DE102009000062A1

DE102009000062A1 - Füllstandsmessvorrichtung und Verfahren zur Füllstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102009000062A1
Application number: DE200910000062
Authority: DE
Inventors: Michael Gerlach; Markus Niemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-08

Abstract

Eine Füllstandsmessvorrichtung für Flüssigkeiten in einem Tank (100), insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung in einem Reduktionsmitteltank eines Reduktionsmittelsystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem am Behälterboden (101) angeordneten Ultraschallsensor (130; 210) zur berührungslosen Füllstandsmessung durch Ultraschallsignale ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (130; 210) vollständig in einen Kunststoff eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllstandsmessvorrichtung für Flüssigkeiten in einem Tank, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung in einem Reduktionsmitteltank eines Reduktionsmittelsystems eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung einer Flüssigkeit in einem Tank.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
Stand der Technik
Eine Füllstandsmessvorrichtung für Flüssigkeiten mit einem Ultraschall-Flüssigkeitssensor und einer Kontrolleinheit geht beispielsweise aus der DE 43 07 635 C2 hervor. Hierbei wird ein Ultraschall-Sende-Empfänger am unteren Ende des Sensors angeordnet und strahlt Ultraschallwellen im Wesentlichen nach oben durch die Flüssigkeit ab. Eine Vielzahl von Reflektoren, die übereinander entlang der Höhe des Sensors angeordnet sind, reflektieren die Ultraschallwellen zum Sende-Empfänger zurück, wobei die Kontrolleinheit Reflexionen von den beiden obersten eingetauchten Reflektoren identifiziert und die Höhe der Flüssigkeit über dem obersten der eingetauchten Reflektoren aus den Ankunftszeiten der von der Flüssigkeitsoberfläche und den beiden obersten eingetauchten Reflektoren reflektierten Pulsen berechnet. Die Kontrolleinheit weist bei einem hohen Füllstand eine größere Verstärkung auf als bei einem geringen Füllstand. Bei dieser Füllstandsmessvorrichtung ist der Ultraschallsensor unmittelbar in der Flüssigkeit angeordnet. Dies ist bei leitfähigen Harnstoffwasserlösungen nachteilig.
Aus der DE 198 34 671 C1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betanken eines Reduktionsmittelvorratsbehälters hervor, bei dem in dem Reduktionsmittelvorratsbehälter ein an sich bekannter Füllstandssensor angeordnet ist.
Aus der DE 103 19 151 A1 ist ein Flüssigkeitsbehälter für Kraftfahrzeuge, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung bekannt geworden, aus der eine Füllstandsmessung hervorgeht, die in dem Behälterboden integriert ist. Diese Füllstandsmesseinrichtung ist vorzugsweise als Ultraschallmesseinrichtung ausgebildet, deren die Ultraschallwellen aussendende Fläche und die reflektierten Schallwellen empfangende Fläche nach oben in Richtung des Flüssigkeitspegels gerichtet sind. Mit dieser Füllstandsmesseinrichtung ist eine ständige Überwachung des Füllstandes im Behälterinnenraum möglich. Die Füllstandsmesseinrichtung ist auch bei diesem Flüssigkeitsbehälter unmittelbar der Harnstoffwasserlösung ausgesetzt. Die Harnstoffwasserlösung kann den Sensor nachteilig beeinflussen, bis hin zu einem Totalausfall.
Nun schreibt die OBD(On-Board-Diagnose)-Gesetzgebung für abgasrelevante Fehler das Erkennen von Fehlerort und Fehlerart, als sogenanntes Pin-Pointing bezeichnet, vor. Da ein kontinuierlich messender Füllstandssensor, beispielsweise ein Ultraschallsensor beim Erkennen von Nachtankereignissen vorteilhaft ist gegenüber einem diskret messenden Füllstandssensor, der zum Beispiel nur an drei diskreten Füllstandshöhen misst, sollen bevorzugt kontinuierlich messende Füllstandssensoren in Reduktionsmitteltanks eingesetzt werden. Dabei ist es auf der einen Seite nachteilig, dass im Tank eine Öffnung vorgesehen sein muss, was Undichtigkeiten zur Folge haben kann aufgrund von Problemen bei der Abdichtung, auf der anderen Seite ist ein unmittelbar der Reduktionsmittellösung, beispielsweise der Harnstoffwasserlösung ausgesetzter Ultraschallsensor aus den oben genannten Gründen störanfällig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Füllstandsmessvorrichtung und ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung zu vermitteln, welche die vorgenannten Nachteile beseitigt und bei einem einfachen Aufbau eine präzise und zuverlässige Füllstandsbestimmung ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Füllstandsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung einer Flüssigkeit in einem Tank mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Durch das vollständige Einbetten des Ultraschallsensors in einen Kunststoff wird einerseits vermieden, dass in dem Tankboden eine Öffnung eingebracht werden muss, die zu Undichtigkeiten führt und Abdichtungsprobleme nach sich zieht, andererseits wird wirkungsvoll vermieden, dass der Ultraschallsensor der Flüssigkeit, also beispielsweise einer Harnstoffwasserlösung ausgesetzt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Füllstandsbestimmung weist den entscheidenden Vorteil auf, dass es gewissermaßen ein Anlernverfahren darstellt, welches etwaige Störungen, die beispielsweise durch Lufteinschlüsse, unterschiedliche Kunststoffdicken in der Umspritzung oder in der eigentlichen Tankblasform hervorgerufen werden, in einer entsprechend dafür vorgesehenen Sensorelektronik zu kompensieren gestattet.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen, Ausgestaltungen und Verbesserungen der in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Füllstandsmessvorrichtung und des Verfahrens gemäß Anspruch 4 möglich.
So sieht beispielsweise eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Füllstandsmessvorrichtung vor, dass der Ultraschallsensor in die Gehäusewand eingebettet ist. Hierzu entfallen zusätzliche Schritte zur Umspritzung des Ultraschallsensors.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, das den leeren Tank charakterisierende Füllstandssignal und das den vollständig gefüllten Tank charakterisierende Füllstandssignal bei einer Erstbefüllung des Tanks zu ermitteln und zu speichern. Hierdurch entfallen zusätzliche Schritte zu einem späteren Zeitpunkt, wenn der Tank beispielsweise schon in einem Fahrzeug verbaut ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung und
2 eine weitere Ausführungsform einer von der Erfindung Gebrauch machenden Füllstandsmessvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Tank 100, beispielsweise ein Reduktionsmitteltank eines (nicht gezeigten) Reduktionsmittelsystems eines Kraftfahrzeugs, dargestellt in 1, ist mit einem Reduktionsmittel 110, beispielsweise eine Harnstoffwasserlösung befüllt, die einen Füllstand 112 aufweist.
Im Gehäuseboden 101 ist ein vollständig mit Kunststoff umspritzter Ultraschallsensor 130 vorgesehen, der über eine Daten- und Signalleitung 132 mit einer Auswerteelektronik 170 verbunden ist. Der Ultraschallsensor 130 sendet Ultraschallsignale 131 aus, die an dem Flüssigkeitspegel 110 reflektiert werden und in einer im Sensor 130 vorgesehen Empfangseinheit empfangen werden. Aus Laufzeitmessungen oder dergleichen kann die Füllstandshöhe bestimmt werden. Vorteilhaft hierbei ist, dass Füllstandshöhen kontinuierlich gemessen werden können.
Der Ultraschallsensor 130 ist dicht umspritzt oder er kann beispielsweise in der Gehäusewandung, also in dem Boden 101 angeordnet sein, beispielsweise als Teil des Gehäusebodens 101. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Sensorelektronik und der Kabelbaum der Anschluss- und Signalleitung 132 keinerlei Kontakt zu der elektrisch leitfähigen Harnstoffwasserlösung haben. Wenn der Ultraschallsensor unterhalb des Gehäusebodens 101, wie in der 1 schematisch angedeutet, angeordnet ist, ist der Ultraschallsensor 130 auf diese Weise gewissermaßen in Kunststoff „eingebettet”, das Piezoelement des Ultraschallsensors muss bei dieser Anordnung jedoch nicht unbedingt umspritzt werden. Wenn sich jedoch der Sensor 130 im Behälterinneren befindet, wird der gesamte Ultra schallsensor 130 und auch das Piezoelement des Ultraschallsensors 130 in Kunststoff eingebettet, das heißt mit Kunststoff umspritzt. Ein sehr großer Vorteil dieser Anordnung ist auch, dass sie eisdrucksicher ist. Darüber hinaus kann auch ein zusätzliches Temperatursensorelement, zum Beispiel als Dom angeordnet werden.
Bei der in 2 dargestellten Ausgestaltung sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet, sodass bezüglich deren Beschreibung auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hier jedoch der Sensor 210 nicht in dem Gehäuseboden 101 integriert, beispielsweise unterhalb des Gehäusebodens 101 angeordnet oder im Gehäuseboden in eine Kunststoffmasse eingespritzt oder eingebettet, sondern er befindet sich in einem sogenannten Schwapptopf 200. Der Ultraschallsensor 210, der über eine Anschluss- und Datenleitung 212 mit der Auswerteelektronik 170 verbunden ist, ist in diesem Falle komplett dicht umspritzt und kann Teil des Schwapptopfs sein, beispielsweise in eine Schwapptopfwand eingebettet sein oder mit dieser verbunden sein. Auch in diesem Falle sendet der Ultraschallsensor 210 Ultraschallsignale 211 aus, die an dem Flüssigkeitsspiegel 112 reflektiert werden und die in einer entsprechenden Empfangseinheit wieder empfangen werden. Aus der Laufzeit wird die Füllstandshöhe bestimmt.
Um nun etwaige Störungen, beispielsweise Lufteinschlüsse, unterschiedliche Kunststoffdicken in der Umspritzung oder in der Tankblasform zu kompensieren, wird die Sensoranordnung gewissermaßen „angelernt”. Hierzu wird zunächst einmal der Füllstand mit leerem Tank und mit vollem Tank bestimmt. Ein den Füllstand charakterisierendes Signal bei einem leeren Tank wird erfasst und in der Schaltungseinrichtung 170 gespeichert. Genauso wird ein den Füllstand charakterisierendes Signal bei einem vollständig gefüllten Tank bestimmt und gespeichert. Diese die Füllstände charakterisierenden Signale werden als Kalibrierwerte zur Eliminierung der durch die Gestalt des Tanks also die Tankblasform oder die Umspritzung oder durch die den Tank bildenden Werkstoffe hervorgerufenen Störungen verwendet. Dazu werden die Kalibrierwerte in einem (nicht dargestellten) Speicher der Schaltungseinrichtung 170 abgelegt. Besonders bevorzugt werden diese „Anlern”-Schritte bei der ersten Füllung des Tanks vorgenommen, wobei hier der Tank mit einer vorbestimmten Füllmenge befüllt wird.
Der Vorteil der vorbestimmten Lernfunktion besteht darin, dass Störungen des Messprinzips durch schädliche Einflüsse des Kunststoffs vermieden werden.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wird bevorzugt als Computerprogramm ausgeführt und in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) implementiert.
Das Computerprogramm wird vorteilhafterweise auf einen maschinenlesbaren. Träger gespeichert, der von dem Steuergerät eingelesen werden kann. Auf diese Weise können auch bestehende Füllstandsmessvorrichtungen mit Ultraschallsensoren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Füllstandsbestimmung erweitert werden.
Durch die vollständige Umspritzung des Ultraschallsensors und hierbei insbesondere des empfindlichen Piezoelements wird dieses gegenüber schädlichen Einflüssen, beispielsweise der im Tank befindlichen Flüssigkeit beschützt. Darüber hinaus müssen im Tank keine Öffnungen vorgesehen sein, die Abdichtungsprobleme nach sich ziehen.
Die Füllstandsmessvorrichtung und das Verfahren zur Füllstandsbestimmungen können daher besonders bevorzugt auch bei aggressiven Flüssigkeiten oder leitfähigen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Harnstoffwasserlösungen im Reduktionsmitteltanks von Reduktionsmittelsystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4307635 C2 [0003]
- DE 19834671 C1 [0004]
- DE 10319151 A1 [0005]

Claims

Füllstandsmessvorrichtung für Flüssigkeiten in einem Tank (100), insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung in einem Reduktionsmitteltank eines Reduktionsmittelsystems eines Kraftfahrzeugs mit einem am Behälterboden (101) angeordneten Ultraschallsensor (130; 210) zur berührungslosen Füllstandsmessung durch Ultraschallsignale, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (130; 210) vollständig in einen Kunststoff eingebettet ist.
Füllstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (130) in die Gehäusewand eingebettet ist.
Füllstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor am Boden und/oder der Wand eines in dem Tank (100) befindlichen Schwapptopfs (200) angeordnet ist.
Verfahren zur Füllstandsbestimmung einer in einen Tank (100) eingefüllten Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Füllstands einer Harnstoffwasserlösung in einem Reduktionsmitteltank eines Reduktionsmittelsystems einer Brennkraftmaschine, wobei der Füllstand mittels eines, insbesondere in Kunststoff oder eine Gehäusewandung eingebetteten Ultraschallsensors berührungslos durch Ultraschallsignale bestimmt wird, wobei ein den Füllstand charakterisierendes Signal bei einem leeren Tank (100) erfasst und gespeichert wird und wobei ein den Füllstand charakterisierendes Signal bei einem vollständig gefüllten Tank (100) bestimmt und gespeichert wird und wobei diese die Füllstände charakterisierenden Signale als Kalibrierwerte zur Eliminierung von durch die Gestalt des Tanks (100) und durch die den Tank (100) bildenden Werkstoff hervorgerufene Störung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das den leeren Tank (100) charakterisierende Füllstandssignal und das den vollständig ge füllten Tank (100) charakterisierende Füllstandssignal bei einer Erstbefüllung des Tanks (100) ermittelt und gespeichert werden.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 oder 5 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft.
Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird.