DE19947097C1 - Verfahren zur Regenerierung eines Aktivkohlebehälters - Google Patents

Abstract

Um den Beladungsgrad eines Aktivkohlebehälters während der Regeneration bei einer mager betriebenen Brennkraftmaschine zu ermitteln, wird im Leerlauf die von einem momentenbasierten Leerlaufregler eingestellte Kraftstoffmassenminderung als Maß für den bei der Regenerierung zugeführten Massenstrom an Kohlenwasserstoffen verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines mit Kohlenwasserstoffen beladenen Aktivkohlebehälters gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aufgrund des Dampfdruckes liegt im Tank eines Kraftfahrzeuges neben flüssigem Kraftstoff ständig auch gasförmiger Kraft­ stoff vor. Da der Tank eine Entlüftungsöffnung zum Druckaus­ gleich haben muß, würden durch Verdampfen von Kraftstoff ständig Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre entweichen, wo­ bei dieser Effekt mit der Temperatur des Kraftstoffes an­ steigt. Durch den Einsatz von Aktivkohlebehältern, die in die Entlüftungsleitung geschaltet sind und verdampfte Kohlenwas­ serstoffe aus dem Tank adsorbieren, lassen sich solche Koh­ lenwasserstoffemissionen vermeiden. Dies ist erforderlich, um die gesetzlichen Auflagen bei Verdampfungsverlusten zu erfül­ len.

Der Tank ist somit nur über einen Aktivkohlebehälter belüf­ tet. Wegen des begrenzten Aufnahmevolumens der Aktivkohle muß dieser Aktivkohlebehälter bzw. die darin befindliche Aktiv­ kohle regeneriert werden. Dazu wird bei laufender Brennkraft­ maschine Luft aus der Umgebung über den Aktivkohlebehälter angesaugt, über eine Regenerierleitung in den Ansaugtrakt eingespeist und so der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zu­ geführt. Dabei wird der Unterdruck im Ansaugtrakt ausgenutzt, um die Luft über die Regenerierleitung anzusaugen. Um dabei die Abgasemissionen innerhalb gewünschter Grenzen zu halten, und die Laufeigenschaften der Brennkraftmaschine nicht nega­ tiv zu beeinflussen, muß eine gezielte Einleitung der durch den Aktivkohlebehälter gesaugten und dort mit Kohlenwasser­ stoffen angereicherten Luft in den Ansaugtrakt der Brenn­ kraftmaschine erfolgen, und die normale Kraftstoffzuteilung beispielsweise durch eine Einspritzkorrektur korrigiert wer­ den. Aus der im Oberbegriff berücksichtigten DE 197 01 353 C1 ist es bekannt, eine solche Einspritzkorrektur durch die oh­ nehin bei einer mit einem Drei-Weg-Katalysator ausgerüsteten Brennkraftmaschine vorhandene Lambda-Regelung zu erreichen.

Dazu steuert ein Steuerungssystem ein Regenerierventil an, das in die Regenerierleitung geschaltet ist. Durch geeignetes Öffnen des Regenerierventils kann man den Spülstrom, der durch den Aktivkohlebehälter gesaugt und in den Ansaugtrakt eingeleitet wird, einstellen. Dabei ist der Spülmassenstrom eine Funktion des Öffnungsquerschnittes, den das Regenerier­ ventil freigibt, der Druckdifferenz zwischen Ansaugtrakt und Umgebung und der Temperatur des Spülstroms.

Letztlich ist aber nicht der Spülstrom entscheidend, sondern der eingebrachte Kohlenwasserstoff-Massenstrom. Dieser ergibt sich aus dem Spülmassenstrom und der Konzentration an Kohlen­ wasserstoffen im Spülstrom. Diese Konzentration wird letzt­ lich durch den Beladungsgrad des Aktivkohlebehälters be­ stimmt.

Gemäß der DE 197 01 353 C1 wird mittels einer Lambda-Regelung der normale Betrieb bei Lambda = 1 sichergestellt. Aus der Verstimmung des Lambda-Reglers kann dabei ein Maß für den beim Regenerieren in den Ansaugtrakt eingeleiteten Kohlenwas­ serstoff-Massenstrom und mithin bei Kenntnis des Spülstroms für den Beladungsgrad des Aktivkohlebehälters gewonnen wer­ den.

Bei Brennkraftmaschinen, die nicht mit einer Lambda-Regelung betrieben werden bzw. deren Lambda-Signal nicht ausreichend aufgelöst dargestellt ist - dies ist beispielsweise bei mager betriebenen Brennkraftmaschinen im geschichtet mageren Be­ triebsmodus der Fall -, ist dieses Vorgehen deshalb nicht möglich.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regenerieren eines mit Kohlenwasserstoffen beladenen Ak­ tivkohlebehälters anzugeben, bei dem die Regenerierung unab­ hängig von einer Lambda-Regelung erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt die Regenerierung im Leerlauf der Brennkraftmaschine, wenn diese ohne Lambda-Regelung betrieben wird, beispielsweise in einem geschichtet mageren Betriebsmo­ dus. Mittels eines momentenbasierten Leerlaufreglers wird da­ bei während einer rampenartigen Erhöhung des Spülstroms der Leerlauf konstant gehalten. Der Leerlaufregler reagiert auf den mit dem Spülstrom zugeführten Kohlenwasserstoff- Massenstrom mit einer Reduzierung der Kraftstoffmasse, die der Brennkraftmaschine im geschichtet mageren Betriebsmodus zugeführt, beispielsweise direkt eingespritzt wird. Die sich damit ergebende Kraftstoffmindermenge ist ein Maß für den Kohlenwasserstoff-Massenstrom.

Der zugeführte Kohlenwasserstoff-Massenstrom führt jedoch nicht ausschließlich zu einem drehzahlerhöhenden Drehmoment. Ein Teil der mit der Regeneration zugeführten Kohlenwasser­ stoffe führt zu einer Temperaturerhöhung im Abgastrakt oder findet sich in erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen im Abgas wieder. Diese Aufsplittung der Wirkung der mit dem Spülstrom zugeführten Kohlenwasserstoffe verleiht dem Verfahren eine zusätzliche Robustheit, da die vom Leerlaufregler zu berück­ sichtigende Kraftstoffmindermenge somit geringer ist als die mit dem Spülstrom eingebrachte Kohlenwasserstoffmenge. Dieser Sachverhalt ist deshalb vorzugsweise in einem vorgehaltenen Kennfeld ausgedrückt, mittels dem die Zuordnung der Kraft­ stoffmindermenge zum Kohlenwasserstoff-Massenstrom erfolgt.

Hat man auf diese Weise Kenntnis vom Kohlenwasserstoff- Massenstrom erlangt, kann zusammen mit dem Gesamt-Massenstrom des Spülstroms der Beladungsgrad des Aktivkohlebehälters er­ mittelt werden, indem der Quotient aus Kohlenwasserstoff- Massenstrom und Massenstrom des Spülstroms gebildet wird. Letzterer ergibt sich als Funktion des Saugrohrunterdrucks und der Öffnung des Regenerierventils, das sich zwischen dem Aktivkohlebehälter und dem Ansaugtrakt befindet, und das ge­ eignet geschaltet wird, um den Spülstrom einzustellen.

Ist der Beladungsgrad des Aktivkohlebehälters bekannt, kann man nun an beliebigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine gezielt einen Kohlenwasserstoff-Massenstrom dem Verbrennungs­ prozess zuführen und dies bei der normalen Kraftstoffzutei­ lung (Einspritzung) entsprechend berücksichtigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat durch die höhere Stabili­ tät des Leerlaufreglers aufgrund der nur teilweise zu einem Drehzahlmoment führenden Kohlenwasserstoffe im geschichtet mageren Betriebsmodus den Vorteil, daß an die Genauigkeit des Regenerierventils nicht so hohe Anforderungen gestellt wer­ den, wenn der Spülstrom bekannterweise rampenartig erhöht werden soll.

Schließlich ist erst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bestimmung des Beladungsgrades des Aktivkohlebehälters in Be­ triebsphasen möglich, in denen weder eine Lambda-Regelung vorliegt, noch das Lambda-Signal einen ausreichend exakten Rückschluß auf den mit dem Spülstrom zugeführten Kohlenwas­ serstoff-Massenstrom erlaubt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Tank, Aktivkohlebehälter und der Regenerierung nötigen Vorrichtung,

Fig. 2 Zeitreihen der Ansteuerung eines Regenerierventils und der von einem Leerlaufregler während des Leerlaufes berücksichtigten Kraftstoffmasse zum Betrieb der Brennkraftmaschine im geschichtet mageren Betriebsmodus,

Fig. 3 die Zeitreihe der Ansteuerung des Regenerierventils der Fig. 2 zusammen mit dem Lambda-Signal bei einem Lambda-Regelkreis nach dem Stande der Technik.

In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 darge­ stellt, die einen Ansaugtrakt 2 hat, in den über Einspritz­ ventile 5, die von einer Einspritzschiene 6 mit Kraftstoff versorgt werden, Kraftstoff eingespritzt wird. Im Ansaugtrakt 2 befindet sich eine Drosselklappe 18 und stromauf davon ein Luftmassenmesser 19, in den über eine Ansaugöffnung 20 An­ saugluft geleitet wird.

Die Einspritzschiene 6 wird über eine Kraftstoffleitung 7, die aus einem Pumpenmodul 8 gespeist wird, mit Kraftstoff versorgt. Das Pumpenmodul 8 sitzt in einem Tank 4, der über einen Stutzen 11 befüllbar ist. Im Tank 4 befindet sich Kraftstoff 10. Der darüber befindliche Hohlraum des Kraft­ stoffes 4 ist mit Kraftstoffdampf 9 erfüllt. Der Tank 4 ist weiter über eine Tankentlüftungsleitung 12, die in einen Be­ lüftungsanschluß 14 mündet, an die Umgebung angekoppelt, so daß ein Druckausgleich erfolgen kann.

In die Tankentlüftungsleitung 12 ist ein Aktivkohlebehälter 13 geschaltet, in dem sich Kohlenwasserstoff adsorbierendes Aktivkohlematerial befindet. Dadurch ist sichergestellt, daß aus der Tankentlüftungsleitung 12 keine Kohlenwasserstoffe an den Belüftungsanschluß 14 abgegeben werden können, da die Kohlenwasserstoffe im Aktivkohlematerial absorbiert werden.

Der Aktivkohlebehälter 13 ist über eine Regenerierleitung 15 mit dem Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine verbunden, wobei die Regenerierleitung 15 zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Drosselklappe 18 in den Ansaugtrakt 2 mündet. In die Regenerierleitung 15 ist ein Regenerierventil 16 geschaltet, das über ein Stellglied 17 betätigt wird. Dieses Regenerier­ ventil 16 wird auch als Tankentlüftungsventil bezeichnet. Ein Steuergerät 21 ist über nicht näher bezeichnete Leitungen mit dem Luftmassenmesser 19, der Drosselklappe 18, den Einspritz­ ventilen 5 und dem Stellglied 17 des Regenerierventils 16 so­ wie einer im Abgastrakt 3 der Brennkraftmaschine 1 befindli­ chen Lambda-Sonde 22 verbunden und liest über diese Leitungen entsprechende Meßwerte aus bzw. steuert die entsprechenden Bauteile an.

Der Aktivkohlebehälter 13 adsorbiert Kraftstoffdampf. Um zu verhindern, daß bei vollständiger Beladung des Aktivkohlebe­ hälters 13 ein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen zum Belüf­ tungsanschluß 14 erfolgt, wird der Aktivkohlebehälter 13 im Betrieb der Brennkraftmaschine regeneriert. Dazu wird durch Schalten des Regenerierventils ein Spülstrom durch die Rege­ nerierleitung 15 erzeugt, der vom Belüftungsanschluß 14 durch den Aktivkohlebehälter 13 in den Ansaugtrakt 2 läuft. Dabei macht man sich den Unterdruck im Ansaugtrakt 2 zunutze und treibt den Spülstrom durch diesen Unterdruck. Da der Spül­ strom durch die Regenerierleitung 14 kohlenwasserstoffhaltig ist, ergibt sich beim Spülen ein Kohlenwasserstoffeintrag in die von der Brennkraftmaschine 1 durch den Ansaugtrakt 2 an­ gesaugte Luftmasse.

Dieser Kohlenwasserstoffeintrag wird bei einer lambda­ geregelt betriebenen Brennkraftmaschine bekanntermaßen wie folgt anhand der Fig. 3 erläutert, berücksichtigt:

Die obere Zeitreihe der Fig. 3 zeigt in Kurve 25 die schritt­ weise zunehmende Öffnung des Regenerierventils 16. In dieser Zeitreihe ist der Öffnungsgrad R über der Zeit t aufgetragen.

Die untere Zeitreihe der Fig. 3 zeigt eine aus dem Signal der Lambda-Sonde 22 in der Lambda-Regelung gewonnene Regelgröße L über der Zeit t aufgetragen. Die Regelgröße L führt, wie in Kurve 26 angedeutet, eine Schwingung um einen Sollwert Ls aus. Zur einfacheren Darstellung ist ab dem Zeitpunkt t0 in Fig. 3 jedoch nur noch der durchgezogene Mittelwert der Re­ gelgröße L in Kurve 27 dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 wird das Regenerierventil 16 schrittweise zunehmend geöffnet, wie an Kurve 25 zu erkennen ist. Der zeitliche Verlauf der Regelgrö­ ße L reagiert mit einer Abweichung nach unten. Ist zum Zeit­ punkt t1 eine maximal zulässige Regelabweichung, die im Bei­ spiel der Fig. 3 5% beträgt, erreicht, wird von der durch das Steuergerät 21 durchgeführten Lambda-Regelung die Einsprit­ zung an der Brennkraftmaschine 1 über die Einspritzventile 5 entsprechend korrigiert, so daß die Regelgröße L wieder auf den Sollwert Ls zurückgeführt wird. Dies ist der erste nach oben laufende Zacken in der Kurve 27. Über die nun folgenden Regelzyklen, bei denen jedesmal zu den Zeitpunkten t2, t3 nach Erreichen einer maximal zulässigen Regelabweichung bzw. nach Ablauf einer gewissen Zeitdauer die Regelgröße L auf den Sollwert Ls zurückgeführt wird, wird die Regelabweichung auf­ integriert. Zum Zeitpunkt t4, an dem die schrittweise zuneh­ mende Öffnung des Regenerierventils 16 beendet ist, ist der Gesamtbetrag der Abweichung der Regelgröße L, der durch den Spülstrom bewirkt wurde, also bekannt. Dieser Gesamtbetrag ist ein Maß für den Kohlenwasserstoff-Massenstrom und erlaubt mithin die Berechnung des Beladungsgrades. Natürlich kann auch zu jedem Zeitpunkt der Kohlenwasserstoff-Massenstrom in Beziehung zur jeweils aufintegrierten Abweichung der Regel­ größe L vom Sollwert Ls gesetzt werden, was jederzeit die Be­ stimmung des Beladungsgrades erlaubt, wenn der Gesamtmassen­ strom des Spülstroms bekannt ist. Diesen kann man jedoch ein­ fach aus dem Öffnungsgrad R des Regenerierventils 16, dem Un­ terdruck im Ansaugtrakt 2 sowie der Temperatur des Spülstroms bestimmen.

Dieses aus der DE 197 01 353 C1 bekannte Verfahren ist aller­ dings nur dann tauglich, wenn die Brennkraftmaschine im Lambda-geregelten Betriebsmodus ist bzw. wenn die Auflösung der Regelgröße L bzw. des ihr zugrundeliegenden Signals der Lambda-Sonde 22 eine ausreichend genaue Bestimmung des Mas­ senstroms an Kohlenwasserstoffen erlaubt. Bei magerem, insbe­ sondere geschichtet magerem Betrieb einer Brennkraft sind diese Voraussetzungen jedoch nicht gegeben.

Um jedoch auch bei Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 1 den Beladungsgrad des Aktivkohlebehälters 13 erfassen zu können, wird folgendermaßen vorgegangen:

Das Regenerierventil 16 wird - wie in Kurve 23 der Fig. 2 zu sehen ist - wie oben erwähnt schrittweise geöffnet. Als Maß für den Kohlenwasserstoff-Massenstrom, der mit dem Spülstrom über die Regenerierleitung 15 in den Ansaugtrakt 2 eingetra­ gen wird, wird nun die in Kurve 24 dargestellte Kraftstoffma­ sse K verwendet, die von einem momentenbasierten Leerlaufreg­ ler, der beispielsweise im Steuergerät 21 verwirklicht sein kann, zum Betrieb der Brennkraftmaschine im Leerlauf einge­ stellt wird. Dieser Leerlaufregler ist in dieser Ausführungs­ form also kraftstoffmassengeführt. Wie die Zeitreihe der Kur­ ve 24 zeigt, beginnt ab dem Zeitpunkt t0, zu dem das Regene­ rierventil 16 schrittweise zunehmend geöffnet wird, die Kraftstoffmasse K, die der Leerlaufregler über die Einspritz­ ventile 5 der Brennkraftmaschine 1 zumißt, abzunehmen. Zum Zeitpunkt t1 ist dabei die maximale Kraftstoffmassenminderung dK erreicht. Das bedeutet, daß zum Zeitpunkt t1 mit dem Spül­ strom der maximale Kohlenwasserstoff-Massenstrom zugeführt wird. Bedingt durch die Entladung des Aktivkohlebehälters 13 sinkt dann diese Kraftstoffmassenminderung wieder.

Die Kraftstoffmassenminderung dK kann nun dazu verwendet wer­ den, um den Kohlenwasserstoff-Massenstrom, der mit dem Spül­ strom der Verbrennung zugeführt wird, und daraus den Bela­ dungsgrad des Aktivkohlebehälters 13 zu ermitteln. Dabei muß jedoch der Tatsache Rechnung getragen werden, daß nur ein ge­ wisser Anteil des Kohlenwasserstoff-Massenstroms zu einem Drehmoment führt, das eine Drehzahlerhöhung zur Folge hätte, wenn der Leerlaufregler nicht die Kraftstoffmasse K entspre­ chend um dK minderte. Ein Teil des Kohlenwasserstoff- Massen­ stroms wirkt sich in einer erhöhten Kohlenwasserststoffemis­ sion im Abgastrakt 3 und in einer Temperaturerhöhung aus. Die Kraftstoffmassenminderung dK, die über die Zeit t aufinte­ griert wird, wird deshalb mittels eines Kennfeldes in einen Kohlenwasserstoff-Massenstrom umgerechnet. Dieses Kennfeld ist natürlich vorzugsweise nicht nur über der Kraftstoff­ massenminderung dK aufgespannt, sondern auch über andere Be­ triebsgrößen der Brennkraftmaschine, beispielsweise Kraft­ stoffmasse oder angesaugter Luftmassenstrom oder Drehzahl. Das Kennfeld wird dabei einmalig an einem Prüfstand ermittelt und kann dann eingesetzt werden.

Die rampenartige Erhöhung des Öffnungsgrades R des Regene­ rierventils 16, wie sie in den Kurven 23 und 25 dargestellt ist, kann beispielsweise durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Regenerierventils mit allmählicher Erhöhung des Tastverhältnisses erreicht werden; entscheidend ist aber nur, daß der Spülstrom anwächst, nicht jedoch die Erhöhung des Öffnungsgrades. Insoweit sind auch andere, den Spülstrom steigernde Maßnahmen, z. B. die Variation des Unterdrucks im Ansaugtrakt 2 oder der Einsatz eines Proportionalventiles, denkbar.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regenerierung eines in die Tankentlüftung eines Kraftstofftankes einer Brennkraftmaschine geschalteten Aktivkohlebehälters, der im Kraftstofftank entstehende gas­ förmige Kohlenwasserstoffe adsorbiert, bei dem

• a) in einem ausgewählten Betriebszustand der Brennkraftma­ schine die Regenerierung des Aktivkohlebehälters durchgeführt wird, indem
• b) ein Spülstrom mit Kohlenwasserstoffen aus dem Aktivkoh­ lebehälter in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine strom­ ab eines im Ansaugtrakt befindlichen Drosselorgans eingelei­ tet und so der Verbrennung zugeführt wird, wobei
• c) ein Abweichungssignal ausgewertet wird, das als Maß für den im Spülstrom enthaltenen Kohlenwasserstoff-Massenstrom verwendet und aus dem ein Beladungsgrad des Aktivkohlebehäl­ ters ermittelt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der ausgewählte Betriebszustand ein Leerlauf ist, in dem die Brennkraftmaschine ohne Lambda-Regelung betrieben wird, und
• b) als Abweichungssignal die Kraftstoffmindermenge verwen­ det wird, die ein Leerlaufregler bei der Steuerung der Brenn­ kraftmaschine berücksichtigt, um den der Verbrennung mit dem Spülstrom zugeführten Kohlenwasserstoff-Massenstrom zu kom­ pensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamt-Massenstrom des Spülstrom als Funktion des Un­ terdrucks im Ansaugtrakt und dem Öffnungsgrad eines den Spül­ strom in den Ansaugtrakt schaltenden Regenerierventils be­ stimmt, und der Beladungsgrad durch den Quotienten aus Koh­ lenwasserstoff-Massenstrom und Gesamt-Massenstrom des Spül­ stroms ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen Kraftstoffmindermenge und Koh­ lenwasserstoff-Massenstrom einem betriebsparameter-abhängigen Kennfeld entnommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülstrom kontinuierlich erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülstrom durch wiederholtes Öffnen und Schließen ei­ nes den Spülstrom in den Ansaugtrakt schaltenden Regenerier­ ventils gesteuert wird, wobei zur konstanten Erhöhung des Spülstroms das Tastverhältnis dieses wiederholten Öffnens und Schließens vergrößert wird.