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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Füllstands eines Harnstoffbehälters (auch SCR-Tank genannt) durch Wegbestimmung mit einem schallemittierenden Sensor (auch Ultraschallsensor genannt). Insbesondere werden solche Harnstoffbehälter für die Abgasbehandlung als Reservoir zur technisch einfachen Aufbewahrung von Harnstoff-Wasser-Lösung zur Bildung von Ammoniak benötigt.
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Zur Reduzierung der Schadstoffe in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen werden seit langem Abgasbehandlungsvorrichtungen eingesetzt. Abgasbehandlungsvorrichtungen mit einer Zufuhr für ein Reduktionsmittel sind seit einiger Zeit üblich, um Schadstoffe im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine wirkungsvoll zu reduzieren. Es hat sich herausgestellt, dass es insbesondere bei mager betriebenen Verbrennungskraftmaschinen vorteilhaft sein kann, dem Abgas ein Reduktionsmittel zuzuführen. Insbesondere der Anteil an Stickoxidverbindungen (NOx) im Abgas ist bei mager betriebenen Verbrennungskraftmaschinen erhöht und kann in Verbindung mit einem Reduktionsmittel in einer Abgasbehandlungsvorrichtung reduziert werden. Man spricht vom Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren).
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Als Reduktionsmittel kann beispielsweise Ammoniak verwendet werden. Ammoniak wird mit den Stickoxidverbindungen im Abgas in unschädliche Bestandteile, nämlich in Stickstoff sowie Wasser und Kohlendioxid, umgesetzt. Ammoniak wird im Kraftfahrzeug normalerweise nicht direkt bevorratet. Normalerweise wird ein Reduktionsmittelvorläufer, der bedarfsgerecht in das eigentliche Reduktionsmittel umgesetzt wird, bevorratet und/oder zugeführt. Als derartiger Reduktionsmittelvorläufer kann beispielsweise Harnstoff dienen. Besonders bevorzugt ist eine wässrige Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine derartige wässrige Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Harnstoffgehalt von 32,5% ist beispielsweise unter dem Handelsnahmen AdBlue® erhältlich.
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Ein Reduktionsmittel kann einer Abgasbehandlungsvorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine flüssig und/oder gasförmig zugeführt werden. Normalerweise ist ein Reduktionsmittel in einem Kraftfahrzeug flüssig gelagert. Eine derartige flüssige Lagerung ist besonders platzsparend möglich. Nach heutiger gesetzlicher Vorschrift ist nach Emissionsnorm Euro V ein Schadstoffausstoß auf einen maximal zulässigen Grenzwert von 2,0 g/kWh NOx reduziert. Es ist daher notwendig, dass der Fahrzeugbetreiber stets über den Füllungszustand des Harnstoffbehälters informiert ist. Wenn der Harnstoffbehälter leer ist und somit kein Reduktionsmittel in die Abgasbehandlungsvorrichtung zugeführt werden kann, muss die Motorleistung gedrosselt werden. Um dies zu vermeiden ist es wichtig, dass der Fahrzeugbetreiber über den Füllstand des Harnstoffbehälters informiert ist. Da die wässrige Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem pH-Wert von etwa 9,0 leicht alkalisch ist, bietet sich eine berührungslose Füllstandsmessung an. Es hat sich herausgestellt, dass dazu insbesondere das Messen des Füllstands durch Wegbestimmung mit einem schallemittierenden Sensor geeignet ist. Hierbei wird insbesondere der Effekt genutzt, dass Schall an Grenzflächen zwischen Gasen und Flüssigkeiten oder zwischen Gasen und Feststoffen bzw. auch zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen reflektiert werden. Somit kann bei geeigneter Ausrichtung des Sensors ähnlich wie bei einem Echolot mit einer ausgesendeten Schallwelle und dem reflektierenden Echo der Weg über die Laufzeit bestimmt werden. Dadurch kann indirekt der Füllstand des Harnstoffbehälters bestimmt werden.
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Bisher wurden Messaufbauten vorgeschlagen, die einen hohen Raumbedarf aufweisen. Da ein Harnstoffbehälter im Kraftfahrzeug ein zusätzliches Bauteil darstellt, in dem bereits jetzt nur wenig Raum für neue Bauelemente ist, ist eine platzsparende Ausführung eines Harnstofftanks mit Füllstandsmessung mittels Schallsensor wünschenswert. Insbesondere als Nachrüstsystem und für den zukünftig aufgrund strengerer Emissionsnormen weiter zunehmenden Harnstoffverbrauch und damit zunehmender Harnstoffbehältervolumina ist eine platzsparende Bauweise zielführend.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme weiter zu lindern. Es soll insbesondere eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die zum einen Bauraum einspart und gleichzeitig eine einfachere Montage erlaubt. Des Weiteren soll gewährleistet sein, dass nach Meldung durch den schallemittierenden Sensor, dass der Füllstand einen minimalen Grenzwert erreicht bzw. gegen Null geht, dennoch ein ausreichendes Restvolumen Harnstoff vorhanden ist, um mit dem Kraftfahrzeug bei optimaler Motorleistung und gesetzlich vorgeschriebenem Schadstoffausstoß eine Tankstelle erreichen und den Harnstoffbehälter dort nachfüllen zu können.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung 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, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Füllstands eines Harnstoffbehälters durch Wegbestimmung mit durch einen Sensor emittierte Schallwellen und deren Echo weist einen Harnstoffbehälterboden und einen Sumpf mit einer Bauhöhe auf, wobei der Sumpf an den Harnstoffbehälterboden an grenzt und unterhalb des Niveaus des Harnstoffbehälterbodens liegt, und weiterhin der Sumpf mit dem Harnstoffbehälter offen verbunden und nach unten hin durch einen Sumpfboden begrenzt ist. Weiter ist vorgesehen, dass:
- – der Sensor im Bereich des Sumpfes aufgenommen ist, und
- – der Sensor mit einer schallemittierenden Oberfläche zur Aussendung von Schallwellen und zum Empfang von Echos eben dieser Schallwellen im Harnstoffbehälter so angebracht ist, dass die schallemittierende Oberfläche des Sensors maximal an das Niveau des Harnstoffbehälterbodens angrenzt.
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Das Messen des Füllstands beruht insbesondere auf einer Laufzeitmessung. Hierbei wird genutzt, dass sich eine akustische Welle mit einer endlichen und für das jeweilige Ausbreitungsmedium (hier Harnstoff-Wasser-Lösung) bekannten Geschwindigkeit ausbreitet. Sendet der Sensor eine Schallwelle aus, so benötigt diese Welle eine bestimmte Zeit, um bis zur Grenzfläche zwischen der flüssigen Harnstoff-Wasser-Lösung und der angrenzenden Luft. Ein Großteil der Schallwelle wird an dieser Grenzfläche reflektiert und läuft mit der eben gleichen Wellengeschwindigkeit zurück zum Sensor (bzw. Ultraschall-Sensor). Dieser registriert die Laufzeit vom Zeitpunkt der Aussendung bis zum Empfang des Echos, also der reflektierten Schallwelle. Diese Laufzeit multipliziert mit der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle ergibt eine Strecke. Da die Schallwelle einmal hin und wieder zurück laufen muss, um vom Sensor registriert zu werden, ergibt die Halbierung der ermittelten Strecke die Distanz zwischen dem Sensor und der Grenzfläche. Damit von dieser ermittelten Distanz auf den Füllstand des Harnstoffbehälters geschlossen werden kann, sollte die Schallwelle möglichst senkrecht auf die Grenzfläche treffen. Trifft die Schallwelle übermäßig schräg auf die Grenzfläche, so wird die reflektierte Welle durch den verlängerten Weg das Messergebnis verfälschen. Auch wird der Laufweg bei zur Grenzfläche senkrechter Ausrichtung optimal kurz und somit nicht nur ein genaueres Messergebnis erzielt, sondern auch in optimal kurzer Zeit. Darüber hinaus werden Dämpfungseffekte in der Harnstoff-Wasser-Lösung dadurch minimiert. Zur Ermittlung von exakten Ergebnissen ist es notwendig, die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle an die Harnstoff-Wasser-Lösungstemperatur anzupassen. Dadurch können auch Ausdehnungseffekte der Harnstoff-Wasser-Lösung aufgrund der Temperatur und Füllstände bei gefrorener Harnstoff-Wasser-Lösung ermittelt werden.
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Ein Harnstoffbehälter ist ein jeglicher Behälter bzw. Tank, der dazu geeignet ist, Harnstoff aufzunehmen. Insbesondere ist er aus einem Werkstoff, der unempfindlich gegenüber alkalischen Stoffen ist. Hierfür sind beispielsweise Kunststoffe geeignet, insbesondere Duroplaste wie z. B. Epoxidharze. Die Form des Harnstoffbehälters ist im Wesentlichen durch das aufzunehmende Volumen der zugewiesene Bauraum im Kraftfahrzeug, eine einfache Wartung und Befüllung, aber auch durch Funktionseinheiten des Harnstoffbehälters zu einem reibungslosen Betrieb bestimmt. Zu den Funktionseinheiten gehören unter anderem ein Sumpf, eine Messeinheit für den Füllstand, eine Harnstoffentnahmeeinrichtung und oftmals auch eine Heizvorrichtung gegen Gefrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung sowie Erzeugung von Dampf für verschiedene Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Abgase.
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Der Sensor zur Messung des Füllstands weist eine Doppelfunktion auf. Zum einen emittiert er Schallwellen und zum anderen ist er eingerichtet, deren Echo zu empfangen. Für diesen Zweck können handelsübliche Sensoren eingesetzt werden, die in geeigneter Weise eingerichtet sind, Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten und Gasen zu registrieren. Zur Vermeidung von Störgeräuschen sollte der Sensor Schallwellen im nicht hörbaren Ultraschallbereich aussenden. Weiterhin sollte der Sensor energiesparsam arbeiten, da die Anzahl an stromabnehmenden Geräten in Kraftfahrzeugen bereits sehr hoch ist und zu erwarten steht, dass die Anzahl solcher Geräte weiter zunimmt. Auch ist es sinnvoll den Sensor zusätzlich mit einem Temperaturmesser auszurüsten, da mit diesem die Ausdehnung der Harnstoff-Wasser-Lösung abhängig von der Temperatur kompensiert werden kann. Damit ist bei hohen Temperaturen eine Aussage über die tatsächliche Menge an Reduktionsmittel möglich. Insbesondere bei tiefen Temperaturen ist es möglich, Fehlmeldungen bei teilweiser Vereisung zu unterdrücken. Denn bei teilweiser Vereisung entstehen eine Vielzahl an Grenzflächen durch Eiskristalle und Eisbrocken in der Harnstoff-Wasser-Lösung. Dadurch können unerwünschte Fehlmeldungen entstehen, von einer schwankenden Füllstandanzeige bis hin zu einer Drosselung des Motors. Der Sensor kann mitunter lediglich aus einer Schallergzeugenden und Schall-registrierenden Membran bestehen, aber auch bereits die gesamte Messeinrichtung baulich umfassen. Zur Schallerzeugung und Registrierung sind im Stand der Technik sogenannte Piezofolien üblich. Diese sind in der Lage, ein Spannungseingangssignal direkt in eine mechanische Verformung umzuwandeln und dadurch einen Schall zu erzeugen. Die mechanische Verformung kann sehr exakt über eine Wechselspannung in eine stabile Schwingungsfrequenz, in der Regel die Eigenfrequenz der Piezofolie umgewandelt werden. Genauso sind Piezofolien in der Lage, mechanische Verformungen in eine Spannung umzuwandeln. Somit stellt die Verwendung von Piezofolien nicht nur eine technisch sehr einfache Ausführungsform eines Schallsensors dar, sondern ist auch besonders kostengünstig.
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Der Harnstoffbehälter weist einen Harnstoffbehälterboden auf, der aber nicht die abschließende Begrenzung des Harnstoffbehälters nach unten hin darstellt, sondern lediglich das Hauptvolumen des Harnstoffbehälters begrenzt und ein Sumpf ist an den Harnstoffbehälterboden angeschlossen. In den meisten Fällen ist der Harnstoffbehälterboden von den Wänden des Harnstoffbehälters zu dem Sumpf nach unten hin geneigt, um eine sichere Zuführung der Reste der Harnstoff-Wasser-Lösung in den Sumpf zu gewährleisten. In manchen Fällen stellt der Harnstoffbehälterboden lediglich einen kleinen Absatz bis hin zu einer Phase am Übergang vom Sumpf zum Hauptharnstoffbehältervolumen dar. Üblicherweise können einem solchen Harnstoffbehälter (oben) eine Harnstoffbehälterdecke und seitlich eine Mehrzahl Harnstoffbehälterseitenwände zugeordnet werden.
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Der Sumpf des Harnstoffbehälters dient in erster Linie der Aufnahme des Restvolumens der Harnstoff-Wasser-Lösung, so dass dieses Restvolumen weiterhin in technisch einfacher Weise genutzt werden kann. Es ist also klar, dass der Sumpf regelmäßig einen deutlich verringerten Umfang bzw. ein deutlich kleineres Volumen gegenüber dem Hauptharnstoffbehälter aufweist. Dadurch ergibt sich beim Sumpf auch eine deutlich erhöhte Füllhöhe gegenüber einem gleichen Volumen in dem Hauptharnstoffbehälter. Somit kann das Restvolumen leichter durch eine Harnstoffentnahmeeinrichtung entnommen werden. Weiterhin ist der Sumpf dazu geeignet, Verunreinigungen in Form von Sedimenten im Bodenbereich aufzunehmen, so dass diese nicht von einer Harnstoffentnahmeeinrichtung aufgenommen werden. Der Sumpf ist nach unten hin durch einen Sumpfboden begrenzt, der dadurch die tiefste Bodenbegrenzung des Harnstoffbehälters darstellt.
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Der Sumpf grenzt an den Harnstoffbehälterboden an und liegt bevorzugt vollständig unterhalb des Niveaus des Harnstoffbehälterbodens. Da der Harnstoffbehälterboden nur in seltenen Fällen eine ebene Fläche darstellt, ist das Niveau nur in seltenen Fällen gleichzusetzen mit einer ebenen Fläche, die sich mit der Harnstoffbehälterbodenfläche deckt. Vielmehr ist mit dem Niveau eine ebene Fläche gemeint, die den Übergang vom Harnstoffbehälterboden in die senkrechten Wände des Sumpfs schneidet. Mitunter ist auch bereits der Übergang von den senkrechten Wanden des Harnstoffbehälters zum geneigten Harnstoffbehälterboden als dieses Niveau zu verstehen. In jedem Fall ist das Niveau bei stehendem Kraftfahrzeug als normal zur Erdbeschleunigungsrichtung zu verstehen.
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Die schallemittierende Oberfläche des Sensors zur Aussendung von Schallwellen und zum Empfang vom Echo eben dieser Schallwellen kann die bereits oben erwähnte Piezofolie sein. In den meisten Fällen aber grenzt an diese Folie eine Schwingungsmembran an, die die Schallemissionen beispielsweise verstärkt oder auch in eine geeignete Frequenz wandelt. In den meisten Fällen wird auch darüber wieder eine Membran liegen, die die Schallwellen mit geringer Dämpfung weiterleitet, aber dafür einen zusätzlichen mechanischen und chemischen Schutz für die Membran bzw. die Piezofolie darstellt. Je nach Sensor-Bauart und Konstruktion des Harnstoffbehälters kann die Schwingungsmembran und/oder Schutzmembran integriert in einer Folie vorliegen. Ebenfalls kann eine der Eigenschaften unabhängig von den anderen Eigenschaften für die jeweilige Ausführungsform unnötig sein.
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Die schallemittierende Oberfläche des Sensors grenzt zudem maximal an das Niveau des Harnstoffbehälterbodens an. Hierbei können das Niveau und die schallemittierende Oberfläche parallel sein, aber die schallemittierende Oberfläche kann auch geneigt zum Niveau des Harnstoffbehälterbodens sein. Insbesondere kann die schallemittierende Oberfläche unterhalb des Niveaus des Harnstoffbehälterbodens liegen. In keinem Fall ragt die schallemittierende Oberfläche über das Niveau des Harnstoffbehälterbodens (signifikant – also mehr als übliche Fertigungstoleranzen bei diesem Gegenstand) hinaus. Wie bereits erwähnt, kann die Normale der schallemittierenden Oberfläche zur nach oben gerichteten Normale des Niveaus des Harnstoffbehälterbodens zueinander geneigt sein. Geeignete Winkel zueinander sind hierbei insbesondere 45°, 90° und 135°. Aber auch eine entgegengesetzte Ausrichtung, also 180° der zwei Normalen zueinander, ist möglich.
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Die Schallwellen werden im Wesentlichen nach oben (hin zur Harnstoffbehälterdecke) emittiert. Es ist klar, dass die Schallwellen sich bogenförmig bzw. kreisförmig ausbreiten. Dennoch ist es für die Wegzeitbestimmung des Laufs der Schallwelle wichtig, dass die Schallwelle im Wesentlichen senkrecht auf die Grenzfläche auftritt und somit zurück zum Sensor reflektiert wird. Geringe Abweichungen zur senkrechten Achse von ±30°, oder bereits ±20°, gegebenenfalls auch bereits ±10° verändern das Messergebnis stark, können aber bei geeigneter Einrichtung der Messeinrichtung kompensiert werden.
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Der Sensor wird bevorzugt vollständig im Bereich des Sumpfs aufgenommen. Mit „vollständig” ist insbesondere gemeint, dass die bauliche Einheit des Sensors, wie er z. B. handelsüblich erhältlich ist, im Bereich des Sumpfes aufgenommen wird – also nicht in andere innere Bereiche des Harnstoffbehälters hineinragt. Hierbei kann die bauliche Einheit des Sensors entweder nur aus der oben beschriebenen schallemittierenden Oberfläche bestehen oder auch die notwendigen Messvorrichtungen beinhalten wie z. B. auch neben dem Messkreis einen Temperaturmesser. In manchen Fällen wird auch die zugehörige Verkabelung des Sensors zur Baueinheit hinzugezählt und ist somit in solchen Fällen im Bereich des Sumpfs aufgenommen.
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Der Sumpf stellt mit seinem Sumpfboden, den Seitenwänden und dem Übergang zum Harnstoffbehälterboden ein Volumen dar. Dieses Volumen ist aber in vielen Fällen nicht nur mit der Harnstoff-Wasser-Lösung gefüllt, sondern nimmt gegebenenfalls auch verschiedene Baueinheiten des gesamten Harnstoffbehälters auf. Diese Baueinheiten können sowohl im Sumpf eingebaut sein, aber auch durch Vertiefungen und Einbuchtungen im Sumpfboden oder in den Sumpfwänden eingebracht sein. In diesem Fall können die Baueinheiten mit den funktionalen Einheiten zum Behältervolumen offen ausgebildet sein, die mit der Harnstoff-Wasser-Lösung in Kontakt kommen dürfen bzw. müssen. Insoweit kann mit anderen Worten auch vorgesehen sein, dass der Sensor vollständig im Bereich des Sumpfs aufgenommen wird, wenn der Sensor sich teilweise auch außerhalb des Harnstoffbehälters erstreckt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Harnstoffentnahmeeinrichtung an den Sumpf angeschlossen und befindet sich auf einer Höhe zwischen dem Niveau des Harnstoffbehälterbodens und dem Sumpfboden. In vorteilhafter Weise kann die Harnstoffentnahmeeinrichtung in einem Abstand zum Sumpfboden angebracht sein, so dass sich ablagernde Partikel nicht durch die Harnstoffentnahmeeinrichtung aufgenommen werden. Weiterhin vorteilhaft kann die Anbringung der Harnstoffentnahmeeinrichtung unterhalb des Niveaus des Harnstoffbehälterbodens gelegen sein, so dass die Sammelwirkung des Sumpfs genutzt werden kann. Das bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass sich die einzige Entnahmeöffnung für die Dosierung des Harnstoffs im Sumpf bevorzugt an einer Seitenwand des Sumpfes befindet. Daran angeschlossen können dann mindestens ein Filter, eine Pumpe, ein Regelventil und eine Dosiereinheit sein, die gegebenenfalls zusammen die Harnstoffentnahmeeinrichtung bilden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung befinden sich dabei zumindest ein Teil der vorstehend genannten Komponenten selbst im Volumen des Sumpfes, z. B. in einem separaten Gehäuse. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Harnstoffentnahmeeinrichtung unterhalb der schallemittierenden Oberfläche des Sensors angebracht. Hierdurch wird erreicht, dass nach Feststellung der Leerung des Harnstoffbehälters durch den Sensor noch immer ein Restvolumen an Harnstoff vorhanden ist, um eine ausreichende Zeit zu gewährleisten, in der das Kraftfahrzeug im optimalen Betrieb und optimaler Schadstoffemission z. B. eine Tankstelle erreichen kann und dort der Harnstoffbehälter wieder befüllt werden kann. Dabei ist insbesondere eine Beabstandung der schallemittierenden Oberfläche und der Harnstoffentnahmeeinrichtung so gestaltet, dass eine Weiterfahrt von etwa 50 km bis 400 km sichergestellt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Sensor in einer Vertiefung außen am Sumpf eingebracht. Diese Vertiefung, die zum Beispiel in der Seitenwand und/oder dem Boden des Sumpfes angeordnet ist, ist so eingerichtet, dass der Sensor darin einfach montiert und vollständig aufgenommen wird. Die Vertiefung kann somit ein Gewinde aufweisen oder/oder konisch sein. Auch können andere Mittel zur Fixierung Verwendung finden. Insbesondere kann die Vertiefung dazu geeignet sein, den Sensor einfach und sicher zu justieren, um eine exakte Füllstandsmessung zu gewährleisten. Hierbei kann es vorteilhaft sein, die (in den Sumpf hinein ragende) Vertiefung so anzuordnen, dass der Sensor vor dem Einbau in das Kraftfahrzeug unverlierbar montiert werden kann. Weiterhin kann die Vertiefung eine Demontage des Sensors erlauben, ohne dass der gesamte Harnstoffbehälter oder Teile des Harnstoffbehälters demontiert werden müssen und auch der Harnstoffbehälter nicht entleert werden muss. In einer anderen vorteilhaften Ausführung wird der Sensor durch ein zusätzliches Bauteil am Sumpf bzw. am Harnstoffbehälter gehalten wie z. B. einem Deckel. Auch ist eine Kombination der Haltemittel der Vertiefung und z. B. einem Deckel möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ragt der Sensor zumindest teilweise in den Sumpf hinein. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass die schallemittierende Oberfläche des Sensors in direktem Kontakt mit der Harnstoff-Wasser-Lösung steht. Dies erlaubt den Einsatz eines handelsüblichen Schallsensors ohne zusätzliche Baumaßnahmen am Sumpf. Für eine weitere kostengünstige und einfache Montage des Sensors am Sumpf kann im Sumpf lediglich eine Aussparung z. B. ein Loch vorgesehen sein. Durch dieses Loch kann der Sensor eingeführt und durch weitere Haltemittel wie z. B. einen Deckel fixiert und justiert werden. Auch kann eine Vertiefung wie oben beschrieben so eingerichtet sein, dass ein Teil des Sensors durch die Vertiefung geführt wird und ein Teil mit der schallemittierenden Oberfläche in die Harnstoff-Wasser-Lösung hineinragt. Für die Dichtheit des Systems sind entsprechende Dichtungen vorzusehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung entspricht die Bauhöhe des Sumpfs einer Einbauhöhe des Sensors. Die Einbauhöhe des Sensors ist abhängig von der Baueinheit des Sensors wie oben beschrieben als auch die Montageart des Sensors. Hierbei kann durch äußere Haltemittel die Einbauhöhe des Sensors von der Höhe des Sensors abweichen. Auch kann unter der Einbauhöhe die zusätzliche Aufnahme der Verkabelung des Sensors verstanden werden. Die Bauhöhe des Sumpfs erstreckt sich zum Beispiel von dem Sumpfboden bis zum Niveau des Harnstoffbehälterbodens, wenn dieser „stehend” dort angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die schallemittierende Oberfläche des Sensors insbesondere parallel zum Niveau des Harnstoffbehälterbodens oder zu 90° zu dieser geneigt. Dadurch wird in der Regel eine besonders platzsparende Bauweise erreicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Variante ist die Normale auf der schallemittierenden Oberfläche des Sensors in einem Winkel zur wesentlichen Schallrichtung ausgerichtet und ein Schallumlenkmittel lenkt die Schallwellen im Wesentlichen nach oben um. Hierbei sind jegliche Winkel geeignet, zwischen 0 und etwa 180°. Insbesondere aber 45°, 90° und 135°. Das Schallumlenkmittel kann eine jegliche Fläche sein, die geeignet ist, Schallwellen zu reflektieren. Da Schallwellen ebenfalls an Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen reflektiert werden, sind in der Regel alle festen Werkstoffe dazu geeignet. Insbesondere aber bietet es sich an, dieses Schallumlenkmittel aus Wandbereichen des Sumpfs bzw. des Harnstoffbehälters zu formen. Das Schallumlenkmittel stellt also eine geneigte Fläche aus festem Material dar, die an geeigneter Stelle in einem korrespondierenden Winkel zur Normalen auf der schallemittierenden Oberfläche so eingerichtet ist, dass der Schall im Wesentlichen nach oben umgelenkt wird. Ist die Normale z. B. um 90° zur wesentlichen Schallrichtung ausgerichtet, so ist die Fläche des Umlenkmittels zu 45° geneigt. Das Schallumlenkmittel kann aber auch aus mehreren geneigten Flächen bestehen, die in geeigneter Weise so eingerichtet sind, dass die Schallwellen nach eben mehrfacher Umlenkung durch die mehreren Flächen im Wesentlichen nach oben umgelenkt werden. Ebenfalls wird über die Schallumlenkmittel das Echo der ausgesendeten Schallwellen in rückwärtiger Richtung auf demselben Weg zum Sensor zurückgelenkt. Dies verlängert zwar in ungünstiger Weise den Messweg, ermöglicht aber eine flexiblere Anpassung an einen begrenzten Bauraum im Kraftfahrzeug insbesondere für Nachrüstsysteme. Ganz besonders ist dabei bevorzugt, dass der Sensor (seitlich) „liegend” angeordnet ist und die Schallumlenkmittel im Bereich des Sumpfes so positioniert sind, dass der Schall mit einer etwa horizontalen Richtung kommend in eine Richtung hin zur Harnstoffbehälterdecke (bzw. der Harnstoffoberfläche) umgelenkt wird.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens eine Abgasbehandlungsvorrichtung auf, sowie einen Harnstoffbehälter mit einem schallemittierenden Sensor zum Messen des Füllstands des Harnstoffbehälters mittels Wegmessung mit Schallwellen, wobei der Sensor erfindungsgemäß vom Sumpf des Harnstoffbehälters aufgenommen ist.
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Ein Kraftfahrzeug kann ein jegliches Kraftfahrzeug sein, das eine Verbrennungskraftmaschine aufweist. Hierbei sind nicht nur Kraftfahrzeuge gemeint, die durch diese Verbrennungskraftmaschine an- bzw. vorangetrieben werden. Hierbei sind z. B. auch Hybridfahrzeuge denkbar, die eine Verbrennungskraftmaschine lediglich als Generatoraggregat nutzen. Auch denkbar sind Kraftfahrzeuge mit Zusatzeinrichtungen wie Kran- und Baggervorrichtungen, die wiederum durch eine Verbrennungskraftmaschine (indirekt) angetrieben werden.
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Eine Verbrennungskraftmaschine stellt in der Regel eine Energiewandlungsmaschine dar, die auf einem geschlossenen oder offenen Kreisprozess beruht. Hierfür geeignete Verbrennungskraftmaschinen sind jegliche, die einen Brennstoff verwenden, der bei der Verbrennung zur Umwandlung der chemischen in mechanische Energie in einem solchen Maße Emissionen generieren, dass diese durch das zur Reinigung geeignete Reduktionsmittel zu einer Reduktion der unerwünschten Emissionen führt. Dies sind in der Regel Hubkolbenmotoren und Tauchkolbenmotoren sowie Drehkolben- und insbesondere Wankelmotoren. Geeignete Brennstoffe stellen unter anderem Dieselkraftstoffe und Benzinkraftstoffe dar, aber auch Brennstoffe wie Erdgas und Flüssiggas. Die Verbrennungskraftmaschine kann durch das Signal von dem schallemittierenden Sensor zum Messen des Füllstands des Harnstoffbehälters bei Leermeldung zur Emissionsreduktion gedrosselt werden.
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Die wenigstens eine Abgasbehandlungsvorrichtung ist in der Regel in die Abgasableitung vom Verbrennungskraftmotor zum Endrohr zwischengeschaltet. Hier wird (stromaufwärts also vorgelagert) die Harnstoff-Wasser-Lösung oder bereits gasförmiges Ammoniak in die Abgase eingespritzt. Die Abgasbehandlungsvorrichtung wird im Wesentlichen durch Emissionsmessungen gesteuert, kann aber weiterhin mittelbar durch das Signal von dem schallemittierenden Sensor zum Messen des Füllstands des Harnstoffbehälters bei Leermeldung abgeschaltet werden.
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Die Vorrichtung, aufweisend einen Harnstoffbehälter mit dem schallemittierenden Sensor entspricht in seiner Bauweise und Funktionsweise der in den vorangehenden Absätzen beschriebenen Art.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren sind schematisch und benennen gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen. Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsvariante eines Harnstoffbehälters, aufweisend einen Sumpf, der einen schallemittierenden Sensor vollständig aufnimmt,
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2: eine zweite Ausführungsvariante eines Harnstoffbehälters mit einem Sumpf, der den Sensor vollständig aufnimmt, wobei der Sensor teilweise in den Sumpf hineinragt,
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3: eine dritte Ausführungsvariante eines Harnstoffbehälters mit einem Sumpf, wobei der Sensor in einer Vertiefung im Sumpf vollständig aufgenommen ist,
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4: eine vierte Ausführungsvariante eines Harnstoffbehälters mit einem Sumpf, wobei die Normale auf der schallemittierenden Oberfläche des Sensors in einem Winkel zur wesentlichen Schallrichtung ausgerichtet ist,
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5: ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Abgasbehandlungsvorrichtung und einen Harnstoffbehälter, der entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingerichtet ist, und
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6 eine weitere Ausführungsvariante eines Harnstoffbehälters mit einem Sumpf, wobei der Sumpfboden mit einer Harnstoffentnahmeeinrichtung und einem Sensor eine Baueinheit bilden.
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Die Bezugszeichen in den einzelnen Figuren benennen dabei stets gleiche Bauteile bzw. Elemente, auch wenn nachfolgend nicht explizit im Detail darauf eingegangen wird. Insoweit kann ergänzend auf die entsprechende Offenbarung in einer anderen Figur Bezug genommen werden.
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1 zeigt einen Harnstoffbehälter 1, der mit einer Harnstoff-Wasser-Lösung bis zu einem Füllstand 17 gefüllt ist. An dem Harnstoffbehälterboden 2 ist unterhalb des Niveaus 14 des Harnstoffbehälterbodens 2 ein Sumpf 3 mit einer Bauhöhe 9 und einem Sumpfboden 4 angebaut. Im Sumpf 3 erstreckt sich der schallemittierende Sensor 5 vom Niveau 14 bis zum Sumpfboden 4. Die schallemittierende Oberfläche 6 grenzt exakt an das Niveau 14 des Harnstoffbehälterbodens 2 an. Die Harnstoffentnahmeeinrichtung 7 ist im Bereich der Bauhöhe 9 des Sumpfs 3 zur Entnahme des Harnstoffs angebracht. Die Gesamtharnstofffüllhöhe beträgt die Summe aus der Höhe des Füllstands 17 und der Bauhöhe 9 des Sumpfs 3. Der Sensor 5 registriert den Füllstand 17 (oberhalb des Sumpfs 3) mittels der Weg-Zeit-Bestimmung der Schallwellen 15 und des Echos 16 der Schallwellen 15. In diesem Fall sind die Normale 10 der schallemittierenden Oberfläche 6 des Sensors 5 und die wesentliche Schallrichtung 12 deckungsgleich. Sackt der Füllstand 17 bis zum Niveau 14 des Harnstoffbehälterbodens 2 ab, so meldet der Sensor 5 einen leeren Harnstoffbehälter 1. Dennoch verbleibt ein restliches entnehmbares Harnstoffvolumen im Sumpf 3 zwischen dem Niveau 14 des Harnstoffbehälterbodens 2 und der Entnahmehöhe durch die Harnstoffentnahmeeinrichtung 7.
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2 zeigt einen Harnstoffbehälter 1 ähnlich wie in 1 dargestellt. Im Unterschied zu 1 ist der Sensor 5 in einer Vertiefung 8 im Sumpf 3, der vom Sumpfboden 4 in dem Bereich des Sumpfs 3 hineinragt. Darüber hinaus ragt die schallemittierende Oberfläche 6 des Sensors 5 in den Sumpf 3 hinein. Weiterhin befindet sich die schallemittierende Oberfläche 6 des Sensors 5 unterhalb des Niveaus 14 des Harnstoffbehälterbodens 2. Dadurch misst der Sensor einen Füllstand 17, der von der Grenzfläche der Harnstoff-Wasser-Lösung (Oberfläche der Harnstoff-Wasser-Lösung) bis über das Niveau 14 des Harnstoffbehälterbodens 2 hinaus zur schallemittierenden Oberfläche 6 des Sensors 5 reicht. Aber auch hier ist die Harnstoffentnahmeeinrichtung 7 unterhalb der schallemittierenden Oberfläche 6 des Sensors 5 angebracht. Also besteht auch hier ein entnehmbares Restvolumen der Harnstoff-Wasser-Lösung, nachdem der Sensor 5 meldet, dass der Füllstand 17 „Null” ist.
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3 zeigt einen Harnstoffbehälter 1 ähnlich der Darstellung in 1. Hierbei ist der Sensor 5 vollständig in einer Vertiefung 8 im Bereich des Sumpfs 4 eingebracht. Hierbei reicht die Vertiefung, die vom Sumpfboden 4 des Sumpfs 3 her eingebracht ist, bis zum Niveau 14 des Harnstoffbehälterbodens 2. Die schallemittierende Oberfläche 6 des Sensors grenzt direkt an den Bereich der Vertiefung 8 an, der deckungsgleich mit dem Niveau 14 des Harnstoffbehälterbodens 2 ist. Wie in 2 ist auch hier die Bauhöhe 9 des Sumpfs 3 größer als die Einbauhöhe des Sensors 5.
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4 zeigt einen Harnstoffbehälter 1, wobei der Sensor 5 wie in 1 vollständig vom Sumpf 3 aufgenommen wird. Im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren weist die Normale 10 der schallemittierenden Oberfläche 6 gegenüber der wesentlichen Schallrichtung 12 einen Winkel 11 auf. Die Schallwellen 15 emittiert durch die schallemittierende Oberfläche 6 breiten sich zunächst im Wesentlichen entlang der Normalen 10 der schallemittierenden Oberfläche 6 aus. Durch das im Sumpf 3 integrierte Schallumlenkmittel 13 werden die Schallwellen 15 in Richtung der wesentlichen Schallrichtung 12 umgelenkt. Das Echo 16 wird zunächst in rückwärtiger Richtung entlang der wesentlichen Schallrichtung 12 reflektiert bis hin zum Schallumlenkmittel 13, wo das Echo 16 wiederum rückwärtig entlang der Normalen 10 zur schallemittierenden Oberfläche 6 umgelenkt wird. Die Füllstandshöhenmessung ist hierbei nach unten hin durch das oberste Ende der geneigten schallemittierenden Oberfläche 6 begrenzt. Sinkt die Füllhöhe der Harnstoff-Wasser-Lösung unter diesen Punkt, entsteht eine Grenzfläche, die die Messung mittels Schall stört. Der Sensor 5 bzw. die Messeinrichtung des Sensors 5 sind auf diese untere Grenze justiert.
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5 zeigt ein Kraftfahrzeug 18 mit einer Verbrennungskraftmaschine 19, einer Abgasbehandlungsvorrichtung 20, wobei das Reduktionsmittel (hier flüssiger Harnstoff) über eine Dosierdüse 21 vom Harnstoffbehälter 1 bzw. vom Sumpf 3 in die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 (z. B. ein Hydrolysekatalysator und/oder ein SCR-Katalysator) eingeführt wird. Das gereinigte Abgas verlässt die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 durch das Endrohr 24. Der Sensor 5 im Harnstoffbehälter 1 bzw. im Sumpf 3 meldet den Füllstand über die Signalleitung 25 an eine Schalteinrichtung 22. Die Schalteinrichtung 22 ist so eingerichtet, dass sie über die Motordrosselsignalleitung 26 die Verbrennungskraftmaschine 19 drosselt. Die Schalteinrichtung 22 schaltet die Dosierdüse 21 über die Dosierdüsenschließsignalleitung 27 ab. Die Abschaltung bzw. Drosselung durch die Schalteinrichtung 22 geschieht nach einem mittelbaren Zeitraum nach Meldung, dass der Harnstoffbehälter 1 leer ist, durch den Sensor 5 über die Signalleitung 25 zur Schalteinrichtung 22.
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In 6 ist schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines Harnstoffbehälters 1 mit einem Sumpf 3 dargestellt, wobei der Sumpfboden 4 mit einer Harnstoffentnahmeeinrichtung 7 und einem Sensor 5 eine Baueinheit bilden. Wie angedeutet, können die Harnstoffentnahmeeinrichtung 7 (z. B. mit einem Filter, einer Pumpe, Förderleitungen, Sensoren für Druck und/oder Temperatur, Rücklaufleitung, Ventil) und der Sensor 5 auf einem separaten Sumpfboden 4 vormontiert und schließlich in den Sumpf 3 dicht eingesetzt werden. Der Sumpfboden 4 ist dabei nach Art einer (stabilen, beispielsweise metallischen) Modulplatte ausgeführt, wobei Bauteile, die nicht mit dem Harnstoff direkt in Kontakt stehen sollen, (mit einem Gehäuse) gekapselt ausgeführt sein können. Dementsprechend können auch die anderen hier angeführten Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vormontierten Baueinheiten gebildet sein, die in eine Öffnung des Harnstoffbehälters 1 dicht verbaut werden.
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Somit sind die eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme weiter gelindert worden. Es wurde insbesondere eine Vorrichtung vorgeschlagen, die zum einen Bauraum einspart und gleichzeitig eine einfachere Montage erlaubt. Des Weiteren ist so gewährleistet, dass nach Meldung durch den schallemittierenden Sensor, dass der Füllstand einen minimalen Grenzwert erreicht bzw. gegen Null geht, dennoch ein ausreichendes Restvolumen Harnstoff vorhanden ist, um mit dem Kraftfahrzeug bei optimaler Motorleistung und gesetzlich vorgeschriebenem Schadstoffausstoß eine Tankstelle erreichen und den Harnstoffbehälter dort nachfüllen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Harnstoffbehälter
- 2
- Harnstoffbehälterboden
- 3
- Sumpf
- 4
- Sumpfboden
- 5
- Sensor
- 6
- schallemittierende Oberfläche
- 7
- Harnstoffentnahmeeinrichtung
- 8
- Vertiefung
- 9
- Bauhöhe
- 10
- Normale
- 11
- Winkel
- 12
- wesentliche Schallrichtung
- 13
- Schallumlenkmittel
- 14
- Niveau
- 15
- Schallwellen
- 16
- Echo
- 17
- Füllstand
- 18
- Kraftfahrzeug
- 19
- Verbrennungskraftmaschine
- 20
- Abgasbehandlungsvorrichtung
- 21
- Dosierdüse
- 22
- Schalteinrichtung
- 23
- Abgasleitung
- 24
- Endrohr
- 25
- Signalleitung
- 26
- Motordrosselsignalleitung
- 27
- Dosierdüsenschließsignalleitung