JP2011123012A

JP2011123012A - 液位検出装置

Info

Publication number: JP2011123012A
Application number: JP2009282916A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Kozu; 健三神頭
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-23

Abstract

【課題】液体貯蔵容器（タンク）が振動しても安定して検出が行え、かつ、液体貯蔵容器の底面近傍まで高い分解能で液面の位置を検出できる液位検出装置を提供する。
【解決手段】タンク３８内に垂直方向を軸として配置され、下部に液体の出入穴５１ｄを、上部に空気穴５１ｃを備えた筒状部材５１と、筒状部材５１の上端に配置され、筒状部材５１内の液面ＦＬまでの距離を非接触式で検出する超音波センサ（距離センサ）５２と、を備え、超音波センサ５２の出力を、タンク３８内の液面ＦＬの位置を示す信号として出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体貯蔵容器内の液面の位置（液位）を検出する液位検出装置に関し、特に、車両に搭載される液体貯蔵容器に好適な液位検出装置に関する。

液体貯蔵容器内の液面の位置（液位）を検出する液位検出装置として、従来、フロート式の液位検出装置があった（例えば、特許文献１参照）。

フロート式の液位検出装置は、電気抵抗体と、液面に追従して昇降可能に設けられたフロートと、前記電気抵抗体に向けて付勢された摺動子と、を備え、摺動子をフロートの変位に従って電気抵抗体に対して摺動させ、摺動子の位置に応じた電気抵抗体の電気抵抗を測定して、液面の位置を検出する装置である。

特開２００７−７８４１０号公報

しかしながら、フロート式の液位検出装置によって、車両に搭載される液体貯蔵容器（各種タンク）内の液面の位置を検出させる場合、車両の振動によって液面が波立ち、この波立ちにフロートが反応して昇降するため、液面の位置（液体残量）を正確に検出することが難しいという問題があった。

また、フロート式の液位検出装置では、フロートが円弧を描いて昇降するため、フロートの振れ中心とフロートとを結ぶ線と、液面とがなす角度が大きくなる液面位置が高い領域（残量が多い領域）及び低い領域（残量が少ない領域）では、液面位置の上下変化に対するフロートの振れ角変化が小さくなるため、液面位置の検出分解能が低下するという問題があった。

更に、フロート式の液位検出装置では、フロートが液体貯蔵容器の底面に当接すると、正確な検出が行えなくなるため、液体貯蔵容器の底面付近の検出不能域が大きくなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、液体貯蔵容器が振動しても安定して検出が行え、かつ、液体貯蔵容器の底面近傍まで高い分解能で液面の位置を検出できる液位検出装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、液体貯蔵容器内に垂直方向を軸として配置され、下部に液体の出入穴を、上部に空気穴を備えた筒状部材と、前記筒状部材の上端に配置され、前記筒状部材内の液面までの距離を非接触式で検出する距離センサと、を含んで液位検出装置を構成し、前記距離センサの出力を、前記液体貯蔵容器内の液面の位置を示す信号として出力する。

本発明によれば、筒状部材に対する液体の出入りは、出入穴のみを介して行われるため、筒状部材の外側での液体の波立ちに比べて、筒状部材内での液体の波立ちを小さく抑制でき、波立ちによる検出精度の低下を小さくすることができる。

また、筒状部材の上端に配置した距離センサで、筒状部材内の液面までの距離を検出するから、液面位置の違いによる分解能の低下が抑制され、かつ、液体貯蔵容器の底面付近まで高い分解能で液面の位置を検出することができる。

本発明の実施形態において液位検出装置を適用する車両用エンジンのシステム構成図本発明に係る液位検出装置の第１実施形態を示す斜視図本発明に係る液位検出装置の第１実施形態を示す正面図本発明に係る液位検出装置の第２実施形態を示す斜視図本発明に係る液位検出装置の第２実施形態を示す正面図本発明に係る液位検出装置の第３実施形態を示す斜視図本発明に係る液位検出装置の第４実施形態を示す斜視図本発明に係る液位検出装置の第４実施形態を示す部分断面図本発明に係る液位検出装置の第５実施形態を示す斜視図本発明に係る液位検出装置の第５実施形態を示す部分断面図

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。

図１は、本発明に係る液位検出装置を含む車両用エンジンのシステム構成図である。

図１に示す車両用エンジンはディーゼルエンジン１０であり、ディーゼルエンジン１０の各気筒には、吸気マニフォールド１２を介して吸気が分配供給される。

吸気マニフォールド１２の上流端には吸気管１４を接続してあり、吸気管１４には、上流側から下流側に向けて、エアクリーナ１６，ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８により高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０，吸気コレクタ２２を、この順で配設してある。

一方、ディーゼルエンジン１０の各気筒からの排気を集める排気マニフォールド２４の下流端に、排気管２６を接続してある。

そして、排気管２６には、上流側から下流側に向けて、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式のディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter：DPF）装置２８，尿素水溶液ＵＲ（還元剤前駆体）を排気管２６中に噴射する噴射ノズル３０，尿素水溶液ＵＲから生成されるアンモニアを使用して排気中の窒素酸化物ＮＯｘを還元浄化する選択還元触媒（Selective Catalytic Reduction：SCR）３２，ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒３４を、この順で配設してある。

連続再生式ＤＰＦ装置２８は、少なくとも排気中の一酸化窒素ＮＯを酸化し二酸化窒素ＮＯ₂に転換するディーゼル酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：DOC）２８Ａと、排気中のパティキュレートマター（Particulate Matter：PM）を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter：DPF）２８Ｂと、を含んで構成される。

尚、ＤＰＦ２８Ｂの代わりに、表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させた触媒付フィルタ（Catalyzed Soot Filter：CSF）を用いることができる。

尿素水溶液ＵＲは還元剤タンク３８（液体貯蔵容器）に貯蔵され、還元剤タンク３８からポンプ及び流量制御弁を内蔵した還元剤添加ユニット４０を経由して、噴射ノズル３０に供給される。

ここで、還元剤添加ユニット４０としては、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に２分割された構成であってもよい。

連続再生式ＤＰＦ装置２８と噴射ノズル３０との間の排気管２６には、排気の温度（排気温度）を測定する温度センサ４２を配置してある。

温度センサ４２の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（Dosing Control Unit：DCU）４４に入力される。

また、ＤＣＵ４４は、車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（Engine Control Unit：ECU）４６に接続され、ＥＣＵ４６から、エンジ運転状態を示すエンジン回転速度及びエンジン負荷のデータを任意の時点で読み込むことができる。

そして、ＤＣＵ４４は、内蔵するＲＯＭ（Read Only Memory）などに予め記憶した制御プログラムを実行することで、排気温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷などに応じて還元剤添加ユニット４０を制御し、以って、噴射ノズル３０から噴射される尿素水溶液ＵＲの量を制御する。

ここで、エンジン負荷として、例えば、燃料噴射量，吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル操作量などのエンジン１０の発生トルクと密接に関連する状態量を使用することができる。

また、ＤＣＵ４４が制御に用いるエンジン回転速度及びエンジン負荷などのデータは、ＥＣＵ４６から読み込む構成に限らず、ＤＣＵ４４が公知のセンサからの信号を直接入力して演算する構成であってもよい。

上記ディーゼルエンジン１０において、排気は、排気マニフォールド２４，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２８のＤＯＣ２８Ａに導入される。

ＤＯＣ２８Ａでは、排気中の一酸化窒素ＮＯを酸化して二酸化窒素ＮＯ₂に転換し、該酸化処理後の排気は、ＤＰＦ２８Ｂへと流れる。

ＤＰＦ２８Ｂでは、排気中のパティキュレートマターＰＭを捕集すると共に、ＤＯＣ２８Ａにより生成されたＮＯ₂を使用してパティキュレートマターＰＭを酸化（焼却）する。

また、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル３０から噴射される尿素水溶液ＵＲは、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化する。

そして、このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３２において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、ＮＯｘを無害な水Ｈ₂Ｏ及び窒素Ｎ₂に転換する。

このとき、ＤＯＣ２８Ａによって排気中のＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との比率が選択還元反応に適したものに改善されるため、ＳＣＲ触媒３２におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

一方、ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアは、その下流側に配設した酸化触媒３４で酸化され、アンモニアが大気中に放出されることを抑制する。

還元剤タンク３８（液体貯蔵容器）には、本発明に係る液位検出装置５０を設けてあり、液位検出装置５０の検出信号はＤＣＵ４４に出力され、ＤＣＵ４４では、液位検出装置５０の検出信号に基づき、還元剤タンク３８内の尿素水溶液ＵＲ（液体）の残量を検出し、車両の運転者に残量を知らせるためのインジケータランプ６０の点灯を制御する。

インジケータランプ６０は、複数のランプ６０ａを備え、ランプの点灯数で残量レベルを複数段階に示す計器であるが、例えば、残量に応じて針を回転させるアナログ式の計器を用いたり、残量データを数値として表示する計器を用いたりすることができる。

ここで、液位検出装置５０の第１実施形態を、図２及び図３に基づいて説明する。

液位検出装置５０は、還元剤タンク３８内の尿素水溶液ＵＲの液面ＦＬの高さ（液体レベル）を検出することで、尿素水溶液ＵＲの残量を検出する装置であり、還元剤タンク３８内に垂直方向を軸として配置される筒状部材５１と、筒状部材５１の上端部に配置される超音波センサ（距離センサ）５２とを備える。

筒状部材５１は、内部空間の直径が５０mm程度の円筒状の有底部材であり、上端側を還元剤タンク３８の天井壁３８ａに貫通させて支持して還元剤タンク３８内に吊り下げられ、その底壁５１ａが隙間Ｓを有して還元剤タンク３８の底面３８ｂに対向するように設けられる。

筒状部材５１の還元剤タンク３８の外側に飛び出た先端部に、超音波センサ５２を設け、該超音波センサ５２によって筒状部材５１の上端部が閉塞されるようにしてある。

尚、前記筒状部材５１及び超音波センサ５２を含む液位検出装置５０の全体を、還元剤タンク３８に内設させ、超音波センサ５２の出力信号を取り出すためのリード線を、還元剤タンク３８の外側に引き出す構成とすることができる。また、前記筒状部材５１を、還元剤タンク３８の側壁の内側に固定してもよい。

また、還元剤タンク３８内に位置する筒状部材５１の周壁５１ｂであって、かつ、還元剤タンク３８内に尿素水溶液ＵＲを規定の最大容量だけ貯えた状態（以下、満タン状態という）での液面ＦＬmaxよりも上位となる位置に、直径５ｍｍ程度の空気穴５１ｃを開口させてあり、尿素水溶液ＵＲの満タン状態であっても、前記空気穴５１ｃを介し筒状部材５１内の空間に対して空気が出入りできるようになっている。

更に、筒状部材５１の底壁５１ａに、尿素水溶液ＵＲを筒状部材５１内の空間に対して出入りさせるための直径５ｍｍ程度の液体出入穴５１ｄを開口させてある。

この液体出入穴５１ｄを介して尿素水溶液ＵＲが筒状部材５１内の空間に対して出入りし、かつ、この尿素水溶液ＵＲの出入りによる筒状部材５１内の空間における液面ＦＬの上下に応じて空気が空気穴５１ｃを介して出入りすることで、筒状部材５１内の液面と、筒状部材５１の外側での液面とが一致するようになっている。

尚、筒状部材５１に対し、空気穴５１ｃ及び／又は液体出入穴５１ｄを、複数開口させてもよい。

また、超音波センサ５２は、送波器により超音波を対象物に向け発信し、その反射波を受波器で受信することによって、対象物までの距離を検出する、公知の非接触式距離センサであり、本実施形態では、オーミック電子株式会社のアンプ内蔵超音波センサＯＭ７−１Ｓを用いた。

尚、非接触式の距離センサとしては、超音波センサ５２の他、レーザ距離センサを用いることができる。

前記超音波センサ５２は、筒状部材５１内の空間における尿素水溶液ＵＲの液面ＦＬまでの距離を計測するための狭指向性のセンサであって、検出できる最小距離よりも、満タン時の液面ＦＬmaxまでの距離が長くなるように配置されている。

ここで、超音波センサ５２と還元剤タンク３８との相対位置は固定であるから、超音波センサ５２で検出した超音波センサ５２から液面ＦＬまでの距離に基づいて、還元剤タンク３８の底から液面ＦＬまでの高さＨ（液面の位置）を検出でき、この高さＨから尿素水溶液ＵＲの残量を検出することができる。

ＤＣＵ４４では、超音波センサ５２の出力信号から、超音波センサ５２から液面ＦＬまでの距離を求め、該距離を尿素水溶液ＵＲの残量データに変換して、前記インジケータランプ６０の点灯を制御する。

液位検出装置５０においては、還元剤タンク３８を搭載した車両が悪路を走行するなどして、還元剤タンク３８が振動し、還元剤タンク３８内の尿素水溶液ＵＲが大きく揺れ動くようになっても、筒状部材５１内に対する尿素水溶液ＵＲの出入りは、底壁５１ａに開口させた液体出入穴５１ｄにおいてのみ行われるため、筒状部材５１内の液面ＦＬの急激な変動が抑えられる。

従って、筒状部材５１内での尿素水溶液ＵＲの波立ちを、外側に比べて小さくでき、悪路走行状態であっても安定的に液面位置の検出を行える
また、筒状部材５１内の尿素水溶液ＵＲの液面ＦＬの位置を、超音波センサ５２による非接触式の距離計測で検出するので、液面位置による検出精度のばらつきが小さく、かつ、底面付近まで液面位置の検出を行える。

図２及び図３に示した第１実施形態では、筒状部材５１の底壁５１ａに液体出入穴５１ｄを開口させたが、図４及び図５に示す第２実施形態のように、液体出入穴５１ｄを、筒状部材５１の下端に近い周壁５１ｂに開口させることができる。

上記構成の第２実施形態では、筒状部材５１の底壁５１ａと、還元剤タンク３８の底壁３８ｂとの間に隙間Ｓを設ける必要はなく、逆に、隙間Ｓを小さくすることで、測定可能な液面の最低位置を低くすることができる。

従って、第２実施形態では、筒状部材５１の取り付け基準を、還元剤タンク３８の底壁３８ｂとし、筒状部材５１の下端を底壁３８ｂに固定する構成とすることができる。

この第２実施形態においても、悪路走行状態で安定的に液面位置の検出を行え、液面位置による検出精度のばらつきが小さく、かつ、底面付近まで液面位置の検出を行えると共に、筒状部材５１の取り付け基準を還元剤タンク３８の底壁３８ｂとすることで、還元剤タンク３８の底から液面ＦＬまでの高さＨの検出精度をより高くできる。

図６は、液位検出装置５０の第３実施形態を示し、図２に示した第１実施形態に対して、筒状部材５１の空気穴５１ｃを、尿素水溶液ＵＲを透過させずに、空気を透過させるフィルタ部材５１ｅで覆ったことが異なる。

即ち、フィルタ部材５１ｅは、空気穴５１ｃを介した尿素水溶液ＵＲ（液体）の出入りを阻害する障害部材であり、前記フィルタ部材５１ｅの材料として、例えば、ＷＬゴア＆アソシエイツ社製のゴアテックス（商品名）を用いることができる。

フィルタ部材５１ｅで空気穴５１ｃを覆ってあれば、筒状部材５１の外側で尿素水溶液ＵＲが波立ち、空気穴５１ｃが開口する高さにまで尿素水溶液ＵＲが到達することがあっても、フィルタ部材５１ｅによって筒状部材５１内への尿素水溶液ＵＲの流入が遮断され、空気穴５１ｃから尿素水溶液ＵＲが筒状部材５１内に入り込むことがない。

従って、空気穴５１ｃの部分に尿素水溶液ＵＲが被るような波立ちが発生しても、空気穴５１ｃから尿素水溶液ＵＲが筒状部材５１内に入り込んで、筒状部材５１内の液面を急激に上下させることがなく、安定して液面の位置を検出できる。

尚、筒状部材５１の底壁５１ａに近い周壁５１ｂに、液体出入穴５１ｄを開口させる第２実施形態において、空気穴５１ｃをフィルタ部材５１ｅで覆うようにしても良く、この場合も、第３実施形態と同様な作用・効果を奏する。

また、フィルタ部材５１ｅは、空気穴５１ｃを介した尿素水溶液ＵＲ（液体）の出入りを阻害できればよく、例えば、目の細かい網状のものなどであってもよい。

更に、空気穴５１ｃを覆うルーバや、一端が空気穴５１ｃに接続され、他端開口が還元剤タンク３８の天井壁３８ａに近接して対向するダクトなどを、空気穴５１ｃを介した尿素水溶液ＵＲの出入りを阻害する障害部材として設けても良いし、前記ダクトの開口端にフィルタ部材５１ｅやルーバなどを設けてもよい。

図７及び図８は、液位検出装置５０の第４実施形態を示す。

第４実施形態は、筒状部材５１内に、尿素水溶液ＵＲの液面に浮いて液面の昇降に応じて上下動するフロート５３を設けてある。

図７及び図８に示すフロート５３は、外形が筒状部材５１の内径よりも小さい直径の円盤状に形成され、尿素水溶液ＵＲよりも比重の軽い材質で形成されるか、又は、内部に気体室を有することで、尿素水溶液ＵＲの液面ＦＬに浮くように設定される。

前記フロート５３を筒状部材５１内の液面に浮かせることで、フロート５３が筒状部材５１内の液面の波立ちを抑制し、車両が悪路を走行している状態であっても、安定的に液面位置の検出を行える。

尚、フロート５３の形状は、円盤状に限定されるものではなく、例えば、球状のものや、複数のフロートを、可撓性を有する材質の部材で相互に連結させたものであってもよい。

図９及び図１０は、液位検出装置５０の第５実施形態を示し、この第５実施形態では、第４実施形態で設けた円盤状（平板状）のフロート５３の上面、即ち、超音波センサ５２に対向する面を、超音波の反射率が高い金属面とするために、フロート５３を、浮力を発生する浮力発生部５３ａと、該浮力発生部５３ａの上面に積層させたアルミニウムなどから形成される金属部５３ｂとの２層構造としてある。

上記第５実施形態によると、フロート５３によって筒状部材５１内の液面の波立ちを抑制でき、更に、超音波センサ５２から発信される超音波は、フロート５３の金属部５３ｂで反射させることで、反射波の強度が高くなり、距離検出の精度・安定性を高めることができる。

また、筒状部材５１の底壁５１ａに近い周壁５１ｂに、液体出入穴５１ｄを開口させる第２実施形態の構造において、第４及び第５実施形態に示したフロート５３を設けることができ、この場合も、第４，第５実施形態と同様な作用・効果を奏する。

上記実施形態では、液位検出装置５０によって、還元剤タンク３８に貯められる尿素水溶液ＵＲの液面ＦＬを検出させたが、液位検出装置５０によって液面位置の検出を行う液体は、尿素水溶液ＵＲに限定されず、例えば、エンジンの燃料を貯える燃料タンク（液体貯蔵容器）内の燃料（ガソリン、軽油、アルコールなど）の液面位置の検出に用いることができる。

また、筒状部材５１の断面形状を円形に限定するものではなく、楕円形や四角形などであってもよく、更に、空気穴５１ｃや液体出入穴５１ｄの開口形状も適宜変更でき、例えばスリット状に設けるなどしてもよい。

３８還元剤タンク（液体貯蔵容器）
５０液位検出装置
５１筒状部材
５１ｃ空気穴
５１ｄ液体出入穴
５１ｅフィルタ部材（障害部材）
５２超音波センサ（距離センサ）
５３フロート
ＦＬ液面
ＵＲ尿素水溶液（液体）

Claims

液体貯蔵容器内に垂直方向を軸として配置され、下部に液体の出入穴を、上部に空気穴を備えた筒状部材と、
前記筒状部材の上端に配置され、前記筒状部材内の液面までの距離を非接触式で検出する距離センサと、を含み、
前記距離センサの出力を、前記液体貯蔵容器内の液面の位置を示す信号として出力することを特徴とする液位検出装置。
前記空気穴に、前記液体の出入りを阻害する障害部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の液位検出装置。
前記障害部材が、空気は透過し、前記液体は透過しない材料で形成されるフィルタ部材であることを特徴とする請求項２記載の液位検出装置。
前記筒状部材内の液面に浮き、液面の位置の変化に応じて前記筒状部材内を上下に移動するフロートを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の液位検出装置。
前記フロートが平板状に形成され、かつ、前記距離センサに対向する面が金属で形成されることを特徴とする請求項４記載の液位検出装置。