DE102010042386A1

DE102010042386A1 - Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102010042386A1
Application number: DE201010042386
Authority: DE
Inventors: Andreas Fath
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter (1) für eine Flüssigkeit (2), insbesondere eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor, mit einer Sensoreinrichtung (3) zur Füllstandsermittlung, wobei die Sensoreinrichtung (3) wenigstens einen Ultraschallsender (4) zum Aussenden eines Ultraschallimpulses (5) und einen Ultraschallempfänger (6) zum Empfangen eines Echos (7) des ausgesendeten Ultraschallimpulses (5) umfasst. Erfindungsgemäß ist im Vorratsbehälter (1) ein Messbereich mit einer entsprechend dem Füllstand lagerveränderlichen Grenzfläche (8) definiert, die zumindest teilweise konvex oder konkav gewölbt ist, so dass unabhängig von einer Schräglage des Vorratsbehälters (1) ein vom Ultraschallsender (4) ausgesendeter und auf die Grenzfläche (8) auftreffender Ultraschallimpuls (5) stets als Echo (7) in Richtung des Ultraschallempfängers (6) zurückgeworfen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der erfindungsgemäße Vorratsbehälter eignet sich demnach insbesondere für den Einsatz in einem SCR-System (Selective Catalytic Reduction), bei dem die wässrige Harnstofflösung als Reduktionsmittel bedarfsweise in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingedüst wird, um die katalytische Reduktion von Stickoxiden in einem SCR-Katalysator zu ermöglichen.
Ein gattungsbildender Vorratsbehälter weist eine Sensoreinrichtung zur Füllstandsermittlung auf, wobei die Sensoreinrichtung wenigstens einen Ultraschallsender zum Aussenden eines Ultraschallimpulses und einen Ultraschallempfänger zum Empfangen eines Echos des ausgesendeten Ultraschallimpulses umfasst.
Stand der Technik
Ein Vorratsbehälter der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 012 917 A1 hervor. Als Sensoreinrichtung wird ein Sender und Empfänger für Ultraschallwellen vorgeschlagen, der beispielsweise außerhalb des Messvolumens angeordnet sein kann. Das Messvolumen ist mit dem Volumen des Vorratsbehälters über eine Drossel verbunden, so dass nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren – allerdings verzögert – ein Druckausgleich erfolgt. Langfristig gleicht sich demnach der Füllstand im Messvolumen dem Füllstand im Vorratsbehälter an. Dies hat insbesondere bei Verwendung des Behälters als Reduktionsmittelvorratsbehälter den Vorteil, dass sich aufgrund von Beschleunigungen und Kurvenfahrten innerhalb des Behälters ausbildende Weilen oder Schwappbewegungen nicht auf das Messvolumen übertragen werden. Als nachteilig erweist sich jedoch, dass lediglich der Langzeit-Füllstand des Vorratsbehälters über die Sensoreinrichtung erfassbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vorratsbehälter der vorstehend genannten Art mit einer Sensoreinrichtung zur Ermittlung des aktuellen Füllstandes bereitzustellen, welche zudem weitgehend unempfindlich gegenüber einer Lageveränderung des Vorratsbehälters ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Vorratsbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Der vorgeschlagene Vorratsbehälter besitzt eine Sensoreinrichtung zur Füllstandsermittlung, die wenigstens einen Ultraschallsender zum Aussenden eines Ultraschallimpulses und einen Ultraschallempfänger zum Empfangen eines Echos des ausgesendeten Ultraschallimpulses umfasst. Erfindungsgemäß ist im Vorratsbehälter ein Messbereich mit einer entsprechend dem Füllstand lagerveränderlichen Grenzfläche definiert ist, die zumindest teilweise konvex oder konkav gewölbt ist, so dass unabhängig von einer Schräglage des Vorratsbehälters ein vom Ultraschallsender ausgesendeter und auf die Grenzfläche auftreffender Ultraschallimpuls stets als Echo in Richtung des Ultraschallempfängers zurückgeworfen wird.
Dadurch, dass die Grenzfläche zumindest teilweise konvex oder konkav gewölbt ist, trifft der Ultraschallimpuls im Wesentlichen immer senkrecht auf die Grenzfläche auf. Dies gilt insbesondere, wenn der Ultraschallimpuls auf das Zentrum der konvexen oder konkaven Wölbung gerichtet ist. Es sind demnach Maßnahmen zu treffen, die eine entsprechende Ausrichtung ermöglichen. Eine solche Maßnahme besteht in der Vorgabe eines bestimmten Messbereiches, wobei die Lage des Messbereiches auf die Lage der Sensoreinrichtung abgestimmt ist. Die Sensoreinrichtung ist vorzugsweise im Boden- oder Deckenbereich des Vorratsbehälters angeordnet, um im Idealfall über einen im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf den Flüssigkeitsspiegel gerichteten Ultraschallimpuls und das zurückgeworfene Echo den Füllstand zu ermitteln. Der Idealfall ist jedoch nicht immer gegeben, da sich der Vorratsbehälter in Schräglage befinden kann und somit der Ultraschallimpuls nicht mehr im Wesentlichen senkrecht auf den Flüssigkeitsspiegel trifft. Dem Problem wird erfindungsgemäß dadurch abgeholfen, dass der Messbereich eine konvex oder konkav gewölbte Grenzfläche besitzt, so dass der ausgesendete Ultraschallimpuls stets im Wesentlichen senkrecht auf die Grenzfläche auftrifft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die zumindest teilweise konvex oder konkav gewölbte Grenzfläche über eine Wölbung der Oberfläche der bevorrateten Flüssigkeit ausgebildet. Alternativ kann die zumindest teilweise konvex oder konkav gewölbte Grenzfläche auch über einen auf der Oberfläche der Flüssigkeit schwimmenden Körper ausgebildet werden.
Weiterhin bevorzugt ist zur Definition des Messbereiches und zur Ausbildung der Wölbung der Oberfläche der Flüssigkeit wenigstens eine kapillarbildende Trennwand im Vorratsbehälter angeordnet. Die Trennwand kann zur Kapillarbildung rohrförmig ausgebildet sein oder derart im Behälter angeordnet sein, dass ein Spalt gebildet wird, der ebenfalls eine Kapillarwirkung erzeugt. Das heißt, dass aufgrund von Adhäsions- und Kohäsionskräften sowie der Oberflächenspannung der im Behälter bevorrateten Flüssigkeit ein Meniskus ausgebildet wird. Bei Einsatz einer wässrigen Harnstofflösung als zu bevorratende Flüssigkeit zeigt sich der Meniskus als konkave Wölbung der Oberfläche. Durch eine geeignete Anpassung der Kapillare an die zu bevorratende Flüssigkeit können auch Messungenauigkeiten aufgrund von Aszension (positive Steighöhe) oder Depression (negative Steighöhe) weitgehend kompensiert werden.
Anstelle einer Trennwand können auch zwei oder mehr Trennwände zur Kapillarbildung im Vorratsbehälter angeordnet sein. Vorzugsweise wird über die wenigstens eine Trennwand ein Messbereich definiert, der möglichst zentral in Bezug auf das Gesamtvolumen des Behälters angeordnet ist, um bei einer Schräglage des Behälters den mittleren Füllstand zu erfassen.
Um das Kapillarvolumen mit dem Volumen des Vorratsbehälters hydraulisch zu verbinden, ist die wenigstens eine kapillarbildende Trennwand vorzugsweise beabstandet zum Boden des Vorratsbehälters angeordnet. Alternativ kann die wenigstens eine Trennwand auch in Nähe des Bodens wenigstens eine Öffnung besitzt, über welche dann der Flüssigkeitsaustausch nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren stattfindet. Demzufolge entspricht die Flüssigkeitssäule im Kapillarvolumen bzw. im Messbereich der des Behältervolumens.
Sofern die den Ultraschallimpuls reflektierende Grenzfläche an einem auf der Oberfläche der Flüssigkeit schwimmenden Körper ausgebildet wird, kann der Messbereich auch dadurch definiert werden, dass der Körper entlang einer Achse A geführt ist, die vorzugsweise senkrecht zum Boden des Vorratsbehälters verläuft. Somit ist lediglich eine lineare Bewegung des Körpers möglich, welche eine optimale Ausrichtung des Körpers und damit der Grenzfläche in Bezug auf die Sensoreinrichtung gewährleistet.
Vorteilhafterweise ist der auf der Oberfläche der Flüssigkeit schwimmende Körper an wenigstens einem Seil geführt. Darüber hinaus kann die Führung auch schienenartig ausgebildet sein, beispielsweise über eine in einer Seitenwand des Vorratsbehälters ausgebildete Nut oder alternativ einen Steg und einer korrespondierend hierzu ausgebildeten Nut am schwimmenden Körper.
Weiterhin bevorzugt ist der auf der Oberfläche der Flüssigkeit schwimmende Körper zumindest teilweise kugel-, zylinder- und/oder quaderförmig ausgebildet. Der Körper ist demnach nicht zwingend rotationssymmetrisch ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Sensoreinrichtung mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der ermittelten Werte verbindbar. Denn zur Füllstandsermittlung ist zunächst die Laufzeit zu messen, die der ausgesandte Ultraschallimpuls bis zur Grenzfläche und zurück benötigt. Der Messwert ist mit Bezugswerten zu vergleichen, welche einen Rückschluss auf den Füllstand ermöglichen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1a, b jeweils einen schematischen Querschnitt durch einen Vorratsbehälter gemäß dem Stand der Technik in Normallage bzw. Schräglage,
2a, b jeweils einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorratsbehälters in Normallage bzw. Schräglage und
3a, b jeweils einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorratsbehälters in Normallage bzw. Schräglage.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus den schematischen Darstellungen der 1a und 1b geht ein aus dem Stand der Technik bekannter Vorratsbehälter 1 für eine Flüssigkeit 2, vorliegend eine wässrige Harnstofflösung, hervor, dessen Grundform quaderförmig ist. Im Deckenbereich des Vorratsbehälters 1 ist eine Sensoreinrichtung 3 angeordnet, welche einen Ultraschallsender 4 zum Aussenden eines Ultraschallimpulses 5 und einen Ultraschallempfänger 6 zum Empfangen des Echos 7 des ausgesendeten Impulses 5 umfasst. Denn die Oberfläche 10 der Flüssigkeit 2 stellt eine Grenzfläche 8 dar, welche beim Auftreffen des Ultraschallimpulses 5 auf die Oberfläche 10 der Flüssigkeit 2 bewirkt, dass ein Echo 7 des Impulses 5 in Richtung des Empfängers 6 zurückgeworfen wird (siehe 1a). Verlässt der Behälter 1 seine in 1a dargestellte Normallage und nimmt eine Schräglage ein (siehe 1b), trifft der ausgesendete Impuls 5 nicht mehr im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche 10 der Flüssigkeit 2 auf. Das hat zur Folge, dass – entsprechend der Regel Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel – das Echo 7 nicht in Richtung des Empfängers 6 zurückgeworfen wird. Es kann demnach keine Füllstandshöhe ermittelt werden.
Den 2a und 2b ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorratsbehälters 1 zu entnehmen, bei welchem vier Trennwände 12 derart in den Behälter 1 eingestellt sind, dass zum Einen ein Messbereich definiert und zum Anderen ein Kapillarvolumen 13 gebildet wird, das zur Ausbildung eines Meniskus, das heißt einer konkaven Wölbung 9 der Oberfläche 10 der Flüssigkeit 2 führt. Die konkav gewölbte Oberfläche 10 dient somit als Grenzfläche 8, welche aufgrund ihrer Wölbung 9 einen ausgesendeten Ultraschallimpuls 5 stets in Richtung des Empfängers 6 zurückwirft. Um zu gewährleisten, dass die im Kapillarvolumen 13 anstehende Flüssigkeitssäule der des Volumens 14 des Vorratsbehälters 1 entspricht, ist in wenigstens einer Trennwand 12 wenigstens eine Öffnung 16 zur hydraulischen Verbindung der Volumina 13, 14 vorgesehen. Damit eine hydraulische Verbindung auch bei niedrigem Füllstand sichergestellt ist, befindet sich die Öffnung 16 in Nähe des Bodens 15 des Vorratsbehälters 1.
Wie der 2b zu entnehmen ist, ist auch bei einer Schräglage des Vorratsbehälters über die Wölbung 9 der Grenzfläche 8 sicher gestellt, dass das Echo 7 eines Ultraschallimpulses 5 stets in Richtung des Ultraschallempfängers 6 zurückgeworfen wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorratsbehälters geht aus den 3a und 3b hervor. Hier wird die Grenzfläche 8 über einen auf der Oberfläche 10 der Flüssigkeit 2 schwimmenden kugelförmigen Körper 11 ausgebildet. Die Grenzfläche 8 ist demnach bei dieser Ausführungsform konvex gewölbt. Damit der Körper 11 einen vorgegebenen Messbereich nicht verlässt, ist er an einem Seil 17 geführt, das entlang einer Achse A gespannt ist. Das Seil 17 lässt somit lediglich eine lineare Bewegung des Körpers 11 entlang der Achse A zu. Die Achse A entspricht dabei weitgehend der Bewegungsrichtung des Ultraschallimpulses 5, so dass dieser unabhängig von einer Schräglage des Vorratsbehälters 1 im Wesentlichen senkrecht auf den Körper 11 trifft und in Richtung des Empfängers 6 zurückgeworfen wird. Somit ist eine Ermittlung des Füllstandes auch bei Schräglage des Vorratsbehälters 1 möglich (siehe 3b).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007012917 A1 [0003]

Claims

Vorratsbehälter (1) für eine Flüssigkeit (2), insbesondere eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor, mit einer Sensoreinrichtung (3) zur Füllstandsermittlung, wobei die Sensoreinrichtung (3) wenigstens einen Ultraschallsender (4) zum Aussenden eines Ultraschallimpulses (5) und einen Ultraschallempfänger (6) zum Empfangen eines Echos (7) des ausgesendeten Ultraschallimpulses (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorratsbehälter (1) ein Messbereich mit einer entsprechend dem Füllstand lagerveränderlichen Grenzfläche (8) definiert ist, die zumindest teilweise konvex oder konkav gewölbt ist, so dass unabhängig von einer Schräglage des Vorratsbehälters (1) ein vom Ultraschallsender (4) ausgesendeter und auf die Grenzfläche (8) auftreffender Ultraschallimpuls (5) stets als Echo (7) in Richtung des Ultraschallempfängers (6) zurückgeworfen wird.
Vorratsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise konvex oder konkav gewölbte Grenzfläche (8) über eine Wölbung (9) der Oberfläche (10) der bevorrateten Flüssigkeit (2) oder einen auf der Oberfläche (10) der Flüssigkeit (2) schwimmenden Körper (11) ausgebildet wird.
Vorratsbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition des Messbereiches und zur Ausbildung der Wölbung (9) der Oberfläche (10) der Flüssigkeit (2) wenigstens eine kapillarbildende Trennwand (12) im Vorratsbehälter (1) angeordnet ist.
Vorratsbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur hydraulischen Verbindung des Kapillarvolumens (13) mit dem Volumen (14) des Vorratsbehälters (1) die wenigstens eine kapillarbildende Trennwand (12) beabstandet zu einem Boden (15) des Vorratsbehälters (1) angeordnet ist oder in Nähe des Bodens (15) wenigstens eine Öffnung (16) besitzt.
Vorratsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition des Messbereiches der auf der Oberfläche (10) der Flüssigkeit (2) schwimmende Körper (11) entlang einer Achse (A) geführt ist, die vorzugsweise senkrecht zum Boden (15) des Vorratsbehälters (1) verläuft.
Vorratsbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Oberfläche (10) der Flüssigkeit (2) schwimmende Körper (11) an wenigstens einem Seil (17) geführt ist.
Vorratsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Oberfläche (10) der Flüssigkeit (2) schwimmende Körper (11) zumindest teilweise kugel-, zylinder- und/oder quaderförmig ausgebildet ist.
Vorratsbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (3) mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der ermittelten Werte verbindbar ist.