[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betankungs-System und ein Verfahren zum Befüllen
eines Tanks mit einem flüssigen Medium, insbesondere einer Harnstoff-Lösung.
[0002] In zunehmendem Maße werden wässrige Harnstoff-Lösungen (beispielsweise unter dem
Markennamen "AdBlue" bekannt) zur Abgasreinigung bei Nutzfahrzeugen, insbesondere
bei Lkws und Omnibussen, verwendet. Auch im Pkw-Bereich werden Harnstoff-Lösungen
mittlerweile in zunehmendem Maße eingesetzt, wobei die Bevorratung der Harnstoff-Lösungen
in zusätzlichen Tanks im Kraftfahrzeug erfolgt. Die Betankung erfolgt entweder über
im Handel erhältliche Kanister oder - wie Kraftstoff - an speziell vorgesehenen Harnstoff-Tanksäulen.
Die Abgabe von Harnstoff-Lösungen über spezielle Tanksäulen wird in Zukunft stark
zunehmen, da dies umweltschonender und günstiger ist. Aufgrund der chemischen Eigenschaften
von Harnstoff-Lösungen sind an die Tankanlagen besondere Anforderungen zu stellen,
so dass die aus dem Kraftstoffbereich bekannten Befüllanlagen nicht ohne weiteres
übernommen werden können.
[0003] Dies liegt insbesondere darin, dass Harnstoff-Lösungen kristallisieren und die Kristalle
zu Störungen führen können. Aus diesem Grund sollten die Tankanlagen so ausgeführt
sein, dass Harnstoff-Lösungen nicht in Bereiche außerhalb des Befüllrohrs gelangen.
Darüber hinaus soll das Betanken einfach und schnell erfolgen können.
[0004] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum
Befüllen eines Tanks mit einer Harnstoff-Lösung so auszugestalten, dass Verunreinigungen
der Vorrichtung und des Fahrzeugs minimiert werden.
[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch 14. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
[0006] Eine Ausführungsform einer Befüllvorrichtung kann so ausgebildet sein, dass die Luft
quer zur Längsachse des Befüllrohrs strömt, d.h. entweder rechtwinklig oder schräg
zur Längsachse. Hierdurch wird der Strömungsweg der abgesaugten Luft zunächst verlängert,
so dass flüssige Bestandteile eher in einem der Saugöffnung nahe liegenden Bereich
verbleiben. Da diese vorderen Bereiche leichter zu reinigen sind, lässt sich die Gefahr
von Störungen durch Harnstoff-Kristalle reduzieren.
[0007] Vorzugsweise ist der Saugkanal nach innen durch das Befüllrohr und nach außen durch
ein das Befüllrohr zumindest abschnittsweise umgebendes Wandelement begrenzt. Wird
das Luftführungselement so ausgebildet, dass es sich wendelartig um das Befüllrohr
erstreckt, wird die abgesaugte Luft in eine kreisförmige bzw. wendelförmige Bahn gebracht
mit dem Ergebnis, dass sich die flüssigen Bestandteile durch die Zentrifugalkraft
am außen liegenden Wandelement abscheiden. Auf diese Art und Weise lässt sich ein
Großteil der flüssigen Bestandteile der abgeführten Luft bereits im vorderen Bereich
der Vorrichtung zum Befüllen (nachfolgend kurz Befüllvorrichtung genannt) abscheiden.
Einerseits können diese abgeschiedenen Bestandteile einfach wieder zurück in den Tank
bzw. aus der Befüllvorrichtung herauslaufen, so dass deren Auskristallisieren innerhalb
der Befüllvorrichtung minimiertwird. Andererseits lassen sich diese Abscheidungen
im vorderen Bereich der Befüllvorrichtung leicht durch Reinigung entfernen.
[0008] Bei einer bevorzugten Ausführung ist das Wandelement als Buchse ausgebildet, welches
sich zumindest über die Länge des zumindest einen Luftführungselements erstreckt.
Bevorzugt ist das Luftführungselement an seiner dem Befüllrohr zugewandten Seite an
einem Trägerelement vorgesehen, wobei das Trägerelement eine Durchführung für das
Befüllrohr aufweist. Weiter bevorzugt sind das Luftführungselement und das Trägerelement
vorzugsweise einstückig aus einem gegenüber dem flüssigen Medium resistenten Material,
vorzugsweise aus Edelstahl oder einem Kunststoff-Material ausgebildet
[0009] Diese Maßnahmen haben sich im Hinblick auf die Fertigung als besonders vorteilhaft
herausgestellt. Das Trägerelement lässt sich einfach über das Befüllrohr schieben
und trägt das radial sich nach außen erstreckende und wendelartig verlaufende Luftführungselement.
Das den Saugkanal nach außen begrenzende Wandelement ist als rohrförmige Buchse ausgebildet,
die sich wiederum sehr einfach über das Befüllrohr und das Trägerelement mit dem Luftführungselement
schieben lässt.
[0010] Damit sind also nicht nur die Herstellungskosten der Einzelteile gering, sondern
auch die für den Zusammenbau erforderlichen Maßnahmen. Ferner lassen sich diese Bauteile
auch einfach auswechseln.
[0011] Bei einer bevorzugten Ausführung weist das Luftführungselement erste Abschnitte auf,
die rechtwinklig zur Längsachse des Befüllrohrs verlaufen. Weiter bevorzugt weist
das Luftführungselement zweite Abschnitte auf, die schräg zur Längsachse des Befüllrohrs
verlaufen, wobei sich erste und zweite Abschnitte abwechseln und zwei erste Abschnitte
über einen zweiten Abschnitt miteinander verbunden sind. Weiter bevorzugt sind zwei
aufeinander folgende erste Abschnitte in Längsrichtung versetzt und in Umfangsrichtung
des Befüllrohr um 180° versetzt angeordnet.
[0012] Diese Ausgestaltung des Luftführungselements liefert einerseits den wendelartigen
Strömungsweg der abgesaugten Luft und ermöglicht andererseits eine sehr günstige Fertigung
aufgrund eines geringen werkzeugtechnischen Aufwands im Vergleich zu einem "echten"
wendelförmigen Verlauf.
[0013] Bei einer bevorzugten Ausführung ist am Auslassende des Befüllrohrs ein Rückschlagventil-Element
vorgesehen.
[0014] Dieses Rückschlagventil-Element hat die Aufgabe, das Auslassende des Befüllrohrs
zu verschließen, sofern die Harnstoff-Lösung nicht mit einem vorgegebenen Druck in
den Tank gefördert wird. Da das Rückschlagventil-Element am Auslassende des Befüllrohrs
angebracht ist, gibt es kein bzw. ein minimales Nachtropfen von Harnstoff-Lösung nach
dem Entfernen der Befüllvorrichtung vom Tank.
[0015] Bei einer bevorzugten Ausführung weist das Rückschlagventil-Element ein rohrförmiges
Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Längsabschnitt auf, wobei der erste Längsabschnitt
einen geringeren Innendurchmesser als der zweite Längsabschnitt besitzt und weist
einen konusförmigen Diffusor auf, der im Inneren des zweiten Längsabschnitts koaxial
zu diesem vorgesehen und mit seinem durchmessergrößeren Ende dem ersten Längsabschnitt
zugewandt ist, wobei der Diffusor eine Kugel federbelastet abstützt, derart, dass
die Kugel das Ende des ersten Längsabschnitts schließen und freigeben kann. Besonders
bevorzugt weist das rohrförmige Gehäuse einen dritten Längsabschnitt auf, der einen
sich verjüngenden Innendurchmesser zur Ausbildung einer Düse besitzt.
[0016] Diese Maßnahmen sorgen dafür, dass die Harnstoff-Lösung möglichst laminar aus dem
Auslassende austritt. Diese laminare Strömung wird trotz der Tatsache erreicht, dass
die Harnstoff-Lösung am Ende des Befüllrohrs um die vorgesehene Kugel des Rückschlagventils
herumströmen muss. Die Verbesserung der Strömung wird durch den konusförmigen Diffusor
erreicht, der in Längsrichtung gesehen für einen sich erweiternden Ringraum zwischen
rohrförmigem Gehäuse und Diffusor sorgt.
[0017] Eine laminare Strömung verhindert Schaum- oder Tröpfchenbildung und einen Rückstau
im Bereich des Auslassendes, so dass infolge dessen die "Gefahr" einer frühzeitigen
und ungewollten Abschaltung reduziert wird.
[0018] Die Strömung lässt sich bevorzugt weiter verbessern, indem am Auslassende, d.h. in
Strömungsrichtung gesehen nach dem Rückschlagventil ein Strahlregler (bspw. in Form
einer Mischdüse) vorgesehen ist.
[0019] Ein Überschwappen und/oder ein Zurückspritzen des flüssigen Mediums (sogenanntes
"Spitback") lässt sich so verhindern.
[0020] Besonders bevorzugt ist die Befüllvorrichtung als Zapfpistole ausgebildet.
[0021] Die Handhabung und Bedienung der Befüllvorrichtung wird damit deutlich vereinfacht.
[0022] Die Merkmale eines Saugkanals mit Luftführungselement und eines Rückschlagventil-Elements
können für sich alleine oder in Kombination in einer Vorrichtung zum Befüllen eines
Tanks eingesetzt werden
Eine Ausführung des Betankungssystems kann eine Haltevorrichtung zur Aufnahme der
Vorrichtung zum Befüllen und eine Reinigungsvorrichtung aufweist, die ausgelegt ist,
den Saugkanal zu reinigen.
[0023] Bevorzugt erzeugt die Reinigungsvorrichtung einen Luftstrom zur Reinigung.
[0024] Besonders bevorzugt ist die Reinigungsvorrichtung mit dem der Saugöffnung entgegengesetzten
Ende des Saugkanals verbunden, wobei die Reinigungsvorrichtung Luft in den Saugkanal
bläst, die den Saugkanal zur Saugöffnung hin durchströmt. Selbstverständlich kann
die Reinigungsvorrichtung auch Luft durch den Saugkanal bspw. hin zur Saugöffnung
saugen, um eine Reinigung herbeizuführen.
[0025] Durch die Reinigung werden im Saugkanal vorhandene flüssige Bestandteile zum Auslassende
hin geblasen und/oder gesaugt.
[0026] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten 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.
[0027] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
und der beiliegenden Zeichnung. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Darstellung einer Befüllvorrichtung;
- Fig. 2a, b
- eine Querschnittsansicht der Befüllvorrichtung sowie ein vergrößerter Ausschnitt dieser
Ansicht;
- Fig. 3
- eine Explosionsansicht der Befüllvorrichtung mit einigen entfernten Bauelementen;
- Fig. 4
- eine Explosionsansicht der Befüllvorrichtung von der anderen Seite mit einigen entfernten
Bauelementen;
- Fig. 5a, b
- eine Schnittdarstellung eines Rückschlagventil-Elements im Querschnitt sowie in einer
Explosionsdarstellung;
- Fig. 6a, b
- eine Querschnittsansicht eines alternativen Rückschlagventil-Elements sowie eine Explosionsdarstellung
dieses Rückschlagventil-Elements;
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung eines Betankungssystems, und
- Fig. 8
- eine Kennlinie der Fördermenge über der Zeit zur Erläuterung des Steuerungsverhaltens.
[0028] In Fig. 1 ist in perspektivischer Ansicht eine Befüllvorrichtung dargestellt und
mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Diese Befüllvorrichtung ist vorzugsweise
in der Form einer Zapfpistole 11 ausgebildet. Die Befüllvorrichtung 10 dient dazu,
ein Fahrzeug, beispielsweise einen Pkw oder einen Lkw, mit einem flüssigen Medium,
insbesondere einer Harnstoff-Lösung (auch als "AdBlue" bekannt) zu betanken. Dabei
ist die Befüllvorrichtung ausgelegt, eine geschlossene Betankung zu ermöglichen. Solche
Harnstoff-Lösungen werden mittlerweile sehr häufig im Bereich der Abgasreinigung eingesetzt,
um insbesondere die Stickoxide in Stickstoff und Wasserdampf umzuwandeln. Nachfolgend
wird nur noch von einer Harnstoff-Lösung als flüssigem Medium gesprochen obgleich
die beschriebenen Ausgestaltungen auch für andere flüssige Medien vorteilhaft einsetzbar
sind.
[0029] Die Befüllvorrichtung 10 weist einen Griffbereich 12 und einen sich daran anschließenden
Anschlussbereich 14 auf.
[0030] Der Griffbereich 12, der bevorzugt aus zwei aus Kunststoff gefertigten Griffschalen
16, 18 zusammengesetzt ist, ist hinsichtlich seiner Form an die übliche Form einer
Zapfpistole eines Tanksystems für Benzin, Diesel etc. angelehnt. An seinem dem Anschlussbereich
14 gegenüberliegenden Ende des Griffbereichs 12 ist ein Medienschlauch 20 angeschlossen
bzw. anschließbar, der einerseits eine Harnstoff-Lösung zuführt und andererseits Gas
bzw. Luft (nachfolgend wird vereinfacht nur noch von "Luft" gesprochen) beim Betanken
aus dem Tank abführt.
[0031] Im Anschlussbereich 14 ist ein zylindrisches Bedienelement 22 vorgesehen, das drehbar
um seine Längsachse gehalten ist. Das Bedienelement 22 dient dazu die Befüllvorrichtung
10 mit einem - nicht dargestellten - Anschlussstutzen an einem Fahrzeugtank festzuschrauben,
um eine geschlossene Betankung zu ermöglichen.
[0032] Das Bedienelement 22 weist zwei Längsabschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser
auf, wobei der vom Benutzer handhabbare Längsabschnitt 24.1 einen größeren Durchmesser
aufweist als der sich daran anschließende zweite Längsabschnitt 24.2. Bevorzugt sind
die beiden Längsabschnitte 24.1 und 24.2 des Bedienelements 22 aus zwei separaten
Bauteilen vorgesehen, die miteinander beispielsweise über Schrauben verbunden werden.
[0033] In Fig. 1 ist ein Innengewinde-Element 26 zu erkennen, das koaxial zu dem zweiten
Längsabschnitt 24.2 vorgesehen ist. Dieses Innengewinde-Element ist an den Anschlussstutzen
eines Tanks eines Fahrzeugs angepasst.
[0034] Bevorzugt ist die Verbindung zwischen dem Innengewinde-Element 26 und dem Bedienelement
22, hier insbesondere dem zweiten Längsabschnitt 24.2, nicht fest, sondern in Form
einer "Ratschen"-Verbindung vorgesehen. Das heißt, dass das Bedienelement 14 beim
Verbinden mit dem Tankstutzen so lange das Innengewinde-Element mitdreht, bis ein
bestimmtes Drehmoment erreicht wird. Dann löst sich die Verbindung zwischen dem Innengewinde-Element
und dem Bedienelement 14, so dass letzteres "durchdreht", ohne weiter ein Drehmoment
auf das Innengewinde-Element auszuüben. Der genauere Aufbau dieser Ratschen-Verbindung
wird später noch erläutert werden.
[0035] Schließlich ist in Fig. 1 noch ein Befüllrohr 28 zu erkennen, das sich bevorzugt
koaxial zu dem Bedienelement 14 und aus dem zweiten Längsabschnitt 24.2 heraus erstreckt.
Statt einer koaxialen Anordnung könnten beide Elemente bspw. auch exzentrisch zueinander
angeordnet sein. Am Ende des Befüllrohrs 28 ist ein Rückschlagventil-Element 30 vorgesehen,
wobei das Rückschlagventil-Element 30 eine Auslassöffnung 32 für die Harnstoff-Lösung
besitzt. Die Auslassöffnung 32 befindet sich somit in einem vorbestimmten Abstand
von dem Innengewinde-Element 26 entfernt, so dass das Befüllrohr 28 beim Verbinden
mit dem Anschlussstutzen eines Fahrzeugs in diesen hineinragt. Ferner ist an der Auslassöffnung
32 ein Strahlregler 33 stromabwärts des Rückschlagventil-Elements 30 vorgesehen, der
den ausströmenden Strahl aufwertet bzw. konditioniert.
[0036] Wie bereits erwähnt, wird beim Betanken mit der Harnstoff-Lösung Luft aus dem Tank
abgeführt. Beim Befüllen entweicht die Luft dabei im Pendelverfahren und/oder wird
abgesaugt. Dieses Abführen der Luft erfolgt über einen Ringraum 34, der zwischen dem
Innengewinde-Element 26 und dem Befüllrohr 28 gebildet wird bzw. im aufgeschraubten
Zustand zwischen der Innenfläche des Anschlussstutzens und der Außenseite des Befüllrohrs
28 entsteht. Das Befüllrohr 28 selbst dient alleine der Führung der Harnstoff-Lösung.
[0037] Der innere Aufbau der Befüllvorrichtung 10 soll nachfolgend mit Bezug auf die Fig.
2 bis 4 im Detail erläutert werden.
[0038] Das Befüllrohr 28 ist zumindest im Bereich des Bedienelements 22 bis zur Auslassöffnung
32 hin als Rohr 36, vorzugsweise aus Edelstahl, gebildet. Dieses Rohr 36 ist an seinem
dem Auslassende 32 gegenüberliegenden Ende mit einem Schlauch 38 verbunden, der sich
durch den Griffbereich 12 bis zu einem Kupplungselement 40 am Ende des Griffbereichs
12 erstreckt. Diese Kupplung 40 dient dem Anschluss des Medienschlauchs 20.
[0039] Das Rohr 36 ist innerhalb des Bedienelements 22 bevorzugt koaxial (exzentrisch wäre
auch vorstellbar) geführt und ist in seinem vorderen, d.h. dem Auslassende 32 zugewandten
Längsabschnitt von einer Buchse 42 umgeben, wobei diese Buchse 42 Teil eines Gehäuseelements
44 ist. In Fig. 3 ist die Buchse 42 und das Gehäuse 44 gut zu erkennen. Die Buchse
42 ist so ausgelegt, dass die Innenseite der Buchse 42 an dem Rohr 36 anliegt. Der
Innendurchmesser der Buchse 42 entspricht damit in etwa dem Außendurchmesser des Rohrs
36. Vorzugsweise ist das Rohr 36 zur Isolierung umspritzt.
[0040] Wie sich insbesondere aus den Fig. 3 und 4 ergibt, weist die Buchse in einem Längsabschnitt
46 eine vorzugsweise wendelartige Struktur 50 auf, die als Luftführungselement 52
dient.
[0041] Das Gehäuse 44 besitzt einen größeren Durchmesser als die Buchse 42, so dass sich
eine Stufe 54 ausbildet. Die Fläche dieser Stufe 54 erstreckt sich schräg, insbesondere
rechtwinklig, zu der Längsachse des Befüllrohrs 28. Das Gehäuse 44 dient u. a. dazu,
eine Platine 56 und entsprechende Anschlussleitungen 58 aufzunehmen. Die Platine 56
trägt alle für die Steuerung der Befüllvorrichtung erforderlichen elektronischen Bauteile,
die insbesondere eine Verschlusserkennung und eine Füllstandserkennung bereitstellen
und die entsprechenden Signale an das Betankungs-System weiterleiten.
[0042] Auf den Längsabschnitt 46 der Buchse 42 ist eine Anschlagbuchse 62 aufgesteckt, deren
Innendurchmesser dem Außendurchmesser der wendelartigen Struktur 50 entspricht. Insbesondere
ist die Anschlagbuchse 62 so ausgelegt, dass die wendelartige Struktur 50 an der Innenseite
der Anschlagbuchse 62 anliegt. Die Anschlagbuchse 62 ist im Bereich der Stufe 54 über
einen rohrförmigen Stutzen 64 gesteckt, wobei ein O-Ring 66 die Verbindung abdichtet,
insbesondere gegen den Durchtritt von Luft oder der Harnstoff-Lösung.
[0043] Die Anschlagbuchse 62 hat an ihrem dem Auslassende 32 zugewandten Ende einen Flansch
68, der von einem Ring-Endabschnitt des Innengewinde-Elements 26 hintergriffen wird.
[0044] Die Buchse 42 mit der wendelartigen Struktur 50 bildet zusammen mit der Anschlagbuchse
62 und dem Innengewinde-Element 26 einen Luftführungskanal 70, der sich bis zu der
Stufe 54 und dem Stutzen 64 erstreckt. Von dort mündet der Kanal 70 in einen Ringraum
72, der sich bis zur Kupplung 40 am Ende des Griffbereichs 12 erstreckt. Dort mündet
der Ringraum 72 in einen entsprechenden Luftführungskanal 74.
[0045] Die wendelartige Struktur 50 dient als Luftführungselement 52 und sorgt dafür, dass
die Luft aus dem Tank nicht auf geradem Weg zur Stufe 54 und in den Ringraum 72 strömt,
sondern in eine wendelförmige Bahn um das Befüllrohr 28 und die Buchse 42 herumgeführt
wird. Diese - in der Projektion - kreisförmige Bewegung der Luft im Längsabschnitt
46 sorgt dafür, dass Flüssigkeitsbestandteile in der abgesaugten Luft durch die Zentrifugalkräfte
nach außen wandern und sich möglichst an der Anschlagbuchse 62 niederschlagen. Ferner
wird der Luftführungskanal um ein Vielfaches verlängert. Die Geometrie dieser wendelartigen
Struktur 50 sowie der Anordnung des Übergangs zwischen dem Luftführungskanal 70 und
dem Ringraum 72 soll so ausgeführt sein, dass flüssige Bestandteile vor dem Übertritt
der Luft in den Ringraum 72 abgeschieden sind. Diese flüssigen Bestandteile können
dann wieder in Richtung des Auslassendes 32 an der Buchse 42 bzw. der Anschlagbuchse
62 entlanglaufen.
[0046] Diese zyklonartige Führung des abgesaugten Luftstroms soll verhindern dass flüssige
Bestandteile, d.h. Harnstoff-Lösung, in Bereiche stromabwärts der Stufe 54 gelangen.
Auch die deutlich verlängerte Luftführung und die wendelartige bzw. labyrinthartige
Anordnung des Luftführungselements tragen hierzu bei. Durch Auskristallisieren dieser
Harnstoff-Lösung in diesem Bereich könnte es zu Verstopfungen/Störungen kommen, die
nicht ohne weiteres zu beheben sind. Eine Reinigung nur des vorderen Längsabschnitts
46 der Buchse 42 ist sehr viel einfacher auch von außen möglich. Darüber hinaus lässt
sich dieses Teil auch einfach auswechseln.
[0047] Aus fertigungstechnischen Gründen ist die Struktur 50 nicht exakt wendelförmig ausgebildet.
Vielmehr ist diese Struktur aus geraden Abschnitten 76 und 78 zusammengesetzt, wobei
die Abschnitte 76 rechtwinklig zur Längsachse der Buchse 42 und die Abschnitte 78
schräg zur Längsachse verlaufen. Wie sich aus Fig. 3 bzw. 4 ergibt wechseln sich rechtwinklige
Abschnitte 76 und schräge Abschnitte 78 ab, so dass ein schräger Abschnitt 78 zwei
in Längsrichtung versetzte und in Umfangsrichtung um 180° versetzte rechtwinklige
Abschnitte 76 verbindet. Alle Längsabschnitte 76, 78 sind bevorzugt miteinander verbunden,
so dass sich die wendelartige Struktur ergibt.
[0048] Wie bereits erwähnt, sorgt diese wendelartige Struktur dafür, dass der Strömungskanal
verlängert wird und die Wendel die direkt zurückströmende/zurück schwappende Harnstoff-Lösung
am direkten Weg ins Innere der Zapfpistole hindert. Ferner strömt die entweichende
Luft wendelartig um die Buchse 42, so dass sich durch Zentrifugalkraft flüssige Bestandteile
in der abgesaugten Luft an der außen liegenden Anschlagbuchse 62 niederschlagen. Ein
Vorteil dieser wendelartigen Struktur liegt darin, dass der Strömungsweg vom Innengewinde-Element
26 bis zu der Stufe 54 deutlich verlängert wird, so dass im Tank aufsteigende bzw.
zurück schwappende Harnstoff-Lösung nicht so schnell den hinter der Stufe 54 liegenden
Ringraum 72 erreicht.
[0049] Wie sich aus den Fig. 3 und 4 ergibt, besitzt das Innengewinde-Element 26 an seinem
dem Auslassende abgewandten Randbereich vorzugsweise sägezahnförmige Ausnehmungen
82, deren schräg verlaufende Flanken 84 - bei einer Drehung im Uhrzeigersinn - vorne
und die senkrechte Flanke 86 hinten liegen. Soll eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn
gewünscht sein, sind die schräg und senkrecht verlaufenden Flanken entsprechend umgekehrt
angeordnet.
[0050] Das Innengewinde-Element 26 wirkt beim Drehen des Bedienelements 22 mit einem Auslöseelement
86 zusammen, das an seinem dem Innengewinde-Element 26 zugewandten Ende entsprechend
ausgebildete Sägezähne 88 besitzt. Die Anordnung dieser Sägezähne 88 in Umfangsrichtung
des zylindrischen Auslöseelements 86 entspricht der Anordnung der Ausnehmungen 82,
so dass diese Sägezähne 88 in die Ausnehmungen 82 eintauchen können.
[0051] Das Auslöseelement 86 weist an seiner Umfangsfläche Mitnehmerelemente 90 auf, die
mit entsprechenden Elementen an der Innenseite des ersten Längsabschnitts 24.1 des
Bedienelements 22 zusammenwirken. Über diese Mitnehmerelemente 90 wird eine Drehbewegung
des Bedienelements 22 auf das Auslöseelement 86 übertragen. Diese Drehbewegung wird
über die schrägen Flanken der Sägezähne 88 auf das Innengewinde-Element 26 übertragen,
so dass das Innengewinde-Element 26 auf das Außengewinde des Anschlussstutzens des
Tanks am Kraftfahrzeug aufgeschraubt werden kann. Sobald das Innengewinde-Element
86 festgedreht ist, gleiten die schrägen Flanken der Sägezähne 88 des Auslöseelements
86 an den schrägen Flanken 84 der Ausnehmungen 82 entlang, so dass sich das gesamte
Auslöse-element 86 in Längsrichtung nach hinten, d.h. weg von dem Auslassende 32 bewegt.
Sobald die Sägezähne 88 die Ausnehmungen 82 verlassen haben, lässt sich das Bedienelement
22 im Uhrzeigersinn durchdrehen.
[0052] Um das Innengewinde-Element 26 wieder vom Anschlussstutzen zu lösen, lässt sich das
Bedienelement im Gegenuhrzeigersinn drehen, wobei dann die senkrechten Flanken der
Sägezähne 88 mit den senkrechten Flanken 86 der Ausnehmungen 82 formschlüssig zusammenwirken
und das Drehmoment zum Öffnen übertragen können.
[0053] Das Auslöseelement 86 verfügt über einen zylindrischen Abschnitt 92, der - wie in
Fig. 2b zu erkennen ist - beim Zurückgleiten in einen Bereich 94 eintaucht. Dieser
Bereich wird elektrisch/elektronisch überwacht, beispielsweise mit Hilfe von optischen/optoelektronischen
Elementen, um der Steuerelektronik ein Signal zu liefern, das ein vollständiges Verschließen
bzw. Aufschrauben der Befüllvorrichtung signalisiert. Selbstverständlich kann das
Eintauchen des zylindrischen Abschnitts 92 in den Bereich 94 nicht nur optisch, sondern
beispielsweise auch mechanisch über mechanische Schaltelemente detektiert und erfasst
werden. Als Schaltelemente sind bspw. magnetoresistive Schalter, Reed-Schalter, Hall-Sensoren
etc. denkbar.
[0054] Wie sich aus der Fig. 2b beispielsweise ergibt, ist das Rückschlagventil-Element
30 in das Ende des Befüllrohrs 28 eingebracht, bspw. eingesteckt oder eingeschraubt.
Dieses Rückschlagventil-Element dient dazu, ein Auslaufen von Harnstoff-Lösung aus
dem Befüllrohr zu vermeiden, sobald die Harnstoff-Lösung nicht mehr gepumpt wird.
Das heißt mit anderen Worten, dass dieses Ventil nur dann öffnet, wenn ein bestimmter
Druck im Befüllrohr 28 erreicht wird.
[0055] Der Aufbau des Rückschlagventil-Elements 30 gemäß einer ersten Ausgestaltung ist
in den Fig. 5a und 5b gezeigt. Das Rückschlagventil-Element 30 besitzt ein zylindrisches
Gehäuse 98, das einen ersten Längsabschnitt 100.1 vorzugsweise mit Gewinde, einen
sich daran anschließenden zweiten Längsabschnitt 100.2 und einen dritten sich daran
anschließenden Längsabschnitt 100.3 aufweist. Der erste Längsabschnitt 100.1 ist so
ausgelegt, dass er in das Befüllrohr 28, insbesondere in das innen liegende Rohr 36,
einsteckbar oder einschraubbar ist. Der Außendurchmesser dieses ersten Längsabschnitts
100.1 entspricht somit dem Innendurchmesser des Rohrs 36. Der zweite Längsabschnitt
100.2 besitzt nun einen größeren Außendurchmesser als der erste Längsabschnitt und
einen größeren Innendurchmesser als der erste Längsabschnitt 100.1.
[0056] Der dritte Längsabschnitt 100.3 besitzt einen sich verjüngenden Außendurchmesser
als auch einen sich verjüngenden Innendurchmesser, wobei an dieser Stelle anzumerken
ist, dass die Außendurchmesser des zweiten und des dritten Längsabschnitts 102, 103
auch anders als dargestellt ausgebildet sein können. Es kommt bei diesen beiden Längsabschnitten
alleine auf die Ausgestaltung der Innendurchmesser an.
[0057] Innerhalb des zweiten Längsabschnitts 100.2 ist ein Diffusor-Element 102 vorgesehen,
das eine konus- bzw. kegelförmige Außengeometrie aufweist. Das bezüglich des Durchmessers
größere Ende 104 des Diffusors ist dabei dem ersten Längsabschnitt 100.1 zugewandt.
[0058] Das Diffusor-Element 102 ist über Befestigungselemente 112 an der Innenseite des
Gehäuses 98 angebracht, wobei diese Befestigung möglichst wenig Strömungsquerschnitt
bedecken soll.
[0059] Das Diffusor-Element 102 besitzt an seinem Ende 104 eine Ausnehmung 106, die zur
Aufnahme einer Kugel 108 und einer Feder 110 dient. Eine Seite der Feder 110 stützt
sich am Diffusor-Element 102 und die andere Seite an der Kugel 108 ab. Die Feder drückt
die Kugel 108 gegen die Öffnung des Längsabschnitts 101, um diese Öffnung dicht zu
verschließen. Um die Öffnung freizugeben, d.h. die Kugel gegen die Kraft der Feder
110 in das Diffusor-Element 102 zu drücken, muss die Harnstoff-Lösung mit einem bestimmten
Druck gefördert werden.
[0060] Hat die Kugel 108 die Öffnung freigegeben, kann die Harnstoff-Lösung um das Ende
104 des Diffusor-Elements 102 herum in den Ringraum 112 strömen. Bedingt durch die
Kegelform des Diffusor-Elements 102 erweitert sich der Ringraum 112 in Strömungsrichtung,
d.h. zu dem Auslassende 32 hin. Der Strömungskanalquerschnitt nimmt also zu.
[0061] Diese Geometrie hat den Zweck, die Strömung nach dem Umströmen des Endes 104 des
Diffusor-Elements zu vergleichsmäßigen, d.h. laminarer zu machen. Der Druck und die
Strömungsgeschwindigkeit nehmen in diesem Bereich ab. Einen zusätzlichen Beitrag zu
einer laminaren Strömung liefert schließlich auch der sich verjüngende Längsabschnitt
100.3, der wie eine Düse arbeitet.
[0062] Es hat sich gezeigt, dass die Kombination aus sich vergrößerndem Ringraum 112 im
Längsabschnitt 102 und kleiner werdender Querschnittsfläche im nachfolgenden Längsabschnitt
100.3 eine sehr gute laminare Strömung der Harnstoff-Lösung liefert, obgleich sich
in diesem Bereich das Rückschlagventil im Strömungsweg befindet.
[0063] In Fig. 5b ist in Form einer Explosionsdarstellung der Aufbau des Rückschlagventil-Elements
30 nochmals dargestellt. Zu erkennen ist in dieser Figur das an dem Diffusor-Element
102 angebrachte Befestigungselement 112, das als Ring ausgebildet ist, wobei wenige
Speichen zu dem Diffusor-Element verlaufen und dort angebracht sind. Der Ring des
Befestigungselements 112 wird vom zweiten Längsabschnitt 102 getragen.
[0064] Eine alternative Ausgestaltung eines Rückschlagventil-Elements 30' ist in Fig. 6a
und 6b dargestellt, wobei funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet
sind.
[0065] Einer der wesentlichen Unterschiede dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass
sich an den düsenartigen dritten Längsabschnitt 100.3 ein weiterer zylindrischer Längsabschnitt
100.4 anschließt, dessen Innendurchmesser in Längsrichtung gleich ist. Darüber hinaus
sind Befestigungselemente 112' am Ende 104 des Diffusor-Elements 102 vorgesehen, die
vom zweiten Längsabschnitt 100.2 gestützt werden.
[0066] Die Funktionsweise dieser alternativen Ausgestaltung des Rückschlagventil-Elements
30' entspricht derjenigen des zuvor beschriebenen Rückschlagventil-Elements 30, so
dass darauf Bezug genommen werden kann.
[0067] In Fig. 7 ist in schematischer Darstellung ein Tanksystem dargestellt und mit dem
Bezugszeichen 114 gekennzeichnet. Das Tanksystem 114 umfasst eine Tanksäule 115, die
einen Aufnahmeschacht 116 für die Zapfpistole 11 aufweist, die hier aus Vereinfachungsgründen
als Dreieck dargestellt ist. Die Zapfpistole 11 ist über einen Schlauch 117 mit der
Tanksäule 115 verbunden, wobei der Schlauch 117 eine innere Leitung 107 für die Harnstoff-Lösung
und eine äußere, vorzugsweise als Ringleitung vorgesehene Luft- bzw. Gasrückführungsleitung
aufweist. Darüber hinaus verlaufen im Schlauch 117 elektrische Leitungen, um die Steuerung
in der Zapfpistole einerseits mit Energie zu versorgen und andererseits Signale zu
einer in der Tanksäule 115 vorgesehene Steuerung zurückzuführen. Der Leitung 117 ist
ein schnell schaltendes Ventil 118, insbesondere ein Magnetventil, zugeordnet, das
die Verbindung in die Harnstoff-Leitung 107 im Schlauch 117 innerhalb von wenigen
Millisekunden öffnen und schließen kann. Zudem ist der inneren Leitung 107 ein Drucksensor
119 zugeordnet, der bevorzugt im Bereich der Zapfpistole 11 vorgesehen ist.
[0068] Ferner umfasst die Tanksäule 115 eine Reinigungsvorrichtung 120, die vorgesehen ist,
die Zapfpistole 11 und sowie die Leitung zum Abführen der Luft zu reinigen.
[0069] Zur Reinigung der Zapfpistole 11 wird Luft verwendet, die entweder durch den Schlauch
117, bspw. den Luftrückführungskanal, zur Zapfpistole 11 geführt wird, um insbesondere
den vorderen Bereich der Zapfpistole zu reinigen. Hierzu kann bspw. vorgesehen sein,
dass die Zapfpistole im Aufnahmeschacht 116 liegt, um die ausgeblasene Harnstoff-Lösung
auffangen zu können.
[0070] Alternativ ist es selbstverständlich auch denkbar, die Luft von der Reinigungsvorrichtung
120 zum Aufnahmeschacht 116 und dort direkt in den Ringraum 34 der Zapfpistole 11
zu blasen. Alternativ könnte auch über ein Absaugen von Luft aus dem Ringraum 34 der
Zapfpistole eine Reinigung vorgenommen werden.
[0071] Wie bereits erwähnt, wird zum Betanken die Zapfpistole 11 auf den Anschlussstutzen
des Fahrzeugs aufgeschraubt, so lange, bis das Bedienelement 22 durchdreht. Die im
Inneren der Zapfpistole 11 vorgesehene Elektronik erfasst die Bewegung des zylindrischen
Abschnitts 92 in den Bereich 94 und gibt ein Signal zurück an die Zapfsäule 115. Die
dort vorgesehene Steuerung erkennt nun, dass die Zapfpistole vollständig auf den Anschlussstutzen
gedreht ist und gibt daraufhin die Betankung frei. Der Benutzer drückt dann beispielsweise
eine Betankungstaste an der Tanksäule 115, wobei der Betankungsvorgang gestartet wird.
Hierfür wird zunächst das Ventil 118 freigegeben und die Förderpumpe kann dann Harnstoff-Lösung
durch den Schlauch 117 und die Zapfpistole 11 in den Tank fördern, wobei der Drucksensor
119 Regelsignale zur Einregelung an die Steuerung liefert. Die von der Steuerung vorgegebene
Förderrate ist dabei auf einen ersten Wert eingestellt. Ein am Ende des Befüllrohrs
28 angebrachter Sensor, bspw. in Form von zwei Elektroden, detektiert den Füllstand
innerhalb des Anschlussstutzens des Fahrzeugs. Die beiden hierfür erforderlichen Elektroden
sind entweder als eigenständige Bauteile vorgesehen oder bevorzugt dient bspw. das
Befüllrohr 28 als eine der beiden Elektroden. Sobald der Sensor von der Harnstoff-Lösung
benetzt wird, wird ein entsprechendes Füllsignal an die Steuerung in der Tanksäule
übermittelt. Die Steuerung stoppt in Antwort auf dieses Signal die Förderpumpe und
schließt das Ventil 118.
[0072] Ändert sich nun das Füllsignal innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer, beispielsweise
drei Sekunden, wird die Förderung von Harnstoff-Lösung weitergeführt. Erst wenn Harnstoff-Lösung
dauerhaft, d.h. länger als die vorgegebene Zeitdauer, den Sensor am Befüllrohr 28
benetzt, ist die Betankung abgeschlossen. Die Steuerung in der Tanksäule 115 registriert
dieses Ereignis und verhindert ein weiteres Betanken des Fahrzeugs.
[0073] Da der Sensor zur Erfassung der Füllhöhe sehr nahe am Ende des Füllstutzens des Fahrzeugs
liegt, muss verhindert werden, dass selbst geringe Mengen an Harnstoff-Lösung nach
dem Anhalten der Förderpumpe nachlaufen. Dies wird mit dem Ventil 118 (bspw. ein 3/2
Wegeventil oder ein reines Absperrventil) erreicht, das innerhalb von wenigen Millisekunden
die Leitung für die Harnstoff-Lösung schließt, so dass die durch die Trägheit der
Förderpumpe noch geförderte Restmenge nicht mehr in den Schlauch 117 gelangt. Bei
Einsatz eines 3/2 Wegeventils als Ventil wird die Restmenge in einen Vorratstank,
aus dem die Harnstoff-Lösung gefördert wird, zurückgeführt.
[0074] An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass das Ventil 118 selbstverständlich auch
in der Zapf-pistole 11 vorgesehen werden kann.
[0075] Wie bereits erwähnt und in Fig.8 gezeigt, wird das Betanken mit einer ersten einstellbaren
Förderrate dV/dt vorgenommen. Nach dem Empfang eines ersten Füllsignals wird nun bevorzugt
bei der weiteren Betankung mit einer zweiten Förderrate, die ebenfalls einstellbar
ist und geringer ist als die erste Förderrate, weiter betankt. Das heißt mit anderen
Worten, dass zunächst mit einer hohen Förderrate betankt wird, so lange, bis der Sensor
ein Füllsignal liefert. Ist dieses Füllsignal nach der vorgegebenen Zeitdauer verschwunden,
wird weiter gefördert, dann allerdings mit der zweiten Förderrate, die geringer ist.
Erhält die Steuerung in der Tanksäule dann ein weiteres Füllsignal, wird wiederum
gestoppt und nach der vorgegebenen Zeitdauer weiter gefördert, sofern das Füllsignal
verschwunden ist. Die Förderrate kann dann gleich sein wie die zweite Förderrate oder
kann alternativ weiter abgesenkt werden.
[0076] Die Betankung mit einer solchen zweistufigen oder mehrstufigen Förderrate ermöglicht
es, den Tank einerseits schnell und andererseits möglichst mit der maximalen Füllmenge
zu befüllen. Selbstverständlich ist das in Fig. 8 gezeigte Förderraten-Profil einstellbar
und veränderbar.
[0077] Besonders bevorzugt ist es, die Förderpumpe beim Einschalten nicht unmittelbar mit
der ersten Förderrate zu betreiben, sondern stattdessen die Förderpumpe langsam auf
diese Förderrate hochzufahren. Die "Einschalt-Kurve" lässt sich dabei in der Steuerung
vorgeben. Alternativ ist die "Einschalt-Kurve" fest vorgegeben.
[0078] Beim Wiedereinschalten der Förderpumpe kann diese "Einschalt-Kurve" wieder verwendet
werden, oder alternativ sofort mit der zweiten geringeren Förderrate gefördert werden.
[0079] Am Ende sei noch angemerkt, dass die zuvor beschriebene Ratschen-Verbindung, insbesondere
mit der elektronischen Erfassung des Eintauchens des Auslöseelements in den Bereich
94, auch ohne die anderen Merkmale der Befüllvorrichtung bevorzugt eingesetzt werden
kann.
[0080] Insgesamt zeigt sich, dass eine Befüllvorrichtung sowie ein Tanksystem bereitgestellt
werden, die eine Vielzahl von Vorteilen besitzen und dennoch kostengünstig umsetzbar
sind.
1. Betankungs-System für ein flüssiges Medium, insbesondere eine Harnstoff-Lösung mit
einer Befüllvorrichtung mit einem Befüllrohr (28), die einen Füllstandssensor am Befüllrohr
(28) aufweist, wobei der Füllstandssensor ein Füllsignal abgibt, wenn der Füllstandssensor
das flüssige Medium detektiert
einer Förderpumpe zum Fördern des Mediums zu der Befüllvorrichtung, und eine Steuerungsvorrichtung,
die ausgelegt ist, die Förderpumpe abzuschalten, wenn ein Füllsignal empfangen wird,
und die Förderpumpe wieder einschaltet, wenn das Füllsignal nach einer vorgegebenen
Zeitdauer nicht mehr empfangen wird.
2. Betankungs-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe beim Wiedereinschalten auf eine geringere Förderrate gesetzt wird.
3. Betankungs-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil in der Leitung für das Medium vorgesehen ist, und die Steuerung das Ventil
schließt, wenn ein Füllsignal empfangen wird.
4. Betankungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung dazu vorgesehen ist, eine Förderrate der Förderpumpe beim Anlauf
entsprechend einer Einschaltkurve zu erhöhen.
5. Betankungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung dazu vorgesehen ist, das Betanken mit einer ersten Förderrate
bis zum Empfang eines ersten Füllsignals durchzuführen, und nach der vorgegebenen
Zeitdauer die weitere Betankung mit einer zweiten Förderrate weiterzuführen, die geringer
ist als die erste Förderrate.
6. Betankungs-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung dazu vorgesehen ist, die Betankung mit Förderraten gemäß einem
Förderraten-Profil durchzuführen.
7. Betankungs-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderraten-Profil einstellbar ist.
8. Betankungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslassende des Befüllrohrs ein Rückschlagventil-Element vorgesehen ist.
9. Betankungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslassende des Befüllrohrs ein Strahlregler vorgesehen ist.
10. Betankungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Leitung (117) ein schaltbares Ventil (118) vorgesehen ist, wobei die Steuervorrichtung
dazu ausgebildet ist, das schaltbare Ventil (118) zu steuern.
11. Betankungs-System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbares Ventil ein Magnetventil (118) ist.
12. Betankungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor vorgesehen ist um den Druck in einer Leitung für das Medium zu erkennen.
13. Betankungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandssensor zwei Elektroden aufweist und ein Füllsignal übermittelt, sobald
er von dem flüssigen Medium benetzt wird.
14. Verfahren zum Betanken eines Tanks eines Fahrzeugs mit einem flüssigen Medium, insbesondere
mit einer Harnstoff-Lösung, bei dem
eine Befüllvorrichtung (11) mit einem Befüllrohr (28) mit einem Anschlussstutzen des
Fahrzeugs verbunden wird, wobei die Befüllvorrichtung (11) einen Füllstandssensor
am Befüllrohr (28) aufweist, der ein Füllsignal abgibt, wenn der Füllstandssensor
das flüssige Medium detektiert,
eine Förderpumpe das Mediums zu der Befüllvorrichtung fördert, wobei, wenn ein Füllsignal
empfangen wird, die Förderpumpe abgeschaltet wird und die Förderpumpe wieder eingeschaltet
wird, wenn das Füllsignal nach einer vorgegebenen Zeitdauer nicht mehr empfangen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Betankung erst freigegeben wird, nachdem erkannt
wurde, dass die Befüllvorrichtung (11) vollständig auf den Anschlussstutzen gedreht
wurde.