DE102013219635B4

DE102013219635B4 - Einrichtung zur Einführung einer gefrierfähigen Flüssigkeit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102013219635B4
Application number: DE102013219635.0A
Authority: DE
Inventors: Ronny Stangl; Stephan Heinrich; Denny Schädlich
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2033-09-28
Also published as: US10234322B2; WO2015044240A1; CN105556259B; CN105556259A; JP2016534916A; EP3049773A1; US20160238429A1; DE102013219635A1; JP6211178B2

Abstract

Einrichtung zur Einführung einer gefrierfähigen Flüssigkeit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Tank zur Aufnahme der gefrierfähigen Flüssigkeit, einem Sensor zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Füllstandes der gefrierfähigen Flüssigkeit im Tank, der zumindest zum Teil im Tank am Boden desselben angeordnet ist, und einem kuppelförmigen Eisprotektor mit abgerundeten, nach oben zusammenlaufenden Seitenflächen zum Schutz des im Tank befindlichen Teiles des Sensors, wobei der Eisprotektor (2) einstückig mit einem Sensorboden (3) oder dem Tankboden (6) ausgebildet ist und dass die Kuppel des Eisprotektors (2) eine vollständig offene Oberseite aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Einführung einer gefrierfähigen Flüssigkeit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
Derartige Einrichtungen zur Einführung einer gefrierfähigen Flüssigkeit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges sind bekannt. Beispielsweise ist eine Einrichtung bekannt (betriebsinterner Stand der Technik), bei der eine wässrige Harnstofflösung zur NOx-Reduzierung in das Abgas eindosiert wird. Die hierfür eingesetzten Harnstofflösungen bestehen aus destilliertem Wasser und 32,5 % Harnstoff. Diese Lösung gefriert bei -11 °C. Wird das Kraftfahrzeug abgestellt und sinkt die Temperatur der Flüssigkeit unter -11 °C, gefriert die Lösung im Tank, wobei sich die Flüssigkeit im gefrorenen Zustand um etwa 11 % ausdehnt.
Es ist dabei ferner bekannt, den Gehalt der gefrierfähigen Flüssigkeit in der Einrichtung, insbesondere im Tank, mittels eines Sensors zu überwachen. Dieser Sensor dient zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Füllstandes der gefrierfähigen Flüssigkeit im Tank und ist zumindest zum Teil im Tank am Boden desselben angeordnet. Hierbei kann der Sensor einen eigenen Boden aufweisen, der mit dem Boden des Tanks verbunden ist, beispielsweise verschweißt ist, oder die Teile des Sensors können direkt am Tankboden angeordnet sein.
Insbesondere kommt hierbei ein Ultraschallsensor zur Anwendung, der speziell zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Füllstandes der vorstehend erwähnten wässrigen Harnstofflösung eingesetzt wird. Hierbei lässt sich die Konzentration aus der charakteristischen Laufzeit der durchstrahlten Flüssigkeit ermitteln (Schallgeschwindigkeit im Medium). Typischerweise emittiert der entsprechende Ultraschallwandler eine akustische Welle, die an einer oder mehreren im Tank angeordneten Reflexionsflächen zurückgeworfen wird und am Wandler, der hier als Sender und als Empfänger dient, wieder als elektrisches Signal gewandelt und weiterverwertet wird. Der Abstand zwischen Wandler und Reflektor (bzw. der Reflektoren zueinander) bestimmt die Genauigkeit des Messsystems.
Ist die Flüssigkeit, insbesondere Harnstofflösung, im Tank gefroren, so kann die gebildete Eismasse auf den im Tank befindlichen Teil des Sensors drücken und insbesondere die Referenzen (Reflektoren) bzw. den gesamten Teil des im Tank angeordneten Sensors beschädigen. Diese Kräfte können bei halbaufgetautem Tank (Eisklumpen) während der Fahrt durch Beschleunigungen sowie Schwappen noch zunehmen. Um dies zu verhindern, ist der im Tank befindliche Teil des Sensors mit einem kuppelförmigen Eisprotektor versehen, der am Boden des Sensors oder des Tanks angebracht ist. Diese meist halbkugelförmige Anordnung bewirkt, dass das Eis über den Protektor gleitet und somit den im Tank angeordneten Teil des Sensors nicht beschädigt. Die Kräfte, die durch das Eis, das im Protektor gefangen ist, auftreten können, sind vernachlässigbar.
Beispielsweise befindet sich ein Ultraschallsensor auf dem Markt, bei dem der Sender/Empfänger auf der Unterseite des Tankbodens angeordnet ist. Im Tank selbst auf dessen Boden befindet sich eine Platte (Flansch), auf der die übrigen Teile des Sensors angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um einen Spiegel zur Umlenkung der vertikal vom Sender abgestrahlten Schallwellen in Horizontalrichtung, zwei Reflektoren und einen weiteren Spiegel, mit dem Schallwellen vertikal nach oben abgelenkt werden. Der Eisprotektor dieses Sensors ist auf der Bodenplatte des Sensors befestigt und weist über dem zweiten Spiegel eine Öffnung auf, damit die Schallwellen nach oben durch die Öffnung in den Tank abgestrahlt und von der Oberfläche der Harnstofflösung zurückreflektiert werden können. Bei dieser Ausführungsform ist daher der Eisprotektor bis auf die vorstehend erwähnte Öffnung im Wesentlichen geschlossen.
Bei einem derartigen Sensor und bei einem derartigen Eisprotektor können sich aber speziell beim Betanken oder durch Ausgasen der in der Flüssigkeit (Harnstofflösung) gelösten Gase (Luftsauerstoff) unter dem Eisprotektor Blasen bilden, die ähnlich einer Taucherglocke die Luft unter der Kuppel bzw. Kappe sammeln und eine Messung der Laufzeit verhindern bzw. den Sensor vorübergehend „erblinden“ lassen, bis sich die Blasen ablösen oder sich auflösen. Die Zeit bis zur erneuten Messbereitschaft kann dabei zwischen Sekunden und mehreren Stunden betragen. Da es sich bei dem Eisprotektor ferner um ein separates Teil handelt, entstehen zusätzliche Kosten durch Material-, Herstellungs-, Fertigungs-, Logistik- und Montagekosten.
Ferner ist aus der DE 103 31 566 A1 ein Strömungsmittelniveausensor bekannt, der eine hohlzylindrisch ausgebildete Gehäusekomponente zur Abdeckung von Bauteilen des Sensors aufweist. Weitere Messanordnungen zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit sind aus der DE 10 2011 013 687 A1 , der DE 10 2012 205 640 A1 und der DE 10 2011 089 685 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die besonders funktionssicher arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Eisprotektor ist kuppelförmig gestaltet, d. h. besitzt abgerundete Seitenflächen, die nach oben zusammenlaufen. Im Gegensatz zum Stand der Technik weist er jedoch keine im Wesentlichen geschlossene Oberseite auf, sondern eine vollständig offene Oberseite. Hiermit wird erfindungsgemäß erreicht, dass der Eisprotektor einerseits noch die nötige Steifigkeit und Kräfte ableitende Wirkung hat, andererseits jedoch die Ausbildung von Blasen unter dem Kuppeldach verhindert. Es entstehen daher keine Blasenfallen, die die Messung des Sensors beeinflussen.
Da die abgerundeten Seitenwände der Kuppel des Eisprotektors erhalten bleiben, wird weiterhin erreicht, dass das im Tank gebildete Eis über den Protektor gleitet und den im Tank angeordneten Teil des Sensors, insbesondere die vorgesehenen Spiegel und Reflektoren, nicht beschädigt. Die Kräfte, die durch das durch die vollständig offene Oberseite der Kuppel eindringende Eis verursacht werden, stellen hierbei keine große Gefahr für den innerhalb des Protektors angeordneten Teil des Sensors dar und werden letztendlich in Kauf genommen.
Das zweite wichtige Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Eisprotektor einstückig mit dem Sensorboden oder dem Tankboden ausgebildet ist. Wenn der Sensor einen eigenen Boden hat, die auf dem Tankboden angeordnet ist, bilden Sensorboden und Eisprotektor eine Einheit. Hat der Sensor keinen eigenen Boden und ist der entsprechende Teil des Sensors direkt auf dem Tankboden befestigt, bildet der Eisprotektor mit dem Tankboden eine Einheit. In beiden Fällen wird ein zusätzliches Teil, das am Sensorboden oder Tankboden befestigt werden muss, vermieden. Es entfallen daher verschiedene Fertigungsschritte (Zusammenführung des Eisprotektors mit dem jeweiligen Boden, entsprechende Befestigung etc.).
In Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei der gefrierfähigen Flüssigkeit insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung. Der Sensor ist vorzugsweise ein Ultraschallsensor, wobei mit dem Sensor sowohl die Konzentration als auch der Füllstand der gefrierfähigen Flüssigkeit im Tank ermittelt werden kann. Zur Konzentrationsmessung wird beispielsweise die Laufzeit des Schalls innerhalb der Flüssigkeit mit bis zu zwei mit verschiedenem Abstand zum Sender angeordneten Reflektoren gemessen. Bei der Füllstandsmessung findet eine Messung der Laufzeit bis zur Flüssigkeitsoberfläche statt, an der der Ultraschall reflektiert wird. Da der erfindungsgemäß vorgesehene Einsprotektor eine vollständig offene Oberseite aufweist, ist eine Umlenkung der Ultraschallwelle aus ihrer Horizontalrichtung parallel zum Boden des Sensors vertikal nach oben durch die oben offene Oberseite des Eisprotektors möglich.
Wichtig ist, dass der erfindungsgemäß vorgesehene Eisprotektor eine ausreichende Steifigkeit besitzt, um eine entsprechende Schutzfunktion für den im Tank angeordneten Teil des Sensors auszuüben. Um diese Schutzfunktion zu erreichen, ist die Kuppel des Eisprotektors vorzugsweise durch Versteifungsrippen verstärkt. Dabei weist die Kuppel insbesondere auf ihrer Außenseite ein Gebilde aus längsgerichteten und/oder quergerichteten Versteifungsrippen auf. Diese sich kreuzenden Versteifungsrippen stellen eine große Steifigkeit mit geringem Materialaufwand sicher.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung besteht darin, dass Teile des Sensors, insbesondere Ultraschallsensors, von der Kuppel des Eisprotektors abgehängt sein können. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind daher die entsprechenden Teile des Sensors nicht am Sensorboden oder Tankboden befestigt, sondern vom oberen Bereich der Kuppel des Eisprotektors gelagert. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Lagerung der Referenzen (Reflektoren) und/oder Spiegel des Sensors handeln. Bevorzugt wird dabei eine Ausführungsform, bei der sich ein Balken über die offene Oberseite des Eisprotektors erstreckt, von dem die entsprechenden Sensorteile, insbesondere die Referenzstruktur, abgehängt sind. Diese Ausführungsform der Abhängung bietet besondere Vorteile für den Fall, dass sich Blasen im Bereich des Bodens des Sensors bzw. Tanks, insbesondere an den dort vorgesehenen Reflektoren oder Spiegeln, bilden. Die entsprechenden Teile können daher durch diese Art der Befestigung im Abstand vom Boden angeordnet werden.
Eine Blasenbildung im Schallpfad des Ultraschallsensors wird daher durch die vollständig offene Oberseite des Eisprotektors verhindert, andererseits auch eine spezielle Befestigung der Sensorteile (Reflektoren, Spiegel) durch Abhängung von der Oberseite der Kuppel ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Flüssigkeitstank mit Sensor zur Bestimmung der Konzentration und des Füllstandes der Flüssigkeit;
2 eine räumliche Darstellung einer aus Sensorboden und Eisprotektor bestehenden Einheit; und
3 eine weitere Ausführungsform einer aus Sensorboden und Eisprotektor bestehenden Einheit mit Vorrichtung zum Abhängen der Sensorreferenz.

Der in 1 im schematischen Vertikalschnitt dargestellte Tank 1 ist Teil einer Einrichtung zur Einführung einer wässrigen Harnstofflösung in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges. Die entsprechenden Zuleitungen zum Tank und Ableitungen vom Tank sind hier nicht dargestellt. Die Oberfläche der im Tank 1 befindlichen wässrigen Harnstofflösung ist mit 12 bezeichnet.
Um die Konzentration und den Füllstand der wässrigen Harnstofflösung im Tank 1 zu messen, ist ein Ultraschallsensor vorgesehen, dessen Teile hier schematisch dargestellt sind.
Der Ultraschallsensor besitzt einen als Sender und Empfänger wirkenden Ultraschallwandler 7, der an der Unterseite des Bodens 6 des Tanks 1 angeordnet ist. Im Inneren des Tanks 1 befindet sich eine aus einem Sensorboden 3 und einem kuppelförmigen Eisprotektor 2 bestehende Einheit, die einstückig ausgebildet ist und aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt ist. Die Oberseite der Kuppel des Eisprotektors ist vollständig offen. Die Kuppel weist hierbei eine etwa ovale Oberseitenöffnung 5 auf. Innerhalb der aus Eisprotektor und Sensorboden 3 bestehenden Einheit 2 befinden sich weitere Teile des Ultraschallsensors, nämlich ein erster Schallspiegel 8, eine Referenz, die zwei Reflektoren 9, 10 aufweist, und ein zweiter Schallspiegel 11. Die vom Ultraschallwandler 7 abgegebene Ultraschallwelle trifft dabei auf den ersten Schallspiegel 8 und wird horizontal umgelenkt. Sie trifft auf ihrem horizontalen Pfad auf die beiden Reflektoren 9, 10 und wird von diesen zurück zum Empfänger reflektiert. Ein weiterer Teil der Schallwelle trifft auf den zweiten Schallspiegel 11 und wird von diesem nach oben abgelenkt. Dieser Teil trifft auf die Oberfläche 12 der Harnstofflösung, wird von dieser reflektiert und gelangt auf dem gleichen Weg zurück zum Empfänger. Über eine entsprechende Laufzeitmessung können die Konzentration und der Füllstand der Harnstofflösung ermittelt werden.
Der kuppelförmig ausgebildete Eisprotektor, der einen Teil der Einheit 2 bildet, besitzt eine abgerundete Seitenwand 4, so dass beim Gefrieren der Harnstofflösung im Tank 1 gebildetes Eis nach oben über die Teile des Ultraschallsensors hinweg geleitet wird und diese Teile nicht beschädigt. Die ovale Oberseitenöffnung 5 des Eisprotektors verhindert die Ansammlung von Blasen innerhalb des Protektors, die sich auf die Ultraschallmessung nachteilig auswirken.
2 zeigt die aus dem Eisprotektor und dem Sensorboden 3 gebildete einstückige Einheit in schematischer Ansicht. Die Kuppel des Eisprotektors ist oben offen und weist dort eine etwa ovale Oberseitenöffnung 5 auf. Die Seitenwand des Eisprotektors ist entsprechend abgerundet, so dass gebildetes Eis nach oben abgelenkt wird und nicht auf die Sensorteile trifft.
3 zeigt eine schematische räumliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer aus Sensorboden 3 und Eisprotektor bestehenden einstückigen Einheit 2. Diese Einheit 2 ist auf ihrer Oberseite mit einem die ovale Oberseitenöffnung 5 überbrückenden Balken 14 versehen, an dem die aus den Reflektoren 9, 10 bestehende Referenz aufgehängt ist (nicht gezeigt). Hierdurch wird die Referenz im Abstand vom Boden 3 gelagert, so dass dort angesammelte Blasen die Messung nicht stören.
Um die Seitenwand 4 der Einheit 2 zu versteifen, ist bei beiden Ausführungsformen der 2 und 3 auf deren Außenseite ein Gebilde aus längsgerichteten und quergerichteten Versteifungsrippen 13 vorgesehen.

Claims

Einrichtung zur Einführung einer gefrierfähigen Flüssigkeit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Tank zur Aufnahme der gefrierfähigen Flüssigkeit, einem Sensor zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Füllstandes der gefrierfähigen Flüssigkeit im Tank, der zumindest zum Teil im Tank am Boden desselben angeordnet ist, und einem kuppelförmigen Eisprotektor mit abgerundeten, nach oben zusammenlaufenden Seitenflächen zum Schutz des im Tank befindlichen Teiles des Sensors, wobei der Eisprotektor (2) einstückig mit einem Sensorboden (3) oder dem Tankboden (6) ausgebildet ist und dass die Kuppel des Eisprotektors (2) eine vollständig offene Oberseite aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der gefrierfähigen Flüssigkeit um eine wässrige Harnstofflösung handelt.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um einen Ultraschallsensor handelt.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppel des Eisprotektors (2) eine etwa ovale Oberseitenöffnung (5) aufweist.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppel des Eisprotektors (2) mit Versteifungsrippen (13) verstärkt ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppel auf ihrer Außenseite ein Gebilde aus längsgerichteten und/oder quergerichteten Versteifungsrippen (13) besitzt.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Sensors von der Kuppel des Eisprotektors (2) abgehängt sind.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Balken (14) über die offene Oberseite (5) des Eisprotektors (2) erstreckt, von dem die Teile des Sensors abgehängt sind.