DE102021102428B4 - Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils, das aus einer ersten Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geschlossen ist, in eine zweite Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geöffnet ist, und umgekehrt verstellbar ist, wobei als Ansteuersignal für die Verstellung des Tankentlüftungsventils ein Rechteckpulssignal (1) mit einer Trägerfrequenz (3) verwendet wird, wobei die Trägerfrequenz (3) des Rechteckpulssignals (1) unabhängig von einem Tastgrad des Rechteckpulssignals (1) moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz (3) des Rechteckpulssignals (1) sinusförmig moduliert wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils, das aus einer ersten Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geschlossen ist, in eine zweite Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geöffnet ist, und umgekehrt verstellbar ist, wobei als Ansteuersignal für die Verstellung des Tankentlüftungsventils ein Rechteckpulssignal mit einer Trägerfrequenz verwendet wird, wobei die Trägerfrequenz des Rechteckpulssignals unabhängig von einem Tastgrad des Rechteckpulssignals moduliert wird.
• Ein Tanksystem eines Kraftfahrzeugs weist in an sich bekannter Weise einen Kraftstoffbehälter auf, innerhalb dessen ein Kraftstoff für den Betrieb einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs bevorratet wird. Insbesondere bei höheren Umgebungstemperaturen können sich innerhalb des Kraftstoffbehälters durch den verdampfenden Kraftstoff entsprechende Kraftstoffdämpfe bilden, die einen Druckanstieg innerhalb des Kraftstoffbehälters zur Folge haben. Daher ist das Tanksystem mit einer Entlüftungseinrichtung ausgestattet, die eine an den Kraftstoffbehälter angeschlossene Entlüftungsleitung aufweist. Einschlägige gesetzliche Vorschriften sehen vor, dass möglichst keine Kraftstoffdämpfe aus der Entlüftungsleitung in die Umgebung gelangen. Daher weist die Entlüftungseinrichtung in der Entlüftungsleitung einen Kraftstoffdampffilter auf, der dazu ausgebildet ist, die Kraftstoffdämpfe zu absorbieren. Typischerweise ist dieser Kraftstoffdampffilter als Aktivkohlefilter ausgeführt. Um eine Regeneration des Kraftstoffdampffilters zu ermöglichen, wird dieser in regelmäßigen Abständen mit Frischluft gespült. Die durch das Spülen des Kraftstoffdampffilters mit den Kraftstoffdämpfen beaufschlagte Frischluft wird in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingeleitet und kann dort emissionsneutral zusammen mit dem Hauptgemisch verbrannt werden.
• Die Entlüftungseinrichtung des Tanksystems weist ein Tankentlüftungsventil auf, welches selektiv geöffnet und geschlossen werden kann, um den vorstehend erläuterten Spülvorgang des Kraftstoffdampffilters zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren und dabei den Kraftstoffdampfaustrag geeignet einzustellen, um den Betrieb der Brennkraftmaschine hinsichtlich Laufruhe und Emissionen nicht negativ zu beeinflussen.
• Üblicherweise wird das Tankentlüftungsventil zu diesem Zweck mit einem Rechteckpulssignal mit zeitlich konstanter Trägerfrequenz (Steuerfrequenz) getaktet angesteuert. Durch die Pulsweite des Rechteckpulssignals ist es möglich, die Spülrate des Tankentlüftungsventils zu steuern. Eine derartige Ansteuerung des Tankentlüftungsventils ist allerdings häufig mit unerwünschten resonanzbedingten Geräuschentwicklungen während der Regeneration des Kraftstoffdampffilters verbunden.
• Aus der DE 10 2018 205 454 A1 ist es bekannt, die Öffnungs- und Schließbewegung des Tankentlüftungsventils mittels eines Pulsweitenmodulationssignals anzusteuern und zusätzlich akustische Dämpfungseinrichtungen zu verwenden, um die Geräuschemissionen zu verringern.
• Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils ist zum Beispiel aus der DE 10 2015 218 684 A1 bekannt.
• Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils zur Verfügung zu stellen, mittels dessen unerwünschte Geräuschentwicklungen, die während des Betriebs des Tankentlüftungsventils auftreten, auf sehr einfache Weise wirksam verringert werden können.
• Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Eine alternative Lösung liefert ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
• Bei den erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils, bei denen als Ansteuersignal für die Verstellung des Tankentlüftungsventils ein Rechteckpulssignal mit einer Trägerfrequenz verwendet wird, ist - wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt - vorgesehen, dass die Trägerfrequenz des Rechteckpulssignals unabhängig von einem Tastgrad des Rechteckpulssignals moduliert wird. Für den Tastgrad D eines Rechteckpulssignals 1 gilt allgemein: $$D=\frac{\tau }{T_{Puls}}$$

  
• In dieser Formel bezeichnet τ die Impulsdauer und T_Puls die Periodendauer des betreffenden Pulses des Rechteckpulssignals. Dabei hat es sich gezeigt, dass durch die tastgradunabhängige Modulation der Trägerfrequenz des Rechteckpulssignals die Anregung geräuschintensiver Resonanzen innerhalb des Tanksystems beziehungsweise der Entlüftungseinrichtung des Tanksystems auf sehr einfache Weise zumindest verringert oder im Idealfall sogar ganz verhindert werden können. Die Geräuschemissionen werden dadurch leiser beziehungsweise zumindest akustisch angenehmer. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass das Tankentlüftungsventil zu keinem Zeitpunkt - also auch nicht unter stationären Randbedingungen wie zum Beispiel bei einem Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine - mit einem Rechteckpulssignal mit konstanter Ansteuerfrequenz betrieben wird, die zu stehenden Druckwellen innerhalb des Tanksystems führen könnte.
• In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Trägerfrequenz des Rechteckpulssignals sinusförmig moduliert wird. Beispielsweise kann die sinusförmige Modulierung der Trägerfrequenz f(t), die eine Schwebung hervorruft, wie folgt erhalten werden: $$ƒ\left(t\right)={ƒ}_0+\mathrm{\Delta }ƒ\cdot \text{sin}\left(\left(2\pi /T\right)\cdot t\right)$$

  
• In dieser Formel bezeichnen
• - f₀ die Basisfrequenz der Trägerfrequenz,
• - Δf die Größe der maximalen beziehungsweise minimalen Abweichung der Trägerfrequenz von der Basisfrequenz während der Modulierung der Trägerfrequenz und
• - T die Periodendauer der Trägerfrequenz.
• In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Trägerfrequenz des Rechteckpulssignals stochastisch derart moduliert wird, dass die Trägerfrequenz mit einer geeigneten Änderungsrate zwischen diskreten Werten innerhalb eines maximalen Variationsbandes springt. Vorzugsweise kann für das stochastische Modulieren der Trägerfrequenz des Rechteckpulssignals ein Zufallsgenerator verwendet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der Tastgrad des Rechteckpulssignals derart eingestellt wird, dass er zeitlich konstant ist. Die Pulsweiten der Rechteckpulse sind somit in dieser Ausführungsform konstant. Dadurch kann eine zeitlich stets konstante effektive Soll-Ventilöffnung des Tankentlüftungsventils erreicht werden, wie sie zum Beispiel bei einem längeren Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine vorteilhaft ist. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass der Tastgrad des Rechteckpulssignals derart eingestellt wird, dass er 50 % beträgt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Tastgrad des Rechteckpulssignals moduliert wird, so dass er zeitlich veränderlich ist. Mit anderen Worten wird in dieser Ausführungsform eine Pulsweitenmodulation des Rechteckpulssignals durchgeführt, indem ein Rechteckpulssignal mit zeitlich veränderlichen Pulsweiten verwendet wird. Beispielsweise kann der Tastgrad des Rechteckpulssignals derart eingestellt werden, dass er in einem ersten Zeitintervall 50 % und in einem zweiten Zeitintervall 70 % beträgt.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen:
• 1a-1c drei grafische Darstellungen, die die zeitlichen Verläufe eines Rechteckpulssignals zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils, eines zugehörigen Ventilhubs des Tankentlüftungsventils, einer effektiven Soll-Ventilöffnung des Tankentlüftungsventils und einer Trägerfrequenzmodulation des Rechteckpulssignals bei einer ersten Ansteuerungsvariante des Tankentlüftungsventils veranschaulichen,
• 2a-2c drei grafische Darstellungen, die die zeitlichen Verläufe eines Rechteckpulssignals zur Ansteuerung des Tankentlüftungsventils, eines zugehörigen Ventilhubs des Tankentlüftungsventils, einer effektiven Soll-Ventilöffnung des Tankentlüftungsventils und einer Trägerfrequenzmodulation des Rechteckpulssignals bei einer zweiten Ansteuerungsvariante des Tankentlüftungsventils veranschaulichen.
• Ein Tankentlüftungsventil eines Tanksystems eines Kraftfahrzeugs, welches mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren angesteuert wird, ist als so genanntes Umschaltventil ausgeführt. Das bedeutet, dass dieses mittels einer Steuerungseinrichtung derart angesteuert werden kann, dass es von einer vollständig geschlossenen Stellung in eine vollständig geöffnete Stellung und umgekehrt überführt werden kann. In der vollständig geöffneten Stellung des Tankentlüftungsventils wird eine Strömungspassage zu einem Kraftstoffdampffilter des Tanksystems freigegeben, die es ermöglicht, den Kraftstoffdampffilter mit einem Frischgas zu spülen und dadurch zu regenerieren.
• Die Ansteuerung des Tankentlüftungsventils erfolgt durch ein Rechteckpulssignal 1. Der zeitliche Verlauf des Rechteckpulssignals 1 sowie der Verlauf des Ventilhubs 2, die mittels einer ersten Ausführungsvariante des Ansteuerungsverfahrens erhalten werden, sind in 1a dargestellt. Eine Steuerspannung von 12 V führt zu einem Ventilhub des Tankentlüftungsventils von 100 % (geöffnete Stellung). Eine Steuerspannung von 0 V führt zu einem Ventilhub des Tankentlüftungsventils von 0 % (geschlossene Stellung). Das Rechteckpulssignal 1 wird dabei mit einer zeitlich variierenden Trägerfrequenz 3 moduliert, deren Verlauf in 1c dargestellt ist. Der Verlauf f(t) der variierenden Trägerfrequenz 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel sinusförmig. Es gilt: $$ƒ\left(t\right)={ƒ}_0+\mathrm{\Delta }ƒ\cdot \text{sin}\left(\left(2\pi /T\right)\cdot t\right)$$

  
• In dieser Formel bezeichnen
• - f₀ die Basisfrequenz der Trägerfrequenz 3,
• - Δf die Größe der maximalen beziehungsweise minimalen Abweichung der Trägerfrequenz 3 von der Basisfrequenz während der Modulierung der Trägerfrequenz 3 und
• - T die Periodendauer der Trägerfrequenz 3.
• Diese zeitlich variierende Trägerfrequenz 3 bewirkt, dass stehende Wellen im Tankentlüftungsventil beziehungsweise in der Entlüftungseinrichtung, die zu unerwünschten Geräuschemissionen führen können, wirksam vermieden werden.
• Unter erneuter Bezugnahme auf 1a wird deutlich, dass sich die Pulsweiten (Impulsdauern) des Rechteckpulssignals 1 aufgrund der sinusförmigen Modulation der Trägerfrequenz 3 zeitlich ändern und somit schmaler oder breiter werden.
• Für den Tastgrad D des Rechteckpulssignals 1 gilt allgemein: $$D=\frac{\tau }{T_{Puls}}$$

  
• In dieser Formel bezeichnet τ die Impulsdauer und T_Puls die Periodendauer des betreffenden Pulses des Rechteckpulssignals 1. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Einzelpulse des Rechteckpulssignals 1 stets symmetrisch. Das bedeutet, dass für den Tastgrad gilt: D = 0,5. Die Impulsdauer in jeder Periode des Rechteckpulssignals 1 entspricht somit der Länge der sich daran anschließenden Pulspause, in der das Tankentlüftungsventil mit einer elektrischen Spannung von 0 V angesteuert wird und somit geschlossen wird.
• Aus dem Tastgrad D = 0,5 ergibt sich, dass eine effektive (mittlere) Soll-Ventilöffnung 4 des Tankentlüftungsventils, die in 1b dargestellt ist, konstant ist und stets 50 % beträgt. Das bedeutet, dass - unabhängig von den sich zeitlich ändernden Pulsweiten - in jeder Periode des Rechteckpulssignals 1 das Tankentlüftungsventil in einer ersten Hälfte der Periodendauer des betreffenden Pulses geöffnet und in einer zweiten Hälfte der Periodendauer geschlossen ist. Eine Ansteuerung des Tankentlüftungsventils, die zu einer effektiven Soll-Ventilöffnung 4 des Tankentlüftungsventils von 50 % führt, ist zum Beispiel bei einem längeren Leerlauf der Brennkraftmaschine vorteilhaft.
• Unter Bezugnahme auf 2a bis 2c soll nachfolgend eine zweite Ausführungsvariante eines Verfahrens zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils näher erläutert werden.
• Wie in 2c zu erkennen, ist der Verlauf f(t) der zeitlich variierenden Trägerfrequenz 3 in dieser Ausführungsvariante erneut sinusförmig. Es gilt daher wiederum: $$ƒ\left(t\right)={ƒ}_0+\mathrm{\Delta }ƒ\cdot \text{sin}\left(\left(2\pi /T\right)\cdot t\right)$$

  
• Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird nun zusätzlich der Tastgrad D des Rechteckpulssignals 1 verändert, so dass eine Pulsweitenmodulation des Rechteckpulssignals 1 durchgeführt wird. Wie in 2a zu erkennen, beträgt der Tastgrad D zu Beginn während der ersten fünf Perioden wiederum D = 0,5. Daraus folgt, dass - wie im ersten Ausführungsbeispiel - die effektive (mittlere) Soll-Ventilöffnung 4 des Tankentlüftungsventils konstant ist und während der ersten fünf Perioden stets 50 % beträgt.
• Beginnend mit der sechsten Periode wird der Tastgrad des Rechteckpulssignals 1 derart verändert, dass für diesen gilt: D = 0,7. Das Rechteckpulssignal 1 ist dann nicht mehr symmetrisch, da die Impulsdauern der jeweiligen Pulse länger als die sich daran anschließenden Pulspausen sind. Der zeitlich variierende Tastgrad D des Rechteckpulssignals 1, der in diesem Ausführungsbeispiel zu einer Verschiebung der effektiven Soll-Ventilöffnung 4 des Tankentlüftungsventils von 50 % auf 70 % führt, kann zum Beispiel durch eine entsprechende Vorgabe eines Steuergeräts verändert werden. Die gewünschte mittlere Spülrate des Tankentlüftungsventils, die sich aus der effektiven Soll-Ventilöffnung 4 des Tankentlüftungsventils ergibt, wird dabei vorzugsweise modellbasiert vorgesteuert und trotz der Modulation des Rechteckpulssignals 1 beibehalten.
• In den beiden hier beschriebenen Ausführungsvarianten wird die Trägerfrequenz 3 des Rechteckpulssignals 1 stets sinusförmig moduliert. Alternativ kann die Trägerfrequenz 3 des Rechteckpulssignals 1 auch stochastisch, insbesondere durch die Verwendung eines Zufallsgenerators moduliert werden. Bei dieser Art der Modulation springt die Trägerfrequenz 3 des Rechteckpulssignals 1 mit einer geeigneten Änderungsrate zwischen diskreten Werten innerhalb eines maximalen Variationsbandes.
• Durch die hier beschriebenen Maßnahmen ist es möglich, die Anregung geräuschintensiver Resonanzen im Tanksystem beziehungsweise in der Entlüftungseinrichtung des Tanksystems zu verringern oder auch ganz zu verhindern, so dass resultierende Geräusche leiser oder zumindest akustisch angenehmer werden und somit als weniger störend empfunden werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils, das aus einer ersten Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geschlossen ist, in eine zweite Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geöffnet ist, und umgekehrt verstellbar ist, wobei als Ansteuersignal für die Verstellung des Tankentlüftungsventils ein Rechteckpulssignal (1) mit einer Trägerfrequenz (3) verwendet wird, wobei die Trägerfrequenz (3) des Rechteckpulssignals (1) unabhängig von einem Tastgrad des Rechteckpulssignals (1) moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz (3) des Rechteckpulssignals (1) sinusförmig moduliert wird.
2. Verfahren zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils, das aus einer ersten Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geschlossen ist, in eine zweite Stellung, in der das Tankentlüftungsventil vollständig geöffnet ist, und umgekehrt verstellbar ist, wobei als Ansteuersignal für die Verstellung des Tankentlüftungsventils ein Rechteckpulssignal (1) mit einer Trägerfrequenz (3) verwendet wird, wobei die Trägerfrequenz (3) des Rechteckpulssignals (1) unabhängig von einem Tastgrad des Rechteckpulssignals (1) moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz (3) des Rechteckpulssignals (1) stochastisch derart moduliert wird, dass die Trägerfrequenz (3) mit einer geeigneten Änderungsrate zwischen diskreten Werten innerhalb eines maximalen Variationsbandes springt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das stochastische Modulieren der Trägerfrequenz (3) des Rechteckpulssignals (1) ein Zufallsgenerator verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad des Rechteckpulssignals (1) derart eingestellt wird, dass er zeitlich konstant ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad des Rechteckpulssignals (1) derart eingestellt wird, dass er 50 % beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad des Rechteckpulssignals (1) moduliert wird, so dass er zeitlich veränderlich ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad des Rechteckpulssignals (1) derart moduliert wird, dass er in einem ersten Zeitintervall 50 % und in einem zweiten Zeitintervall 70 % beträgt.

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