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.