Die Verminderung der Stickoxidemission einer mit
Luftüberschuss arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer
Diesel-Brennkraftmaschine kann mit Hilfe des SCR-Verfahrens
(Selektive katalytische Reduktion) zu Luftstickstoff (N2) und
Wasserdampf (H2O) erfolgen. Als Reduktionsmittel können
beispielsweise gasförmiges Ammoniak (NH3), Ammoniak in
wässeriger Lösung oder Harnstoff in wässeriger Lösung eingesetzt
werden. Der Harnstoff dient dabei als Ammoniakträger und wird
mit Hilfe eines Dosiersystems vor einem Hydrolysekatalysator
in das Auspuffsystem eingespritzt, dort mittels Hydrolyse zu
Ammoniak umgewandelt, der dann wiederum in dem eigentlichen
SCR-Katalysator, vielfach auch als DeNOx-Katalysator
bezeichnet, die Stickoxide reduziert.
Ein solches, mit flüssigem Reduktionsmittel arbeitendes
Abgasnachbehandlungssystem weist als wesentliche Komponenten
einen Reduktionsmittelbehälter, eine Pumpe, einen
Druckregler, einen Drucksensor, ein Dosierventil und die nötigen
Verbindungsleitungen auf. Die Pumpe fördert das in dem
Reduktionsmittelbehälter bevorratete Reduktionsmittel zu dem
Dosierventil, mittels dessen das Reduktionsmittel in den
Abgasstrom stromaufwärts des Hydrolysekatalysators eingespritzt
wird. Das Dosierventil wird über Signale einer
Steuereinrichtung derart angesteuert, dass abhängig von Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine eine bestimmte, aktuell nötige Menge
an Reduktionsmittel zugeführt wird (DE 197 43 337 C1).
Zur Sicherstellung der kontinuierlichen Verfügbarkeit einer
solchen SCR-Abgasnachbehandlungsanlage ist eine zuverlässige
Überwachung des Füllstandes im Reduktionsmittelbehälter
nötig. Sinkt der Füllstand unter einen vorgegebenen Wert, so
soll der Fahrer des Kraftfahrzeuges optisch und/oder
akustisch darauf aufmerksam gemacht werden, den Behälter z. B. im
Rahmen des nächsten Tankstopps wieder zu füllen.
Es ist ein Vorteil der in wässerigen Lösungen vorliegenden
ammoniakfreisetzenden Substanzen, wie z. B. Harnstoff, dass
die Bevorratung, die Handhabung, die Förder- und
Dosierbarkeit technisch relativ einfach zu lösen sind. Ein Nachteil
dieser wässerigen Lösungen besteht darin, dass in
Abhängigkeit der Konzentration der gelösten Substanz die Gefahr des
Einfrierens bei bestimmtem Temperaturen besteht. 32%ige
Harnstofflösung, wie sie typischerweise in SCR-Systemen als
Reduktionsmittel verwendet wird, weist einen Gefrierpunkt von
-11° auf.
An Reduktionsmittelbehälter für solche Harnstoff-SCR-Systeme
werden deshalb hohe Anforderungen bezüglich der
Frostbeständigkeit gestellt, da die Dichte der wässerigen
Harnstofflösung beim Einfrieren um etwa 9% abnimmt, was einer
Volumenzunahme in der gleichen Größenordnung entspricht. Durch
geeignetes Material und den Anforderungen entsprechende Formgebung
lassen sich Reduktionsmittelbehälter realisieren, welche
durch Einfrieren und Auftauen des Reduktionsmittels nicht
beschädigt werden. Es hat sich aber gezeigt, dass im
Reduktionsmittelbehälter eingebaute Komponenten wie z. B.
Entnahmerohr, starre Heizelemente und Füllstandssensoren beim
Einfrieren des Reduktionsmittels irreversibel verformt und eine
ordnungsgemäße Funktion nicht mehr gewährleistet werden kann.
Die im Reduktionsmittelbehälter eingebauten Komponenten
können beim Einfrieren beschädigt werden, weil sich im Laufe des
Einfrierens eine geschlossenen Eishülle um das noch flüssige
Reduktionsmittel bilden kann. Diese Eishülle reißt immer
wieder auf, da durch weiteres Einfrieren das eingeschlossene
Volumen kontinuierlich zunimmt und so die Eishülle sprengt. Je
dicker diese Eishülle wird, um so größere Kräfte werden beim
Aufreißen frei. Die Komponenten im Reduktionsmittelbehälter,
welche teilweise oder vollständig in diese Eisschichten
eingeschlossen sind, können durch diese Kräfte beschädigt
werden. Dieses Problem betrifft insbesondere die
Füllstandssensorik, da diese prinzipiell sich vom höchsten bis zum
tiefsten Punkt des Reduktionsmittelbehälters erstrecken sollte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Bestimmung des Füllstandes einer elektrischen leitenden
Flüssigkeit in einem Behälter anzugeben, welche vor einer
Beschädigung beim Einfrieren der Flüssigkeit zuverlässig
geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1
gelöst.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Füllstandssensor,
der eine Elektrodenanordnung aus mehreren einzelnen
Elektroden und eine den Elektroden gemeinsame Gegenelektrode
aufweist, außerhalb des Behälters innerhalb einer
Schlauchleitung anzuordnen, die in Fließverbindung mit dem
Reduktionsmittelbehälter steht. Dadurch wird erreicht, dass der
Flüssigkeitspegel in der Schlauchleitung der gleiche ist wie im
Behälter.
Bevorzugter Weise erstreckt sich die Schlauchleitung
zumindest über eine Höhe, welche dem maximal zu detektierenden
Füllstand im Reduktionsmittelbehälter entspricht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die
Schlauchleitung über die gesamte Höhe des
Reduktionsmittelbehälters, so dass auch ein Füllstand detektiert werden kann,
der einem voll gefülltem Reduktionsmittel entspricht.
Die Fließverbindung zwischen Reduktionsmittelbehälter und
Schlauchsensor wird in vorteilhafter Weise dadurch
hergestellt, indem die Enden der Schlauchleitung einerseits mit
einem Entnahmeanschluss und anderseits mit einem
Zufuhranschluss des Reduktionsmittelbehälters verbunden wird. Als
Entnahmeanschluss kann beispielsweise der Auslassstutzen
benutzt werden, an dem eine Leitung zur Reduktionsmittelpumpe
angeschlossen ist. Das andere Ende der Schlauchleitung ist
zweckmäßigerweise an den Einfüllstutzen des
Reduktionsmittelbehälters anzuschließen.
Als Elektroden können beispielsweise mit Isolierschläuchen
teilweise umhüllte Edelstahldrähte verwendet werden, welche
von geeignet geformten Kunststoffteilen geführt werden. Da
der Abstand der Elektroden zueinander unwesentlich für die
Messgenauigkeit ist, können die Drähte auch frei, ohne
zusätzliche Führungen in die Schlauchleitung geschoben werden,
es muss aber dann durch die Dicke und Anordnung der
Isolierungen sichergestellt werden, dass keine Berührung von nicht
isolierten Drahtabschnitten untereinander möglich ist.
Durch das kleine, in der Schlauchleitung eingeschlossene
Volumen und wegen der Flexibilität der Schlauchwandung treten
nicht die großen mechanischen Spannungen im Eis auf wie sie
beim Einfrieren des Behältervolumens beobachtet werden.
Deshalb und nicht zuletzt wegen der Flexibilität der
Sensorelektroden treten beim Einfrieren keine Beschädigungen auf.
Ein wichtiger Vorteil dieser Art des Füllstandssensors ist,
dass der Sensor unabhängig von der Tankgeometrie ist und
deshalb zur Standardisierung des Reduktionsmitteldosiersystems
und damit auch zur Kostenreduzierung beiträgt. Die Anpassung
der Füllstandsanzeige an die spezifische Tankgeometrie
erfolgt durch Kennlinien in der Steuergerätesoftware.
Die Verlagerung des Füllstandssensors außerhalb des Behälters
löst zuverlässig alle Probleme, welche sich aus den
mechanischen Spannungen und Geometrieveränderungen des Eises im
Reduktionsmitteltank während des Einfrierens ergeben und trägt
zusätzlich zur Vereinfachung von Behälterkonstruktion und
Sensormechanik und zur Standardisierung von Komponenten bei.
Die Funktion der Heizung des Behälters kann abhängig vom
Material der Behälterwandung von außen, also ohne im Behälter
eingebaute Heizrohre erreicht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung des Füllstandssensors außerhalb des
Reduktionsmittelbehälters,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform des Füllstandssensors,
Fig. 3 einen Schnitt durch den Füllstandssensor nach der
Fig. 2 entlang der Linie III-III,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Füllstandssensors,
Fig. 5 eine dritte Ausführungsform des Füllstandssensors und
Fig. 6 einen Schnitt durch den Füllstandssensor nach der
Fig. 5 entlang der Linie VI-VI.
In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein
Reduktionsmittelbehälter zum Bevorraten von flüssigem, elektrisch
leitfähigem Reduktionsmittel 12, beispielsweise wässerige
Harnstofflösung bezeichnet. Dieser weist an seiner Oberseite
einen Zufuhranschluss 11 für das Reduktionsmittel 12 in Form
eines verschließbaren Einfüllstutzens auf. Der Füllstand des
Reduktionsmittels 12 im Reduktionsmittelbehälter 1 ist mit
dem Bezugszeichen F bezeichnet.
An der tiefsten Stelle des Reduktionsmittelbehälters 1 ist
ein Entnahmeanschluss 2 für das Reduktionsmittel 12 in Form
eines Auslassstutzens vorgesehen, an dem eine
Verbindungsleitung 3 angeschlossen ist. Die Verbindungsleitung 3 verbindet
den Reduktionsmittelbehälter 1 mit einer
Reduktionsmitteldosiereinheit 4. Die Reduktionsmitteldosiereinheit 4 weist eine
elektrische Reduktionsmittelpumpe 5 zum Fördern des
Reduktionsmittels von dem Reduktionsmittelbehälter 1 zu einem im
Abgastrakt stromaufwärts eines Reduktionskatalysators
angeordneten Dosierventils (nicht gezeigt) und einen Drucksensor 6
auf. Der Drucksensor 6 erfasst den Druck im Dosiersystem und
gibt ein entsprechendes Signal an eine Steuereinrichtung 7
ab, die ebenfalls Bestandteil der
Reduktionsmitteldosiereinheit 4 ist.
Die Steuereinrichtung 7 ist zum gegenseitigen Datentransfer
über ein Bussystem 8 mit einem Motorsteuergerät 9 verbunden.
Über das Bussystem 8 werden die zur Berechnung der zu
dosierenden Menge an Reduktionsmittel 12 relevanten
Betriebsparameter, wie z. B. Drehzahl der Brennkraftmaschine, angesaugte
Luftmasse, eingespritzte Kraftstoffmasse, Regelweg einer
Einspritzpumpe, Abgasmassenstrom, Betriebstemperatur,
Ladelufttemperatur, Spritzbeginn usw. der Steuereinrichtung 7
übergeben. Ausgehend von diesen Parametern - wobei nicht
notwendigerweise alle genannten Eingangsgrößen herangezogen werden
müssen - und den erfassten Messwerten für die Abgastemperatur
und dem NOx-Gehalt im Abgas berechnet die Steuereinrichtung 7
die einzuspritzende Menge an Reduktionsmittel 12 und gibt ein
entsprechendes Signal an das Dosierventil ab.
An der Verbindungsleitung 3 zwischen Entnahmeanschluss 2 und
Reduktionsmitteldosiereinheit 4 ist ein Abzweig 10 in Form
eines T-Stückes vorgesehen, an dem ein Ende einer
Schlauchleitung 13 angeschlossen ist. Die Schlauchleitung 13 verläuft
im wesentlichen parallel zu der Außenwandung des
Reduktionsmittelbehälters 1 über die komplette Höhe des
Reduktionsmittelbehälters 1 und ist mit seinem anderen Ende an einem
Abzweig 14 des Zufuhranschlusses 11 angeschlossen.
Dadurch wird erreicht, dass der Flüssigkeitspegel in der
Schlauchleitung 13 der gleiche ist wie in dem
Reduktionsmittelbehälter 1.
Zur Bestimmung des Füllstandes in der Schlauchleitung 13 und
damit in dem Reduktionsmittelbehälter 1 ist in der
Schlauchleitung 13 eine sich in der Schlauchleitung 13 vertikal
erstreckende Elektrodenanordnung vorgesehen, die elektrisch
mit der Steuereinrichtung 7 verbunden sind. Als Elektroden
können dabei zum Beispiel mit Isolierschläuchen umgebene
Edelstahldrähte verwendet werden, welche von geeignet
geformten Kunststoffteilen geführt werden. Die Elektroden können
auch frei, ohne zusätzliche Führungen in die Schlauchleitung
13 geschoben werden, es muss aber dann durch die Dicke und
Anordnung der Isolierungen sichergestellt werden, dass keine
Berührung von nicht isolierten Elektrodenabschnitten
untereinander möglich ist.
Da es im allgemeinen ausreicht, den Füllstand im
Reduktionsmittelbehälter 1 nicht kontinuierlich zu bestimmen, werden
die Elektroden so ausgebildet, dass sich der Messwert
sprunghaft ändert, wenn bestimmte Werte des Füllstandes über- oder
unterschritten werden.
Hierzu sind in der Schlauchleitung 13 in dem
Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 fünf Elektroden 15 unterschiedlicher
Länge vorgesehen, die jeweils mit einer elektrisch
nichtleitender Isolierung 16 überzogen sind, welche aber nicht die
gesamte Länge der Elektroden 15 einnimmt, sondern jeweils ein
Stück des freien Endes der Elektroden 15 freilässt, so dass
in diesen Bereichen bei entsprechenden Füllständen ein
elektrischer Kontakt zum Reduktionsmittel möglich ist.
Weiters ist in der Schlauchleitung 13 eine sich über die
gesamte Höhe der Schlauchleitung 13 erstreckende, allen
Elektroden 15 gemeinsame Gegenelektrode 17 frei von jeweiliger
Isolierung vorgesehen.
Die elektrischen Anschlüsse der Elektroden 15 und der
gemeinsamen Gegenelektrode 17 werden über den Abzweig 10 und
innerhalb der Verbindungsleitung 3 isoliert voneinander zur
Reduktionsmitteldosiereinheit 4 geführt, treten dort durch ein
nicht dargestelltes Abdichtelement aus der Verbindungsleitung
3 aus und werden der Steuerungseinrichtung 7 zugeführt.
Die Steuereinrichtung 7 stellt fest, welche Elektroden 15
über die Leitfähigkeit des Reduktionsmittels 12 elektrisch mit
der gemeinsamen Gegenelektrode 17 verbunden sind und
ermittelt daraus den Flüssigkeitspegel in der Schlauchleitung 13
und über eine in der Steuerungseinrichtung abgelegte,
tankspezifische Kennlinie den Füllstand. Die Anzahl der
Elektroden 15 entspricht der Anzahl der Schritte, in welchen der
Füllstand gemessen wird.
In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die
Elektrodenanordnung gezeigt. Als Elektroden 15 sind Drähte
aus korrosionsbeständigem Stahl (Edelstahl) vorgesehen. Zur
Isolierung und mechanischen Fixierung werden diese Drähte mit
geeignetem Kunststoff, z. B. Polyethylen umspritzt, so dass
sie in einem isolierenden Trägerelement 18 eingebettet sind.
In geeigneten Abständen werden in dem Trägerelement 18
Aussparungen 19 in Form von sogenannten Fenstern vorgesehen, in
welchen die Drähte nicht isoliert sind und somit, je nach
Flüssigkeitspegel, Kontakt zur elektrisch leitfähigen
Flüssigkeit haben. Einer der Drähte ist als gemeinsame
Gegenelektrode 17 vorgesehen und führt durch jede der Aussparungen
19.
Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Elektrodenanordnung
gemäß Fig. 2 entlang der Schnittlinie III-III.
Die Steuereinheit 7 detektiert, welche Drähte 15 über das in
der Flüssigkeit liegende Fenster 19 elektrisch mit der
gemeinsamen Gegenelektrode 17 verbunden sind und bestimmt
daraus den Füllstand F im Reduktionsmittelbehälter 1.
Da die Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes nicht mittig
im Reduktionsmittelbehälters 1, sondern an einer Seite
außerhalb desselben angeordnet ist, wird im Fahrbetrieb der
Flüssigkeitspegel zwischen den einzelnen Fenstern 19 schwanken.
Durch eine geeignete, an sich bekannte Signalauswertung mit
Mittelwertbildung in der Steuereinrichtung 7 kann der
Füllstand trotz weniger Füllstandselektroden mit guter Auflösung
ermittelt werden.
Je nach Art der Signalaufbereitung kann es vorteilhaft sein,
die Fenster in dem isolierenden Trägerelement 18 wie in Fig.
4 dargestellt, auszuführen. Hierbei wird für jede Elektrode
nur ein Fenster 19 vorgesehen, in welchem im eingetauchten
Zustand eine elektrische Verbindung zur gemeinsamen
Gegenelektrode 17 ermöglicht wird.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der
Elektrodenanordnung dargestellt. Als Trägerelement 18 dient dabei eine
flexible Leiterplatte auf der die Elektroden 15 und deren
Zuleitungen 20 integriert sind. Die gemeinsame Gegenelektrode
17 erstreckt sich in Form eines schmalen Streifens über die
komplette Höhe des Trägerelementes 18, dessen Höhe der Höhe
des Reduktionsmittelbehälters 1 entspricht. Die Elektroden 15
zur Füllstandsmessung sind ebenfalls als Flächen realisiert
und sind vergleichbar zu den Fenstern 19 in Fig. 4
angeordnet.
Die Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch die Elektrodenanordnung
gemäß Fig. 5 entlang der Schnittlinie VI-VI, wodurch der
Schichtaufbau verdeutlicht wird.
Hierbei ist mit dem Bezugszeichen 18 die als Trägerelement
dienende flexible Trägerfolie bezeichnet und die Zuleitungen
20 zu den Elektroden 15 sind mittels einer Isolierfolie 21
abgedeckt. Für die Elektroden 15 und 17 sind Fenster in der
Isolierfolie 21 ausgespart, so dass diese Elektroden im
eingetauchten Zustand direkten Kontakt zum leitfähigen
Reduktionsmittel haben. Die Zuleitungen 20 enden in Kontaktflächen
22, die zur Kontaktierung der Elektrodenanordnung an die
Steuereinrichtung 7 dienen.
Als Elektrodenmaterial wird korrosionsbeständiges Material,
vorzugsweise Nickel eingesetzt. Um Korrosionsprobleme
zuverlässig zu vermeiden, sind auch die Anschlussleitungen 20 aus
diesem Material gefertigt.