DE19718526C1

DE19718526C1 - Verfahren zur Bestimmung des Füllzustandes eines Fahrzeug-Brennstofftankes

Info

Publication number: DE19718526C1
Application number: DE1997118526
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl Ing Lange
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-05-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Füll zustandes eines Fahrzeug-Brennstofftankes.

Herkömmliche Methoden zur Füllzustandbestimmung von Fahrzeug tanks bestehen in der mechanischen Messung der Höhe des Füll zustandes. Dabei wird über einen drehbar gelagerten Schwim merhebel die Höhe des Füllstandes ermittelt. Dieses Verfahren ist ungenau und störanfällig, aufgrund der erforderlichen me chanischen Komponenten unterliegt die bekannte Vorrichtung einem allmählichen Verschleiß. Außerdem treten Verschmutzungs probleme auf, da die Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstan des sich innerhalb des Tanks befindet. Bei auftretenden Kräf ten werden die Ergebnisse verfälscht, insbesondere gilt dies auch bei Lageänderungen des Tanks, beispielsweise bei Bergab- oder Bergauffahrten und Kurvendurchfahrten.

Darüber hinaus ist es aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 19 712 A1 bekannt, den Füllzustand eines Tankes durch eine Messung seines Gesamtgewichtes zu bestimmen. Auch dieses Verfahren ist jedoch ungenau und zudem sehr kostenaufwendig, außerdem ist es ebenfalls anfällig gegen äußere Einflüsse, insbesondere gegen Stoßbelastungen und Beschleunigungskräfte.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zu schaffen, mit der auf einfache und kostengünstige Weise ein Verfahren zur genauen Bestimmung des Füllzustandes eines Fahrzeug-Brenn stofftankes geschaffen wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Brennstofftank schwingend bzw. federnd gelagert wird, die Re lativschwingung wenigstens eindimensional zum Fahrzeug gemes sen und über die ermittelte Schwingung die Masse und hierüber rechnerisch der Tankinhalt ermittelt wird.

Mit diesem Verfahren wird die feste, staatische Verbindung zwischen Fahrzeug und Fahrzeugtank aufgehoben. Der Tank erhält die Möglichkeit, sich relativ zu dem Fahrzeug zu bewegen. Aus den ermittelten Schwingungswerten kann nach einem einfachen physikalischen Prinzip die Masse des mehr oder weniger gefüll ten Tanks bestimmt werden, woraus sich durch Umrechnung der Tankinhalt ergibt.

Im Gegensatz zur Bestimmung des Gewichts, das durch äußere Kräfte beeinflußt wird, wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren die nicht durch äußere Kräfte beeinflußbare Masse bestimmt.

Wird der Tank gemäß der Erfindung schwingend bzw. federnd ge lagert, so gilt bei eindimensionaler Schwingung folgende Glei chung:

m = k/ω²,

wobei m = die Masse, k = die Federkonstante und ω die Kreis frequenz darstellt. ω tritt dabei als Quadratfunktion auf, daher wird bei kleiner werdendem m pro gleichbleibendem Δm das entsprechende Δω entsprechend der Quadratfunktion relativ grö ßer. Bei abnehmender Masse wächst daher die Genauigkeit der Massebestimmung. Dies ist im praktischen Einsatz von besonde rem Vorteil, insbesondere gegenüber den bekannten Verfahren. Gerade bei der Bestimmung des Füllzustandes eines Fahrzeug- Brennstofftankes ist es häufig besonders wichtig, die noch im Tank befindliche Restbrennstoffmenge zu ermitteln, damit rechtzeitig nachgetankt und ein Liegenbleiben des Fahrzeugs mit leerem Tank vermieden wird.

Mit einer Bestimmung der Eigenfrequenz des Tanks durch ein fache Messung derselben läßt sich gleichzeitig auf die Masse des mehr oder weniger gefüllten Tanks schließen und daraus auf den Füllzustand sowie direkt auf die gespeicherte Energie, da der Brennwert immer auf die Masse bezogen ist und Dichteabwei chungen keine Rolle mehr spielen. Dabei gilt folgende Bezie hung:

f = ω/2π.

Es ergibt sich zusammenfassend folgender Zusammenhang:

m = k/4 π²f².

somit gilt:

Vorzugsweise wird der Brennstofftank derart schwingend bzw. federnd gelagert, daß die Relativschwingung des Tanks zum Fahrzeug in einem hinreichend verschiedenen Frequenzbereich zur Schwingung des Fahrzeugs erfolgt.

Auf diese Weise ist eine einfache Frequenzbestimmung der Rela tivschwingung des Brennstofftanks daraus abgeleiteter Massen- und Füllzustandsbestimmung möglich, da die sich überlagernden Schwingungen bei deutlich verschiedener Frequenz gut ausein ander gehalten werden können.

In Ausgestaltung ist vorgesehen, daß ein auf dem Mittelpunkt des Tankes ausgerichtetes Spulensystem zur Schwingungsermitt lung eingesetzt wird.

Dieses Spulensystem wird in Richtung der gewählten Schwin gungsdimension installiert. Bei ungleichmäßiger Massevertei lung werden unterschiedliche Eigenfrequenzen an verschiedenen Punkten des Tanks hervorgerufen. Die Schwingfrequenz des Mit telpunktes kann ggf. ein geometrischer Mittelwert sein.

In Ausgestaltung ist auch vorgesehen, daß der Tank mehrfach schwingend bzw. federnd gelagert wird, und an jeder Lagerung ein Spulensystem zur Schwingungsermittlung eingesetzt wird, wobei nach einem anschließenden mathematischen Vergleich ein Gesamtwert gebildet wird.

Hiermit kann bei ungleichmäßiger Masseverteilung und unter schiedlichen Eigenfrequenzen an verschiedenen Punkten des Tanks eine genauere Füllzustandsbestimmung erfolgen.

Die Erfindung sieht weiter vor, daß eine Spule mit Kern einge setzt wird mit fester Kupplung des Kerns oder der Spule am Tank und fester Kupplung der Spule oder des Kerns am vom Fahr zeug gebildeten Bezugssystem, wobei der über das Spulensystem aufgenommenen Schwingfrequenz eine Elektronik zur Ermittlung des Tankinhalts zugeführt wird. Bei schwingendem Tank führen Spule und Kern Relativbewegungen zueinander mit unterschiedli cher Frequenz aus. Die Frequenz des Bezugssystem ist konstruk tiv bedingt und kaum veränderlich. Die Frequenz des Tanks ist abhängig von der Masse, die ebenfalls kaum verändert werden kann, und von der Federung. Bei geeigneter Federung kann nur ein Frequenzbereich des Tanks gewählt werden, der nicht mit Eigenfrequenz des Bezugssystem kollidiert. Das Spulensystem ist einfach und preisgünstig herzustellen. Mit diesem kann die Frequenz des Tanks ermittelt und einer Elektronik zur Ermitt lung des Tankinhaltes zugeführt werden. Hierbei kann bei Ein satz eines geeigneten Prozessors ein entsprechendes Signal zur direkten Anzeige der Masse oder des Füllstandes erzeugt wer den.

Während der Tank bei einem in Bewegung befindlichen Fahrzeug automatisch angeregt wird, so daß die Frequenz problemlos ab genommen werden kann, sieht die Erfindung bei dem in Ruhe be findlichen Fahrzeug vor, daß über das Spulensystem im Tank eine Schwinganregung aufgeprägt wird mit der Ermittlung des Tankinhaltes über die nachfolgende Schwingung des Tanks. Dabei kann der Tank durch einen Stromstoß durch die Spule kurz ange regt werden, anschließend dann dieselbe Spule zur Aufnahme der Schwingfrequenz verwendet werden. Dabei kann vorgesehen sein, daß der Tank bei in Ruhe befindlichem Fahrzeug in regelmäßigen Abständen angeregt wird, um die Tankanzeige jeweils auf dem Laufenden zu halten.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch möglich, daß die Schwingfrequenz des Tanks über wenigstens ein piezo-elektri sches Element abgenommen wird.

Um ein alle Füllzustände zutreffend erfassendes Ergebnis zu erhalten, sieht die Erfindung auch vor, daß zur Eichung des Systems die schwingende Masse des leeren Tanks ermittelt und in der einzusetzenden Elektronik gespeichert wird. Dadurch lassen sich die Toleranzen eines Tankes ausschalten. Die Grundmasse des Tanks wird fest gespeichert und bei jeder neuen Massebestimmung automatisch abgezogen. Dabei wird eine gute Genauigkeit insbesondere bei fast leerem Tank erreicht.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zur Lagerung des Brennstofftanks Federn aus Federstahl verwendet werden.

Derartige Federn weisen eine beständige Federrate auch über lange Zeiträume auf insbesondere, wenn die Auslenkung relativ gering ist. Zur Massebestimmung ist nur eine geringe Relativ schwingung des Tanks gegenüber dem vom Fahrzeug gebildeten Bezugssystem erforderlich, die erforderliche Amplitude ist gering. Die dadurch möglich werdende harte Aufhängung mit ei ner hohen Federkonstanten läßt auch keine Probleme bei dem vorhandenen Bauraum eines Kraftfahrzeuges auftreten.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher er läutert. Diese zeigt in

Fig. 1 einen in einen Pkw eingebauten Satteltank,

Fig. 2 einen an einen Lkw außen angebauten Tank,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des vereinfachten Signals, der darauf aufbauenden Auswertung und der daraus abge leiteten Füllstandsanzeige,

Fig. 4 eine qualitative Darstellung der Funktion.

Ein in einen nicht näher dargestellten Pkw eingebauter Sattel tank 2 auf ist einer allgemein mit 1 bezeichneten erfindungs gemäßen Vorrichtung auf Schraubenfedern 3, 3' gelagert und an entsprechenden Fahrzeugteilen 4, 4' befestigt. In Richtung der Federkraft schwingt der Tank 2 entweder aufgrund entsprechen der Fahrzeugbewegungen oder entsprechender Anregung des Tanks 2 auf- und abwärts, was mit dem mit ω bezeichneten Doppelpfeil angedeutet ist. Die Schwingungsfrequenz wird durch den mit 5 bezeichneten Frequenzabnehmer ermittelt. Bei einem außenlie genden Lkw-Tank 6, der beispielsweise mit Blattfedern 7 am Rahmen 8 des nicht näher dargestellten Lkws gelagert ist, wird die Auf- und Abwärtsschwingung des Tanks 6, wiederum angedeu tet durch den mit ω bezeichneten Doppelpfeil, durch einen Fre quenzabnehmer 5 ermittelt. Dabei kann der Frequenzabnehmer 5 beispielsweise als Spulensystem 5 mit einer Spule und einem Kern oder als piezo-elektrisches Element 5 ausgebildet sein.

Das ermittelte Signal 9, 9', 9'', das in vereinfachter Darstel lung in Fig. 3 dargestellt ist, wird über eine Elektronik 10 ausgewertet und über eine Anzeigeeinrichtung 11 zur Anzeige gebracht.

Mit der Erfindung wird die Masse eines mehr oder weniger ge füllten Tanks 2, 6 bestimmt. Dabei handelt es sich bewußt um die Bestimmung der nicht durch äußere Kräfte beeinflußbaren Masse, im Gegensatz zur Bestimmung des Gewichts, das durch äußere Kräfte beeinflußt wird. Hierzu wird der Tank 2, 6, wie dargestellt, federnd gelagert, beispielsweise durch die Schraubenfedern 3, 3' bzw. die Blattfedern 7, 7', und zwar vor zugsweise so, daß der Tank 2, 6 nur in einer Dimension schwingt. Dabei wird folgendes physikalisches Gesetz ange wandt:

m = k/ω²

mit m = Masse, ω = Kreisfrequenz.

ω tritt als Quadratfunktion auf, daher wird bei kleiner wer dendem m pro gleichbleibendem Δm das entsprechende Δω entspre chend der Quadratfunktion relativ größer. Die Genauigkeit der Massebestimmung wächst mit abnehmender Masse. Da m aufgrund der Grundmasse des Tanks 2, 6 niemals gegen 0 geht, sind hier gewisse Grenzen gesetzt. Qualitativ sieht die Funktion sodann, wie in Fig. 4 aus. Mit Bestimmung der Eigenfrequenz durch einfache Messung derselben läßt sich einfach auf die Masse des fremd angeregten Tanks 2, 6 schließen, entsprechend auf den Füllgrad. Dabei gilt dann weiterhin folgende Beziehung:

f = ω/2π.

Allenfalls gilt zusammenfassend folgender Zusammenhang:

m = k/4π²f².

Da das Bezugssystem (Pkw, Lkw) in einem ähnlichen Frequenz bereich wie der Tank 2, 6, schwingt, ist eine einfache Fre quenzbestimmung schwer bis unmöglich. Es ist daher unabding bar, die beiden entsprechenden Frequenzbereiche hinreichend verschieden zu wählen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Füllzustandes eines Fahrzeug-Brenn stofftankes, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstofftank (2, 6) schwingend bzw. federnd (3, 3', 7) gelagert wird, die Relativschwingung (ω) wenigstens eindimen sional zum Fahrzeug gemessen und über die ermittelte Schwin gung die Masse und hierüber rechnerisch der Tankinhalt ermit telt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativschwingung des Tanks (2, 6) zum Fahrzeug in ei nem hinreichend verschiedenen Frequenzbereich zur Schwingung des Fahrzeugs erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Mittelpunkt des Tankes (2, 6) ausgerichtetes Spulensystem (5) zur Schwingungsermittlung eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (2, 6) mehrfach schwingend bzw. federnd gelagert wird, und an jeder Lagerung ein Spulensystem zur Schwingungs ermittlung eingesetzt wird, wobei nach einem anschließenden mathematischen Vergleich ein Gesamtwert gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule mit Kern (5) eingesetzt wird mit fester Kopp lung des Kerns (5) oder der Spule (5) am Tank (2, 6) und fester Kopplung der Spule oder des Kerns am vom Fahrzeug gebildeten Bezugssystem, wobei die über das Spulensystem (5) aufgenommene Schwingfrequenz (ω) einer Elektronik zur Ermittlung des Tank inhaltes zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem in Ruhe befindlichen Fahrzeug über das Spulensy stem (5) dem Tank (2, 6) eine Schwinganregung aufgeprägt wird mit Ermittlung des Tankinhaltes über die nachfolgende Schwin gung (ω) des Tanks (2, 6).

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingfrequenz (ω) des Tanks (2, 6) über wenigstens ein piezo-elektrisches Element (5) abgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung des Systems die schwingende Masse des leeren Tankes (2, 6) ermittelt und in der einzusetzenden Elektronik (10) gespeichert wird.