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Die Erfindung betrifft ein Leckagediagnosesystem für einen Tank eines Fahrzeugs und ein Verfahren für eine Leckagediagnose für einen Tank eines Fahrzeugs mittels des Leckagediagnosesystems. Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug, welches einen Tank und das Leckagediagnosesystem aufweist.
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Aktuelle Leckagediagnosesysteme zur Leckagediagnose kommen unter anderem in Kraftstofftanks von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Hierbei wird zunächst eine Druckdifferenz des Tankdrucks zum Umgebungsdruck aufgebaut und aus dem zeitlichen Verlauf des Tankdrucks auf eine Leckage des Tanks geschlossen. Zum Aufbau einer Druckdifferenz des Tankdrucks zum Umgebungsdruck wird eine Flügelzellenpumpe verwendet. Hierbei wird die Flügelzellenpumpe solange betrieben, bis sich ein vorbestimmter Druck im Tank eingestellt hat. Aufgrund der konstruktionsprinzipbedingten Undichtigkeit der Flügelzellenpumpe kommt es beim Stillstand der Flügelzellenpumpe zum Abfluss des Fluides aus dem Tank durch die Flügelzellenpumpe. Um solch einen Abfluss zu verhindern, der eine Leckagediagnose des Tanks verfälschen würde, wird die Flügelzellenpumpe auch während der Leckagediagnose weiterhin betrieben. Hierdurch kommt es zu Druckpulsationen im Tank, die eine Leckagedetektion im Tank erschweren. Zudem ist die im Stand der Technik verwendete Flügelzellenpumpe durch den Spalt zwischen den Flügelzellen und dem feststehenden Gehäuse anfällig für Schmutz und Verschleiß. Durch die Alterung der Flügelzellenpumpe sinkt deren Förderleistung, wodurch die benötigte Zeit für einen Druckaufbau im angeschlossenen Tank zunimmt. Darüber hinaus sind Flügelzellenpumpen in ihrer Förderleistung begrenzt und können zum Druckaufbau in großen Tanks nicht sinnvoll eingesetzt werden. Diese bekannten Leckagediagnosesysteme bringen außerdem den Nachteil mit sich, dass - im Falle einer Fehlfunktion der Flügelzellenpumpe - ein zu großer Überdruck in dem Fahrzeugtank durch die Flügelzellenpumpe hergestellt werden kann, so dass es zu Schäden an dem Tank oder an dem Fahrzeug kommt.
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Aus
US 5 967 124 A ist ein bordeigenes Verdunstungsemissionsleckdetektionssystem mit einem Modul zum Detektieren einer Leckage aus einem Verdunstungsemissionsraum eines Kraftstoffsystems eines Kraftfahrzeugs bekannt. Ein Innenraum eines Gehäuses des Moduls wird mit Atmosphäre verbunden. Eine Pumpe ist innerhalb des Raums angeordnet und hat einen Einlass, der mit dem Innenraum verbunden ist, und einen Strömungskanal an ihrem Auslass, um es der Pumpe zu ermöglichen, einen Druck in dem Verdunstungsemissionsraum zu erzeugen, der für die Durchführung eines Lecktests geeignet ist. Ein Entlüftungsventil ist innerhalb des Raums angeordnet und kann selektiv betätigt werden, um den Strömungsdurchgang zum Raum zu entlüften oder nicht zu entlüften. Ein elektromagnetischer Aktuator hat eine einzelne elektrische Spule, die sowohl die Pumpe als auch das Entlüftungsventil durch freitragend montierte Anker betätigt, die auf einen elektrischen Steuerstrom in der Spule mit einer ersten Stromkomponente zum Steuern der Pumpe und einer zweiten Stromkomponente zum Steuern des Entlüftungsventils ansprechen.
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Aus
DE 101 29 695 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung einer Tankentlüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei eine Dichtigkeitsmessung durch Einbringen und Erfassen des zeitlichen Verlaufs eines Über- oder Unterdrucks in das Behältnis sowie eine Referenzmessung mittels eines Referenzlecks durchgeführt werden und wobei durch Vergleich der Ergebnisse der Dichtigkeits- und Referenzmessung auf das Vorliegen einer Undichtigkeit des Behältnisses geschlossen wird. Zur Vermeidung von Fehldiagnosen wird vorgeschlagen, dass bei der Dichtigkeitsmessung und bei der Referenzmessung der Über- bzw. Unterdruck mittels eines einzigen Drucknehmers erfasst werden.
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US 2003 / 0 192 365 A1 offenbart ein Lecktestsystem und -verfahren für ein Kraftstoffsystem eines Kraftfahrzeugs.
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DE 196 36 431 A1 offenbart ein Funktionsprüfverfahren einer Tankentlüftungsanlage, welches eine Druckquelle zum Bereitstellen eines Drucks im Kraftstofftank verwendet, der über dem Eingangsbereich einen Absorptionsfilter aufweist. Es erfolgt eine Überwachung des Druckverlaufs und/oder des Volumenstroms zum automatischen Schließen des Entlüftungsventils bei Erkennung einer Leckage.
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DE 10 2010 064 240 A1 offenbart eine Vorrichtung zum gezielten Regenerieren und Durchführen einer Tankleckdiagnose einer Tankentlüftungsanlage, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Sorptionsfilter zum Zwischenspeichern von aus einem Kraftstofftank ausdampfendem Kraftstoff und mit einer an der Frischluftseite des Sorptionsfilters angeordneten Pumpe, die fluidleitend mit dem Sorptionsfilter verbunden ist, wobei die Pumpe zur Erzeugung einer Fluidströmung ausgebildet ist zum Regenerieren des Sorptionsfilters.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Leckagediagnosesystem für einen Tank eines Fahrzeugs bereitzustellen, das weniger anfällig für Verschmutzung und Verschleiß ist, auch größere Tanks in geringerer Zeit auf einen gewünschten Druck bringen kann und eine erhöhte Sicherheit aufweist, sowie ein Verfahren für eine Leckagediagnose für einen Tank eines Fahrzeugs mit diesem verbesserten Leckagediagnosesystem bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Leckagediagnosesystem, dass zumindest eine erste Anschlussstelle und eine zweite Anschlussstelle, eine Membranpumpe, ein Belüftungsventil, eine Auswerteeinheit und ein Sicherheitsventil umfasst. Hierbei sind die erste Anschlussstelle und die zweite Anschlussstelle jeweils dazu ausgebildet, an einen Tank, beispielweise einen Kraftstofftank, eines Fahrzeugs angeschlossen zu sein oder zur Umgebung hin offen zu sein. So kann ein Tank an eine der beiden Anschlussstellen angeschlossen werden und die andere Anschlussstelle, an der der Tank nicht angeschlossen ist, kann zur Umgebung hin offen sein. Die Membranpumpe ist zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle angeschlossen und dazu ausgebildet, ein Fluid von der ersten Anschlussstelle zur zweiten Anschlussstelle zu fördern. So ist die Membranpumpe ausgebildet, in einem Tank, der an der ersten Anschlussstelle angeschlossen ist, einen Unterdruck durch die Fluidförderung von der ersten Anschlussstelle zur zweiten Anschlussstelle zu erzeugen, oder einen Überdruck in einem an der zweiten Anschlussstelle angeschlossenen Tank zu erzeugen. Durch ihr Konstruktionsprinzip weist eine Membranpumpe weniger Verschleißteile als eine Flügelzellenpumpe auf und ist gleichzeitig gegenüber Verschmutzung unempfindlicher, wodurch eine langsamere Alterung eintritt. Zudem weisen Membranpumpen höhere Förderleistungen auf, die es erlauben, größere Tanks in kürzerer Zeit, als es unter Verwendung einer Flügelzellenpumpe möglich ist, auf einen gewünschten Druck zu bringen. Das Belüftungsventil ist parallel zur Membranpumpe zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle angeschlossen und weist zumindest eine erste Stellung und zumindest eine zweite Stellung auf. In der ersten Stellung des Belüftungsventils sind die erste Anschlussstelle und die zweite Anschlussstelle miteinander fluidverbunden, so dass Fluide in beide Richtungen zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle durch das Belüftungsventil strömen können. In der zweiten Stellung des Belüftungsventils ist zumindest ein Fluidfluss von der zweiten Anschlussstelle zur ersten Anschlussstelle durch das Belüftungsventil verhindert. Insbesondere ist durch das Belüftungsventil in der zweiten Stellung ein Fluidfluss zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle vollständig verhindert. Das Belüftungsventil ist so ausgebildet, dass es zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung geschaltet werden kann, so dass zwischen einem freien Fluidfluss zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle in beide Richtungen über das Belüftungsventil und einer Verhinderung des Fluidflusses zumindest von der zweiten Anschlussstelle zur ersten Anschlussstelle durch das Belüftungsventil geschaltet werden kann. Das Leckagediagnosesystem ist bevorzugt als Tankentlüftung des Tanks verwendbar. Dadurch ist die Entlüftung jederzeit gewährleistbar und insbesondere nur während der Leckagediagnose unterbrochen. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, die Membranpumpe zu betreiben und so mittels der Membranpumpe einen Fluidfluss von der ersten Anschlussstelle zur zweiten Anschlussstelle zu ermöglichen. Die Auswerteeinheit ist außerdem dazu ausgebildet, das Belüftungsventil von seiner ersten Stellung in seine zweite Stellung zu schalten und so den Fluidfluss zumindest von der zweiten Anschlussstelle durch das Belüftungsventil zur ersten Anschlussstelle zu verhindern. Hierdurch kann ein Fluidfluss durch das Belüftungsventil nur von der ersten Anschlussstelle zur zweiten Anschlussstelle erfolgen. Ebenso ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, einen Druck, insbesondere einen Druckverlauf, eines an der ersten Anschlussstelle oder der zweiten Anschlussstelle angeschlossenen Tanks zu ermitteln und aus dem ermittelten Druck, insbesondere aus dem ermittelten Druckverlauf, auf das Vorliegen einer Leckage im angeschlossenen Tank rückzuschließen. Durch die Zufuhr an Fluid durch den Betrieb der Membranpumpe kann der Tank auf einen gewünschten Druck gebracht werden. Aus der Druckdifferenz zwischen dem Druck im Tank und dem Druck der Umgebung stellt sich, bei Vorliegen einer Leckage, eine Fluidströmung zwischen dem Tank und der Umgebung ein. Aus der sich hieraus ergebenden zeitlichen Änderung des Drucks im Tank kann auf das Vorliegen einer Leckage im Tank rückgeschlossen werden. Dieser zeitliche Druckverlauf im Tank kann beispielsweise mit zuvor experimentell ermittelten hinterlegten zeitlichen Druckverläufen des Tanks bei verschiedenen Leckagegrößen des Tanks verglichen werden, um so auf eine Größe der Leckage im Tank rückzuschließen.
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Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, elektrische Signale des Sicherheitsventils, welche ein Öffnen und Schließen des Sicherheitsventils signalisieren, zu erfassen. Mit anderen Worten gibt das Sicherheitsventil elektrische Signale an die Auswerteeinheit aus, welche einen geschlossenen und/oder zumindest teilweise geöffneten Zustand des Sicherheitsventils signalisieren. Die Auswerteeinheit kann dabei insbesondere dazu eingerichtet sein, als Reaktion auf diese elektrischen Signale, beispielsweise die Membranpumpe auszuschalten. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Auswerteeinheit den ermittelten (durch Stromaufnahme der Membranpumpe) oder erfassten (durch Drucksensor(en)) Druck an der ersten Anschlussstelle zum Zeitpunkt des Öffnens des Sicherheitsventils speichern. Dieser gespeicherte Wert kann sodann von der Auswerteeinheit mit einem gespeicherten Öffnungsdruck des Sicherheitsventils abgeglichen werden, beispielsweise um eine Fehleranalyse des Leckagediagnosesystems durchzuführen.
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Das Sicherheitsventil ist dazu eingerichtet, eine Druckdifferenz zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle zumindest teilweise zu verringern. Damit kann das Sicherheitsventil im Falle eines zu großen Überdrucks an der zweiten Anschlussstelle eben diesen Überdruck ausgleichen, womit Schäden an den Komponenten des Leckagediagnosesystems verhindert werden können.
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Vorteilhafterweise ist dabei das Sicherheitsventil beispielsweise an seinem ersten Ende mit der zweiten Anschlussstelle verbunden und an seinem zweiten Ende zur Umgebung hin offen. Dadurch kann das Sicherheitsventil einen zu großen Überdruck an der zweiten Anschlussstelle, insbesondere in dem Tank, unmittelbar mit einem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) ausgleichen. Alternativ dazu kann das Sicherheitsventil an seinem ersten Ende mit der ersten Anschlussstelle verbunden und an seinem zweiten Ende zur Umgebung hin offen sein. Dadurch kann das Sicherheitsventil, in dem Fall, dass die erste Anschlussstelle an dem Tank angeschlossen ist, einen zu großen Unterdruck an der ersten Anschlussstelle, insbesondere in dem Tank, unmittelbar mit dem Umgebungsdruck ausgleichen.
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Vorzugsweise ist das Sicherheitsventil parallel zur Membranpumpe und/oder parallel zum Belüftungsventil mit der ersten Anschlussstelle und mit der zweiten Anschlussstelle verbunden. Dadurch kann das Sicherheitsventil beim Vorliegen einer zu großen Druckdifferenz zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle eine Fluidverbindung zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle ermöglichen, um die vorgenannte Druckdifferenz auszugleichen.
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Vorteilhafterweise ist das Sicherheitsventil dazu ausgebildet, bei einer ersten vorbestimmten Druckdifferenz als Öffnungsdruck zu öffnen und bei einer zweiten vorbestimmten Druckdifferenz als Schließdruck zu schließen. Dabei sind der Öffnungsdruck und der Schließdruck voneinander verschieden.
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Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Schließdruck geringer als der Öffnungsdruck ist. Hierdurch wird insbesondere verhindert, dass sich das Sicherheitsventil ständig öffnet und schließt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sicherheitsventil insbesondere ein federbelastetes Rückschlagventil. Dadurch kann das Sicherheitsventil kostengünstig und einfach hergestellt werden sowie eine kompakte Baugröße des Leckagediagnosesystems bereitgestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leckagediagnosesystem zumindest ein erstes Pumpenventil und zumindest ein zweites Pumpenventil. Hierbei ist das erste Pumpenventil zwischen der ersten Anschlussstelle und der Membranpumpe und das zweite Pumpenventil zwischen der Membranpumpe und der zweiten Anschlussstelle mit der Membranpumpe in Reihe angeschlossen. Das erste Pumpenventil ist so ausgebildet, dass während eines Ansaugvorgangs der Membranpumpe eine Fluidverbindung zwischen der ersten Anschlussstelle und der Membranpumpe besteht und während eines Kompressionsvorgangs der Membranpumpe keine Fluidverbindung von der Membranpumpe zur ersten Anschlussstelle besteht. Das zweite Pumpenventil ist so ausgebildet, dass während eines Ansaugvorgangs der Membranpumpe keine Fluidverbindung zwischen der zweiten Anschlussstelle und der Membranpumpe besteht und während eines Kompressionsvorgangs der Membranpumpe eine Fluidverbindung zwischen der Membranpumpe und der zweiten Anschlussstelle besteht. Hierdurch ist das Leckagediagnosesystem dazu ausgebildet, dass in einem Ansaugvorgang der Membranpumpe Fluide von der ersten Anschlussstelle und nicht von der zweiten Anschlussstelle in die Membranpumpe strömen und durch einen Kompressionsvorgang von der Membranpumpe zur zweiten Anschlussstelle und nicht zur ersten Anschlussstelle strömen. So ist das Leckagediagnosesystem dazu ausgebildet, an einem an der ersten Anschlussstelle angeschlossenen Tank mit jedem Ansaugvorgang der Membranpumpe einen Unterdruck im angeschlossenen Tank zu vergrößern und in einem an der zweiten Anschlussseite angeschlossenen Tank mit jedem Kompressionsvorgang der Membranpumpe einen Überdruck im angeschlossenen Tank zu vergrößern. Ebenso verhindert diese Ausführungsform eine Fluidverbindung zwischen der zweiten Anschlussstelle und der ersten Anschlussstelle durch die Membranpumpe.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Leckagediagnosesystems handelt es sich bei dem ersten Pumpenventil und dem zweiten Pumpenventil um Rückschlagventile, insbesondere um Umbrella-Ventile. Das erste Rückschlagventil und das zweite Rückschlagventil sind in dieselbe Richtung ausgerichtet und erlauben eine Fluidfluss von der ersten Anschlussstelle zur Membranpumpe und von der Membranpumpe zur zweiten Anschlussstelle, so dass über die Membranpumpe kein freier Fluidfluss zwischen der zweiten Anschlussstelle und der ersten Anschlussstelle besteht. Somit ist das Leckagediagnosesystem dazu eingerichtet, Fluide nur in eine Richtung durch die Membranpumpe, von der ersten Anschlussstelle zur zweiten Anschlussstelle, zu fördern. Das Leckagediagnosesystem ist dazu eingerichtet, einen freien Fluidfluss von der zweiten Anschlussstelle zur ersten Anschlussstelle durch die Membranpumpe zu verhindern. Bevorzugt sind das erste Pumpenventil und das zweite Pumpenventil jeweils mit beiden Seiten einer Membran der Membranpumpe verbunden, um eine kontinuierliche Fluidförderung durch die Membranpumpe zu ermöglichen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Leckagediagnosesystems ist das Belüftungsventil durch eine elastische Rückstellkraft einer Feder in seiner ersten Stellung gehalten und durch einen Elektromagneten in seine zweite Stellung überführbar. Hierbei ist das Belüftungsventil so ausgebildet, dass der Elektromagnet unter Bestromung gegen die elastische Rückstellkraft der Feder wirken kann und das Belüftungsventil aus der ersten Stellung in die zweite Stellung überführen kann und in der zweiten Stellung hält. Ohne Bestromung kann der Elektromagnet nicht gegen die Rückstellkraft der Feder wirken, sodass die Feder das Belüftungsventil aus der ersten Stellung in die zweite Stellung überführt. Der Elektromagnet kann so ausgebildet sein, dass er durch die die Auswerteeinheit angesteuert werden kann. Insbesondere kann der Elektromagnet so ausgebildet sein, dass er während des Betriebs der Membranpumpe und der Dauer der Leckagediagnose bestromt werden kann und das Belüftungsventil schließt, sodass während der Dauer der Leckagediagnose kein Druckausgleich über das Belüftungsventil zwischen der zweiten Anschlussstelle und der ersten Anschlussstelle stattfinden kann. Findet keine Leckagediagnose statt, wird das Belüftungsventil durch die Rückstellkraft der Feder offengehalten. Da für diese erste Stellung des Belüftungsventils keine Ansteuerung oder Bestromung nötig ist, ist jederzeit eine Belüftung des Tanks gewährleistet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leckagediagnosesystem einen Elektromotor, einen Exzenter und ein Pleuel. Hierbei ist der Exzenter mit dem Elektromotor und ein Ende des Pleuels mit dem Exzenter verbunden. Die Membran der Membranpumpe ist am anderen Ende des Pleuels, das nicht mit dem Exzenter verbunden ist, verbunden. Diese Elemente des Leckagediagnosesystems sind so ausgestaltet, dass der Betrieb des Elektromotors eine Hubbewegung der Membran der Membranpumpe bewirkt. Durch diese Hubbewegung der Membran der Membranpumpe kommt es zu einem Ansaugvorgang oder einem Kompressionsvorgang und damit zu einem Überdruck oder einem Unterdruck in einem an die erste Anschlussstelle oder zweite Anschlussstelle angeschlossenen Tank.
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Bevorzugt weist das Leckagediagnosesystem zumindest einen Drucksensor auf, der mit der ersten Anschlussstelle oder der zweiten Anschlussstelle fluidverbunden ist. Hierdurch ist der Drucksensor dazu ausgebildet, einen Druck eines an der ersten Anschlussstelle oder an der zweiten Anschlussstelle angeschlossenen Tanks zu messen. Der Drucksensor ist bevorzugt mit der Auswerteeinheit verbunden. Damit lässt sich der Druck, insbesondere der Druckverlauf, im Tank durch die Auswerteeinheit einfach erfassen. Insbesondere ist der zumindest eine Drucksensor zwischen der Membranpumpe und der ersten Anschlussstelle oder der zweiten Anschlussstelle mit der ersten Anschlussstelle oder der zweiten Anschlussstelle fluidverbunden. Hierdurch lässt sich eine möglichst kompakte Bauweise des Leckagediagnosesystems ermöglichen.
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Besonders bevorzugt weist das Leckagediagnosesystem zumindest einen ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor auf. Hierbei ist der erste Drucksensor mit der ersten Anschlussstelle fluidverbunden und der zweite Drucksensor mit der zweiten Anschlussstelle fluidverbunden, um so den Druck eines an der ersten Anschlussstelle oder zweiten Anschlussstelle angeschlossenen Tanks und einen Druck in der Umgebung zu erfassen. Dies ermöglicht eine einfache Ermittlung eines Überdrucks oder Unterdrucks im Tank gegenüber der Umgebung durch die Auswerteeinheit. Dies ermöglicht außerdem sowohl das Ermitteln des Vorhandenseins einer Leckage im Tank, als auch das Ermitteln der Größe einer Leckage durch die Auswerteeinheit. Hierzu kann beispielsweise, nach einem Einstellen eines gewünschten Drucks im Tank, der weitere zeitliche Druckverlauf im Tank durch den Drucksensor erfasst werden und durch die Auswerteeinheit mit hinterlegten zeitlichen Druckverläufen, unter Berücksichtigung des Drucks der Umgebung, verglichen werden. Hierdurch wird eine besonders effiziente und präzise Leckagediagnose bereitgestellt.
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Bevorzugt ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, elektrische Signale, insbesondere eine Stromaufnahme, der Membranpumpe zu erfassen und mittels der erfassten elektrischen Signale den Druck, insbesondere den Druckverlauf, in einem an der ersten Anschlussstelle oder der zweiten Anschlussstelle angeschlossenen Tank zu ermitteln. Dies ermöglicht es, beispielsweise einen Druck, insbesondere einen Druckverlauf, eines an der ersten Anschlussstelle oder zweiten Anschlussstelle angeschlossenen Tanks zu ermitteln ohne dass ein Drucksensor benötigt wird. Hierdurch können die Materialkosten und die Montagekosten für einen Drucksensor eingespart werden. Zudem erlaubt der mögliche Verzicht auf einen Drucksensor eine kompaktere Bauweise des Leckagediagnosesystems.
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Bevorzugt wird dabei der Druck, insbesondere der Druckverlauf, aus einem von der Pumpe aufgenommenen bzw. verbrauchten Stromwert und/oder eine verbrauchte Leistung bei bekannter Nennspannung der Membranpumpe beziehungsweise deren zeitlichen Verläufe ermittelt. Bei bekannter Fluid-Förderleitung der Membranpumpe kann somit aus der ermittelten Leistung der Membranpumpe der eingestellte Druck ermittelt werden.
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Alternativ kann eine Tabelle mit experimentell ermittelten Stromwerten, insbesondere Stromverläufen, bei verschiedenen Drücken, insbesondere Druckverläufen, eines an die erste Anschlussstelle oder zweite Anschlussstelle angeschlossenen Tanks hinterlegt sein. Aus dem Vergleich des durch die Auswerteeinheit ermittelten Stromwerts, insbesondere eines Stromverlaufs, mit einer solchen hinterlegten Tabelle, kann der Druck, insbesondere der Druckverlauf, des Fluides in einem an die erste oder die zweite Anschlussstelle angeschlossenen Tank ermittelt werden.
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Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Leckagediagnose für einen Tank, insbesondere einen Kraftstofftank, eines Fahrzeugs mittels eines Leckagediagnosesystems. Hierbei umfasst das Leckagediagnosesystem zumindest eine erste Anschlussstelle und eine zweite Anschlussstelle, eine Membranpumpe, eine Auswerteeinheit und ein Belüftungsventil. Die erste Anschlussstelle und die zweite Anschlussstelle sind dazu ausgebildet, an einem Tank angeschlossen zu sein oder zur Umgebung hin offen zu sein. Die Membranpumpe ist zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle angeordnet, mit beiden Anschlussstellen fluidverbunden und zur Fluidförderung zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle ausgebildet. Das Belüftungsventil ist parallel zur Membranpumpe zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle angeschlossen und ist dazu ausgebildet, zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung geschaltet zu werden. In der ersten Stellung ermöglicht das Belüftungsventil eine Fluidverbindung zwischen der ersten Anschlussstelle und der zweiten Anschlussstelle. Hierdurch wird ein Fluidfluss in beide Richtungen durch das Belüftungsventil möglich. In der zweiten Stellung verhindert das Belüftungsventil einen Fluidfluss zwischen der zweiten Anschlussstelle und der ersten Anschlussstelle. Das Verfahren zur Leckagediagnose wird mittels der Auswerteeinheit wie folgt durchgeführt. In einem ersten Verfahrensschritt wird das Belüftungsventil in die zweite Stellung geschaltet. Hierdurch wird ein Fluidfluss durch das Belüftungsventil von der zweiten Anschlussstelle zur ersten Anschlussstelle verhindert. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Membranpumpe betrieben, um einen Überdruck oder einen Unterdruck in einem an der ersten Anschlussstelle oder zweiten Anschlussstelle angeschlossenen Tank zu erzeugen. In einem dritten Verfahrensschritt wird ein Druck, insbesondere ein Druckverlauf, im angeschlossenen Tank ermittelt, um auf das Vorliegen einer Leckage im Tank rückzuschließen.
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Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, elektrische Signale des Sicherheitsventils, welche ein Öffnen und Schließen des Sicherheitsventils signalisieren, zu erfassen. Mit anderen Worten gibt das Sicherheitsventil elektrische Signale an die Auswerteeinheit aus, welche einen geschlossenen und/oder zumindest teilweise geöffneten Zustand des Sicherheitsventils signalisieren. Die Auswerteeinheit kann dabei insbesondere dazu eingerichtet sein, als Reaktion auf diese elektrischen Signale, beispielsweise die Membranpumpe auszuschalten. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Auswerteeinheit den ermittelten (durch Stromaufnahme der Membranpumpe) oder erfassten (durch Drucksensor(en)) Druck an der ersten Anschlussstelle zum Zeitpunkt des Öffnens des Sicherheitsventils speichern. Dieser gespeicherte Wert kann sodann von der Auswerteeinheit mit einem gespeicherten Öffnungsdruck des Sicherheitsventils abgeglichen werden, beispielsweise um eine Fehleranalyse des Leckagediagnosesystems durchzuführen.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug, welches einen Tank und das Leckagediagnosesystem gemäß den vorherigen bevorzugten Ausführungen aufweist, wobei der Tank mit der ersten Anschlussstelle oder der zweiten Anschlussstelle des Leckagediagnosesystems fluidverbunden ist.
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Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug sein.
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Die Auswerteeinheit kann insbesondere einen Prozessor wie etwa CPU/GPU/FPGA aufweisen oder sein. Insbesondere kann die Auswerteeinheit ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Auswerteeinheit einen Sendeempfänger aufweisen, mittels welchem Befehle für einen Betrieb und/oder ermittelte Ergebnisse der Auswerteeinheit drahtlos übertragen werden können.
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Das Leckagediagnosesystem aller vorstehenden bevorzugten Ausführungen ist dazu eingerichtet, das vorgenannte Verfahren, insbesondere mittels der Auswerteeinheit, durchzuführen.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
- 1 eine Skizze eines Fahrzeuges mit einem Leckagediagnosesystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Skizze des Leckagediagnosesystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Skizze zur Erläuterung eines beispielhaften Aufbaus einer Membranpumpe des Leckagediagnosesystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 4 ein Blockschaltdiagramm eines Verfahrens für eine Leckagediagnose gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Skizze eines Fahrzeuges 2 mit einem Tank 3 für Kraftstoff und einem Leckagediagnosesystem 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 weist auf eine Umgebung 1 hin, wobei die Umgebung 1 Luft (Atmosphäre) ist.
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Das Leckagediagnosesystem 4 kann in fest in dem Fahrzeug 2 verbaut sein. Alternativ kann das Leckagediagnosesystem 4 aus dem Fahrzeug 2 zerstörungsfrei entnehmbar sein, wobei auch eine oder mehrere Verbindungen mit dem Tank 3 zerstörungsfrei lösbar sind.
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Zunächst wird ein beispielhafter Aufbau sowie die Funktionsweise des Leckagediagnosesystems 4 anhand der 2 und 3 erläutert. Das Verfahren zur Leckagediagnose wird anhand der 4 erläutert.
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Dabei zeigt 2 eine Skizze des Leckagediagnosesystems 4 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das Leckagediagnosesystem 4 umfasst eine erste Anschlussstelle 5 und eine zweite Anschlussstelle 6 sowie eine Membranpumpe 7. Die Membranpumpe 7 ist zur Fluidförderung von der ersten Anschlussstelle 5 zur zweiten Anschlussstelle 6 eingerichtet.
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Die erste Anschlussstelle 5 und die zweite Anschlussstelle 6 sind jeweils eingerichtet, an dem Tank 3 angeschlossen zu sein oder zu der Umgebung 1 (Atmosphärenluft) offen zu sein. Welche Anschlussstelle 5, 6 an den Tank 3 angeschlossen ist, hängt davon ab, ob die Leckagediagnose mittels eines Unterdrucks oder eines Überdrucks in dem Tank 3 durchgeführt wird. Wird die zweite Anschlussstelle 6 an dem Tank 3 angeschlossen, so bewirkt die Fluidförderung der Membranpumpe 7 einen Überdruck in dem Tank 3. Wird andererseits die erste Anschlussstelle 5 an dem Tank 3 angeschlossen, so bewirkt die Fluidförderung der Membranpumpe 7 einen Unterdruck in dem Tank 3.
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Die Membranpumpe 7 weist einen Elektromotor 12 auf oder ist durch einen Elektromotor 12 antreibbar. Außerdem ist ein erstes Pumpenventil 10 und ein zweites Pumpenventil 11 vorgesehen. Das erste Pumpenventil 10 und das zweite Pumpventil 11 sind in Reihe mit und zwischen der ersten Anschlussstelle 5 und der zweiten Anschlussstelle 6 angeordnet und als Rückschlagventile ausgebildet. Somit bewirken die Pumpventile 10, 11, dass der Fluidfluss der Membranpumpe 7 wie folgt in eine vorbestimmte Richtung erfolgt.
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Während eines Ansaugvorgangs der Membranpumpe 7 besteht eine Fluidverbindung zwischen der Membranpumpe 7 und der ersten Anschlussstelle 5, aber nicht zwischen der Membranpumpe 7 und der zweiten Anschlussstelle 6. In einem Kompressionsvorgang der Membranpumpe 7 besteht eine Fluidverbindung zwischen der Membranpumpe 7 und der zweiten Anschlussstelle 6, aber nicht zwischen der Membranpumpe 7 und der ersten Anschlussstelle 5. Dadurch wird eine Fluidförderung von der ersten Anschlussstelle 5 zur zweiten Anschlussstelle 6 mittels der Membranpumpe 7 über die Pumpenventile 10, 11 erzeugt.
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3 zeigt eine Skizze zur Erläuterung weiterer Details eines beispielhaften Aufbaus der Membranpumpe 7 des Leckagediagnosesystems 4 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Der Elektromotor 12 ist mit einem Exzenter 13 verbunden. Der Exzenter 13 ist wiederrum mit einem Pleuel 14 verbunden. Durch den Exzenter 13 wird eine rotatorische Kraft des Elektromotors 12 in eine lineare Kraft umgewandelt, welche mittels des Pleuels 14 auf eine Membran 15 der Membranpumpe 7 übertragen wird. Dadurch bewirkt eine Rotation des Elektromotors 12, genauer einer nicht dargestellten Welle des Elektromotors 12, eine Hubbewegung der Membran 15 und damit einen Kompressionsvorgang oder einen Ansaugvorgang der Membranpumpe 7. Grundsätzlich führt eine durch den Elektromagneten 8d bewirkte Hubbewegung der Membran 15 zu einem Überdruck (Kompressionsvorgang) oder zu einem Unterdruck (Ansaugvorgang).
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Das Leckagediagnosesystem 4 wie in 2 gezeigt umfasst außerdem ein Belüftungsventil 8. Das Belüftungsventil 8 ist parallel zur Membranpumpe 7 zwischen der ersten Anschlussstelle 5 und der zweiten Anschlussstelle 6 angeschlossen und weist zwei Stellungen 8a, 8b auf.
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In der ersten Stellung 8a ist das Belüftungsventil 8 geöffnet, sodass die erste Anschlussstelle 5 und die zweite Anschlussstelle 6 miteinander fluidverbunden sind. Dadurch können Fluide, insbesondere Luft, in beiden Richtung zwischen der ersten Anschlussstelle 5 und der zweiten Anschlussstelle 6 durch das Belüftungsventil 8 strömen. In der zweiten Stellung 8b ist das Belüftungsventil 8 geschlossen, sodass ein Fluidfluss von der zweiten Anschlussstelle 6 durch das Belüftungsventil 8 hindurch zur ersten Anschlussstelle 5 verhindert wird. Das Belüftungsventil 8 ist hierbei insbesondere zwischen den beiden Stellungen kontinuierlich schaltbar, sodass Fluidflüsse auch nur teilweise verhindert, also gedrosselt, werden können.
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Hierfür weist das Belüftungsventil 8 einen Elektromagneten 8d und eine Feder 8c auf. Die Feder 8c ist hierbei derart ausgestaltet und angeordnet, dass sie gegen eine durch den Elektromagneten 8d erzeugbare Kraft wirkt. Mit anderen Worten komprimiert eine ausreichend hohe erzeugte Kraft des Elektromagneten 8d die Feder 8c, wodurch das Belüftungsventil 8 zwischen den beiden Stellungen 8a, 8b umgeschaltet werden kann. In einem nicht bestromten Zustand des Elektromagneten 8d ist das Belüftungsventil 8 in der ersten Stellung 8a. 2 zeigt einen bestromten Zustand des Elektromagneten 8d und damit das Belüftungsventil 8 in der zweiten Stellung 8b.
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Dadurch, dass der Elektromagnet 8d nur unter Bestromung die Federkraft der Feder 8c überwinden und dadurch das Belüftungsventil 8 in die zweite Stellung 8b umschalten kann, wird gewährleistet, dass im Falle eines Funktionsfehlers des Belüftungsventils 8 eben dieses in der ersten Stellung 8a bleibt, sodass eine Belüftung des Tanks 3 gewährleistet werden kann.
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Das Leckagediagnosesystem 4 umfasst außerdem eine Auswerteeinheit 9. Die Auswerteeinheit 9 ist mit einem Elektromotor 12 der Membranpumpe 7 und mit dem Elektromagneten 8d des Belüftungsventils 8 verbunden. Die Auswerteeinheit 9 ist dabei eingerichtet, die Membranpumpe 7 mittels des Elektromotors 12 und das Belüftungsventil 8 mittels des Elektromagneten 8d zu steuern.
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Die Auswerteeinheit 9 ist außerdem mit einem ersten Drucksensor 16, welcher einen Druck an der ersten Anschlussstelle 5 erfasst, und mit einem zweiten Drucksensor 17 verbunden, welcher einen Druck an der zweiten Anschlussstelle 6 erfasst.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem oder beiden Drucksensoren 16, 17 kann die Auswerteeinheit 9 den Druck aus elektrischen Signalen, insbesondere aus einer Stromaufnahme, der Membranpumpe 7 ermitteln. Dabei korreliert, insbesondere bei gegebener Nennspannung, die Stromaufnahme mit einer Leistung der Membranpumpe 7, aus welcher ein durch die Membranpumpe 7 erzeugter Druck ermittelt werden kann.
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Das Leckagediagnosesystem 4 umfasst außerdem ein Sicherheitsventil 18. Das Sicherheitsventil 18, welches hierbei beispielsweise ein federbelastetes Rückschlagventil ist, ist - parallel zur Membranpumpe 7 und zum Belüftungsventil 8 - mit der ersten Anschlussstelle 5 und mit der zweiten Anschlussstelle 6 verbunden. Dadurch wird ein möglicher, zu großer Überdruck oder Unterdruck in dem Tank 3 durch ein Öffnen des Sicherheitsventils 18 mit einem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) ausgeglichen.
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Ein Öffnungsdruck ist als eine Druckdifferenz zwischen der ersten Anschlussstelle 5 und der zweiten Anschlussstelle 6 definiert, welche zum Öffnen des Sicherheitsventils 18 führt. Ein Schließdruck ist als eine Druckdifferenz zwischen der ersten Anschlussstelle 5 und der zweiten Anschlussstelle 6 definiert, welche zum Schließen des Sicherheitsventils 18 führt. Der Öffnungsdruck und der Schließdruck sind hierbei voneinander verschieden.
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Dabei ist eine Wirkfläche eines Dichtelements 18a des Sicherheitsventils 18 derart ausgestaltet, dass der Schließdruck geringer als der Öffnungsdruck ist. Dies wird beispielsweise durch ein kegelförmiges Dichtelement 18a erreicht. Hierbei wirkt ein Druck des Fluides auf das Dichtelement 18a, um es beim Erreichen des Öffnungsdrucks von einem Ventilsitz (nicht dargestellt) anzuheben. Der Öffnungsdruck - und damit der Schließdruck - werden durch eine Federkraft einer Rückschlagfeder 18b eingestellt. Sobald das Dichtelement 18a von dem Ventilsitz angehoben ist, vergrößert sich die Wirkfläche, sodass eine durch den Fluiddruck auf die Rückschlagfeder 18b des Sicherheitsventils 18 wirkende Kraft steigt. Dadurch liegt der Schließdruck, also die Druckdifferenz, bei welcher das Sicherheitsventil 18 wieder schließt, unterhalb des Öffnungsdrucks.
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Dadurch, dass der Schließdruck des Sicherheitsventils 18 unterhalb des Öffnungsdrucks des Sicherheitsventils 18 liegt, kann ein ständiges Öffnen und Schließen des Sicherheitsventils 18 verhindert werden, sollte eine Fehlerquelle, welche zu dem zu großen Überdruck/Unterdruck geführt hat, nicht beseitigt sein. Je weiter der für die Leckagediagnose verwendete Differenzdruck zwischen der ersten Anschlussstelle 5 und der zweiten Anschlussstelle 6 unterhalb eines für den Tank 3 zulässigen Druckes liegt, desto besser sind der Tank 3 und das Leckagediagnosesystem 4 vor einer Überlastung geschützt.
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Beim Öffnen des Sicherheitsventils 18 sind die erste Anschlussstelle 5 und die zweite Anschlussstelle 6 miteinander fluidverbunden.
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Das Sicherheitsventil 18 ist außerdem mit der Auswerteeinheit 9 verbunden, wobei die Auswerteeinheit 9 Zeitpunkte, oder Dauern, des Öffnens und Schließens des Sicherheitsventils 18 empfängt und verarbeitet. Dabei kann beispielsweise ein vorbekannter Öffnungsdruck des Sicherheitsventils 18 mit einem zum Zeitpunkt des Öffnens des Sicherheitsventils 18 erfassten oder ermittelten Druck im Tank 3 abgeglichen werden, um eine mögliche Fehlfunktion der Membranpumpe 7 und/oder eines Drucksensors 16, 17 zu ermitteln.
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Nachfolgend wird ein Betrieb des Leckagediagnosesystems 4 zur Leckagediagnose anhand der 4 erläutert. Dabei zeigt 4 ein Blockschaltdiagramm eines Verfahrens für eine Leckagediagnose gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird das Belüftungsventil 8 in die zweite Stellung 8b geschaltet. Hierdurch wird ein Fluidfluss durch das Belüftungsventil 8 hindurch von der zweiten Anschlussstelle 6 zur ersten Anschlussstelle 5 verhindert.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird die Membranpumpe 7 betrieben, um einen Überdruck oder einen Unterdruck in einem an der ersten Anschlussstelle 5 oder an der zweiten Anschlussstelle 6 angeschlossenen Tank 3 zu erzeugen. Wie bereits erläutert, fördert die Membranpumpe 7 dabei Fluid von der ersten Anschlussstelle 5 zur zweiten Anschlussstelle 6.
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In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird ein Druck, insbesondere ein Druckverlauf, im angeschlossenen Tank 3 ermittelt, um auf das Vorliegen einer Leckage im Tank 3 rückzuschließen. Hierbei kann, wie vorstehend erläutert, der Druck mittels der Drucksensoren 16, 17 erfasst werden und/oder mittels der elektrischen Signale der Membranpumpe 7.
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Zwischen den Schritten S2 und S3 kann die Membranpumpe 7 insbesondere ausgeschaltet werden, da die Pumpenventile 10, 11 sowie das geschlossene Belüftungsventil 8 einen Druckausgleich zwischen der ersten Anschlussstelle 5 und der zweiten Anschlussstelle 6 verhindern. Wird währenddessen ein abfallender Druck (durch die Membranpumpe 7 bewirkter Überdruck im Tank 3) mittels der Drucksensoren 16, 17 erfasst, kann mittels dieser Erfassung auf eine Leckage im Tank 3 zurückgeschlossen werden. Hierfür kann beispielsweise ein zeitlicher Druckverlauf des Drucks durch die Drucksensoren 16, 17 aufgezeichnet und durch die Auswerteeinheit 9 ausgewertet werden.
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Alternativ kann auch eine einmalige Druckerfassung erfolgen. Hierbei wird angenommen, dass die Membranpumpe 7 (nach einer vorbestimmten Pumpzeit) einen vorbestimmten Druck im Tank 3 hergestellt hat. Dann kann nach einer vorbestimmten Wartezeit der Druck in dem Tank 3 durch zumindest einen der Drucksensoren 16, 17 erfasst werden. Weicht der erfasste Druck von dem durch die Membranpumpe 7 hergestellte, vorbestimmte Druck ab, so kann auf eine Leckage im Tank 3 zurückgeschlossen werden. Hierbei kann die Abweichung zwischen dem erfassten und dem zu erwartenden Druck insbesondere mit experimentell bestimmten Werten verglichen werden, um auf das Vorhandensein und einer Größe der Leckage zurückzuschließen. Beispielsweise kann dabei bestimmt werden, dass eine Leckage erst dann vorhanden ist, wenn die Abweichung in einem vorbestimmten Zeitraum über einem vorbestimmten Schwellwert ist, um beispielsweise Fehlertoleranzen oder Undichtigkeiten in dem Leckagediagnosesystem 4 zu berücksichtigen.
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Bei der Verwendung der elektrischen Signale der Membranpumpe 7 zur Ermittlung des durch die Membranpumpe 7 erzeugten Drucks kann beispielsweise die Membranpumpe 7 zwischen den Schritten S2, S3 konstant betrieben werden. Ist in dem Tank 3 eine Leckage vorhanden, so steigt die Stromaufnahme der Membranpumpe 7 zur Erzeugung des vorbestimmten Drucks. Hierbei kann wiederrum eine zu erwartende Stromaufnahme der Membranpumpe 7 mit einem experimentell bestimmbaren Sollwert verglichen werden, sodass auf das Vorliegen einer Leckage zurückgeschlossen werden. Mittels einer ermittelten Fluidförderleistung der Membranpumpe 7 kann außerdem auf eine Größe der Leckage zurückgeschlossen werden.
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Die vorgenannten Schritte S1 - S3 werden durch die Auswerteeinheit 9 durchgeführt. Hierfür kann die Auswerteeinheit 9 eine CPU/GPU/FPGA aufweisen oder sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Motorsteuergerät (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 2 als die vorgenannte Auswerteeinheit 9 ausgebildet sein.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 4 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umgebung
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Tank
- 4
- Leckagediagnosesystem
- 5
- erste Anschlussstelle
- 6
- zweite Anschlussstelle
- 7
- Membranpumpe
- 8
- Belüftungsventil
- 8a
- erste Stellung
- 8b
- zweite Stellung
- 8c
- Feder
- 8d
- Elektromagnet
- 9
- Auswerteeinheit
- 10
- erstes Pumpenventil
- 11
- zweites Pumpenventil
- 12
- Elektromotor
- 13
- Exzenter
- 14
- Pleuel
- 15
- Membran
- 16
- erster Drucksensor
- 17
- zweiter Drucksensor
- 18
- Sicherheitsventil
- 18a
- Dichtelement
- 18b
- Rückschlagfeder
- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
- S3
- dritter Schritt
