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Die Erfindung betrifft eine Schallsensoreinheit zum Bestimmen der Qualität eines Fluids, insbesondere eines Reduktionsmittels, das zur Reduktion von Stickoxiden in den Abgasen eines Verbrennungsmotors verwendet wird. Die Erfindung betrifft auch einen Tank, in dem eine erfindungsgemäße Sensoreinheit angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Um die gesetzlichen Vorgaben für Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu erfüllen, ist es insbesondere bei Dieselmotoren erforderlich, die Stickoxide (NOx) in den Abgasen zu reduzieren. Hierfür werden Abgasnachbehandlungssysteme mit SCR-Katalysatoren (SCR = „Selective Catalytic Reduction“) eingesetzt, welche die Stickoxide selektiv in Stickstoff reduzieren. Als Reduktionsmittel wird hierbei eine wässrige Harnstofflösung verwendet. Die wässrige Harnstofflösung wird vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingebracht, bildet den für die Reduktion benötigten Ammoniak und führt zur gewünschten Reduktion der Stickoxide. Das Reduktionsmittel ist in ausreichender Menge und Qualität in einem Tank des Fahrzeugs bereitzustellen. Bei einer zu geringen Qualität bzw. Konzentration der Harnstofflösung nimmt der Wirkungsgrad der Stickoxidreduktion deutlich ab. Bei einem zu hohen Harnstoffanteil reagiert das gebildete Ammoniak nicht mit den Stickoxiden im Abgas und Ammoniak wird emittiert. Daher muss die Qualität bzw. Konzentration der wässrigen Harnstofflösung im Tank regelmäßig bestimmt werden. Insbesondere muss auch eine unzulässige Nachbetankung mit Wasser anstelle von Harnstofflösung erkannt werden.
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Da die Schallgeschwindigkeit in der Harnstofflösung eine Funktion der Harnstoff-Konzentration ist, kann die Harnstoff-Konzentration in der Harnstofflösung durch Bestimmen der Laufzeiten von (Ultra-)Schallsignalen entlang einer vorgegebenen Schallmessstrecke bestimmt werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Genauigkeit der Laufzeitbestimmung zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung:
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Sensoreinheit zum Bestimmen der Qualität eines Fluids, insbesondere eines flüssigen Reduktionsmittels, das in einem Tank gespeichert ist, einen Schallwandler, der ausgebildet ist, Schall auszusenden und zu empfangen, und einen Schallreflektor, der ausgebildet ist, von dem Schallwandler ausgesendeten Schall zu reflektieren. Der Schallwandler und der Schallreflektor sind derart einander gegenüberliegend angeordnet, dass zwischen dem Schallwandler und dem Schallreflektor eine Schallmessstrecke ausgebildet ist. Die Sensoreinheit weist zusätzlich ein mechanisches Verstärkungselement auf, das sich zumindest teilweise entlang der Schallmessstrecke erstreckt. Das Verstärkungselement ist ausgebildet, die Sensoreinheit mechanisch zu verstärken, um die Verformbarkeit der Schallmessstrecke durch äußere Einflüsse zu reduzieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch einen Tank zur Speicherung eines Fluids, insbesondere eines flüssigen Reduktionsmittels, mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit. Die Sensoreinheit kann insbesondere an einem Boden des Tanks angeordnet sein.
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Durch das mechanische Verstärkungselement wird die Steifheit der Schallmessstrecke erhöht, so dass die Stabilität der Schallmessstrecke gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen, insbesondere Zug/Druck, Biegung, Torsion und Wärmeausdehnung, verbessert wird. Änderungen der entlang der Schallmessstrecke gemessenen Schalllaufzeiten, die sich aus Verformungen der Schallmessstrecke ergeben und Messfehler zur Folge haben, können so deutlich reduziert werden. Die Genauigkeit der Bestimmung der Qualität des im Tank gespeicherten Fluids (Reduktionsmittels) auf Grundlage der gemessenen Schalllaufzeiten kann auf diese Weise erheblich verbessert werden.
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In einer Ausführungsform ist das Verstärkungselement L-förmig ausgebildet.
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Ein L-förmig ausgebildetes Verstärkungselement umfasst insbesondere einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel. Der erste Schenkel erstreckt sich parallel zur Schallmessstrecke, und der zweite Schenkel erstreckt sich im Wesentlichen orthogonal zur Schallmessstrecke.
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Insbesondere erstreckt sich der erste Schenkel in horizontaler Richtung, und der zweite Schenkel erstreckt sich in vertikaler Richtung, wenn die Sensoreinheit in ihrer Betriebsposition im Tank eingebaut ist.
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Durch ein L-förmig ausgebildetes Verstärkungselement kann mit geringem Materialeinsatz eine gute mechanische Stabilität der Sensoreinheit erreicht werden.
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In einer Ausführungsform ist das Verstärkungselement U-förmig ausgebildet.
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Ein U-förmig ausgebildetes Verstärkungselement umfasst insbesondere einen ersten Schenkel, einen zweiten Schenkel und einen zwischen den beiden Schenkeln ausgebildeten Verbindungsbereich. Der erste und der zweite Schenkel erstrecken sich parallel zueinander auf beiden Seiten entlang der Schallmessstrecke. Der Verbindungsbereich erstreckt sich im Wesentlichen orthogonal zur Schallmessstrecke. Der Verbindungsbereich kann sich insbesondere parallel zum Schallwandler und/oder parallel zum Schallreflektor erstrecken. Der Schallwandler und/oder der Schallreflektor sind insbesondere vor dem Verbindungsbereich, d.h. innerhalb des von dem Verstärkungselement ausgebildeten „U“, angeordnet.
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Durch ein derartiges, U-förmig ausgebildetes Verstärkungselement kann eine hohe mechanische Stabilität der Sensoreinheit erreicht werden.
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In einer Ausführungsform sind an den Schenkeln des Verstärkungselements, insbesondere an den von dem Verbindungsbereich abgewandten Enden der Schenkel, Vorsprünge und/oder gekröpfte Endbereiche ausgebildet. Die Vorsprünge und/oder gekröpften Endbereiche ermöglichen es, das Verstärkungselement an dem Schallwandler oder dem Schallreflektor zu fixieren, um die mechanische Stabilität der Sensoreinheit noch weiter zu erhöhen.
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In einer Ausführungsform ist das Verstärkungselement käfigförmig mit einem Dachbereich und mit einem Bodenbereich ausgebildet, die sich jeweils parallel zur Messstrecke zwischen dem Schallwandler und dem Schallreflektor erstrecken.
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Durch ein derartige käfigförmig ausgebildetes Verstärkungselement kann eine sehr hohe mechanische Stabilität des Verstärkungselements erreicht werden.
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In einer Ausführungsform sind der Dachbereich und/oder der Bodenbereich des Verstärkungselements rahmenförmig mit zwei parallel zueinander ausgerichteten Schenkeln und mit einem Verbindungsbereich ausgebildet, der sich zwischen den beiden Schenkeln erstreckt. Mit einem käfigförmig ausgebildeten Verstärkungselement, das einen rahmenförmigen Dachbereich und/oder einen rahmenförmigen Bodenbereich aufweist, kann mit geringen Materialeinsatz eine besonders hohe mechanische Stabilität erreicht werden.
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In einer Ausführungsform weist das Verstärkungselement Verstärkungsrippen auf, die sich schräg/diagonal zwischen dem Dachbereich und dem Bodenbereich erstrecken. Durch derartige Verstärkungsrippen kann die mechanische Stabilität der Sensoreinheit noch weiter erhöht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Fluidtank mit einer Sensoreinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2a zeigt in eine perspektivische Ansicht einer Sensoreinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2b zeigt eine semitransparente Ansicht der in der 2a gezeigten Sensoreinheit.
- 3 und 4 zeigen schematische seitliche Schnittansichten von Sensoreinheiten, die gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ausgebildet sind.
- 5 bis 9 zeigen perspektivische Ansichten weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Sensoreinheiten.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fluidtanks 2 zur Speicherung eines Fluids 4, insbesondere eines flüssigen Reduktionsmittels 4 zur Abgasreduktion, z.B. einer wässrigen Harnstofflösung, mit einer Sensoreinheit 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Sensoreinheit 3 ist am Boden 1 des Tanks 2 angeordnet und umfasst einen Schallwandler 6, beispielsweise einen piezoelektrischen Schallwandler 6, der ausgebildet ist, Schallsignale 10, 12, insbesondere Ultraschallsignale, auszusenden und zu empfangen. D. h. der piezoelektrische Schallwandler 6 dient sowohl als Schallsender 6a als auch als Schallempfänger 6b. Der Schallsender 6a und der Schallempfänger 6b können auch separat voneinander ausgebildet sein.
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Im Betrieb sendet der Schallwandler 6 ein Schallsignal 10 in das im Tank befindliche Fluid 4. Die Schallwellen des vom Schallwandler 6 ausgesendeten Schallsignals 10 durchlaufen eine definierte Messstrecke M in dem Fluid 4. Wenigstens ein Teil des Schallsignals 10 wird an einem Reflektor 8, der an einem dem Schallwandler 6 gegenüberliegenden Ende der Messstrecke M angeordnet ist, reflektiert und gelangt nach erneutem Durchlaufen der Messstrecke M wieder zu dem nun als Schallempfänger 6b arbeitenden Schallwandler 6. Aus der zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des Schallsignals 10, 12 gemessenen Laufzeit t kann bei bekannter Länge L der Messstrecke M die Schallgeschwindigkeit im Fluid 4 bestimmt werden.
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Mit einem ebenfalls im Tank 2 angebrachten Temperatursensor 7 kann die Temperatur T des Fluids 4 bestimmt werden.
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Da die Schallgeschwindigkeit im Fluid 4 eine bekannte Funktion der Konzentration und der Temperatur T des Fluids 4, insbesondere wässriger Harnstofflösung, ist, kann aus der gemessenen Temperatur T und der aus der gemessenen Laufzeit t ermittelten Schallgeschwindigkeit die Konzentration des Fluids 4 bestimmt werden.
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2a zeigt in eine perspektivische Ansicht einer Sensoreinheit 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und 2b zeigt eine semitransparente Ansicht der in der 2a gezeigten Sensoreinheit 3.
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Die Sensoreinheit 3 hat einen Basiskörper 14, auf dem sich eine Messstreckeneinheit 16 befindet, die zur Kontrolle der Qualität des Fluids 4 im Tank 2 vorgesehen ist. Die Messstreckeneinheit 16 umfasst eine Messstrecke M mit einem Schallwandler 6 und einem dem Schallwandler 6 gegenüberliegend angeordneten Reflektor 8, wie es im Zusammenhang mit der 1 beschrieben worden ist.
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Die in den 2a und 2b gezeigte Sensoreinheit 3 weist darüber hinaus eine Füllhöhen-Messstrecke 20 auf, die zur Bestimmung der Füllhöhe des Fluids 4 im Tank 2 vorgesehen ist. Die Füllhöhen-Messstreckeneinheit 20 ist weder Gegenstand der vorliegenden Erfindung noch Voraussetzung hierfür.
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In die Messstreckeneinheit 16 zur Qualitätskontrolle ist ein Verstärkungselement 18 eingearbeitet, das sich zumindest teilweise entlang der Schallmessstrecke M erstreckt. Das Verstärkungselement 18 ist ausgebildet, die Messstreckeneinheit 16 mechanisch zu verstärken, um ein unerwünschtes Verformen der Schallmessstrecke M aufgrund äußerer Einflüsse, wie z.B. Zug/Druck, Biegung, Torsion und Wärmeausdehnung, zu reduzieren.
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Das Verstärkungselement 18 kann insbesondere aus Metall oder einem besonders stabilen Kunststoff ausgebildet sein. Das Verstärkungselement 18 wird beispielsweise mit dem Material der Messstreckeneinheit 16 umspritzt, um das Verstärkungselement 18 in die Messstreckeneinheit 16 zu integrieren.
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An den Stellen, an denen das Verstärkungselement 18 während des Umspritzens von einem in den Figuren nicht gezeigten Werkzeug gehalten worden ist, sind Aussparungen 17 in der Messstreckeneinheit 16 ausgebildet, in denen das Verstärkungselement 18 sichtbar ist.
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Die 3 und 4 zeigen schematische seitliche Schnittansichten von Sensoreinheiten 3, die gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ausgebildet sind.
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Das in den 3 und 4 gezeigte Verstärkungselement 18 ist in der Seitenansicht L-förmig ausgebildet. Das Verstärkungselement 18 umfasst einen ersten Schenkel 18a und einen zweiten Schenkel 18. Der erste Schenkel 18a erstreckt sich parallel zur der Schallmessstrecke M. Der zweite Schenkel 18b erstreckt sich im Wesentlichen orthogonal zum ersten Schenkel 18a parallel zum Schallwandler 6 bzw. Schallreflektor 8. Wenn die Sensoreinheit 3 in ihrer Betriebsposition im Tank 2 eingebaut ist (vgl. 1), erstreckt sich der erste Schenkel 18a in im Wesentlichen horizontaler Richtung unterhalb der Schallmessstrecke M, und der zweite Schenkel 18b erstreckt sich in im Wesentlichen vertikaler Richtung.
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Das Verstärkungselement 18 kann beispielsweise aus einem gebogenen Metallblech oder aus einem geeigneten stabilen Kunststoffmaterial gefertigt sein.
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Das Verstärkungselement 18 kann zusätzlich wenigstens einen Verbindungssteg 18c aufweisen (siehe 4), der sich schrägt/diagonal zwischen den beiden Schenkeln 18a, 18b erstreckt, um die mechanische Stabilität des Verstärkungselements 18 noch weiter zu erhöhen. Insbesondere kann jeweils ein Verbindungssteg 18c auf beiden Seiten des Verstärkungselements 18 / Schallwandlers 6 angeordnet sein.
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Das L-förmige Verstärkungselement 18 kann auch in umgekehrter Orientierung, d.h. mit dem zweiten Schenkel 18b am Reflektor 8, angeordnet sein.
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Die 5 bis 8 zeigen alternative Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verstärkungselemente 19. Dabei zeigt 5 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinheit 3, und die 6 bis 8 zeigen jeweils eine schematische Draufsicht auf eine Sensoreinheit 3.
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In den in den 5 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Verstärkungselement 19 in der Draufsicht jeweils U-förmig ausgebildet.
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Das Verstärkungselement 19 umfasst jeweils einen ersten Schenkel 19a, einen zweiten Schenkel 19b und einen zwischen den beiden Schenkeln 19a, 19b ausgebildeten Verbindungsbereich 19c. Der erste und der zweite Schenkel 19a, 19b sind jeweils plattenförmig ausgebildet und erstrecken sich parallel zueinander auf beiden Seiten der Schallmessstrecke M entlang der Schallmessstrecke M (in horizontaler Richtung) und orthogonal zur Schallmessstrecke M (in vertikaler Richtung).
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Der Verbindungsbereich 19c erstreckt sich im Wesentlichen orthogonal zur Schallmessstrecke M zwischen den beiden Schenkeln 19a, 19b. Der Verbindungsbereich 19c erstreckt sich insbesondere an einem Ende der Schenkel 19a, 19b parallel zum Schallwandler 6 und/oder parallel zum Schallreflektor 8.
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Der Verbindungsbereich 19c ist hinter dem Schallwandler (siehe 6 und 7) oder hinter dem Schallreflektor 8 (siehe 8), d.h außerhalb der Schallmessstrecke M, angeordnet.
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Das andere, dem Verbindungsbereich 19c gegenüberliegende, Ende des Verstärkungselements 19 ist offen.
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An den Enden der Schenkel 19a, 19b am offenen Ende des Verstärkungselements 19 können Vorsprünge 19d, 19e, insbesondere gekröpfte Endbereiche 19d, 19e, ausgebildet sein, die ausgebildet sind, in das Gehäuse bzw. die Umspritzung des Schallwandlers 6 (siehe 7) oder des Schallreflektors 8 (siehe 8) einzugreifen, um das Verstärkungselement 19 sicher zu fixieren und die Stabilität der Sensoreinheit 3 noch weiter zu erhöhen.
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Weiteres mögliche Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verstärkungselements 22 sind in den 9 und 10 gezeigt.
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Die in den 9 und 10 gezeigten Verstärkungselemente 22 sind käfigförmig ausgebildet und umfassen jeweils einen Dachbereich 24 und einen Bodenbereich 26 ist, die sich parallel zur Messstrecke M zwischen dem Schallwandler 6 und dem Schallreflektor 8 erstrecken.
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In den in den 9 und 10 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Dachbereich 24 des Verstärkungselements 22 an dem Gehäuse bzw. der Umspritzung des Schallwandlers 6 fixiert.
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Am dem vom Schallwandler 6 abgewandten Ende des Verstärkungselements 22 ist hinter dem Schallreflektor 8, d.h. außerhalb der Messstrecke M, ein Wandbereich 28 ausgebildet. Der Wandbereich 28 erstreckt sich in vertikaler Richtung zwischen dem Dachbereich 24 und dem Bodenbereich 26 und verbindet diese Bereiche 24, 26 miteinander. Hierdurch wird eine mechanisch stabile Käfigstruktur ausgebildet.
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Der Dachbereich 24 und der Bodenbereich 26 sind jeweils als Rahmen ausgebildet und umfassen jeweils zwei parallel zueinander ausgerichtete Schenkel 24a, 24b, 26a, 26b und einen Verbindungsbereich 24c, 24d, 26c, der sich zwischen den beiden Schenkeln 24a, 24b, 26a, 26b erstreckt. Der Wandbereich 28 umfasst zwei sich in vertikaler Richtung erstreckende Pfosten 28a, 28b.
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Das Verstärkungselement 22 kann darüber hinaus Verstärkungsrippen 30 aufweisen, wie sie in der 10 gezeigt sein. Die Verstärkungsrippen 30 erstrecken sich schräg/diagonal zwischen Schenkeln 24a, 24b, 26a, 26b des Dachbereichs 24 und des Bodenbereichs 26, um die Stabilität der Käfigstruktur noch weiter zu erhöhen.
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Die in den 9 und 10 gezeigten Verstärkungselemente 22 können ebenfalls aus einem hinreichend steifen Kunststoff oder Metall, insbesondere aus einem mit Kunststoff umspritzten Metall, gefertigt sein.
