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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Füllstandsmenge
eines Tanksystems mittels einer Druckquelle, durch die eine Druckänderung in
dem Tanksystem erzeugbar ist, einer Druckteileranordnung mit einer
wenigstens einen Strömungswiderstand
vorbestimmter Größe in wenigstens
einem Referenzströmungszweig
umfassenden, von der Druckquelle mit Druck beaufschlagbaren Referenzmeßeinrichtung
und einer Druckmeßvorrichtung, durch
die zur Dichtheitsprüfung
die Differenz des Drucks in dem Tanksystem und des Drucks in der
Referenzmeßeinrichtung
simultan erfaßt
wird.
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Ein
derartiges Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Tanksystems geht
beispielsweise aus der
DE
196 25 702 A1 hervor. Des weiteren gehen aus der
DE 195 02 775 C1 sowie
der
DE 195 02 776
C1 Verfahren zur Überprüfung der
Dichtheit mittels eines Differenzflußmessers sowie mittels eines
Differenzdrucksensors hervor.
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All
diese Verfahren erlauben zwar eine Dichtheitsprüfung des Tanksystems. Durch
diese Verfahren ist es jedoch nicht möglich, neben der Dichtheit weitere
tankspezifische Größen oder
Eigenschaften des Tanksystems, beispielsweise den Füllstand
einer in dem Tanksystem befindlichen Flüssigkeit, zu erfassen.
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So
sind z.B. zur Füllstandsbestimmung
zusätzliche
Schwimmhebelgeber erforderlich, wie sie beispielsweise aus 3 hervorgehen. Diese Schweimmhebelgeber
sind jedoch schwierig zu montieren und erfordern darüber hinaus
bei einer komplizierten Tankgeometrie eine aufwendige Auswertung des
Füllstandsgebersignals,
da in diesem Falle zumeist ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen
der Füllhöhe und dem
Füllstand
existiert.
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Darüber hinaus
sind bei Zwei- oder Mehrkammertanks zwei Schwimmhebelgeber erforderlich, die
auf besonders komplizierte Weise gesondert ausgewertet werden müssen.
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Aus
der
DE 42 03 099 A1 geht
ein Verfahren zur Tankfüllstandserkennung
hervor, welches einerseits eine Dichtheitsprüfung des Tanks ermöglicht, andererseits
die Bestimmung dessen Füllstands.
Bei diesem Verfahren wird der Tank mit einer Druckänderung
beaufschlagt und aus dem Wert einer Druckänderungsgradientengröße innerhalb
einer vorgegebenen Zeitspanne auf den Füllstand des Tanks geschlossen.
Nachteilig bei diesem Gradientenverfahren ist, daß der Füllstand
einerseits nur unpräzise
erfaßbar
ist, da eine Gradientenbestimmung immer mit einem Fehler aufgrund
von Differenzbildungen behaftet ist. Zum anderen erfordert das Verfahren
einen technisch verhältnismäßig aufwendigen
Aufbau mit einer Vielzahl von Sensoren und Prüfeinrichtungen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Tanksystems
der gattungsgemäßen Art
derart weiterzubilden, daß möglichst
ohne zusätzliche
Sensoren, Geber u.dgl. und daher kostengünstig eine sehr präzise Aussage über den
Füllstand
einer in dem Tanksystem befindlichen Flüssigkeit getroffen werden kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Erfassung der Füllstandsmenge
eines Tanksystems der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß der
zeitliche Verlauf des Differenzdrucks während des Druckaufbau- und/oder Druckabbauvorganges
kontinuierlich erfaßt
und aus diesem auf den Füllstand
geschlossen wird.
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Die
kontinuierliche Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Differenzdrucks
während
des Druckaufbau- und/oder Druckabbauvorganges und das Schließen aus
diesem zeitlichen Verlauf auf den Füllstand, hat den besonders
großen
Vorteil, daß eine Dichtheitsprüfung des
Tanksystems auf einfache Weise und ohne zusätzliche Sensoren, Geber u.dgl. mittels
einer Vorrichtung zur Überprüfung des
Tanksystems auf Dichtheit ermöglicht
wird.
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Rein
prinzipiell genügt
ein einziger Strömungswiderstand
in einem Druckmesser zur Erfassung eines Lecks und zur Bestimmung
der Füllstandsmenge
in einem Tanksystem.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
des Verfahrens sieht jedoch vor, daß man den Differenzdruck mittels
eines in der Brückendiagonale einer
Druckteiler-Brücke angeordneten
Differenzdruckmessers erfaßt,
deren einer Zweig zwei Strömungswiderstände, die
zwischen der Druckquelle und der Atmosphäre angeordnet sind, und deren
anderer Zweig den Strömungswiderstand
des auf Dichtheit zu untersuchenden Tanksystems und einen zwischen
diesem und der Druckquelle angeordneten weiteren Strömungswiderstand
umfaßt.
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Die
Ausbildung der Druckteiler-Anordnung als Druckteiler-Brücke mit
einem in der Brückendiagonale
angeordneten Differenzdruckmesser hat insbesondere den großen Vorteil,
daß die
Vorrichtung bei einem zu erkennenden Leck abgeglichen und somit
in in diesem Arbeitspunkt unabhängig
von Toleranzen der Druckquelle ist. Hierdurch wird eine sehr präzise Bestimmung
der Füllstandsmenge
in dem Tanksystem ermöglicht.
Darüber
hinaus kann auf einfache Weise die Ausgasung von einer in dem Tanksystem
befindlichen Flüssigkeit
bestimmt werden.
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Vorteilhaft
ist es auch, daß das
Verfahren zur Bestimmung der Füllstandsmenge
eines Tanksystems durch eine Differenzdruckmessung unabhängig vom
Umgebungsdruck des Tanksystems ist.
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Die
Strömungswiderstände sind
vorzugsweise so dimensioniert, daß sie dieselbe Größe wie der Strömungswiderstand
eines kleinsten zu diagnostizierenden Lecks des Tanksystems aufweisen.
Es ist aber auch möglich,
daß die
Strömungswiderstände unterschiedliche
Größe aufweisen.
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Eine
sehr vorteilhafte Ausführungsform
des Verfahrens sieht vor, daß zunächst der
zeitliche Verlauf des Differenzdrucks des Druckaufbauvorgangs kontinuierlich
erfaßt
wird, daß daraufhin
der zeitliche Verlauf des Differenzdrucks während des Druckabbauvorganges
kontinuierlich erfaßt
wird, und daß durch
den Vergleich dieser zeitlichen Verläufe auf den Füllstand
des Tanks geschlossen wird.
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Durch
den Vergleich des zeitlichen Verlauf des Differenzdruckaufbauvorgangs
mit dem zeitlichen Verlauf des Differenzdruckabbauvorgangs wird insbesondere
eine Verfälschung
des Füllstandswerts vermieden,
der durch eine Ausgasung der in dem Tanksystem befindlichen Flüssigkeit,
die praktisch nicht vermieden werden kann, hervorgerufen wird.
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Eine
andere vorteilhafte Ausführungsform des
Verfahrens sieht vor, daß zunächst über ein
Bypaßventil
sehr schnell ein Druck in dem Tanksystem aufgebaut wird, daß daraufhin
das Bypaßventil
geschlossen und die Druckquelle abgeschaltet wird und daß über den
erfaßten
zeitlichen Verlauf des Differenzdrucks auf den Füllstand geschlossen wird.
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Dieses
Verfahren erlaubt durch das schnelle Aufpumpen des Tanksystems auf
besonders vorteilhafte Weise eine schnelle Bestimmung der Füllstandsmenge
des Tanksystems.
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Zur
Eliminierung der Ausgasung einer in dem Tanksystem befindlichen
Flüssigkeit
wird diese in einer Ausführungsform
des Verfahrens rechnerisch geschätzt
und zur Korrektur des Differenzdruckverlaufs herangezogen.
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Eine
andere besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens zur
Bestimmung der Ausgasung sieht vor, daß zur Messung der Ausgasung einer
in dem Tanksystem befindlichen Flüssigkeit in einem gesonderten
Meßverfahren
zunächst
bei geöffnetem
Bypaßventil
und abgedichteten Tanksystem der gemessene Differenzdruck als Offset
interpretiert wird, daß daraufhin
die zeitlichen Verläufe
der Drücke in
dem Tanksystem und in der Referenzmeßeinrichtung kontinuierlich
erfaßt
werden, während
das Tanksystem mit Druck beaufschlagt wird, und daß der so ermittelte
Differenzdruck zur Korrektur der Ausgasung verwendet wird.
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Zeichnung
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung eines
Kraftfahrzeugtanksystems, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Füllstandsbestimmung
verwendet wird;
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2a, 2b schematisch
den zeitlichen Druckverlauf in einem Kraftfahrzeugtanksystem während eines
Druckaufbaus bzw. während
eines Druckabbaus und
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3 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der
Füllstandsmenge
eines Kraftfahrzeugs.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
Verfahren zur Erfassung der Füllstandsmenge
eines Tanksystems wird nachfolgend anhand eines Kraftfahrzeugtanksystems
erläutert.
Es versteht sich jedoch, daß das
Verfahren nicht auf ein Kraftfahrzeugtanksystem beschränkt ist,
sondern rein prinzipiell in beliebigen Tanksystemen zur Anwendung
kommen kann.
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Wie
aus 3 hervorgeht, weist ein aus dem Stand der Technik
bekannter Füllstandsgeber
eines Kraftfahrzeugtanksystems einen in einem Tank 10 angeordneten
Schwimmer 11 auf, der mit einem Potentiometer 20 verbunden
ist. Abhängig
von der Stellung des Schwimmers 11 wird in dem Potentiometer 20 ein
elektrisches Signal erzeugt, das ein direktes Maß für die Füllstandshöhe in dem Tank 10 ist.
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Bei
dem nachfolgend erläuterten
Verfahren zur Bestimmung der Füllstandsmenge
eines Kraftfahrzeugtanksystems ist ein derartiger Füllstandsgeber
nicht erforderlich.
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Ein
Kraftfahrzeugtanksystem umfaßt
einen Tank 10, der über
ein Aktivkohlefilter 12 und über ein Tankentlüftungsventil 14 mit
einem Saugrohr 20 einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
verbunden ist. In dem Saugrohr 20 ist eine Drosselklappe 22 angeordnet.
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Durch
Verdunstung entstehen in dem Tank 10 Kohlenwasserstoff-Gase,
die sich in dem Aktivkohlefilter 12 anlagern. Zur Regenerierung
des Aktivkohlefilters 12 wird das Tankentlüftungsventil 14 geöffnet, so
daß aufgrund
des in dem Saugrohr 20 herrschenden Unterdrucks Luft der
Atmosphäre
durch das Aktivkohlefilter 12 gesaugt wird, wodurch die
in dem Aktivkohlefilter 12 angelagerten Kohlenwasser stoffe
in das Saugrohr 20 gesaugt und der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
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Zur
Prüfung
der Dichtheit des Kraftfahrzeugtanksystems ist eine Pumpe 30 vorgesehen,
die über eine
Druckteiler-Brücke 40 mit
dem Kraftfahrzeugtanksystem verbunden ist.
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Die
Druckteiler-Brücke 40 umfaßt einen
Brückenzweig 41,
in dem zwischen der Pumpe 30 und der Atmosphäre zwei
Strömungswiderstände 42, 43 angeordnet
sind. Der andere Brückenzweig 46 umfaßt einen
weiteren Strömungswiderstand 47,
der über
das Aktivkohlefilter 12 mit dem Kraftfahrzeugtank 10 verbunden
ist, sowie den Strömungswiderstand
des Kraftfahrzeugtanksystems.
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Die
Strömungswiderstände 42, 43 und 47 sind
dabei so dimensioniert, wie der Strömungswiderstand eines kleinsten
zu diagnostizierenden Lecks des Tanksystems. In der Brückendiagonale
ist ein Differenzdruckmesser 50 angeordnet.
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Vor
der eigentlichen Füllstandsbestimmung wird
nun zunächst
eine Leckdiagnose durchgeführt.
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Zur
Leckdiagnose wird zunächst
mittels der Pumpe 30 ein Druck in dem gesamten Kraftfahrzeugtanksystem
erzeugt. Sofern kein Leck vorhanden ist, entsteht an dem Differenzdruckmesser 50 ein
Differenzdruck Δp≠0, der das
Nichtvorhandensein eines Lecks signalisiert. Ist dagegen ein Leck
vorhanden und weist es eine Größe auf,
die den Strömungswiderständen 42, 43, 47 entspricht,
ist die Druckteiler-Brücke "abgeglichen", so daß von dem
Differenzdruckmesser 50 kein Differenzdruck {Δp=0) erfaßt und auf
diese Weise das Vorhandensein eines Lecks signalisiert wird.
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Im
Falle eines nicht vorhandenen Lecks wird daraufhin eine Füllstandsbestimmung
des Tanksystems auf nachfolgend beschriebene Weise durchgeführt.
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Das
als Bypaßventil
zu der Druckteiler-Brücke 40 angeordnete
Absperrventil 61 wird geschlossen. Durch die Druckquelle
wird das Tanksystem über
den Strömungswiderstand 47 mit
Druck beaufschlagt.
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Dabei
steigt der Druck p1 in dem einen Zweig 41 der Druckteiler-Brücke 40 zunächst sofort auf
die Hälfte
des Pumpförderdrucks
an, da der Strömungswiderstand 42 dieselbe
Größe aufweist
wie der Strömungswiderstand 43.
Der Druck p2 in dem anderen Zweig 46 der Druckteiler-Brücke 40 steigt mit
einer Zeitkonstanten auf den Pumpförderdruck an, wobei die Zeitkonstante
von dem Strömungswiderstand 47 und
dem Strömungswiderstand
des gesamten Tanksystems abhängt.
Aus dem zeitlichen Verlauf des erfaßten Differenzdrucks kann auf
das freie Tankvolumen, und somit auf den Füllstand geschlossen werden.
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Der
Druckverlauf des Drucks p2 in dem Zweig 46 weist dabei
den in 2a dargestellten Verlauf auf.
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Als
Störgröße macht
sich die Ausgasung des in dem Kraftfahrzeugtanksystem befindlichen
Kraftstoffes bemerkbar. Diese Ausgasung bewirkt einen zusätzlichen
Druckaufbau in dem Tanksystem und täuscht so einen volleren Tank
vor. Der Druckverlauf mit vorhandener Ausgasung ist in 2a schematisch
durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Um die Ausgasung zu eliminie ren,
wird zusätzlich
zu dem Druckaufbauvorgang auch der Druckabbauvorgang auf die nachfolgende
Weise ausgewertet.
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Die
Druckquelle 30 wird nach erfolgtem Druckaufbau abgeschaltet.
Das Absperrventil 61 sowie das Tankentlüftungsventil 14 werden
geschlossen. Der Überdruck
in dem Tanksystem wird allein über
den Strömungswiderstand 47 und
den im Vergleich zu den Strömungspfaden
der Druckteiler-Brücke 40 sehr
großen
Strömungsquerschnitt
der Druckquelle 30 abgebaut. Der Druck p1 nimmt dabei sofort Umgebungsdruck
an. Der Druck p2 sinkt dagegen mit einer Zeitkonstanten, die von
dem Strömungswiderstand 47 und
dem Strömungswiderstand
des gesamten Tanksystems abhängt,
auf den Umgebungsdruck ab. Aus dem zeitlichen Verlauf des Differenzdrucksignals
kann auf das freie Tankvolumen, und somit auf den Füllstand
geschlossen werden. Ein derartiger Druckverlauf ist in 2b dargestellt.
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Wie
ebenfalls in 2b dargestellt ist, verlangsamt
jedoch die Ausgasung einer in dem Tanksystem vorhandenen Flüssigkeit
den Druckabbau (gestrichelte Linie) und täuscht so ein größeres freies Tankvolumen
(leerer Tank) vor.
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Aus
dem Vergleich der beiden Druckverläufe beim Aufpumpen (Druckaufbau)
und beim Druckabbau kann nun die Ausgasung kompensiert werden, so
daß sich
als verbleibende Größe der Füllstand
ergibt.
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Diese
Füllstandsbestimmung
kann in jeder Grundadaptionsphase, d.h. bei einer inaktiven Tankentlüftung, wiederholt
werden, wodurch eine Statistik möglich
ist und die Regenerierrate des Aktivkohlefilters 12 nicht
eingeschränkt
wird. Ein derartiges Verfahren erfordert jedoch eine Druckquelle
mit geringen Toleranzen. Um eine beliebige Druckquelle, insbesondere
eine die keine derartigen kleinen Toleranzen aufweist, verwenden
zu können,
kann die Füllstandsbestimmung
alternativ auf die nachfolgende Weise vorgenommen werden.
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Zunächst wird
das Bypassventil 61 geöffnet, die
Druckquelle 30 wird eingeschaltet. Hierdurch erfolgt ein
schneller Druckaufbau in dem Tanksystem. Nach einer vorgegebenen
Zeit wird das Bypassventil 61 geschlossen und die Druckquelle 30 abgeschaltet.
Der jetzt im Tanksystem vorhandene Druck baut sich über den
Strömungswiderstand 47 ab.
Der kontinuierlich gemessene zeitabhängige Druckverlauf ist ein
Maß für den Tankfüllstand.
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Dabei
gilt für
das gesuchte Tankvolumen:
wobei der Massenstrom über die
Ausflussgleichung bestimmt wird:
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In
diesen Gleichungen bedeuten:
- vT
- das Tankvolumen,
- TT
- die Tanktemperatur,
- pT
- den Tankdruck,
- ta
- die Umgebungstemperatur,
- pa
- den Umgebungsdruck,
- m
- den ausfließenden Massenstrom,
- A
- die Mündungsziffer
des Strömungswiderstands
des Tanksystems,
- A
- die Fläche des
Strömungswiderstands
des Tanksystems,
- x
- den Isentropenexponent,
- Rsp
- Spezielle Gaskonstante,
- p0
- den Anfangsdruck zu
Messbeginn.
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Der
Vorteil dieses Messverfahrens ist eine Messung unabhängig von
der Förderleistung
der Druckquelle 30, da die Messung bei abgeschalteter Druckquelle 30 stattfindet.
Darüber
hinaus ist durch das geöffnete
Bypassventil 61 ein schneller Druckaufbau gewährleistet,
wodurch die Füllstandsbestimmung
in kurzer Zeit vorgenommen werden kann.
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Problematisch
ist jedoch, dass die Ausgasung einer in dem Tanksystem vorhandenen
Flüssigkeit
die Messung derart verfälschend
beeinflusst, dass sie einen volleren Tank vortäuscht.
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Um
diese Ausgasung zu berücksichtigen, kann
die Ausgasung zum einen über
die Beladung des Aktivkohlefilters 12 abgeschätzt werden,
wobei bei hoher Ausgasung die Füllstandsmessung
entweder korrigiert oder unterdrückt
wird.
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Zum
anderen kann die Ausgasung aber auch mittels des Differenzdrucksensors 50 gemessen
werden. Hierzu wird ein gesondertes Messverfahren durchgeführt, in
dessen erstem Schritt das Tankentlüftungsventil 14 zur
Eliminierung des Differenzdrucksensoroffsets geschlossen ist, während das
Bypassventil 61 geöffnet
wird. Der dabei gemessene Differenzdruck wird als Sensoroffset interpretiert
und es erfolgt ein Abgleich des Differenzdrucksensors.
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In
einem zweiten Schritt wird eine Füllstandsmessung wie oben beschrieben
vorgenommen, wobei deren Ergebnis durch eine eventuell vorhandene Ausgasung
verfälscht
ist.
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In
einem dritten Schritt wird die Ausgasrate durch Auswertung der Enddruckdifferenz,
den der Differenzdrucksensor 50 bei der Füllstandsmessung erfaßt. Diese
Enddruckdifferenz ist ein Maß für die Ausgasung.
Je größer nämlich die
Ausgasung ist, desto höher
ist der Druckabfall an dem Strömungswiderstand 47 und
desto höher
ist der im Strömungszweig 46 gemessene
Druck p2. Die Enddruckdifferenz ist somit ein Maß für die Kraftstoffausgasung (pgas in 2b). Mit
diesem Wert kann jetzt die oben erläuterte Füllstandsmessung korrigiert
werden.
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Der
Vorteil dieser Bestimmung der Ausgasung liegt darin, daß die Füllstandsmessung
unabhängig
vom Sensoroffset und unabhängig
von Pumpentoleranzen ist.
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Diese
Füllstandsmessung
kann in jeder Grundadaptionsphase, d.h. bei inaktiver Tankentlüftung vorgenommen
werden, wodurch zum einen eine Statistik ermöglicht wird und zum anderen
keine Einschränkung
der Regenerierrate des Aktivkohlefilters 12 stattfindet.
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Da
sämtliche
obenbeschriebenen Verfahren von etwa vorhandenen Lecks beeinflußt werden,
ist – wie
oben bereits erwähnt – zunächst immer
eine Leckmessung vorzunehmen, um das Füllstandsergebnis entweder zu
korrigieren oder zu verwerfen. Aus diesem Grunde läßt sich
die Vorrichtung zur Bestimmung der Dichtheit eines Tanksystems in
besonders vorteilhafter Weise mit einer Füllstandsmessung auf die oben
beschriebene Weise kombinieren.
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Der
Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens ist die kontinuierliche
Erfassung des Druckverlaufs, welche eine präzise Bestimmung des Tankfüllstands
ermöglicht.
Diese kontinuierliche Erfassung des zeitlichen Druckverlaufs erlaubt
insbesondere präzisere
Füllstandsbestimmungen
als bei bekannten Gradientenmessungen, bei denen der Druckverlauf
immer über
eine Zeitspanne ermittelt wird, und bei denen der sich ändernde
Druckverlauf innerhalb der Zeitspanne nicht erfaßt werden kann.