DE19650517A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tankentlüftung für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tankentlüftung für eine direkteinspritzende, fremdgezündete Brennkraftmaschine, die sowohl mit homogenem Gemisch als auch mit hohem Luftüberschuß unter Bildung einer Schichtladung be­ trieben werden kann.

Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung beinhalten ein großes Potential zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches bei geringem Schadstoffausstoß. Im Gegensatz zur Saugrohrein­ spritzung bei einer Otto-Brennkraftmaschine, bei der Kraft­ stoff in das Saugrohr eingespritzt wird, sich dort mit der angesaugten Luft vermischen kann und als ein im wesentlichen homogenes Luft/Kraftstoffgemisch in den Zylinder strömt, wird bei einer Direkteinspritzung Kraftstoff mit hohem Einspritz­ druck direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt. Der Kraft­ stoff muß in möglichst kleinen Tröpfchen in den Brennraum des Zylinders eingebracht werden und durch Ladungsschichtung wird das Gemisch im Bereich der Zündkerze so weit angereichert, daß eine sichere Entflammung garantiert ist, die Verbrennung im Mittel aber bei stark abgemagerten Gemisch (Luftzahlen λ << 1, abhängig vom Betriebsbereich der Brennkraftmaschine) stattfindet.

Es ist bekannt, Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffverdun­ stungs-Rückhaltesystemen, in der Regel auch als Tankent­ lüftungsanlagen bezeichnet, auszustatten. Der Zweck solcher Anlagen besteht darin, das Ausdampfen von Kohlenwasserstoffen aus dem Kraftstofftank an die Atmosphäre zu vermeiden. Hierzu weisen bekannte Tankentlüftungsanlagen für Otto-Brennkraft­ maschinen mit einer Saugrohreinspritzung (z. B. DE 40 12 111 C1) einen Kraftstofftank auf, der über eine Leitung mit einem Aktivkohlebehälter verbunden ist. Die durch die Erwärmung des Kraftstoffes verdampfenden Kohlenwasserstoffe werden in die­ sem Behälter adsorbiert. In bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine wird ein normalerweise geschlossenes Tankentlüftungsventil in einer Regenierungsleitung zwischen Aktivkohlebehälter und Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine mittels Signalen einer elektronischen Steuerungseinrichtung geöffnet. Durch den im Saugrohr herrschenden Unterdruck ge­ langen die Kraftstoffdämpfe aus dem Aktivkohlebehälter in den Ansaugtrakt stromabwärts der Drosselklappe und vermischen sich dort mit der Ansaugluft und mit dem in das Saugrohr ein­ gespritzten Kraftstoff. Dieses Gemisch strömt dann bei geöff­ netem Einlaßventil in den Zylinder, wo es mittels einer Zündeinrichtung gezündet und anschließend verbrannt wird. Während des Spülvorganges ist ein am Aktivkohlebehälter ange­ ordnetes Belüftungsventil offen, so daß aufgrund des Saug­ rohrunterdruckes Spülluft durch den Behälter strömen und die Aktivkohle regeneriert werden kann.

Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen kann in bestimm­ ten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, insbesondere während des Betriebes mit Zylinderladungsschichtung keine Spülung des Aktivkohlebehälters durchgeführt werden, da die Spülgase welche in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingeleitet werden, nicht vollständig verbrennen können. Die Spülgase werden nämlich über den gesamten Brennraum homogen verteilt. Im Brennraum verbrennt jedoch nur das Gemisch, das in der Nähe der Zündkerze geschichtet ist und eine Luftzahl besitzt, bei der kein Erlöschen der Flammenfront bei der Aus­ breitung auftritt. Im Rest des Brennraumes erlischt die Flam­ menfront, weil das Gemisch nicht innerhalb der Zündgrenzen liegt, da abhängig vom Betriebsbereich der Brennkraftmaschine sehr stark abgemagertes Gemisch bis zu reiner Luft und/oder rückgeführtes Abgas vorliegt.

Außerdem tritt das Problem auf, daß bei Betrieb der Brenn­ kraftmaschine ab einer bestimmten Last bis hin zur Vollast der Unterdruck im Saugrohr nicht ausreicht, den Absorptions­ behälter zu spülen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tankentlüftung einer, mit Direktein­ spritzung arbeitenden Brennkraftmaschine anzugeben.

Die Erfindung ist für das Verfahren durch die Merkmale von Patentanspruch 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 9 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit Hilfe einer Überdruckpumpe in der Regenerierungsleitung zwischen dem Adsorptionsbehälter und dem Ansaugkanal wird es ermöglicht, unabhängig von dem gerade im Saugrohr herrschen­ den Unterdruck in allen Betriebsbereichen der Brennkraftma­ schine, in denen eine Spülung des Adsorptionsbehälters mög­ lich ist eine solche Spülung auch durchzuführen.

Eine besonders kostengünstige, da aufwandsarme Vorrichtung wird erzielt, wenn als Überdruckpumpe eine ohnehin zur Dia­ gnose der Tankentlüftungsanlage mittels Überdruckverfahren vorhandene Diagnosepumpe verwendet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer Tankent­ lüftungsanlage und einer Einrichtung zur Abgasrück­ führung und

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Figur mit einem abgewandel­ ten Aufbau der Tankentlüftungsanlage.

Die Fig. 1 zeigt in grob schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit Hochdruck-Speichereinspritzung (Common Rail), die abhängig vom Betriebsbereich sowohl mit homogenem Gemisch als auch mit geschichteter Ladung mit sehr stark ab­ gemagertem Gemisch betreibbar ist. Sie weist eine Tankentlüf­ tungsanlage und eine Vorrichtung zur Abgasrückführung auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind dabei nur diejenigen Teile gezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung not­ wendig sind. Insbesondere ist nur ein Zylinder einer mehrzy­ lindrigen Brennkraftmaschine dargestellt.

Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Kolben bezeichnet, der in einem Zylinder 11 einen Verbrennungsraum 12 begrenzt. In den Verbrennungsraum 12 mündet ein Ansaugkanal 13, durch den ge­ steuert durch ein Einlaßventil 14 die Verbrennungsluft in den Zylinder 11 strömt. Gesteuert durch ein Auslaßventil 15 zweigt vom Verbrennungsraum 12 ein Abgaskanal 16 ab, in des­ sen weiterer Verlauf ein Sauerstoffsensor in Form einer breitbandigen (linearen) Lambdasonde 17 und ein NOx-Speicher­ katalysator 18 angeordnet ist. Der NOx-Speicherkatalysator dient dazu, in Betriebsbereichen mit magerer Verbrennung die geforderten Abgasgrenzwerte einhalten zu können. Er adsor­ biert aufgrund seiner Beschichtung die bei magerer Verbren­ nung erzeugten NOx-Verbindungen im Abgas.

Um die speziell bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinsprit­ zung und Schichtladebetrieb auftretenden NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine zu verringern, ist eine Abgasrückführung vorgesehen. Durch Zumischen von bereits verbranntem Abgas zur angesaugten Frischluft wird die Verbrennungs-Spitzentempera­ tur gesenkt, wodurch die temperaturabhängige Stickoxid- Emission reduziert wird. Dieser Mechanismus gilt auch für ho­ mogenes Gemisch der Brennkraftmaschine. Zum Rückführen eines definierten Teilstromes des Abgases zweigt deshalb vom Abgas­ kanal 16 in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Ka­ talysator 18 eine Abgasrückführleitung 19 ab, die stromab­ wärts einer Drosselklappe 20 in den Ansaugkanal 13 mündet.

Die Menge des rückgeführten Abgases wird durch ein mittels von Signalen einer elektronischen Steuerungseinrichtung 21 ansteuerbares Ventil 22, in der Regel als Abgasrückführventil bezeichnet, eingestellt. Alternativ hierzu kann das Abgas­ rückführventil auch pneumatisch z. B. mit Hilfe einer Druckdo­ se gesteuert sein.

Die zur Verbrennung im Zylinder 11 notwendige Frischluft strömt über ein nichtdargestelltes Luftfilter und einen Luft­ massenmesser 23 in den Ansaugtrakt 13 zu der Drosselklappe 20. Bei dieser Drosselklappe 20 handelt es sich um ein elek­ tromotorisch angesteuertes Drosselorgan (E-Gas), dessen Öff­ nungsquerschnitt neben der Betätigung durch den Fahrer (Fahrerwunsch) abhängig vom Betriebsbereich der Brennkraftma­ schine über Signale der elektronischen Steuerungseinrichtung 21 einstellbar ist. Damit lassen sich beispielsweise störende Lastwechselreaktionen des Fahrzeugs beim Gasgeben und - wegnehmen genauso reduzieren wie Drehmomentsprünge beim Über­ gang vom Betrieb mit homogenem Gemisch zum Betrieb mit ge­ schichteter Ladung und ungedrosseltem Luftweg. Zugleich wird zur Überwachung und Überprüfung ein Signal für die Stellung der Drosselklappe an die Steuerungseinrichtung 21 abgegeben.

In den Verbrennungsraum 12 ragt eine Zündkerze 24 und ein Einspritzventil 25, durch das entgegen den Kompressionsdruck im Verbrennungsraum 12 Kraftstoff eingespritzt werden kann. Die Förderung und Bereitstellung des Kraftstoffes für dieses Einspritzventil 25 erfolgt durch ein bekanntes Common-Rail- System für Benzin-Direkteinspritzung. Der Kraftstoff wird da­ bei aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 26 mittels einer, in der Regel im Behälter angeordneten, einen Vorfilter aufwei­ senden Elektrokraftstoffpumpe 27 unter geringem Druck (typisch 1 bar) gefördert und anschließend über einen Kraft­ stoffilter 28 zu einer Kraftstoffhochdruckpumpe 29 geleitet. Diese Kraftstoffhochdruckpumpe 29 wird entweder mechanisch durch eine Kopplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschi­ ne oder elektrisch angetrieben. Sie erhöht den Kraftstoff­ druck auf einen Wert von typisch 100 bar in einem Hochdruck­ speicher 30 (common rail), an dem die Zuführleitungen aller Einspritzventile angeschlossen sind und der somit die Ein­ spritzventile mit Kraftstoff versorgt. Der Druck im Hoch­ druckspeicher 30 wird durch einen Drucksensor 39 von der Steuerungseinrichtung 21 erfaßt. Abhängig von diesem Drucksi­ gnal wird der Druck im Speicher 30 entweder auf einen kon­ stanten oder einen variablen Wert mittels eines Druckreglers 40 eingestellt. Überflüssiger Kraftstoff wird nicht in den Kraftstoffvorratsbehälter 26 zurückgeführt, sondern an die Eingangsleitung der Hochdruckpumpe 29.

Zum gezielten Einleiten von im Kraftstoffvorratsbehälter 26 auftretenden Kraftstoffdämpfen ist eine Tankentlüftungsanlage vorgesehen. Hierzu ist der Kraftstoffvorratsbehälter 26 über eine Entlüftungsleitung 31 mit einem Adsorptionsbehälter 32 verbunden. Dieser Adsorptionsbehälter enthält beispielsweise ein Aktivkohlefilter zum vorübergehenden Speichern der aus dem Kraftstoffbehälter 26 ausgasenden Kohlenwasserstoffe. Vom Adsorptionsbehälter 32 zweigt eine Regenerierungsleitung 33 ab, die an einer Stelle stromabwärts der Drosselklappe 20 in den Ansaugkanal 13 mündet. In der Regenerierungsleitung 33 ist ein elektromagnetisches Durchflußsteuerventil, im nach­ folgenden als Tankentlüftungsventil 34 bezeichnet, angeord­ net. Durch entsprechende Ansteuerung mit Signalen von der Steuerungseinrichtung 21 kann die Durchflußmenge in der Rege­ nerierungsleitung 13 in Abhängigkeit vom Betriebsbereich der Brennkraftmaschine und vom Beladungsgrad des Adsorptionsbe­ hälters eingestellt werden.

Weitere Steuerparameter, die zum Betrieb der Brennkraftma­ schine benötigt werden, wie beispielsweise Drehzahl, Gaspe­ dalstellung, Temperatur des Kühlmittels, Temperatur der An­ saugluft usw. sind ebenfalls der Steuerungseinrichtung 21 zu­ geführt und sind allgemein in der Figur mit dem Bezugszeichen 35 gekennzeichnet. Über die bereits erwähnten Parameter wird in der Steuerungseinrichtung 21 durch Abarbeiten abgelegter Steuerungsroutinen u. a. der Lastzustand der Brennkraftmaschi­ ne erkannt. Auch werden die Parameter derart aufbereitet und weiterverarbeitet, daß bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine u. a. eine Umschaltung vom Betrieb mit Schichtladung auf Betrieb mit homogenem Gemisch oder eine Spülung des Adsorptionsbehälters oder eine Überprüfung der Dichtheit der Tankentlüftungsanlage eingeleitet und durchge­ führt werden kann.

Damit eine Spülung des Adsorptionsbehälters 32 erfolgen kann, ist eine Belüftungsleitung 36 vorgesehen, die mit der Atmo­ sphäre in Verbindung steht und zur Diagnose der Tankentlüf­ tungsanlage mittels eines elektromagnetischen Belüftungsven­ tils 37 durch ein geeignetes Ansteuersignal von der Steue­ rungseinrichtung 21 absperrbar ist.

Da in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine (Vollast, ungedrosselter Schichtladungsbetrieb, teilgedros­ selter Betrieb) der Unterdruck im Saugrohr nicht ausreicht, bei geöffnetem Tankentlüftungsventil 34 und geöffnetem Belüf­ tungsventil 37 eine Spülung des Adsorptionsbehälters durchzu­ führen, ist in der Regenerierungsleitung 31 eine Druckerzeu­ gungseinrichtung in Form einer elektrisch angetriebenen Über­ druckpumpe 38 eingeschaltet, die über Signale der Steuerungs­ einrichtung 21 angesteuert wird.

Alternativ hierzu kann die Überdruckpumpe 38 auch von der Brennkraftmaschine selbst über eine mechanische Kupplung an­ getrieben werden.

Als Überdruckpumpe 38 kann auch eine für die Überprüfung der Dichtigkeit der Tankentlüftungsanlage bereits vorhandene Überdruckpumpe verwendet werden. Diese Pumpe erzeugt bei ge­ schlossenem Tankentlüftungsventil und geschlossenem Belüf­ tungsventil einen gezielten Überdruck in der Tankentlüftungs­ anlage. Durch Überwachen und Auswerten der Druckaufbau- und Druckabbaugradienten wird die Tankentlüftungsanlage hinsicht­ lich ihrer Dichtigkeit bewertet. Eine Tankentlüftungsdiagnose mit Hilfe einer solchen Überdruckpumpe, auch als Leak Detek­ tion Pump bezeichnet bei einer Brennkraftmaschine mit Saug­ rohreinspritzung ist beispielsweise in dem US-Patent 5, 499, 614 beschrieben.

In Fig. 2 ist schematisch das Blockschaltbild einer Tankent­ lüftungsanlage dargestellt, bei der der Überdruck zum Spülen des Adsorptionsbehälters mittels einer solchen Pumpe zum Überprüfen der Dichtigkeit der Tankentlüftungsanlage erzeugt wird. Gleiche Blöcke und Komponenten sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen wie in der Fig. 1. Die restlichen Komponenten der Brennkraftmaschine und deren Zusammenwirken sind identisch mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau und sind deshalb in der Fig. 2 nicht mehr dargestellt.

Der Adsorptionsbehälter 32 hat in diesem Ausführungsbeispiel nur zwei Anschlüsse, der Belüftungsanschluß mit dem Belüf­ tungsventil fehlt hier. Die Saugseite der Pumpe 38 ist direkt mit der Atmosphäre verbunden. Wahlweise kann auch ein Luft­ filter 41 dazwischen geschaltet sein. Die Regeneration des Adsorptionsbehälters 32 erfolgt bei geöffnetem Tankentlüf­ tungsventil 34 durch Ansteuern der Pumpe 38. Diese saugt Frischluft an und drückt sie durch den Adsorptionsbehälter 32. Die mit Kraftstoff angereicherten Spülgase gelangen dann durch das Tankentlüftungsventil 34 in den Ansaugkanal 13.

In Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, bei denen keine Spülung der Aktivkohle des Adsorptionsbehälters 32 erfolgt, ist das Tankentlüftungsventil 34 geschlossen und die Über­ druckpumpe 38 wird nicht angesteuert.

Die folgende Tabelle zeigt in Abhängigkeit vom Betriebsbe­ reich der Brennkraftmaschine und der Gemischaufbereitung (homogen oder geschichtet), ob ein Spülvorgang des Adsorp­ tionsbehälters möglich bzw. zugelassen ist.

Während des Leerlaufs der Brennkraftmaschine findet eine Spü­ lung des Aktivkohlefilters bei einem Lambdawert statt, bei dem sichergestellt ist, daß die gesamte Ladung durchbrennt. Dies ist im allgemeinen für Lambdawerte λ < 1,5 der Fall. Das gleiche gilt für niedrige Last.

Der Einsatz der Überdruckpumpe zur Spülung des Aktivkohlefil­ ters kann entweder auf die Betriebsbereiche beschränkt wer­ den, in denen der Saugrohrunterdruck nicht ausreicht, um eine schnelle und effektive Spülung zu erreichen (hohe Last bis hin zur Vollast) und in den restlichen Betriebsbereichen er­ folgt die Spülung mittels des Unterdruckes im Saugrohr, oder die Überdruckpumpe wird in allen Betriebsbereichen, in denen eine Spülung möglich ist, eingesetzt.

Im ersten Fall ist sicherzustellen, daß bei abgeschalteter Pumpe eine Fließverbindung zwischen Adsorptionsbehälter und Saugrohr aufrechterhalten wird. Dies kann entweder durch die Bauart der Pumpe oder durch einen absperrbaren Bypass für die Pumpe erfolgen, wie er in der Fig. 1 mit strichlierten Lini­ en eingezeichnet ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Tankentlüftung für eine direkteinspritzende, fremdgezündete Brennkraftmaschine, die sowohl mit homogenem Gemisch als auch mit hohem Luftüberschuß unter Bildung ei­ ner Schichtladung im Zylinder betreibbar ist und die aus einem Kraftstoffvorratsbehälter (26) austretenden Kraft­ stoffdämpfe in einem Adsorptionsbehälter (32) zwischenge­ speichert werden und in bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine der gespeicherte Kraftstoff der Ansaug­ luft in einem Ansaugkanal (13) beigemengt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugung des Kraftstoffes aus dem Adsorptionsbehälter (32) mittels einer Überdruckpumpe (38) erfolgt, die in ei­ ner den Adsorptionsbehälter (32) und den Ansaugkanal (13) verbindenden Regenerierungsleitung (33) angeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überdruckpumpe (38) elektrisch angetrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überdruckpumpe (38) über eine zu- und abschaltbare mechani­ sche Kopplung von der Brennkraftmaschine angetrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Überdruckpumpe (38) eine zur Diagnose der Tankentlüftungsan­ lage mittels Überdruckverfahren vorhandene Diagnosepumpe ver­ wendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, in denen eine Spü­ lung des Adsorptionsbehälters (32) möglich ist, unabhängig von der Stellung einer Drosselklappe (20) im Ansaugkanal (13) der Kraftstoff aus dem Adsorptionsbehälters (32) mittels der Überdruckpumpe abgesaugt und in den Ansaugkanal (32) geleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, in denen eine Spü­ lung des Adsorptionsbehälters (32) möglich ist, abhängig von der Stellung einer Drosselklappe (20) im Ansaugkanal (13) der Kraftstoff aus dem Adsorptionsbehälters (32) entweder durch den Unterdruck im Ansaugkanal (13) oder mittels der Über­ druckpumpe abgesaugt und in den Ansaugkanal (32) geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugung des Kraftstoffes aus dem Adsorptionsbehälter (32) während des Aufwärmens der Brenn­ kraftmaschine mit homogenem Gemisch bis zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem ein im Abgaskanal der Brennkraftmaschine an­ geordneter Katalysator (18) seine Anspringtemperatur erreicht hat.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugung des Kraftstoffes aus dem Adsorptionsbehälter (32) während des gedrosselten Betriebes mit Schichtladung im Betriebsbereich Leerlauf und geringen Lasten der Brennkraftmaschine dann erfolgt, wenn im Brennraum eine Luftzahl vorliegt, bei der die gesamte Ladung im Zylin­ der durchbrennt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugung des Kraftstoffes aus dem Adsorptionsbehälter (32) während des homogenen Betriebes mit hoher Last und hoher Abgasrückführrate erfolgt.

10. Vorrichtung zur Tankentlüftung für eine direkteinsprit­ zende, fremdgezündete Brennkraftmaschine, die sowohl mit ho­ mogenem Gemisch als auch mit hohem Luftüberschuß unter Bil­ dung einer Schichtladung im Zylinder betreibbar ist, mit ei­ nem Adsorptionsbehälter (32) zum Auffangen und Zwischenspei­ chern von aus einem Kraftstoffvorratsbehälter (26) austreten­ den Kraftstoffdämpfen und mit Mitteln (31, 33, 34, 38), die den im Adsorptionsbehälter (32) gespeicherten Kraftstoff in be­ stimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine der Ansaug­ luft in einem Ansaugkanal (13) beimengen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Überdruckpumpe (38) umfassen, die in einer den Adsorptionsbehälter (32) und den Ansaugkanal (13) ver­ bindenden Regenerierungsleitung (33) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regenerierungsleitung (33) ein steuerbares Tankentlüf­ tungsventil (34) angeordnet ist, dessen Öffnungsgrad zur Spü­ lung des Adsorptionsbehälters (32) abhängig von dessen Bela­ dungsgrad eingestellt wird.