DE102006013263A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Bestandteils einer Flüssigkeit in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Bestandteils einer Flüssigkeit in einem Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Bestandteils einer zur Abgasreinigung vorgesehenen Flüssigkeit in einem Kraftfahrzeug, welche aus mindestens zwei verschiedenen Bestandteilen besteht, in einem Vorratsbehälter im Kraftfahrzeug mitgeführt wird und zur Behandlung eines Abgasstroms des Kraftfahrzeugs aus dem Vorratsbehälter entnommen wird. Hierbei wird unter Heranziehen einer Messung der Schallgeschwindigkeit oder einer Messung des Brechungsindex die Konzentration des Bestandteils in der Flüssigkeit ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Bestandteils einer zur Abgasreinigung vorgesehenen Flüssigkeit in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zur Verringerung der Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen kann ein selektives katalytisches Reduktionsverfahren eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgasstrang eine vorgebbare Menge eines Reduktionsmittels, insbesondere eines stickstoffhaltigen Reduktionsmittels wie Harnstoff oder eine Harnstoff-Wasser-Lösung, zugegeben. Bei der Verwendung eines Reduktionsmittels aus mehreren Bestandteilen, z. B. einer Harnstoff-Wasser-Lösung, wird zur Sicherstellung einer optimalen Wirkung des katalytischen Verfahrens die Konzentration des Harnstoffs im Wasser herangezogen.
  • Aus der DE 101 39 142 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Harnstoff-Wasser-Lösung bekannt. Hierbei wird mit Hilfe eines Drucksensors in einem indirektem Messverfahren die Konzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung ermittelt. Es wird mittels des Drucksensors der Dampfdruck des in einer nahezu gasdichten Speichereinheit aufgrund der Hydrolyse des Harnstoffs erzeugten Ammoniaks und der Dampfdruck des Lösungsmittels Wassers ermittelt. Zusätzlich wird mittels eines Füllstandssensors der Füllstand im Vorratsbehälter überwacht. Hierbei kann der Drucksensor als Füll standssensor ausgebildet sein, wobei der entsprechend ausgebildete Drucksensor im unteren Bereich des Vorratsbehälters angeordnet ist, so dass mittels des hydrostatischen Drucks der Harnstoff-Wasser-Lösung die Füllstandshöhe ermittelt werden kann.
  • Aus der WO 2004/113897 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration eines Bestandteils einer Flüssigkeit bekannt. Es wird mittels einer Kondensatoranordnung, welche zumindest teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist, die elektrische Leitfähigkeit und die Permittivität der Flüssigkeit ermittelt. Zusätzlich wird die Temperatur der Flüssigkeit ermittelt. Aus der Leitfähigkeit, der Permittivität und der Temperatur wird auf die Konzentration der Komponente in der Flüssigkeit geschlossen. Bei der Flüssigkeit kann es sich um ein Reduktionsmittel, bestehend aus Harnstoff und Wasser, handeln. Hierbei wird die Konzentration des Harnstoffs in der Gesamtflüssigkeit ermittelt.
  • Aus der WO 02/057 603 A1 ist es bekannt, zur Dosierung von Harnstofflösungen in Kraftfahrzeugen, einen oder mehrere physikalische Zustandsgrößen einer enzymfreien Harnstofflösung zu ermitteln. Es ist angegeben, als Zustandsgröße den pH-Wert, die Elektrizitätskonstante, den Leitwert, die Viskosität oder die Dichte der Lösung zu ermitteln. Hieraus lassen sich Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Harnstofflösung, beispielsweise auf deren Konzentration, ziehen. Zum Ermitteln der Zustandsgrößen werden verschiedene Verfahren und unterschiedliche Sensoren vorgeschlagen. So wird zur Ermittlung der Dichte der Lösung vorgeschlagen, die Lösung zu wiegen oder durch die Messung des Auftriebs eines Verdrängungskörpers deren Dichte zu ermitteln. Weiterhin wird vorgeschlagen, mit Hilfe eines Schwingungsgenerators die Dichte zu messen. Das Verhalten der Harnstofflösung bei einer Anregung mit Hilfe mechanischer Schwingungen wird hierbei erfasst, so dass auf die Dichte oder die Viskosität geschlossen werden kann. Insbesondere wird vorgeschlagen, das Verhalten der Flüssigkeit am Schwingungsgenerator selbst messtechnisch, z. B. durch Strommessung oder Frequenzmessung, zu erfassen. Als Schwingungsgenerator wird ein Schwingquarz, ein Piezokristall oder eine elektromagnetische Spule in Verbindung mit einer Membran vorgeschlagen.
  • Da die zu erfassenden Zustandsgrößen u. U. eine deutliche Temperaturabhängigkeit aufweisen können, kann zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration in der Lösung zusätzlich eine Temperaturerfassung vorgesehen werden. Hierdurch kann eine Bereinigung von Fehlern durch Temperaturschwankungen vorgenommen werden.
  • Weiterhin ist aus der WO 02/057 603 A1 ein Füllstandssensor bekannt, wobei dieser unmittelbar mit einem Messwertaufnehmer zur Erfassung einer oder mehrerer Zustandsgrößen kombiniert werden kann. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Messwertaufnehmer deutliche Unterschiede bei der Messung in Lösung gegenüber der Messung in der Gasphase zeigt. Der Messwertaufnehmer wird in einer bestimmten Füllhöhe angebracht und kann hierbei als Schwellwertsensor beim Passieren des Schwellwerts durch den Füllstand dienen. Für eine genauere Füllstandsmessung bei unterschiedlichen Füllhöhen werden mehrere Sensoren auf unterschiedlicher Höhe vorgeschlagen.
  • Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Bestimmung einer Konzentration eines Bestandteils einer zur Abgasreinigung vorgesehenen Flüssigkeit in einem Kraftfahrzeug auf einfache, günstige und zuverlässige Weise zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Bei dem Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer zur Abgasreinigung vorgesehenen Flüssigkeit wird die Konzentration des Bestandteils in der Flüssigkeit mittels einer Messung des Brechungsindex in der Flüssigkeit oder mittels einer Messung der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ermittelt. Da die Schallgeschwindigkeit und der Brechungsindex eine Funktion der Zusammensetzung einer Flüssigkeit ist, kann mittels diesen Werten auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit und insbesondere auf die Konzentration eines Bestandteils der Flüssigkeit geschlossen werden.
  • Insbesondere hängt die Schallgeschwindigkeit in einer Wasser-Harnstoff-Lösung derart von der Harnstoffkonzentration ab, dass diese Konzentration besonders gut ermittelbar ist.
  • Zur Messung der Schallgeschwindigkeit kann insbesondere ein Ultraschallsensor verwendet werden. Die Messung der Schallgeschwindigkeit kann hierbei entweder mit einem, mit zwei oder mit mehreren Ultraschallsensoren durchgeführt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils der Flüssigkeit auf Basis einer Ermittlung der Schallgeschwindigkeit das vom Ultraschallsensor ausgesandte Signal bevorzugt an einem Reflektor reflektiert und anschließend im Sensor wieder detektiert. Der Reflektor kann im Vorratsbehälter innerhalb der Flüssigkeit angebracht werden. Insbesondere kann eine Wandung, beispielsweise eine Seitenwand des Vorratsbehälters als Reflektor verwendet werden, bzw. durch geeignete Form- oder Materialwahl als Reflektor ausgebildet sein.
  • Wird nur ein Sensor eingesetzt, so wird dieser in einer vorteilhaften Ausgestaltung an der Seite des Behälters derart im Vorratsbehälter angeordnet, dass die Referenzstrecke zwischen Sensor und Reflektor im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Flüssigkeit im Vorratsbehälter liegt. Hierbei können Sensor und Reflektor im unteren Bereich des Vorratsbehälters angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Referenzlaufstrecke des Ultraschallsignals bis hin zu geringen Flüssigkeitsständen im Vorratsbehälter vollkommen innerhalb der Flüssigkeit liegt. Hierdurch kann der Durchmesser des Behälters als Referenzstrecke genutzt werden und aus der Laufzeit des Ultraschallsignals kann auf die Schallgeschwindigkeit und somit auf die Dichte der Flüssigkeit geschlossen werden. Dabei kann der Sensor im Innern des Behälters, an der Behälterwand oder auch außerhalb des Behälters angebracht werden. Bei einer Anordnung des Sensors außerhalb des Behälters sind Grenzflächeneffekte und Laufzeiten außerhalb der Flüssigkeit zu berücksichtigen.
  • Vorzugsweise wird die Messung der Schallgeschwindigkeit im Reflexionsverfahren durchgeführt, da das erfindungsgemäße Verfahren dann mit nur einem einzigen Sensor durchführbar ist. Hierbei kann mit der vorstehend beschriebenen im Wesentlichen waagerechten Anordnung des Sensors und Reflektors zusätzlich der Füllstand auf einen Schwellwert überwacht werden, da sich das Antwortsignal deutlich ändert, wenn der Flüssigkeitspegel soweit sinkt, dass der Sensor oder Reflektor nicht mehr mit Flüssigkeit bedeckt sind.
  • In einer anderen Ausgestaltung kann der Füllstand als kontinuierliche Funktion ermittelt werden, wobei der Sensor hier für im Wesentlichen in der Vertikalen angeordnet wird. Das heißt der Sensor strahlt im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Flüssigkeit im Vorratsbehälter ab. Dies hat den Vorteil, dass mittels dieser Anordnung sowohl eine kontinuierliche Überwachung des Füllstands als auch eine Ermittlung der Konzentration des Bestandteils der Flüssigkeit möglich ist. Hierbei wird ein Teil der vom Ultraschallsensor ausgesandten Strahlung an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert und ein weiterer Teil der Strahlung an dem außerhalb der Flüssigkeit angeordneten Reflektor reflektiert. Vorzugsweise wird diese Messung im Stillstand des Fahrzeugs durchgeführt, so dass keine oder nur eine sehr geringe Schwappbewegung der Flüssigkeit auftritt. Wird die Messung im Fahrbetrieb durchgeführt, werden die Schwappbewegungen über Mittelwertbildungen herausgerechnet werden. Beides ist möglich, da sich der Füllstand nur langsam ändert.
  • Erfolgt die Bestimmung der Konzentration des Bestandteils der Flüssigkeit mittels einer Ermittlung des Brechungsindex, so kann ein hierzu verwendetes Refraktometer sowohl im Vorratsbehälter der Flüssigkeit, insbesondere im Auslassbereich oder am Ablassstutzen, als auch in einer Auslassleitung zwischen Vorratsbehälter und Abgasstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Unter Heranziehen des ermittelten Brechungsindex wird dann die Konzentration des Bestandteils der Flüssigkeit ermittelt.
  • Die Konzentration des Bestandteils der Flüssigkeit kann insbesondere unter Heranziehen der Schallgeschwindigkeit und des Brechungsindex ermittelt werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich die Temperatur der Flüssigkeit ermittelt und zur Ermittlung der Konzentration des Bestandteils in der Flüssigkeit herangezogen.
  • Zusätzlich zu einer Ermittlung der Konzentration des Bestandteils der Flüssigkeit, d. h. der Zusammensetzung der Flüssigkeit, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem der Typ, die Sorte oder der Zustand der Flüssigkeit ermittelt werden.
  • Die Zufuhr der Flüssigkeit in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einen Katalysator im Abgasstrang, erfolgt unter Heranziehung des Wertes der Konzentration. Hierbei wird, basierend auf dem Konzentrationswert, eine geeignete Menge, welche notwendig für eine optimale Funktion des Katalysators zur Abgasreinigung ist, zugeführt.
  • Die einzige Figur zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Figur zeigt einen Vorratsbehälter (1), in welchem eine Flüssigkeit (2) beinhaltet wird. In oder an dem Vorratsbehälter (1) ist ein Ultraschallsensor (3a, 3b) angeordnet, welcher ein Ultraschallsignal in die Flüssigkeit (2) abstrahlt. Das Ultraschallsignal durchwandert den Vorratsbehälter (1) und die darin befindliche Flüssigkeit (2) bis zu einem Reflektor (4a, 4b) und wird dort reflektiert und zumindest teilweise zum Ultraschallsensor zurückgestrahlt. Der Ultraschallsensor (3a, 3b) detektiert das reflektierte Signal, sendet ein Zwischensignal an eine Auswerteeinheit (5), und in der Auswerteeinheit (5) wird mittels des Zwischensignals ein für eine Konzentration eines Bestandteils der Flüssigkeit indikatives Konzentrationssignal ermittelt. Dieses Konzentrationssignal wird am Ausgang (6) der Auswerteeinheit (5) ausgegeben. Ultraschallsensor (3a, 3b) und Reflektor (4a, 4b) können sowohl im Wesentlichen waagerecht (Ausführung 3a, 4a) zur Oberfläche der Flüssigkeit (2) als auch senkrecht (Ausführung 3b, 4b) zur Flüssigkeit (2) angeordnet werden. Bei der waagerechten Ausführung befinden sich Sensor und Reflektor vollständig unterhalb des Flüssigkeitspegels, solange der Vorratsbehälter (1) eine Mindestfüllmenge beinhaltet. Bei der senkrechten Ausführung befindet sich ein Teil des Signalweges, und somit der Referenzlaufstrecke, außerhalb des Flüssigkeitspegels. Das heißt ein Teil des Signalweges wird vom Ultraschallsignal innerhalb der Flüssigkeit und ein weiterer Teil außerhalb der Flüssigkeit, d. h. in der Umgebung oberhalb des Flüssigkeitspegels, zurückgelegt. Bei der im Wesentlichen senkrechten Anordnung des Sensors (3b) wird ein Teil des Ultraschallsignals sowohl an der Flüssigkeitsoberfläche als auch am Reflektor (4b) reflektiert. Hierdurch kann mittels des Sensors (3b) sowohl der Füllstand im Vorratsbehälter (1) als auch die Konzentration des Bestandteils der Flüssigkeit (2) ermittelt werden. Bei der Anordnung mit im Wesentlichen waagrechter Ausrichtung (3a, 4a) ist zur kontinuierlichen Füllstandsermittelung ein weiterer Sensor nötig. Die Anordnung kann hier jedoch als Schwellwertsensor für einen Flüssigkeitsstand eingesetzt werden. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen und andere Ausrichtungswinkel möglich, solange die jeweilige Signallaufstrecke nicht qualitativ verändert wird. Je nach Ausrichtung sind die Laufwege und Grenzflächenübergänge des Ultraschallsignals zu Berücksichtigen.
    •

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Bestandteils einer zur Abgasreinigung vorgesehenen Flüssigkeit in einem Kraftfahrzeug, welche aus mindestens zwei verschiedenen Bestandteilen besteht, in einem Vorratsbehälter im Kraftfahrzeug mitgeführt wird und zur Behandlung eines Abgasstroms des Kraftfahrzeugs aus dem Vorratsbehälter entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Heranziehen einer Messung der Schallgeschwindigkeit oder einer Messung des Brechungsindex die Konzentration des Bestandteils in der Flüssigkeit ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter Heranziehen einer Messung der Schallgeschwindigkeit und einer Messung des Brechungsindex die Konzentration des Bestandteils in der Flüssigkeit ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit mittels eines Ultraschallsensors erfolgt.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im Behälter eine Referenzlaufstrecke festgelegt ist.
  5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor für das Ultraschallsignal vorgesehen ist, um die Referenzlaufstrecke festzulegen.
  6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ultraschallsensor zusätzlich der Füllstand im Flüssigkeitsbehälter ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex mittels eines Refraktometers ermittelt wird, welches in einem Auslassbereich oder einer Auslassleitung des Vorratsbehälters angeordnet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Konzentration des Bestandteils der Flüssigkeit zur Regelung der Zufuhr der Flüssigkeit in den Abgasstrom herangezogen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Typ, die Sorte oder der Zustand der Flüssigkeit ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil der Flüssigkeit ein stickstoffhaltiges Reduktionsmittel, insbesondere Harnstoff ist.
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