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Diese
Erfindung betrifft generell eine Kraftstoffstandsmessvorrichtung,
genauer gesagt, einen schwimmenden Kraftstoffstandssensor der Kraftstoffstandsmessvorrichtung.
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Die 1 und 2 zeigen einen bekannten vormontierten
Kraftstoffpumpenmodul 10 für ein Kraftfahrzeug, der über ein
Zugangsloch 14, das von einem Umfangsrand 16 einer
Tankwand 18 gebildet wird, welche einen Innenraum oder
eine Kraftstoffkammer 20 umgrenzt, in einen Tank 12 für flüssigen Kraftstoff
eingesetzt ist. Der Pumpenmodul 10 besitzt eine längliche
elektrische Kraftstoffpumpe 22, die im montierten Zustand
typischerweise in der Kraftstoffkammer 20 angeordnet ist,
und einen im Wesentlichen zylindrischen Flansch 24, der über ein
Paar von parallelen Pfosten eines Trägers 26 an der Kraftstoffpumpe 22 befestigt
ist. Im vollständig
am Tank 12 montierten Zustand steht der Flansch 24 in
abgedichteter Weise mit dem Umfangsrand 16 der Kraftstofftankwand 18 in
Eingriff und hängt
die Pumpe 22 vom Flansch 24 und Träger 26 innerhalb
der Kraftstoffkammer 20.
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Der
bekannte Kraftstoffpumpenmodul 10 besitzt eine längliche
Kraftstoffstandsmessvorrichtung 28, die ein Kraftstoffstandssignal über ein
Paar von elektrischen Leitungen 30 einer Kraftstoffstandsanzeigevorrichtung
oder -messvorrichtung zuführt,
die typischerweise an einem Instrumentenpaneel des Fahrzeuges (nicht
gezeigt) montiert ist. Die Leitungen 30 sind mit einem
variablen Widerstand 32 auf einer Karte 34 verbunden,
die in einer Kunststoffbasis 36 eingerastet ist oder darin
sitzt, welche schwenkbar mit dem Träger 26 verbunden ist.
Das Paar der Leitungen 30 erstreckt sich durch den Flansch 24 und
steht nach außen
vom Tank vor.
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Ein
länglicher
Arm 38 vom Wischertyp besitzt ein Basisende 40,
das etwa rechtwinklig abgebogen ist und schwenkbar von der Kunststoffbasis 36 gelagert
ist, um um eine Armachse zu verschwenken. Ein gegenüberliegendes
distales Ende 42 des Wischerarmes 38, das ebenfalls
etwa rechtwinklig abgebogen ist, trägt schwenkbar einen Auftriebskörper oder hohlen
Kunststoffschwimmer 44, der sich um eine Schwimmerachse
dreht, die im Wesentlichen parallel zur Armachse verläuft.
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Der
Schwimmer 44 ist generell planar ausgebildet oder hat im
liegenden Zustand eine geringe Höhe.
Er besitzt eine rechteckige oder zylindrische Form und schwimmt
auf der Oberfläche
des im Tank 12 enthaltenen Kraftstoffs. Wenn sich der Kraftstoffstand
verändert,
wird der Schwimmer 44 mit der Kraftstoffoberfläche angehoben
oder abgesenkt, wodurch der Wischerarm 38 am Basisende 40 verschwenkt
wird und somit mit elektrisch leitenden Kontakten 46 über Kontakte 48 des
variablen Widerstandes 32 streicht oder wischt, wodurch
ein Kraftstoffstandssignal erzeugt wird, das von den Leitungen 30 zur
Kraftstoffstandsanzeige (nicht gezeigt) geführt wird. Die Länge des
Wischerarmes 38 wird durch die Form oder Tiefe des Tanks 12 bestimmt.
Mit anderen Worten, der Wischerarm 38 muss lang genug sein, damit
der Schwimmer auf der Oberfläche
des Kraftstoffs zwischen einer minimalen und maximalen Höhe schwimmen
kann (d. h. vom leeren bis zum vollen Zustand des Kraftstofftanks).
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Der
variable Widerstand 32 besitzt eine Reihe von Kontakten 48,
die auf die Schaltungsplatine oder Karte 34 gedruckt und
Seite an Seite angeordnet sind, so dass eine halbkreisförmige oder
bogenförmige
Orientierung erzielt wird, die vorzugsweise mit der Schwenkachse
des Wischerarmes 38 zusammenfällt. Vorzugsweise besitzt die
Karte 34 eine keramische Substanz. Der Widerstand 32 ist
elektrisch an eine der beiden Leitungen 30 angeschlossen.
Die zweite Leitung ist an einen halbkreisförmigen oder bogenförmigen Kontakt 50 elektrisch
angeschlossen, der ebenfalls auf die Karte 34 gedruckt
ist und vorzugsweise mit der Schwenkachse zusammenfällt. Der
Kontakt 50 ist mit radialem Abstand vom Widerstand 32 und
der Reihe der Kontakte 48 angeordnet und erstreckt sich
in Umfangrichtung mit der Reihe der Kontakte 48, so dass
die elektrischen Kontakte 46, die auf der Unterseite eines
nichtleitenden Sattels oder Kunststoffsattels 52 montiert
sind, welcher am Basisende 40 des Wischerarmes 38 befestigt
ist, den neutralen Kontakt 50 mit einem vorgegebenen Kontakt
oder einigen Kontakten aus der Reihe der Kontakte 48 in
Eingriff bringen, elektrisch überbrücken oder
miteinander verbinden, wenn der Wischerarm 38 durch den
entfernt angeordneten Schwimmer 44, der auf den variie renden
Kraftstoffstand anspricht, die Karte 34 überstreicht.
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Der
elektrische Widerstand des variablen Widerstandes 32 wird
durch die mechanische Bewegung des Wischerarms, der am distalen
Schwimmer 44 befestigt ist, welche auf Änderungen des Kraftstoffstandes
im Kraftstofftank 12 anspricht, verändert. Die Kontakte 46 des
Sattels 52 können
spezielle Kontakte 48 des variablen Widerstandes 32 kontaktieren
und eine elektrischen Überbrückung über den neutralen
Kontakt 50 herstellen, wenn sie vom Sattel 52 und
vom Arm 38 überstrichen
werden, um auf diese Weise die Schaltung des variablen Widerstandes zu
vervollständigen.
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Wenn
sich der Kraftstoffstand im Kraftstofftank 12 verändert, bewegen
sich der Schwimmer 44 und der Wischerarm 38 und
bewirken, dass der Sattel 52 über die bogenförmigen Widerstandskontakte gleitet,
um die wirksame Länge
des variablen Widerstandes 32 zwischen den Anschlussklemmen
zu verändern
und auf diese Weise den effektiven Widerstand des variablen Widerstandes 32 zu
verändern. In
Abhängigkeit
von der Widerstandsänderung ändert sich
der Stromfluss oder die Spannung über die Widerstandskarte, so
dass eine Veränderung,
wie beispielsweise von „voll" auf „leer", in einer entfernt angeordneten
Kraftstoffstandsanzeige (nicht gezeigt) bewirkt wird.
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Im
Betrieb sind die Widerstandsbereiche und leitenden Kontakte 48 des
variablen Widerstandes 32 generell der rauen Kraftstoffumgebung
im Kraftstofftank 12 ausgesetzt. Heptan-Kraftstoffe und insbesondere solche,
die Alkoholergänzungen enthalten,
können
die Widerstandsbereiche und leitenden Kontakte 48, 50 erodieren
und eine sporadische oder rauschbehaftete Kraftstoffstandsanzeige/Messung bewirken.
Teure Herstelltechniken, wie die Aufbringung von Überzügen auf
die Widerstandseinheit und spezielle Gehäuse, müssen angewendet werden, um die
Erosion zu begrenzen. Darüber
hinaus können vorhandene
Kraftstoffstandssensoren auf fehlerhafte Weise funktionieren, wenn
ein wischerkontakt 46 zwischen benachbarte und verschlissene
Kontakte 48 des variablen Widerstandes 32 tritt
oder hiermit plötzlich
außer
Kontakt tritt. Mit anderen Worten, ein Teil des variablen Widerstandes
wird sofort geöffnet
oder unterbrochen, so dass Spannungs- oder Stromspitzen vom Kraftstoffstandssensor
an eine Flüssigkeitsanzeige
abgegeben werden. Dieses Problem tritt zunehmend auf, wenn die leitenden
Kontakte 48 und Ränder
der wischerkontakte 46 verschleißen. Ein anderes Problem betrifft
das „Einfangen" der Wischerkontaktecken
auf abgewinkelten leitenden Kontakten 48. Wenn ein Sattel 52 über die
Widerstandskontakte 48 streicht, können die scharfen Ecken der
Kontakte auf den abgewinkelten leitenden Kontakten 48 „eingefangen" werden, so dass
eine rauschbehaftete Funktionsweise des variablen Widerstandes 32 erzeugt
wird.
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Eine
Kraftstoffstandsmessvorrichtung besitzt einen Kraftstoffstandssensor,
der in einem Kraftstoffstandsschwimmer am distalen Ende eines Schwimmerschwenkarmes
der Vorrichtung integriert ist, die vorzugsweise einen Teil eines
Kraftstoffpumpenmoduls bildet, der innerhalb eines Kraftstofftanks
vorzugsweise für
Automobile angeordnet ist. Eine abgedichtete bogenförmige Kammer
des Schwimmers ist zwi schen einer bevorzugten oder elektrisch leitenden Abdeckung
und einem generell nichtleitenden keramischen Substrat ausgebildet,
das einen Tintenstreifen mit veränderlichem
elektrischen widerstand trägt. Eine
in der bogenförmigen
Kammer freiliegende Bahn besitzt eine konkave Form, die generell
nach oben weist, so dass ein Rollelement seine Position aufgrund
der Schwerkraftwirkung innerhalb der Kammer verändert, wenn der Schwimmerarm
mit sich verändernden
Kraftstoffständen
im Tank nach oben und nach unten verschwenkt wird. Das Rollelement ist
elektrisch leitend und vervollständigt
die Schaltung zwischen der elektrisch leitenden Abdeckung und dem
Tintenstreifen mit veränderlichem
Widerstand. Die abgedichtete Kammer bildet die Bahn für das Rollelement
und sorgt vorzugsweise mindestens teilweise für den Auftrieb des Schwimmers.
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Die
Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung umfassen eine Widerstandskarte
oder einen Widerstandstintenstreifen, die bzw. der gegenüber den
Korrosionseffekten des Kraftstoffs isoliert ist, da sie bzw. er
in einem Schwimmer der Kraftstoffstandsmessvorrichtung abgedichtet
ist. Die bogenförmige Schwimmerkammer
erfüllt
vorzugsweise die doppelte Funktion des Aufnehmens des Wischers oder
Rollelementes und des Vorsehens des schwimmerähnlichen Kraftstoffstandssensors
mit Auftrieb, so dass auf diese Weise die Konstruktion vereinfacht
und die Anzahl der erforderlichen Teile reduziert wird und die Herstellkosten
verringert werden. Weitere Vorteile sind eine robuste Konstruktion,
die eine lange und nutzbare Lebensdauer besitzt.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform,
der besten Art und weise zur Durchführung der Erfindung, den Patentansprüchen und
den beigefügten
Zeichnungen hervor. Von diesen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Kraftstoffpumpenmoduls des Standes
der Technik mit einer Kraftstoffstandsmessvorrichtung;
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2 eine
teilweise vergrößerte perspektivische
Ansicht des Kraftstoffpumpenmoduls des Standes der Technik der 1,
wobei ein Kraftstoffstandssensormechanismus dargestellt ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Kraftstoffpumpenmoduls mit einer Kraftstoffstandsmessvorrichtung
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Schwimmerkraftstoffstandssensors
der Kraftstoffstandsmessvorrichtung;
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5 eine
Vorderansicht des Kraftstoffstandssensors in eine relativ hohen
Kraftstoffstandsposition und mit einer entfernten Abdeckung, um
innere Details zu zeigen;
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6 eine
Vorderansicht des Kraftstoffstandssensors in einer relativ niedrigen
Kraftstoffstandsposition mit entfernter Abdeckung, um innere Einzelheiten
zu zeigen; und
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7 eine
Schnittansicht des Kraftstoffstandssensors entlang Linie 7-7 in 5.
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Wie
die 3-7 zeigen, besitzt eine Kraftstoffstandsmessvorrichtung 60 der
vorliegenden Erfindung, die in einem Kraftstofftank 62 angeordnet ist,
einen länglichen
Betätigungsarm 64,
der schwenkbar an einem Basisende 66 an einer generell
stationären
Einheit 68 und an einem gegenüberliegenden distalen Ende 72 an
einem schwimmenden Kraftstoffstandssensor 70 befestigt
ist. Bei der stationären
Einheit handelt es sich vorzugsweise um einen Kraftstoffmodul, der
dem in der US-PS 6 761 193 B1 beschriebenen Modul entspricht. Dieser Kraftstoffstandssensor 70 funktioniert
zum Teil als Schwimmer mit einer abgedichteten Kammer 74,
die von einem Schwimmergehäuse 76 gebildet
wird, das starr am Schwenkarm 64 befestigt ist. Der Arm
bildet eine Bezugsposition oder Winkelbeziehung zwischen dem schwimmenden
Kraftstoffstandssensor und dem Kraftstoffstand oder hält diese
aufrecht. Mit anderen Worten, die Winkellage (wie durch den Pfeil 78 in 6 angedeutet)
des Kraftstoffstandsensors 70 relativ zur Kraftstoffoberfläche 80 oder
zu einer imaginären
Ebene parallel zur Oberfläche 80 des
Kraftstoffs bestimmt die Kraftstoffstandsanzeige.
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Der
Kraftstoffstandssensor 70 besitzt ein schwerkraftempfindliches
und elektrisch leitendes Element 82, das in der Kammer 74 angeordnet
ist. Das Gehäuse 76 hat
eine generell bogenförmige
Gestalt oder Kontur, die eine innere konkave Bahn 84 ausbildet,
auf der sich das leitende Element 82 bewegt, während es
seine niedrigste Höhe
entlang der Länge
der Bahn sucht und sich der Arm 64 verschwenkt sowie sich
die Vertikallage des schwimmenden Kraftstoffstandssensors 70 mit
dem sich verändernden
Kraftstoffstand verändert.
Vorzugsweise ist das elektrisch leitende Element 82 eine
Metallkugel. Es kann jedoch auch irgendeine andere Form besitzen,
die aufgrund von Schwerkräften
eine geringe Höhe
sucht und elektrisch leitend ist. Andere Alternativen umfassen zylindrische
Formen oder flüssige
Metalle, die leitend sind, wie Quecksilber.
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Das
leitende Element 82 oder die Kugel vervollständigt eine
Schaltung zwischen einem Tintenstreifen 86 mit veränderlichem
Widerstand und kontinuierlich elektrisch leitender Erde oder einem
neutralen Leiter oder Abschnitt 88 des Gehäuses 76.
Eine erste elektrische Leitung 90 oder ein entsprechender Draht
ist an den leitenden Erdungsabschnitt 88 des Gehäuses 76 angeschlossen,
während
eine zweite elektrische Leitung oder ein Signaldraht 92 an
den Widerstandstintenstreifen 86 angeschlossen ist, um einer
entfernt angeordneten Kraftstoffstandsanzeige (nicht gezeigt) ein
veränderliches
Spannungs- oder Stromsignal zuzuführen. Wie am besten in 7 gezeigt,
besitzt der seitliche Querschnitt der Bahn einen im Wesentlichen
spitzen eingeschlossenen Winkel, der als Pfeil 94 gezeigt
ist, so dass die leitende Kugel 82 an zwei Punkten 96, 98 kontinuierlich
die Bahn 84 kontaktiert und auf dieser läuft. Am
ersten Kontaktpunkt 96 läuft die Kugel 82 auf
dem Widerstandstintenstreifen 86 und am zweiten Kontaktpunkt 98 auf dem
Erdungsabschnitt 88 des Gehäuses 76. Das Gewicht
der Kugel 82 bewirkt nicht nur, dass die Kugel die geringste
Höhe entlang
der Bahn 84 sucht, sondern auch, dass sie in einem im Wesentlichen
kontinuierlichen Kontakt mit dem Widerstandtintenstreifen 86 und
dem Erdungsabschnitt 88 des Gehäuses 76 bleibt.
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Ausführungsformen
des Tintenstreifens 86 mit variablem Widerstand sind in
der Veröffentlichung SAE
Technical Paper Series 2002-01-1074 mit dem Titel „Design
Guidelines for Automotive Fuel Level Sensors" von E. F. Smith, März 4-7, 2002 wiedergegeben.
Zur Vereinfachung der Herstellung wird der Streifen 86 an
einem im Wesentlichen planaren und nichtleitenden Abschnitt 100 des
Gehäuses 76,
das vorzugsweise aus einem keramischen Substrat hergestellt ist,
angeheftet. Der Streifen 86, auf dem der erste Kontaktpunkt 96 der
leitenden Kugel 82 läuft,
ist im Wesentlichen vertikal und bildet einen Bogen, der in Aufwärtsrichtung
konkav ist. Die tatsächliche
Kontur der bogenförmigen
Kammer 74 oder des Kanals wird vom leitenden Erdabschnitt 88 des
Gehäuses 76 gebildet,
das vorzugsweise eine metallische Abdeckung ist, die während der
Herstellung auf einfache Weise konturiert oder gestanzt wird. Getrennt
gesehen bildet die Abdeckung 88 eine bogenförmige Nut 102,
die sich seitlich zum keramischen Substrat 100 und direkt
darüber
vom Tintenstreifen 86 öffnet.
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Der
Außenumfang 104 des
keramischen Substrates 100 trägt eine Lötfahne 106 zur Ausbildung
einer hermetischen Abdichtung mit der Abdeckung 88 über einen
Lötprozess.
In entsprechender Weise sorgt ein Loch 108 im keramischen
Substrat 100 für
eine elektrisch leitende Bahn zum Anschließen des Signaldrahtes 92 an
den Streifen 86, die ebenfalls über einen Lötprozess hermetisch abgedichtet
wird.
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Wie
in den 5 und 6 gezeigt, schwenkt der Trägerarm 64
im Betrieb um eine Schwenkachse 110 über einen Winkelbereich von etwa
60°-90° von einem
vollen Kraftstoffstand (nicht gezeigt) über einen halbvollen Kraftstoffstand,
wie in 5 gezeigt, bis zu einem niedrigen oder nahezu leeren
Kraftstoffstand, wie in 6 gezeigt. Der Kraftstoffstandssensor
oder Schwimmer 70 ist somit so konstruiert, dass er sich
in Umfangsrichtung um den Schwenkpunkt oder die Achse 110 über einen Winkelbereich
von etwa 60°-90° und vorzugsweise über etwa
75°-90° bewegt.
In entsprechender Weise ist die Krümmung der Bahn 84 im
Wesentlichen bogenförmig
und hat vorzugsweise einen im Wesentlichen konstanten Radius von
einer Mittellinie 112 aus. Die Schwenkachse 110 und
die Mittellinie 112 sind vorzugsweise parallel zueinander
angeordnet und werden vom Betätigungsarm 64 auf
Abstand gehalten. Wenn sich somit der Schwimmer oder Kraftstoffstandssensor 70 in
Umfangsrichtung um den Schwenkpunkt 110 bewegt, bewegt
sich auch die Kugel 82 in Umfangsrichtung um die Mittellinie 112 mit dem
gleichen wünschenswerten
Winkelbereich von etwa 60°-90° und vorzugsweise
75°-95°.
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Die
hier beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung bilden eine gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsform.
Es sind jedoch auch viele andere Ausführungsformen möglich. Obwohl
beispielsweise der Erdleiter oder neutrale Abschnitt 88 des
Gehäuses 76 vorzugsweise
einheitlich mit dem Gehäuse ausge bildet
ist, so dass die Anzahl der Teile reduziert wird, kann es sich bei
dem Leiter 88 auch um eine Plattierung oder um einen am
restlichen Teil des Gehäuses
haftenden Streifen handeln. Es sollen hier nicht sämtliche
möglichen äquivalenten
Ausführungsformen
oder Verzweigungen der Erfindung aufgeführt werden. Es versteht sich,
dass die hier verwendeten Begriffe lediglich beschreibend und in
keiner Weise beschränkend
sind und dass diverse Änderungen
durchgeführt
werden können,
ohne von der Lehre und vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die
in den Patentansprüchen
wiedergegeben sind.