DE19947080C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regenerierung eines Aktivkohlefilters - Google Patents

Abstract

Zum Regenerieren eines Aktivkohlebehälters (13), der in der Tankentlüftung einer Brennkraftmaschine (1) sitzt, die mit luftunterstützter Benzin-Direkteinspritzung betrieben wird, ist an der Hochdruckseite der die Druckluft für die Einspritzung erzeugenden Druckerzeugungseinheit ein Druckregler (28) angeschlossen, dessen abgelassene Luft durch den Aktivkohlebehälter (13) geleitet wird, um diesen zu regenerieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regenerierung ei­ nes Aktivkohlebehälters und ein Verfahren zur Regenerierung eines in eine Tankentlüftung eines Kraftstofftankes einer Brennkraftmaschine geschalteten Aktivkohlebehälters, der im Kraftstofftank entstehende gasförmige Kohlenwasserstoffe ad­ sorbiert bei einer Brennkraftmaschine, die mit luftunter­ stützter Benzin-Direkteinspritzung betrieben wird.

Aufgrund des Dampfdruckes liegt im Tank eines Kraftfahrzeuges neben flüssigem Kraftstoff ständig auch gasförmiger Kraft­ stoff vor. Da der Tank eine Entlüftungsöffnung zum Druckaus­ gleich haben muß, würden durch Verdampfen von Kraftstoff ständig Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre entweichen, wo­ bei dieser Effekt mit der Temperatur des Kraftstoffes an­ steigt. Durch den Einsatz von Aktivkohlebehältern, die in die Entlüftungsleitung geschaltet sind und verdampfte Kohlenwas­ serstoffe aus dem Tank adsorbieren, lassen sich solche Koh­ lenwasserstoffemissionen vermeiden. Dies ist erforderlich, um die gesetzlichen Auflagen bei Verdampfungsverlusten zu erfül­ len.

Der Tank ist somit nur über einen Aktivkohlebehälter belüf­ tet. Wegen des begrenzten Aufnahmevolumens der Aktivkohle muß dieser Aktivkohlebehälter bzw. die darin befindliche Aktiv­ kohle regeneriert werden. Bei normal betriebenen Otto- Brennkraftmaschinen wird dabei mittels des Unterdrucks im An­ saugtrakt bei laufender Brennkraftmaschine Luft aus der Umge­ bung über den Aktivkohlebehälter angesaugt, über eine Regene­ rierleitung als Spülstrom in den Ansaugtrakt eingespeist und so der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt. Diese Einleitung erfolgt gezielt und die durch die Einleitung zu­ sätzlich eingebrachten Kohlenwasserstoffe werden beim Betrieb der Brennkraftmaschine geeignet berücksichtigt. Ein Verfahren zu einer solchen Berücksichtigung ist aus der DE 197 01 353 C1 bekannt, die eine Einspritzkorrektur auf Basis einer Lambda-Regelung vorsieht.

Um jedoch den Kraftstoffverbrauch von Otto- Brennkraftmaschinen weiter zu reduzieren, kommen Brennkraft­ maschinen mit magerer Verbrennung immer häufiger zum Einsatz.

Die Größe des Luftüberschusses bei der mager betriebenen Ot­ to-Brennkraftmaschine ist dadurch begrenzt, daß das Gemisch der Brennkammer zündfähig bleiben muß. Ein besonders magerer Betrieb läßt sich im Schichtlade-Betrieb erreichen, so daß in der Brennkammer um die Zündkerze herum ausreichend zündwilli­ ges Kraftstoff/Luft-Gemisch vorhanden ist, mit der Entfernung zur Zündkerze jedoch der Luftüberschuß zunimmt. Ein Verfah­ ren, um diese Schichtladung zu erreichen, ist in der Veröf­ fentlichung R. Houston, G. Cathcart, "Combustion and Emissi­ ons Characteristics of Orbital's Combustion Process Applied to Multi-Cylinder Automotive Direct Injected 4-Stroke Engi­ nes", Society of Automotive Engineers, SAE Paper 980153, Band SP 136 beschrieben. Bei diesem als luftunterstützte Benzin- Direkteinspritzung bekannten Verfahren wird unter Druck ste­ hender Kraftstoff in eine druckluftbefüllte Vorkammer einge­ spritzt und gesteuert zusammen mit Druckluft aus einer Druck­ luftspeicherschiene direkt in die Brennkammer eingelassen, wobei jeder Brennkammer eine eigene Vorkammer zugeordnet ist. Durch die Vormischung und Einspritzung von Kraftstoff/Luft- Gemisch kann sichergestellt werden, daß im Bereich der Zünd­ kerzen zündwilliges Gemisch vorliegt und dennoch insgesamt ein hoher Luftüberschuß realisiert werden kann.

Da solche Brennkraftmaschinen mit luftunterstützter Benzin- Direkteinspritzung weitgehend drosselfrei arbeiten, ist die üblicherweise zur Regenerierung eines mit Kohlenwasserstoffen beladenen Aktivkohlebehälters verwendete Lösung, die auf ei­ nen Unterdruck im Ansaugtrakt aufbaut, nicht möglich.

Aus der DE 196 50 517 A1 der Anmelderin ist es deshalb be­ kannt, eine Druckluftpumpe in einer Regenerierleitung vorzu­ sehen, die den Aktivkohlebehälter mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbindet. Diese Pumpe saugt Luft durch den Aktivkohlebehälter und speist sie in den Ansaugtrakt ein, um sie so in der Brennkraftmaschine der Verbrennung zuzufüh­ ren. Für dieses vorbekannte Verfahren ist jedoch eine separa­ te Druckluftpumpe unumgänglich.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zum Regenerieren eines Aktivkohlebe­ hälters so auszubilden, daß auf diese separate Druckluftpumpe verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 6 gekennzeich­ nete Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird zur Druckregelung bei der luftunter­ stützten Benzin-Direkteinspritzung ein Druckregler für die Druckluftspeicherschiene verwendet und die von ihm abgelasse­ ne Luft zum Regenerieren des Aktivkohlebehälters eingesetzt. Dadurch kann auf die nach dem Stande der Technik erforderli­ che separate Druckluftpumpe zur Regenerierung verzichtet wer­ den. Stattdessen wird die ohnehin bereits vorhandene Drucker­ zeugungseinheit dafür mitverwendet, die Luft aus dem Ansaug­ trakt ansaugt und unter Druck an die Druckluftspeicherschiene abzugibt.

Die Erfindung bietet weiter die Möglichkeit, den vom Druck­ regler abgelassenen Luftstrom durch ein stellbares Ventil, das den Aktivkohlebehälter mit der Umgebung verbindet, so teilweise in die Umgebung abzulassen, daß dadurch der Spül­ strom durch den Aktivkohlebehälter gewünscht eingestellt wird. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist somit das normalerweise erforderliche Regenerierventil überflüssig.

Schließlich kann man durch geeignete Anordnung eines Drei- Wege-Ventils am Ausgang des Druckreglers den abgelassenen Luftstrom entweder der Niederdruckseite der Druckerzeugungs­ einheit zuführen oder zur Regenerierung verwenden. Dies hat den Vorteil, daß die von einem Luftmassenmesser am Eingang des Ansaugtraktes gemessene Luftmasse immer der Brennkraftma­ schine vollständig zur Verbrennung zugeführt wird, was die Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erleichtert.

Vorteilhafte Fortbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die ein­ zige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit luftunterstützter Benzin- Direkteinspritzung sowie einem Kraftstoffversorgungssystem mit Aktivkohlebehälter und nötigen Elementen zur Regenerie­ rung des Aktivkohlebehälters.

In der Figur ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 darge­ stellt, die einen Ansaugtrakt 2 hat, in den über Einspritz­ ventile 5, die von einer Einspritzschiene 6 mit Kraftstoff versorgt werden, Kraftstoff eingespritzt wird. Dabei wird zum mageren Betrieb der Brennkraftmaschine der Kraftstoff luftun­ terstützt direkt eingespritzt, was nachfolgend noch erläutert werden wird. Im Ansaugtrakt 2 befindet sich eine Drosselklap­ pe 18 und stromauf davon ein Luftmassenmesser 19, in den über eine Ansaugöffnung 20 Ansaugluft geleitet wird.

Die Einspritzschiene 6 wird über eine Kraftstoffleitung 7, die aus einem Pumpenmodul 8 gespeist wird, mit Kraftstoff versorgt. Das Pumpenmodul 8 sitzt in einem Tank 4, der über einen Stutzen 11 befüllbar ist. Im Tank 4 befindet sich Kraftstoff 10. Der darüber befindliche Hohlraum ist mit Kraftstoffdampf 9 erfüllt. Der Tank 4 ist weiter über eine Tankentlüftungsleitung 12, die in einen Belüftungsanschluß 14 mündet, an die Umgebung angekoppelt, so daß ein Druckaus­ gleich erfolgen kann. In die Tankentlüftungsleitung 12 ist ein Rückschlagventil 33 geschaltet, das Gasströmungen in den Tank 4 verhindert.

In die Tankentlüftungsleitung 12 ist weiter ein Aktivkohlebe­ hälter 13 geschaltet, in dem sich Kohlenwasserstoff adsorbie­ rendes Aktivkohlematerial befindet. Dadurch ist sicherge­ stellt, daß aus der Tankentlüftungsleitung 12 keine Kohlen­ wasserstoffe an den Belüftungsanschluß 14 abgegeben werden können, da die Kohlenwasserstoffe im Aktivkohlematerial ad­ sorbiert werden. Zwischen dem Belüftungsanschluß 14 und dem ersten Ausgang des Aktivkohlebehälters 13 ist mit einem T- Stück 30 ein stellbares Ablaßventil 32 angeschlossen, das von einem Stellglied 31 betätigt wird. Das Stellglied 31 wird über nicht näher bezeichnete Leitungen von einem Steuergerät 21 angesteuert.

Der Aktivkohlebehälter 13 ist mit einem zweiten Ausgang über eine Regenerierleitung 15 mit dem Ansaugtrakt 2 der Brenn­ kraftmaschine 1 verbunden, wobei die Regenerierleitung 15 zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Drosselklappe 18 in den Ansaugtrakt 2 mündet. In die Regenerierleitung 15 ist ein Regenerierventil 16 geschaltet, das über ein Stellglied 17 betätigt wird. Dieses Regenerierventil 16 wird auch als Tan­ kentlüftungsventil bezeichnet. Das Steuergerät 21 ist über nicht näher bezeichnete Leitungen mit dem Luftmassenmesser 19, der Drosselklappe 18, den Einspritzventilen 5 und dem Stellglied 17 des Regenerierventils 16 sowie einer im Abga­ strakt 3 der Brennkraftmaschine 1 befindlichen Lambda-Sonde 22 verbunden und liest über diese Leitungen entsprechende Meßwerte aus bzw. steuert die entsprechenden Bauteile an.

Zur luftunterstützten Benzin-Direkteinspritzung ist eine Druckpumpe 24 über eine Saugleitung 23 an den Ansaugtrakt 2 zwischen Luftmassenmesser 19 und Brennkraftmaschine 1 ange­ schlossen. Von der Hochdruckseite der Druckpumpe 24 führt ei­ ne Druckluftleitung 26 zu einer Druckluftspeicherschiene 27. An die Druckluftspeicherschiene 27 ist für jeden Zylinder ei­ ne Vorkammer 25 angeschlossen. Ein Druckregler 28 regelt durch Ablassen von Luft den Druck in der Druckluftleitung 26 betriebsparameterabhängig. Er wird dazu über nicht näher be­ zeichnete Leitungen vom Steuergerät 21 angesteuert. In die Vorkammer 25 wird aus der Einspritzschiene 6 Kraftstoff ein­ gespritzt und mit Druckluft aus der Druckluftspeicherschiene 27 gemischt. Dieses unter Druck stehende vorgemischte Kraft­ stoff/Luft-Gemisch wird dann über die Einspritzventile 5 zu­ sammen mit Druckluft aus der Druckluftspeicherschiene 27 di­ rekt in die Brennkammern der Brennkraftmaschine 1 einge­ spritzt.

Durch die luftunterstützte Benzin-Direkteinspritzung kann die Brennkraftmaschine 1 zuverlässig auch mit magerem Gemisch be­ trieben werden. Die Last der Brennkraftmaschine 1 kann dabei über die Kraftstoffmenge eingestellt werden, weshalb die Drosselklappe 18 in fast allen Betriebszuständen vollständig geöffnet ist. Sie ist im wesentlichen nur noch als Sicher­ heitseinrichtung vorhanden, um im Notfall die Brennkraftma­ schine drosseln zu können, bzw. in bestimmten Betriebsphasen einen normal gedrosselten Betrieb zu ermöglichen.

Der Druckregler 28 leitet die abgelassene Luft an eine Ablaß­ leitung 29. Diese ist an das T-Stück 30 am ersten Ausgang des Aktivkohlebehälters 13 angeschlossen.

Der Aktivkohlebehälter 13 adsorbiert am Eingang eintretenden Kraftstoffdampf. Um zu verhindern, daß bei vollständiger Be­ ladung des Aktivkohlebehälters 13 ein Durchbruch von Kohlen­ wasserstoffen zum Belüftungsanschluß 14 erfolgt, wird der Ak­ tivkohlebehälter 13 im Betrieb der Brennkraftmaschine regene­ riert. Dazu wird durch Schalten des Regenerierventils 16 die Regenerierleitung 15 vom Aktivkohlebehälter 13 zum Ansaug­ trakt 2 freigeschaltet. Gleichzeitig wird das Ablaßventil 32 geschlossen, so daß der erste Ausgang des Aktivkohlebehälters 13 vom Belüftungsanschluß 14 abgetrennt ist. Die vom Druck­ regler 28 abgelassene Luft strömt dann durch die Ablaßleitung 29, durch den Aktivkohlebehälter 13 und die Regenerierleitung 15 in den Ansaugtrakt 2. Da der damit erzeugte Spülstrom durch die Regenerierleitung 15 kohlenwasserstoffhaltig ist, ergibt sich ein Kohlenwasserstoffeintrag in die von der Brennkraftmaschine 1 durch den Ansaugtrakt 2 angesaugte Luft­ masse. Damit diese angereicherte Ansaugluft möglichst nicht mehr von der Druckpumpe angesaugt wird, mündet die Regene­ rierleitung 15 vorzugsweise stromab der Saugleitung 23 in den Ansaugtrakt 2 (in der Figur anders dargestellt).

Der Kohlenwasserstoffeintrag wird beim Betrieb der Brenn­ kraftmaschine bekanntermaßen berücksichtigt. Dabei wird übli­ cherweise der Gesamtmassenstrom des Spülstroms durch die Re­ generierleitung 15 rampenartig erhöht. Dies kann bei der Vor­ richtung der Fig. 1 auf zweierlei Art und Weise erreicht wer­ den:

• 1. Ist als Ablaßventil 32 ein einfaches nicht angesteuertes Rückschlagventil vorgesehen, das bei einem Überdruck auf Seite des Aktivkohlebehälters 13 schließt, kann man durch einfache Erhöhung des Öffnungsgrades des Regenerierventils 16, beispielsweise durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Regenerierventils mit allmählicher Erhöhung des Tastverhältnisses, den Spülstrom steigern.
• 2. Möchte man dabei eine eventuelle Druckerhöhung an der Ablaßleitung 29 des Druckreglers 28 vermeiden, kann man mittels eines stellbaren Ablaßventils 32 durch eine entsprechende Öffnung dieses Ablaßventils 32 einen überschüssigen Luftstrom aus der Ablaßleitung 29a, Belüftungsanschluß 14 ablassen.
• 3. Ein stellbares Ablaßventil 32 ermöglicht es sogar, auf das Regenerierventil 16 vollständig zu verzichten.

Ist dieses Ablaßventil 32 geöffnet, strömt die an der Ablaßleitung 29 vom Druckregler 28 abgegebene Luft aufgrund des unvermeidlichen Strömungswiderstandes des Aktivkohlebehälters 13 fast vollständig zum Belüftungsanschluß 14. Nur ein sehr geringer Anteil wird über die ständig geöffnete Regenerierleitung 15 fließen; dieser Anteil ist tolerierbar bzw. kann bei der Steuerung der Brennkraftmaschine geeignet berücksichtigt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann man sicherstellen, daß sämtliche durch die Ansaugöffnung 20 zuge­ führte Luft und mit dem Luftmassenmesser 19 gemessene Luft­ menge der Brennkraftmaschine 1 zur Verbrennung zugeführt wird. Dazu ist in die Ablaßleitung 29 ein (nicht gezeigtes) Drei-Wege-Ventil geschaltet, das die Ablaßleitung 29 vom Druckregler 28 kommend mit der Saugleitung 23 zu verbinden erlaubt. In dieser Stellung des Drei-Wege-Ventils strömt die vom Druckregler 28 abgegebene Luft wieder zur Saugleitung 23 der Druckpumpe 24 und wird somit letztlich der Brennkraftma­ schine 1 zugeführt. In der anderen Stellung des Drei-Wege- Ventils ist die Ablaßleitung 29 wie beschrieben an das T- Stück 30 am ersten Ausgang des Aktivkohlebehälters 13 ange­ schlossen. In dieser Stellung erfolgt die Regenerierung des Aktivkohlebehälters.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Regenerierung eines Aktivkohlebehälters mit:

• a) einem Aktivkohlebehälter (13), der mit einer Tankentlüf­ tungsleitung (12) eines Kraftstofftankes (4) einer Brenn­ kraftmaschine (1) und mit einem Belüftungsanschluß (14) zur Umgebung verbunden ist, und im Kraftstofftank (4) entstehende gasförmige Kohlenwasserstoffe adsorbiert,
• b) einer Regenerierleitung (15), die den Aktivkohlebehälter (13) mit einem Ansaugtrakt (2) der Brennkraftmaschine (1) verbindet,
• c) einer Druckerzeugungseinheit (24), die hochdruckseitig Druckluft zur luftunterstützten Benzin-Direkteinspritzung an der Brennkraftmaschine (1) bereitstellt,
• d) einem Druckregler (28) an der Hochdruckseite der Drucker­ zeugungseinheit (24), der den Druck der Druckluft durch Ab­ lassen von Luft an einem Ablaßausgang einstellt, und
• e) einem Ventil (32), das zwischen Aktivkohlebehälter (13) und den Belüftungsanschluß (14) geschaltet ist, wobei
• f) der Ablaßausgang des Druckreglers (28) an den Aktivkoh­ lebehälter (13) so angeschlossen ist, daß das Ventil (32) eine Strömung vom Ablaßausgang zum Belüftungsan­ schluß (14) zur Umgebung verhindert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein druckbetätigtes Rückschlagventil (32) ist, das bei Überdruck schließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein stellbares Ventil (32) ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Drei-Wege-Ventil zwischen dem Ablaßausgang des Druckreglers (28), der Niederdruckseite der Druckerzeugungseinheit (24) und dem Aktivkohlebehäl­ ter (13).

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Regenerierleitung (15) ein Regenerierventil (16) geschaltet ist, das die Regenerierleitung (15) mit stellbarem Öffnungsquer­ schnitt freischaltet.

6. Verfahren zur Regenerierung eines in eine Tankentlüf­ tung eines Kraftstofftankes einer Brennkraftmaschine ge­ schalteten Aktivkohlebehälters, der im Kraftstofftank entstehende gasförmige Kohlenwasserstoffe adsorbiert, bei einer Brennkraftmaschine, die mit luftunterstützter Benzin-Direkteinspritzung betrieben wird, bei welchem Verfahren

• a) Druckluft für die luftunterstützte Benzin- Direkteinspritzung erzeugt wird,
• b) betriebsparameterabhängig Druckluft abgelassen wird und
• c) die abgelassene Druckluft durch den Aktivkohlebehäl­ ter geführt und in einem Spülstrom in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die abgelassene Druckluft variierbar in zwei Teil­ ströme aufgeteilt wird, von denen einer in die Umgebung oder einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine abgelassen und der andere durch den Aktivkohlebehälter geführt wird.