EP2387702A1 - Apparat zur bestimmung eines tankfüllstandes - Google Patents

Apparat zur bestimmung eines tankfüllstandes

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Publication number
EP2387702A1
EP2387702A1 EP10700976A EP10700976A EP2387702A1 EP 2387702 A1 EP2387702 A1 EP 2387702A1 EP 10700976 A EP10700976 A EP 10700976A EP 10700976 A EP10700976 A EP 10700976A EP 2387702 A1 EP2387702 A1 EP 2387702A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
tank
tube
urea
cap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10700976A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Hodgson
Rolf BRÜCK
Hermann Ketterl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Publication of EP2387702A1 publication Critical patent/EP2387702A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/24—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid
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    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/268—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N2900/00—Details of electrical control or of the monitoring of the exhaust gas treating apparatus
    • F01N2900/06—Parameters used for exhaust control or diagnosing
    • F01N2900/18—Parameters used for exhaust control or diagnosing said parameters being related to the system for adding a substance into the exhaust
    • F01N2900/1806—Properties of reducing agent or dosing system
    • F01N2900/1814—Tank level
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for determining a tank level and / or a quality of the tank contents, in particular for a tank with a urea-water solution. Since an application of urea-water solution for cleaning exhaust gases of mobile internal combustion engines is often used, the invention relates in particular to an apparatus for use in the automotive sector.
  • Urea-water solution is used in particular in the context of the so-called SCR process in the treatment of exhaust gases.
  • the aim of this method is to reduce the nitrogen oxides in the exhaust.
  • ammonia or the ammonia precursor urea is often proposed as a reducing agent.
  • the addition of the ammonia or the urea-water solution is carried out regularly depending on the nitrogen oxides to be decomposed in the exhaust gas.
  • this reducing agent is therefore a resource whose storage is to be monitored.
  • the quality of the urea-water solution is also of interest here, since only in this way can it be ensured that the required amount of ammonia is generated during operation of the internal combustion engines, in particular a diesel engine , is needed.
  • the apparatus according to the invention for determining a tank level comprises at least: a cap, a removal tube which extends through the cap and at least partially comprises an electrically conductive material, a jacket tube which is arranged around the withdrawal tube and at least partially an electrically conductive material comprising a measuring unit which forms a first electrode with the extraction tube and with the jacket tube a second electrode.
  • the apparatus described here is preferably an independent component which can in particular replace conventional tank closure elements or tank lids.
  • the cap z. B. a corresponding screw connection and / or seal, with which it can be attached to the tank.
  • the cap also allows the fixation or alignment of the sampling tube and the jacket tube in the tank inside, where appropriate, the measuring unit is located on the opposite, outer side.
  • the cap can of course be more Components such as cables, resistance heaters, sensors, connectors, adapters, etc.
  • the sampling tube is used to remove the tank contents, such as a urea-water solution.
  • the sampling tube outside the tank z. B. connected to a pump with which the tank contents conveyed out through the sampling tube and finally the exhaust gas is added.
  • the removal tube is preferably made entirely of an electrically conductive material, which should in particular also be resistant to the urea-water solution.
  • Metals which are corrosion-resistant to solutions of reducing agent precursor (for example urea) are particularly suitable as material for the removal tube.
  • Particularly advantageous here is the use of a stainless steel, an austenitic steel, a chromium-nickel steel and / or a nickel-based material. Preference is given here one of the following materials: No. 1.4301, No.
  • a steel with material number 1.4828 is understood to mean a steel which has a max. 0.2% by weight (weight%) of carbon, 1.5 to 2.5% by weight of silicon, maximum of 2% by weight of manganese, maximum of 0.045% by weight of phosphorus, maximum of 0.03% by weight % Sulfur, 19 to 21% by weight chromium and 11 to 13% by weight nickel.
  • a steel with material number 1.4301 is understood as meaning a steel which has a maximum of 0.07% by weight of carbon, a maximum of 1% by weight of silicon, a maximum of 2% by weight of manganese, a maximum of 0.045% by weight of phosphorus, 17 to 19, 5 wt .-% chromium, 8 to 10.5 wt .-% nickel and at most 0.11 wt .-% nitrogen.
  • the material numbers are given in particular according to DIN EN 10027-2.
  • the jacket tube preferably extends over the largest part of the removal tube, in particular it covers (almost) the entire length of the withdrawal tube.
  • the sampling tube and the jacket tube are arranged in particular concentric to each other.
  • additional components may be provided, such as heating elements.
  • the jacket pipe too, must withstand the ambient conditions, such as the extraction pipe. In that regard, it offers Here, too, to use one of the aforementioned materials for the construction of the jacket tube. Optionally, it may also be useful to use different materials here.
  • the measuring unit can in particular also be designed in the manner of a data processing device.
  • the processing of the electrical signals can thus be carried out directly in the measuring unit.
  • data models can be stored in the measuring unit, which allows an analysis or evaluation of the electrical signals.
  • the measuring unit form corresponding electrical circuits and connections to other components of the apparatus and / or the motor vehicle.
  • the sampling tube and the jacket tube respectively are used as electrodes for a capacitive level measurement.
  • the first electrode and the second electrode form an electrical capacitor.
  • a low initial capacity can be measured. If the tank level is increased, the capacity increases as the coverage of the electrodes increases.
  • the measurement unit may also include amplifiers and similar elements to enhance signal evaluation. As an electrical variable, for example, the electrical resistance, the capacitance or comparable sizes between the electrodes can be determined.
  • the non-conductive region between the two electrodes has a certain length or height. This means in other words z. B., that one, if the lower part of the jacket tube to a height of about 2 cm insulated or coated, a reserve indicator
  • the sampling tube and the jacket tube are connected to each other by means of an insulating adhesive or a Keramiklötung.
  • the insulating adhesive fulfills the function of electrically insulating the jacket tube and the extraction tube against each other.
  • this electrode may also be used as a "reference electrode.”
  • a material that is resistant to urea is preferably used, which does not change its properties under the influence of urea or a urea solution Urea solution in particular not soluble.
  • ceramic brazing For brazing metal with ceramic and / or ceramic with ceramic (both referred to collectively herein as "ceramic brazing"), one of the following two principles of operation is proposed in particular: a) brazing metallized ceramic and b) active brazing Coating surface of the ceramic component is coated with a metal, so that then in the soldering process, the wetting of the ceramic joining partner is made possible by conventional solders.Alternative soldering is usually a direct soldering process, in which the active element is added directly to the solder The active solder used for ceramic soldering is suitable for making solder joints between two ceramics or between ceramics and metal the verb induction is brought about. Due to the alloy composition, the active solder wet non-metallic, inorganic materials.
  • the active solder can at least partially comprise silver, titanium, copper and / or indium and is optionally embodied as a eutectic alloy. Preference is given here to a solder which consists of approximately 72% by weight of silver and 28% by weight of copper and has a melting point of about 780 ° C. Such a lot is z. B. under the trade name Lot Degussa 7200 or CuSiI available.
  • a ceramic material can be used to isolate the sampling tube and the jacket tube. At the same time, a permanent bond that is not penetrable for urea solutions can be made.
  • the measuring unit is arranged on the cap.
  • the measuring unit in particular together with the electronics required for this purpose, is mounted protected on the outside of the cap.
  • the cap can be designed with a separate housing that is tight against the environment.
  • a third electrode is provided in the apparatus.
  • the third electrode z. B. be configured on the tank.
  • a return pipe is provided, which is arranged adjacent to the removal tube and forms the third electrode for the measuring unit.
  • the return pipe is used in particular urea-water solution that was already removed from the tank and was in the supply lines to the exhaust system, demand-oriented returned to the tank.
  • a combination of functions can again be achieved by using the return pipe as a third electrode.
  • the materials for such a return pipe reference is made to the comments on the sampling tube and / or the jacket tube.
  • the design of the apparatus with three electrodes wherein the third electrode may optionally also be designed as a separate probe, if no return pipe is required, in addition to the determination of the level and possibly also determines the quality of the tank content, so for example, also allows conclusions about the composition of the tank contents.
  • the first electrode is used as the reference electrode
  • the second electrode as the ground electrode
  • the third electrode as the level electrode.
  • the measuring unit is connected to all electrodes, in particular, the measurement of the capacitance between different electrodes each allow conclusions about the quality and / or the level.
  • Urea solutions used in the automotive sector regularly have a known specific resistance and known dielectric properties.
  • the filling level can therefore be determined from capacitances and / or resistances determined between the electrodes.
  • the resistance (R) between two uninsulated electrodes, which are arranged in a tank with urea solution at a distance (/), a width (b) and extend perpendicularly over the entire height of the tank, is obtained, for example, approximately according to the following formula in Dependence of the filling level (h) and the specific resistance of the urea solution (p):
  • the resistance between the electrodes decreases, while a decreasing level causes an increasing resistance.
  • the person skilled in the art can develop formulas adapted to the calculation of the resistance as a function of the filling level on the basis of this formula.
  • the first electrode has a first electrode end section and the second electrode has a second ten end portion of the electrode, the first end of the electrode and the second end electrode portion form a space between them and are connected to a voltage source.
  • the arrangement of the first electrode and the second electrode takes place in such a way that a free space is created in the end region opposite the cap, which can be flushed around by the tank contents, so that the quality of the composition of the tank contents can be determined hereby. If a voltage is applied between these two electrodes, the resulting measured values are dependent on the composition of the tank contents in the free space. From this, conclusions can be drawn about the proportion of water or urea content in a urea-water solution.
  • the second electrode and a third electrode which is arranged parallel to the second electrode, are connected to a voltage source.
  • the voltage source may be the same for all three electrodes.
  • the second electrode and the third electrode can in this case be used in particular for detecting the filling level, since the tank contents can penetrate into the intermediate space between the second electrode and the third electrode and different voltages are determined by the increasing wetting during filling or the decreasing wetting during emptying can.
  • the third electrode ends at the height of the tank or changes its course, at which the reserve area is reached. If necessary, significant changes in the measured value can be detected, which can be used as a signal for a corresponding display.
  • a tank for a urea-water solution with an opening for removal of the urea-water solution is proposed, wherein the opening with the cap of the apparatus described herein according to the invention is closable.
  • a motor vehicle has a tank mentioned above and a controller which is connected to the measuring unit.
  • the controller may be, for example, the engine management of the motor vehicle, which is also set up for the demand-oriented addition of urea-water solution to the exhaust system of the motor vehicle.
  • FIG. 1 shows schematically a cross section through a tank 15 with an apparatus 1 according to the invention.
  • the tank 15 is a storage vessel for a urea-water solution 16. This tank 15 is also part of a motor vehicle 18, which is shown schematically here is indicated.
  • the tank 15 has in the upper region an opening 17 into which a cap 2 is inserted as a closure for the tank 15.
  • the tank 15 and the cap 2 are preferably made of plastic, such as polyethylene.
  • the cap 2 is in this case penetrated by two tubes, namely once the sampling tube 3 for removing the urea-water solution 16 from the tank 15 out and a return pipe 9, on the withdrawn, but not required urea-water solution 16 back can be directed into the tank 15.
  • a jacket tube 4 is formed, which surrounds the removal tube 3 in the interior of the tank 15 substantially completely.
  • the jacket tube 4 is arranged at a distance from the removal tube 3.
  • an electrically insulating adhesive 8 is provided between the removal tube 3 and the jacket tube 4, the fixed the position of the sampling tube 3 relative to the jacket tube 4 and the components in this section safely against each other electrically isolated.
  • a measuring unit 5 which is positioned in particular outside on the cap 2, and a voltage source 14 is now provided. These are both connected to the removal tube 3, the jacket tube 4 and the return tube 9 in such a way that the removal tube 3 functions as the first electrode 6, the jacket tube 4 as the second electrode 7 and the withdrawal tube 9 as the third electrode 10.
  • the fill level can be detected, for example, between the third electrode and the second electrode 7 over a wide range of variation of the level of urea-water solution.
  • the first electrode 6 and the second electrode 7 on the side facing away from the cap 2 on a first electrode denendabêt 11 and a second electrode end portion 12, which together form an annular space 13 here.
  • this region may be additionally provided with the electrode end sections with a concentric shield, for example, to counteract flow fluctuations and the like.
  • urea-water solution 16 can penetrate, in which case statements about the quality of the urea-water solution can be obtained via a constant length of the electrode end sections and the measurement.
  • the type of measurement, the time of the measurement and / or the evaluation of the measurement can also be initiated or executed via a controller 19 of the motor vehicle 18. In particular, it stands in the exchange of data with the measuring unit and / or operates as required the voltage source 14 for the measurements. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Apparat (1) zur Bestimmung eines Tankfüllstandes, aufweisend zumindest eine Kappe (2), ein Entnahmerohr (3), das sich durch die Kappe (2) hindurch erstreckt und zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, ein Mantelrohr (4), das um das Entnahmerohr (3) angeordnet ist und zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, und eine Messeinheit (5), die mit dem Entnahmerohr (3) eine erste Elektrode (6) und mit dem Mantelrohr (4) eine zweite Elektrode (7) bildet. Dabei wird insbesondere auch ein Tank für eine Harnstoff-Wasser-Lösung angegeben, wobei der Apparat als Qualitäts- und/oder Füllstandssensor eingesetzt ist.

Description

Apparat zur Bestimmung eines Tankfüllstandes
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur Bestimmung eines Tankfüllstandes und/oder einer Qualität des Tankinhalts, insbesondere für einen Tank mit einer Harnstoff-Wasser-Lösung. Da vielfach eine Anwendung von Harnstoff -Wasser-Lösung zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird, betrifft die Erfindung insbesondere einen Apparat für die Anwendung im Automobilbereich.
Harnstoff-Wasser-Lösung wird insbesondere im Rahmen des so genannten SCR-Verfahrens bei der Behandlung von Abgasen eingesetzt. Ziel dieses Verfahrens ist es, die im Abgas befindlichen Stickoxide zu reduzieren. Hierfür wird als Reduktionsmittel häufig Ammoniak oder der Ammoniak- Vorläufer Harnstoff vorgeschlagen. Die Zugabe des Ammoniaks bzw. der Harnstoff -Wasser-Lösung erfolgt dabei regelmäßig in Abhängigkeit der zu zersetzenden Stickoxide im Abgas. Damit handelt es sich aber bei diesem Reduktionsmittel um ein Betriebsmittel, dessen Bevorratung zu überwa- chen ist. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass gerade die Qualität der Harnstoff -Wasser-Lösung hier auch von Interesse ist, da nur auf diese Weise sichergestellt werden kann, dass die erforderliche Menge an Ammoniak generiert wird, die während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere eines Dieselmotors, benötigt wird.
Aufgrund zukünftiger Vorgaben kann es auch erforderlich werden, existierende Systeme mit einem SCR- System nachzurüsten. Hierfür ist erforderlich, dass die Komponenten dieses Systems kompakt und leicht an das vorhandene System adaptierbar aufgebaut sind. Hierfür besteht aktuell noch erheblicher Entwicklungsbedarf. So sind die bekannten Füllstandsmessungssysteme und/oder Qualitätsmessungssysteme aufwändig aufgebaut und/oder sehr empfindlich gegen die dynamische Bewegung des Tankinhaltes während des Betriebes des Kraftfahrzeugs. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Apparat zur Bestimmung eines Tankfüllstandes angegeben werden, der einfach und kostengünstig hers- teilbar ist und nur einen sehr kleinen Bauraum benötigt.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Apparat gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Figur, erläutert die Erfindung und gibt zusätzliche Ausführungsbeispiele an.
Der erfindungsgemäße Apparat zur Bestimmung eines Tankfüllstandes weist zumindest auf: eine Kappe, - ein Entnahmerohr, das sich durch die Kappe hindurch erstreckt und zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, ein Mantelrohr, das um das Entnahmerohr angeordnet ist und zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, eine Messeinheit, die mit dem Entnahmerohr eine erste Elektrode und mit dem Mantelrohr eine zweite Elektrode bildet.
Der hier beschriebene Apparat ist bevorzugt ein selbständiges Bauteil, das insbesondere herkömmliche Tank-Verschlusselemente oder Tankdeckel ersetzen kann. Dazu weist die Kappe z. B. eine entsprechende Ver- schraubung und/oder Dichtung auf, mit der diese am Tank befestigt werden kann. Die Kappe ermöglicht zudem die Fixierung bzw. Ausrichtung des Entnahmerohrs und des Mantelrohrs in den Tank hinein, wobei sich auf der gegenüberliegenden, äußeren Seite gegebenenfalls die Messeinheit befindet. Die Kappe kann selbstverständlich darüber hinaus weitere Komponenten aufweisen, wie beispielsweise Kabel, Widerstandsheizungen, Sensoren, Anschlüsse, Adapter, etc.
Das Entnahmerohr dient zur Entnahme des Tankinhaltes, beispielsweise einer Harnstoff -Wasser-Lösung. Dazu ist das Entnahmerohr außerhalb des Tanks z. B. mit einer Pumpe verbunden, mit der der Tankinhalt durch das Entnahmerohr herausgefördert und schließlich dem Abgas zugegeben wird. Das Entnahmerohr ist bevorzugt vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeführt, wobei dieses insbesondere auch bestän- dig gegenüber der Harnstoff -Wasser-Lösung sein sollte. Als Material für das Entnahmerohr kommen insbesondere Metalle in Betracht, die korrosionsfest gegenüber Lösungen aus Reduktionsmittelvorläufer (beispielsweise Harnstoff) sind. Besonders vorteilhaft ist hier der Einsatz eines Edelstahls, eines austenitischen Stahls, eines Chrom-Nickel- Stahls und/oder eines Nickelbasiswerkstoffs. Bevorzugt ist hierbei einer der folgenden Werkstoffe: Nr. 1.4301, Nr. 1.4828 gemäß Deutscher Industrienorm (DIN). Hierbei wird unter einem Stahl mit Werkstoffnummer 1.4828 ein Stahl verstanden, der max. 0,2 Gew.-% (Gewichts-%) Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium, maximal 2 Gew.-% Mangan, maximal 0,045 Gew.-% Phosphor, maximal 0,03 Gew.-% Schwefel, 19 bis 21 Gew.-% Chrom und 11 bis 13 Gew.-% Nickel umfasst. Unter einem Stahl mit Werkstoffnummer 1.4301 wird ein Stahl verstanden, der maximal 0,07 Gew.-% Kohlenstoff, maximal 1 Gew.-% Silizium, maximal 2 Gew.-% Mangan, maximal 0,045 Gew.-% Phosphor, 17 bis 19,5 Gew.-% Chrom, 8 bis 10,5 Gew.-% Nickel und maximal 0,11 Gew.-% Stickstoff umfasst. Die Werkstoffnummern werden insbesondere nach DIN EN 10027-2 angegeben.
Um das Entnahmerohr herum ist nun zusätzlich ein Mantelrohr vorgesehen. Das Mantelrohr erstreckt sich bevorzugt über den größten Teil des Entnahmerohrs, insbesondere deckt es (nahezu) die gesamte Länge des Entnahmerohrs ab. Damit sind das Entnahmerohr und das Mantelrohr insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet. Zwischen dem Entnahmerohr und dem Mantelrohr können Zusatzbauteile vorgesehen sein, wie beispielsweise Heizelemente. Auch das Mantelrohr muss den Umge- bungsbedingungen standhalten, wie das Entnahmerohr. Insoweit bietet es sich hier an, ebenfalls eines der vorstehend genannten Materialien zum Aufbau des Mantelrohrs einzusetzen. Gegebenenfalls kann es auch sinnvoll sein, hier jeweils unterschiedliche Materialien zu verwenden.
Die Messeinheit kann insbesondere auch nach Art einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt sein. Die Verarbeitung der elektrischen Signale kann also hier direkt in der Messeinheit durchgeführt werden. Ebenso können in der Messeinheit Datenmodelle hinterlegt sein, die eine Analyse bzw. Auswertung der elektrischen Signale erlaubt. Hierfür kann die Messeinheit entsprechende elektrische Schaltungen und Verbindungen hin zu anderen Bestandteilen des Apparates und/oder des Kraftfahrzeuges ausbilden.
Hier wird nun auch vorgeschlagen, das Entnahmerohr und das Mantelrohr jeweils als Elektroden für eine kapazitive Füllstandsmessung einzusetzen. Zur Bestimmung des Tankfüllstandes und/oder der Qualität/Zusammensetzung des Tankinhalts bilden die erste Elektrode und die zweite Elektrode einen elektrischen Kondensator aus. Für den Fall, dass sich die Elektroden in einem mit Luft gefüllten Raum befinden, kann eine niedrige Anfangskapazität gemessen werden. Wird der Tankfüllstand erhöht, so steigt mit zunehmender Bedeckung der Elektroden die Kapazität. Bei solchen kapazitiven Füllstandsmessungen kann insbesondere eine kontinuierliche Füllstandsmessung erfolgen, weil die erfassten elektrischen Signale gegebenenfalls mit Referenz daten verglichen werden kön- nen. Gegebenenfalls kann die Messeinheit auch Verstärker und ähnliche Elemente aufweisen, um die Signalauswertung zu verbessern. Als elektrische Größe können beispielsweise der elektrische Widerstand, die Kapazität oder vergleichbare Größen zwischen den Elektroden ermittelt werden.
Damit kann besonders einfach bereits mit den zwei Elektroden am Entnahmerohr eine Aussage zum Füllstand getroffen werden. Dazu ist es noch vorteilhaft, dass der nichtleitende Bereich zwischen den beiden Elektroden eine gewisse Länge bzw. Höhe hat. Das bedeutet mit anderen Worten z. B., dass man, wenn man den unteren Teil des Mantelrohres bis zu einer Höhe von ca. 2 cm isoliert oder beschichtet, eine Reserveanzeige
- A - generieren könnte. Fällt der Füllstand unter diese elektrisch isolierte Höhe, kann nämlich keine Leitfähigkeit mehr gemessen werden - ein Signal für das Erreichen der Reserve. Die Erkenntnis, dass der Tank endgültig leer ist, erhält man dann, wenn kein ausreichender Förderdruck mehr im Zuliefersystem für das Abgassystem eingestellt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind das Entnahmerohr und das Mantelrohr miteinander mittels eines isolierenden Klebers oder einer Keramiklötung verbunden. Der isolierende Kleber erfüllt dabei einerseits die Funktion das Mantelrohr und das Entnahmerohr gegeneinander elektrisch zu isolieren. Außerdem kann so beispielsweise auch gewährleistet werden, dass ein Teil, insbesondere des Entnahmerohrs, nicht vom Tankinhalt umspült werden kann, hier also auch eine Isolation gegenüber dem Tankinhalt erreicht werden kann. Somit kann diese Elektrode gegebenen- falls auch als „Referenzelektrode" eingesetzt werden. Als isolierender Kleber kommt bevorzugt ein Material zum Einsatz, das harnstoffbeständig ist. Ein solches Material verändert seine Eigenschaften unter dem Ein- fluss von Harnstoff oder einer Harnstofflösung nicht und ist in einer Harnstofflösung insbesondere nicht lösbar.
Für das Löten von Metall mit Keramik und/oder Keramik mit Keramik (beides hier zusammen als „Keramiklötung" bezeichnet) wird insbesondere eines der folgenden zwei Verfahrensprinzipien vorgeschlagen: a) Löten metallisierter Keramik und b) Aktivlöten. Beim Löten metallisierter Kera- mik wird die Fügefläche des keramischen Bauteils mit einem Metall beschichtet, so dass anschließend im Lötprozess die Benetzung des keramischen Fügepartners durch konventionelle Lote ermöglicht wird. Das Aktivlöten ist regelmäßig ein Direktlötverfahren, bei dem das Aktivelement direkt dem Lot zugesetzt wird. Das Lot sollte dabei direkt an der Fügeflä- che appliziert werden, weil die Aktivlote nur ein geringes Fließvermögen besitzen. Das für die Keramiklötung bevorzugt einzusetzende Aktivlot ist für die Herstellungen von Lötverbindungen zwischen zwei Keramiken oder zwischen Keramik und Metall geeignet. Es bildet an der Grenzfläche Lot-Keramik eine Reaktionsschicht, durch die die Verbindung herbei ge- führt wird. Aufgrund der Legierungszusammensetzung kann das Aktivlot nichtmetallische, anorganische Werkstoffe benetzen. Das Aktivlot kann zumindest teilweise Silber, Titan, Kupfer und/oder Indium umfassen und ist gegebenenfalls als eutektische Legierung ausgeführt. Bevorzugt wird hier ein Lot, welches in etwa aus 72 Gew. % Silber und aus 28 Gew. % Kup- fer besteht und einen Schmelzpunkt von ca. 780 C aufweist. Ein solches Lot ist z. B. unter den Handelsnamen Lot Degussa 7200 oder CuSiI erhältlich. Durch den Einsatz einer Aktivlötung kann zur Isolation von Entnahmerohr und Mantelrohr ein keramisches Material eingesetzt und gleichzeitig eine für Harnstofflösungen nicht durchdringbare dauerhaft haltba- re Anbindung erfolgen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Messeinheit an der Kappe angeordnet ist. Das heißt mit anderen Worten auch, dass die Messeinheit, insbesondere samt der hierfür erforderlichen Elektronik, geschützt auf der Außenseite der Kappe angebracht ist. Hierfür kann die Kappe mit einem separaten Gehäuse ausgeführt sein, das dicht gegen die Umgebung ist.
Außerdem wird auch als vorteilhaft angesehen, dass bei dem Apparat eine dritte Elektrode vorgesehen ist. Dabei kann die dritte Elektrode als separate Beuteileinheit z. B. am Tank ausgestaltet sein. Bevorzugt ist aber, dass bei dem Apparat ein Rücklaufrohr vorgesehen ist, das benachbart zum Entnahmerohr angeordnet ist und die dritte Elektrode für die Messeinheit bildet. Das Rücklaufrohr dient insbesondere dazu, Harnstoff- Wasser-Lösung, die bereits aus dem Tank entnommen wurde und sich in den Zuleitungen hin zum Abgassystem befand, bedarfsorientiert wieder in den Tank zurückzuführen. Bei Systemen, die also einen solchen Rücklauf aufweisen, kann erneut eine Funktionskombination dadurch erreicht werden, dass das Rücklaufrohr als eine dritte Elektrode genutzt wird. Im Hinblick auf die Materialien für ein solches Rücklaufrohr sei auf die Ausführungen zum Entnahmerohr und/oder dem Mantelrohr verwiesen. Die Ausgestaltung des Apparates mit drei Elektroden, wobei die dritte Elektrode gegebenenfalls auch als separate Sonde ausgeführt sein kann, wenn kein Rücklaufrohr erforderlich ist, erlaubt neben der Bestimmung des Füllstandes gegebenenfalls auch die Bestimmung der Qualität des Tank- inhaltes, lässt also beispielsweise auch Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Tankinhalts zu. Grundsätzlich ist beispielsweise möglich, dass die erste Elektrode als Referenzelektrode, die zweite Elektrode als Ground-Elektrode und die dritte Elektrode als Level-Elektrode eingesetzt wird. Die Messeinheit ist dabei mit allen Elektroden verbunden, wobei insbesondere die Messung der Kapazität zwischen verschiedenen Elektroden jeweils Rückschlüsse auf die Qualität und/oder den Füllstand erlauben. Es kann beispielsweise über Spannungen und Ströme zwischen der Referenzelektrode und der Ground-Elektrode sowie zwischen der Ground-Elektrode und der Level-Elektrode die Kapazität und/oder der Widerstand der Harnstofflösung ermittelt werden. Im Automobilbereich eingesetzte Harnstofflösungen haben regelmäßig einen bekannten spezifischen Widerstand und bekannte dielektrische Eigenschaften. Über eine Differenzgleichrichterschaltung in der Messeinheit kann deswegen aus zwischen den Elektroden ermittelten Kapazitäten und/oder Widerständen der Füllstand bestimmt werden.
Der Widerstand (R) zwischen zwei nicht isolierten Elektroden, die in einem Tank mit Harnstofflösung in einem Abstand (/) angeordnet sind, eine Breite (b) aufweisen und senkrecht über die gesamte Höhe des Tankes verlaufen, ergibt sich beispielsweise näherungsweise nach folgender Formel in Abhängigkeit des Füllstands (h) und des spezifischen Widerstands der Harnstofflösung ( p ):
b - h Bei steigendem Füllstand sinkt somit der Widerstand zwischen den Elektroden, während ein sinkender Füllstand einen steigenden Widerstand bedingt. Im Falle einer anderen, gegebenenfalls komplexeren geometrische Anordnungen der Elektroden im Tank zueinander, kann der Fachmann auf Basis dieser Formel angepasste Formeln für die Berechnung des Wi- derstandes in Abhängigkeit des Füllstandes entwickeln.
Darüber hinaus wird als vorteilhaft angesehen, dass die erste Elektrode einen ersten Elektrodenendabschnitt und die zweite Elektrode einen zwei- ten Elektrodenendabschnitt aufweist, der erste Elektrodenendabschnitt und der zweite Elektrodenendabschnitt einen Freiraum zwischen sich ausbilden und mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Hierbei ist insbesondere gemeint, dass die Anordnung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode so erfolgt, dass im der Kappe gegenüberliegenden Endbereich ein Freiraum geschaffen ist, der vom Tankinhalt umspült werden kann, so dass hiermit gegebenenfalls die Qualität der Zusammensetzung des Tankinhalts bestimmt werden kann. Wird nun eine Spannung zwischen diesen beiden Elektroden angelegt, so sind die daraus resultieren- den Messwerte abhängig von der Zusammensetzung des im Freiraum befindlichen Tankinhalts. Daraus können Rückschlüsse auf den Wasseranteil bzw. den Harnstoffanteil bei einer Harnstoff-Wasser-Lösung gewonnen werden.
Darüber hinaus ist auch möglich, dass die zweite Elektrode und eine dritte Elektrode, die parallel zur zweiten Elektrode angeordnet ist, mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Selbstverständlich kann die Spannungsquelle für alle drei Elektroden dieselbe sein. Die zweite Elektrode und die dritte Elektrode können hierbei insbesondere zur Erfassung des Füllstandes herangezogen werden, da der Tankinhalt in dem Zwischenraum zwischen zweiter Elektrode und dritter Elektrode eindringen kann und durch die zunehmende Benetzung beim Befüllen bzw. die abnehmende Benetzung bei der Entleerung unterschiedliche Spannungen festgestellt werden können. Hierzu wird auch vorgeschlagen, dass beispiels- weise die dritte Elektrode auf der Höhe des Tankes endet bzw. ihren Verlauf ändert, bei der der Reservebereich erreicht ist. Hierbei sind gegebenenfalls deutliche Messwertänderungen festzustellen, die als Signal für eine entsprechende Anzeige genutzt werden können.
Dieser kompakte, einfach aufgebaute, funktionale und modulartige Apparat kann nun auch Teil eines Tanksystems sein. Deshalb wird insbesondere auch ein Tank für eine Harnstoff -Wasser-Lösung mit einer Öffnung zur Entnahme der Harnstoff-Wasser-Lösung vorgeschlagen, wobei die Öffnung mit der Kappe des hier erfindungsgemäß beschriebenen Apparates verschließbar ist. Gerade für den eingangs beschriebenen Einsatzzweck zur Realisierung eines SCR- Systems wird auch vorgeschlagen, dass ein Kraftfahrzeug einen vorstehend genannten Tank aufweist sowie eine Steuerung, die mit der Messeinheit verbunden ist. Die Steuerung kann beispielsweise das Motor- Management des Kraftfahrzeugs sein, wobei diese auch zur bedarfsorientierten Zugabe von Harnstoff -Wasser-Lösung zum Abgassystem des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend mit der beiliegenden Figur erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figur eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung aufzeigt, diese aber nicht darauf beschränkt ist.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Tank 15 mit einem erfindungsgemäßen Apparat 1. Bei dem Tank 15 handelt es sich hier um ein Bevorratungsgefäß für eine Harnstoff -Wasser-Lösung 16. Dieser Tank 15 ist zudem Teil eines Kraftfahrzeugs 18, das hier schematisch angedeutet ist.
Der Tank 15 weist im oberen Bereich eine Öffnung 17 auf, in die eine Kappe 2 als Verschluss für den Tank 15 eingebracht ist. Der Tank 15 sowie die Kappe 2 sind bevorzugt aus Kunststoff gefertigt, wie beispielsweise Polyethylen.
Die Kappe 2 wird hierbei von zwei Rohren durchdrungen, nämlich einmal dem Entnahmerohr 3 zur Entnahme der Harnstoff -Wasser-Lösung 16 aus dem Tank 15 heraus sowie ein Rücklaufrohr 9, über das die entnommene, aber nicht benötigte Harnstoff -Wasser-Lösung 16 wieder zurück in den Tank 15 geleitet werden kann. Zudem ist auf der, der Tankinnenseite zugewandten Seite der Kappe 2, ein Mantelrohr 4 ausgebildet, das das Entnahmerohr 3 im Inneren des Tanks 15 im Wesentlichen vollständig umschließt. Dabei ist das Mantelrohr 4 mit einem Abstand zum Entnahmerohr 3 angeordnet. Im oberen Bereich ist zwischen dem Entnahmerohr 3 und dem Mantelrohr 4 ein elektrisch isolierender Kleber 8 vorgesehen, der die Lage des Entnahmerohrs 3 gegenüber dem Mantelrohr 4 fixiert und die Bauteile in diesem Abschnitt sicher gegeneinander elektrisch isoliert.
Zudem ist nun eine Messeinheit 5, die insbesondere außen auf der Kappe 2 positioniert ist, und eine Spannungsquelle 14 vorgesehen. Diese sind beide so mit dem Entnahmerohr 3, dem Mantelrohr 4 und dem Rücklauf - röhr 9 verschaltet, dass das Entnahmerohr 3 als erste Elektrode 6, das Mantelrohr 4 als zweite Elektrode 7 und das Entnahmerohr 9 als dritte Elektrode 10 fungiert. Der Füllstand kann dabei beispielsweise zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode 7 über einen großen Variationsbereich des Füllstandes der Harnstoff-Wasser-Lösung detektiert werden. Darüber hinaus weisen die erste Elektrode 6 und die zweite Elektrode 7 auf der der Kappe 2 abgewandten Seite einen ersten Elektro- denendabschnitt 11 und einen zweiten Elektrodenendabschnitt 12 auf, die zusammen hier einen ringförmigen Freiraum 13 ausbilden. Gegebenenfalls kann dieser Bereich mit den Elektrodenendabschnitten noch zusätzlich mit einer konzentrischen Abschirmung versehen sein, um beispielsweise Strömungsschwankungen und dergleichen entgegenzuwirken. In dem Freiraum 13 kann dabei Harnstoff -Wasser-Lösung 16 eindringen, wobei hier über eine konstante Länge der Elektrodenendabschnitte und der Messung Aussagen über die Qualität der Harnstoff-Wasser-Lösung gewonnen werden können.
Die Art der Messung, der Zeitpunkt der Messung und/oder die Auswertung der Messung können gegebenenfalls auch über eine Steuerung 19 des Kraftfahrzeugs 18 initiiert bzw. ausgeführt werden. Damit steht sie insbesondere im Datenaustausch mit der Messeinheit und/oder betreibt bedarfsgerecht die Spannungsquelle 14 für die Messungen. Bezugszeichenliste
1 Apparat
2 Kappe
3 Entnahmerohr
4 Mantelrohr
5 Messeinheit
6 erste Elektrode
7 zweite Elektrode
8 isolierender Kleber
9 Rücklaufrohr
10 dritte Elektrode
11 erster Elektrodenendabschnitt
12 zweiter Elektrodenendabschnitt
13 Freiraum
14 Spannungsquelle
15 Tank
16 Harnstoff -Wasser-Lösung
17 Öffnung
18 Kraftfahrzeug
19 Steuerung

Claims

Patentansprüche
1. Apparat (1) zur Bestimmung eines Tankfüllstandes aufweisend zu- mindest:
- eine Kappe (2),
- ein Entnahmerohr (3), das sich durch die Kappe (2) hindurch erstreckt und zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, - ein Mantelrohr (4), das um das Entnahmerohr (3) angeordnet ist und zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist,
- eine Messeinheit (5), die mit dem Entnahmerohr (3) eine erste Elektrode (6) und mit dem Mantelrohr (4) eine zweite Elektrode (7) bildet.
2. Apparat (1) nach Patentanspruch 1, bei dem das Entnahmerohr (3) und das Mantelrohr (4) miteinander mittels eines isolierenden Klebers (8) oder einer Keramiklötung verbunden sind.
3. Apparat (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Messeinheit (5) an der Kappe (2) angeordnet ist.
4. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem eine dritte Elektrode (10) vorgesehen ist.
5. Apparat (1) nach dem vorhergehenden Patentanspruch, bei dem ein Rücklaufrohr (9) vorgesehen ist, das benachbart zum Entnahmerohr (3) angeordnet ist, und die dritte Elektrode (10) für die Messein- heit (5) bildet.
6. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die erste Elektrode (6) einen ersten Elektrodenendabschnitt (11) und die zweite Elektrode (7) einen zweiten Elektrodenendabschnitt (12) aufweist, der erste Elektrodenendabschnitt (11) und der zweite Elekt- rodenendab schnitt (12) einen Freiraum (13) zwischen sich ausbilden und mit einer Spannungsquelle (14) verbunden sind.
7. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die zweite Elektrode (7) und eine dritte Elektrode (10), die parallel zur zweiten Elektrode (7) angeordnet ist, mit einer Spannungsquelle (14) verbunden sind.
8. Tank (15) für eine Harnstoff -Wasser-Lösung (16) mit einer Öff- nung (17) zur Entnahme der Harnstoff-Wasser-Lösung (16), wobei die
Öffnung (17) mit der Kappe (2) eines Apparates (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche verschließbar ist.
9. Kraftfahrzeug (18), aufweisend einen Tank (15) gemäß Patentanspruch 8 und eine Steuerung (19), die mit der Messeinheit (5) verbunden ist.
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