DE19740335A1 - Aktivkohlefilter für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktivkohlefilter für Kraft­ fahrzeuge zur Adsorption von im Tank von Kraftfahrzeugen entstehenden Kraftstoffdämpfen und zur Desorption und Rück­ führung der Dämpfe in die Brennräume des Motors des Kraft­ fahrzeugs, bestehend aus einem mit einer Schüttung aus Ak­ tivkohle geeigneter Porengröße gefüllten, allseitig ge­ schlossenen Gehäuse mit einem an eine zum Kraftfahrzeug- Tank führende Verbindungsleitung anschließbaren Tank-Ein­ laß, einem an eine zum Saugrohr des Motors geführte Verbin­ dungsleitung anschließbaren, die Kraftstoffdämpfe rückfüh­ renden Motor-Auslaß einerseits und der Frischluft-Anschluß andererseits an jeweils durch die Aktivkohleschüttung von­ einander getrennten Bereichen des Gehäuses vorgesehen sind.

Zur Verhinderung des Austritts von Kraftstoffdämpfen ins Freie werden zumindest in der Entlüftungsleitung des Tanks vom Personenkraftwagen Aktivkohlefilter angeordnet, welche die bei der Betankung des Kraftfahrzeugs oder auch bei Aus­ dehnung des Kraftstoffs im Tank infolge Erwärmung über die Tankentlüftung verdrängten Kraftstoffdämpfe in der Aktiv­ kohleschüttung adsorbieren und so deren Austritt in die Um­ gebungsatmosphäre zumindest solange verhindern, wie die Ad­ sorptionsfähigkeit der Aktivkohleschüttung nicht erschöpft ist. Durch hinreichende Bemessung der Menge der Aktivkohle­ schüttung und regelmäßige Desorption und Rückführung der Kraftstoffdämpfe in den Verbrennungskreislauf des Motors kann sichergestellt werden, daß unter normalen Betriebsbe­ dingungen des Kraftfahrzeugs keine Kraftstoffdämpfe in die Umgebungsatmosphäre austreten. Die Desorption erfolgt dabei so, daß Umgebungs- oder Frischluft durch die Aktivkohle­ schüttung gesaugt und dabei die Kraftstoffdämpfe von der Oberfläche der Aktivkohle gelöst, d. h. desorbiert werden. Zur Erzeugung des erforderlichen Unterdrucks wird der beim Laufen des Motors im Motor-Saugrohr erzeugte Unterdruck verwendet. Dementsprechend weisen Aktivkohlefilter für den hier in Frage stehenden Anwendungsfall drei Anschlüsse auf, nämlich einen an eine Verbindungsleitung zum Kraftfahrzeug- Tank angeschlossenen Einlaß, über den die Kraftstoffdämpfe in das Filtergehäuse eintreten, einen zur Umgebungsatmo­ sphäre geöffneten Belüftung-Anschluß, über welchen einer­ seits die von den Kraftstoffdämpfen befreite Luft zur Umge­ bungsatmosphäre austreten und andererseits beim Desorpti­ onsvorgang Außenluft durch die Aktivkohleschüttung einge­ saugt werden kann, und schließlich einen an eine zum Saug­ rohr bzw. dem Luftfilter des Verbrennungsmotors führende Leitung angeschlossenen Auslaß, über den die desorbierten Kraftstoffdämpfe in den Ansaugtrakt des Motors geführt und dann im Motor verbrannt werden. In der Verbindungsleitung zum Kraftstofftank bzw. dem Tank-Einlaß im Filtergehäuse nachgeschaltet ist ein Überdruckventil angeordnet, welches Kraftstoffdämpfe nur dann in den Aktivkohlefilter übertre­ ten läßt, wenn im Kraftstofftank und der nachgeschalteten Verbindungsleitung zum Aktivkohlefilter ein gewisser Über­ druck herrscht und andererseits wird dieses Ventil bei Un­ terschreiten des eingestellten Überdrucks und bei Erzeugung des Unterdrucks im Filtergehäuse über den Motor-Auslaß ge­ schlossen, so daß durch den dann im Gehäuse herrschenden Unterdruck Umgebungsluft über den Lüftungsanschluß ange­ saugt und die in der Aktivkohleschüttung adsorbierten Kraftstoffdämpfe desorbiert werden können. Diese bekannten Aktivkohlefilter erfüllen ihre Aufgabe der Verhinderung des Austritts von Kraftstoffdämpfen unter den für Kraftfahr­ zeuge zu erwartenden Betriebsbedingungen zuverlässig. Die bei der Desorption über die Ansaugseite in den Motor zu­ rückgeführten Kraftstoffdämpfe beeinflussen andererseits die Gemischaufbereitung im Sinne eines höheren Kraftstoff­ anteils, d. h. eines fetteren Kraftstoff/Luft-Gemischs, was tendenziell zu erhöhtem Ausstoß schädlicher Abgasbestand­ teile führt. Zwar wird ein Ansteigen schädlicher Bestand­ teile abgasseitig durch die bei den heute üblichen Kraft­ fahrzeugen mit geregeltem Katalysator vorgesehene Lambda- Sonde ermittelt und diese kann dann ein elektrisches Signal entwickeln, welches über die elektronische Steuereinrich­ tung für das Motormanagement bei Kraftfahrzeugen mit Ein­ spritzmotoren auch eine Beeinflussung der Brennstoff-Ein­ spritzmenge im Sinne einer Verminderung der Schadstoffe bewirkt. Diese Steuerung erfolgt aber zeitlich verzögert, weil ja zunächst ein Anstieg der Schadstoffwerte über die zulässigen Grenzen erfolgen muß, bevor eine Beeinflussung über die Motorsteuerung möglich ist.

Im Hinblick auf zukünftige schärfere Bestimmungen hinsicht­ lich der Abgaswerte und auf die angestrebte Verringerung des Kraftstoffverbrauchs insgesamt durch Aufbereitung eines mageren Kraftstoff/Luft-Gemischs, d. h. eines Kraft­ stoff/Luft-Gemischs mit Luftüberschuß, genügt die heutige Regelung über die Lambda-Sonde den zu erwartenden Anforde­ rungen nicht mehr, so daß man bei den Kraftfahrzeug-Her­ stellern bestrebt ist, die Regeneration des Aktivkohlefil­ ters in den normalen Fahrzuständen, in denen es auf beson­ ders genaue Einhaltung des Verhältnisses von Luft und Kraftstoff im Kraftstoff/Luft-Gemisch ankommt, nicht durch­ zuführen, so daß dann in der durch die Luftmengenmessung der Ansaugluft erfaßten Luftmenge keine zusätzlichen An­ teile von Kraftstoffdämpfen enthalten sind und dementspre­ chend über die Steuerung der Einspritzung ein exaktes Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird. Eine Regeneration des Aktivkohlefilters von über die Tankentlüftung aufgenommenen Kraftstoffdämpfen muß allerdings auch weiterhin erfolgen, d. h. die adsorbierten Kraftstoffdämpfe müssen aus dem Aktivkohlefilter umweltschonend zurückgewonnen und unschäd­ lich gemacht werden, und zwar - wie bisher - durch Verbren­ nung im Motor. Die Regenerationsphasen müssen also in Lauf­ zeiten des Motors verlegt werden, in denen die genaue An­ steuerung des exakten Kraftstoff/Luft-Gemischs ohnehin nicht gewährleistet ist und auch nicht gefordert wird, z. B. in die Kaltlaufphasen des Motors, in denen in der Regel ohnehin mit einem relativ fetten und zündwilligen Gemisch gearbeitet wird. In der Kaltlaufphase ist dann zwar ein erhöhter Schadstoff-Ausstoß gegeben, der aber infolge der geringen zeitlichen Dauer im Vergleich zur gesamten Lauf­ zeit des Motors vernachlässigbar gering ist. Die Regenera­ tion des Aktivkohlefilters ist aber zwingend nur dann not­ wendig, wenn die Adsorptionsfähigkeit der Aktivkohleschüt­ tung bereits weitgehend erschöpft ist. Es ist also erfor­ derlich, die Regenerationszyklen so zu steuern, daß sie - in den Kaltlaufphasen - in jedem Fall bei weitgehend er­ schöpfter Adsorptionsfähigkeit durchgeführt werden, während eine Regeneration bei geringer in der Aktivkohleschüttung adsorbierter Beladung mit Kraftstoffdämpfen nicht erforder­ lich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktivkohle­ filter zu schaffen, welcher diese erforderlichen Informa­ tionen über den Beladungszustand des Aktivkohlefilters be­ reitzustellen vermag, so daß Kraftfahrzeug-Hersteller bzw. Hersteller der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtun­ gen für das Motormanagement die Ansteuerung des Regenerati­ onsvorgangs des Aktivkohlefilters in der gewünschten Weise berücksichtigen können.

Ausgehend von einem Aktivkohlefilter der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Behälter wenigstens ein in die Aktivkohleschüttung geführter Sensor vorgesehen ist, welcher ein dem Grad des adsorptiv in der Aktivkohleschüttung aufgenommenen gasför­ migen Kraftstoffs entsprechendes Signal entwickelt. "Grad" des adsorptiv aufgenommenen Kraftstoffs bedeutet dabei das Verhältnis der tatsächlich je Volumeneinheit in der Aktiv­ kohleschüttung adsorbierten gasförmigen Brennstoffmenge zur maximal je Volumeneinheit adsorbierbaren Kraftstoffmenge.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung sind zwei Senso­ ren vorgesehen, von denen der erste Sensor in einem in der Nähe des Tank-Einlasses liegenden Bereich der Aktivkohle­ schüttung und der zweite Sensor in einem in der Nähe des Belüftungs-Anschlusses liegenden Bereich der Aktivkohle­ schüttung vorgesehen ist. Der erste, im Bereich des Tank- Einlasses liegende Sensor ermittelt also das Vorhandensein von adsorptiv gebundenen Kraftstoffdämpfen in deren Zu­ trittsbereich. Wenn dieser erste Sensor ein Signal ent­ wickelt, welches keine oder nur eine geringe adsorbierte Kraftstoffmenge meldet, ist eine Desorption nicht erforder­ lich, so daß also ein von der Steuereinheit für das Motor­ management ansteuerbares, in der zum Motor führenden Lei­ tung vorgesehenes und normalerweise geschlossenes Ventil auch in der Start- bzw. Kaltlaufphase des Motors geschlos­ sen bleiben kann. Der zweite, im Bereich des Frischluft-An­ schlusses vorgesehene Sensor überwacht den Adsorptionszu­ stand der Aktivkohle-Schüttung dagegen im Hinblick auf eine Erschöpfung der Adsorptionsfähigkeit. Wenn dieser zweite Sensor einen sehr hohen Grad von unmittelbar vor dem Aus­ tritt zur Umgebungsluft adsorptiv in der Kohleschüttung ge­ bundenen Kraftstoff-Dämpfen meldet und somit die Gefahr be­ steht, daß bei weiterem Kraftstoffeintritt in den Aktivkoh­ lefilter Kraftstoffdämpfe zur Umgebungsatmosphäre austreten können, kann das Signal des Sensors zur Auslösung eines so­ fortigen Desorptionszyklus, d. h. zur Öffnung eines norma­ lerweise geschlossenen, in der Leitung vom Motor-Auslaß zur Saugseite des Motors angeordneten Ventils verarbeitet wer­ den.

Als Sensor bzw. Sensoren werden zweckmäßig an sich be­ kannte, aufgrund der Änderung ihrer elektrischen Leitfähig­ keit in Abhängigkeit von der Konzentration von gasförmigen Kohlenwasserstoffen in Luft elektrische Signale ent­ wickelnde Sensorelemente verwendet.

Auch die Verwendung von wenigstens zwei Temperatur-Sensoren kommt in Frage, nachdem festgestellt wurde, daß die Aktiv­ kohleschüttung abhängig vom Grad der adsorptiven Aufnahme von Kraftstoffdämpfen unterschiedliche Temperaturen an­ nimmt.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher er­ läutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Aktivkohlefilters und dessen Anschluß an einen Kraft­ stofftank und die Saugseite des Motors eines Kraftfahrzeugs; und

Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene, wiederum schematisierte Ansicht eines erfin­ dungsgemäßen Aktivkohlefilters.

In Fig. 1 ist eine in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichne­ ter, in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildeter Aktivkoh­ lefilter dargestellt. Über eine Verbindungsleitung 12 ist der mit Kraftstoff gefüllte Tank 14 eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugs mit einem Tank-Einlaß 16 des Aktivkohlefil­ ters verbunden und über eine an einen Motor-Auslaß 18 ange­ schlossene Verbindungsleitung 20 ist eine Verbindung des Aktivkohlefilters zum Ansaugsystem, z. B. zum Saugrohr oder Luftfilter des Verbrennungsmotors 22 des zugehörigen Kraft­ fahrzeugs geschaffen. Innerhalb des Gehäuses 24 des Aktiv­ kohlefilters ist eine Aktivkohleschüttung 26 (Fig. 2) vor­ gesehen, welche an der Ober- und Unterseite durch dampf- bzw. gasdurchlässige Trennwände 28 (Fig. 2) innerhalb eines umschließenden gasundurchlässigen mittleren Gehäuseab­ schnitts gehalten ist. Auf der dem Tank-Einlaß 16 und dem Motor-Auslaß 18 gegenüberliegenden Seite der Aktivkohle­ schüttung 26 ist ein den oberhalb der Aktivkohleschüttung liegenden Raum des Filter-Gehäuses 24 mit der Umgebungsat­ mosphäre verbindender Frischluft-Anschluß 30 vorgesehen, über welchen einerseits vom Tank 140 in den Aktivkohlefil­ ter 10 verdrängte Luft nach Durchtritt durch die Aktivkoh­ leschüttung 26 und adsorptive Bindung der in der verdräng­ ten Luft enthaltenen Kraftstoffdämpfe austreten oder - bei einem am Motor-Auslaß anlegenden Vakuum - Luft aus der Um­ gebungsatmosphäre und durch die Aktivkohleschüttung ange­ saugt und so die adsorptiv gebundenen Kraftstoffdämpfe wie­ der zu desorbiert werden können.

In der Verbindungsleitung 20 vom Aktivkohlefilter 10 zum Ansaugtrakt des Motors 22 ist ein elektrisch ansteuerbares, normalerweise in die Schließstellung vorgespanntes Schalt­ ventil 32 vorgesehen, welches durch Ansteuerung einer Betä­ tigungseinheit 34 geöffnet werden kann, die beispielsweise von einer Erregerspule gebildet wird, in welche bei Beauf­ schlagung mit einem Erregerstrom über eine Steuerleitung 35 von einer elektrischen Steuereinheit 36 aus ein mit dem ei­ gentlichen Ventil-Schaltkörper verbundener Anker eingezogen wird. Dadurch wird das Schaltventil 32 dann geöffnet und ein bei laufendem Motor 22 in dessen Ansaugtrakt erzeugter Unterdruck wird über die Verbindungsleitung 20 in dem un­ terhalb der Aktivkohleschüttung 26 liegenden Raum des Fil­ ter-Gehäuses 24 wirksam. Der Unterdruck betätigt ein inner­ halb des Filtergehäuses dem Tank-Einlaß 16 nachgeschaltet angeordnetes, an sich bekanntes doppeltwirkendes Kontroll­ ventil 38 so, daß der Tank-Einlaß 14 geschlossen wird, so daß also in der Verbindungsleitung 12 vom Tank 14 zum Tankeinlaß und im Tank 14 selbst also kein Unterdruck wir­ ken kann. Der Unterdruck saugt deshalb Umgebungsluft über den Frischluft-Anschluß 30 und durch die Aktivkohleschüt­ tung 26 an, wobei die in der Aktivkohleschüttung gebundenen Kraftstoffdämpfe desorbiert und über die geöffnete Verbin­ dungsleitung 20 zum Ansaugtrakt des Motors 22 geführt wer­ den.

In Fig. 1 ist schematisch noch die vom Kraftstofftank 14 über eine Einspritzpumpe 40 zu den Einspritzdüsen 42 des Motors 22 geführte Kraftstoffleitung 44 schematisch darge­ stellt, wobei die Menge des von der Einspritzpumpe 40 über die Einspritzdüsen 42 zugeführte Kraftstoffs von der elek­ tronischen Steuereinheit 36 aus über eine Steuerleitung 46 angesteuert wird.

Im Aktivkohlefilter sind zwei Sensoren 48 bzw. 50 vorgese­ hen, welche einerseits in einem in der Nähe des Tank-Ein­ lasses bzw. des Motor-Auslasses liegenden Bereich und ande­ rerseits in einem in der Nähe des Belüftungs-Anschlusses liegenden Bereich in die Aktivkohle-Schüttung eingeführt sind und dort den Beladungszustand, d. h. die Menge des je Volumeneinheit der Aktivkohleschüttung tatsächlich adsor­ bierten Kraftstoffdampfs im Verhältnis zur maximal mögli­ chen Adsorptionsfähigkeit je Volumeneinheit überwachen und über je eine Signalleitung 52 bzw. 54 zur Steuereinheit 36 melden. Diese elektronische Steuereinheit 36, welche in die - im übrigen nicht gezeigte - elektronische Steuerung des Motormanagements des Kraftfahrzeugs integriert sein möge, kann somit durch Öffnen des Schaltventils 32 durch Ansteue­ rung über die Steuerleitung 35 und die Betätigungsvorrich­ tung 34 bei laufendem Motor einen Desorptionsvorgang auslö­ sen, wobei die Steuerlogik so ausgebildet ist, daß die Aus­ lösung des Desorptionsvorgangs nicht erfolgt, wenn über den ersten Sensor 48 gemeldet wird, daß keine oder nur eine ge­ ringe Beladung der Aktivkohle-Schüttung mit Kraftstoffdämp­ fen gegeben, d. h. bereits früher ein Desorptionsvorgang durchgeführt worden ist, während eine Desorption 20 durch­ geführt wird, wenn über den zweiten Sensor 50 gemeldet wird, daß die Adsorptionsfähigkeit der Aktivkohle-Schüttung 26 weitgehend erschöpft ist.

In Fig. 2 ist der Aktivkohlefilter 10 in größerem Maßstab und mit teilweise aufgebrochenem Gehäuse 24 gezeigt, wobei auch die Anordnung des bereits erwähnten - an sich bekann­ ten - Kontrollventils 38 in Nachschaltung zum Tank-Einlaß 16 innerhalb des Filter-Gehäuses 24 erkennbar ist. Dieses Kontrollventil 38 hat - wie erwähnt - eine zweifache Funk­ tion. Einerseits verschließt es den Tank-Einlaß 16 bei innerhalb des Filter-Gehäuses 24 herrschendem Unterdruck, und zum anderen wirkt es als Überdruck-Ventil, welches den Übertritt von aus dem Tank verdrängter kraftstoffdampfbe­ ladener Luft in den Filter erst bei einem vorgewählten, in der mit Kraftstoffdampf beladenen Luft herrschenden Über­ druck zuläßt.

Die Sensoren 48 und 50 sind in der vorgesehenen Lage gas­ dicht so in Durchbrüchen der Wandung des Filter-Gehäuses 24 eingesetzt, daß sie mit ihrem empfindlichen Meßbereich in die Aktivkohleschüttung 26 eintauchen. Dabei bietet die Verwendung von zwei Sensoren 48, 50, von denen der erste in der Aktivkohleschüttung im eintrittsseitigen Bereich der vom Tank übertretenden Luft und der andere im austrittssei­ tigen Bereich angeordnet ist, gegenüber der an sich grund­ sätzlich ebenfalls möglichen Verwendung eines einzigen Sen­ sors den Vorteil, daß sozusagen die beiden für die Auslö­ sung eines Desorptionsvorgangs maßgebenden Grenzen der adsorptiven Beladung der Aktivkohle-Schüttung überwacht werden, nämlich einerseits die am Sensor 48 abgreifbare Information über keine oder geringe Beladung der Aktiv­ kohle-Schüttung mit Kraftstoffdämpfen und die am zweiten Sensor 50 zu ermitteltende Information über die bevorste­ hende Erschöpfung der Adsorptionsfähigkeit. In der Logik der Steuereinheit 36 können dann die bei den jeweiligen Betriebszuständen des Motors einen Desorptionszyklus auslö­ senden bzw. unterdrückenden Steuersignale entwickelt wer­ den.

Es ist ersichtlich, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens Abwandlungen und Weiterbildungen des beschriebenen Aktiv­ kohlefilters verwirklichbar sind, die sich sowohl auf die spezielle Ausgestaltung des Aktivkohlefilters im einzelnen als auch die an sich mögliche - wenn auch aufwendigere - Anordnung zusätzlicher Sensoren für eine noch genauere Feststellung des Gradienten der Beladung der Aktivkohle­ schüttung mit Kraftstoffdämpfen beziehen.

Claims (4)

1. Aktivkohlefilter (10) für Kraftfahrzeuge zur Adsorption von im Tank (14) von Kraftfahrzeugen entstehenden Kraft­ stoffdämpfen und zur Desorption und Rückführung der Dämpfe in die Brennräume des Motors (22) des Kraftfahrzeugs, be­ stehend aus einem mit einer Schüttung (26) aus Aktivkohle geeigneter Porengröße gefüllten, allseitig geschlossenen Gehäuse (24) mit einem an eine zum Kraftfahrzeug-Tank füh­ rende Verbindungsleitung anschließbaren Tank-Einlaß (16), einem an eine zum Saugrohr des Motors (22) geführte Verbin­ dungsleitung (20) anschließbaren, die Kraftstoffdämpfe rückführenden Motor-Auslaß (18) und einem mit der Umge­ bungsatmosphäre verbundenen Frischluft-Anschluß (30), wobei der Tank-Einlaß (16) und der Motor-Auslaß (18) einerseits und der Frischluft-Anschluß (30) andererseits an jeweils durch die Aktivkohleschüttung (26) voneinander getrennten Bereichen des Gehäuses (24) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Behälter wenigstens ein in die Aktivkohleschüt­ tung (26) geführter Sensor (48; 50) vorgesehen ist, welcher ein dem Grad des adsorptiv in der Aktivkohleschüttung (26) aufgenommenen gasförmigen Kraftstoffs entsprechendes Signal entwickelt.

2. Aktivkohlefilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Sensoren (48; 50) vorgesehen sind, von denen der erste Sensor (48) in einem in der Nähe des Tank-Einlas­ ses (16) liegenden Bereich der Aktivkohleschüttung (26) und der zweite Sensor (50) in einem in der Nähe des Belüf­ tungs-Anschlusses (30) liegenden Bereich der Aktivkohle­ schüttung (26) vorgesehen ist.

3. Aktivkohlefilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (48) bzw. die Sensoren (48; 50) an sich bekannte aufgrund der Änderung ihrer elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration von gasförmigen Kohlenwasserstoffen in Luft elektrische Signale entwickelnde Sensorelemente sind.

4. Aktivkohlefilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sensoren (48; 50) Temperatur-Sensoren sind.