DE10043862A1 - Verfahren zur Steuerung der Regenerierung eines Kraftstoffdampfzwischenspeichers bei Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Steuerung eines Tankentlüftungsventils zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Kraftstoffdampfspeicher, wobei der gespeicherte Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffdampfspeicher dem Verbrennungsmotor bei geöffnetem Tankentlüftungsventil zugeführt wird. Bei dem Verfahren wird zwischen Phasen aktiver und inaktiver Tankentlüftung unterschieden und die Spülrate wird bei aktiver Tankentlüftung abhängig von Betriebsparametern des Motors und/oder der Tankentlüftungsanlage durch ein Spülratenvorgabemittel vorgegeben. Wenn die Dauer der Phase mit inaktiver Tankentlüftung eine Mindestdauer überschreitet, wird die Spülrate in der anschließenden Phase mit aktiver Tankentlüftung vorübergehend unter die vom Spülratenvorgabemittel vorgegebene Rate begrenzt.

Description

Stand der Technik

Verfahren zur Steuerung der Regenerierung eines Kraftstoffdampfzwischenspeichers bei Verbrennungsmotoren sind bereits aus der US 4 683 861 bekannt.

Der Kraftstoffdampfzwischenspeicher kann als Aktivkohlefilter realisiert sein. Er nimmt im Tank verdunstenden Kraftstoffdampf auf. Durch Spülung mit Luft erfolgt eine Regeneration des Aktivkohlefilters. Die Spülluft strömt durch den Aktivkohlefilter, nimmt dort Kraftstoff auf und wird als mit Kraftstoff beladenes Regeneriergas dem Verbrennungsmotor zugeführt. Die Regenerierung des Aktivkohlefilters durch Spülung mit Luft erfolgt beispielsweise durch Öffnen eines Tankentlüftungsventils zwischen dem Aktivkohlefilter und dem Saugrohr des Verbrennungsmotors. Der Saugrohrunterdruck wirkt in diesem Fall als treibende Kraft für die Spülung des Filters über eine Frischluftöffnung. Das mit Kraftstoff beladene Regeneriergas strömt dem Druckgefälle folgend über das Tankentlüftungsventil zum Verbrennungsmotor.

Bekannte Verfahren sehen eine Regenerierung nur in bestimmten Betriebszuständen des Motors vor. Beim Motor mit Benzindirekteinspritzung ist der Betrieb mit homogener Verteilung des Kraftstoff/Luftgemisches in den Brennräumen besonders geeignet, da das Regeneriergas ebenfalls bereits als Gemisch von Kraftstoff und Luft in die Brennräume gelangt.

Der beim Benzindirekteinspritzmotor favorisierte Mager- Betrieb mit geschichteter Ladungsverteilung ist dagegen weniger geeignet, weil das vorgemischte Regeneriergas die einspritzstrahlgeführte Ladungsschichtung beeinträchtigt.

Wie aus der US 6 012 435 bekannt ist, erfolgt daher beim langandauernden Betrieb mit geschichteter Ladung unter Umständen eine Regenerierung des Aktivkohlefilters für längere Zeit nicht, wenn der Motor längere Zeit im Schichtbetrieb betrieben wird. Wenn diese Zeit eine Schwelle überschreitet erfolgt nach der angegebenen US Schrift eine Umschaltung in den Homogenbetrieb, um eine Regenerierung des Aktivkohlefilters zu ermöglichen.

Je nachdem, wieviel Kraftstoffdampf der Aktivkohlefilter vor der Regenerierung aufgenommen hat, kann er stark oder schwach mit Kraftstoff beladen sein. Als Folge kann das Regeneriergas bei einer anschließenden Regenerierung nach einer längeren Phase mit inaktiver Tankentlüftung stark oder schwach kraftstoffhaltig sein.

Zum Ausgleich der Kraftstoffmenge, die dem Verbrennungsmotor mit dem Regeneriergas zugeführt wird, erfolgt üblicherweise eine Verkleinerung des Kraftstoffstroms über die Einspritzventile.

Das Ausmaß der Verkleinerung muß sich zunächst an einem mittleren Beladungsgrad des Regeneriergases orientieren, weil der tatsächliche Beladungsgrad zumindest bei Beginn der Regenerierung im Steuergerät nicht bekannt ist.

Ist das Regeneriergas bei einsetzender Regenerierung sehr kraftstoffreich, ist die dem Motor insgesamt zugeführte Kraftstoffmenge so groß, dass es zu unerwünschten HC-Emissionen kommen kann.

Vor diesem Hintergrund zielt die Erfindung darauf, die Zufuhr von Regeneriergas bei Verbrennungsmotoren mit Tankentlüftung unter Verringerung der unerwünschten HC-Emissionen abgasneutral durchzuführen, den Fahrkomfort nicht zu beeinträchtigen und das Motormoment nicht unerwünscht zu beeinflussen. Gleichzeitig soll die Spülmenge unter den gegebenen Randbedingungen maximiert werden.

Diese angestrebten Wirkungen werden mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Im einzelnen offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Tankentlüftungsventils zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Kraftstoffdampfspeicher, wobei der gespeicherte Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffdampfspeicher dem Verbrennungsmotor bei geöffnetem Tankentlüftungsventil zugeführt wird. Bei dem Verfahren wird zwischen Phasen aktiver und inaktiver Tankentlüftung unterschieden und die Spülrate wird bei aktiver Tankentlüftung abhängig von Betriebsparametern des Motors und/oder der Tankentlüftungsanlage durch ein Spülratenvorgabemittel vorgegeben. Wenn die Dauer der Phase mit inaktiver Tankentlüftung eine Mindestdauer überschreitet, wird die Spülrate in der anschließenden Phase mit aktiver Tankentlüftung vorübergehend unter die vom Spülratenvorgabemittel vorgegebene Rate begrenzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet vorteilhafterweise, dass eine Änderung des Beladungszustandes des Aktivkohlefilters, die während einer langen Phase mit inaktiver Tankentlüftung eingetreten ist, zu einer unerwünscht hohen Zunahme des Gesamtkraftstoffflusses zum Verbrennungsmotor führt. Damit kann eine unerwünschte Zunahme der HC-Emissionen nach langen Phasen inaktiver Tankentlüftung vermieden werden, ohne die erwünscht hohen Regenerierungsraten nach kürzeren Phasen inaktiver Tankentlüftung verkleinern zu müssen.

Da die Begrenzung nur vorübergehend wirkt, kann eine unerwünschte Begrenzung der Regenerierraten bei länger andauernden Phasen aktiver Tankentlüftung ebenfalls vermieden werden.

Dadurch wird in der Summe eine erwünschte große Regenerierrate ohne gesteigerte HC-Emissionen beim Übergang von inaktiver zu aktiver Tankentlüftung begünstigt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Bezug auf die Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung. Fig. 2 offenbart ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Form von Funktionsblöcken.

Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert den Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Über ein Einlaßventil 2 wird der Zustrom von Luft zum Brennraum gesteuert. Die Luft wird über ein Saugrohr 3 angesaugt. Die Ansaugluftmenge kann über eine Drosselklappe 4 variiert werden, die von einem Steuergerät 5 angesteuert wird. Dem Steuergerät werden Signale über den Drehmomentwunsch des Fahrers, bspw. über die Stellung eines Fahrpedals 6, ein Signal über die Motordrehzahl n von einem Drehzahlgeber 7 und ein Signal über die Menge ml der angesaugten Luft von einem Luftmengenmesser 8 zugeführt.

Zusätzlich ergänzend oder alternativ zum Luftmassenmesser 8 ist ein Saugrohrdrucksensor 8a und/oder ein Drosselklappenpositionssensor 8b zur Luftmengenmessung vorgesehen.

Im folgenden wird anstelle des Begriffs der Luftmengenmessung auch der Begriff der Füllungserfassung verwendet. Der Begriff der Füllung umschreibt die auf die Füllung eines einzelnen Zylinders bezogene Luftmenge. In erster Näherung ist dies die durch die Zahl der Zylinder und die Drehzahl dividierte und damit auf einen Hub normierte gemessene Luftmenge.

Aus diesen und ggf. weiteren Eingangssignalen über weitere Parameter des Verbrennungsmotors wie Ansaugluft- und Kühlmitteltemperatur und so weiter bildet das Steuergerät 5 Ausgangssignale zur Einstellung des Drosselklappenwinkels alpha durch ein Stellglied 9 und zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils 10, durch das Kraftstoff in den Brennraum des Motors dosiert wird. Außerdem wird durch das Steuergerät die Auslösung der Zündung über eine Zündeinrichtung 11 gesteuert.

Weiterhin steuert das Steuergerät eine Tankentlüftung 12 sowie weitere Funktionen zur Erzielung einer effizienten Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum. Die aus der Verbrennung resultierende Gaskraft wird durch Kolben 13 und Kurbeltrieb 14 in ein Drehmoment gewandelt.

Die Tankentlüftungsanlage 12 besteht aus einem Aktivkohlefilter 15, der über entsprechende Leitungen beziehungsweise Anschlüsse mit dem Tank, der Umgebungsluft und dem Saugrohr des Verbrennungsmotors kommuniziert, wobei in der Leitung zum Saugrohr ein Tankentlüftungsventil 16 angeordnet ist.

Der Aktivkohlefilter 15 speichert im Tank 5 verdunstenden Kraftstoff. Bei vom Steuergerät 6 öffnend angesteuerten Tankentlüftungsventil 11 wird Luft aus der Umgebung 17 durch den Aktivkohlefilter gesaugt, der dabei den gespeicherten Kraftstoff an die Luft abgibt. Dieses auch als Tankentlüftungsgemisch oder auch als Regeneriergas bezeichnete Kraftstoff-Luft-Gemisch beeinflußt die Zusammensetzung des dem Verbrennungsmotor insgesamt zugeführten Gemisches, das im übrigen durch eine der angesaugten Luftmenge angepaßte Zumessung von Kraftstoff über die Kraftstoffzumeßvorrichtung 10 mitbestimmt wird. Dabei kann der über das Tankentlüftungssystem angesaugte Kraftstoff in Extremfällen einen Anteil von ca. einem Drittel bis zur Hälfte der Gesamtkraftstoffmenge entsprechen.

Fig. 2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des Tankentlüftungsventils.

Block 2.1 repräsentiert ein Spülratenvorgabemittel, das beispielsweise als Kennfeldspeicher realisiert sein kann.

Die Spülrate wird zunächst abhängig vom Arbeitspunkt des Motors bestimmt.

Dabei kann die Spülrate als Quotient des Massenstroms über das Tankentlüftungsventil und des gesamten Massenstroms in das Saugrohr definiert sein.

Der Arbeitspunkt ist durch Betriebsparameter des Motors wie Zylinderfüllung, Ladungsverteilung im Brennraum und Gemischzusammensetzung definiert. Diese Betriebsparameter werden teilweise vom Steuergerät vorgegeben. So bestimmt das Steuergerät zum Beispiel, ob der Motor in der Betriebsart mit homogener Gemischverteilung oder in der Betriebsart mit geschichteter Ladungsverteilung zu betreiben ist. Die Zylinderfüllung wird vom Steuergerät aus erfaßten Betriebsparametern wie Drehzahl und Ansaugluftmenge, Drosselklappenwinkel, Saugrohrdruck und so weiter gebildet. Die Gemischzusammensetzung kann aus im Steuergerät vorliegenden Größen wie dem Kraftstofffluß über die Einspritzventile und der Zylinderfüllung berechnet werden oder mit einer Abgassonde meßtechnisch bestimmt werden.

Wesentlich ist, das der Motor in manchen Arbeitspunkten größere Spülraten und damit größere Mengen Regeneriergas verarbeiten kann als in anderen und dass aus diesem Grund ein Spülratenvorgabemittel passende Spülraten in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt vorgibt.

Die vorgegebene Spülrate wird im Block 2.2 in ein Ansteuertastverhältnis für das Tankentlüftungsventil umgerechnet. In die Berechnung kann beispielsweise der Massenstrom mdk über die Drosselklappe des Motors eingehen um zunächst einen gewünschten Massenstrom über das Tankentlüftungsventil aus der Spülrate zu bestimmen. Beträgt die Spülrate beipielsweise 20% und der Massenstrom über die Drosselklappe 4 kg/Stunde, so ergibt sich daraus ein gewünschter Massenstrom über das Tankentlüftungsventil von 1 kg/Stunde. Ein für diesen Durchfluß passendes Öffnungstastverhältnis zur Ansteuerung des Tankentlüftungsventils kann beispielsweise aus einem Kennfeld, das zusätzlich die Druckdifferenz zwischen dem Saugrohr und dem Tankentlüftungssystem berücksichtigt, gewonnen werden. Die genannte Druckdifferenz kann wiederum aus dem gemessenen oder im Steuergerät modellierten Saugrohrdruck psaug abgeschätzt werden.

Das so bestimmte Ansteuersignal wird erfindungsgemäß vorübergehend zusätzlich begrenzt.

Dazu ist eine Multiplikation der aus dem Kennfeld ausgelesenen Spülrate in der Verknüpfungsstelle 2.3 geeignet.

Alternativ kann auch eine oder mehrere der Eingangsgrößen der Tastverhältnisbildung im Block 2.2 oder der Zeitdauern der Öffnungsimpulse im Ansteuertastverhältnis multiplikativ verringert werden.

Beispielsweise liefert ein rechnerisch verkleinerter Massenstrom über die Drosselklappe unter sonst gleichbleibenden Randbedingungen ebenfalls eine Verringerung der tatsächlichen Spülrate.

Erfindungsgemäß wird die Verringerung ausgelöst, wenn die Länge einer Betriebsphase ohne Öffnung des Tankentlüftungsventils einen vorbestimmten Wert überschreitet. Die Steuerung des Wechsel zwischen aktiver und nichtaktiver Tankentlüftung erfolgt durch eine Ablaufsteuerung 2.4 in Verbindung mit einem Schalter 2.5 zwischen der Tastverhältnisbildung im Block 2.2. und dem Tankentlüftungsventil 2.6. Dargestellt ist der Fall nichtaktiver Tankentlüftung bei geöffnetem Schalter 2.5 und stromlos geschlossenem Tankentlüftungsventil 2.6. Das die Aktivität der Tankentlüftung steuernde Signal wird neben dem Block 2.5 dem Block 2.7 zugeführt, in dem insbesondere die Länge der Phasen nichtaktiver Tankentlüftung erfaßt wird und mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird. Wenn die Dauer der Nichtaktivität die durch den vorbestimmten Schwellwert definierte Zeitdauer überschreitet, verbindet der Block 2.7. die Verknüpfung 2.3 mit dem Block 2.9. Block 2.9 gibt einen Wert heraus, der zumindest zeitweise kleiner als Eins ist. Beispielsweise sei dies der Festwert 0,5. Im Ergebnis wird bei diesem Beispiel die vom Kennfeld 2.1. herausgegebene Spülrate halbiert. Wenn die Dauer der Phase inaktiver Tankentlüftung dagegen kleiner als der Schwellwert ist, verbindet Block 2.8 die Blöcke 2.3 und 2.10 mit dem Ergebnis, dass die Spülrate nicht verkleinert wird.

Die Verringerung wirkt so lange, bis Block 2.7 wieder den Block 2.10 auf die Verknüpfung 2.3 schaltet.

Als Umschaltkriterum kann die Zeit verwendet werden, während der die Verringerung wirksam war. Überschreitet diese Zeit eine vorbestimmte Schwelle, erfolgt die Umschaltung.

Alternativ kann die Umschaltung von Betriebsparametern des Motor und/oder der Tankentlüftungsanlage abhängig gestaltet werden. Besonders vorteilhaft ist eine Abhängigkeit vom Integral des Massenstroms über das Tankentlüftungsventil. Dieser Massenstrom läßt sich bspw. aus der realen Spülrate, die auch dem Block 2.2. zugeführt wird, und dem Massenstrom mdk über die Drosselklappe bestimmen. Das Integral des Massenstroms über das Tankentlüftungsventil liefert ein Maß für die zum Motor geströmte Regeneriergasmenge. Mit steigender Regeneriergasmenge steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich auch eine eventuelle übermäßige Beladung des Aktivkohlefilters mit Kraftstoff wieder normalisiert hat. Eine Verringerung der Spülrate ist dann nicht mehr notwendig.

Alternativ kann auch ein anderes Maß für die zum Motor geströmte Regeneriergasmenge als Umschaltkriterium dienen. Geeignet wäre dazu auch das Integral über die Spülrate.

In einer vorteilhaften Alternative liefert der Block 2.9 an Stelle eines Festwertes, der kleiner als 1 ist, einen feinstufig oder stetig veränderlichen Wert, der anfangs eine starke Verringerung der Spülrate bewirkt und mit zunehmender Dauer der aktiven Tankentlüftung gegen den Wert Eins läuft.

Zum Beispiel kann Block 2.9 folgende Werte a liefern:

a = a0 + (Integral mtev/Grenzwert)
für a0 + (Integral mtev/Grenzwert) kleiner Eins;
a = 1
für a0 + (Integral mtev/Grenzwert) < 1

Dabei ist a0 ein vorbestimmter kleiner Startwert, beispielsweise 0,1; mtev ist der Massenstrom über das Tankentlüftungsventil und der Grenzwert ist ein vorbestimmter Wert, der einem Massenstrom mtev entspricht, bei dem normalerweise eine Normalisierung des Beladungszustandes des Aktivkohlefilters eingetreten ist.

Wenn a0 + (Integral mtev/Grenzwert) größer als 1 wird, erfolgt die Umschaltung auf a = 1 beziehungsweise die Umschaltung von Block 2.9 auf 2.10 durch Schalter 2.8.

Über die genannten Eingriffe hinaus erfolgt die Begrenzung der Tankentlüftung (TE) in folgenden Betriebszuständen:
Bei Getriebeumschaltvorgängen bei Automatikgetrieben wird ein Reduktionsmoment wirksam, das zu Einspritzausblendungen führen kann. Zur Vermeidung der Zunahme der HC-Emissionen wird das TEV mit Anforderung der Umschaltung geschlossen und erst zeitverzögert nach Wiederbeginn der Einspritzung wieder geöffnet.

BDE-spezifisch: Kommt es während der TE zu unerwünscht hohen Lambda-Abweichungen, beispielsweise aufgrund der Verwendung eines ungepufferten AKFs, so erfolgt eine sofortige Begrenzung der TE über einen Grenzwertregeleingriff. Um im Schichtbetrieb das Eingreifen der Grenzwertregelung bei einem Arbeitspunktwechsel zu vermeiden, ist es erforderlich, Arbeitspunktwechsel von Lambdaabweichungen zu unterscheiden und zuverlässig zu detektieren. Hierzu wird die relative Änderung des tiefpassgefilterten Lambda-Sollwerts ausgewertet und so gewichtet, dass lediglich kleine Werte zu einem Grenzwertregeleingriff führen, größere Werte aber als Arbeitpunktwechsel interpretiert werden.

BDE-spezifisch: Aufgrund der ungünstigen Verbrennungseigenschaften des räumlich homogen eingeleiteten Regeneriergases im Schichtbetrieb wird die TEV-Öffnung in Abhängigkeit von der Drehzahl begrenzt.

BDE-spezifisch: Zur Regenerierung des NOx-Speicher- Katalysators, die regelmäßig erforderlich ist, wird mit fettem Gemisch gefahren, das Lambda-Werte bis zu 0,7 erreichen kann. Da die Meßgenauigkeit der Lambdasonde in diesem Bereich nicht ausreichend ist, kann bei gleichzeitig erfolgender TE die Beladung des Regeneriergases nicht adaptiert werden. Zur Vermeidung des Umschaltens auf gesteuerte TE mit sehr geringer Spülrate, die in diesem Lambdabereich in der Regel erfolgt, wird bei Regenerierung des NOx-Speicher-Katalysators mit Lambdawerten kleiner einer Schwelle die Spülrate der Tankentlüftung mittels eines applizierbaren Faktors reduziert.

BDE-spezifisch: Die Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Betriebsarten (homogen, homogen-mager, -schicht) soll ruckfrei erfolgen. Um ein mögliches Störpotential seitens der Tankentlüftung gering zu halten, wird die Beladung des Regeneriergases in die Bereiche niedrig, mittel, hoch aufgeteilt und in Abhängigkeit davon nur bestimmte Betriebsarten und -umschaltungen erlaubt. Unabhängig davon wird bei Umschaltung zwischen vom Verbrennungvorgang her unterschiedlichen Betriebsarten (homogen, schicht) der Kraftstoffanteil der TE auf einen applizierbaren Wert begrenzt, d. h. die TEV-Öffnung muss vor der Umschaltung reduziert werden. Eine übliche Konfiguration ist:
hohe Beladung: Betriebsart homogen; keine Umschaltung;
mittlere Beladung: Betriebsarten hom., homogen-mager, homogen-schicht; Umschaltung;
niedrige Beladung: alle Betriebsarten; Umschaltung.

Mit den beschriebenen Begrenzungen wird eine weitestgehend abgasneutrale und den Fahrkomfort nicht beeinträchtigende TE erreicht. Unerwünschte HC-Emissionen infolge einer den Betriebszuständen nicht fein angepassten TE-Strategie werden ebenso vermieden wie unerwünschte Einflüsse auf das Moment; gleichzeitig wird die Spülmenge unter den gegebenen Randbedingungen maximiert.

Claims (2)

1. Verfahren zur Steuerung eines Tankentlüftungsventils zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Kraftstoffdampfspeicher, wobei der gespeicherte Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffdampfspeicher dem Verbrennungsmotor bei geöffnetem Tankentlüftungsventil zugeführt wird und wobei zwischen Phasen aktiver und inaktiver Tankentlüftung unterschieden wird und wobei der Öffnungszustand des Tankentlüftungsventils bei aktiver Tankentlüftung abhängig von Betriebsparametern des Motors und/oder der Tankentlüftungsanlage durch ein Spülratenvorgabemittel vorgegeben wird und wobei dann, wenn die Dauer der Phase mit inaktiver Tankentlüftung eine Mindestdauer überschreitet, der Öffnungszustand des Tankentlüftungsventils in der anschließenden Phase mit aktiver Tankentlüftung vorübergehend unter den vom Spülratenvorgabemittel vorgegeben Wert begrenzt wird.

2. Verfahren zur Steuerung eines Tankentlüftungsventils zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Kraftstoffdampfspeicher, wobei der gespeicherte Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffdampfspeicher dem Verbrennungsmotor bei geöffnetem Tankentlüftungsventil zugeführt wird wobei der Verbrennungsmotor mit einem Drehmomentwandler gekoppelt ist, dessen Übersetzungsverhältnis im Betrieb des Verbrennungsmotors veränderbar ist, und bei dem während einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses eine vorübergehende Reduktion des vom Verbrennungsmotor gelieferten Drehmomentes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Tankentlüftungsventil bei einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses mit Reduktion des vom Verbrennungsmotor gelieferten Drehmomentes vorübergehend geschlossen wird.