Beschreibung

Titel

Vorrichtung und Verfahren zur Füllstandsmessung eines Fahrzeugtanks

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von Messeinrichtungen, die die Füllstandshöhe in Flüssigkeitstanks von Kraftfahrzeugen ermitteln. Auf Grund von Beschleunigungen und Kurvenfahrten bilden sich Wellen innerhalb des Flüssigkeitstanks, die eine genaue Füllstandsmessung erschweren. Durch Schwappbewegungen der zu messenden Flüssigkeit ist die Füllstandserfassung stark fehlerbehaftet und muss durch aufwändige Signalverarbeitung, beispielsweise durch Filterung oder durch statistische Verfahren in einer Kontrollelektronik in ein genaueres Signal umgewandelt werden.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung erlaubt eine exakte Ermittlung des Tankfüllstands, ohne aufwändige rechnerische Verfahren ausführen zu müssen. Dadurch können die Vorrichtungen zur Signalverarbeitung eingespart werden. Ferner kann Ausganggangssignal des Füllstandssensors direkt, ohne Mittelung oder Filterung, zur Darstellung des Füllstands herangezogen werden.

Die erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung umfasst neben dem Flüssigkeitstank, dessen Füllstand gemessen wird, ein Messvolumen, welches über eine Drossel-Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitstank verbunden ist. Die Drossel-Fluidverbindung wird eingesetzt, um die Durchflussmenge zwischen Messvolumen und Flüssigkeitstank deutlich zu verringern, so dass der Flüssigkeitspegel in dem Messvolumen den Langzeit-Füllstand des Tanks nachbildet, jedoch kurzfristige änderungen wie Schwappbewegungen oder Wellen nicht in das Messvolumen übertragen werden. Das Messvolumen und der Flüssigkeitstank sind nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden, so dass die jeweiligen Flüssigkeitssäulen in den Tank bzw. in dem Messvolumen auf Grund des langfristigen Druckausgleichs die gleiche Höhe aufweisen.

Das zu Grunde liegende erfinderische Konzept besteht nun darin, die ansonsten aufwändige statistische Mittelung zu erreichen, indem zwischen dem Tank und dem Messvolumen ein verzögerndes Element in Form der Drossel-Fluidverbindung eingeführt wird, so dass zwischen dem Flüssigkeitstank und dem Messvolumen nur langfristige änderungen übertragen werden, jedoch keine kurzfristigen änderungen des Füllstands wie bei Schwapp- oder Wellenbewegungen. Die Erfassung des Füllstands erfolgt somit über das Messen des Pegels in dem Messvolumen, das bereits einem Langzeit-Mittelwert entspricht, so dass die Erfassung mit langsamen Sensoren und ohne aufwändige mathematische Verfahren mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Füllstandsvorrichtung ist daher für einen Tank eines Fahrzeugs vorgesehen, wobei in dem Tank während dem üblichen Betrieb des Fahrzeugs eine Flüssigkeit vorgesehen ist. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise Kraftstoff sein, beispielsweise Benzin oder Diesel, oder kann ein flüssiges, beispielsweise wässriges Reduktionsmittel sein, das zur Entstickung der Abgase des Fahrzeugs in den Abgasstrang eingespritzt wird. Das flüssige Reduktionsmittel kann eine wässrige Harnstofflösung sein, beispielsweise der für Kraftfahrtzeuge vorgesehene AdBlue®-Zusatz.

Die Füllstandsmessvorrichtung hat vorzugsweise eine zylindrische Form. Vorzugsweise hat die Füllstandsmessvorrichtung einen Boden, der die unterste Stelle des Messvolumens darstellt, der auf der gleichen Höhe wie der Boden des Tanks angeordnet ist. Die Füllstandsmessvorrichtung wird vorzugsweise in dem Fahrzeug so angeordnet, dass sie sich entlang der Wirkungsrichtung der Gravitationskraft erstreckt und mindestens die gleiche Höhe aufweist wie der Tank. Der oberste Punkt des Messvolumens, der von der Füllstandsmessvor- richtung umfasst wird, liegt vorzugsweise in der gleichen Höhe wie der oberste Punkt des Füllvolumens des Tanks oder liegt darüber.

Die Drossel-Fluidverbindung verbindet in einer Ausführungsform das Messvolumen mit dem Füllvolumen an den jeweiligen unteren Abschnitten des Tanks bzw. des Messvolumens, oder verbindet den Tank mit dem Messvolumen in der Höhe der jeweiligen Böden. Um eine Volumenänderung zu erlauben, ist der Tank und/oder das Messvolumen mit der Umgebung verbunden. Alternativ kann das Füllvolumen im oberen Abschnitt bzw. an seiner höchsten Stelle mit dem oberen Abschnitt bzw. mit der obersten Stelle des Messvolumens verbunden sein. Da in dieser Ausführung das Füllvolumen und das Messvolumen nicht mit der Umge- bung in direktem Kontakt stehen, werden Verluste durch Verdampfen sowie Geruchsbelästigungen vermieden.

Alternativ kann die Drossel-Fluidverbindungen die jeweiligen oberen Abschnitte des Messvolumens und des Tanks miteinander verbinden bzw. die obersten Stellen des Messvolumens und des Füllvolumens. Selbst wenn die jeweiligen unteren Abschnitte bzw. das Messvolumen und das Füllvolumen in der Höhe des Bodens direkt, ohne eine wesentliche Dros- seiung, miteinander verbunden sind, führt die Drossel-Fluidverbindung im oberen Abschnitt des Füllvolumens bzw. des Messvolumens zu einem langsamen Druckausgleich bei Volumenänderungen, wodurch die gewünschte Mittelung erzielt wird. Durch die Kompressionsfähigkeit von Gas, das sich oberhalb des Füllstands befindet, ergibt sich ein weiterer Dämpfungseffekt für die in dem Messvolumen vorhandene Flüssigkeit.

Im Allgemeinen sind Verbindungen zwischen Füllstandsmessvorrichtung und Tank derart eingerichtet und angeordnet, dass die Verbindung der jeweiligen unteren Abschnitte dem gedrosselten oder ungedrosselten übertrag von Flüssigkeit vom Tank in das Messvolumen und umgekehrt dient. In gleicher Weise dient eine Verbindung der jeweiligen oberen Ab- schnitte dem Druckausgleich des Gases, welches sich über der Flüssigkeit befindet. Diese Verbindung kann ebenso gedrosselt oder ungedrosselt sein. Die Verbindung der oberen Abschnitte und die Verbindung der unteren Abschnitte können beide Drossel- Fluidverbindungen sein. Alternativ ist entweder die Verbindung der oberen Abschnitte oder die Verbindung der unteren Abschnitte gedrosselt. Durch die Drosselung, d. h. der starken Einschränkung der Fluidvolumenrate des Fluidflusses zwischen Tank und Messvolumen wird eine pneumatische oder hydraulische Mittelung erreicht, die dazu führt, dass kurzfristige Schwappbewegungen innerhalb des Tanks nicht in das Messvolumen übertragen werden.

Die Drossel-Fluidverbindung kann als Leitung mit geringer Querschnittsfläche vorgesehen werden, wobei in diesem Fall die gesamte Leitung, der auch als Kanal ausgebildet sein kann, als Drosseleinrichtung dient. Alternativ oder in Kombination hierzu können diskrete Elemente verwendet werden, beispielsweise Filter oder ein mäanderformiger Leitungsverlauf. In diesem Fall wird durch den hohen Strömungswiderstand vermieden, das kurzfristige änderungen des Füllstands im Tank auf den Füllstand des Messvolumens übertragen werden. Ferner kann ein Filter verwendet werden, dessen Strömungswiderstand den gewünschten Verzögerungseffekt hervorruft, und gleichzeitig einen Schutz vor Schmutzpartikeln vorsieht. Eine Verbindung kann eines oder mehrere dieser Elemente aufweisen, wobei die Verbindung der oberen Abschnitte die gleichen oder andere Elemente als die Verbindung der unteren Abschnitte umfassen kann. Ferner kann die Verbindung der unteren Abschnitte mit einer oben genannten Drosseleinrichtung versehen werden, wobei die oberen Abschnitte über eine Verbindung ohne Drosseleinrichtung, d. h. eine direkte Verbindung, die hohe Durchfiussraten zulässt, verbunden werden.

Gemäß einer Ausführung werden Drucksensoren zur Ermittlung des Füllstands verwendet. Hierzu wird der Druckzustand in dem Messvolumen erfasst, aus dem der gemittelte Füllstand des Tanks ermittelt werden kann. In einer Ausführung wird der Druck am Boden der Flüssigkeitssäule des Messvolumens mittels eines Drucksensors erfasst, der den absoluten Druck der Flüssigkeit in dem Messvolumen, beispielsweise in Form elektrischer Signale, wiedergibt. Alternativ oder in Kombination hierzu, wird ein Differenz-Drucksensor verwendet, der die Druckdifferenz des Gases im oberen Abschnitt oder an der obersten Stelle des Messvolumens und dem Druck der Flüssigkeit im unteren Abschnitt bzw. am Boden des Messvolumens erfasst.

Ferner kann ein Ultraschallsensor verwendet werden, der die Laufzeit des Schalls vom Boden des Messvolumens zur übergangsebene zwischen Flüssigkeit und Gas und wieder zurück misst, und aus der Dauer und der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit die Füllstandshöhe erfasst. Statt Ultraschall kann können auch Lichtimpulse verwendet werden, deren Laufzeit vom Boden bis zur Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche und wieder zurück erfasst wird, um den Füllstand zu ermitteln.

Alternativ, oder in Kombination hierzu kann eine Qualitätsmessvorrichtung verwendet werden, bei der mittels zweier Elektroden, die sich entlang des gesamten Messvolumens erstre- cken die Kapazität zwischen den Elektroden gemessen wird. Da sich die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit von der Dielektrizitätskonstante des Gases unterscheidet, kann aus der ermittelten Kapazität der Flüssigkeitsanteil und somit die Füllstandshöhe berechnet werden.

Als weitere Möglichkeit zur Erfassung des Füllstands in dem Messvolumen kann ein Schwimmer verwendet werden, dessen Position erfasst wird. Ferner kann zur Erfassung des Füllstands eine optische Abtastvorrichtung verwendet werden, die auf Grund von Helligkeit, Positionskodierung, Laufzeit bis zur reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche oder weiteren optischen Merkmalen den Füllstand erfasst.

Bevorzugt ist die Wand, welche das Messvolumen einschließt, abschnittsweise oder vollständig transparent oder transluzent, um eine einfache optische Erfassung des Füllstands, beispielsweise durch den Fahrzeugbenutzer, zu erlauben. Der transluzente oder transparente Abschnitt kann ein längs des gesamten Messvolumens vorgesehenes Sichtfenster sein. Fer- ner kann das Messvolumen (und auch der Tank) aus einem Kunststoff hergestellt sein, der für Licht in gewissem Maße durchlässig ist und so eine optische überprüfung durch den Betrachter erlaubt.

Die oben genannten Vorrichtungen zum Erfassen und Bestimmen des Füllstands des Messvolumen können vollständig innerhalb, vollständig außerhalb oder teilweise innerhalb und außerhalb des Messvolumens angeordnet sein. Beispielsweise Auswertevorrichtungen eines Ultraschallsensors oder eines Lichtlaufzeitsensors können außerhalb vorgesehen sein. Hier- bei kann beispielsweise ein Sender und/oder ein Empfänger für Ultraschallwellen/Lichtimpulse außerhalb oder innerhalb des Messvolumens angeordnet sein.

Vorzugsweise ist der Tank einteilig mit der Füllstandsmessvorrichtung ausgebildet, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Blas- oder Extruderprozesses. Der Tank kann zu- sammen mit der Wand, die das Messvolumen umschließt, zweiteilig hergestellt werden, beispielsweise mittels eines Tiefziehverfahrens, wobei beide Teile nach deren Formung miteinander verbunden werden, beispielsweise durch eine Schmelzverbindung. In einer Ausführungsform sind die obere und/oder die untere Zuleitung einteilig mit dem Tank und/oder mit der Füllstandsmessvorrichtung ausgebildet.

Beispielsweise können ein Lautsprechermembran, ein Mikrofonmembran, eine Lichtquelle, ein Lichtsensor, Kapazitätsmesselektroden und/oder ein Schwimmer mit Führungsvorrichtung in dem Messvolumen angeordnet sein, abhängig von dem verwendeten Messverfahren. Die Vorrichtungen zur Aufnahme und Weiterverarbeitung sowie zur Ansteuerung können außerhalb des Messvolumens angeordnet sein und über entsprechende Verbindungen, beispielsweise elektrische Verbindungen, mit in dem Messvolumen liegenden Sensorelementen und ähnlichem verbunden sein.

Zur Vermeidung von Wellenbewegungen kann das Messvolumen zylinderförmig mit sehr geringem Durchmesser ausgebildet sein. Alternativ oder in Kombination hierzu können E- lemente in dem Messvolumen vorgesehen sein, die einen hohen Strömungswiderstand für die dort vorhandene Flüssigkeit bilden, beispielsweise Siebe, durch das Messvolumen verlaufende Stege oder dort vorgesehene Gitterstrukturen. Vorzugsweise sind an den Wänden, die das Messvolumen umschließen, Elemente angebracht, die Wellen absorbieren oder un- terdrücken, beispielsweise Stege oder radial in das Messvolumen ragende Vertiefungen oder Zylinder.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführung der erfindungsgemäßen Füllstandmessvorrichtung in Kombination mit einem daran angeschlossenen Tank.

Ausfuhrungsformen:

In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung dargestellt, die an einen Tank angeschlossen ist, dessen Füllstand zu ermitteln ist.

Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung 10 in Kombination mit einem Tank 20 eines Fahrzeugs, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die Verbindungen 12, 14 bilden der Tank und die Füllstandsmessvorrichtung 10 kommunizierender Röhren und haben daher den gleichen Füllstand. Die Füllstandsmessvorrichtung 10 umfasst eine Wand, die ein Messvolumen 16 umschließt. In der in Figur 1 dargestellten Ausführung besteht eine Verbindung zwischen dem oberen Abschnitt 22 des Tanks 20 mit dem oberen Abschnitt 18 des Messvolumens 16. Hierzu umfasst die Füllstandsmessvorrichtung einen oberen Zugang 19a und einen unteren Zugang 19b. Der obere Zugang 19a ist in der Wand, die das Messvolumen umschließt in dem oberen Abschnitt des Messvolumens angeordnet.

Vorzugsweise ist der obere Zugang in der Höhe der obersten Stelle der Füllstandsmessvor- richtung 18 angeordnet, beispielsweise an einer Deckelfläche. In gleicher Weise umfasst die Füllstandsmessvorrichtung 10 den unteren Zugang 19b am Boden der Füllstandsmessvorrichtung, d. h. an der untersten Stelle des Messvolumens. Vorzugsweise ist der untere Zugang in der Höhe eines unteren Abschnitts 18 b des Messvolumens 16 angeordnet.

In einer weiteren Ausführung (nicht dargestellt) durchdringt der obere Zugang eine Deckeloberfläche der Füllstandsmessvorrichtung, und der untere Zugang durchbricht den Boden der Füllstandsmess Vorrichtung. Die Oberfläche, die das Füllvolumen direkt und vollständig umgibt, wird vorzugsweise von einem radial verlaufenden Boden und einer radial verlaufenden Deckelfläche sowie einer zylindrisch umlaufenden Wand gebildet, deren tangential ver- laufende Kanten direkt an die Aussenkanten des Bodens bzw. der Deckelfläche anstoßen. Somit erstreckt sich das Füllvolumen vollständig zwischen Wand, Boden und Deckelfläche.

Um die erfindungsgemäße Mittelung durch die Drosselung zu erreichen, umfasst die in Figur 1 dargestellte Füllstandsmessvorrichtung eine Drosseleinrichtung 30, die mit dem unte- ren Zugang verbunden ist. Die Drosseleinrichtung weist einen weiteren Anschluss auf, der mit einem unteren Zugang des Tanks verbindbar ist, so dass sich ein Druckunterschied zwischen dem Messvolumen und des Tanks, der von unterschiedlichen Pegelständen herrührt, über die Drosseleinrichtung 30 langsam ausgeglichen wird. Die Drossel 30 kann ein Filter

sein oder ein Leitungsabschnitt, der einen geringen Durchmesser aufweist. Alternativ kann als Drosseleinrichtung eine mäanderförmig verlaufende Leitung verwendet werden.

Zur Dimensionierung der Drossel und des Messvolumens wird vorzugsweise eine Durch- flussbegrenzung vorgesehen, die durch die Drossel 30 hervorgerufen wird, und die mit dem Messvolumen in einer Beziehung steht, so dass bei einem Pegelunterschied zwischen der Füllstandsmessvorrichtung und dem Tank zu einer Verringerung des Pegelunterschieds auf 5 % innerhalb einer Zeit τ > 10 sec. führt. Alternativ hat τ eine Dauer von 5 bis 10 Sekunden, 10 Sekunden bis 60 Sekunden, oder 1 bis 5 Minuten. Eine besonders effektive Unter- drückung von Schwappbewegungen bei einer gleichzeitigen dynamischen Füllstandsanzeige wird mit τ = 10 bis 30 Sekunden erreicht. Da die durch die Drossel 30 geführte Durchflussmenge von der Druckdifferenz zwischen Messvolumen und Füllvolumen abhängt, ergibt sich ein negativ experimenteller zeitlicher Verlauf des Pegels des Messvolumens bei einem bestimmten anfänglichen Pegelunterschied.

Ferner arbeitet die Drossel 30 als Tiefpassfilter bezogen auf Pegelveränderungen in dem angeschlossenen Tank, so dass nur tiefe Frequenzen und der Gleichanteil des Pegelstands vom Tank in die Füllstandsmessvorrichtung übertragen werden. Vorzugsweise ist die Dämpfung a für Frequenzen f < 0.1 Hz gleich 1 - 1.1, wobei jedoch für den Gleichanteil eine Dämpfung von a = 1 vorgesehen ist. Gleichzeitig ist jedoch für Frequenzen > 1 Hz die Dämpfung > 4 beträgt und mit der Frequenz stetig zunimmt.

Zur Erfassung des Pegels ist in der Füllstandsmessvorrichtung ein Füllstandssensor 40 angeordnet, der im unteren Abschnitt 18b der Messvorrichtung am Boden der Füllstandsmess- Vorrichtung befestigt ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform umfasst die an den oberen Zugang 19 a angeschlossene Leitung eine Drosseleinrichtung, und die am unteren Zugang 19 b angeschlossene Leitung umfasst eine Drosseleinrichtung. Vorzugsweise ist die Füllstandsmessvorrichtung bis auf den oberen und unteren Zugang vollständig von einer Wand umschlossen, so dass Volumenänderungen (von Gas oder von Flüssigkeit) und FIu- idströme ausschließlich durch den oberen und den unteren Zugang hindurch treten.

Vorzugsweise weist die Füllstandsmessvorrichtung die gleiche Höhe wie ein daran anschließbarer Tank auf und hat eine geringe Querschnittsfläche. Die Querschnittsfläche sollte mehr als 0,5 mm ² betragen, um zu erreichen, dass Kapillarkräfte nur einen vernachlässigba- ren Einfluss auf den Füllstand im Messvolumen haben. Es kann also die Querschnittsfläche des Messvolumens weniger als 25 cm ² betragen, um Schwapp- und Wellenbewegungen innerhalb des Messvolumens zu vermeiden.

Das zu Grunde liegende erfinderische Konzept kann ferner mittels eines Verfahrens umgesetzt werden, das das Spiegeln bzw. Wiedergeben des Flüssigkeitsfüllstands innerhalb eines Tanks in dem Messvolumen umfasst. Dadurch kann durch Messung des Füllstands im Messvolumen auf den Füllstand im Tank direkt zurück geschlossen werden. Schwappbewe- gungen, die im Tank auftreten, können effektiv im Messvolumen unterbunden werden, indem, trotz der Spiegelung des Flüssigkeitsfüllstands, die Fluidströmung zwischen Tank und Messvolumen gedrosselt ist, wodurch sich eine zeitliche Mittelung ergibt.

Dies kann erreicht werden, indem eine Verbindung am Boden des Tanks und des Messvo- lumens mit einer Drossel vorgesehen wird, so dass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen Tank und Messvolumen verlangsamt ist. Alternativ, oder in Kombination hierzu, kann der Deckel des Tanks mit der obersten Stelle des Messvolumens über eine Drossel verbunden werden, die den Gasaustausch zwischen Tank und Messvolumen einschränkt. Durch diese Weise werden ebenfalls schnelle Volumenänderungen in dem Messvolumen unterdrückt.