DE102012005281A1

DE102012005281A1 - Fördereinheit mit Füllstandsensor für ein flüssiges Additiv

Info

Publication number: DE102012005281A1
Application number: DE102012005281A
Authority: DE
Inventors: Georges Maguin; Cheikh Diouf; Sven Schepers; Jan Hodgson
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH; Emitec France SAS
Current assignee: Continental Automotive GmbH; ActBlue France SAS
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-19
Also published as: IN2014DN06148A; US20150000396A1; CN104185726A; JP2015512013A; CN104185726B; US9897477B2; KR101606763B1; RU2586228C2; WO2013135486A1; KR20140106712A; EP2834487B1; RU2014141544A; EP2834487A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fördereinheit (1) zur Entnahme von flüssigem Additiv aus einem Tank (2), die an dem Tank (2) montiert werden kann, aufweisend einen Füllstandsensor (3) zur Messung des Füllstandes an flüssigem Additiv in dem Tank (2), wobei der Füllstandsensor (3) dazu eingerichtet ist, Wellen in einen Abstrahlbereich (4) des Tanks (2) abzustrahlen und der Füllstand durch eine Laufzeitmessung der Wellen messbar ist, welche von einer Flüssigkeitsoberfläche (5) reflektiert werden und zurück auf den Füllstandsensor (3) treffen, und wobei die Fördereinheit (1) zumindest eine erste Referenzfläche (6) aufweist, welche sich zumindest teilweise in den Abstrahlbereich (4) hinein erstreckt und einen ersten Abstand (7) zu dem Füllstandsensor (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fördereinheit zur Entnahme von flüssigem Additiv aus einem Tank, wobei ein Sensor zur Bestimmung des Füllstands im Tank vorgesehen ist. Die Fördereinheit ist insbesondere geeignet, um bei einem Kraftfahrzeug flüssiges Additiv aus einem Tank in eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine zu fördern.
Insbesondere im Bereich der mobilen Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge finden häufig Abgasbehandlungsvorrichtungen Einsatz, in welchen Abgasreinigungsverfahren durchgeführt werden, bei denen die Abgase der Verbrennungskraftmaschine unter Zuhilfenahme eines flüssigen Additivs gereinigt werden. Ein besonders häufig in derartigen Abgasbehandlungsvorrichtungen eingesetztes Abgasreinigungsverfahren ist das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren; SCR = selective catalytic reduction), bei welchem Stickstoffoxidverbindungen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels reduziert werden. Als Reduktionsmittel wird in diesem Zusammenhang häufig Ammoniak eingesetzt. Ammoniak wird im Kraftfahrzeug regelmäßig nicht direkt selbst bevorratet, sondern in Form einer Reduktionsmittelvorläuferlösung, welche im Abgas oder in einem eigens dafür vorgesehenen Reaktor zu Ammoniak umgesetzt wird. Die Reduktionsmittelvorläuferlösung stellt dann das flüssige Additiv dar. Eine besonders häufig eingesetzte Reduktionsmittelvorläuferlösung ist wässrige Harnstoff-Wasser-Lösung, die mit einem Harnstoffgehalt von 32,5% beispielsweise unter dem Handelsnamen AdBlue^® erhältlich ist. Die Begriffe Reduktionsmittel und Reduktionsmittelvorläuferlösung werden im Folgenden synonym füreinander verwendet und sind beide von dem Begriff „Additiv” erfasst.
Für die Bereitstellung des Reduktionsmittels in einer Abgasbehandlungsvorrichtung ist regelmäßig eine Fördereinheit vorgesehen, welche das Reduktionsmittel aus einem Tank zu der Abgasbehandlungsvorrichtung fördert. Eine solche Fördereinheit sollte möglichst langlebig, möglichst kostengünstig und hinsichtlich Montage und Wartung möglichst einfach aufgebaut sein. Die Entwicklung geht mittlerweile hin zu Fördereinheiten, die im Tank für das Reduktionsmittel eingebaut sind. Bei solchen Fördereinheiten ist es regelmäßig möglich, die Verbindungsleitungen zwischen dem Tank und der Fördereinheit einzusparen. Eine solche Fördereinheit ist beispielsweise aus der WO 2011/085830 A1 bekannt.
Besonders vorteilhaft ist eine derartige Fördereinheit, wenn sie zusätzlich auch Mittel aufweist, mit welchen der Füllstand in dem Tank überwacht werden kann. Problematisch ist hierbei, dass die Fördereinheit möglichst dazu eingerichtet sein sollte, in verschiedenen Tanks eingebaut zu werden und die Messung des Füllstands möglichst unabhängig davon erfolgen sollte, welche Gestalt/Höhe der Tank hat.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme wenigstens zu lindern. Es soll insbesondere eine besonders vorteilhafte Fördereinheit zur Entnahme von flüssigem Additiv aus einem Tank vorgestellt werden, welche einen besonders vorteilhaften Füllstandsensor aufweist. Darüber hinaus soll ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Überwachung des Füllstands eines flüssigen Additivs in einem Tank angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Fördereinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Die Fördereinheit zur Entnahme von flüssigem Additiv aus einem Tank kann an dem Tank montiert werden und weist einen Füllstandsensor zur Messung des Füllstandes an flüssigem Additiv in dem Tank auf. Der Füllstandsensor ist dazu eingerichtet, Wellen in einen Abstrahlbereich des Tanks abzustrahlen, so dass der Füllstand durch eine Laufzeitmessung der Wellen messbar ist, welche von einer Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden und zurück auf den Füllstandsensor treffen. Hierbei hat die Fördereinheit zumindest eine erste Referenzfläche, welche sich zumindest teilweise in den Abstrahlbereich hinein erstreckt und einen ersten Abstand zu dem Füllstandsensor aufweist.
Die Fördereinheit ist vorzugsweise mit einem Gehäuse ausgeführt, in welchem sich die verschiedenen aktiven Komponenten der Fördereinheit befinden. Die aktiven Komponenten sind beispielsweise ein Ventil, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Additivs, ein Sensor oder dergleichen. Die Fördereinheit ist mit ihrem Gehäuse vorzugsweise in eine (bodenseitige) Öffnung des Tankbodens einsetzbar. Die Fördereinheit weist dazu vorzugsweise einen Flansch auf, der dazu eingerichtet ist, eine fluiddichte Verbindung zwischen der Fördereinheit und dem Tank auszubilden. Die Fördereinheit bzw. ihr Gehäuse erstreckt sich dann vorzugsweise ausgehend vom Tankboden in das Innere des Tanks hinein. Die Fördereinheit weist vorzugsweise eine Ansaugstelle auf, welche sich im montierten Zustand der Fördereinheit am Tank im Innenraum des Tanks befindet und über welche die Fördereinheit flüssiges Additiv aus dem Innenraum des Tanks ansaugen kann. Weiterhin ist an der Fördereinheit vorzugsweise eine Abgabestelle vorgesehen, an welcher flüssiges Additiv abgegeben werden kann. Die Abgabestelle ist beispielsweise als ein Anschluss ausgeführt, an welche eine Leitung angeschlossen werden kann, mit der das flüssige Additiv von der Fördereinheit zu einer Zufuhrvorrichtung an einer Abgasbehandlungsvorrichtung geleitet werden kann.
Der Füllstandsensor weist vorzugsweise einen Sender auf, welcher (optische, akustische, elektromagnetische, oder dergleichen) Wellen in den Abstrahlbereich abstrahlt und einen Empfänger, der die von dem Füllstandsensor abgestrahlten Wellen empfangen kann. Dabei können die Wellen zwischen Abstrahlung und Empfang auch an einer geeigneten Fläche reflektiert werden. Mit dem Abstrahlbereich ist insbesondere ein Raumwinkelabschnitt gemeint, in den der Füllstandsensor Wellen abstrahlt. Der Abstrahlbereich erstreckt sich typischerweise ausgehend von dem Füllstandsensor, insbesondere in der Ausführungsvariante eines Ultraschallsensors, kegelförmig. Dieser Kegel kann beispielsweise einen Kegelöffnungswinkel von zwischen 1° [Grad] und 10° haben. Der Sender des Füllstandsensors und der Empfänger des Füllstandsensors sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass der Empfänger (nur) die von dem Sender ausgesendeten Wellen empfängt und vorzugsweise nicht durch Störsignale aus der Umgebung negativ beeinflusst wird. Die von dem Füllstandsensor abgestrahlten Wellen sind vorzugsweise Schallwellen. Es ist aber auch möglich, dass der Sensor elektromagnetische Wellen ausstrahlt und empfängt. Die Wellen weisen vorzugsweise eine Frequenz auf, welche dazu geeignet ist, an einer Oberfläche des flüssigen Additivs in dem Tank eine (zumindest teilweise) (Total-)Reflektion zu erfahren. So kann sichergestellt werden, dass die Wellen von dem Füllstandsensor ausgehend zu der Flüssigkeitsoberfläche ausgesandt, dort reflektiert und zurück zu dem Füllstandsensor gelenkt werden. Bei der Laufzeitmessung wird dementsprechend die Zeit für die Reise der Wellen von dem Füllstandsensor hin zu der Flüssigkeitsoberfläche und zurück gemessen. Der Füllstandsensor ist vorzugsweise derart an der Fördereinheit ausgerichtet, dass der Abstrahlbereich sich ausgehend vom Füllstandsensor senkrecht nach oben (entgegen der Gravitation) erstreckt, wenn die Fördereinheit in einer vorgesehenen Einbaulage an einem Tank montiert ist. So kann gewährleistet werden, dass die von dem Füllstandsensor ausgesendeten Wellen in einem rechten Winkel auf eine Flüssigkeitsoberfläche des Additivs in dem Tank treffen und dort senkrecht zurück zu dem Füllstandsensor reflektiert werden.
Es hat sich herausgestellt, dass die Laufzeit in flüssigem Additiv sehr unterschiedlich sein kann, weil eine Vielzahl von Quereinflüssen einen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Wellen in dem flüssigen Additiv hat. Einen großen Quereinfluss hat beispielsweise die Zusammensetzung des flüssigen Additivs. Die Genauigkeit der Füllstandmessung mit einem derartigen Füllstandsensor, welcher Wellen ausstrahlt, kann stark erhöht werden, wenn zusätzlich zu der beschriebenen Laufzeitmessung eine zweite Laufzeitmessung von dem Füllstandsensor zu einer Referenzfläche und zurück erfolgt. Von dem Füllstandsensor zu der Referenzfläche existiert dann eine Referenzmessstrecke, auf welcher die Geschwindigkeit der Wellen in dem flüssigen Additiv ermittelt wird. Die Laufzeit zu der Referenzfläche kann dann mit der Laufzeit zu der Flüssigkeitsoberfläche verglichen werden. Hierdurch kann eine Veränderung der Geschwindigkeit der Wellen in dem flüssigen Additiv und bei der Füllstandmessung berücksichtigt werden. Dadurch, dass sich die Referenzfläche in den Abstrahlbereich des Füllstandsensors hinein erstreckt, wird erreicht, dass ein Teil der von dem Füllstandsensor in den Abstrahlbereich hinein abgestrahlten Wellen an der Referenzfläche zurück zu dem Füllstandsensor reflektiert wird. Die erste Referenzfläche führt somit zu einem zusätzlichen Signal, das von dem Füllstandsensor wahrgenommen wird.
Die erste Referenzfläche sollte so angeordnet sein, dass die erste Referenzmessstrecke von dem Füllstandsensor zu der ersten Referenzfläche (möglichst auch bei einem niedrigen Füllstand im Tank) unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche liegt. Die erste Referenzfläche ist daher vorzugsweise in einem verhältnismäßig geringen ersten Abstand von dem Füllstandsensor angeordnet. Die erste Referenzfläche hat vorzugsweise einen Abstand von weniger als 100 mm [Millimeter], wobei der erste Abstand besonders bevorzugt zwischen 25 mm und 80 mm oder sogar zwischen 50 mm und 80 mm beträgt.
Die Fördereinheit ist besonders vorteilhaft, wenn die Fördereinheit eine zusätzliche zweite Referenzfläche aufweist, welche sich ebenfalls zumindest teilweise in den Abstrahlbereich hinein erstreckt und einen zweiten Abstand zu dem Füllstandsensor aufweist. Mit einer derartigen zweiten Referenzfläche kann eine zusätzliche Laufzeit der Wellen durch das flüssige Additiv bestimmt werden. Diese zusätzliche Laufzeitmessung kann einerseits genutzt werden, um eine noch genauere Referenz zur Korrektur der Laufzeitmessung zu der Flüssigkeitsoberfläche zur Verfügung zu haben. Weiter ermöglicht diese zusätzliche Laufzeitmessung, die Laufzeiten zweier bekannter Strecken (ausgehend von dem Füllstandsensor hin zu den beiden verschiedenen Referenzflächen und zurück) zu vergleichen, so dass weitere Rückschlüsse auf Eigenschaften des flüssigen Additivs gezogen werden können. So kann eine Qualitätsmessung des flüssigen Additivs mit dem Füllstandsensor parallel zu der Füllstandmessung erfolgen.
Darüber hinaus kann die zweite Referenzfläche auch dazu genutzt werden, Fertigungstoleranzen in der Fördereinheit auszugleichen. Häufig sind der erste Abstand zwischen dem Füllstandsensor und der ersten Referenzfläche und/oder der zweite Abstand zwischen dem Füllstandsensor und der zweiten Referenzfläche nicht besonders genau bekannt und/oder diese Abstände unterliegen relativ großen Fertigungstoleranzen. Dies kann beispielsweise daran liegen, dass der Füllstandsensor an einer aus Kunststoff gefertigten Wand des Gehäuses der Fördereinheit montiert ist, deren Form und Dicke eine relativ große Toleranz haben. Dann ist es aber ggf. trotzdem möglich, dass die Distanz zwischen der ersten Referenzfläche und der zweiten Referenzfläche sehr exakt eingehalten wird. Die zweite Referenzfläche hat zu dem Füllstandsensor vorzugsweise einen zweiten Abstand von 5 mm bis 40 mm, besonders bevorzugt von 20 mm bis 30 mm. Die erste Referenzfläche und die zweite Referenzfläche haben zueinander bevorzugt eine Distanz von 30 mm bis 60 mm.
Weiterhin ist die Fördereinheit vorteilhaft, wenn der Füllstandsensor ein Ultraschallsensor ist. Ein Ultraschallsensor sendet und empfängt vorzugsweise Schall in einem Frequenzbereich oberhalb des Hörfrequenzbereichs. Typischerweise werden Frequenzen von mehr als 16 kHz [16.000 1 / Sekunde ] als Ultraschall bezeichnet. Vorzugsweise sendet und empfängt der Ultraschallsensor Schallwellen in einem Frequenzbereich zwischen 2 und 20 MHz [Megahertz]. Es hat sich herausgestellt, dass mit Hilfe von Ultraschall besonders genaue Laufzeitmessungen in flüssigen Abgas-Additiven und insbesondere in wässriger Harnstoff-Lösung erfolgen können. Daher ist mit einer Ultraschallmessung eine besonders genaue Bestimmung des Füllstands in einem Tank für flüssiges Additiv und insbesondere in einem Tank für wässrige Harnstoff-Lösung möglich.
Weiterhin ist die Fördereinheit vorteilhaft, wenn die zumindest eine erste Referenzfläche an einem separaten Kalibrierungsbauteil angeordnet ist, welches an einer Außenseite eines Gehäuses der Fördereinheit montiert ist. Für verschiedene Tankgestalten müssten die Referenzflächen für die Füllstandmessung häufig unterschiedlich positioniert werden. Im Interesse einer kostengünstigen Fertigung der Fördereinheit ist es allerdings wünschenswert, wenn die Fördereinheit für unterschiedliche Tanks möglichst gleich ausgeführt ist. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste (und/oder auch die zweite) Referenzfläche an einem einzelnen, relativ kostengünstigen Bauteil ausgebildet sind, welches einfach an verschiedene Tanks und verschiedene Anwendungen der Fördereinheit angepasst werden kann. Dieses Referenzbauteil ist vorzugsweise auch nachträglich an der Fördereinheit montierbar und wieder demontierbar, so dass eine Fördereinheit auch nachträglich für verschiedene Tanks und Anwendungen angepasst werden kann. Das separate Kalibrierungsbauteil kann beispielsweise als Blechbauteil ausgeführt sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Distanz zwischen den Referenzflächen bei einem derartigen Blechbauteil besonders präzise eingehalten werden kann. Das Gehäuse der Fördereinheit ist beispielsweise aus Kunststoff ausgeführt. Bei diesem Gehäuse ist es unter Umständen nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich, besonders genaue Fertigungstoleranzen einzuhalten, so dass die Referenzflächen, welche sonst unmittelbar an dem Gehäuse zu montiert wären und damit auch aus Kunststoff gefertigt wären, in einer Fertigungsserie nicht sehr verlässlich ihre Distanz beibehalten würden. Für die hohe Genauigkeit der Laufzeitmessung wäre dies sehr nachteilig. Dies wird hier nun durch ein separates Kalibrierungsbauteil vermieden.
Außerdem ist es auch vorteilhaft, wenn zumindest die erste Referenzfläche, bevorzugt die erste Referenzfläche und die zweite Referenzfläche, so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen dem Füllstandsensor und der Referenzfläche bzw. der Abstand der Referenzflächen zueinander eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit aufweist. Aufgrund von Wärmeausdehnung verändern sich die Abstände an einem Bauteil in Abhängigkeit einer Temperatur. Auch wenn diese Veränderungen relativ klein sind, können sie auf die Messung mit dem beschriebenen Füllstandsensor eine Auswirkung haben, die zu einer fehlerbehafteten Füllstandsmessung führt. Eine besonders geringe Temperaturabhängigkeit des Abstandes kann erreicht werden, wenn das zur Anbindung der Referenzfläche vorgesehenen Bauteil einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Wenn die Referenzflächen an einem separaten Kalibrierungsbauteil vorgesehen sind, ist dies möglich. Das Kalibrierungsbauteil hat vorzugsweise einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, nämlich von maximal 50 μm/mK (Mikrometer pro Meter und Kelvin). Dies kann erreicht werden, indem das Kalibrierungsbauteil beispielsweise aus Metall hergestellt ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses der Fördereinheit ist normalerweise höher, beispielsweise größer als 100 μm/mK, weil das Gehäuse z. B. aus Kunststoff gefertigt ist.
Das Kalibrierungsbauteil hat vorzugsweise einen Abschnitt, der in der Nähe zu dem Füllstandsensor zur Anlage an dem Gehäuse kommt und so einen Abstand zwischen den Referenzflächen und dem Füllstandsensor vorgibt. Dieser Abschnitt kann beispielsweise ein Anpressabschnitt sein, der in der Nähe des Füllstandsensors an ein Gehäuse der Fördereinheit gedrückt wird und dadurch fest an dem Gehäuse anliegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Fördereinheit kann die zumindest eine erste Referenzfläche an dem Kalibrierungsbauteil individuell positioniert werden, um den ersten Abstand der ersten Referenzfläche zu dem Füllstandsensor festzulegen. Das Kalibrierungsbauteil kann beispielsweise aus einem vorgefertigten Bauteil hergestellt sein, welches durch einen einfachen Umformungsprozess verformt werden kann, um die Referenzflächen auszubilden. Beispielsweise ist es auch hier vorteilhaft, wenn das separate Kalibrierungsbauteil ein Blechstreifen ist, aus welchem die erste Referenzfläche und/oder die zweite Referenzfläche einfach herausgebogen werden können.
Zudem ist die Fördereinheit vorteilhaft, wenn diese ein Gehäuse aufweist, wobei der Füllstandsensor in dem Gehäuse angeordnet und über eine Koppelschicht in Kontakt mit einer Wand des Gehäuses steht, wobei der Füllstandsensor dazu eingerichtet ist, durch die Wand hindurch Wellen abzustrahlen und zu empfangen.
Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Kunststoff ausgeführt. Ein Ultraschallsensor kann durch eine dünne Wand des Gehäuses hindurch problemlos Wellen aussenden und empfangen. Daher kann der Füllstandsensor innerhalb des Gehäuses der Fördereinheit angeordnet sein und muss in keinem direkten Kontakt mit dem flüssigen Additiv stehen. Zur Verbesserung der Übertragung der Wellen von dem Füllstandsensor auf das Gehäuse kann eine Koppelschicht vorgesehen sein, welche den Füllstandsensor mit dem Gehäuse verbindet. Die Koppelschicht (oder auch Übertragungsmasse) kann beispielsweise nach Art eines Gels und/oder einer Paste ausgeführt sein, welche eine besonders gut Wellen (wie z. B. Schall) leitende Verbindung zwischen dem Füllstandsensor und dem Gehäuse herstellt.
Der Füllstandsensor ist an der Wand des Gehäuses im Innenraum des Gehäuses vorzugsweise mit zumindest einem Befestigungsmittel befestigt. Dabei ist der Füllstandsensor vorzugsweise mit dem Befestigungsmittel gegen die Wand gedrückt/geklemmt. Die Koppelschicht ist bevorzugt mit dem zumindest einen Befestigungsmittel zwischen dem Füllstandsensor und der Wand fest eingespannt, so dass ein dauerhafter Kontakt zwischen dem Füllstandsensor, der Koppelschicht und der Wand besteht.
Weiterhin ist die Fördereinheit vorteilhaft, wenn an dem Füllstandsensor ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des flüssigen Additivs in dem Tank angeordnet ist. Die Temperatur des flüssigen Additivs hat einen teilweise signifikanten Quereinfluss auf die Geschwindigkeit der Wellen in dem flüssigen Additiv. Daher ist es vorteilhaft, die Temperatur des flüssigen Additivs in unmittelbarer Nähe zu dem Füllstandsensor (insbesondere Ultraschallsensor) zu messen. Vorzugsweise wird ein Füllstandsensor verwendet, welcher mit dem Temperatursensor ein gemeinsames (zusammengehöriges) Bauteil bildet, welches bei der Montage der Fördereinheit einstückig in die Fördereinheit eingesetzt werden kann.
Weitere Vorteile hat die Fördereinheit, wenn diese ein Gehäuse mit einer Ausbuchtung aufweist, und der Temperatursensor in dem Gehäuse in der Ausbuchtung angeordnet ist. Die Ausbuchtung erstreckt sich vorzugsweise ausgehend von dem Gehäuse in den Innenraum des Tanks hinein. Die Ausbuchtung ist daher von flüssigem Additiv, welches in dem Tank vorliegt, umspült und/oder gefüllt. Ein Temperatursensor, der sich in dieser Ausbuchtung befindet, steht folglich in direktem Kontakt zu dem flüssigen Additiv und kann deshalb dessen Temperatur präzise bestimmen. Vorzugsweise ist die Ausbuchtung ebenfalls wenigstens teilweise mit einer Art Koppelmedium ausgekleidet, welches einen direkten thermischen Kontakt zwischen der Wand des Gehäuses und dem Temperatursensor herstellt, so dass der Temperatursensor die außen an der Wand/dem Kopplungsmedium anliegende Temperatur des flüssigen Additivs in dem Tank besonders präzise bestimmen kann.
Die Fördereinheit kann dazu eingerichtet sein, zusätzlich zumindest eine Eigenschaft des flüssigen Additivs zu messen/bestimmen, wobei hierfür zumindest eine Laufzeitmessung von Wellen zu der ersten Referenzfläche und zurück zu dem Füllstandsensor verwendet wird. Beispielsweise hängt die Laufzeit von Schallwellen in wässriger Harnstoff-Lösung maßgeblich von der Konzentration des Harnstoffs in der Lösung ab. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn mit dem Füllstandsensor zusätzlich zu der Füllstandmessung eine Überwachung der Konzentration des flüssigen Additivs in dem Tank durchgeführt wird.
Die Erfindung ist insbesondere auch als Tank zur Bevorratung von flüssigem Additiv realisierbar, aufweisend einen Tankboden, an welchem eine hier erfindungsgemäß beschriebene Fördereinheit angeordnet ist.
Zudem kann die Erfindung auch bei einem Kraftfahrzeug ausgeführt sein, aufweisend zumindest eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine, einen Tank zur Bevorratung eines flüssigen Additivs und eine hier erfindungsgemäß beschriebene Fördereinheit, welche dazu eingerichtet ist, flüssiges Additiv aus dem Tank zu entnehmen und in die Abgasbehandlungsvorrichtung zu fördern.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend, wird ein Verfahren zur Überwachung des Füllstands eines flüssigen Additivs in einem Tank mit zumindest einem Füllstandsensor vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a) Absenden eines wellenförmigen Signals in den Tank mit dem Füllstandsensor und Aktivieren einer Zeitmessung;
b) Empfangen von zumindest einem ersten, von einer ersten Referenzfläche reflektierten Signal durch den Füllstandsensor und Bestimmen einer ersten Signallaufzeit;
c) Empfangen eines zweiten, von einer Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Signals durch den Füllstandsensor und Bestimmen einer zweiten Signallaufzeit; und
d) Berechnen eines Füllstands mit Hilfe eines Vergleichs der ersten Signallaufzeit und der zweiten Signallaufzeit.

Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise in einer elektronischen Kontrolleinheit durchgeführt, an welche der Füllstandsensor angeschlossen ist und welche eine Zeitmesseinheit aufweist, mit welcher die Zeitmessung zur Bestimmung der verschiedenen Signallaufzeiten durchgeführt werden kann. Wie durch die Reihenfolge der Schritte des beschriebenen Verfahrens bereits angedeutet, erreicht das an der ersten Referenzfläche reflektierte Signal den Füllstandsensor regelmäßig (bei z. B. über einer Reserve liegendem Füllstand), bevor das zweite an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Signal den Füllstandsensor erreicht. Dies liegt daran, dass die erste Referenzfläche vorzugsweise in einem geringeren Abstand zu dem Füllstandsensor angeordnet ist als die Flüssigkeitsoberfläche.
Das beschriebene Verfahren wird weiter bevorzugt nach Art einer Schleife iterativ wiederholt ausgeführt. Der Füllstandsensor sendet dabei regelmäßig in Schritt a) ein Wellensignal ab und erwartet dann in den Schritten b) und c) die Reflektionen des Signals an der ersten Referenzfläche bzw. an der Flüssigkeitsoberfläche. Dann erfolgt die Berechnung des Füllstandes in Schritt d). Anschließend wird erneut Schritt a) durchgeführt. Gegebenenfalls kann vor der erneuten Durchführung von Schritt a) ein Zeitintervall abgewartet werden, so dass das beschriebene Verfahren beispielsweise zumindest alle 5 Minuten, vorzugsweise zumindest alle 15 Minuten und besonders bevorzugt zumindest jede Stunde durchgeführt werden sollte. Gegebenenfalls kann dieses Zeitintervall auch variieren (z. B. in Abhängigkeit des ermittelten Füllstandes) oder auch auf eine externe Aufforderung aktiviert/geändert werden.
Besonders vorteilhaft ist das beschriebene Verfahren, wenn zwischen Schritt b) und Schritt c) ein weiteres reflektiertes Signal von einer zweiten Referenzfläche vom Füllstandsensor empfangen wird, und eine weitere Signallaufzeit bestimmt wird, und wobei in einem Schritt e) zumindest eine Eigenschaft des flüssigen Additivs durch einen Vergleich der ersten Signallaufzeit und der weiteren Signallaufzeit ermittelt wird. Das Empfangen des weiteren reflektierten Signals von der zweiten Referenzfläche erfolgt zeitlich vorzugsweise in einem Schnitt b.2), zwischen Schritt b) und Schritt c).
Durch eine weitere Laufzeitmessung von Wellen in dem flüssigen Additiv ist es nicht nur möglich, eine Eigenschaft des flüssigen Additivs zu bestimmen. Es ist auch möglich, weitere Quereinflüsse, welche einen Einfluss auf die Genauigkeit der für die Füllstandmessung verwendeten Laufzeitmessung haben können, zu bestimmen und zu minimieren. Beispielsweise kann es durch die Montage des Füllstandsensors in dem Gehäuse einer Fördereinheit passieren, dass die Laufzeit der Wellen von dem Füllstandsensor durch die Wand und gegebenenfalls durch eine Koppelschicht in das flüssige Additiv hinein je nach Einbau unterschiedlich ist. Diese fertigungsbedingten Unterschiede können durch eine weitere Laufzeitmessung kompensiert werden.
Im Zusammenhang mit der Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die für die beschriebene Fördereinheit geschilderten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale in entsprechender Weise auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar sind. Gleiches gilt für die für das beschriebene Verfahren geschilderten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale, welche ebenso auf die Fördereinheit anwendbar und übertragbar sind.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen auch besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
1: einen Tank mit einer ersten Ausführungsvariante einer Fördereinheit,
2: einen Tank mit einer zweiten Ausführungsvariante einer Fördereinheit,
3: ein Kalibrierungsbauteil für eine Fördereinheit,
4: einen Ausschnitt einer Fördereinheit mit einem Kalibrierungsbauteil,
5: eine schematische Darstellung eines Abstrahlbereichs eines Füllstandsensors,
6: ein Kraftfahrzeug, und
7: eine Variante eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zur Ermittlung des Füllstands im Tank.
Soweit gleiche Bauteile in den Figuren dargestellt sind, wurden diese mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Nachfolgend werden die Figuren, soweit sie auch Gemeinsamkeiten aufweisen, teilweise zusammen erläutert.
In den 1 und 2 ist jeweils ein Tank 2 dargestellt. In den Tankboden 18 des Tanks 2 ist eine Fördereinheit 1 eingesetzt. Die Fördereinheit 1 weist einen Füllstandsensor 3 (Ultraschallsensor) auf, welcher dazu eingerichtet ist, in einen Abstrahlbereich 4 in dem Tank 2 Wellen (bzw. Schallwellen) abzustrahlen. Diese Wellen werden an einer Flüssigkeitsoberfläche 5 des flüssigen Additivs (Harnstoff-Wasser-Lösung) in dem Tank 2 reflektiert und zurück zu dem Füllstandsensor 3 umgelenkt. Hierdurch kann der Füllstandsensor 3 über eine Laufzeitmessung den Abstand der Flüssigkeitsoberfläche 5 zu dem Füllstandsensor 3 bestimmen und darüber den Füllstand an flüssigem Additiv in dem Tank 2 ermitteln. Der Füllstandsensor 3 ist vorzugsweise in einem Innenraum 28 eines Gehäuses 12 der Fördereinheit 1 angeordnet. Eine Wand 14 des Gehäuses 12 trennt somit den Füllstandsensor 3 von dem Tank 2. Der Füllstandsensor 3 ist dadurch vor dem flüssigen Additiv geschützt. Das flüssige Additiv liegt jeweils nur an der Außenseite 11 des Gehäuses 12 an und gelangt nicht in den Innenraum 28 hinein.
Gemäß den 1 und 2 ist an der Fördereinheit 1 jeweils eine erste Referenzfläche 6 vorgesehen, welche sich in den Abstrahlbereich 4 hinein erstreckt und ebenfalls zu einer Reflektion von Wellen führt, welche von dem Füllstandsensor 3 in den Tank 2 hinein abgestrahlt werden. Auch die an der ersten Referenzfläche 6 reflektierten Wellen treffen zurück auf den Füllstandsensor 3, so dass eine Laufzeitmessung von Wellen von dem Füllstandsensor 3 zu der ersten Referenzfläche 6 und zurück durchgeführt werden kann. Die erste Referenzfläche 6 führt dazu, dass in dem Abstrahlbereich 4 ein Abdeckbereich 29 existiert, in welchen die von dem Füllstandsensor 3 ausgesandten Wellen nicht gelangen, obwohl dieser eigentlich in dem Abstrahlbereich 4 liegen würde. Die erste Referenzfläche 6 ist so ausgeführt, dass der Abstrahlbereich 4 nicht vollständig von der ersten Referenzfläche 6 abgedeckt wird und trotz der ersten Referenzfläche 6 noch ein Teil der von dem Füllstandsensor 3 ausgesandten Wellen bis zu der Flüssigkeitsoberfläche 5 gelangen kann und dort reflektiert wird.
Gemäß der 1 ist zusätzlich zu dem Füllstandsensor 3 ein Temperatursensor 16 vorgesehen, welcher sich in einer Ausbuchtung 17 des Gehäuses 12 der Fördereinheit 1 befindet. Der Temperatursensor 16 und der Füllstandsensor 3 können auch als gemeinsames Bauteil ausgeführt sein.
In der 2 ist zusätzlich zu der ersten Referenzfläche 6 noch eine zweite Referenzfläche 8 vorgesehen, welche ebenfalls von dem Füllstandsensor 3 abgestrahlte Wellen reflektiert, so dass auch eine Laufzeitmessung von Wellen hin zu der zweiten Referenzfläche 8 und zurück zu dem Füllstandsensor 3 möglich ist. Die erste Referenzfläche 6 und die zweite Referenzfläche 8 sind hier nicht direkt übereinander angeordnet, so dass Wellen von dem Füllstandsensor 3 sowohl auf die erste Referenzfläche 6 als auch auf die zweite Referenzfläche 8 treffen und zwei getrennte Laufzeitmessungen möglich sind.
In 3 ist ein Kalibrierungsbauteil 10 dargestellt, welches an einem Gehäuse einer Fördereinheit befestigt werden kann. Dieses bildet eine erste Referenzfläche 6 und eine zweite Referenzfläche 8 aus. Das Kalibrierungsbauteil ist als eine Art Streifen ausgeführt, welcher vorzugsweise aus (einem geeigneten metallischen) Blech ist. Hierdurch lassen sich Fertigungstoleranzen bezüglich der Position der ersten Referenzfläche 6, der zweiten Referenzfläche 8 und/oder einem Anpressabschnitt 30, welcher zur Anlage in der Nähe des Füllstandsensors 3 eingerichtet ist, besonders präzise zueinander einhalten. Damit der Anpressabschnitt 30 präzise an einer Wand des Gehäuses einer Fördereinheit anliegt, ist im oberen Bereich des Kalibrierungsbauteils 10 ein Federabschnitt 27 vorgesehen. Der Federabschnitt 27 federt nach und sorgt dafür, dass auch bei einer unterschiedlichen Höhe des Gehäuses einer Fördereinheit der Abstand zwischen dem Füllstandsensor 3 und der ersten Referenzfläche 6 und der zweiten Referenzfläche 8 präzise eingehalten wird.
4 zeigt einen Abschnitt einer Fördereinheit mit einem Kalibrierungsbauteil 10. Zu erkennen ist die Wand 14 des Gehäuses der Fördereinheit.
An der Wand 14 ist in einem Innenraum 28 des Gehäuses der Füllstandsensor 3 montiert. Der Füllstandsensor 3 ist mit Befestigungsmitteln 15 an der Wand 14 beispielsweise verschraubt oder eingeklemmt. Zwischen dem Füllstandsensor 3 und der Wand 14 befindet sich eine Koppelschicht 13, welche eine gute Übertragung von Wellen von dem Füllstandsensor 3 zu der Wand und damit zu der Außenseite 11 und in das flüssige Additiv in den Tank hinein ermöglicht. Das Kalibrierungsbauteil 10 ist an der Außenseite 11 des Gehäuses montiert. Der Anpressabschnitt 30 gibt eine präzise Positionierung des Kalibrierungsbauteils 10 relativ zu dem Füllstandsensor 3 vor. An dem Kalibrierungsbauteil 10 ist die erste Referenzfläche 6 zu erkennen, welche sich in einem ersten Abstand 7 zu dem Füllstandsensor 3 befindet. Auch zu erkennen ist die zweite Referenzfläche 8, welche sich in einem zweiten Abstand 9 zu dem Füllstandsensor 3 befindet. Das Kalibrierungsbauteil 10 ist mit einem Befestigungsmittel 15 an der Wand 14 des Gehäuses befestigt. Ein Federabschnitt 27 sorgt dafür, dass Anpressabschnitt 30 des Kalibrierungsbauteils 10 in der Nähe des Füllstandsensors 3 an der Wand 14 des Gehäuses zur Anlage kommt.
In 5 ist eine schematische Darstellung des Abstrahlbereichs 4 eines Füllstandsensors gegeben. Nach 5 wird der Füllstandsensor von oben betrachtet. Wellen, die von dem Füllstandsensor in dem ersten Sektor 22 abgestrahlt werden, treffen vorzugsweise auf eine erste Referenzfläche. Wellen, die von dem Füllstandsensor in dem zweiten Sektor 23 abgestrahlt werden, treffen vorzugsweise auf eine zweite Referenzfläche. Die auf die Referenzflächen treffenden Wellen werden zurück zu dem Füllstandsensor reflektiert. In dem dritten Sektor 24 von dem Füllstandsensor abgestrahlte Wellen werden von den Referenzflächen nicht behindert, sondern gelangen bis zu einer Flüssigkeitsoberfläche des Additivs im Tank, werden dort reflektiert und zurück zu dem Füllstandsensor 3 gesendet.
6 zeigt ein Kraftfahrzeug 19, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 20 und eine Abgasbehandlungsvorrichtung 21 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 20. In die Abgasbehandlungsvorrichtung 21 ist flüssiges Additiv mit einer Zufuhrvorrichtung 25 zuführbar. Das flüssige Additiv ist vorzugsweise Reduktionsmittel und insbesondere bevorzugt wässrige Harnstoff-Lösung. Die Zufuhrvorrichtung 25 wird von einer Fördereinheit 1 aus einem Tank 2 mit flüssigem Additiv versorgt. In dem Kraftfahrzeug ist zusätzlich eine Kontrolleinheit 26 vorgesehen, mit welcher die Fördereinheit kontrolliert wird und bspw. ein Füllstandmessverfahren durchgeführt werden kann.
7 zeigt in einem schematischen Ablaufdiagramm das beschriebene Verfahren zur Füllstandmessung. Es ist zu erkennen, dass die Verfahrensschritte a) bis e) nach Art einer Schleife wiederholt werden, um regelmäßig eine aktuelle Information über den Füllstand von flüssigem Additiv in dem Tank zu erhalten.
Die jeweils in den Figuren veranschaulichten Merkmale sind regelmäßig nicht zwingend miteinander verbunden, sondern lassen sich auch mit Ausgestaltungen anderer Figuren kombinieren. Ebenso können die in den Figuren gezeigten Merkmale der Ausführungsvarianten einzeln zur Präzisierung der Erfindung herangezogen werden, soweit nicht ausdrücklich hier ein zwingender Zusammenhang angegeben ist.
Die Erfindung lindert somit die eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme. Insbesondere wurde eine besonders vorteilhafte Fördereinheit zur Entnahme von flüssigem Additiv aus einem Tank vorgestellt, welche einen besonders vorteilhaften Füllstandsensor aufweist. Darüber wurde ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Überwachung des Füllstands des flüssigen Additivs in einem Tank angegeben. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung im Bereich der Lagerung und Förderung von wässriger Harnstoff-Lösung in einem Kraftfahrzeug.
Bezugszeichenliste

1: Fördereinheit
2: Tank
3: Füllstandsensor
4: Abstrahlbereich
5: Flüssigkeitsoberfläche
6: erste Referenzfläche
7: erster Abstand
8: zweite Referenzfläche
9: zweiter Abstand
10: Kalibrierungsbauteil
11: Außenseite
12: Gehäuse
13: Koppelschicht
14: Wand
15: Befestigungsmittel
16: Temperatursensor
17: Ausbuchtung
18: Tankboden
19: Kraftfahrzeug
20: Verbrennungskraftmaschine
21: Abgasbehandlungsvorrichtung
22: erster Sektor
23: zweiter Sektor
24: dritter Sektor
25: Zufuhrvorrichtung
26: Kontrolleinheit
27: Federabschnitt
28: Innenraum
29: Abdeckbereich
30: Anpressabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/085830 A1 [0003]

Claims

Fördereinheit (1) zur Entnahme von flüssigem Additiv aus einem Tank (2), die an dem Tank (2) montiert werden kann, aufweisend einen Füllstandsensor (3) zur Messung des Füllstandes an flüssigem Additiv in dem Tank (2), wobei der Füllstandsensor (3) dazu eingerichtet ist, Wellen in einen Abstrahlbereich (4) des Tanks (2) abzustrahlen und der Füllstand durch eine Laufzeitmessung der Wellen messbar ist, welche von einer Flüssigkeitsoberfläche (5) reflektiert werden und zurück auf den Füllstandsensor (3) treffen, und wobei die Fördereinheit (1) zumindest eine erste Referenzfläche (6) aufweist, welche sich zumindest teilweise in den Abstrahlbereich (4) hinein erstreckt und einen ersten Abstand (7) zu dem Füllstandsensor (3) aufweist.
Fördereinheit (1) nach Patentanspruch 1, wobei die Fördereinheit (1) eine zusätzliche zweite Referenzfläche (8) aufweist, welche sich ebenfalls zumindest teilweise in den Abstrahlbereich (4) hinein erstreckt und einen zweiten Abstand (9) zu dem Füllstandsensor (3) aufweist.
Fördereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Füllstandsensor (3) ein Ultraschallsensor ist.
Fördereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die zumindest eine erste Referenzfläche (6) an einem separaten Kalibrierungsbauteil (10) angeordnet ist, welches an einer Außenseite (11) eines Gehäuses (12) der Fördereinheit montiert ist.
Fördereinheit (1) nach Patentanspruch 4, wobei die zumindest eine erste Referenzfläche (6) an dem Kalibrierungsbauteil (10) individuell positioniert werden kann, um den ersten Abstand (7) der ersten Referenzfläche (6) zu dem Füllstandsensor (3) festzulegen.
Fördereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, welche ein Gehäuse (12) aufweist, wobei der Füllstandsensor (3) in dem Gehäuse (12) angeordnet und über eine Koppelschicht (13) in Kontakt mit einer Wand (14) des Gehäuses steht, wobei der Füllstandsensor (3) dazu eingerichtet ist, durch die Wand (14) hindurch Wellen abzustrahlen und zu empfangen.
Fördereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an dem Füllstandsensor (3) ein Temperatursensor (16) zur Messung der Temperatur des flüssigen Additivs in dem Tank (2) angeordnet ist.
Fördereinheit (1) nach Patentanspruch 7, wobei die Fördereinheit (1) ein Gehäuse (12) mit einer Ausbuchtung (17) aufweist, und der Temperatursensor (16) in dem Gehäuse (12) in der Ausbuchtung (17) angeordnet ist.
Fördereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, welche dazu eingerichtet ist, zusätzlich zumindest eine Eigenschaft des flüssigen Additivs zu messen, wobei hierfür zumindest eine Laufzeitmessung von Wellen zu der ersten Referenzfläche (6) und zurück zu dem Füllstandsensor (3) verwendet wird.
Tank (2) zur Bevorratung von flüssigem Additiv, aufweisend einen Tankboden (18), an welchem eine Fördereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (19), aufweisend zumindest eine Verbrennungskraftmaschine (20), eine Abgasbehandlungsvorrichtung (21) zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine (20), einen Tank (2) zur Bevorratung eines flüssigen Additivs und eine Fördereinheit (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, welche dazu eingerichtet ist, flüssiges Additiv aus dem Tank (2) zu entnehmen und in die Abgasbehandlungsvorrichtung (21) zu fördern.
Verfahren zur Überwachung des Füllstandes eines flüssigen Additivs in einem Tank (2) mit zumindest einem Füllstandsensor (3), umfassend zumindest die folgenden Schritte: a) Absenden eines wellenförmigen Signals in den Tank (2) mit dem Füllstandsensor (3) und Aktivieren einer Zeitmessung; b) Empfangen von zumindest einem ersten, von einer ersten Referenzfläche (6) reflektierten Signal durch den Füllstandsensor (3) und Bestimmen einer ersten Signallaufzeit; c) Empfangen eines zweiten, von einer Flüssigkeitsoberfläche (5) reflektierten Signals durch den Füllstandsensor (3) und Bestimmen einer zweiten Signallaufzeit; und d) Berechnen eines Füllstandes mit Hilfe eines Vergleiches der ersten Signallaufzeit und der zweiten Signallaufzeit.
Verfahren nach Patentanspruch 12, wobei zwischen Schritt b) und Schritt c) ein weiteres reflektiertes Signal von einer zweiten Referenzfläche (8) vom Füllstandsensor (3) empfangen wird, und eine weitere Signallaufzeit bestimmt wird, und wobei in einem Schritt e) zumindest eine Eigenschaft des flüssigen Additivs durch einen Vergleich der ersten Signallaufzeit und der weiteren Signallaufzeit ermittelt wird.