Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Größe eines Lecks in einem Tank

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Größe eines Lecks in einem Tank gemäß dem Oberbegriff des Patent ^¬ anspruchs 1 sowie eine Leckdiagnoseeinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Kraftstoff in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor neigt je nach Temperatur zu Ausgasungen. Um diese schädlichen Stoffe aufzufangen, werden aufwändige Tanksysteme mit Filtern verbaut. Um die Funktionsfähigkeit dieser Systeme sicherzustellen, ist es notwendig, das Tanksystem auf seine Dichtigkeit hin zu über ^¬ prüfen. Hierzu bestehen teilweise gesetzliche Vorgaben.

Zur Überprüfung der Dichtigkeit eines Tanks sind

Leckdiagnoseeinheiten bekannt, die einen mit einer Membran verbundenen Schalter, einen Temperatursensor und einen Mik- rocontroller umfassen. Die Membran ist in einer Wand des Tanks angeordnet und so mit dem Schalter verbunden, dass die Membran den Schalter schließt, sobald im Tank gegenüber einer Umgebung des Tanks ein definierter Unterdruck erreicht wird. Nach dem Abschalten des Motors kühlt das im Tank verbliebene Benzin ab, wodurch sich im Tank ein Unterdruck ausbildet. Weist der Tank allerdings ein Leck auf, so kann sich dieser Unterdruck nicht ausbilden. Der Mikrocontroller der Leckdiagnoseeinheit überwacht in regelmäßigen Abständen nach einem Abschalten des Motors die Temperatur und die Schalterstellung. Um ein Leck zu de- tektieren, werden ein Temperatur- und ein Zeitkriterium in dem Sinne festgelegt, dass innerhalb der festgelegten Zeit und innerhalb des festgelegten Temperaturabfalls der Druck im Tank so weit gefallen sein muss, dass der mit der Membran verbundene Schalter schaltet. Ist dies nicht der Fall, so kann auf ein Leck im Tank geschlossen werden. Die Kriterien sind so robust gewählt, dass die beschriebene Messmethode für alle Leckgrößen oberhalb einer bestimmten Mindestgröße und für alle Füllstände des Tanks anwendbar ist.

Ein eventuell festgestelltes Leck wird nach einem erneuten Start des Motors einer Motorsteuerung übermittelt, die dann versucht, anhand einer weiteren Leckdiagnose das festgestellte Leck als Kleinstleck oder als Grobleck zu klassifizieren. Die weitere Leckdiagnose bei laufendem Motor ist allerdings nicht besonders präzise und steht auch anderen Zielen in der Motorsteuerung entgegen. Beispielsweise wird während der Leckdiagnose bei laufendem Motor eine Regenerierung von Filtern im Tanksystem eingeschränkt .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen einer Größe eines Lecks in einem Tank anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Leckdiagnoseeinheit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine

Leckdiagnoseeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen einer Größe eines Lecks in einem Tank wird ein nach einem Modell zu erwartender zeitlicher Druckverlauf in dem Tank mit einem tatsächlichen zeitlichen Druckverlauf in dem Tank verglichen. Vorteilhafterweise gestattet das Modell dann eine Berück ^¬ sichtigung tatsächlicher physikalischer Gegebenheiten in dem Tank und ermöglicht daher eine genauere Bestimmung des zu erwartenden zeitlichen Druckverlaufs in dem Tank.

In einer bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens wird ein nach dem Modell bei einer festgelegten Größe des Lecks zu erwartender zeitlicher Druckverlauf in dem Tank mit dem tatsächlichen zeitlichen Druckverlauf in dem Tank verglichen. Vorteilhafterweise kann dann festgestellt werden, ob die Annahme eines Lecks der festgelegten Größe den tatsächlichen zeitlichen Druckverlauf in dem Tank zu erklären vermag.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird für eine Mehrzahl festgelegter Größen des Lecks jeweils ein für diese festgelegte Größe des Lecks nach dem Modell zu erwartender zeitlicher Druckverlauf in dem Tank ermittelt und mit dem tatsächlichen zeitlichen Druckverlauf in dem Tank verglichen. Anschließend wird als Größe des Lecks diejenige festgelegte Größe bestimmt, bei der der nach dem Modell zu erwartende zeitliche Druckverlauf die geringste Abweichung von dem tatsächlichen zeitlichen Druckverlauf aufweist. Vorteilhafterweise kann dadurch fest ^¬ gestellt werden, welche angenommene Leckgröße den tatsächlichen zeitlichen Druckverlauf im Tank am besten zu erklären vermag.

Es ist zweckmäßig, dass zwei festgelegte Größen des Lecks berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise können dann

Kleinstlecks von Groblecks unterschieden werden. Es ist jedoch auch möglich, mehr als zwei festgelegte Größen des Lecks zu berücksichtigen. Dann kann beispielsweise auch ein auf einem fehlenden Tankdeckel beruhendes sehr großes Leck als solches klassifiziert werden.

In einer Aus führungs form des Verfahrens wird der zu erwartende zeitliche Druckverlauf in dem Tank als zu erwartende Zeitdauer ermittelt, innerhalb der sich eine festgelegte Differenz zwischen einem Druck in dem Tank und einem Druck in einer Umgebung des Tanks eingestellt hat, wobei der tatsächliche zeitliche Druckverlauf in dem Tank als tatsächliche Zeitdauer ermittelt wird, innerhalb der sich die festgelegte Differenz zwischen dem Druck in dem Tank und dem Druck in der Umgebung eingestellt hat. Vorteilhafterweise ist dieses Verfahren besonders einfach auszuführen, da nach Ablauf der ermittelten Zeitdauer lediglich festgestellt werden muss, ob sich die festgelegte Druckdifferenz eingestellt hat.

In einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird die tatsächliche Zeitdauer, innerhalb der sich die festgelegte Differenz zwischen dem Druck in dem Tank und dem Druck in der Umgebung des Tanks eingestellt hat, mittels einer mit dem Druck in dem Tank in Wirkverbindung stehenden Membran ermittelt. Vorteilhafterweise stellt eine solche Membran ein kostengünstiges und robustes Messwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens dar.

Bevorzugt berücksichtigt das Modell einen Massefluss durch das Leck. Vorteilhafterweise weist das Modell dann eine hohe physikalische Genauigkeit auf.

Bevorzugt wird das Verfahren durchgeführt, nachdem eine

Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs abgeschaltet wurde. Vorteilhafterweise stört die Durchführung des Verfahrens dann nicht den Betrieb der Brennkraftmaschine. Außerdem kann vor- teilhafterweise eine sich nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine einstellende Abkühlung des im Tank befindlichen Kraftstoffs und eine damit einhergehende Druckabsenkung im Tank zur Anwendung des Verfahrens genutzt werden. Eine erfindungsgemäße Leckdiagnoseeinheit ist dazu ausgebildet, ein Verfahren der vorgenannten Art durchzuführen. Vorteilhafterweise kann eine solche Leckdiagnoseeinheit in einem Kraftfahrzeug verbaut werden, um gesetzliche Vorgaben zu er ^¬ füllen .

In einer bevorzugten Aus führungs form der Leckdiagnoseeinheit weist diese einen Schalter auf, der dazu vorgesehen ist, bei einer festgelegten Druckdifferenz zwischen einem Tankdruck und einem Umgebungsdruck zwischen einer ersten Schalterstellung und einer zweiten Schalterstellung umzuschalten. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine kostengünstige Ausführung der

Leckdiagnoseeinheit .

Besonders bevorzugt weist die Leckdiagnoseeinheit eine mit dem Tankdruck in Wirkverbindung stehende Membran auf, die dazu vorgesehen ist, sich in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zu verformen, wobei die Membran vorgesehen ist, den Schalter in Abhängigkeit von einer Verformung der Membran zu schalten. Vorteilhafterweise stellt dies eine kostengünstige und robuste Ausführung der Leckdiagnoseeinheit dar.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher er- läutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Tanks einer

Brennkraftmaschine; und Figur 2 eine schematische Darstellung einer in einer Wand des Tanks angeordneten Membran.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines in einem Kraftfahrzeug 10 angeordneten Tanks 100. Der Tank 100 enthält einen Vorrat von Kraftstoff 120. Bei dem Kraftstoff 120 kann es sich beispielsweise um Benzin oder um Diesel handeln. Der Tank 100 ist mit einer lediglich schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 20 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden. Die Brenn ^¬ kraftmaschine 20 ist dazu vorgesehen, einen Teil des im Tank 100 vorgehaltenen Kraftstoffs 120 zu verbrennen, um das Kraftfahrzeug 10 anzutreiben.

Der Tank 100 ist lediglich teilweise mit flüssigem Kraftstoff 120 gefüllt. Neben dem flüssigen Kraftstoff 120 befindet sich im Tank 100 ein Volumen V eines Gases 130, das im Allgemeinen ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff ist. Das Volumen V kann jedoch auch rein mit gasförmigem Kraftstoff gefüllt sein.

Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 20 erwärmt sich der im Tank 100 befindliche Kraftstoff 120. Nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 20 kühlt der Kraftstoff 120 im Tank 100 ab, wodurch ein Druck im Tank 100 absinkt. Der Druck im Tank 100 sinkt dabei unter einen in einer Umgebung 200 des Tanks 100 vorherrschenden Luftdruck. Weist der Tank 100 allerdings, wie in Figur 1 dargestellt, ein Leck 110 auf, so findet ein Druckausgleich zwischen dem Tank 100 und der Umgebung 200 statt, wodurch sich im Tank 100 kein oder nur ein geringer Unterdruck ausbilden kann. Durch Beobachtung des zeitlichen Verlaufs des im Tank 100 herrschenden Drucks nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 20 kann somit festgestellt werden, ob der Tank 100 ein Leck 110 aufweist und wie groß dieses Leck 110 ist. Hierzu wird ein physikalisches Modell des Tanks 100 entwickelt.

Das im Tank 100 befindliche Gas 130 weist einen Druck p, eine

Temperatur T und eine Dichte p _m i _X auf. In der Umgebung 200 des Tanks

100 befindet sich Luft der Dichte p _u auf dem Druck p _u bei der

Temperatur T. Zwischen dem Druck p im Tank 100 und dem Druck p _u in der Umgebung 200 des Tanks 100 herrscht somit eine Druckdifferenz ίψ = ρ-ρ _Μ .

Da die Luft in der Umgebung 200 und das Gas 130 im Tank 100 jeweils bekannte physikalische Eigenschaften aufweisen, sind auch die Dichte po, _u von Luft und die Dichte po, _m ix des Gases 130 bei einer festgelegten Temperatur To (beispielsweise 0°C) und einem festgelegten Druck po (beispielsweise 1024 mbar) bekannt.

Das Leck 110 des Tanks 100 weist im dargestellten Beispiel eine Fläche A auf. Dann stellt sich durch das Leck 110 ein Massefluss 140 ein, der sich wie folgt berechnet:

Gleichzeitig gilt aufgrund des Gasgesetzes

ApVp

(2) m mix

P, u rgibt sich die Differenzialgleichung

Mit einem Punkt versehene Größen geben jeweils die zeitliche Ableitung an. Die Differenzialgleichung (3) stellt ein Modell für das physikalische Verhalten des im Tank 100 befindlichen Gases 130 dar. Mit Hilfe der Differenzialgleichung (3) lässt sich der zu erwartende zeitliche Druckverlauf in dem Tank 100 oder der zu erwartende zeitliche Verlauf der Druckdifferenz iSp zwischen dem

Druck p im Inneren des Tanks 100 und dem Druck p _u in der Umgebung 200 des Tanks 100 berechnen. Die Größe ist eine Konstante, in der eine durch Ausgasen des flüssigen Kraftstoffs 120 im Tank 100 bedingte Erhöhung des Drucks p im Tank 100 subsumiert wird.

Das Volumen V des Gases 130 im Tank 100 kann aus der Differenz des Gesamtvolumens des Tanks 100 und des Volumens des noch im Tank 100 befindlichen Kraftstoffs 120 berechnet werden. In einer vereinfachten Ausführungsform kann als Volumen V des Gases 130 jedoch auch einfach das halbe Gesamtvolumen des Tanks 100 angenommen werden. Diese Nährung ist besonders dann zulässig, wenn das beschriebene Leckdiagnoseverfahren nur dann ausgeführt wird, wenn der Tank 100 des Kraftfahrzeugs 10 etwa zur Hälfte mit Kraftstoff 120 befüllt ist.

Wird eine festgelegte Größe A des Lecks 110 angenommen, so kann mittels der Differenzialgleichung (3) berechnet werden, nach welcher Zeitdauer nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 20 sich eine festgelegte Druckdifferenz iSp eingestellt haben müsste. Nach Ablauf dieser berechneten Zeitdauer kann gemessen werden, ob sich zwischen dem Tank 100 und der Umgebung 200 tatsächlich die festgestellte Druckdifferenz iSp eingestellt hat. Ist dies der Fall, so kann geschlossen werden, dass der Tank 100 tatsächlich ein Leck 110 der festgelegten Größe A aufweist.

In einer verbesserten Aus führungs form kann für mehrere festgelegte Werte der Größe A des Lecks 110 jeweils eine Zeitdauer berechnet werden, nach der sich die festgelegte Druckdifferenz iSp eingestellt haben müsste. Durch Vergleich mit der tat- sächlichen Zeitdauer, nach der sich die festgelegte Druckdifferenz iSp zwischen dem Tank 100 und der Umgebung 200 real eingestellt hat, kann dann derjenige der Mehrzahl von fest ^¬ gelegten Werten der Größe A des Lecks 110 bestimmt werden, der der tatsächlichen Größe A des Lecks 110 am ehesten entspricht. Dadurch lässt sich nicht nur das Vorhandensein des Lecks 110 im Tank 100 feststellen, sondern das Leck 110 auch gemäß seiner Größe klassifizieren. Beispielsweise kann die beschriebene Berechnung für zwei oder drei festgelegte Werte der Größe A des Lecks 110 durchgeführt werden. Die festgelegten Werte der Größe A des Lecks 110 können einem Kleinstleck, einem Grobleck und einem sehr großen, beispielsweise durch einen fehlenden Tankdeckel verursachten, Leck entsprechen.

Eine Prüfung, ob sich zwischen dem Tank 100 und der Umgebung 200 tatsächlich eine festgelegte Druckdifferenz iSp eingestellt hat, kann bevorzugt mittels einer in Figur 2 stark schematisiert dargestellten Vorrichtung erfolgen. Figur 2 zeigt einen Aus- schnitt einer Tankwand 105 des Tanks 100. Die Tankwand 105 weist eine Öffnung auf, in der eine Membran 150 angeordnet ist. Je nachdem, ob im Tank 100 ein niedrigerer oder ein höherer Druck als in der Umgebung 200 herrscht, wölbt sich die Membran 150 nach innen oder nach außen.

Die Membran 150 ist mit einem Stößel 155 verbunden. Nahe bei dem Stößel 155 ist ein Schalter 160 mit einem beweglichen Kontakt 165 und einem festen Kontakt 166 angeordnet. Im geschlossenen Zustand stellt der Schalter 160 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer ersten Zuleitung 167 und einer zweiten Zuleitung 168 her. Ohne von außen auf den Schalter 160 einwirkende Kraft ist der Schalter 160 geöffnet, so dass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontakten 165, 166 und somit auch keine leitende Verbindung zwischen den Zuleitungen 167, 168 besteht.

Wölbt sich die Membran 150 unter dem Einfluss einer zwischen dem Tank 100 und der Umgebung 200 bestehenden Druckdifferenz iSp in

Richtung des Schalters 160, so bewegt sich der Stößel 155 auf den beweglichen Kontakt 165 des Schalters 160 zu. Erreicht die Druckdifferenz iSp zwischen dem Tank 100 und der Umgebung 200 einen festgelegten Wert von beispielsweise 5 mbar, so bringt der mit der Membran 150 verbundene Stößel 155 den beweglichen Kontakt 165 in Kontakt mit dem festen Kontakt 166 des Schalters 160. Somit wird der Schalter 160 bei Erreichen der festgelegten Druckdifferenz geschlossen. Dies erlaubt eine einfache Feststellung, ob zwischen dem Tank und der Umgebung 200 eine festgelegte Druckdifferenz erreicht ist.

Die Membran 150 kann auch an anderer Stelle als in der Tankwand 105 des Tanks 100 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Membran 150 im Bereich eines Luftfilters des Tanks 100 vorgesehen sein. Allgemein kann die Membran 150 an jedem Ort angebracht werden, an dem der im Tank 100 herrschende Druck beziehungsweise die Druckdifferenz iSp auf die Membran 150 wirken kann.

Eine Leckdiagnoseeinheit umfasst einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, auf dem ein Steuerprogramm zur Durchführung des anhand der Figur 1 beschriebenen

Leckdiagnoseverfahrens ablaufen kann. Weiter weist die

Leckdiagnoseeinheit eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Tanks 100 und der Umgebung 200 auf, beispielsweise die anhand der Figur 2 be ^¬ schriebene Vorrichtung. Außerdem kann die Leckdiagnoseeinheit noch einen oder mehrere Temperatursensoren ausweisen.