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Dokumentenidentifikation DE102006025076A1 06.12.2007
Titel Kraftstoffsensor
Anmelder Hella KGaA Hueck & Co., 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Müller, Hagen, Dr., 33181 Bad Wünnenberg, DE;
Kühnau, Uwe, Dr., 59227 Ahlen, DE
DE-Anmeldedatum 30.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006025076
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse B60K 15/04(2006.01)A, F, I, 20060530, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B67D 5/32(2006.01)A, L, I, 20060530, B, H, DE   G01N 33/22(2006.01)A, L, I, 20060530, B, H, DE   G01N 33/26(2006.01)A, L, I, 20060530, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffsensoreinrichtung (3), geeignet zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten, umfassend ein Gehäuse (30), durch das der Kraftstoff während des Betankens hinein- und/oder hindurchfließen kann, mindestens eine Heizvorrichtung (5), die zum Aufheizen des Kraftstoffs während des Betriebs der Kraftstoffsensoreinrichtung (3) geeignet ist, und Mittel zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Schutzvorrichtung zur Vermeidung einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs.

Beschreibung[de]
STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffsensoreinrichtung zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Schutzvorrichtung zur Vermeidung einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs.

Unbeabsichtigte Fehlbetankungen eines Kraftfahrzeugs mit einem für den jeweiligen Motortyp ungeeigneten Kraftstoff können den Motor beschädigen. Beispielsweise reagieren moderne Hochdruckeinspritzsysteme von Dieselmotoren sehr empfindlich auf Änderungen in der Schmierfähigkeit, die insbesondere durch eine Verdünnung des Dieselkraftstoffs mit Ottomotorkraftstoffen hervorgerufen werden können. Es hat sich gezeigt, dass bereits eine kurzfristig unterbrochene beziehungsweise verschlechterte Schmierung eine irreparable Schädigung der Hochdruckeinspritzanlage und somit einen kompletten Austausch der Kraftstoffanlage zur Folge haben kann.

Kraftstoffsensoreinrichtungen zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten und zur Erkennung von Fehlbetankungen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Zum Beispiel wurde von der Universität des Saarlands eine Kraftstoffsensoreinrichtung zur Erkennung von Fehlbetankungen entwickelt, die als Gassensor arbeitet. Die Kraftstoffsensoreinrichtung muss dabei vom flüssigen Kraftstoff getrennt werden, da ein Kontakt mit dem flüssigen Medium die sensitive Fläche der Kraftstoffsensoreinrichtung zerstört. Die bekannte Kraftstoffsensoreinrichtung hat den Nachteil, dass sie auf eine Vielzahl von Gasen reagiert und daher nur eine geringe Selektivität für Ottomotorkraftstoffe aufweist. Ferner ist eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Dieselkraftstoffen nicht möglich.

Im Stand der Technik werden häufig mechanische Schutzvorrichtungen eingesetzt, um eine Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs zu verhindern. Derartige mechanische Schutzvorrichtungen orientieren sich zum Beispiel am Innendurchmesser einer Zapfpistole für Dieselkraftstoffe und gestatten nur dann eine Betankung des Fahrzeugs, wenn die Zapfpistole einen bestimmten Mindestdurchmesser aufweist.

Mechanische Schutzvorrichtungen können allerdings keinen zuverlässigen Schutz gewährleisten, da eine Vielzahl verschiedener, teilweise unterschiedlich genormter Zapfpistolen existiert.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Kraftstoffsensoreinrichtung zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine schnelle Erfassung einer Fehlbetankung ermöglicht. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schutzvorrichtung zur Vermeidung von Fehlbetankungen zur Verfügung zu stellen, mittels derer Schäden, die auf Grund einer Fehlbetankung auftreten können, wirksam vermieden werden können.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Kraftstoffsensoreinrichtung durch eine Kraftstoffsensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Schutzvorrichtung wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe durch eine Schutzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Anspruch 1 umfasst eine erfindungsgemäße Kraftstoffsensoreinrichtung, die zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten geeignet ist:

  • – ein Gehäuse, durch das der Kraftstoff während des Betankens hinein- und/oder hindurchfließen kann,
  • – mindestens eine Heizvorrichtung, die zum Aufheizen des Kraftstoffs während des Betriebs der Kraftstoffsensoreinrichtung geeignet ist,
  • – Mittel zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kraftstoffsensoreinrichtung können unterschiedliche charakteristische Temperaturen des Kraftstoffs, die eine Unterscheidung unterschiedlicher Kraftstoffsorten ermöglichen, bestimmt werden. Die Kraftstoffsensoreinrichtung kann in verschiedenen Einbauorten (zum Beispiel im Zulauf des Tanks oder unmittelbar im Tank) eingebaut sein und in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden.

Die Strömungsführung der Kraftstoffsensoreinrichtung erzeugt eine viskositätsabhängige Strömung. Dünnflüssigere Medien durchströmen die Kraftstoffsensoreinrichtung schneller. Auf Grund ihrer unterschiedlichen Viskositäten können Benzin- und Dieselkraftstoffe zuverlässig unterschieden werden. Eine zusätzliche Strömung kann durch eine Dampfblasenbildung erzeugt werden, wenn die Heizflächentemperatur der Heizvorrichtung oberhalb des Siedebeginns beziehungsweise der Siedetemperatur des Kraftstoffs liegt. Dies wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Kraftstoffsensoreinrichtung ausgenutzt.

Beispielsweise kann die Kraftstoffsensoreinrichtung in den nachfolgend aufgeführten Betriebsarten betrieben werden:

  • 1. Die Heizvorrichtung der Kraftstoffsensoreinrichtung wird mit einem konstanten Strom beaufschlagt und die sich einstellende Gleichgewichtstemperatur wird als charakteristische Temperatur bestimmt. Da Dieselkraftstoffe grundsätzlich einen größeren Wärmeableitungswiderstand als Benzinkraftstoffe (Ottomotorkraftstoffe) aufweisen, ist dies anhand der Gleichgewichtstemperatur (auch anhand des Stromverbrauchs für ein definiertes Zeitintervall oder anhand von Aufheiz- und Abkühlzeiten) erkennbar. Die Siedebereiche von Diesel- und Ottomotorkraftstoffen liegen relativ weit auseinander. Eine Einstellung der Kraftstoffsensoreinrichtung während ihres Betriebs auf Gleichgewichtstemperaturen, die knapp unterhalb des Siedebeginns von Dieselkraftstoff liegen, ist vorteilhaft, da eine Zumischung von Benzin durch eine deutliche Herabsetzung der Gleichgewichtstemperatur erkannt werden kann.
  • 2. Die Heizvorrichtung der Kraftstoffsensoreinrichtung wird während des Betriebs mit einem konstanten Strom aufgeheizt. Dabei wird als charakteristische Temperatur die Übergangstemperatur von einer konduktiven Wärmeableitung hin zu einer konvektiven Wärmeableitung anhand des Temperaturprofils erkannt. Diese Übergangstemperaturen von Diesel- und Ottomotorkraftstoffen sind deutlich verschieden, so dass eine Unterscheidung verschiedener Kraftstoffsorten möglich ist.
  • 3. Die Heizvorrichtung der Kraftstoffsensoreinrichtung wird mit einer stetigen Stromrampe betrieben. Dabei wird die Übergangstemperatur als charakteristische Temperatur aus dem sich ergebenden Temperaturprofil bestimmt.
  • 4. Die Heizvorrichtung wird mit konstantem Widerstand (beziehungsweise mit konstanter Temperatur) betrieben. Zur Unterscheidung zwischen Benzin- und Dieselkraftstoffen kann die Temperatur so eingestellt werden, dass sie zwischen den Siedetemperaturen von Benzin und Diesel liegt. Wird die Temperatur zum Beispiel auf 150°C eingestellt, so ist für Dieselkraftstoffe kein Sieden zu erwarten, während Benzin bei dieser Temperatur bereits stark siedet. Zur Einstellung eines konstanten Widerstands der Heizvorrichtung (beziehungsweise einer konstanten Heizflächentemperatur) wird der elektrische Strom geregelt. Für eine Dieselströmung ist der benötigte elektrische Strom im Vergleich zu einer Benzinströmung relativ klein, da die viskositätsbedingte Strömung durch eine signifikante Siedeströmung überlagert ist. Diese Betriebsart der Kraftstoffsensoreinrichtung ist mit der eines Schwellwertschalters (Schmitt-Triggers) in der Elektronik vergleichbar. PTC-Heizelemente mit einer im Wesentlichen parabelförmigen Widerstandskennlinie haben hierbei den Vorteil einer gewissermaßen selbstregulierenden Heizflächentemperatur und sind gegenüber PTC-Heizelementen mit einem im Wesentlichen linearen Kennlinienverlauf, wie er zum Beispiel für Platin-Heizelemente charakteristisch ist, vorteilhafter.
  • 5. Die Heizvorrichtung wird mit konstanter Spannung beziehungsweise konstanter Leistung betrieben.

Wird die Heizvorrichtung mit konstantem Strom betrieben, so kann durch eine entsprechende Wahl der Stromstärke eine zusätzliche Siedeströmung von Benzin eine Unterscheidung von Diesel erleichtern.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffsensoreinrichtung besteht darin, dass das grundlegende Messprinzip, welches der Kraftstoffsensoreinrichtung zu Grunde liegt, relativ einfach ist und dass somit die Kraftstoffsensoreinrichtung verhältnismäßig kostengünstig und in robuster Ausführung herstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffsensoreinrichtung geht von der Erkenntnis aus, dass unterschiedliche Kraftstoffsorten, wie zum Beispiel Dieselkraftstoffe oder Ottomotorkraftstoffe unterschiedliche Siedebereiche beziehungsweise Siedetemperaturen besitzen. Durch eine Bestimmung der Siedetemperatur des zugetankten Kraftstoffs kann somit bestimmt werden, ob es sich bei der Kraftstoffsorte um den für den jeweiligen Motorentyp geeigneten Kraftstoff handelt. Die Kraftstoffsensoreinrichtung ist ferner in der Lage, verschiedene Dieselkraftstoffe zu unterscheiden.

Die Kraftstoffsensoreinrichtung ist sehr empfindlich und darüber hinaus in der Lage, Fehlbetankungen relativ schnell zu erkennen, so dass das Einspritzsystem des Motors wirksam vor Schäden geschützt werden kann. Ferner können selbst geringe Zumischungen eines Ottomotorkraftstoffs zum Dieselkraftstoff zuverlässig erkannt werden.

Wird die Heizvorrichtung der Kraftstoffsensoreinrichtung mit Strom beaufschlagt, so erlaubt der am Heizelement gemessene Temperaturverlauf die Detektion eines Übergangs von einer konduktiv dominierten Wärmeleitung hin zu einer konvektiv dominierten Wärmeleitung. Diese Übergangstemperatur ist als Anzeichen eines veränderten Wärmeübergangs für verschiedene Dieselkraftstoffe charakteristisch. So beträgt zum Beispiel die Übergangstemperatur von Biodiesel etwa 250°C, diejenige von herkömmlichem Diesel etwa 210°C und diejenige von synthetischen Kraftstoffen etwa 180°C. Die Übergangstemperatur ist auch charakteristisch für Mischungen zweier Dieselkraftstoffe. So kann zum Beispiel durch eine Bestimmung der Übergangstemperatur mit Hilfe der Kraftstoffsensoreinrichtung auf die Kraftstoffmischung geschlossen werden. Dazu können geeignete Mischungsrechnungen durchgeführt werden.

Durch die Erfassung einer Fehlbetankung kann die Kraftstoffsensoreinrichtung eine Zerstörung der Einspritzpumpe verhindern und die weiteren Aggregate der Kraftstoffanlage vor Abriebspartikeln der Einspritzpumpe schützen. Die Überwachung der Sensorsignale durch die Motorsteuerung erleichtert darüber hinaus die Schadensregulierung an Einspritzpumpen.

Wesentlich für eine zuverlässige Detektion einer Fehlbetankung ist es, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung die verschiedenen Kraftstoffarten zuverlässig erkennen kann. Aufgrund der großen Siedepunktsdifferenz zwischen einem Ottomotor- und einem Dieselmotorkraftstoff gelingt die Detektion von Benzinzumischungen zu Dieselkraftstoffen mit der hier gezeigten Kraftstoffsensoreinrichtung in besonders vorteilhafter Weise, da der Wärmeübergang an der Heizvorrichtung schon von kleinen Spuren eines Ottomotorkraftstoffs sehr deutlich verändert wird.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Kraftstoffsensoreinrichtung besteht neben der Erkennung einer Fehlbetankung des Kraftfahrzeugs darin, dass die aktuelle Zusammensetzung des Kraftstoffs im Kraftstofftank bestimmt werden kann und dass Informationen über diese Zusammensetzung dem Motormanagement zur Verfügung gestellt werden können. So erlaubt zum Beispiel die Kenntnis über die Art und die Zusammensetzung des im Kraftstofftank vorhandenen Dieselkraftstoffs eine Nachführung und Anpassung des Einspritzzyklus und führt somit zu verbesserten Verbrennungsabläufen und geringeren Schadstoffemissionen.

Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung ein NTC-Heizelement oder ein PTC-Heizelement, welches mindestens abschnittsweise in das Gehäuse hineinragt. Das PTC-Heizelement kann zum Beispiel einen im Wesentlichen parabelförmigen Kennlinienverlauf aufweisen. Dadurch kann, wie bereits oben erwähnt, eine gewissermaßen selbstregulierende Heizflächentemperatur erhalten werden. Die Heizvorrichtung kann auch ein herkömmliches Platinheizelement mit einem im Wesentlichen linearen Kennlinienverlauf umfassen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse einen Kraftstoffeinlauf umfasst, der insbesondere als Lochplatte ausgeführt ist. Dadurch kann die Kraftstoffsensoreinrichtung explosionssicher ausgestaltet werden, so dass sie insbesondere auch im Gasraum des Kraftstofftanks betrieben werden kann.

Um ein Trockenlaufen der Kraftstoffsensoreinrichtung während des Betriebs zu verhindern, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung eine im Wesentlichen siphonartige Überlaufstruktur aufweist, die im Gehäuse der Kraftstoffsensoreinrichtung ausgebildet ist.

Es kann in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung mindestens ein Volumenstrombegrenzungsmittel aufweist, um den Volumenstrom des einströmenden Kraftstoffs in der Kraftstoffsensoreinrichtung zu begrenzen. Das mindestens eine Volumenstrombegrenzungsmittel kann beispielsweise eine Lochblende oder einen Bernoulli-Kanal umfassen.

Es besteht weiterhin in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung Druckbegrenzungsmittel aufweist. Die Druckbegrenzungsmittel können zum Beispiel eine Blende umfassen, die vorzugsweise im Einlauf der Kraftstoffsensoreinrichtung angeordnet ist. Diese Blende kann den Impuls des während des Betriebs in die Kraftstoffsensoreinrichtung einströmenden Kraftstoffs quasi herunterteilen und dadurch den Kraftstoffzustrom in die Kraftstoffsensoreinrichtung begrenzen. Die Druckbegrenzungsmittel können darüber hinaus mindestens einen Überlauf umfassen, der in die Kraftstoffsensoreinrichtung integriert ist. Übermengen des Kraftstoffs in der Kraftstoffsensoreinrichtung, welche zur Einstellung eines konstanten geodätischen Drucks stets vorhanden sind, können über einen Auslauf im Gehäuse, der mit dem mindestens einen Überlauf strömungstechnisch verbunden ist, abgeleitet werden.

Die Mittel zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs können mindestens ein Temperaturerfassungselement umfassen, das in die Heizvorrichtung integriert ist. Das Temperaturerfassungselement kann zum Beispiel ein NTC- oder ein PTC-Temperaturerfassungselement sein.

Gemäß Anspruch 8 umfasst eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung zur Vermeidung einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und zeichnet sich dadurch aus dass die mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung im Zulauf eines Kraftstofftanks angeordnet ist. Die Anordnung der Kraftstoffsensoreinrichtung im Zulauf des Kraftstofftanks ermöglicht eine rasche Erkennung einer Fehlbetankung.

Es besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, dass die Schutzvorrichtung mindestens eine Fehlbetankungswarnvorrichtung umfasst, die an die mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung angeschlossen ist. Die Schutzvorrichtung kann somit bereits während des Betankens und/oder nach dem Start des Fahrzeuges eine Warnung vor einer Fehlbetankung ausgeben. Die Warnung erfolgt dabei vor dem Eintritt eines Schadens in Folge der Fehlbetankung. Besonders vorteilhaft ist eine entsprechende Warnung bereits vor dem Verlassen der Tankstelle, so dass die Fehlbetankung noch unmittelbar an der Tankstelle rückgängig gemacht werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Schutzvorrichtung mindestens eine Verschlussvorrichtung umfasst, geeignet, den Einfüllstutzen und/oder den Zulauf des Kraftstofftanks und/oder andere Kraftstoff führende Leitungen des Kraftfahrzeugs bei der Erkennung einer Fehlbetankung zu verschließen und/oder bei der Erkennung einer ordnungsgemäßen Betankung zu öffnen. Die Verschlussvorrichtung kann ein Ventil, insbesondere ein herkömmliches Tankentlüftungsventil oder ein Ventil, das in Tankzulauföffnungen verbaut ist und als Auslaufsicherung für den Tank dient (ein so genanntes „Inlet Check Valve"), umfassen. Die Kraftstoffsensoreinrichtung bestimmt die Art des zugetankten Kraftstoffs, kann jedoch alleine eine Fehlbetankung des Kraftfahrzeugs nicht verhindern. Dies lässt sich durch die Integration der Verschlussvorrichtung in den Einfüllstutzen beziehungsweise den Zulauf des Kraftstofftanks erreichen. Die Verschlussvorrichtung wird abhängig von der Art des eingefüllten Kraftstoffs entweder geöffnet oder verschlossen. Es ist möglich, die Verschlussvorrichtung so lange geschlossen zu halten, bis die Kraftstoffart erkannt wurde. Erst dann wird die Verschlussvorrichtung geöffnet und der Einfüllstutzen beziehungsweise der Zulauf freigegeben. Das Kraftstoffvolumen in Strömungsrichtung oberhalb der Verschlussvorrichtung dient gewissermaßen als Pufferspeicher für den Kraftstoff. Da die hier vorgestellte Kraftstoffsensoreinrichtung sehr schnelle Analysen des zugetankten Kraftstoffs ermöglicht, ist nur ein geringes Puffervolumen oberhalb der Verschlussvorrichtung notwendig. Vorteilhaft ist dabei, dass mit der in der Regel geschlossenen Verschlussvorrichtung auch der Tank abgesperrt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform dient die Verschlussvorrichtung auch dem Tankverschluss. Der Tankverschluss wird erst geöffnet, wenn der zugetankte Kraftstoff als geeignet identifiziert wurde.

Die Verschlussvorrichtung kann alternativ auch zunächst geöffnet sein und dann geschlossen werden, wenn eine Fehlbetankung mit Hilfe der Kraftstoffsensoreinrichtung erkannt wurde. Die Verschlussvorrichtung muss dann nicht zwingend im Einfüllstutzen beziehungsweise Zulauf angeordnet sein. Es können andere Ventile, die in der Tankanlage verbaut sind (zum Beispiel ein Tankentlüftungsventil) als Verschlussvorrichtung genutzt werden. Eine Ansteuerung des Tankentlüftungsventils zur Unterbrechung des Betankungsvorgangs ist vorteilhaft, da ein derartiges Tankentlüftungsventil in jedem Kraftfahrzeugtank vorhanden ist.

ZEICHNUNGEN

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Kraftstoffsensoreinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Zulauf eines Kraftstofftanks;

2 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung der Kraftstoffsensoreinrichtung gemäß 1;

3 eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung, der Kraftstoffsensoreinrichtung gemäß 2.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, in der eine Anordnung einer Kraftstoffsensoreinrichtung 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Zulauf 6 eines Kraftstofftanks 1 schematisch stark vereinfacht dargestellt ist. Die hier gezeigte Anordnung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 kann einen Teil einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zur Vermeidung einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs bilden. Die in 1 dargestellte, besonders vorteilhafte Anordnung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist zur Erkennung einer Fehlbetankung des Kraftfahrzeugs bereits während des Betankens geeignet.

Der Kraftstofftank 1 weist einen Einfüllstutzen 2 auf, durch den während des Betankungsvorgangs Kraftstoff eingefüllt wird und durch den Zulauf 6 in den Kraftstofftank 1 hineinfließt. Im Inneren des Kraftstofftanks 1 ist ein Tankmodul 4 untergebracht, das unter anderem eine Kraftstoffpumpe, einen Füllstandsgeber zur Erfassung des Kraftstofffüllstands sowie eine Steuerungseinrichtung aufweisen kann.

Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3, die in 2 schematisch stark vereinfacht dargestellt ist, weist ein Gehäuse 30 auf, in dessen Oberseite, die nach dem Einbau in den Zulauf 6 des Kraftstofftanks 1 dem Einfüllstutzen 2 zugewandt ist, ein Kraftstoffeinlauf 31 ausgebildet ist. Der Kraftstoffeinlauf 31 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Lochplatte ausgebildet, welche insbesondere explosionssicher ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann der Kraftstoffeinlauf 31 als Lochblende ausgestaltet sein, um dadurch den Impuls der in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 einströmenden Kraftstoffmenge gewissermaßen herunterzuteilen und dadurch den Kraftstoffzustrom zu verringern.

Im Inneren des Gehäuses 30 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist eine im Wesentlichen siphonartige Überlaufstruktur 32 ausgebildet, die verhindert, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 trockenläuft. Die in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 integrierte, im Wesentlichen siphonartige Überlaufstruktur 32 ermöglicht ferner eine Spülung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 mit Kraftstoff während des Betankens und gewährleistet eine stete Befüllung mit Kraftstoff auch nach dem Tankvorgang.

Um den Volumenstrom des einströmenden Kraftstoffs in der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 zu begrenzen, ist seitlich an einer Wand des Gehäuses 30 ein Volumenstrombegrenzungsmittel 33 im Auslauf angeordnet. Beispielsweise kann das Volumenstrombegrenzungsmittel 33 eine Lochblende oder einen Bernoulli-Kanal umfassen. Dadurch, dass das Volumenstrombegrenzungsmittel 33 vorgesehen ist, ist eine zuverlässige Erfassung einer Fehlbetankung beziehungsweise die Analyse des in den Kraftstofftank 1 einfließenden Kraftstoffs bereits während des Betankungsvorgangs möglich.

Des Weiteren umfasst die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 eine Heizvorrichtung 5, die im Gehäuse 30 untergebracht ist. Die Heizvorrichtung 5 dient einer Erwärmung des Kraftstoffs, der in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 hineinströmt. Man erkennt in 2, dass sich die Heizvorrichtung 5 unterhalb des Volumenstrombegrenzungsmittels 33 erstreckt und auf Grund der im Wesentlichen siphonartigen Überlaufstruktur 32 stets mit Kraftstoff benetzt wird.

Die Heizvorrichtung 5, die in 3 schematisch dargestellt ist, umfasst einen Heizdraht 51, der in diesem Ausführungsbeispiel mehrfach gebogen ist, um eine ausreichende Heizfläche zur Verfügung zu stellen, und zwei Kontaktelemente 52, 53, die mit dem Heizdraht 51 verbunden sind. Die Heizvorrichtung 5 kann ein integriertes Temperaturerfassungsmittel zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs, die zur Identifizierung des Kraftstoffs geeignet ist, aufweisen. Die Heizvorrichtung 5 kann beispielsweise ein PTC-Heizelement (z. B. eine Platin-Mikroheizvorrichtung) oder ein NTC-Heizelement (z. B. eine Kohlewiderstandsbahn oder dergleichen) umfassen. Vorzugsweise sind Temperaturerfassungsmittel, die insbesondere eine PTC- oder eine NTC-Temperaturmesseinrichtung (zum Beispiel eine PT100-Temperaturmesseinrichtung) umfassen können, vorgesehen, die insbesondere in die Heizvorrichtung 5 integriert sein können. Es besteht alternativ oder zusätzlich auch die Möglichkeit, die Temperaturerfassungsmittel separat von der Heizvorrichtung 5 im Gehäuse 30 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 unterzubringen. Mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel kann eine charakteristische Temperatur erfasst werden, die eine Identifizierung einer Kraftstoffsorte ermöglicht. Das grundlegende Messprinzip der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird weiter unten näher beschrieben.

Durch die besonders vorteilhafte Anordnung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 im Zulauf 6 des Kraftstofftanks 1 kann eine Fehlbetankung rasch erkannt werden. Ferner ermöglicht diese Anordnung eine relativ hohe Genauigkeit bei der Erkennung einer Fehlbetankung. Für ein qualitativ gutes Messergebnis sind eine gute Durchströmung sowie Spülung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 während des Zuführens des Kraftstoffs wichtig. Beim Betanken strömt der Kraftstoff durch den Einfüllstutzen 2 und den Zulauf 6 in den Tank 1 und teilweise durch den Kraftstoffeinlauf 31 in die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 hinein und wird dort analysiert und identifiziert.

Zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur, die eine Identifizierung eines Kraftstoffs ermöglicht, kann die hier vorgestellte Kraftstoffsensoreinrichtung 3 in unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden. Beispielhafte Betriebsarten der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 sind:

  • 1. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird mit einem konstanten (vorgewählten) Strom beaufschlagt und die sich einstellende Gleichgewichtstemperatur wird mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel erfasst. Da Dieselkraftstoffe grundsätzlich einen größeren Wärmeableitungswiderstand als Benzinkraftstoffe (Ottomotorkraftstoffe) aufweisen, ist dies anhand der Gleichgewichtstemperatur (auch anhand des Stromverbrauchs für ein definiertes Zeitintervall sowie anhand von Aufheiz- und Abkühlzeiten) erkennbar. Die Siedebereiche von Diesel- und Ottomotorkraftstoffen liegen relativ weit auseinander. Eine Einstellung des Stroms (der Temperatur) der elektrischen Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 auf Gleichgewichtstemperaturen knapp unterhalb des Siedebeginns von Dieselkraftstoff ist besonders vorteilhaft, da eine Zumischung von Benzin durch eine deutliche Herabsetzung der Gleichgewichtstemperatur erkannt werden kann.
  • 2. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird mit einem konstanten Strom aufgeheizt. Dabei wird eine Übergangstemperatur von einer konduktiven Wärmeableitung hin zu einer konvektiven Wärmeableitung anhand des Temperaturprofils, das mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel bestimmt wird, erkannt. Die Übergangstemperaturen von der konduktiven Wärmeableitung hin zur konvektiven Wärmeableitung sind bei Diesel- und Ottomotorkraftstoffen deutlich verschieden, so dass diese Übergangstemperatur zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten geeignet ist.
  • 3. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird mit einer stetigen Stromrampe betrieben. Dabei wird die Übergangstemperatur aus dem sich ergebenden Temperaturprofil, das mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel gemessen wird, bestimmt.
  • 4. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird mit konstantem Widerstand (beziehungsweise mit konstanter Temperatur) betrieben. Zur Unterscheidung zwischen Benzin- und Dieselkraftstoffen kann die Temperatur so eingestellt werden, dass sie zwischen den Siedetemperaturen von Benzin und Diesel liegt. Wird die Temperatur zum Beispiel auf 150°C eingestellt, so ist für Dieselkraftstoffe kein Sieden zu erwarten, während Benzin bei dieser Temperatur bereits stark siedet. Zur Einstellung eines konstanten Widerstands der Heizvorrichtung 5 (beziehungsweise einer konstanten Heizflächentemperatur) wird der elektrische Strom geregelt. Für eine Dieselströmung ist der benötigte elektrische Strom im Vergleich zu einer Benzinströmung relativ klein, da die viskositätsbedingte Strömung durch eine signifikante Siedeströmung überlagert ist. Diese Betriebsart der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist mit derjenigen eines Schwellwertschalters (Schmitt-Triggers) in der Elektronik vergleichbar. PTC-Heizelemente mit einer im Wesentlichen parabelförmigen Widerstandskennlinie haben hierbei den Vorteil einer gewissermaßen selbstregulierenden Heizflächentemperatur und sind gegenüber PTC-Heizelementen mit einem im Wesentlichen linearen Kennlinienverlauf, wie er zum Beispiel bei Platin-Heizelementen charakteristisch ist, vorteilhafter.
  • 5. Die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 wird mit konstanter Spannung beziehungsweise konstanter Leistung betrieben.

Eine geeignete, hier nicht explizit dargestellte Mess- und Auswerteelektronik, die im Gehäuse 30 der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 untergebracht ist oder an die die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 anschließbar ist, ist für eine Auswertung der gemessenen charakteristischen Temperaturen des Kraftstoffs vorgesehen.

Die hier offenbarte Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist in der Lage, bereits kleinere Zumischungen von niedrig siedenden Ottomotorkraftstoffen zu eher hoch siedenden Dieselkraftstoffen sehr sensitiv zu erkennen. Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 nutzt dazu die relativ hohe Differenz im Siedebeginn zwischen Ottomotor- und Dieselmotorkraftstoffen aus.

Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 erfasst den Siedebeginn durch eine Veränderung des Wärmeableitungswiderstands von der Heizvorrichtung 5 in das Fluid in Folge von Blasenbildungen an der Heizfläche beziehungsweise in Folge einer Änderung der konvektiven Wärmeströmung durch Viskositätsänderungen der Fluidmedien. Die freie Konvektion der Heizflächen der Heizvorrichtung 5 hängt relativ stark von der Viskosität des einströmenden Mediums ab. Eine derartige Veränderung der Wärmeströmung kann von der hier vorgestellten Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ebenfalls erkannt werden.

Wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert, ist die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 vorzugsweise im Zulauf des Kraftstofftanks 1 untergebracht. Durch die im Wesentlichen siphonartige Überlaufstruktur 32 ist die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 trockenlaufsicher. Da die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 mit dem Zulauf 6 des Kraftstofftanks 1 verbunden ist, wird sie beim Betanken mit dem jeweils zugetankten Kraftstoff gespült, so dass während des Betankens oder aber anschließend die Kraftstoffeigenschaften der zugetankten Mengen mit Hilfe der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 zuverlässig bestimmt werden können.

Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 kann also diverse Kraftstoffe und deren Substitute anhand ihrer Temperierung, das heißt, anhand einer Gleichgewichtstemperatur bei Konstantstrom, anhand des Stromverbrauchs bei definierter Temperatur beziehungsweise anhand der Aufheiz- und Abkühlzeiten eines Temperaturzyklus zuverlässig unterscheiden. Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist auch in der Lage, biogene Kraftstoffe oder Kraftstoffzumischungen, wie zum Beispiel Biodiesel, synthetische Dieselkraftstoffe und andere Mitteldestillate durch eine Änderung der Übergangstemperatur an der Heizvorrichtung 5 zu identifizieren. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 das einströmende Fluid mittels der Heizvorrichtung 5 vor einer Bestimmung der Übergangstemperatur temperiert.

Wird die Heizvorrichtung 5 der Kraftstoffsensoreinrichtung 1 zum Beispiel mit einem geringen Dauerstrom beaufschlagt, so kann anhand der Veränderung der Gleichgewichtstemperatur, die mit Hilfe der Temperaturerfassungsmittel und einer Messelektronik bestimmt wird, ein Betankungsvorgang erkannt werden.

Nach dem Abschluss des Betankens kann eine exaktere Analyse des zugetankten Kraftstoffs ohne störende Strömungseinflüsse durchgeführt werden. Zusammen mit der Information des Füllstandsgebers des Tankmoduls 4 über die zugetankte Kraftstoffmenge lässt sich durch eine kontinuierliche Mischungsrechnung die jeweilige Zusammensetzung des Kraftstoffs im Kraftstofftank 1 bestimmen. Für diese Funktion der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ist es ausreichend, wenn zumindest eine Zulaufleitung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 mit dem Zulauf des Kraftstofftanks 1 verbunden ist, so dass der zugetankte Kraftstoff die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 spülen kann. Eine elektrische und mechanische Anbindung an bereits bestehende Tankmodule 4 (Füllstandsgeber, Pumpe und eine Steuerungseinrichtung) ist besonders vorteilhaft. Die Informationen über die Art und die Mischung des Kraftstoffs im Kraftstofftank können dem Motormanagement zur Verfügung gestellt werden, um die Verbrennung des Kraftstoffs im Motor zu optimieren.

Neben der Erkennung von Fehlbetankungen ist eine weiterer Anwendungsbereich der hier beschriebenen Kraftstoffsensoreinrichtung 3 die Erfassung biogener Zumischungen von Alkohol (Methanol, Ethanol, etc.) oder Ether (MTBA, ETBA) als Reaktionsprodukt des Alkohols mit Alkenen zu herkömmlichen Ottomotorkraftstoffen. Eine Zumischung von Alkoholen steigert die Klopffestigkeit des Kraftstoffs und erlaubt eine Leistungssteigerung der Motoraggregate um etwa 10%. Andererseits führt die Zumischung auch zu einem niedrigeren Heizwert und zu einer stärkeren Flüchtigkeit des Kraftstoffs. Mischungen aus Alkoholen mit Kraftstoffen bilden ein Dampfdruckmaximum bei 85% Alkohol und 15% Benzin. Das bedeutet, dass derartige Mischungen einen niedrigeren Siedebeginn als die Reinstoffe aufweisen und dass die Beimischung von Alkohol zu einer deutlichen Erhöhung der Flüchtigkeit der Kraftstoffmischung führt. Die Verringerung des Siedebeginns durch das Hinzufügen von Alkoholen kann mit Hilfe der hier beschriebenen Kraftstoffsensoreinrichtung 3 ebenfalls erfasst werden.

Durch die alternative Möglichkeit der Anordnung der Kraftstoffsensoreinrichtung 3 im Kraftstofftank 1 (Tankmodul, Einfüllstutzen 2) kann das Risiko einer Fehlbetankung ebenfalls verringert werden. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Kraftstoffsensoreinrichtung 3 besteht darin, dass diese derart im Kraftstofftank 1 verbaut werden kann, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 auch zwischen Sommerdiesel, Winterdiesel, Biodiesel und synthetischen Dieselkraftstoffen unterscheiden kann. Da die noch vorhandene Kraftstoffmenge im Kraftstofftank 1 und die hinzugefügte Kraftstoffmenge über den Füllstandsgeber des Tankmoduls 4 bekannt sind, können zum Beispiel in einem Steuergerät durch Mischungsrechnungen exakt die Eigenschaften des sich im Kraftstofftank 1 befindenden Kraftstoffgemischs bestimmt werden.

Somit können in besonders vorteilhafter Weise zum Beispiel Fehlbetankungen eines Dieselfahrzeugs, Benzinzusätze im Diesel, biogene Kraftstoffzusätze sowie synthetische Mitteldestillate zur Dieselsubstitution erkannt werden. Dazu wird dann der Gehalt von Benzinkraftstoff im Dieselkraftstoff beziehungsweise der Gehalt von Biodiesel oder synthetischen Mitteldestillaten im Dieselkraftstoff bestimmt.

Wenn die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 als Teil einer Schutzvorrichtung zur Vermeidung von Fehlbetankungen eine Fehlbetankung erkennt, kann zum Beispiel eine Fehlbetankungswarnvorrichtung ausgelöst werden und/oder eine Verschlussvorrichtung im Zulauf des Kraftstofftanks 1 aktiviert gesteuert werden, um den Tankvorgang zu unterbrechen oder freizugeben. Ferner besteht die Möglichkeit, dass Mittel zur Startunterbrechung des Motors vorgesehen sind, so dass der Motor des Kraftfahrzeugs nach einer Fehlbetankung nicht mehr gestartet werden kann. Die Fehlbetankungswarnvorrichtung und/oder die Verschlussvorrichtung und/oder die Mittel zur Startunterbrechung des Motors bilden weitere Bestandteile der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zur Vermeidung von Fehlbetankungen. Die Verschlussvorrichtung kann zum Beispiel ein herkömmliches Tankentlüftungsventil oder ein Ventil, das in Tankzulauföffnungen verbaut ist und als Auslaufsicherung für den Tank 1 dient, umfassen.

Die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 kann in einer weiteren alternativen Ausführungsform auch in Kraftstoffzuleitungen des Motors angeordnet sein und ermöglicht Analysen der Kraftstoffmischung, die aktuell der Verbrennung des Motors zugeführt wird.

Auf Grund des explosionsgeschützten Aufbaus kann die Kraftstoffsensoreinrichtung 3 im Gasraum des Kraftstofftanks 1 betrieben werden. Ferner ist die Kraftstoffsensoreinrichtung 3auch in Kraftstofftankgebermodule integrierbar und daran anschließbar.


Anspruch[de]
Kraftstoffsensoreinrichtung (3), geeignet zur Identifizierung unterschiedlicher Kraftstoffsorten, umfassend:

– ein Gehäuse (30), durch das der Kraftstoff während des Betankens hinein- und/oder hindurchfließen kann,

– mindestens eine Heizvorrichtung (5), die zum Aufheizen des Kraftstoffs während des Betriebs der Kraftstoffsensoreinrichtung (3) geeignet ist,

– Mittel zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs.
Kraftstoffsensoreinrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (5) ein NTC-Heizelement oder ein PTC-Heizelement umfasst, welches mindestens abschnittsweise in das Gehäuse (30) hineinragt. Kraftstoffsensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) einen Kraftstoffeinlauf (31) umfasst, der insbesondere als Lochplatte ausgeführt ist. Kraftstoffsensoreinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung (3) eine im Wesentlichen siphonartige Überlaufstruktur (32) aufweist, die im Gehäuse (30) der Kraftstoffsensoreinrichtung (3) ausgebildet ist. Kraftstoffsensoreinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffsensoreinrichtung (3) mindestens ein Volumenstrombegrenzungsmittel (33) aufweist. Kraftstoffsensoreinrichtung (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Volumenstrombegrenzungsmittel (33) eine Lochblende oder einen Bernoulli-Kanal umfasst. Kraftstoffsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung einer charakteristischen Temperatur des Kraftstoffs mindestens ein Temperaturerfassungselement umfassen, das in die Heizvorrichtung (5) integriert ist. Schutzvorrichtung zur Vermeidung einer Fehlbetankung eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung (3) im Zulauf (6) eines Kraftstofftanks (1) angeordnet ist. Schutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung mindestens eine Fehlbetankungswarnvorrichtung umfasst, die an die mindestens eine Kraftstoffsensoreinrichtung (3) angeschlossen ist. Schutzvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung mindestens eine Vorschlussvorrichtung umfasst, geeignet, den Einfüllstutzen (2) und/oder den Zulauf (6) des Kraftstofftanks (1) und/oder andere Kraftstoff führende Leitungen des Kraftfahrzeugs bei der Erkennung einer Fehlbetankung zu verschließen und/oder bei der Erkennung einer ordnungsgemäßen Betankung zu öffnen.






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