Titel

Sensoreinheit zur Bestimmung der Qualität eines Fluids

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Sensoreinheit nach der Gattung des

unabhängigen Anspruchs. Es ist schon eine Sensoreinheit bzw. die Verwendung einer solchen Sensoreinheit in einer Tankeinbaueinheit aus der

DE 10 2013 217 927 Al bekannt, bei der aber keine besonderen Maßnahmen zur lagestabilen Positionierung des Reflektors relativ zum Schallwandler vorgesehen sind.

Um die gesetzlichen Vorgaben für Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu erfüllen, ist es insbesondere bei Dieselmotoren erforderlich, die Stickoxide (NO _x ) 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 aus reichender 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 Harn stoffanteil 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 Harnstoff lösung erkannt werden.

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 vorgege benen Schallmessstrecke bestimmt werden.

Bei der Flüssigkeit, deren Qualität es zu bestimmen gilt, kann es sich also insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine handeln.

Aus der DE 10 2013 217 927 Al ist eine Tankeinbaueinheit für einen Tank zur Bevorratung eines Betriebs- /Hilfsstoffs, insbesondere einer wässrigen

Harnstofflösung, bekannt, die über eine Zwischen-Plattform mit dem Tank verbindbar ist. Die Zwischen-Plattform kann einen Qualitätssensor,

beispielsweise in Form eines Ultraschallsensors, umfassen. Dieser kann entweder direkt auf eine entsprechende Schnittstelle mit einer elektrischen Kontaktierung aufgebracht, so zum Beispiel geschweißt, geklebt, geschraubt, verrastet oder eingepresst, oder direkt in das Material der Zwischen-Plattform integriert werden.

Wird ein Ultraschallsensor als Qualitätssensor verwendet, weist dieser üblicherweise eine Sensoreinheit mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger sowie mit mindestens einem Reflektor auf. Aufgabe des Reflektors ist es, ein vom Ultraschallerzeuger erzeugtes Signal auf den

Ultraschallempfänger zurückzuwerfen, wobei die Laufzeit des Signals durch den Betriebs-/Hilfsstoff bzw. die wässrige Harnstofflösung hindurch gemessen wird. Die Messung lässt dann Rückschlüsse auf die Dichte der wässrigen

Harnstofflösung und damit auf den Harnstoffgehalt zu. Bei Bedarf kann die Dosierung angepasst oder - im Fall einer unzulässigen Harnstoffmenge - eine Fehlermeldung angezeigt werden. Auf diese Weise ist eine gleichbleibende Stickoxid- Reduktion bzw. im Fehlerfall eine rechtzeitige Fehlermeldung sichergestellt.

Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, muss die Signallaufzeit bei gleichbleibender Messstrecke gemessen werden. Diese ist jedoch nicht immer gewährleistet, da insbesondere temperaturbedingte Längenänderungen die Messtrecke beeinflussen können. Weiterhin können mechanische Belastungen auf Dauer zu Verformungen, Verschiebungen, Verdrehungen und/oder Verwindungen führen, die den Abstand und/oder die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf den Ultraschallerzeuger bzw. den Ultraschallempfänger verändern.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, insbesondere einen

Ultraschallsensor zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit anzugeben, der gegenüber thermischen und/oder mechanischen Belastungen besonders robust ist. Auf diese Weise soll ein Ultraschallsensor geschaffen werden, der über Lebensdauer eine hohe Messgenauigkeit besitzt.

Die nachveröffentlichte DE 10 2018 209 745 Al beschreibt eine

Schallsensoreinheit für einen Fluidtank, bei der ein Verstärkungselement vorgesehen ist, um die Sensoreinheit mechanisch zu verstärken und eine Deformation der Schallmessstrecke aufgrund äußerer Einflüsse zu reduzieren.

Die nachveröffentlichte DE 10 2017 221 261 Al offenbart einen Ultraschallsensor für eine Tankeinbaueinheit, wobei der Reflektor des Ultraschallsensors einen Tragarm zur Verbindung mit der Sensoreinheit oder mit einem Gehäuseteil aufweist. Der Tragarm wird hierbei beispielsweise über seitliche Loslager geführt, so daß eine ungehinderte Ausdehnung in Längsrichtung erfolgen kann.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, eine lagestabile Positionierung eines Reflektors der Sensoreinheit relativ zu einem Schallwandler der Sensoreinheit zu ermöglichen. Insbesondere wird es möglich, in vorteilhafter Weise Verkippungen des Schallwandlers vom Reflektor nachvollziehen zu lassen, so daß die Meßstrecke von derartigen äußeren mechanischen Einflüssen unbeeinflußt bleibt. Es wird also möglich, Veränderungen der Messstrecke infolge mechanischer Belastungen, Wärmeeintrag oder Kälteeintrag zu begegnen. Winkelabweichungen werden ausgleichbar, und Längenänderungen beispielsweise eines Gehäuses der Sensoreinheit wirken sich nicht auf die Länge der Messstrecke aus.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen

Anspruch angegebenen Sensoreinheit möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 einen Fluidtank mit einer Sensoreinheit,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Tankeinbaueinheit,

Figur 3 eine Sensoreinheit,

Figur 4 eine weitere Sensoreinheit,

Figur 5 eine Draufsicht auf eine Sensoreinheit und

Figur 6 eine Draufsicht auf eine weitere Sensoreinheit.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fluidtanks 2 zur Speicherung eines Fluids 4, insbesondere eines flüssigen Reduktionsmittels 4 zur Abgas reduktion, z.B. einer wässrigen Harnstofflösung, mit einer Sensoreinheit 3. 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, aus zusenden 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.

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 gemes senen Laufzeit t kann bei bekannter Länge L der Messstrecke M die Schallge schwindigkeit im Fluid 4 bestimmt werden.

Mit einem ebenfalls im Tank 2 angebrachten Temperatursensor 11 kann die Tem peratur T des Fluids 4 bestimmt werden.

Da die Schallgeschwindigkeit im Fluid 4 eine bekannte Funktion der Konzentra tion und der Temperatur T des Fluids 4, insbesondere einer wässrigen

Harnstofflösung, ist, kann aus der gemessenen Temperatur T und der aus der gemessenen Laufzeit t ermittelten Schallgeschwindigkeit die Konzentration des Fluids 4 bestimmt werden.

Figur 2 zeigt eine Tankeinbaueinheit 14 mit einer integrierten, schematisch und nicht mit allen Bestandteilen dargestellten Sensoreinheit 3. Sie kann, wie hier dargestellt, in einem Gehäuseteil 7 der Tankeinbaueinheit 14 aufgenommen sein. Die Integration der Tankeinbaueinheit bzw. deren Montage in einen Tank kann beispielsweise durch Verschweißen erfolgen. Die elektrische Kontaktierung kann über eine in die Tankeinbaueinheit 14 integrierte elektrische Schnittstelle 22 erfolgen, welche nach der Montage aufgrund der Verschweißung abgedichtet ist. Wie beispielhaft in der Fig. 2 dargestellt, kann das Gehäuseteil 7 der Tankeinbaueinheit 14 eine Plattform 21 ausbilden, auf welcher der

Ultraschallsensor bzw. Sensoreinheit 3 gemeinsam mit weiteren Komponenten angeordnet ist. Das Gehäuseteil 7 kann im Bereich einer bodenseitigen Öffnung des Tanks (nicht dargestellt) derart an den Tankboden eingesetzt werden, dass alle Komponenten im Tank zu liegen kommen und das Gehäuseteil 7 über eine Schnittstelle 15 mit dem Tank verbunden, insbesondere verschweißt, werden kann. Vorliegend sind gemeinsam mit der Sensoreinheit 3 eine Pumpe 18, ein Filter 19 und eine Heizvorrichtung 20 auf der Plattform 21 angeordnet. Über ein Steckerteil 22, das seitlich an das Gehäuseteil 7 angeformt ist, ist der erforderliche elektrische Anschluss der Sensoreinheit 3 herstellbar. Die

Pumpe 18 weist ein eigenes Steckerteil 23 auf. Bei der in der Fig. 2 dargestellten Tankeinbaueinheit 14 ist die als Ultraschallsensor ausgebildete Sensoreinheit 3 in der Weise ausgerichtet, dass die Messstrecke M parallel zur Plattform 21 verläuft. Der Reflektor 8 ist über einen parallel zur Plattform 21 verlaufenden Tragarm 5 an das Gehäuseteil 7 der Tankeinbaueinheit 14 angebunden.

Figur 3 zeigt in perspektivischer detaillierter Darstellung eine Sensoreinheit 33 mit einem Gehäuse, welches einen Trägerbereich 39 aufweist. Der

beispielsweise piezoelektrische, vorzugsweise als Ultraschallwandler ausgebildete Schallwandler 6 befindet sich in einem auf dem Trägerbereich 39 montierten mit dem Trägerbereich integriert ausgeführten Schallwandlergehäuse 37. Das Schallrohr 35 ist Bestandteil einer nicht näher dargestellten Ergänzung bzw. Abwandlung der Sensoreinheit, mit welcher gleichzeitig auch ein Füllstand des Fluids in einem Tank gemessen werden kann. Dieses Schallrohr kann auch weggelassen werden, insbesondere in dem Fall, dass die Sensoreinheit nur die Qualität des Fluids, aber nicht dessen Füllstand messen soll. Parallel zum Trägerbereich 39 erstreckt sich ein Tragarm 5 einer Reflektoreinheit 41. Der Tragarm 5 trägt den Reflektor 8, so daß sich zwischen dem Schallwandler 6 und dem Reflektor 8 die Messstrecke M (siehe Figur 1) ausbilden kann. Auf der dem Reflektor abgewandten Seite ist der Tragarm 5 mit zwei Befestigungszungen 47 vorzugsweise einstückig verbunden, welche jeweils in eine entsprechend zugeordnete Einschiebe- bzw. Führungsnut 45 einer Anbindungsstelle bzw. eines Befestigungsbereichs 43 des Gehäuses der Sensoreinheit 33

eingeschoben sind. Das Gehäuse der Sensoreinheit weist hierbei also neben dem Trägerbereich 39, der im Falle einer Integration der Sensoreinheit in eine Tankeinbaueinheit auch durch eine Plattform 21 der Tankeinbaueinheit gebildet sein kann, und dem Schallwandlergehäuse 37 auch mindestens einen

Befestigungsbereich, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei

Befestigungsbereiche 43 entsprechend des Vorhandenseins von zwei

Befestigungszungen auf. Die Befestigungsbereiche können hierbei mit dem Trägerbereich 39 und/oder, besonders bevorzugt, mit dem

Schallwandlergehäuse 37 fest verbunden sein. Der Tragarm 5 und insbesondere der Reflektor 8 der Reflektoreinheit 41 erfahren durch die Anbindung im Bereich der Anbindungsstellen 43 eine definierte Positionierung, können sich jedoch, gleitend bzw. schwebend über dem Trägerbereich angeordnet, entsprechend lokalen Verzerrungen im Bereich des Schallwandlers bzw. des

Schallwandlergehäuses 37 mitbewegen. Insbesondere Verkippungen des Schallwandlers in einer Ebene senkrecht zum Trägerbereich und parallel zur Meßsstrecke M kann der Reflektor also nachvollziehen, so daß die Meßstrecke von derartigen äußeren mechanischen Einflüssen unbeeinflußt bleibt.

Zur Verliersicherung kann die in die Führungsnute eingeschobene

Reflektoreinheit verstemmt sein insoweit, daß die Reflektoreinheit an den Anbindungsstellen gefangen bleibt, ansonsten jedoch bestimmungsgemäß Korrekturbewegungen zugunsten einer Längenkonstanz der Meßsstrecke M durchführen kann. Solche Verstemmungen 51 können, wie in Figur 3 gezeigt, im Bereich des Tragarms 5 vorgesehen sein, welche eine gleitende Bewegung bzw. ein leichtes Verkippen des Tragarms nicht unterbinden, jedoch ein Herausfallen der Reflektoreinheit 41 aus den Führungsnuten verhindern.

Daneben kann die Sensoreinheit zusätzlich randständig angeordnete

Verstärkungsbereiche 49 aufweisen, welche die Verwindungssteifheit des Trägerbereichs 39 und damit des Gehäuses der Sensoreinheit verbessern.

Figur 4 zeigt eine weitere Sensoreinheit 34, bei der im Unterschied zur

Darstellung in Figur 3 eine Verliersicherung nicht im Bereich des Tragarms 5, sondern als Verstemmung 53 im Bereich der Anbindungsstellen 43 gewährleistet wird. Figur 5 zeigt eine Draufsicht 60 auf eine Sensoreinheit 33 bzw. 34, ohne Darstellung des fakultativen Schallrohrs und ohne Darstellung einer

Verliersicherung. Die beiden Sensoreinheiten 33 und 34 eint, daß die Anbindung auf der der Messstrecke abgewandten Seite des Schallwandlers bzw. des Schallwandlergehäuses erfolgt.

Figur 6 zeigt eine Draufsicht 61 auf eine weitere Sensoreinheit 35, bei der im Unterschied zu den Sensoreinheiten 33 und 34 die Führungs- bzw.

Einschiebenute als Führungs- bzw. Einschiebenute 65, nicht hinter dem

Schallwandler, sondern auf Höhe des Schallwandlers 6 angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sensoreinheit kann also Veränderungen der Messstrecke M infolge mechanischer Belastungen,

Wärmeeintrag oder Kälteeintrag begegnet werden. Winkelabweichungen können ausgeglichen werden, und Längenänderungen des Gehäuses der Sensoreinheit wirken sich nicht auf die Länge L der Messstrecke M aus.