CN105973344B - 用于填充速率检测的多导体燃料中水分传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃料过滤装置的水分传感器，包括主体，该主体具有至少一个设置在其第一末端附近的电接触件。该电接触件可操作地连接至电子控制单元。多个传感器接触件设置在主体第二末端附近。这些传感器接触件设置为用于检测多种水位并提供所检测的各水位的输出。所述电接触件设置为用于将输出发送至电子控制单元。该水分传感器提供的水位信息能够通过控制装置追踪，以确定水的填充速率是否达到报警值。
Description
本申请要求2010年4月27日提交的、申请号为61/328,391、标题为“Multi-Conductor Water in Fuel Sensor for Fill Rate Detection燃料中水分”的美国临时申请，以及2011年4月22日提交的、申请号为13/092310、标题为“Multi-Conductor Water inFuel Sensor for Fill Rate燃料中水分”的美国申请的权益，上述文件内容将以全部引用的方式并入本文。
技术领域
本文涉及含水量检测。特别地，描述了一种燃料中水分传感器，例如，该传感器位于柴油燃料过滤装置中，用于在高含量水分进入过滤装置中的集水区时进行检测。该燃料中水分传感器需要使用多个接触件，以对多个不同水位进行检测。燃料中水分传感器提供的水位信息可以通过适当的控制装置(例如发动机控制单元)进行追踪，以确定水的填充率是否达到报警值。
背景技术
大多数现有的燃料过滤系统包含有一个通常称为燃料中水分(Water in Fuel，WIF)传感器的电子传感器，其用于检测过滤模块的集水区(如水槽)中所积聚的一定体积的水。尽管当前技术能够检测到集水槽中积水的水位，不管这些水已经积存了多久，然而，仍可对这类燃料中水分传感器做出改进。
发明内容
本发明描述了一种装置，其用于通过在高含量水分进入集水区时进行检测、以限制发动机各零部件与水相关的腐蚀或损害的发生率，从而使机动车操作人员在损害发生前便收到报警。通常情况下，燃料中水分传感器被描述为用于在高含量水分水进入过滤装置的集水区时进行检测。燃料中水分传感器在许多情况下都应用于柴油机燃料过滤装置中，如燃料中水分分离器装置的集水槽中，然而在适当情况下也能用于其他应用场合。该燃料中水分传感器有多个接触件，以对多个不同水位进行检测。该燃料中水分传感器提供的水位信息能够通过适当的控制装置进行追踪，例如发动机控制单元，该发动机控制单元可使用适当的软件程序来确定水的填充速率是否达到报警值。
在一个实施例中，本文所述的水分传感器是用于燃料过滤装置的。该水分传感器包括具有第一末端和第二末端的主体。至少一个电接触件设置在第一末端附近，并且可控制地连接至一个电子控制单元。多个传感器接触件设置在第二末端附近。这些传感器接触件设置为用于检测多个水位并提供关于所检测的各水位的输出。上述至少一个电接触件设置为用于将输出发送至电子控制单元。
在特定情况下，可以使用两个电接触件。在其他实施例中，在适当的情况下，也可使用单个接触件。例如，如果集水槽是导电的，并且与车身电连接，使得“接地”电路经过车身，则该路径使得到控制单元的电路变得完整。这样的配置可以由例如发动机制造商预先设计好，并且，通过去掉了一个电路及其相关的导线、连接器和引脚，能够降低应用成本。
本文提到的电子控制单元可以是用于解析所述传感器输入的任何适当的控制装置，包括但不限于发动机控制模块(Engine Control Module，ECM)、控制器、流体管理控制模块，或任何适当的数据/信息处理装置。这些控制装置可能采用软件程序。
各种传感器技术都可以用在燃料过滤模块中，以确定燃料过滤模块集水槽所积存的水含量。
附图说明
图1A展示了具有三个不同长度导体的多导体燃料中水分传感器的一个实施例；
图1B展示了具有三个相同长度导体的多导体燃料中水分传感器的另一实施例；
图1C展示了具有环形传感器的多导体燃料中水分传感器另一个实施例的水平安装的实施例，所示的水平安装位于例如用作燃料过滤器的燃料中水分分离器壳体的底部；
图2为安装在车辆燃料箱中的多导体燃料中水分传感器的示意图；
图3展示了图1B的多导体燃料中水分传感器的内部电阻，其通过电接触件或引脚A和B由双引脚电子连接器连接至发动机控制单元；
图4展示了一种替代性电阻样式，以及由此而得的电接触件或引脚A和B的情况表；
图5展示了在水填充集水区或集水槽时发动机控制单元随时间可检测到的电阻值；
图6展示了具有环形传感器的多导体燃料中水分传感器的另一实施例；
图7展示了具有带传感器接触件的可分离式盘的多导体燃料中水分传感器的一个实施例，在该多导体燃料中水分传感器安装后，所述可分离式盘能够连接至/脱离所述多导体燃料中水分传感器的主体；
图8A展示了竖直取向的多导体燃料中水分传感器的一个实施例；
图8B展示了竖直安装于燃料过滤器/燃料中水分分离器壳体集水槽的燃料中水分传感器的一个实施例；
图9为竖直堆叠的多导体燃料中水分传感器一个实施例的示意图，其中展示了接触件之间的隔离物；
图10展示了竖直堆叠的多导体燃料中水分传感器的另一实施例；
图11A展示了图10的多导体燃料中水分传感器竖直安装的一个实施例，其中展示了安装在燃料过滤器/燃料中水分分离器壳体集水槽中的多导体燃料中水分传感器；
图11B为图10的多导体燃料中水分传感器竖直安装的另一视图。
具体实施方式
一般地，本文所述的燃料中水分传感器具有多个接触件，以允许对多个不同水位的检测。该燃料中水分传感器在许多情况下应用于柴油机燃料过滤装置中，如燃料中水分分离装置的集水槽，然而在适当情况下也能用于其他应用场合。该燃料中水分传感器接触件提供的水位信息能够通过适当的控制装置进行追踪，例如发动机控制单元，以确定水的填充速率是否达到报警值。所述燃料中水分传感器能够帮助限制发动机各零部件的与水相关的腐蚀或损害的发生率，以使车辆操作员在损害发生前便能收到报警。
更一般地，本文所述的传感器提供多级电阻传感，尤其提供了基于电阻的水位切换传感器，该传感器能够检测过滤模块集水槽或燃料箱集水槽积水的变化速率。该传感器具有不同的积水检测水位，且在每个水位上改变输出信号。触发两个不同检测水位之间的时长将与预定时长进行比较，如果检测的时长高于预定时长，则表明检测到了高含水量的燃料。
举个例子，一个燃料中水分传感器具有采用三个或三个以上的电导体的多导体结构。一般地，该燃料中水分传感器旨在位于柴油燃料中水分分离器的集水区(例如集水槽)的方位，以在收集水时使导体依次被水淹没。
图1A所示的水分传感器10包括具有第一末端和第二末端的主体。至少一个电接触件16设置在第一末端附近，并且可操作地连接至一个电子控制单元(未图示)。多个传感器接触件12a、12b和12c设置在第二末端附近。该多传感器接触件的每个接触件12a、12b和12c可设置为用于检测不同水位。
在一些实施例中，每个传感器接触件12a、12b、12c都位于集水槽中，集水槽在最低引脚(例如，接触件12a)的高度处及其以下具有导电性，且连接至电子控制单元的接地路径，因此，所有这三个引脚都能够检测单独的水位。
如图1A所示，将只检测两种水位，其中最低的引脚12a是接地引脚。12a和12b都必须浸没在水中以检测第一水位，12a和12c都必须浸没在水中以检测第二水位。至少一个电接触件16用于将每个传感器接触件获取的不同水位信息发送到电子控制单元。应当理解的是，这里提到的电子控制单元、例如用于发动机中的电子控制单元，是众所周知的，且能进行适当配置，以执行要确定水位及填充速率所需的处理和控制；因此本文对其不做赘述。
进一步地，参见图1A，三个传感器接触件12a、12b和12c或导体设置为从主体14以不同长度延伸，以使得水分传感器10能够竖直穿过水燃料分离装置200的集水槽202的底部而安装，以检测不同的填充等级(图8B所示例子将会作进一步描述)。如图所示，传感器接触件12a、12b、12c设置为引脚状结构。
燃料具有非常低的导电率，实际上可以认为是电绝缘体。在另一方面，由于水中存在有杂质，因此相对来说水是导电的。这样，当没有水存在时，发动机的电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)将检测到一个以最短引脚12a作为参考点的穿过所有引脚的开路电路。
随着水位的上涨，最短的12a和中间长度的12b都将被浸没；由于水的高导电率，这两个引脚间的电阻将变低，而最短的12a和最长的12c间仍保持高电阻。随着水位的继续上涨，所有三个引脚12a、12b和12c都将被浸没，因此它们两两间的电阻都将变低。这样，ECU(未图示)可检测到水位，并通过比较达到第一水位的时间和达到第二水位的时间来确定水的填充速率。高的水填充速率表明燃料箱中的水含量高，这可能需要采取纠正措施。
通过螺纹18，水分传感器10能够连接至集水区(如集水槽)。
图1B所示的传感器100与传感器10相似，具有主体104和电接触件106，不同在于其具有三个用于水平安装在集水槽上的导体102。这三个导体102也是引脚状结构，但长度大致相同。
图1C展示了水分传感器在燃料中水分分离器(Fuel Water Separator，FWS)壳体底部水平安装的一个实施例。如图所示，具有环形传感器接触件的水分传感器300水平安装在集水区的底部，该集水区如具有燃料过滤器400的燃料中水分分离器壳体404的集水槽402。应当理解，图1B所示的传感器100也可以以与传感器300类似的方式水平地安装。
进一步参见图1B，一个实施例中的三个水平引脚102能够以这样的方位设置在燃料过滤装置的集水槽内：使得每个引脚102都大致位于其下方引脚的正上方。这样一种设置能够提供引脚间更大的竖向距离，相对于集水槽中水位而言，让传感器100能够检测集水槽中水量的差异。为了实现这种方位，传感器螺纹以及与其匹配的集水槽螺纹能够被“设定”(clocked)或定位，从而使得每一个制成品的螺纹108总是在几乎相同的位置开始。
对于塑料部件的情形，传感器100能够通过多种方式焊接到壳体中，例如超声波、旋转焊接、振动焊接或感应焊。焊接也能够避免两个部件间密封的需要。
另一种可选方式是不采用螺纹108，而是使用传感器上的凸缘(未图示)，由一个或多个螺钉将其固定到集水槽壳体上。这种方式具有附加的好处：其移除了螺纹，而螺纹需要占据相当大的空间，且限制了传感器接触引脚能够分开的距离。
在其他实施例中，本发明的水分传感器能够设置在车辆的燃料箱中。如图2所示，传感器500可以设置在车辆燃料箱502底部的集水区504中。在某些情况下，该燃料箱502的底部会有凹部，这样密度比燃料大的水就会沉积在此，并且能够很容易地被传感器500检测到。也如图2所示，一种替代方案是在燃料箱502中设置一个燃料中水分分离器506，将乳化水从燃料中分离出来，以使传感器500检测水分。传感器500能够将检测到的信息发送给ECU508。应当理解，这里使用的ECU包含ECU 508，其可以是用于解析传感器检测到的信息的任何适当的控制装置，包括但不限于公知的发动机控制模块(Engine Control Module,ECM)、控制器、流体管理控制模块，或任何适当的数据/信息处理装置。在适当情况下，这些控制装置可采用软件程序。应当理解，ECU 508可以用在本文提到的任何一种传感器中。
进一步参考所述传感器和ECU之间的电连接，图3和图4分别展示了替代性电阻模式和由此而得的情况表，其中ECU能够通过电接触件(如电接触件16)或图3和图4中的引脚A和B连接至水分传感器。所示的电阻值只是举例说明。可依随控制单元设计者的意愿选择不同的电阻值。在所述传感器的基础应用中，三根导线连接至ECU，即，每个传感器接触件或引脚用到一根，因此使用三个电接触件。另一可选方式是，如图3和图4所示，只需要两个至ECU的电接触件或引脚连接件。如图所示，三根导线26分别用于各传感器接触件，并且，适当时在传感器内(例如主体)结合了电阻和绝缘体(如28)的使用，因此，ECU能够用仅有两引脚的电接触件连接器来确定水位。在这种结构中，ECU测量两个电接触件(如引脚A和B)之间的电阻，并将测量值与情况表中的值进行比较，以确定水位。见图3和图4所示的情况表。应当理解，上述如图3和图4所示的电接触件配置可适用于本文所描述的任一燃料中水分传感器。
虽然图3和图4展示的是使用两个电接触件，然而适当情形下可以采用其他实施例。在某些情形下，如当全部三个传感器接触件都用于水位检测，则该水分传感器可以采用单一的电接触件。例如，如果集水槽是导电的，并且和机动车的车身有电连接，以使得“接地”电路经过车身，从而通过该路径使到控制单元的电子回路变得完整。这样的配置可以由例如发动机制造商预先设计好，并且，通过去掉一个电路及其相关的导线、连接器和引脚，能够降低应用成本。
图5展示了随着集水槽中被填充、传感器接触件被水浸没，ECU随时间推移检测到的电阻值。图5展示的电阻用于具有与图4类似的电阻配置的水分传感器中。
参见图3-5，水位1为水位低于中间引脚的任意情形。当水位没过最低引脚和中间引脚时，到达水位2；当水位没过全部三个引脚时，到达水位3。以图5所标示的为例，ECU记录到达水位2的时刻(tREF)，然后计算出到达水位3所需时间Δt。如果Δt小于预定值，则ECU将通过任何合适的指示(如指示灯、声音、图像显示等)通知操作员(如车辆操作员)，以使驾驶员能够采取适当的措施。这些措施可能包括：联系可能刚刚出售含水量高的燃料给其的加油站服务员；对油箱采取腐蚀预防性和抗菌处理；更换燃油过滤器；或者到服务中心排空和清理油箱。根据高含水量的严重程度及其成因，还可以采取其他合适的措施。
参考图6，所示的水分传感器600具有传感器接触件602a、602b和602c，它们中的一些可以设置成环形。在安装水分传感器600时，这样的结构不需要有特定的旋转方位。
传感器接触件的环形配置提供了一种替代设计方案，例如水平安装在水槽内时。如图所示，两个导电环602a、602b和中心引脚602c组成了集水槽内的三个电接触件。在水平安装的配置中，当集水槽中的水位上升时，外圆环602将首先接触到水，接着是内圆环602b，最后是中心引脚602c。不管水分传感器的旋转方向如何，对于集水槽中的水，三个导体间的距离都是大致相同的。
应当理解，接触件602a、602b和602c间的距离可以根据合适的情况或按需要而改变。为改变接触环之间的距离，环的直径可能增大或减小。
一种实现修改的例子是，修改传感器主体的末端。一个例子是，传感器外部的螺纹可以用凸缘或通过焊接保留方法所替换，如针对图1B所示设计而讨论的那样。更大直径的接触环可置于该凸缘上。
为了达到更大的直径，可将分离的接触盘700附到已经安装在集水槽中的传感器主体上，如图7所示。这种方式提高了增大接触环直径的能力，因此，接触环的直径可以做得比集水槽壁上的安装孔所允许的孔径更大。环与引脚(如702a、702b、702c)之间更大的间距可以在各次水位检测之间允许更多的水积聚在集水槽内。在一些实施例中，分离的接触盘700可卡扣在水分传感器的主体上。这样的盘700可以允许接触环的直径具有灵活性，从而使得各检测水位之间的竖向水位量上升。
关于竖直取向的水分传感器，图8A-11B展示了水分传感器的更多实施例，其可用于竖直安装、例如穿过集水槽的底部。
图8A展示了水分传感器800的另一实施例。图中所示的水分传感器800具有带堆叠或串联导体(接触件)802a、802b、802c和绝缘体810的单个圆柱形杆，以检测多种水位。如前面所论述的，通过水分传感器上各接触件经由导线与ECU进行通讯，和/或通过如前面实施例所述的将电阻集成在各对接触件之间，以使ECU“读取”两个传感器导线之间的电阻值，并将该电阻值解析为某个特定的水位，即可实现对不同水位的区分。图8B展示了燃料中水分传感器的竖直安装，如传感器10，位于具有集水槽或集水区22的过滤装置的壳体20中。
参考图9，其展示了水分传感器900的另一实施例，其采用了绝缘体的另一实施例。水分传感器900具有带电连接件906的主体914。如图所示，绝缘体能够被电阻材料所替换，如接触件902a、902b、902c和902d间的间隔物910。该电阻材料可以是表面贴装电阻所使用的材料。
作为一种替代例，间隔物910可以被构造为位于接触件902a、902b、902c、902d之间的间隔中的圈式电阻，并由陶瓷或塑料等绝缘材料所封装。以这种方式，间隔物物理地分隔接触件，并且实现了电阻的功能。适合时可采用一个绝缘套管912来使传感器接触件绝缘。ECU将读取堆叠中顶部和底部导体之间的电阻值，以确定水位。图9展示了四个接触件，但是应当理解，接触件的数量大于或等于三个即可。在某些情况下，越多组接触件/电阻能够提供越多可被检测到的不同水位。一个只有两个接触件/电阻的堆叠只能检测一个水位，并且无法计算水位的上升速率；当然，这种堆叠在某些应用中也可能是有用的。
图10和图11A-B展示了采用堆叠电阻环这种替代性实施例的水分传感器1000。
图10和图11A-B所示的水分传感器1000有三个尺寸相同的不锈钢环(导体)1002a、1002b和1002c，其塑料体内嵌有电阻。应当理解，也可以采用三个以上的环。如图所示，环1002a、1002b和1002c被绝缘材料1010所分隔。每个导体可以设置为具有表示不同区域的不同电阻值。例如，每个环1002a、1002b和1002c的电阻值表示一个不同的区域，该区域可通过例如颜色进行标示，例如，接触件1002a为绿色，接触件1002b为黄色，接触件1002c为红色。
定义上述区域以计算水位上升的时间。以燃料过滤装置1020壳体1024中的集水槽1022为例。进入集水槽1022中的水的上升水位一旦触及绿色区域，将启动ECU中的计时器。一旦水位触及红色区域，ECU将计算出时长，如果该时长小于预定时间，则其将向操作员报警，例如通过操作员可观看到的车辆的仪表盘。
图10展示了上述水分传感器1000的一个实施例。图11A-B展示了该水分传感器1000在燃料过滤器1020/FWS壳体1024的集水槽1022中的竖直安装。
典型的水分传感器只具有一种检测定位。换句话说，其在蓄水池器“满”了时发出指示，但不能测量蓄水器的填充速率。因此，操作员、如车辆驾驶员不知道蓄水器是经过一段很长的时间而缓慢充满(正常)，还是因为注入了一批高含水性(异常)的劣质燃料。后一种情况最终会导致生物生长、腐蚀、沉积和过滤器堵塞。相反地，本发明的水分传感器能够告知车辆操作员高含水量情况的出现，以便其采取补救措施。以下提供了一些本发明描述的改进了的水分传感器设计的结构和功能好处。
1)获得了一种在高浓度水进入到油箱时进行检测的手段，使得驾驶员在损害发生前能够收到报警。
2)提供了一种带有三个或三个以上接触件的水分传感器，以检测两种或两种以上水位。
3)所述水分传感器使发动机控制单元(ECU)能够追踪到达每一水位的时间，以确定水的填充速率是否达到报警值。
在不脱离本发明精神或新颖性特征的情况下，本发明可以体现为其他形式。本申请所公开的实施例是用于解释本发明，而不是限制本发明。本发明的范围由所附权利要求而不是前文的描述指明；在与权利要求等价的含义和范围内做出的所有变化都属于本发明的保护范围。
Claims (18)
1.用于燃料过滤装置的过滤系统，包括：
电子控制单元；以及
燃料中水分传感器，包括：
具有第一末端和第二末端的主体；
设置在所述第一末端附近的至少一个电接触件，该至少一个电接触件可操作地连接至所述电子控制单元；以及
设置在所述第二末端附近的多个传感器接触件，这些传感器接触件的每一个均配置为检测不同水位；
所述至少一个电接触件配置为将由每个传感器接触件获得的所述不同水位信息发送至所述电子控制单元，
其中，所述燃料中水分传感器配置为通过将积水检测水位的触发之间的时间间隔与预定时间间隔进行比较，以确定燃料是否具有高含水量。
2.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多个传感器接触件配置为检测两种水位，这使得其中一个传感器接触件为接地接触件。
3.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多个传感器接触件配置为从所述主体伸出的引脚，这些引脚彼此具有不同的长度。
4.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述传感器接触件以基本相同的长度从所述主体伸出。
5.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述至少一个电接触件包含两个电接触件，所述多个传感器接触件包含三个传感器接触件，该三个传感器接触件通过三根导线连接至所述两个电接触件，每一根导线用于其中一个传感器接触件、并具有一个或多个电阻。
6.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述燃料中水分传感器还包括位于所述主体上的螺纹，所述螺纹被设定。
7.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多个传感器接触件配置为环形。
8.根据权利要求7所述的过滤系统，其特征在于，所述过滤系统还包括配置为连接至所述主体的接触盘，配置为环状的所述多个传感器接触件排布在该接触盘上。
9.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多个传感器接触件排布在单个杆上，以使得所述多个传感器接触件与所述多个传感器接触件之间的绝缘体形成堆叠。
10.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述多个传感器接触件排布在单个杆上，以使得所述多个传感器接触件与所述多个传感器接触件之间的间隔物形成堆叠。
11.根据权利要求10所述的过滤系统，其特征在于，所述间隔物为电阻材料。
12.根据权利要求11所述的过滤系统，其特征在于，所述电阻材料被绝缘材料封装。
13.根据权利要求1所述的过滤系统，其特征在于，所述燃料中水分传感器还包括用于所述多个传感器接触件的绝缘套管。
14.过滤系统，包括：
电子控制单元；以及
过滤模块，包括：
具有集水区的元件；以及
燃料中水分传感器，包括：
具有第一末端和第二末端的主体；
设置在所述第一末端附近的至少一个电接触件，该至少一个电接触件可操作地连接至所述电子控制单元；
设置在所述第二末端附近的多个传感器接触件，这些多个传感器接触件的每一个均配置为检测不同水位；
所述至少一个电接触件配置为将由每个传感器接触件获得的所述不同水位信息发送至所述电子控制单元，
所述燃料中水分传感器位于所述集水区内，所述集水区配置为收集从所述过滤系统中的燃料过滤出的水；
其中，所述燃料中水分传感器配置为通过将积水检测水位的触发之间的时间间隔与预定时间间隔进行比较，以确定燃料是否具有高含水量。
15.根据权利要求14所述的过滤系统，其特征在于，所述过滤系统还包括位于所述元件中且在所述集水区上方的燃料水分分离器，该燃料水分分离器配置为从燃料中分离出水并在所述集水区中收集水。
16.根据权利要求14所述的过滤系统，其特征在于，所述集水区为燃料水分分离器壳体的集水槽或形成在燃料箱底部中的凹部。
17.根据权利要求14所述的过滤系统，其特征在于，所述电子控制单元还配置为响应于关于所述燃料具有高含水量的判断而触发报警。
18.根据权利要求17所述的过滤系统，其特征在于，所述报警通知操作员。
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