DE102010040877A1

DE102010040877A1 - Reduktionsmittel-Vorratsbehälter

Info

Publication number: DE102010040877A1
Application number: DE102010040877A
Authority: DE
Inventors: Martin Grosser; Frank Gottwald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-22
Also published as: CN102434254A; FR2965012B1; CN102434254B; FR2965012A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter für ein Reduktionsmittel, wobei das zu bevorratende Reduktionsmittel vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor ist und wobei der Vorratsbehälter (1) eine Sensoreinrichtung (2) zur Ermittlung des Füllstands umfasst.
Erfindungsgemäß ist die Sensoreinrichtung (2) außerhalb des Vorratsbehälters (1) angeordnet und umfasst wenigstens eine Widerstandskette (3, 4) sowie ein mit dem Innenraum (5) des Vorratsbehälters (1) kommunizierendes Volumen (6), das in elektrischem Kontakt mit der Widerstandskette (3, 4) steht.
Ferner betrifft die Erfindung eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung des Füllstands in einem solchen Vorratsbehälter.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter für ein Reduktionsmittel, vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor, mit einer Sensoreinrichtung zur Ermittlung des Füllstands. Der erfindungsgemäße Vorratsbehälter eignet sich demnach insbesondere für den Einsatz in einem SCR-System (Selective Catalytic Reduktion), bei dem flüssiges Reduktionsmittel bedarfsweise in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingedüst wird, um die katalytische Reduktion von Stickoxiden in einem SCR-Katalysator zu ermöglichen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung des Füllstands in einem solchen Vorratsbehälter.
Stand der Technik
Ein Vorratsbehälter der vorstehend genannten Art geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 100 47 594 A1 hervor. Um eine zuverlässige Anzeige des aktuellen Füllstands zu erreichen, wird darauf verzichtet, den Füllstand im Behälter über den gesamten Bereich kontinuierlich zu messen. Stattdessen wird eine Sensoreinrichtung vorgeschlagen, die derart ausgebildet ist, dass sich der Messwert sprungartig ändert, wenn bestimmte Grenzwerte des Füllstands über- bzw. unterschritten werden. Diese Messwertsprünge können ohne hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit zuverlässig erkannt werden. Die Sensoreinrichtung umfasst hierzu jeweils eine elektrisch leitende Füllstandselektrode, eine Referenzelektrode sowie eine Bezugselektrode, die innerhalb des Behälters angeordnet sind. Zur Ermittlung des Füllstands wird der elektrische Widerstand zwischen der Füllstandselektrode und der Bezugselektrode sowie der elektrische Widerstand zwischen der Referenzelektrode und der Bezugselektrode gemessen und als Kriterium für den Füllstand im Behälter herangezogen. Um zu erreichen, dass nur ausgewählte Bereiche entsprechend punktuell zu detektierenden Füllständen elektrischen Kontakt zur Flüssigkeit aufweisen, sind die Füllstandselektrode und die Referenzelektrode teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material umhüllt. Die ausgewählten Bereiche, in denen die Füllstandselektrode und die Referenzelektrode elektrischen Kontakt zur Flüssigkeit aufweisen, liegen derart beabstandet zueinander, dass sich der Wert für den elektrischen Widerstand signifikant ändert, wenn die Flüssigkeit diese Bereiche erreicht oder verlässt. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung der drei Elektroden parallel zueinander, wobei die nicht mit einem elektrisch isolierenden Material umhüllten Bereiche unterschiedlich tief in die Flüssigkeit eingetaucht sind.
Da die als Reduktionsmittel eingesetzte wässrige Harnstofflösung bei Temperaturen ab minus 11 Grad Celsius gefriert, besteht bei einer Sensoreinrichtung zur Füllstandsmessung, die in die Flüssigkeit eingetaucht ist, die Gefahr, dass diese aufgrund der Ausdehnung der Flüssigkeit beim Gefrieren beschädigt wird. Es gilt demnach die Sensoreinrichtung vor Eisdruckschäden zu schützen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vorratsbehälter mit einer Sensoreinrichtung zur Füllstandsmessung bereitzustellen, die weitgehend unempfindlich gegenüber Eisdruck ist. Ferner soll eine solche Sensoreinrichtung angegeben werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Vorratsbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Der vorgeschlagene Vorratsbehälter für ein Reduktionsmittel umfasst eine Sensoreinrichtung, die erfindungsgemäß außerhalb des Vorratsbehälters angeordnet ist und wenigstens eine Widerstandskette sowie ein mit dem Innenraum des Vorratsbehälters kommunizierendes Volumen umfasst, das im elektrischen Kontakt mit der Widerstandskette steht.
Dadurch, dass das Volumen mit dem Innenraum des Vorratsbehälters kommuniziert, gleicht sich der Füllstand im Volumen dem Füllstand des Innenraums an. Vorzugsweise folgt die Verbindung der beiden Volumina an einem Tiefpunkt des Innenraums des Vorratsbehälters, um auch niedrige Füllstände zu erfassen. Weiterhin bevorzugt erfolgt die Verbindung im Bereich eines Sumpfes des Vorratsbehälters. Um auch bei Schräglage des Vorratsbehälters eine sichere Aussage über den Füllstand zu erhalten, wird weiterhin vorgeschlagen, eine zweite Widerstandskette, welche im elektrischen Kontakt mit einem ebenfalls an den Innenraum des Vorratsbehälters angeschlossenen Volumen steht, derart am Vorratsbehälter anzuordnen, dass über die Ermittlung eines Minimums und eines Maximums der mittlere Füllstand im Vorratsbehälter berechnet werden kann.
Zur Detektion des Füllstands über die wenigstens eine Widerstandskette, die im elektrischen Kontakt mit dem Volumen steht, wird das im Volumen vorhandene Reduktionsmittel als Leiter benutzt. Eine wässrige Harnstofflösung hat im ungebrauchten Zustand einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm cm und im gebrauchten Zustand von 200 Ohm cm. Der Widerstandswert, der über die Widerstandskette übermittelt wird, setzt sich demnach aus einem Widerstand Ri und einem Widerstand Ra zusammen, wobei Ri den inneren Widerstand im Bereich des mit Reduktionsmittel gefüllten Volumens und Ra den außenliegenden Widerstand im Bereich des Volumens wiedergibt, welcher nicht mit Reduktionsmittel gefüllt ist. Bei Einsatz mehrerer Widerstandsketten, vorzugsweise zwei Widerstandsketten, beträgt der Gesamtwiderstand R_Gesamt = Ra' + Ri' + Ri''' + Ra'' + Ri'', wobei der Widerstand Ri''' durch das leitende Reduktionsmittel im Sumpf des Vorratsbehälters gebildet wird. Die gemessenen Widerstandswerte werden als quasi-kontinuierliches Signal an eine Auswerteeinheit weitergeleitet, welche hieraus den Füllstand im Vorratsbehälter ermittelt.
Die Anordnung der Sensoreinrichtung außerhalb des Vorratsbehälters verhindert, dass die Einrichtung beim Gefrieren des Reduktionsmittels Schaden nimmt. Um zu kompensieren, dass sich die Sensoreinrichtung nicht mehr im Flächenschwerpunkt des Vorratsbehälters befindet, werden vorzugsweise zwei Widerstandsketten als Sensoreinrichtung vorgeschlagen.
Vorzugsweise besitzt die Widerstandskette einen hochohmigen Leiter in Form eines Widerstandsdrahts mit mehreren beabstandet zueinander angeordneten Pins zur elektrischen Kontaktierung der Widerstandskette mit dem Volumen. Weiterhin vorzugsweise ist der Widerstandswert des hochohmigen Leiters außerhalb des Volumens deutlich höher als der Widerstandswert des Reduktionsmittels innerhalb des Volumens gewählt.
Mittels der unterschiedlichen Widerstandswerte Ra und Ri lässt sich somit der Füllstand ermitteln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Volumen, das mit dem Innenraum des Vorratsbehälters kommuniziert, in einem Rohr ausgebildet. Zur elektrischen Kontaktierung der Widerstandskette mit dem Volumen sind die Pins durch die Wandung des Rohrs geführt. Alternativ kann anstelle eines Rohres auch ein Schlauch gewählt werden. Ein Schlauch besitzt den Vorteil, dass er flexibel ist und demzufolge sich der Außenkontur des Vorratsbehälters leicht anpasst. Es kann aber auch ein flexibles Rohr gewählt werden. Vorteilhafterweise sollten das Rohr oder der Schlauch ferner geringfügig elastisch ausgebildet sein, um eine Ausdehnung bei einem Gefrieren des Reduktionsmittels zuzulassen.
Vorzugsweise ist daher das Rohr oder der Schlauch aus Kunststoff gefertigt. Weiterhin vorzugsweise sind die Pins von dem Kunststoffmaterial des Rohres oder des Schlauches umspritzt. Die Pins sind somit über das Kunststoffmaterial elektrisch isoliert.
Im Bereich der Umspritzung weisen die Pins bevorzugt eine strukturierte und/oder profilierte Oberfläche auf, um den Reibschluss und/oder den Formschluss zwischen dem Pin und dem Kunststoffmaterial zu erhöhen. Ferner wird auf diese Weise eine sicherere Abdichtung des Volumens gegenüber der Umgebung erzielt. Eine profilierte Oberfläche weist ferner den Vorteil auf, dass sie nach Art einer Labyrinthdichtung zur Sicherheit der Abdichtung beiträgt.
Die Verbindung der Pins mit dem hochohmigen Leiter erfolgt vorzugsweise mittels einer Niet-, Schweiß- oder Lötverbindung. Somit ist eine elektrisch leitende Verbindung gewährleistet.
Da die Pins über das Volumen in Kontakt mit dem Reduktionsmittel gelangen, sind diese bevorzugt aus einem Material gefertigt, das resistent gegenüber dem Reduktionsmittel ist. Als bevorzugtes Material wird Edelstahl vorgeschlagen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensoreinrichtung wenigstens zwei Widerstandsketten, von denen jede mit einem Volumen innerhalb eines Rohres oder Schlauches verbunden ist und wobei die Rohre bzw. Schläuche derart außen um den Vorratsbehälter herum angeordnet sind, dass bei Schräglage des Vorratsbehälters sowohl der niedrigste Füllstand als auch der höchste Füllstand zur Ermittlung einer mittleren Füllstandshöhe innerhalb des Vorratsbehälters erfassbar sind. Bei einem im Wesentlichen quaderförmigen Vorratsbehälter werden die beiden Widerstandsketten jeweils einschließlich des Rohres bzw. Schlauches vorzugsweise vom Sumpf des Behälters aus über sich gegenüberliegende Seitenflächen nach oben bis zur Oberseite des Behälters geführt. Insoweit ist demzufolge bevorzugt im Bereich des Sumpfes des Behälters jeweils ein Anschluss für die beiden Rohre bzw. Schläuche der Sensoreinrichtung vorgesehen. An der Oberseite des Behälters kann die Sensoreinrichtung mit einer Auswerteeinheit verbunden werden.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung des Füllstands in einem Vorratsbehälter für ein Reduktionsmittel vorgeschlagen, die wenigstens eine Widerstandskette mit einem hochohmigen Leiter in Form eines Widerstandsdrahts und mehreren hieran angeordneten Pins sowie ein Rohr oder einen Schlauch mit einem Volumen umfasst, das über die Pins im elektrischen Kontakt mit dem hochohmigen Leiter steht. Dabei können das Rohr bzw. der Schlauch und die Widerstandskette in Form des hochohmigen Leiters mit den hieran befestigten Pins eine Einheit bilden, die sich in einfacher Weise um einen Behälter legen lässt. Die gesamte Sensoreinrichtung ist demzufolge weiterhin bevorzugt flexibel ausgelegt. Vorteilhafterweise ist ein Ende der Sensoreinrichtung für den Anschluss an einen Sumpf eines Vorratsbehälters und das andere Ende für den Anschluss an eine Auswerteeinheit ausgelegt. Eine solche Sensoreinrichtung eignet sich demnach auch zur Nachrüstung bereits vorhandener Vorratsbehälter, die zudem eine beliebige Form aufweisen können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratsbehälter,
2 einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung,
3 einen Ausschnitt aus der 2 im Bereich eines Pins und
4 bis 6 den Vorratsbehälter der 1 in verschiedenen Lagen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In der schematischen Darstellung der 1 ist ein erfindungsgemäßer Vorratsbehälter im Querschnitt dargestellt. Er weist eine rechteckige Querschnittsform auf, so dass der Innenraum 5 von parallelen Seitenwänden sowie einem Boden und einem Deckelteil begrenzt wird. Das Bodenteil weist eine Absenkung als Sumpf 13 auf. An den Sumpf 13 des Vorratsbehälters 1 ist eine Sensoreinrichtung 2 angeschlossen, welche vorliegend eine erste Widerstandskette 3 einschließlich eines Schlauches 9 sowie eine zweite Widerstandskette 4 ebenfalls einschließlich eines Schlauches 9 umfasst. Beide Schläuche sind derart mit dem Vorratsbehälter 1 verbunden, dass der Innenraum 5 des Behälters in Verbindung mit dem jeweiligen Volumen 6 der Schläuche 9 steht. Das im Vorratsbehälter 1 vorhandene Reduktionsmittel gelangt somit auch in das Volumen 6 der Schläuche 9. Die Widerstandsketten 3, 4 umfassen einen hochohmigen Leiter 7 in Form eines Widerstandsdrahtes, der jeweils parallel zum Schlauch 9 geführt ist und über mehrere Pins 8 aus einem elektrisch leitenden Material in Kontakt mit dem Volumen 6 des jeweiligen Schlauches 9 steht. Somit setzt sich eine Sensoreinrichtung 2 jeweils aus einem Schlauch 9 mit einem Volumen 6, einem außerhalb des Volumen 6 angeordneten Widerstandsdrahts sowie mehreren beabstandet zueinander angeordneten Pins 8 zusammen, die der elektrischen Kontaktierung des Widerstandsdrahts mit dem Volumen 6 des Schlauches 9 dienen. Eine entsprechende Sensoreinrichtung 2 ist im Detail in der 2 dargestellt.
Bei der Sensoreinrichtung 2 der 2 besteht der Schlauch 9 aus einem Kunststoffmaterial, mit welchem die Pins 8 umspritzt sind. Im Bereich der Umspritzung weisen die Pins 8 jeweils eine profilierte Oberfläche 11 auf (siehe insbesondere 3), welche nach Art einer Labyrinthdichtung eine Abdichtung des Volumens 6 gegenüber der Umgebung sicherstellt. Somit ist gewährleistet, dass im Volumen 6 befindliches Reduktionsmittel im Bereich der Umspritzung der Pins 8 nicht nach außen dringen kann. Die Anordnung der Pins 8 erfolgt in der Weise, dass sie gleichmäßig zueinander beabstandet sind. Der Achsabstand a ist vorab festzulegen. Ferner ist die Anordnung der Pins 8 derart gewählt, dass sie jeweils mit einem Ende in das Volumen 6 des Schlauches 9 hineinragen und das andere Ende eine Verbindung 12 mit dem hochohmigen Leiter 7 ermöglicht. Die Verbindung 12 kann als Niet-, Schweiß- oder Lötverbindung ausgebildet sein. Jeder Pin 8 stellt einen Messpunkt dar, wobei jeder Messpunkt über die Wandung 10 des Schlauches 9, der vorzugsweise aus Kunststoff besteht, gegenüber dem benachbarten Pins 8 elektrisch isoliert ist. Die Verbindung innerhalb des Volumens 6 wird über das vorhandene Reduktionsmittel bewirkt. Im Betrieb der Sensoreinrichtung setzt sich der Gesamtwiderstand aus den Anteilen Ra des außenliegenden Widerstandsdrahtes und den durch das Reduktionsmittel überbrückten Widerstandsanteilen Ri zusammen. Die Widerstandswerte werden über den Anschluss 14 an eine Auswerteeinheit übergeben, welche hieraus den Füllstand im Innenraum 5 des Vorratsbehälters 1 ermittelt. Über den Achsabstand a der Pins 8 zueinander kann die Genauigkeit des Messergebnisses eingestellt werden.
Den 4 bis 6 sind verschiedene Lagen des Vorratsbehälters 1 zu entnehmen, die der Vorratsbehälter 1 beispielsweise dann einnimmt, wenn das Kraftfahrzeug, in welchem der Vorratsbehälter 1 angeordnet ist, eine Steigung hoch- oder hinabfährt oder an einer entsprechenden Steigung abgestellt wurde. Die Anordnung der Sensoreinrichtung 2 außerhalb des Vorratsbehälters 1 weist den Nachteil auf, dass keine Messung des Füllstands im Bereich des Flächenschwerpunkts 15 erfolgen kann. Um diesen Mangel zu beseitigen, weist der Vorratsbehälter 1 zwei Sensoreinrichtungen 2 bzw. eine Sensoreinrichtung 2 mit wenigstens zwei Widerstandsketten 3, 4 auf, welche derart um den Vorratsbehälter 1 herumgelegt sind, dass der Füllstand in den Volumina 6 der Schläuche 9 jeweils einem Minimum und einem Maximum entspricht, so dass hieraus der mittlere Füllstand im Bereich des Flächenschwerpunkts 15 ermittelt werden kann. Bei den in den 4 bis 6 gezeigten unterschiedlichen Lagen ist der Gesamtwiderstandswert im Wesentlichen immer gleich bzw. variiert nur geringfügig. Dies setzt jedoch voraus, dass die beiden Sensoreinrichtungen 2 bzw. Widerstandsketten 3, 4 derart um den Vorratsbehälter 1 gelegt sind, dass in einem Volumen 6 der niedrigste und im anderen Volumen 6 der höchste Füllstand vorliegt. Der tatsächliche Füllstand im Innenraum 5 des Vorratsbehälters 1 entspricht dann dem mittleren Wert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10047594 A1 [0003]

Claims

Vorratsbehälter für ein Reduktionsmittel, wobei das zu bevorratende Reduktionsmittel vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor ist und wobei der Vorratsbehälter (1) eine Sensoreinrichtung (2) zur Ermittlung des Füllstands umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (2) außerhalb des Vorratsbehälters (1) angeordnet ist und wenigstens eine Widerstandskette (3, 4) sowie ein mit dem Innenraum (5) des Vorratsbehälters (1) kommunizierendes Volumen (6) umfasst, das in elektrischem Kontakt mit der Widerstandskette (3, 4) steht.
Vorratsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandskette (3, 4) einen hochohmigen Leiter (7) in Form eines Widerstandsdrahts mit mehreren beabstandet zueinander angeordneten Pins (8) zur elektrischen Kontaktierung der Widerstandskette (3, 4) mit dem Volumen (6) besitzt.
Vorratsbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (6) in einem Rohr oder Schlauch (9) ausgebildet ist, und die Pins (8) durch die Wandung (10) des Rohrs oder Schlauchs (9) geführt sind.
Vorratsbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr oder der Schlauch (9) aus Kunststoff gefertigt ist und die Pins (8) vorzugsweise von dem Kunststoffmaterial des Rohres oder des Schlauches (9) umspritzt sind.
Vorratsbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pins (8) im Bereich der Umspritzung eine strukturierte und/oder profilierte Oberfläche (11) aufweisen.
Vorratsbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (12) der Pins (8) mit dem hochohmigen Leiter (7) eine Niet-, Schweiß- oder Lötverbindung ist.
Vorratsbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pins (8) aus einem Material gefertigt sind, das resistent gegenüber dem Reduktionsmittel ist, vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt sind.
Vorratsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (2) wenigstens zwei Widerstandsketten (3, 4) umfasst, von denen jede mit einem Volumen (6) innerhalb eines Rohres oder Schlauches (9) verbunden ist, wobei die Rohre bzw. Schläuche (9) derart außen um den Vorratsbehälter (1) herum angeordnet sind, dass bei Schräglage des Vorratsbehälters (1) sowohl der niedrigste Füllstand als auch der höchste Füllstand zur Ermittlung einer mittleren Füllstandshöhe innerhalb des Vorratsbehälters (1) erfassbar sind.
Sensoreinrichtung zur Ermittlung des Füllstands in einem Vorratsbehälter (1) für ein Reduktionsmittel, wobei die Sensoreinrichtung (2) wenigstens eine Widerstandskette (3, 4) mit einem hochohmigen Leiter (7) in Form eines Widerstandsdrahts und mehreren hieran angeordneten Pins (8) sowie ein Rohr oder einen Schlauch (9) mit einem Volumen (6) umfasst, das über die Pins (8) in elektrischem Kontakt mit dem hochohmigen Leiter (7) steht.