindestens 60 Prozent des jeweils zugeführten Kraftstoffs während Betriebsphasen mit Kraftstoffzufuhr und Verbrennung im Brennraum über die Einspritzventile zugeführt werden müssen.
Wenn beispielsweise ein zu hoher Kraftstoffanteil im Abgas durch die λ-Sonde detektiert wird, wird zunächst die von den Einspritzventilen zur Verfügung gestellte Menge an Kraftstoff reduziert (Primärstellglied). Erst wenn das festgelegte Mindestverhältnis erreicht ist, werden gleichzeitig die Förderleistung der Spülluftpumpe und die über die Einspritzventile eingespritzte Kraftstoffmenge so reduziert, dass das Mindestverhältnis eingehalten wird.
Umgekehrt, d.h. wenn ein zu niedriger Kraftstoffanteil vorliegt, wird zunächst die Förderleistung der Spülluftpumpe erhöht, um den Adsorptionsfilter möglichst effizient zu entlasten. Erst wenn die maximale Förderleistung der Spülluftpumpe und somit der maximale Spülluftstrom eingestellt ist (maximale Entlastung des Adsorptionsfilters), wird die über die Einspritzventile eingebrachte Kraftstoffmenge erhöht.
Für ein vorstehend beschriebenes Verfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spülluftpumpe zusätzlich abhängig von dem Zustand des Adsorptionsfilter gesteuert wird. Dazu kann ein wie vorstehend beschriebenes Filter-Überwachungsmittel funktional mit dem Adsorptionsfilter gekoppelt sein. Wenn mit Hilfe eines Filter-Überwachungsmittels detektiert wird, dass die Speicherkapazität eines Adsorptionsfilters hoch ist, d.h. der Adsorptionsfilter einen niedrigen Füllgrad aufweist (z.B. maximal 50 Prozent, maximal 30 Prozent oder maximal 20 Prozent), kann die Spülluftpumpe ab dem Start der Brennkraftmaschine unmittelbar mit der Maximal-Förderleistung betrieben werden. Wenn der Füllgrad hingegen hoch ist, d.h. höher als die vorstehend angegebenen Werte, sollte die Spülluftpumpe mit der Minimal-Förderleistung oder zumindest mit einer reduzierten Förderleistung betrieben werden, um sicherzugehen, dass das Mindestverhältnis sicher eingehalten wird.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung und
2 eine vergrößerte Darstellung des in 1 mit 34 gekennzeichneten Bereichs.

In 1 ist eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10 mit vier Brennräumen 12 dargestellt. Im Folgenden wird zunächst die Strömung der Ansaugluft und des Abgases beschrieben und danach auf die Tankentlüftung eingegangen.
Die Ansaugluft strömt in Richtung des Pfeils A über eine Ansaugleitung 14 und ein Saugrohr 16 zu den jeweiligen Brennräumen 12. In der Ansaugleitung 14 ist eine Drosselklappe 18 angeordnet, mit welcher die Ansaugluftmenge in bekannter Weise variierbar ist. Stromabwärts der Brennräume 12 ist eine Abgasleitung 20 angeordnet, durch welche Abgas aus den Brennräumen 12 in Richtung des Pfeils V in Richtung eines Abgastrakts (nicht dargestellt) geführt wird. In der Abgasleitung 20 ist eine λ-Sonde 22 zur Messung des Sauerstoff-zu-Kraftstoffverhältnisses angeordnet. Zusätzlich ist ein Abgasturbolader 24 vorgesehen, wobei in der Ansaugleitung 14 ein Verdichter 26 des Abgasturboladers 24 angeordnet ist, welcher mit einer in der Abgasleitung 20 angeordneten Turbine 28 gekoppelt ist und dadurch zusätzlich angetrieben werden kann.
Der für das Betreiben der Brennkraftmaschine 10 erforderliche Kraftstoff wird in bekannter Weise in einem Kraftstofftank 30 bevorratet. Von dem Kraftstofftank 30 führt eine Tankentlüftungsleitung 32 zu dem Verdichter 26. In der Tankentlüftungsleitung 32 ist ein Adsorptionsfilter 36 angeordnet, hier in Form eines Aktivkohlebehälters. Stromabwärts des Adsorptionsfilters 36 ist eine elektrisch angetriebene Spülluftpumpe 38 angeordnet, hier eine Flügelzellenpumpe. Mittels der Spülluftpumpe 38 wird über eine Spülleitung 40 Spülluft in Richtung des Pfeils S durch den Adsorptionsfilter 36 gefördert. Stromabwärts der Spülluftpumpe 38 ist in der Tankentlüftungsleitung 32 ein Absperrventil 42 angeordnet.
Die Gestaltung eines Teilbereichs des Gehäuses 62 des Verdichters 26 in dem mit der gestrichelten Linie gekennzeichneten Bereich 34, in welchem die Tankentlüftungsleitung 32 in dieses Gehäuse 62 hineinführt, ist in 2 gezeigt und wird nachfolgend in Verbindung mit dieser 2 beschrieben.
Wie aus 2 ersichtlich, ist die Tankentlüftungsleitung 32 über einen in dem Gehäuse 62 des Verdichters 26 ausgebildeten Tankentlüftungskanal 58 (gepunkteter Bereich) in dem Gehäuse 62 des Verdichters 26 fortgeführt. Für die Herstellung einer Verbindung der als separates Element ausgebildeten Tankentlüftungsleitung 32 mit dem Gehäuse 62 des Verdichters 26 ist an dieser ein flanschartiger Endabschnitt 64 um eine Austrittsöffnung 54 ausgebildet, der es ermöglicht, den Endabschnitt 64 über Befestigungsmittel (z.B. Schrauben) mit dem Gehäuse 62 zu verbinden. Dies ist durch die strichpunktierte Linie dargestellt.
An der Ansaugleitung 14 ist in dem Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Grund ein flanschartiger Endabschnitt 66 um eine Austrittsöffnung 52 der als separates Element ausgebildeten Ansaugleitung 14 ausgebildet. Die Ansaugleitung 14 ist in dem Gehäuse 62 über einen entsprechend ausgebildeten Ansaugkanal 56 (gepunkteter Bereich) fortgeführt.
Sowohl der Tankentlüftungskanal 58 als auch der Ansaugkanal 56 führen zu einem nur schematisch dargestellten Verdichterrad 60, das um eine Drehachse 68 rotierbar gelagert ist. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die durch den Ansaugkanal 56 geführte Ansaugluft in Axialrichtung geführt, während die durch den Tankentlüftungskanal 58 in axial-radialer Richtung auf das Verdichterrad 60 geführt ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Hauptströmungsrichtung durch den Tankentlüftungskanal 58 im Austrittsbereich unmittelbar vor dem Verdichterrad 60 gegenüber der Axialrichtung um 45° geneigt.
Wie in 1 ersichtlich, umfasst die Tankentlüftungsleitung 32 stromabwärts des Adsorptionsfilters 36 zudem eine Teilentlüftungsleitung 44, in welcher ein Ventil 46 und ein Rückschlagventil 48 angeordnet sind. Die Teilentlüftungsleitung 44 mündest stromabwärts des Verdichters 26 und der Drosselklappe 18, aber stromaufwärts der Brennräume 12 in die Ansaugleitung 14, d.h. in das Ansaugrohr der Brennkraftmaschine 10. Zur Überwachung des Zustandes des Adsorptionsfilters 36 ist zudem ein Filter-Überwachungsmittel 50 funktional mit der Tankentlüftungsleitung 32 und dem Adsorptionsfilter 36 gekoppelt.
Während des Betriebes der Brennkraftmaschine 10 wird über die Ansaugleitung 14 den Brennräumen 12 Ansaugluft zugeführt. Die Ansaugluft wird mittels des Verdichters 26 verdichtet.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10 wird über die elektrisch angetriebene Spülluftpumpe 38 permanent zusätzliche Spülluft in die Ansaugleitung 14 eingebracht, wodurch die Ansaugluftmenge insgesamt erhöht wird. Mittels einer in der Abgasleitung 20 angeordneten λ-Sonde 22 wird das Ist-Verhältnis zwischen Kraftstoff und Sauerstoff im Abgas bestimmt. Weicht das Ist-Verhältnis von dem stöchiometrischen Soll-Verhältnis ab, so kann der Anteil an Spülluft in der den Brennräumen 12 zugeführten Ansaugluft über eine Anpassung der Förderleistung der Spülluftpumpe 38 variiert werden und/oder die durch Einspritzventile (nicht dargestellt) in den Brennraum 12 eingespritzte Menge an Kraftstoff kann - wie vorstehend erläutert - angepasst werden. Zusätzlich wird der Zustand des Adsorptionsfilters 36 mittels des Filter-Überwachungsmittels 50 überwacht, um die Förderleistung der Spülluftpumpe 38, insbesondere beim Hochfahren der Spülluftpumpe 38, zu steuern.
Für den Fall, dass die Spülluftpumpe 38 nicht in Betrieb ist, ist das Absperrventil 42 vorgesehen. Mit diesem kann im geschlossenen Zustand verhindert werden, dass Ansaugluft bei Unterdruck in der Tankentlüftungsleitung 32 aus der Ansaugleitung 14 in die Tankentlüftungsleitung 32 strömt. Sollte ein Überdruck in der Tankentlüftungsleitung 32 entstehen, so kann dieser über die Teilentlüftungsleitung 44 abgebaut werden. Dazu ist unter anderem das Rückschlagventil 48 vorgesehen.
In einer nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform ist die Tankentlüftungsleitung 32 zu einer Einleitstelle in die Ansaugleitung 14 geführt, wobei die Einleitstelle zur Erzeugung eines zusätzlichen Drehmoments kurz vor dem Verdichter 26 angeordnet ist (z.B. 2 cm davor) und die Austrittsöffnung in Hauptströmungsrichtung der Ansaugluft durch die Ansaugleitung 14 derart geneigt ist, dass der aus der Tankentlüftungsleitung 32 austretende Luftstrom ohne Umlenkung auf das in 2 nur schematisch dargestellte Verdichterrad 60 strömt. Dabei kann die Einleitstelle als eine im Wesentlichen in Hauptströmungsrichtung orientierte Düse ausgeführt sein, um die Strömung kurz vor dem Verdichterrad 60 zusätzlich zu beschleunigen.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden. So wird insbesondere darauf verwiesen, dass eine Ansaugleitung 14 und/oder eine Tankentlüftungsleitung 32 auch anders als über flanschartig ausgebildete Endabschnitte 64, 66 mit dem Gehäuse 62 eines Verdichters 26 verbunden sein können, insbesondere mittels einer Stutzenverbindung, mittels Schnellkupplung, durch Verkleben, Verschweißen, Verschrauben, Vernieten und/oder Verpressen. Ferner wird explizit darauf verwiesen, dass anstelle von Flügelzellenpumpen oder Radialpumpen auch andere Pumpen für die Realisierung der Erfindung geeignet sind.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
12: Brennraum
14: Ansaugleitung
16: Saugrohr
18: Drosselklappe
20: Abgasleitung
22: λ-Sonde
24: Abgasturbolader
26: Verdichter
28: Turbine
30: Kraftstofftank
32: Tankentlüftungsleitung
34: Bereich des Gehäuses des Verdichters
36: Adsorptionsfilter
38: Spülluftpumpe
40: Spülleitung
42: Absperrventil
44: Teilentlüftungsleitung
46: Ventil
48: Rückschlagventil
50: Filter-Überwachungsmittel
52: Austrittsöffnung der Ansaugleitung
54: Austrittsöffnung der Tankentlüftungsleitung
56: Ansaugleitungskanal
58: Tankentlüftungsleitungskanal
60: Verdichterrad
62: Gehäuse
64: flanschartig ausgebildeter Endabschnitt
66: flanschartig ausgebildeter Endabschnitt
68: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007033411 A1 [0003]
DE 102010064239 A1 [0003]
DE 102013223454 A1 [0004]
DE 102009011155 A1 [0005]

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einer durch einen Verdichter (26) eines Abgasturboladers (24) zu einem Brennraum (12) führenden Ansaugleitung (14), mindestens einem Kraftstofftank (30) sowie einer Tankentlüftungsleitung (32), die vom Kraftstofftank (30) zu dem Verdichter (26) führt, wobei in der Tankentlüftungsleitung (32) zwischen dem Kraftstofftank (30) und dem Verdichter (26) ein Adsorptionsfilter (36) angeordnet ist und wobei in der Tankentlüftungsleitung (32) ferner eine Spülluftpumpe (38) zur Förderung von Spülluft angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülluftpumpe (38) eine elektrisch angetriebene Spülluftpumpe (38) ist und die Spülluftpumpe (38) derart angeordnet ist, dass mit der Spülluftpumpe (38) Spülluft zumindest teilweise in Richtung eines Verdichterrades (60) des Verdichers (26) wirkend förderbar ist.
Brennkraftmaschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankentlüftungsleitung (32) selbst unmittelbar in ein Gehäuse (62) des Verdichters (26) geführt ist.
Brennkraftmaschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (62) des Verdichters (26) für einen aus der Tankentlüftungsleitung (32) austretenden Luftstrom ein Tankentlüftungsleitungskanal (58) und für einen aus der Ansaugleitung (14) austretenden Luftstrom ein Ansaugleitungskanal (56) als zumindest teilweise separate Teilkanäle ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einleitstelle der Tankentlüftungsleitung (32) in die Ansaugleitung (14) der Brennkraftmaschine maximal 10 cm stromaufwärts des Verdichters (26) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitstelle oder eine Austrittsöffnung (54) der Tankentlüftungsleitung (32) in Form einer Düse ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülluftpumpe (38) als Flügelzellenpumpe oder Radialpumpe ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülluftpumpe (38) eine Förderleistung von mindestens 25 l/min aufweist und/oder dass die Spülluftpumpe (38) einen Unterdruck von mindestens 50 mbar erzeugt und/oder dass die Spülluftpumpe (38) mit einer Steuerung oder Regelung gekoppelt ist, um den Spülluftstrom zu steuern bzw. zu regeln.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankentlüftungsleitung (32) funktional mit mindestens einem Filter-Überwachungsmittel (50) gekoppelt ist, mittels welchem Informationen bezüglich des Zustands des Adsorptionsfilters (36) ermittelbar sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankentlüftungsleitung (32) stromabwärts des Adsorptionsfilters (36) eine Teilentlüftungsleitung (44) umfasst, welche stromabwärts des Verdichters (26) und stromaufwärts des mindestens einen Brennraums (12) mit der Ansaugleitung (14) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1-9, wobei eine Regelung zur Erzielung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Kraftstoff vorgesehen ist und wobei ein Mindestverhältnis von durch Einspritzventile in einen Brennraum (12) eingespritztem Kraftstoff zu über die Tankentlüftungsleitung (32) zugeführtem Kraftstoff vorgegeben ist, wobei das Mindestverhältnis von der Regelung als Soll-Bedingung permanent überwacht und eingehalten wird und wobei mit der Regelung folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Sofortiges Betreiben der elektrischen Spülluftpumpe (38) zur Förderung eines Spülluftstromes durch einen Adsorptionsfilter (36) zumindest mit einer Minimum-Förderleistung von durch Einspritzventile in einen Brennraum (12) eingespritztem Kraftstoff zu über die Tankentlüftungsleitung (32) zugeführtem Kraftstoff vorgesehen unmittelbar ab Start der Brennkraftmaschine (10); b) Messen des Ist-Verhältnisses von Sauerstoff zu Kraftstoff im Abgas mittels einer λ-Sonde (22); c) Bei einem von dem stöchiometrischen Soll-Verhältnis von Sauerstoff zu Kraftstoff abweichenden Ist-Verhältnis mit einem zu hohen Kraftstoffanteil, Reduzieren der Einspritzmenge an Kraftstoff durch die Einspritzventile, bis das Soll-Verhältnis erreicht ist oder bis das Mindestverhältnis erreicht ist; falls nach Erreichen des Mindestverhältnisses noch immer der Kraftstoffanteil zu hoch ist, gleichzeitiges Reduzieren der Förderleistung der Spülluftpumpe (38) und der Einspritzmenge an Kraftstoff durch die Einspritzventile unter Einhaltung des Mindestverhältnisses, bis das Soll-Verhältnis erreicht ist. d) Bei einem von dem stöchiometrischen Soll-Verhältnis zwischen Sauerstoff zu Kraftstoff abweichenden Ist-Verhältnis mit einem zu niedrigen Kraftstoffanteil, Erhöhen der Förderleistung der Spülluftpumpe (38) zur Herstellung des Soll-Verhältnisses oder bis zur Maximal-Förderleistung der Spülluftpumpe (38); falls nach Erreichen der Maximal-Förderleistung der Spülluftpumpe (38) noch immer nicht das Soll-Verhältnis erreicht ist, Erhöhen des durch die Einspritzventile eingespritzten Kraftstoffs, bis das Soll-Verhältnis erreicht ist.