JP2005511969A - 圧力センサ組入れ形膜ポンプ - Google Patents

Abstract

圧力センサが膜ポンプのハウジング内に配置され、その膜ポンプは、圧力センサを保護するために膨張タンクとして利用される。このために、圧力センス薄膜（３１）が、圧力センサ（１８）における過圧を防止するために、ポンプ頭部内に直接、即ち膜ポンプ（１１）の膜（３０）の上側に配置され、これによって、膜ポンプ（１１）の内部における還元剤の凍結時に生ずる体積増加が、ばね（３５）の力に抗したポンプ膜（３０）の変位によって吸収され、圧力センス薄膜（３１）の損傷が防止される。

Description

本発明は、内燃機関における排気ガス後処理用の還元剤溶液の圧力を検出する圧力センサが一体に組み入れられた膜ポンプに関する。

過剰空気で運転される内燃機関、特にディーゼルエンジンの窒素酸化物放出量は、ＳＣＲ（選択触媒還元）法で窒素酸化物を窒素と水蒸気に転換することで低減できる。還元剤として気体アンモニア（ＮＨ₃）、アンモニア水溶液又は尿素水溶液が利用される。尿素はアンモニア担体として使われ、配量系統にて加水分解触媒コンバータの前で排気装置に注入され、そこで加水分解にてアンモニアに変換される。該アンモニアは、本来のＳＣＲ触媒コンバータやＤＥＮＯＸ触媒コンバータで窒素酸化物を減少させる。

そのような配量装置は、主要な構成要素として、還元剤貯蔵タンク、ポンプ、圧力調整器、圧力センサ、配量弁および接続ホースを備える。前記ポンプは、還元剤貯蔵タンク内に貯蔵された還元剤を配量弁に搬送し、還元剤はその配量弁によって、加水分解触媒コンバータの上流で、排気ガス流の中に注入される。配量弁は、制御装置の信号により、内燃機関の運転パラメータに関係して、実際に必要な所定量の還元剤を供給すべく操作される（独国特許第１９７４３３３７号明細書）。

水溶液内に存在する、例えば尿素等のアンモニア発出物質の利点は、貯蔵、取扱い、搬送および配量が技術的に非常に簡単に解決できることにある。その水溶液の欠点は、溶解した物質の濃度に関係してある温度で凍結することにある。

ＳＣＲ装置で還元剤として汎用される３２％尿素水溶液は、−１１℃で凍結する。凍結時、体積が水と同様に約１０％増える。該体積増加は、主に弾性ホースで補償される。即ち系統の弾性で圧力上昇が抑えられる。還元剤を含む全系統構成要素は、体積増加を補償するか、完全凍結迄にホースに向けて圧力を放出できるよう構成せねばならない。後者の場合、構成要素の大きな過圧強度と小さな死空間とが必要となる。圧力センサの圧力強度は、原理的に圧力センス薄膜により制限される。圧力センス薄膜の破裂圧力が圧力センサの測定上限より高くなればなる程、センサ感度が低下し、従って測定値分析と精度が悪くなる。液体の凍結時にこの尿素ＳＣＲ装置の圧力センサを保護すべく、尿素水溶液の固相への移行時の体積膨張が、配量系統に過大な圧力上昇を生じないように保証せねばならない。特に圧力センサは原理的に圧力に敏感な構成要素なので、保護が必要となる。

国際公開第０１／５７４８８号パンフレットに、液体、特に還元剤溶液の圧力を測定するための圧力センサが記載されている。このセンサは、凍結した還元剤の体積が、直接圧力センス薄膜に作用し、還元剤配量系統への接続孔に作用して圧力センサを壊さないように構成されている。そのため、圧力センス薄膜を有する圧力センサ要素は、収容部分内にばね要素によって、許容運転圧力範囲内での運転中、その規定された位置に保たれる。許容運転圧力範囲を超過した際、ばね力に抗し圧力センサ要素と収容部分との間に相対運動が生ずる。これに伴い、圧力センス薄膜の直前に位置する空間の体積が増加し、これに伴い圧力が制限され、液体の凍結時に、圧力センス薄膜の効果的な保護が達成される。

圧力センサの凍結前の系統全体における圧力上昇は、緩衝容量が小さいために避けられない。即ち、用途に応じて、圧力系統内に、ばねで荷重される膜や弾性壁のような補助的な要素を設けねばならない。

還元剤配量系統に適する１つのポンプ形式は膜ポンプである。該ポンプは、吸込み行程時に電磁石とポンプ膜がばね力に抗して引き戻され、ポンプ又は搬送行程はばねで実施される方式である。ポンプサイクルは、配量装置の制御装置により次の如く行われる。

即ち系統の始動時、電磁石は適当な開閉器を介して、その時に有用な供給電圧に関係する規定パルス長の電流パルスを給電される。かくして、上述の如く吸込み行程と搬送行程とからなるポンプサイクルが始まる。この過程は、所定の最大圧力が得られる迄何度も繰り返される。新たなポンプサイクルは、圧力が所定の最小値以下に低下したときに初めて再始動される。この種の電子式圧力調整方式のため、圧力センサが必要となる。この種の膜ポンプでは、最大圧力は、基本的にばね力で設定される。膜（ダイヤフラム）の休止位置は搬送行程の終わりに位置している故、膜は、膜ポンプ内での還元剤凍結時の体積増加をその完全行程体積で補償し、従って膜ポンプにおいて制限する。尤も吸込み性能の最適化のために休止位置における死空間が最小になっているので、ポンプ頭部に過圧は決して生じない。既存の系統の場合、単純な逆止弁として形成されたポンプ出口弁が、ポンプ膜の方向への圧力平衡を妨げる故、原理上ポンプの蓄圧性は、圧力センサの保護のために利用できない。制御可能か、逆向きに過圧弁が装備された特別な弁の場合でも、この系統の凍結時の温度分布によっては、確実な圧力平衡は保証されない。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の圧力センサを、液状還元剤の凍結時圧力センサ、特に圧力センス薄膜の損傷を防止できるように形成することにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴により解決される。

本発明が基礎とする考えは、圧力センサを膜ポンプのハウジング内に配置し、膜ポンプを膨張タンクとして利用することにある。

従って、圧力センス薄膜は、圧力センサにおける過圧を防止するために、ポンプ頭部内に直に、即ち膜ポンプの膜の上側に配置され、この結果膜ポンプの内部での還元剤の凍結時に生ずる体積増加が、ばね力に抗したポンプ膜の変位で吸収され、圧力センス薄膜が損傷から保護される。

以下、図を参照し、本発明の有利な実施例を詳細に説明する。

図１は、過剰空気で運転され、排気ガス後処理装置が付属する内燃機関を、ブロック図の形で、非常に概略的に示す。ここには、本発明の理解に必要な部分のみを示している。特に燃料回路は図示していない。この実施例では、内燃機関としてディーゼルエンジンを用い、排気ガスを後処理する還元剤として、尿素水溶液を利用している。

燃焼に必要な空気が、吸気管２を経て内燃機関１に導入される。３は、燃料ＫＳＴを内燃機関１のシリンダ内に直接噴射する燃料噴射装置であり、例えば噴射弁付きの高圧貯蔵噴射装置（コモンレール）として形成される。内燃機関１の排気ガスは、排気管４を経て排気ガス後処理装置５に流入し、次いで消音器（図示せず）を経て大気に放出される。

内燃機関１の制御・調整用に、公知のエンジン制御装置６が、略示するデータ制御配線７を経て内燃機関１に接続されている。センサ（例えば吸気、過給空気、冷却材の温度、負荷又は速度センサ）の信号と、内燃機関１とエンジン制御装置６の間のアクチュエータ（例えば噴射弁、操作部）に対する信号とが、データ制御配線７を経て伝達される。

排気ガス後処理装置５は、直列接続され、詳細に図示しない複数の触媒ユニットを含む還元触媒コンバータ８を備える。該コンバータ８の下流および／又は上流に補助的に、各々酸化触媒コンバータ（図示せず）が配置される。更に、配量制御装置（供給量を適量に制御する装置）９が設けられ、該装置９は還元剤貯蔵タンク１０に付属している。このタンク１０は、還元剤を搬送すべく電気的に制御可能な還元剤ポンプ１１を備える。該ポンプ１１は膜ポンプとして形成されている。

還元剤として、還元剤貯蔵タンク１０内に貯蔵した尿素水溶液が用いられる。このタンク１０は、電気加熱装置１２と、尿素水溶液の温度を検出するセンサ１３と、還元剤貯蔵タンク１０内の充填レベルを検出するセンサ１４を備える。更に配量制御装置９に、還元触媒コンバータ８の上流に配置された温度センサおよび還元触媒コンバータ８の下流に配置された排気ガス検出器、例えばＮＯ_Xセンサ（図示せず）の信号も伝達される。

配量制御装置９は電磁式配量弁１５を制御する。この弁１５には、必要に応じ尿素水溶液が、供給管１６を経て還元剤貯蔵タンク１０から還元剤ポンプ１１にて供給される。還元剤ポンプ１１には圧力センサ１８が一体に組み込まれており、該センサ１８は、配量系統内の圧力を検出し、その信号を配量制御装置９に与える。配量弁１５による尿素水溶液の注入は、還元触媒コンバータ８の上流で排気管４内に向けて行われる。

内燃機関１の運転中、排気ガスは、排気管４を経て図示した矢印の方向に流れる。

配量制御装置９は、データを相互に伝送すべく、電気バス系統１７を経てエンジン制御装置６に接続されている。配量すべき尿素水溶液の量を計算する上で重要な運転パラメータ、例えばエンジン回転数、空気質量流量、燃料質量流量、噴射ポンプの調整行程、排気ガス質量流量、運転温度、過給空気温度、噴射開始等の運転パラメータが、バス系統１７を経て配量制御装置９に伝達される。

これらパラメータと、排気ガス温度およびＮＯ_X含有量の測定値から、配量制御装置９は注入すべき尿素水溶液量を計算し、詳細に図示しない接続電線を経て対応した電気信号を配量弁１５に与える。尿素は、排気管４内への注入で加水分解され、排気ガスに混入する。そして触媒ユニットで、排気ガス内のＮＯ_XはＮ₂とＨ₂Ｏに触媒還元される。

排気管４内に尿素水溶液を噴射する配量弁１５は通常の低圧ガソリン噴射弁に相当し、例えば排気管４の壁に固着された弁収容装置の中に着脱可能に固定されている。

配量制御装置９は、好適には還元剤貯蔵タンク１０に直接設けられ、該タンク１０と共に１つの構造ユニットを形成している。

図２は、圧力センサ１８が一体に組み入れられ、膜ポンプとして形成された還元剤ポンプ１１を、断面図で詳細に示す。

膜ポンプと圧力センサは、多分割構造の共通ハウジング内に収納されている。該ハウジングは、中空円筒状に形成されたハウジング部分１９、ハウジング底２４および円環状に形成されたハウジング蓋２０からなる。ハウジング部分１９、ハウジング底２４およびハウジング蓋２０は、概略的に図示するボルト継手２１で、互いに着脱可能に結合されている。ハウジング底２４上に、ポット状鉄心２２とその中に配置された電気巻線２３とからなる電磁石が設けられている。その巻線は、電線（図示せず）を介して配量制御装置９（図１参照）からの電気パルスによって操作される。

ハウジング部分１９は、その長手方向に関しハウジング蓋２０の側の上半部における内周面に、半径方向に延びる周溝２５を持つ。該周溝２５内に、対応して形成されたポンプ上部２６の突起が、膜ポンプの組立後に位置し、その結果ポンプ上部２６は軸方向に固定される。ポンプ上部２６は、ハウジング底２４の側の自由端に雌ねじ２７を備える。該ねじ２７は、案内部分２８の雄ねじと共働する。膜ポンプは、更に小さな比重の材料、例えばプラスチック製の中央支持体２９を備える。該支持体２９は軸方向に延び、そのハウジング蓋２０の側の自由端が、圧力センサ１８のポット状凹所内に突出している。圧力センサ１８は圧力センス薄膜３１を有し、該薄膜３１上に、好適には厚膜被覆法で、センサ抵抗と校正用の抵抗を含む抵抗回路網が設けられる。その測定原理は、圧力センス薄膜が機械的に引っ張られた際に抵抗（ピエゾ抵抗）が変化する効果に基づく。温度関係の補償のため、補助的に、温度依存性抵抗を備える。

抵抗回路網と温度依存抵抗は、接続ピンと電気接続線４５を経て、評価電子回路に接続されている。この回路は、好適には配量制御装置９に一体に組み込まれる。

中央支持体２９は、ハウジング底の側に駆動軸３２を持つ。この軸３２の端面に、強磁性材料製の接極子板３３が固定され、該接極子板３３は、鉄心２２と電気巻線２３からなる電磁石で移動される。駆動軸３２と接極子板３３の結合は、接着、溶接、圧着或いは図示の如くねじ止めにて行われる。

支持体２９はフランジ４４を備え、その中にポンプ膜３０が射出成形又は圧入されている。従って、支持体２９は駆動力をポンプ膜３０に導き、膜ポンプ室内の不所望の死空間を排除し、特にポット状圧力センサ要素３１の円筒状中空室を十分に充填する。

ポンプ膜３０は、ポンプ上部２６で、その外側縁がポンプ膜３０に一体形成されたシールリング３４で密封されている。そのため、ねじ込み可能な案内部分２８を経て軸方向バイアス圧が生じる。案内部分２８は駆動軸３２とコイルばね３５の案内機能を果たす。このばね３５は、一方で案内部分２８の段部、他方で中央支持体２９の段部に支持され、その結果電磁石の非励磁中、コイルばね３５のバイアス圧で中央支持体２９はその休止位置に置かれる。ハウジング部分１９、２０、２１により、圧力センサ要素３１はポンプ上部２６内に押し込められ、Ｏリング３６は、密封のため適当なバイアス圧を与えられる。

還元剤の給排のため、円筒状ハウジング部分１９の周溝２５の高さに通路３７、３８が存在する。該通路３７、３８は、ハウジング部分１９とポンプ上部２６を経て、ポンプ膜３０の上側に位置する中央支持体２９の方向に通じている。通路３７、３８は、圧力センサ要素３１と中央支持体２９との間の隙間３９を経て、互いに連通している。

ポンプ上部２６の内部通路３７、３８に、詳細に図示しない室が存在する。それら室内に、各々逆止弁４０、４１が配置されている。これら弁４０、４１は、通常の様式で、夫々１つの球と、その球に作用する１つのばね要素から成り、従って、各通路は、ポンプ膜３０の運動作用の下で、開閉される。

ハウジング部分１９の外で、通路３７、３８は接続部４２、４３で終え、該部材にホース配管が被せられる。一方のホース配管はフィルタを介して還元剤貯蔵タンク、他方のホース配管は配量弁に各々通じている。膜ポンプによる還元剤の搬送方向を矢印で示す。

次に、圧力センサ組込み形膜ポンプの機能について説明する。

規定長の電流パルスにより、接極子板３３と駆動軸３２を経て、中央支持体２９がコイルばね３５の力に抗し電磁石２２、２３で吸引される。この結果ポンプ膜３０の上側の体積が増え、接続部４２、通路３７および逆止弁として形成された入口弁４０を経て、還元剤がポンプ上部２６に吸い込まれる。電磁石２２、２３の磁界の消滅後コイルばね３５が中央支持体２９を再び上向きに押し上げ、還元剤を、逆止弁として形成した出口弁４１、通路３８と接続部材４３を経て、配量弁（図１）に向かって還元剤配管に圧送する。

ポンプ上部２６の圧力は、ポンプサイクルの各過程で、圧力センサ１８で測定され、配量制御装置内の制御コンピュータで算出される。圧力センサは、電気配線によって配量制御装置に接続されている。

還元剤配量系の凍結時、出口弁４１は、ホース内での還元剤の凍結中に、ポンプ上部２６内に過圧が生ずるのを防止する。また還元剤ポンプが凍結した際も、封じ込められた還元剤体積の増大を、コイルばね３５の力に抗した中央支持体２９の変位により吸収する。従って、圧力は、ポンプばね力を介して所定の最大値に制限される。この最大値は、大きな安全度で、圧力センサの破裂圧力以下にある。即ちコイルばね３５の力は、必要な系統圧が確実に達成されるが、大きく超過しないように決められる。この結果、電磁石２２、２３の寸法と供給電流に、不必要に大きな要件が課せられなくなる。

凍結した還元剤ポンプを解かすべく、電気巻線２３が給電される。これに伴い、電磁石が加熱される。ハウジング部分１９とハウジング底２４とハウジング蓋２０とからなるポンプハウジングを熱良導性材料、例えばアルミニウムで作ることと、膜ポンプのコンパクトな構造形状とに基づき、膜ポンプ全体がポンプハウジングを経て加熱され、封じ込められた還元剤が解凍される。その際、電流は診断制御装置の制御コンピュータで、電磁石の吸引電流以下の値に調整される。このため、仮に膜ポンプが既に機能を回復している場合でも、多くの加熱電流パルスが不利な圧力上昇を生じないようにできる。例えば国際公開第０１／０６０９８号パンフレットに開示の如く、圧力センス薄膜３１が固有のヒータを持っているので、圧力信号を十分速やかに利用できる。その圧力信号を用い、制御コンピュータは還元剤配量系統と、特にポンプが機能を回復しているか否かを検出する。

この配置構造では、ポンプ過程で圧力を測定する際、出口弁の抵抗に基づき圧力残留偏差が生ずる。出口弁の閉鎖力が膜ポンプの自己排気性を最適にすべく最小限にされているため、流速が小さな場合、この残留偏差はポンプ行程の終了時、測定値に比べて小さい。更に上述の尿素ＳＣＲ装置では、圧力調整が制御装置で行われるので、測定は時間的にポンプ操作サイクルと同期化され、その残留偏差は圧力調整の際に考慮される。

膜ポンプに圧力センサを配置することで、追加的な診断方式が生ずる。吸込み行程での圧力測定時に搬送出力が過度に低い場合、還元剤貯蔵タンクに換気不足のために過圧が生じ、入口が過度に高い流れ抵抗を示すのか、還元剤不足のため空気が吸い込まれるのかを区別できる。

本発明の装置を用いた排気ガス後処理装置を備える内燃機関のブロック図。 圧力センサ組入れ形膜ポンプの断面図。

符号の説明

８ 圧力センサ、１１ 膜ポンプ、１９ ハウジング部分、２０ ハウジング底、２４ ハウジング蓋、３０ ポンプ膜、３１ 圧力センス薄膜、３５ ばね

Claims (7)

1. 内燃機関の排気ガス後処理装置に液状還元剤を搬送するための膜ポンプにおいて、
   電磁石（２２、２３）が底（２４）上に配置されたポンプハウジング（１９、２０、２４）と、
   一方ではポンプハウジング（１９、２０、２４）に、他方では中央支持体（２９）に固着され、電磁石（２２、２３）の操作によってばね（３５）の力に抗し、中央支持体（２９）を介して２つの終端位置間を往復運動するポンプ膜（３０）と、
   還元剤をポンプ膜（３０）の上側に導入し、逆止弁として形成された入口弁（４０）を有する入口通路（３７）と、
   還元剤を排出し、逆止弁として形成された出口弁（４１）を有する出口通路（３８）と、
   ポンプハウジング（１９、２０、２４）内においてポンプ膜（３０）の上側で還元剤の圧力を検出する圧力センサ（１８）の圧力センス薄膜（３１）とを備え、
   該圧力センス薄膜（３１）が、膜ポンプの内部における還元剤の凍結時に生ずる還元剤の体積増大がポンプ膜（３０）のばね（３５）の力に抗した変位によって吸収されるように配置されたことを特徴とする膜ポンプ。
2. 中央支持体（２９）が電磁石（２２、２３）側の端部に駆動軸（３２）を有し、該駆動軸（３２）の端面に、電磁石（２２、２３）に対する接極子板（３３）が配置されたことを特徴とする請求項１記載の膜ポンプ。
3. 接極子板（３３）と駆動軸（３２）との結合が、接着、溶接、圧着又はねじ止めにより行われたことを特徴とする請求項２記載の膜ポンプ。
4. 中央支持体（２９）が電磁石（２２、２３）と反対側の端に円筒形状部を有し、中央支持体（２９）が圧力センサ（１８）のポット状凹所内に突出し、該凹所と中央支持体の表面との間に、入口通路（３７）を出口通路（３８）に接続する隙間が形成されたことを特徴とする請求項１記載の膜ポンプ。
5. ポンプ膜（３０）が、一方で支持体（２９）のフランジ（４４）に、他方で膜ポンプのハウジングに固着されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
6. ハウジング（１９、２０、２４）が高熱伝導率の金属材料からなることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. ハウジング（１９、２０、２４）がアルミニウムからなることを特徴とする請求項６記載の装置。
   
   

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