DE19750620A1

DE19750620A1 - Verfahren zum Bestimmen des Füllstandes einer Flüssigkeitsmenge in einem abgeschlossenen Behälter

Info

Publication number: DE19750620A1
Application number: DE19750620A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Henn
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-06-02
Also published as: FR2771170A1; FR2771170B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Füll standes einer Flüssigkeitsmenge in einem abgeschlossenen Be hälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es sind bereits eine Vielzahl von Einrichtungen bekannt, mit deren Hilfe der Füllstand einer Flüssigkeit in einem abge schlossenem Behälter, beispielsweise der Kraftstoffvorrat in einem Kraftfahrzeugtank bestimmt werden kann.

Neben dem Einsatz von mechanisch/elektrischen Einrichtungen, bei denen z. B. die Bewegung eines Schwimmers auf das Stell glied eines veränderlichen Widerstandes übertragen wird (DE 26 27 865 A) oder rein elektrischen Systemen, bei denen der Füllstand entweder mit einzelnen, in Reihe geschalteten und in die Flüssigkeit eintauchenden Widerstandselementen (DE 26 45 743 C2) mittels kapazitiven Mitteln (DE 28 35 744) oder mit Ultraschall (DE 21 52 675) gemessen wird, ist es auch möglich, Druckänderungen im Tank zur Bestimmung des Füllstan des heranziehen.

Aus der DE 41 07 786 A1 ist hierzu eine Vorrichtung zum Mes sen des Anteils an flüssigem Brennstoff in einem Tank be kannt, die einen Zylinder mit zwei durch eine Membran aufge teilte Membranräume aufweist. Ein Membranraum ist mit dem Tank und der andere mit der Atmosphäre verbunden. Die Membran wird beim Messen unter der Kraftwirkung einer Feder aus einer definierten Stellung in den mit dem Tank verbundenen Membran raum geschoben und die bei gegenüber der Atmosphäre ver schlossenem Tank auftretende Druckänderung oder eine aus dem Membranverschiebeweg abgeleitete Größe als Maß für den Anteil flüssigen Brennstoffes im Tank gewertet. Nach erfolgter Mes sung und bei zur Atmosphäre geöffnetem Tank wird der Membran raum zum Tank verschlossen und zu einer Brennstoff-Förder pumpe geöffnet, so daß die Membran gegen die Kraftwirkung der Feder bis in die definierte Stellung verschoben wird durch den unter Druck in den Membranraum strömenden Brennstoff, der bei erneuter Messung und zur Pumpe verschlossenen und zum Tank geöffneten Membranraum bei zur Atmosphäre verschlossenem Tank in den Tank gefördert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu geben, mit dessen Hilfe auf einfache Weise mit großer Genau igkeit die Flüssigkeitsmenge in einem abgeschlossenen Behäl ter bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des un abhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch Erzeugen einer Druckänderung im Behälter durch Unter druck- oder Überdruckaufbau bis zu einem vorgegebenen Druck wert bei zur Umgebung abgeschlossenem Behälter und anschlie ßendem Auswerten der Zeitkonstante, innerhalb derer ein Druckausgleich zur Atmosphäre hin erfolgt, wobei die Zeitkon stante proportional dem Füllstand im Behälter ist, ergibt sich ein sehr einfaches Verfahren zum Bestimmen des Füllstan des im Behälter.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm der Füllstandsbestimmung.

Die in Fig. 1 in vereinfachter Weise dargestellte Vorrich tung weist einen teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Behälter 1 auf, dessen nicht näher bezeichneter Einfüllstutzen mit ei nem Verschluß 2 hermetisch verschließbar ist. Der Behälter 1 ist über eine Verbindungsleitung 4 mit einer Pumpvorrichtung 7 verbunden. Damit auch bei vollständig gefülltem Behälter 1 keine Flüssigkeit in die Verbindungsleitung 4 und damit zur Pumpvorrichtung 7 gelangen kann, zweigt diese Versorgungslei tung an der Oberseite des Behälters ab. Damit ist gewährlei stet, daß die Pumpvorrichtung 7 mit dem oberhalb der Flüssig keit befindlichen Gasraum des Behälters in Verbindung steht. Mit dem Bezugszeichen FS1 ist in der Fig. 1 ein erster Füll stand der Flüssigkeit, mit dem Bezugszeichen FS2 ein zweiter, gegenüber dem ersten Füllstand geringerer Füllstand FS2 be zeichnet.

In die Verbindungsleitung 4 ist zwischen dem Behälter 1 und der Pumpvorrichtung 7 ein elektrisch ansteuerbares Absperr ventil 5 eingeschaltet. Durch entsprechende Ansteuersignale für das Absperrventil 5, die von einer Steuer- und Meßein richtung 8 ausgegeben werden, kann der Durchlaßquerschnitt der Verbindungsleitung 4 verändert werden, insbesondere kann die Verbindungsleitung 4 vollständig verschlossen oder geöff net werden.

In dem Teilstück der Verbindungsleitung 4, das den Behälter 1 mit dem Absperrventil 5 verbindet, ist ein Belüftungsventil 6 eingeschaltet. Durch entsprechende Ansteuersignale der Steu er- und Meßeinrichtung 8 kann somit der Gasraum des Behälters 1 mit der Atmosphäre verbunden werden.

An der Oberseite des Behälters 1 ist ein Drucksensor 3 ange ordnet, dessen Druckanschluß mit dem Gasraum des Behälters 1 in Verbindung steht. Als Drucksensor 3 kann auch ein Diffe renzdrucksensor eingesetzt werden, dessen erster Anschluß mit dem Gasraum des Behälters 1 und dessen zweiter Anschluß mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Das Signal des Drucksen sors 3 wird zur Aufbereitung und Auswertung der Steuer- und Meßeinrichtung 8 zugeführt.

Anhand des Ablaufdiagrammes nach Fig. 2 wird das erfindungs gemäße Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes im Behälter erläutert. Als Pumpvorrichtung 7 dient dabei eine elektrische Unterdruckpumpe, die mittels Ansteuersignale der Steuer- und Meßeinrichtung 8 aktiviert wird. Dadurch kann im Behälter 1 und der Verbindungsleitung 4 ein Unterdruck erzeugt werden. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Kraftstoffvorrates in einem Tank eines Kraftfahrzeugs kann der bei bestimmten Betriebsbereichen der das Fahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine herrschende Unterdruck im Saugrohr zur Erzeugung des Unterdrucks und damit zur Bestim mung des Füllstandes herangezogen werden.

Alternativ hierzu kann auch eine Pumpvorrichtung 7 verwendet werden, die einen Überdruck im Behälter 1 erzeugt. Im nach folgenden wird eine Variante mit einem Unterdrucksystem er läutert. Für ein Überdrucksystem besteht in der Vorgehenswei se kein wesentlicher Unterschied.

Als Ausgangsbedingung (Zeitpunkt t₀) ist das Belüftungsventil 6 zur Umgebung offen (Fig. 2b)) und das Absperrventil 5 zur Pumpvorrichtung geschlossen (Fig. 2a)). Damit ist der Gas raum oberhalb der Flüssigkeit im Behälter mit der Atmosphäre verbunden. Der Drucksensor 3 zeigt dann den Umgebungsdruck p_u an. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Pumpvorrichtung 7 eingeschal tet, das Absperrventil 5 geöffnet und das Belüftungsventil 6 geschlossen, wodurch ein Unterdruck im Behälter 1 und in der Verbindungsleitung 4 aufgebaut wird. Erreicht der Unterdruck p einen vorgegebenen Schwellenwert p_s (Zeitpunkt t2), so ist die Unterdruckaufbauphase abgeschlossen und die Pumpvorrich tung 7 wird ausgeschaltet. Gleichzeitig wird das Absperrven til 5 geschlossen und das Belüftungsventil 6 geöffnet. Da durch wird ein Druckausgleich zwischen Behälter und Umgebung eingeleitet. Die Luft zum Druckausgleich strömt über das of fene Belüftungsventil 6 über die Verbindungsleitung 4 in den Behälter 1.

Da sich die Verbindungsleitung wie ein Widerstand und der Be hälter wie eine Kapazität verhalten, erfolgt der Druckanstieg äquivalent dem Spannungsanstieg eines RC-Gliedes (Widerstands- Kondensator-Gliedes) eines elektrischen Kreises. Der Druck anstieg hat demnach einen exponentiellen Verlauf mit der Zeitkonstante τ. Die Zeitkonstante τ hängt proportional vom Gasvolumen V im Behälter ab. Ändert sich der Flüssigkeitsin halt im Behälter, so ändert sich linear dazu das Gasvolumen oberhalb der Flüssigkeit und damit die Zeitkonstante τ. Aus der Bestimmung dieser Zeitkonstanten τ kann somit direkt auf den Füllstand im Behälter geschlossen werden.

In Fig. 2c) ist die Zeitkonstante τ für den Füllstand FS1 eingetragen. Nach einer Zeitspanne 5τ ist der Druckausgleich praktisch abgeschlossen (Zeitpunkt t3). Mit gestrichelter Li nie ist der Verlauf des Druckes für den Füllstand FS2 einge zeichnet. Da bei diesem Füllstand FS2 das Gasvolumen größer als dasjenige bei dem Füllstand FS1 ist, ist auch die Zeit konstante T größer und der Druckausgleich ist erst zum Zeit punkt t₄ abgeschlossen.

Im folgenden wird erläutert, wie aus der Zeitkonstante T der Füllstand bestimmt werden kann.

Eine erste Möglichkeit besteht darin, bei Erreichen des Schwellenwertes p_s (Zeitpunkt t2) einen Zeitzähler zu star ten. Mittels des Drucksensors 3 wird der Druck p überwacht und der Zeitzähler angehalten, wenn der Druck p wieder dem Umgebungsdruck p_u entspricht (Zeitpunkt t3 für den Füllstand FS1). Diese Zeitspanne t3-t2 entspricht dann einem Wert von 5τ. Dieser Wert oder der auf die Zeitkonstante τ normierte Wert ist Eingangsgröße eines in einem Speicher 9 der Steuer- und Meßeinrichtung 8 enthaltenen Kennfeldes KF1, in dem zuge hörige Werte für den Füllstand FS abgelegt sind. Die Kenn feldwerte für den Füllstand werden auf dem Prüfstand durch Versuche ermittelt und beinhalten somit u. a. die Geometrie des Behälters und der Verbindungsleitung.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kraftfahrzeug zur Bestimmung des Tankinhaltes verwendet, so kann der ermit telte Füllstand FS dem Führer des Fahrzeuges direkt angezeigt und auch als Parameter zur weiteren Verarbeitung, z. B. als Eingangsgröße zur Leckagediagnose einer Tankentlüftungsanlage herangezogen werden.

Der Füllstand des Behälters kann auch bestimmt werden, indem der Druckverlauf während des Druckausgleiches mit Hilfe eines Modells 1. Ordnung beschrieben wird. Wie bereits eingangs er wähnt, kann hierzu die folgende Analogie zwischen elektri schem und pneumatischen Kreis benutzt werden:

Für den Massenstrom in den Behälter 1 bei Unterdruck gilt:

= -C.Δ (1).

Für den Massenstrom in der Verbindungsleitung 4 gilt:

(1) und (2) gleichgesetzt liefert die Differentialgleichung für den Druckverlauf während des Druckausgleiches

Dies ist eine Differentialgleichung 1. Ordnung mit der Zeit konstanten

und der Anfangsbedingung zum Zeitpunkt t=0: Δp(0)=-Δp_start, wobei -Δp_start dem Differenzdruck p_s-p_u zum Zeitpunkt t2 in der Fig. 2c entspricht.

Mit der Anfangsbedingung und der Dirac-Verteilung δ(t) ergibt sich die Gleichung

Nach Erreichen des Druckwertes p_s zum Zeitpunkt t2 (Fig. 2c) wird der Druck p im Behälter während einer Mindestzeit (Zeitpunkt t3) erfaßt. Mit den in Abtastschritten der Zeit T_A (z. B. 50 msec) vorliegenden N Druckmeßwerten Δp(N.T_A) kann man Gleichung (5) für alle Zeitpunkte angeben:

oder als Matrixgleichung ausgedrückt

Daraus erhält man die Schätzformel

Die Gleichung (5) wird also dazu benutzt, einen Schätzwert für diese Parameter zu erhalten. Dies kann z. B. durch Anwen dung des aus der Mathematik bekannten LEAST-SQUARES-Algo rithmus erfolgen. Als Ergebnis erhält man einen Wert für die Zeitkonstante τ. Aus der Gleichung (4) ist ersichtlich, daß das Volumen V des Gasraumes oberhalb der Flüssigkeit im Be hälter proportional der Zeitkonstante τ ist. Andererseits er gibt sich dieses Gasvolumen aus der Differenz zwischen dem bekannten, durch die Geometrie des Behälters vorgegebenen Ge samtvolumen des Behälters und dem Flüssigkeitsvolumen, das den Füllstand bestimmt. Damit spiegelt der ermittelte Wert für die Zeitkonstante τ den Füllstand wieder.

Gleichung (5) kann auch umgestellt als Modellgleichung be nutzt werden

ΔP=τ.Δ-τΔP_start.δ(t) (9).

Die äquivalente Vorgehensweise zu Gleichung (5) liefert dann die Schätzparameter

In den Schätzgleichungen zur Bestimmung der Parameter wird die Ableitung Δ(n.T_A) an den Abtastzeitpunkten T_A benötigt. Dies muß in der Steuer- und Meßeinrichtung numerisch, z. B. durch Differenzbildung aufeinanderfolgender Werte berechnet werden.

Um das starke Rauschen der numerischen Differentiation und die damit verbundene erhöhte Standardabweichung des Schätz fehlers zu vermindern, können statt der originalen Werte Δp, Δ, δ(n.T_A) auch gefilterte Werte Δp_f, Δ_f, δ_f(n.T_A) verwendet werden. Bedingung dabei ist, daß alle Signale dieselbe Filterfunktion durchlaufen. Als Filterfunktion kann bei spielsweise ein Tiefpaßfilter 1. Ordnung verwendet werden.

Der Schätzwert für die Zeitkonstante bzw.

ist Eingangs größe eines in einem Speicher 9 der Steuer- und Meßeinrich tung 8 enthaltenen Kennfeldes KF2, in dem zugehörige Werte für den Füllstand FS abgelegt sind. Die Kennfeldwerte für den Füllstand werden auf dem Prüfstand durch Versuche ermittelt und beinhalten somit u. a. die Geometrie des Behälters und der Verbindungsleitung.

Die in den Gleichungen angegebenen Bezeichnungen haben fol gende Bedeutung:
Δp = Differenzdruck p-p_u
δ(n.T_A) = Dirac-Verteilung
Δp_f = gefilterter Differenzdruck
Δ_f = gefilterte Ableitung des Differenzdruckes
δ_f(n.T_A) = gefilterte Dirac-Verteilung
ρ_0,air = Dichte der Luft bei Normalbedingungen (ρ_0,air = 1,29 kg/m³)
ρ_0,mix = Dichte des Kraftstoffdampfes bei Normalbedingungen (Normaltemperatur T₀ = 273,15 K, Normaldruck p₀ = 1013 hPa)
ρ_mix = Dichte des Kraftstoffdampfes
ρ_u = Dichte der Umgebungsluft
T = Umgebungstemperatur (=Temperatur des Gasvolumens)
p_u = Umgebungsdruck
p = Tankdruck, absolut
V = Volumen oberhalb der Flüssigkeit im Behälter
l = Länge der Verbindungsleitung
r = Radius der Verbindungsleitung
η = Viskosität der Luft bei Normalbedingungen (η=1,74.10^-5 Ns/m².

Da der Drucksensor einen gewissen Offset aufweist, kann zur Erhöhung der Genauigkeit vor Durchführung des Verfahrens die Nullpunktverschiebung des Sensorsignals bestimmt werden. Dies kann kann mit einer beliebigen, an sich bekannten Methode er folgen. Für die weiteren Berechnungen wird dann das Signal vom Tankdrucksensor um diesen ermittelten Offsetwert korri giert. Durch Ausgasen des Kraftstoffes ergibt sich schon ein Druckanstieg, der ein ähnliches Verhalten aufweist, wie der zur Füllstandsbestimmung genutzte Druckanstieg durch die ein strömende Luft.

Eine bevorzugte Anwendung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Füllstandsbestimmung bei einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges. Tanksysteme von Kraftfahrzeugen sind heutzu tage vielfach mit Tankentlüftungsanlagen ausgerüstet. Darin ist u. a. ein Tankentlüftungsventil enthalten, das in einer Verbindungsleitung zwischen einem, ein Aktivkohlefilter bein haltender Kanister zum Zwischenspeichern von Kraftstoffdämp fen und dem Saugrohr der das Fahrzeug antreibenden Brenn kraftmaschine enthalten ist. Da in bestimmten Betriebsberei chen der Brennkraftmaschine im Saugrohr ein Unterdruck herrscht, kann das Saugrohr als Unterdruckerzeugungseinrich tung verwendet werden. Ein Absperrventil am Kanister, das zum Spülen des Aktivkohlefilters geöffnet wird, verbindet das Tank system zur Entlüftung mit der Umgebung. Für die Leckagedia gnose des Tanksystems ist ein Drucksensor vorgesehen. Ein solches Tanksystem mit Diagnoseverfahren ist beispielsweise in der DE 44 27 688 A1 beschrieben.

Durch die Berücksichtigung des Füllstandes des Kraftstofftan kes bei solchen Verfahren läßt sich die Genauigkeit der Leckagediagnose erhöhen, ohne zusätzlichen Aufwand an Bautei len, da der benötigte Drucksensor für die Füllstandsbestimmung ohnehin in der Tankentlüftungsanlage bereits vorhanden ist. Die Kenntnis des Füllstandes ist insbesondere dann nötig, wenn mit Hilfe solcher Verfahren Leckagen in der Tankanlage in der Größenordnung von 0,5 mm erkannt werden sollen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem abgeschlossenem Behälter, wobei

- der Behälter wahlweise nacheinander mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Druckänderung im Innern des Behälters oder der Atmosphäre verbindbar ist und
- die Druckänderung im Behälter mittels eines Drucksensors erfaßt und zur Bestimmung des Füllstandes ausgewertet wird,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Erzeugen einer Druckänderung in dem nicht mit Flüssigkeit gefülltem Gasvolumen (V) des Behälters (1) bei zur Atmo sphäre hin abgeschlossenem Volumen (V),
- Beenden der Druckerzeugung bei Erreichen eines vorgegebenen Druckwertes (p_s) und Verbinden des Gasvolumens (V) mit der Atmosphäre, so daß ein Druckausgleich bis zum Umgebungs druck (p_u) stattfindet,
- Ermitteln der zum Gasvolumen (V) proportionalen Zeitkonstan te (τ) des Druckverlaufes (p) zwischen Beginn und Ende des Druckausgleiches und anschließendem Bestimmen des Füllstan des (FS1; FS2) der Flüssigkeit durch Auswerten der Zeitkon stante (τ).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderung mittels einer Pumpvorrichtung (7) erzeugt wird, die einen Unterdruck im Behälter (1) aufbaut.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderung mittels einer Pumpvorrichtung (7) erzeugt wird, die einen Überdruck im Behälter (1) aufbaut.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Zeitkonstante (τ) als Eingangsgröße eines in einem Speicher (9) einer Steuer-und Meßeinrichtung (8) ab gelegten Kennfeldes (KF1; KF2) dienen, in dem zugehörige Werte für den Füllstand (FS1, FS2) abgelegt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfeldwerte für den Füllstand (FS1, FS2) experimentell auf dem Prüfstand durch Versuche ermittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante (τ) ermittelt wird, indem die Zeitspanne (t3-t2) gemessen wird, innerhalb derer sich der Druck (p) aus gehend von dem vorgegebenen Druckwert (p_s) zu dem Atmosphä rendruck (p_u) angeglichen hat und ein Fünftel dieser Zeit spanne (t3-t2) als angenäherter Wert für die Zeitkonstante (τ) betrachtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante (τ) ermittelt wird, indem der Druckverlauf (Δp) während des Druckausgleichs mit Hilfe eines mathemati schen Modells in Form einer Differentialgleichung 1. Ord nung mit der Zeitkonstante (τ) beschrieben wird, die fol gende Form aufweist:
ρ_0,air = Dichte der Luft bei Normalbedingungen (ρ_0,air = 1,29 kg/m³)
ρ_0,mix = Dichte des Kraftstoffdampfes bei Normalbedingungen (Normaltemperatur T₀ = 273,15 K, Normaldruck p₀ = 1013 hPa)
Δp= Druckdifferenz p-p_u
δ(t) = Dirac-Verteilung
Δp_start = Differenzdruck p_s-p_u
p_u = Umgebungsdruck
p = Tankdruck
p_s = Schwellenwert
V = Volumen oberhalb der Flüssigkeit im Behälter
l = Länge der Verbindungsleitung
r = Radius der Verbindungsleitung
η = Viskosität der Luft bei Normalbedingungen (η=1,74.10^-5 Ns/m²)
τ = Zeitkonstante.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an stelle der originalen Werte (Δp,Δ,δ(t)) gefilterte Werte Δp_f,Δ_f,δ_f(t) verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Schätzwerte für die Zeitkonstante (τ) mit Hilfe der Least-Squares Methode bestimmt werden.

10. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Füllstandsbestimmung bei einem Kraftstofftank in einem Kraftfahrzeug.