DE102016010749A1 - Modul zur Entnahme von Flüssigkeit aus einem Tank und Verfahren zum Betrieb des Moduls - Google Patents

Modul zur Entnahme von Flüssigkeit aus einem Tank und Verfahren zum Betrieb des Moduls Download PDF

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Abstract

KurzfassungAufgabe: Es soll ein Entnahmemodul für einen Tank beschrieben werden, der erheblich schmaler aufgebaut ist als bekannte Tankanlagen für die beschriebene Flüssigkeit, damit der vorhandene Bauraum im Fahrzeug besser ausgenutzt wird. Dazu muss das Entnahmemodul erheblich kleiner gestaltet werden. Daneben soll das verfügbare Flüssigkeitsvolumen im Tank vergrößert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Modul zur Entnahme von Flüssigkeit aus einem Tank und ein Verfahren zum Betrieb des Moduls.
  • Der Tank enthält eine wässrige Flüssigkeit, die bei sehr niedrigen Betriebstemperaturen einfriert und dabei ihr Volumen vergrößert, was besondere Anforderungen an alle Komponenten stellt, die diese Flüssigkeit einschließen.
  • Stand der Technik:
  • Anlagen, Module und Komponenten zur Lagerung, Förderung und zum Einspritzen solcher Flüssigkeiten sind bekannt, zum Beispiel von Anlagen zur selektiven katalytischen Reduktion von Abgasen von Dieselmotoren (SCR-Anlagen). Solche Anlagen enthalten für die erforderliche Flüssigkeit mindestens einen Tank und jeder Tank enthält ein Entnahmemodul mit mindestens einer Pumpe, einem Filter und einer Heizung. Die Heizung dient vor allem dem Zweck, die Flüssigkeit vor der Inbetriebnahme aufzutauen, wenn sie eingefroren ist. In vielen Fällen enthält das Entnahmemodul weitere Komponenten wie Ventile und Sensoren.
  • Aufgabe:
  • Im Zuge der Weiterentwicklung von SCR-Anlagen für Fahrzeuge soll ein Entnahmemodul für einen Tank beschrieben werden, der erheblich schmaler aufgebaut ist als bekannte Tankanlagen für die beschriebene Flüssigkeit, damit der vorhandene Bauraum im Fahrzeug besser ausgenutzt wird. Dazu muss das Entnahmemodul erheblich kleiner gestaltet werden. Daneben soll das verfügbare Flüssigkeitsvolumen im Tank vergrößert werden.
  • Es sollen auch vorteilhafte Verfahren zum Betrieb des Moduls angegeben werden.
  • Lösung:
  • Die beschriebene Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, die auf Vorrichtungen gerichteten Unteransprüche führen die Lösung weiter aus und die Verfahrensansprüche beschreiben vorteilhafte Verfahren zum Betrieb des Moduls.
  • Eine bedeutende Verminderung der Breite des Tanks und der Größe des Moduls ergibt sich aus der Anordnung der Pumpe zur Förderung der Flüssigkeit außerhalb des Tanks.
  • Daraus entsteht aber das neue Problem, dass die Flüssigkeit in der Pumpe vor der Inbetriebnahme nicht durch die Heizung im Tank aufgetaut wird, wenn sie eingefroren war.
  • Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die Pumpe beheizbar ausgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die ohnehin vorhandene Spulenbaugruppe in der Pumpe für diese Heizungsaufgabe zu nutzen. Die Spulenbaugruppe dient ansonsten zur Erzeugung eines Magnetflusses für einen Hubmagneten zum Antrieb einer oszillierenden Hubkolbenpumpe oder zur Erzeugung eines Drehfeldes zum Antrieb einer rotatorischen Pumpe, die vorzugsweise zwei Förderrichtungen aufweist, also aus dem Tank saugen und in den Tank zurückfördern kann..
  • Zum Heizen wird die Spulenbaugruppe so bestromt, dass der Anker des Antriebs nicht bewegt wird, entweder durch eine Bestromung mit Gleichstrom oder durch eine Bestromung mit einer so hohen Frequenz, dass der Anker dieser nicht durch seine Bewegung folgen kann. Als Grenzfrequenz fG wird dabei eine Frequenz bezeichnet, die den niedrigen Frequenzbereich zum Antreiben und den hohen Frequenzbereich zum Heizen abgrenzt.
  • Daneben ist es auch möglich, die beiden Aufgaben des Heizens und des Antriebs unterschiedlichen Spulenbaugruppen zuzuordnen.
  • Damit das Heizen nur dann und nur so lange erfolgt, wie es zum Auftauen der Flüssigkeit erforderlich ist, muss die Temperatur oder der Aggregatzustand der Flüssigkeit ermittelt werden und diese Information in einer elektrischen Steuerung verarbeitet werden. Die elektrische Steuerung schaltet auch die Heizung der Pumpe.
  • Die erste Lösung dazu besteht darin, einen Temperatursensor in der Pumpe vorzusehen, der sein Signal an die elektrische Steuerung sendet.
  • Die zweite Lösung kommt ohne diesen Temperatursensor aus, vielmehr wird der temperaturabhängige elektrische Widerstand der Spulenbaugruppe zur Ermittlung der Temperatur genutzt. Dazu wird in bekannter Weise der Widerstand ermittelt, indem entweder bei bekanntem Strom die elektrische Spannung über der Spulenbaugruppe gemessen wird oder indem bei bekannter elektrischer Spannung über der Spulenbaugruppe der Strom durch die Spulenbaugruppe gemessen wird. Die Messung erfolgt automatisch durch die elektrische Steuerung, die Ermittlung der Temperatur erfolgt über eine in der elektrischen Steuerung abgelegte Tabelle oder über die bekannte Formel zur Berechnung des Drahtwiderstands als Funktion der Temperatur.
  • Bei der dritten Lösung wird nicht die Temperatur, sondern der Aggregatzustand der Flüssigkeit ermittelt, der natürlich temperaturabhängig ist.
  • Dazu wird beispielsweise eine Hubkolbenpumpe pulsierend bestromt. Wenn sich dann der Anker bewegt, weil die Flüssigkeit aufgetaut ist, schlägt der Anker in seinen Endlagen an. Diese Anschläge lassen sich erkennen, wenn man bei bekannter Spannung an der Spulenbaugruppe den Stromverlauf beobachtet, oder wenn man bei bekanntem Strom den Spannungsverlauf beobachtet, weil es bei einem Anschlagen des Ankers zu einer starken Veränderung des beobachteten Verlaufs kommt, die auch von einer elektrischen Steuerung automatisch ausgewertet werden kann.
  • Auch der Tank und der Filter müssen beheizt werden, damit ein Auftauen erfolgen kann. Im Tank kann entweder eine elektrische Heizung vorgesehen werden, oder ein Wärmetauscher, der Wärme einer anderen Flüssigkeit an das Medium im Tank abgibt. Die andere Flüssigkeit kann die Kühlflüssigkeit eines Verbrennungsmotors oder das Schmieröl des Verbrennungsmotors sein, denn beide Flüssigkeiten werden nach einer Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors recht schnell warm.
  • Wird der Filter außerhalb des Tanks angeordnet, um eine weitere Verminderung der Breite des Tanks zu erreichen, muss der Filter beheizt werden, denn die Heizung des Tanks wirkt nicht auf ihn. Um den Filter zu beheizen ist eine elektrische Heizung im Filter vorzusehen, oder der Filter ist von einer elektrischen Heizmatte umgeben, die auch den Tank umfassen kann.
  • Das erfindungsgemäße Modul ist mit dem Tank verbunden und zusammen bilden sie Bauteile einer Einspritzanlage, die auch einen Injektor enthält. Alle elektrischen Komponenten werden von einer elektrischen Steuerung angesteuert und mit elektrischer Energie versorgt, wobei die elektrische Steuerung ihrerseits von einer Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird und von mindestens einer übergeordneten elektrischen Steuerung, zum Beispiel von einem Motorsteuergerät, Steuersignale erhält, wobei die elektrische Steuerung auch Fehlermeldungen und andere Signale an das Motorsteuergerät und gegebenenfalls an eine Anzeigeeinheit abgibt.
  • Anwendung:
  • Das erfindungsgemäße Modul wird zusammen mit einem Tank zur Versorgung eines Injektors in SCR-Anlagen für Dieselmotoren eingesetzt.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt den Tank mit einem erfindungsgemäßen Modul in der Ausführung mit dem Filter im Tank.
    • 2 zeigt den Tank mit einem erfindungsgemäßen Modul in der Ausführung mit dem Filter außerhalb des Tanks.
    • 3 zeigt den Tank mit einem erfindungsgemäßen Modul mit einer Tankheizung durch einen Wärmetauscher.
  • Beispielhafte Ausführung:
  • Das Modul zur Entnahme von Flüssigkeit aus einem Tank (1) entsprechend 1 besteht mindestens aus einer Pumpe (2), einem Filter (3), einer ersten, die Flüssigkeit im Tank (1) erwärmenden Heizung (4), einer elektrischen Steuerung (9) und aus Leitungen (11, 12, 13).
  • Die Flüssigkeit kann bei besonders niedrigen Betriebstemperaturen unter Volumenvergrößerung einfrieren.
  • Die Pumpe (2) ist außerhalb des Tanks (1) angeordnet, über eine Leitung (11) mit dem Tank verbunden und durch eine in der Pumpe angeordnete erste Spulenbaugruppe (6) beheizbar ausgeführt.
  • Dabei wird der elektrische Strom für das Beheizen der Pumpe von der elektrischen Steuerung (9) in Abhängigkeit von dem Signal einer ersten Temperaturmesseinrichtung (10) ein- und ausgeschaltet.
  • In einer ersten Ausführung ist die erste Temperaturmesseinrichtung (10) als ein Temperatursensor ausgeführt, der in der Pumpe, oder an der Pumpe (2) die Temperatur der Flüssigkeit misst und ein der Temperatur entsprechendes elektrisches Messsignal an die elektrische Steuerung (9) sendet.
  • In einer zweiten Ausführung wird die Funktion der Temperaturmesseinrichtung (10) von der Spulenbaugruppe (6) und der elektrischen Steuerung (9) wahrgenommen, indem die elektrische Steuerung (9) entweder die Spulenbaugruppe (6) mit einem vordefinierten elektrischen Strom beaufschlagt und die dabei auftretende elektrische Spannung misst oder die Spulenbaugruppe mit einer vordefinierten elektrischen Spannung beaufschlagt und den dann fließenden Strom misst, und aus Strom und Spannung den Spulenwiderstand bestimmt und anhand einer in der elektrischen Steuerung abgespeicherten Tabelle aus dem Spulenwiderstand die Temperatur der Spulenbaugruppe bestimmt und aus der Temperatur der Spulenbaugruppe auf die Temperatur des Flüssigkeit in der Pumpe (2) schließt.
  • In einer dritten Ausführung ermittelt die elektrische Steuerung (9) ein Auftauen der Flüssigkeit in der Pumpe (2) dadurch, dass bei einer gepulsten Ansteuerung der Spulenbaugruppe (6) mit vordefinierter Spannung oder vordefiniertem Strom die jeweilige andere elektrische Größe (Spannung oder Strom) in ihrem Zeitverlauf überwacht wird und aus Änderungen der überwachten Größe eine Bewegung der beweglichen Bauteile der Pumpe ermittelt wird.
  • Vorzugsweise dient die erste Spulenbaugruppe (6) nur zum Erwärmen der Pumpe (2), wobei der Antrieb der Pumpe eine zweite Spulenbaugruppe (7) enthält, die ebenfalls von der elektrischen Steuerung (9) mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Alternativ dazu ist die erste Spulenbaugruppe (6) auch Teil des Antriebs der Pumpe (2) und wird von der elektrischen Steuerung (9)
    • - zum Heizen mit Gleichstom oder mit gepulstem Strom mit einer Frequenz größer als eine Grenzfrequenz fG mit elektrischer Energie versorgt, wobei die beweglichen Bauteile der Pumpe (2) nicht bewegt werden und
    • - zum Antreiben gepulst mit elektrischer Energie mit einer Frequenz kleiner als die Grenzfrequenz fG versorgt, wobei die beweglichen Bauteile der Pumpe bewegt werden, wenn die Flüssigkeit in der Pumpe aufgetaut ist.
  • Vorzugsweise ist der Filter (3) entsprechend 2 außerhalb des Tanks (1) angeordnet und wird durch eine zweite Heizung (5) erwärmt, wobei die zweite Heizung (5) als eine temperaturabhängig von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbare elektrische Widerstandsheizung ausgeführt ist und wobei die Temperatur der Flüssigkeit im Filter (3) mittels des mit der elektrischen Steuerung (9) verbundenen zweiten Temperatursensors (11) gemessen wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführung entsprechend 3 ist die erste Heizung (4) als Wärmetauscher ausgeführt, der die Wärme einer Kühlflüssigkeit oder einer Schmierflüssigkeit bei vollständiger Medientrennung auf die Flüssigkeit im Tank (1) überträgt, wobei die Zuführung der Kühl- oder Schmierflüssigkeit temperaturabhängig mittels eines Ventils (13) von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbar ausgeführt ist.
  • Wenn der Filter (3) außerhalb des Tanks (1) angeordnet ist, wird er vorteilhafterweise durch die erste Heizung (4) erwärmt, die auch die Flüssigkeit im Tank (1) erwärmt, wobei die Heizung (4) als elektrische Heizmatte ausgeführt ist und mindestens einen Teil des Tanks (1) und mindestens einen Teil des Filters (3) umgreift, und wobei die elektrische Leistungszufuhr zu der Heizung (4) temperaturabhängig von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbar ausgeführt ist und wobei die Temperatur mittels des zweiten Temperatursensors (11) gemessen wird.
  • Vorteilhafterweise sind die Leitungen (14, 15, 16) zur Verbindung des Tanks (1) mit dem Filter (3) und der Pumpe (2) durch Leitungsheizungen (17, 18, 19) elektrisch beheizbar ausgeführt, wobei die gemeinsame elektrische Leistungszufuhr zu den Leitungsheizungen temperaturabhängig von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbar ausgeführt ist.
  • Vorteilhafterweise ist ein Füllstandssensor (8) außerhalb des Tanks (1) entsprechend 3 angebracht, der durch Ultraschall oder durch elektromagnetische Strahlung den Füllstand im Tank misst und mittels eines elektrischen Signals an die elektrische Steuerung (9) weitermeldet.
  • Ebenfalls vorteilhafterweise ist ein Qualitätssensor (12) in dem Tank (1) angeordnet, der die chemische Qualität der Flüssigkeit überwacht und ein korrespondierendes elektrisches Signal an die elektrische Steuerung (9) weitermeldet.
  • Vorzugsweise ist die Pumpe (2) mittels der Leitung (16) mit einem Injektor (20) verbunden, der elektrisch von der elektrischen Steuerung (9) gesteuert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Tank
    2.
    Pumpe
    3.
    Filter
    4.
    Heizung
    5.
    Zweite Heizung
    6.
    Erste Spulenbaugruppe
    7.
    Zweite Spulenbaugruppe
    8.
    Füllstandssensor
    9.
    Elektrische Steuerung
    10.
    Temperatursensor
    11.
    Zweiter Temperatursensor
    12.
    Qualitätssensor
    13.
    Ventil
    14.
    Leitung
    15.
    Leitung
    16.
    Leitung
    17.
    Leitungsheizung
    18.
    Leitungsheizung
    19.
    Leitungsheizung
    20.
    Injektor

Claims (13)

  1. Modul zur Entnahme von Flüssigkeit aus einem Tank (1), mindestens bestehend aus einer Pumpe (2), einem Filter (3), einer ersten, die Flüssigkeit im Tank (1) erwärmenden Heizung (4), einer elektrischen Steuerung (9) und aus Leitungen (11, 12, 13), wobei die Flüssigkeit bei besonders niedrigen Betriebstemperaturen unter Volumenvergrößerung einfrieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) außerhalb des Tanks (1) angeordnet ist und durch eine in der Pumpe angeordnete erste Spulenbaugruppe (6) beheizbar ausgeführt ist, wobei der elektrische Strom für das Beheizen der Pumpe von der elektrischen Steuerung (9) in Abhängigkeit von dem Signal eines ersten Temperaturmesseinrichtung (10) ein- und ausgeschaltet wird.
  2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperaturmesseinrichtung (10) ein Temperatursensor ist, der in der Pumpe, oder an der Pumpe (2) die Temperatur der Flüssigkeit misst und ein der Temperatur entsprechendes elektrisches Messsignal an die elektrische Steuerung (9) sendet
  3. Modul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenbaugruppe (6) nur zum Erwärmen der Pumpe (2) dient, wobei der Antrieb der Pumpe eine zweite Spulenbaugruppe (7) enthält, die ebenfalls von der elektrischen Steuerung (9) mit elektrischer Energie versorgt wird.
  4. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (3) außerhalb des Tanks (1) angeordnet ist und durch eine zweite Heizung (5) erwärmt wird, wobei die zweite Heizung (5) als eine temperaturabhängig von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbare elektrische Widerstandsheizung ausgeführt ist und wobei die Temperatur der Flüssigkeit im Filter (3) mittels des mit der elektrischen Steuerung (9) verbundenen zweiten Temperatursensors ? (11) gemessen wird.
  5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizung (4) als Wärmetauscher ausgeführt ist, der die Wärme einer Kühlflüssigkeit oder einer Schmierflüssigkeit bei vollständiger Medientrennung auf die Flüssigkeit im Tank (1) überträgt, wobei die Zuführung der Kühl- oder Schmierflüssigkeit temperaturabhängig mittels eines Ventils (13) von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbar ausgeführt ist.
  6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (3) außerhalb des Tanks (1) angeordnet ist und durch die erste Heizung (4), die auch die Flüssigkeit im Tank (1) erwärmt, erwärmt wird, wobei die Heizung (4) als elektrische Heizmatte ausgeführt ist und mindestens einen Teil des Tanks (1) und mindestens einen Teil des Filters (3) umgreift, und wobei die elektrische Leistungszufuhr zu der Heizung (4) temperaturabhängig von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbar ausgeführt ist und wobei die Temperatur mittels des zweiten Temperatursensors (11) gemessen wird.
  7. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (14, 15, 16) zur Verbindung des Tanks (1) mit dem Filter (3) und der Pumpe (2) durch Leitungsheizungen (17, 18, 19) elektrisch beheizbar ausgeführt sind, wobei die gemeinsame elektrische Leistungszufuhr zu den Leitungsheizungen temperaturabhängig von der elektrischen Steuerung (9) ein- und ausschaltbar ausgeführt ist.
  8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllstandssensor (8) außerhalb des Tanks (1) angebracht ist und durch Ultraschall oder durch elektromagnetische Strahlung den Füllstand im Tank misst und mittels eines elektrischen Signals an die elektrische Steuerung (9) weitermeldet.
  9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Qualitätssensor (12) in dem Tank (1) angeordnet ist, der die chemische Qualität der Flüssigkeit überwacht und ein korrespondierendes elektrisches Signal an die elektrische Steuerung (9) weitermeldet.
  10. Einspritzanlage mit einem Tank (1) und einem Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) mittels der Leitung (16) mit einem Injektor (20) verbunden ist, der elektrisch von der elektrischen Steuerung (9) gesteuert ist.
  11. Verfahren zum Betrieb eines Moduls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Temperaturmesseinrichtung (10) von der Spulenbaugruppe (6) und der elektrischen Steuerung (9) wahrgenommen wird, indem die elektrische Steuerung (9) entweder die Spulenbaugruppe (6) mit einem vordefinierten elektrischen Strom beaufschlagt und die dabei auftretende elektrische Spannung misst oder die Spulenbaugruppe mit einer vordefinierten elektrischen Spannung beaufschlagt und den dann fließenden Strom misst, und aus Strom und Spannung den Spulenwiderstand bestimmt und anhand einer in der elektrischen Steuerung abgespeicherten Tabelle aus dem Spulenwiderstand die Temperatur der Spulenbaugruppe bestimmt und aus der Temperatur der Spulenbaugruppe auf die Temperatur des Flüssigkeit in der Pumpe (2) schließt.
  12. Verfahren zum Betrieb eines Moduls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung (9) ein Auftauen der Flüssigkeit in der Pumpe (2) dadurch ermittelt, dass bei einer gepulsten Ansteuerung der Spulenbaugruppe (6) mit vordefinierter Spannung oder vordefiniertem Strom die jeweilige andere elektrische Größe (Spannung oder Strom) in ihrem Zeitverlauf überwacht wird und aus Änderungen der überwachten Größe eine Bewegung der beweglichen Bauteile der Pumpe ermittelt wird.
  13. Verfahren zum Betrieb eines Moduls nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenbaugruppe (6) auch Teil des Antriebs der Pumpe (2) ist und von der elektrischen Steuerung (9) - zum Heizen mit Gleichstom oder mit gepulstem Strom mit einer Frequenz größer als eine Grenzfrequenz fG mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die beweglichen Bauteile der Pumpe (2) nicht bewegt werden und - zum Antreiben gepulst mit elektrischer Energie mit einer Frequenz kleiner als die Grenzfrequenz fG versorgt wird, wobei die beweglichen Bauteile der Pumpe bewegt werden, wenn die Flüssigkeit in der Pumpe aufgetaut ist.
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