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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Leckagen
in einem Tanksystem, insbesondere in Kraftfahrzeugen, wobei aus Druckänderungen
im Tanksystem als Reaktion auf von außen verursachte Druckschwankungen
auf das Vorhandensein von Leckagen geschlossen wird.
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Für
verschiedene Märkte, beispielsweise USA, Kanada und Korea,
fordert der Gesetzgeber bereits eine Erkennung von Undichtigkeiten
(Leckagen) im Tank bzw. in Tanksystemen, um mögliche Quellen
für Kraftstoffemissionen zu erkennen und möglicherweise
zu beheben. Bestehende Verfahren hierfür basieren oftmals
auf einer Erkennung von Druckänderungen, die im Tanksystem
als Reaktion auf äußere Druckschwankungen auftreten.
Die äußeren Druckschwankungen können
durch die Umgebungsbedingungen, z. B. Temperaturschwankungen, verursacht
werden oder durch einen gezielten Eingriff hervorgerufen werden.
Im Falle eines vorhandenen Tanklecks steigt bzw. fällt
bei geschlossenem Ventil ein derart im Tanksystem verursachter Unterdruck bzw. Überdruck
allmählich, da über das Leck Umgebungsluft in
den Tank einströmen kann. Durch einfache Druckmessung lässt
sich somit das Vorliegen eines Lecks im Tank bzw. in der gesamten
Tankanlage feststellen. Derartige Druckänderungen lassen
sich beispielsweise durch im Brennstofftank angeordnete Drucksensoren
erfassen.
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Beispielsweise
kann im System ein Unterdruck erzeugt werden, indem durch Öffnen
eines Tankentlüftungsventils zwischen Tank bzw. Aktivkohlefilter
und Saugrohr durch den im Leerlauf im Saugrohr vorhandenen Unterdruck
Kraftstoffdämpfe aus der Tankanlage abgesaugt werden. Bei
einer dichten Tankanlage bleibt der vorhandene Unterdruck bei geschlossenen
Ventilen über längere Zeit im Tank bzw. in der
Tankanlage bestehen. Im Falle von vorhandenen Undichtigkeiten bzw.
Leckagen baut sich dieser Unterdruck schneller ab, so dass aus dem
mittels Drucksensoren erfassten Druckanstieg bzw. dem Abbau des
Unterdrucks auf das Vorhandensein dieser Undichtigkeiten geschlossen
werden kann.
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In
anderen Verfahren wird zur Erkennung von Leckagen ein Über-
oder Unterdruck in den Tank beispielsweise mittels einer elektrischen
Pumpe eingebracht. Hierbei wird die Geschwindigkeit des Druckabfalls
oder des Druckanstiegs beispielsweise direkt mittels eines Sensors
oder indirekt durch Beobachtung der elektrischen Leistungsaufnahme
der Pumpe ermittelt und hieraus auf eine Leckage geschlossen. Weiterhin
ist es möglich, den Tank in der Abstellphase abzusperren
und zu beobachten, inwieweit natürliche Temperaturschwankungen
zu entsprechenden Druckänderungen führen. Abhängig von
den festgestellten Druckänderungen kann auf die Dichtheit
bzw. Leckagen im Tanksystem geschlossen werden.
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Allerdings
hat die Ausnutzung eines Überdrucks, beispielsweise durch
Erwärmung des Tankinhalts, für eine Dichtheitsprüfung
den entscheidenden Nachteil, dass kraftstoffhaltige Gase oder Dämpfe
bei einer bestehenden Undichtigkeit an einem Aktivkohlefilter vorbei
in die Umwelt entströmen können. Daher berücksichtigt
beispielsweise die
DE
100 12 778 A1 die Gastemperatur bzw. die Dampftemperatur
bei der Durchführung einer Dichtigkeitsprüfung.
Hiermit werden Vorhersagen getroffen, ob ein Überdruck
in der Brennstofftankanlage gegenüber einem entsprechenden
Druck in der Umgebung zu erwarten ist. In diesem Fall wird die Dichtheitsprüfung
nicht durchgeführt und die Kraftstoffdämpfe werden über
den Aktivkohlefilter aufgefangen.
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Diese
Verfahren zur Erkennung von Leckagen aus dem Stand der Technik,
bei denen der Druck im Tank verändert wird, sind mit dem
Problem behaftet, dass die Erkennung von Leckagen dadurch verfälscht
werden kann, dass während der Durchführung des
Verfahrens zeitgleich zusätzliche Druckänderungen
durch Temperatureinflüsse auftreten können. Temperaturschwankungen
können eine Ausdehnung oder Komprimierung sowie eine Verdampfung
des Kraftstoffs aus der Flüssigphase in die Gasphase bzw.
eine Kondensierung aus der Gasphase in die Flüssigphase
bedingen. Durch derartige Zusatzeffekte reduziert sich die Genauigkeit
der Leckdiagnose. Dies kann im schlimmsten Fall dazu führen, dass
ein vorhandenes Leck nicht erkannt wird oder dass bei einem dichten
System fälschlicherweise ein Leck diagnostiziert wird.
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Bei
Verfahren aus dem Stand der Technik, die die Leckdiagnose auf Druckänderungen
stützen, die durch natürliche Temperaturschwankungen
bedingt sind, werden diese Temperaturschwankungen im Allgemeinen
nicht quantitativ berücksichtigt. Vielmehr wird lediglich
pauschal berücksichtigt, ob die Druckänderung
im Tank eine bestimmte Schwankungsbreite übersteigt. Hieraus
lässt sich auf die Dichtigkeit des Systems schließen.
Sofern die bestimmte Schwankungsbreite nicht überstiegen
wird, kann auf vorhandene Leckagen geschlossen werden. Da die natürlichen
Temperaturschwankungen sehr unterschiedlich ausfallen können,
ergibt sich hierbei eine erhebliche Toleranz in der Leckerkennungsschwelle.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 10143 327 A1 berücksichtigt bereits
den Einfluss der Temperatur auf die Kraftstoffverdampfung bei einer
Leckdiagnose, indem eine Korrekturgröße in das
Verfahren eingebracht wird, die von der Kraftstofftemperatur abhängt.
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Derzeitige
gesetzliche Vorgaben fordern eine Erkennung von Leckagen mit einem
Durchmesser von 0,5 mm. Dies eröffnet die Möglichkeit,
die Schwellenwerte für die Diagnosen so festzulegen, dass
im Idealfall die Leckerkennungsschwelle zum Beispiel bei 0,35 mm
liegt. Bei aktuellen Bedingungen, die die Leckerkennungsschwelle
nach oben verschieben, wird dennoch ein 0,5 mm-Leck noch sicher erkannt.
Im umgekehrten Fall, das heißt bei Bedingungen, die die
Erkennungsschwelle nach unten verschieben, wird dennoch ein 0,0
mm-Leck, das heißt ein dichtes System, immer noch als dicht
erkannt.
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Insbesondere
bei mehrteiligen Tanksystemen, wie sie bei verschiedenen Hybridfahrzeugen zum
Einsatz kommen, ist die derzeit geforderte Erkennungsschwelle jedoch
problematisch. Beispielsweise bei zweiteiligen Tanksystemen müssen
beide Teilräume jeweils für sich bezüglich
Leckagen diagnostiziert werden. Hierbei gilt der 0,5 mm Grenzwert für
die Summe aller Leckagen. Die Leckdiagnosen für die Teilräume
müssen also mit schärferen Schwellenwerten als
0,5 mm erfolgen. Die bekannten Verfahren zur Erkennung von Leckagen
mit den erheblichen Schwankungen der Leckerkennungsschwellen aufgrund
von Temperaturschwankungen sind daher wenig geeignet, insbesondere
bei derartigen Systemen eine sichere Diagnose zu erlauben.
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Die
Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Erkennung
von Leckagen bereitzustellen, das die beschriebenen Nachteile aus
dem Stand der Technik vermeidet. Insbesondere soll das Verfahren
die Schwankungsbreiten der Erkennung von Leckagen, die durch sich ändernde
Umgebungsbedingungen verursacht werden, reduzieren, um so eine sichere
und zuverlässige Diagnose von Undichtigkeiten in Tanksystemen
zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung von Leckagen
in einem Tanksystem, insbesondere in Kraftfahrzeugen, schließt
aus Druckänderungen im Tanksystem, die als Reaktion auf
von außen verursachte Druckschwankungen auftreten, auf
das Vorhandensein von Leckagen. Diese von außen verursachten
Druckschwankungen können durch sich ändernde Umgebungsbedingungen
oder durch gezielte Eingriffe hervorgerufen werden. Erfindungsgemäß wird
hierbei der Einfluss der Temperatur im Tanksystem berücksichtigt.
Hierbei wird für eine vorgebbare Leckagengröße
eine zu erwartende Druckänderung im Tanksystem in Abhängigkeit
von der Temperatur ermittelt und aus dem Vergleich einer tatsächlichen
Druckänderung mit der zu erwartenden Druckänderung
auf das Vorhan densein von Leckagen geschlossen. Dieses Verfahren
ermöglicht eine wesentlich genauere und zuverlässigere
Erkennung von Leckagen in Tanksystemen mit einer größeren Trennschärfe
der Leckdiagnose, als es bei herkömmlichen Verfahren möglich
ist. Die Berücksichtigung der Temperatur bei der Durchführung
des Verfahrens erlaubt eine quantitative Erfassung von temperaturabhängigen
Volumenänderungen, insbesondere Ausdehnungen oder Kompressionen,
sowie von Aggregatzustandsänderungen des Kraftstoffs durch Verdampfung
beziehungsweise durch Kondensation von Kraftstoffdämpfen.
Bei herkömmlichen Verfahren ist es erforderlich, diese
Effekte durch entsprechende Applikationstoleranzen der Schwellenwerte
zu berücksichtigen. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren fließen diese Effekte direkt in die Durchführung bzw.
Auswertung des Verfahrens ein, so dass eine größere
Trennschärfe der Leckdiagnose erreicht wird. Die Leckerkennungsschwellen
können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
deutlich unterhalb der üblichen, beziehungsweise gesetzlich
geforderten 0,5 mm-Schwelle abgesenkt werden. Dies ist vor allem
bei mehrteiligen Tanksystemen vorteilhaft, die in ihren einzelnen
Teilräumen mit entsprechend niedrigen Schwellenwerten diagnostiziert
werden müssen. Auch in Zukunft möglicherweise
gesetzlich geforderte niedrigere Schwellenwerte können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Weiteres
sicher diagnostiziert werden.
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Zur
Ermittlung der zu erwartenden Druckänderung sind vorzugsweise
mindestens die folgenden Schritte vorgesehen. Zunächst
wird der Gleichgewichts-Dampfdruck des Kraftstoffs (HC) als Partialdruck
bei gegebener Temperatur ermittelt. In Abhängigkeit von
der Temperatur stellt sich bei jedem Kraftstoff ein Gleichgewicht
zwischen den Kraftstoffdämpfen (Gasphase) und der Flüssigphase
ein. Dieser Gleichgewichts-Dampfdruck pHCequi lässt
sich für jeden Kraftstoff als Funktion der Temperatur darstellen. Anhand
der Abhängigkeit des Gleichgewichts-Dampfdrucks von der
Temperatur wird der Gleichgewichts-Dampfdruck bei bekannter Temperatur
ermittelt. Zwischen diesem theoretischen Gleichgewichts-Dampfdruck
pHCequi und dem tatsächlichen Dampfdruck
besteht in der Regel eine Abweichung. In einem ersten Summationspunkt
wird die Abweichung zwischen pHCequi und
einem modellierten Partialdruck pHC ermittelt.
Der modellierte Partialdruck pHC spiegelt
den tatsächlichen Dampfdruck des Kraftstoff wider. In einem
weiteren Schritt wird die Verdampfungsrate des Kraftstoffs ermittelt.
Dies erfolgt vorzugsweise unter der Annahme, dass die Verdampfungsrate
im Wesentlichen proportional zur Abweichung von pHCequi und
pHC ist.
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Um
die HC-Masse zu berücksichtigen, die durch ein angenommenes
Leck aus dem Tanksystem ausströmt, wird in einem weiteren
Summationspunkt die Netto-Verdampfungsrate als Differenz zwischen der
im vorherigen Schritt ermittelten Verdampfungsrate und einem modellierten
HC-Leckstrom bestimmt. Durch Integration der Netto-Verdampfungsrate über
die Zeit wird die dampfförmige HC-Masse bestimmt. Die dampfförmige
HC-Masse repräsentiert die Gasphase des Kraftstoffs im
Tanksystem bzw. im Tankbehälter. In Abhängigkeit
davon, ob die Verdampfungsrate oder der HC-Leckstrom größer
ist, ist die zeitliche Änderung der HC-Masse positiv oder
negativ. Unter Berücksichtigung des gegebenen Volumens
im Tanksystem und bei gegebener Temperatur sowie unter Berücksichtigung
eines Dichtefaktors kann aus der dampfförmigen HC-Masse
der Partialdruck pHC bestimmt werden, der
als modellierter Partialdruck pHC in dem
oben beschriebenen Schritt zur Ermittlung der Abweichung zwischen
pHCequi und dem modellierten Partialdruck
pHC eingeht.
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Entsprechend
der Modellierung der Änderung des Partialdrucks pHC wird auch die Änderung des Partialdrucks
der Luft pair ermittelt. Hierbei ergibt sich
als Vereinfachung, dass für die Modellierung der Änderung
der Luftmasse im Tank nur der Leckmassenstrom berücksichtigt
werden muss, nicht aber noch zusätzliche ein Verdampfungs-
bzw. Kondensationsterm. In bevorzugter Weise wird unter Berücksichtigung
des Luft-Leckstroms der Anfangsluftstrom über die Zeit
integriert, um so die Gesamtluftmasse in dem Behältnis,
insbesondere im Tanksystem zu ermitteln. Bei bekanntem Volumen und
bei bekannter Temperatur unter Berücksichtigung eines Dichtefaktors
lässt sich aus der Gesamtluftmasse der Partialdruck Luft
pair errechnen, der in die Errechnung der Gesamtausströmmasse
durch ein Leck vorgebbarer Größe eingeht.
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Mit
den nun modellierten Partialdrücken für Luft und
HC ergibt sich ein modellierter Gesamtdruck als Summe der beiden
Partialdrücke. Aus dem modellierten oder alternativ auch
gemessenen Gesamtdruck kann mit bekannten Verfahren der Thermodynamik
ein Leck-Massenstrom bei vorgebbarer Leckagengröße
berechnet werden. Für die Aufteilung des Leckmassenstroms
in Luft- und HC-Anteil wird angenommen, dass Luft und HC-Dampf im
Tank hinreichend gleichmäßig vermischt sind, so
dass sich die Teil-Massenströme entsprechend den aus den
Partialdrücken ableitbaren Masse-Konzentrationen verhalten.
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Der
HC-Anteil des modellierten Leckstroms wird zur Bestimmung der Netto-Verdampfungsrate als
Differenz zwischen der Verdampfungsrate und dem modellierten HC-Leckstrom
wie oben beschrieben herangezogen.
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Für
die Erkennung eines i.O.-Systems bzw. eines Fehlers vergleicht man
nun den modellierten Gesamtdruck mit dem gemessenen Gesamtdruck. Wenn
nun (im typischen Beispiel eines Überdrucks im Tank) der
gemessene Druckanstieg langsamer ist als der unter Annahme einer
bestimmten Leckgröße modellierte Druckanstieg,
so kann man daraus schließen, dass ein Leck vorhanden ist,
das größer als die für die Berechnung
angenommene Leckgröße ist. Umgekehrt kann man
schließen, dass ein kleineres oder im Idealfall gar kein
Leck vorliegt, wenn der gemessene Druckanstieg schneller ist als
der modellierte Druckanstieg. Im Falle eines (in einem solchen Tanksystem
aber eher selten vorhandenen) Unterdrucks kehrt sich die Schlussfolgerung
sinngemäß um: wenn die tatsächliche Leckgröße
größer als die bei der Berechnung angenommene
ist, strömt Luft von außen in den Tank nach und
der tatsächliche Unterdruck baut sich langsamer auf als
modelliert. Bei einem Tank mit kleinerem Leck wird sich dagegen
der Unterdruck schneller aufbauen als gemäß der
Modellrechnung, weil die von außen nachströmende Luftmenge
geringer ist.
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Bei
diesem Verfahren handelt es sich um einen geschlossenen Berechnungsalgorithmus,
mit dem sich unter Kenntnis der Temperatur und unter der beschriebenen
Annahme zur Proportionalität der Verdampfungsrate zur Abweichung
des Gleichgewichts-Dampfdrucks vom tatsächlichen bzw. modellierten
Dampfdruck des Kraftstoff eine für eine bestimmte Leckgröße
zu erwartende Druckänderung über die Zeit errechnen
lässt. Diese zu erwartende Druckänderung für
eine be stimmte Leckgröße wird mit der tatsächlich
gemessenen Druckänderung verglichen. Je nachdem, ob die
tatsächliche Druckänderung kleiner oder größer
als die rechnerisch ermittelte Druckänderung ist, kann
auf ein Leck geschlossen werden, das größer oder
kleiner als die der Rechnung zugrunde gelegte Leckgröße
ist.
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Bei
solchen geschlossenen Verfahren ist es bekanntermaßen notwendig,
Anfangsbedingungen zu kennen. Um für diese Anfangsbedingungen
realitätsnahe Werte zu bekommen, wird unter bestimmten
Randbedingungen (z. B. wenn das Fahrzeug längere Zeit abgestellt
war und keine starken Temperaturschwankungen vorhanden waren) angenommen, dass
sich das Tanksystem nahe seinem Gleichgewicht befindet. Damit kann
man zu Beginn der Berechnung den Partialdruck pHC gleich
dem Gleichgewichtsdampfdruck pHCequi setzen.
Der Partialdruck der Luft pair ergibt sich
dann als Differenz des gemessenen Gesamtdrucks und des HC-Gleichgewichts-Dampfdrucks.
Somit sind die Anfangsbedingungen für den geschlossenen
Algorithmus bekannt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens entspricht die vorgebbare Leckagengröße
bzw. Leckgröße einem Leck mit einem Durchmesser
von 0,1 mm bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 0,6 mm. Besonders
bevorzugt ist eine vorgebbare Leckagengröße mit
einem Durchmesser von 0,5 mm. 0,5 mm entspricht der derzeit gesetzlich
geforderten Schwelle zur Diagnose von Tanklecks. Insbesondere bei
mehrteiligen Tanksystemen kann es bevorzugt sein, eine niedrigere
Schwelle, beispielsweise ein Durchmesser von 0,3 mm, der Berechnung
zugrunde zu legen.
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In
einer bevorzugen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Temperatur, die erfindungsgemäß berücksichtigt
wird, im Tanksystem gemessen. Hierfür ist vorzugsweise
ein geeigneter Temperatursensor vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich
hierzu kann die Temperatur im Tanksystem geschätzt werden.
Dies kann beispielsweise durch Anwendung eines entsprechenden Modells, das
die Bilanz von Wärmeeinträgen widerspiegelt, erfolgen.
Durch die Messung der Temperatur im Tanksystem kann die Temperatur
gegebenenfalls genauer und zuverlässiger erfasst werden.
Die Schätzung der Temperatur über geeignete Modelle
hat den Vorteil, dass eine weitere Sensorik, insbesondere Temperatursensoren,
im Tanksystem nicht erforderlich ist. Bei der Schätzung
der Temperatur, die in einem geeigneten Steuergerät vorgenommen
werden kann, ist für das erfindungsgemäße
Verfahren lediglich ein Drucksensor im Tanksystem notwendig, der zur
Erfassung der Druckänderungen vorgesehen ist. Die tatsächliche
Druckänderung kann mit einem oder mehreren üblichen
Drucksensoren erfasst werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Außentemperatur
zur Bestimmung der Temperatur im Tanksystem herangezogen. Die Durchführung
der erfindungsgemäßen Tankleckdiagnose wird vorzugsweise
mit einer Zeitverzögerung nach der Messung der Außentemperatur
durchgeführt, beispielsweise cirka eine Stunde, um gegebenenfalls
einen Temperaturangleich im Tanksystem an die Außentemperatur
zu ermöglichen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird für die Ermittlung der zu erwartenden Druckänderung
der Verlauf des Dampfdrucks eines Kraftstoffs als Funktion der Temperatur
berücksichtigt. Beispielsweise wird dieser Verlauf der
Kraftstoff-Dampfdruckkurve in einem Steuergerät hinterlegt
und abgerufen. Mit besonderem Vorteil wird eine Dampfdruckkurve
eines typischen Kraftstoffs verwendet. Insbesondere handelt es sich
hierbei um einen typischen Kraftstoff, dessen Verwendung im Kraftfahrzeug
zu erwarten ist, wenn das Verfahren zur Erkennung von Leckagen durchgeführt
wird.
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Besonders
bevorzugt werden mehrere Dampfdruckkurven beziehungsweise Verläufe
des Dampfdrucks als Funktion der Temperatur für verschiedene
Kraftstoffe hinterlegt. Gemäß dieser Ausführungsform
wird dann eine geeignete Dampfdruckkurve ausgewählt und
für das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt.
Vorzugsweise wird die Dampfdruckkurve desjenigen Kraftstoffs ausgewählt und
berücksichtigt, der aktuell im Kraftfahrzeug verwendet
wird oder der diesem am Nächsten kommt. Das Verhalten unterschiedlicher
Kraftstoffe im Hinblick auf Druckänderungen im Tanksystem,
die erfindungsgemäß erfasst werden, kann sich
deutlich voneinander unterscheiden. Dies kann zu Ungenauigkeiten
in der Leckerkennung führen. Erfindungsgemäß ist
es daher vorgesehen, dieses unterschiedliche Verhalten der verschiedenen
Kraftstoffe zu berücksichtigen, indem im erfindungsgemäßen
Verfahren die Dampfdruckkurve des Kraftstoffs herangezogen wird,
der aktuell verwendet wird. Die Auswahl einer entsprechenden Dampfdruckkurve
kann anhand verschiedener Kriterien erfolgen. Beispielsweise kann eine
Erkennung des jeweiligen Kraftstoffs nach üblichen Methoden
vorgenommen werden, um dann mit dieser Information die entsprechende
Dampfdruckkurve auszuwählen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird hierfür
die Kraftstoff-Volatilität bestimmt und anhand dieses Kriteriums
die entsprechende Kurve ausgewählt. Die Berücksichtigung
der Volatilität beziehungsweise der Flüchtigkeit
des Kraftstoffs, die beispielsweise bei Winter- und Sommerkraftstoff
in der Regel unterschiedlich ist, ist von besonderem Vorteil, da
sich die Flüchtigkeit des jeweiligen Kraftstoff bei den
erfindungsgemäß erfassten Druckänderungen
im Tanksystem nicht unerheblich auswirkt. In anderen Ausführungsformen
kann die Kraftstofferkennung beispielsweise mittels eines Kraftstoffqualitätssensors,
dem Verhalten von Abgaswerten bei dynamischen Lastwechseln (Übergangskompensation)
oder dem Verhalten des Motors beim Start (Startadaption) ermittelt
werden. Eine andere Möglichkeit, die Rückschlüsse
auf den jeweils verwendeten Kraftstoff erlaubt, ist die Berücksichtigung
der Jahreszeit, die Berücksichtigung des geographischen
Ortes des Fahrzeugs, beispielsweise über Satellitensysteme,
oder die Beobachtung des längerfristigen Verlaufs der Umgebungstemperatur.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind die von außen verursachten Druckschwankungen
natürliche Druckschwankungen, also Druckschwankungen, die
nicht auf separaten Druckquellen beruhen. Beispiele hierfür
sind variierende Umgebungsdrücke. In anderen bevorzugten
Ausführungsformen können die von außen
verursachten Druckschwankungen von separaten Druckquellen verursacht
werden, indem beispielsweise Luft in den Tank hineingepumpt wird (Überdruck)
oder Gas aus dem Tank abgesaugt wird (Unterdruck). Ein Unterdruck
im Tanksystem kann beispielsweise durch den beim Leerlauf im Saugrohr der
Brennkraftmaschine herrschenden Unterdruck erzielt werden. Die entsprechenden
positiven oder negativen Massenströme werden mit besonderem Vorteil
entsprechend im erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigt.
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Die
Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das die beschriebenen
Schritte des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät,
beispielsweise einem Steuergerät, abläuft. Schließlich
umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode,
der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist,
zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das
Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt
wird. Mit besonderem Vorteil werden die erfindungsgemäßen
Computerprogramme bzw. Computerprogrammprodukte zur Erkennung von
Leckagen in Tanksystemen bzw. zur Tankleckdiagnose bei Fahrzeugen
in entsprechenden Steuergeräten ausgeführt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Figuren im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen.
Hierbei können die verschiedenen Merkmale jeweils für
sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Figuren zeigen:
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1 schematische
Darstellung eines Tanksystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 Blockdiagramm
zur Ermittlung der zu erwartenden Druckänderung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Das
in 1 gezeigte Tanksystem 1 umfasst einen
Verbrennungsmotor 2, dem über ein Saugrohr 3 und
ein Kraftstoffzumessmittel 4 Kraftstoff aus einem Tank 5 zugeführt
wird. Verdampfender Kraftstoff bzw. Kraftstoffdämpfe aus
dem Tank 5 werden in einem Aktivkohlefilter 6 aufgefangen
und gespeichert. Durch Öffnung eines Tankentlüftungsventils 7 können
die gespeicherten Kraftstoffdämpfe über das Saugrohr 3 dem
Verbrennungsmotor 2 zugeleitet werden. Hierfür
wird über ein geöffnetes Absperrventil 8 Frischluft
angesaugt, die aufgrund der sich einstellenden Druckverhältnisse
den Aktivkohlefilter 6 durchspült, die Kraftstoffdämpfe
aufnimmt und dem Verbrennungsmotor 2 zuführt.
Zur Steuerung der Ventile 7 und 8 ist ein Steuergerät 9 vorgesehen. Über
einem Sensor 10 werden dem Steuergerät 9 Signale
zugeführt, die den Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2,
wie z. B. Drehzahl, Last und gegebenenfalls weitere Größen,
repräsentieren. Über einen Abgassensor 11 im
Abgasrohr 12 werden Signale bezüglich des Abgases
an das Steuergerät 9 weitergeleitet. Ein Drucksensor 13 stellt
Signale bereit, die den Druck im Tankentlüftungssystem,
beispielsweise im Tank 5, repräsentieren. Erfindungsgemäß werden
diese Informationen über die im Tank 5 bzw. im
Tanksystem auftretenden Druckänderungen als Reaktion auf
von außen verursachte Druckschwankungen mit einer zu erwartenden
Druckänderung verglichen und auf das Vorhandensein von
Leckagen im Tanksystem 1 geschlossen. Die von außen
verursachten Druckschwankungen können durch sich ändernde
Umgebungsbedingungen oder durch gezielte Eingriffe hervorgerufen
werden. Beispielsweise kann durch Schließen des Ventils 8 und Öffnen
des Ventils 7 durch den im Saugrohr 3 der Verbrennungsmaschine 2 herrschenden
Unterdruck die Kraftstoffdämpfe aus dem Tanksystem, insbesondere
dem Tank 5 und dem Aktivkohlefilter 6, abgesaugt
werden, so dass im Tankentlüftungssystem ein Unterdruck
entsteht. Wenn ein bestimmtes Unterdruckniveau erreicht ist, wird
das Tankentlüftungssystem durch Schließen des
Ventils 7 geschlossen. Über den Drucksensor 13 wird
im Verlauf der Zeit beobachtet, inwieweit und mit welcher Geschwindigkeit dieser
Unterdruck abgebaut wird. Bei der Ermittlung der zu erwartenden
Druckänderung, die mit der tatsächlichen Druckänderung
verglichen wird, wird der Einfluss der Temperatur im Tanksystem
berücksichtigt. Hierzu ist vorzugsweise ein Temperatursensor 14 im
Tanksystem vorgesehen. In anderen Ausführungsformen ist
kein Temperatursensor vorhanden, sondern die Temperatur wird über
eine Schätzung, die insbesondere im Steuergerät 9 vorgenommen wird,
ermittelt. Dem Steuergerät 9 zugeordnet ist eine Fehlerlampe 15,
die das Diagnoseergebnis der erfindungsgemäßen
Dichtheitsprüfung anzeigen kann.
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Das
in 2 gezeigte Blockdiagramm gibt die Schritte wieder,
die für die Ermittlung der zu erwartenden Druckänderung
im Tanksystem in Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführt
werden können. Diese Schritte werden vorzugsweise im Steuergerät
eines Kraftfahrzeugs durchgeführt. Ausgangspunkt ist eine
Dampfdruckkurve eines oder mehrerer Kraftstoffe, also der Verlauf
des Dampfdrucks als Funktion der Temperatur für einen bestimmten
Kraftstoff. Gegebenenfalls kann eine Dampfdruckkurve, die dem Verhalten
des aktuell verwendeten Kraftstoffs entspricht oder diesem am Nächsten
kommt, aus einer Mehrzahl von Dampfdruckkurven ausgewählt
werden. Im Schritt 21 wird aus dieser Dampfdruckkurve anhand
der gegebenen Temperatur der Gleichgewichts-Dampfdruck für
die Kraftstoffdämpfe pHCequi ermittelt.
Im Schritt 22 wird die Differenz des Gleichgewicht-Dampfdrucks
pHCequi und eines modellierten Partialdrucks
pHC gebildet. Der modellierte Partialdruck
pHC wird in den nachfolgend beschriebenen
Schritten 26 bis 27 gebildet. Unter Berücksichtigung
einer Verdampfungskonstante, die die Dampfbildungsstärke
in Abhängigkeit von der Abweichung von Gleichgewicht kennzeichnet,
z. B. 0,25 g/hPa h, wird im Schritt 23 aus der Differenz
bzw. der Abweichung zwischen pHCequi und
pHC eine Verdampfungsrate des Kraftstoffs
ermittelt. Dies erfolgt unter der Annahme, dass die Verdampfungs-
bzw. Kondensationsrate proportional zum Abstand des Dampfdrucks vom
Gleichgewicht (lineares Modell) ist. Von dieser Verdampfungsrate
wird im Schritt 24 ein modellierter HC-Leckmassenstrom
zur Bestimmung der Netto-Verdampfungsrate abgezogen. Die Bildung
des modellierten HC-Leckmassenstroms wird nachstehend bei Schritt 28 erläutert.
Aus der Integration dieser Differenz über die Zeit im Schritt 25 ergibt
sich die gesamte HC-Masse in der Gasphase. Aus dieser gesamten HC-Masse
in der Gasphase errechnet sich mittels der allgemeinen Gasgleichung
in den Schritten 26 und 27 bei bekanntem Volumen,
bei bekannter Temperatur und unter Berücksichtigung eines
Dichtefaktors der Partialdruck pHC. Dieser
Partialdruck geht als Eingangsgröße in den Schritt 22 ein.
Aus dem Parti aldruck pHC und dem Partialdruck
pair, dessen Berechnung in den Schritten 29 bis 31 beschrieben wird,
ergibt sich als Summe der Gesamtdruck im Tank. Mit pHC und
pair wird bei einer vorgebbaren Leckgröße,
beispielsweise mit einem Durchmesser von 0,3 mm oder 0,5 mm, in
Schritt 28 berechnet, welcher Massenstrom HC (HC-Leckstrom)
und welcher Massenstrom Luft (Luft-Leckstrom) aus diesem Leck ausströmt
bzw. wie viel Luft im Falle eines Unterdrucks in das Leck einströmt.
Die Berechnung von Massenströmen durch ein Leck bestimmter
Größe ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise
anhand der sogenannten Drosselgleichung ermittelbar. Der HC-Anteil
des Leckmassenstroms (HC-Leckstrom) geht in die Differenzbildung
in Schritt 24 ein. Die Integration der Anfangsmasse der
Luft unter Berücksichtigung des Luft-Leckstroms über
die Zeit in Schritt 29 ergibt die Gesamtmasse der Luft
in der Gasphase des Tanks. In den Schritten 30 und 31 wird
aus der Luftmasse über die allgemeine Gasgleichung wiederum
unter Berücksichtigung von Temperatur und Volumen und einem
Dichtefaktor der Partialdruck der Luft pair errechnet.
Der errechnete Partialdruck der Luft pair geht
in Schritt 28 ein.
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Für
einen derartigen rekursiven Berechnungsalgorithmus ist es notwendig,
zu Beginn der Berechnung die Anfangsbedingungen zu kennen, in diesem
Fall die Partialdrücke für HC und für
Luft. Dazu nimmt man z. B. nach längeren Stillstandsphasen,
bei denen auch keine großen Temperaturschwankungen stattgefunden
haben, an, dass sich das Tanksystem zumindest in der Nähe
des Gleichgewichts befindet. Damit kann man als Anfangsbedingung
pHC gleich pHCequi setzen,
welches im Schritt 22 aus den im Steuergerät hinterlegten
Datensätzen und der gemessenen oder modellierten Temperatur im
Tank berechnet wird. Der Gesamtdruck im Tank ergibt sich bei belüftetem
Tank in der Regel aus dem Atmosphärendruck. Bei einem abgeschlossenen Tanksystem
ist der Gesamtdruck beispielsweise über einen Drucksensor
oder die Stromaufnahme einer Pumpe ermittelbar. Somit erhält
man den Anfangswert für den Partialdruck der Luft als Differenz
des erfassten Gesamtdrucks und dem Anfangswert für pHC.
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Auf
diese Weise lassen sich für eine angenommene Leckgröße
die zu erwartenden Druckänderungen berechnen. Dies geschieht
unter Berücksichtigung der aktuellen Temperatur. Diese
kann sich beispielsweise aus einer Temperaturmessung im Tank oder
aus einer Schätzung der Temperatur in beschriebener Weise
ergeben. Der errechnete Wert, das heißt die Änderung
der Summe pHC und pair über die
Zeit, wird mit gemessenen Werten für Druckänderungen
verglichen. Dies erlaubt Rückschlüsse auf das
Vorhandensein einer Leckage oberhalb der angenommenen Leckgröße
als Schwellenwert. Wenn beispielsweise eine Leckgröße
mit einem Durchmesser von 0,3 mm als Schwellenwert erkannt werden soll,
wird die Berechnungsmethode unter Berücksichtigung der
Leckgröße von 0,3 mm angewandt. Ist im Fall von Überdruck
im System der gemessene Druckgradient positiver als der modellierte
Druckgradient, so ist davon auszugehen, dass real weniger Gasverluste
durch Leckage stattfinden als einem 0,3 mm-Leck entspricht. Das
System kann also als i. O. identifiziert werden. Im Falle von Unterdruck
im System kann auf ein i.O.-System geschlossen werden, wenn der
gemessene Druckgradient negativer als der mit 0,3 mm modellierte
Druckgradient ist, weil man daraus schließen kann, dass
weniger Gas durch Leckagen einströmt. In der jeweiligen
logischen Umkehrung der beiden beschriebenen Fälle kann
dagegen auf ein System geschlossen werden, dass eine größere
Leckage als die angenommenen 0,3 mm hat.
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Das
in 2 dargestellte Berechnungsmodell geht von natürlichen
Druckschwankungen aus, die also keine Zufuhr oder Abfuhr von Luft-
bzw. von Gasmassenströmen in das System umfassen. Das Verfahren
lässt sich jedoch auch auf separate Druckquellen anwenden,
die eine Zufuhr oder Abfuhr von Gasen im System mit sich bringen.
In dem Fall, dass Luft zur Erzeugung eines Überdrucks in
den Tank bzw. das Tanksystem hineingepumpt wird, wird der zusätzliche
Luftmassenstrom mit positiven Vorzeichen im Integrator gemäß Schritt 29 berücksichtigt. Wird
Gas aus dem System abgesaugt zur Erzeugung eines Unterdrucks, wird
der Luft- bzw. HC-Anteil mit negativen Vorzeichen in beiden Integratoren
in den Schritten 25 und 29 berücksichtigt.
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Die
im Schritt 21 herangezogene Dampfdruckkurve kann den Verlauf
des Dampfdrucks als Funktion der Temperatur bei einem typischen
Kraftstoff widerspiegeln. In anderen besonders bevorzugten Ausführungsformen
können an dieser Stelle zwei oder mehr Kraftstoff-Dampfdruckkurven
hinterlegt sein. Für die Durchführung des Verfahrens
wird eine dieser Dampfdruckkurven ausgewählt, die das Verhalten
des aktuell verwendeten Kraftstoffs wiedergibt oder diesem Verhalten
am Nächsten kommt. Die Auswahl der jeweils geeigneten Kraftstoff-Dampfkurve
erfolgt bevorzugt anhand einer Bestimmung des aktuell verwendeten
Kraftstoffs. Diese Bestimmung kann anhand von konkreten Größen,
die den verwendeten Kraftstoff charakterisieren, erfolgen, beispielsweise
durch Messung der Kraftstoffqualität oder der Kraftstoff-Volatilität.
Weiterhin kann der Kraftstoff anhand des Verhaltens des Abgaswertes,
beispielsweise der Luftkennzahl Lambda, bei dynamischen Lastwechseln
(Übergangskompensation) oder durch das Verhalten des Motors
beim Start (Startadaption) erkannt bzw. bestimmt werden. Darüber
hinaus kann aus verschiedenen Indizien auf den verwendeten Kraftstoff
geschlossen werden, beispielsweise aus der Jahreszeit, aus dem geographischen
Ort des Fahrzeugs oder aus dem längerfristigen Verlauf
der Umgebungstemperatur.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10012778
A1 [0005]
- - DE 10143327 A1 [0008]