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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein die Messung von Gasleckagen aus einem
abgeschlossenen Behälter
wie zum Beispiel eine Kraftstoffdampfleckage aus einem Brennstoffdampfsammelraum
von einem Brennstoffsystem eines Kraftfahrzeugs. Spezieller betrifft
die Erfindung ein neues und einzigartiges System und Verfahren zur
Vorhersage der Zeitdauer des Hubs einer oszillierenden Leckerkennungspumpe,
deren Eintreten erwartet würde,
sobald der von der Pumpe im abgeschlossenen Behälter erzeugte Druck zur Durchführung einer
Dichtigkeitsprüfung sich
auf einem Nennprüfdruck
stabilisiert hat, wobei eine solche Zeitdauer anzeigt, dass die
effektive Leckgröße kleiner
als eine große
Leckage ist.
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Ein
bekanntes On-Board-Brennstoffverdunstungs-Rückhaltesystem für ein Kraftfahrzeug
umfasst einen Dampfsammelbehälter,
in dem flüchtige
Kraftstoffdämpfe
gesammelt werden, die im Luftraum des Tanks durch die Verflüchtigung
von flüssigem
Brennstoff im Tank entstehen, und ein Entlüftungsventil, das in bestimmten
Zeitabständen
Brennstoffdämpfe in
das Einlasssystem des Motors ablässt.
Ein bekannter Typ von Entlüftungsventil
für Kraftstoffdampf, der
mitunter auch Regenerier-Magnetventil genannt wird, umfasst einen
Magnetsteller, der von einem Motormanagementsystem auf Mikroprozessorbasis
gesteuert wird, das mitunter mit verschiedenen Namen bezeichnet
wird, beispielsweise als digitale Motorsteuerung oder elektronische
Motorsteuerung.
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Unter
Bedingungen, die zu einem Druckausgleich führen, wird der Brennstoffdampfsammelraum, der
in erster Linie zusammen vom Tankluftraum und dem Behälter gebildet
wird, durch das Entlüftungsventil
in das Einlasssystem des Motors abgelassen. Zum Beispiel können Brennstoffdämpfe in
den Einlasskrümmer eines
Motoreinlasssystems abgelassen werden durch das Öffnen eines Regenerier-Magnetventils
in Reaktion auf ein Signal von einer digitalen Motorsteuerung, das
bewirkt, dass das Ventil in dem Maße öffnet, dass ermöglicht wird,
dass der Unterdruck im Einlasskrümmer
Brennstoffdämpfe
ansaugt, die im Luftraum des Tanks vorhanden und/oder im Dampfsammelbehälter gesammelt
sind, damit sie mit dem brennbaren Gemisch mitgeführt werden,
das in den Brennraum des Motors mit einem Massenstrom eingeleitet
wird, der dem Betriebszustand des Motors entspricht, um sowohl ein
akzeptables Motorfahrverhalten als auch ein zulässiges Abgasemissionsniveau
zu gewährleisten.
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Bestimmte
staatliche Vorschriften erfordern, dass bestimmte Kraftfahrzeuge,
die mit Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung angetrieben werden, die
mit flüchtigen
Brennstoffen wie beispielsweise Benzin betrieben werden, über Brennstoffverdunstungs-Rückhaltesysteme
verfügen,
die mit einer On-Board-Diagnosemöglichkeit
ausgestattet sind, um zu erkennen, ob ein Leck im Brennstoffdampfsammelraum
vorhanden ist. Bisher wurde vorgeschlagen, eine derartige Erkennung
durchzuführen, indem
vorübergehend
ein Druckzustand im Brennstoffdampfsammelraum erzeugt wird, der
sich wesentlich vom atmosphärischen
Umgebungsdruck unterscheidet.
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Es
wird davon ausgegangen, dass die Aussage angemessen ist, dass sich
aus historischer Sicht zwei Grundtypen von Brennstoffdampfleckerkennungssystemen
zur Ermittlung der Dichtigkeit eines Brennstoffdampfsammelraums
entwickelt haben: ein auf positivem Druck beruhendes System, das
eine Prüfung
durchführt,
indem ein Brennstoffdampfsammelraum mit positivem Druck beaufschlagt wird;
und ein auf negativem Druck (d. h. Unterdruck) beruhendes System,
das eine Prüfung
durchführt,
indem ein Brennstoffdampfsammelraum mit negativem Druck beaufschlagt
wird (d. h. ein Unterdruck darin erzeugt wird).
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Für ersteres
kann eine Druckerzeugungsvorrichtung, etwa eine Pumpe, verwendet
werden, um Druck im Brennstoffdampfsammelraum aufzubauen; für letzteres
kann entweder eine geeignete Vorrichtung, z. B. eine Unterdruckpumpe,
oder der vom laufenden Motor erzeugte Unterdruck im Motorkrümmer verwendet
werden.
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Die
gemeinsamen US-Patente und Patentanmeldungen offenbaren verschiedene
Systeme, Vorrichtungen, Module und Verfahren zum Ausführen von
Brennstoffdampfleckerkennungsprüfungen,
indem der geprüfte
Brennstoffdampfsammelraum unter positiven oder negativen Druck gesetzt
wird. Das gemeinsame US-Patent Nr. 5.383.437 offenbart die Verwendung
einer oszillierenden Pumpe, die im Wechsel einen Abwärtshub und
einen Aufwärtshub ausführt, um
positiven Druck im Brennstoffdampfsammelraum zu erzeugen. Das gemeinsame
US-Patent Nr. 5.474.050 bezieht Vorteile der Pumpe gemäß US-Patent
Nr. 5.383.437 ein und stellt zugleich bestimmte Verbesserungen im
Aufbau und in der Anordnung einer oszillierenden Pumpe zur Verfügung.
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Die
Pumpe umfasst ein Gehäuse,
das einen Innenraum aufweist, der durch eine bewegliche Wand in
eine Pumpkammer auf der einen Seite der beweglichen wand und in
eine Unterdruckkammer auf der anderen Seite unterteilt wird. Ein
Pumpenhubzyklus umfasst einen Abwärtshub, dem ein Aufwärtshub folgt.
Während
eines Abwärtshubs
wird eine Luftladung, die in der Pumpkammer ist, durch die Bewegung
der beweglichen Wand verdichtet, und ein Teil der verdichteten Ladung
wird durch ein Einwegventil und schließlich in den Brennstoffdampfsammelraum
ausgestoßen,
dessen Dichtigkeit geprüft
wird. Die bewegliche Wand bewegt sich in eine Richtung, so dass
das Pumpkammervolumen verkleinert und zugleich das Volumen der Unterdruckkammer
vergrößert wird,
wobei der wesentliche Auslöser
für die
Abwärtshubbewegung
eine mechanische Feder ist, die in der Unterdruckkammer angeordnet
ist, um auf die bewegliche Wand einzuwirken. Während eines Abwärtshubs
setzt die Feder gespeicherte Energie frei, um die Wand zu bewegen
und Luft durch das Einwegventil zu fördern. Am Ende eines Abwärtshubs
endet die weitere Verdichtung der Luftladung, und so verhindert
der resultierende Mangel an weiterer Verdichtung, dass das Einwegventil geöffnet bleibt.
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Während eines
Aufwärtshubs
bewegt sich die bewegliche Wand in eine Richtung, die das Volumen
der Pumpkammer vergrößert und
zugleich das der Unterdruckkammer verkleinert. Während eines Aufwärtshubs
bleibt das Einwegventil geschlossen, es wird jedoch ein Druckunterschied über ein
zweites Einwegventil hinweg erzeugt, was ein Öffnen des letzteren Ventils
bewirkt. Danach kann Umgebungsluft durch das zweite Ventil strömen und
in die Pumpkammer eintreten. Am Ende eines Aufwärtshubs ist wieder eine Luftladung
in der Pumpkammer erzeugt worden, und zu diesem Zeitpunkt schließt das zweite Ventil
aufgrund des Nichtvorhandenseins eines ausreichenden Druckunterschieds,
der es geöffnet
halten würde.
Der Pumpmechanismus kann danach wieder einen Abwärtshub ausführen.
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Die
Aufwärtshubbewegung
der beweglichen Wand drückt
die mechanische Feder zunehmend zusammen, um die Energie wieder
zuzuführen,
die während
des unmittelbar vorausgehenden Abwärtshubs freigesetzt worden
war. Die Energie zum Ausführen
eines Aufwärtshubs
wird von einer Unterdruckquelle, insbesondere dem Unterdruck im
Einlasskrümmer,
bezogen. Während
eines Aufwärtshubs
sorgt ein Magnetventil für
einen Zustand, der die Unterdruckkammer der Pumpe mit dem Krümmerunterdruck
verbindet. Der Unterdruck ist hoch genug, um die bewegliche Wand
in eine Stellung zu bewegen, in der am Ende eines Aufwärtshubs
das Volumen der Pumpkammer maximal und das der Unterdruckkammer
minimal ist. Ein Abwärtshub
wird eingeleitet, indem das Magnetventil in einen Zustand versetzt
wird, der die Unterdruckkammer mit Umgebungsdruck belüftet. Indem
der Unterdruck in der Unterdruckkammer abfällt, kann die Feder bei einem Abwärtshub bewirken,
dass die Wand bewegt wird.
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Die
Schaltung des Magnetventils in seinen jeweiligen Zustand wird durch
einen geeigneten Sensor oder Schalter gesteuert, der mit der Pumpe
verbunden angeordnet ist, um zu erkennen, wann die bewegliche Wand
das Ende eines Abwärtshubs
erreicht hat. Wenn der Sensor oder Schalter das Ende eines Abwärtshubs
erkennt, gibt er an einen zugeordneten Prozessor ein Signal aus,
das von der Steuerung verarbeitet wird, um das Magnetventil zu betätigen und
Unterdruck in der Unterdruckkammer zu erzeugen. Die Steuerung versetzt
das Magnetventil hinreichend lange in diesen Zustand, um den vollständigen Aufwärtshub zu
gewährleisten,
und betätigt
das Magnetventil anschließend,
dass es die Unterdruckkammer an die Umgebung anpasst, so dass der
nächste
Abwärtshub
beginnen kann. Zu Beginn eines Abwärtshubs enthält die Pumpkammer
ein bekanntes Luftvolumen mit atmosphärischem Umgebungsdruck. Die
Pumpe ist eine Verdrängungspumpe
mit einem unveränderlichen
Fördervolumen,
das heißt,
sie verdrängt
bei jedem vollständigen
Abwärtshub
ein unveränderliches
Luftvolumen aus der Pumpkammer. Die Luftmenge, die bei jedem vollständigen Abwärtshub verdrängt wird,
ist unveränderlich;
da der Druck in dem auf Dichtigkeit geprüften Brennstoffdampfsammelraum
zunimmt, muss die Luft jedoch verdichtet werden, um den Druck fortschreitend
zu erhöhen.
Da die Pumpkammer zu Beginn jedes Abwärtshubs dasselbe bekannte Luftvolumen
mit demselben bekannten Druck enthält, und weil der Hub genau
definiert ist, stehen die Zeitdauer des Abwärtshubs und der Druck in dem
auf Dichtigkeit geprüften
Brennstoffdampfsammelraum in einer Wechselbeziehung.
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Der
Pumpmechanismus führt
wiederholt in der vorstehenden Weise Hübe aus, wenn die Dichtigkeitsprüfung fortgesetzt
wird. Unter der Annahme, dass kein großes Leck vorhanden ist, das
verhindert, dass der Druck hin zum Nennprüfdruck ansteigt, der zum Durchführen einer
Leckerkennungsmessung geeignet ist, wird die Zeitdauer, die zur
Ausführung eines
Abwärtshubs
benötigt
wird, zunehmend länger, je
größer die
Annäherung
an den Nennprüfdruck wird.
Bei einem Brennstoffdampfsammelraum ohne Leckage erreicht der Druck
schließlich
den Nennprüfdruck
und die Pumphübe
werden beendet, wenn dies eintritt. Bei einem Brennstoffdampfsammelraum
mit einer kleinen Leckage, die kleiner als eine große Leckage
ist, stabilisiert der Druck sich im Wesentlichen auf dem Nennprüfdruck,
jedoch fährt
die Pumpe fort, Hübe
auszuführen,
weil sie fortwährend
bestrebt ist, die vorhandene Leckage auszugleichen. Die Dauer des
Pumpenabwärtshubs
zeigt die effektive Leckgröße an, und
diese Dauer verkürzt
sich mit zunehmender Größe des effektiven
Lecks. Eine abnehmende Zeitdauer für den Pumpenabwärtshub bedeutet, dass
die Pumpe mit zunehmender Frequenz Hübe ausführt, und somit besteht ferner
eine Wechselbeziehung zwischen der effektiven Leckgröße und der Pumpenhubfrequenz.
Daher ergibt eine Messung des Zeitintervalls vom Ende eines Abwärtshubs,
das mittels des zuvor erwähnten
Sensors oder Schalters ermittelt wird, bis zum Ende des unmittelbar
darauf folgenden Abwärtshubs,
das mittels des Sensors oder Schalters ermittelt wird, eine im Wesentlichen genaue
Messung der effektiven Leckgröße. Anders formuliert
zeigt die Rate, mit der die Pumpe Zyklen, d. h. Hübe, ausführt, die
effektive Leckgröße an, sobald
der Nennprüfdruck
erreicht worden ist.
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Die
Genauigkeit dieser Art von Prüfung
beruht auf der Prämisse
eines im Wesentlichen konstanten Volumens des geprüften Brennstoffdampfsammelraums
und auf der Fähigkeit, Nennprüfdruckstabilität zu erreichen.
Die Fähigkeit
zum Erreichen von Nennprüfdruckstabilität innerhalb
einer angemessenen Zeitdauer kann ein Faktor bei der Minimierung
der Gesamtprüfzeit
sein, und ob ein derartiges Dampfleckerkennungssystem kommerziell
genutzt wird, kann davon abhängen,
dass eine Prüfung
in einer relativ kurzen Gesamtprüfzeit
ausgeführt
wird. Es wird daher als wünschenswert
erachtet, dass die Nennprüfdruckstabilität rasch
erreicht wird. Weil eine Änderung
der Größe einer
Leckage während
einer Prüfung
die Prüfgenauigkeit
beeinflussen würde,
versteht es sich von selbst, dass ein Prüfergebnis nur gültig ist,
wenn während
einer Prüfung
keine derartige Änderung
eintritt.
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Es
ist allerdings beobachtet worden, dass die bei einem Kraftfahrzeug
herrschenden Umgebungsbedingungen unter Umständen verhindern, dass die Nennprüfdruckstabilität schnell
erreicht wird. In einem gewissen Ausmaß kann auch die Art der Prüfung an
sich dafür
verantwortlich sein. Die Verdichtung von Luft durch die Pumpe ist
kein adiabatischer Prozess und daher erwärmt die Verdichtung auch die Luft,
die in den Brennstoffdampfsammelraum gepumpt wird. Die zusätzliche
Wärme wird
im Laufe der Zeit naturgegeben an die Umgebung abgegeben, allerdings
kommt es dabei zu einem entsprechenden Druckabfall aufgrund der
physikalischen Phänomene,
die die bekannten Gasgesetze beinhalten. Somit scheint es, dass
die physikalischen Gesetze bei einem gegebenen Dampfleckerkennungssystem
dieser Art für
ein Kraftfahrzeug für
ein bestimmtes minimales Zeitintervall zum Erreichen der Nennprüfdruckstabilität sorgen,
wodurch eine Verkürzung
dieses Intervalls unter dieses Minimum ausgeschlossen ist.
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Ein
allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft weitere Verbesserungen
bei Dampfleckerkennungssystemen und -verfahren einschließlich eines
neuartigen Systems und Verfahrens, mit dem die stabilisierte Zeitdauer
eines Pumpenabwärtshubs
genau vorhergesagt werden kann, die bei Nennprüfdruck eine ganze Zeit vor
dem Erreichen einer solchen Stabilität erreicht wird. Dementsprechend
ermöglicht
die Erfindung, die Gesamtprüfzeit
für wenigstens
einige Dichtigkeitsprüfungen
trotz der vorstehend beschriebenen offensichtlichen physikalischen
Einschränkungen
zu verkürzen,
weil die tatsächliche
Stabilität
bei Nennprüfdruck
nicht bei jeder Prüfung
erreicht zu werden braucht.
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Die
Erfindung bedient sich dessen, was als eine logistische Kurve bekannt
ist. Eine ausführliche Beschreibung
einer logistischen Kurve ist in Spiegel, Applied Differential Equations
[Angewandte Differentialgleichungen] (3. Auflage), 1981, Prentice-Hall, Inc.,
zu finden. Kurz zusammengefasst ist eine logistische Kurve eine
zweidimensionale, stetig ansteigende Kurve mit einer leicht abgeflachten
S-Form. In einem XY-Koordinatensystem weist ein Anfangsbereich der
Kurve eine zunehmende Steigung und ein Endbereich eine abnehmende
Steigung auf, die schließlich
einem Endwert für
Y zustrebt. Die XY-Koordinaten an der Stelle, an der die Steigung
von zunehmend ansteigend auf abnehmend ansteigend übergeht,
definieren einen Wendepunkt, und die XY-Koordinatendaten am Wendepunkt
und/oder in seiner Nähe
werden verwendet, um den stabilisierten Endwert vorherzusagen.
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Ein
allgemeiner Aspekt der beanspruchten Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Messung der Leckage aus einem abgeschlossenen Behälter, der flüchtige Flüssigkeit
enthält,
wobei das Verfahren umfasst: Betreiben einer oszillierenden Pumpe
zum Aufbauen von Druck im Luftraum des abgeschlossenen Behälters in
Richtung eines Nennprüfdrucks; während der
Druck im Luftraum sich zum Nennprüfdruck aufbaut, jedoch vor Erreichen
des Nennprüfdrucks,
zu verschiedenen Zeitpunkten Messen von im Wesentlichen der Zeitdauer,
die die Pumpe benötigt,
um einen definierten Abwärtshub
auszuführen; und
Verarbeiten der Messungen und der Zeitpunkte, an denen die Messungen
erfolgen, mittels eines Algorithmus, um einen Wert vorherzusagen,
bei dem sich bei Erreichen des Nenndrucks im Wesentlichen die Zeitdauer
stabilisiert, die die Pumpe benötigt,
um den definierten Abwärtshub
auszuführen.
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Ein
weiterer allgemeiner Aspekt betrifft ein Verfahren zum Anzeigen
von Gasleckagen aus einem abgeschlossenen Behälter, wobei das Verfahren umfasst:
Betreiben einer oszillierenden Pumpe zum Aufbauen von Druck im abgeschlossenen
Behälter
in Richtung eines Nennprüfdrucks;
während der
Druck sich zum Nennprüfdruck
aufbaut, jedoch vor Erreichen des Nennprüfdrucks, zu verschiedenen Zeitpunkten
Messen von im Wesentlichen der Zeitdauer, die die Pumpe benötigt, um
einen definierten Abwärtshub
auszuführen;
und verarbeiten der Messungen und der Zeitpunkte, an denen die Messungen erfolgen,
mittels eines Algorithmus, um eine logistische Kurve mit einem Endwert
zu definieren, der einem vorhergesagten Wert entspricht, bei dem
sich im Wesentlichen die Zeitdauer stabilisiert, die die Pumpe benötigt, um
einen definierten Abwärtshub
auszuführen.
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Ein
weiterer allgemeiner Aspekt betrifft ein System zum Anzeigen einer
Leckage aus einem abgeschlossenen Behälter, der flüchtige Flüssigkeit enthält, wobei
das System umfasst: eine oszillierende Pumpe zum Aufbauen von Druck
im Luftraum des abgeschlossenen Behälters in Richtung eines Nennprüfdrucks;
und einen Prozessor, um zu verschiedenen Zeitpunkten, während der
Druck sich zum Nennprüfdruck
aufbaut, jedoch vor Erreichen des Nennprüfdrucks, Messungen von im Wesentlichen
der Zeitdauer zu erfassen, die die Pumpe benötigt, um einen definierten
Abwärtshub
auszuführen,
und zum Verarbeiten der Messungen und der Zeitpunkte, an denen die
Messungen erfolgen, mittels eines Algorithmus zum Vorhersagen eines
Werts, bei dem sich im Wesentlichen die Zeitdauer stabilisiert,
die die Pumpe zum Ausführen
des definierten Abwärtshubs benötigt, wenn
der Nenndruck erreicht wird.
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Noch
ein weiterer allgemeiner Aspekt betrifft ein System zum Anzeigen
von Gasleckagen aus einem abgeschlossenen Behälter, wobei das System umfasst:
eine oszillierende Pumpe zum Aufbauen von Druck im abgeschlossenen
Behälter
in Richtung eines Nennprüfdrucks;
und einen Prozessor, um zu verschiedenen Zeitpunkten, während der
Druck sich zum Nennprüfdruck
aufbaut, jedoch vor Erreichen des Nennprüfdrucks, Messungen von im Wesentlichen
der Zeitdauer zu erfassen, die die Pumpe benötigt, um einen definierten
Abwärtshub
auszuführen, und
zum Verarbeiten der Messungen und der Zeitpunkte, an denen die Messungen
erfolgen, mittels eines Algorithmus, um eine logistische Kurve mit
einem Endwert zu definieren, der einem vorgesagten Wert entspricht,
bei dem sich im Wesentlichen die Zeitdauer stabilisiert, die die
Pumpe benötigt,
um einen definierten Abwärtshub
auszuführen.
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Weitere
Aspekte werden durch die nachfolgende Beschreibung, die Patentansprüche und
die beigefügten
Zeichnungen verdeutlicht.
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die in die Patentschrift einbezogen sind und einen
Bestandteil derselben darstellen, beziehen sich auf eine oder mehrere
der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen
Beschreibung und der unten gegebenen ausführlichen Beschreibung zur Offenbarung der
Prinzipien der Erfindung gemäß einer
Ausführung,
die zur Ausführung
der Erfindung als beste betrachtet wird.
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1 ist
eine erste Darstellung eines Graphen, die zur Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung nützlich
ist.
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2 ist
eine zweite Darstellung eines Graphen, die zur Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung nützlich
ist.
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3 ist
eine dritte Darstellung eines Graphen, die zur Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung nützlich
ist.
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4 ist
eine Darstellung einer Wellenform, die zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Prinzipien
nützlich
ist.
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5 ist
eine Darstellung, die ein Leckerkennungssystem zeigt, das gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung arbeitet.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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5 zeigt
ein Beispiel für
ein System zur Leckerkennungsprüfung,
das eine Oszillationspumpe 100 vom oben beschriebenen Typ
beinhaltet, die ein Gehäuse
umfasst, das durch eine bewegliche Wand 102 in eine Pumpkammer 104 auf
der einen Seite der beweglichen Wand und eine Unterdruckkammer 106 auf
der anderen Seite unterteilt wird. Ein Pumpenhubzyklus umfasst einen
Abwärtshub,
dem ein Aufwärtshub
folgt. Während
eines Abwärtshubs wird
eine Luftladung, die in der Pumpkammer 104 ist, durch die
Bewegung der beweglichen Wand 102 verdichtet, und ein Teil
der verdichteten Ladung wird durch ein Einwegventil 108 und
schließlich
in den Brennstoffdampfsammelraum ausgestoßen, dessen Dichtigkeit geprüft wird.
Die Wand 102 bewegt sich in eine Richtung, so dass das
Pumpkammervolumen verkleinert und zugleich das Volumen der Unterdruckkammer
vergrößert wird,
wobei der wesentliche Auslöser
für die
Abwärtshubbewegung
eine mechanische Feder 110 ist, die in der Unterdruckkammer 106 angeordnet
ist, um auf die Wand 102 einzuwirken. Während eines Abwärtshubs
setzt die Feder gespeicherte Energie frei, um die Wand zu bewegen und
Luft durch das Einwegventil zu fördern.
Am Ende eines Abwärtshubs
endet die weitere Verdichtung der Luftladung, und so verhindert
der resultierende Mangel an weiterer Verdichtung, dass das Einwegventil geöffnet bleibt.
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Während eines
Aufwärtshubs
bewegt sich die bewegliche Wand 102 in eine Richtung, die
das Volumen der Pumpkammer 104 vergrößert und zugleich das von Unterdruckkammer 106 verkleinert. Während des
Aufwärtshubs
bleibt das Einwegventil 108 geschlossen, es wird jedoch
ein Druckunterschied über
ein zweites Einwegventil 112 hinweg erzeugt, was ein Öffnen des
letzteren Ventils bewirkt. Danach kann Umgebungsluft durch das zweite
Ventil strömen
und in die Pumpkammer eintreten. Am Ende eines Aufwärtshubs
ist wieder eine Luftladung in der Pumpkammer erzeugt worden, und
zu diesem Zeitpunkt schließt
das zweite Ventil aufgrund des Nichtvorhandenseins eines ausreichenden
Druckunterschieds, der es geöffnet
halten würde.
Der Pumpmechanismus kann danach wieder einen Abwärtshub ausführen.
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Die
Aufwärtshubbewegung
der beweglichen Wand 102 drückt die mechanische Feder 110 zunehmend
zusammen, um die Energie wieder zuzuführen, die während des unmittelbar vorausgehenden Abwärtshubs
freigesetzt worden war. Die Energie zum Ausführen eines Aufwärtshubs
wird von einer Unterdruckquelle, insbesondere dem Unterdruck im Einlasskrümmer, bezogen.
Während
eines Aufwärtshubs
sorgt ein Magnetventil 114 für einen Zustand, der die Unterdruckkammer
der Pumpe mit dem Krümmerunterdruck
verbindet. Der Unterdruck ist hoch genug, um die bewegliche Wand 102 in
eine Stellung zu bewegen, in der am Ende eines Aufwärtshubs
das Volumen der Pumpkammer maximal und das der Unterdruckkammer
minimal ist. Ein Abwärtshub
wird eingeleitet, indem das Magnetventil in einen Zustand versetzt
wird, der die Unterdruckkammer mit Umgebungsdruck belüftet. Indem
der Unterdruck in der Unterdruckkammer abfällt, kann die Feder 110 bei
einem Abwärtshub
bewirken, dass die Wand 102 bewegt wird.
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Die
Schaltung des Magnetventils in seinen jeweiligen Zustand wird durch
einen geeigneten Sensor oder Schalter 116 gesteuert, der
mit der Pumpe verbunden angeordnet ist, um zu erkennen, wann die bewegliche
Wand 102 das Ende eines Abwärtshubs erreicht hat. Wenn
der Sensor oder Schalter das Ende eines Abwärtshubs erkennt, gibt er an
einen zugeordneten Prozessor 118 ein Signal aus, das verarbeitet
wird, um das Magnetventil 114 zu betätigen, um Unterdruck in der
Unterdruckkammer zu erzeugen. Der Prozessor versetzt das Magnetventil
hinreichend lange in diesen Zustand, um den vollständigen Aufwärtshub zu
gewährleisten,
und betätigt
das Magnetventil anschließend,
dass es die Unterdruckkammer an die Umgebung anpasst, so dass der
nächste Abwärtshub beginnen
kann.
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Zu
Beginn eines Abwärtshubs
enthält
die Pumpkammer 104 ein bekanntes Luftvolumen mit atmosphärischem
Umgebungsdruck. Die Pumpe ist eine Verdrängungspumpe mit einem unveränderlichen
Fördervolumen,
das heißt,
sie verdrängt
bei jedem vollständigen
Abwärtshub
ein unveränderliches Luftvolumen
aus der Pumpkammer. Die Luftmenge, die bei jedem vollständigen Abwärtshub verdrängt wird,
ist unveränderlich;
da der Druck in dem auf Dichtigkeit geprüften Brennstoffdampfsammelraum zunimmt,
muss die Luft jedoch verdichtet werden, um den Druck fortschreitend
zu erhöhen.
Da die Pumpkammer zu Beginn jedes Abwärtshubs dasselbe bekannte Luftvolumen
mit demselben bekannten Druck enthält, und weil der Hub genau
definiert ist, stehen die Zeitdauer des Abwärtshubs und der Druck in dem auf
Dichtigkeit geprüften
Brennstoffdampfsammelraum in einer Wechselbeziehung. Der Pumpmechanismus
führt wiederholt
in der vorstehenden Weise Pumphübe
aus, wenn die Dichtigkeitsprüfung
fortgesetzt wird.
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Während der
Druck sich hin zum Nennprüfdruck
aufbaut, wird die Zeitdauer, die die Pumpe zur Ausführung eines
Abwärtshubs
benötigt,
zunehmend länger.
Die Zeitdauer, die die Pumpe zur Ausführung eines Abwärtshubs
benötigt,
kann als Impulsdauerzeitintervall bezeichnet werden. Anders ausgedrückt nimmt
die Frequenz, mit der die Pumpe Hübe ausführt, zunehmend ab, wenn der
Druck ansteigt.
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Es
ist daher leicht einzusehen, dass das Zeitintervall zwischen unmittelbar
aufeinander folgendem Erkennen des Endes von unmittelbar aufeinander
folgenden Abwärtshüben ebenfalls
zunehmend größer wird.
Das Zeitintervall zwischen solch unmittelbar aufeinander folgenden
Messungen kann zur Vereinfachung als ein Impulsdauerzeitintervall
bezeichnet werden. Anders formuliert nimmt die Häufigkeit solcher unmittelbar
aufeinander folgender Messungen, d. h. die Frequenz, mit der die
Pumpe Hübe ausführt, mit
zunehmendem Druck fortschreitend ab.
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1 zeigt
zwei repräsentative
Kurven 10 und 12 in einem XY-Koordinatensystem.
Kurve 10 stellt den Druck als eine Funktion über der
Zeit während
einer Dichtigkeitsprüfung
dar, die in einem so genannten Prüfmessungspumpmodus ausgeführt wird.
Kurve 12 stellt das Impulsdauerzeitintervall als eine Funktion über der
Zeit dar, während
der Druck sich gemäß Kurve 10 aufbaut.
Die Y-Achse gibt weder für
den Druck noch für
das Impulsdauerzeitintervall numerische Werte an. Während einer
Anfangsphase der Prüfung
arbeitet die Pumpe in dem Versuch, Druck aufzubauen, schnell. Liegt
keine große Leckage
vor, baut der Druck sich in Richtung des Nennprüfdrucks auf und erreicht schließlich beim Nennprüfdruck Stabilität, wobei
die Hubrate sich bei Annäherung
an den Nennprüfdruck
zunehmend verringert. Wenn eine große Leckage vorliegt, arbeitet die
Pumpe weiter schnell über
einen Zeitpunkt hinaus, bei dessen Erreichen die Rate spätestens
hätte beginnen
müssen,
sich zu verzögern.
In diesem Fall wird die Prüfung
abgebrochen und eine große
Leckage angezeigt.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Kurve 12 im
Wesentlichen einer logistischen Kurve entspricht, wie sie in Spiegel,
s. o., definiert wird.
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Eine
logistische Kurve hat eine definierte, charakteristische Form. Wegen
dieser charakteristischen Form können
die Werte einer logistischen Kurve an ihrem Wendepunkt und/oder
in dessen Nähe dazu
dienen, den Endwert genau vorherzusagen. Dies ist am Beispiel von 2 zu
erkennen. Die Werte am Wendepunkt DP1 und an zwei verschiedenen
Punkten DP2, DP3 hinter dem Wendepunkt werden einem Algorithmus
entsprechend verarbeitet, um den stabilisierten Endwert zu ermitteln.
Somit kann durch Messung der Impulsdauerzeitintervallwerte an entsprechenden
Punkten entlang der Kurve 12 in 1 das stabilisierte
Impulsdauerzeitintervall vorhergesagt werden, das einsetzt, wenn
der Nennprüfdruck
erreicht wird. Es wird davon ausgegangen, dass die speziellen Zeitpunkte,
an denen eine Messung der Datenpunkte erfolgen sollte, mit einer
beliebigen von mehreren verschiedenen Möglichkeiten mit einem beliebigen
von mehreren verschiedenen Algorithmen ermittelt werden können.
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Ein
Beispiel für
einen Algorithmus umfasst die wiederholte Verarbeitung von aufeinander
folgenden Impulsdauermessungen, um wiederholt die Rate abzuleiten,
mit der die Impulsdauer sich ändert.
Vor dem Wendepunkt der logistischen Kurve ist die Rate, mit der
die Impulsdauer sich ändert,
positiv, die Rate nimmt jedoch mit zunehmender Nähe zum Wendepunkt fortschreitend
ab und erreicht am Wendepunkt null. Nach dem Wendepunkt wird die
Rate, mit der die Impulsdauer sich ändert, negativ. Wenn die wiederholt
mithilfe des Algorithmus durchgeführte Berechnung den Übergang
der Änderungsrate
der Impulsdauer von positiv zu negativ feststellt, kann der Algorithmus
diese Daten als Wendepunkt kennzeichnen. Daten für nachfolgende Datenpunkte
werden ermittelt, und weil die logistische Kurve eine definierte Form
aufweist, definieren diese Datenpunkte zugleich den Endwert der
Impulsdauer. Die Verarbeitung der Datenpunkte entsprechend der definierten Form
der logistischen Kurve, die durch den Algorithmus erfolgt, ergibt
den Endwert, mit dem die Impulsdauer sich stabilisiert.
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Daher
kann, wenn eine Dichtigkeitsprüfung mit
einem Dampfleckerkennungssystem durchgeführt wird, ein Bordelektronikprozessor
die Impulsdauerzeitintervalle im Verlauf der Prüfung messen und den Wendepunkt
bestimmen. Der Prozessor misst ferner ein oder mehrere Impulsdauerzeitintervalle
nach dem Wendepunkt und verarbeitet anschließend die ermittelten Messwerte
gemäß einem programmierten
Algorithmus, um einen Wert für
das stabilisierte Impulsdauerzeitintervall zu ermitteln. Weil die
relevanten Messungen eine ganze Zeit durchgeführt werden, bevor das Impulsdauerzeitintervall
sich tatsächlich
stabilisiert, und wegen der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit des
Prozessors kann der stabilisierte Endwert eine ganze Zeit vor der tatsächlichen
Stabilität
vorhergesagt werden. Das ermöglicht,
dass eine Prüfung
in erheblich kürzerer
Zeit ausgeführt
werden kann, als zur tatsächlichen
Erreichung der Stabilität
erforderlich ist.
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Zum
weiteren Verkürzen
der Gesamtprüfzeit kann
die Pumpe erst in einem beschleunigten Pumpmodus betrieben werden,
um schneller Druck aufzubauen, und danach in einem Prüfmessungspumpmodus.
Im beschleunigten Pumpmodus führt
die Pumpe auf ein Signal von der Steuerung hin, das einen Abwärtshub beendet,
Pumphübe
aus, bevor ein vollständiger
Abwärtshub,
der andernfalls einen Abwärtshubsensor
oder -schalter auslösen
würde,
abgeschlossen ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Feder,
deren Kraft die Luft in der Pumpkammer während des Abwärtshubs
verdichtet, sich so weit entspannt, wie sie es andernfalls täte, wenn
ein vollständiger
Abwärtshub
ausgeführt
würde,
und daher arbeitet die Feder in einem Bereich, in dem sie mit erhöhter Kraft
auf die Luft einwirkt, die verdichtet wird. Weil der Abwärtshub im
beschleunigten Pumpmodus frühzeitig
unterbrochen wird, ist die Frequenz, mit der die Pumpe Hübe ausführt, höher als
sie es wäre,
wenn es der Pumpe möglich
wäre, vollständige Abwärtshübe auszuführen. Damit
die logistische Kurve zutrifft, muss die Pumpe allerdings in den
Prüfmessungspumpmodus
zurückkehren,
in dem sie vollständige
Abwärtshübe ausführt. Der
beschleunigte Pumpmodus ist im gemeinsamen US-Patent Nr. 5.499.614
beschrieben.
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3 zeigt
ein Beispiel für
zwei Kurven 14 und 16, die den Kurven 10 und 12 in 1 entsprechen,
in dem die Pumpe anfangs im beschleunigten Pumpmodus arbeitet und
danach im Prüfmessungspumpmodus.
Kurve 14 bildet den Druck ab und Kurve 16 die
Impulsdauer. Während
des beschleunigten Pumpmodus entspricht die Impulsdauerkurve nicht dem
Anfangsbereich einer logistischen Kurve. Sobald der Pumpenbetrieb
in den Prüfmessungspumpmodus
wechselt, entspricht die Impulsdauerkurve einem Endbereich einer
logistischen Kurve. Es wird bevorzugt, dass der beschleunigte Pumpmodus
vor dem Wendepunkt der logistischen Kurve endet, wie durch das Beispiel
ein 2 gezeigt, so dass der Wendepunkt einer der Messungen
entsprechen kann. Der Zeitpunkt, zu dem der Pumpenbetrieb vom beschleunigten
Pumpmodus in den Prüfmessungspumpmodus
wechselt, ist mit X1 gekennzeichnet.
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4 zeigt
Einzelheiten zur Erklärung,
wie die Pumpe arbeitet, wenn sie Impulsdauerzeitintervallstabilität erreichen
kann. Die Pumpe ist bestrebt, Druck oberhalb des Nennprüfdrucks
aufzubauen, dies wird jedoch aufgrund eines Lecks erschwert. Somit
erfährt
der Druck in dem auf Dichtigkeit geprüften Brennstoffdampfsammelraum
eine Reihe von aufeinander folgenden Druckerhöhungen und Druckabfällen. Die
Reihe von aufeinander folgenden Aufwärtshüben und Abwärtshüben der Pumpe wird in Abhängigkeit
von der Reihe von Druckerhöhungen
und Druckabfällen
dargestellt. Indem die Zeitdauer vom Ende eines Abwärtshubs
bis zum Ende des nächsten Abwärtshubs
gemessen wird, wird im wesentlichen die Zeit gemessen, die die Pumpe
benötigt,
um einen definierten Abwärtshub
auszuführen.
Eine geringfügig
genauere Messung kann möglicherweise
erzielt werden, wenn die Zeit zum Zurücksetzen abgezogen wird.
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Da
die Erfindung in vielfältiger
Form innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche ausgeführt werden
kann, ist selbstverständlich
nicht unbedingt beabsichtigt, dass bestimmte spezielle Begriffe
und Formulierungen, die möglicherweise
zur Beschreibung einer speziellen beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung verwendet werden, den Schutzbereich der Erfindung
allein aufgrund einer solchen Verwendung einschränken.