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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, welche eine Steuervorrichtung aufweist, mittels welcher das Steuerverfahren durchführbar ist.
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Moderne Kraftfahrzeuge verfügen heutzutage in der Regel über ein Tankentlüftungssystem. Die im Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs entstehenden Kraftstoffdämpfe werden dabei in einem Aktivkohlebehälter adsorbiert. Der Aktivkohlebehälter ist über eine Entlüftungsleitung mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden. In der Entlüftungsleitung befindet sich ein Tankentlüftungsventil, durch welches der Aktivkohlebehälter wahlweise mit dem Ansaugtrakt verbunden oder von diesem getrennt werden kann. Von Zeit zu Zeit muss der mit Kraftstoffdämpfen beladene Aktivkohlebehälter regeneriert werden. Dies geschieht dadurch, dass das Tankentlüftungsventil geöffnet wird, die adsorbierten Kraftstoffdämpfe vom Aktivkohlebehälter in den Ansaugtrakt strömen und am Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine teilnehmen. Während des Regenerationsvorgangs wird der Aktivkohlebehälter von einem konstanten Spülstrom durchspült. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Aktivkohlebehälter jedoch nicht optimal regeneriert, wodurch dessen Adsorptionskapazität nur teilweise ausgenützt wird. Daher muss der Regenerierungsvorgang sehr häufig durchgeführt werden, was aber je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine nicht immer möglich ist.
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Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus
DE 101 26 520 A1 bekannt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Steuerverfahren und eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, mittels denen die Regenerierung des Aktivkohlebehälters effizienter durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch das Steuerverfahren und die Brennkraftmaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Steuerverfahren gemäß dem Anspruch 1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kraftstofftank und einem Kraftstoffdämpfespeicher, welcher mit dem Kraftstofftank über eine Entlüftungsleitung gekoppelt ist, um die daraus entweichenden Kraftstoffdämpfe zu speichern. Der Kraftstoffdämpfespeicher ist ferner über eine Entlüftungsleitung mit einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine gekoppelt, um die gespeicherten Kraftstoffdämpfe während eines Tankentlüftungszeitraums in den Ansaugtrakt einzuleiten. Die Brennkraftmaschine verfügt ferner über ein steuerbares Ventil, mittels dem der dem Ansaugtrakt zugeführte Kraftstoffdämpfestrom einstellbar ist. Gemäß dem Verfahren wird das Ventil derart angesteuert, dass der Kraftstoffdämpfestrom während des Tankentlüftungszeitraums variiert und der Kraftstoffdämpfestrom zu Beginn des Tankentlüftungszeitraums bis zu einem vorgegebenen Sollstrom gesteigert wird und die Variation des Kraftstoffdämpfestroms erst nach Erreichen des Sollstroms durchgeführt wird.
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Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird zur Regenerierung der Aktivkohle ein kontinuierlicher Spülstrom durch das Aktivkohlebett eingestellt. Dazu wird das Tankentlüftungsventil so schnell wie möglich bis zu einem maximalen Öffnungsgrad geöffnet. Durch die starke und kontinuierliche Durchströmung des Aktivkohlebetts bilden sich in der Aktivkohle Strömungskanäle aus, durch welche der Spülgasstrom hoher Geschwindigkeit strömt. In der unmittelbaren Umgebung der Strömungskanäle kommt es zu einer schnellen Regenerierung der Aktivkohle. Jedoch sind die Zonen mit ausreichender Regenerierung örtlich stark begrenzt, da die Diffusion von Kraftstoffdämpfen aus anderen Bereichen des Aktivkohlebetts nur mit zeitlich starker Verzögerung stattfindet. Bei einem kontinuierlichen Spülstrom ist daher eine optimale Regenerierung der Aktivkohle nicht möglich, so dass die Adsorbtionskapazität des Aktivkohlebehälters nur teilweise genutzt werden kann. Ferner kann es durch den hohen Luftmassendurchsatz in den Strömungskanälen zu einer Beschädigung der Aktivkohlepartikel in diesen Bereichen kommen.
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Gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird der Kraftstoffdämpfestrom bzw. der Spülstrom durch den Aktivkohlebehälter während des Tankentlüftungszeitraums variiert, wobei der Kraftstoffdämpfestrom zu Beginn des Tankentlüftungszeitraums bis zu einem vorgegebenen Sollstrom gesteigert wird und die Variation des Kraftstoffdämpfestroms erst nach Erreichen des Sollstroms durchgeführt wird. Dadurch kommt es zu einer ständig neuen Ausbildung von Strömungskanälen, wodurch ein deutlich größerer Bereich des Aktivkohlebetts mit Spülgas durchströmt wird. Die Variation des Spülgasstroms bzw. des Kraftstoffdämpfestroms fördert ferner die Diffusion adsorbierter Kraftstoffdämpfe aus den Randbereichen zu den Strömungskanälen, wodurch die Regenerierung des Aktivkohlebetts deutlich effizienter wird. Die bessere Ausnützung der Adsorptionskapazität des Aktivkohlebetts erlaubt deutlich größere zeitliche Abstände zwischen den Regenerationsphasen und eine Verringerung des Aktivkohlebehältervolumens. Die anfängliche Steigerung des Kraftstoffdämpfestroms bis zu einem vorgegebenen Sollstrom kann beispielsweise der Ermittlung des Beladungsgrads des Kraftstoffdämpfespeichers dienen. Erst danach wird die Variation des Kraftstoffdämpfestroms durchgeführt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird das Ventil derart gesteuert, dass der Kraftstoffdämpfestrom während des Tankentlüftungszeitraums mehrmals verringert und wieder gesteigert wird.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird der Kraftstoffdämpfestrom bis zur vollständigen Unterbrechung verringert.
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Durch die Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Ansprüche 2 und 3 kann der Regenerierungseffekt noch weiter gesteigert werden. Die mehrmalige Verringerung bzw. Unterbrechung und anschließende Steigerung des Spülstroms durch den Kraftstoffdämpfespeichers bewirkt eine wiederholte Neubildung der Strömungskanäle und fördert die Diffusion der Kraftstoffdämpfe innerhalb des Kraftstoffdämpfespeichers, wodurch große Bereiche des Kraftstoffdämpfespeichers regeneriert werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird der Beladungsgrad des Kraftstoffdämpfespeichers ermittelt und der Zeitraum, für welchen der Kraftstoffdämpfestrom verringert wird, in Abhängigkeit von Beladungsgrad bestimmt.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird der Beladungsgrad des Kraftstoffdämpfespeichers ermittelt und der Zeitraum, für welche der Kraftstoffdämpfestrom verringert wird, in Abhängigkeit vom Betrag des maximalen Kraftstoffdämpfestroms bestimmt.
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Diese Ausgestaltungen des Verfahrens erlauben eine gesteigerte Flexibilität bei der Einstellung des Zeitraums, für welchen der Kraftstoffdämpfestrom verringert wird, wodurch eine individuelle Anpassung an sich ändernde Umstände gewährleistet ist. So ist es beispielsweise möglich, bei einem geringeren Beladungsgrad den Zeitraum zu vergrößern, um die geringere Diffusionsgeschwindigkeit der Kraftstoffdämpfe innerhalb des Kraftstoffdämpfespeichers zu berücksichtigen. Andererseits kann bei einem sehr großen Betrag des maximalen Kraftstoffdämpfestroms der Zeitraum verkürzt werden, da hier die Diffusionsgeschwindigkeit größer ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 handelt es sich bei dem Ventil um ein Tankentlüftungsventil, welches in der Entlüftungsleitung zwischen dem Kraftstoffdämpfespeicher und dem Ansaugtrakt angeordnet ist.
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Eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 7 weist einen Kraftstofftank und einen Kraftstoffdämpfespeicher auf, welcher mit dem Kraftstofftank über eine Entlüftungsleitung gekoppelt ist, um die daraus entweichenden Kraftstoffdämpfe zu speichern, und welcher ferner über eine Entlüftungsleitung mit einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, um die gespeicherten Kraftstoffdämpfe während eines Tankentlüftungszeitraums in den Ansaugtrakt einzuleiten. Die Brennkraftmaschine weist ferner ein steuerbares Ventil auf, mittels dem der dem Ansaugtrakt zugeführte Kraftstoffdämpfestrom einstellbar ist. Eine Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine ist mit dem Ventil verbunden und steuert dieses während des Tankentlüftungszeitraums derart, dass der Kraftstoffdämpfestrom variiert und der Kraftstoffdämpfestrom zu Beginn des Tankentlüftungszeitraums bis zu einem vorgegebenen Sollstrom gesteigert wird und die Variation des Kraftstoffdämpfestroms erst nach Erreichen des Sollstroms durchgeführt wird.
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Die beschriebene Brennkraftmaschine ist derart ausgestaltet, dass sie das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 ausführen kann. Die bezüglich des Anspruchs 1 aufgeführten Vorteile gelten analog für die Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 7.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 ein Diagramm zur Darstellung des Durchflusses am Tankentlüftungsventil über der Zeit.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 1 weist mindestens einen Zylinder 2 und einen in dem Zylinder 2 auf und ab beweglichen Kolben 3 auf. Die zur Verbrennung nötige Frischluft wird über einen Ansaugtrakt 4 in einen von dem Zylinder 2 und dem Kolben 3 begrenzten Brennraum 5 eingeleitet. Stromabwärts einer Ansaugöffnung 6 befinden sich in dem Ansaugtrakt 4 ein Luftmassensensor 7 zur Erfassung des Luftdurchsatzes im Ansaugtrakt 4, eine Drosselklappe 8 zur Steuerung des Luftdurchsatzes, ein Saugrohr 9 und ein Einlassventil 10, mittels dem der Brennraum 5 mit dem Ansaugtrakt 4 wahlweise verbunden oder getrennt wird.
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Die Auslösung der Verbrennung geschieht mittels einer Zündkerze 11. Die durch die Verbrennung erzeugte Antriebsenergie wird über eine Kurbelwelle 12 an den Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt) übertragen. Ein Drehzahlsensor 13 erfasst die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1.
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Die Verbrennungsabgase werden über einen Abgastrakt 14 der Brennkraftmaschine 1 abgeführt. Der Brennraum 5 wird mittels eines Auslassventils 15 mit dem Abgastrakt 14 wahlweise verbunden oder von diesem getrennt. Die Abgase werden in einem Abgasreinigungskatalysator 16 gereinigt. Im Abgastrakt 14 befindet sich ferner ein so genannter Lambdasensor 17 zur Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas.
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Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Kraftstoffversorgungseinrichtung mit einem Kraftstofftank 18, einer Kraftstoffpumpe 19, einer Hochdruckpumpe 20, einem Druckspeicher 21 und zumindest einem steuerbaren Einspritzventil 22. Der Kraftstofftank 18 weist einen verschließbaren Einfüllstutzen 23 zum Einfüllen von Kraftstoff auf. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 19 über eine Kraftstoffversorgungsleitung 24 dem Einspritzventil 22 zugeführt. In der Kraftstoffversorgungsleitung 24 sind die Hochdruckpumpe 20 und der Druckspeicher 21 angeordnet. Die Hochdruckpumpe 20 hat die Aufgabe, dem Druckspeicher 21 den Kraftstoff mit hohem Druck zuzuführen. Der Druckspeicher 21 ist dabei als gemeinsamer Druckspeicher 21 für alle Einspritzventile 22 ausgebildet. Von ihm aus werden alle Einspritzventile 22 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei der der Kraftstoff mittels des in den Brennraum 5 ragenden Einspritzventils 22 direkt in den Brennraum 5 eingespritzt wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art der Kraftstoffeinspritzung beschränkt ist, sondern auch auf andere Arten der Kraftstoffeinspritzung, wie beispielsweise Saugrohreinspritzung, anwendbar ist.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine Tankentlüftungsvorrichtung auf. Zu der Tankentlüftungsvorrichtung gehört ein Kraftstoffdämpfespeicher 25, welcher beispielsweise als Aktivkohlebehälter ausgebildet ist und über eine Verbindungsleitung 26 mit dem Kraftstofftank 18 verbunden ist. Die in dem Kraftstofftank 18 entstehenden Kraftstoffdämpfe werden in den Kraftstoffdämpfespeicher 25 geleitet und dort von der Aktivkohle adsorbiert. Der Kraftstoffdämpfespeicher 25 ist über eine Entlüftungsleitung 27 mit dem Saugrohr 9 der Brennkraftmaschine 1 verbunden. In der Entlüftungsleitung 27 befindet sich ein steuerbares Tankentlüftungsventil 28, mittels dem der Kraftstoffdämpfestrom einstellbar ist. Ferner kann dem Kraftstoffdämpfespeicher 25 über eine Belüftungsleitung 29 und ein darin angeordnetes steuerbares Belüftungsventil 30 Frischluft zugeführt werden.
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In bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine 1, insbesondere im Leerlauf oder bei Teillast, herrscht aufgrund des starken Drosseleffekts durch die Drosselklappe 8 ein großes Druckgefälle zwischen der Umgebung und dem Saugrohr 9. Durch Öffnen des Tankentlüftungsventils und des Belüftungsventils 30 während eines Tankentlüftungszeitraums kommt es daher zu einem Spüleffekt, bei dem die in dem Kraftstoffdämpfespeicher 25 gespeicherten Kraftstoffdämpfe in das Saugrohr 9 geleitet werden und an der Verbrennung teilnehmen. Die Kraftstoffdämpfe verursachen somit eine Veränderung der Zusammensetzung der Brenngase und der Abgase.
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Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuervorrichtung 31 zugeordnet, in welcher kennfeldbasierte Motorsteuerungsfunktionen (KF1 bis KF5) softwaremäßig implementiert sind. Die Steuervorrichtung 31 ist mit sämtlichen Aktuatoren und Sensoren der Brennkraftmaschine 1 über Signal- und Datenleitungen verbunden. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 31 mit dem steuerbaren Belüftungsventil 30, dem steuerbaren Tankentlüftungsventil 28, dem Luftmassensensor 7, der steuerbaren Drosselklappe 8, dem Einspritzventil 22, der Zündkerze 11, dem Lambdasensor 17 und dem Drehzahlsensor 13 verbunden.
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Teile der Brennkraftmaschine 1 und der Steuervorrichtung 31 bilden eine Lambdareglereinrichtung. Die Lambdareglereinrichtung umfasst insbesondere den Lambdasensor 17, einen in der Steuervorrichtung 31 softwaremäßig implementierten Lambdaregler 33, sowie die Einspritzventile 22 und deren Ansteuerschaltung, mit dem die Öffnungszeiten der Einspritzventile 22 gesteuert werden. Die Lambdareglereinrichtung bildet einen geschlossenen Lambda-Regelkreis und ist derart ausgestaltet, dass eine von dem Lambdasensor 17 erfasste Abweichung der Abgaszusammensetzung von einem vorgegebenen Lambda-Sollwert mittels einer Einspritzmengenkorrektur korrigiert wird. Wird während des Tankentlüftungszeitraumes das Tankentlüftungsventil 28 geöffnet, so strömen aufgrund des Druckgefälles Kraftstoffdämpfe von dem Kraftstoffdämpfespeicher 25 in den Ansaugtrakt 4 bzw. das Saugrohr 9 der Brennkraftmaschine 1. Diese Kraftstoffdämpfe, deren Konzentration in der Ansaugluft zunächst unbekannt ist, führen zu einer Anfettung des Brenngemisches, d. h. zu einem Überschuss an Kohlenwasserstoffen im Brenngas, und nach der Verbrennung zu einer entsprechenden Veränderung der Abgaszusammensetzung. Der von dem Lambdasensor 17 gemessene Lambda-Wert sinkt dadurch unter den Sollwert von beispielsweise Lambda = 1 ab. Es kommt also zu einer Regelabweichung, welche durch den Lambdaregler 33 registriert und durch eine entsprechende Veränderung der Regler-Ausgangsgröße ausgeregelt wird. Dies geschieht durch Vorgabe einer entsprechenden Stellgröße an die Einspritzventile 22, wodurch die eingespritzte Kraftstoffmenge entsprechend so lange verändert wird, bis die Störung ausgeregelt ist. Dieser Vorgang wird im Folgenden als Einspritzmengenkorrektur bezeichnet.
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Zur Reduzierung der während des Tankentlüftungszeitraums, insbesondere zu Beginn des Tankentlüftungszeitraums, ausgestoßenen Schadstoffe ist eine exakte Berechnung der durch die Tankentlüftung dem Brennraum 5 zusätzlich zugeführten Kraftstoffmenge notwendig. Dazu muss zunächst der Beladungsgrad des Kraftstoffdämpfespeichers 25 mit Kraftstoffdämpfen ermittelt werden. Zur Ermittlung des Beladungsgrads wird das Tankentlüftungsventil 28 derart angesteuert, dass sich ein geringer aber definierter Durchfluss einstellt. Dies kann beispielsweise durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal erfolgen. Die dadurch verursachte Änderung des Brenngemisches führt auch zu einer Veränderung der Abgaszusammensetzung, was durch den Lambdasensor 17 bzw. den Lambdaregler 33 registriert wird. Das Öffnen des Tankentlüftungsventils 28 führt zu einer Abweichung des Ausgangswerts des Lambdareglers 33 bzw. des Lambdasensors 17 im Vergleich zum Zeitpunkt vor dem öffnen des Tankentlüftungsventils 28. Die Differenz zwischen dem Ausgangswert des Lambdareglers 33 bzw. des Lambdasensors 17 nach dem Öffnen des Tankentlüftungsventils 28 und dem Ausgangswert des Lambdareglers 33 oder alternativ des Lambdasensors 17 vor dem öffnen des Tankentlüftungsventils 28 wird dazu verwendet, um mittels eines physikalischen Modells den Beladungsgrad des Kraftstoffdämpfespeichers 25 zu ermitteln.
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Ein Steuerungsverfahren für die Brennkraftmaschine 1 wird nun anhand von 2 näher erläutert. In 2 ist der Durchfluss am Tankentlüftungsventil 28 über der Zeit beispielhaft und schematisch dargestellt. Sind die Bedingungen zur Durchführung der Regenerierung des Kraftstoffdämpfespeichers 25 gegeben, wie beispielsweise ein stationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine und ein ausreichender Saugrohrunterdruck, so wird das Tankentlüftungsventil 28 zum Zeitpunkt t0 geöffnet. Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, wird der Öffnungsgrad des Tankentlüftungsventils 28 für die Ermittlung des Beladungsgrades des Kraftstoffdämpfespeichers 25 vom Zeitpunkt t0 bis zum Erreichen eines Sollwertes für den Kraftstoffdämpfestrom zum Zeitpunkt t1 langsam gesteigert. Ist der Beladungsgrad jedoch aus einer kurz vorhergehenden Messung bereits bekannt, so kann das Tankentlüftungsventil 28 auch sehr schnell oder schlagartig bis zum Erreichen des Sollwertes geöffnet werden.
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Nach Erreichen des Sollwertes wird das Tankentlüftungsventil 28 derart gesteuert, dass der Kraftstoffdämpfestrom mehrmals hintereinander verringert und wieder bis zum Sollwert gesteigert wird. Dies geschieht durch gesteuertes Öffnen und Schließen des Tankentlüftungsventils 28. Dabei kann der Kraftstoffdämpfestrom am Tankentlüftungsventil 28 entweder nur um einen bestimmten Betrag verringert oder vollständig unterbunden werden. Diese beiden Alternativen sind in 2 durch eine gestrichelte und eine durchgezogene Linie dargestellt.
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Der Zeitraum Δt, während dem der Durchfluss am Tankentlüftungsventil verringert oder unterbrochen ist, kann dabei von der Steuereinrichtung 31 in Abhängigkeit vom berechneten Beladungsgrad oder vom Betrag des maximalen Durchflusses am Tankentlüftungsventil 28 bestimmt werden. Ist beispielsweise der Beladungsgrad oder der maximale Durchfluss sehr gering, so wird die Zeitspanne Δt vergrößert. Dadurch kann die geringere Diffusionsgeschwindigkeit der Kraftstoffdämpfe besser berücksichtigt werden. Nach mehrmaliger Wiederholung des Öffnens und Schließens des Tankentlüftungsventils 28 wird das Tankentlüftungsventil 28 bis zum Zeitpunkt t2 vollständig geschlossen. Der Tankentlüftungszeitraum ist daher durch die Zeitpunkte t0 und t2 begrenzt.
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Die Variation des Kraftstoffdämpfestroms am Tankentlüftungsventil 28 bewirkt, dass sich in dem Aktivkohlebett des Kraftstoffdämpfespeichers 25 ständig neue Strömungskanäle ausbilden. Ferner kommt es zu einer besseren Durchmischung der Aktivkohle, was die Diffusion der Kraftstoffdämpfe aus weniger durchströmten Bereichen zu den Strömungskanälen und damit die Regenerierung des Kraftstoffdämpfespeichers 25 fördert. Durch die verbesserte Regenerierung kann die Adsorbtionskapazität des Kraftstoffdämpfespeichers 25 nachfolgend besser genutzt werden. Dadurch ist es auch möglich, das Gesamtvolumen des Kraftstoffdämpfespeichers 25 zu verringern.