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QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der am 11. April 2007 eingereichten
vorläufigen US-Patentanmeldung
60/922,922, die hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in ihrer
Gesamtheit mit aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Ölsensoren.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Neuere
Fahrzeuge haben häufig
erweiterte Garantien, die Fahrzeugherstellern ermöglichen,
Reparaturen für
Fahrzeuge mit höherer
Laufleistung abzudecken. Regelmäßige Ölwechsel
stellen häufig eine
Bedingung zur Aufrechterhaltung des Garantieumfangs dar. Um eine
richtige Instandhaltung sicherzustellen, kann ein Ölzustands-
und -füllstandssensor
in das Fahrzeug eingebaut werden, um den Zustand des Öls zu überwachen,
den Fahrer zu alarmieren, wenn ein Ölwechsel erforderlich ist,
und zu erfassen, ob ein Ölwechsel
erfolgt ist.
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In
der Vergangenheit war die Ölwechselhäufigkeit
anhand von Daumenregeln (z. B. alle 3000 Meilen) vorgeschrieben.
Jedoch können
neuere Technologien bei Ölzusätzen und
zur Fahrzeugabstimmung die Zeitdauer und den Abstand zwischen den
Wechseln verlängern.
Außerdem
ermöglicht
ein besseres Verständnis
von den Auswirkungen des Fahrzeugbetriebs auf den Ölzustand
und eine verbesserte Rechenleistung des Motorcontrol lers eine kundenspezifische
Anpassung und Vorhersage der Ölwechselhäufigkeit
auf der Basis des tatsächlichen Zustands
des Öls.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ölzustands-
und -füllstandssensor geschaffen,
der einen Solenoidkörper,
eine Spule, einen Anker und ein Polstück enthält. Der Solenoidkörper definiert
eine Ankerkammer zwischen dem Anker und dem Polstück. Der
Anker ist als Reaktion auf eine Erregung der Spule in der Ankerkammer
bewegbar. In einem Ölzustandserfassungssystem
ist die Spule mit einer Steuerungseinrichtung betriebsmäßig verbunden,
die wenigstens eins aus einer Öltemperatur,
einer Ölviskosität, einem Ölfüllstand
und einem Ölwechselvorgang
bestimmen kann. In einer Ausführungsform
können
vier Ölfüllstände, einschließlich eines Überfüllungs-Ölstands
und eines zu geringen Ölfüllstands,
detektiert werden. Der Sensor wird als ein integrierter Ölzustands- und -füllstandssensor
bezeichnet, da mehrere Erfassungsfunktionen in einem einzelnen Sensor
integriert sind. Der Sensor kann in vielen unterschiedlichen Anwendungen
eingesetzt werden, in denen ein Bedarf besteht, einen Fluidfüllstand,
eine Fluidviskosität
und/oder eine Fluidtemperatur zu messen, wie beispielsweise in Motoren,
bei der Lebensmittelverarbeitung, in Ölgetrieben stationärer Pressen
und in Fluidkühlsystemen.
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Der
Anker, das Polstück
und der Solenoidkörper
definieren mehrere Öffnungen
und Kammern, die konfiguriert sind, um eine Verdrängung von
Fluid durch die Ankerkammer, wenn der Anker sich bewegt, zu schaffen.
Die Bewegungszeit des Ankers in der Ankerkammer entspricht dem Widerstand
gegen eine Fluidströmung
durch die Öffnungen.
Die „Fluidströmung” durch
jede jeweilige Öffnung
kann Luft, eine Flüssigkeit,
wie beispielsweise Öl, oder
eine Kombination von beiden sein und hängt von dem Ölfüllstand
ab.
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Beispielsweise
definiert der Anker eine erste Öffnung
in Kommunikationsverbindung mit der Ankerkammer. Das Polstück definiert
eine zweite Öffnung
in Kommunikationsverbindung mit der Ankerkammer. Die Öffnungen
sind derart konfiguriert, dass Fluid in die Ankerkammer durch die Öffnungen
eintritt und von der Ankerkammer durch die Öffnungen verdrängt wird
und eine Bewegung des Ankers innerhalb der Ankerkammer dabei durch
den Widerstand gegen den Fluiddurchfluss durch die Öffnungen
beeinflusst ist. Innerhalb der Ankerkammer wird eine Druckdifferenz
erzeugt, wenn die erste und die zweite Öffnung unterschiedliche Größen haben,
was eine Verdrängung
von Fluid in die Ankerkammer hinein und aus dieser heraus durch
die Öffnungen
bewirkt, wenn sich der Anker in einer vertikalen Richtung bewegt.
Der Sensor ist konfiguriert, um in Öl innerhalb einer Ölwanne in
einem vollständigen
Zustand eingetaucht zu werden. Die Bewegungszeit des Ankers innerhalb
der Ankerkammer steht mit der Viskosität des durch die Kammer und
die Öffnungen
strömenden
Fluids in Beziehung. Wenn beispielsweise der Ölfüllstand niedrig ist, wird Luft
anstatt von Öl
in die Ankerkammer eingezogen. Weil Luft viel freier strömt als Öl, wird
die mittlere Ankerbewegungszeit bzw. -hubzeit, die auch als Antwortzeit
bezeichnet wird, kürzer,
wenn das Öl
tief steht. Somit kann die „Fluidströmung” innerhalb
der Kammer und der Öffnungen, wie
hierin beschrieben, entweder Luft oder Öl sein.
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Das
Polstück
kann ein im Wesentlichen konisches Profil aufweisen, um eine Bewegung
des Ankers innerhalb der Ankerkammer zu verlangsamen. Durch Verlangsamung
der Bewegung des Ankers wird die Zunahme des von der Spule aufgenommenen
Stroms entsprechend der Bewegungszeit des Ankers vergrößert. Ein
konisches Profil des Polstücks
beseitigt eine Beschleunigung des Ankers während dessen Bewegung, wodurch
sich eine nahezu lineare Kurve der Viskosität gegenüber Geschwindigkeit ergibt,
was die Antwortszeitcharakteristik eindeutiger macht, um den Ölzustand
genauer erfassen zu können.
Rückschlagventile,
Dichtungsmechanismen und Vorspannmechanismen können dazu verwendet werden,
die Ankerbewegung weiter zu verlangsamen und eine Verdrängung in
den verschiedenen Kammern zu verursachen.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der besten Formen zur Ausführung der Erfindung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen ohne weiteres offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematisierte perspektivische Querschnittdarstellung einer
ersten Ausführungsform
eines Ölzustands-
und -füllstandssensors;
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2 zeigt
eine schematisierte perspektivische Darstellung eines Ölzustandserfassungssystems,
das den Ölzustands- und -füllstandssensor nach 1 enthält, der
in einer Ölwanne
mit einer an den Sensor angeschlossenen Steuerungseinrichtung montiert
ist;
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3 zeigt
eine schematisierte Querschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform
eines Ölzustands-
und -füllstandssensors;
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4 zeigt
eine schematisierte perspektivische Querschnittdarstellung einer
dritten Ausführungsform
eines Ölzustands-
und -füllstandssensors;
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5 zeigt
eine schematisierte Querschnittdarstellung einer vierten Ausführungsform
eines Ölzustands-
und -füllstandssensors;
und
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6 zeigt
eine schematisierte graphische Darstellung einer beispielhaften
Stromentnahme gegenüber
der Zeit für
einen sich bewegenden Anker in einem beliebigen der Ölzustands- und -füllstandssensoren
gemäß den 1–5 unter
Veranschaulichung des „induktiven
Kick”-Phänomens.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen,
zeigt 1 einen Ölzustands-
und -füllstandssensor 10,
der an einer Montagehalterung 12 gehaltert ist. In 2 ist
die Montagehalterung 12 an einer Ölwanne 14, wie beispielsweise
einer Motorölwanne
an einem Fahrzeug, gesichert, so dass der Ölzustands- und -füllstandssensor 12 in
der Ölwanne 14 positioniert
ist, um eine Detektion mehrerer Ölzustände, einschließlich der Öltemperatur, Ölviskosität, eines Ölwechselvorgangs
und mehrerer Ölstände, zu ermöglichen,
wie dies hier weiter beschrieben ist. Der Ölzustands- und -füllstandssensor 10 ist
mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung 16 betriebsmäßig verbunden,
die entweder innerhalb oder außerhalb
der Ölwanne,
wie beispielsweise an einem Fahrzeuggetriebe oder an sonstiger Stelle
in dem Fahrzeug, enthalten sein kann, um ein Ölzustandserfassungssystem 18 zu
erschaffen.
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Bezugnehmend
auf 1 ist der Ölzustands-
und -füllstandssensor 10 in
größeren Einzelheiten
veranschaulicht. Ein Solenoidkörper 20 enthält einen äußeren Abschnitt 22,
der auch als ein Becher bezeichnet wird, einen Basisabschnitt 24,
einen Spulenhalteabschnitt 26, einen Fortsatzabschnitt 28 und
einen Kappenabschnitt 34. Der Spulenhalteabschnitt 26 (der
auch als Spulenträger
bezeichnet wird) umgibt eine Spule 30. Der äußere Abschnitt 22, der
Basisabschnitt 24, der Spulenhalteabschnitt 26, der
Fortsatzabschnitt 28 und der Kappenabschnitt 34 können integral
hergestellt sein oder durch Spritzen, Gießen oder andere Prozesse miteinander
zusammenhängend
hergestellt sein.
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Im
Inneren des äußeren Abschnitts 22 ist
ein Polstück 32 eingepresst
oder in sonstiger Weise gesichert. Der Kappenabschnitt 34 umschließt ein distales
Ende des Polstücks 32 und weist
eine hindurchführende Öffnung 36 auf
(wobei die Öffnung 36 hierin als
eine sechste Öffnung
oder als eine weitere Öffnung
bezeichnet wird). Das Polstück 32,
der äußere Abschnitt 22,
die Spule 30, ein Flusssammler 41 und ein Anker 40 bilden
einen Elektromagneten. In einem Luftspalt zwischen dem Polstück 32 und
dem Anker 40 werden Flusslinien erzeugt, wenn die Spule 30 durch
eine elektrische Quelle (beispielsweise eine Batterie, nicht veranschaulicht)
erregt wird.
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Ein
Anker 40 ist innerhalb eines säulenförmigen Hohlraums 37 bewegbar,
der durch den Spulenhalteabschnitt 26 und den Basisabschnitt 24 definiert ist,
wobei der Anker 40 teilweise eine Ankerkammer 42 zwischen
dem Anker 40 und dem Polstück 32 definiert, deren
Volumen variiert, wenn sich der Anker 40 als Reaktion auf
den durch Erregung der Spule erzeugten Fluss bewegt. Die Flusssammler 41 sind
neben dem Anker 40 positioniert. Der Solenoidkörper 20,
der Anker 40 und das Polstück 32 haben viele Einrichtungen,
die gestaltet sind, um die Bewegungszeit des Ankers 40 zu
verlangsamen, um die Verstärkung
des (d. h. die Zeitdauer bis zum Auftreten des) charakteristischen
induktiven Kicks, der ein Ende der Bewegung anzeigt, zu erhöhen. Durch
Verlangsamung der Bewegungszeit und darauffolgende Erhöhung der
Verstärkung,
werden relative Unterschiede bei der Bewegungszeit infolge von Veränderungen der Ölviskosität, des Ölfüllstands
oder eines Ölwechselvorgangs
verstärkt
(d. h. die Empfindlichkeit des Sensors 10 wird vergrößert), und
folglich werden die Ölzustände durch
die Steuerungseinrichtung 16 genauer bestimmt und nachverfolgt.
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Bezugnehmend
auf 6 ergibt ein beispielhaftes Diagramm der Stromaufnahme
gegenüber Zeit
eine Stromaufnahmekurve 39 mit einem induktiven Kick, der
als ein ausgeprägter
Einbruch mit nachfolgender Erhöhung
der Stromaufnahme veranschaulicht und dafür kennzeichnend ist, dass der
Solenoidanker 40 ein En de der Bewegung erreicht, bei einer
bekannten Öltemperatur
(25°C) und
einem bekannten Ölfüllstand
(der Ölfüllstand
ist tiefliegend festgelegt, was zu dem verhältnismäßig schnellen induktiven Kick
bei 0,15 Sekunden führt).
Das Diagramm gemäß 6 ist
lediglich beispielhaft, und das Maß der Stromaufnahme und die
Zeit bis zu dem induktiven Kick (d. h. die Ankerbewegungszeit) können variieren,
wie dies hierin beschrieben ist.
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Ein
Stab 44 kann an einem Ende an einem Kolben 46 gesichert
oder nicht gesichert sein. Ein stopfenartiges Element, das hier
als eine Kugel 48 bezeichnet wird, ist an dem Anker 40 an
einem gegenüberliegenden
Ende eingepresst, angeschweißt oder
in sonstiger Weise gesichert. Obwohl es als eine Kugel 48 bezeichnet
wird, kann ein nicht kugelförmiges
stopfenartiges Element anstelle der Kugel 48 verwendet
werden. Die Kugel 48 bewegt sich nicht relativ zu dem Anker 40.
Wenn der Magnetfluss des Sensors 10 den Anker 40 antreibt,
bewegt sich der Kolben 46 innerhalb einer Polstückkammer 50 in
dem Polstück 32.
Ein Vorspannmechanismus, der in diesem Falle eine Feder 52 ist,
spannt den Anker 40 von dem Polstück 32 weg vor. Das
Polstück 32 weist
eine Innenfläche
mit einem konischen Profil 54 auf, die mit einem gleichen
konischen Profil an eine Außenfläche des
Ankers 40 gekoppelt ist. Das konische Profil 54 verteilt
den Fluss über
einen größeren Luftspalt
angrenzend an den Anker 40, als dies ein flaches Polstückprofil
machen würde,
so dass auf diese Weise die Ankerbewegungszeit verlangsamt wird.
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Eine
zweite Körperkammer 56 ist
in dem Basisabschnitt 24 ausgebildet. Eine erste Öffnung 58 in dem
Anker steht in Strömungsverbindung
mit der zweiten Kammer 56 über einen (mit Strichlinien
veranschaulichten) Kanal 57, der durch einen anderen Abschnitt
des Ankers 40 verläuft.
Ein Kanal 60 durch den Anker 40 wird durch ein
Kugelrückschlagventil 62 wahlweise
geöffnet
und geschlossen. Eine weitere Öffnung 64 in
dem Anker 40 (die hierin als eine vierte Öffnung bezeichnet
ist) befindet sich zwischen der feststehenden Kugel 48 und
einer bewegbaren Kugel oder einem bewegbaren Stopfen des Kugelrückschlagventils 62.
Die Öffnung 64 steht über einen Kanal 66 mit
der Ankerkammer 42 in Fluidverbindung. Eine weitere Öffnung 68 in
dem Polstück 32 (die
hierin als eine zweite Öffnung
bezeichnet ist) steht in Fluidverbindung mit der Ankerkammer 42 und
mit der umgebenden Ölwanne 14.
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Wenn
sich der Anker 40 von dem Polstück 32 weg bewegt,
bewegt sich die bewegbare Kugel des Ventils 62 von dem
Kanal 60 weg und ermöglicht eine
Strömung
von der zweiten Körperkammer 56 zu der
Ankerkammer 42 durch die Öffnungen 58 und 64 und
die Kanäle 57, 60 und 66 hindurch,
wodurch dem Sensor 10 ermöglicht wird, als eine Verdrängerpumpe
zu dienen, im Gegensatz zu einer passiven Pumpwirkung, die ohne
den Verschluss des Kugelrückschlagventils 62 auftritt.
Größenunterschiede
zwischen den Öffnungen
tragen ebenfalls zu einer Verdrängung
bei. Wenn sich der Anker 40 in Richtung des Polstücks 32 bewegt,
deckt die bewegbare Kugel den Kanal 60 ab, wodurch das
Fluid in der Ankerkammer 42 aus der zweiten Öffnung 68 über den
Durchgang 67 herausgedrängt
wird.
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Der
Fortsatzabschnitt 28 weist eine Kammer 70 auf,
die hierin als eine erste Körperkammer
oder eine untere Kammer bezeichnet ist, da sie in der Ölwanne 14 niedriger
als der Rest des Sensors 10 positioniert ist, wie dies
in 2 ersichtlich ist. Der Basisabschnitt 24 weist
eine hierin als eine dritte Öffnung
bezeichnete Öffnung 72 auf,
die die zweite Körperkammer 56 mit
der ersten Körperkammer 70 strömungsmäßig verbindet.
Der Anker 40 weist einen Dichtungsmechanismus 74 auf,
der in dieser Ausführungsform
durch eine Elastomerdich tung gebildet ist, die die dritte Öffnung 72 abdichtet,
wodurch eine Fluidströmung
von der ersten Kammer 70 zu der zweiten Kammer 56 verhindert
wird, wenn der Anker 40 durch die Feder 52 in
die äußerst untere
Stellung gemäß 1 vorgespannt
ist (z. B. wenn die Spule nicht erregt ist). Der Dichtungsmechanismus 74 bedeckt nicht
die dritte Öffnung 72,
wenn sich der Anker 40 in Richtung des Polstücks 32 bewegt.
Eine fünfte Öffnung 78 schafft
eine Fluidverbindung zwischen der zweiten Kammer 56 und
der Ölwanne 14 gerade oberhalb
eines Füllstands
des Fluids in der Wanne 14, der mit D gekennzeichnet ist.
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Die
verschiedenen Kammern und Öffnungen,
wie sie vorstehend beschrieben sind, legen Ankerbewegungszeitdauern
fest, die für
verschiedene Ölzustände, wie
beispielsweise eine Ölviskosität und einen Ölwechselvorgang,
sowie für
verschiedene Ölstände in der
Wanne 14 kennzeichnend sind, wie dies nachstehend beschrieben
ist. Der Sensor ist ferner funktionsfähig, um die Öltemperatur
zu bestimmen.
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Ölfüllstand
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Der
gesamte Sensor 10 ist positioniert, um in einem Öl in der Ölwanne 14 eingetaucht
zu sein. Wenn das Öl
in der Ölwanne 14 einen
vorbestimmten vollen Füllstand
A aufweist, der in beiden 1 und 2 angezeigt
ist, ist die Ankerbewegungszeit eine Funktion der Summe der Widerstände gegen
eine Fluidströmung
durch jede der Öffnungen 36, 68, 64, 58, 78 und 72,
wobei der Reibungswiderstand an dem Anker und die Kolbenbewegung
ebenfalls eine geringe Auswirkung haben. Weil diese Widerstände variieren,
wenn sich der Ölfüllstand
verändert,
kann das Ölzustandssystem 18 den Ölfüllstand
innerhalb der Ölwanne 14 überwachen
und aufzeichnen, wodurch es den vorliegenden momentanen Ölstand als innerhalb
eines von vier Bereichen liegend erkennt: voller Ölstand, Überfüllungs-Ölstand, „ein Quart niedriger” Ölstand und
zu niedriger Ölstand.
Diese Information kann bedarfsweise einem Fahrzeugführer mitgeteilt
werden, indem ein Anzeigemonitor, wie beispielsweise auf einem Armaturenbrett-Bildschirm,
an die Steuerungseinrichtung 16 angeschlossen und die Steuerungseinrichtung 16 programmiert
wird, um ein Anzeigesignal an den Monitor zu senden, das dem überwachten Ölfüllstand
entspricht.
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Wenn
sich der Ölfüllstand
in der Wanne 14 bei einem beliebigen Pegel unterhalb der
fünften Öffnung 78 befindet,
wie durch den „zu
niedrigen” Ölstand D
in den 1 und 2 angezeigt, wird das gesamte Öl aus den
Kammern 50, 42 und 56 bei dem ersten
Ankerzyklus herausgedrängt.
Wenn die Feder 52 den Anker 40 und den Kolben 46 vorspannt,
wird anstelle von Öl
Luft in die Kammern 50, 42, 56 eingesaugt,
weil die Öffnungen 36, 68 und 78 oberhalb
des Ölfüllstands
liegen. In den nachfolgenden Zyklen ist die Ankerbewegungszeit,
weil sich nur Luft durch die meisten Öffnungen bewegt, verhältnismäßig schnell. Somit
erkennt die Steuerungseinrichtung 16 eine derartige Ankerbewegungszeit
als für
einen „zu
niedrigen” Ölstand kennzeichnend,
und sie speichert diese Information und kann programmiert sein,
um zu einer Anzeige eine Mitteilung an den Fahrzeugführer über die
Notwendigkeit, Öl
zuzugeben, zu senden.
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Wenn
sich der Ölfüllstand
in der Wanne 14 auf einem beliebigen Niveau unterhalb der
zweiten Öffnung 68,
wie durch den „ein
Quart niedrigen” Ölstand C
in den 1 und 2 angezeigt, jedoch oberhalb
der fünften Öffnung 78 befindet,
verdrängt die
Kammer 42 Öl
aus den Kammern 50, 42 und 56 heraus
bei dem ersten Ankerzyklus. Wenn die Feder 52 den Anker 40 und
den Kolben 46 vorspannt, wird Luft in die Kammern 50, 42 anstelle
von Öl
eingesaugt, weil sich die Öffnungen 36 und 68 oberhalb des Ölniveaus
befinden. Weil die Öffnung 78 nun
unter dem Ölniveau
liegt, zieht sie Öl
ein, wenn der Sensor 10 erregt wird. In den nachfolgenden
Zyklen ist die Ankerbewegungszeit, weil nur Luft durch die Öffnungen 68 und 36 bewegt
wird, langsamer als bei dem äußerst niedrigen
Füllstand.
Somit ist die Ankerbewegungszeit eine Funktion der Summe der Strömungswiderstände gegen
einen Fluiddurchfluss durch die Öffnungen 72, 58, 64, 68 und 36.
Auf diese Weise erkennt die Steuerungseinrichtung 16 eine derartige
Ankerbewegungszeit als für
einen „ein Quart
niedrigen” Ölstand kennzeichnend.
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Wenn
sich das Öl
bei einem beliebigen Füllstand
oberhalb der zweiten Öffnung 68,
wie in den 1 und 2 angezeigt,
und niedriger als die sechste Öffnung 36 befindet,
werden die Ankerkammer 42 sowie die erste und die zweite
Körperkammer 70, 56 beständig mit Öl gefüllt, während sich
der Anker 40 bewegt, und Öl wird durch die Öffnungen 72, 58, 64 und 68 gedrückt. Die
Polstückkammer 50 wird mit
Luft gefüllt.
Diese Kombination ruft eine eindeutige Ankerbewegungszeit hervor,
die von der Steuerungseinrichtung 16 als für einen
vollen Ölfüllstand kennzeichnend
erkannt wird und eine Funktion der Summe von Widerständen gegen
die Fluidströmung durch
die Öffnungen 72, 58, 64, 78, 36 und 68 ist.
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Wenn
sich der Ölfüllstand
in der Ölwanne 14 auf
einem beliebigen Niveau oberhalb der sechsten Öffnung 36 befindet,
ist die Wanne überfüllt, wie
dies durch den Überfüllungs-Füllstand
B in den 1 und 2 angezeigt
ist. Ein Drücken
des Fluids durch die Öffnung 36 unter
Druck sowie der zusätzliche
Reibungswiderstand, der durch Öl
in der Polstückkammer 50 hervorgerufen
wird, verlangsamt den Anker 40 im Verhältnis zu der Ankerbewegungszeit
bei einem vollen Ölfüllstand
oder allen niedrigeren Ölfüllständen. Die
Ankerbewegungszeit wird eine Funktion der Summe der Strömungswiderstände gegen
einen Fluiddurchfluss durch die Öffnungen 72, 58, 64, 78, 36, 68 und 36. Die
Steuerungseinrichtung 16 erkennt eine derartige Ankerbewegungszeit
als für
einen Überfüllungszustand
kennzeichnend.
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Ölviskosität
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Wenn
die Spule 30 erregt und entregt wird, bewegt sich der Anker 40 innerhalb
des Hohlraums 37, der die Ankerkammer 42 enthält. Wenn
sich der Anker 40 von dem Polstück 32 weg bewegt,
wird Druck in der Ankerkammer 42 und der Polstückkammer 50 reduziert,
und atmosphärischer
Druck drückt das
Fluid (entweder Öl
oder Luft) durch die zweite Öffnung 68 bzw.
die sechste Öffnung 36 hindurch
in das Polstück 32.
Ein Fluid wird ferner durch die Öffnung 58,
den Kanal 57, den Kanal 60, die Öffnung 64 und
den Kanal 66 in die Ankerkammer 42 hinein von der
Körperkammer 56 aus
eingezogen. Öl
wird auch durch die Öffnungen 72 und 78 von
der Kammer 56 aus gedrückt.
Wenn sich der Anker 40 in Richtung des Polstücks 32 bewegt,
wird ein Fluid (entweder Öl oder
Luft) innerhalb der Ankerkammer 42 aus der zweiten Öffnung 68 herausgedrückt, und
das Kugelventil 62 hindert das Fluid gezielt am Verlassen
der Ankerkammer 42 durch die Öffnung 58, wie vorstehend
beschrieben. Zusätzlich
wird ein Fluid in der Polstückkammer 50 durch
die sechste Öffnung 36 gedrückt. Ferner
wird der Druck in der zweiten Körperkammer 56 reduziert,
und atmosphärischer
Druck drückt
das Fluid durch die dritte Öffnung 72 und
die fünfte Öffnung 78.
Durch Aufsummieren des gesamten Fluidströmungswiderstandes von allen
diesen verschiedenen Öffnungen
und der Reibung der bewegten Teile wird die Ankerbewegung derart
verlangsamt, dass durch eine Messung der Zeitdauer der Ankerbewegung
und eine anschließende
Anwendung eines Algorithmus die Antwortzeit einem Wert entspricht,
der die Viskosität
des Fluids kennzeichnet.
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Die
zweite Öffnung 68 ist
hinsichtlich ihrer Abmessung größer als
die erste Öffnung 58,
oder sie ist wenigstens gemeinsam mit dem Kanal 67 konfiguriert,
um einen größeren hydraulischen
Widerstand als der Kanal 57, die Öffnung 58, die Öffnung 64 und der
Kanal 66 zu schaffen, wodurch in der Ankerkammer 42 eine
Druckdifferenz erzeugt wird und der Sensor 10 veranlasst
wird, als eine Pumpe zu wirken. Wie vorstehend erläutert, trägt auch
das Kugelventil 62 zu der Pumpwirkung bei. Öl, das durch
die Öffnungen 58, 64 und 68 sowie
die Kanäle 57, 60, 66 und 67 strömt, verlangsamt
den Anker 40. Eine höhere Ölviskosität veranlasst
den Anker 40, sich langsamer zu bewegen, wenn er zyklisch
betätigt
wird, wodurch die Ankerantwortzeit vergrößert wird. Zusätzlich nimmt
das Volumen der zweiten Körperkammer 56 zu,
wenn sich der Anker 40 in Richtung des Polstücks 32 bewegt,
wobei Öl
in die Kammer 56 hinein durch die Öffnungen 72 und 78 hindurch
eingezogen und anschließend
zu der Ankerkammer 42 gepumpt wird, wenn sich der Anker 40 von
dem Polstück 32 weg
bewegt. Die dritte Öffnung 72 ist
hinsichtlich ihres Durchmessers größer als die erste Öffnung 58 und der
Kanal 57, wodurch eine Druckdifferenz erzeugt wird, wenn
sich der Anker 40 bewegt. Der induktive „Kick”, der an
dem Ende des Ankerhubs in dem Zyklus auftritt, wird durch die Steuerungseinrichtung 16 detektiert,
die mit der Spule 30 verbunden ist. Je dicker das Öl, desto
länger
dauert es, bis der induktive Kick auftritt. Die gesamte Ankerantwortzeit
wird anschließend
in einer Nachschlagetabelle überprüft, die in
der Steuerungseinrichtung 16 gespeichert ist, um die relative
Viskosität
des Öls
zu erhalten. Die Ölviskosität kann auf
diese Weise unter Verwendung des Sensors 10 gemessen werden
(außer
wenn sich das Öl
bei einem äußerst niedrigen
Füllstand
(d. h. unterhalb der Öffnung 78,
wie beispielsweise bei dem Niveau D) befindet).
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Es
kann auch der Widerstand des Sensors 10 gemessen und die
Spannung der Motorsteuerung gesteuert werden, um den Betriebsstrom
zu dem Sensor 10 zu steuern. Dies reduziert alle Auswirkungen
der Stromschwankungen auf die Ankerantwortzeit. Eine Begrenzung
der Spannung unter 12 Volt kann den Anker 40 noch weiter
verlangsamen, um die Beziehung der Antwortzeit zu der Viskosität zu modifizieren
und dadurch die Sensorempfindlichkeit zu erhöhen.
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Ölwechselvorgang
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Der Ölzustands-
und -füllstandssensor 10 ist derart
konfiguriert, dass eine Überwachung
des Stromstoße
des Sensors 10 über
zahlreiche Solenoidzyklen hinweg einen Ölwechselvorgang anzeigen kann.
Die elastomere Dichtung 74 schließt jede Luft innerhalb der
ersten Körperkammer 70 ein,
wenn der Sensor 10 aus ist (d. h. wenn die Spule 30 nicht
erregt ist). Es können
auch alternative Dichtungsstrukturen, wie beispielsweise ein Rückschlagventil,
eine Metalldichtung oder ein Nadelventil, verwendet werden, um Luft
in der ersten Körperkammer 70 einzufangen.
Eine konische Einrichtung 82, die durch den Basisabschnitt 24 an
der ersten Körperkammer 70 gebildet
ist, führt
jede Luft, die in der ersten Körperkammer 70 angeordnet
ist, so, dass diese neben der dritten Öffnung 72 verbleibt,
bis sie aus der ersten Körperkammer 70 herausgepumpt
wird. Während
eines Ölwechsels
wird Öl
aus der Wanne 14 ausgelassen, und Öl läuft auch aus der ersten Körperkammer 70 heraus.
Wenn die Ölwanne 14 erneut
mit Öl
gefüllt wird,
wird Luft innerhalb der ersten Körperkammer 70 aufgenommen.
Die Druckdifferenz, die zum Teil auf den Größenunterschied der Öffnungen 58, 64, 78 und 72 zurückzuführen ist,
bei der Bewegung des Ankers und die Größe der in der ersten Körperkammer 70 eingefangenen
Luftblase bestimmen somit die Anzahl der Betriebszyklen (eine Hin- und Herbewegung des
Ankers in der Säule 37 stellt
einen ein zelnen Zyklus dar), bevor die Luft aus der ersten Körperkammer 70 und
den nachfolgenden Kammern 56 und 42 herausgepumpt
wird. Während
die eingefangene Luft durch den Sensor 10 gepumpt wird,
variiert die Antwortzeit, und sie stabilisiert sich anschließend, wenn die
gesamte eingefangene Luft ausgestoßen worden ist. Weil Luft viel
freier durch die Öffnungen
und Kammern strömt,
wird der Reibungswiderstand des Öls die
Ankerbewegungszeit merklich verlangsamen, wenn die gesamte Luft
aus der ersten Körperkammer 70 heraus,
durch die zweite Körperkammer 56 hindurch,
durch die Ankerkammer 42 hindurch und zurück in die Ölwanne 14 gepumpt
worden ist. Die Steuerungseinrichtung 16 ist programmiert,
um dieses Schema der überwachten
Ankerbewegungszeiten als für
einen erfolgten Ölwechsel
kennzeichnend zu erkennen.
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Öltemperatur
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Der
gesamte Sensor 10 ist derart positioniert, dass er in Öl in der Ölwanne 14 eingetaucht
ist, wenn das Öl
innerhalb der Ölwanne 14 sich
bei einem vorbestimmten vollen Füllstand
A befindet, wie in den beiden 1 und 2 angezeigt
ist. Als Ergebnis hiervon wird die Temperatur der Spule 30 die gleiche
Temperatur wie die Öltemperatur
erreichen. Um die Öltemperatur
zu messen, wird der Spulenwiderstand gemessen und anschließend gegen
eine Temperatur-Nachschlagetabelle überprüft, die in der Steuerungseinrichtung
gespeichert ist, um die Temperatur des Öls zu bestimmen. Alternativ
kann der Sensor 10 mit einer vordefinierten Spannung zyklisch betätigt werden.
Durch Messung des Stroms kann der Spulenwiderstand berechnet und
anschließend mit
der Temperatur korreliert werden.
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Demgemäß ist der Ölzustands-
und -füllstandssensor 10 als
ein Teil des Ölerfassungssystems 18 funktionsfähig, um
den Ölfüllstand
und ein Ölwechselereignis
sowie Ölzustände, wie
bei spielsweise die Öltemperatur
und die Ölviskosität, zu bestimmen.
Andere Ausführungsformen
von Ölzustands-
und -füllstandssensoren
bieten ähnliche Möglichkeiten.
Bezugnehmend auf 3 weist beispielsweise ein Ölzustands-
und -füllstandssensor 110 einen
Solenoidkörper 120 auf,
der einen äußeren Abschnitt 122,
eine einstückige
Basis und Spulenhalterung 124 und einen Fortsatzabschnitt 128 enthält. Der
einstückige
Basis- und Spulenhalteabschnitt 124 umgibt eine Spule 130.
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Ähnlich wie
der Ölzustands-
und -füllstandssensor 10 kann
der Ölzustands-
und -füllstandssensor 110 positioniert
sein, um in Öl
in der Ölwanne 14 eingetaucht
zu sein, wenn sich das Öl
innerhalb der Ölwanne 14 bei
dem vorbestimmten vollen Füllstand A
befindet, wie er in den beiden 1 und 2 angezeigt
ist. Infolgedessen wird die Spulentemperatur die gleiche Temperatur
wie die Öltemperatur
erreichen. Um die Öltemperatur
zu messen, wird der Spulenwiderstand gemessen und anschließend mit
einer Temperatur-Nachschlagetabelle überprüft, die innerhalb der Steuerungseinrichtung 16 gespeichert
ist, um die Temperatur des Öls
zu bestimmen.
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Der Ölzustands-
und -füllstandssensor 110 enthält ein Polstück 132,
das innerhalb des äußeren Abschnitts 122 eingepresst
oder in sonstiger Weise gesichert ist. Ein Stopfenabschnitt 133 des
Polstücks 132 weist
eine durch ihn hindurchführende Öffnung 168 auf
(wobei die Öffnung 168 hierin
als eine zweite Öffnung
bezeichnet wird).
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Ein
Anker 140 ist innerhalb eines säulenförmigen Hohlraums 137 bewegbar,
der durch den Basis- und Spulenhalteabschnitt 124 definiert
ist, wobei der Anker 140 teilweise eine Ankerkammer 142 zwischen
dem Anker 140 und dem Polstück 132 definiert,
deren Volumen variiert, wenn sich der Anker 140 als Reaktion
auf den Fluss, der durch Erregung der Spule 130 erzeugt wird,
bewegt. Benachbart zu dem Anker 140 sind Flusssammler 141 positioniert.
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Ein
Vorspannmechnismus, der in diesem Fall durch eine Feder 152 gebildet
ist, spannt den Anker 140 von dem Polstück 132 weg vor. Das
Polstück 132 weist
eine Innenfläche
mit einem konischen Profil 154 auf, die mit einem ähnlichen
konischen Profil einer Außenfläche des
Ankers 140 verbunden wird. Das konische Profil 154 verteilt
den Fluss über
einen größeren Luftspalt
neben dem Anker 140 hinweg, als dies ein flaches Polstückprofil
machen würde,
so dass auf diese Weise die Ankerbewegungszeit verlangsamt wird.
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Eine
zweite Körperkammer 156 ist
in dem Basis- und Spulenabschnitt 124 ausgebildet. Eine erste Öffnung 158 in
einem Armabschnitt 143 des Ankers 140 steht in
Strömungsverbindung
mit der zweiten Kammer 156. Eine dritte Öffnung 172 ermöglicht eine
Fluidkommunikationsverbindung zwischen der zweiten Körperkammer 156 und
einer ersten Körperkammer 170,
die in dem Fortsatzabschnitt 128 ausgebildet ist. Eine Öffnung 171 ermöglicht eine Fluidkommunikationsverbindung
zwischen der ersten Körperkammer 170 und
der umgebenden Ölwannenumgebung.
Jede Luft in der ersten Körperkammer 170 wird
aufsteigen und in dem oberen Abschnitt 173 der Kammer 170,
angrenzend an die Öffnung 172 gehalten.
Eine Elastomerdichtung 174, die mit dem Armabschnitt 143 des
Ankers 140 verbunden ist, dichtet die dritte Öffnung 172 ab,
wenn der Anker 140 von dem Polstück 132 weg vorgespannt
ist. Die erste Öffnung 158 weist
einen kleineren Durchmesser auf als die zweite Öffnung 168, die wiederum
hinsichtlich ihres Durchmessers kleiner ist als die dritte Öffnung 172.
Wenn die Spule 130 erregt wird, verdrängt der Anker 140 Öl, das in
der Ankerkammer 142 aufgenommen ist, aus beiden Öffnungen 158, 168 heraus,
wobei er auch durch das Öl,
das die zweite Körperkammer 156 füllt, verlangsamt
wird. Unter der An nahme, dass der Ölstand derart ist, dass die
Ankerkammer 142 mit Öl
gefüllt
ist, bietet der Widerstand gegen eine Ölströmung durch die Öffnungen 158, 168 und
der Reibungswiderstand des durch die Kammer 142 strömenden Öls einen
Widerstand gegen die Ankerbewegung, der die Hubgeschwindigkeit des
Ankers verlangsamt und die Charakteristik (d. h. Kurve) der Solenoidstromaufnahme
verändert. Eine
höhere Ölviskosität bewirkt,
dass sich der Anker 140 langsamer bewegt. Die Ankerantwortzeit
wird in der Nachschlagetabelle überprüft, die
in der Steuerungseinrichtung 16 gespeichert ist, um die
relative Viskosität
des Öls
zu erhalten.
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Der Ölzustands-
und -füllstandssensor 110 kann
verwendet werden, um einen vollen Ölstand oder einen niedrigen Ölstand anzuzeigen.
Ein voller Ölstand
ist durch die Stromaufnahme angezeigt, wenn der Ölstand in der Ölwanne 14 höher ist
als die Öffnung 168,
wodurch die Ableitung des Öls
aus der Ankerkammer 142 verlangsamt wird. Ein niedriger Ölstand ist
durch die Stromaufnahme angezeigt, wenn der Ölstand in der Ölwanne 14 niedriger
liegt als die Öffnung 168,
so dass Luft in die Ankerkammer 142 durch die Öffnung 168 eingesaugt
wird, wodurch dem Anker 140 ermöglicht wird, sich mit kleinerem Widerstand
zu bewegen. Der Ölzustands-
und -füllstandssensor 110 kann
einen Ölwechselvorgang
anhand der Druckdifferenz anzeigen, die zum Teil auf den Unterschied
der Öffnungsgrößen der Öffnungen 172, 158, 168,
die Bewegung des Ankers 140 und die Größe der in der ersten Körperkammer 170 eingefangenen
Luftblase zurückzuführen ist.
Diese Faktoren bestimmen die Anzahl von Ankerzyklen, bis die gesamte
Luft aus der ersten Körperkammer
und den anschließenden
Kammern 156 und 142 herausgepumpt ist (d. h. bis
sich die Ankerbewegungszeit als Reaktion auf das Pumpen von Öl anstelle
von Luft verlangsamt und stabilisiert), um einen Ölwechselvorgang
anzuzeigen.
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Bezugnehmend
auf 4 ist ein Solenoidsensor 210 veranschaulicht,
der hinsichtlich aller Aspekte und Funktionen dem Solenoidsensor 110 ähnlich ist,
mit der Ausnahme, dass die Elastomerdichtung 174 des Sensors 110 durch
eine Konfiguration des Ankers 240 mit einem Armabschnitt 243 mit
einem distalen Ende, das eine konische Gestalt 274 aufweist,
ersetzt ist. Die konische Gestalt 274 dient als ein Dichtungsmechanismus
durch Sperren der Öffnung 272,
die der gleichen Funktion wie die Öffnung 172 dient.
Auf gleiche Komponenten wird mit den gleichen Bezugszeichen Bezug
genommen wie im Zusammenhang mit dem Solenoidsensor 110.
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Bezugnehmend
auf 5 ist ein Solenoidsensor 310 veranschaulicht,
der ähnlich
wie der Solenoidsensor 110 nach 3 funktioniert,
mit der Ausnahme, dass kein Dichtungsmechanismus zwischen der Öffnung 372 vorhanden
ist, die in einem Stopfenabschnitt 329 eines Solenoidkörpers 320 ausgebildet
ist, der auch einen äußeren Abschnitt 322,
einen einstückigen
Spulenhalte- und Basisabschnitt 324, einen Fortsatzabschnitt 328 und
einen Kammerabdichtungsabschnitt 331 enthält.
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Der Ölzustands-
und -füllstandssensor 310 enthält ein Polstück 332,
das in dem äußeren Abschnitt 322 eingepresst
oder in sonstiger Weise gesichert ist. Ein Stopfenabschnitt 333 des
Polstücks 332 weist
eine durch ihn hindurchführende Öffnung 368 auf
(wobei die Öffnung 368 hierin
als eine zweite Öffnung
bezeichnet ist).
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Ein
Anker 340 ist innerhalb eines säulenartigen Hohlraums 337 bewegbar,
der durch den Basis- und Spulenhalteabschnitt 324 definiert
ist, wobei der Anker 340 zum Teil eine Ankerkammer 342 (die
einen Teil des Hohlraums 337 bildet) zwischen dem Anker 340 und
dem Polstück 332 definiert,
deren Volumen variiert, wenn sich der Anker 340 in Abhängigkeit
von dem Fluss bewegt, der erzeugt wird, wenn die Spule 330 erregt
wird. Neben dem Anker 340 sind Flusswandler 341 angeordnet.
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Ein
Vorspannmechanismus, der in diesem Fall durch eine Feder 352 gebildet
ist, spannt den Anker 340 von dem Polstück 332 weg vor. Das
Polstück 332 weist
eine Innenfläche
mit einem konischen Profil 354 auf, das zur Verbindung
mit einem ähnlichen konischen
Profil einer Außenfläche des
Ankers 340 dient. Das konische Profil 354 verteilt
den Fluss über einen
größeren Luftspalt
an dem Anker 340 hinweg, als dies ein flaches Polstückprofil
tun würde,
so dass auf diese Weise die Ankerbewegungszeit verlangsamt wird.
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Eine
zweite Körperkammer 356 ist
in dem Basis- und Spulenabschnitt 324 ausgebildet. Eine erste Öffnung 358 in
einem Stopfenabschnitt 343 des Ankers 340 steht
in Strömungsverbindung
mit der zweiten Körperkammer 356.
Eine dritte Öffnung 372 ermöglicht eine
Strömungsverbindung
zwischen der zweiten Körperkammer 356 und
einer ersten Körperkammer 370,
die in dem Fortsatzabschnitt 328 ausgebildet ist. Obwohl
keine Dichtung oberhalb der Öffnung 372,
wie in dem Sensor 110, angeordnet ist, weist die dritte Öffnung 372 einen
größeren Durchmesser
als die erste Öffnung 358 auf,
wodurch eine passive Pumpwirkung innerhalb der Kammer 356 erzeugt
wird, wenn sich der Anker 340 hin- und herbewegt. Somit
ist die Ankerbewegungszeit nicht nur durch das Pumpen von Öl in die
Kammer 340 hinein und aus der Kammer 340 heraus
durch die Öffnungen 358, 356,
sondern auch durch den Ölfluss
durch die Öffnung 372 beeinflusst.
Der Sensor 310 kann verwendet werden, um die Öltemperatur,
die Ölviskosität, einen
vollen Ölstand
und einen niedrigen Ölstand
in ähnlicher
Weise, wie im Zusammenhang mit dem Sensor 110 beschrieben,
zu bestimmen.
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Ein
inhaltsarmer Ölzustands-
und -füllstandssensor,
der hier als eine Zwei-Öffnungen-Konstruktion
bezeichnet ist, nicht veranschaulicht, kann ähnlich wie der Ölzustands-
und -füllstandssensor 310 konfiguriert
sein, jedoch ohne die Körperkammer 356,
den Stopfenabschnitt 329 und die dritte Öffnung 372.
Demgemäß würde die
erste Öffnung 358 in
direkter Strömungsverbindung
mit dem unteren Körperabschnitt 370 stehen.
Ein derartiger Ölzustands- und
-füllstandssensor
würde ähnlich wie
der Ölzustands-
und -füllstandssensor 310 funktionieren,
würde jedoch
die Ankerbewegungszeit nicht in dem Maße wie mit der dritten Öffnung 372 verlangsamen, so
dass auf diese Weise eine kleinere Zunahme bzw. Verstärkung der
Stromaufnahme erzielt wird.
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Ölluftgehalt und Ölpumpfunktion
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Zusätzlich zu
den vorstehend beschriebenen Ölzustandsanzeigen
könnten
die Sensoren 10, 110, 210 und 310 verwendet
werden, um eine Höhe
des Luft- bzw. Gasgehalts in dem Öl zu erfassen. Öl mit größerem Luftgehalt
wird weniger viskos, lässt
sich leichter durch Öffnungen
hindurchdrücken
und erzeugt weniger Widerstand an dem Anker. Dies hat schnellere
Ankerbewegungszeiten bei einem gegebenen Ölfüllstand innerhalb der Ölwanne zur
Folge. Die Steuerungseinrichtung könnte programmiert sein, um
derartige Unterschiede hinsichtlich der Ankerbewegungszeit mit Ölluftgehaltsniveaus
zu korrelieren.
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Außerdem könnten die
Sensoren 10, 110, 210 und 310 in
einem Fahrzeug eingesetzt werden, um das Ölvolumen, das beim Anlassen
in den Motor gepumpt wird, zu bestimmen. Ein Absinken von Öl in der Ölwanne tritt
auf, wenn der Motor beim Motoranlassen Öl zur Schmierung und Kühlung zieht.
Die Größe der Absenkung
erzeugt eine Differenz des Ölfüllstands
in der Ölwanne,
die durch einen Unterschied hinsichtlich der Ankerbewe gungszeit
in der vorstehend beschriebenen Weise erfasst werden kann. Es können zusätzliche Öffnungen
und Kammern in den Ölzustands-
und -füllstandssensor
hinzugefügt
werden, um verschiedene Ölstände genauer
nachverfolgen und voneinander unterscheiden zu können. Jede Diskrepanz zwischen
der erwarteten Größe der Absenkung,
die als Daten innerhalb der Steuerungseinrichtung gespeichert ist,
und der erfassten Absenkung, die die Steuerungseinrichtung mit der
erwarteten Absenkung vergleicht, kann eine fehlerhafte Funktionsweise
der Motorölpumpe
anzeigen.
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Während die
besten Formen zur Ausführung der
Erfindung in Einzelheiten beschrieben worden sind, werden diejenigen,
die mit der Technik vertraut sind, auf die sich diese Erfindung
bezieht, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen
zur Realisierung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.
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Zusammenfassung:
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Es
ist ein Ölzustands-
und -füllstandssensor geschaffen,
der einen Solenoidkörper,
eine Spule, einen Anker und ein Polstück enthält. Der Solenoidkörper definiert
eine Ankerkammer zwischen dem Anker und dem Polstück. Der
Anker ist in der Ankerkammer in Abhängigkeit von einer Erregung
der Spule bewegbar. In einem Ölzustandserfassungssystem
ist die Spule mit einer Steuerungseinrichtung betriebsmäßig verbunden,
die wenigstens eins aus einer Öltemperatur,
einer Ölviskosität, einem Ölfüllstand
und einem Ölwechselereignis
bestimmen kann. In einer Ausführungsform
können
vier Ölfüllstände, einschließlich eines Überfüllungs-Ölstands
und eines zu niedrigen Ölstands,
erfasst werden. Der Sensor wird als ein integrierter Ölzustands-
und -füllstandssensor bezeichnet,
weil mehrere Erfassungsfunktionen in einem einzigen Sensor integriert
sind.