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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Bestimmen der Qualität eines flüssigen Reduktionsmittels. Die Erfindung betrifft auch einen Reduktionsmitteltank und ein Abgasreduktionssystem mit einer solchen Messvorrichtung.
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Stand der Technik
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Die Abgase von Verbrennungsmotoren, wie sie in PKW und LKW zum Einsatz kommen, müssen gesetzlich vorgegebene Grenzwerte einhalten. Um diese Grenzwerte zu erfüllen, kommen Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, deren Ziel es ist, die Partikel- und Stickoxidkonzentration in den Abgasen zu senken.
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Die in den Abgasnachbehandlungssystemen verwendeten Filter und Katalysatoren erfordern häufig, insbesondere bei Dieselmotoren, dass Oxidations- und/oder Reduktionsmittel in den Abgasstrang eingebracht werden.
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Ein Beispiel für ein solches Reduktionsmittel ist eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL), die in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingebracht wird, um in einem nachfolgenden SCR-Katalysator eine selektive katalytische Reduktion (SCR) der Abgase zu ermöglichen.
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Entscheidend für die Qualität der Abgasnachbehandlung, d.h. für die Reduzierung der Schadstoffkonzentration in den Abgasen, ist das Einbringen einer zum aktuellen Betriebszustand (z.B. Abgasmassenstrom, Abgastemperatur u.a.) des Systems passenden Reduktionsmittelmenge.
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Eine Grundlage für die Berechnung der richtigen Reduktionsmittelmenge ist, dass sich ein standardisiertes Reduktionsmittel, insbesondere eine HWL gemäß ISO 22241-1, im Reduktionsmitteltank befindet. Um eine Fehlbetankung (z.B. mit Kraftstoff) oder sonstige Verunreinigungen des Reduktionsmittels zu erkennen, ist ein Qualitätssensor vorgesehen, der sich im Reduktionsmitteltank befindet. Der Qualitätssensor kann beispielsweise am Boden des Reduktionsmitteltanks oder innerhalb eines dort befindlichen Fluid-Fördermoduls angeordnet sein.
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Der Qualitätssensor umfasst eine Messvorrichtung, die beispielsweise auf dem Prinzip der Laufzeitmessung eines Schallsignals, insbesondere eines Ultraschallsignals basiert. Ein Fremdmedium, in dem sich die Schallgeschwindigkeit von der Schallgeschwindigkeit in einem standardkonformen Reduktionsmittel unterscheidet, kann so aufgrund einer abweichenden Laufzeit des (Ultra-)Schallsignals durch das Reduktionsmittel erkannt werden.
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Aufgrund des beschränkten Bauraumes im Reduktionsmitteltank ist die Messstrecke, die von dem (Ultra-)Schallsignal durchlaufen wird, meist relativ kurz. Daher können bereits kleine Längenänderungen, wie sie z.B. aufgrund von Temperaturänderungen oder Fertigungstoleranzen auftreten können, einen signifikanten Einfluss auf die Messgenauigkeit des Qualitätssensors haben.
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Offenbarung der Erfindung:
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Messgenauigkeit und die Zuverlässigkeit einer Messvorrichtung zum Bestimmen der Qualität eines flüssigen Reduktionsmittels zu verbessern und insbesondere den Einfluss von Änderungen der Länge der Messstrecke auf das Messergebnis zu verringern oder ganz zu eliminieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Messvorrichtung zum Bestimmen der Qualität eines flüssigen Reduktionsmittels, das zur Reduktion von Stickoxiden in den Abgasen eines Verbrennungsmotors verwendet wird, einen Schallgeber, der ausgebildet ist, ein Schallsignal zu erzeugen; einen Schallsensor, der ausgebildet ist, das von dem Schallgeber erzeugte Schallsignal zu detektieren; und einen Schallkanal, der so ausgebildet ist, dass ein von dem Schallgeber erzeugtes Schallsignal den Schallkanal durchläuft, bevor es von dem Schallsensor detektiert wird. Der Schallkanal ist dabei so ausgebildet, dass er wenigstens eine Krümmung aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch einen Reduktionsmitteltank mit einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Abgasreduktionssystem zur Reduktion von Stickoxiden in den Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Reduktionsmitteltank und mit einer Einspritzvorrichtung, die ausgebildet ist, Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors einzuspritzen.
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Dadurch, dass der Schallkanal gekrümmt ausgebildet ist, kann der Schallkanal innerhalb eines vorgegebenen Bauraumes so ausgebildet werden, dass der Schall im Vergleich zu einem geradlinig ausgebildeten Schallkanal eine längere Wegstrecke zurücklegt. Dadurch können die Laufzeiten der Schallsignale verlängert werden. Im Ergebnis kann die Genauigkeit der Laufzeitmessung signifikant verbessert werden, ohne dass für den Schallkanal ein wesentlich größerer Bauraum benötigt wird.
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In einer Ausführungsform ist der Schallkanal in sich geschlossen, insbesondere ringförmig, ausgebildet. Ein in sich geschlossener, insbesondere ringförmig, ausgebildeter Schallkanal ermöglicht eine besonders kompakte Bauform des Schallkanals. Insbesondere kann ein in sich geschlossener/ringförmiger Schallkanal platzsparend in einen (runden) Reduktionsmitteltank integriert werden.
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In einer Ausführungsform sind der Schallgeber und/oder der Schallsensor als kostengünstiges Piezo-Element ausgebildet.
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In einer Ausführungsform sind der Schallgeber und der Schallsensor Platz und Ressourcen sparend in einem gemeinsamen Signalgeber integriert, so dass der Signalgeber sowohl als Schallgeber als auch als Schallsensor einsetzbar ist. Insbesondere kann dasselbe (Piezo-) Element in einem integrierten Signalgeber wahlweise als Schallgeber und als Schallsensor eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte und kostengünstige Messvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
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In einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung zusätzlich einen in dem Schallkanal angeordneten Reflektor auf, der ausgebildet ist, das Schallsignal zu reflektieren. Ein Reflektor ermöglicht es, den Schallgeber und den Schallsensor am selben Ende des Schallkanals anzuordnen. Dies ermöglicht es insbesondere, den Schallgeber und den Schallsensor in einem kompakten Signalgeber zu integrieren, der an einem Ende des Schallkanals angeordnet ist. Der Aufbau der Messvorrichtung kann so vereinfacht und kostengünstiger realisiert werden. Darüber hinaus kann die effektive Länge des Schallkanals durch den Einsatz eines Reflektors verdoppelt werden, da der Schall bei Verwendung eines Reflektors zweimal durch den Schallkanal läuft, bevor er von dem Schallsensor detektiert wird.
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In einer Ausführungsform steht der Schallkanal in thermischem Kontakt mit einem Heizelement. Auf diese Weise wird im Schallkanal befindliches Reduktionsmittel schnell aufgetaut und die Qualität des Reduktionsmittels im Reduktionsmitteltank kann frühzeitig bestimmt werden, nachdem damit begonnen wurde, eingefrorenes Reduktionsmittel aufzutauen.
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In einer Ausführungsform weist der Schallkanal eine erste Halbschale und eine zweite Halbschale auf, die gemeinsam den Schallkanal bilden, wobei in wenigstens einer der Halbschalen ein Heizelement vorhanden ist. Eine solche Anordnung ermöglicht ein noch schnelleres Auftauen von Reduktionsmittel, das sich im Schallkanal befindet.
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Insbesondere sind die Wärmeübergangswiderstände zwischen dem Heizelement und dem Schallkanal minimiert. Darüber hinaus profitiert der Auftauprozess von der Richtung des konvektiven Wärmetransports.
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In einer Ausführungsform ist der Schallkanal ringförmig um eine Reduktionsmittelpumpe ausgebildet, die in dem Reduktionsmitteltank angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders platzsparend Anordnung des Schallkanals im Reduktionsmitteltank. Darüber hinaus kann in diesem Fall ein gemeinsames Heizelement zum schnellen Auftauen von Reduktionsmittel, das sich im Schallkanal und in der Reduktionsmittelpumpe befindet, verwendet werden.
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Der Schallkanal kann einen runden, insbesondere kreisrunden oder elliptischen, Querschnitt oder eckigen, insbesondere einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben. Der Schallkanal kann insbesondere als Torus ausgebildet sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.
- 2 veranschaulicht das Messprinzip einer Schallmessvorrichtung, wie es in Ausführungsbeispielen der Erfindung zum Einsatz kommt.
- 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Messvorrichtung, die in ein Fluid-Fördermodul integriert ist.
- 6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Messvorrichtung, die in ein Fluid-Fördermodul integriert ist.
- 7 zeigt eine Messvorrichtung mit einem integrierten Heizelement.
- Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zum Einspritzen eines in einem Reduktionsmitteltank 2 gespeicherten Reduktionsmittels (Fluid) 6, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung (HWL), in einen Abgasstrang 12 eines Verbrennungsmotors 14, insbesondere eines Dieselmotors 14.
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Beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird Fluid 6 von einem in den Tank 2 integrierten Fluid-Fördermodul 4 aus dem Tank 2 entnommen und unter erhöhtem Druck durch eine Druckleitung 8 einer Einspritzvorrichtung 10 zugeführt, die unmittelbar am Abgasstrang 12 angeordnet ist. Die Einspritzvorrichtung 10 spritzt das Fluid 6 in den Abgasstrang 12 ein, wo es sich mit den durch den Abgasstrang 12 strömenden Abgasen 16 des Verbrennungsmotors 14 vermischt.
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In einem stromabwärts der Einspritzvorrichtung 10 angeordneten SCR-Katalysator 18 werden die in den Abgasen 16 enthaltenen Stickoxide zu Wasser und Stickstoff reduziert.
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Die Menge des eingespritzten Fluids 6 wird von einer Steuervorrichtung 20 gesteuert, die mit am/im Abgasstrang 12 angeordneten Temperatursensoren 22 und einem Stickoxid-Sensor 24 verbunden ist, der stromabwärts des SCR-Katalysators 18 am/im Abgasstrang 12 angebracht ist.
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Die Steuervorrichtung 20 ist auch mit einer Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verbunden. Die Messvorrichtung 26 ist im Reduktionsmitteltank 2 angeordnet, um die Qualität des Reduktionsmittels 6 zu überwachen. Die Messvorrichtung 26 kann innerhalb oder außerhalb des Fluid-Fördermoduls 4 angeordnet sein.
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2 veranschaulicht schematisch das Messprinzip einer (Ultra-) Schallmessvorrichtung, wie es in Ausführungsbeispielen der Erfindung zum Einsatz kommt: Die Messvorrichtung 26 umfasst typischerweise einen Signalgeber 28, z.B. mit einem Piezo-Element, der als Schallgeber 27 und Schallempfänger 29 fungiert, sowie eine in einiger Entfernung von dem Signalgeber 28 positionierte Schallreflexionsplatte (Reflektor) 30. Zwischen dem Signalgeber 28 und dem Reflektor 30 ist ein Schallkanal 32 ausgebildet, durch den sich der von dem Schallgeber 27 abgegebene Schall zum Reflektor 30 ausbreitet und, nachdem er von dem Reflektor 30 reflektiert worden ist, zurück zum Schallempfänger 29 gelangt, wo er detektiert wird. Der Schallkanal 32 ist mit dem zu überwachenden Fluid (Reduktionsmittel) gefüllt. Eine Auswertungsvorrichtung 31 bestimmt die Laufzeit t des Schallsignals durch den Schallkanal 32. Wenn die Länge L des Schallkanals 32 bekannt ist, kann aus der Laufzeit t des Schallsignals durch den Schallkanal 32 auf die Qualität des Fluids im Schallkanal 32 geschlossen werden.
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Die Länge L des Schallkanals 32 und damit der Messstrecke ist häufig durch den zur Verfügung stehenden Bauraum beschränkt, z.B. auf 40 mm. Demzufolge haben bereits kleine Längenänderungen, die z.B. aufgrund von Temperatureinflüssen oder Fertigungstoleranzen auftreten können, einen signifikanten Einfluss auf die Messgenauigkeit der Messvorrichtung 26.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Einfluss von Temperaturänderungen und Fertigungstoleranzen auf das Messergebnis zu reduzieren, ohne den für die Messvorrichtung 26 benötigten Bauraum signifikant zu vergrößern.
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3 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Messvorrichtung 26 umfasst einen Signalgeber 28, der sowohl als Schallgeber 27 als auch als Schallempfänger 29 dient und der innerhalb eines ringförmig geschlossenen Schallkanals 32 angeordnet ist. Der Schallkanal 32 kann einen runden, z.B. eine kreis- oder ellipsenförmigen, oder einen rechteckigen/quadratischen Querschnitt haben und beispielsweise als Torus ausgebildet sein. Der Schallkanal 32 kann auch eine andere Form aufweisen, die zur Führung von (Ultra-)Schall geeignet ist.
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Durch einen ringförmig ausgebildeten Schallkanal 32 kann die Laufstrecke des Schalls verlängert werden, ohne den Bauraum des Schallkanals 32 signifikant zu vergrößern. Insbesondere kann auch in einem üblichen Reduktionsmitteltank 2 eine Schalllaufstrecke realisiert werden, die deutlich länger als 40 mm ist.
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In dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Schall vom Signalgeber 28 in beide Richtungen, d.h. im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, in den Schallkanal 32 abgegeben. Die in die beiden Richtungen abgegebenen Schallwellen treffen sich an einer Stelle 33 des Schallkanals 32, die dem Signalgeber 28 (in einem Winkel von 180° entlang des Umfangs des Schallkanals 32) gegenüberliegt. Vor dieser Stelle 33 aus laufen die reflektierten Schallwellen wieder zurück zum Schallgeber 28. Der halbe Umfang des kreisförmigen Schallkanals 32 entspricht somit dem linearen Schallkanal 32, wie er in der 2 gezeigt ist.
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4 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung 26 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Signalgeber 28 auf einer Seite mit einer reflektierenden Rückwand (Reflektor) 30 versehen. Der Schall wird daher vom Signalgeber 28 nur in eine Richtung (im gezeigten Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn) abgegeben und nur aus einer Richtung (gegen den Uhrzeigersinn) empfangen. Demzufolge steht der gesamte Umfang des Schallkanals 32 (abzüglich der Dicken des Signalgebers 28 und der Rückwand 30) als Länge L der Messstrecke zur Verfügung.
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Die 5 und 6 zeigen in schematischen Ansichten, wie eine Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in ein Fluid-Fördermodul 4 integrierbar ist. Dabei zeigt 5 eine schematische Draufsicht, und 6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Fluid-Fördermoduls 4.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schallkanal 32 als Torus ausgebildet, der konzentrisch um ein Pumpenmodul 38 angeordnet ist. Der Schallkanal 32 ist auch konzentrisch zu einer Schweißnaht 34 ausgebildet, die das Fluid-Fördermodul 4 mit dem Boden 3 des Fluidtanks 2 verbindet.
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Die in den 5 und 6 gezeigte Konfiguration des Schallkanals 32 ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung der Messvorrichtung 26 im Fluidtank 2 bzw. im Fluid-Fördermodul 4.
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Ein weiterer Vorteil der in den 5 und 6 gezeigten Anordnung ist, dass im Falle von Eisbildung ein Heizelement 36, insbesondere ein ebenfalls konzentrisch im Fluid-Fördermodul 4 angeordnetes Heizelement 36, sowohl das Pumpenmodul 38 als auch den Schallkanal 32 zügig auftauen kann.
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Ein Beispiel für die Integration eines solchen Heizelements 40 in eine Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 7 gezeigt.
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Der Schallkanal 32 ist in diesem Fall aus einer unteren Halbschale 40 und einer oberen Halbschale 42 gebildet. Die obere Halbschale 42 ist auf die untere Halbschale 36 aufgesetzt und mit dieser verbunden, z.B. verschweißt.
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In wenigstens einer der beiden Halbschalen 40, 42 sind Öffnungen 44, z.B. in Form von Löchern oder Schlitzen ausgebildet. Die Öffnungen 44 sind über den Umfang der Halbschale 40, 42 verteilt und ermöglichen es Fluid, in den Schallkanal 32 zu gelangen.
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Eine Anordnung, wie sie in der 7 gezeigt ist, erlaubt ein besonders schnelles Auftauen eingefrorenen Fluids.
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Insbesondere sind die Wärmeübergangswiderstände zwischen dem Heizelement 36 und dem Schallkanal 32 aufgrund des gemeinsam genutzten Kunststoffbereichs, z.B. ist die untere Halbschale 40 zugleich die Umspritzung des Heizelements 36, minimiert. Zudem profitiert der Auftauprozess von der Richtung des konvektiven Wärmetransports.
