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Dokumentenidentifikation DE10139619B4 28.04.2011
Titel Verfahren und Vorrichtung zum emissionsarmen Betankungsbetrieb einer Tankanlage insbesondere eines Kraftfahrzeuges
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Krimmer, Erwin, 73655 Plüderhausen, DE;
Schulz, Wolfgang, 74321 Bietigheim-Bissingen, DE;
Schwegler, Helmut, 74385 Pleidelsheim, DE;
Mallebrein, Georg, 70825 Korntal-Münchingen, DE;
Hahner, Rainer, 53757 Sankt Augustin, DE
DE-Anmeldedatum 11.08.2001
DE-Aktenzeichen 10139619
Offenlegungstag 20.02.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse B60S 5/02  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kontrolleinrichtungen zur Überwachung der Emission von flüchtigen Stoffen in Tankanlagen, insbesondere von Kraftstoffdämpfen in Kraftfahrzeugen infolge eines Betankungsvorganges. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf solche Tankanlagen, bei denen ein Adsorptionsfilter zur Aufnahme der sich bildenden flüchtigen Stoffen vorgesehen ist und bei denen zeitweilig eine Dichtheitsprüfung mittels einer Tankleckdiagnoseeinrichtung durchgeführt wird.

Bei von Verbrennungsmotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen ist für einen einwandfreien Kraftstoffnachschub eine Belüftung des Kraftstoffvorratstanks zwingend erforderlich. Bei sich verbrauchendem Kraftstoff muss Luft in den Tank nachströmen können, da sich im Tank sonst ein Vakuum bilden und der Kraftstofffluss stocken würde. Der Tank ist aber auch zu entlüften, um dem Tankinhalt ausreichend Gelegenheit zum Ausdehnen bei Erwärmung geben zu können. Zudem muss beim Betanken genügend Luft aus dem Tank austreten können, damit der eingefüllte Kraftstoff nicht sogleich wieder aus einem am Tank vorgesehenen Einfüllrohr heraussprudelt.

In Kraftfahrzeugen werden zunehmend eine sogenannte „On-Board Refueling Vapour Recovering”(ORVR)-Funktionalität aufweisende Tankentlüftungseinrichtungen eingesetzt, bei denen verdunstender bzw. überschüssiger Kraftstoffdampf oder -gas nicht ins Freie, sondern über eine Entlüftungsleitung mit großem Querschnitt direkt in ein Aktivkohlefilter (AKF) geleitet wird. Während eines Betankungsvorganges stellt sich der dazu notwendige Überdruck ein, da die jeweilige Zapfpistole mit Hilfe eines Gummibalgs dicht am Einfüllrohr abschließt. Der Kraftstoffdampf wird in dem AKF gespeichert und im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges über ein elektromagnetisches Tankentlüftungsventil an ein Saugrohr des Verbrennungsmotors und damit der Verbrennung zugeführt. Hierdurch kann eine Emission der umweltschädlichen Kraftstoffdämpfe aus dem Tank in die Umgebung weitestgehend verhindert werden und zugleich die dem Verbrennungsmotor zugeführten Dämpfe selbst noch als Kraftstoff eingesetzt werden, wodurch sich auch der Kraftstoffverbrauch reduziert.

In diesem Zusammenhang wird auf die in Teilen der USA geltenden gesetzlichen Forderungen beim Betrieb von Brennkraftmaschinen hingewiesen. Danach ist es erforderlich, dass Kraftfahrzeuge, bei denen flüchtige Brennstoffe wie Benzin eingesetzt werden, eine eingangs genannte Kontrolleinrichtung aufweisen, die auch in der Lage ist, eine etwa bestehende Undichtigkeit (Leckage) im Tank bzw. der gesamten Brennstofftankanlage mit Bordmitteln aufspüren zu können.

Zusammenfassend haben Tankanlagen der eingangs genannten Art bekanntermaßen die folgenden Aufgaben zu erfüllen:

  • – Ein Betankungsvorgang des Kraftstofftanks muss bei Erreichen eines vorgegebenen maximalen Tankfüllstandes, insbesondere unter Vermeidung des Überschwappens von Kraftstoff, zuverlässig beendet werden; das Betankungsende wird bekanntlich dann erreicht, wenn Kraftstoff im Einfüllrohr bis zur Zapfpistole hochsteigt und diese dann abschaltet;
  • – während des Betankens ist sicherzustellen, dass die im Kraftstofftank verdrängte Luft bzw. der Kraftstoffdampf (bei o. g. ORVR-Tankanlagen) aus dem Tank in das AKF entweichen kann;
  • – eine Betriebsentlüftung des Kraftstofftanks bzw. ein Druckausgleich im Tank muss jederzeit gewährleistet sein;
  • – in einem Fahrzeugschadensfall, insbesondere bei auf dem Kopf stehendem Fahrzeug, ist ein Auslaufen von Kraftstoff wirksam zu verhindern (sogenannte „Roll-Over-Funktionalität”;
  • – eine Tankleckdiagnose zur Überprüfung der Tankanlage auf Dichtheit muss jederzeit, insbesondere auch im Fahrbetrieb, ermöglicht werden (sogenannte „OnBoard-Diagnose-Funktionalität”).

Aus der US 5 890 474 A ist weiterhin bekannt, zur Durchführung einer Leckdiagnose zunächst die Tankanlage gegenüber der Umgebung mittels eines elektrisch ansteuerbaren Absperrventils abzuschließen und anschließend die Tankanlage mit einem Über- oder Unterdruck zu beaufschlagen. Ein demgegenüber verfeinertes Leckdiagnoseverfahren (US 5 890 474 A) sieht dagegen ein Umschaltventil vor, mittels dessen eine Leckdiagnosepumpe zwischen einem Referenzleck und dem Tank bzw. der Tankanlage umgeschaltet werden kann.

Zudem weisen bekannte Tankanlagen zur Erfüllung der o. g. Funktionalitäten eine Vielzahl von mechanischen Betankungsventilen auf. Unter anderem sorgt ein Schwimmerventil während eines Betankungsvorganges für das genannte Entweichen der verdrängten Luft. Erreicht der Tankfüllstand jedoch die vorgesehene Maximalhöhe, so schließt das Schwimmerventil und verhindert damit ein Entweichen der verdrängten Luft. Folglich steigt der Druck im Tank an, was wiederum bewirkt, dass Kraftstoff im Einfüllrohr hochsteigt, bis er das Niveau der Zapfpistole erreicht. Die Zapfpistole erkennt diesen flüssigen Kraftstoff und stellt daraufhin den Kraftstoffzufluss ab. Es sind daher. Maßnahmen vorzusehen, welche ein Überschwappen von Kraftstoff auch in dieser Betankungsphase wirksam verhindern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Tankanlage sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeiden und einen emissionsarmen Betrieb einer solchen Anlage, insbesondere auch während eines Betankungsvorganges, mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln gestatten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die bislang eingesetzten vielfältigen mechanischen Ventile durch möglichst wenige elektrische Ventile zu ersetzen. Bevorzugt sieht die Erfindung ein einziges, elektrisch ansteuerbares Absperrventil vor, welches sämtliche der eingangs genannten Funktionalitäten erfüllt. Im Falle eines bereits vorliegenden Absperrventils oder Umschaltventils, bspw. bei den eingangs genannten ORVR-Tankanlagen, wird dieses als elektrisches Betankungsventil in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Weise umfunktioniert.

Die Erfindung spart demnach vorteilhaft die bislang erforderlichen mechanischen oder elektrischen Tankventile ein. Ein zur Tankleckdiagnose bereits vorhandenes Absperr- oder Umschaltventil wird erfindungsgemäß dazu verwendet, die gesamte Funktionalität zu erfüllen, die für die Betankung und Betriebsbelüftung benötigt wird. Diese Einsparung führt sowohl zu einer Kostenersparnis als auch zu einer Gewichtsreduzierung des zugrundeliegenden Fahrzeugs. Es ist anzumerken, dass der optional vorgesehene Tankdeckelschalter auch für die Tankleckdiagnose zusätzliche Vorteile bietet, da er bspw. verhindern kann, dass ein Diagnosevorgang gestartet wird, solange der Tankdekkel geöffnet ist.

Um ein Überschwappen beim Betankungsende noch wirksamer zu verhindern, kann weiterhin vorgesehen sein, dass beim Schließen des Absperrventils der Entlüftungsquerschnitt schrittweise verringert wird, womit der Überdruck im Tank nur langsam ansteigt. Dadurch wird verhindert, dass Kraftstoff am Betankungsende aus dem Einfüllrohr herausschwappt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der Zeichnungen, anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele eingehender erläutert. Dabei zeigen

1 eine erfindungsgemäße Tankanlage in schematischer Darstellung;

2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der in 1 dargestellten Tankanlage anhand eines Ablaufdiagrammes; und

3 den zeitlichen Verlauf eines Ansteuersignals eines Absperrventils zur Verhinderung des Überschwappens von Kraftstoff beim Betankungsende.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die in der 1 gezeigte Tankanlage weist einen Kraftstoffvorratstank 10 auf, aus dem ein Einfüllrohr 12 herausführt, mittels dessen Kraftstoff in den Tank 10 eingefüllt werden kann. Im Bereich eines am oberen Ende des Einfüllrohres 12 ausgebildeten Einfüllstutzens 14 ist eine eingeführte Zapfpistole 16 angedeutet. Der gezeigte Öffnungszustand eines (nicht gezeigten) Tankdeckels wird mittels eines Tankdeckelschalters 18 und über eine Signalleitung 20 einer Steuereinheit bzw. einem Steuergerät 22 signalisiert.

In dem Tank 10 ist ferner ein Tankfüllstandsgeber 24 oder alternativ ein Füllstandsendschalter angeordnet, der ebenfalls über eine Signalleitung 26 ein Messsignal an das Steuergerät 22 ausgibt. Im oberen Bereich des Tanks 10 führt ferner eine Entlüftungsleitung 28 heraus, die in einen Aktivkohlefilter (AKF) 30 mündet. Beim Betanken des Tanks 10 werden sich etwa bildende Kraftstoffdämpfe in das AKF 30 geleitet und dort aufgefangen. Wie in der US 5 873 350 ausführlich beschrieben, wird das AKF 30 im Fahrbetrieb des Fahrzeuges mittels eines (nicht gezeigten) Tankentlüftungsventils zeitweilig von dem bis dahin adsorbierten Kraftstoffdampf regeneriert, indem dieser Kraftstoffdampf in einen Ansaugtrakt einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine geleitet wird.

Wenig oberhalb des Tanks 10 ist in der Entlüftungsleitung 28 ein aus Sicherheitserwägungen bevorzugt mechanisch ausgebildetes Roll-Over-Ventil (ROV) 32 angeordnet. Dieses dient dazu, die Entlüftungsleitung 28 im Falle des Umstürzens des Fahrzeuges zu schließen, um dadurch den ungehinderten Austritt von Kraftstoff in das AKF 30 zu verhindern. Auf der der Entlüftungsleitung 28 abgewandten Seite weist das AKF 30 einen Frischlufteingang 34 auf, an dem ein erfindungsgemäßes Absperrventil 36 angeordnet ist. Es ist zu erwähnen, dass das Absperrventil 36 im Falle einer eingangs erwähnten Referenzleckdiagnoseeinrichtung ggf. durch ein Umschaltventil zu ersetzen ist, welches jedoch ebenfalls wie nachfolgend beschrieben anzusteuern ist. Mittels des Absperrventils 36 lässt sich die Tankanlage zum Einen von der Umgebung druckdicht abtrennen. Es ist dabei anzumerken, dass das Absperrventil 36 auch an einer anderen Stelle, bspw. in der Entlüftungsleitung 28, angeordnet sein kann. Das Absperrventil 36 wird von dem Steuergerät 22, wie nachfolgend im Detail beschrieben, erfindungsgemäß angesteuert. Zur zeitweiligen Tankdichtheitsprüfung, wie in der US 5 890 474 ausführlich beschrieben, wird das Tankentlüftungssystem bzw. die Tankanlage mittels des Absperrventils 36 bzw. des Umschaltventils zur Umgebung hin druckdicht abgeschlossen.

Das in der 2 gezeigte Flußdiagramm stellt einen typischen Betriebsablauf des erfindungsgemäßen Absperrventils 36 dar, welcher in einem in der 1 gezeigten Steuergerät 22, bspw. mittels eines EPROMs oder EEPROMs, implementierbar ist. Bei dem Steuergerät 22 kann es sich bspw. um ein gesondertes Tanksteuergerät oder bevorzugt um ein bereits vorhandenes, dem Motormanagement dienendes Motorsteuergerät handeln.

Bei geschlossen angenommenem Tankdeckel 100 wird das Absperrventil 36 zunächst öffnend angesteuert 102, um dadurch eine Betriebsentlüftung über das AKF 30 zu ermöglichen. Bei Beginn eines Betankungsvorganges, der über den geöffneten Tankdeckel mittels des Tankdeckelschalters 18 sensiert wird 104, wird das Absperrventil 36 zunächst weiter öffnend angesteuert 106, wodurch aufgrund der eingefüllten Kraftstoffmenge entweichender Kraftstoffdampf über das AKF 30 entweichen kann, d. h. die Kraftstoffdämpfe werden in dem AKF 30 reversibel gebunden und die aus dem Frischlufteingang 34 des AKF 30 austretende, gereinigte Luft kann in die Umgebung entweichen. Dadurch wird vermieden, dass sich im Tank 10 bereits beim Befüllen ein Überdruck aufbaut. Es ist erwähnenswert, dass ein Entweichen von Kraftstoffdampf aus dem Einfüllrohr 12 mittels eines an der Zapfpistole 16 üblicherweise vorgesehenen Gummibalgs verhindert wird.

Das Betankungsende wird bei offenem Tankdeckel durch Erfassen eines maximalen Tankfüllstandes 108 herbeigeführt. Das Absperrventil 36 wird schließend angesteuert 110, wenn die beiden Zustände „offener Tankdeckel” und „maximaler Tankfüllstand erreicht (bzw. überschritten)” von dem Steuergerät 22 erfasst werden. Dadurch ist gewährleistet, dass kein weiterer Kraftstoffdampf in das AKF 30 entweichen kann. Folglich steigt der Druck im Tank 10 an und bedingt ein Ansteigen des Kraftstoffpegels bis in das Einfüllrohr 12. Sobald der Kraftstoff die Zapfpistole 16 erreicht 112, schaltet diese den Kraftstoffzufluss ab 114.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt das Schließen des Absperrventils 36 nicht kurzzeitig, sondern schrittweise über ein Zeitintervall (siehe auch 3). Dabei wird das Absperrventil 36 mit einem Taktsignal angesteuert, welches eine schrittweise und damit langsame Abnahme des Öffnungsquerschnitts des Absperrventils 36 bedingt. Dadurch wird vermieden, dass auch beim Betankungsende noch Kraftstoff am Einfüllstutzen 14 überschwappen kann.

Bei einer etwa durchzuführenden Tankleckdiagnose wird das Absperrventil 36, bei sensiert „geschlossenem Tankdekkel”, schließend angesteuert. Im Falle einer Überdruckdiagnose wird bekanntermaßen mittels einer Überdruckpumpe der Druck im Tank 10 erhöht. Die Dichtheit der Tankanlage wird daran erkannt, dass der Überdruck stabil bestehen bleibt. Im Falle einer Unterdruckmethode saugt ein mit dem AKF 30 verbundenes Tankentlüftungsventil Kraftstoffdämpfe aus dem Tank 10 ab. Die Dichtheit wird hier daran erkannt, dass der Unterdruck nicht zu schnell abfällt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel übernimmt das Absperrventil 36 auch die Funktion des genannten ROV 32.

Dabei wird das Absperrventil 36 schließend angesteuert, wenn der Zustand „Fahrzeug auf dem Kopf” mittels einer herkömmlichen Roll-Over-Sensorik erkannt wird.

Das in der 3 gezeigte Diagramm dient zur Veranschaulichung der getakteten Ansteuerung des Absperrventils 36, mittels der ein Überschwappen von Kraftstoff aus dem Einfüllrohr 12 beim Abschalten der Zapfpistole 16 vermieden wird. In dem Diagramm sind das Ansteuersignal 200 sowie der Druckverlauf p_Tank 202 im Tank 10 über die Zeit t aufgetragen, und zwar in einem Zeitbereich nach Erreichen des maximalen Tankfüllstandes. Bei t1 erreicht zunächst der Tankfüllstand die maximale Füllhöhe 204. Aufgrund des ab t1 auftretenden Pulsmusters schließt das Absperrventil 36 nur schrittweise. Bei t2 erreicht das Kraftstoffniveau die Zapfpistole 16, welche daraufhin abschaltet. Der durch die getaktete Ansteuerung des Absperrventils 36 verlangsamte Druckanstieg im Tank 10 verhindert ein Überschwappen beim Abschalten der Zapfpistole 16. Es versteht sich, dass im Falle einer Leckdiagnoseeinrichtung mit Über- oder Unterdruckpumpe an Stelle des Absperrventils 36 das dort vorhandene Umschaltventil mit dem in der 3 angegebenen Pulsmuster entsprechend zu beaufschlagen ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Betrieb einer einen Tank (10) aufweisenden Tankanlage, welche ein Adsorptionsfilter (30) zur Aufnahme von aus dem Tank (10) austretenden flüchtigen Stoffen, ein die Tankanlage nach außen hin druckdicht abschließbares, elektrisch ansteuerbares Absperrventil (36) und einen Tankfüllstandsensor (24) aufweist und 30 bei welcher der Tank (10) ein Einfüllrohr (12) zur Befüllung mit einem die flüchtigen Stoffe bildenden fluidischen Medium hat, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Betankung des Tanks (10) der Tankfüllstand erfasst wird (108) und bei Vorliegen eines maximalen Tankfüllstandes das Absperrventil (36) schließend angesteuert wird (110). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (36) getaktet schließend angesteuert wird (200). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei einer einen Tankdeckelschalter (18) aufweisenden Tankanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn eines Betankungsvorganges anhand eines mittels des Tankdeckelschalters (18) sensierten Öffnungszustandes eines Tankdeckels und das Betankungsende, bei geöffnetem Tankdeckel, durch Überschreiten eines maximalen Tankfüllstandes (108) erfasst werden. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Schritte:

– Bei mittels des Tankdeckelschalters (18) geschlossen sensiertem (100) Tankdeckel, öffnend Ansteuern (102) des Absperrventils (36);

– bei mittels des Tankdeckelschalters (18) geöffnet sensiertem (104) Tankdeckel, weiterhin öffnend Ansteuern (106) des Absperrventils (36);

– bei Überschreiten des maximalen Tankfüllstandes (108), schließend Ansteuern (110) des Absperrventils (36);

– bei Erreichen (112) des fluidischen Mediums einer in das Einfüllrohr (12) eingeführten Zapfpistole (16), Abschalten des Kraftstoffzuflusses (114).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einer eine Tankleckdiagnoseeinrichtung aufweisenden Tankanlage, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn eines Tankleckdiagnosevorganges, bei geschlossen sensiertem Tankdeckel, das Absperrventil (36) schließend angesteuert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (36) im Falle eines sensierten Roll-Over-Zustandes des Kraftfahrzeuges schließend angesteuert wird. Tankanlage insbesondere eines Kraftfahrzeuges, aufweisend einen Tank (10) zur Aufnahme eines flüchtige Stoffe bildenden fluidischen Mediums, ein Adsorptionsfilter (30) zur Aufnahme der aus dem Tank (10) austretenden flüchtigen Stoffe, ein die Tankanlage nach außen hin druckdicht abschließbares, elektrisch ansteuerbares Absperrventil (36), einen Tankfüllstandsensor (24) und ein mit dem Tank (10) verbundenes Einfüllrohr (12) zur Befüllung des Tanks (10) mit dem fluidischen Medium, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (22) zur Erfassung eines vom Tankfüllstandsensor (24) bereitgestellten Tankfüllzustandes sowie zur Ansteuerung des Absperrventils (36) in Abhängigkeit von dem erfassten Tankfüllzustand gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Tankanlage nach Anspruch 7 mit einem Tankdeckelschalter (18) zur Sensierung des Öffnungszustandes eines Tankdeckels, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (22) zusätzlich einen vom Tankdeckelschalter (18) bereitgestellten Tankdeckelöffnungszustand erfasst und das Absperrventil (36) auch in Abhängigkeit von dem erfassten Tankdeckelöffnungszustand ansteuert. Tankanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (36) am Frischlufteingang des Adsorptionsfilters angeordnet ist. Steuergerät zum Betrieb einer Tankanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9 gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.






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