-
Die Erfindung betrifft eine Tankanordnung für ein Fluid.
-
Stand der Technik
-
Tanks werden vielfältig eingesetzt. Insbesondere bei Tanks in beweglichen Objekten wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und auch Flugzeugen und Hubschraubern werden die Tanks bewegt, und hierdurch kann es zu einer Bewegung der im Tank befindlichen Flüssigkeit kommen, die zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen kann. Die Bewegung der Flüssigkeit kann mechanisch durch Zwischenwände verringert werden. Ein weiterer Aspekt ist die Messung des Füllstands des Tanks, welche in bestimmten Anwendungsfällen erforderlich ist.
-
Die
DE 10 2011 089 685 A1 zeigt eine Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands mit einem Sender, einer Umlenkeinrichtung mit einer Grenzfläche und einem Empfänger, der die Schallwellen nach Durchlaufen einer Messtrecke empfängt und in ein Signal umwandelt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund wird eine Tankanordnung nach Anspruch 1 vorgestellt.
-
Durch die vorteilhafte Wahl des Werkstoffs des Schwappschutzelements wird die Störung der Ultraschallmessung durch das Schwappschutzelement stark verringert. Das Schwappschutzelement und der Ultraschallsensor lassen sich hierdurch vergleichsweise frei positionieren, und die Bewegung des Fluids im Tank kann gut verringert werden. Durch die verringerte Bewegung des Fluids an der Grenzfläche wird wiederum die Messung mit dem Ultraschallsensor genauer. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Falle eines Defekts des Schwappschutzelements, bei dem dieses verschoben wird oder abbricht, weiterhin eine Messung mit dem Ultraschallsensor erfolgen kann.
-
Ein weiterer Vorteil des Schwappschutzelements ist die Verringerung der Einfriergefahr. In Tanks mit Flüssigkeiten mit einem hohem Gefrierpunkt bei beispielsweise ungefähr 0 °C oder - 11 °C, z.B. bei einem AdBlue-Tank, kann eine Heizung vorgesehen sein, die im unteren Bereich des Tanks 20 heizt. Wenn es bei einem solchen Tank zu einer Bewegung kommt, kann das sich bewegende Fluid an kalte Bereiche des Tanks kommen und dort festfrieren. Es steht im eingefrorenen Zustand nicht mehr für die Abgasreinigung zur Verfügung. Durch das Schwappschutzelement kann die Auftauperformance verbessert werden.
-
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Tankanordnung mit einem Schwappschutzelement,
- 2 zeigt in schematischer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer Tankanordnung mit einem Schwappschutzelement, und
- 3 zeigt in schematischer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer Tankanordnung mit einem Schwappschutzelement.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt eine Tankanordnung 10 mit einem Tank 20, einem Ultraschallsensor 32 und einem Schwappschutzelement 40. Der Tank 20 ist zur Aufnahme eines Fluids 12 ausgebildet. Besonders gut ist der Tank 20 geeignet für ein Fluid vom Typ
- - AdBlue
- - Flüssigkeit mit einem Massenanteil an H2O von mindestens 0,50,
- - Diesel-Kraftstoff,
- - Benzin-Kraftstoff, und
- - Heizöl.
-
AdBlue ist eine Flüssigkeit, welche insbesondere Wasser und Harnstoff enthält. Der Gefrierpunkt liegt bei ca. - 11 °C.
-
Das Schwappschutzelement 40 ist im Tank 20 angeordnet und dazu ausgebildet, bei einer Bewegung des Tanks 20 eine Bewegung des Fluids 12 im Tank 20 zu verringern. Im Englischen werden Schwappschutzelemente auch als „surge baffles“ bezeichnet. Ein alternativer Begriff ist Schwallschutzelement. Die Bewegung des Fluids 12 kann auch als Schwappen bezeichnet werden. Das Fluid 12 ist bevorzugt eine Flüssigkeit. Das Schwappschutzelement 40 ist im Ausführungsbeispiel als Wand ausgebildet, und es weist beispielhaft eine Aussparung 42 auf, um in diesem Bereich einen Durchtritt des Fluids 12 zu ermöglichen. Der Ultraschallsensor 32 ist im Ausführungsbeispiel im unteren Bereich bzw. auf der unteren Seite des Tanks 20 angeordnet. Der Ultraschallsensor 32 ist dazu ausgebildet, Ultraschall 34 zu emittieren. Der emittierte Ultraschall 34 verbreitet sich kegelförmig im Tank 20, und im Ausführungsbeispiel ist der Ultraschall 34 nach oben gerichtet.
-
Der Tank 20 hat beispielhaft eine Auffüllöffnung 22 zum Einfüllen von Fluid 12 in den Tank 20. Der Tank 20 hat einen Auslass 26 und einen Einlass 24, und über den Auslass 26 kann das Fluid 12 zu einer Applikation gepumpt werden oder dorthin fließen. Optional ist eine Rückführung des nicht benötigten Fluid 12 über den Einlass 24 oder auch über den Auslass 26 möglich.
-
Zur Durchführung der Ultraschallmessung ist eine Auswertevorrichtung 30 vorgesehen, und die Auswertevorrichtung 30 ist mit einer Steuervorrichtung 36 verbunden. Beispielhaft ist eine Pumpe 28 im unteren Bereich des Tanks 20 vorgesehen, und über die Pumpe 28 kann das Fluid 12 aus dem Tank 20 gepumpt werden. Es gibt auch Anwendungsfälle, bei denen ein Tank 20 immer auf einem gewissen Niveau gehalten werden muss, und in einem solchen Fall kann dem Tank 20 über die Pumpe 28 Fluid zugeführt werden, wenn der Pegel unter einen vorgegebenen Wert fällt.
-
Über den Ultraschallsensor 32 ist eine Messung des Füllstands des Tanks 20 möglich. Hierzu werden beispielsweise vom Ultraschallsensor 32 Ultraschall-Impulse 34 ausgesandt.
-
Die Schallkennimpedanz definiert sich über das Verhältnis von Schalldruck zur Schallschnelle und wird in der Einheit Ns/m3 angegeben. Die Schallkennimpedanz von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern unterscheiden sich teilweise stark voneinander.
-
Im Folgenden werden beispielhaft Schallkennimpedanzen für unterschiedliche Medien angegeben:
- Luft (20 °C): 413,6 Ns/m3
- Wasser: 1,480 106 Ns/m3
- Stahl: ca. 45 106 Ns/m3
- Aluminium: 17,1 106 Ns/m3
-
Wenn Schallwellen von einem ersten Medium zu einem zweiten unterschiedlichen Medium gelangen, so kann an der Grenzfläche ein Teil reflektiert werden, und ein Teil kann transmittiert werden, also sich über die Grenze hinweg ausbreiten.
-
Im Ausführungsbeispiel ist eine Grenzfläche 14 des Fluids 12 eingezeichnet. Der Transmissionsanteil des Ultraschalls 34 ist mit 34A oberhalb der Grenzfläche 14 eingezeichnet, und der Reflexionsanteil ist mit 34B unterhalb der Grenzfläche 14 eingezeichnet. Der Reflexionsanteil 34B des Ultraschalls 34 gelangt zurück zum Ultraschallsensor 32 und wird dort detektiert. Über eine Laufzeitmessung kann der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor 32 und der Fluidoberfläche 14 gemessen und somit der Füllstand des Tanks 20 ermittelt werden.
-
Die Reflexion an der Grenzfläche
14 ist abhängig von der Unterschiedlichkeit der Schallkennimpedanzen der beiden Medien an der Grenzfläche
14. Die Reflexion an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit den Schallkennimpedanzen
Z1 und
Z2 ist um so stärker, je unterschiedlicher die Schallkennimpedanzen
Z1,
Z2 voneinander sind. Physikalisch kann dies ausgedrückt werden durch den Schallreflexionsfaktor r, der das Verhältnis des Schalldrucks der reflektierten Welle zum Schalldruck der einfallenden Welle angibt. Hierfür gilt
-
Versuche haben ergeben, dass das Schwappschutzelement 40 dann, wenn es aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Schallkennimpedanz Z sich deutlich von der Schallkennimpedanz Z des Fluids 12 unterscheidet, zu einer starken Reflexion des Ultraschalls 34 führen kann. Daher kann ein solches Schwappschutzelement nicht oder nur schlecht im Bereich des Ultraschalls 34 positioniert werden, da es zu einem Fehler bei der Pegelmessung führen kann.
-
Wenn dagegen das Schwappschutzelement 40 aus einem Werkstoff gefertigt wird, dessen Schallkennimpedanz der Schallkennimpedanzen des Fluids 12 ähnelt oder identisch mit dieser ist, tritt beim Übergang des Ultraschalls vom Fluid 12 zum Schwappschutzelement 40 nur eine geringe Reflexion oder überhaupt keine Reflexion auf. Dies erlaubt eine vergleichsweise freie Positionierung des Schwappschutzelements 40 im Tank 20. Insbesondere kann das Schwappschutzelement 40 in einem Bereich des Tanks 20 angeordnet werden, in dem auch der Ultraschallsensor 32 den Ultraschallkegel aussendet.
-
Bei Flüssigkeiten treten Longitudinalwellen, aber keine Tranversalwellen auf, und die Schallkennimpedanz ZF kann durch einen einzigen Wert angegeben werden.
-
Bei Festkörpern können jedoch auch Transversalwellen auftreten, und die Schallkennimpedanz kann sich in Longitudinalrichtung und Transversalrichtung unterscheiden. Für die Laufzeitmessung relevant ist insbesondere die Longitudinalrichtung, und daher wird bei Festkörpern die longitudinale Schallkennimpedanz betrachtet. Bei Flüssigkeiten entspricht der Wert der Schallkennimpedanz der longitudinalen Schallkennimpedanz.
-
Flüssigkeiten haben tendenziell eine geringere Schallkennimpedanz als Metalle. Wasser hat bei 20 °C eine Schallkennimpedanz ZF = 1,480 106 Ns/m3, und Stahl hat beispielsweise eine Schallkennimpedanz von ungefähr ZF = 45 106 Ns/m3. Daher sind Metalle als Werkstoff für das Schwappschutzelement 40 schlecht geeignet. Besser geeignet sind beispielsweise
- Naturgummi: ZF = 1,4 106 Ns/m3
- Polyäthylen: ZF = 1,8 106 Ns/m3
- Weichgummi: ZF = 1,3 106 Ns/m3
- Holz: ZF = 1,0 106 Ns/m3
- Porzellan: ZF = 1,3 106 Ns/m3
Insbesondere bei Kunststoffen gibt es ein breites Angebot mit unterschiedlichen Schallkennimpedanzen, und es kann ein für das jeweilige Fluid geeigneter Kunststoff gewählt werden.
-
Die Schallkennimpedanzen des Fluids 12 und des Schwappschutzelements 40 müssen nicht identisch sein. Vorteilhaft ist, wenn sie ausreichend ähnlich oder gleich sind. Im Endeffekt muss der Ultraschallsensor 32 in der Lage sein, den von der Grenzfläche 14 reflektierten Ultraschall zeitlich vom von dem Schwappschutzelement 40 reflektierten Ultraschalle zu unterscheiden. Bevorzugt ist die Intensität des vom Schwappschutzelement 40 reflektierten Ultraschalls deutlich geringer als die Intensität des von der Grenzfläche 14 reflektierten Ultraschalls.
-
Die longitudinale Schallkennimpedanz des Werkstoffs des Schwappschutzelements 40 liegt bevorzugt im Bereich zwischen 100.000 Ns/m3 und 6.000.000 Ns/m3. Damit ist die Schallkennimpedanz des Werkstoffs um mehr als den Faktor 2.000 größer als die Schallkennimpedanz von Luft.
-
Eine andere Möglichkeit der Definition, die sich jedoch nur teilweise mit der obigen Bereichsangabe deckt, erfolgt relativ zur Schallkennimpedanz des Fluids 12, für das der Tank 20 ausgebildet ist. Bevorzugt liegt die longitudinale Schallkennimpedanz ZF,W des Werkstoffs des Schwappschutzelements 40 relativ zur Schallkennimpedanz ZF,F des Fluids 12 im Bereich 0,7 ZF,F bis 1,3 ZF,F, weiter bevorzugt im Bereich 0,8 ZF,F bis 1,2 ZF,F, und besonders bevorzugt im Bereich 0,9 ZF,F bis 1,1 ZF,F.
-
Die longitudinale Schallkennimpedanz des Werkstoffs des Schwappschutzelements 40 bei 20 °C ist bevorzugt kleiner als 5.000.000 Ns/m3, weiter bevorzugt kleiner als 4.000.000 Ns/m3, weiter bevorzugt kleiner als 3.000.000 Ns/m3 und besonders bevorzugt kleiner als 2.000.000 Ns/m3. Bei diesen Werten ist der reflektierte Anteil des Ultraschalls bereits vergleichsweise klein.
-
Die longitudinale Schallkennimpedanz des Werkstoffs des Schwappschutzelements 40 bei 20 °C ist bevorzugt größer als 500.000 Ns/m3, weiter bevorzugt größer als 700.000 Ns/m3, weiter bevorzugt größer als 900.000 Ns/m3 und besonders bevorzugt größer als 1.100.000 Ns/m3. Bei diesen Werten ist der reflektierte Anteil des Ultraschalls bereits vergleichsweise klein.
-
Dadurch, dass die Schallkennimpedanz des Werkstoffs des Schwappschutzelements 40 ähnlich ist wie die Schallkennimpedanz des Fluids, kann das Schwappschutzelement 40 im Bereich des Ultraschallpegels vorgesehen werden. Dies ermöglicht eine freie Positionierung des Schwappschutzelements 40 im Tank 20.
-
Im Ausführungsbeispiel ist das Schwappschutzelement 40 zumindest bereichsweise oberhalb des Ultraschallsensors 32 angeordnet. Hierdurch können sowohl der Ultraschallsensor 32 als auch das Schwappschutzelement mit Abstand von den Seitenwänden des Tanks positioniert werden. Beim Ultraschallsensor 32 ist das vorteilhaft, da keine oder nur geringe Störungen durch die Seitenwände entstehen, und das Schwappschutzelement kann im inneren Bereich gut wirken.
-
Das Schwappschutzelement 40 ist zumindest bereichsweise als vertikale Wand ausgebildet und kann so vorteilhaft einer Bewegung des Fluids 12 entgegenwirken.
-
2 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform des Tanks 20. Die Schwappschutzelemente 40 sind als vertikale Wände vorgesehen und haben den Grundriss eines Kreuzes. Der Ultraschallsensor 32 ist beispielhaft im Kreuzungspunkt der Schwappschutzelemente 40 positioniert. Dies erfolgt bevorzugt wie in 1 im unteren Bereich des Tanks 20.
-
3 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform des Tanks 20. Das Schwappschutzelement 40 ist als vertikale Wand vorgesehen und verläuft diagonal durch den Tank 20, der beispielhaft einen rechteckigen Grundriss hat.
Der Ultraschallsensor 32 ist beispielhaft dezentral positioniert. Durch die Verwendung des Schwappschutzelements 40 mit ähnlicher Schallkennimpedanz wie die des Fluids kann ein Ultraschallsensor mit breitem Ultraschallkegel verwendet werden.
-
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
-
Die Schwappschutzelemente 40 sind in den Ausführungsbeispielen als vertikale Wände vorgesehen. Alternativ können sie beispielsweise auch schräg verlaufen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011089685 A1 [0003]
