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Diese
Erfindung betrifft ein Fahrzeugkraftstoff-System, das Borddiagnostik
zum Testen des Systems auf Dampfdichtigkeit aufweist.
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Bei
Fahrzeugkraftstoff-Systemen ist es erforderlich, daß sie die
Emission von Kraftstoffdampf unterbinden. Dabei wird so verfahren,
daß vom
Kraftstofftank emittierter Dampf in einem Spülkanister gesammelt wird, der
zum Absorbieren des Dampfs Kohlenstoff enthält. Der angesammelte Dampf
wird aus dem Kanister entfernt, wenn der Motor läuft, indem Luft durch den Kanister
in den Motor gezogen wird, wobei das Vakuum im Ansaugrohr genutzt
wird. Das System ist dicht abgeschlossen, abgesehen vom Lüften zur
Atmosphäre über den
Spülkanister.
Eigentesten ist erforderlich, um sicherzustellen, daß Entweichen
von Dampf von dem dicht abgeschlossenen System vorgeschriebene Grenzen
nicht überschreitet.
Bekannte, typische Dampfdichtigkeits-Testsysteme sind in den US
Patenten 5,333,590 und 5,765,121 beschrieben.
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Das
letztere Patent beschreibt einen grundlegenden Test, bei dem das
Ansaugrohrvakuum genutzt wird, um den Kraftstofftank leerzupumpen,
und wobei die Rückkehr
des Tankdrucks auf atmosphärischen
Druck („bleedup" = Einströmung, zuströmen) überwacht
wird. Falls die Einströmung
einen bestimmten Schwellenwert R überschreitet, ergibt sich daraus,
daß das
System eine nicht akzeptable Dampfdichtigkeit aufweist. Falls die
Einströmung
weniger als R beträgt,
wird angenommen, daß die Dampfdichtigkeit
akzeptabel ist. Dampfverluste unter einem bestimmten Niveau können mit
diesem Grundsystem nicht verläßlich erfaßt werden,
weil Dampferzeugung aus Kraftstoff im Tank es verursachen kann, daß Druck
in dem evakuierten System sich schneller regeneriert als das zu
erwartende Einströmen
von Luft, wenn Abnahme der Dampfdichtigkeit klein ist.
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Dampferzeugung
hängt von
vielen Faktoren ab, einschließlich
der Umgebungstemperatur und dem Dampfvolumen, d.h. das Volumen an
freiem Raum über
dem Kraftstofftank und im Spülkanister und
den Verbindungsrohren. Das Dampfvolumen selbst steht in direkter
Beziehung zum Kraftstoffniveau.
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Um
daher die Empfindlichkeit des grundlegenden Einströmungstests
zu verbessern, müssen Maßnahmen
ergriffen werden, bei verschiedenen Betriebsbedingungen Korrekturwerte
einzusetzen, insbesondere bezüglich
des Kraftstoffniveaus und der Dampferzeugungsrate im Tank.
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Zum
Beispiel setzt US Patent 5,333,590 einen Schwellenwert R ein, der
nicht fixiert ist, sondern der mit dem Dampfvolumen und der Kraftstofftemperatur
in Beziehung steht. Das deutsche Patent DE19702584 (=US6105556)
nutzt Veränderungen beim
Druck in einem evaporativen System eines Kraftstofftanks zur Verbesserung
der Leckdiagnose. Ein Kanister nimmt eine Zeitlang durch eine Gasleitung
verdampftes Gas auf, das in dem Tank erzeugt wird. Eine Spülleitung
läßt verdampftes
Gas über
ein Spülventil
von dem Kanister ab, und zwar zu einem Motoransaugrohr. Eine Meßleitung
zweigt von der Gasleitung ab, und zwar zwischen dem Spülventil und
dem Kanister, und steht mit dem Ansaugrohr oder der Umgebungsatmosphäre in Verbindung.
Das System ist so gesteuert, daß es
die Spül-
und Meßleitungen öffnet und
schließt,
um eine berechnete Druckänderung
zu erzeugen, die durch das verdampfte Gas verursacht wurde.
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Es
ist auch bekannt, daß der
Einsatz eines Zweistufentests die Empfindlichkeit von Dampfdichtigkeitsprüfungen verbessert.
Die erste Stufe stellt einen Einströmungstest dar, wobei ein Druckanstieg über eine
bestimmte Zeitperiode (Periode A) gemessen wird. Eine zweite Stufe
wird durchgeführt,
wobei der Druckanstieg des geschlossenen Systems über eine
zweite Zeitperiode (Periode B) überwacht
wird. Die zweite Stufe vermittelt eine Anzeige von der Dampferzeugung
im Tank unter den vorherrschenden Bedingungen. Ein konstanter Skalierungsfaktor wird
verwendet, um einen Anteil des Druckanstiegs abzuziehen, der während der
zweiten Stufe vorgefunden wird, um einen Wert bereitzustellen, der
das Einströmungsniveau
genauer darstellt, das aufgrund von Lufteindringen in den Tank während der
ersten Teststufe vorhanden ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt ein
Fahrzeugkraftstoff-System mit Borddiagnostik zum Testen auf Dampfdichtigkeit
ein Fahrzeugkraftstoff-System mit Borddiagnostik zum Testen auf Dampfdichtigkeit,
das umfaßt:
a) einen Kraftstofftank zur Aufnahme von Kraftstoff, der zu einem
Verbrennungsmotor gefördert
wird; b) einen Spülkanister,
der an den Raum im Tank oberhalb des Kraftstoffs angeschlossen ist;
c) ein Kanisterentlüftungsventil
(canister vent valve = CVV) zum Verbinden des Spülkanisters an die Atmosphäre; d) ein
Spülventil
zum Verbinden des Spülkanisters
an den Motor; und e) ein elektronisches Steuergerät (electronic
control unit = ECU), das zum Überwachen
von Druck und Kraftstoffniveau im Tank sowie anderer Motor-, Fahrzeug- und
Umgebungsbedingungen sowie auch zum Steuern des Öffnens und Schließens von
Ventilen angeordnet ist; f) wobei das CVV und das Spülventil
durch das ECU gesteuert sind, und zwar zum Entlüften des Tanks zur Atmosphäre über den
Spülkanister
(Spülventil
geschlossen, CVV geöffnet),
und zum Spülen von
Dampf aus dem Kanister, indem es der Luft ermöglicht wird, von dem Ansaugrohrvakuum
(beide Ventile geöffnet)
durch den Kanister gezogen zu werden; g) wobei das ECU so angeordnet
ist, einen periodischen Dampfdichtigkeitstest auszuführen, wenn der
Motor läuft,
wobei der Dampfdichtigkeitstest beinhaltet (i) Verringern des Drucks
im Tank, Schließen des
Systems und Ermöglichen,
daß der
Druck im System sich auf atmosphärischen
Druck hin regeneriert (Einströmung),
(ii) Durchführen
einer Reihe von Druckmessungen in Intervallen während der Einströmung, um
eine Reihe von zeitlich festgelegten Druckwerten zu erhalten und
(iii) Berechnen der Dampferzeugungsrate im Tank aus Werten, die
den Druckgradienten darstellt, und die Änderungsrate des Druckgradienten,
die aus den Druckwerten abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der
durch die Steuerung des ECU durchgeführte Dampfdichtigkeitstest beinhaltet:
(i) Berechnen des polytropischen Index für den Dampf im System, wobei
die Druckwerte und die entsprechenden Temperaturwerte verwendet werden,
wobei jeder Temperaturwert die sofortige Dampftemperatur zur Zeit
des entsprechenden Druckwertes darstellt, und (ii) wobei der polytropische
Index als Faktor beim Berechnen der Dampferzeugungsrate im Tank
verwendet wird.
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Der
in der Erfindung vorgesehene, verbesserte Kraftstoffsystemtest wird
vorzugsweise realisiert, indem das im Fahrzeug vorhandene, elektronische
Motorsteuergerät
und der Kraftstoffsystem-Drucksensor eingesetzt werden, der für andere Zwecke
benutzt wird. Folglich lassen sich die Vorteile der Erfindung mit
sehr wenig zusätzlichen
Kosten erreichen.
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Die
Erfindung stellt auch ein entsprechendes Verfahren bereit.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen
sich besser verstehen, indem die folgende Detailbeschreibung der
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung betrachtet wird.
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Im
Verlauf der Beschreibung wird oft auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugkraftstoff-Systems mit
Borddiagnostik zum Dampfdichtigkeitstesten, bei dem die Grundsätze der Erfindung
eingesetzt sind;
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2 ist
ein Schaubild der Druckänderungen,
die bei einem Dampfdichtigkeitstest stattfinden, der mit einem in 1 dargestellten
System durchgeführt
wird, wobei einige der Druckwerte gezeigt sind, die zur Verwendung
bei Dampf- und Lufteindringungs-Berechnungen erfaßt worden
sind.
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Ein
diagnostisches Verfahren zum Dampfdichtigkeitstesten wird in vorbestimmten
Intervallen automatisch durchgeführt
von einem in 1 gezeigten, elektronischen
Steuergerät
(ECU) 10. Der Test wird abgebrochen, wenn die vorherrschenden Bedingungen
(Kraftstoffschwappen, starke Beschleunigung etc.) so sind, daß ein verläßliches
Testresultat nicht erwartet werden kann.
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Das
ECU 10 ist angeschlossen an einen Kraftstoffgeber 11 zum
Erfassen des Füllstandes
des Kraftstoffs 12 in einem Kraftstofftank 13,
an einen Umgebungstemperatur-Meßwertgeber 14 und
einen Kraftstofftank-Druckmeßwertgeber 15.
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Das
ECU steuert ein Dampfkontrollventil (vapour management valve = VMV) 16 und
ein normal geöffnetes
Kanisterentlüftungsventil
(CVV) 18. Das CVV steuert die Luftströmung durch einen gefilterten Durchgang 19,
der einen Spülkanister 20,
der Aktivkohle zum Absorbieren von Kraftstoffdampf enthält, mit
einem Entlüfter 22 nach
Atmosphäre
verbindet. Über
die Leitungen 38 und 39 verbindet das VMV 16, wenn
es geöffnet
ist, den Spülkanister 20 mit
dem Ansaugrohr 17 des Fahrzeugmotors.
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Das
in 1 gezeigte, geschlossene Kraftstoffsystem beinhaltet
weiterhin ein Vakuum/Druck-Sicherheitsventil innerhalb einer Verschlußkappe 25,
die den Kraftstoffeinlaßdurchgang 26 des
Kraftstofftanks 13 verschließt. Ein Durchgang 30 erstreckt
sich von einem Überrollventil 31 an
der Oberseite des Tanks 13 sowohl zu dem Spülkanister 20 und
dem VMV 16. Über
ein Zweigrohr 33 verbindet ein Laufverlust-Dampfkontrollventil 32 den Durchgang 30 mit
dem oberen Bereich des Kraftstoffeinlaßrohrs 26.
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Wenn
der Fahrzeugmotor nicht läuft,
schließt das
ECU das VMV 16 und öffnet
das CVV 18, so daß Kraftstoffdampf
durch die Aktivkohle im Spülkanister absorbiert
wird, ehe er die Atmosphäre
erreicht. Ferner kann Luft über
den Spülkanister 20 in
das Kraftstoffsystem eindringen, falls der Druck im Tank aufgrund
von Dampfkondensation unter atmosphärischen Druck fällt. Wenn
der Motor läuft, öffnet das ECU
sowohl das VMV 16 und öffnet
das CVV 18, so daß Luft
vom Ansaugrohrvakuum durch den Spülkanister gezogen wird, um
Kraftstoffdampf aus dem Kanister zu spülen.
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Das
diagnostische Dampfdichtigkeits-Testverfahren beinhaltet eine Evakuierphase,
in der das ECU das CVV 18 schließt und das VMV 16 öffnet, so daß Luft und
Dampf von dem Ansaugrohrvakuum aus Tank 13 und Kanister 20 gepumpt
werden, bis ein gewünschter
Druck erreicht ist. Auf die Evakuierphase folgt eine mehrere Sekunden
lange Haltestufe. Nach der Haltestufe schließt das ECU sowohl das VMV 16 und
das CVV 18, womit das System abgedichtet ist. Der Tankdruck,
wie er von dem Druckmeßwertgeber 15 angezeigt
ist, wird während
der Einströmungsphase 36 von
dem ECU überwacht,
was in 2 illustriert ist.
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Während der
Einströmungsphase
des Dampfdichtigkeitstest wird eine Reihe von Druckwerten P1 P2 P3 ...Pn zu bekannten Zeitintervallen gemessen (alle × Sekunden).
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden eine Reihe von Berechnungen durchgeführt, wobei
in jeder Berechnung drei aufeinanderfolgende Druckwerte Pn–1 Pn Pn+1 (siehe 2)
verwendet werden. Jede solche Berechnung stellt berechnete Werte
sowohl für
die Lochgröße als auch
die Dampferzeugungsrate bereit und unterscheidet zwischen ihrem
jeweiligen Beitrag zur Druckänderung.
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Je
nach der Robustheit dieses Verfahrens können in der Praxis die während dieser
Stufe gesammelten Daten all jene Informationen bereitstellen, die
benötigt
werden, um die Lochgröße mit Gewissheit
einzuschätzen.
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Alternativ
kann es einen Hinweis auf die Dampferzeugungsrate im Tank bereitstellen,
der dann dazu verwendet werden kann, die Genauigkeit eines herkömmlichen
Dampfdichtigkeits-Testverfahrens zu verbessern oder eine Testabbruchbedingung anzuzeigen,
falls die Dampferzeugungsrate im Tank sich während des Tests erheblich verändert.
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Die
Berechnung der Dampferzeugungsrate im Tank und der Lochgröße kann
auf isothermischen Bedingungen (konstante Temperatur, polytropischer Index
= 1) basieren oder sie kann einen Temperaturfaktor beinhalten, der
die ratiometrische Änderung der
Kraftstoffdampftemperatur innerhalb des Tanks widerspiegelt. Das
Prinzip der kontinuierlichen Berechnung von Dampf und Lochgröße mit oder
ohne einen Temperaturfaktor ist unten beschrieben. Ein Algorithmus
zum Vorhersagen des Tanktemperaturverhältnisses ist in unserer ebenfalls
anhängigen
Patentanmeldung No. ... (Anwaltsquittung Nr. 199-0190) beschrieben,
deren gesamter Gegenstand hierin durch Verweis aufgenommen ist.
Temperaturvorhersage, wie sie in der anhängigen Patentanmeldung beschrieben
ist, ist gegenüber
der Verwendung eines Temperatursensors zum direkten Messen der Dampftemperatur
bevorzugt, da ein Temperatursensor erheblich zu den Kosten beitragen
und seine eigene Diagnostik verlangen würde.
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Berechnungsverfahren
- x
- Datenerfassungs-Intervall
- Periode
- Gesamte Stufenzeit
- m
- Anzahl der Datenproben
= Periode/x + 1
- n
- Datenproben-Berechnungsanzahl
(1 < n < m)
- T
- Gastemperatur T1 T2 T3 ...Tm
- P
- Unterdruck bei entnommenem
Gas P1 P2 P3 ...Pm
- k1
- Konstante
- Qn
- Sofortige Dampferzeugungsrate
im Tank bei Probe n
- d
- Berechneter Lochdurchmesser
- V
- Dampfvolumen im Kraftstofftank
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Jede
Stufe der Berechnung erfordert 3 aufeinanderfolgende Datenproben
und daher kann die Berechnung während
der gesamten Testzeit stattfinden, wobei sie mit der dritten Probe
begonnen und mit der letzten Probe beendet wird. Alternativ können alle
Daten nach Abschluß der
Stufe verarbeitet werden.
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Die
Mindestanzahl an erforderlichen Proben ist 3, und zwar bei t=0,
t=Periode/2 und t=Periode, womit 1 Berechnung ermöglicht wird.
Es gibt keine Obergrenze bezüglich
der Probenanzahl, obwohl praktische Überlegungen im Hinblick auf
Rechenkapazität
und Signalrauschen dies natürlich
begrenzen werden.
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Berechnungsschritt
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Bei
jedem Berechnungsschritt (n) zwischen n = 2 und n = m–1:
- 1) Berechne den polytropischen Index np: np1 = (Pn+1 – Pn–1)
/ (Pn+1 + Pn–1) np2 = (Tn+1 – Tn–1)
/ (Tn+1 + Tn–1) np = np1 / (np1 – np2) falls Temperaturfaktor
mit eingeschlossen sonst np = 1
- 2) Berechne die sofortige Dampferzeugsrate im Tank: k2 = V/np/(P_atm – Pn) Gn = Pn+1 – Pn–1 wobei
Gn eine Funktion des mittleren Druckgradienten
während
der Periode tn–1 bis tn+1 ist; Cn = Pn+1 – 2.Pn–1 +
Pn–1 wobei
Cn eine Funktion der Druckänderungsrate während der
Periode tn–1 bis
tn+1 ist; d2 = –4 * k2
* Cn * Pn 1/2/x/Gn Qn= –k2 * Gn/2/x – d2*Pn 1/2
- 3) Berechne den Lochdurchmesser: dn = √(d2/k1)
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Anwendung der Strategie
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In
ihrer einfachsten Form kann die Berechnung an nur einem Punkt ausgeführt werden,
wobei drei Proben am Anfang, der Mitte und dem Ende der Periode
verwendet werden. In diesem Fall wird der Wert Q der Mittelwert
der Dampferzeugungsrate im Tank während der Stufe sein. Jede
Fluktuation von Q im Verlauf der Stufe wird die berechnete Lochgröße beeinflussen.
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Alternativ
ermöglicht
die Verwendung von mehr Daten, daß die Änderungen von Q während der gesamten
Stufe überwacht
werden können.
In diesem Fall können
aufeinanderfolgende Werte berechneter Durchmesser dn gemittelt
oder verarbeitet werden, indem Glättungsfunktionen eingesetzt
werden, um zu einem Endwert hin zu konvergieren, zum Beispiel: dn = dn *
f + dn–1 *
(1 – f)
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Die
Verwendung von zu vielen Proben sollte vermieden werden; die Werte
der druckbezogenen Variablen Cn und Gn können
empfindlich werden gegenüber
Rauschen auf dem Signal vom Druckmeßwertgeber 15.
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Es
versteht sich, daß die
Ausführungsform der
oben beschriebenen Erfindung lediglich illustrativ für eine Anwendung
der Prinzipien der Erfindung ist. Zahlreiche Änderungen können bezüglich der beschriebenen Verfahren
und der Vorrichtung gemacht werden, ohne dabei vom Grundgedanken
der Erfindung abzuweichen.