JP2012052868A

JP2012052868A - 液体量及び液体状態センサ

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Publication number: JP2012052868A
Application number: JP2010194563A
Authority: JP
Inventors: Chihiro Otsuka; 千尋大塚
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP5541006B2

Abstract

【課題】液体状態の判定が正確で、しかも単一の部材により液体量と液体状態が検出できる液体量及び液体状態センサを提供する。
【解決手段】タンク２内に設置され、タンク２内の液体Ｗの静圧と動圧が検出可能な圧力センサ３と、圧力センサ３が検出した静圧からタンク２内の液体量を検出する液体量検出部４と、圧力センサ３が検出した動圧からタンク２内の液体状態を判定する状態判定部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、タンク内の液体量検出と液体状態判定を行う液体量及び液体状態センサに係り、液体状態の判定が正確で、しかも単一の部材により液体量と液体状態が検出できる液体量及び液体状態センサに関する。

車両の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排気ガス浄化システムとして、尿素水と還元触媒装置とを組み合わせたものがある。尿素水を車載のタンクに貯留しておき、必要に応じて排気管に噴射することで、還元触媒装置においてＮＯｘにアンモニアを作用させてＮＯｘを除去することができる。

しかし、尿素水は、低温、例えば、−１５℃で凍結する性質がある。冬期の寒冷地では外気温が低いためタンク内の尿素水が凍結することがある。タンク内の尿素水が凍結すると尿素水を排気管に噴射することが困難になる。しかし、凍結防止のため尿素水に不凍剤を混入すると、還元触媒装置の性能が悪化してしまう。また、尿素水が不当に水増しされないよう、尿素水の濃度を検出し、濃度が不適切なときエンジンを始動禁止する規制も考えられており、尿素水に不凍剤を混入すると、この規制に係ってしまう。よって、不純物のない尿素水を使用することになる。タンク内の尿素水が凍結することは避けられないので、尿素水噴射の前提となる凍結か否かを判定する手段が必要になる。

一方、タンク内の尿素水が消費されてなくなるとＮＯｘ除去ができなくなるので、タンク内の尿素水量を検出する必要がある。

特許文献１，３，４は、尿素水に一部が浸漬するようタンク内に垂下させた内筒と外筒を備え、内筒外筒間の静電容量から尿素水量を検出し、尿素水の温度と濃度から凍結を判定するものである。尿素水温度が融点以下で、尿素水濃度が固体状態を示す濃度のとき、凍結と判定する。

特許文献２，５は、尿素水に一部が浸漬するようタンク内に垂下させた内筒と外筒を備え、内筒外筒間の静電容量から尿素水量を検出し、温度センサで検出した尿素水温度から凍結を判定するものである。尿素水の温度が閾値以下なら凍結と判定する。

特開２００８−２４８７１０号公報特開２００９−００２７１８号公報特開２００８−２４８７１４号公報特開２００８−２４８７０９号公報特開２００７−１１４１８１号公報

特許文献１〜５のような尿素水温度や尿素水濃度に基づく凍結判定は、尿素水温度や尿素水濃度を全て精度よく検出する必要があるが、一部が凍結した未凍結の部分もあるような状態では場所によって温度が異なり、融点間際の尿素水温度や尿素水濃度を精度よく検出することは難しい。このため、判定が正確にならない。

また、特許文献１〜５では、尿素水量の検出には尿素水量検出用に設けた静電容量センサを用い、凍結判定のための尿素水温度や尿素水濃度の検出には温度センサやヒータを組み合わせて用いる。しかし、凍結判定が必要になるのは、冬期の寒冷地など、限られた季節や地域だけであり、その他の季節や地域では凍結判定用の部材は無駄となる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、液体状態の判定が正確で、しかも単一の部材により液体量と液体状態が検出できる液体量及び液体状態センサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、タンク内に設置され、前記タンク内の液体の静圧と動圧が検出可能な圧力センサと、前記圧力センサが検出した静圧から前記タンク内の液体量を検出する液体量検出部と、前記圧力センサが検出した動圧から前記タンク内の液体状態を判定する状態判定部とを備えたものである。

前記状態判定部は、車両の振動時に前記圧力センサが検出した動圧が閾値未満であるとき、前記タンク内の液体の少なくとも一部が凍結した状態であると判定してもよい。

前記圧力センサは、前記タンクの内面に設置されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）液体状態が正確に判定できる。

（２）単一の部材により液体量と液体状態が検出できる。

本発明の一実施形態を示す液体量及び液体状態センサの構成図である。圧力センサの出力の時間特性図である。本発明の液体量及び液体状態センサを利用した尿素水管理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る液体量及び液体状態センサ１は、タンク２内に設置され、タンク２内の液体Ｗの静圧と動圧が検出可能な圧力センサ３と、圧力センサ３が検出した静圧からタンク２内の液体量を検出する液体量検出部４と、圧力センサ３が検出した動圧からタンク２内の液体状態を判定する状態判定部５とを備える。

ここで、図１の液体量及び液体状態センサ１は、車両に搭載された排気ガス浄化システムの尿素水を貯留するタンク（タンク）２に適用される。すなわち、排気ガス浄化システムにあっては、タンク２に貯留された液体Ｗは尿素水であり、タンク２内には尿素水を汲み上げるポンプ６が設置され、エンジン７と還元触媒装置８との間の排気管９には、ポンプ６で汲み上げられた尿素水を還元触媒装置８の上流に導いて噴射する払い出し管１０が接続される。

圧力センサ３は、液体Ｗの静圧と動圧が検出可能であればどのような方式のものでもよく、水圧センサとして市販されているものを使用することができる。圧力センサ３の出力は、例えば、電圧であり、その出力電圧を図示しないフィルタに通し、低周波成分（直流成分）が静圧として分離でき、高周波成分（交流成分）が動圧として分離できる。

圧力センサ３は、液体量がエンプティ（最低残量）近くでも圧力検出ができるよう、タンク２の底部あるいはその近くに設置されるのが好ましい。また、液体Ｗがタンク２の壁面近傍、つまり内面に接した部分から凍結していくことから、圧力センサ３は、タンク２の内面に設置されるのが好ましい。また、後述する液体特有の波による圧力波は水平方向に顕著となるので、圧力センサ３は、タンク２内の側面に設置して、感応方向を水平方向に向けるのが好ましい。よって、ここでは、タンク２内の底部近傍の側面に圧力センサ３が設置されている。

液体量検出部４と状態判定部５は、いわゆる電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）１１にソフトウェアとして設けられる。

液体量及び液体状態センサ１の動作原理を説明する。

図２に示されるように、圧力センサ３が出力する電圧は、静圧と動圧を混合して検出したものである。フィルタにより、低周波成分が静圧として分離され、高周波成分が動圧として分離される。静圧は、水頭圧、すなわち液体の深さによって生じる圧力であるから、液面からの深さに比例する。よって、液体量検出部４では、あらかじめ液体の比重を考慮して設定された係数を用い、静圧から液体量を検出することができる。

一方、状態判定部５では、動圧からタンク内の液体の状態、具体的には液体が凍結しているか否かを判定することになる。

タンク２内の液体Ｗが凍結していないとき、エンジン振動や路面走行による車体の振動がタンク２に伝搬してタンク２が振動することで、タンク２内で液体Ｗが動揺して液体特有の波が発生する。このため、圧力センサ３では、液体特有の波に起因する特定周波数を有する圧力波が動圧として検出される。つまり、動圧は、タンク内の液体Ｗが凍結していないとき、液体Ｗの波によって生じ、圧力センサ３に作用するものである。

タンク２内の液体Ｗが凍結し始めるときは、外気と触れている壁面付近に凍結部分が生じ、そのような凍結部分がタンク２の内部へと成長する。圧力センサ３がタンク２の側面に設置されていることから、図１に破線で示すように、液体Ｗの一部が凍結した時点で圧力センサ３は凍結部分に覆われる。このとき、タンク２が振動してタンク２内の未凍結部分に液体特有の波が発生しても、凍結部分に覆われた圧力センサ３には圧力波が届かない。よって、圧力センサ３では動圧が検出されない。

従って、エンジン７の始動時など、車体に振動が生じているとき、圧力センサ３において閾値以上の動圧が検出されたならば液体Ｗが凍結していないと判定してよく、閾値未満の動圧しか検出されなければ液体Ｗが凍結したと判定してよい。

本発明の液体量及び液体状態センサ１を利用した尿素水管理は、図３のように行われる。

ステップＳ１にて、エンジン７が始動されると、始動によるエンジン振動が終わらないうちに、直ちにステップＳ２にて、圧力センサ３からの動圧に基づき尿素水の凍結を判定する。

尿素水が凍結しているという判定になった場合、ステップＳ３にて、解凍装置を稼動させる。解凍装置としては、例えば、エンジン７の冷却水循環パイプをタンク２内に引き込み、廃熱を利用して尿素水を解凍するものが知られている。

尿素水が凍結していないという判定になった場合、ステップＳ４にて、解凍装置を停止し、ステップＳ５にて、尿素水噴射を実施することにより、還元触媒装置におけるＮＯｘ除去を開始させる。

図３には示さないが、圧力センサ３からの静圧に基づき尿素水量を検出する。尿素水量が残量不足を警告する必要がある値、あるいは尿素水噴射ができない値である場合、警告を行ったり、尿素水噴射を禁止する。

以上のように、尿素水管理が行われる。

なお、ステップＳ３以降における凍結の判定の際には、すでにエンジン７が運転中であり、エンジン始動による振動は利用できないが、走行中であれば動圧の発生源として路面による車両振動を利用するとよい。また、ディーゼル車両はガソリン車両に比べて運転中のエンジン振動が大きいので、動圧の発生源として運転中のエンジン振動も利用できる。

また、凍結判定はエンジン始動時のみ行ってもよい。エンジン始動時に尿素水が凍結していた場合、その後、エンジン７が暖機されることでエンジン冷却水とタンク２内の尿素水が熱交換して解凍が進み、あらかじめ設定した解凍時間が経過すれば、確実に尿素水全体が解凍され、尿素水噴射を開始できるからである。

本発明の液体量及び液体状態センサ１によれば、静圧と動圧が検出可能な圧力センサ３を用いて液体量と液体状態が検出できる。このため、年間を通じて凍結の生じない熱帯・亜熱帯地域や冬期の短期間しか凍結の生じない温暖地域においても、圧力センサ３が液体量センサとして稼動するため、圧力センサ３が無駄にならない。一方、冬期に凍結が生じる温暖地域や寒冷地域では、夏期には圧力センサ３をもっぱら液体量センサとして稼動させ、冬期には液体状態センサ兼用として稼動させることができる。年間を通じて凍結が生じる極寒地であれば常に液体量センサと液体状態センサの兼用として稼動させることができる。

本発明の液体量及び液体状態センサ１によれば、凍結時と非凍結時とで顕著に相違する動圧を用いるので、融点間際の温度を用いる従来技術に比べ液体状態の判定が正確となる。

本発明の液体量及び液体状態センサ１によれば、圧力センサ３を凍結が始まるタンク２の内面に設置したので、一部が凍結した状態でいちはやく凍結を判定することができる。

本発明の液体量及び液体状態センサ１によれば、動圧を検出することで液体状態を判定するようにしたので、車両の尿素水管理に応用した場合、エンジン始動による振動が凍結の判定に好適に利用できる。エンジン始動時は車両の振動が大きく、低温下でのエンジン始動時は振動が特に大きいので、圧力センサ３での動圧検出が容易である。

１液体量及び液体状態センサ
２タンク
３圧力センサ
４液体量検出部
５状態判定部

Claims

タンク内に設置され、前記タンク内の液体の静圧と動圧が検出可能な圧力センサと、
前記圧力センサが検出した静圧から前記タンク内の液体量を検出する液体量検出部と、前記圧力センサが検出した動圧から前記タンク内の液体状態を判定する状態判定部とを備えたことを特徴とする液体量及び液体状態センサ。
前記状態判定部は、車両の振動時に前記圧力センサが検出した動圧が閾値未満であるとき、前記タンク内の液体の少なくとも一部が凍結した状態であると判定することを特徴とする請求項１記載の液体量及び液体状態センサ。
前記圧力センサは、前記タンクの内面に設置されることを特徴とする請求項１又は２記載の液体量及び液体状態センサ。