DE102015008300A1

DE102015008300A1 - Sensorvorrichtung zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes eines Fluides, insbesondere einer Kraftstoffflüssigkeit

Info

Publication number: DE102015008300A1
Application number: DE102015008300.7A
Authority: DE
Inventors: Torsten EGGERS; Dr. Müller Hagen; Thomas Niemann
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2016-12-29
Also published as: CN106286029A; US20160377588A1

Abstract

Bei einer Sensorvorrichtung zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes eines Fluides, insbesondere einer Kraftstoffflüssigkeit, in einem Fahrzeug mit mindestens einem Heizelement, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung einen Füllstandsensor mit einem Schaltungsträger aufweist und dass das Heizelement auf dem Schaltungsträger des Füllstandsensors angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes eines Fluides, insbesondere einer Kraftstoffflüssigkeit, in einem Fahrzeug mit mindestens einem Heizelement.
Vorrichtungen zur Bestimmung eines Verdampfungsdruckes kommen beispielsweise bei Steuerungen von Kraftfahrzeugmotoren zum Einsatz. Beispielsweise werden Kraftstoffpumpen in mit Benzin angetriebenen direkteinspritzenden Motoren bedarfsgerecht betrieben, die Förderrate der Kraftstoffpumpe wird also an den tatsächlichen Bedarf des Motors angepasst. Hierbei muss ein ausreichend hoher Druck des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung sichergestellt sein, wenn dieser in Richtung des Motors gepumpt wird, um eine Dampfblasenbildung des Kraftstoffes zu verhindern. Wenn es aufgrund höherer Motortemperaturen oder niedrigerer Drücke zu einer Dampfblasenbildung in der Kraftstoffleitung kommt, ist ein sicherer Start des Motors nicht ermöglicht. Der Kraftstoffdruck darf den temperaturabhängigen Dampfdruck also nicht unterschreiten. Gerade in Verbindung mit Start-Stop-Automatik-Systemen ist dies problematisch, da es bei heißgefahrenen Motoren zu Startproblemen des Motors kommen kann, da der notwendige Vordruck in der Kraftstoffleitung maßgeblich vom Verdampfungsdruck des Kraftstoffes abhängig ist. In die Abhängigkeit des Verdampfungsdruckes des Kraftstoffes von der Temperatur geht zudem der Anteil der niedrigsiedenden Kraftstoffanteile ein.
Um dieser Problematik zu begegnen ist beispielsweise aus der DE 199 55 796 A1 eine Beurteilungsvorrichtung für Kraftstoffeigenschaften eines Verbrennungsmotores bekannt. Bei dieser soll durch die Beurteilung der genauen Kraftstoffeigenschaften eine an die jeweilige Kraftstoffeigenschaft angepasste Kraftstoffdosierung vorgenommen werden. Die Beurteilungsvorrichtung weist einen Kurbelwinkelsensor zum Erzeugen eines Kurbelwinkelsignals gemäß einer Umdrehungszahl des Verbrennungsmotors, einen Anlassschalter zum Ausgeben eines Startsignals im Zeitpunkt des Startbetriebes des Verbrennungsmotors und eine Vorrichtung zum Detektieren der Verbrennung zum Startzeitpunkt des Verbrennungsmotors auf. Durch eine Zählvorrichtung wird eine Anschaltzahl des Kurbelwinkelsignals errechnet, die mit einer Standardzahl verglichen wird, woraus auf die Kraftstoffeigenschaften geschlossen wird.
Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist, dass die Sensoren zur Bestimmung der Kraftstoffeigenschaften separat beispielsweise in die Kraftstoffleitung integriert werden müssen. Dies ist mit zusätzlichem Montageaufwand, sowie mit zusätzlichen benötigten Komponenten verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der eine besonders einfache Bestimmung der Verdampfungseigenschaften eines Kraftstoffes ermöglicht ist und bei der keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer Vorrichtung zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes eines Fluides, insbesondere einer Kraftstoffflüssigkeit, in einem Fahrzeug mit mindestens einem Heizelement, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung einen Füllstandsensor mit einem Schaltungsträger aufweist und dass das Heizelement auf dem Schaltungsträger des Füllstandsensors angeordnet ist. Insbesondere kann der Füllstandsensor in einer Kraftstoffleitung oder in einem Kraftstoffbehälter, insbesondere einem Tank, eines Fahrzeuges angeordnet sein. Auf dem Füllstandsensor ist ein Heizelement angeordnet, mit dem die Kraftstoffflüssigkeit erhitzt werden kann. Insbesondere weist das Heizelement eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Schaltungsträger des Füllstandsensors auf. Beispielsweise kann die Kraftstoffflüssigkeit mit einer konstanten Heizleistung mit dem Heizelement aufgeheizt werden, wobei die Temperaturänderung der Kraftstoffflüssigkeit bestimmt wird. Die Temperaturänderung kann beispielsweise durch einen Temperatursensor, der ebenfalls auf dem Schaltungsträger des Füllstandsensors angeordnet ist, erfasst werden. Wird die Kraftstoffflüssigkeit soweit erwärmt, dass es zur Bildung von Dampfblasen kommt, erhöht sich die Wärmeabfuhr schlagartig. Die schlagartige Steigerung der Wärmeabfuhr wird durch die einsetzende Konvektion, die auf die aufsteigenden Dampfblasen zurückgeht, verursacht. Der Temperaturpunkt, an dem es zu der schlagartigen Änderung der Wärmeabfuhr kommt, bestimmt die Siedetemperatur der Kraftstoffflüssigkeit. Bei Kraftstoffflüssigkeiten handelt es sich in der Regel um Flüssigkeitsgemische, so dass die Anfangssiedetemperatur des Siedebereiches ermittelt wird. Bei Beginn der Dampfblasenbildung ändert sich der zeitliche Temperaturverlauf am Heizelement, wobei die Temperatur am Heizelement nach dem Beginn der Dampfblasenbildung trotz weiterem kontinuierlichen Aufheizen zunächst annähernd konstant bleibt bzw. wesentlich langsamer ansteigt als vor der Dampfblasenbildung. Das Verdampfungsverhalten der Kraftstoffflüssigkeit lässt sich somit über die Temperatur, bei der sich erste Dampfblasen bilden, charakterisieren. Neben der Verwendung eines Temperatursensors kann das Heizelement als ein temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet sein, so dass das Heizelement selbst als Mittel zur Temperaturmessung verwendet werden kann. Das Heizelement kann eine elektrische und/oder signalleitende Verbindung zu Auswerteeinrichtungen oder ähnlichen Einrichtungen des Füllstandsensors aufweisen. Durch die Integration des Heizelementes auf dem Schaltungsträger des Füllstandsensors kann eine erhebliche Reduzierung der Komponentenliste und des Montageaufwandes erreicht werden, indem auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Heizelement ein keramisches Trägerteil auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Heizelement um ein Platinheizelement handeln, das auf einem keramischen Trägerteil, beispielsweise einem Keramikchip angeordnet ist. Durch den keramischen Träger ist eine thermische Entkopplung des Heizelementes von dem Schaltungsträger des Füllstandsensors gegeben. Bei dem Heizelement kann es sich sowohl um SMD-Bauteile, als auch um Bauteile mit Anschlussdrähten zur direkten Verlötung auf dem Schaltungsträger handeln. Bei der Ausführung als SMD-Bauteil kann das Heizelement als fertiges Element mit Schutzumhüllung und Trägerteil eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Sensorvorrichtung zumindest abschnittsweise von einer Schutzumhüllung aus einem Schutzmaterial umgeben und die Schutzumhüllung weist in dem Bereich des Heizelementes mindestens eine Aussparung auf. Durch die Schutzumhüllung ist die Sensorvorrichtung bei der Vermessung von chemisch aggressiven Fluiden, wie beispielsweise Kraftstoffen, geschützt. Um eine thermische Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Fluid zum Aufheizen des Fluides zu ermöglichen, weist die Schutzumhüllung im Bereich des Heizelementes, insbesondere im Bereich der Heizwendeln, eine Aussparung auf. Die Schutzumhüllung kann beispielsweise aus einem duroplastischen Material bestehen.
In einer konstruktiven Weiterbildung der Erfindung weist die Sensorvorrichtung mindestens ein Strömungsleitelement auf und das Strömungsleitelement ist im Bereich des Heizelementes angeordnet. Durch das Heizelement kann das Fluid in dem das Heizelement umgebenden Bereich bis zur Bildung von Dampfblasen erhitzt werden. Die entstehenden Dampfblasen steigen in dem Fluid auf, so dass es zur Konvektion kommt. Durch die Erfassung des damit zusammenhängenden vergrößerten Wärmeabtransports kann auf den Siedepunkt des Fluides geschlossen werden. Um hier eine exakte Messung zu ermöglichen, wird zumindest ein Strömungsleitelement im Bereich des Heizelementes angeordnet. Durch das Strömungsleitelement werden Querströmungen, die in dem Fluidbehälter entstehen und den Wärmeabtransport stören können, von der Position des Heizelementes abgehalten, so dass eine exakte Messung ermöglicht ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Strömungsleitelement und dem Schaltungsträger, auf dem das Heizelement angeordnet ist, mindestens ein Strömungskanal ausgebildet. Durch die Ausbildung eines Strömungskanales ist ein ungestörtes Aufsteigen der entstehenden Dampfblasen in dem Fluidvolumen ermöglicht. Ebenso ist ein Nachströmen eines Fluidvolumens mit geringerer Temperatur ermöglicht, ohne dass es zu Verwirbelungen oder anderweitigen Störungen durch Querströmungen kommt.
In einer konstruktiven Weiterbildung der Erfindung weist das Strömungsleitelement einen halbrohrförmigen Querschnitt auf. Das Strömungsleitelement kann halbrohrförmig ausgebildet sein, insbesondere können hierbei die Längsseiten des Strömungsleitelementes eine Verbindung zur Oberfläche des Schaltungsträgers bzw. der Schutzumhüllung aufweisen, so dass das Heizelement von dem Strömungsleitelement gegen Verwirbelungen abgeschirmt ist. Durch den halbrohrförmigen Querschnitt des Strömungsleitelementes und die Verbindung der Längskanten des Strömungsleitelementes zu dem Schaltungsträger ist ein Strömungskanal mit halbkreisförmigem Querschnitt geschaffen. Das Heizelement ist hierbei direkt an den Strömungskanal anliegend angeordnet.
In einer konstruktiven Weiterbildung der Erfindung weist der Durchmesser des halbrohrförmigen Querschnittes des Strömungsleitelementes zu der Länge des Strömungsleitelementes ein Verhältnis von ungefähr 1:5 auf. Dadurch, dass die Länge des Strömungsleitelementes ungefähr fünfmal größer ist als dessen Durchmesser, kommt es bei der Erwärmung der Kraftstoffflüssigkeit und der Entstehung von Kraftstoffdampfblasen zu einem Kamineffekt, der den Abtransport der Dampfblasen unterstützt. Die Messempfindlichkeit der Anordnung wird somit weiter erhöht.
In einer konstruktiven Weiterbildung der Erfindung beträgt der Durchmesser des halbrohrförmigen Querschnittes des Strömungsleitelementes ungefähr 4 mm und die Länge des Strömungsleitelementes beträgt ca. 20 mm. Durch die Maße des Strömungsleitelementes ist die Ausbildung eines Kamineffektes zum Abtransport der entstehenden Kraftstoffdampfblasen sichergestellt.
In einer weiteren konstruktiven Weiterbildung der Erfindung besteht das Strömungsleitelement aus einem metallischen Material. Ein Strömungsleitelement aus einem metallischen Material, das im Bereich des Heizelementes angeordnet ist, kann aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit als ein Explosionsschutzelement dienen. Das Gasgemisch, das in den Kraftstoffdampfblasen enthalten ist, kann einen Kraftstoffanteil von 3% bis 20% aufweisen und ist somit zündfähig. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Strömungsleitelementes kann die Wärme schnell abgeführt werden, so dass die Temperatur unterhalb des Zündpunktes gehalten werden kann.
In einer weiteren konstruktiven Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement an dem, dem Fluidspiegel abgewandten Ende des Schaltungsträgers angeordnet. Das Heizelement ist an dem Ende des Schaltungsträgers, also des Füllstandsensors, angeordnet, der dem Fluidspiegel, also der Füllstandshöhe des Fluides, abgewandt ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich das Heizelement zumeist unterhalb des Fluidspiegels befindet, also von dem Fluid bedeckt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes einer Kraftstoffflüssigkeit. Insbesondere Kraftfahrzeuge weisen Sensorvorrichtungen zur Bestimmung des Füllstandes einer Kraftstoffflüssigkeit auf. Auf dem Schaltungsträger des Füllstandsensors ist ein Heizelement angeordnet und mit den elektronischen Komponenten des Füllstandsensors verschaltet, so dass der Füllstandsensor ebenso als Sensorvorrichtung zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes des Kraftstoffes dienen kann. Durch die Kombination der beiden Sensorvorrichtungen ist eine erhebliche Reduktion der Komponentenliste erreicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
1 eine teilgeschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;
2 eine teilgeschnittene Darstellung eines mit einer Schutzumhüllung umhüllten erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht; und
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einem Schutzmantel und einem Strömungsleitelement in einer perspektivischen Ansicht.
In 1 ist eine Sensorvorrichtung 1 mit einem Heizelement 2 und einem Schaltungsträger 3 dargestellt. Auf dem Schaltungsträger 3 sind weitere elektronische Bauteile zur Ausbildung eines Füllstandsensors angeordnet. Das Heizelement 2 weist eine Verbindung zu dem Schaltungsträger 3 auf und ist über die Kontaktdrähte 4 elektrisch mit dem Schaltungsträger kontaktiert. Weiterhin kann das Heizelement 2 eine elektrische Verbindung zu beispielsweise einer Auswerteeinrichtung, die ebenfalls auf dem Schaltungsträger 3 angeordnet ist, aufweisen. Das Heizelement 2 ist an dem Ende des Schaltungsträgers angeordnet, der dem Fluidspiegel des zu untersuchenden Fluids abgewandt ist, so dass es zumeist mit dem Fluid bedeckt ist.
In 2 ist eine Sensorvorrichtung 1 gemäß 1 dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Sensorvorrichtung 1 weist eine Schutzumhüllung 5 auf, die beispielsweise aus einem duroplastischen Material bestehen kann. Die Schutzumhüllung 5 weist eine Aussparung 6 auf, die im Bereich des Heizelementes 2 angeordnet ist. Durch die Aussparung 6 ist ein thermischer Kontakt zwischen dem Heizelement 2 und dem Fluid ermöglicht, so dass das Fluid durch das Heizelement 2 erhitzt werden kann.
In 3 ist eine Sensorvorrichtung gemäß 2 dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Sensorvorrichtung 1 weist ein Strömungsleitelement 7 auf. Das Strömungsleitelement 7 weist einen halbrohrförmigen Querschnitt auf, dessen Durchmesser ein Verhältnis zur Länge des Strömungsleitelementes 7 von 1:5 aufweist. Zwischen dem Strömungsleitelement 7 und dem mit der Schutzumhüllung 5 überzogenen Schaltungsträger 3 ist ein Strömungskanal 8 ausgebildet. Das Strömungsleitelement 7 ist aus einem metallischen Material ausgebildet. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des metallischen Materials bewirkt das Strömungsleitelement 7 einen Explosionsschutz, indem die Temperatur durch Wärmeabtransport unterhalb der Zündtemperatur des Kraftstoffdampfes, der sich in den Kraftstoffdampfblasen befindet, gehalten wird. Durch das Heizelement 2 kann die Kraftstoffflüssigkeit, beispielsweise im Tank eines Kraftfahrzeuges, erhitzt werden. Durch die kontinuierliche Erhitzung kann es zur Bildung von Kraftstoffdampfblasen kommen. Diese steigen in der Kraftstoffflüssigkeit auf und sorgen somit für einen effektiveren Wärmeabtransport vom Heizelement 2. Dieser effektivere Wärmeabtransport kann beispielsweise aufgrund einer nicht mehr oder weniger stark ansteigenden Temperatur mittels eines Temperatursensors bestimmt werden oder kann direkt über das Heizelement 2 bestimmt werden. Die Temperatur, bei der es zur Bildung von Kraftstoffdampfblasen kommt, ist ein Hinweis auf die Siedetemperatur des Kraftstoffes bzw. die erste Siedetemperatur des Kraftstoffgemisches. Durch die Ausbildung des Strömungskanals 8 durch das Strömungsleitelement 7 kann es zu einem Kamineffekt kommen, so dass der Wärmeabtransport unterstützt wird und somit eine präzisere Messung der Siedetemperaturen ermöglicht ist.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19955796 A1 [0003]

Claims

Sensorvorrichtung (1) zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes eines Fluides, insbesondere einer Kraftstoffflüssigkeit, in einem Fahrzeug mit mindestens einem Heizelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) einen Füllstandsensor mit einem Schaltungsträger (3) aufweist und dass das Heizelement (2) auf dem Schaltungsträger (3) des Füllstandsensors angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) ein keramisches Trägerteil aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) zumindest abschnittsweise von einer Schutzumhüllung (5) aus einem Schutzmaterial umgeben ist, und dass die Schutzumhüllung (5) in dem Bereich des Heizelementes (2) mindestens eine Aussparung aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) mindestens ein Strömungsleitelement (7) aufweist und dass das Strömungsleitelement (7) im Bereich des Heizelementes (2) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strömungsleitelement (7) und dem Schaltungsträger (3), auf dem das Heizelement (2) angeordnet ist, mindestens ein Strömungskanal (8) ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (7) einen halbrohrförmigen Querschnitt aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des halbrohrförmigen Querschnittes des Strömungsleitelementes (7) zu der Länge des Strömungsleitelementes (7) ein Verhältnis von ungefähr 1:5 aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des halbrohrförmigen Querschnittes des Strömungsleitelementes (7) ungefähr 4 mm beträgt und die Länge des Strömungsleitelementes (7) ca. 20 mm beträgt.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (7) aus einem metallischen Material besteht.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) an dem, dem Fluidspiegel abgewandten Ende des Schaltungsträgers (3) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Sensorvorrichtung (1) zur Bestimmung des Verdampfungsdruckes einer Kraftstoffflüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 9.