DE102008054788A1

DE102008054788A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Füllstandes eines Tanks

Info

Publication number: DE102008054788A1
Application number: DE200810054788
Authority: DE
Inventors: Ingo Herrmann; Carsten Raudzis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Füllstandes (3) eines Tanks (1), insbesondere eines Kraftstofftanks in einem Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das nicht mit Flüssigkeit aufgefüllte Tankrestvolumen (4) definiert geändert und der Füllstand (3) in Abhängigkeit des Gasdrucks im Tankrestvolumen (4) vor und nach der Tankvolumenänderung bestimmt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes (3) eines Tanks (1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Füllstandes (Füllstandsvolumen) eines Tanks, insbesondere eines Kraftstofftanks, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Ermitteln des Füllstandes eines Tanks gemäß Anspruch 6.
Zum Messen des Tankinhalts (Füllstand) von Kraftstofftanks werden so genannte Schwimmerrohre eingesetzt, bei denen ein auf dem Kraftstoff schwimmender Kunststoffkörper in seiner Schwimmhöhe einen elektrischen Widerstand definiert.
Aus der DE 103 24 009 A1 ist ein Differenzdrucksensor zum Bestimmen des Füllstandes in einem Harnstofftank eines Harnstoffdosiersystems bekannt.
Nachteilig bei den zuvor beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ist es, dass eine Füllstandsmessung bei komplexeren, heute zum Einsatz kommenden Tankgeometrien nur schwer möglich ist. Im Grunde kann mittels der bekannten Verfahren nur die Füllhöhe bestimmt werden, was bei komplexen Tankgeometrien und vor allem bei einer Neigung des Tanks zu deutlichen Messfehlern führt.
Alternativ ist es bekannt, den Tankinhalt aus integralen Messungen der Kraftstoffflüsse in und aus dem Tank abzuschätzen. Letzteres Verfahren ist aufgrund der fehlerbehafteten Kraftstoffflussmessungen, vor allem von Kraftstoff in den Tank hinein, äußerst fehleranfällig.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren sowie eine alternative Vorrichtung zum exakten Bestimmen des Füllstandes eines Tanks, insbesondere eines Kraftstofftanks, in einem Kraftfahrzeug vorzuschlagen. Bevorzugt soll dabei das Kraftstoffvolumen direkter und nicht über den Umweg der Füllhöhe gemessen werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Die Erfindung hat erkannt, dass eine definierte Änderung dV des Tankrestvolumens V, also des gasgefüllten Teils des Tanks, zu einer definierten Änderung dp des Gasdrucks p im Tank führt. Vereinfacht läßt sich dies anhand der idealen Gasgleichung (pV = n·R·T) veranschaulichen. Aus dieser folgt:
Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass die relative Änderung des Gasdrucks auf eine definierte Volumenänderung vom Volumen des Gases selbst abhängt. Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zu Nutze und schlägt vor, zur Bestimmung des Füllstandes eines Tanks, insbesondere eines Kraftstofftanks in einem Kraftfahrzeug, das Tankrestvolumen, beispielsweise wie später noch erläutert werden wird, durch definiertes Aufblasen eines Luftkissens oder durch Einfahren eines Stößels definierter Größe, etc. definiert zu ändern. Aus der definierten (bekannten) Volumenänderung resultiert eine Änderung des Gasdrucks. Durch Messen des Gasdrucks im Tankrestvolumen vor und nach der Tankvolumenänderung kann dann, beispielsweise unter Zugrundelegung der idealen Gasgleichung, ggf. unter Vernachlässigung einzelner Parameter, wie der Temperatur, das Tankrestvolumen und in Kenntnis des gesamten Tankvolumens durch Differenzbil dung der Füllstand (Füllstand = gesamtes Tankvolumen – Tankrestvolumen) ermittelt werden. Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht insbesondere darin, dass eine genaue Füllstandsbestimmung bei den komplexesten Tankgeometrien, auch unabhängig von einer etwaigen Fahrzeug- bzw. Tankneigung, zuverlässig bestimmbar ist. Die tatsächliche Füllhöhe des Tanks bleibt bei der erfindungsgemäßen Bestimmung des Tanksfüllstandes außer Betracht, wodurch die im Stand der Technik auftretenden Fehler mit Vorteil vermieden werden. Bevorzugt wird zur Anwendung des Verfahrens ein druckdichter Tank eingesetzt, der weiter bevorzugt aus Sicherheitsgründen mit einem Überdruckventil versehen ist.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der zur Berechnung des Füllstandes auf Basis des Gasdrucks im Tankrestvolumen vor und nach der Tankrestvolumenänderung die Änderung des Gasdrucks, insbesondere durch Differenzbildung, ermittelt wird.
Zur Änderung des Tankrestvolumens ist es grundsätzlich möglich, in den mit Flüssigkeit gefüllten Bereich volumenverändernd einzugreifen und hierdurch indirekt auch das Tankrestvolumen zu verändern. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Tankrestvolumenänderung durch unmittelbares Vergrößern oder Verkleinern des Tankrestvolumens, beispielsweise durch unmittelbares Einführen eines Kolbens in den nicht mit Flüssigkeit gefüllten Tankbereich, geändert wird.
Um die Genauigkeit der Füllstandsbestimmung zu erhöhen, ist es vorteilhaft, die Temperatur des Gases im Tankrestvolumen vor und nach der Volumenänderung zu bestimmen. Aus Kostengründen kann die Temperaturänderung auch unberücksichtigt bleiben, die Temperatur als konstant oder eine feste Temperaturänderung angenommen werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die definierte Tankvolumenänderung mittels eines mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Antriebs, beispielsweise durch Betätigung eines Stößels, vorgenommen wird. Auch ist es möglich, ein mit einem Fluid, insbesondere einem Gas, vorzugsweise Luft, auffüllbares Element definiert aufzufüllen, d. h. auf ein definiertes Volumen zu bringen oder zu entleeren. Dabei ist das auffüllbare Element be vorzugt innerhalb des Tanks angeordnet und von der Tankaußenseite her mit Fluid, insbesondere einem Gas, versorgbar.
Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Ermitteln des Füllstandes eines Kraftstofftanks in einem Kraftfahrzeug, weiter bevorzugt unter Anwendung eines zuvor beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst Mittel zur definierten Änderung des Tankrestvolumens, beispielsweise einen mechanischen Stößelantrieb, etc., sowie Druckbestimmungsmittel (Drucksensor) zum Bestimmen des Gasdrucks in dem nicht mit Flüssigkeit gefüllten Tankrestvolumen vor und nach einer definierten Tankrestvolumenänderung mit Hilfe der Mittel zur definierten Änderung des Tankrestvolumens sowie Rechenmittel (Elektronikeinheit) zum Ermitteln des Füllstandes in Abhängigkeit der mittels der Druckbestimmungsmittel gemessenen Gasdrücke vor und nach der Tankrestvolumenänderung. Ganz besonders bevorzugt wird zur Füllstandsermittlung die aus der definierten Tankrestvolumenänderung resultierende Gasdruckänderung (Gasdruckdifferenz) berechnet.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Mittel zur definierten Änderung des Tankrestvolumens nicht auf den mit Flüssigkeit gefüllten Tankbereich einwirken, sondern unmittelbar das mit Gas gefüllte Volumen verändern, beispielsweise durch Auffüllen eines im Tankrestvolumen angeordneten auffüllbaren Elementes, beispielsweise eines Gaskissens, etc.
Wie bei der vorangehenden Beschreibung des Verfahrens bereits erläutert, ist es besonders bevorzugt, die Temperatur vor und nach der definierten Tankrestvolumenänderung bei der Bestimmung des Füllstandes zu berücksichtigen, wobei dies, insbesondere bei einer vergleichsweisen geringen Tankrestvolumenänderung, nicht zwingend notwendig ist – die Temperaturänderung also vernachlässigt werden kann. Im Falle der bevorzugten Temperaturberücksichtigung sind in Weiterbildung der Erfindung Temperaturbestimmungsmittel, insbesondere ein elektrischer Temperatursensor, zum Bestimmen der Gastemperatur im Tankrestvolumen vorgesehen, wobei diese bevorzugt signalleitend mit einer entsprechenden Elektronik (Rechenmittel) zum Bestimmen des Tankfüllstandes verbunden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugtes Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen
1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ermitteln des Füllstandes eines Tanks.
In 1 ist ein als Kraftstofftank ausgebildeter Tank 1 für ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug schematisch dargestellt. Das gesamte Tankvolumen 2 kann unterteilt werden in einen Füllstand 3 (Füllstandsvolumen) sowie ein darüber befindliches, gasgefülltes Tankrestvolumen 4. Wie sich aus 1 ergibt, handelt es sich bei dem Tank 1 um einen druckdichten Tank mit einer starren Wandung 5, beispielsweise aus Kunststoff.
Der Tank 1 bzw. ein mit dem Tank 1 ausgestattetes Kraftfahrzeug ist mit einer Vorrichtung 6 zum Bestimmen des Füllstandes 3 (Füllstandsvolumen) ausgestattet. Die Vorrichtung 6 umfasst Mittel 7 zur definierten Änderung des Tankrestvolumens 4. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Mitteln 7 um einen Stößelantrieb. Zur definierten Tankrestvolumenänderung wird der Stößel 8 mit bekannten Abmessungen über eine definierte Strecke in den Tank 1 eingeschoben oder alternativ in einen dem Stößel 8 zugeordneten Zylinder 9 eingezogen.
Aus der idealen Gasgleichung folgt, dass sich durch eine definierte Volumenänderung des Tankrestvolumens 4 auch der Gasdruck im Tankrestvolumen 4 ändert. Zur Erfassung des Gasdruckes vor und nach einer Tankrestvolumenänderung sind Druckbestimmungsmittel 10, hier in Form eines piezoelektrischen Drucksensors, vorgesehen. Die Druckbestimmungsmittel 10 sind signalleitend mit Rechenmitteln 11 verbunden, die gleichzeitig eine Steuerungsfunktion für die Mittel 7 zur definierten Änderung des Tankrestvolumens 4 übernehmen.
Ferner sind signalleitend mit den Rechenmitteln 11 Temperaturbestimmungsmittel 12, auf die bei Bedarf auch verzichtet werden kann, verbunden. Das Vorsehen von Temperaturbestimmungsmitteln 12 ist zur weiteren Optimierung der Exaktheit des Füllstandbestimmungsergebnisses von Vorteil.
Ferner ist mit den Rechenmitteln 11 eine Anzeige 13 zur Anzeige des Füllstandes 3 signalleitend verbunden, wobei sich die Anzeige 13 bevorzugt im Cockpit eines mit der Vorrichtung 6 ausgestatteten Kraftfahrzeugs befindet.
Ein möglicher Rechenweg zur automatischen Bestimmung des Füllstandes 3 (Füllstandsvolumen) ist im Folgenden dargelegt.
Aus der idealen Gasgleichung folgt:
wobei V_R das Tankrestvolumen 4, p₀ der Gasdruck im Tankrestvolumen 4 vor einer Volumenänderung, T₀ die Temperatur des Gases im Tankrestvolumen 4 vor einer Druckänderung, ΔV eine definierte Volumenänderung, p₁ der Gasdruck im Tankrestvolumen 4 nach einer definierten Tankrestvolumenänderung und T₁ die Temperatur des Gases nach einer definierten Tankrestvolumenänderung ist. Dabei ist ΔV bekannt. Die Gasdrücke p₀ und p₁ werden mit Hilfe der Druckbestimmungsmittel 10 und die Temperaturen T₀ und T₁ mit den Temperaturbestimmungsmitteln 12 gemessen.
Weiterhin gilt: VFüll = VTank – VR,wobei V_Füll der zu ermittelnde Füllstand (3) und V_Tank das bekannte Tankvolumen ist.
Durch Ineinandereinsetzen und Auflösen der Gleichungen ergibt sich dabei für den Füllstand V_Füll:
Wie bereits erläutert, kann zur Vereinfachung davon ausgegangen werden, dass folgende Beziehung gilt:
Hieraus folgt dann in einer einfachen Realisierungsvariante für den Füllstand (3):
wobei die Differenz p₀–p₁ der definierten Tankrestvolumenänderung resultierende Gasdruckänderung ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10324009 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Ermitteln des Füllstandes (3) eines Tanks (1), insbesondere eines Kraftstofftanks in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht mit Flüssigkeit aufgefüllte Tankrestvolumen (4) definiert geändert und der Füllstand (3) in Abhängigkeit des Gasdrucks im Tankrestvolumen (4) vor und nach der Tankvolumenänderung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand (3) in Abhängigkeit der aus der Tankrestvolumenänderung resultierenden Gasdruckänderung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht mit Flüssigkeit gefüllte Tankrestvolumen (4) durch unmittelbare Änderung des nicht mit Kraftstoff aufgefüllten Tankrestvolumens (4) definiert geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Füllstandes (3) die Gastemperatur vor und nach der Tankrestvolumenänderung, insbesondere die aus der Volumenänderung resultierende Gastemperaturänderung des Tankrestvolumens (4), berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Tankvolumenänderung mittels eines Stößels (8) und/oder mittels eines mit Fluid, insbesondere einem Gas, auffüllbaren Element vorgenommen wird.
Vorrichtung zum Ermitteln des Füllstandes eines Tanks (1), insbesondere eines Kraftstofftanks in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln (7) zur definierten Änderung des Tankrestvolumens (4) und mit Druckbestimmungsmitteln (10) zum Bestimmen des Gasdrucks in dem nicht mit Flüssigkeit gefüllten Tankrestvolumen (4) sowie mit Rechenmitteln (11) zum Ermitteln des Füllstandes (3) in Abhängigkeit der des mittels der Druckbestimmungsmittel (10) bestimmbaren Gasdrucks vor und nach der Tankrestvolumenänderung.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur definierten Änderung des Tankrestvolumens (4) unmittelbar das Tankrestvolumen (4) verändernd ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturbestimmungsmittel (12) zum Bestimmen der Gastemperatur im Tankrestvolumen (4) vorgesehen sind und dass die Rechenmittel (11) die aus der Volumenänderung resultierenden Temperaturänderung berücksichtigend ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum definierten Ändern des Tankvolumens (2) ein Stößel (8) und/oder ein mit einem Fluid auffüllbares Element vorgesehen sind/ist.