DE3639817C1 - Process and apparatus for the adsorptive removal of hydrocarbon vapours from internal combustion systems and regeneration of the adsorbent - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Kraftstoff- und ähnlichen Kohlenwasserstoffdämpfen aus Brenn­ kraftanlagen in Fahrzeugen mittels Adsorption an einem Ad­ sorptionsmittel und zum Regenerieren des Adsorptionsmittels mittels eines von der Brennkraftmaschine über ein steuerbares Ventil angesaugten, über das Adsorptionsmittel geleiteten und als Teilmenge der von der Brennkraftmaschine insgesamt ange­ saugten Verbrennungsluft verwendeten Luftstromes sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Durch die DE 35 19 292 A1 ist ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art bekanntgeworden.

Aus dem Kraftstofftank einer Brennkraftanlage entweichen Kraftstoffdämpfe, wenn sich die Temperatur im Tank durch Wär­ mezufuhr über die Wandungen oder durch zurückgeführten, aufge­ heizten Kraftstoff erhöht. Damit diese nicht in die Atmosphäre gelangen, werden sie durch einen mit Aktivkohle als Adsorp­ tionsmittel gefüllten Behälter geleitet. Ebenso entweichen Kraftstoffdämpfe aus dem Vergaser, dem Luftfilter und damit verbundenen Teilen der Brennkraftanlage, wenn der Motor abge­ stellt wird, die Brennkraftmaschine mithin stillsteht und mit ihrer gespeicherten Wärme die erwähnten Anlagenteile aufheizt. Auch hier wird ein Austreten des Kraftstoffdampfes in die At­ mosphäre dadurch verhindert, daß er, z. B. durch eine Um­ schaltbelüftung, aus dem Vergaser und den anderen Anlagentei­ len ausgetrieben und einem gemeinsamen oder separaten Aktiv­ kohlefilter zugeleitet wird.

Das Adsorptionsmittel muß regelmäßig regeneriert werden, damit stets ausreichende Adsorptionskapazität zur Verfügung steht. Zur Regeneration reicht es aus, daß kohlenwasserstofffreie Luft, wie normale atmosphärische Luft, über die Ad­ sorptionsmittelschicht geleitet wird. Diese Regenerationsluft nimmt dabei durch Desorption insbesondere die zuvor an dem Ad­ sorptionsmittel adsorbierten Kohlenwasserstoffe auf. Dabei entsteht ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, welches in der Brenn­ kraftmaschine verwertet wird. Deshalb wird die Regeneration während der Betriebsphasen der Brennkraftmaschine durchge­ führt, und zwar derart, daß ein Teil der von der Brennkraftmaschine angesaug­ ten Verbrennungsluft über die Adsorptionsmittelschicht gelei­ tet und nachfolgend der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Je größer der von der Brennkraftmaschine angesaugte Volumenstrom ist, um so schneller wird das Adsorptionsmittel regeneriert, also am besten im Vollastbereich der Brennkraftmaschine. Durch Autobahnfahrten z. B. kann also eine beschleunigte Regenera­ tion gewährleistet werden.

Auch wenn die Brennkraftmaschine über längere Perioden im un­ teren Teillastbereich betrieben wird, ist der Erhalt einer ausreichenden Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels ge­ wünscht. Im unteren und mittleren Teillastbereich der Brenn­ kraftmaschine ist das Regenerieren nach der vorbeschriebenen Vorgehensweise aber problematisch, weil die Regenerationsluft je nach Beladungszustand des Adsorptionsmittels mehr oder weniger stark mit Kohlenwasserstoffen angereichert wird. Im Extremfall kann es sich bei dem über die Adsorptionsmittel­ schicht angesaugten Volumenstrom um nahezu reinen Kraftstoff­ dampf handeln. In dem entgegengesetzten Extremfall, wenn näm­ lich das Adsorptionsmittel völlig regeneriert ist, ist die der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführte Regenerations­ luft völlig frei von Kohlenwasserstoffen. Im ersten Fall wird der Brennkraftmaschine also ein überfettetes und im letzteren Fall ein abgemagertes Luft/Kraftstoff-Gemisch zugeführt. Vor allem die Überfettung ist unerwünscht. Damit gleichwohl auch im unteren und mittleren Teillastbereich eine möglichst umfangreiche Regeneration möglich ist, hat man getaktete Ventile in die die Regenerationsluft der Brennkraftmaschine zuführende Bypaßleitung eingesetzt. Solche einfachen getak­ teten Auf-Zu-Ventile verursachen ein relativ großes, unerwünsch­ tes Arbeitsgeräusch. Außerdem ist ein relativ großer Meß- und Regelaufwand zur elektronischen Steuerung dieser Taktven­ tile erforderlich, um das der Brennkraft insgesamt zugeführte Luft/Kraftstoff-Gemisch in den gewünschten Grenzen zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, wodurch bei allen Lastzuständen der Brennkraft­ maschine die maximal mögliche Regenerationsleistung an der Adsorptionsmittelschicht gewährleistet ist, ohne daß der Brennkraftmaschine ein zu stark überfettetes Gemisch zugeführt wird.

Nach Möglichkeit sollen auch besonders starke Abmage­ rungen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als steuerbares Ventil eine solche Vorrichtung verwendet wird, die proportionale Ver­ läufe des über das Adsorptionsmittel geleiteten Ansaugvolumen­ stromes und des gesamten Ansaugvolumenstromes der Brennkraft­ maschinen vermittels ihrer Grundkennlinie erzeugt, wobei der Proportionalitätsfaktor durch elektrische Einwirkung veränder­ bar ist.

Die Erfindung basiert demnach auf dem Grundgedanken, eine gute Anpassung des Regenerierungs-Volumenstromes an den Gesamt-Ansaugluftvolumenstrom dadurch zu erreichen, daß eine Vorrichtung verwendet wird, die mit ihrer Grundkennlinie einen proportionalen Verlauf der Volumenströme ermöglicht.

Die Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens, die erstens aus einer von den zu adsorbierenden Dämpfen sowie, im Wechsel damit, der Regenerationsluft durchströmbaren Adsorptionsmittelschicht, zweitens einem den Regenerations­ luft-Volumenstrom steuernden Ventil und drittens einer Ansaug­ luft-Bypaßleitung der Brennkraftmaschine zum Ansaugen der be­ ladenen Regenerationsluft besteht, wird dadurch ge­ löst, daß das steuerbare Ventil aus
einer mittels des Ansaugdruckes der Brennkraftmaschine hin­ sichtlich ihres freien Strömungsquerschnittes regelbaren Düse und
einem mit der regelbaren Düse in Reihe geschalteten, einen vorgebbaren Differenzdruck an der regelbaren Düse einstel­ lenden solenoidbetätigten Ventil besteht.

Durch die Erfindung wird unter anderem erreicht daß

• - getaktete Ventile verzichtbar sind und Ventilarbeitsgeräu­ sche entfallen,
• - mit vergleichsweise geringem Aufwand maximale Regenerations­ leistung lastabhängig bzw. kennlinienfeldabhängig möglich ist.

Im Sinne der Erfindung fallen unter Brennkraftanlagen alle zum Betreiben einer Brennkraftmaschine erforderlichen oder nütz­ lichen Vorrichtungen. Vorzugsweise ist der Erfindungsgegen­ stand in allen Beförderungseinrichtungen verwendbar, die mit Brennkraftmaschinen betrieben werden; es versteht sich jedoch, daß ihre Verwendung auch in anderen Brennkraftanlagen, wie bei reinen Baumaschinen oder dergleichen nutzbar ist. Eine erfin­ dungsgemäße "Adsorptionsmittelschicht" kann aus Platten, Fil­ tertüchern, insbesondere aber aus einer Schüttung eines körnigen Adsorptionsmittels, insbesondere Aktivkohle, bestehen. Anstelle eines einheitlichen Adsorptionsmittels sind auch Adsorptionsmittelgemische oder verschiedene, nacheinander mit Regenerationsluft beaufschlagbarer Adsorptionsmittel ver­ wendbar. Die Regeneration erfolgt bestimmungsgemäß ausschließ­ lich während der Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, wäh­ rend die Adsorption in erster Linie während der Stillstands­ phasen erfolgt. Das erfindungsgemäße Ventil kann aus zwei ge­ trennten Baueinheiten bestehen, aber auch insgesamt in eine Baueinheit integriert sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes, die insbesondere ein gutes Regelverhalten, die Verwendung relativ kleiner und daher leichter Adsorptionsmittelbehälter und Ven­ tilbauteile gewährleisten sowie sowohl ein Überfetten als auch ein Abmagern der der Brennkraftmaschine insgesamt zugeführten Reaktionskomponenten trotz der durchgeführten Ad- und Desorp­ tion von Kohlenwasserstoffdämpfen so gut wie völlig verhin­ dern, ohne daß hierzu ein besonders hoher Aufwand zu treiben ist oder Geräuschbelästigungen oder dergleichen in Kauf zu nehmen sind, sind in weiteren Ansprüchen enthalten.

Die erfindungsgemäßen Bauteile und Verfahrensschritte unter­ liegen in ihrer Formgestaltung, Materialauswahl und techni­ schen Konzeption bzw. den Verfahrensbedingungen keinen beson­ deren Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwen­ dungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwen­ dung finden können.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Ventiles dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt ein der Übersichtlichkeit halber aus zwei voneinander getrennten Bauteilen bestehendes Ventil im Vertikalschnitt sowie - sche­ matisch - deren Anordnung im Rahmen einer Brennkraftanlage.

Das erfindungsgemäße steuerbare Ventil besteht aus einer als Vorschaltdüsenregler 1 ausgebildeten regelbaren Düse und einem als Differenzdruckregler 2 ausgebildeten solenoidbetätigten Ventil. Das steuerbare Ventil ist in einer Ansaugluft-Bypaß­ leitung 31 einer Brennkraftmaschine 30 angeordnet. Eine An­ saugleitung 32 versorgt die Brennkraftmaschine 30 über deren Gemischbildner 33 mit der übrigen Teilmenge an Verbrennungs­ luft, die in der Regel die Hauptmenge darstellt. In den Be­ triebsphasen der Brennkraftmaschine 30 strömt die eine, in der Regel kleinere, Teilmenge an Verbrennungsluft über die Ansaug­ luft-Bypaßleitung 31 durch einen mit körniger Aktivkohle 34 als Adsorptionsmittelschicht befüllten Behälter 35, um von dort in ein Anschlußrohr 3 des steuerbaren Ventils 1 ein- und über ein Anschlußrohr 4 in das Saugrohr stromab einer nicht dargestellten Drosselklappe der Brennkraftmaschine 30 aus ihm wieder auszutreten. Je nach Beladungszustand der Aktivkohle 34 wird die so angesaugte Bypaß-Ansaugluft (Regenerationsluft) mehr oder minder stark mit Kraftstoffdampf beladen. Die während der Betriebsphase im Kraftstofftank 36 entstehende Kraftstoff-Dampfmenge wird ohne Adsorption direkt vom By­ paß-Luftstrom mitgeführt.

In den Stillstandsphasen der Brennkraftmaschinen 30 ist das steuerbare Ventil über den Differenzdruckregler 2, wie weiter unten noch zu erläutern, geschlossen. Während der Stillstandsphasen der Brennkraftmaschine werden Kraftstoff­ dämpfe aus Teilen der Brennkraftanlage und des Kraftstofftanks 36 an der Aktivkohle 34 adsorbiert.

Der Vorschaltdüsenregler 1 ist mit einer für größeren Hub ge­ eigneten Membran 5 ausgestattet, auf welche eine Druckfeder 6 in Öffnungsrichtung einer mit der Membran 5 fest verbundenen Düsennadel 7 wirkt. Der Düsenquerschnitt des Vorschaltdüsen­ reglers 1 ergibt sich aus dem Ringspalt 8′ zwischen der Kontur 7′ der Düsennadel 7 und einer Bohrung 8′′ einer Düse 8. Die Position der Düsennadel 7 wird durch Einwirken des Saugrohr­ druckes der Brennkraftmaschine 30 über ein Anschlußrohr 9 mit Drosselstelle 10 in einem Raum 11 des Vorschaltdüsenreglers 1 auf die Membran 5 gegen die Kraft der Druckfeder 6 bestimmt. Ein bezüglich der Membran 5 dem Raum 11 gegenüberliegender Raum 12 ist durch eine Bohrung 13 mit der Atmosphäre verbunden. Der Regenerationsluft-Volumenstrom ist abhängig von der Höhe der Druckdifferenz im Differenzdruckregler 2 und der Größe des Düsenquerschnitts zwischen der Düsenbohrung 8′′ und der Düsennadelkontur 7′. Die Düsennadelkontur ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sich bei gegebenem Differenzdruck jeweils in erster Annäherung ein proportionaler Zusammenhang des Rege­ nerationsluft-Volumenstromes zu der von der Brennkraftmaschine insgesamt angesaugten Luftmenge ergibt.

Die an der Düse 8 (Vorsteuerdüse) wirkende Druckdifferenz wird in dem Druckdifferenzregler 2 gebildet. Dieser steht über eine Leitung 14 mit der Düse 8 des Vorschaltdüsenreglers 1 in Ver­ bindung. Der Differenzdruckregler 2 besteht unter anderem aus einer Membran 15 mit Ventilschließkörper 16, einem Führungsan­ ker 17, einer Magnetspule 18 mit Anschlußstecker 19, einer Druckfeder 20 und einer Federvorspanneinrichtung 21 mit Sicherungskappe 22.

Der Führungsanker 17 weist eine Bohrung 23 auf, durch welche der im Anschlußrohr 4 herrschende Druck auch auf die Rückseite 17′ des Führungsankers 17 wirkt. Bei gleicher Dimensionierung der Durchmesser des Ventilschließkörpers 16 und des Führungs­ ankers 17 ergeben sich aus der Druckeinwirkung gleich große, aber entgegengesetzte Kräfte, die sich dadurch aufheben. In der Ruhestellung wird die Membran 15 mit dem fest verbundenen Ventilschließkörper 16 und dem fest verbundenen Führungsanker 17 durch die Kraft der Druckfeder 20 in Schließstellung des Ventils gehalten. Mit zunehmender Beaufschlagung der Magnet­ spule 18 mit Strom wird der Führungsanker 17 über einen Luft­ spalt 24 in Ventilöffnungsrichtung gezogen, wodurch sich der Ventilschließkörper 16 von seinem Ventilsitz 16′ so weit ab­ hebt, bis sich jeweils die Kraft auf die Membran 15 durch den Unterdruck in ihrem saugrohrseitigen Raum 25, addiert mit der Kraft der Druckfeder 20, mit der Magnetkraft im Luftspalt 24 im Gleichgewicht befindet. Der dem Raum 25 bezüglich der Membran 15 gegenüberliegende Raum 26 ist über eine Bohrung 27 mit der Atmosphäre verbunden.

Die Federvorspanneinrichtung 21, bestehend aus einer Einstell­ schraube 21′ und einem Federteller 21′′, gestattet einen Ab­ gleich der Federkraft, um die sogenannten Exemplarsteuerungen der Druckfeder 20 selbst vorzunehmen sowie einen Abgleich der im Luftspalt 24 wirkenden Magnetkraft vorzunehmen. Die Si­ cherungskappe 22 sichert die Einstellung der Federvorspannein­ richtung 21. Die Ausbildung des Luftspaltes 24 durch Abschrä­ gung eines die Magnetspule 18 umgebenden Weicheisenmantels 28 und des Führungsankers 17 im Bereich seines rückseitigen Endes gewährleisten im Bereich des Arbeitshubes eine weitgehend vom Hub unabhängige Magnetkraft. Damit ist es möglich, den Diffe­ renzdruck an der Düse 8 allein von der Stromstärke in der Ma­ gnetspule 18 abhängig zu machen. Hierzu wird die Magnetspule 18 über den Anschlußstecker 19 und eine elektrische Leitung 19′ von einer Reglereinheit 37 der Brennkraftmaschine 30 mit der erforderlichen Spannung versorgt. Dadurch ist es möglich, z. B. in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschi­ ne oder dem λ-Signal bei λ-geregelten Konzepten den Propor­ tionalitätsfakktor zwischen dem insgesamt von der Brennkraftmaschine 30 angesaugten Ansaugluftstrom und dem Regenerationsluftstrom einzustellen.

Das dargestellte steuerbare Ventil hält den Strömungskanal 4 zwischen Aktivkohlebehälter und Brennkraftmaschine mittels der Feder 20 im Differenzdruckregler 2 bei Stillstand der Brenn­ kraftmaschine geschlossen. Dann ist der Saugrohrdruck gleich dem Atmosphärendruck und an der Magnetspule 18 steht die Span­ nung Null an. In den Betriebsphasen der Brennkraftmaschine kann der Differenzdruckregler 2 gegen den vollen Saugrohrunterdruck arbeiten, insbesondere kann die an der Düse 8 anstehende Druckdifferenz sehr feinfühlig durch die an der Magnetspule 18 anstehende Spannung beeinflußt werden. Als weiterer Vorteil wird erreicht, daß der jeweilige Regenerationsluft-Volumenstrom lastabhängig bzw. kenn­ linienfeldabhängig geregelt wird, und zwar vom Leerlauf bis zur Vollast.

Claims (11)

1. Verfahren zum Entfernen von Kraftstoff- und ähnlichen Koh­ lenwasserstoffdämpfen aus Brennkraftanlagen in Fahrzeugen mittels Adsorption an einem Adsorptionsmittel und zum Re­ generieren des Adsorptionsmittels mittels eines von der Brennkraftmaschine über ein steuerbares Ventil angesaug­ ten, über das Adsorptionsmittel geleiteten und als Teil­ menge der von der Brennkraftmaschine insgesamt angesaugten Verbrennungsluft verwendeten Luftstromes, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbares Ventil eine mittels ihrer Grundkennlinie pro­ portionale Verläufe des über das Adsorptionsmittel gelei­ teten Ansaugvolumenstromes und des gesamten Ansaugvolumen­ stromes der Brennkraftmaschine erzeugende Vorrichtung, bei der der Proportionalitätsfaktor durch elektrische Einwir­ kung veränderbar ist, verwendet wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus
einer von den zu adsorbierenden Dämpfen sowie im Wechsel damit, der Regenerationsluft durchströmbaren Adsorptionsmittelschicht (34, 35),
einem den Regenerationsluft-Volumenstrom steuernden Ventil (1, 2) und
einer Ansaugluft-Bypaßleitung (31) der Brennkraftma­ schine (30) zum Ansaugen der beladenen Regenerations­ luft,
dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Ventil (1, 2) aus
einer mittels des Ansaugdruckes der Brennkraftma­ schine (30) hinsichtlich ihres freien Strömungsquer­ schnittes (8′) regelbaren Düse (1, 8) und
einem mit der regelbaren Düse (1, 8) in Reihe ge­ schalteten, einen vorgebbaren Differenzdruck an der regelbaren Düse (1, 8) einstellenden solenoidbetätig­ ten Ventil (2) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das solenoidbetätigte Ventil (2) stromab der regelbaren Düse (1, 8) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Ventil (1, 2) bei Stillstand der Brenn­ kraftmaschine (30) geschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die regelbare Düse (1, 8) eine mittels einer Membran (5) axial verschiebbare Düsennadel (7) auf­ weist und an den gegenüberliegenden Membranflächen einer­ seits der Ansaugdruck der Brennkraftmaschine (30) und an­ dererseits der Umgebungs-Luftdruck derart anlegbar ist, daß die Düsennadel (7) den freien Strömungsquerschnit (8′) der Düsenbohrung (8′′) in Abhängigkeit von der Größe der Druckdifferenz an der Membran (5) verringert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine auf die Düsennadel (7) gegen den Differenzdruck im Sinne einer Vergrößerung des freien Strömungsquerschnittes (8′) wir­ kenden Feder (6 ).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der freie Strömungsquerschnitt (8′) der regelbaren Düse (1, 8) mittels einer Düsennadel (7) verän­ derbar ist und durch die Kontur (7′) der Düsennadel (7) sich bei dem jeweils vorgegebenen Differenzdruck in erster Näherung ein proportionaler Zusammenhang des Regenera­ tionsluft-Volumenstromes zu der von der Brennkraftmaschine (30) insgesamt angesaugten Luftmenge ergibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeich­ net durch eine, insbesondere in ihrer Vorspannung ein­ stellbare, einen Ventilschließkörper (16) in Schließstel­ lung belastende Feder (20).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeich­ net durch einen einen Ventilschließkörper (16) führenden Anker (17) einer Magnetspule (18) und eine Bohrung (23) zwischen der Brennkraftmaschinen-Saugrohrseite des Ventils (16, 16′) und der dieser gegenüberliegenden Rückseite (17′) des Führungsankers (17).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die bei geschlossenem Ventil (16, 16′) saugrohrseitige Querschnittsfläche des Ventilschließkörpers (16) gleich der Querschnittsfläche des rückseitigen Stirnendes des Füh­ rungsankers (17) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektromagnet des Differenzdruckreg­ lers (2) eine von seinem Hub im wesentlichen unabhängige Magnetkraft aufweist.