DE102008031645B4

DE102008031645B4 - Füllstandssensor und Verfahren zur Sensierung des Füllstands eines Tanks

Info

Publication number: DE102008031645B4
Application number: DE102008031645.8A
Authority: DE
Inventors: Philippe Grass; Manfred Weigl
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2028-07-05
Also published as: DE102008031645A1

Abstract

Füllstandssensor zur Sensierung des Füllstandes eines Tanks, der mit einer heizbaren Entnahmeeinheit integriert ausgebildet ist, umfassend- ein Entnahmerohr (7)zum Entnehmen von Flüssigkeit aus dem Tank,- mindestens zwei an dem Entnahmerohr (7) in axialer Richtung des Entnahmerohrs (7) angeordnete elektrische Heizelemente (3) zum Erwärmen der Flüssigkeit in dem Tank, wobei die mindestens zwei Heizelemente (3) in einem Hüllrohr (2) angeordnet sind, das das Entnahmerohr (7) koaxial umfasst,- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Steuern des Ein- und Ausschaltens der mindestens zwei Heizelemente (3) und- einen Verbindungspunkt für elektrische Anschlüsse zur Anbindung an die Steuer- und Auswerteeinrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Füllstandssensor nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Sensierung des Füllstandes nach Anspruch 7.
Die Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, kann mit Hilfe des SCR-Verfahrens (Selektive katalytische Reduktion) zu Luftstickstoff und Wasserdampf erfolgen. Als Reduktionsmittel können beispielsweise gasförmiges Ammoniak, Ammoniak in Lösung oder Harnstoff in Lösung eingesetzt werden. Der Harnstoff dient dabei als Ammoniakträger und wird mit Hilfe eines Dosiersystems vor einem SCR-Katalysator in das Abgassystem eingespritzt, wo dann die Stickoxide reduziert werden.
Reduktionsmittelbehälter für Harnstoff SCR-Systeme unterliegen besonderen Anforderungen bezüglich der Frostbeständigkeit, da die Dichte der wässerigen Harnstofflösung beim Einfrieren um etwa 9% abnimmt, was einer Volumenzunahme in der gleichen Größenordnung entspricht, sowie bezüglich der Auftaumöglichkeiten zur schnellen Inbetriebnahme. Die Füllstandsensorik leistet dabei einen wichtigen Beitrag, die Betriebsbereitschaft festzustellen, da bei entsprechend niedrigen Umgebungstemperaturen kein, oder nur ein kleiner Teil der Lösung in flüssiger Form vorliegt.
Es sind diverse Systeme zur Messung des Tankfüllstandes bekannt. So können unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Harnstofflösung Elektroden an der Tankwandung angebracht werden. Über eine Messung des elektrischen Widerstandes können Rückschlüsse auf den Füllstand gezogen werden. Da der Leitwert von Temperatur und Konzentration abhängt, ist die Messung erschwert. Auch sind derartige Füllstandsgeber räumlich von dem Entnahmerohr getrennt, wodurch nie eine optimale Absicherung der Betriebsbereitschaft erreicht werden kann, da das Wissen um den Vorrat an flüssiger Lösung am Ort der Entnahme entscheidend ist. Zudem sind Systeme mit mehreren separaten Komponenten relativ teuer, zumal die Verkabelung und die Durchführungen in den Reduktionsmitteltank Zusatzaufwand und Kosten verursachen.
Weiterhin ist bekannt, den Wärmeübergang zwischen einem in einer Ölwanne aufgespannten Heizdraht und dem Tankinhalt als Maß für den Füllstand zu verwenden. Dabei wird jedoch nur der Gesamtwiderstand des Drahtes gemessen. Der tatsächliche Widerstand ist inhomogen verteilt und abhängig vom Wärmeübergang und damit von der Eintauchtiefe. Aus diesem einen Messwert den Füllstand abzuleiten führt zu einem ungenauen Ergebnis.
Aus der DE 100 11 860 A1 ist ein Ölfüllstandssensor bestehend aus einem Sensor und aus einer Elektronik zur Auswertung des durch den Sensor gemessenen Ölstandes bekannt. Der Sensor ist in ein Saugrohr der Umlaufschmierung einer Brennkraftmaschine integriert, derart, dass das Öl ständig die Messstrecke des Sensors durchströmt.
Die DE 2 300 956 A beschreibt ein Ölmengenkontrollgerät. Das Ölmengenkontrollgerät besteht aus einem Peilstab, der in einer Flüssigkeit angeordnet ist. Im Innenraum dieses Peilstabs sind Heizelemente angeordnet.
Ein Verfahren zur Überwachung des Füllstandes von Lösch- oder Treibmitteln ist in der DE 195 20 799 A1 beschrieben. Diese Veröffentlichung lehrt den Fachmann, ein Heizelement in einem Tank anzuordnen, um die Flüssigkeit in dem Tank zu erwärmen. Die Heizung ist im Entnahmerohr angeordnet.
Die DE 35 27 868 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Messsonde zum Sondieren des Füllstandes, des Massenstroms, der Fluidart, der Fluidzusammensetzung o. dgl. in einem eine oder mehrere Fluids enthaltenden Behälter, Leitungen o. dgl. Es wird eine Messsonde verwendet, die in Wärmekontakt mit dem Fluid gebracht wird. Aus der Abkühlungskurve der Messsonde kann u. a. auf den Füllstand geschlossen werden.
Aus der DE 198 41 770 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Füllstandsmessung bekannt. Neben einem Sensorelement ist ein Referenzsensorelement zur Messung eines Referenzwertes vorhanden.
Die US 5 178 019 A beschreibt einen Füllstandssensor zur Sensierung des Höchststandes eines Tanks, der mit einer heizbaren Entnahmeeinheit integrierbar ausgebildet ist. Hierbei gibt es ein am Entnahmerohr in axialer Richtung des Entnahmerohrs angeordnetes elektrisches Heizelement, mit dem die Flüssigkeit im Tank erwärmbar ist, wobei das Heizelement mit Klebstoff umhüllt ist, der das Entnahmerohr koaxial umfasst. Ferner ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen, mit der das Ein- und Ausschalten des Heizelementes steuerbar ist.
Die DE 1 959 041 C3 beschreibt einen Füllstandssensor, der aus einem Heizelement und aus mehreren Thermoelementen besteht. Dabei wird aus mehreren Messungen oder einer kontinuierlichen Messung der Temperatur ein Temperaturverlauf bestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen genaueren Füllstandssensor zur Sensierung des Füllstandes eines Tanks sowie ein Verfahren zur genaueren Sensierung des Füllstandes bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Füllstandssensor mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Das Reduktionsmittel kann eine Harnstofflösung für SCR-Katalysatoren eines Kraftfahrzeugs sein.
Der erfindungsgemäße Füllstandssensor umfasst ein Entnahmerohr zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem Tank, mindestens zwei an dem Entnahmerohr in axialer Richtung des Entnahmerohrs angeordnete elektrische Heizelemente, eine Steuer- und Auswerteeinrichtung und einen Verbindungspunkt für elektrische Anschlüsse zur Anbindung an die eine Steuer- und Auswerteeinrichtung. Der Füllstandssensor ist somit in eine heizbare Entnahmeeinrichtung integriert.
Das Entnahmerohr verfügt entlang seiner gesamten Eintauchlänge über Heizelemente, um die Verfügbarkeit des Systems auch bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Mediums, z. B. der Harnstofflösung, sicherzustellen. Hierbei ist es günstig, die Heizelemente am Entnahmerohr anzuordnen, da so das Medium am Ort der Entnahme als erstes auftaut und zur Verfügung steht.
Die Heizelemente können temperaturabhängige Widerstände, bevorzugt mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstände) sein. Nach einem Aspekt der Erfindung kann über die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Heizelemente aus ihrem Abkühlverhalten, z. B. bei periodischem Abschalten der Heizung, die Eintauchtiefe und somit der Füllstand bestimmt werden. Die Anordnung der Heizelemente entlang dem Entnahmerohr ermöglicht eine höhere Ortsauflösung der Zonen unterschiedlichen Abkühlverhaltens und somit eine bessere Bestimmung des Füllstandes.
Die Heizelemente sind über einen Verbindungspunkt für elektrische Anschlüsse mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung verbindbar. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung steuert das Ein- und Ausschalten der Heizelemente, wertet Widerstandsmessungen der Heizelemente und gegebenenfalls vorhandener Temperatursensoren während des Abkühlens und/oder Aufheizens der Heizelemente aus und bestimmt entsprechende Temperaturverläufe und daraus den Füllstand des Tanks.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Füllstand des Tanks aus Temperaturmessungen separater Temperatursensoren während des Aufheizens der Heizelemente oder Abkühlens des Tankinhalts nach einem Heizvorgang bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Entnahmeeinheit mindestens ein Temperatursensorelement zur Messung der Temperatur des Tankinhalts zugeordnet.
Die Temperatursensorelemente sind separat ausgebildet und können temperaturabhängige Widerstände, bevorzugt mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstände) sein. Es können aber grundsätzlich auch alle anderen Temperatursensoren eingesetzt werden.
Eine direkte Temperaturbestimmung unabhängig von der Heizung ermöglicht die Messung kontinuierlich und absolut, z. B. auch während des Aufheizens. Die Heizelemente können während des Heizens nicht die Temperatur des Tankinhalts messen.
Durch die Anbringung an der Entnahmeeinheit kann für die Temperatursensorelemente die gleiche elektrische Anschlussvorrichtung zur Anbindung an die Steuerelektronik wie für die Heizelemente verwendet werden. Dadurch ist weniger Aufwand für Verkabelung nötig. Es sind keine zusätzlichen Durchführungen oder Dichtstellen im Reduktionsmitteltank erforderlich.
Ferner ist im Betrieb die zur Verfügung stehende Flüssigkeitsmenge interessant, und daher die Temperaturmessung am Entnahmerohr deutlich aussagekräftiger. Bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Mediums wird dies über die Heizelemente beheizt und taut zuerst am Entnahmerohr auf. Bei teilweise aufgetautem Reduktionsmittel ist es wichtig zu wissen, wie viel dosiert werden kann, ohne ein Trockenlegen der Heizung zu verursachen, da die Heizung nur ausreichend Wirkung hat, wenn ein direkter Kontakt zum zu beheizenden Medium besteht.
Bevorzugt sind mehrere Temperatursensorelemente vorgesehen, die in axialer Richtung des Entnahmerohrs beabstandet angeordnet sind. Eine solche Messung in mehreren Zonen ermöglicht durch die Detektion der unterschiedlichen Wärmeleitung bzw. Wärmekapazität eine höhere Ortsauflösung und somit eine bessere Bestimmung des Füllstandes.
Die Heizelemente sind in einem abgedichteten Volumen am Entnahmerohr angeordnet. In einem abgedichteten Volumen stehen die Heizelemente nicht in direktem Kontakt mit der Tankfüllung. Im Falle eines elektrisch leitenden oder korrosiven Mediums sind die Heizelemente elektrisch isoliert und besser geschützt.
Bei dem abgedichteten Volumen handelt es sich um ein Hüllrohr, das das Entnahmerohr koaxial umfasst. Hierdurch sind das Entnahmerohr und die Heizelemente vor Verformungen beim Einfrieren des Reduktionsmittels besser geschützt.
Bevorzugt sind das Hüllrohr und das Entnahmerohr miteinander verschweißte Edelstahlrohre. Damit wird eine sehr gute Abdichtung gegen das Reduktionsmittel erreicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Temperatursensorelemente an der Innenseite des Hüllrohrs angeordnet. Sind sie direkt an der Innenoberfläche angeordnet, stehen sie in gutem Wärmekontakt mit dem Medium und sind gleichzeitig gut vor Beschädigungen beim Einfrieren des Reduktionsmittels und vor Korrosion geschützt.
Bevorzugt ist der Verbindungspunkt ein Steckanschluss. Hierdurch ist das Ein- und Ausbauen des Füllstandsensors bei der Wartung und der Montage erleichtert.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 7 gelöst.
Bei dem Verfahren zur Sensierung des Füllstandes eines Tanks werden an einem Entnahmerohr zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem Tank in axialer Richtung des Entnahmerohrs angeordnete Heizelemente von einer Steuer- und Auswerteeinrichtung an- oder abgeschaltet. Während des Aufheizens oder Abkühlens der Heizelemente erfolgt mindestens eine Messung der elektrischen Widerstände der Heizelemente, woraus die Temperatur der Heizelemente während des Aufheizens oder Abkühlens bestimmt wird. Von der Steuer- und Auswerteeinrichtung wird aus einem Vergleich der Temperatur benachbarter Heizelemente die Eintauchtiefe des Entnahmerohrs und damit der Füllstand des Tanks bestimmt.
Aus mehreren Messungen oder einer kontinuierlichen Messung der elektrischen Widerstände wird ein Temperaturverlauf bestimmt. Aus einem Vergleich der Temperaturverläufe benachbarter Heizelemente wird die Eintauchtiefe bestimmt.
Bevorzugt werden die Heizelemente wiederholt an- und abgeschaltet und nach dem jeweiligen Abschalten die elektrischen Widerstände der Heizelemente mindestens einmal gemessen, woraus die Temperatur des Tankinhalts während des Abkühlens bestimmt wird.
Bevorzugt wird aus dem Abkühlverhalten bei bekannten thermischen Eigenschaften auch der Aggregatzustand des Mediums bestimmt. So wird erkannt, wie viel Reduktionsmittel in flüssiger Form zur Verfügung steht, oder ob geheizt werden muss, um das Reduktionsmittel aufzutauen.
Bevorzugt wird aus dem Temperaturverlauf auch eine Fehlbetankung erkannt. Aus den thermischen Eigenschaften, die sich im Temperaturverlauf widerspiegeln können auch unterschiedliche Stoffe und Stoffgemische erkannt werden. Insbesondere können Luft, Mineralöl und Harnstofflösung unterschieden und Fehlbetankungen zuverlässig erkannt werden, auch wenn nur ein Teil der Gesamtmenge des Tankinhalts aus Kraftstoff besteht.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann aus der Füllstandsmessung das Auftreten eines vorgebbaren Mindestfüllstands feststellen und bei Erreichen dieses Mindestfüllstands die Ausgabe eines entsprechenden Warnsignals veranlassen. Vorzugsweise wird mit dem Warnsignal gleichzeitig eine Information über die voraussichtlich verbleibende Restlaufzeit oder Restlaufstrecke ausgegeben. Andererseits kann die Füllstandsüberwachungseinrichtung auch laufend den aktuellen Füllstand feststellen und den seitherigen Verbrauch in Relation zu den jeweils vorhandenen Motorbetriebsparametern bzw. dem Stickoxidausstoß des Motors setzen. Auf diese Weise kann die verbleibende Restlaufzeit mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden. Wird festgestellt, dass eine Nachfüllung voraussichtlich vor dem Ende des regulär ohnehin vorgesehenen Wartungsintervalls fällig ist, so wird dies ebenfalls gemeldet und vorzugsweise der Ablauf des Wartungsintervalls entsprechend der Restlaufzeit neu festgesetzt. Zur Ausgabe der genannten Informationen kann eine übliche Anzeigeeinheit vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Füllstandssensor kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Füllstandssensors wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert.

1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen, mit einem Entnahmerohr integrierten Füllstandssensor.

Der erfindungsgemäße Füllstandssensor weist einen Flansch 1 zur Befestigung an einem nicht gezeigten Reduktionsmittelbehälter auf. Das Entnahmerohr 7 erstreckt sich fast bis zum Boden des Reduktionsmittelbehälters. Das Entnahmerohr 7 wird koaxial von einem Hüllrohr 2 umfasst. In einem Zwischenraum 8 zwischen Entnahmerohr 7 und dem Hüllrohr 2 sind mehrere Heizelemente 3 in axialer Richtung des Entnahmerohrs 7 angeordnet. Die Anordnung der Heizelemente 3 erstreckt sich über die gesamte Länge des Entnahmerohrs 7 innerhalb des Tanks. Auf der Innenseite des Hüllrohrs 2 sind mehrere, in axialer Richtung des Entnahmerohrs 7 beabstandete Temperatursensorelemente 4 angeordnet. Die Heizelemente 3 und die Temperatursensorelemente 4 sind über elektrische Kontaktierungen 5, die durch den Befestigungsflansch 1 hindurchführen mit einem Stecker 6 verbunden. Der Stecker 6 befindet sich außerhalb des Reduktionsmittelbehälters und kann mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) verbunden werden. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann durch die Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs gebildet sein.
Zur Sensierung des Füllstandes werden die Heizelemente 3 von der Steuer- und Auswerteeinrichtung gesteuert aktiviert. Während der Tankinhalt erwärmt wird, wird über die Temperatursensorelemente 4 von der Steuer- und Auswerteeinrichtung der zeitliche Verlauf der temperaturabhängigen Widerstände aufgezeichnet und aus ihm der Temperaturverlauf der Tankfüllung bestimmt. Weisen das oberste und unterste Heizelement gleiches Aufwärmverhalten auf, ist von einem vollen oder leeren Tank auszugehen. Die Unterscheidung kann über einen Vergleich mit vorhergehenden Messungen oder bekannten thermischen Eigenschaften der Luft bzw. des Reduktionsmittels erfolgen. Ist der Tank teilweise gefüllt, zeigen die eingetauchten Elemente ein anderes Verhalten, als die, die sich außerhalb, im leeren Tankbereich befinden. Aus diesem Unterschied zwischen benachbarten Heizelementen kann der Füllstand zuverlässig erkannt werden, wobei die Anzahl und Größe der Heizelemente bzw. der Temperatursensoren die Messauflösung vorgibt. Bei einem halb eingetauchten Heizelement kann aus seinem Messwert und den Messwerten der benachbarten Elemente interpoliert und so der Füllstand noch genauer bestimmt werden.
Es kann auch nach einem Aufheizvorgang aus dem Abkühlverhalten auf den Füllstand geschlossen werden.

Claims

Füllstandssensor zur Sensierung des Füllstandes eines Tanks, der mit einer heizbaren Entnahmeeinheit integriert ausgebildet ist, umfassend - ein Entnahmerohr (7)zum Entnehmen von Flüssigkeit aus dem Tank, - mindestens zwei an dem Entnahmerohr (7) in axialer Richtung des Entnahmerohrs (7) angeordnete elektrische Heizelemente (3) zum Erwärmen der Flüssigkeit in dem Tank, wobei die mindestens zwei Heizelemente (3) in einem Hüllrohr (2) angeordnet sind, das das Entnahmerohr (7) koaxial umfasst, - eine Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Steuern des Ein- und Ausschaltens der mindestens zwei Heizelemente (3) und - einen Verbindungspunkt für elektrische Anschlüsse zur Anbindung an die Steuer- und Auswerteeinrichtung.
Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmeeinheit mindestens ein Temperatursensorelement (4) zur Messung der Temperatur des Tankinhalts zugeordnet ist.
Füllstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in axialer Richtung des Entnahmerohrs (7) beabstandete Temperatursensorelemente (4) vorhanden sind.
Füllstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (2) und das Entnahmerohr (7) miteinander verschweißte Edelstahlrohre sind.
Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensorelemente (4) an der Innenseite des Hüllrohrs (2) angeordnet sind.
Füllstandssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt ein Steckanschluss (6) ist.
Verfahren zur Sensierung des Füllstandes eines Tanks, bei dem - an einem Entnahmerohr (7) zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem Tank in axialer Richtung des Entnahmerohrs (7) angeordnete Heizelemente (3) von einer Steuer- und Auswerteeinrichtung an- oder abgeschaltet werden, - während des Aufheizens oder Abkühlens der Heizelemente (3) mindestens eine Messung der elektrischen Widerstände der Heizelemente (3) erfolgt und daraus die Temperatur der Heizelemente (3) während des Aufheizens oder Abkühlens bestimmt wird und - von der Steuer- und Auswerteeinrichtung aus einem Vergleich der Temperatur benachbarter Heizelemente die Eintauchtiefe des Entnahmerohrs (7) und damit der Füllstand des Tanks bestimmt wird sowie - aus mehreren Messungen oder einer kontinuierlichen Messung der elektrischen Widerstände ein Temperaturverlauf bestimmt wird und aus einem Vergleich der Temperaturverläufe benachbarter Heizelemente (3) die Eintauchtiefe bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (3) wiederholt an- und abgeschaltet werden und nach dem jeweiligen Abschalten die elektrischen Widerstände der Heizelemente (3) mindestens einmal gemessen werden und daraus die Temperatur des Tankinhalts während des Abkühlens bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Temperaturverlauf auch der Aggregatzustand des Tankinhalts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Temperaturverlauf auch eine Fehlbetankung erkannt wird.