DE102011018226A1

DE102011018226A1 - Verfahren zur Erkennung der Qualität der Harnstoff-Wasser-Lösung in SCR-Systemen

Info

Publication number: DE102011018226A1
Application number: DE102011018226A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung der Qualität von Harnstoff-Wasser-Lösungen (Handelsname AdBluetm) für die Verwendung in SCR-Systemen vorgeschlagen. Damit soll die Eignung der Lösung sowie ihr Füllstand im Tank geprüft werden, mit dem Ziel die Funktion der Abgasnachbehandlungseinrichtung sicherstellen. Genutzt wird die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und die Beeinflussung durch unterschiedliche Zusammensetzungen der Flüssigkeiten. Dabei verändert sich die Charakteristik der Ausbreitung von Mikrowellen aufgrund der Harnstoffkonzentration in der Lösung. Der Sensor steht dabei nicht in Kontakt mit der korrosiven Harnstoff-Wasser-Lösung.

Description

Stand der Technik
Die Minderung der Stickoxidemissionen von Dieselfahrzeugen kann durch den Einsatz von SCR-Systemen erfolgen. Dies erfolgt, indem als Reduktionsmittel für Stickoxide zusätzlich Ammoniak dem Abgas zugegeben wird. Auf dem SCR-Katalysator erfolgt die Reaktion von Stickoxiden mit Ammoniak. Das Reduktionsmittel wird in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL, Handelsname AdBlue^tm) im Fahrzeug mitgeführt und in den Abgasstrang eindosiert. Der Harnstoff wird direkt zu Ammoniak umgesetzt und steht für die Entstickung zur Verfügung.
Sollte die HWL nicht die erforderliche Konzentration an Harnstoff enthalten oder andere Flüssigkeiten in den Vorratstank gelangt sein, kann das SCR-Abgasnachbehandlungssystem keine Stickoxide umsetzen. Daher muss während des Fahrzeugbetriebs sichergestellt werden, dass immer eine ausreichende Menge der Lösung zur Verfügung steht und diese HWL die Anforderungen an die Qualität erfüllt.
Diese Überprüfung wird derzeit entweder nur durch die Füllstandskontrolle des HWL-Tanks oder durch die Kontrolle des Umsatzes im SCR-Katalysator vorgenommen. Diese Umsatzkontrolle kann, wie in der DE 10 2006 055 235 A1 vorgeschlagen, durch Ammoniak- oder Stickoxid-Sensoren nach dem SCR-Katalysator erfolgen. Dabei wird überprüft, ob ein Ammoniak-Schlupf bzw. ein Durchbruch von Stickoxiden detektierbar ist und somit kein ausreichender Umsatz im Abgasnachbehandlungssystem erreicht wurde. Dies wird dann im Fall eines ausreichenden HWL-Füllstands auf die unzureichende Qualität der HWL zurückgeführt.
Denkbar sind aber auch andere Ursachen für einen unzureichenden Umsatz im SCR-System. Mögliche Ursachen können u. a. auch eine fehlerhafte Dosierung oder eine Alterung bzw. Beschädigung des Katalysators sein.
Zur Qualitätsbestimmung der HWL wird in der US 2010/0327884 A1 vorgeschlagen, den Inhalt des Tanks direkt zu untersuchen, indem eine Elektrodenanordnung im Tank vorgesehen wird. Das Verfahren beruht auf der Beeinflussung elektromagnetischer Wellen und der Bestimmung von Permittivität sowie Leitfähigkeit der Flüssigkeit aus diesen Messdaten. Damit könnte sowohl auf die elektrischen Eigenschaften als auch auf den Füllstand im Tank rückgeschlossen werden. Für die Auswertung werden Frequenzbereiche zwischen 10 und 100 MHz verwendet. Die Qualität der Lösung wird hier auch optisch durch die Bestimmung des Brechungsindex ermittelt.
Außerdem gibt es Vorschläge für die Konzentrationsmessung eines Bestandteils in Flüssigkeiten auf Basis von Schallgeschwindigkeit oder Brechungsindizes in der DE 10 2006 013 263 A1 .
Auf Grundlage der elektrischen Eigenschaften der Lösung wird die Qualitätsuntersuchung in der WO 2004/113897 A1 und der DE 10 2009 030 674 A1 mit zwei in der Lösung befindlichen Elektroden vorgeschlagen. Hier erfolgt die Konzentrationsbestimmung von Komponenten in der Lösung durch die Ermittlung von elektrischer Permittivität und Leitfähigkeit.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zu schaffen, durch ein einfaches Messsystem die Qualität der Harnstoff-Wasser-Lösung für den Einsatz als Reduktionsmittel in SCR-Systemen zu überwachen. Die elektrische Charakterisierung der HWL bietet sich dabei an, da sich Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften (Leitfähigkeit oder Dielektrizitätszahl) mit variierender Konzentration von Harnstoff in Wasser ergeben.
Beim Stand der Technik handelt es sich um eine kontaktbehaftete Messung, d. h. die Elektroden stehen in direktem Kontakt zu der HWL. Dies bedingt, dass sowohl das Sensorelement als auch die Durchführung (Abdichtung) Korrosionseinflüssen ausgesetzt ist und davor geeignet geschützt werden muss.
Hier wird vorgeschlagen, die Qualitätsanalyse der Lösung durch eine Messeinrichtung im Frequenzbereich von Mikrowellen und die Auswertung der Auswirkungen der Lösung auf Reflexions- oder Transmissionseffekte mit Hilfe von Feldsonden durchzuführen. Es werden dazu eine Feldsonde (Antenne) für die Reflexionsmessung oder zwei Feldsonden für die Transmissionsmessung benötigt. Unter dem Begriff Messeinrichtung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen: Eine Sonde zur Einkopplung elektromagnetischer Wellen inkl. der entsprechenden Elektronik für die Einprägung und Messung der reflektierten Wellen (Transmissions- oder Reflexionsmessung), einschließlich der benötigten Verkabelung.
Besondere Vorteile bestehen durch einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, da in diesen Fällen die Feldsonde nicht in direktem Kontakt zur korrosiv wirkenden HWL steht und somit die Messung kontaktlos erfolgen kann.
Die o. g. Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ausführungsbeispiele
Der Aufbau für die Umsetzung der Hochfrequenzmessung der HWL ist in den Figuren dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines HWL-Tanks 2 (hier ausgeführt als Kunststofftank 3) mit integrierter Feldsonde 1 für die Hochfrequenzmessung. Feldsonden sind bereits bekannt und auch prinzipiell beschrieben, z. B. in der DE 10 2008 012 050 A1 . Eine typische Feldsonde kann ein kapazitiver Stiftkoppler sein. Da die Feldsonde nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird sie hier nicht detailliert sondern nur schematisch dargestellt. Durch die in Anspruch 1 beschriebene Anwendung, die Beeinflussung der elektromagnetischen Wellen zu messen, kann auf die Konzentration von Harnstoff in Wasser bzw. auf Verunreinigungen der Flüssigkeiten im Tank zurückgeschlossen werden. Nachteilig ist in der Ausführungsform in 1, dass sich die Feldsonde 1 im Inneren des Tanks 2 befindet, mithin also Kontakt zum Medium HWL hat. Darum besteht hier die Notwendigkeit, eine dauerhaft flüssigkeitsdichte Durchführung 4 der Feldsonde zu schaffen um ein Austreten der HWL zu verhindern. Außerdem müssen Feldsonde 9 und Durchführung 4 korrosionsbeständig gegen die HWL ausgeführt werden.
Dieser Nachteil lässt sich durch eine erfindungsgemäße Ausführung wie in 2 gezeigt beheben. Die schematische Darstellung zeigt eine alternative Messanordnung im Tank 2. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform befindet sich die hier wiederum nur schematisch dargestellte Feldsonde 1 außerhalb des Tanks und ist nicht direkt von der HWL umgeben. Das Gehäuse des Tanks muss eine Einbauvorsehung 6a (z. B. in Form eines halbgeschlossenen Hohlteils) für die Feldsonde aufweisen, damit der Innenleiter der Feldsonde durch das Kunststoffgehäuse des Tanks nicht mit HWL in Berührung kommt, allerdings dennoch in das Tankvolumen ragen kann. Dies kann erreicht werden, indem bereits während des Herstellungsprozesses des Kunststofftanks (z. B. Spritzguss) bzw. durch nachträgliche Bearbeitung des Tanks (z. B. Tiefziehen) eine Einbauvorsehung 6a für die Feldsonde realisiert wird. Damit ist die Feldsonde geschützt vor korrosiven Einflüssen, aber die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen wird weiterhin durch die Füllung des Tanks beeinflusst, da das elektrisch isolierende Tankgehäuse 5 eine Wellenausbreitung nicht behindert. Dadurch muss keine Durchführung durch den Tank geschaffen werden und es kann weder eine Korrosion der Feldsonde noch eine Beeinträchtigung der Durchführung auftreten. Nachteilig könnte hier sein, dass störende elektrische oder elektromagnetische Felder von außen in die HWL eindringen und die Messung stören können. Weiterhin können die abgestrahlten Wellen zu einer EMV-Unverträglichkeit führen. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Tankbehälters 2, die den o. g. Nachteil nicht enthält. Hier wird z. B. ein metallischer Tank 7a für die Begrenzung der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen genutzt. Diese Begrenzung kann auch durch eine metallische Beschichtung des Kunststofftanks 7b oder einen elektrisch leitfähigen Kunststofftank 7c realisiert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bereits während des Herstellungsprozesses des Kunststofftanks (z. B. im Spritzgussverfahren) oder durch nachträgliche Bearbeitung des Tanks (z. B. durch Tiefziehen) eine Einbauvorsehung 6a für die Feldsonde realisiert. Dann wird die Einbauvorsehung mit einer Feldsonde verfüllt (z. B. mit einem Metalldraht oder -stab) und es wird eine elektrische Anschlussleitung, z. B. ein Koaxialkabel, angebracht. Damit ist die Feldsonde geschützt vor korrosiven Einflüssen. Nun wird der Kunststofftank mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 7b versehen (z. B. metallisiert). Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen kann somit nur im Tank stattfinden. Für den Fall, dass als Tank ein elektrisch leitfähiges Medium dient (z. B. ein leitfähiger Kunststoff 7c oder ein Metall 7a) muss die Einbauvorsehung für die Feldsonde aus elektrisch nicht leitfähigem Kunststoff 6b gefertigt sein. 4 zeigt als Details der Erfindung Ausführungsformen der Feldsondendurchführung 4. Hauptsächlich ist darauf zu achten, dass die Feldsonde 1 von außen in den Tank ragen kann und dabei nicht in direktem Kontakt zur HWL steht. Zudem darf zwischen Feldsonde und HWL kein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden, da dies die elektromagnetischen Wellen abschirmen würde. Einerseits ist es möglich, einen Kunststoffeinsatz 10a in ein metallisches Gehäuse 8 einzubringen, um darin die Feldsonde zu befestigen (4a), andererseits kann ein Kunststoffgehäuse (bestehend aus Kunststoff A) 11 verwendet werden und nur die Bereiche außerhalb der Feldsondeneinbauposition metallisiert 9 werden (4b). In einer bevorzugten Ausführungsform sind Kunststoff A 31 und das Material der Einbauvorsehung für die Feldsonde (Kunststoff B) 10b identisch. Im Fall einer elektrisch leitfähigen Tankwand aus Kunststoff A ist darauf zu achten, dass die Einbauvorsehung für die Feldsonde aus nicht leitfähigem Kunststoff B eingesetzt wird.
Es ist auch als Lehre der Erfindung anzusehen, die Messung in einem Rohrsystem (z. B. der Leitung vom HWL-Tank zur Eindosierung in den Abgasstrang) durchzuführen. Auch hier wird die Beeinflussung von ausbreitungsfähigen Wellen charakterisiert. Hier ist auch die Messung der Transmission durch eine weitere Feldsonde möglich. Die Begrenzung der Wellenausbreitung ist auch hier entweder durch ein metallisches Rohr, eine metallische Beschichtung des Kunststoffrohrs oder einen elektrisch leitfähigen Kunststoff vorgesehen.
5 zeigt beispielhaft eine Messung, die die prinzipielle Machbarkeit darstellen soll, in einem Metallgehäuse mit geändertem Harnstoffgehalt. Die HWL wurde dabei in einem Glasgefäß in das Metallgefäß gestellt und diese Glasgefäße mit HWL unterschiedlicher Zusammensetzung getauscht. Mit zunehmendem Harnstoffgehalt bildet sich in dem Reflexionsparameter S₁₁ ein deutlicherer Resonanzeffekt aus und die Lage des Minimums (mögliche Parameter für die Auswertung wären u. a. die Resonanzfrequenz, Amplitude, Güte usw.) verschiebt sich. Somit kann auf die Qualität der Lösung, insbesondere auf den Harnstoffgehalt geschlossen werden.
Diese Messung verdeutlicht, dass nur in einem sehr engen Frequenzbereich gemessen werden muss bzw. die Auswertung des Betrags |S₁₁| auch bei einer festen Frequenz durchgeführt werden kann.
Für eine Erweiterung der Auswertemöglichkeiten kann der Messfrequenzbereich der Messung erweitert oder auch in mehreren Frequenzbereichen gemessen werden. Damit kann beispielsweise bei steigender Temperatur die Messfrequenz flexibel angepasst werden, da sich mit einer Veränderung der Temperatur auch die elektrischen Eigenschaften der HWL ändern. Weiterhin ändern sich aufgrund der thermischen Ausdehnung die geometrischen Abmessungen des einen Resonator definierenden Tankgehäuses. Dies führt zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenzen. Daher ist es möglich, durch die Auswertung geeigneter Parameter z. B. auch die Temperatur der HWL oder den Füllstand des Tanks zu erkennen. Voneinander unabhängige Einflüsse wie Füllstand im Tank und elektrische Eigenschaften der Lösung bzw. geometrische Längenänderung aufgrund Temperaturänderung können durch die Auswertung unterschiedlicher Parameter wie Dämpfung und Lage des Resonanzeffekts (Resonanzfrequenz) unterschieden werden. Dazu kann es auch sinnvoll sein, an zwei Resonanzstellen zu messen. Die Messung in unterschiedlichen Frequenzbereichen kann der Identifikation von unterschiedlichen Messgrößen wie Qualität, Füllstand und Temperatur dienen, da aus bislang ungeklärten Gründen nicht in jedem Frequenzbereich die gleichen Auswirkungen durch beispielsweise die Temperatur vorliegen. Daher kann der Vergleich von Messungen unterschiedlicher Frequenzbereiche mehrfache Information über die Tankfüllung ermöglichen. Auch sonstige Quereinflüsse auf die Messung können durch dieses Verfahren minimiert werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, wie in 6 gezeigt, zwei Feldsonden 1a, 1b in den Tank 2 einzubauen. Durch die in 6 beispielsweise oben angeordnete Feldsonde A 1a kann gezielt der Füllstand des Tanks gemessen und durch die untere Feldsonde B 1b nur die Qualität der HWL erfasst werden. Des Weiteren kann der Füllstand auch durch einen zusätzlichen herkömmlichen Füllstandssensor gemessen werden.
Selbstverständlich können auch zwei Sonden in den Tank oder in die Rohrleitung eingebracht werden und dann die Transmission (z. B. S₁₂) gemessenen werden.
Wie in 5 gezeigt, kann die Beeinflussung einer ausbreitungsfähigen elektromagnetischen Welle gemessen werden. Durch die Wahl einer geeigneten Feldstärke wird die Welle durch die umgebende Flüssigkeit ausreichend gedämpft und eine weitere metallische Abschirmung ist nicht nötig. Der oben beschriebene metallische, metallisch beschichtete oder allgemein elektrisch leitfähige (z. B. leitfähiges Polymer) Tank begrenzt die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen.
Neben der kontinuierlichen Messung im Frequenzbereich ist auch die Messung im Zeitbereich möglich. Dies kann z. B. durch eine Impulsanregung geschehen. Dabei wird ein Signal in Form eines kurzen Impulses aufgegeben und die Laufzeit ausgewertet. Auch ist hier die Auswertung von Laufzeitunterschieden mit mehreren Feldsonden möglich. So kann an einer Feldsonde der Impuls aufgegeben und die frequenzabhängige Laufzeit bis zum Empfang an der zweiten Feldsonde gemessen werden.
Die Art der Ankopplung ist nicht auf die bereits gezeigte kapazitive Stiftkopplung beschränkt. Es besteht auch die Möglichkeit, z. B. induktiv über eine Schleifenantenne anzukoppeln.
Mit diesem Verfahren kann außer der HWL auch die Qualität anderer ammoniakbildender Quellen bestimmt und überwacht werden. Hierbei kann es sich auch um feste oder gemischt flüssig-feste Ammoniakquellen handeln.
Bezugszeichenliste

1: HF-Antenne/Feldsonde
1a: HF-Antenne/Feldsonde A
1b: HF-Antenne/Feldsonde B
2: HWL-Tank
3: Kunststofftank
4: Durchführung für Feldsonden
5: elektrisch isolierendes Kunststofftankgehäuse
6a: Einbauvorsehung für Feldsonde
6b: Einbauvorsehung aus Kunststoff (nicht leitfähig)
7a: Metalltank
7b: Kunststofftank mit metallischer Beschichtung
7c: elektrisch leitender Kunststofftank
8: metallisches Tankgehäuse
9: Metallisierung (Metall oder metallische Beschichtung)
10a: Kunststoffeinsatz
10b: Einbauvorsehung aus Kunststoff B
11: Kunststofftankgehäuse aus Kunststoff A
S₁₁: Reflexionsparameter
f: Frequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006055235 A1 [0003]
US 2010/0327884 A1 [0005]
DE 102006013263 A1 [0006]
WO 2004/113897 A1 [0007]
DE 102009030674 A1 [0007]
DE 102008012050 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Erfassung der Qualität von Ammoniak-Quellen enthaltenden Flüssigkeiten oder Festkörpern für die Anwendung als Reduktionsmittel in SCR-Systemen, das die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen nutzt, wobei die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem Gehäuse erfolgt und durch die Ammoniak-Quellen enthaltenden Flüssigkeiten oder Festkörper gestört wird, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Ausbreitung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen in Abhängigkeit der Zusammensetzung genutzt wird und in diesen Frequenzbereichen Messgrößen bestimmt werden, beispielsweise der Reflexionsfaktorbetrag bei einer Resonanzspitze oder die Verschiebung von Resonanzfrequenzen, um mit einer Messeinrichtung Rückschlüsse auf die Qualität der Ammoniak-Quellen enthaltenden Flüssigkeiten oder Festkörper und/oder den Füllstand des Tanks zu ziehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniak-Quellen enthaltenden Flüssigkeiten oder Festkörper Harnstoff-Wasser-Lösungen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die korrekte Bestimmung der Qualität auch mehrere Frequenzbereiche herangezogen werden können, um Quereinflüsse zu kompensieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Signalmerkmale für die korrekte Bestimmung der Qualität sowie mehrere Frequenzbereiche herangezogen werden können, um Quereinflüsse zu kompensieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (die Feldsonde) vor direktem Kontakt zu der zu untersuchenden Lösung geschützt wird, indem eine elektrisch nicht leitfähige Einführung (Einbauvorsehung für die Feldsonde im Kunststofftank) den Einbau der Feldsonde ohne Kontakt zur Lösung erlaubt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse sowohl ein Vorratstank als auch eine Zu- oder Ableitung der Ammoniak-Quellen enthaltenden Flüssigkeiten oder Festkörper sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit veränderter Temperatur auch der Messfrequenzbereich verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregung und Signalauswertung im Zeitbereich vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signallaufzeit bzw. der Laufzeitunterschied nach Impulsanregung ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung elektromagnetischer Wellen kapazitiv oder auch induktiv oder durch ein zusätzliches Anbauteil am Systemgehäuse erfolgen kann.