EP1518047B1 - Verfahren zur bestimmung einer beladung eines aktivkohlebehälters eines tankentlüftungssystems - Google Patents

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EP1518047B1
EP1518047B1 EP03735358A EP03735358A EP1518047B1 EP 1518047 B1 EP1518047 B1 EP 1518047B1 EP 03735358 A EP03735358 A EP 03735358A EP 03735358 A EP03735358 A EP 03735358A EP 1518047 B1 EP1518047 B1 EP 1518047B1
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EP
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exhaust
tank ventilation
activated carbon
engine
gas temperature
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Neil Armstrong
Peter Hohner
Anton Waltner
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DaimlerChrysler AG
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Publication date
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    • F02D41/3023—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the stratified charge spark-ignited mode

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a load an activated carbon container of a tank ventilation system according to the preamble of patent claim 1 and a direct injection Otto engine according to the preamble of the claim 9th
  • Direct injection gasoline engines have injectors or injectors that inject the fuel directly into the cylinder inject the engine.
  • Fuel in cylinders become operating modes of the engine. Is the injection during the suction of the air, so that the injected Fuel has enough time in the entire combustion chamber to distribute uniformly, one speaks of a homogeneous one Operation of the gasoline engine.
  • the homogeneous operation distinguishes essentially not from previously known combustion processes with injection of the fuel into the intake channel. in the Ideal case of homogeneous operation burns the fuel Completely.
  • an engine control unit controls a regeneration valve (RV).
  • the flow rate can be in the work area of the regeneration valve almost continuously over a map adjustment with the parameters load and speed Taxes. In certain operating areas the regeneration switches off (idle) or can not work (for example at full load, i. lack of negative pressure, or a shift operation without throttling).
  • a lambda control monitors whether at power up regeneration the added amount of fuel the given Adheres to limits. If the flow is too large, the Flow rate decreases to driveability and exhaust emissions to keep in an optimal range.
  • a loading of the activated carbon container determined.
  • Appropriate condition for such a relationship is a substantially complete combustion of all hydrocarbons.
  • the motor In shift operation, the motor must be slightly throttled, thus over a resulting negative pressure of the activated carbon container can be regenerated.
  • the hydrocarbons from the activated carbon container get distributed homogeneously in the Combustion chamber and there are only partially burned.
  • the unburned Hydrocarbons enter the catalyst chemically reacted there and increase the catalyst temperature.
  • DE 199 47 080 C1 discloses a device and a method for the regeneration of an activated carbon filter known. there is used to regenerate an activated carbon container, which in the Tank ventilation of an internal combustion engine, which with air-assisted Gasoline direct injection is provided is, on the high pressure side of the compressed air for the Injection generating pressure unit a pressure regulator connected, whose drained air through the activated carbon container is passed to regenerate this.
  • From DE 196 17 386 C1 is a tank ventilation system for a directly injecting internal combustion engine known.
  • the internal combustion engine has an air-assisted injection system on, wherein in certain operating conditions of the internal combustion engine the purge air for regenerating the activated carbon filter the tank ventilation system by means of an air compressor generated atomizing air for the injection system is added.
  • the object of the present invention is the specification of methods with which a simple determination of a loading condition an activated carbon container is possible. This task is achieved by a method having the features of the claim 1 and a gasoline engine with the features of the claim 9th
  • the loading state is an activated carbon container in a simple manner ascertainable, so that, for example, on the basis of this Loading state one taking into account a desired Force-air ratio optimal tank ventilation can be carried out.
  • a first preferred embodiment of the inventive Procedure becomes a downstream of the gasoline engine Downstream catalyst detected exhaust gas temperature when operating the tank ventilation with one switched off or inactive tank ventilation determined exhaust gas temperature compared.
  • temperatures upstream and downstream of the Catalyst with inactive or active tank ventilation determine, i. to calculate or measure on the Basis of such determined temperatures for the respective Engine operating conditions determine exhaust gas temperature differences, and with appropriate correlation of these temperature differences with active and inactive tank ventilation on to close the loading condition of the activated carbon container.
  • control of the regeneration valve is conveniently carried out depending on the exhaust gas temperature, a Speed load operating point of the motor, a loading of the Activated carbon container and / or the operating mode of the engine (homogeneous operation or shift operation) or a combination this parameter.
  • Inventive direct injection gasoline engines exhibit expediently downstream and / or upstream of one the gasoline engine downstream catalytic converter thermocouples for measuring the respective exhaust gas temperatures.
  • Thermocouples are exhaust gas temperatures in a simpler way and reliably measurable, so that the illustrated Procedures are reliably carried out.
  • the inventive gasoline engine with a computer device, for example an engine control unit designed to carry out the inventive method.
  • the inventive method allows over conventional Solutions higher regeneration rates, since according to the invention For example, a regeneration in shift operation possible is.
  • the engine operation can be a whole larger Share in shift operation, since both in homogeneous operation, as well as in the shift operation can be regenerated. Overall, this results in lower fuel consumption.
  • the possibility of regeneration in all engine operating modes also leads to lower unburned emissions Hydrocarbons.
  • a spark plug for igniting the air-fuel mixture is denoted by 16.
  • FIG. 2 schematically shows an internal combustion engine 21, which has an intake tract 22 for sucking in air.
  • In the intake tract 22 is a throttle valve 28 and upstream of this an air mass meter 30, in the over a Intake port 32 intake air is passed.
  • the injection rail 26 is connected via a fuel line 27, which is fed from a pump module 37, with fuel provided.
  • the pump module 37 is arranged in a tank 40.
  • tank 40 In the tank 40 is fuel 41.
  • the above the Fuel 41 befindliches cavity is filled with fuel vapor 42nd filled.
  • the tank 40 is also via a tank vent line 44, which opens into a ventilation port 46, to the Environment coupled, so that a pressure equalization take place can.
  • an activated carbon container 50 connected, which with hydrocarbons absorbing Activated carbon material is formed.
  • the Actuator 54 is via unspecified lines of an engine control unit 60 can be controlled.
  • the activated carbon container 50 is connected to a second output via a Regenerier réelle 62 with the intake manifold 22 of the internal combustion engine 21 connected.
  • the regeneration line 62 opens here between the throttle 28 and the internal combustion engine 21 in the intake 22nd
  • a regeneration valve 64 is connected, which is actuated via an actuator 66.
  • the regeneration valve 64 is commonly called a tank vent valve designated.
  • the controller 60 is unspecified, and only partially shown lines with the air mass meter 30, the throttle valve 28, the injectors 25 and the actuator 66 of the regeneration valve 64 connected and reads about These lines corresponding measured values or controls the corresponding components.
  • the charcoal canister 50 absorbs at its the tank 40th facing inlet fuel vapor. To prevent, that with complete loading of the activated carbon container a breakthrough of hydrocarbons to the ventilation port 46 takes place, the activated carbon container 50 is in operation regenerated the internal combustion engine. For this purpose will by switching the regeneration valve 64, the regeneration line 62 activated by the activated carbon container 50 to the intake tract 22. At the same time, the drain valve 52 is closed, so that of this associated output of the activated carbon container 50 is separated from the ventilation port 46. It is then possible, via a (not shown) line the activated carbon container 50 air to be supplied, which then with open Regenerierventil 64 through the regeneration line 62 under Entrainment of fuel vapors from the activated carbon container 50 flows into the exhaust tract 22.
  • the mixture composition is in homogeneous operation of the engine changed by about 20%.
  • the flow rate can be located in the working area of the regeneration valve almost continuously via a map adaptation with the parameters Control load and speed. In certain operating areas switches off regeneration (eg idle), or can not work.
  • the catalyst 70 downstream Thermocouple 74 is provided, by means of which the temperature of the exhaust gas downstream of the catalyst are measured can. Based on the difference in the exhaust gas temperature at carried out tank venting to the exhaust gas temperature without Tank venting may affect the loading condition of the activated carbon canister 50 are closed.
  • the realization of the detection of the loading of the activated carbon container 50 can be done in several ways. First With reference to FIG. 3, the possibility of a comparison of a Calculated exhaust gas temperature without tank ventilation with a measured exhaust gas temperature (with effective tank ventilation).
  • step 301 When comparing calculated exhaust gas temperature (without tank venting) and measured exhaust gas temperature (with tank ventilation) is first in step 301 from a about engine speed and engine load clamped map the agglomerate temperature determined without corrections. About two more Characteristics are the influences of fuel-air ratio (Lambda) and ignition timing as factors in the exhaust gas temperature included. The creation of the characteristic for the Exhaust gas temperature over lambda is based on the air-fuel ratio in a step 302 and the characteristic for the exhaust gas temperature over a firing angle on the Basis of the ignition timing in a step 303 performed.
  • Step 305 For changes in speed, load, ignition timing or lambda These affect only with a certain time delay the exhaust gas temperature downstream of the catalyst, since the Gas column first, the internal combustion engine 21, and then must pass through the catalyst 70.
  • the step 305 expediently a delay by means of a delay element is connected upstream in a step 304.
  • the thus obtained (calculated) value for the exhaust gas temperature without tank ventilation is in step 306 by the in the exhaust line downstream of the catalyst 70 by means of Temperature member 74 determined (measured) temperature divided. Be unburned HC portions of the tank ventilation in Shift mode implemented in the catalyst, it comes to a (measurable) temperature increase in the exhaust gas, which causes a Factor of the temperature quotient of> 1 results. This temperature quotient serves as input of a characteristic, in the conversion into the current load of the activated carbon container takes place (step 307).
  • the tank vent is activated. After connection or activation of the tank ventilation are stored Values of the exhaust gas temperature in the map no longer changed (symbolized by a second, with a solid one Line shown position of the switch 402 ').
  • step 404 The values thus determined are, in analogy to step 306, in a step 403 by means of the thermocouple 74th divided temperature measured downstream of the catalyst.
  • the loading of the activated carbon container is then analogous to the in the method shown in Figure 3 with the exhaust gas temperature model about quotient formation and conversion by means of a Characteristic determined (step 404).
  • Step 501 is a speed and load dependent map of a Catalyst exotherm with tank ventilation not switched on calculated.
  • steps 502 and 503 the exhaust gas temperatures become measured before and after the catalyst.
  • Step 504 becomes the difference from the temperatures thus measured determined.
  • the turn by means of delay element and Low-pass modified values of the detected in step 501 Map is in step 505 with the in step 504 detected temperature difference under quotient formation correlated. From the resulting characteristic of the temperature quotient can be the load of the activated carbon container 50 (step 506).
  • Step 601 initially with tank ventilation not switched on via suitable speed and load ranges exhaust gas temperatures measured before and after the catalyst (switch 602 'at 602 in dashed line position). The thus determined Temperature differences are in a speed and load-dependent Adaptation map for a catalyst exotherm without Tank ventilation stored.
  • Step 603 After switching on the tank ventilation at (602, switch 602 'in the second, by means of a solid Line shown position) are determined so Values by the respectively measured temperature differences divided before and after the catalyst with active tank ventilation (Step 603). On the basis of this quotient formation In step 604, the characteristic of that determined in step 603 is determined Quotient with respect to the loading of the activated carbon container 50 determined. So this algorithm is in turn the catalyst exotherm without tank ventilation by measurement firm with them after the end of the learning phase the measured catalyst exothermic with switched on Tank ventilation compare, and based on this Compare to determine the loading of the activated carbon container.
  • a Regulation of the tank ventilation rate expediently to provide a constant exhaust gas temperature or a predetermined Flow rate of the regeneration valve 64.
  • Target of Regeneration is here, the bound hydrocarbons to remove from the activated carbon container 50.
  • Dependent from a detected charge of the activated carbon canister 50 then carried out a more or less intense regeneration become.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Supplying Secondary Fuel Or The Like To Fuel, Air Or Fuel-Air Mixtures (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Beladung eines Aktivkohlebehälters eines Tankentlüftungssystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen direkteinspritzenden Ottomotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Direkteinspritzende Ottomotoren verfügen über Einspritzventile bzw. Injektoren, die den Kraftstoff direkt in die Zylinder des Motors einspritzen. Abhängig von einem Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder werden die Betriebsarten des Motors bezeichnet. Erfolgt die Einspritzung während des Ansaugens der Luft, so dass der eingespritzte Kraftstoff ausreichend Zeit hat, sich im gesamten Brennraum gleichförmig zu verteilen, spricht man von einem homogenen Betrieb des Ottomotors. Der homogene Betrieb unterscheidet sich im wesentlichen nicht von bisher bekannten Brennverfahren mit Einspritzung des Kraftstoffes in den Ansaugkanal. Im Idealfall des homogenen Betriebes verbrennt der Kraftstoff vollständig.
Erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes erst während der Kompression, das heisst kurz vor der Zündung, hat der Kraftstoff nicht ausreichend Zeit, sich im gesamten Brennraum zu verteilen. Es bildet sich eine Gemischwolke an der Zündkerze, während im restlichen Brennraum nur Luft vorhanden ist. Diese Betriebsart wird als Schichtbetrieb bezeichnet. Hier verbrennt im Idealfall das gesamte Gemisch in der Wolke.
Zwischenzustände zwischen homogenem Betrieb und Schichtbetrieb sind ebenfalls möglich, falls beispielsweise Kraftstoff in den Ansaugkanal zugegeben wird, oder eine frühe (in den saughub) oder eine späte Einspritzung (in den Kompressionshub) vorgesehen ist. In diesem Fall verbrennt, abhängig von der Gemischzusammensetzung, nur das Gemisch in der Wolke komplett. Das restliche, homogen im Brennraum verteilte Gemisch wird als unverbrannte HC-Emissionen über den Auslasskanal ausgeschoben. Im Auslass treffen die unverbrannten Kohlenwasserstoffe auf den Katalysator, in dem sie mit der überschüssigen Luft der Schichtladung zu Wasser und Kohlendioxid umgesetzt werden. Diese Umsetzung im Katalysator hat eine Temperaturerhöhung von Katalysator und Abgas (Exothermie) zur Folge.
Bei der Konzipierung eines Ottomotors ist ferner zu beachten, dass durch Verdampfen von Kraftstoff Kohlenwasserstoffe aus dem Tank in die Atmosphäre entweichen. Dieser Effekt belastet die Umwelt und steigt mit der Temperatur des Kraftstoffes im Tank an. Mit dem Einsatz von Aktivkohlebehältern (AKB), die die aus dem Tank verdampfenden Kohlenwasserstoffe speichern, lassen sich die gesetzlichen Auflagen (shed-Test) im Zusammenhang mit Verdampfungsverlusten erfüllen. Hierbei ist der Tank nur über den genannten Aktivkohlebehälter belüftet. Wegen des begrenzten Aufnahmevolumens der Aktivkohle muss jedoch eine stetige Regenerierung der Aktivkohle erfolgen. Bei laufendem Motor wird hierzu Luft über den Aktivkohlebehälter angesaugt und als Gemisch dem Motor zur Verbrennung zugeführt. Wird beispielsweise 1% der angesaugten Motorluft als Kraftstoffdampf zugegeben, so verändert sich die Gemischzusammensetzung im homogenen Betrieb des Motors um etwas 20%. Um die Abgasemissionen in den gewünschten Grenzen zu halten und die Laufeigenschaften des Motors sicherzustellen, muss eine gezielte Einleitung des Kraftstoffdampfes in den Motor erfolgen.
Zu diesem Zwecke steuert ein Motorsteuergerät (MSG) ein Regenerierventil (RV) an. Die Durchflussmenge lässt sich im Arbeitsbereich des Regenerierventils nahezu kontinuierlich über eine Kennfeldanpassung mit den Parametern Last und Drehzahl steuern. In bestimmten Betriebsbereichen schaltet die Regenerierung ab (Leerlauf) oder kann nicht wirken (beispielsweise bei Volllast, d.h. fehlendem Unterdruck, oder einem Schichtbetrieb ohne Androsselung).
Zusätzlich überwacht eine Lambdaregelung, ob beim Einschalten der Regenerierung die zugegebene Krafstoffmenge die vorgegebenen Grenzen einhält. Ist der Durchfluss zu gross, wird die Durchflussmenge verringert, um Fahrverhalten und Abgasemissionen in einem optimalen Bereich zu halten.
Die Überwachung der Durchflussmenge aus der Tankentlüftung basiert auf der Lambdaregelung, die im homogenen Motorbetrieb das Gemisch auf Lambda = 1 festhält. Je höher der Anteil der Kraftstoffdämpfe aus der Tankentlüftung im Saugrohr ist, desto weniger Kraftstoff muss über die Einspritzventile eingespritzt werden, um den Motor in einem konstanten Betriebspunkt zu halten.
Über die Abweichung bzw. Veränderung der Einspritzmenge ist daher eine Beladung des Aktivkohlebehälters bestimmbar. Zweckmässige Voraussetzung für eine derartige Beziehung ist eine im wesentlichen vollständige Verbrennung sämtlicher Kohlenwasserstoffe.
Im Schichtbetrieb muss der Motor leicht angedrosselt werden, damit über einen hierbei entstehenden Unterdruck der Aktivkohlebehälter regeneriert werden kann. Die Kohlenwasserstoffe aus dem Aktivkohlebehälter gelangen homogen verteilt in den Brennraum und werden dort nur teilweise verbrannt. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe gelangen in den Katalysator, werden dort chemisch umgesetzt und erhöhen die Katalysatortemperatur.
Mittels einer Lambda-Sonde können Kohlenwasserstoffe nicht gemessen werden, da die Lambda-Sonde nur auf den Sauerstoffanteil im Abgas reagiert.
Eine Bestimmung der Beladung des Aktivkohlebehälters mittels einer Lambda-Sonde im Schichtbetrieb ist also nicht möglich.
Aus der DE 199 47 080 C1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regenerierung eines Aktivkohlefilters bekannt. Dabei wird zum Regenerieren eines Aktivkohlebehälters, der in der Tankentlüftung einer Brennkraftmaschine, welche mit luftunterstützter Benzin-Direkteinspritzung betrieben wird, vorgesehen ist, an der Hochdruckseite der die Druckluft für die Einspritzung erzeugenden Druckerzeugunseinheit ein Druckregler angeschlossen, dessen abgelassene Luft durch den Aktivkohlebehälter geleitet wird, um diesen zu regenerieren.
Aus der DE 196 17 386 C1 ist ein Tanklüftungssystem für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei weist die Brennkraftmaschine ein luftunterstütztes Einspritzsystem auf, wobei in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine die Spülluft zum Regenerieren des Aktivkohlefilters der Tankentlüftungsanlage der mittels eines Luftkompressors erzeugten Zerstäubungsluft für das Einspritzsystem beigemengt wird.
Schliesslich ist aus der DE 197 01 353 C1 ein Verfahren zur Tankentlüftung bei einer Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei wird ein Belandungsgrad eines Aktivkohlefilters ermittelt, und abhängig von dessen Höhe und einem vorgegebenen Wert für einen maximal möglichen Kraftstoffmassenstrom durch das Tankentlüftungsventil ein Soll-Spülstrom berechnet, und das Tastverhältnis für das Tankentlüftungsventil abhängig von dem Soll-Spülstrom, der Temperatur des Spülstromes und dem Druckgefälle am Tankentlüftungsventil so eingestellt, dass die durch den Spülvorgang hervorgerufene Lambdaabweichung eines Reglers der Lambdaregelungseinrichtung einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe von Verfahren, mit denen eine einfache Bestimmung eines Beladungszustandes eines Aktivkohlebehälters möglich ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einen Ottomotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Mit dem erfindungsgemäss angegebenen Verfahren ist der Beladungszustand eines Aktivkohlebehälters in einfacher Weise feststellbar, so dass beispielsweise auf der Grundlage dieses Beladungszustandes eine unter Berücksichtigung eines gewünschten Kraft-Luft-Verhältnisses optimale Tankentlüftung durchgeführt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine stromabwärts eines dem Ottomotor nachgeschalteten Katalysators festgestellte Abgastemperatur bei Betrieb der Tankentlüftung mit einer bei ausgeschalteter bzw. inaktiver Tankentlüftung ermittelten Abgastemperatur verglichen. Ein derartiger Vergleich zwischen Abgastemperaturen bei eingeschalteter und nicht eingeschalteter Tankentlüftung (bei im übrigen gleichen Betriebsparametern des Motors) erlaubt in einfacher Weise Rückschlüsse auf den Beladungszustand des Aktivkohlebehälters.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass die Abgastemperaturen für unterschiedliche Betriebszustände des Motors bei nichtaktivierter Tankentlüftung über ein Modell berechnet werden und durch bei aktivierter Tankentlüftung (bei Vorliegen des gleichen Motor-Betriebszustandes) gemessene Abgastemperaturen geteilt werden, wobei auf der Grundlage derart festgestellter Temperaturquotienten die Beladung des Aktivkohlebehälters berechnet bzw. anhand entsprechender vorbekannter Kennlinienfelder abgeleitet wird. Dieses Verfahren ist mit relativ wenig Messaufwand verbunden.
Für den Fall, dass das beschriebene Modell keine ausreichenden Genauigkeiten liefert, erweist es sich als zweckmässig, Abgastemperaturen bei nicht aktivierter Tankentlüftung zu messen und in einem von der Motordrehzahl und Motorlast abhängigen Kennfeld zu speichern, und anschliessend bei aktiver Tankentlüftung gemessene Abgastemperaturen durch die derart gespeicherten Abgastemperaturen zu dividieren, und die Beladung des Aktivkohlebehälters auf der Grundlage derart ermittelter Temperaturquotienten zu ermitteln. Dieses Verfahren erweist sich in der Praxis als sehr genau und zuverlässig.
Anstelle einer Messung bzw. Betrachtung von Temperaturen lediglich stromabwärtig des Katalysators ist es gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ebenfalls möglich, Temperaturen stromaufwärtig und stromabwärtig des Katalysators bei nicht aktiver bzw. aktiver Tankentlüftung festzustellen, d.h. zu berechnen oder zu messen, auf der Grundlage derart ermittelter Temperaturen für die jeweiligen Motorbetriebszustände Abgastemperaturdifferenzen festzustellen, und unter entsprechender Korrelation dieser Temperaturdifferenzen bei aktiver und nicht aktiver Tankentlüftung auf dem Beladungszustand des Aktivkohlebehälters zu schliessen. Mit dieser Feststellung der Exothermie des Katalysators, d.h. der Temperaturfreisetzung durch Umsetzung unverbrannter Kohlenwasserstoffe, müssen keine absoluten Abgastemperaturen berechnet bzw. verwendet werden, wodurch sich zu verwendende Rechenmodelle stark vereinfachen.
Zweckmässigerweise wird auf der Grundlage des festgestellten Beladungszustandes eines Aktivkohlenbehälters ein Regenerierventil eines Tankentlüftungssystems gesteuert.
Hierbei erfolgt die Steuerung des Regenerierventils zweckmässigerweise in Abhängigkeit von der Abgastemperatur, einem Drehzahl-Last-Betriebspunkt des Motors, einer Beladung des Aktivkohlebehälters und/oder des Betriebsmodus des Motors (homogener Betrieb oder Schichtbetrieb) oder einer Kombination dieser Parameter.
Erfindungsgemässe direkteinspritzende Ottomotoren weisen zweckmässigerweise stromabwärtig und/oder stromaufwärtig eines dem Ottomotor nachgeschalteten Katalysators Thermoelemente zur Messung der jeweiligen Abgastemperaturen auf. Mit derartigen Thermoelementen sind Abgastemperaturen in einfacher und zuverlässiger Weise messbar, so dass die dargestellten Verfahren zuverlässig durchführbar sind.
Zweckmässigerweise ist der erfindungsgemässe Ottomotor mit einer Rechnereinrichtung, beispielsweise einem Motorsteuergerät zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren ausgebildet.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt gegenüber herkömmlichen Lösungen höhere Regenerierraten, da erfindungsgemäss beispielsweise auch eine Regenerierung im Schichtbetrieb möglich ist. Der Motorbetrieb kann insgesamt zu einem grösseren Anteil im Schichtbetrieb erfolgen, da sowohl im homogenen Betrieb, als auch im Schichtbetrieb regeneriert werden kann. Dies hat insgesamt einen geringeren Benzinverbrauch zur Folge. Die Möglichkeit der Regenerierung in sämtlichen Motorbetriebsmodi führt ferner zu geringeren Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung der Einspritzkomponenten eines direkt einspritzenden Ottomotors,
Fig. 2
eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines direkteinspritzenden Ottomotors,
Fig. 3
ein Schaubild zur Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 4
ein Schaubild zur Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 5
ein Schaubild zur Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, und
Fig. 6
ein Schaubild zur Darstellung einer vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens.
Wie in Figur 1 zu erkennen ist, erfolgt bei einem direkteinspritzenden Ottomotor das Einspritzen von Kraftstoff in einen mittels eines Kolbens 10 beaufschlagten Zylinder 11 über eine Einspritzdüse 12. Der hierbei entstehende kegelförmige Einspritzstrahl ist schematisch dargestellt und mit 14 bezeichnet. Die Mittel zur Zugabe von Luft bzw. unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus der Tankentlüftung in den Zylinder 11 sind nicht im Einzelnen dargestellt.
Eine Zündkerze zum Entzünden des Luft-Kraftstoffgemisches ist mit 16 bezeichnet.
In Figur 2 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 21 dargestellt, die einen Ansaugtrakt 22 zum Ansaugen von Luft aufweist. Über Einspritzventile 25, die von einer Einspritzschiene 26 mit Kraftstoff versorgt werden, wird Kraftstoff direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Im Ansaugtrakt 22 befindet sich eine Drosselklappe 28 und stromauf von dieser ein Luftmassenmesser 30, in den über eine Ansaugöffnung 32 Ansaugluft geleitet wird.
Die Einspritzschiene 26 wird über eine Kraftstoffleitung 27, die aus einem Pumpenmodul 37 gespeist wird, mit Kraftstoff versorgt. Das Pumpenmodul 37 ist in einem Tank 40 angeordnet.
In dem Tank 40 befindet sich Kraftstoff 41. Der über dem Kraftstoff 41 befindliche Hohlraum ist mit Kraftstoffdampf 42 gefüllt. Der Tank 40 ist ferner über eine Tankentlüftungsleitung 44, die in einem Belüftungsanschluss 46 mündet, an die Umgebung angekoppelt, so dass ein Druckausgleich erfolgen kann.
In die Tankentlüftungsleitung 44 ist ein Aktivkohlebehälter 50 geschaltet, welcher mit Kohlenwasserstoffe absorbierendem Aktivkohlematerial ausgebildet ist. Durch diese Massnahme ist sichergestellt, dass aus der Tankentlüftungsleitung 44 keine Kohlenwasserstoffe an den Belüftungsanschluss 46 abgegeben werden können, da die Kohlenwasserstoffe im Aktivkohlematerial absorbiert werden.
Zwischen dem Belüftungsanschluss 46 und dem diesen zugeordneten Ausgang des Aktivkohlebehälters ist ein Ventil 52 angeschlossen, das von einem Stellglied 54 betätigbar ist. Das Stellglied 54 ist über nicht näher bezeichnete Leitungen von einem Motorsteuergerät 60 ansteuerbar.
Der Aktivkohlebehälter 50 ist mit einem zweiten Ausgang über eine Regenerierleitung 62 mit dem Ansaugtrakt 22 der Brennkraftmaschine 21 verbunden.
Die Regenerierleitung 62 mündet hierbei zwischen der Drosselklappe 28 und der Brennkraftmaschine 21 in dem Ansaugtrakt 22.
In die Regenerierleitung 62 ist ein Regenerierventil 64 geschaltet, das über ein Stellglied 66 betätigbar ist. Das Regenerierventil 64 wird üblicherweise als Tankentlüftungsventil bezeichnet.
Das Steuergerät 60 ist über nicht näher bezeichnete, und nur teilweise dargestellte Leitungen mit dem Luftmassenmesser 30, der Drosselklappe 28, den Einspritzventilen 25 und dem Stellglied 66 des Regenerierventils 64 verbunden und liest über diese Leitungen entsprechende Messwerte aus bzw. steuert die entsprechenden Bauteile an.
Der Aktivkohlebehälter 50 absorbiert an seinem dem Tank 40 zugewandten Eingang eintreten Kraftstoffdampf. Um zu verhindern, dass bei vollständiger Beladung des Aktivkohlebehälters ein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen zum Belüftungsanschluss 46 erfolgt, wird der Aktivkohlebehälter 50 im Betrieb der Brennkraftmaschine regeneriert. Zu diesem Zwecke wird durch Schalten des Regenerierventils 64 die Regenerierleitung 62 vom Aktivkohlebehälter 50 zum Ansaugtrakt 22 freigeschaltet. Gleichzeitig wird das Ablassventil 52 geschlossen, so dass der diesem zugeordnete Ausgang des Aktivkohlebehälters 50 vom Belüftungsanschluss 46 abgetrennt ist. Es ist dann möglich, über eine (nicht dargestellte) Leitung dem Aktivkohlebehälter 50 Luft zuzuführen, welche anschliessend bei offenem Regenerierventil 64 durch die Regenerierleitung 62 unter Mitnahme von Kraftstoffdämpfen aus dem Aktivkohlebehälter 50 in den Abgastrakt 22 strömt.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass, wenn beispielsweise 1% der angesaugten Motorluft als Kraftstoffdampf zugegeben wird, sich die Gemischzusammensetzung im homogenen Betrieb des Motors um ca. 20% verändert. Um die Abgasemissionen in gewünschten Grenzen zu halten und die Laufeigenschaften des Motors sicherzustellen, erfolgt zur Gewährleistung einer gezielten Einleitung von Kraftstoffdampf eine Steuerung des Regenerierventils 64 durch die Motorsteuerung 60. Die Durchflussmenge lässt sich im Arbeitsbereich des Regenerierventils nahezu kontinuierlich über eine Kennfeldanpassung mit den Parametern Last und Drehzahl steuern. In bestimmten Betriebsbereichen schaltet die Regenerierung ab (beispielsweise Leerlauf), oder kann nicht wirken. Wie bereits erwähnt, ist es beim homogenen Betrieb des Motors möglich, die Beladung des Aktivkohlebehälters 50 über die Abweichung der Einspritzmenge zu bestimmen.
Es wurde ferner bereits darauf hingewiesen, dass im Schichtbetrieb der Motor leicht angedrosselt werden muss, damit über den Unterdruck der Aktivkohlebehälter 50 regeneriert werden kann. Die Kohlenwasserstoffe aus dem Aktivkohlebehälter sind homogen verteilt in dem Brennraum und werden dort nur teilweise verbrannt. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe gelangen über den Abgastrakt 68 in den Katalysator 70, werden dort chemisch umgesetzt und erhöhen die Katalysatortemperatur.
Mittels der Lambdasonde 72 können Kohlenwasserstoffe jedoch nicht gemessen werden, da die Lambdasonde 72 nur auf den Sauerstoffanteil im Abgas reagiert. Eine Bestimmung der Beladung des Aktivkohlebehälters 50 über die Lambdasonde 72 im Schichtbetrieb ist also nicht möglich.
Aus diesem Grunde ist das dem Katalysator 70 nachgeschaltete Thermoelement 74 vorgesehen, mittels dessen die Temperatur des Abgases stromabwärts des Katalysators gemessen werden kann. Auf der Grundlage der Differenz der Abgastemperatur bei durchgeführter Tankentlüftung zu der Abgastemperatur ohne Tankentlüftung kann auf den Beladungszustand des Aktivkohlebehälters 50 geschlossen werden.
Die Realisierung der Erkennung der Beladung des Aktivkohlebehälters 50 kann auf verschiedene Arten erfolgen. Zunächst wird anhand der Figur 3 die Möglichkeit eines Vergleiches einer berechneten Abgastemperatur ohne Tankentlüftung mit einer gemessenen Abgastemperatur (bei wirksamer Tankentlüftung) betrachtet.
Bei dem Vergleich von berechneter Abgastemperatur (ohne Tankentlüftung) und gemessener Abgastemperatur (mit Tankentlüftung) wird zunächst in einem Schritt 301 aus einem über Motordrehzahl und Motorlast aufgespannten Kennfeld die Agbastemperatur ohne Korrekturen ermittelt. Über zwei weitere Kennlinien werden die Einflüsse von Kraftstoff-Luft-Verhältnis (Lambda) und Zündzeitpunkt als Faktoren in die Abgastemperatur eingerechnet. Die Erstellung der Kennlinie für die Abgastemperatur über Lambda wird auf der Grundlage des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Schritt 302 und die Kennlinie für die Abgastemperatur über einem Zündwinkel auf der Grundlage des Zündzeitpunktes in einem Schritt 303 durchgeführt.
Bei Änderungen von Drehzahl, Last, Zündzeitpunkt oder Lambda wirken sich diese erst mit einer gewissen Zeitverzögerung auf die Abgastemperatur stromabwärts des Katalysators aus, da die Gassäule zunächst die Brennkraftmaschine 21, und anschliessend den Katalysator 70 durchlaufen muss. Weiterhin müssen bei einer Änderung zuerst der Motor, sowie der Abgasstrang und der Katalysator erwärmt bzw. abgekühlt werden. Diese Gegebenheiten werden mittels einer Tiefpassfilterung in einem Schritt 305 berücksichtigt, wobei dem Schritt 305 zweckmässigerweise eine Verzögerung mittels eines Verzögerungsgliedes in einem Schritt 304 vorgeschaltet ist.
Der so erhaltene (berechnete) Wert für die Abgastemperatur ohne Tankentlüftung wird in einem Schritt 306 durch die in dem Abgasstrang stromabwärts des Katalysators 70 mittels des Temperaturgliedes 74 ermittelte (gemessene) Temperatur dividiert. Werden unverbrannte HC-Anteile der Tankentlüftung im Schichtbetrieb im Katalysator umgesetzt, kommt es zu einer (messbaren) Temperaturerhöhung im Abgas, wodurch sich ein Faktor des Temperaturquotienten von >1 ergibt. Dieser Temperaturquotient dient als Eingangsgrösse einer Kennlinie, in der die Umrechnung in die aktuelle Beladung des Aktivkohlebehälters erfolgt (Schritt 307).
Ist das Abgastemperaturmodell, welches im Zusammenhang mit dem in Figur 3 dargestellten Algorithmus verwendet wurde, zu ungenau, um die Beladung des Aktivkohlebehälters 50 hinreichend genau zu bestimmen, kann die Beladung des Aktivkohlebehälters 50 auch über einen Algorithmus mit Adaption der Abgastemperatur durchgeführt werden. Ein derartiges Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutert. Hier wird in einem Schritt 401 in einem Kennfeld, welches über Drehzahl und Last des Motors aufgespannt ist, jeweils innerhalb von bestimmten Kennfeldbereichen die gemessene Abgastemperatur ohne Tankentlüftung festgestellt und gespeichert. Diese Feststellung bzw. Messung erfolgt nur bei nichtaktiver Tankentlüftung, um einen Grundzustand zu ermitteln. Zur Feststellung der Abgastemperatur ohne Tankentlüftung erweist es sich als zweckmässig, den Motor alle Kennfeldbereiche durchfahren zu lassen. Der Unterschied zu dem unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebenen Algorithmus besteht demnach darin, dass hier abhängig von-jeweiligen Drehzahl- und Lastwerten Abgastemperaturen gemessen werden. Gemäss dem unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebenen Algorithmus werden diese Abgastemperaturen bei nicht eingeschalteter Tankentlüftung auf die dargestellte Weise unter Zugrundelegung der genannten Parameter bzw. Kennzahlen berechnet. In Figur 4 ist die Kennfeldausmessung bei 402 mittels einer gestrichelt dargestellten Position eines Schalters 402' symbolisiert, wobei in dieser Stellung eine Korrelation bei ausgeschalteter Tankentlüftung gemessener Temperaturen mit den Parametern Last und Drehzahl möglich ist.
Sind sämtliche Kennfeldbereiche durchfahren bzw. festgestellt, wird bei 402 die Tankentlüftung aktiviert. Nach Zuschaltung bzw. Aktivierung der Tankentlüftung werden die gespeicherten Werte der Abgastemperatur im Kennfeld nicht mehr verändert (symbolisiert durch eine zweite, mit durchgezogener Linie dargestellte Position des Schalters 402').
Die so ermittelten Werte werden, analog zu Schritt 306, in einem Schritt 403 durch die mittels des Thermoelements 74 stromabwärts des Katalysators gemessene Temperatur dividiert. Die Beladung des Aktivkohlebehälters wird dann analog zu dem in Figur 3 dargestellten Verfahren mit dem Abgastemperaturmodell über Quotientenbildung und Umrechnung mittels einer Kennlinie ermittelt (Schritt 404).
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Exothermie des Katalysators 50, d.h. der Temperaturfreisetzung durch Umsetzung unverbrannter Kohlenwasserstoffe, besteht in der Messung der Abgastemperatur vor und hinter dem Katalysator. Zu diesem Zwecke ist ein weiteres Thermoelement 84 vor bzw. stromaufwärts des Katalysators 70 angeordnet. Ein entsprechendes Verfahren ist in Figur 5 dargestellt.
Bei dem gemäss Figur 5 dargestellten Verfahren wird in einem Schritt 501 ein Drehzahl- und Last abhängiges Kennfeld einer Katalysatorexothermie bei nicht eingeschalteter Tankentlüftung berechnet. In Schritten 502 und 503 werden die Abgastemperaturen vor und nach dem Katalysator gemessen. In einem Schritt 504 wird die Differenz aus den so gemessenen Temperaturen ermittelt. Die wiederum mittels Verzögerungsglied und Tiefpass modifizierten Werte des in Schritt 501 ermittelten Kennfeldes werden in einem Schritt 505 mit der in Schritt 504 festgestellten Temperaturdifferenz unter Quotientenbildung korreliert. Aus der sich so ergebenden Kennlinie des Temperaturquotienten lässt sich die Beladung des Aktivkohlebehälters 50 ermitteln (Schritt 506).
Vorteile insbesondere gegenüber der unter Bezugnahme auf Figur 3 dargestellten Methode bestehen darin, dass hierbei die absolute Abgastemperatur, die nicht nur von der Drehzahl und der Last, sondern auch vom Zündwinkel, Lambda usw. abhängt, nicht bekannt sein muss. Daher vereinfacht sich das in Figur 3 beschriebene Abgastemperaturmodell hier zu einem lediglich von der Drehzahl und der Last des Motors abhängigen Katalysatorexothermiemodell.
Bei dem in Figur 4 beschriebenen Verfahren wurde die Möglichkeit erörtert, die Abgastemperaturen für verschiedene Kennfeldbereiche zu ermitteln, d.h. zu messen, und zu speichern. In analoger Weise ist es möglich, die Katalysatorexothermie festzustellen. Ein entsprechendes Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf Figur 6 erläutert. Hierbei werden in einem Schritt 601 zunächst bei nicht eingeschalteter Tankentlüftung über geeignete Drehzahl- und Lastbereiche Abgastemperaturen vor und nach dem Katalysator gemessen (Schalter 602' bei 602 in gestrichelt dargestellter Position). Die so ermittelten Temperaturdifferenzen werden in einem drehzahl- und lastabhängigen Adaptionskennfeld für eine Katalysatorexothermie ohne Tankentlüftung gespeichert. Nach Zuschaltung der Tankentlüftung bei (602, Schalter 602' in zweiter, mittels durchgezogener Linie dargestellter Position) werden die so ermittelten Werte durch die jeweils gemessenen Temperaturdifferenzen vor und nach dem Katalysator bei aktiver Tankentlüftung dividiert (Schritt 603). Auf der Grundlage dieser Quotientenbildung wird in Schritt 604 die Kennlinie des in Schritt 603 ermittelten Quotienten bezüglich der Beladung des Aktivkohlebehälters 50 ermittelt. Dieser Algorithmus stellt also wiederum die Katalysatorexothermie ohne Tankentlüftung durch Messung fest, um sie nach dem Ende der Feststell- bzw. Lernphase mit der gemessenen Katalysatorexothermie bei eingeschalteter Tankentlüftung zu vergleichen, und auf der Grundlage dieses Vergleiches die Beladung des Aktivkohlebehälters zu ermitteln.
Auf der Grundlage der dargestellten Verfahren erfolgt eine Regelung der Tankentlüftungsrate zweckmässigerweise zur Bereitstellung einer konstanten Abgastemperatur oder einer vorgegebenen Durchflussmenge des Regenerierventils 64. Ziel der Regenerierung ist es hierbei, die gebundenen Kohlenwasserstoffe aus dem Aktivkohlebehälter 50 zu entfernen. Abhängig von einer ermittelten Ladung des Aktivkohlebehälters 50 kann dann eine mehr oder weniger intensive Regeneration durchgeführt werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Beladung eines Aktivkohlebehälters eines Tankentlüftungssystems eines insbesondere direkteinspritzenden Ottomotors, mit einer Feststellung des thermischen Einflusses eines Betriebes der Tankentlüftung auf das Abgas des Ottomotors und einer Feststellung der Beladung des Aktivkohlebehälters auf der Grundlage dieses thermischen Einflusses, wobei eine stromabwärts eines dem Ottomotor nachgeschalteten Katalysators festgestellte Abgastemperatur bei aktiver Tankentlüftung mit einer bei ausgeschalteter bzw. inaktiver Tankentlüftung ermittelten Abgastemperatur verglichen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperaturen bei nicht aktiver Tankentlüftung über ein Modell berechnet werden und durch bei aktivierter Tankentlüftung gemessene Abgastemperaturen geteilt werden, wobei auf der Grundlage derart festgestellter Temperaturquotienten die Beladung des Aktivkohlebehälters berechnet bzw. anhand entsprechender Kennlinienfelder abgeleitet wird oder dass Abgastemperaturen bei nicht aktiver Tankentlüftung gemessen und in einem von der Motordrehzahl und Motorlast abhängigen Kennfeld gespeichert werden, bei aktiver Tankentlüftung gemessene Abgastemperaturen durch die derart gespeicherten Abgastemperaturen dividiert, und die Beladung des Aktivkohlebehälters auf der Grundlage derart ermittelter Temperaturquotienten ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass Differenzen von Abgastemperaturen vor und nach dem Katalysator bei nicht aktiver Tankentlüftung über ein Modell berechnet werden und durch bei aktivierter Tankentlüftung gemessene Abgastemperaturdifferenzen geteilt werden, wobei auf der Grundlage derart festgestellter Abgastemperaturdifferenzquotienten die Beladung des Aktivkohlebehälters berechnet bzw. anhand entsprechender Kennlinienfelder abgeleitet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage vor und nach dem Katalysator gemessener Abgastemperaturen Abgastemperaturdiffereinzen bei nicht aktiver Tankentlüftung gemessen und in einem von der Motordrehzahl und Motorlast abhängigen Kennfeld gespeichert werden, bei aktiver Tankentlüftung gemessene Abgastemperaturdifferenzen durch die derart gespeicherten Abgastemperaturdifferenzen dividiert, und die Beladung des Aktivkohlebehälters auf der Grundlage derart ermittelter Temperaturdifferenzquotienten ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem festgestellten Beladungszustand eines Aktivkohlebehälters eine Steuerung eines Regenerierventils eines mit einem Tankentlüftungssystem ausgebildeten, insbesondere direkt einspritzenden Ottomotors, ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Regenerierventils in Abhängigkeit von der Abgastemperatur, einem Drehzahl-Last-Betriebspunkt des Motors, einer Beladung des Aktivkohlebehälters, und/oder des Betriebsmodus des Motors oder einer Kombination dieser Parameter durchgeführt wird.
  6. Direkteinspritzender Ottomotor mit einem nachgeschalteten Katalysator (70), mit einem dem Katalysator nachgeschalteten Thermoelement (74) zur Messung der Abgastemperatur stromabwärtig des Katalysators (70) und einem stromaufwärtig des Katalysators (70) ausgebildeten Thermoelement (84) zur Messung einer Abgastemperatur stromaufwärtig des Katalysators (70), gekennzeichnet durch eine das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführende Rechnereinrichtung (60).
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