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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung in einem Bewegungen unterworfenen Tank mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens
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Stand der Technik
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Füllstände von Flüssigkeiten, zum Beispiel Tankfüllstände in Fahrzeugen, werden beispielsweise durch Tankfüllstandsmesser erfasst. Dabei werden Tankfüllstandsmesser, die eine kontinuierliche Erfassung des Füllstands ermöglichen, und Füllstandsmesser, welche lediglich erfassen, ob Flüssigkeit an einer Geberposition vorhanden ist oder nicht, sogenannte „diskrete” Füllstandsgeber, unterschieden. Erstere sind beispielsweise in Kraftstofftanks von Fahrzeugen im Einsatz, letztere werden bevorzugt in beispielsweise Zusatztanks, beispielsweise von SCR-Systemen, eingesetzt.
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Derartige SCR-Systeme werden bei modernen Dieselfahrzeugen eingesetzt. Unter SCR (Selective Catalytic Reduktion) wird die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Brennkraftmaschinen wie auch im Übrigen von Feuerungsanlagen verstanden. Die chemische Reaktion der Reduktion ist hierbei selektiv. Das bedeutet, dass nicht alle Abgaskomponenten reduziert werden, sondern nur die Stickoxide (NO, NO2). Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak benötigt, der dem Abgas zugemischt wird. Die Produkte der Reaktion sind Wasser und Stickstoff.
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Bei Fahrzeugen wird der benötigte Ammoniak nicht mehr in reiner Form verwendet, sondern in Form einer wässrigen Harnstofflösung. Die Lösung wird vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang, zum Beispiel mittels einer Dosierpumpe oder eines Injektors, eingespritzt. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolyse-Reaktion Ammoniak und Wasser. Der so erzeugte Ammoniak kann in einem speziellen SCR-Katalysator bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas reagieren. Die Menge des eingespritzten Harnstoffs ist von der (motorischen) Stickoxidemission und damit von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment des Motors abhängig. Der Verbrauch der Harnstoff-Wasser-Lösung beträgt abhängig von der Rohemission des Motors etwa 2–8% des verbrauchten Dieselkraftstoffs. Aus diesem Grund muss ein Tank mit Harnstoff-Wasser-Lösung in dem Fahrzeug verbaut sein und es muss der Füllstand in diesem Tank erfasst werden. Hierzu werden die oben erwähnten diskreten Levelsensoren unter anderem eingesetzt. Die Signale solcher diskreter Levelsensoren in einem flüssigkeitsgefüllten Vorratsbehälter in einem Fahrzeug stehen unter starkem Einfluss von fahrdynamischen Faktoren, beispielsweise Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgängen, Querbeschleunigungen in Kurven und Steigungen und Gefällen der Fahrbahn.
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Aus der
DE 31 48 534 A1 geht ein Verfahren hervor, welches die Entfernung der Einflüsse von Fahrdynamik und Streckenprofil aus einem kontinuierlichen Füllstandssignal ermöglicht und so eine präzise Bestimmung des Füllstands ermöglicht.
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Die Erfassung des Füllstands wird wesentlich beeinflusst von den Beschleunigungen des Fahrzeugs und damit den Beschleunigungen des Tanks, der sich in dem Fahrzeug befindet. In diesem Falle entsteht nämlich ein Schwappen der in dem Tank bevorrateten Flüssigkeit.
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Aus der
DE 10 2008 009 154 A1 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die Häufigkeit von Schwappereignissen zur Überwachung eines diskreten Füllstandsgebers in einem Bewegungen unterworfenen Tank, insbesondere in einem Tank einer Harnstoff-Wasserlösung für SCR-Systeme, herangezogen wird, um eine Verbesserung der Signalqualität zu erhalten.
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Die mittels des diskreten Füllstandssensors erfassten Füllstandssignale werden einer Filterung unterzogen, um aufgrund der Fahrdynamik entstehende Signalverfälschungen, beispielsweise bei Längs- oder Querbeschleunigungen oder -verzögerungen, oder aufgrund von Streckenprofilen hervorgerufene Verfälschungen, beispielsweise beim Befahren von Steigungen oder Gefällen, zu berücksichtigen und weitestgehend zu eliminieren. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu vermitteln, welches eine Füllstandsbestimmung bei Bewegungen unterworfenen Tanks, insbesondere bei Tanks von SCR-Systemen dahingehend verbessert, dass basierend auf den gefilterten, quasi-kontinuierlichen Signalen von diskreten Füllstandsgebern präzise Aussagen über die Füllstandshöhe getroffen werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Grundidee der Erfindung ist es, Schwappereignisse zur Verbesserung der Füllstandsbestimmung heranzuziehen. Hierzu werden um die Pins des diskreten Füllstandssensors Schwappbereiche festgelegt, innerhalb deren bei Bewegungen des Tanks ein Schwappen der Flüssigkeit um die Pins auftritt. Während des Auftretens derartiger Schwappereignisse wird dann aus dem gefilterten Signal auf den Füllstand in dem Tank geschlossen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass innerhalb dieser Bereiche eine direkte Beziehung zwischen dem gefilterten Sensorsignal und der Restmasse in dem Tank, insbesondere dem SCR-Tank, besteht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche. So ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass der Zusammenhang zwischen dem Füllstand und dem gefilterten, quasi-kontinuierlichen Signal innerhalb dieser Bereiche als Kennlinie gespeichert und mit Hilfe dieser Kennlinie bestimmt wird.
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Bevorzugt werden die Pins dabei so angeordnet, dass sich die den Pins zugeordneten Schwappbereiche überlappen. In diesem Falle entstehen Schwappereignisse gleichzeitig bei unterschiedlichen Pins. Dabei werden die Pins mit überlappenden Schwappbereichen bevorzugt in einer sehr niedrigen Levelhöhe, in der also nur noch wenig Flüssigkeit in dem Tank vorhanden ist, angeordnet.
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Das Verfahren kann sehr vorteilhaft als Computerprogramm implementiert werden und auf einem Computer, beispielsweise einem Steuergerät, ablaufen. Dabei kann ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode vorgesehen sein, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Dies ermöglicht es, das Programm auch in bestehende Steuergeräte gewissermaßen „einzuspielen” und insoweit entsprechende Erweiterungen bei bestehenden SCR-Systemen vorzusehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch einen diskreten Füllstandssensor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
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2 schematisch das Sensorsignal eines diskreten Levelsensors über der Zeit und
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3 eine Detailansicht des in 1 dargestellten Levelsensorsignals.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In einem Tank, beispielsweise einem Tank einer Harnstoff-Wasser-Lösung, wie er in SCR-Systemen von Fahrzeugen eingesetzt wird, wird der Füllstand der Harnstoff-Wasser-Lösung mittels diskreter Füllstandssensoren erfasst, welche in vorgebbaren höhenversetzten Bereichen Sensorelemente zur Erfassung des Vorhandenseins der Harnstoff-Wasser-Lösung aufweisen. Ein solcher diskreter Füllstandssensor und seine Anordnung in einem Tank 100 ist schematisch in 1 dargestellt. In dem Tank 100 sind insgesamt drei Pins, Pin 1, Pin 2, Pin 3, angeordnet, deren Platzierungen nicht ädiquistant sein muss. In der Regel wird ein Pin weit oben (Pin 3), die beiden anderen Pins werden relativ weit unten (Pin 1, Pin 2) positioniert. In 2 und 3 ist das Rohsignal des Levelsensors mit Bezugszeichen 210 bezeichnet. Das gefilterte Signal ist mit Bezugszeichen 220 bezeichnet. Der Füllstand nimmt über der Zeit t ab. Dabei entstehen im Bereich der drei Pins, also im Bereich 202 um den obersten Pin, im Bereich 204 um den mittleren Pin und im Bereich 206 um den untersten Pin, erhebliche Änderungen des Rohsignals. Dies ist in 3 im Detail dargestellt. In 3 ist mit B der Bereich bezeichnet, innerhalb dessen eine direkte Abhängigkeit zwischen dem gefilterten Signal 220 und dem Füllstand hergestellt werden kann. Dies ist der steile Bereich der Signalkurve. In 3 ist der Verlauf der Filterantwort (das gefilterte Signal 220) in der Nähe eines Pins dargestellt, während der Flüssigkeitsstand den Pin übersteigt und unterschreitet. Aufgrund der Schwappereignisse, die sich im ungefilterten Signal 210 über der Zeit durch Oszillationen widerspiegeln und die durch ein Benetzen des Pins und ein Nichtbenetzen des Pins hervorgerufen werden, ändert sich der Signalverlauf des gefilterten Signals. Je mehr sich der Flüssigkeitsstand dem Pin annähert, umso steiler wird das mittels des PT1-Filters gefilterte Ausgangssignal. Je weiter sich der Flüssigkeitsstand vom Pin entfernt, verflacht die Filterantwort. In dem steilen Bereich kann eine relativ genaue, direkte Abhängigkeit zwischen Füllstand und gefiltertem Signal hergestellt werden. Dieser Bereich ist der in 3 mit B bezeichnete Bereich. Der Signalverlauf in diesem Bereich bzw. in diesen jeweils den Pins 1 bis 3 zugeordneten Bereichen wird nun als Kennlinie gespeichert und in einem Speicher des Steuergeräts hinterlegt. Aufgrund des gefilterten Signals in diesen Bereichen kann eine recht präzise Aussage über die Füllstandshöhe getroffen werden. Die Filterung ist deshalb von entscheidender Bedeutung, da die Schwappereignisse sich wesentlich unterscheiden können, beispielsweise abhängig von der Fahrweise, also ob große Beschleunigungen und Verzögerungen aufeinanderfolgen oder ob das Fahrzeug nur mäßig beschleunigt und verzögert wird oder ob hohe Kurvengeschwindigkeiten gefahren werden oder nur kleine Kurvengeschwindigkeiten, in denen geringere Zentrifugal- und damit Querbeschleunigungen auftreten, und dergleichen. Durch die Filterung des Signals verändert sich bei diesen unterschiedlichen fahrdynamischen Vorgaben die Steigung des gefilterten Signals. Dies kann rein prinzipiell bei der Auswertung des Füllstandssignals berücksichtigt werden. Die Filterwirkung kann aber auch so eingestellt werden, dass unterschiedliche Fahrdynamikvorgaben entsprechend berücksichtigt werden und dass bei Auftreten von Schwappereignissen unterschiedlicher Stärke des Schwappens im Wesentlichen annähernd gleiche Signale resultieren. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass unterschiedlichen Schwappereignissen, insbesondere Schwappereignissen unterschiedlicher Stärke des Schwappens jeweils eigene Kennlinien zugeordnet sind, also beispielsweise der Bereich B flacher oder steiler verläuft, je nach Stärke der Schwappereignisse. Generell gilt, dass bei höheren durchschnittlichen Beschleunigungen ein flacherer Verlauf der Kennlinie, wie in 2 und 3 dargestellt, auftritt und dass bei kleinen durchschnittlichen Beschleunigungen die Schwappereignisse seltener und kürzer vorliegen, sodass der Bereich B einen steileren Verlauf annimmt. Generell gilt aber, dass eine Zuordnung zwischen dem Füllstand und dem gefilterten Signal im Bereich B möglich ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Pins der Füllstandssensoren so angeordnet werden, dass sich die den Pins zugeordneten Schwappbereiche überlappen. In diesem Falle kann bei Schwappereignissen der Fall auftreten, dass im Bereich von benachbarten Pins gleichzeitig Schwappereignisse auftreten und entsprechende Signalverläufe detektiert werden. In diesem Falle kann die Präzision der Füllstandsbestimmung gesteigert werden. Das vorstehend beschriebene Verfahren ist geeignet, auch das Nachbetanken kleiner Mengen zu erkennen. Das Nachbetanken einer Harnstoffwasserlösung wird zwar gewöhnlich im Rahmen des Serviceprogramms bei Werkstattaufenthalten des Fahrzeugs von dem Werkstattpersonal vorgenommen. Ein Nachbetanken kann jedoch auch vom Fahrer selbst vorgenommen werden. Dabei ist davon auszugehen, dass der Fahrer den Tank nicht vollständig füllt, sondern lediglich eine im Handbuch des Fahrzeugs vorgegebene Mindestmenge in den Tank einfüllt. Diese Nachtankmenge soll schnell und zuverlässig erkannt werden.
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Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens können auch fehlerhafte Warnmeldungen ausgeschlossen werden. Bei fehlendem Reduktionsmittel im Tank werden nämlich die zulässigen Emissionswerte überschritten. Um diesen Zustand nicht eintreten zu lassen, muss der Fahrer eines Fahrzeugs rechtzeitig vor Unterschreiten einer Restmenge, welche eine gewisse Restreichweite ermöglicht, gewarnt werden und aufgefordert werden, nachzutanken. Um eine solche Warnmeldung nur dann auftreten zu lassen, wenn tatsächlich der Füllstand so weit abgesunken ist, dass nur noch eine geringe Restreichweite möglich ist, muss die Füllstandsbestimmung präzise vorgenommen werden. Dies ist mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens ohne Weiteres möglich.
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Der große Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens liegt auch darin, dass es als Computerprogramm implementiert werden kann und auf einem Computerprogrammprodukt, welches beispielsweise von dem Steuergerät des Fahrzeugs eingelesen werden kann, zur Verfügung gestellt werden kann. Auf diese Weise kann das Verfahren auch bei bestehenden Systemen nachgerüstet werden, insbesondere auch deshalb, weil zu seiner Realisierung keine zusätzliche Hardware möglich ist, beispielsweise zusätzliche Sensoren oder dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3148534 A1 [0005]
- DE 102008009154 A1 [0007]
