DE10131162A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Tankleckdiagnose unter Berücksichtigung des Pumpenfördervolumens - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung eines Behältnisses (10), insbesondere einer Tankentlüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einer wahlweise mit dem Behältnis und mit einer Referenzblende (42) verbindbaren, elektrisch betriebenen Druckquelle (30), wobei das Behältnis mit einem Druck beaufschlagt und dabei eine elektrische Kenngröße der Druckquelle ermittelt wird (Diagnosemessung), wobei die Referenzblende mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt und dabei eine elektrische Referenzkenngröße der Druckquelle ermittelt wird (Referenzmessung) und wobei die ermittelte elektrische Kenngröße und die ermittelte Referenzkenngröße verglichen werden und daraus auf das Vorliegen einer Undichtigkeit des Behältnisses geschlossen wird, ist zur Vermeidung von aufgrund von fälschlich angenommenen Förderleistungen der Druckquelle bedingten Fehlmessungen vorgesehen, dass die Referenzmessung mittels wenigstens zweier Referenzblenden mit jeweils unterschiedlichem Öffnungsquerschnitt durchgeführt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Behältnisses, insbesondere einer Tankentlüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges, gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
• In den unterschiedlichsten Bereichen der Technik haben Behältnisse regelmäßig auf ihre Dichtheit überprüft zu werden. So werden in der chemischen Verfahrenstechnik beispielsweise Flüssigkeits- oder Gasbehälter oder in der Kraftfahrzeugtechnik Tankanlagen entsprechend geprüft.
• Im Kraftfahrzeugbau werden z. B. in den USA zukünftig verschärfte gesetzliche Bestimmungen für den Betrieb von Brennkraftmaschinen gelten. Danach wird es erforderlich sein, dass Kraftfahrzeuge, bei denen flüchtige Brennstoffe wie Benzin eingesetzt werden, eine Kontrolleinrichtung aufweisen, die in der Lage ist, eine etwa bestehende Leckage der Größe von 0,5 mm im Tank bzw. in der gesamten Brennstofftankanlage mit Bordmitteln aufspüren zu können.
• Ein solches Verfahren zur Dichtheitsprüfung einer Tankentlüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges ist beispielsweise aus den Druckschriften US-PS 5,349,935, DE 196 36 431.0 A1, DE 198 09 384.5 A1 und DE 196 25 702 A1 bekannt. Bei diesen wird die Tankentlüftungsanlage mit einem Überdruck beaufschlagt und durch anschließendes Auswerten des Druckverlaufs ggf. auf das Vorhandensein eines Lecks geschlossen.
• Aus der JP-6-173837 und der US-PS 5,347,971 gehen ferner ähnliche Verfahren hervor, bei denen der Tankenlüftungsanlage ein Referenzleck zugeschaltet wird und bei denen durch Vergleich der Messungen mit und ohne Referenzleck eine Aussage über das Vorhandensein eines Lecks getroffen wird.
• Des Weiteren ist aus der DE 196 36 431.0 A1 bekannt, im Bereich zwischen einer elektrisch betriebenen Pumpe und einem Referenzleck der Querschnittsgröße 0,5 mm einen Staudruck auszubilden, der die Pumpendrehzahl erniedrigt und gleichzeitig die elektrische Stromaufnahme der Pumpe erhöht. Zur Prüfung der dort beschriebenen Tankanlage wird der Stromanstieg zwischen dem Leerlaufstrom der Pumpe und dem beim Fördern gegen das vorgeschaltete Referenzleck sich ergebenden Strom mit dem Stromanstieg verglichen, der sich gegenüber dem Leerlaufstrom beim Pumpen in den Tank ergibt.
• Tankleckagen mit einem Öffnungsquerschnitt kleiner als 0,5 mm führen zum Überschreiten des zuvor ermittelten Referenzstroms, wohingegen Leckagen größer 0,5 mm den Strom nicht so weit ansteigen lassen.
• Ferner geht aus der deutschen unveröffentlichten Patentanmeldung mit dem amtlichen Az. 100 18 441.3 hervor, die Dichtheitsprüfung nach dem vorbeschriebenen Referenzmessprinzip, allerdings mittels eines in die Tankentlüftungsanlage eingebrachten Unterdrucks durchzuführen.
• Um die Messzeiten, die sich bei Leckagen kleiner 0,5 mm ergeben würden, zu begrenzen, ist weiter bekannt, eine jeweilige Messung anhand des sich einstellenden Stromgradienten bereits vorzeitig, d. h. bei Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes dieses Gradienten, abzubrechen.
• Nun ist dieser Stromgradient nicht nur von der tatsächlichen Leckgröße, sondern auch von der Förderleistung der jeweils verwendeten Pumpe empfindlich abhängig. Bislang wurde davon ausgegangen, dass der Stromhub zwischen Leerlauf und Fördern gegen das Referenzleck, meist eine Referenzblende, ein Maß für die Förderleistung der Pumpe ist. Der genannte Schwellenwert wurde deshalb bisher in Abhängigkeit von diesem Hub berechnet.
• Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass es bei Referenzblendengrößen in der Größenordnung von internen Pumpenleckagen dazu kommen kann, dass bei verschiedenen Pumpenexemplaren verschiedene Kombinationen von Fördervolumen und interner Leckage zu einem identischen Staudruckaufbau an der Referenzblende führen.
• Aufgrund eines nicht zur jeweiligen Pumpenförderleistung passend errechneten Schwellenwertes kann es daher zu Fehlmessungen kommen, so dass eine vorhandene Leckage nicht erkannt bzw. ein dichtes Behältnis als undicht erkannt wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung bzw. ein Verfahren dahingehend zu verbessern, dass die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik, insbesondere die genannten, durch einen fälschlich angenommenen Einfluss der Förderleistung bedingten Fehlmessungen, vermieden werden.
• Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
• Die Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass die Referenzmessung mittels wenigstens zweier Referenzblenden mit jeweils unterschiedlichem Öffnungsquerschnitt durchführbar ist.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die tatsächliche Förderleistung und der eingangs beschriebene elektrische Stromhub der Pumpe nicht streng korrelieren, d. h. dass sich die Förderleistung von Pumpe zu Pumpe bei ansteigendem Gegendruck unterschiedlich verhält, so dass geeignete Maßnahmen zur Kompensation dieser Unterschiede zu treffen sind.
• So ist erkannt worden, dass eine Pumpe mit relativ großem Fördervolumen, jedoch auch relativ großer interner Leckage, bei relativ kleinen Gegendrücken effektiv mehr fördern kann als eine Pumpe mit nur geringer interner Leckage und kleinem Fördervolumen, da die internen Verluste der Pumpe mit dem größeren Fördervolumen mit abnehmendem Gegendruck ebenfalls stark abnehmen, ihr Fördervolumen also stärker ansteigt als das der Pumpe mit kleiner Leckage. Pumpt man nun ein bestimmtes, mit einer Leckage von bspw. 0,5 mm versehenes Volumen auf, dann wird die Pumpe mit großer interner Leckage und großem Fördervolumen denselben Gleichgewichtsdruck schneller erreichen als die Pumpe geringer Leckage und kleinem Fördervolumen.
• Dementsprechend sind die Druckgradienten der ersten Pumpe immer größer als die der zweiten Pumpe. Ein Schwellenkriterium "kleiner Gradient" wird deshalb von der zweiten Pumpe früher, d. h. bereits bei niedrigerem Druck, erreicht als von der ersten. Um Fehlerkennungen zu vermeiden muss das genannte Schwellenkriterium abhängig von dem Fördervolumen bzw. der Förderleistung gewählt werden.
• Das Hinzufügen einer zweiten Referenzblende mit einem gegenüber der ersten Referenzblende unterschiedlichen Öffnungsquerschnitt, sei es durch Vorsehen verschiedener Referenzblenden jeweils unterschiedlicher Blendengröße oder durch Einstellen von unterschiedlichen Blendenwerten an einer einzigen veränderbaren Blendenvorrichtung, ermöglicht demnach eine präzise Ermittlung des Fördervolumens der jeweils verwendeten Pumpe und damit eine verbesserte Kompensation etwa unterschiedlicher Fördervolumen.
• Insgesamt ergibt sich somit eine deutliche Verbesserung der Diagnosegüte.
• So kann mit einer zweiten Referenzblende größeren Öffnungsquerschnitts, zusätzlich zu der Referenzmessung mit der ersten Referenzblende, bei dem sich dabei ergebenden niedrigeren Gegendruck (Staudruck) auf die interne Leckage der Pumpe und deren eigentliche Förderleistung geschlossen werden. Denn beim selben Gleichgewichtsdruck gegen die jeweils kleinere Blende zeigt die Pumpe mit größerer interner Leckage und größerer Förderleistung an der jeweils größeren Blende einen größeren Druck als die dichtere Pumpe mit kleinerem Fördervolumen auf.
• Somit kann das Schwellenkriterium dahingehend angepasst werden und die Unterscheidungsqualität zwischen Leckagen größer oder gleich, bzw. kleiner 0,5 mm deutlich verbessert werden.
• Zusätzlich ermöglicht die Erfindung eine Unterscheidung zwischen Fein- und Grobleck, d. h. beispielsweise zwischen Leckagen kleiner oder größer 1 mm. Vorbekannte Diagnosevorrichtungen und -verfahren sind in diesem Punkt verhältnismäßig ungenau, da die Pumpenförderleistung hier ebenfalls einen erheblichen Einfluss hat.
• Die Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der Zeichnungen, anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, woraus weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen.
• Im Einzelnen zeigen
• Fig. 1 eine Tankentlüftungsanlage, bei welcher ein von der Erfindung Gebrauch machendes Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Anwendung kommen, und
• Fig. 2 typischerweise sich ergebende zeitliche elektrische Stromverläufe bei einer zur Tankleckdiagnose erfindungsgemäß eingesetzten Förderpumpe.
• Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte Tankentlüftungsanlage umfasst einen Tank 10, der über eine Tankanschlussleitung 12 mit einem Aktivkohlefilter 14 verbunden ist. Ein Saugrohr 16 einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine ist, ebenfalls über den Aktivkohlefilter 14, mittels einer Ansaugleitung 18 sowie über ein in der Ansaugleitung angeordnetes Tankentlüftungsventil 20 mit dem Tank 10 verbunden.
• Im Betrieb der (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine oder beim Betanken des Tanks 10 bilden sich im Tank flüchtige Kohlenwasserstoffdämpfe, die über die Leitung 12 in den Aktivkohlefilter 14 gelangen und in diesem in bekannter Weise reversibel gebunden werden.
• Bei von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit zeitweilig öffnend angesteuertem Tankentlüftungsventil 20 und entsprechend angesteuertem Umschaltventil 32 wird nun Frischluft 22 aus der Umgebung durch den Aktivkohlefilter 14 hindurch angesaugt, wobei in dem Aktivkohlefilter 14 etwa gespeicherter Kraftstoff an die eingesaugte Luft abgegeben wird und der Aktivkohlefilter 14 sich regeneriert. Ferner ist ein passiver Filter 24 vorgesehen, der die Anlage bzw. eine dem Aktivkohlefilter 14 vorgeschaltete Leitung 26, 26' mit Umgebungsluft aus der Umgebung des Fahrzeuges verbindet.
• Um die Dichtigkeit der Tankentlüftungsanlage zu diagnostizieren, ist hier eine dem Aktivkohlefilter 14 vorgeschaltete Leckdiagnoseeinheit 28 vorgesehen. Es ist anzumerken, dass die gezeigte Position der Diagnoseeinheit 28 innerhalb der gesamten Tankentlüftungsanlage nur beispielhaft ist und diese Einheit, je nach Anwendungsfall, durchaus auch an anderer Stelle, beispielsweise unmittelbar am Tank 10, angeordnet sein kann.
• Die gezeigte Diagnoseeinheit 28 weist eine mittels einer (nicht gezeigten) Steuereinheit angesteuerte Flügelzellenpumpe 30 auf. Es versteht sich, dass die Flügelzellenpumpe 30 nur einen bevorzugten Pumpentyp darstellt und ggf. durch einen anderen Pumpentyp, wie beispielsweise eine Membranpumpe oder dergleichen, austauschbar ist. Der Pumpe 30 vorgeschaltet ist ein Umschaltventil 32, beispielsweise ein 3/2-Wegeventil.
• In zwei separaten, parallel zum Umschaltventil 32 angeordneten Leitungszweigen 34, 36 ist jeweils ein durch eine bspw. mittels eines herkömmlichen Schiebeventils 38, 40 schließbare Blendenvorrichtung gebildetes Referenzleck 42, 44 (im Folgenden "Referenzblende") eingebracht. Die Dimensionierung der ersten Referenzblende 42 mit einem fest vorgegebenen Blendenwert ist so gewählt, dass sie in etwa der Größe des zu erfassenden Lecks entspricht. Im Falle der eingangs genannten US-Norm weist das Referenzleck somit einen Öffnungsquerschnitt von etwa 0,5 mm auf.
• Die zweite Referenzblende 44 weist hingegen einen gegenüber der ersten Referenzblende 42 unterschiedlichen Blendenwert, bevorzugt einen um einen Faktor 2 größeren Wert, auf. Im vorliegenden Fall beträgt die Öffnung der zweiten Referenzblende 44 mithin etwa 1.0 mm.
• Es ist hervorzuheben, dass an Stelle der kostengünstigen Verwendung zweier separater Referenzblenden 42, 44 mit jeweils festem Blendenwert auch nur eine einzelne veränderliche Referenzblende verwendet werden kann, wobei die beiden unterschiedlichen Blendenöffnungen durch eine geeignete ansteuerbare Blendenmimik, bspw. eine übliche Irisblende oder eine Schlitzblende, erfolgt.
• In einer alternativen Ausführungsform ist die 1 mm- Blende direkt und dauerhaft am Pumpenausgang angeordnet bzw. an diesem befestigt. Diese Maßnahme bedeutet einen geringeren Konstruktionsaufwand, allerdings auch zu Beginn der Messung einen reduzierten Fördervolumenstrom.
• Das Umschaltventil 32 hat zwei Schaltstellungen. In der ersten Schaltstellung werden zunächst anhand der beiden Referenzblenden 42, 44, sozusagen als erste Diagnosestufe, Referenzmessungen durchgeführt. Dazu wird das Umschaltventil 32 vollständig geschlossen, so dass bei Öffnung der ersten 42 der beiden Referenzblenden mittels der jeweiligen Blendenvorrichtung der sich aufgrund des vor der ersten Referenzblende aufgebaute (Stau-)druck bzw. der sich dabei ergebende elektrische Pumpenstrom (Referenzstrom) der Pumpe 30 erfasst und ebenfalls zwischengespeichert wird.
• Nun wird die erste Referenzblende 42 wieder geschlossen und die zweite Referenzblende 44 geöffnet. Danach wird mit der zweiten Referenzblende 44 entsprechend der vorbeschriebenen Vorgehensweise verfahren.
• In der Fig. 2 ist nun die bei der Auswertung der genannten Messdaten zugrundegelegte Gradientenmethode illustriert. Die Kurve 100 zeigt einen typischen Anstieg des Pumpenstroms I über die Zeit t, der sich aufgrund des bei einem vor einer geöffneten Blende (z. B. Referenzleck) sich ergebenden Druckanstiegs ergibt. Die Kurve 110 stellt nun die erste zeitliche Ableitung, d. h. lokal den jeweils vorliegenden Gradienten der Kurve 100 dar. Beispielsweise ist der Gradient 120 (Steigung) eingetragen. Die Messung wird bei Unterschreiten des vorgegebenen Gradienten 120, 130, hier zur Zeit t1, abgebrochen und ergibt in dem Beispiel den Messwert Imess 140.
• Es ist anzumerken, dass in der ersten Stellung des Umschaltventils 32, anstelle einer Tankdiagnose, auch die bereits beschriebene Regenerierung des Aktivkohlefilters 14 durchgeführt werden kann, und zwar bei gleichzeitig geöffnetem Tankentlüftungsventil.
• In der zweiten Stellung des Umschaltventils 32, und zwar bei geschlossenen Referenzblenden 42, 44, wird die Pumpe 30 über den Aktivkohlefilter 14 mit dem Tank 10druckleitend verbunden und pumpt damit Außenluft 22 in den Tank 10. In dem Tank 10 wird so ein Überdruck von etwa 30 hPa erzeugt. Während des Pumpens der Frischluft 22 in den Tank 10, der zweiten der beiden Diagnosestufen, wird wiederum kontinuierlich der aufgrund des entstehenden Staudrucks sich ergebende Anstieg des elektrischen Pumpenstroms (Diagnosestrom) der Pumpe 30 erfasst und zu Zwecken einer späteren Auswertung zwischengespeichert.
• Die Diagnoseeinheit 28 weist zudem ein (nicht gezeigtes) Rechnermodul zur Auswertung des zeitlichen Verlaufs der jeweils erfassten Werte des Pumpenstroms auf. Da es sich hierbei um einen herkömmlichen Mikrocontroller oder Prozessor handeln kann, soll hier nicht näher darauf eingegangen werden. Wie bereits anhand von Fig. 2 erläutert, wird bei der Auswertung als endgültiger Messwert bekanntermaßen jeweils der Wert genommen, bei dem der zeitliche Gradient des Pumpenstroms einen vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet.
• Aus dem Verhältnis von Diagnosestrom zu Referenzstrom lässt sich dann bekanntermaßen auf das Vorliegen einer Undichtigkeit im Tank 10 schließen.
• Es ist anzumerken, dass sich im Falle einer Diagnose des Tanks 10 bzw. der Tankentlüftungsanlage, wie eingangs erwähnt, mittels Unterdruck, die Druckrichtung der Pumpe 30 lediglich entsprechend umzukehren ist, jedoch ansonsten entsprechend zu verfahren ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung eines Behältnisses (10), insbesondere einer Tankentlüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einer mittels eines Umschaltventils (32) wahlweise mit dem Behältnis (10) und mit wenigstens einer Referenzblende (42) verbindbaren, elektrisch betriebenen Druckquelle (30), wobei das Behältnis (10) mit einem mittels der Druckquelle (30) erzeugten Über- oder Unterdruck beaufschlagt und dabei eine elektrische Kenngröße der Druckquelle (30) ermittelt wird (Diagnosemessung), wobei die wenigstens eine Referenzblende (42) mit einem entsprechenden, mittels der Druckquelle (30) erzeugten Über- oder Unterdruck beaufschlagt und dabei eine elektrische Referenzkenngröße der Druckquelle (30) ermittelt wird (Referenzmessung), und wobei die ermittelte elektrische Kenngröße und die ermittelte Referenzkenngröße verglichen werden und aus dem Ergebnis des Vergleichs auf das Vorliegen einer Undichtigkeit des Behältnisses (10) geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmessung mittels wenigstens zweier Referenzblenden (42, 44) mit jeweils unterschiedlichem Öffnungsquerschnitt durchgeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Referenzblenden (42, 44) durch verschiedene Blendenvorrichtungen gebildet sind, die mittels wenigstens eines Umschaltventils (38, 40) wahlweise mit der Druckquelle (30) verbindbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Referenzblenden (42, 44) durch eine einzelne Blendenvorrichtung gebildet sind, wobei wenigstens zwei Referenzblendenwerte durch entsprechend unterschiedliche Blendeneinstellungen realisierbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zweite Referenzblende (44) am Ausgang der Pumpe, insbesondere mit der Pumpe dauerhaft verbunden, angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Referenzblende (42) eine Öffnung zwischen 0,4 und 0,6 mm, bevorzugt 0,5 mm, und die wenigstens zweite Referenzblende (44) eine Öffnung zwischen 0,8 und 1, 2, bevorzugt 1,0 mm, aufweisen.

6. Diagnoseeinheit zur Dichtheitsprüfung eines Behältnisses, insbesondere einer Tankentlüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rechnermittel zur Berechnung und/oder Kompensation des Fördervolumens der Druckquelle (30) aus den an den wenigstens zwei Referenzblenden (42, 44) ermittelten Referenzkenngrößen.

7. Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Behältnisses (10), insbesondere zum Betrieb einer Vorrichtung bzw. einer Diagnoseeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dichtigkeitsmessung durch Beaufschlagen des Behältnisses (10) mit einem Über- oder Unterdruck sowie mindestens eine Referenzmessung durch Beaufschlagen wenigstens eines ersten, einen ersten Öffnungsquerschnitt aufweisenden Referenzlecks (42) mit einem entsprechenden Über- bzw. Unterdruck mittels einer elektrisch betriebenen Druckquelle (30) durchgeführt werden und wobei die bei der Dichtigkeitsmessung und der Referenzmessung jeweils ermittelte zeitabhängige elektrische Leistungsaufnahme der Druckquelle (30) bei Über- bzw. Unterschreiten der jeweiligen zeitlichen Gradienten der Leistungsaufnahme gegenüber jeweils vorgegebenen Schwellenwerten (120, 130) verglichen werden und daraus auf das Vorliegen einer Undichtigkeit des Behältnisses (10) geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der Druckquelle (30) ermittelt und der Schwellenwert abhängig von der ermittelten Förderleistung der Druckquelle (30) gewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der Druckquelle (30) mittels wenigstens eines zweiten Referenzlecks (44) ermittelt wird, dessen Öffnungsquerschnitt von dem Öffnungsquerschnitt des ersten Referenzlecks (42) verschieden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt des zweiten Referenzlecks (44) etwa zweimal so groß wie der Öffnungsquerschnitt des ersten Referenzlecks (42) gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem wenigstens zweiten Referenzleck (44) durchgeführte Referenzmessung zur Unterscheidung zwischen einem Fein- und einem Grobleck herangezogen wird.