Mess Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität eines flüssigen Reduktionsmittels

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.

Stand der Technik

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.

Die in den Abgasnachbehandlungssystemen verwendeten Filter und Katalysatoren erfordern häufig, insbesondere bei Dieselmotoren, dass Oxidations- und/oder Reduktionsmittel in den Abgasstrang eingebracht werden.

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.

Entscheidend für die Qualität der Abgasnachbehandlung, d.h. die Reduzierung der Schadstoffkonzentration in den Abgasen, ist das Einbringen einer zum aktuellen Betriebszustand (z.B. Abgasmassenstrom, Abgastemperatur u.a.) des Systems passenden Reduktionsmittelmenge.

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.

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-)Schall- signals durch das Reduktionsmittel erkannt werden.

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.

Offenbarung der Erfindung:

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.

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 eine Messstrecke, die so ausgebildet ist, dass ein von dem Schallgeber erzeugtes Schallsignal die Messstrecke durchläuft, bevor es von dem Schallsensor detektiert wird. Die Messstrecke hat einen Messbereich, in dem sich im Betrieb Reduktionsmittel befindet, und einen Referenzbereich, in dem sich ein Referenzmedium befindet.

Der Messbereich und der Referenzbereich sind insbesondere parallel zueinander angeordnet und haben die gleiche Länge, so dass eine Änderung der Länge des Messbereiches eine gleichartige Änderung der Länge des Referenzbereiches zur Folge hat.

Die Schallgeschwindigkeit im Referenzmedium ist bekannt und unterscheidet sich insbesondere signifikant von der Schallgeschwindigkeit im Reduktionsmittel. In diesem Fall kann das der Referenzstrecke zuzuordnende Schallsignal aufgrund seiner deutlich abweichenden Laufzeit eindeutig von dem Schallsignal im Messbereich unterschieden werden.

Da die Schallgeschwindigkeit im Referenzmedium bekannt ist, ermöglicht es das der Referenzstrecke zuzuordnende Schallsignal, die tatsächliche Länge der Messstrecke mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. In Kenntnis der auf diese Weise bestimmten tatsächlichen Länge der Messstrecke kann die Signallaufzeit durch das Reduktionsmittel im Messbereich eindeutig mit den Eigenschaften des darin befindlichen Reduktionsmittels korreliert werden.

Laufzeitänderungen, die sich aus Änderungen der Länge der Messstrecke ergeben, werden zuverlässig eliminiert und eine Fehlbetankung oder

Kontamination des Reduktionsmittels kann zuverlässig erkannt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch einen Reduktionsmitteltank mit einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und ein Abgasreduktionssystem zur Reduktion von Stickoxiden in den Abgasen eines Verbrennungsmotors, das einen Reduktionsmitteltank gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie eine Einspritzvorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors einzuspritzen.

In einer Ausführungsform ist das Referenzmedium in einem gasförmigen oder flüssigen Aggregatzustand. Ein gasförmiges oder flüssiges Referenzmedium kann besonders einfach so in die Referenzstrecke eingebracht werden, dass es die Referenzstrecke vollständig ausfüllt.

In einer Ausführungsform ist das Referenzmedium in einem festen Aggregatzustand. Bei einem festen Referenzmedium ist die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der aktuellen Temperatur und Dichte im anwendungstypischen Temperaturbereich deutlich geringer als bei einem gasförmigen oder flüssigen Referenzmedium; insbesondere kann die Schallgeschwindigkeit in einem festen Referenzmedium als annähernd konstant angenommen werden.

In einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung zusätzlich einen in oder an der Messstrecke angeordneten Reflektor auf, der ausgebildet ist, das Schallsignal zu reflektieren. Ein Reflektor ermöglicht es, den Schallgeber und den Schallsensor am gleichen Ende der Messstrecke anzuordnen. Dies ermöglicht es insbesondere, den Schallgeber und den Schallsensor in einem Signalgeber zu integrieren, der an einem Ende der Messstrecke angeordnet ist. Der Aufbau der Messvorrichtung kann auf diese Weise vereinfacht 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. In einer Ausführungsform sind der Schallgeber und/oder der Schallsensor als kostengünstiges Piezo- Element ausgebildet.

In einer Ausführungsform sind der Schallgeber und der Schallsensor Platz und Ressourcen sparend in einen Signalgeber integriert. Insbesondere kann das gleiche Piezo-Element sowohl als Schallgeber als auch als Schallsensor verwendet werden.

In einer Ausführungsform sind für den Messbereich und für den Referenzbereich jeweils ein gemeinsamer Schallgeber und/oder ein gemeinsamer Schallsensor bzw. Signalgeber vorgesehen. Die Messvorrichtung kann auf diese Weise kostengünstig mit nur einem Schallgeber und nur einem Schallsensor oder mit einem integrierten Signalgeber ausgebildet werden.

In einer Ausführungsform sind für den Messbereich und für den Referenzbereich jeweils ein eigener Schallgeber und/oder ein eigener Schallsensor vorgesehen.

Die Verwendung separater Schallgeber und/oder Schallsensoren für den Messbereich und den Referenzbereich vereinfacht die Analyse und die Auswertung der von den Schallsensoren bereitgestellten Signale. In einer Ausführungsform ist die Messstrecke gekrümmt, insbesondere ringförmig, ausgebildet. Dies ermöglicht es, die Messgenauigkeit durch eine längere Messstrecke zu verbessern, ohne den Bauraum der Messvorrichtung wesentlich zu vergrößern. 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 Schall- kanals. Insbesondere kann ein in sich geschlossener/ringförmiger Schallkanal platzsparend in einen (runden) Reduktionsmitteltank integriert werden.

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.

In einer Ausführungsform steht der Schallkanal in thermischem Kontakt mit einem Heizelement. Auf diese Weise wird im Schallkanal befindliches Reduk- tionsmittel schnell aufgetaut und die Qualität des Reduktionsmittels im Reduktionsmitteltank kann frühzeitig bestimmt werden, nachdem damit begonnen wurde, eingefrorenes Reduktionsmittel aufzutauen.

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.

Insbesondere sind die Wärmeübergangswiderstände zwischen dem Heizelement und dem Schallkanal minimiert. Darüber hinaus profitiert der Auftauprozess von der Richtung des konvektiven Wärmetransports.

In einer Ausführungsform ist der Schallkanal ringförmig um eine Reduktionsmit- telpumpe 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. Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.

Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Messvorrichtung, die in ein

Fluid- Fördermodul integriert ist.

Figur 6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Messvorrichtung, die in ein Fluid- Fördermodul integriert ist.

Figur 7 zeigt eine Messvorrichtung mit einem integrierten Heizelement. Figurenbeschreibung Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zum Einspritzen eines in einem Reduktionsmitteltank 2 gespeicherten Reduktionsmittels (Fluid) 6, insbesondere einer wässrigen Harnstoff lösung (HWL), in einen Abgasstrang 12 eines Verbrennungsmotors 14, insbesondere eines Dieselmotors 14. 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 strö- menden Abgasen 16 des Verbrennungsmotors 14 vermischt. In einem stromabwärts der Einspritzvorrichtung 10 angeordneten SCR-Kata- lysator 18 werden die in den Abgasen 16 enthaltenen Stickoxide zu Wasser und Stickstoff reduziert.

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 S CR- Katalysators 18 am/im Abgasstrang 12 angebracht ist.

Die Steuervorrichtung 20 ist auch mit einer Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verbunden, die im Reduktionsmitteltank 2 angeordnet ist, um die Qualität des Reduktionsmittels 6 zu überwachen. Die Messvorrichtung 26 kann innerhalb oder außerhalb des Fluid-Fördermoduls 4 angeordnet sein.

Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Messvorrichtung 26 umfasst zwei Signalgeber 28, 28b. Jeder Signalgeber 28, 28b ist z.B. mit einem Piezo- Element ausgebildet und kann sowohl als Schallgeber 27a, 27b als auch als Schallempfänger 29a, 29b betrieben werden.

In einer vorgegebenen Entfernung von den Signalgebern 28a, 28b ist eine Schallreflexionsplatte (Reflektor) 30 angeordnet. Dabei kann jedem Signalgeber 28a, 28b ein eigener Reflektor 30a, 30b zugeordnet sein, oder es kann ein gemeinsamer Reflektor 30 vorhanden sein, der beiden Signalgebern 28a, 28b zugeordnet ist.

Zwischen einem ersten Signalgeber 28a und dem Reflektor 30 oder einem ersten Reflektor 30a ist ein erster Schallkanal 32a ausgebildet, durch den sich von dem ersten Schallgeber 27a abgegebener Schall zum Reflektor 30, 30a ausbreitet und, nachdem er von dem Reflektor 30, 30a reflektiert worden ist, zurück zum ersten Schallempfänger 29a gelangt, wo er detektiert wird. Der erste Schallkanal 32a dient als Messbereich 32a und ist mit dem zu überwachenden Fluid (Reduktionsmittel) 6 gefüllt.

Zwischen einem zweiten Signalgeber 28b und dem Reflektor 30 oder einem zweiten Reflektor 30b ist ein zweiter Schallkanal 32b ausgebildet, durch den sich von dem zweiten Schallgeber 27b abgegebener Schall zum Reflektor 30, 30b ausbreitet und, nachdem er von dem Reflektor 30, 30b reflektiert worden ist, zurück zum zweiten Schallempfänger 29b gelangt, wo er detektiert wird. Der zweite Schallkanal 32b ist mit einem Referenzmedium 7 gefüllt und dient als Referenzbereich 32b. Die Schallgeschwindigkeit im Referenzmedium 7 ist bekannt. Das Referenzmedium 7 kann ein gasförmiges, flüssiges oder festes Referenzmedium 7 sein.

Die beiden Schallkanäle 32a, 32b können nebeneinander oder übereinander angeordnet sein.

Eine Auswertungsvorrichtung 31 bestimmt die Laufzeit t der Schallsignale durch den jeweiligen Schallkanal 32a, 32b, d.h. durch den Messbereich 32a und den Referenzbereich 32b.

Da die Schallgeschwindigkeit im Referenzmedium 7 bekannt ist, kann aus der Laufzeit tb die tatsächliche Länge Lb des Referenzbereichs 32b mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Da die beiden Schallkanäle 32a, 32b integral miteinander ausgebildet sind, ist dann auch die Länge L _a des Messbereichs 32a mit hoher Genauigkeit bekannt.

In Kenntnis der auf diese Weise bestimmten tatsächlichen Länge L _a des Messbereichs 32a kann die gemessene Laufzeit t _a des Schallsignals durch das Reduktionsmittel 6 eindeutig mit den Eigenschaften des darin befindlichen Reduktionsmittels korreliert werden. Laufzeitänderungen, die sich aus Änderungen oder herstellungsbedingten Abweichungen der Länge L _a des Messbereichs 32a ergeben, können so zuverlässig eliminiert werden und eine Fehlbetankung oder Verunreinigung des Reduktionsmittels 6 kann zuverlässig erkannt werden.

Wenn das Referenzmedium 7 so gewählt wird, dass sich die Schallgeschwindigkeit im Referenzmedium 7 signifikant von der Schallgeschwindigkeit im Reduktionsmittel 6 unterscheidet, kann ein gemeinsamer Signalgeber 28a, 28b für den Messbereich 32a und den Referenzbereich 32b verwendet werden, da die Signale im Messbereich 32a und im Referenzbereich 32b in diesem Fall anhand ihrer deutlich unterschiedlichen Laufzeiten eindeutig voneinander unterschieden werden können. Figur 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Signalgeber 28 innerhalb eines ringförmig geschlossenen Schallkanals 32 angeordnet.

Der Schallkanal 32 umfasst einen Messbereich 32a und einen Referenzbereich 32b, wie es im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben worden ist. Der Signalgeber 28 kann ein gemeinsamer Signalgeber 28 für den Messbereich 32a und für den Referenzbereich 32b sein, oder einen ersten Signalgeber 28a für den

Messbereich 32a und einen zweiten Signalgeber 28b für den Referenzbereich 32b aufweisen.

Der Schallkanal 32 kann einen runden, z.B. eine kreis- oder ellipsenförmigen, oder einen rechteckigen/quadratischen Querschnitt haben und beispielsweise als Toms ausgebildet sein. Der Schallkanal 32 kann auch eine andere Form aufweisen, die zur Führung von (Ultra-)Schall geeignet ist.

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.

In dem in der Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Schall 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 gegenüber liegt. Vor dieser Stelle 33 aus laufen die Schallwellen wieder zum Schallgeber 28 zurück. Der halbe Umfang des kreisförmigen Schallkanals 32 entspricht somit dem linearen Schallkanal 32, wie er in der Fig. 2 gezeigt ist.

Figur 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.

Die Figuren 5 und 6 zeigen in schematischen Ansichten, wie eine Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in ein Fluid-Förder- modul 4 integrierbar ist. Dabei zeigt Figur 5 eine schematische Draufsicht, und Figur 6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Fluid- Fördermoduls 4.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schallkanal 32 als Toms ausgebildet, der konzentrisch um ein Pumpenmodul 38 angeordnet ist. Der Schallkanal 32 ist auch konzentrisch zu einer Schweißnaht 34 ausgebildet, die das Fluid-Förder- modul 4 mit dem Boden 3 des Fluidtanks 2 verbindet.

Die in den Figuren 5 und 6 gezeigte Konfiguration des Schallkanals 32 ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung der Messvorrichtung 26 im Fluidtank 2 bzw. im Fluid-Fördermodul 4.

Ein weiterer Vorteil der in den Figuren 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.

Ein Beispiel für die Integration eines solchen Heizelements 40 in eine Messvorrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur 7 gezeigt.

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.

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.

Eine Anordnung, wie sie in der Figur 7 gezeigt ist, erlaubt ein besonders schnelles Auftauen eingefrorenen Fluids. 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.