DE102019207246A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration einer Reduktionsmittellösung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration (c) einer Reduktionsmittellösung mittels eines Ultraschallsensors in einem Fördermodul eines Reduktionmitteltanks, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Ultraschalllaufzeit in der Reduktionsmittellösung ein Rohwert (croh) der Konzentration (c) ermittelt wird, zu dem ein Offset addiert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration einer Reduktionsmittellösung. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, einen SCR-Katalysator (selective catalytic reduction) anzuordnen. Dieser reduziert die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak als Reduktionsmittel verwendet, das dem Abgas zugemischt wird. Dieses wird erzeugt, indem ammoniakabspaltende Reagenzien in den Abgasstrang eingespritzt werden. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die stromaufwärts des SCR-Katalysators mithilfe einer Dosiereinrichtung in den Abgasstrang eingespritzt wird. Diese HWL wird in einem Reduktionsmitteltank bevorratet.
  • Es kommt vor, dass der Reduktionsmitteltank fälschlicherweise mit einem falschen Medium betankt wird, wenn der Fahrer eines Kraftfahrzeugs, das mittels des Verbrennungsmotors angetrieben wird, auf diese Weise die Kosten für eine kommerziell erhältliche HWL sparen möchte. Es ist deshalb in vielen Ländern gesetzlich vorgeschrieben, die Harnstoffkonzentration der HWL im Reduktionsmitteltank mittels eines Konzentrationssensors zu überwachen. Wird eine zu geringe Harnstoffkonzentration gemessen, so kann dies zu einer Zwangsabschaltung des Kraftfahrzeugs führen, um unerwünscht hohe Stickoxidemissionen zu vermeiden. Als Konzentrationssensoren können unter anderem Ultraschallsensoren verwendet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration einer Reduktionsmittellösung mittels eines Ultraschallsensors in einem Fördermodul eines Reduktionsmitteltanks sieht vor, dass aus einer Ultraschalllaufzeit in der Reduktionsmittellösung ein Rohwert der Konzentration ermittelt wird, zu dem ein Offset addiert wird.
  • Ein Ultraschallsensor weist einen Ultraschalltransceiver und einen Schallreflektor auf, die in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind, sodass die unterschiedlichen Schalllaufzeiten in Reduktionsmittellösungen unterschiedlicher Dichte der Konzentration der Reduktionsmittellösung zugeordnet werden können. Veränderungen am Abstand zwischen dem Ultraschalltransceiver und dem Schallreflektor würden zu einer fehlerhaften Interpretation der Konzentration der Reduktionsmittellösung führen. Reduktionsmitteltanks zur Aufnahme von HWL bestehen in der Regel aus einem Kunststoff wie insbesondere HDPE (High-Density Polyethylen). Der Einbau des Fördermoduls im Boden des Reduktionsmitteltanks führt aufgrund großer elastischer Verformung beim Abkühlen des Reduktionsmitteltanks oder beim Verbau des Systems aus Reduktionsmitteltank und Fördermodul in einem Kraftfahrzeug zu einer Änderung des Verhaltens des Ultraschallsensors und damit zu einer falschen Ermittlung der Konzentration.
  • Dies kann durch die Verwendung des Offsets kompensiert werden. Der Offset weist insbesondere eine erste Offsetkomponente und eine zweite Offsetkomponente auf.
  • Die erste Offsetkomponente hängt insbesondere von der Geometrie des Fördermoduls ab. Selbst in einem noch nicht im Reduktionsmitteltank verschweißten Fördermodul weichen der Ultraschalltransceiver und der Schallreflektor schon während ihres Einbaus in das Fördermodul über den gesamten Betriebstemperaturbereich systematisch von ihrem theoretischen Verhalten ab.
  • Die erste Offset-Komponente kann ermittelt werden, indem für mindestens ein Fördermodul, dessen Geometrie dem in dem Verfahren verwendeten Fördermodul entspricht und das nicht in einem Reduktionsmitteltank angeordnet ist, eine Ultraschalllaufzeit in einer Reduktionsmittellösung bekannter Konzentration gemessen wird. Eine Abweichung zwischen einem aus der Ultraschalllaufzeit ermittelten Rohwert der Konzentration und der bekannten Konzentration kann dann als erste Offset-Komponente verwendet werden. Vorzugsweise wird dies für mehrere Fördermodule wiederholt und ein Mittelwert der so erhaltenen Offset-Komponenten im Verfahren verwendet.
  • Die erste Offset-Komponente ist von einer Temperatur der Reduktionsmittellösung abhängig, da Temperaturänderungen zu einer Ausdehnung oder einem Zusammenziehen des Materials des Fördermoduls führen können. Die Ermittlung der ersten Offset-Komponente kann durch mehrere punktuelle Messungen bei verschiedenen Temperaturen erfolgen und aufgrund des bekannten Ausdehnungsverhaltens des für das Fördermodul verwendeten Materials kann dann eine Kennlinie erzeugt werden, in welcher die erste Offset-Komponente temperaturabhängig abgelegt ist.
  • Die zweite Offset-Komponente hängt insbesondere von einer Geometrie des Reduktionsmitteltanks ab. Neben der Abweichung des Ultraschallsensors aufgrund seines Einbaus im Fördermodul noch vor dem eigentlichen Verbau im Reduktionsmitteltank hat auch der Reduktionsmitteltank selbst bedingt durch seine Geometrie einen tankspezifischen Einfluss auf das Messsignal des Ultraschallsensors.
  • Die zweite Offset-Komponente kann ermittelt werden, indem für mindestens einen Reduktionsmitteltank, dessen Geometrie dem im Verfahren verwendeten Reduktionsmitteltank entspricht und in dem ein Fördermodul angeordnet ist, dessen Geometrie dem in dem Verfahren verwendeten Fördermodul entspricht, eine Ultraschalllaufzeit in einer Reduktionsmittellösung bekannter Konzentration gemessen wird. Eine Abweichung zwischen einem aus der Ultraschalllaufzeit ermittelten Rohwert der bekannten Konzentration wird dann als zweite Offset-Komponente verwendet. Hierbei sollte die erste Offset-Komponente bereits bekannt sein, um den Rohwert vor der Ermittlung der zweiten Offset-Komponente unter Verwendung der ersten Offset-Komponente kommentieren zu können. Auch die Ermittlung der zweiten Offset-Komponente wird vorzugsweise mehrfach wiederholt, wobei aus den so ermittelten zweiten Offset-Komponenten ein Mittelwert gebildet und in dem Verfahren verwendet wird.
  • Auch die zweite Offset-Komponente ist insbesondere von einer Temperatur der Reduktionsmittellösung abhängig, wenn der Reduktionsmitteltank aus einem Material besteht, das sich bei der Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenzieht. In gleicher Weise wie bei der ersten Offset-Komponente ist es deshalb auch für die zweite Offset-Komponente bevorzugt, diese punktuell bei einer Temperatur, insbesondere bei Raumtemperatur, durch Messungen an mehreren Reduktionsmitteltanks zu ermitteln und dann aufgrund der bekannten Ausdehnungseigenschaften des Reduktionsmitteltanks eine Kennlinie zu erstellen, in welcher der zweite Offset temperaturabhängig abgelegt ist. Alternativ kann zur Ermittlung der zweiten Offset-Komponente auch das Messverfahren der ersten Offset-Komponente verwendet werden.
  • Das Computerprogramm ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem Rechengerät oder elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Insbesondere ist es möglich, die erste Offset-Komponente und die zweite Offset-Komponente in dem Computerprogramm separat zu bedaten.
  • Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine Konzentration einer Reduktionsmittellösung zu ermitteln.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch einen Reduktionsmitteltank und ein Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems, in denen eine Konzentration in einer Reduktionsmittellösung mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann.
    • 2 zeigt in einem Diagramm Abweichungen von Rohwerten einer Konzentration einer Konzentration einer Reduktionsmittellösung von ihrem tatsächlichen Wert in Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 3 zeigt in einem Ablaufdiagramm die Ermittlung einer Konzentration einer Reduktionsmittellösung in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • 1 zeigt einen Reduktionsmitteltank 10, der vorliegend aus HDPE besteht, und der zur Aufnahme einer Reduktionsmittellösung 20 dient. Bei der Reduktionsmittellösung 20 handelt es sich um eine 32,5%ige HWL, die unter der Marke AdBlue® kommerziell erhältlich ist. Ein Temperatursensor 30 ist in dem Reduktionsmitteltank 10 angeordnet, um die Temperatur der Reduktionsmittellösung 20 zu messen. Ein Fördermodul 40, das eine Förderpumpe 41 aufweist, ist am Boden des Reduktionsmitteltanks verschweißt. Es besteht vorliegend aus dem gleichen HDPE, aus dem auch der Reduktionsmitteltank 10 besteht. Das Fördermodul 40 fördert die HWL zu einem nicht dargestellten Dosierventil eines SCR-Katalysatorsystems. In dem Fördermodul 40 ist ein Ultraschallsensor 50 so angeordnet, dass er von der Reduktionsmittellösung 20 umströmt wird. Der Ultraschallsensor 50 weist einen Ultraschalltransceiver 51 und einen Schallreflektor 52 auf, die in einem definierten Abstand voneinander angeordnet sind. Ein elektronisches Steuergerät 60, welches die Förderpumpe 41 steuern kann, empfängt Sensordaten des Temperatursensors 30 und des Ultraschallsensors 50.
  • Im elektronischen Steuergerät 60 sind Kennlinien für ein erstes Offset Off1 und ein zweites Offset Off2 hinterlegt, die bei der Berechnung einer Konzentration der Reduktionsmittellösung 20 verwendet werden. Vorliegend fünfundzwanzig Exemplare des Fördermoduls 40 wurden in unverbautem Zustand mit einer Reduktionsmittellösung 20 bekannter Konzentration c durchströmt. Dies wurde über einen Temperaturverlauf von - 10 °C bis zu + 60°C ermittelt. Bei jeder einzelnen Temperatur wurde jeweils aus einer Ultraschalllaufzeit im Ultraschallsensor 50 ein Rohwert croh der Konzentration c gemessen und die Abweichung des Rohwerts croh von der tatsächlichen Konzentration c ermittelt. Aufgrund des bekannten Ausdehnungsverhaltens des HDPE wurde diese Abweichung für höhere und niedrigere Temperaturen extrapoliert, um die Kennlinie c0 für die Abhängigkeit der Konzentration c von der Temperatur T zu erhalten.
  • Anschließend wurden Fördermodule 40 dieser Geometrie in Reduktionsmitteltanks 10 mit unterschiedlichen Geometrien eingeschweißt und es wurden erneut unter Verwendung einer Reduktionsmittellösung 20 bekannter Konzentration Ultraschalllaufzeiten des Ultraschallsensors 50 ermittelt, um daraus Rohwerte croh der Konzentration der Reduktionsmittellösung 20 zu ermitteln. Die Rohwerte wurden aufgrund der aus den vorherigen Messungen bekannten Abweichung im unverbauten Fördermodul 40 korrigiert und so Abweichungen der Konzentration c im verbauten Zustand des Fördermoduls 40 als zweite Offset-Komponente Off2 ermittelt. Ausgehend von punktuellen Messungen bei einer Temperatur von vorliegend 25 °C wurden so für zwei unterschiedliche Tankformen die in 2 dargestellten Kennlinien c1 und c2 der von der Temperatur T abhängigen Abweichung der Konzentration c zu erhalten.
  • Im Betrieb des Fördermoduls 40 erfolgt ein Ermitteln einer Konzentration c der Reduktionsmittellösung 20 in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem zunächst mittels des Ultraschallsensors 50 eine Schalllaufzeit gemessen wird und hieraus im elektronischen Steuergerät 60 ein Rohwert croh der Konzentration der Reduktionsmittellösung 20 berechnet wird. Wie in 3 dargestellt ist, wird zu diesem Rohwert croh zunächst ein erster Offset Off1 addiert. Dieser wird unter der Verwendung der mittels des Temperatursensors 30 gemessenen Temperatur der Reduktionsmittellösung 20 der ersten Kennlinie c0 entnommen und repräsentiert eine Abweichung aufgrund des Einbaus des Ultraschallsensors 50 in das Fördermodul 40. Anschließend wird ein zweiter Offset Off2 addiert. Dieser wird je nach Bauform des Reduktionsmitteltanks 10 unter Verwendung der mittels des Temperatursensors 30 gemessenen Temperatur T, beispielsweise der Kennlinie c1 oder der Kennlinie c2 entnommen. Er repräsentiert eine Abweichung aufgrund des Einbaus des Fördermoduls 40 in den Reduktionsmitteltank 10. Durch diese Berechnung wird die tatsächliche Konzentration c der Reduktionsmittellösung 20 erhalten. Diese kann im Betrieb des SCR-Katalysatorsystems verwendet werden, um beispielsweise eine Dosiermenge der Reduktionsmittellösung 20 anzupassen oder bei einer viel zu geringen Konzentration eine Abschaltung eines Kraftfahrzeugs zu erzwingen, in dem das SCR-Katalysatorsystem verbaut ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration (c) einer Reduktionsmittellösung (20) mittels eines Ultraschallsensors (50) in einem Fördermodul (40) eines Reduktionmitteltanks (10), dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Ultraschalllaufzeit in der Reduktionsmittellösung (20) ein Rohwert (croh) der Konzentration (c) ermittelt wird, zu dem ein Offset addiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Offset eine erste Offsetkomponente (Off1) enthält, die von einer Geometrie des Fördermoduls (40) abhängt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Offsetkomponente (Off1) von einer Temperatur (T) der Reduktionsmittellösung (20) abhängig ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Offsetkomponente (Off1) ermittelt wurde, indem für mindestens ein Fördermodul (40), dessen Geometrie dem in dem Verfahren verwendeten Fördermodul (40) entspricht, und das nicht in einem Reduktionsmitteltank (10) angeordnet ist, eine Ultraschalllaufzeit in einer Reduktionsmittellösung (20) bekannter Konzentration (c) gemessen wird und eine Abweichung zwischen einem aus der Ultraschalllaufzeit ermittelten Rohwert (croh) der Konzentration (c) und der bekannten Konzentration (c) als erste Offsetkomponente (Off1) verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Offset eine zweite Offsetkomponente (Off2) enthält, die von einer Geometrie des Reduktionsmitteltanks (10) abhängt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Offsetkomponente (Off2) von einer Temperatur (T) der Reduktionsmittellösung (20) abhängig ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Offsetkomponente (Off2) ermittelt wurde, indem für mindestens einen Reduktionsmitteltank, dessen Geometrie dem in dem Verfahren verwendeten Reduktionsmitteltank (10) entspricht, und in dem ein Fördermodul angeordnet ist, dessen Geometrie dem in dem Verfahren verwendeten Fördermodul (40) entspricht, eine Ultraschalllaufzeit in einer Reduktionsmittellösung (20) bekannter Konzentration (c) gemessen wird und eine Abweichung zwischen einem aus der Ultraschalllaufzeit ermittelten Rohwert (croh) der Konzentration (c) und der bekannten Konzentration (c) als zweite Offsetkomponente (Off2) verwendet wird.
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Elektronisches Steuergerät (60), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eine Konzentration einer Reduktionsmittellösung zu ermitteln.
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