JP4981228B2 - 液体の圧力を検出するための圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、液体、例えば、内燃機関での排気ガス後処理用の還元剤溶液の圧力を検出するための圧力センサに関する。
【０００２】
空気過剰で作動する内燃機関、例えば、ディーゼル内燃機関の窒素酸化物放出の低減は、空気中の窒素(N_２)及び水蒸気(H_２O)に対してSCR(Selektive katalytische Reduktion)方式を用いて行うことができる。還元剤としては、ガス状のアンモニア(NH_３)、水溶液中のアンモニア又は水溶液中の尿素のどれかが用いられる。その際、尿素はアンモニア坦体として使われ、排気系内での加水分解型触媒コンバータの前側の調量系を用いて噴射され、そこで加水分解を用いてアンモニアに変換され、それから、このアンモニアにより、本来のSCR-又はDENOX-触媒コンバータで窒素酸化物が低減される。
【０００３】
そのような調量系は、主要コンポーネントとして、還元剤タンク、ポンプ、圧力調整器、圧力センサ、調量弁及び所要の結合用チューブを有している。ポンプは、還元剤タンク内に備蓄された還元剤を調量弁に送給し、この調量弁を用いて、還元剤が加水分解型触媒コンバータの上流側の排気ガス流内に噴射される。調量弁は、制御装置の信号を介して、内燃機関の作動パラメータに依存して還元剤の実際に必要な所定量が供給されるように制御される(ドイツ連邦共和国特許公開第１９７４３３３７号公報)。
【０００４】
水溶液中のアンモニア遊離物質、例えば、尿素の利点は、備蓄、処理、送給及び調量可能性を比較的簡単に解決することができる点にある。この水溶液の欠点は、溶融物質の濃度に依存して、所定温度での凍結の恐れがある点にある。
【０００５】
典型的にSCR系で還元剤として使われる３２%尿素溶液は、-１１℃の凍結点を有している。その際、容積は水の場合と同様に約１０%だけ上昇する。この容積増大は、主として弾性の還元剤チューブによって補償され、即ち、系の弾性によって圧力上昇が制限される。還元剤を含む系の全てのコンポーネントは、完全に凍結する迄チューブの方向に圧力が低減することができるように構成されている必要がある。これは、高い過剰圧力強度と、各コンポーネントの小さな無駄容積を必要とする。圧力センサでは、圧力強度は原理的に圧力センサダイヤフラムによって制限される。圧力センサダイヤフラムのバースト圧が、圧力センサの上側測定限界を超過すればする程、センサ感度、従って、測定値分解能及び精度は低くなる。耐寒強度は、圧力センサでは、原理的に極めて達成困難である。
【０００６】
液体から固体への相移行時に水又はここでは水性還元剤溶液が容積増大するのは不可避である。リリーフ弁又は弾性チューブ結合を用いても、その際、所定のシステム部分での制御されないような圧力上昇を必ずしも回避できるとは限らない。その理由は、凍結によって、流体静力学的な圧力平衡状態が著しく阻止されるからである。
【０００７】
従って、本発明の課題は、冒頭に記載した形式の圧力センサを、液体の凍結時に圧力センサ、殊に、圧力センサダイヤフラムが破損しないように構成することである。
【０００８】
本発明によると、この課題は、圧力センサダイヤフラムを有するポット状圧力センサ素子と、このポット状圧力センサ素子を収容する収容部分とを備え、この収容部分はＴ状に構成され、この収容部分は、ポット状圧力センサ素子によって包囲される円筒状のコアを有し、この円筒状のコアは中央のチャネルを有し、少なくとも１つのばね要素を備え、この少なくとも１つのばね要素を用いて、ポット状圧力センサ素子が、当該ポット状圧力センサ素子の許容可能な作動圧領域内で、収容部分内の所定位置内に保持され、少なくとも１つのばね要素は、ポット状圧力センサ素子の許容可能な作動圧領域の超過時に、圧力センサダイヤフラムに加わる圧力を制限し、この圧力センサダイヤフラムは、測定すべき液体によって直接にぬらされている、すなわち測定すべき液体に直接にさらされており、圧力センサダイヤフラムに直接に、センサが配置され、少なくとも１つのばね要素は、圧力センサダイヤフラムを支持する、ポット状圧力センサ素子の表面と、収容部分内の圧力センサダイヤフラム側の膜板との間に設けられていることにより解決される。
【０００９】
本発明が基づく技術思想は、圧力センサ素子の直ぐ前側の不可避な無駄容積を出来る限り小さく形成し、更に、この無駄容積を、液体の相移行に基づいて生じる過圧で所定のように弾性的に拡大し、従って、圧力センサダイヤフラム上に加わる圧力を制限するようにする。
【００１０】
このために、圧力センサダイヤフラムを有する圧力センサ素子が、収容部分内で、ばね要素を用いて許容可能な作動圧領域内での作動中に所定位置に保持され、許容可能な作動圧領域の超過時に、ばね力に抗して作用する相対運動が圧力センサ素子と収容部分との間で生じる。そうすることによって、圧力センサダイヤフラムの直ぐ前のスペースの容積が大きくなり、それにより、圧力を制限することができるようになる。従って、圧力センサダイヤフラムは、還元剤溶液の凍結時でも、それによって凍結した還元剤溶液の容積が増大することによって圧力センサダイヤフラムが破損しないように保護することができる。
【００１１】
以下、本発明について図示の更に有利な実施例を用いて詳細に説明する。
【００１２】
その際、
図１は、本発明の圧力センサが用いられる所属の排気ガス処理装置を有する内燃機関のブロック図、
図２は、圧力センサダイヤフラムの略図、
図３は、第１の実施例の圧力センサの断面図、
図４は、第２の実施例の圧力センサの断面図
である。
【００１３】
図１には、極めて簡単なブロック接続図の形式で、空気過剰状態で作動する内燃機関が当該内燃機関に配属された排気ガス後処理装置と共に示されている。その際、本発明の理解にとって必要な部分だけが示されている。例えば、燃料供給系は図示していない。この実施例では、内燃機関としてディーゼル内燃機関が示されており、排気ガスの後処理用の還元剤として水性尿素溶液が使われている。
【００１４】
内燃機関１には、吸気管２を介して燃焼に必要な空気が供給される。例えば、燃料KSTを直接内燃機関１のシリンダ内に噴射する、噴射弁を有する高圧蓄圧型噴射装置(コモンレール)として構成することができる噴射装置は、参照番号３で示されている。内燃機関１の排気ガスは、排気ガス管４を介して排気ガス後処理装置５に流され、この排気ガス後処理装置５から、図示していないマフラーを通して排出される。
【００１５】
内燃機関１の制御及び調整のために、公知のエンジン制御装置６が、ここでは単に略示したデータ及び制御線７を介して内燃機関１と接続されている。このデータ及び制御線７を介して、センサ(例えば、吸気、蓄積空気、冷却剤用の温度センサ、負荷センサ、速度センサ)の信号、及び、アクチュエータ(例えば、噴射弁、調整部材)用の信号が、内燃機関１とエンジン制御装置６との間で伝送される。
【００１６】
排気ガス後処理装置５は、還元型触媒コンバータ８を有しており、この還元型触媒コンバータ８は、直列接続された複数の、詳細に図示していない触媒ユニットを有している。還元型触媒コンバータ８の流れとは反対方向及び／又は流れ方向に、付加的に各々１つの酸化型触媒コンバータを設けてもよい(図示していない)。更に、調量制御装置９が設けられており、この調量制御装置９は、還元剤備蓄タンク１０に配属されていて、還元剤備蓄タンク１０には、還元剤の送給用の電気制御型還元剤ポンプ１１が設けられている。
【００１７】
還元剤として、この実施例では、水性尿素溶液が使われ、この水性尿素溶液は、還元剤備蓄タンク１０内に蓄積されている。この還元剤備蓄タンク１０は、電気的な過熱装置１２とセンサ１３，１４とを有しており、このセンサ１３，１４は、尿素溶液の温度乃至還元剤備蓄タンク１０内の充填状態を検出する。調量制御装置９には、更に還元型触媒コンバータ８の流れ方向に設けられた温度センサの信号、及び、還元型触媒コンバータ８の流れとは反対側に設けられた排気ガス測定検出器、例えば、NOx-センサの信号が伝送される(図示していない)。
【００１８】
調量制御装置９は、電磁調量弁１５を制御して、この電磁調量弁１５に、需要に即して供給管路１６を介して尿素溶液が還元剤ポンプ１１を用いて還元剤備蓄タンク１０から供給される。供給管路１６内には、圧力センサ１８が挿入されており、この圧力センサ１８は、調量系内の圧力を検出して、相応の信号を調量制御装置９に送出する。尿素溶液は、調量弁１５を用いて排気ガス管４内で還元型触媒コンバータ８の流れ方向に噴射される。
【００１９】
内燃機関１の作動中、排気ガスは、図示の矢印方向に排気ガス管４内を流れる。
【００２０】
調量制御装置９は、双方向データ転送のために電気バスシステム１７を介してエンジン制御装置６と接続されている。バスシステム１７を介して、調量すべき尿素溶液量の算出にとって重要な作動パラメータ、例えば、エンジン回転数、空気量、燃料量、噴射ポンプの制御行程量(Regelweg)、排気ガス流量、作動温度、蓄積空気温度、噴射開始時点等が調量制御装置９に伝送される。
【００２１】
このパラメータ及び排気ガス温度及びNOx含有量の各測定値に基づいて、調量制御装置９は、噴射すべき尿素溶液量を算出して、詳細に図示していない電気接続線を介して相応の電気信号を調量弁１５に送出する。排気ガス管４内への噴射によって、尿素が加水分解されて混入される。触媒コンバータユニット内では、排気ガス中のNOxがN_２及びH_２Oに触媒還元される。
【００２２】
排気ガス管４内に尿素溶液を噴射する調量弁１５は、通常の低圧ガソリン噴射弁にほぼ相応しており、この低圧ガソリン噴射弁は、例えば、排気ガス管４の壁と固定結合された弁収容装置と取り外し可能なようにして取り付けられている。
【００２３】
図２Ａには、圧力センサ１８の円形横断面の典型的なセラミック型圧力センサダイヤフラム１８１の、加圧状態の媒体(還元剤)とは反対側が示されている。図２Ｂには、セラミック圧力センサダイヤフラム１８１が断面で示されている。水性尿素溶液内の圧力測定のために、化学成分故にAl_２O_３セラミック製のセンサ要素が特に適している。このセンサ要素は、センサダイヤフラム１８１が統合されたポット状のセラミック部から構成されている。センサダイヤフラム１８１上には、抵抗網１８２が厚膜技術でコーティングされており、この抵抗網は、センサ及び較正用抵抗を有している。測定方式は、センサダイヤフラムの機械的な緊張力での抵抗変化の作用に基づく(ピエゾ抵抗)。温度依存性を補償するために、付加的な温度依存抵抗を設けるとよい。
【００２４】
圧力センサダイヤフラム１８１の加熱のために、同様の技術で付加的な電気抵抗１８３がコーティングされる。圧力センサダイヤフラム１８１上には、適切な幾何学的形状及び出力の電気的な加熱抵抗１８３をコーティングするのに充分な空き面積を利用することができる。加熱電力をあまり必要としない用途では(１ワット以下)、通常の５ボルトの基準電圧の代わりに直接、搭載電源電圧(約１４ボルト)を直接センサ抵抗に印加することによって加熱するようにしてもよい。
【００２５】
圧力センサダイヤフラム１８１は、この種の電気加熱にとって理想的な前提条件をクリアしている。その理由は、Al_２O_３セラミックは、高い熱伝導性を有しており、しかも、圧力センサダイヤフラム１８１は原理的に極めて薄いからである。従って、圧力センサダイヤフラム１８１により、電気加熱部が、加熱水性尿素溶液から最適に電気的に絶縁されるようになる。
【００２６】
電気的加熱抵抗１８３及びセンサ抵抗網１８２は、端子ピン及び接続線路１８４を介して評価用電子回路乃至加熱制御部と接続されており、評価用電子回路乃至加熱制御部は、有利には調量制御装置９内に統合されている。センサ素子は、ボンディング線を用いて、又は、直接半田付けすることによって調量制御装置９と接続されている。
【００２７】
図３には、本発明の圧力センサ１８の第１の実施例が示されており、その際、圧力センサ素子１８０は、２つの収容部分１８５，１８６内に組み込まれており、収容部分１８５，１８６は、弾性チューブとして構成された供給管１６内に挿入されている。その際、収容部分は供給管１６用のT-部材として構成されており、その際、収容部分の下側部分１８５内に、供給管１６用の、詳細に図示していない端子部材が成型されている。この下側部分１８５は、更に円筒状の切り欠き部１８７を有しており、この切り欠き部の中央に、同様に円筒状のコア１８８が構成されている。切り欠き部１８７及びコア１８８の直径は、ポット状圧力センサ素子１８０の幾何学的形状に適合されており、その結果、この圧力センサ素子を切り欠き部１８７内に挿入することができる。その際、切り欠き部１８７は、圧力センサ素子１８０が、その形状を維持しつつ、弾性還元剤チューブとして構成された供給管１６の近傍に位置するように形成されている。コア１８８は、中央のチャネル１８９を有しており、このチャネルは供給管１６の直径に対してかなり小さな横断部分を有している。そのような装置構成により、圧力センサダイヤフラム１８１の前側の還元剤溶液の無駄容積を出来る限り少なくすることができるようになる。最も簡単な場合には、チャネル１８９を孔によって構成するとよい。
コア１８８は、ラジアルパッキン部材１９１の収容のためにラジアル溝１９０を有している。有利には、ラジアルパッキン部材１９１としてＯ-リングが使われる。ラジアルパッキン部材１９１は、圧力センサ素子１８０をコア１８８にシーリングし、その結果、還元剤溶液が圧力センサダイヤフラム１８１にしか作用しなくなる。
【００２８】
圧力センサ素子１８０、殊に、圧力センサダイヤフラム１８１を機械的乃至液圧の過負荷から保護するために、圧力センサ素子１８０は収容部分１８５内に固定して組み込まれるのではなく、少なくとも１つのばね要素１９２を介して膜板１９３に対向して押圧されている。ばねバイアス力は、許容可能な全作動圧領域内で圧力センサ素子１８０が、膜板１９３によって決められた位置のままであるように選定される。しかし、還元剤溶液の凍結時に圧力センサダイヤフラム１８０に加わる力が、ばね要素のバイアス力以上の所定の最大値を超過すると、圧力センサ素子１８０は、ばね力に対向して変位し、圧力センサダイヤフラム１８１の前側の空間内に生じた容積が大きくなることによって圧力が制限される。実施例に示された収容部分１８５，１８６の形状によって、圧力センサダイヤフラム１８１の直ぐ前の無駄容積を出来る限り小さくすることができ、従って、圧力センサ素子１８０の小さな変位量によって充分な容積増大を達成することができる。ラジアルパッキン部材１９１を用いて圧力センサ素子１８０をシーリングすることによって、この変位がシーリング漏れの原因とならないようにすることができる。
【００２９】
長期間凍結した場合、チャネル１８９内の還元剤溶液が凍結開始する迄、供給管１６内の方向に圧力を補償することができる。遅くとも、還元剤溶液が凍結開始する際には、液体-固体に相が移行する時に還元剤の容積が増大するために、収容部分１８５，１８６内に圧力センサ素子１８０が固定して支持されている場合には、圧力センサ素子１８０の圧力がバースト圧を超過して上昇し、従って、圧力センサダイヤフラム１８１が破損される。
【００３０】
ばね要素１９２を用いると、無駄容積内、つまり、チャネル１８９内及びコアと圧力センサダイヤフラムとの間の間隙内の還元剤溶液の容積が増大するにも拘わらず、許容し得ない程度の圧力上昇は生じない。
【００３１】
ばね要素１９２として、有利には、図３に示されているように、板ばねを使うとよい。しかし、他のばね要素、例えば、湾曲又は波状の弾性板、コイルばね(円形横断面でも矩形横断面でも)、円錐台ばね、緩衝ばね、渦巻きばね、又は、管状ばねを、場合によっては、適切なアダプタを用いて使用してもよい。更に、複数のばね要素を使用してもよい。圧力センサダイヤフラム１８１と圧力信号の評価回路との電気的な接触接続は、そのようなばね要素装置によって損なわれないようにする必要がある。評価回路は、有利には、収容部分の上側部分１８６内の切り欠き部内に設けられている(図示していない)。
【００３２】
ばね要素１９２のバイアス力は、圧力センサ素子１８０がばね力に抗して、圧力センサ素子１８０のバースト圧に達する前に、収容部分の下側部分１８５内の切り欠き部１８７の底部から形成された膜板面１９４から持ち上げられるように選定されている。そうすることによって、容積が増大し、圧力が、ばね力／圧力ダイヤフラム面の比によって特定される値に制限される。
【００３３】
ラジアルパッキン部材１９１の装置構成によって、収容部分１８５，１８６内での圧力センサ素子１８０の変位にも拘わらず、密閉性は保持され続け、包囲された還元剤溶液の容積を最小にすることができる。
【００３４】
圧力センサ素子１８１のシーリングを、ラジアルパッキン部材１９１の代わりに、圧力センサ素子１８１自体に、又は、コア１８８の外側に成形されたパッキンによっても、又は、圧力センサ素子１８０は非常に小さくしか変位しないので(典型的には数１／１０mm)、弾性接着剤によって行ってもよい。
【００３５】
圧力センサ１８の付加的なコンポーネントとして、具体的なばね要素１９２を用いる代わりに、圧力センサ素子１８０の変位を、収容部分、殊に、上側部分１８６のケーシング壁を所定量だけフレキシブルに構成することによって達成することもできる。
【００３６】
図４には、圧力センサ素子１８０を収容部分内に可動に支承するための別の実施例が示されており、その際、同様又は少なくとも同様の作用をする部分には、同じ参照番号を付けている。
【００３７】
図３を用いて説明した実施例とは異なって、ここでは、圧力センサ素子１８０は、ばね要素１９２を用いて固定の膜板面１９５に抗して収容部分１８６に押圧されている。シーリングは、既述のやり方と同様に、ラジアルパッキン部材１９１をコア１８８に対して用いて、又は、接着剤によって行われる。供給線１６が接続されている収容部分の下側部分１８５は、圧力供給部として使われ、ばね要素１９２によって圧力センサ素子１８０に抗して押圧されている。チャネル１８９内の還元剤溶液の凍結に起因して過剰圧力となった場合、この実施例では、圧力センサ素子１８０が変位するのではなく、圧力供給部、即ち、収容部分の下側部分１８５が変位する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の圧力センサが用いられる所属の排気ガス処理装置を有する内燃機関のブロック図
【図２】 圧力センサダイヤフラムの略図
【図３】 第１の実施例の圧力センサの断面図
【図４】 第２の実施例の圧力センサの断面図

Claims (8)

1. 液体の圧力を検出するための圧力センサにおいて、
   圧力センサダイヤフラムを有するポット状圧力センサ素子と、
   前記ポット状圧力センサ素子を収容する収容部分とを備え、
   前記収容部分はＴ状に構成され、
   前記収容部分は、前記ポット状圧力センサ素子によって包囲される円筒状のコアを有し、この円筒状のコアは中央のチャネルを有し、
   少なくとも１つのばね要素を備え、
   前記少なくとも１つのばね要素を用いて、前記ポット状圧力センサ素子が、前記ポット状圧力センサ素子の許容可能な作動圧領域内で、前記収容部分内の所定位置内に保持され、
   前記少なくとも１つのばね要素は、前記ポット状圧力センサ素子の許容可能な作動圧領域の超過時に、前記圧力センサダイヤフラム上に加わる圧力を制限し、
   前記圧力センサダイヤフラムは、測定すべき前記液体に直接にさらされており、
   前記圧力センサダイヤフラムに直接に、センサが配置され、
   前記少なくとも１つのばね要素は、前記圧力センサダイヤフラムを支持する、前記ポット状圧力センサ素子の表面と、前記収容部分内の前記圧力センサダイヤフラム側の膜板との間に設けられている
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 許容可能な作動圧領域の超過時に、前記ポット状圧力センサ素子は、前記収容部分内の前記少なくとも１つのばね要素の弾性力に抗して変位し、この変位の結果、前記圧力センサダイヤフラムの前側のスペースの容積が増大することによって、前記圧力センサダイヤフラム上に加わる圧力が制限される請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記少なくとも１つのばね要素が板ばね、湾曲又は波状の弾性板、コイルばね、円錐台ばね、緩衝ばね、渦巻きばね、又は、管状ばねとして構成されている請求項１又は２記載の圧力センサ。
4. 前記少なくとも１つのばね要素は、前記収容部分のリバーシブルに変形可能なケーシング壁として構成されている請求項１又は２記載の圧力センサ。
5. 前記ポット状圧力センサ素子と前記収容部分の下側部分とのシーリングのために、ラジアルパッキン部材が設けられている請求項１記載の圧力センサ。
6. 前記ラジアルパッキン部材として、Ｏ-リングパッキンが設けられており、前記Ｏ-リングパッキンは、前記収容部分の前記下側部分から前記圧力センサダイヤフラムの方向に延在する前記コアの溝内に嵌め込まれている請求項５記載の圧力センサ。
7. 前記ラジアルパッキン部材として、前記ポット状圧力センサ素子又は前記収容部分の前記下側部分から前記圧力センサダイヤフラムの方向に延在している前記コアに成形されているパッキンが設けられている請求項５記載の圧力センサ。
8. 前記ポット状圧力センサ素子と前記収容部分の前記下側部分とのシーリングを弾性接着剤を用いて実施する請求項５記載の圧力センサ。

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