JP2012515338A - タンク充填レベルを決定するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、タンク充填レベルを決定するための装置（１）であって、少なくとも、１つのキャップ（２）と、キャップ（２）を貫通し、導電性の材料を少なくとも部分的に備える抽出パイプ（３）と、抽出パイプ（３）の周囲に配置され、導電性の材料を少なくとも部分的に備えるジャケットパイプ（４）と、抽出パイプ（３）に第１の電極（６）を形成し、ジャケットパイプ（４）に第２の電極（７）を形成する、測定ユニット（５）と、を有する、装置（１）に関する。尿素／水溶液のためのタンクもまた特に提供され、この装置は品質センサおよび／または充填レベルセンサとして用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タンク充填レベルおよび／またはタンクの中身、より詳細にはタンク内に含まれる尿素／水溶液の質を決定する装置に関する。尿素／水溶液を車両の内燃エンジンから排ガスを浄化するために用いる無数の応用が存在するゆえ、本発明は、特に、自動車分野における用途のための装置に関する。

尿素／水溶液は、特に、排ガスの処理における「ＳＣＲプロセス」に関して用いられる。このプロセスの目的は、排ガス中の窒素酸化物を低減することである。この目的のために、アンモニアまたはアンモニア前駆体、すなわち尿素が還元剤としてしばしば提案される。ここで、アンモニアまたは尿素／水溶液は通常、窒素酸化物に応じて、排ガス中で分解されるような方法で加えられる。しかしながら、この還元剤は、点検の必要な（ｓｅｒｖｉｃｅ）液であり、従ってその貯蔵を監視する必要がある。さらに、尿素／水溶液の質がまたここで特に問題となっており、その理由は尿素／水溶液の質が、内燃エンジン、特にディーゼルエンジンの作動中に必要とされる量のアンモニアが生成されていることを確認する唯一の方法であるゆえに、考慮されるべきである。

今後の必要性のために、現行のシステムをＳＣＲシステムに組み込むこともまた必要とされる場合がある。この目的のために、このシステムの部品は、それらが現行のシステムに対して容易に適合できるようにコンパクトな構成を有するべきである必要がある。現時点においては、このことを達成するために相当な開発事業がいまだに必要とされている。従って、既知の充填レベル測定システムおよび／または品質測定システムは、複雑な構成であり、および／または、自動車の作動中のタンクの中身の動的な動きに対して非常に不安定である。

こうした事態に基づき、本発明の目的は、従来技術に関して記載された問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、本発明の目的は、簡素で安価な方法において製造可能であり、かつ設置スペースを非常に少なく済ませることのできる、タンク充填レベルを決定するための装置を特定することである。

これらの目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴に従った装置を用いて達成される。本発明の有利な実施形態は、従属の請求項として記載された特許請求の範囲の請求項に示されている。特許請求の範囲の請求項に個々に記載された特徴は技術的に実行可能である任意の方法において互いに組み合わされてよく、かつ本発明のさらなる実施形態をもたらすことができることが留意されるべきである。特に、図面に関連して与えられる記載は、本発明を説明し、さらなる例示的な実施形態を示す。

本発明に係るタンク充填レベルを決定するための装置は、少なくとも、
１つのキャップと、
上記キャップを貫通し、導電性の材料を少なくとも部分的に備える抽出パイプと、
上記抽出パイプの周囲に配置され、導電性の材料を少なくとも部分的に備えるジャケットパイプと、
上記抽出パイプに第１の電極を形成し、上記ジャケットパイプに第２の電極を形成する、測定ユニットと、を有する。

本明細書において記載された装置は、好ましくは、特に、従来のタンクを閉じる部材またはタンクのキャップを置き換えることのできる、自足式の（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｔａｉｎｅｄ）部品である。この目的のために、このキャップは適切なねじおよび／または封止を有し、例えば、それらにより、タンク上に固定可能である。キャップはさらに、抽出パイプおよびジャケットパイプを固定でき、かつ、タンク内に並んで配置させることができ、必要であれば、測定ユニットは、逆側、すなわち外側に配置される。さらに、キャップは、例えばケーブル、抵抗ヒータ、センサ、連結部、アダプタ等のさらなる部品を当然有することができる。

抽出パイプは、タンクの中身、例えば尿素／水溶液を抽出するために用いられる。この目的のために、抽出パイプは、例えばタンクの外側にあるポンプに連結され、これによりタンクの中身は抽出パイプを介して送り出され、最終的に排ガスへと加えられる。抽出パイプは好ましくは導電性材料で完全に形成され、これは、特に、尿素／水溶液に耐性があるべきである。抽出パイプのための適切な材料は、特に、還元剤前駆体（例えば尿素）からなる溶液に腐食耐性がある金属である。ステンレス鋼、オーステナイト鋼、クロムニッケル鋼、および／またはニッケルベースの材料の使用が特に本明細書において有利である。この関連で、以下の材料の１つが好ましい：ＤＩＮ（ドイツ工業規格）によるＮｏ．１．４３０１、Ｎｏ．１．４８２８。ここで、材料番号１．４８２８の鋼は、０．２重量％以下の炭素、１．５〜２．５重量％のケイ素、２重量％以下のマンガン、０．０４５重量％以下のリン、０．０３重量％以下の硫黄、１９〜２１重量％のクロム、および１１〜１３％のニッケルを含む鋼であると理解される。材料番号１．４３０１の鋼は、０．０７重量％以下の炭素、１重量％以下のケイ素、２重量％以下のマンガン、０．０４５重量％以下のリン、１７〜１９．５重量％のクロム、８〜１０．５％のニッケル、および０．１１重量％以下の窒素を含む鋼であると理解される。特に、それらの材料番号はＤＩＮ ＥＮ １００２７−２によって特定されている。

さらに、ジャケットパイプはここで抽出パイプ周囲に提供されている。ジャケットパイプは、好ましくは、抽出パイプの殆どに亘って延びており、特に、抽出パイプの（ほぼ）全長を覆う。抽出パイプおよびジャケットパイプは、従って、特に、互いに同心円状に配置される。加熱部品等のさらなる部品は、抽出パイプとジャケットパイプとの間に提供可能である。ジャケットパイプもまた、抽出パイプと同じように、周囲環境条件に耐えることができることが必要である。それゆえ、同様に、ジャケットパイプを構成する上述の材料の１つをここで用いることは適切である。ここで、各々１つずつに対して異なる材料を用いることもまた有益であってよい。

特に、測定ユニットはまた、データ処理装置の形態で実体化されてよい。このように、ここでは電気信号の処理は、測定ユニットにおいて直接に実行可能である。測定ユニットは格納されたデータモデルを同様に含み、こうしたモデルにより電気信号の分析または評価ができる。この目的のために、測定ユニットは装置および／または自動車の他の部品に対して適切な電気回路および接続部を有することができる。

ここでまた、容量充填レベル測定のための電極として、抽出パイプおよびジャケットパイプを用いることが提案される。タンクの充填レベル、および／またはタンクの中身の質／組成を決定するために、第１の電極および第２の電極は電気コンデンサを形成する。電極が空気で満たされた空間内に配置されている場合、初期の低いキャパシタンスが測定され得る。タンク充填レベルが増加すると、キャパシタンスは、電極がますます覆われるにつれて増加する。このような容量充填レベル測定システムを用いると、継続した充填レベル測定を実行することが特に可能である。なぜならば、検出される電気信号は必要に応じて参照データと比較可能だからである。測定ユニットはまた、必要に応じて増幅器および類似する部品を有し、信号評価を改善する。例えば電極間の電気抵抗、キャパシタンス、または比較可能な変数が、電気的変数として決定可能である。

それゆえ、抽出パイプにある２つの電極のみを用いて、特に簡素化した方法において充填レベルについての判断を成すことが可能である。さらにまた、２つの電極間にある非導電領域が特定の長さまたは高さであることも有利である。言い換えれば、これは、例えば、ジャケットパイプのより低い位置の部分を、約２ｃｍの高さにまで、絶縁させるか、またはコーティングすることによって、残量の指標を生成できることを意味する。充填レベルがこの電気的に絶縁されたレベル以下まで下がった場合、導電性はもはや測定されることができない、すなわち残量が到達しているといった指標である。十分な搬送圧力が排気システムのための供給システム内においてもはや得られない場合、これはタンクが完全に空であることを示す。

本発明の１つの構成によれば、抽出パイプおよびジャケットパイプは絶縁用接着剤またはセラミックはんだによって互いに連結される。ここで絶縁用接着剤は一方でジャケットパイプと抽出パイプとを互いに電気的に絶縁する機能を果たす。さらに、このようにして、例えば、タンクの中身が一部の周囲、特に、抽出パイプの一部に流れることができないことを保証することもできる。すなわち、ここでタンクの中身に対して絶縁を達成することができる。この電極は、それゆえ、必要に応じて、「基準電極」として用いられることもできる。尿素に耐性のある材料が、絶縁用の接着剤として用いられることが好ましい。このような材料の特性は、尿素または尿素水溶液に影響を受けず、特に、尿素水溶液において不溶である。

以下の２つの方法の１つは、特に、金属をセラミックにおよび／またはセラミックをセラミックにはんだ付けすること（双方とも、ここでは共通して「セラミックはんだ付け」と呼ぶ）、すなわち（ａ）金属化されたセラミックのはんだ付け、および（ｂ）活性はんだ付け（ａｃｔｉｖｅ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）のために提案されるものである。金属化されたセラミックのはんだ付けにおいては、セラミック部品の接合表面は金属でコーティングされており、従ってそうした接続部分のセラミック部品は、従来のはんだによるその後のはんだ付け処理において濡らされることができる。活性はんだ付けとは、一般に、直接のはんだ付け処理であり、ここで活性成分がはんだに直接に加えられている。ここで、はんだは、活性はんだ（ａｃｔｉｖｅ ｓｏｌｄｅｒ）がわずかな流動性しか有さないゆえに、接合表面に対して直接に塗布されるべきである。セラミックはんだ付けのために好ましく用いられる活性はんだは、２つのセラミック間、またはセラミックと金属との間のはんだ付けによる接合を設けるのに適している。はんだ／セラミック界面に反応層を形成し、これにより接着がもたらされることが可能となる。そうした合金の組成により、活性はんだは非金属で無機の材料を濡らすことができる。活性はんだは、少なくとも部分的に銀、チタン、銅および／またはインジウムを含むことができ、かつ共晶合金の形態であってもよい。約７２重量％の銀および２８重量％の銅からなり、ならびに約７８０℃の融点を有するはんだがここでは好まれる。このような種類のはんだは、例えばＬｏｔ Ｄｅｇｕｓｓａ ７２００またはＣｕＳｉｌという商品名で入手可能である。活性はんだ付けの利用により、セラミック材料を用いて抽出パイプとジャケットパイプとを絶縁し、同時に、尿素水溶液に対して不浸透性である耐久性のある接着を達成することを可能にする。

本発明の１つの構成によれば、測定ユニットはキャップ上に配置されることが提案される。このことはまた、言い換えれば、特にこの目的のために必要とされる電子機器と一緒の測定ユニットは、キャップの外側において保護された形態で搭載されていることを意味する。この目的のために、キャップは、外界に対して漏れない別個の筐体と共に実体化可能である。

さらに、第３の電極が装置内に提供されることもまた有利であると想定される。この場合、第３の電極は、別個のユニットとして、例えばタンク上に形成可能である。しかしながら、装置には抽出パイプに隣接して配置されて測定ユニットのために第３の電極を形成するリターンパイプが備わっていることが好ましい。リターンパイプは、特に、タンクから既に抽出されていて、かつ排気システムに至る供給ライン内にあって、必要に応じてタンクへと戻される尿素／水溶液を戻すために用いられる。このような戻しを有するシステムにおいては、機能の組合せが、同様に、第３の電極としてリターンパイプを用いることによって達成可能である。そのようなリターンパイプのための材料に関しては、抽出パイプおよび／またはジャケットパイプに関連した記載に留意されたい。３つの電極を有する装置の構成は（こうした構成においては、リターンパイプが必要とされない場合には別個のプローブとして第３の電極を必要に応じて具体化することもまた可能である）、充填レベルを決定することができるだけでなく、必要に応じて、タンクの中身の質を決定することもでき、それゆえ、例えばタンクの中身の組成について結論を下すことができる。原則としては、例えば、第１の電極は基準電極として用いられることができ、第２の電極は接地電極として用いられることができ、第３の電極はレベル電極として用いられることができる。この配置構成において、測定ユニットは、全ての電極に連結され、特に、各々の場合における異なる電極間のキャパシタンスを測定することで、質および／または充填レベルについて結論を下すことができる。尿素水溶液のキャパシタンスおよび／または抵抗は、例えば、基準電極と接地電極との間、ならびに、接地電極とレベル電極との間の電圧および電流により決定可能である。自動車の領域において用いられる尿素水溶液は、一般に、公知の抵抗力および公知の誘電特性を有する。測定ユニットにおける異なる整流回路により、電極間において測定されたキャパシタンスおよび／または抵抗から充填レベルを決定することがそれゆえ可能である。

尿素水溶液を含んだタンク内にあるスペース（ｌ）に配置された２つの絶縁されていない電極間の抵抗（Ｒ）は、幅（ｂ）を有し、タンクの高さ全体に亘って垂直に延びており、例えば、尿素水溶液の充填レベル（ｈ）および抵抗（ρ）に応じて以下の式を用いておよそ得ることができる。

従って、充填レベルが上昇するにつれて、電極間の抵抗は低下し、他方で充填レベルの低下は抵抗を上昇させる。互いに対して、タンク内における電極の他の可能なさらに複雑な形状の配置構成の場合、当業者は、上述の式に基づいて、充填レベルに応じた抵抗を計算するための適切な式を工夫することができる。

さらに、第１の電極は第１の電極端部を有し、第２の電極は第２の電極端部を有し、第１の電極端部および第２の電極端部がそれらの間にフリースペースを形成して電源に連結されることは有利であると想定される。ここで本発明は特に、第１の電極および第２の電極の配置構成は、周囲をタンクの中身が流れることができるフリースペースが、キャップと反対側に位置する端部の領域に作られるようにすべきであり、これにより、必要に応じてタンクの中身の質または組成を決定することができる。ここで電圧がこれらの２つの電極に亘って付与された場合、その結果として測定された値は、このフリースペース内のタンクの中身の組成に依存することとなる。このことから、尿素／水溶液の場合においては、水分の含有量および尿素の含有量について結論を下すことができる。

さらに、第２の電極と、この第２の電極と平行に配置された第３の電極とが、電源に連結されることもまた可能である。もちろん、電源は３つ全ての電極に対して同一であり得る。この配置構成において、第２の電極および第３の電極は、特に充填レベルを検出するために用いることができる。なぜならば、タンクの中身は第２の電極と第３の電極との間のスペースにまで入り込んでおり、異なる電圧は、充填する間の濡れの増加および排出する間の濡れの減少に起因して検出可能だからである。この目的のためにまた、第３の電極が、残量の限界に到達するタンクの位置で終端するか、またはその向きを変更することもまた提案される。ここで、測定された値における著しい変化が検出されてもよく、かつこれらの変化は対応する指標に対する信号として用いられることができる。

このコンパクトで機能的かつモジュール式の装置の簡素な構築はここでもまたタンクシステムの一部であってよい。このため、尿素／水溶液の抽出のための開口部を有する尿素／水溶液のためのタンクがまた提案され、特に、本発明に従って本明細書において記載された装置のキャップを有する開口部を閉じることが可能である。

ＳＣＲシステムを実施する手始めにおいて記載されたまさにその目的のために、自動車が、上述のタンクと、測定ユニットに連結された制御器とを有することもまた提案される。この制御器は、例えば自動車のエンジン管理システムであってよく、このシステムはまた、必要に応じて自動車の排気システムに対して尿素／水溶液を加えるために設定される。

本発明および関連の技術分野は添付の図によって以下で説明される。図面は本発明の特に好ましい変形を示すが本発明はそれらに限定されるものではないことに留意されたい。

図１は本発明に係る装置１を有するタンク１５の概略的な断面を示す図である。

図１は本発明に係る装置１を有するタンク１５の概略的な断面を示す図である。ここで、タンク１５は尿素／水溶液１６のための貯蔵容器である。このタンク１５は、自動車１８のさらなる部分であり、ここでは概略的に示されている。

上側の領域において、タンク１５は、開口部１７を有し、キャップ２がタンク１５を閉じるものとしてそこに挿入される。タンク１５およびキャップ２は好ましくはプラスチック、例えばポリエチレンから製造される。

この構成において、キャップ２は、２つのパイプ、すなわち、タンク１５からの尿素／水溶液１６を抽出するための抽出パイプ３と、抽出されたが必要ではない尿素／水溶液１６がタンク１５へと戻ることができるリターンパイプ９とによって貫通されている。さらに、タンクの内側を向いたキャップ２の片側上に形成されているのは、ジャケットパイプ４であり、これはタンク１５の内側において実質的に完全に抽出パイプ３を囲んでいる。同時に、ジャケットパイプ４は、抽出パイプ３に対してスペースを有して配置されている。電気絶縁性の接着剤８が、上側領域において、抽出パイプ３とジャケットパイプ４との間に提供されており、この接着剤はジャケットパイプ４に対して抽出パイプ３の位置を固定して、それらの部品を互いに、この部分において、確実に電気的に絶縁する。

さらに、より詳細には、キャップ２の外側に配置された測定ユニット５および電源１４がここで提供される。これらは双方ともに抽出パイプ３、ジャケットパイプ４、およびリターンパイプ９に連結されて、その結果、抽出パイプ３は第１の電極６として機能し、ジャケットパイプ４は第２の電極７として機能し、リターンパイプ９は第３の電極１０として機能する。ここで、充填レベルは、第３の電極と第２の電極７との間において、例えば、尿素／水溶液の充填レベルの広範な変化全体に亘って、検出可能である。さらに、第１の電極６と第２の電極７は、キャップ２から遠い側にある第１の電極端部１１および第２の電極端部１２を有し、ここでこれらの端部は一緒になって環状のフリースペース１３を形成する。電極と端部とを有するこの領域には、必要であれば、例えば、流れ等の変動を中和するために、さらに、同心円状のシールドが備わっている。この配置構成において、尿素／水溶液１６は、フリースペース１３へと浸透でき、尿素／水溶液の質についての情報が、電極端部の一定の長さおよびその測定によってここで取得可能である。

測定の種類、測定の時間、および／または、測定の評価もまた、必要に応じて、自動車１８の制御器１９によって開始または実行可能である。それゆえ、特に、それは、測定ユニットとデータを交換する関係にあるか、および／または必要に応じて測定のための電源１４を作動させる。

１ 装置
２ キャップ
３ 抽出パイプ
４ ジャケットパイプ
５ 測定ユニット
６ 第１の電極
７ 第２の電極
８ 絶縁性の接着剤
９ リターンパイプ
１０ 第３の電極
１１ 第１の電極の端部
１２ 第２の電極の端部
１３ フリースペース
１４ 電源
１５ タンク
１６ 尿素／水溶液
１７ 開口部
１８ 自動車
１９ 制御器

Claims (9)

1. タンク充填レベルを決定するための装置（１）であって、少なくとも、
   １つのキャップ（２）と、
   前記キャップ（２）を貫通し、導電性の材料を少なくとも部分的に備える抽出パイプ（３）と、
   前記抽出パイプ（３）の周囲に配置され、導電性の材料を少なくとも部分的に備えるジャケットパイプ（４）と、
   前記抽出パイプ（３）に第１の電極（６）を形成し、前記ジャケットパイプ（４）に第２の電極（７）を形成する、測定ユニット（５）と、
   を有する、装置（１）。
2. 前記抽出パイプ（３）および前記ジャケットパイプ（４）は、絶縁性の接着剤（８）またはセラミックはんだによって互いに連結される、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記測定ユニット（５）は前記キャップ（２）上に配置される、請求項１または請求項２に記載の装置（１）。
4. 第３の電極（１０）が提供される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置（１）。
5. 前記抽出パイプ（３）に隣接して配置され、かつ前記測定ユニット（５）のための前記第３の電極（１０）を形成するリターンパイプ（９）が提供される、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 前記第１の電極（６）は第１の電極端部（１１）を有し、前記第２の電極（７）は第２の電極端部（１２）を有し、前記第１の電極端部（１１）および前記第２の電極端部（１２）は、それらの間にフリースペース（１３）を形成し、かつ電源（１４）に連結される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置（１）。
7. 前記第２の電極（７）および、前記第２の電極（７）に平行して配置された第３の電極（１０）は、電源（１４）に連結される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の装置（１）。
8. 尿素／水溶液（１６）を抽出するための開口部（１７）を有する尿素／水溶液（１６）のためのタンク（１５）であって、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の装置（１）のキャップ（２）を用いて、前記開口部（１７）を閉じることができる、タンク（１５）。
9. 請求項８に記載のタンク（１５）と、測定ユニット（５）に連結された制御器（１９）とを有する自動車（１８）。

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