DE102013000208A1

DE102013000208A1 - Vorrichtung zur Ermittlung funktionsrelevanter Eigenschaften von Fluiden

Info

Publication number: DE102013000208A1
Application number: DE102013000208.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mannebach Horst; Mathias Leo Jirgal; Frank Kattler; Christian Groh
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2014-07-10
Also published as: WO2014108148A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung funktionsrelevanter Eigenschaften von Fluiden, insbesondere von zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren vorgesehenen wässrigen Harnstofflösungen, mit einem Strömungskanal (2), der eine von zumindest einer Prüfmenge des Fluids durchström bare Prüfstrecke (6) bildet, und mit mindestens einer der Prüfstrecke (6) zugeordneten Sensoreinrichtung (34, 40), die zumindest eine Eigenschaft des Fluids erkennt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung funktionsrelevanter Eigenschaften von Fluiden, insbesondere von zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren vorgesehenen wässrigen Harnstofflösungen.
Bei der Benutzung von Fluiden, wie sie auf den verschiedensten Gebieten zum Einsatz kommen, beispielsweise als Prozessflüssigkeiten oder als flüssige Betriebsmittel, wie Kraftstoffe oder Zusatzstoffe, ist zur Gewährleistung der Betriebssicherheit eine sensorische Überwachung der Beschaffenheit der betreffenden Fluide sehr bedeutsam. Dies gilt auch für wässrige Harnstofflösungen, die wegen der gestiegenen Anforderungen an das Emissionsverhalten von Verbrennungsmotoren in neuerer Zeit vermehrt bei Abgas-Nachbehandlungssystemen benutzt werden. Dabei wird für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden eine wässrige Harnstofflösung, die in einem Tank bevorratet ist, in einen Abgasstrom injiziert, um in Verbindung mit einem SCR-Katalysator Ammoniak als eigentliches Reduktionsmittel zu gewinnen. Als zusätzlicher Betriebsstoff für Kraftfahrzeuge ist die Harnstofflösung unter der Handelsbezeichnung „Adblue” an Tankstellen für die Betankung betreffender Vorratstanks erhältlich. Für die Funktionssicherheit des Abgasnachbehandlungssystems sind an die Beschaffenheit der Harnstofflösung hohe Anforderungen zu stellen, insbesondere muss eine in sehr engen Grenzen liegende Konzentration des Harnstoffs eingehalten werden.
Im Hinblick auf diese Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, auf einfache und sichere Weise solche Eigenschaften von Fluiden zu ermitteln, die für eine sichere Benutzung dieser Fluide maßgeblich sind.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Die Erfindung sieht demgemäß vor, dass die Vorrichtung einen Strömungskanal aufweist, der von dem betreffenden Fluid, beispielsweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung, durchströmbar ist, wobei der Strömungskanal eine Prüfstrecke bildet, der zumindest eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, die zumindest eine Eigenschaft des Fluids erkennt. Dadurch, dass eine Prüfstrecke in einem vom Fluid durchströmbaren Kanal vorgesehen ist, erfolgt die Ermittlung der Beschaffenheit sozusagen im Durchlauf des Fluids, also ohne dass eine Probenentnahme, beispielsweise aus einem stehenden Vorrat, wie einem Vorratstank, zu einem Prüfbereich erfolgen müsste.
Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung diesbezüglich so getroffen sein, dass der Strömungskanal durch einen Leitungsabschnitt eines Rohrsystems gebildet ist, über das das Fluid von einer Quelle zu einem Abnehmer zuführbar ist. Auf diese Weise kann die Vorrichtung in ein System integriert sein, welches, wie es beispielsweise bei einem Adblue-System der Fall ist, eine Dosierpumpeneinrichtung, eine Filtereinrichtung und eine Injektoreinrichtung aufweist, wobei Leitungen vorhanden sind, die als Strömungskanal der Vorrichtung nutzbar sind.
Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann diesbezüglich vorgesehen sein, dass der Strömungskanal Teil eines von einem Vorratstank für Harnstofflösung zu einer Injektoreinrichtung führenden Rohrsystems ist.
Für eine Betriebsüberwachung derartiger Abgasnachbehandlungssysteme kann mit besonderem Vorteil eine die Konzentration eines Bestandteils der wässrigen Harnstofflösung erkennende Sensoreinrichtung vorgesehen sein, wobei mit besonderem Vorteil eine die Konzentration erkennende Ultraschallsensoreinrichtung vorgesehen sein kann. Derartige Sensoreinrichtungen sind an sich bekannt, vgl. das Dokument DE 10 2006 013 263 A1 .
Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann diesbezüglich die Ultraschallsensoreinrichtung einen Schall-Sender-Empfänger an einem Ende der Prüfstrecke und einen Reflektor am anderen Ende der Prüfstrecke aufweisen.
Insbesondere bei Ausführungsbeispielen, bei denen Fluide in Form gefrierbarer Substanzen vorgesehen sind, wie dies bei wässrigen Harnstofflösungen der Fall ist, kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass der Strömungskanal, vorzugsweise am einen Ende der Prüfstrecke, durch ein nachgiebiges, eine druckabhängige Vergrößerung des Volumens des Strömungskanals zulassendes Verschlusselement abgeschlossen ist. Dadurch ist die mit einem eventuellen Gefrieren des Fluids einhergehende Volumenvergrößerung durch die Nachgiebigkeit des Verschlusselements kompensierbar, ohne dass die Gefahr eines Berstens von Vorrichtungsteilen oder mit dieser in Verbindung stehender Leitungsteile besteht.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist der Strömungskanal durch ein zylindrisches Rohr gebildet, das an einem offenen Ende durch das nachgiebige Verschlusselement geschlossen ist, wobei sich am anderen Ende des Rohres ein radial erweitertes, den Abschluss des zugeordneten Endes des Strömungskanals bildendes Kopfteil befindet und wobei an diesem der Ultraschall-Sender-Empfänger angeordnet ist.
Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass das Rohr als Verschlusselement einen am betreffenden Ende der Prüfstrecke befindlichen Stopfen aufweist, der gegen Federkraft verschiebbar ist und dadurch nicht nur die Funktion eines Verschlusses ausübt, sondern auch als nachgiebiges Element dient, das als Gefrierschutz eine druckabhängige Volumenvergrößerung ermöglicht.
Der Reflektor der Ultraschallsensoreinrichtung kann mit Vorteil an der der Prüfstrecke zugewandten Seite des Stopfens vorgesehen sein, etwa in Form eines Spiegels oder einer am Stopfen selbst vorgesehenen Reflexionsfläche.
An dem Kopfteil, das sich an dem dem Stopfen entgegengesetzten Ende befindet, können elektrische Anschlusseinrichtungen für die Ultraschallsensoreinrichtung und für gegebenenfalls vorgesehene weitere Sensoreinrichtungen vorgesehen sein.
Für weitere Sensoreinrichtungen kann das den Strömungskanal bildende Rohr eine örtliche Erweiterung aufweisen, innerhalb deren als weitere Sensoreinrichtung, beispielsweise ein sich neben der Prüfstrecke befindlicher Temperatursensor angeordnet sein kann.
Des Weiteren kann auch am Rohr eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, die über Leitungen vom Kopfteil her mit Energie versorgbar ist. Dabei kann die Steuerung der Energieversorgung der Heizeinrichtung mittels des Temperatursensors erfolgen, beispielsweise derart, dass die Heizeinrichtung bei einem Betrieb unter Frostbedingungen einen Gefrierschutz bildet.
Hinsichtlich des Anschlusses der Vorrichtung an ein betreffendes Leitungssystem kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass das Rohr an beiden Endbereichen seitliche Öffnungen für den Zustrom bzw. Ausstrom des Fluids in die und aus der Prüfstrecke aufweist.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert, wobei die einzige Figur einen schematisch vereinfachten Längsschnitt des Ausführungsbeispiels zeigt.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem die Vorrichtung als Sensor für die Überwachung der Konzentration einer wässrigen Harnstofflösung bei einem Adblue-System zur Abgasnachbehandlung vorgesehen ist. Dabei ist die Vorrichtung als eine Art Patrone ausgebildet, die in der einzigen Figur als Einbauteil dargestellt ist, das in ein nicht gezeigtes Gehäuse eines an sich bekannten Adblue-Systems einbaubar ist. Ein solches Adblue-System weist wie üblich Pumpeinrichtungen auf, um von einem Vorratstank und über Filtereinrichtungen eine dosierte Menge der Harnstofflösung zu einer Injektoreinrichtung zuzuführen. Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist für den Durchstrom der Harnstofflösung einen Strömungskanal 2 auf, der im Inneren eines Rohres 4 eine Prüfstrecke 6 bildet.
Für Zu- und Abstrom der Harnstofflösung sind an beiden Endbereichen der Prüfstrecke 6 Öffnungen 8 vorgesehen, die die Wand des Rohres 4 durchziehen und mit nicht gezeigten Anschlusseinrichtungen in Verbindung sind. Am in der Figur oberen Ende geht das Rohr 4 in ein Kopfteil 10 über, das den oberen Abschluss des Strömungskanals 2 bildet und ein radial erweitertes Flanschteil 12 aufweist, das eine Anlagefläche am nicht gezeigten Gehäuse bildet. An dem dem Kopfteil 10 entgegengesetzten Ende des Rohres 4 ist der Strömungskanal 2 durch ein Verschlusselement in Form eines Stopfens 14 geschlossen. Dieser ist in einem erweiterten Endabschnitt 16 des Rohres 4 bei einer durch Gefrieren der Harnstofflösung bewirkten Druckerhöhung gegen die Kraft einer Druckfeder 18 in der Figur nach unten verschiebbar. Die Druckfeder 18 hält den Stopfen normalerweise in der in der Figur gezeigten Position in Anlage an einer Stufe 20 der Rohrinnenwand, wobei der Stopfen 14 mittels eines O-Ringes 22 abgedichtet ist. Die Druckfeder 18 ist zwischen dem Stopfen 14 und einem am Ende des Rohres 2 befindlichen Sicherungsring 24 abgestützt.
Am oberen Ende des Kopfteils 10 befindet sich eine Steckereinrichtung 26 für elektrische Anschlussverbindungen. Die Steckereinrichtung 26 befindet sich an einem oberen Gehäusedeckel 28, der am Kopfteil 10 über einen O-Ring 30 abgedichtet ist. Die Steckereinrichtung 26 ist mit einer im Kopfteil 10 befindlichen Schaltungsplatine 27 in Verbindung, die erzeugte Sensorsignale verarbeitet. Von der Platine 27 führt eine elektrische Anschlussverbindung 32 über eine abgedichtete Durchführung 31 zu einem Ultraschall-Sender-Empfänger 34, der von dem in der Figur oben liegenden Ende der Prüfstrecke 6 Ultraschallsignale in Richtung auf den Stopfen 14 aussendet. Dieser weist an der der Prüfstrecke 6 zugewandten Oberseite eine Reflektoreinrichtung 36 auf, die die Ultraschallwellen zum Sender-Empfänger 34 hin reflektiert. In an sich bekannter Weise wird aufgrund der Messung der Schallgeschwindigkeit die Konzentration der Harnstofflösung ermittelt.
An einer dem Kopfteil 10 näher als dem Stopfen 14 gelegenen Bereich weist das Rohr 4 eine Erweiterung 38 auf. In dieser befindet sich ein Temperatursensor 40, der geringfügig neben der Prüfstrecke 6 gelegen, jedoch vom Fluid bespült ist. Der Temperatursensor 40 ist über eine elektrische Leitung 42 mit der Platine 27 im Kopfteil 10 verbunden, wie dies auch bei dem Schall-Sender-Empfänger 34 über die Verbindung 32 der Fall ist. Die elektrische Leitung 42 des Temperatursensors 40 verläuft von der Platine 27 her über eine abgedichtete Durchführung 33 durch eine in der Wand des Rohres 4 ausgebildete Axialbohrung 44 zum Temperatursensor 40. In einer gegenüberliegenden Axialbohrung 46 verläuft eine Versorgungsleitung 48 vom Kopfteil 10 her zu einer Heizwicklung 50, die im mittleren Längenbereich des Rohres 4 dessen Außenseite umgibt. Die Heizwicklung 50 ist mittels der vom Temperatursensor 40 gelieferten Temperatursignale steuerbar. Die Harnstofflösung kann daher in einem bevorzugten Temperaturbereich gehalten werden und/oder ein Gefrieren bei Frostbedingungen kann vermieden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006013263 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung funktionsrelevanter Eigenschaften von Fluiden, insbesondere von zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren vorgesehenen wässrigen Harnstofflösungen, mit einem Strömungskanal (2), der eine von zumindest einer Prüfmenge des Fluids durchströmbare Prüfstrecke (6) bildet, und mit mindestens einer der Prüfstrecke (6) zugeordneten Sensoreinrichtung (34, 40), die zumindest eine Eigenschaft des Fluids erkennt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) durch einen Leitungsabschnitt (4) eines Rohrsystems gebildet ist, über das das Fluid von einer Quelle zu einem Abnehmer zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) Teil eines von einem Vorratstank für Harnstofflösung zu einer Injektoreinrichtung führenden Rohrsystems (4) ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Konzentration eines Bestandteils des Fluids, insbesondere in Form einer wässrigen Harnstofflösung, erkennende Sensoreinrichtung (34) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Konzentration erkennende Ultraschallsensoreinrichtung (34) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoreinrichtung einen Schall-Sender-Empfänger (34) an einem Ende der Prüfstrecke (6) und einen Reflektor (36) am anderen Ende der Prüfstrecke (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2), vorzugsweise an einem Ende der Prüfstrecke (6), durch ein nachgiebiges, eine druckabhängige Vergrößerung des Volumens des Strömungskanals (2) zulassendes Verschlusselement (14) abgeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) durch ein zylindrisches Rohr (4) gebildet ist, das an einem offenen Ende durch das nachgiebige Verschlusselement (14) geschlossen ist, dass sich am anderen Ende des Rohres (4) ein radial erweitertes, den Abschluss des zugeordneten Endes des Strömungskanals (2) bildendes Kopfteil befindet und dass an diesem Ende der Ultraschall-Sender-Empfänger (34) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) als Verschlusselement einen am betreffenden Ende der Prüfstrecke (6) befindlichen Stopfen (14) aufweist, der gegen Federkraft (18) verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (36) der Ultraschall-Sensoreinrichtung (34) an der der Prüfstrecke (6) zugewandten Seite des Stopfens (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kopfteil (10) elektrische Anschlusseinrichtungen (26, 27, 32, 42, 48) für die Ultraschall-Sensoreinrichtung (34) und für gegebenenfalls vorgesehene weitere Sensoreinrichtungen (40) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Strömungskanal (2) bildende Rohr (4) eine örtliche Erweiterung (38) aufweist, innerhalb deren als weitere Sensoreinrichtung ein sich neben der Prüfstrecke (6) befindlicher Temperatursensor (40) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rohr (4) eine Heizeinrichtung (50) vorgesehen ist, die über Leitungen (48) vom Kopfteil (10) her mit Energie versorgbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) an beiden Endbereichen Öffnungen (8) für den Zustrom bzw. Ausstrom des Fluids in die und aus der Prüfstrecke (6) aufweist.